峨眉地幔柱-岩石圈的相互作用:来自低钛和高钛玄武岩的Sr-Nd和O同位素证据

峨眉山玄武岩总体具有较高的87Sr/ 86Sr比值和较低的εNd(t)值 ,并具有富集地幔源区的特点。而低钛玄武岩 (LT)与高钛玄武岩 (HT)间又表现出一定的差异性 ,即早期低钛玄武岩(LT1)的87Sr/ 86Sr比值最高 (0 .70 6 3～ 0 .70 78) ,而其εNd(t)最低 (- 6 .74～ - 0 .34) ;晚期高钛玄武岩 (HT)具有最低的87Sr/ 86Sr比值 (0 .70 4 9～ 0 .70 6 4 )和最高的εNd(t)值 (- 0 .71～ 1.5 )。峨眉山低钛玄武岩中单斜辉石的氧同位素变化范围为 6 .2‰～ 7.86‰ ,高于洋岛拉斑玄武岩的平均值5 .4‰。研究样品较地幔岩石偏高的δ18O值说明在其形成和演化过程中有壳源物质的参与。结合前人的研究成果和对元素地球化学的研究认为 ,壳源物质可能主要来自于新元古代富集的扬子西缘次大陆岩石圈地幔。地幔柱 -岩石圈的相互作用过程中表现在时间和空间的系统变化 ,即早期西岩区形成含大量壳源组分的低钛玄武岩 ,晚期为壳源组分相对较少的高钛玄武岩。空间上低钛玄武岩仅分布在西岩区 ,而中、东岩区皆为高钛玄武岩。壳源组分随着时间演化逐渐减少 ,在空间上由西而东也逐渐减少。表明峨眉山火成岩省形成早 (主 )期地幔柱头卷入并熔融了较多交代富集的次大陆岩石圈物质 ,晚期则有较少的壳源物质参与。

峨眉山玄武岩区两类玄武岩的地球化学:地幔柱-岩石圈相互作用的证据

野外地质和地球化学研究表明,峨眉山玄武岩区主要由玄武岩以及顶部少量的粗面岩组成。与其他地区的溢流玄武岩相似,峨眉山玄武岩区也可以分成低Ti和高Ti两种。由于 Ti和 P具有正相关性,并且 TiO2的含量具有连续性(1％

峨眉山大火成岩省的岩石圈结构:对地幔柱-岩石圈相互作用的启示

峨眉山大火成岩省位于扬子克拉通西缘,是中-晚二叠世峨眉山古地幔柱头熔融的产物。因此,该区岩石圈结构特征对于揭示地幔柱-岩石圈相互作用方式与机制具有重要的指示意义。本文基于COMPASS-ELIP宽频带地震台阵资料,开展S波接收函数成像研究,并与同剖面远震S波有限频层析成像、区域面波层析成像结果进行对比分析,识别了沿剖面岩石圈内部主要间断面,从而获得了峨眉山大火成岩省岩石圈结构的横向变化特征。结果显示,相对中带和外带,内带具有地壳增厚(增厚15~20km)、岩石圈减薄(减薄~50km)现象,且岩石圈地幔具有高速、分层特征,但下层底界面转换波震相并不明显;中带岩石圈厚度大(~170km),局部地段岩石圈-软流圈边界(LAB)缺失,对应位置存在地幔低速异常;外带岩石圈厚度略小(~150km),中带和外带均发育岩石圈中部不连续面(MLD)。结合地球化学、岩石学、物理/数值模拟等研究成果,本文推测上述特征记录了古地幔柱作用引起的不同程度岩石圈变形:地幔柱在内带以纵向作用为主,通过热-动力冲击方式造成岩石圈大幅度快速减薄,地幔柱头高程度减压熔融,产生的大规模岩浆穿透岩石圈地幔,在地壳发生底侵和内侵,部分喷出地表形成溢流玄武岩;地幔柱在中带以横向作用为主,通过底部剪切引起岩石圈地幔横向伸展,甚至造成局部撕裂,在撕裂部位进一步引发热-化学侵蚀并导致岩石圈破坏;地幔柱在外带以垂向拖曳为主,造成岩石圈的局部拆沉而减薄。此外,内带下方地幔的高速、分层特征,可能指示经历地幔柱作用减薄后的岩石圈,减薄产生的岩石圈空区因捕获地幔柱头熔融残留物而得到一定程度愈合,而受地幔柱改造后的残存岩石圈,因经历大量熔体抽取更加亏损而得到强化。综上,本文揭示的峨眉山大火成岩省岩石圈结构,为进一步理解地幔柱-岩石圈相互作用的方式与机制提供了新的地球物理观测证据。

地幔柱与岩石圈相互作用过程的数值模拟

地幔柱的研究是地球科学研究的热点之一.本文主要集中研究地幔柱与岩石圈的相互作用过程.基于质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程,通过有限元数值方法可以计算得到地幔柱与岩石圈相互作用的温度场、速度场和有效黏度等的时空图.本文的流变本构模型主要基于非牛顿流体的有效黏度模型,通过数值模拟计算分析了地幔柱与岩石圈相互作用过程,着重讨论了地壳流变结构对此过程的影响.数值模拟结果显示,地幔柱与岩石圈的相互作用分为三个阶段:地幔柱上升期,时间持续到0.2 Ma,平均速度为2.75m·a-1,地幔柱顶部地形开始向上隆起;地幔柱与岩石圈纵向作用期,时间从0.2 Ma到0.26 Ma,地幔柱上升的平均速度为0.83m·a-1,地表地形隆升达到最大值;地幔柱与岩石圈横向作用期,0.26 Ma以后,岩石圈开始剪切变形,地幔柱水平运动速度为0.47m·a-1,当剪切变形达到一定程度,岩石圈底部开始出现拆沉作用.当下地壳流变强度比较小时,上地壳的流变结构控制着地幔柱顶部地表地形隆起程度,流变强度越大,隆升高度越小;而下地壳的流变结构控制着地幔柱两侧地表地形的下沉幅度,下地壳流变强度越小,下沉幅度越大.最后,讨论了数值模拟对峨眉山大火成岩省地幔柱发展演化的应用.

地幔柱与岩石圈相互作用过程中熔融问题的数值模拟

地幔柱是最可能形成大火成岩省的原因之一,同时地幔柱与岩石圈的相互作用也极大的影响着岩石圈的构造演化.本文主要集中研究地幔柱与岩石圈相互作用过程中熔融相关的问题.利用开源程序Ellipsis3D,基于质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和岩石流变本构关系,以及不同的熔融损耗关系,通过有限元数值方法模拟得到地幔柱与岩石圈相互作用过程中熔融程度的动态变化.数值模拟结果显示,地幔柱与岩石圈相互作用的熔融相关过程分为三个阶段:地幔柱的初融阶段,地幔柱自身熔融占主导,减压熔融为主因;地幔柱与岩石圈的纵向作用阶段,岩石圈地幔开始熔融,地幔柱以减压熔融为主,岩石圈地幔以升温熔融为主;地幔柱的横向展平阶段,随着地幔柱的扩展岩石圈地幔熔融范围增加,以升温熔融为主,地幔柱自身熔融程度减小.最后基于数值模拟结果及现场资料对峨嵋山大火成岩省地幔柱的发展演化以及峨眉山大火成岩省的形成进行了讨论.

大陆岩石圈、地幔底部异常体与地幔对流相互作用的数值模拟

在地球表层存在着占地表面积约30%的具有低固有密度、高黏度的大陆岩石圈.由于其特殊的物理化学性质,大陆岩石圈通常不直接参与下方的地幔对流,但其与地幔对流格局有着重要的相互影响.大量研究显示,在中太平洋和非洲的下地幔底部,存在着两块占核幔边界(CMB)面积约20%的高密度热化学异常体(由于其剪切波速度较低,常称作低剪切波速度省(LSVPs)).LSVPs的演化既受地幔对流的影响,同时也影响地幔物质运动的格局和动力学过程.本文系统研究了存在大陆岩石圈,下地幔LSVPs的地幔对流模型.模拟结果显示:(1)当大陆体积较小时,其边缘常伴随着俯冲,大陆区域地幔常处于下涌状态,其上地幔温度较低,大陆岩石圈在水平方向处于压应力状态.随着大陆体积的增大,大陆边缘的俯冲逐渐减弱,大陆区域地幔由下涌转为上涌,其上地幔温度较高,大陆岩石圈水平方向处于拉应力状态.(2)岩石圈与软流圈边界(LAB)在大陆下方较深,温度较低;在海洋区域较浅,温度较高.随着大陆体积的增大,陆洋之间LAB深度、温度的差异逐渐减小.(3)大陆区域地幔底部LSVPs物质的丰度与大陆的体积呈正相关.当大陆体积较小时,大陆下方的LSVPs丰度比海洋区域少.随着大陆体积的增大,大陆下方LSVPs的丰度逐渐增大.(4)海洋地区地表热流高,且随时间波动大,大陆地区地表热流低,随时间波动较小;LSVPs区域的核幔边界热流低.

华北岩石圈地幔的多次组成转化过程:橄榄岩与不同来源熔体间的相互作用——来自地幔橄榄岩捕虏体的岩石学和Li、Fe等同位素地球化学证据

华北克拉通显生宙以来岩石圈的巨厚减薄是全球古老克拉通地区难得的重要地质现象,这一地区已成为研究古老岩石圈稳定性和改造过程的理想地区,也是我国继青藏高原隆升和大别-苏鲁超高压变质带之后又一个国际热点地区.……

中国东部壳-幔、岩石圈-软流圈之间的相互作用带:特征及转换时限

中国东部中—新生代,下部岩石圈存在壳与幔、岩石圈与软流圈两个相互作用带,它们是重要的岩浆源区,在层圈相互作用中,热和物质的交换及其动力学过程是引起中、新生代岩石圈内部层圈间的厚度调整、岩石圈不均匀减薄以及区域构造-岩浆-成矿作用的重要机理。大陆内部的壳-幔作用有3种类型:地幔来源的底侵熔体与下地壳的作用;下地壳拆沉进入弱化(weakening)了的岩石圈地幔二者发生的作用以及陆-陆碰撞深俯冲带的壳-幔相互作用。它们形成的火山岩组合有一定的差别,但源区都含有地壳组分。岩石圈-软流圈的作用带也是重要的岩浆源区,源区是以软流圈地幔为主,基本不含地壳组分。东部岩石圈的减薄时间大体与出现大规模软流圈来源的玄武岩喷发的时间一致,也与上述两类层圈作用转换的时间一致,大约在100Ma以后。

桂西那坡基性岩地球化学：峨眉山地幔柱与古特提斯俯冲相互作用的证据

华南板块西南缘、越北地块以北桂西那坡县城以西及西南一带发育一套晚二叠世基性岩,由层状、似层状次火山岩相辉绿岩、辉绿玢岩及球状岩组成。根据岩石地球化学特征,那坡基性岩可划分为高Ti(TiO_2>2.8%和Ti/Y>500)和低Ti两部分。高Ti基性岩为碱性玄武岩,而低Ti基性岩为拉斑玄武岩。与低Ti基性岩相比,高Ti基性岩整体具有相对较低的SiO_2、MgO和较高的FeO_t、P_2O_5,轻、重稀土分馏明显,富集大离子亲石元素(LILE)和高场强元素(HFSE),显示出似OIB地球化学特征,与峨眉山高Ti玄武岩具高度亲缘性;低Ti基性岩具有相对较高的SiO_2、MgO和较低的FeO_t、P_2O_5,稀土配分曲线较平坦,富集LILE,严重亏损HFSE(Nb、Ta),与岛弧玄武岩地球化学特征类似。从微量元素比值及相关图解对岩浆源区和构造环境判别,那坡高Ti基性岩来自富集OIB地幔源区,而低Ti基性岩兼具OIB和岛弧岩浆源区的过渡特征。结合岩石地球化学特征及区域地质背景,认为那坡高Ti基性岩可能为峨眉山地幔柱岩浆作用的产物,低Ti基性岩为古特提斯俯冲与峨眉山地幔柱共同作用的产物,揭示了那坡地区晚二叠世同时受到峨眉山地幔柱和古特提斯俯冲相互作用的影响。

热-流-固耦合方法模拟岩石圈与软流圈相互作用

岩石圈和软流圈的相互作用是现今地球动力学研究的热点问题之一.本文针对岩石圈与软流圈的相互作用模型,开发了新的基于热-流-固三场耦合方法的有限元程序.岩石圈变形和对流的地幔之间的耦合方式为:地幔在热驱动(或运动岩石圈的拖曳)下产生对流,对流的地幔对耦合边界施加载荷并造成岩石圈的变形,变形的岩石圈反作用于软流圈从而影响其地幔对流的状态.温度场根据速度场和网格变形的结果适时调整,如此反复推动整个系统的演化.利用该耦合方法模拟了"地幔柱作用下地表隆升"地质过程,其结果与实际地质资料和地质认识能很好的吻合,验证了该方法模拟地幔与软流圈相互作用过程的有效性及处理复杂耦合问题的能力.

洋中脊与地幔柱热点相互作用研究进展

地表热点是认识地幔柱假说以及地幔柱动力学的窗口,发生在洋脊与热点之间的相互作用则是了解地球上两大动力系统(板块构造和地幔柱)的直接联系的最有利地区。研究洋脊-热点之间的相互作用对于揭示地幔动力学、热点附近洋壳构造的演变以及与热点密切相关的洋中脊处的岩浆热液活动具有重要的意义。在肯定地幔柱假说的基础上,对洋脊-地幔柱(热点)的模拟实验以及三大洋中不同扩张脊与热点相互作用的最新研究作了系统的介绍和评述,指出室内模拟实验以及地质学、岩石学、地球化学和地球物理学(特别是高分辨率的地震技术)的结合研究将是本领域研究的发展趋势。

甘肃西秦岭新生代钾霞橄黄长岩和碳酸岩的微量、稀土和Sr,Nd,Pb同位素地球化学:地幔柱-岩石圈交换的证据

西秦岭新生代钾霞橄黄长岩和碳酸岩具有强烈富集LILE和LREE的特征,经球粒陨石标准化的REE分配模式与OIB十分相似。钾霞橄黄长岩和碳酸岩的(^(87)Sr/^(86)Sr)i分别在0.70381～0.70940和0.70529～0.71332之间,^(144)Nd/^(143)Nd分别介于0.512404～0.512924和0.512210～0.512928之间。经计算获得多数样品的ε_(Nd)落在-3.4～5.58范围内,与OIB的ε_(Nd)值一致。这两类岩石的^(208)Pb/^(204)Pb、^(207)Pb/^(204)Pb和^(206)Pb/^(204)Pb分别为37.613～39.330和38.060～38.995,15.842～16.441和15.545～15.677,以及18.418～22.4和18.149～19.062。采用主量元素MgO-Ni和ε(Nd)-(^(87)Sr/^(86)Sr)相关图,以及高场强元素比值Zr/Nb-La/Nb和Ba/La-Ba/Nb相关图以及^(208)Pb/^(204)Pb-^(206)Pb/^(204)Pb,^(207)Pb/^(204)Pb-^(206)Pb/^(204)Pb相关图,一致证明本区火山岩具有与洋岛玄武岩(OIB)相似的地球化学特征,且源区具有EM1和EM11富集端员的混合。但是本区火山岩高的 Nb/Ta比和强烈富集Nb等高场强元素,以及较高的^(144)Nd/^(143)Nd值,表明该火山岩地球化学具有某种特殊性。结合对西秦岭深部地球物理资料及地质构造背景和演化历史的分析,提出西秦岭新生代钾霞橄黄长岩和碳酸岩的成因与地幔柱的活动有关,源区包含了EM1?

大陆深俯冲后效作用的地球化学记录——华北中生代岩石圈地幔源区特征变异的讨论

早中生代扬子板块与华北板块之间的俯冲及其后两陆块间的碰撞为大陆深俯冲后效作用研究提供了一个少见的实例。本文在系统论述华北中生代深部年代学记录、深源岩类源区地球化学特征的时空变化规律,普遍的 Sr 同位素高度富集现象及其空间变化指向、高场强元素强烈分馏以及时间制约分析基础上,提出了导致这些源区特征变化最可能的机制为扬子板片深俯冲中析出的熔体/流体交代并改造了华北大陆岩石圈地幔。而其后中生代全球事件引发的中国东部广泛而强烈白垩纪构造-岩浆幕则提供了侵位于地壳层位深源岩类的成岩条件。本文强调指出对华北岩石圈地幔这种大尺度实体上的改造,应被视为扬子板片深俯冲后效作用中最具深远意义的一种表现,并对中生代华北岩石圈整体转型产生了重要影响。

碳酸岩是大陆岩石圈构造背景和地幔交代作用的指示岩石

根据已知碳酸岩的地质产状、岩石学特征、Nd—Sr—Pb同位素及痕量元素地球化学特征，结合高温高压实验岩石学资料，论述了其地幔源区的物质成分、交代过程、软流圈地幔部分熔融机制和碳酸岩岩浆的演化模型碳酸岩既可以产生于裂谷环境，由起源于软流圈地幔的霞石质超基性-基性岩浆经液态不混溶作用而形成，与硅酸不饱和过碱性杂岩构成环状碳酸岩-碱性杂岩；也能够产生于碰撞造山过程中派生的引张岩石圈断裂带，直接导源于岩石圈地幔的低程度部分熔融作用，形成单一的透镜状。

南大西洋慢速洋中脊与地幔柱相互作用研究进展与展望

揭示洋中脊与地幔柱(脊-柱)之间的可能联系为认识地球深部物质组成与深部地幔动力学过程提供了重要窗口,也是过去40多年以来固体地球科学研究领域的前沿与热点。在绵延八万多千米的全球洋中脊系统中,部分洋脊片段会受到地幔柱作用不同程度的影响。研究显示,大西洋的形成演化与地幔柱作用之间具有密切联系,尤其在南大西洋的裂解、打开演化过程中,南大西洋中脊系统始终与其周围地幔柱(如圣赫勒拿、阿森松、特里斯坦、高夫、发现等地幔柱)之间具有不同程度的相互作用关系,导致沿脊出露玄武岩在地球化学组成上呈现出明显的不均一性特征。本文在系统性总结脊-柱相互作用研究现状与南大西洋地区地质构造演化特征的基础上,详细阐述了南大西洋中脊13.2°S~24.2°S地区玄武岩的岩石地球化学特征;揭示了南大西洋中脊研究区的岩浆演化、地幔源区性质;指示出圣赫勒拿地幔柱物质向南大西洋中脊系统传播的主要方向;圈定了圣赫勒拿地幔柱对南大西洋中脊系统地幔源区性质在沿脊方向的影响范围(14.2°S~20.4°S);同时推测了南大西洋中脊系统与圣赫勒拿地幔柱之间受地幔柱影响的软流圈地幔物质在大洋岩石圈底部的空间展布。最后本文提出了关于南大西洋地区脊-柱相互作用领域现存的科学问题与未来的研究方向。

大洋中脊和地幔柱之间的长期相互作用

板块构造运动通常被认为是由俯冲带板块的拉力和洋中脊处的推力驱动的,也不时被来自下地幔热物质的上涌流所推动^[1-2].在这个模式中,洋中脊的形态和位置与下地幔动力学机制无关,例如与提供了巨量岩浆物质,即大火成岩省的深源地幔柱无关^[2].相比地幔柱和洋中脊,本文利用全球板块模型^[3]重建了大火成岩省最初的位置。

南大西洋中脊19°S地区脊-柱相互作用研究:来自Sr-Nd同位素的证据

20世纪六十年代以来，脊-柱相互作用一直是地学界讨论的热点（Schilling et al., 1985）。板块构造和地幔柱在成因上是相互独立的，但当上升的地幔柱靠近岩石圈板块时，两者之间将不可避免地发生相互作用（Hanan et al., 1986 ）。

天山石炭—二叠纪大火成岩省裂谷火山作用与地幔柱

中国西北部石炭纪—早二叠世喷发的天山裂谷火山岩系构成了一个大火成岩省。该火山岩系的组成以玄武质熔岩为主,其次有中性和酸性熔岩及火山碎屑岩。根据岩石学、主元素、微量元素和Sr-Nd-Pb同位素数据,天山玄武岩可分为两个主要岩浆类型:1高Ti/Y(HT)类型,以高Ti/Y(>500)、高Ce/Y(>3)和相对低Nb/Zr(<0.11)、低εNd(t)为特征;2低Ti/Y(LT)类型,以低Ti/Y(<500)为特征。LT熔岩又可以进一步分为两个亚类:LT1熔岩以低Nb/Zr(<0.15)和高εNd(t)(+3.1^+9.7)为特征;LT2熔岩具有较高的Nb/Zr值(>0.16)和较低的εNd(t)值(-0.98^-2.91)。元素和同位素数据表明,HT和LT熔岩的化学变异不是由一个共同母岩浆的结晶分异作用所产生。它们极有可能是源于一种似洋岛玄武岩源的幔源(87Sr/86Sr(t)≈0.7045,εNd(t)≈+4,206Pb/204Pb(t)≈18.35,207Pb/204Pb(t)≈15.66,208Pb/204Pb(t)≈38.25,La/Nb≈0.7),且具有不同的熔融条件和经受了不同的分异和混染。以碱性熔岩为主的HT熔岩是产生于幔源石榴子石稳定区的低度部分熔融,其化学变异受控于单斜辉石(Cpx)[±橄榄石(Ol)]分离作用。相反,LT类型的母岩浆则是形成于幔源的尖晶石—石榴子石过渡带:碱性LT2亚类的母岩浆是产生于部分熔融程度较低的条件下;而以拉斑玄武质为主的LT1亚类的母岩浆则是产生于部分熔融条件较高的条件下。它们经受了浅层辉长岩质分离作用,化学变异较大。天山玄武岩可能是产生于地幔柱头。HT和LT岩浆的岩石成因又进一步为地壳和岩石圈地幔的混染作用所复杂化。我们的研究揭示,天山大火成岩省的火山岩中存在空间上的岩石地球化学变化。天山东段的LT1火山岩系的厚度最大,它们记录了玄武岩侵位的主幕,该处可能是地幔柱或地幔熔融异常的中心位置。相反,厚度较小的HT和LT2玄武岩则可能是意味着地幔柱活动影响的减弱。事实上,HT和LT2玄武岩也是该大火成岩省边缘部分的主要岩浆类型。HT和LT2熔岩的地幔熔融程度较低,可能是与地幔柱边部的岩石圈相对较厚和地热较低有关。

辽西早白垩世义县组火山岩的起源及壳幔相互作用

对燕山造山带辽西早白垩世义县组火山岩的 Nd,Sr,Pb同位素分析 ,作者认为义县组火山岩起源于岩石圈地幔的部分熔融 ,岩浆在上侵过程中发生了结晶分异和同化混染作用 ,即 AFC过程。与新生代汉诺坝玄武岩中的中生代镁铁质麻粒岩捕虏体和太古代片麻岩对比研究 ,发现义县组火山岩与这些镁铁质麻粒岩捕虏体有许多地球化学相似之处 ,而与长英质麻粒岩捕虏体和太古代各种片麻岩差别较大。作者认为早白垩世燕山板内造山带发生了强烈的岩石圈伸展作用 ,辽西义县组火山岩和汉诺坝新生代玄武岩中的镁铁质麻粒岩捕虏体均为这一构造背景下的产物 ,它们属于幔源岩浆喷发与大规模玄武zh质岩浆底侵作用形成的“同质异相体”