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.     

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.     

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.     

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.     

Re-Os同位素体系和大陆岩石圈地幔定年

陆下岩石圈地幔（ＳＣＬＭ）定年一直是地幔研究中的一个倍受关注的问题,因为利用常用的亲石元素同位素体系,如Ｒｂ－Ｓｒ,Ｓｍ－Ｎｄ,Ｕ－Ｔｈ－Ｐｂ等很难获得岩石圈的形成年龄。Ｒｅ－Ｏｓ同位素体系作为亲铁元素,是ＳＣＬＭ定年的理想方法。这里综述了利用Ｒｅ－Ｏｓ同位素体系进行ＳＣＬＭ定年研究的最新进展。     

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.     

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.     

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.     

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.