幔源岩浆成因的实验岩石学约束

作为地幔熔融的直接产物,幔源岩浆的成分和性质忠实地记录了地幔源区的化学组成并能反映其演化过程,为深入理解地球内部的动力学过程和演化历史提供了重要信息。得益于近年来高温高压实验装置和微区分析测试手段的大幅改进,科学家们能够在高温高压条件下正演模拟和记录地幔岩石的物理化学反应,通过控制实验条件和初始物质成分,揭示不同地质环境下的地幔部分熔融机制,约束幔源岩浆的生成和演化过程。本文通过对不同幔源岩浆成因的实验岩石学研究进行系统梳理,总结了单一地幔橄榄岩源区的熔融、地幔源区其他岩石类型的熔融、地幔源区不同岩石的混合熔融三方面相关实验的研究现状、突出进展和存在问题,并结合深地科学的发展方向,对未来有关幔源岩浆成因和壳幔相互作用的实验研究前景进行了展望。

东昆仑造山带三叠纪岩浆混合成因花岗岩的岩浆底侵作用机制

东昆仑造山带广泛出露三叠纪岩浆混合成因花岗岩,它们具有共同的特征:岩体成分变化大;花岗岩类岩石中富含镁铁质微粒包体(maficmicrogranularenclave——MME);不同岩性之间常常呈渐变过渡关系。同时,这些岩体无一例外都和代表下地壳的深变质岩共生,暗示岩浆就位于地壳深部。此外,东昆仑地区广泛发育基性侵入体,它们产在深变质岩中,或者与岩浆混合成因花岗岩类共生,暗示下地壳物质的部分熔融和岩浆混合成因花岗岩的形成有可能与基性岩浆底侵作用有关。笔者选择东昆仑加鲁河这一典型的岩浆混合成因花岗岩体为例,对其岩石学、地球化学、同位素地球化学等特征进行了详细研究,认为幔源岩浆底侵作用是这类岩体形成的直接原因,并对幔源岩浆底侵作用和岩浆混合成因花岗岩之间的成因联系以及幔源岩浆底侵作用在东昆仑造山带三叠纪地壳生长和构造演化中所起的重要作用进行了讨论,构建了加厚陆壳背景下的断离—底侵—混合—拆沉作用模型。

铜、镍、铂族元素地球化学性质及其在幔源岩浆起源、演化和岩浆硫化物矿床研究中的意义

Ni、Cu和PGE具有不同于其他微量元素的特殊的地球化学性质,这些特殊的性质使得它们在幔源岩浆起源和演化以及岩浆硫化物矿床的成因研究中具有不可替代的作用。在S不饱和的条件下,Ni、Os、Ir和Ru具有相容元素的特性,而Cu和Pd是强不相容元素,因此,它们在玄武岩浆分离结晶过程中常常发生分异。一旦体系达到S饱和,这些元素则会强烈地进入硫化物熔浆,特别是PGE具有极高的硫化物熔浆/硅酸盐熔浆分配系数,极微量的硫化物熔离便可导致残余岩浆中PGE的显著亏损,因此,PGE是玄武岩浆硫化物熔离作用最敏感的示踪元素。硫化物熔离和成矿实质上是幔源岩浆特殊演化过程的结果,所以,Ni,Cu和PGE的特殊性质可用来探讨岩浆硫化物成矿的关键控制因素。Ni、Cu和PGE具有不同的单硫化物固溶体/硫化物熔浆分配系数,因此,它们也是硫化物熔浆结晶分异的重要示踪元素。本文试图从Ni、Cu和PGE地球化学性质和行为入手,并借助一些研究实例,对它们在幔源岩浆起源和演化以及岩浆硫化物矿床成因研究中的示踪意义进行系统介绍。

西藏冈底斯南带辉长岩及其所反映的壳幔作用信息

在巨型冈底斯岩浆岩带南端产出有一个辉长岩带,与雅鲁藏布江蛇绿岩带平行共生。辉长岩带中以辉长岩为主,与冈底斯花岗质岩石空间上呈渐变过渡接触关系,表现为接触带附近岩石成分的规律变化,并出现暗色微粒包体。本文在项目组多年来对冈底斯岩浆岩带研究的基础上,对拉萨曲水县城—日喀则一带的辉长岩类进行了详细的野外观测,选择了典型露头系统采集了样品,系统的岩石学、地球化学及同位素地球化学分析和研究表明该辉长岩类的SiO_2 49%～55%、Mg~#49～66,近于原始基性岩浆,REE曲线平缓右倾,无明显负Eu异常,表明未发生明显的岩浆分异作用,其^(87)Sr/^(86)Sr比值变化在0.7036～07051、^(143)Nd/^(144)Nd为0.5128～0.5131,且ε_(Nd)为2.34～6.87,其^(206)Pb/^(204)Pb,^(207)Pb/^(204)Pb,^(208)Pb/^(204)Pb分别为17.9095,15.4986和38.0176。这些特征都表明该辉长岩属于PREMA源区物质局部熔融而成,并在上侵就位过程中受到壳源物质影响。已有SHRIMP锆石U-Pb年龄表明该辉长岩类形成于40～53Ma,与曲水岩体岩浆混合时代一致。因此可以推断印度-欧亚陆陆碰撞过程中,随着俯冲板片的折返断离,具有亏损特征的普通幔源物质在始新世局部熔融,其熔浆底侵、上升,不同程度地与壳源花岗质岩浆混合,形成冈底斯辉长岩带,其成因与大陆碰撞密切相关。

新疆北部后碰撞与幔源岩浆有关的成矿谱系

新疆北部与后碰撞幔源岩浆作用有关的矿床主要有四类:铜镍硫化物矿床、钒钛磁铁矿矿床、钛铁矿-铜镍硫化物复合矿床和玄武岩型自然铜矿床。上述四类矿床成矿时代相近(主成矿期为二叠纪),空间相邻,跨构造单元分布,彼此之间可出现过渡或复合矿床类型,构成了独特的后碰撞与幔源岩浆作用有关的成矿谱系,也是中亚型造山后碰撞阶段颇具特色的成矿组合。依据其成矿专属性的不同,新疆北部与幔源岩浆有关的矿床可分为两个系列:钛铁系列和铜镍系列。钛铁系列以尾亚矿床为代表,以高钛富碱为特征,为碱性系列,REE总量高,LREE富集,ε_(Nd)(t)近0值,其含矿岩体的地球化学特征与峨嵋大火成岩省钒钛磁铁矿含矿岩体特征一致,推测其含矿岩浆来源与地幔柱活动有关;而以黄山、喀拉通克为代表的铜镍矿床成矿岩体,以相对富镁为特征,属钙碱系列和拉斑玄武岩系列,REE总量较低,模式曲线呈LREE略富集的平缓型分布,ε_(Nd)(t)为明显的正值,可能来自亏损岩石圈地幔的部分熔融。新疆北部后碰撞阶段除发育了与幔源岩浆有关的成矿谱系外,还发育了与造山带有关的构造-岩浆-成矿体系。这种既有地幔柱成矿又有造山带成矿的双重特性,可能是二叠纪地幔柱活动与造山(后碰撞)作用叠加的结果。

镁铁质-超镁铁质岩体含矿性评价指标体系--应用于寻找岩浆硫化物矿床

为了能够快捷、经济地从众多镁铁质-超镁铁质岩体中筛选出有利于赋含岩浆硫化物矿床的岩体,尝试着论述了岩体含矿性评价指标体系。构成该体系的要素包括:构造环境、岩浆源区性质、原生岩浆、岩体类型、岩浆分异程度、质量平衡、岩浆含水量、同化混染、矿物学、造岩矿物晶体化学、主量元素地球化学和物化探异常等。该指标体系仅仅是初步建立,尚需一个不断深化、完善的过程。

安徽铜陵中生代侵入岩地质地球化学特征再认识及成因讨论

安徽铜陵地区是我国最著名的铜多金属矿产地,岩浆岩出露广泛,岩浆作用与成矿关系密切。作者广泛收集了前人对铜陵地区中生代岩浆岩的研究资料和成果,并在此基础上进行了仔细的岩相学观察和深入的岩石学、岩石化学和微量元素及同位素地球化学研究,系统总结了该区中生代侵入岩的地质地球化学特征,并探讨了其成因机制。研究认为:①铜陵地区中酸性侵入岩形成于晚侏罗世-早白垩世(135～147Ma),岩浆活动持续时间大约为10～15Ma;岩体沿近东西向深断裂呈带状分布,浅成侵入产出,受多期不同方向和性质的断裂控制。②依据Q-A-P图解确定区内侵入岩主要为辉石闪长岩、石英(二长)闪长岩和花岗闪长岩3类中酸性闪长质岩石,均属亚碱性高钾钙碱性系列。③3类侵入岩具有相似的微量元素、稀土元素和Pb-Sr-Nd-O同位素地球化学特征,反映原始岩浆起源于富集岩石圈地幔,受到壳源物质的混染。④3类侵入岩可能是地壳深部带状岩浆房不同岩浆层中的岩浆与构造运动诱发的深断裂相沟通并随机地上升、脉动式侵位形成的;深部岩浆房中的带状岩浆层可能是由于温度梯度引起扩散对流作用进而发生一定程度的熔离分异作用所致;岩浆演化过程中存在镁铁矿物及磷灰石和锆石等矿物的结晶分异作用。⑤铜陵地区中生代岩浆活动的大地构造背景是大陆板块内部,岩浆作用与晚侏罗纪古太平洋板块的俯冲作用密切相关,但同时受区域前中生代基底构造的制约;侵入岩原始岩浆起源于挤压向拉张转换的动力学背景下的岩石圈地幔加厚之后的减压熔融并底侵下地壳岩石。

云南马厂箐岩体中深源包体特征及其锆石LA-ICP-MSU-Pb年龄

马厂箐岩体属于滇西富碱侵入岩的重要组成部分,在马厂箐岩体中发现了镁铁质暗色深源包体,这对于研究滇西富碱侵入岩带的起源、演化、成岩成矿作用以及区域地球动力学机制具有重要意义。本文基于对深源包体地质特征研究,通过开展LA-ICPMSU-Pb锆石定年,得到花岗斑岩中镁铁质深源包体锆石U-Pb加权平均年龄为35.13±0.23Ma(MSWD=0.64),与其寄主岩花岗斑岩年龄(35.0±0.2Ma)和(似)斑状花岗岩年龄(33.78±0.21Ma)较为一致,结合深源包体及其寄主岩锆石的Th/U比值及Ti温度计特征,证明了包体的岩浆混合成因。分析认为:马厂箐富碱侵入岩体为壳源岩浆与幔源岩浆混合作用的产物;包体与其寄主岩具有相同或相似的岩浆演化过程;35Ma左右存在幔源岩浆的底侵注入,幔源岩浆的注入混合可能是这套岩浆成矿的关键。

东昆仑造山带早中生代幔源岩浆事件及其地质意义

东昆仑造山带早中生代幔源岩浆底侵不仅为花岗岩类的广泛发育提供了能量和物质基础,也为厘定区域构造环境提供了新的约束。本文对区域上发育的小尖山岩体、拉陵高里沟脑2、3号岩体开展了精确的锆石U-Pb年代学研究,并与区域上镁铁质岩体做了对比。LA-ICP-MS U-Pb定年结果表明,小尖山岩体磁黄铁矿化辉长岩锆石^(206)Pb/^(238)U-^(207)Pb/^(235)U谐和年龄为247.1±1.1Ma,与前人获得的中细粒辉长岩年龄相差20Ma,暗示该岩体为多期岩浆活动的产物。拉陵高里沟脑2号和3号岩体辉长岩锆石^(206)Pb/^(238)U-^(207)Pb/^(235)U谐和年龄分别为(244.9±1.6)Ma和(238.4±4.1)Ma,二者年龄在测试误差范围内一致,为同期岩浆作用的产物。结合区域上已知镁铁质岩体的形成时代及地球化学特征,认为早中生代幔源岩浆形成于后碰撞伸展环境,活动时限为251~221Ma。该期幔源岩浆与地壳物质发生了广泛的物质与能量交换,是今后该区铜镍矿勘查的重要对象之一。

新疆中天山干沟一带晚石炭世花岗岩的岩石成因及其地质意义

中天山干沟一带花岗岩广泛分布,前人对北部的眼球状花岗岩和细粒花岗岩进行了精确的SHRIMP定年研究,其侵位年龄分别为428Ma和361-368Ma,笔者对干沟南部的晚石炭世花岗岩进行了锆石LA-ICP-MSU-Pb定年研究,其侵位年龄为（301.2±1.0）Ma.干沟晚石炭世花岗岩属于高钾钙碱性系列,其σ值为2.6-3.22,显示钙碱性与碱性过渡的特点,富集轻稀土元素及Rb、K、Th、La及高场强元素Zr和Hf,亏损Ba、Sr、Nb、Ta、P和Ti,显示I型花岗岩及A型花岗岩过渡的特征.与干沟北部较老的花岗岩相比,晚石炭世花岗岩具有较低的（87Sr/86Sr）i（0.704771-0.705451）及较高的εNd（t）（2.14-2.51）,显示后造山阶段有较多的新的亏损地幔源区物质的加入.文章认为晚石炭世花岗岩的形成同后造山阶段幔源岩浆底侵有关,同时其形成为该区显生宙存在地壳垂向增生提供了新的证据.

东秦岭沙河湾岩体成因--来自锆石U-Pb定年及其Hf同位素的证据

目的确定东秦岭沙河湾花岗岩体形成时代、源区性质及其成因。方法在锆石内部结构的CL图像研究基础上,用LA-ICPMS和MC-ICPMS测定锆石U-Pb年龄及Hf同位素组成,探讨寄主花岗岩、暗色闪长质包体及及围岩中闪长质脉体锆石U-Pb年代学及Hf同位素组成特征。结果寄主花岗岩、暗色包体及其围岩中闪长质脉体分别存在210 Ma和197 Ma,197 Ma和188 Ma以及230M a和210 Ma两组年龄的锆石;对应的Hεf(t)值在一个略微偏正或负的范围内变化,指示该岩体非单一源区岩浆物质所能形成,至少是两个源区岩浆混合作用的结果。结论该岩体是以新元古带古老地壳物质熔融为主体的壳源岩浆与源自略富集地幔的幔源岩浆高度混合的产物。这一壳、幔岩浆混合作用首先以230Ma的幔源岩浆活动为标志,并可能在210 Ma前就由于幔源岩浆活动热源的持续积累而诱发了该区地壳物质的部分熔融,形成以壳源岩浆为主的岩浆房。此后,约在200 Ma深部幔源基性岩浆进入壳源酸性岩浆房发生岩浆混合,并一直持续到185 Ma左右,证明了秦岭中生代壳、幔岩浆混合作用持续了大约60 Ma。

鲁西地壳隆升的伸展构造模式

伸展链锁断层系,形成了鲁西的主导构造格局,即“块断”构造。它是由中、新生代两次伸展运动形成的。伸展运动与幔源岩浆活动有着密切的成生联系。两次伸展运动经历过程是:先是上地壳拉开,形成断裂;其后是因处在伸展断层下盘的泰山—鲁山—沂山断块的上隆,从而启动泰山—鲁山—沂山以北,沿早前寒武纪与古生界不整合界面发生的浅层次的滑脱运动;在深层次滑脱层上部的“分叉”断层以“接力式”传递伸展。浅层次滑脱向北运动,深层次滑脱向南运动,泰山—鲁山—沂山断块成为南、北滑脱断层的共同下盘,它因上部物质拉开卸载而均衡回弹上隆,深层次滑脱面下的中地壳硅—铝质岩向回弹上隆体下的虚脱空间中汇聚加厚,在地堑系下部减薄;回弹上隆体下硅—铝质加积体冷却,将地堑系封住,然后壳幔物质均衡调整,软流圈发生对流运动。伸展运动的结果,形成了以泰山—鲁山—沂山为核心的鲁中块隆,它至今耸立于周围以平原地貌为标志的地堑系之间,隆起的高点,就是当今的泰山。

骑田岭花岗岩体的岩浆混合成因:寄主岩及其暗色闪长质包体的锆石U-Pb年龄和Hf同位素证据

燕山期骑田岭花岗岩体的仰天湖单元中花岗岩以发育暗色闪长质微细粒包体为特征。这些包体大小不等,呈被打散的片云状或次圆状,颜色较寄主岩深,粒度较细。在锆石内部结构的CL图像特征研究基础上,用LA-ICP-MS和MC-ICP-MS测定了锆石U-Pb年龄及Hf同位素组成,探讨了寄主二长花岗岩、暗色闪长质微细粒包体的锆石U-Pb年代学及Hf同位素组成特征。结果表明,寄主二长花岗岩的结晶年龄为(167.5±1.7)Ma和(155.4±4.3)Ma;闪长质微细粒包体的结晶年龄为(181.7±3.4)Ma和(167.6±3.9)Ma,寄主岩和包体均存在两组锆石年龄;对应的ε(Hf)t值为-13.2^-1.9与-8.3^+6.7,说明该岩体非单一源区岩浆物质形成,至少是两个源区岩浆混合作用的结果。结合寄主岩、包体的年龄以及Hf同位素组成特征,认为骑田岭花岗岩是以古老地壳物质熔融为主体的壳源岩浆与地幔的幔源岩浆高度混合的产物。壳、幔岩浆混合作用可能在18 2Ma前形成以壳源岩浆为主的岩浆房,在168 Ma时深部幔源基性岩浆进入壳源酸性岩浆房发生岩浆混合,壳、幔岩浆混合一直持续到15 5Ma左右。

岩浆泡破裂引发地震的模式——以吉林松原2013年地震群为例

2013年10月31日,吉林省松原前郭尔罗斯蒙古族自治县(44.60°N,124.18°E)发生震级为5.5级地震,此后的40d内发生了700多次地震,其中5级以上地震5次。松原地区近年来地震活动频繁,2014年1月以来又发生4级以上地震9次、5级以上地震1次,震中处于松辽盆地油气田开采区,地震活动序列十分特殊。为了揭示松原地震的发震机制与发震模式,研究深部地质过程与地震的关系,根据此次实测的通过震中25km长的大地电磁测深剖面,结合地热梯度、He同位素比值(~3 He/~4 He)、CO_2碳同位素、地震序列等资料的综合分析,发现震中地区存在两个位于不同深度的低阻体,地震发生与地幔深部岩浆活动有关;据此提出了一种新的地震发生模式——岩浆泡破裂发震模式,描述了来自地幔的基性岩浆通过向上侵入、在脆-韧性转换带附近聚集形成岩浆泡、岩浆泡破裂及岩浆泡上覆岩层中聚集能量引发岩层破裂产生地震的过程,并使来自地幔的无机成因的CO_2气在储层中形成CO_2气藏。该模式可以解释许多发生在大陆内部地震和深源地震的发生机制。

云南普朗复式岩体锆石U-Pb年龄和地球化学特征及其地质意义

根据接触关系和岩石学特征将普朗复式岩体划分为三个阶段的侵入岩,即第一阶段的石英闪长玢岩,第二阶段的石英二长斑岩和第三阶段的花岗闪长斑岩。利用单颗粒锆石U-Pb法测定的早、中、晚三个阶段侵入岩的结晶年龄分别为221.0±1.0Ma、211.8±0.5Ma和206.3±0.7Ma。这些年龄数据结合岩石化学和锶同位素资料,表明普朗复式岩体是在印支期由壳幔混源岩浆多次涌动侵入形成的。

岩浆镍铜铂族矿床成矿过程中流体的作用——对小岩体超大型矿床的启示

超大型岩浆镍、铂族元素(PGE)硫化物矿床控制了Ni-PGE的资源量,本文根据地幔岩浆事件中Ni、Cu和PGE等在部分熔融、岩浆结晶和硫化物熔离过程的行为,讨论了岩浆Ni-Cu-PGE硫化物矿床的成矿岩浆类型与规模、成矿金属元素聚集的方式、岩浆演化过程中硫饱和度与硫化物液相不混溶的控制因素,探讨了流体对成矿金属的运移聚集作用等。认为地幔大规模的高度部分熔融(即要求高Mg岩浆)促使地幔硫化物及橄榄石中巨量的Ni和PGE进入岩浆,硫化物熔离富集成矿金属形成大型层状(或通道)岩体赋存的超大型Ni-Cu-PGE硫化物矿床;地幔超临界流体可能大范围内搬运聚集大量Ni-PGE金属元素,对岩浆硫化物矿床成矿可能有重要贡献,是小规模岩浆(小岩体)成矿的可能机制。

赣南横市地区基性岩墙的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄、地球化学特征及其地质意义

本文对江西赣南横市地区基性岩墙进行了年代学、岩石学和地球化学研究,主量元素特征和微量元素分析结果显示,基性岩墙为拉斑玄武岩系列和钙碱性系列,属于富钠基性岩类;Ti O2含量较高,平均含量1%,属于钛较高的基性岩类;A/NCK均小于1,属于准铝质基性岩类,具幔源型岩浆特征。基性岩墙LA-ICP-MS锆石U-Pb定年法测年结果为422.8±1.8 Ma和421.7±2.2 Ma,时代属于晚志留世,表明该基性岩墙是加里东期褶皱造山运动期后拉张(伸展)作用的产物。该地区不仅出露了加里东期同造山期和后造山期两类酸性花岗岩岩体,而且在该地区还同时出现加里东期的酸性岩类及基性岩类,大致反映了该地区从挤压型酸性岩浆侵位逐渐转换为拉张环境的基性岩浆侵位构造过程。

长白山天池火山区深部流体成分及其稳定同位素组成

天池火山区深部流体成分和稳定同位素组成特征指示，该区地下有相对独立的四个含水层。２．２ｋｍ以上为冷水层，２．２—３．４ｋｍ、３．５—３．９ｋｍ、４ｋｍ以下分别为上部、中部和深部热水层。现代水热活动均伴随强烈的深源气体释放，碳和氦同位素比值揭示，这些气体属幔源气体，其中仅混入少量大气，壳源物质混染不明显。大规模幔源气体释放主要集中在天池火山湖周围，这表明该区地壳浅部可能存在一定规模的热的幔源岩浆体。据碳同位素地质测温估算，该岩浆体的热变质带顶部距地面约５ｋｍ。气体动态变化显示该岩浆体目前处在不稳定期，值得引起重视。

冀北哈叭沁超镁铁岩锆石年代学及Hf同位素：对区域岩浆活动期次及源区的指示意义

冀北承德地区铁的成矿作用从新太古代一直延续到古生代，呈现出成矿元素铁在这一地区不同地质历史时期反复聚集成矿的特点，重要的铁矿资源都与镁铁一超镁铁岩体有关。本文对哈叭沁岩体中3件角闪石岩样品进行了LA—ICP—MS锆石U—Ph测年和Hf同位素分析。原生岩浆锆石U—Pb测年结果获得406±2Ma的成岩年龄，表明承德地区古生代超镁铁岩岩浆活动发生于泥盆纪。前人及本文继承锆石的U—Pb测年结果表明，承德地区镁铁-超镁铁岩浆活动期次主要有古-中元古代、泥盆纪、晚石炭世-早二叠世、晚三叠世4期，且都与伸展构造背景紧密关联。承德地区不同时代铁矿围岩的原生岩浆锆石的Hf同位素的对比研究表明，与成矿元素铁相关的地质体的源区为地幔物质或形成于2．9-2．7Ga的基性下地壳物质。而之后的地壳沉积物质部分熔融形成的地质体则缺乏成矿潜力。

中国休眠火山区岩浆来源气体地球化学特征

中国休眠火山区岩浆来源气体的最主要成分是 CO_2,含量占80%～99%;其它气体组分还有 CH_4、He、H_2、N_2、Ar、O_2、H_2S、SO_2、CO 等,其中 CH_4和 He 是 CO_2以外最值得重视的直接来自地幔岩浆体的气体组分。He 的同位素组成(~3He/~4He比值)是休眠火山区最可靠的幔源物质的指示性参数;岩浆来源的 CO_2和 CH_4也具有特征的区别于浅源气体的稳定同位素组成(δ^(13)C 值)。长白山火山区近期 CO_2和 CH_4的碳同位素分馏监测结果显示,2002年汪清7.2级深震虽然可能引发了深部岩浆的局部扰动,但是它可能并没有产生特别大量的、持续不断的上地幔岩浆物质流的上升迁移。这意味着,长白山天池火山区近期可能没有火山喷发活动的现实危险。