大陆深俯冲作用对邻区岩石圈地幔改造的时间、方式与过程:鲁西橄榄岩类与辉石岩类捕虏体证据

鲁西早白垩世镁铁质岩石中有橄榄岩类和辉石岩类捕虏体,前者包括含尖晶石方辉橄榄岩(约占3%)、含铬铁矿纯橄岩(约占95%)和含铬铁矿异剥橄榄岩(约占2%).它们的岩相学、全岩地球化学与矿物地球化学为深俯冲陆壳对相邻岩石圈地幔的改造过程提供了直接证据.含尖晶石方辉橄榄岩主要由橄榄石(82%-89%)、斜方辉石(8%-13%)以及次要的尖晶石(1%-2%)、单斜辉石(-1.5%)和角闪石(-1%)组成,橄榄石的Mg#值介于92.1-93.8之间,其平均值为92.5,橄榄石的δ18O值介于5.5‰-5.6‰之间,全岩的Re亏损模式年龄(TRD)为2.6-2.68 Ga;部分纯橄岩和异剥橄榄岩中的橄榄石具有相对较低的Mg#值(85-90)和较高的δ18O值(6.1‰-7.7‰)以及明显偏高的全岩187Os/188Os比值(0.1269-0.5780).前者代表了鲁西早白垩世期间古老岩石圈地幔的少量残留,后者意味着鲁西早白垩世期间岩石圈地幔的绝大多数已经被改造.费县早白垩世玄武岩中含橄榄石的二辉石岩中可观察到橄榄石被斜方辉石所交代和相继出现的斜方辉石被单斜辉石所交代的改造过程,这与斜方辉石(1097-1491μg/g)和单斜辉石(581-809μg/g)明显富集Ni的地球化学属性相吻合.辉石岩中橄榄石的氧同位素组成(δ18O=7.28‰-8.21‰)和单斜辉石的锶同位素组成(介于0.70862-0.70979之间)表明,改造岩石圈地幔的熔体起源于深俯冲扬子板片的部分熔融.     

我国东北部幔源包体中稀有气体丰度和同位素组成

报道了辽宁宽甸、吉林辉南和河北汉诺坝新生代玄武岩中幔源包体的稀有气体丰度和同位素组成。与大洋中脊玄武岩（MORB）和其他地区相比，我国东北部幔源包体具有较低的稀有气体丰度、类似或低于MORB的^3He/^4He比值、低于MORB的^40Ar/^36Ar比值、类似大气的^38Ar/^36Ar和Ne-Kr-Xe同位素组成等特征。这些结果表明我国东北部岩石圈地幔的不均一性，即存在类似于宽甸的亏损地幔和类似于辉南地区的富集地幔。3个地区低^40Ar/^36Ar比值可能暗示着岩石圈地幔中随板志消减而加入了大气稀有气体成分。     

山东昌乐玄武岩内刚玉巨晶稀有气体同位素组成

玄武岩内刚玉巨晶中的稀有气体同位素组成, 国内外文献均未有报道. 对山东昌乐新生代玄武岩内刚玉巨晶研究显示, 其³He/⁴He为1.13~7.37 Ra, 介于大气比值和MORB比值之间; ²⁰Ne/²²Ne为9.67~10.75, ²¹Ne/²²Ne为0.0280~0.0372, 在²⁰Ne/²²Ne-²¹Ne/²²Ne图解中投影点沿MFL线和大气比值至MORB比值线分布; ³⁸Ar/³⁶Ar为0.177~0.194, 总体高于大气比值, ⁴⁰Ar/³⁶Ar为280.9~404.2, 近大气比值但略高; ^128~136Xe/¹³²Xe普遍高于大气比值, 其中¹²⁹Xe明显较大气过剩. 总体看, 刚玉与该区地幔包体、辉石及歪长石巨晶矿物内的稀有气体同位素组成基本一致, 与中国东部许多地区发育的幔源包体和巨晶矿物的He和Ar同位素组成也很相似. 个别刚玉较其他样品具有异常稀有气体同位素比值, 认为它曾长期暴露地表受宇宙射线作用所致. 刚玉中的稀有气体继承自其形成环境中的流体, 这种流体代表着俯冲板块脱出的流体与地幔发生混染/交代作用后的一种“地幔流体”. 刚玉中稀有气体同位素组成不具壳源比值特征, 刚玉矿物氧同位素组成也未反映出有壳源物质加入, 因此, 研究区刚玉巨晶可能是从幔源岩浆演化出的碱性熔体中直接结晶形成, 壳源物质的贡献不明显.     

女山和英峰岭地幔巨晶矿物中He和Ar同位素特征及其地质意义

应用真空击碎释气进样和静态同位素比值质谱测量技术, 测定安徽省女山和广东省英峰岭新生代碱性玄武岩中地幔矿物的巨晶捕虏体(单斜辉石、石榴子石和钛铁矿3种巨晶)中He和Ar同位素组成. 结果表明, 中国陆缘上地幔的³He/⁴He值为7.99~8.58Ra, 具有MORB型地幔特征. 而⁴⁰Ar/³⁶Ar值为313~909, 显示地幔氩与大气氩二元混合的特征. 海洋板块的俯冲作用把海洋沉积物带入陆缘地幔, 是造成二元Ar同位素混合的地球动力学因素. 发现在钛铁矿巨晶中含有丰富的地幔流体包体和惰性气体.     

中国东部幔源岩石的氧同位素激光探针分析

对中国东部新生代玄武岩中橄榄岩包体的巨晶矿物的激光探针氧同位素分析结果表明,大多数矿物的δ＾１８Ｏ值与世界范围值一致,单斜辉石－橄榄石和斜方辉石－橄榄石矿物对的氧同位素测温给出了阳离子配分温度计一致的温度。虽然,中国东部大陆岩石圈地幔处于封闭体系条件下的氧同位素平衡状态。     

华北中生代玄武岩的地球化学特征与岩石成因:以辽宁阜新为例

辽宁阜新白垩纪玄武岩的出现为了解中生代时期华北北缘地幔过程提供了可能. 阜新碱锅玄武岩为火山通道相, 柱状节理发育, 并含少量的尖晶石二辉橄榄岩和辉石岩捕虏体. 其化学组成贫硅、富碱、高钛和铝, 属碱性玄武岩. 在微量元素组成上, 碱锅玄武岩中等程度地富集轻稀土元素和大离子亲石元素, 但不亏损高场强元素. 其Sr同位素比值低, Nd和Pb同位素比值高. 这表明碱锅玄武岩起源于亏损的软流圈地幔, 代表未分异无混染的原始岩浆. 该玄武岩的出现暗示华北北缘此时的岩石圈厚度小于65 km, 岩石圈地幔主要由“富集”的含韭闪石尖晶石二辉橄榄岩和斜长石辉石岩组成. 早侏罗~晚白垩大量且持续的中基-中酸性岩浆活动表明华北北缘岩石圈减薄作用的开始和结束时间较华北南缘的早, 因为鲁西南地区大量的中基性火山活动仅出现于白垩纪, 而且具软流圈同位素特征的玄武岩出现在第三纪, 显示华北岩石圈演化的时空不均一性.     

皖苏地区幔源物质的氧同位素组成

氧同位素组成对于了解岩石成因、地幔不均一性和壳-幔相互作用等具有重要意义。国外对幔源物质的δ~(18)O作了大量测定,揭示了地幔δ~(18)O的不均一性,玄武岩的高、低δ~(18)O的地幔源区,以及扩δ~(18)O和Nd,Sr,Pb同位素组成的协变性等。国内研究报道甚少,与Sr,Nd,Pb同位素和REE等痕量元素地球化学研究相比较,存在明显差异。本文报道皖苏地区新生代大陆玄武岩、幔源橄榄岩包体、单斜辉石和歪长石巨晶捕虏体的δ~(18)O,并讨论其地球化学意义。     

江西漂塘钨矿成矿流体来源的He和Ar同位素证据

江西漂塘钨矿是华南钨矿的一个典型代表, 对该矿床主成矿阶段形成的黄铜矿、黑钨矿样品进行了流体包裹体He和Ar同位素组成测定, 结果表明, 成矿流体的3He/4He值为0.17~ 0.86 R/Ra, ⁴⁰Ar/³⁶Ar值为354.5~590.7. 根据这些样品的He和Ar同位素组成特征, 即³He/⁴He比值介于地壳(0.01~0.05 R/Ra)和饱和大气水(1 R/Ra)之间, 明显低于地幔的³He/⁴He比值(6~9 R/Ra), 而⁴⁰Ar/³⁶Ar稍高于大气饱和水的Ar同位素组成, 结合与成矿有关的花岗岩体及矿床中锂元素含量特征, 认为漂塘钨矿成矿流体以混有部分饱和大气水的地壳流体为主, 没有明显的幔源流体参与.     

拆沉作用与华北克拉通破坏

综述了近年来对岩石圈拆沉作用化学和物理过程的研究及其对华北克拉通破坏的效应, 强调了榴辉岩熔体-橄榄岩反应形成的辉石岩源区及其导致的地幔化学不均一性是拆沉作用的地幔直接响应. 由此形成的来自辉石岩源区的玄武岩具有独特的矿物学和地球化学标志, 可很好地解释华北克拉通中生代玄武岩. 熔体-橄榄岩反应可能是导致克拉通岩石圈地幔富化、密度升高、弱化、最终失稳的重要原因. 其中熔体的性质是鉴别不同克拉通破坏机制的关键.     

华北中生代玄武岩中地幔橄榄石捕虏晶: 对岩石圈地幔置换过程的启示

山东方城玄武岩(125 Ma)中发现罕见的具有明显环带结构的橄榄石. 橄榄石中心部分的组成(Mg# = 87.2~90.7)类似于华北新生代玄武岩携带的橄榄岩捕虏体中橄榄石的组成, 其边缘部分(Mg# = 76.8~ 83.9)接近于玄武岩中斑晶橄榄石的组成(75.7~79.0). 橄榄石的这种化学成分特征及其浑圆的晶体形态和较小的颗粒(300~800 μm)皆说明这些橄榄石是地幔矿物捕虏晶, 即地幔橄榄岩的解体矿物. 其中心部分能够代表地幔橄榄岩的组成. 橄榄石的环带结构是橄榄石捕虏晶与寄主玄武岩快速反应造成的. 这种橄榄石与玄武质岩浆的相互反应可能在华北中生代岩石圈地幔中普遍存在, 即为岩石圈地幔置换作用的重要方式. 从而使古生代主量元素亏损的高镁橄榄岩转变为中生代晚期的主量元素饱满同位素富集的低镁橄榄岩, 造成古老岩石圈地幔的消失.     

中国东部新生代玄武岩中锆石巨晶的Hf同位素组成

中国东部广泛分布着新生代玄武岩, 其中部分地区含有锆石巨晶, 它们可视为岩石圈地幔的组成矿物, 与由地壳物质加入而导致的地幔交代作用有关. 运用配有激光器的多接收等离子体质谱仪(LA-MC-ICPMS), 对山东昌乐、福建明溪和海南蓬莱地区的锆石巨晶进行了Hf同位素测定. 除海南地区的个别情况外, 每一地点不同锆石样品的Hf同位素差别并不明显. 其中山东昌乐地区的¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf比值为0.28302~0.28308, 福建明溪为0.28297~0.28300, 海南蓬莱为0.28288~0.28293, 所对应的e Hf值分别为8.7~10.8, 7.0~7.9和3.9~5.7, 显示不同地区间存在一定的差别, 其Hf同位素模式年龄均集中在显生宙范围内. 根据上述Hf同位素特征, 提出中国东部岩石圈地幔的交代作用发生在显生宙, 并极有可能发生在中新生代, 但对岩石圈地幔本身的形成时代, 目前还不能得出确切的结论.     

河北阳原幔源包体的Sr-Nd同位素特征指示华北克拉通中部存在EMI型古老富集地幔

位于太行山重力梯度带西侧的河北阳原第三纪碱性玄武岩中产有大量幔源包体, 包括二辉橄榄岩、方辉橄榄岩和辉石岩. 在橄榄石含量-橄榄石成分图解上, 阳原橄榄岩偏离大洋趋势线, 多数落在太古宙和元古宙地幔范围; 部分富集LREE的样品具有EMI型的Sr-Nd同位素特征(ε_Nd = -6.9 ~ -10.6, ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr = 0.7044~0.7047), 而另一些富集LREE的样品的ε_Nd值(+5.7)与亏损LREE的样品相类似. 这说明阳原上地幔经历了多期地幔交代作用. 由于EM1型同位素组成常见于典型古老克拉通下岩石圈地幔, 因此阳原包体为华北西部存在古老岩石圈地幔提供了新的证据.     

新疆托云地幔单斜辉石微量元素与西南天山岩石圈深部过程

根据新疆西部早白垩世玄武岩中橄榄岩捕虏体单斜辉石的激光探针(LAM-ICPMS)微量元素分析结果, 分析了托云盆地陆下岩石圈地幔的性质及其所经受的部分熔融作用和地幔交代作用等深部过程. 塔里木盆地北缘(西南天山)中生代时的陆下岩石圈具显生宙的 "大洋型" 地幔特征, 经历了低于10%的部分熔融作用和复杂的地幔交代作用影响. 交代介质类似于含水的硅酸盐质碳酸岩熔体, 可能是SiO2不饱和的硅酸盐熔体与碳酸岩熔体叠加结果. 该地幔与中国东部新生代时的主体地幔性质相似, 但岩石的矿物颗粒总体较细、岩石中透辉石的总体含量较高、地幔显交代作用较明显.     

橄榄岩-熔体相互作用: 克拉通型岩石圈地幔能够被破坏之关键

对近年来华北克拉通不同时代地幔橄榄岩捕虏体和捕虏晶的研究结果进行了系统的归纳和总结, 旨在为华北克拉通破坏过程的进一步研究提供新的思路. Re-Os同位素研究结果证明华北岩石圈减薄前岩石圈地幔的确形成于太古代. 这种密度低、难熔程度高的古老岩石圈地幔能够被破坏和减薄的关键是由橄榄岩与多来源熔体的相互作用造成岩石圈地幔的组成和物理性质的改变引起的. 华北克拉通周边板块的俯冲-碰撞作用不仅提供了克拉通破坏的动力来源, 而且俯冲下去的大陆壳或大洋壳物质熔融还为岩石圈地幔组成的改变提供了源源不断的熔体. 120 Ma左右的区域性热异常的存在导致已经被改造的岩石圈地幔熔融, 此时或随后岩石圈的伸展作用以及软流圈上涌进一步加剧了地幔的熔融和岩石圈的减薄. 因此, 华北岩石圈的破坏和减薄是橄榄岩-熔体相互作用(加挥发分)、区域热异常的升高(增温)和岩石圈伸展(减压)联合作用的结果. 这一复杂的地质过程最终形成了华北中生代、新生代高度化学不均一的“混合”岩石圈地幔, 并导致了不同地区不同时代地幔橄榄岩捕虏体组成的巨大差异.     

鲁东晚白垩世玄武岩中的幔源捕虏体: 对中国东部岩石圈减薄时间制约的新证据

⁴⁰Ar-³⁹Ar定年结果表明, 胶莱盆地大西庄碱性玄武岩的形成年龄为73.5±0.3 Ma. 玄武岩的ε _Nd (t)值为+7.5~+7.6, 表明原始岩浆来源于亏损的软流圈地幔, 形成深度在65~95 km之间. 该玄武岩中含有尖晶石二辉橄榄岩捕虏体, 橄榄石的Fo值为88~89, 平衡温压估算为T = 1010~1140℃, P = 2.0 GPa, 稳定深度在65 km左右. 山东晚中生代(110~125 Ma)幔源岩石的地球化学特征反映了华北地块南缘富集性质的岩石圈地幔的普遍存在, 而大西庄玄武岩的地球化学性质和幔源捕虏体的平衡温压显示, 该地区73 Ma时期的岩石圈厚度和中国东部新生代的一致, 捕虏体矿物的化学成分显示岩石圈地幔具有新生的性质, 说明中国中东部岩石圈的减薄发生在约120 ~ 73 Ma之间.     

山东临朐新生代玄武岩携带的单斜辉石晶体中玻璃质熔体包裹体

山东临朐新生代玄武岩携带有较多的单斜辉石晶体, 这些单斜辉石中发现存在大量玻璃质熔体包裹体. 玻璃质熔体包裹体形状极不规则, 大小多在10~50 μm之间, 并与低镁橄榄石、拉长石和富钙钾长石共生. 原位主、微量元素分析表明玻璃质熔体包裹体富碱(Na₂O+K₂O > 10%), 高硅(>54%)、钙、铁(>4%, 质量分数, 下同), 贫镁(Mg# < 20), 富集轻稀土元素((Ce/Yb)_cn = 11.6~16.4), 并具有明显的Eu正异常(Eu/Eu* > 2), 即为类似响岩质组成. 单斜辉石晶体和玻璃质熔体包裹体及其共生矿物的组成特征说明这些熔体包裹体是寄主玄武岩携带前捕获的外来熔体. 该熔体包裹体的发现为进一步探讨华北东南部中生代岩石圈地幔的演化过程提供了另一个新的途径.     

新疆托云地幔单斜辉石微量元素与西南天山岩石圈深部过程

根据新疆西部早白垩世纪玄武岩中橄榄岩捕虏体单斜辉石的激光探针（LAM-ICPMS）微量元素分析了托云盆地陆下岩石圈地幔的性质及其所经受的部分熔融作用和地幔交代作用等深部过程。塔里木盆地北缘（西南天山）中生代时的陆下岩石圈具显生宙的“大洋型”地幔特征，经历了低于10%的部分熔融作用和复杂的地幔交代作用影响。交代介质类似于含水硅酸盐质碳酸岩熔体，可能是SiO2不饱和的硅酸盐溶体与碳酸岩体叠加结果。该地幔与中国东部新生代时的主全地幔性质相似，但岩石的太物颗粒总体较细、岩石中透辉石的总体含量较高、地幔显交代作用较明显。     

大陆俯冲带壳幔相互作用的碰撞后镁铁质岩浆岩记录

对大别-苏鲁造山带和华北陆块东南缘中生代碰撞后镁铁质岩浆岩进行详细的同位素年代学和地球化学研究,结果显示出弧型微量元素分布特征、富集的Sr-Nd-Pb-Hf同位素组成和异常的锆石18O值.尤其特别的是,大别造山带部分镁铁质岩浆岩具有低的锆石18O值并含有新元古代和三叠纪U-Pb年龄的残留锆石,这是区分俯冲华南陆块与上覆华北陆块的鉴定性特征.这些特征指示它们来源于造山带岩石圈地幔的部分熔融.在三叠纪大陆碰撞过程中,来源于俯冲华南陆壳的长英质熔体与上覆华北岩石圈地幔橄榄岩反应,形成了富集的造山带岩石圈地幔.根据某些特定的微量元素比值如Ba/Th,Sr/Rb和(La/Yb)N等,可以厘定出卷入大陆俯冲隧道壳幔相互作用的陆壳物质既有俯冲陆壳基底,也有上覆沉积盖层.因此,碰撞造山带以及上覆陆块边缘的碰撞后镁铁质岩浆岩为大陆俯冲带壳幔相互作用提供了岩石学和地球化学记录.     

不同时空背景幔源物质对比与华北深部岩石圈破坏和增生置换过程

华北克拉通地幔破坏作用, 使之成为世界研究大陆形成演化的最理想地区之一. 但有关破坏机制、时限、范围及其动力学背景, 甚至破坏前岩石圈状况等相关联问题都存争议. 华北东部不同时代(如古生代、中生代和新生代)、位置(如地块内部与边缘、郯庐断裂带和重力梯度带)火山岩所携带捕虏体橄榄岩, 及其南侧苏鲁-大别造山带地质体橄榄岩等直接的岩石圈地幔物质对比表明: 华北古老岩石圈是不均一的、存在幔内薄弱带, 中生代、新生代岩石圈减薄作用包括地幔伸展、熔体-岩石作用、不均匀侵蚀减薄与小幅增生增厚, 从而实现难熔克拉通地幔被新生饱满岩石圈地幔置换作用等复杂过程. 早中生代时, 扬子大陆深俯冲碰撞引起华北岩石圈的完整性受影响甚至破坏、边缘受俯冲陆壳释放熔/流体交代改造、岩石圈地幔伸展和构造侵位以及受山根断离扰动软流圈物质上涌侵蚀等; 早白垩世-早第三纪时, 太平洋板块俯冲进一步扰动软流圈并强烈上涌侵蚀上覆岩石圈引起它的巨大减薄作用; 晚第三纪以来上涌软流圈的热沉降作用带来小幅度岩石圈增生增厚过程, 最终实现了已存岩石圈被新生地幔置换和岩石圈整体的减薄作用, 并由此构成了陆内造山和克拉通盆地形成耦合过程的深部驱动力. 郯庐等岩石圈深大断裂带是软流体物质上涌的良好通道, 同时由于在岩石圈内部起通道作用的幔内薄弱带是不规则的, 它们引导着软流圈物质侵蚀岩石圈和岩浆喷出地表的时间存在早、晚不一致现象. 喷发时代为100 Ma的玄武岩所捕获的橄榄岩主体是饱满的, 说明华北东部的一些地区在此之前(如125~100 Ma)曾有过地幔置换作用发生.     

华北地块南缘钼矿床黄铁矿流体包裹体氦、氩同位素体系及其对成矿动力学背景的示踪

以华北地块南缘东秦岭钼矿带的金堆城、东沟、石家湾和三道庄等钼矿床为例, 报道了东秦岭钼矿带成矿流体氦和氩同位素组成, 通过氦、氩和铅同位素的综合研究, 探讨了成矿流体来源、演化及其与秦岭造山带中-新生代陆内碰撞造山过程的耦合关系. 华北地块南缘东秦岭钼矿带钼矿床黄铁矿流体包裹体的3He/4He比值在1.38~3.64 Ra之 间, 40Ar/36Ar比值为295.68~346.39, 指示成矿流体系由不同性质和组成的两个端元流体混合而成, 即与壳幔混合成因斑岩体同源的高温深源流体和富含地壳放射成因氦但具有空气氩同位素组成特征的低温大气降水. 东秦岭钼矿带矿床铅同位素组成、斑岩体和区域地层岩石含矿性资料共同揭示, 矿床成岩成矿物质来自深部, 为下地壳和上地幔混合源.华北地块南缘钼矿床的形成可能与秦岭造山带碰撞造山后的陆内造山和伸展过程相伴的壳幔相互作用有关, 与钼矿化有关的斑岩属同熔型花岗岩类, 而非简单的陆壳重熔型花岗岩类或S型花岗岩, 因此具有深刻的深部和区域地球动力学背景.