造山带橄榄岩起源和大陆俯冲带壳幔相互作用

俯冲地壳衍生流体交代地幔楔,是产生俯冲带岩浆作用的重要机制.但是,目前人们对俯冲大陆物质改造地幔楔的岩石学过程和机理仍缺乏深入认识,造山带橄榄岩是解析这一问题的直接样品.通过对大别-苏鲁造山带橄榄岩进行系统的矿物学、岩石学和地球化学研究,发现橄榄石Ni/Co比值可有效区分幔源和壳源造山带橄榄岩,揭示幔源造山带橄榄岩起源于华北岩石圈地幔.苏鲁李家屯纯橄岩在进入俯冲带之前就已在地幔内部经历了碳酸盐熔体交代.大别毛屋和苏鲁蒋庄橄榄岩及其交代脉体记录了约170~200 km深度的俯冲带壳幔相互作用过程.深俯冲陆壳释放的富Si-Al质熔体可不同程度地改造地幔楔底部,形成富石榴石和富辉石的交代岩,并引发强烈的Os同位素分馏效应.该过程不仅改变地幔楔岩性和化学组成,还能够改变交代介质成分,为俯冲带各类深部地幔岩浆提供源区物质.因此,大陆深俯冲是导致上地幔不均一的重要途径.      

大陆俯冲带壳幔相互作用

由板块俯冲引发的深部物质循环过程是地球内部的一级运行机制,主宰了地球从内到外的演化进程,是地球科学研究的重要前沿.俯冲带化学地球动力学研究不仅需要确定俯冲带地壳物质再循环的机制和形式,而且需要确定俯冲带动力来源和热体制及其随时间的变化.为了识别不同类型壳源熔/流体对地幔楔的交代作用、寻求板片-地幔界面反应的岩石学和地球化学证据、理解汇聚板块边缘地壳俯冲和拆沉对地幔不均一性的贡献,我们必须将俯冲带变质作用、交代作用和岩浆作用作为一个地球科学系统来考虑.板块俯冲带变质过程中发生一系列物理化学变化,这些变化不但是导致板块进一步俯冲的主要驱动力,同时也控制着释放的熔/流体组成和俯冲到地球深部的物质组成,对俯冲带化学地球动力学过程产生重要影响.地幔楔作为俯冲系统中连接俯冲盘和仰冲盘的关键构造单元,在地球层圈之间物质循环和能量交换等方面起着重要作用.造山带地幔楔橄榄岩直接记录了俯冲带多种性质的熔/流体交代作用,以及复杂的壳幔物质循环过程.俯冲带岩浆岩是大洋/大陆板块俯冲物质再循环的表现形式,这些岩石样品记录了俯冲带从深部地幔到浅部地壳的过程,也为认识地球深部物质循环提供了理想的天然样品.尽管国际上在俯冲带岩石学和地球化学领域针对地球深部过程的研究方面取得了多项重要进展,但由于研究工作缺乏密切的协同配合,包括俯冲带熔/流体的物理化学性质、俯冲带壳幔相互作用的机制和过程、俯冲带幔源岩浆活动的物质来源和启动机制以及深部地幔过程对地表环境的影响等许多关键科学问题尚未得到根本解决.将来的研究需要聚焦俯冲带物质循环这一核心科学问题,进一步查明俯冲带变质作用、交代作用、岩浆作用等过程的各自特征和相互联系,包括挥发性组分在地球深部的迁移过程及其资源和环境效应,着力考察研究相对薄弱的古俯冲带,阐明板块俯冲与地球深部物质循环之间的耦合机制.      

大陆俯冲带超高压变质岩部分熔融与壳幔相互作用研究进展

自20世纪80年代在大陆地壳岩石中发现柯石英和金刚石等超高压变质矿物以来,大陆深俯冲和超高压变质作用就成为了固体地球科学研究的前沿和热点领域之一.经过三十余年的研究,已经在大陆地壳的俯冲深度、深俯冲岩石变质P-T-t轨迹、俯冲地壳岩石的折返机制、深俯冲岩石的原岩性质、大陆碰撞过程中的熔/流体活动与元素活动性、俯冲隧道内...     

利用石榴橄榄岩重建大陆俯冲带的古动力学环境及其演化过程

本文提出一种对于造山带石榴橄榄岩的简单概念分类模型。该模型将造山带石榴橄榄岩划分为地幔楔型和俯冲带型两种类型,根据所记录温压条件及P-T轨迹的差异,地幔楔型石榴橄榄岩进而被划分为A-D四个亚类,分别对应不同厚度的克拉通型岩石圈地幔及普通大陆岩石圈地幔环境中冷的/古老的/稳定的地幔环境及与之对应的相对热的/年轻的/活动地幔环境。我们选择研究程度较高的斯堪的纳维亚加里东期造山带及我国柴北缘造山带中出露的石榴橄榄岩来检验该模型的适用性。出露于挪威西片麻岩地区的Mg-Cr型及Fe-Ti型石榴橄榄岩分别属于地幔楔型的A亚类(来自于古老的/冷的/厚的/亏损的克拉通岩石圈地幔)及壳源俯冲带石榴橄榄岩,而来自Seve,Troms和Linds地体的石榴橄榄岩则属于地幔楔型的C亚类(来自于古老的/冷的/薄的/亏损的大陆岩石圈地幔)后经历俯冲过程变为俯冲带石榴橄榄岩。对我国柴北缘超高压带绿梁山石榴橄榄岩的检验结果相对复杂。前人的研究表明绿梁山石榴橄榄岩存在三种不同的成因方式,对应分类模型中的:1)D亚类橄榄岩(阿拉斯加型岩浆岩堆晶体);2)壳源俯冲带型石榴橄榄岩;3)A亚类来自克拉通岩石圈地幔的太古代石榴橄榄岩。检验结果表明,该分类模型能较好的解释斯堪的纳维亚加里东期造山带中的石榴橄榄岩的出露规律,岩石学及矿物学特征及不同期次矿物之间的年代学关系,但对于我国绿梁山石榴橄榄岩的成因分类仍需进一步研究。假设该分类模型能适用于大多研究程度较高的造山带石榴橄榄岩,起到决定性作用的两个分类参数为地幔楔形成初期的平均温度(T)及造山带岩石圈地幔的厚度(P)。熔融作用发生的时间及深度同样是区分不同类型石榴橄榄岩的重要因素。     

大陆碰撞造山带镁铁质岩浆岩记录俯冲古洋壳物质再循环

在大陆碰撞造山带中寻找消失的古洋壳再循环及其壳幔相互作用的证据,对理解从洋壳俯冲到陆壳俯冲化学地球动力学过程的转变,以及板块构造理论的发展具有重要意义.通过对桐柏-红安造山带晚古生代和晚中生代镁铁质岩浆岩的岩石地球化学特征进行总结,可以识别出俯冲古洋壳再循环的岩石学和地球化学记录.晚古生代岛弧型镁铁质岩石具有弧型微量元素特征和相对亏损的放射成因同位素组成,记录了俯冲古洋壳在弧下深度（80~160 km）的流体交代作用;而晚中生代洋岛型镁铁质岩石OIB型微量元素特征和亏损-弱富集的放射成因同位素组成,记录了俯冲古洋壳在弧后深度（>200 km）的熔体交代作用.这一定性的解释也进一步得到了定量计算的证实,其结果表明镁铁质岩浆岩中的不相容元素的含量以及放射性成因同位素的富集程度,主要受控于地幔源区中所加入的地壳组分的性质和比例.因此,碰撞造山带中的岛弧型和洋岛型镁铁质岩浆岩,分别记录了弧下和弧后深度的俯冲古洋壳物质再循环.      

俯冲带复杂的壳幔相互作用

俯冲带除俯冲板片脱水形成的富大离子亲石元素流体、交代地幔楔形成的岛弧钙碱性玄武岩安山岩-英安岩-流纹岩及相应侵入岩组合外，还存在由俯冲扳片熔融形成的埃达克质熔体交代地慢楔形成的埃达克岩-富铌玄武岩-富镁安山岩组合，从而构成了俯冲带的流体交代与熔体交代两大类壳慢相互作用体系及相应的岩石组合。熔体交代作用的显著特点是Mg、高场强元素Nb、Ti、P等含量增加，Nd／Sr值增高，而Si、K、Na及La／Yb降低。洋壳板片或洋脊俯冲、玄武质岩浆底侵使地壳增厚，或板片断离、撕裂等作用均可产生埃达克质熔体并随之产生熔体交代作用。流体和熔体与地幔橄揽岩的相互作用构成了俯冲带复杂的地球化学体系。     

大别-苏鲁造山带橄榄岩记录的碰撞造山过程中地幔楔的地壳交代作用

地壳交代作用是洋壳俯冲带板片-地幔界面的普遍现象,由于地幔楔样品的缺乏,其识别存在困难。而碰撞造山带广泛出露的地幔楔来源的造山带橄榄岩则是理想的研究对象。本文对大别-苏鲁造山带橄榄岩的已有研究成果进行了系统总结。这些成果表明这些橄榄岩在大洋俯冲向大陆碰撞转换的不同阶段经历了多期地壳来源流体的交代作用。地壳交代作用不仅改变了地幔楔橄榄岩的地球化学成分,而且导致了交代矿物的生长以及超镁铁质交代体的形成。这些交代体或作为同碰撞和碰撞后镁铁质火成岩的地幔源区,或将地壳组分传输到深部地幔,或释放流体交代大陆俯冲隧道中的俯冲陆壳。本文对地壳交代作用研究中存在的重要问题和解决思路提出了建议。     

造山橄榄岩及其意义

造山橄榄岩和蛇绿岩的橄榄岩主要由地幔岩组成,造山橄榄岩代表陆壳下的地幔,蛇绿岩的橄榄岩代表洋壳下的地幔。洋壳下的地幔与陆壳下的地幔在物质组成上大体接近,但产出的构造背景明显不同。介绍了造山橄榄岩的组成、与造山橄榄岩有关的高压-超高压变质作用、地幔流体作用、成矿作用、造山橄榄岩侵位的机制等,以及中国几个可能的造山橄榄岩的基本情况,讨论了造山橄榄岩的演变过程及其与蛇绿岩的橄榄岩的区别。造山橄榄岩的形成大体经历了初期的陆壳减薄和裂谷阶段、晚期的挤压造山2个构造演化阶段。有些地区只发育裂谷阶段,构造演化在裂谷后即夭折了,也称为造山橄榄岩。蛇绿岩与造山橄榄岩之间的区别不在物质组成和地球化学方面,而是在构造背景上。如有没有深海沉积、混杂堆积,有,是蛇绿岩;没有,则是造山橄榄岩。有没有超高压变质作用、地幔交代作用或地幔交代作用是否强烈,有且很强,可能是造山橄榄岩;没有,则可能是蛇绿岩。岩体是冷侵位还是热侵位,冷侵位是蛇绿岩,热侵位是造山橄榄岩。蛇绿岩出现在造山带,代表已经消失的洋盆;造山橄榄岩一般也出现在造山带,但代表的是减薄和撕裂的陆壳下的地幔。     

关于造山带幔源橄榄岩变质演化的一个普遍规律?

来自柴达木盆地北缘、西藏雅鲁藏布江和苏鲁等三个造山带的橄榄岩样品中均存在蛇纹岩矿物被包裹于橄榄岩矿物的现象.包裹体矿物包括利蛇纹石、纤维蛇纹石、叶蛇纹石、磁铁矿、水镁石、斜方和单斜角闪石、绿泥石、滑石、Fe-Ni硫化物、含水钙铬榴石、钙铝榴石、脆云母等,它们指示橄榄岩先从地幔就位于地壳发生蛇纹岩化再经历高压变质作用的过程,记录着岩石圈从裂解到碰撞的演化历史.结合近来国际上出现的类似报道,本文提出这是造山带变质橄榄岩的一个普遍规律.因此,造山带变质橄榄岩的化学组成不同程度地受到地壳物质的混染,不能准确反映原始上地幔的组成.     

中国东部新生代玄武岩记录古太平洋俯冲带壳幔相互作用

大陆玄武岩通常具有与洋岛玄武岩相似的地球化学成分,其中含有显著的壳源组分.对于洋岛玄武岩来说,虽然其中的壳源组分归咎于深俯冲大洋板片的再循环,但是对板片俯冲过程中的壳幔相互作用缺乏研究.对于大陆玄武岩来说,由于其形成与特定大洋板片在大陆边缘之下的俯冲有关,可以用来确定古大洋板片俯冲的地壳物质再循环.本文总结了我们对中国东部新生代玄武岩所进行的一系列地球化学研究,结果记录了古太平洋板片俯冲析出流体对地幔楔的化学交代作用.这些大陆玄武岩普遍具有与洋岛玄武岩类似的地球化学成分,在微量元素组成上表现为富集LILE和LREE、亏损HREE,但是不亏损HFSE的分布特点,在放射成因同位素组成上表现为亏损至弱富集的Sr-Nd同位素组成.在排除地壳混染效应之后,这些玄武岩的地球化学特征可以由其地幔源区中壳源组分的性质来解释.俯冲大洋地壳部分熔融产生的熔体提供了地幔源区中的壳源组分,其中包括洋壳镁铁质火成岩、海底沉积物和大陆下地壳三种组分.华北和华南新生代大陆玄武岩在Pb同位素组成上存在显著差异,反映它们地幔源区中的壳源组分有所区别.中国东部新生代玄武岩的地幔源区是古太平洋板片于中生代俯冲至亚欧大陆东部之下时,在>200 km的俯冲带深度发生壳幔相互作用的产物.在新生代期间,随着俯冲太平洋板片的回卷引起的中国东部大陆岩石圈拉张和软流圈地幔上涌,那些交代成因的地幔源区发生部分熔融,形成了现今所见的新生代玄武岩.      

俯冲带壳-幔相互作用的高温高压实验:对地幔不均一性成因的启示

使用活塞-圆筒式高温高压装置进行一系列榴辉岩部分熔融熔体与橄榄岩反应实验,可以为深入了解俯冲带壳-幔相互作用的影响因素及地幔不均一性的成因提供重要信息.实验使用反应偶的方法,并在0.8~3.0 GPa和1 200~1 425℃条件下进行.实验结果表明,榴辉岩部分熔融熔体-橄榄岩反应的动力学和结果受控于熔体主量元素成分、熔体中的H₂O、温度、压力和橄榄岩的物理状态等因素.大陆俯冲带地幔岩石中斜方辉石的富集是再循环陆壳熔体与上覆地幔反应的结果,地幔岩石中斜方辉石岩脉的形成与含水熔体交代有关,地幔岩石中的石榴辉石岩和石榴石岩可能形成于高压、低温条件下的熔体-橄榄岩反应.      

俯冲带岩浆作用与大陆地壳生长

大陆地壳的起源、生长和改造一直都是国际地学界广泛关注的热点问题,目前仍存在一定的争议,特别体现在陆壳增生的方式和速率上.为了探讨大陆地壳的生长方式,简要综述了俯冲带及其岩浆作用和大陆地壳生长的研究成果.俯冲带可划分为洋洋俯冲带、洋陆俯冲带和陆陆俯冲带,其岩浆作用以产出弧岩浆岩为主要特征,被广泛接受为大陆地壳生长的主要方式.目前主要有两种陆壳生长的假说:玄武岩模式和安山岩模式.玄武岩模式主要通过拆沉和底垫过程来实现新生地壳向大陆地壳的演化;安山岩模式则强调陆壳直接形成于产出安山质岩浆的俯冲带岩浆弧环境.俯冲带和碰撞带等板块汇聚边界是显生宙大陆地壳生长和改造的主要位置,俯冲带岩浆作用对陆壳生长发挥着重要的作用.      

The Slab-Mantle Interaction in Continental Subduction Channels

<正>The subduction channel is the dynamic site of mass and energy exchange between the slab and mantle.It is evolved into the subduction factory by processing raw materials into different products.The raw materials are sedimentary crust,igneous crust,and lithospheric mantle(juvenile or ancient).They are carried with the subducting     

柴北缘从大洋俯冲到陆陆碰撞:来自开屏沟造山带M型橄榄岩的证据

造山带幔源（M型）橄榄岩虽然在高压/超高压变质带分布不多,但由于其来自俯冲板块上覆的岩石圈地幔,因此是研究俯冲隧道内俯冲板片与地幔楔之间相互作用的重要对象,对于还原超高压变质带的演化有重要意义.柴北缘鱼卡榴辉岩-片麻岩区边部附近的开屏沟存在一套橄榄岩,其岩石类型、成因、时代等都缺乏研究.对开屏沟橄榄岩全岩的主量和微量元素及铂族元素、橄榄石主量元素、锆石U-Pb年龄和Hf同位素进行了研究.结果显示,其全岩具有高的Mg#、Mg/Si和Ni值,同时表现出亏损难溶的HFSE和HREE,轻微富集LILE和LREE中与流体活动性相关的元素;橄榄石具有较高的Fo值（90.11~92.77）与NiO含量（0.32%~0.45%）、低的CaO含量（< 0.02%）;PGEs的球粒陨石标准化配分模式与交代橄榄岩和残留橄榄岩近似;两组变质锆石年龄为459.5±3.6 Ma和417.5±2.7 Ma,对应的ε_Hf（t）值为-0.71~9.45和-11.96~-1.20,分别反映了洋壳流体（或早期大陆俯冲板片流体）和陆壳流体交代的性质和时限.开屏沟橄榄岩来源于俯冲带上覆地幔楔,遭受了不同来源流体不同程度的交代作用而获得地壳特征,同时为柴北缘大洋俯冲到陆陆碰撞的构造演化提供了新证据.