地幔不均一性与地幔循环的多维表征和原因思考

地幔早先经核-幔-壳分异形成,后受不同尺度对流和循环的影响,因而具有不均一性特征。近三十年来,地幔化学通过研究大洋玄武岩发现了多样地幔端元和非放射性同位素证据并证明了地幔不均一性,逐渐建全了地幔地球化学体系。然而,地幔不均一性如何对应于时空尺度的地幔循环,以及地球演化如何影响地幔不均一性等,仍不清楚。此外,地球物理研究显示,岩石圈厚度差异、中下地幔的波速异常体以及俯冲板片形态的观测为纵横向对流系统提供了空间不均一性证据支持。联合地球化学和地球物理手段对研究地幔不均一性至关重要,用好透视地幔成分与结构的“双目镜”已成为共识。本文从地幔不均一性结合地球化学场、地球物理的不同表现形式,以及现今及历史时期的洋陆格局的对比,多维度联系地幔循环和演化,思考了超大陆旋回与地幔不均一化的内在逻辑。强调了从全球演化角度看地幔不均一性的重要性和提出多手段联合建立地幔循环驱动模型的展望。

大陆岩石圈地幔异剥橄榄岩化的证据和意义

异剥橄榄岩化是地幔橄榄岩与硅不饱和熔体发生强烈相互作用的地幔过程。这一过程通常伴随地幔物理-化学性质的显著改变,与克拉通岩石圈减薄和破坏密切相关。本文梳理了前人对异剥橄榄岩化的驱动机理、结构和成分特征及其对大陆稳定性影响等方面的定性认识,并在此基础上通过热力学模拟,刻画了不同属性地幔与熔体在不同温度压力条件下的相互作用过程,目标是为定量限定异剥橄榄岩化的发生条件、物理-化学效应及地球动力学意义。研究显示,异剥橄榄岩化通常会出现磷灰石、角闪石、金云母和碳酸盐等标志性交代矿物,并以斜方辉石被单斜辉石替换为典型特征,还可发育海绵边、熔体囊(已冷却结晶为单斜辉石、橄榄石等细粒矿物)和矿物环带等非平衡结构。热力学模拟表明,熔岩反应过程受原岩、熔体性质以及熔/岩比例的共同控制,不同属性地幔(难熔方辉橄榄岩、饱满二辉橄榄岩)与贫硅(如霞石岩)熔体反应都能生成富单斜辉石橄榄岩,且在较高压力(如2.5GPa和4.0GPa)条件下更容易形成异剥橄榄岩;相比之下,不同性质地幔与富硅(如MORB)熔体反应在任何压力条件下均不能产生异剥橄榄岩。此外,两类熔体参与的熔岩反应均能引起围岩密度逐渐增加,并在高压条件下能导致饱满岩石圈地幔密度超过地幔参考值、达到岩石圈失稳的条件。因此,本文从热力学的角度定量约束了异剥橄榄岩化的发生条件和对岩石圈地幔的影响,为前人提出的橄榄岩-熔体反应能够造成岩石圈地幔减薄和破坏这一概念模型提供了理论实证,对评估大陆稳定性具有重要意义。

克拉通地幔形成与演化及对大陆命运制约因素的思考

岩石圈地幔属性主要由熔体抽取和交代作用程度共同决定,与岩石圈起源、大陆稳定性、宜居环境演变等密切相关。全球古老大陆的命运差别很大,有的长期稳定、有的遭受破坏,其控制因素可能包括大陆根地幔形成时熔融条件和后续交代改造过程等。本文总结前人研究资料发现,南非克拉通长期处于板块离散背景下,并经历了多期地幔柱活动,岩石圈地幔主体保持难熔属性、局部发生富集;华北克拉通长期处于板块汇聚背景下,并在显生宙发生强烈岩石圈减薄、改造和地幔置换作用,仅局部有难熔地幔残留。我们认为,亟需对不同命运克拉通之下的岩石圈地幔开展早期熔融条件和交代演化历史对比研究,寻找控制大陆命运的先天条件和后天因素。研究结果可以为大陆起源、宜居星球演化等关键科学问题提供制约。

穆斯堡尔光谱仪在揭示地幔氧逸度研究中的应用

利用地幔橄榄岩包体中平衡矿物对的氧逸度计可以有效限定岩石圈地幔的氧化-还原状态.本文使用中国地质大学(武汉)新购置的WSS-10型常温穆斯堡尔光谱仪对华北地块西北部狼山地区橄榄岩包体的四相矿物开展了铁价态的直接测定.结果显示,斜方辉石Fe^(3+)/∑Fe为0.05~0.11,单斜辉石的为0.16~0.25,尖晶石的为0.16~0.22,橄榄石为0.利用橄榄石-斜方辉石-尖晶石氧逸度计,获得狼山地区岩石圈地幔氧逸度为FMQ-0.82至FMQ-0.39(均值为FMQ-0.65).该值略高于依据电子探针测试数据计算获得的氧逸度值(FMQ-1.49至FMQ-0.8,均值为FMQ-1.25),造成这一差异的原因可能是后者忽略了尖晶石晶格中Fe^(3+)过剩和阳离子空位导致的非化学计量比.与全球克拉通岩石圈地幔氧逸度值(均值为FMQ-0.35)相比,华北地块西北缘狼山地区岩石圈地幔整体表现为较还原状态,推测与深部地幔低fO_(2)熔体上升交代有关.

地球物理观察和岩石包体约束华北岩石圈地幔结构、性质及过程

对岩石圈物理、化学结构进行多维度的高精度限定,可为其形成演化等重要基础科学问题提供可靠依据.华北深部岩石圈经历多期次复杂改造过程,导致物理、化学结构参数的改变.厘清岩石圈精细结构中各参数空间分布特征,有助于对改造范围、程度及机制进行有效制约.通过地震学、重力学及地热学综合研究,结合深源岩石包体的定深(岩石圈中的层位)、定性(化学的和物理的)和定年(形成和改造年龄)成果,文章构建了华北岩石圈地幔多维度物理、化学结构模型.研究表明:华北陆块岩石圈地幔横向上存在高度不均一性,除陆块内部的局部地区保留有太古宙-古元古代难熔、强烈交代的地幔,大部分已转变为元古代甚至显生宙饱满、弱交代的地幔.岩石圈地幔结构组成特征表明,华北东部地幔受改造强烈,甚至最终完全置换;华北中部过渡带和西部保持相对稳定,但是西南缘岩石圈受到明显改造.

岩浆如何链接地球深部过程与浅部系统?

地球内部运行机制和物质循环过程,不仅控制着地球的圈层分异和相互作用,而且制约着板块运动、地震活动、火山爆发、造山作用、成矿成藏以及环境气候生命系统的协同演变.深入理解不同时期地球的深部物质过程,对揭示其内部运行规律及地球宜居性演化具重要意义.板块构造启动、关键元素分布与循环、生物过程演化等都需要关注深地过程.然而,如何有效揭示地球深部物质组成、示踪其循环过程,是地球科学面临的巨大挑战,也是前沿和热点.岩浆作用是深地过程的重要表现,其相关产物是圈层间物质和能量传输的直接载体,记录着类地行星的脉搏.岩浆过程能影响浅部资源能源效应,驱动表层系统的环境变迁和生命演化,是连接深部过程与浅部效应的纽带.

西太平洋板片俯冲与后撤引起华北东部地幔置换并导致陆内盆-山耦合

华北中生代构造-岩浆活动频繁,深部岩石圈地幔性质发生变化,即克拉通发生活化作用.活化作用大致可分为三个阶段:(1)晚古生代至早侏罗世(至~170Ma),(2)中侏罗世至早白垩世早期(160~140Ma),(3)早白垩世至新生代(~140Ma以来).其中后两个阶段与古太平洋板片俯冲及后撤导致华北东部深部的岩石圈地幔置换并引起陆内浅部的盆山耦合过程是本文讨论的重点.在第一阶段,古亚洲洋俯冲和关闭引起华北北缘经历弧后拉张、碰撞挤压及碰撞后伸展等构造-岩浆活动,而且造成陆块边缘完整性的机械破坏和地幔性质的化学改造,成为后续软流圈物质上涌的通道和岩浆活动的优先发生区;受华南陆块俯冲的影响,华北南缘也发生了类似的过程.在第二阶段,蒙古鄂霍次克洋闭合及古太平洋板片俯冲剪切,引起华北北缘的两次近S-N向的挤压作用(燕山运动的A、B幕),近E-W向分布的陆缘盆地被晚中生代岩体和NE-SW断裂肢解为零星分布的盆岭省,岩浆作用由东北角向西迁移进入地块内部,同时郯庐断裂的性质由左行走滑转换为正断层,华北由早期的近S-N向的压扭性背景进入NW-SE向的弧后拉张阶段.第三阶段是华北克拉通破坏和岩石圈地幔增生的关键时期,深部难熔的克拉通型地幔被饱满的大洋型地幔置换,实现岩石圈大幅度减薄后的小幅增生增厚过程;浅部的表现是岩浆作用持续向东南迁移,陆内岩石圈薄弱带优先发生伸展变形,包括在早白垩世(140~110Ma)中部带侏罗纪逆冲断层反转为正断层、郯庐断裂的持续拉张引起中地壳拆离和大渤海湾盆地的沉降;晚白垩世至今(110Ma~),中部山带发生断陷作用形成汾渭盆地和沁水盆地,大渤海盆地内部断陷形成盆-山相间的地貌特征,苏鲁造山带则发育莱阳盆地等.华北克拉通规模小并发育陆内薄弱带,是克拉通容易破坏的内因.具这种特性的克拉通容易受周边多个俯冲构造域和上涌软流圈物质的共同影响.晚中生代(~160Ma)以来,华北克拉通破坏主要表现为周边块体的俯冲导致软流圈物质上涌、岩石圈减薄和浅部地壳滑脱,岩石圈薄弱带处(如中部山带)出现褶皱和逆冲,实现伸展背景下的局部挤压;俯冲板块后撤(~140Ma)则使上涌的软流圈回落形成岩石圈并实现地幔小幅增生置换(~125Ma)与伸展背景下浅部地壳断陷和成盆过程.因此,西太平洋板片俯冲和后撤是引起华北东部深部岩石圈地幔置换并导致陆内浅部盆-山耦合的外在动力来源,表明华北克拉通破坏是地块内部与地块边缘、深部过程与浅部盆-山耦合响应的综合地质记录,我们认为这也是燕山运动的本质.

中国东部岩石圈地幔的富化和置换过程

中国东部大陆主要由华北和华南两个古老地块在早中生代沿秦岭-大别-苏鲁造山带拼合形成,在显生宙特别是晚中生代时,东部大陆特别是华北东部发生显著活化,表现为浅部强烈的构造变形、盆地形成、岩浆活动、巨量成矿和深部岩石圈地幔的改造、减薄和增生作用,从而明显区别于全球其他稳定的克拉通地区。本文梳理了中国东部大陆演化历史和岩石圈地幔特征,认为华北和华南地块均由古老陆块拼合而成,块体初始规模小且内部发育薄弱带;显生宙以来华北、华南甚至整个中国东部都受到周边多个构造域的夹持影响,板片俯冲引起的软流圈上涌和熔流体活动沿大陆内部薄弱带和边缘有效侵蚀、改造上覆大陆岩石圈,使之发生减薄、再富集和置换作用,这种被改造的岩石圈地幔具有饱满的组成(富含玄武质组分)、较高的密度和较低的刚性程度,容易发生构造变形和部分熔融,使原本稳定的克拉通发生活化。因此,块体规模和内部薄弱带(内因)及周边构造环境(外因)是大陆稳定性的重要控制因素,中国东部大陆显生宙活化是这些因素协同作用的结果。

如何利用蛇绿岩揭示大洋扩张中心地幔岩浆动力演化?

大洋中脊(大洋扩张中心的典型代表)是地球上最大的岩浆动力系统,释放了现今地球上最大体量的幔源岩浆,产生了占据地球表面近三分之二面积的岩石圈.这些动力过程维持了板块构造的运转,同时促进了地球多个圈层之间的物质循环和能量传输.数十年来,地质学、地球化学、地球物理学以及实验与数值模拟的跨学科研究显示:洋中脊、弧前/弧后等扩张中心受控于大洋岩石圈的离散扩张和软流圈地幔物质的上涌流动,并导致地幔部分熔融、熔体迁移演化、新的大洋岩石圈的形成、水圈-岩石圈相互作用、极端生命演化以及地球物质和能量从深部向表层的传输(White and Klein,2014;汪品先,2018;Katz et al.,2022).

世界在自己心中

本文由北京市第八十中学学生戴婧婷推荐。在他们学校的成人礼上，她爸爸作为家长代表发言，广受同学们好评，都说讲得非常棒，她自己听了也非常开心。现在把演讲内容分享给大家，希望对即将迈上成人台阶的你们有所启发。