ICDP创立20周年: 中国大陆科学钻探方兴未艾

国际大陆科学钻探计划(ICDP)创立于1996年, 至今整整20年。ICDP最初由中国、德国和美国3个发起国组成, 目前拥有24个成员国, 在全球已经组织和资助了30余个大陆科学钻探项目和75个研讨会。研究领域覆盖了全球大陆地球科学的各方面主题, 在诸多领域取得了重要进展。此前我们曾介绍了ICDP的概况和进展, 本文概述近些年ICDP科学主题的调整、组织发展状况和申请流程, 着重介绍与中国地学界关系密切的活动断裂与地震、全球性气候周期与环境变化、地球深部生物圈和矿产资源等几个领域的主要进展或发展方向, 并简要介绍了我国开展的“大陆科学钻探选址与钻探实验”(SinoProbe-05)项目、“汶川断裂带科学钻探”(WFSD)项目以及正在进行的ICDP项目——“白垩纪松辽盆地大陆科学钻探”概况和成果。     

雅鲁藏布江缝合带东段杰莎蛇绿岩中铬铁矿特征及其构造背景

雅鲁藏布江缝合带东段加查县杰莎岩体主要由蚀变较强的方辉橄榄岩和纯橄岩、豆荚状铬铁矿组成。铬铁矿矿体呈东西向,倾向北西,矿体的围岩为纯橄岩及方辉橄榄岩,长20~40m,宽1~3m。镜下特征和电子探针分析结果显示铬铁矿中铬尖晶石的Cr#=67.9~88.5,Mg#值变化在64.6~68.2之间,TiO2含量为0.06%~0.18%,Al2O3含量为13.1%~16.5%,表明杰莎铬铁矿为高铬型铬铁矿。方辉橄榄岩中橄榄石、斜方辉石和单斜辉石的矿物化学特征表明杰莎岩体既具有深海地幔橄榄岩特征,也具有岛弧地幔橄榄岩的特点。并且依据铬尖晶石-橄榄石/单斜辉石的矿物化学成分,识别出杰莎岩体至少经历了2期过程,包括早期部分熔融(20%~30%)和晚期的岩石/熔体反应作用(35%)。因此,杰莎地幔橄榄岩和铬铁矿可能与雅鲁藏布江缝合带中其他岩体一样,经历了洋中脊及俯冲带的多阶段叠加的过程。     

西藏罗布莎康金拉铬铁矿区地幔橄榄岩锆石SHRIMP U-Pb年龄及地质意义

本文对罗布莎蛇绿岩康金拉11号铬铁矿矿体的近矿围岩纯橄岩和方辉橄榄岩分别进行了锆石SHRIMP U-Pb年代学研究。结果显示两个样品的年龄都非常发散:纯橄岩的时代跨越早白垩世到太古宙,年龄125.6±2.6~1791±23Ma,4粒锆石的加权平均年龄为130.0±2.8Ma(2.1%)。而方辉橄榄岩的年龄208.9±3.7~2770±44Ma,从晚三叠世到太古宙,2粒锆石的加权平均值为209.7±5.2Ma(2.5%),锆石的复杂年代学结果反映该岩石经历的多阶段地质演化过程。激光拉曼分析显示纯橄岩和方辉橄榄岩中的锆石含磷灰石、长石和石英为主的地壳物质包裹体,暗示其地壳成因,记录了地幔经历了地壳混染过程。这些物质存在于由洋底扩张形成的蛇绿岩中,表明俯冲下去的大陆地壳物质在地幔循环中被运移到海底扩张脊并出露地表。结合我们在康金拉地幔橄榄岩和铬铁矿中发现的大量异常地幔矿物,可能显示了一个地壳物质俯冲至地幔,而后从洋脊回到地表的物质循环过程,佐证了豆荚状铬铁矿多阶段多期次的演化模式。     

中国大陆科学钻探主孔(CCSD-MH)石榴石橄榄岩:一个经历了深俯冲作用的古生代超镁铁质侵入体

中国大陆科学钻探主孔中的超镁铁岩主要产在603.20～683.53m深度之间。超镁铁岩的上部直接围岩为高Ti-Fe型榴辉岩;内部夹有薄层状含柯石英高镁榴辉岩和厚层状多硅白云母榴辉岩;下部直接围岩为石英榴辉岩和普通榴辉岩。超镁铁岩的主体岩性为石榴石单辉橄榄岩,主要由橄榄石(60%～70%),石榴石(10%～25%),单斜辉石(5%～15%),斜方辉石(1%～5%)和少量金云母和钛铁矿或钛斜硅镁石组成。橄榄石Fo 79～89,其中一些以包裹体形式出现的高MgO橄榄石可能形成较早,主体橄榄石属变质重结晶阶段形成;石榴石以低CaO、高MgO和Cr_2O_3含量高(达3%)为特征,保留较好的进变质成分环带;单斜辉石Na_2O含量达到4%～5%,分为绿辉石和普通辉石类,属变质成因,结合矿物对的温压估算,岩石已经经历超高压变质作用。岩石成分研究表明,石榴石单辉橄榄岩与其顶、底板榴辉岩及其中的榴辉岩夹层有一较大的成分间断,其中MgO含量约相差10%左右,认为超镁铁岩与榴辉岩的原岩不属同一岩浆演化产物。锆石SHRIMP定年表明石榴石单辉橄榄岩原岩时代为古生代346～461Ma,超高压变质作用时代为早中生代220～240Ma。认为CCSD主孔石榴石橄榄岩为古生代的超镁铁质侵入体,在印支期的中国南北板块俯冲折返过程中经历了超高压变质作用。     

中国大陆科学钻探预先导孔(CCSD-PP2)退变榴辉岩中碳硅石的发现及其地质意义

镜下鉴定和拉幔光谱测试结果表明中国大陆科学钻探工程预先导孔(CCSD-PP2)退变榴辉岩中石榴石内存在除绿辉石、磷灰石、锆石、金红石、磷灰石、石英、菱镁矿和磁铁矿等矿物包裹体外,还存在一种具有重要温压指示意义的碳硅石矿物包裹体.碳硅石包裹体拉幔光谱峰值稳定,主峰变化于786～789cm-1之间,次峰为966～977cm-1,两组弱峰峰值分别为769～781cm-1和915～918cm-1.寄主矿物-石榴石成分的反环带特征及矿物包裹体组合表明CCSD-PP2中退变榴辉岩是在高温高压条件下形成的榴辉岩,经降温降压退变质作用形成的,碳硅石等超高压矿物是在榴辉岩峰期变质作用期间形成的.根据碳硅石形成于极度还原环境、压力大于6.0GPa,温度在1000℃以上的特点并结合前人的矿物温压计算结果分析认为苏鲁超高压变质带中的部分榴辉岩是扬子板块俯冲至200km以下的上地幔下部,经超高压变质作用、形成碳硅石等矿物后快速折返的产物.     

大陆科学钻探先导孔(CCSD-PP1)橄榄岩地幔属性及动力学意义

早中生代的扬子大陆向华北大陆的深俯冲碰撞作用以及中、新生代的华北东部岩石圈减薄作用是国际大陆动力学问题研究的两个热点。然而,把它们有机联系起来,探讨深部岩石圈演化动力学过程的研究还很少。报道了中国大陆科学钻探先导孔(CCSD-PP1)橄榄岩的矿物岩石化学分析结果。这些橄榄岩亏损玄武质组分(如低w(CaO+Al2O3)、高Mg#等),并经历了中元古代来自软流圈的碳酸岩熔体的交代作用和早中生代的超高压再平衡过程。结合已发表的华北捕虏体橄榄岩资料,对这一橄榄岩的原始地幔属性进行了分析。发现CCSD-PP1橄榄岩与华北古老岩石圈地幔组成相似,是早中生代来自华北岩石圈的构造侵入体。早中生代华北岩石圈的伸展减薄与苏鲁超高压变质岩石的折返提供了早期软流圈物质上涌的构造体制。     

甘肃北山地区榴辉岩的变质年龄：来自锆石的U-Pb同位素定年证据

北山造山带地处塔里木-中朝板块与哈萨克斯坦板块的交汇部分,主造山时期被认为是早古生代。榴辉岩产在北山造山带的南带,带中榴辉岩与大量基性超基性洋壳岩石和俯冲碰撞有关的花岗岩等伴生,反映该带有可能代表板块的边界。北山榴辉岩的锆石SHRIMP U-Pb同位素定年表明,榴辉岩相的变质年龄为(819±21)Ma,原岩年龄为(1007±20)Ma,表明北山地区存在新元古代一次重要的板块裂解和俯冲碰撞事件。与北山相邻的祁连山南部柴北缘地区近年也报道存在新元古代板块裂解和蛇绿岩洋壳形成事件,表明中国西部存在区域上的新元古代洋盆裂解事件,或称之为罗德尼亚大陆裂解事件。需强调的是,北山榴辉岩相变质事件发生在新元古代,柴北缘榴辉岩的原岩虽为新元古代洋壳岩石,但榴辉岩相变质作用则发生在早古生代,反映北山新元古代俯冲碰撞事件之后的又一次俯冲碰撞事件。     

桐柏矿的晶体结构测定

桐柏矿(Cr3C2)是我国1983年发现的新矿物,因当时实验条件所限仅进行了晶体学参数测定而未进行晶体结构测定。最近在西藏罗布莎蛇绿岩块铬铁矿矿床中又一次发现该矿物,并获得了适宜进行X射线单晶衍射分析的单晶颗粒。采用SMARTAPEX单晶衍射仪电子耦合探测器技术,对该矿物进行了晶体结构的精确测定。测得该矿物属斜方晶系,空间群为Pnam,晶胞参数为a=0.5525(2)nm,b=1.1468(4)nm,c=0.2827(1)nm,晶胞体积V=0.1791(1)nm3,得到了精确的Cr和C原子坐标及其它晶体学参数,单位晶胞内分子个数Z=4{Cr3C2},计算密度D=6.677g/cm3,结构测定精度R(I>2σ(I))=0.0361。测定表明,该矿物属过渡金属碳化物结构,金属原子Cr与C原子呈非等大球的密堆积,C原子与最近邻的6个Cr原子配位,呈三方柱配位多面体,三方柱之间以共棱和共面方式连接。两种[CCr6]三方柱中,Cr—C平均键长分别为0.2047nm及0.2083nm。本文对该矿物与其它类似的过渡金属元素碳化物的晶体结构进行了对比研究。     

西藏罗布莎蛇绿岩豆荚状铬铁矿石中的合金成分

从西藏雅鲁藏布江蛇绿岩带的罗布莎豆荚状铬铁矿床中 ,揭示出包含 70～ 80种矿物的一个地幔矿物群 ,其中特别引人注意的是含有多种合金。本文报道了已发现的合金类型和它们的化学成分。这些合金矿物主要通过人工重砂选矿提取的 ,少数合金在矿石光片中可以见到。本文报道的部分合金系有 :Ni(Fe) - C- Cr系 ,W-Cr- Co系 ,Al- Fe- L a系 ,Fe- Si- Ti系 ,Ag- Sn- Si系 ,Ni- Ir- Fe系 ,Fe- Pd- Pt系 ,Fe- Ni- C系。这些碳化物、金属硅以及铁合金等表明它们形成于还原环境 ,然而主岩铬铁矿石则形成于氧化环境 ,认为罗布莎铬铁矿是从玻安质岩浆中结晶的。这样合金矿物可能是外来晶体 ;或者它们形成于地核被后来上升的地幔柱带到浅部 ,包在铬铁矿中 ;或者是滞留在地幔中的成核物质后来被铬铁矿捕获。     

新疆西准噶尔阿克巴斯套蛇绿混杂岩中辉绿岩地球化学、年代学及构造意义

本文以阿克巴斯套蛇绿混杂岩中辉绿岩为研究对象,进行了详细的野外地质调查、LA ICP MS锆石U Pb年代学、岩石地球化学研究,旨在探究其岩石成因、成岩时代及构造背景,以便为探讨西准噶尔地区构造演化提供新的数据支持。岩石地球化学特征显示:辉绿岩SiO2(51. 15%~54. 34%)、Na2O (4. 95%~6. 36%)、TiO2(1. 79%~2. 08%)含量高,而MgO(3. 90%~5. 15%)、K2O (0. 13%~0. 80%)含量低,且Na2O>K2O,具富钠贫钾的特征。∑REE=117. 52×10-6~143. 12×10-6, LREE/HREE=1. 79~2. 04, (La/Yb)N=1. 04~1. 22,轻重稀土分异不明显,δEu平均值为0. 93,富集大离子亲石元素(K、Rb、Sr) ,明显亏损高场强元素(Th、Nb、Ti),表明辉绿岩具有N MORB与岛弧玄武岩相似的特征。辉绿岩锆石样品176Hf/177 Hf比值范围为0. 282783~0. 282993 ,平均值为0. 282926,εHf( t )值为+8. 0~+15. 2,平均值为+12. 8。根据地球化学特征研究表明,该辉绿岩源区为俯冲流体交代亏损地幔尖晶石二辉橄榄岩经25％~30%部分熔融形成,同时,岩浆在演化过程中经历了一定程度的结晶分异作用。锆石U Pb年代学研究显示阿克巴斯套蛇绿混杂岩中辉绿岩年龄为357. 6±2. 4 Ma(n=24, MSWD=5. 3),形成于早石炭世,该年龄佐证了西准噶尔地区洋盆演化一直延续到石炭世早期, 为新疆西准噶尔晚古生代残余洋盆消亡的时代提供了依据。结合成岩年龄及区域地质背景,认为阿克巴斯套蛇绿混杂岩形成于石炭世早期与俯冲作用相关的弧后盆地构造环境。