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.     

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.     

冀东3.8 Ga锆石Hf同位素特征与华北克拉通早期地壳时代

锆石U-Pb同位素测定显示, 冀东铬云母石英岩来自于36~38亿年左右花岗质岩石的风化剥蚀. 激光原位Hf同位素分析表明, 这些锆石在后期地质演化过程中基本保持Hf同位素体系的封闭, U-Pb谐和点锆石的Hf同位素模式年龄均在38亿年左右, 反映了该古老地壳物质的再循环. 其中38亿年左右年龄的锆石具有与球粒陨石相同的Hf同位素组成, 表明其源岩花岗质岩石来自于年轻地壳的部分熔融, 且该年轻的地壳来源于未经明显壳幔分异事件的地幔. 因此, 冀东地区在38亿年以前未发生大规模的地壳生长事件. 结合其他地区的锆石Hf同位素资料, 本文推测, 华北克拉通最早期的地壳可能形成于40亿年左右. 目前, 在华北地区找到更古老地壳的可能性很小.     

密云岩墙群的时代及其对长城系底界年龄的制约

北京市密云水库附近分布着一些北-东走向,个体宽度达40m以上,长度达8000m的岩墙,本文称之为密云岩墙群.从一条宽约40m的岩墙中分选出了大量斜锆石,同位素稀释法获得其207Pb/206Pb年龄为1731±4Ma(n=4;1731±1Ma,n=3).该岩墙被长城群底部常州沟组底砾岩不整合覆盖,这一年龄限定常州沟组沉积起始时代晚于1731Ma.由于长城群是长城系的标准剖面,因此,这一年龄指示长城系的起始时代应晚于1731Ma.本区斜长岩杂岩体及环斑花岗岩(1730~1680Ma)被认为与长城群所在的燕辽裂谷有成因联系.但是,密云岩墙群的成因与上述岩体并不相同,指示不同的地质事件.长城群是我国地质时代单元长城纪时代划分的重要依据之一,考虑到1731Ma前后地质事件性质可能发生了变化,建议将长城纪起始时代定为1730Ma或者稍晚.     

熊耳群火山岩锆石SHRIMP年代学研究:对华北克拉通盖层发育初始时间的制约

熊耳群火山岩广泛发育于华北克拉通南部, 它的形成标志着华北克拉通南部盖层发育的开始. 准确厘定熊耳群火山岩的形成时代, 对于揭示华北克拉通元古宙时期的构造格局与演化历史有重要意义. 应用SHRIMP U-Pb方法对熊耳群火山岩和同期的次火山-侵入岩共5个样品的锆石进行了84个测点的精确定年, 结果表明: 熊耳群形成于古元古代1.80~1.75 Ga. 因为熊耳群早于长城系, 推断长城系的底限年龄可能在1.75 Ga. 华北克拉通南部新近的SHRIMP U-Pb年龄资料, 表明华北克拉通南部有1.84 Ga左右热-构造事件的地质记录, 而熊耳群火山岩的发育标志着华北克拉通古元古代裂解事件的开始. 熊耳期岩浆岩中大量继承性岩浆锆石的存在(主要是2.20 Ga左右), 说明熊耳期岩浆可能来源于2.20 Ga左右的地壳, 或者是熊耳期幔源岩浆同化混染了大量的2.20 Ga左右的地壳物质.     

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.     

华北克拉通北缘晚古生代活化: 山西宁武-静乐盆地上石炭统太原组碎屑锆石U-Pb测年及Hf同位素证据

对华北克拉通西部山西宁武-静乐盆地上石炭统太原组(N-8)地层样品进行了碎屑锆石LA-MC-ICPMS U-Pb年龄测定, 72个单颗粒锆石年龄分成303~320 Ma (6颗)、1631~ 2194 Ma (37颗, 峰值1850 Ma)和2318~2646 Ma(29颗, 峰值2500 Ma)三组. 第二组和第三组碎屑锆石是华北克拉通基底的反映. 第一组碎屑锆石的176Hf/177Hf比值分布于0.281725~0.282239, 具有较低的εHf (t)值(-12.4~ -30.3)和较老的Hf模式年龄(1.43~2.16 Ga), 与华北北缘内蒙古隆起内的石炭纪火成岩锆石年龄及Hf同位素特征相似, 而明显区别于兴-蒙造山带, 表明山西宁武-静乐盆地太原组的部分物源来自于华北克拉通北缘的内蒙古隆起. 第一组年轻碎屑锆石的Th/U都较高(大于0.67), 应为岩浆锆石, 其中最年轻的两颗锆石的平均年龄((304 ± 6) Ma) 与地层沉积年龄相近, 暗示晚石炭世内蒙古隆起发生了强烈的构造抬升和岩浆活动, 为晚石炭世华北克拉通北缘活化提供了证据.     

华北克拉通太古宙陆核氧同位素(δ17O-δ18O)组成不均一性的初步研究

通过对华北克拉通不同陆核斜长角闪岩类氧同位素组成测试和分析,表明:(ⅰ) 来自不同陆核的岩石氧同位素数据所构成的演化线都平行于地月演化线,说明这些陆核演化的母体属于太阳系物质;(ⅱ) 不同陆核的氧同位素组成演化线斜率相近,截距不同,说明华北克拉通太古宙不同陆核起源于氧同位素组成不均一的古地幔源.     

华北克拉通2.5 Ga地壳生长事件的Nd-Hf同位素证据: 以怀安片麻岩地体为例

怀安片麻岩地体是华北克拉通中部代表性的晚太古代TTG 片麻岩地体之一, 主体是形成于2.5 Ga 的TTG 片麻岩和闪长质片麻岩. TTG 片麻岩的ε_Nd(t)值(2.7 ~ 4.3)和大部分岩浆锆石的ε_Hf(t)值(2.0 ~ 8.3)分别与同期2.5 Ga 的亏损地幔ε_Nd(t)值和ε_Hf(t)值相近, 并且较年轻的Hf模式年龄2.44 ~ 2.73 Ga 和锆石U-Pb 年龄一致. 与TTG 片麻岩共生的闪长质片麻岩, 由于老地壳物质加入, 其ε_Nd(t)值(0.8 ~ 1.7)略低于亏损地幔ε_Nd(t)值; 但多数岩浆锆石的ε_Hf (t)值(2.0 ~ 7.9)也与同期亏损地幔ε_Hf (t)值相当, 部分Hf模式年龄2.49 ~ 2.75 Ga 也和锆石U-Pb年龄一致. 这些特征显示TTG 片麻岩和闪长质片麻岩代表2.5 Ga 来自亏损地幔的新生地壳, 该期岩浆活动是华北克拉通一次重要的地壳生长事件.     

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.     

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.     

华北克拉通东部岩石圈地幔的多期改造:鲁西纯橄岩捕虏体中锆石SHRIMPU-Pb年代学证据

华北克拉通破坏的时间一直是地质学家们争论的焦点问题之一.鲁西铁铜沟岩体中纯橄岩捕虏体的锆石SHRIMPU-Pb定年结果对此给出了制约.结果显示,4个纯橄岩样品的18颗锆石阴极发光图像中,15颗呈条痕状吸收,2颗具岩浆环带特点,结合它们的Th(49～3569μg/g,平均值为885μg/g),U(184～5398μg/g,平均值为1277μg/g)含量和Th/U比值(0.15～2.04),暗示岩浆成因特征.岩浆锆石的206Pb/238U表面年龄分成5组:131～145,151～164,261～280,434～452和500～516Ma.131～145Ma年龄与寄主岩浆(铁铜沟岩体)的形成时代相一致;151～164Ma年龄对应于华北克拉通东部中-晚侏罗世少量幔源岩浆和主体的酸性岩浆事件;261～280Ma年龄与峨眉山大火成岩省的时代相类似;434～452Ma年龄与华北克拉通东部古生代时期富硅质岩浆的时代相一致;500～516Ma年龄可能是全球泛非事件在华北克拉通东部的响应.华北克拉通东部岩石圈地幔经历了多期次不同程度熔体的改造,其中以中生代晚期(131～164Ma)的改造最为强烈.     

华北克拉通孔兹岩带含夕线石泥质麻粒岩中石榴子石的金红石出溶

对华北克拉通孔兹岩带泥质麻粒岩样品中石榴子石的金红石出溶进行报道.该麻粒岩样品的矿物组合为石榴子石、夕线石、条纹长石、黑云母和石英.长石地质温度计在压力1×106 k Pa时给出的峰期温度大约为980℃,表明该样品曾经历了超高温变质作用.激光拉曼分析显示石榴子石中的定向针状金红石具有特征谱峰446~448和610 cm–1.在显微镜下可以观察到3~4组相互平行定向的针状金红石包体,因此认为它们是在变质峰期后抬升和降温过程中由石榴子石出溶形成.石榴子石出溶定向针状金红石可以在华北克拉通孔兹岩带用来指示超高温变质作用,当然也同样对其他超高温变质地体适用.     

火山活动对沉积有机质演化的影响及其油气地质意义——以辽河盆地东部凹陷为例

异常热作用(如火山喷发、岩浆侵入)对沉积有机质演化的影响已被广泛地受到重视,目的在于了解这种热烘烤所引起有机物质化学结构的变化,从而对煤和石油的演化能获得较好的认识.研究表明,这种异常热作用对油页岩的主要影响则表现为石油烃的生成以及其从邻近岩层的排出,残留烃具有高芳香度的特征.本文以我国辽河盆地东部凹陷下第三系烃源岩为研究对象,首次揭示了该区域早第三纪火山活动对油气生成、聚集的影响.     

燕山地区喀喇沁变质核杂岩的构造特征与发育机制

通过详细的野外观察与岩浆岩锆石定年,重新分析了燕山构造带北侧喀喇沁变质核杂岩的变形特征与演化历史,认为其经历了晚侏罗世与早白垩世两期伸展变形,而不是过去认为的仅发育于早白垩世.该变质核杂岩起源于晚侏罗世(156~150 Ma)NE-SW向拉伸中,最初发育了向北东缓倾、上盘向北东运动的拆离韧性剪切带,其下盘也卷入了同期韧性变形,并有岩浆活动与上叠盆地伴生.在随后的149~145 Ma期间仅发生了有限的均衡隆升.早白垩世时(141~100 Ma),区内拉伸方向转变为NW-SE向,沿着变质核杂岩两侧发育了2条NE-SW走向、倾向相背的大型脆性正断层.这2条正断层外侧的上盘控制发育了早白垩世半地堑式盆地,而其间共同的下盘发生了地垒式隆升而成为伸展穹窿,使得晚侏罗世韧性伸展构造剥露到地壳浅部.在早白垩世伸展隆升中,核部杂岩由早期至晚期先后叠加了局部的韧性变形带与脆性正断层,显示为应变局限化的特征.对该变质核杂岩演化历史与发育机制的重新厘定,一方面为燕山构造带发生过晚侏罗世伸展活动与克拉通破坏提供了构造证据,另一方面也表明该带早白垩世强烈伸展活动普遍存在,代表了克拉通的峰期破坏.     

华北克拉通太古宙陆核氧同位素(δ17O-δ18)O)组成不均一性的初步研究

通过对华北克拉通不同陆核斜长角闪岩类氧同位素组成测试和分析 ,表明 :( ⅰ )来自不同陆核的岩石氧同位素数据所构成的演化线都平行于地月演化线 ,说明这些陆核演化的母体属于太阳系物质 ;( ⅱ )不同陆核的氧同位素组成演化线斜率相近 ,截距不同 ,说明华北克拉通太古宙不同陆核起源于氧同位素组成不均一的古地幔源 .     

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.     

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.     

黏土矿物对病毒生物地球化学作用的影响探讨与展望

作为自然界丰度最高的生命体,病毒活跃于海洋、土壤、冰川等各类生态系统.通过侵染细菌、古菌及真核微生物,病毒在调控微生物群落和元素生物地球化学循环过程中扮演着关键角色.在自然环境中,病毒与无机或有机颗粒存在广泛的相互作用.黏土矿物是广泛分布于陆地和海洋环境的无机颗粒,陆地生态系统中的黏土矿物可在大气、河流和冰川的作用下搬运至海洋,并在水体中沉降形成深海沉积物.黏土矿物对病毒具有高度亲和力,影响着环境中病毒的丰度、活性和感染能力.因此,黏土矿物对病毒介导的生物地球化学循环过程有着重要的影响.本文从各类生境中病毒的生态功能、病毒的生物地球化学作用模型和黏土矿物对病毒的吸附作用3个方面进行了概述,并讨论了陆地和海洋生态系统中黏土矿物的吸附作用对病毒功能和生物地球化学作用的潜在影响,提出黏土矿物是影响病毒驱动的生物地球化学循环不可忽视的因素,未来应将黏土矿物作为评估病毒生物地球化学作用的参数之一.