高温-超高温变质作用成因研究——来自华北克拉通西部孔兹岩带和南非Kaapvaal克拉通西南部Namaqua活动带与Bushveld变质杂岩体的启示

超高温变质作用是在变质地质学领域,继超高压变质作用研究高峰之后的又一重要前缘课题,对于认识地壳构造-热演化具有重要意义。本文总结了华北克拉通西部孔兹岩带和南非Kaapvaal克拉通西南部Namaqua活动带与Bushveld变质杂岩体的高温-超高温麻粒岩的化学成分、矿物组合、变质演化特征,及其相应的变质事件与构造属性。我国的超高温变质作用带,包括华北克拉通西部的孔兹岩带——从内蒙西段的大青山到东段的集宁-凉城地区的超高温变质岩,皆为Al-Mg质和Al饱和体系的超高温变质岩石,常见假蓝宝石+石英、尖晶石+石英的典型超高温变质组合,以及含假蓝宝石±尖晶石、但缺少石英的非典型超高温变质组合。南非Namaqua活动带与Bushveld变质杂岩体分别发现有独特的Fe-Al饱和的铁尖晶石+石英+大隅石、刚玉+高温石英等超高温矿物组合,罕见的高温硼硅酸盐和硅硼铝镁石等超高温矿物组合;以及Ca-Mg质饱和的钙镁橄榄石+镁硅钙石镁黄长石+镁橄榄石等超高温矿物组合的麻粒岩。研究的核心问题是矿物和岩石在高温-超高温条件下的特殊行为方式,不同构造环境和岩石化学成分下的变质反应及其热动力学过程。由此提出超高温变质作用成因研究中的科学问题:包括不同类型和地质属性的高温-超高温麻粒岩的成因特征;麻粒岩的形成条件演化过程和构造背景;高温-超高温变质过程中部分熔融和重新水化过程中流体的作用以及岩体形变过程中的部分熔融;变质反应以及变质作用P-T-t轨迹、元素地球化学和熔体作用行为;岩石保留的可能的变质事件和年代学记录,定量评价高温-超高温过程中变质演化的时间跨度和演化速率。

华北克拉通中西部一维地壳结构特征

利用在华北克拉通中西部横跨鄂尔多斯盆地西缘、银川地堑、黄河断裂带和贺兰山山前断裂布设的一条长度500 km的高分辨地震宽角反射/折射探测剖面资料,获得了P波震相走时,并利用多种计算方法获得该区的一维地壳速度结构模型。结果显示:银川盆地及其两侧区域的地壳速度结构和壳内界面分层都显示出较大的差异,银川盆地及以西区段呈现三层地壳结构,下地壳界面仅在鄂尔多斯块体西部显示,地壳结构呈现双层特征,且壳内速度等值线和界面变化相对平缓,显示出稳定的地壳结构特征;沿地震测深剖面地壳厚度总体呈现自东向西逐渐加厚的特征,各个块体又具有各自的地壳厚度特征。结合该区其他地球物理、地质资料等研究结果,分析了银川地堑与相邻地块的基底结构、深部构造差异,探讨其横向差异及不同地区的构造变形特征。此结果为深入认识华北克拉通中西部空间差异性、构造薄弱带或活动构造带的深、浅构造特征研究提供了精细的地球物理参数。

爆破地震揭示的华北西部高分辨基底速度结构

利用在华北克拉通西部完成的两条高分辨折射探测剖面获得的21炮Pg波资料,在对不同构造区Pg波的运动学与动力学特征分析对比的基础上、采用有限差分反演方法构建了两剖面的基底结构模型.研究结果不仅清晰地标定了主要断裂的位置及形态,还反映出不同构造区基底埋深和速度结构的差异.鄂尔多斯地块的基底埋深在4.5~5.5 km间、起伏变化不大,且速度梯度横向变化不甚明显,结合Pg波走时平稳、追踪远等地震学现象,揭示出鄂尔多斯地块浅表沉积和基底结构比较稳定;贺兰山和银川盆地两者不仅在地形地貌上差异显著,其基底埋深从2.0~4.0 km的较大变化以及速度结构显著的横向非均匀性足以表明两者之间垂直差异运动及变形的强烈程度.银川盆地Pg波走时趋势与速度结构图像基本反映了基底局部坳陷的形态特征和新生代沉积厚、速度低的客观现象;弧形构造区地处祁连、阿拉善、鄂尔多斯三者相互作用的复杂构造环境之中,基底埋深6.0 km的巨厚坳陷与相邻仅2.0 km厚的基底隆起形成较大反差,这与印度板块和欧亚板块强烈的碰撞推挤致使在青藏高原东北缘多个构造块体交汇复合部位呈现变形强烈、极度不稳定的基底结构密切相关.鄂尔多斯块体基底呈现西深东浅特征及周缘基底强烈的横向不均匀性、挤压褶皱变形及断裂带的发育,均反映了青藏高原NE向的持续挤压运动遭到了鄂尔多斯块体的阻挡.

内蒙古集宁橄榄岩包体微区微量元素与Sr同位素特征及其岩石圈地幔演化的指示意义

为完整了解华北克拉通的破坏程度和机制,加深对其西部陆块岩石圈地幔的研究十分重要,而位于华北克拉通西部集宁新生代碱性玄武岩中的地幔橄榄岩包体,为研究人员认识该地区的岩石圈地幔的性质和演化起到指示作用.运用LA-ICPMS和LA-MC-ICP-MS对集宁地区橄榄岩矿物进行原位微区测试,获得其主量、微量元素和Sr同位素成分的数据.根据矿物组成,可以将集宁地区的橄榄岩分为两类:第一类为贫单斜辉石橄榄岩(单斜辉石体积分数小于8%),它们经历了高程度的部分熔融,可能是古老难熔岩石圈地幔的残留;第二类为二辉橄榄岩(单斜辉石体积分数大于13%),其熔融程度低,代表了新生饱满的岩石圈地幔.第一类橄榄岩中单斜辉石REE含量整体偏低且轻微富集LREE,第二类橄榄岩中单斜辉石具有LREE富集和轻微亏损两种配分模式,大部分样品的核边有一定的强不相容元素及Sr同位素组成变化.这些微量元素和同位素特征都表明集宁橄榄岩包体经历过交代作用.(La/Yb)_N和Ti/Eu比值特征表明它们经历过多阶段的交代作用,交代介质有硅酸盐、碳酸盐熔/流体,这些交代介质可能为来源于古亚洲洋板块俯冲时释放的熔/流体.