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.     

华北克拉通上地幔顶部构造特征: 来自台站间Pn 波到时差成像的约束

上地幔顶部是地壳和岩石圈地幔能量传递和物质交换的关键区域, 华北克拉通破坏与岩石圈减薄在空间分布和破坏机制上的差异势必会造成克拉通不同区域在岩石圈地幔顶部地震波速度的不同. 使用华北及周边地区固定地震台站记录的Pn 波到时数据, 采用台站间Pn 波到时差成像方法, 反演得到了华北克拉通及周边地区上地幔顶部Pn 波速度结构. 结果显示: 华北克拉通东部、中部和西部块体上地幔顶部表现出明显不同的速度异常结构, 暗示着克拉通不同块体岩石圈在古生代以来可能经历了不同的构造演化和深部动力学过程, 并在现今上地幔顶部留下作用的痕迹. 华北克拉通东部块体渤海湾盆地地区上地幔顶部的明显高速异常可能代表了太古代岩石圈地幔的残留; 郯庐断裂带和渤海海域上地幔顶部的低速异常可能归因于岩石圈的强烈减薄和软流圈热物质的上涌; 而燕山地区下地壳和岩石圈地幔拆沉后形成的新生岩石圈地幔可能是这里上地幔顶部低速异常的原因. 华北克拉通中部块体的太行山一带上地幔顶部显示为显著的低速异常, 这一低速异常特征一直延伸到鄂尔多斯地块北缘的银川-河套裂陷和阴山造山带, 可能与软流圈热物质沿克拉通西部块体周缘岩石圈构造薄弱带上涌有关, 上涌形成的岩浆底侵或热侵蚀作用造成了岩石圈的减薄, 并显著降低了上地幔顶部的速度. 华北克拉通西部块体上地幔顶部为明显的高速异常, 反映出尚未破坏的太古代克拉通古老岩石圈的性质.     

克拉通岩石圈的生长和再造

华北克拉通岩石圈减薄研究已经成为近一个时期中国乃至世界固体地球科学研究的热点. 本文在讨论大陆地壳形成和演化的基础上, 概括了岩石圈地幔形成机制, 提出克拉通岩石圈减薄主要以两种方式发生在大陆岩石圈地幔下部, 一种是俯冲侵蚀(例如华北), 另一种是俯冲侵蚀与底垫消融相结合(例如扬子).     

太行山中南段早白垩世岩石圈地幔的水含量:对华北克拉通破坏的动力因素的制约

已有的研究表明,华北克拉通东部的岩石圈地幔在克拉通破坏峰期(早白垩世)时是高度富水的,水化造成的岩石圈强度的显著降低为克拉通破坏提供了前提.古生代以来华北克拉通经历的大洋板块南向、北向和西向的俯冲都可能造成其水化.为了查明造成水化的主导过程,本文对太行山中南段符山早白垩世高镁闪长岩中的橄榄岩包体进行了水含量的测定.数据显示,太行山早白垩世岩石圈地幔的含水量(~40 ppm)远低于华北东部同期的岩石圈地幔(1000ppm).这些结果直观地表明,华北东部早白垩世岩石圈地幔的高水含量主要是由西向俯冲的太平洋板块造成的.从这个角度来说,华北克拉通破坏的主要动力因素可能是太平洋板块俯冲.     

大陆深俯冲作用对邻区岩石圈地幔影响的时空范围:以华北陆块东南部为例

大陆深俯冲作用对邻区岩石圈地幔影响的时空范围是大陆动力学研究的核心问题之一,来源于大陆岩石圈地幔的火成岩为探索这一科学问题提供了重要资料.我们对华北陆块东南部朝鲜-辽东半岛以及辽南-吉南地区晚三叠世花岗质-镁铁质火成岩进行了详细的岩石学、同位素年代学和地球化学研究,结果表明它们是由华南与华北陆块俯冲碰撞后伸展过程中多元岩浆混合形成;相对亏损和富集地幔组分的识别标志着晚三叠世期间华北陆块东南部表现为亏损与富集岩石圈地幔共存的属性.鲁西-辽南-吉南地区早白垩世镁铁质火成岩Sr-Nd-Pb-Hf同位素组成表现出与郯庐断裂距离有关的空间变化,结合吉南地区三叠纪变质锆石和新元古代岩浆锆石的发现,推测起源于深俯冲华南陆块部分熔融的熔体改造了靠近郯庐断裂带的鲁西一侧(如方城、费县、上峪)和辽南地区的岩石圈地幔,而起源于华北陆块加厚地壳部分熔融的熔体则主要改造远离郯庐断裂带的鲁西西北部(如济南、金岭)和吉南地区的岩石圈地幔.因此,华南大陆深俯冲作用对邻区华北岩石圈地幔影响的时间为晚三叠世-早白垩世,影响的空间范围约为200 km.     

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.     

华北克拉通破坏机制与古元古代板块构造体系

在对华北克拉通岩石圈地幔性质发生变化的物理、化学过程和时空范围深入研究的基础上, 探寻其动力学作用, 需要对华北克拉通岩石圈及其周围的地幔状态和构造有整体的认识. 从地震学研究构建的华北克拉通地壳、上地幔速度结构出发, 分析研究了岩石圈厚度、壳-幔边界性质、上地幔结构和变形的构造特征和变化规律; 结合岩石地球化学研究结果, 提出了华北克拉通上地幔流动模型. 我们认为: 主要是太平洋板块俯冲使东亚大陆下方地幔流动呈现快速和不稳定的特点. 这一独特的区域地幔流动体系促进了华北克拉通上地幔中熔流体含量的增加和岩石圈软化, 导致了华北克拉通不同地区分别以拆沉和热侵蚀为主的不同方式被破坏. 同时, 根据华北克拉通地壳记录的东-西块体碰撞拼合、古洋壳消减以及古陆壳残留的证据, 揭示了地球在古元古代已经进入与现今相似的板块构造体系.     

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.     

渤海海域郯庐断裂带的地震层析成像特征

渤海是连接郯庐断裂带辽宁段和山东段的重要区域,利用地震层析成像方法重建三维P波速度模型,展示了渤海海域地壳和上地幔结构的变化,揭示出郯庐断裂带的深部构造特征以及与构造活动的关系.分析表明,渤海海域的地壳结构存在明显的横向非均匀性:在辽东湾及渤海中部,郯庐断裂带附近的地壳具有双层结构,浅部为低速沉积层,地壳中、下部速度偏高,未见壳内低速层,显示了相对稳定的地壳结构特征,与现今较弱的地震活动相吻合.在渤海南部及莱州湾,郯庐断裂带受张家口-蓬莱断裂带的影响较大,全新世以来的构造活动使得这一地区的地壳结构极为复杂,成为地震活动频繁发生的重要原因之一.此外,渤海海域地壳中、下部和上地幔平均速度偏低,推测与华北克拉通破坏及地幔上涌存在一定的联系.地幔热流物质有可能沿郯庐断裂带形成的通道向上侵入,在地壳底部冷却后形成高速薄层,对于强化壳幔边界、减缓断裂带的构造活动起到了一定作用.     

透辉石的激光探针ICP质谱分析及其深部地质意义

第三纪汉诺坝玄武岩中含有大量的橄榄岩类捕虏体,通过激光探针ICP质谱对其组成矿物透辉石的分析,揭示了华北克拉通北缘岩石圈地幔的总体亏损特征和不均一性,指出岩石的部分熔融程度对透辉石的稀土元素组成特征的影响,提出复合捕虏体形成于上地幔内部的应力作用,而非后期地幔流体的交代作用。     

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.     

大别造山带的去山根过程与机制:碰撞后岩浆岩的年代学和地球化学制约

系统的大别山碰撞后岩浆岩年代学和地球化学研究表明,大别山加厚镁铁质下地壳在143-131 Ma时发生部分熔融,生成低镁埃达克质岩;130 Ma左右加厚下地壳拆沉,引起了地幔上涌,产生了130 Ma以后的大规模镁铁质和花岗质岩浆作用.在大别山低镁埃达克岩形成同时,已折返至中地壳的北大别岩片也发生部分熔融,产生北大别混合岩.本文论证了在山根垮塌前,诱发大别山中、下地壳发生部分熔融需要造山带加厚岩石圈地幔根先期发生了减薄.根据克拉通岩石圈地幔的地温梯度(6.6℃/km)和玄武质地壳熔融温度(1000℃),可估计在发生造山带加厚下地壳部分熔融时,其下的岩石圈地幔厚度应减薄到小于45 km.据此,提出大别山两阶段去山根过程模型.岩石圈冷山根诱发的地幔对流导致在-145 Ma时岩石圈地幔突出部位被先减薄.它导致加厚镁铁质下地壳温度和地壳中下部地热增温率升高,并使其发生部分熔融.加厚下地壳的部分熔融导致了造山带下地壳弱化,加大其重力不平衡,从而引发加厚镁铁质下地壳的拆沉和山根垮塌.因此,软流圈对流侵蚀和加厚下地壳拆沉这两种岩石圈减薄机制具有因果关系.     

大别造山带深部地缝合线与地表地缝合线的解耦及大陆碰撞岩石圈楔入模型: 中生代幔源岩浆岩Sr-Nd-Pb同位素证据

中国东部华北和华南陆块的中生代镁铁质岩浆岩的Nd-Pb同位素存在显著差异 华北陆块中生代幔源岩浆岩的εNd值可低至-15～-21, 206Pb/204Pb<17.9, 而华南陆块的εNd值>-10, 206Pb/204Pb>18.3. 大别造山带北部发育的中生代辉石-辉长岩的εNd值可低至-19, 206Pb/204Pb<17.3. 这说明北大别带深部岩石圈的地球化学特征与华北陆块岩石圈类似, 而不同于华南陆块. 因此, 虽然大别造山带华北与华南陆块地表地缝合线位于北大别带北侧, 但是切割中国东部的中生代深部岩石圈Nd同位素剖面显示其深部地缝合线应位于北大别带以南. 这与前人建议的郯庐断裂以东深部地缝合线南移现象是一致的, 但与华南陆块地壳向北俯冲相矛盾. 这一深部地缝合线与地表地缝合线的解耦现象可以用大陆碰撞岩石圈楔入模型来解释. 俯冲板片断离后, 两陆块的持续会聚可形成缝合带的强挤压环境, 从而导致已折返的俯冲陆壳与未折返的镁铁质下地壳及岩石圈地幔分离, 并使华北陆块下地壳及岩石圈楔入扬子陆块北缘俯冲陆壳和岩石圈地幔之间. 这一构造作用导致华南陆块原俯冲陆壳向北仰冲, 而华南陆块深部岩石圈向华北陆块下俯冲. 它是导致大别山侏罗纪超高压变质岩的第2次快速抬升和岩石圈拆离(delamination)及相应岩浆作用的重要构造机制. 大别-苏鲁造山带深部地缝合线南移也为早白垩纪沿长江中下游一带发生的大规模中生代岩浆-成矿作用创造了深部构造条件.     

一个残留的地幔楔: 来自华北早第三纪火山岩的证据

对华北早第三纪火山岩（由K－Ar年龄确定）进行了系统的主元素、微量元素和Sr,Nd,Pb同位素分析。这些资料显示，早第三纪火山岩主要是钙碱质，其次是碱质的，并且与晚第三纪和第四纪火山岩在地球化学上明显差异。特别是，华北南部的早第三纪火山岩来源于富集的岩石圈地幔（EMⅡ），这一富集地幔可能是印支期扬子大陆向华北大陆俯冲形成的地幔楔的残留。     

论华北克拉通破坏的时限

华北克拉通破坏时限的确定是探讨克拉通破坏机制及其动力学控制因素的关键, 长期以来存在较大的分歧. 华北克拉通破坏的提出标志着其内涵已经不仅仅局限于岩石圈减薄, 还包括岩石圈物质成分、热状态和流变学性质以及相关的岩浆作用等方面的变化. 由于后几种变化不一定只与岩石圈伸展关联, 因此, 克拉通破坏时限不能光靠伸展构造来确定. 本文从岩浆生成和演化的基本原理出发, 厘定了与克拉通破坏有关的岩浆活动标志, 并结合该地区岩浆性质和盆地演化的特征, 对华北岩石圈破坏的时限进行了约束, 获得以下认识: (1) 华北岩石圈减薄作用可能始于晚石炭纪-晚三叠纪, 在晚侏罗纪-白垩纪达到高峰, 并一直持续到白垩纪末期-新生代早期, 因此华北岩石圈减薄是一个相对缓慢的过程; (2) 克拉通边缘和内部的岩石圈薄弱带在华北克拉通破坏中的作用显著, 造成了克拉通破坏的时空不均匀性; (3) 导致华北岩石圈破坏的构造控制因素可能是多元的. 晚石炭纪古亚洲洋的南向俯冲以及后续的碰撞作用和晚三叠纪华南-华北板块的碰撞作用对华北克拉通破坏起到了“唤醒”的作用. 太平洋板块的俯冲对华北岩石圈破坏的影响则是决定性的, 是导致这一地区现今盆地和主要构造线的走向, 岩浆作用性质的演变以及南北重力梯度带的形成的主因.     

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。     

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.     

大别-苏鲁造山带碰撞后的岩石圈拆离

应用地质、各市地球化学及地球物理3个方面已有的研究结果，探讨大别-苏鲁造山带碰撞后岩石圈撤拆离发生的可能性及发生时代，大别山超高压变质（UHPM）岩第1次快速冷却时代（226～219Ma）与秦岭-苏鲁地区同碰撞花岗岩年龄（220～205Ma）的一致性，说明UHPM岩石第1次快速抬升与俯冲板块断离有关，因此它们的第2次快速抬升（180～170Ma）需要碰撞后的岩石圈拆离，同时导致大别山170Ma左右的岩浆事件，此外，早白垩世（130～110Ma）大别山穹隆的迅速隆升及相对应的大规模岩浆事件也需要另外一次岩石圈拆离，碰撞后幔源镁铁-超镁铁岩侵入体的同位素年代学及相互关系的研究表明，大别-苏鲁造山带碰撞后的早白垩世大规模岩浆事件源于深部软流圈地幔上涌，辉石-辉长岩随MgO降低，SiO2也下降的分离结晶演化趋势，及典型的下地壳地球化学特征表明，这一幔源岩浆在侵入地壳之前曾经历过岩浆的板底垫托（underplating）过程及与下地壳相互作用，岩石圈拆离可能是引发造山带碰撞后地幔上涌及岩浆板底垫托事件的原因，大别-苏鲁造山带的地震层析结果显示，大别山南北两侧岩石圈均已显著减薄，除合肥盆地靠近郯庐断裂部分的岩石圈减薄可能与新生代玄武岩事件有关系外，因为大别山缺乏新生代玄武岩事件，大别山区的岩石圈减薄可能主要是岩石圈拆离造成的，此外，在40km处该带普遍存在一薄的低速层，以及该带白垩纪存在盆地 穹隆 盆地的耦合关系，均显示了该造山带两侧曾发生了岩石圈拆离和岩浆板底垫托作用。     

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.     

中国东部出露的最年轻侵入体的锆石离子探针年龄

高精度的离子探针分析显示，出露于吉林省桦甸县南部华北地台上的永胜岩体，其锆石 Ｕ－Ｐb同位素年龄为（３１．６±１．３） Ｍａ，代表了该岩体的侵位结晶年龄，尽管地球化学资料显示岩石在形成过程中存在强烈的结晶分异作用，但Ｓｒ和Ｎｄ同位素特征表明其岩石圈地幔源区具弱亏损性质，反映老第三纪时，华北地台原有的富集型岩石圈地幔已被新生的软流圈型地幔所取代．