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.     

云南哀牢山带蛇绿岩中的变质橄榄岩及其岩石系列

哀牢山蛇绿岩带中的变质橄榄岩主要由二辉橄榄岩和方辉橄榄岩组成 ,前者具有原始地幔岩特征 ,后者具有亏损 (残留 )地幔岩特征 .二辉橄榄岩经部分熔融后形成二种原生岩浆 :拉斑玄武岩浆和苦橄玄武岩浆 ;前者演化成辉长岩-辉绿岩-辉石玄武岩系列 ,具有洋脊型玄武岩特征 ;后者演化成辉石岩-辉长闪长岩-钠长玄武岩-苦橄玄武岩系列 ,具有准洋者玄武岩特征 .     

中国东部新生代碱性玄武岩橄榄石斑晶中含CH_4熔体包裹体的发现及其地质意义

碱性玄武质岩浆起源于上地幔或者更深处,是了解地幔物质组成的重要窗户.熔体包裹体是主矿物在结晶过程中被捕获的,不易受到后期地质作用的影响,最早结晶的矿物橄榄石所捕获的熔体可以有效地记录原始岩浆的物理化学信息.在此次研究中,利用激光拉曼光谱(LA-Raman)对华北克拉通东部山东杨庄新生代碱性玄武岩橄榄石中,73个熔体包裹体内的气体组分进行了原位分析,并利用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)对寄主橄榄石的主微量元素进行了测试.结果显示,熔体包裹体中含有高含量的CH4等烃类,而且含有石墨和碳酸盐等矿物,这为CH4在上地幔高温高压条件下能够稳定存在提供了直接证据,也表明中国东部地幔存在低氧逸度的区域.橄榄石斑晶具有高Ni,高Fe/Mn比值的特点,指示源区可能存在辉石岩组分.结合其他地球化学和地球物理资料,西太平洋板块对中国东部岩石圈地幔的俯冲效应可以很好地解释玄武岩源区存在辉石岩组分和CH4富集特征的现象.CH4是深部碳的重要存在形式之一,太平洋板块俯冲作用可能是中国东部深部碳循环重要的动力学机制.     

云南哀牢山带蛇绿岩中的变质橄榄岩及其岩石系列

哀牢山蛇绿岩带中的变质橄榄岩主要由二辉橄榄岩和方辉橄榄岩组成 ,前者具有原始地幔岩特征 ,后者具有亏损 (残留 )地幔岩特征 .二辉橄榄岩经部分熔融后形成二种原生岩浆 :拉斑玄武岩浆和苦橄玄武岩浆 ;前者演化成辉长岩_辉绿岩_辉石玄武岩系列 ,具有洋脊型玄武岩特征 ;后者演化成辉石岩_辉长闪长岩_钠长玄武岩_苦橄玄武岩系列 ,具有准洋者玄武岩特征 .     

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.     

山东昌乐-临朐玄武岩中单斜辉石巨晶及地幔捕掳体的He-Ar同位素地球化学

对华北东部昌乐-临朐新生代玄武岩中的单斜辉石巨晶及其所携带的橄榄岩-辉石岩捕掳体进行了系统的岩石地球化学和稀有气体同位素研究, 旨在为华北东部岩石圈地幔的演化提供制约. 稀有气体同位素研究结果显示, 与寄主玄武岩有成因联系的单斜辉石巨晶、二辉石岩和纯橄岩都具有比MORB略低的He同位素比值（分别为7.0~7.7, 7.4和7.0~7.7 Ra）和接近大气特征的Ar同位素比值; 来自岩石圈地幔碎片的二辉橄榄岩和异剥橄榄岩的橄榄石也具有同样特征的He （7.0~7.6 Ra）和Ar同位素比值, 并且与其部分熔融程度无关, 指示这个地区的岩石圈地幔受到过来自地壳衍生熔体的交代. 二辉橄榄岩和异剥橄榄岩中单斜辉石和斜方辉石具有较低的He含量、³He/⁴He比值（2.3~7.1 Ra）, 结合样品岩石学及前人地球化学研究成果, 推测交代华北克拉通之下新生代岩石圈地幔的熔体可能来自于太平洋板块的俯冲.     

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.     

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.     

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.     

浙江西垄地区上地幔流体性质的研究

碱性玄武岩所含幔源岩石包体中的流体(和岩浆)包裹体是能够向我们提供有关上地幔流体(及熔体)性质的唯一直接样品,也是了解和研究地幔深部地质作用(部分熔融作用、地幔岩浆作用、地幔交代作用)特点最重要的线索。本文将介绍笔者有关浙江省衢县西垄地区上新世-更新世橄榄霞石岩所含退化石榴子石二辉橄榄岩包体中CO_2流体(及岩浆)包裹体的最新研究成果,并试图确定存在于该区上地幔中流体(及熔体)相的性质。     

大别-苏鲁造山带橄榄岩的变质和交代过程

详细的岩石学研究表明,大别-苏鲁造山带橄榄岩和辉石岩记录了俯冲带之上地幔楔的交代和变质信息.在苏鲁芝麻坊石榴二辉橄榄岩中识别了七期变质矿物组合,反映了大陆俯冲-碰撞-折返过程中多期的变质和交代作用.大别毛屋石榴斜方辉石岩同样保存了大量的交代结构,高Ni和富集轻稀土(LREE)的斜方辉石核部包裹了早期原岩橄榄石,表明它是俯冲地壳熔/流体与原岩橄榄石在超高压条件下反应的产物.毛屋石榴斜方辉石岩记录了六期变质作用,对应了岩石从浅部地幔楔沿俯冲隧道进入深部地幔楔,最后随陆壳岩石折返回浅部地壳的全部过程.其中石榴石变斑晶核部包裹了大量的以含水矿物为主的角闪岩相多相包裹体,具有高XMg和Ni含量,并富集大离子亲石元素(LILE)和LREE,表明它们是早期岩石在浅部地幔楔与地壳流体交代的产物.角闪岩进入深部地幔楔经历高压和超高压变质,早期含水矿物完全脱水分解,形成超高压石榴斜方辉石岩,释放LILE和LREE富集的流体进入上覆高温地幔楔,从而导致高温地幔楔发生部分熔融并产生岛弧岩浆.     

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.     

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。     

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.     

板内洋岛玄武岩(OIB)成因的一些基本概念和存在的问题

板内洋岛玄武岩岩浆作用在成因上通常被认为与“热点”或“地幔柱”有关. 因此, 在讨论地幔柱假说时人们不可避免地要讨论为什么洋岛玄武岩(OIB)在地球化学上高度富集. 然而 OIB源区物质的来源至今并不十分清楚, 且颇有争议. 最流行的观点认为OIB源区物质是循环的古洋壳(ROC). ROC模型的诸多问题之一在于, OIB高度富集(如 [La/Sm]_PM >> 1)而洋壳则相当亏损( [La/Sm]_PM <1), 故循环洋壳不可能是OIB的源区物质. 另一个流行的观点认为OIB中富集的组分来自循环陆壳(RCC, 陆源沉积物). 尽管陆壳(CC)和OIB富集很多不相容元素(如[La/Sm]_PM >>1), 但是CC极度富Pb而贫Nb, Ta, P和Ti. CC的这一独特的地球化学性质强度很大, 若的确是OIB源区重要组成的话, 那它一定会在OIB有所显示, 然而OIB并不具有这种CC特征, 因此CC不会是OIB的富集组分. 板块运动和地幔对流允许玄武岩的地幔源区中有ROC和RCC存在, 但它们对洋岛玄武质岩浆作用的贡献微不足道. OIB不仅富集不相容元素, 而且越不相容的元素越富集. 这表明OIB中的富集组分是岩浆起源的, 而且最有可能与熔融程度很低的熔体的交代作用有关. 在地震波低速带(LVZ)中最初可能会形成一些富H2O和CO2熔体. 这些熔体由于浮力作用上升, 聚集在LVZ顶部形成一富熔体层, 交代正在生长的岩石圈, 形成交代脉岩等. 喷发的OIB熔体可能含有3个组分: (a) 占主导地位的来源于深部的“肥沃”易熔OIB源区物质; (b) LVZ顶部的熔体层; (c) 被同化的岩石圈中早期形成的交代脉岩. 很有可能源于深部的“肥沃”易熔物质本身就是(或包含有)循环的古老大洋岩石圈底部的交代橄榄岩. 在解释全球OIB数据所显示的多种地幔同位素端元的成因时, 我们必须牢记: (a) 最初的假设认为地核熔离后的原始地幔(PM)在成分上是均一的, 且地幔同位素不均一性与地核无关; (b) 在正确认识俯冲带变质作用对元素迁移/分异的影响之前不能用OIB同位素来推断源区物质的性质和组成; (c) 确保模型和假设与最基本的岩石学和主量/微量元素特征相吻合.     

扬子克拉通及华北克拉通大陆岩石圈地幔碳同位素组成及其差异: 金刚石碳同位素原位测试证据

金刚石碳同位素组成和对比是了解克拉通大陆岩石圈地幔物质组成及其演化的窗口. 本文用二次离子质谱(SIMS)方法对产于华北克拉通(山东蒙阴和辽宁瓦房店)和扬子克拉通(湖南沅水流域)的11颗金刚石不同生长层的碳同位素组成进行了123个点高精度原位(in-situ)测试. 结果显示, 华北克拉通和扬子克拉通金刚石碳同位素组成存在一定差异; 华北克拉通金刚石早期生长“核心”碳同位素δ¹³C组成平均为-3.0‰(VPDB), 分布范围为-6.0‰~-2.0‰, 与全球橄榄岩型金刚石一致; 扬子克拉通金刚石早期“核心”δ¹³C平均为-7.4‰, 分布范围为-8.6‰~-3.0‰, 和榴辉岩型金刚石特点一致; 3个产地单颗金刚石不同生长层碳同位素变化不具有一致性, 与是否含包裹体无关, 但与金刚石是否存在溶蚀间断明显有关, 证实金刚石生长过程地幔流体碳同位素组成不均一, 碳储库(介质)不均一性对金刚石生长过程碳同位素变化的影响较分馏作用更为明显; 与此同时, 现有的测试结果显示, 华北和扬子克拉通金刚石中心-边缘生长层碳同位素变化与氮含量之间缺乏相关性, 反映我国两个克拉通金刚石生长过程中地幔流体碳和氮元素之间存在复杂的交换、地球化学环境可能相对开放. 上述结果暗示, 金刚石形成时扬子克拉通和华北克拉通地幔交代流体碳的组成及来源存在差异.     

汉诺坝玄武岩中麻粒岩捕虏体锆石Hf同位素、U-Pb定年和微量元素研究: 华北下地壳早期演化的记录

对汉诺坝玄武岩携带的条带状麻粒岩锆石进行了背散射、Hf同位素、U-Pb年龄和微量元素原位分析. 结果表明: 条带状麻粒岩为早期下地壳样品, 其成因很难用单一的过程来解释, 而是包含着地壳再熔融岩浆作用、幔源物质参与、变质分异作用和早期的下地壳拆沉作用等复杂过程信息. 岩石中除有3097~2824和2489~2447 Ma的古老年龄信息外, 80%的锆石给出1842±40 Ma的年龄值. 老年龄锆石有高的ε_Hf值(达+18.3)和高的Hf模式年龄(2.5~2.6 Ga), 说明形成该岩石的初始物质主要来源于晚太古代的亏损地幔. 早元古代锆石的eHf值多变化于零附近; 个别有较高的ε_Hf值(+9.2~+10.2), 表明早元古代时华北东、西部地块碰撞拼合并导致克拉通最终形成过程中有地幔物质参与.     

元素丰度模式法研究玄武岩源区成分的改进方法

元素丰度模式是稀土丰度模式的推广应用,少数研究者曾采用该方法研究玄武岩源区的化学不均一性,但其元素的排列顺序是根据洋中脊玄武岩标准化元素丰度型式确定的.显然,如果元素的排列与实际分配系数大小顺序不一致,则其可靠性就值得怀疑.本文提出的方法是,首先对源岩-熔体之间的总分配系数进行相对大小的估算,并以此作为元素排列顺序的依据.与以往的方法相比,该方法可以更可靠地反映地幔源区的元素丰度特征.     

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.     

范式革命:玄武岩记录有喷发时岩石圈厚度的信息,没有地幔潜在温度的记忆

玄武岩是地球上最丰富的岩浆岩,人们通过对玄武岩的岩石学和地球化学研究来推演地幔的热结构和地幔元素及同位素组成,并探讨局部和整个地球的化学分异过程.在20世纪60年代以前人们还不清楚地幔是由橄榄岩组成的,其部分熔融产生玄武岩岩浆.我们今天对地幔及地幔熔融的认识要归功于实验岩石学研究[1～5].然而,有关地幔部分熔融的机制...