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。

长白山火山地幔不均一性——微量元素及同位素地球化学研究

大陆火山的复杂性是一个普遍关注的全球性问题,也是一个长期以来悬而未解决的地质问题。长白山火山位于亚洲板块东部的活动边缘,受到西太平洋俯冲的影响,新生代构造和火山活动活跃,为探讨大陆火山成因及其地幔源区特点提供了极佳的天然实验室。天池火山和龙岗火山是长白山地区两个重要的新生代火山区,其火山岩分布具有空间相邻、火山活动时代相似的特点,本文通过对基性火山岩的岩石学和地球化学对比研究,指出天池火山和龙岗火山具有明显的地球化学不均一性,包括微量元素不均一性和 Sr、Nd、Pb 同位素不均一性,来自于不同的地幔源区,天池火山和龙岗火山火山岩分布相邻,覆盖范围东西最大不过100多公里,因此这是典型的小尺度地幔地球化学不均一的特点。Sr、Nd 同位素特征显示龙岗火山来自于原始地幔,而天池火山来自于原始地幔和富集地幔混合源区。不相容元素 Nb、Ta 显示,天池火山 Ta 元素含量很低(主要落在0.17～2.15 ppm 的范围),具有明显的负 Ta 异常和明显的 Nb/Ta 分异(Nb/Ta=10～50,个别达到100以上),可能是板片部分熔融产物与金红石等副矿物反应的结果,暗示了西太平洋板块俯冲机制的影响;而龙岗火山没有明显 Nb、Ta 亏损或者分异。

太古宙富铁苦橄岩与太古宙早期深部地幔不均一性

富铁苦橄岩是一类特殊的高镁地幔来源岩浆岩,具有高的FeOT含量(>14%)和MgO含量(>12%),并富集不相容元素和具有轻重稀土强烈分异的稀土元素配分模式。富铁苦橄岩通常与科马提岩产出于绿岩带中,或产出于大火成岩省中,因此富铁苦橄岩的形成与地幔柱活动有着密切的联系,与其他高镁地幔来源岩浆岩(科马提岩、苦橄岩)一道成为了探究地球深部地幔的最佳材料。根据太古宙科马提岩成分随时间的演化,以往的研究认为地球深部地幔中出现富集组分的时间约为2.7Ga。而最近在华北克拉通冀东地区发现的古太古代(3.45Ga)富铁苦橄岩表明地球深部地幔中铁和不相容元素的局部富集可能在3.45Ga前后便已出现。对太古宙富铁苦橄岩的进一步研究有助于我们理解地球早期各圈层相互作用的模式。

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1200~1425℃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.

地幔的不均一性及地幔流体的形成机制

地幔的不均一性及地幔流体的形成机制朱永峰（北京大学地质系，北京１００８７５）关键词地幔不均一性，地幔流体，网络结构各种化学元素在地壳中的分布极不均一。因此，成矿带（群）、矿田（群）的分布在时代上和空间上也表现出极大的不均一性。原因是地球体系发展演化的...

大洋地幔化学组成不均一性成因研究回顾及展望

认识地幔组成不均一性及其成因对于揭示固体地球的演化规律具有重要意义。简要论述了全球典型大洋玄武岩(洋岛/海山玄武岩(OIB)、洋中脊玄武岩(MORB))源区组成不均一性的化学特征及成因,并分析了国内外对地幔组成不均一性的认识不足之处和原因。30多年以来,玄武岩地球化学研究主要围绕地幔组成端元成分差异性及其成因,包括HIMU(‘μ’=^(238)U/^(204)Pb)、EMI和EMII及FOZO(同位素组成介于HIMU和MORB之间)富集端元,以及DMM亏损地幔端元(包括印度洋型(Indian-type MORB)和太平洋型(Pacific-type MORB)。富集地幔端元通常被认为与板块构造导致的地球化学循环有关,然而,这些端元的成因存在多解性。尽管过去常将亏损地幔作为一个地幔端元,但全球主要地幔库的亏损端元之间的同位素差别也是长期演化的结果,地幔亏损端元组成差异的研究也是至关重要的。地幔端元成因的多解性主要是由于对板块构造导致物质循环的关键环节了解不够,以及对地球早期熔融导致的上地幔亏损过程的认识不足。在总结研究现状和科学问题的基础上,本文指出地幔不均一性成因研究的潜力方向和方法:(1)深化对玄武质洋壳深部地幔压力下的物理化学相变研究,认识再循环洋壳重返浅部地幔的基本理论前提;(2)利用年轻的大陆裂张海盆玄武岩,有效检验大陆富集物质是否拆离进入地幔软流圈;(3)碳酸岩熔体来源及其对碱性玄武岩富集端元组成的贡献;(4)板块俯冲进入地幔过程中化学分异过程。

俯冲循环组分对大洋地幔不均一性的定量约束

大洋地幔内部存在广泛的不均一性,其成因可有多种模式,其中俯冲循环作用对地幔组成的变化具有重要影响.为明确各循环组分对亏损地幔的改造作用及其在富集源区中的相对贡献,系统总结了不同循环组分(远洋沉积物、俯冲洋壳、陆壳)的平均微量元素特征,计算了各循环组分在俯冲过程中经历的化学变化.基于改造后的循环组分,开展与亏损地幔源区的混合和熔融模拟.结果表明,HIMU型玄武岩可以由纯俯冲洋壳(≤10%)与亏损地幔(≥90%)混合形成的源区,经较低程度熔融(0.5%~1.5%)形成;而EMI型玄武岩可以由俯冲洋壳(≤10%)、俯冲剥蚀的下陆壳物质(≤3%)、亏损地幔(≥90%)混合形成的源区,经较低程度熔融(1%~2%)形成;EMII型玄武岩可以由俯冲洋壳(≤10%)、GLOSS-II(全球俯冲沉积物)或上陆壳物质(≤0.8%)与亏损地幔(≥90%)混合形成的源区,经较低程度熔融(1%~1.5%)形成.

锂同位素在地幔地球化学中的应用

利用原位分析技术获得的矿物微区尺度Li同位素组成可用来揭示和示踪高温地质过程。本文通过实例研究总结了Li同位素在地幔地球化学中的应用。汉诺坝和好梯地幔捕掳体的Li同位素组成揭示其可有效识别地幔交代作用类型。通过对华北克拉通地幔捕掳体的系统总结,证实了Li同位素的地幔不均一性与多期多样的地幔交代作用有关。首次对阿拉斯加型镁铁-超镁铁岩体的Li同位素研究,发现岩浆分异过程中存在明显的Li同位素分馏,可能与岩浆的含水性、氧逸度和演化程度等因素有关。对罗布莎蛇绿岩初步的Li同位素研究表明其在蛇绿岩形成演化和铬铁矿成因方面存在较大的应用潜力。

地幔交代作用与地幔流体

简要综述了地幔交代作用的特征、研究现状及研究热点,阐明了地幔流体在地幔中的宏观、微观分布及其交代作用机理。地幔交代作用及地幔流体的研究,将促进我们进一步认识岩石圈地幔的演化及不均一特征。

西北印度洋中脊玄武岩源区地幔特征

利用全球岩石地球化学数据库(Pet DB)中有关卡尔斯伯格洋脊(CR)、北中印度洋脊(NCIR)及南中印度洋脊(SCIR)玄武岩的微量元素及同位素组成数据,分析了玄武岩的元素地球化学特征及其沿脊轴的变化,旨在探讨玄武岩源区地幔的(不)均一性及岩浆作用过程的差异。初步研究结果表明:CR、NCIR及SCIR玄武岩组成相近,仅在个别脊段表现有微量稀土元素和同位素组成上的差异,玄武岩整体与N-MORB组成特征相近,与先前通常认为的典型印度洋中脊玄武岩不同。玄武质岩浆主要源自尖晶石二辉橄榄岩地幔的熔融,岩浆源区主要由两个地幔端元构成,即以亏损型地幔(DMM)为主(69%),其次为富集型地幔(EMⅡ,27%)。富集组分可能源自古老陆壳物质的混染。自CR经NCIR到SCIR整个印度洋中脊西北分支玄武岩的Sr、Nd及Pb同位素组成表现出均一性,表明岩浆源区地幔组成相近。在SCIR 19°S附近脊段岩浆源区地幔存在有不均一性,有EMⅡ型地幔端元混入的迹象。在CR 3.5°N附近脊段,玄武岩明显富集K、Ba、La及U等微量元素,但由于缺少同位素数据,源区地幔特征有待进一步研究。在上述研究成果的基础上,提出了该区大比例尺的调查填图及密集采样和精细室内分析是CR深入研究的基础,同时加强Sr、Nd、Pb及Re、Os、Be等同位素分析测试,可提供揭示CR地幔不均一性的可靠依据,而厘清印度洋型地幔对CR的影响程度则有助于深入认识地幔不均一性的成因及地幔动力学过程。

微陆块属性及过程:我国东北地区岩石圈地幔性质差异之根本

我国东北地区位于中亚造山带的东段,由多个微陆块俯冲拼合所组成,是研究壳幔相互作用的理想地区。但该区岩石圈地幔性质,包括壳幔属性是否解耦、是否有古老地幔残留、导致地幔性质差异的机制是什么,都还不清楚。东北地区多地出露新生代玄武岩并有橄榄岩捕虏体,如松嫩-张广才岭地块的阿巴嘎、五大连池和蛟河,兴安地块的哈拉哈、诺敏和科洛,以及与华北拼合褶皱带处的双辽、伊通和汪清等。其中阿巴嘎、哈拉哈、诺敏、科洛和蛟河的橄榄岩含有Mg#≥91.5的橄榄石,最大Re亏损年龄是2.1~1.9Ga,富集Sr、Nd同位素组成且变化范围大,反映交代作用强烈,这些特征与大陆岩石圈地幔有明显的相似性;而拼合带处的双辽、伊通、汪清及松嫩-张广才岭地块中的五大连池地幔包体橄榄石,Re亏损年龄总体为中元古代,Sr、Nd同位素组成变化范围小,交代作用弱,与大洋岩石圈地幔亲缘性更明显。这些差别总体反映出地块内部与地块边缘相比,有岩石圈地幔形成时代相对较老、亏损程度较高、地幔交代作用较强的特点。但也有例外的情况,如五大连池与科洛相比,更远离贺根山-黑河断裂带,但地幔属性更饱满,反映地块内部深部作用过程可能更强烈。因此,我们认为东北岩石圈地幔性质差异的根本原因与微陆块初始属性和后来的俯冲拼合及软流圈-岩石圈相互作用等有关。

大西洋中脊26°S玄武岩岩石成因及构造意义:来自Hf同位素的约束

大西洋中脊是慢速扩张洋脊的典型代表。本文以大西洋中脊26°S地区脊轴及海山玄武岩代表性样品为研究对象,开展系统的Sr-Nd-Pb-Hf同位素研究,并结合已发表的数据,探讨研究区玄武岩成因及地幔源区性质和演化,旨在为认识地幔不均一性和地幔柱-洋脊相互作用方式提供关键证据。样品主-微量元素与Sr-Nd-Pb-Hf同位素分析结果表明,所有样品均显示同位素富集的N-MORB特征。此外,大西洋26°S玄武岩主微量元素和同位素具有较大的变化范围,且同位素之间呈现出良好的相关关系,表明其是亏损软流圈地幔熔融的结果,但有富集组分参与。结合元素和同位素特征以及Sr-Nd-Hf同位素定量模拟结果,富集组分可能为Tristan da Cunha地幔柱残余组分,显示EMⅠ型富集地幔特征。同位素定量模拟结果表明:海山玄武岩地幔源区组成为约90%~95%的亏损组分和10%~5%的富集组分;而脊轴玄武岩地幔源区富集组分较少(<5%)。点位6、7海山玄武岩样品显示高放射成因Pb同位素组成,符合Dupal异常边界条件。定量计算表明,造成其异常的原因可能与EMⅠ型组分参与有关,这与同位素定量模拟结果相吻合。本文研究的同位素不同程度富集N-MORB可能的成因机制为:远端地幔柱-洋脊相互作用,即Tristan da Cunha地幔柱距离洋脊>1000km,地幔柱在运移至大西洋中脊的过程中,岩石圈厚度明显变薄,为减压熔融的发生提供了良好条件,使残余地幔柱物质不相容元素亏损,但同位素组成保留源区富集的特征。地幔柱残余物质到达大西洋中脊下方后,参与洋脊地区减压熔融,最终形成研究区不相容元素亏损且同位素富集的N-MORB。因此,本文研究的同位素富集的N-MORB可能记录了远端柱-脊相互作用和洋脊之下富集地幔柱物质再熔融的过程,为认识地幔不均一性提供了新的岩石学和地球化学证据。因此,地幔柱-洋脊相互作用不仅是E-MORB的可能成因,对理解N-MORB形成也有十分重要的意义。

华北地区晚中生代镁铁质岩浆作用及其地球动力学背景

华北陆块及周缘地区晚中生代镁铁质岩浆岩的元素-同位素地球化学特征显示岩石圈地幔的区域不均一性。华北内部为古老而富集的EM1型岩石圈地幔,主要岩性为弥散状金云母相橄榄岩;华北北缘的岩石圈地幔相对华北内部在化学成分上饱满,在微量元素特征上高度富集LILE、LREE和亏损Nb-Ta和U-Th,在同位素组成上相对高87Sr/86Sr(i)和εNd(t),为受到再循环古老陆壳组分改造的富集型地幔;华北陆块南缘的岩石圈地幔以高87Sr/86Sr(i)和低εNd(t)为特征,与深俯冲大陆地壳改造作用 (残留陆壳板片和熔体 -地幔反应等多种形式 )密切相关。发育在华北陆块及周缘地区的晚中生代镁铁质岩浆作用形成于岩石圈伸展 -减薄的统一动力学背景。考虑到晚中生代华北陆块受到了来自周缘陆块相互作用,如西南特提斯域构造演化、印支陆块和西伯利亚板块的侧向挤压作用和古太平洋板块迅速向北运动引起的走滑拉分作用的共同影响, 我们倾向认为这些板块边界作用引起的板内效应可能是导致华北岩石圈地幔晚中生代广泛熔融和岩石圈减薄的重要动力来源.

俯冲带深部碳循环:问题与探讨

碳循环可以分为地球表层短周期的地表碳循环和地球内部长周期的深部碳循环。地球的碳90%以上是赋存在固体地球内部,因此深部碳循环研究对于探讨地表碳循环过程具有重要意义。本文较深入地探讨了俯冲带深部碳循环研究的现状和问题。目前俯冲带深部碳循环研究关键的科学问题包括:(1)俯冲带变质过程中含碳物质相的转变,(2)俯冲带脱碳机制,(3)俯冲带深部碳循环和地幔交代作用。俯冲带变质过程中含碳物质相的转变是深部碳循环研究的最基本问题,将是深部碳进一步研究的重点。俯冲带脱碳机制主要包括纯变质反应脱碳、流体溶解脱碳(流体渗透作用)、熔融作用脱碳和氧化还原反应脱碳4个方面,这是目前深部碳循环研究的前沿领域。俯冲带深部碳循环研究对于探讨地幔不均一性以及地幔交代过程都具有重要研究意义。

山东昌乐地区王家大山玄武岩成因研究

报道了山东昌乐地区新生代王家大山玄武岩的全岩主元素、微量元素,橄榄石斑晶及被其捕获的熔体包裹体主元素和铅同位素组成。王家大山玄武岩为弱碱性-拉斑玄武岩。全岩主元素成分和熔体包裹体的SiO_2、TiO_2、Al_2O_3、CaO、Na_2O、K_2O和P_2O_5含量均与MgO含量呈负相关关系,CaO/Al_2O_3值基本不变;在微量元素原始地幔标准化蛛网图上与EMI洋岛玄武岩(OIB)相似,表现为明显的Ba、K和Sr正异常,Th和Pb负异常,无Nb-Ta和Ti异常。熔体包裹体铅同位素组成为208Pb/206Pb=2.091~2.166和207Pb/206Pb=0.846~0.899,其变化范围覆盖了山东地区新生代强碱性玄武岩到弱碱性-拉斑玄武岩的铅同位素范围;根据铅同位素组成,熔体包裹体可以分为低铅同位素组(207Pb/206Pb<0.86)和高Pb同位素组(207Pb/206Pb>0.87)。橄榄石斑晶Ni、Fe/Mn和Ca分别为1312~2417μg/g、71~92和745~2068μg/g,与典型辉石岩熔体结晶的橄榄石斑晶成分相当,但是,比橄榄岩熔体结晶的橄榄石成分高Ni和Fe/Mn,低Ca。全岩和熔体包裹体主元素的成分变化,结合岩相学和MELTS软件模拟结果,指示王家大山玄武岩主要经历了橄榄石结晶分离作用。橄榄石斑晶高Ni和Fe/Mn,低Ca,结合全岩高Fe/MnO值和低CaO,说明其源区岩石为辉石岩。全岩微量元素和熔体包裹体铅同位素指示源区有EMI组分,可能和再循环洋壳辉长岩有关。熔体包裹体两组铅同位素组成指示王家大山玄武岩源区是不均一的,暗示山东地区新生代玄武岩的源区是高度不均一的。

稀有气体在深部地质研究中的意义

幔源物质中的稀有气体蕴藏着丰富的地球深部过程信息。它们可对地幔结构、地幔脱气历史、大陆地幔不均一性、幔源岩浆演化和CO2天然气成因等研究提供独特的示踪作用。结合中国东部地幔捕虏体的资料,综述了稀有气体在这些方面的研究进展。研究表明,MORB源和OIB源玄武岩稀有气体组成差异强烈支持地幔双层结构的存在,地幔脱气过程主要受溶解度控制脱气模式(SCD)控制;同时,中国东部地幔存在不均一性可以在稀有气体方面得到印证;郯庐断裂可能为东部幔源无机CO2的脱出提供了良好的通道。

弧后盆地玄武岩的成分变化及其成因

弧后盆地玄武岩(BABB)是弧后盆地扩张过程中岩浆作用的主要产物,其地球化学组成是认识弧后盆地演化的关键。现今弧后盆地主要集中在西太平洋地区。本文总结了该地区弧后盆地玄武岩的元素地球化学和同位素组成特征。总体而言,相对于开阔大洋洋中脊玄武岩(MORB),弧后盆地玄武岩的主量元素成分变化范围很大,在Al2O3-MgO、TiO2-MgO相关图上偏离了MORB的演化趋势,在MgO相同的情况下表现出更高的Al2O3含量和更低的TiO2含量。弧后盆地玄武岩的微量元素特征一般介于MORB和弧玄武岩之间。一方面,它们与MORB一样在中、重稀土元素之间没有明显分馏;另一方面,与弧玄武岩一样富集大离子亲石元素Rb、Ba、Th、U、K,具有Pb的正异常和Nb、Ta的负异常等。其中,劳海盆、日本海海盆和冲绳海槽有部分样品具有Nb、Ta的正异常,表现出类似于E-MORB的微量元素特征。西太平洋地区弧后盆地玄武岩的Sr-Nd-Pb同位素组成变化范围较大,相对于MORB,其富集组分更常见,总体介于亏损地幔端元(DMM)、1型富集地幔(EM1)和2型富集地幔(EM2)三者之间。不同基底属性(大陆基底和大洋基底)和不同阶段的弧后盆地玄武岩的地球化学组成也有明显区别。弧后盆地玄武岩地球化学成分上的多样性主要受控于源区(地幔楔)的物质组成、熔融程度和岩浆上升过程中的变化等因素。地幔源区的不均一性主要体现在地幔楔自身的化学性质和俯冲板片的物质贡献差异。部分弧后盆地玄武岩具有异常高的地幔潜能温度、高的3He/4He比值以及E-MORB型的微量元素特征,说明其地幔源区还可能受到了地幔柱的影响。地幔潜能温度越高,俯冲流体贡献越多,地幔楔的熔融程度越大。此外,岩浆上升过程中发生的地壳混染、岩石圈中的熔体-岩石反应以及矿物的结晶分离都会改造岩浆的成分。

论铜的“同位成矿”作用

近年来铜矿床成矿机制研究表明,单一地质作用过程很难形成重要的铜的工业矿床;多成因、多来源、多阶段的观点已被广泛接受。虽然铜矿化与成矿环境关系密切,且成矿环境随时间而变化,但往往同一地区在相当长的时间内,发生多期不同类型的铜矿化,如昆阳裂谷“四层楼”铜矿化序列、长江中下游铜铁多金属成矿带、中条山铜矿化带、加拿大科迪勒拉铜矿化区、

西南印度洋洋盆演化和岩浆地球化学印迹

西南印度洋中脊(SWIR)平均扩张速率约为14 mm/yr,是全球洋中脊系统的重要组成端元,因其具有慢速-超慢速扩张特征,引起全球科学家的广泛关注。基于前人对SWIR的综合研究成果,从构造和岩浆作用两个角度出发,系统地回顾了SWIR的形成和演化历史,探讨了岩浆的分布特征和地幔不均一性成因。SWIR的形成始于冈瓦纳大陆的裂解,中段洋脊区域(26~42°E)是印度洋最早开启的窗口,历经多次洋脊跃迁和扩展作用形成了斜向扩张展布,多分段的构造格局。地幔热点在冈瓦纳大陆裂解过程中扮演了关键角色,并对SWIR的洋底地貌和岩浆作用具有显著影响,其中Bouvet和Marion热点在SWIR的西段和中段岩浆均留下了地球化学印迹。SWIR西段岩浆除却Bouvet热点影响之外表现出与大西洋-太平洋型玄武岩相似的同位素地球化学特征。在SWIR中段,39~41°E附近的岩浆具有显著的DUPAL异常特征,与冈瓦纳大陆的初始形成、裂解紧密相关。受俯冲改造的中-新元古代的造山带岩石圈地幔拆沉是造成SWIR中段地幔不均一性的重要根源。在SWIR东段,46~52°E区域内的局部岩浆组成异常,推测具有大陆地壳物质混染的成因。而在Melville转换断层以东,洋脊形成时间最晚,玄武岩的地幔源区受到了富集组分的交代作用,其同位素组成与相邻的中印度洋中脊(CIR)和东南印度洋中脊(SEIR)地幔源区具有亲缘性。

岩石圈厚度控制大陆岩浆的成分

许多研究均表明,岩石圈厚度能够限制下部地幔柱上涌的高度及其发生部分熔融时的压力,继而通过影响部分熔融程度而影响岩浆的化学组成。然而由于地幔不均一性的存在,如何将岩石圈厚度对岩浆化学组成的影响在实际地质研究中分离出来并加以验证,始终是一个难题,因为对于化学组成不同的岩浆我们往往无法排除＂源区不同＂这一可能性。