大洋岩石圈拆沉与大陆下地壳拆沉:不同的机制及意义——兼评“下地壳+岩石圈地幔拆沉模式”

拆沉作用(delamination)是地球科学中一个重要的科学问题。本文认为,大洋岩石圈拆沉和大陆下地壳拆沉是不一样的:(1)拆沉的物质不同。大洋岩石圈拆沉的物质包括大洋地壳、岩石圈地幔甚至一部分软流圈地幔,它们共同进入地幔深部;而大陆下地壳拆沉仅仅限制在下地壳,不包括岩石圈地幔。(2)拆沉的动力不同。大洋岩石圈拆沉是由板块俯冲引起的,是地幔对流的产物,因此是一种快速的主动的拆沉;而下地壳拆沉是由于下地壳加厚使下地壳密度增加引起的,还要求其下刚性的岩石圈地幔转变成塑性的软流圈地幔才有可能发生。因此下地壳拆沉要克服许多阻力才能实现,使拆沉成为一个漫长的过程,是慢速的和被动的拆沉。(3)拆沉的过程不同。大洋岩石圈拆沉是由板块俯冲触发的,俯冲导致碰撞,大洋岩石圈从根部断裂,拆沉进入地幔。大陆下地壳拆沉由地壳加厚开始,使下地壳转变为榴辉岩相;随后,岩石圈地幔减薄,直至全部转化为软流圈地幔;下地壳发生部分熔融,形成大规模的(埃达克质)岩浆,使下地壳榴辉岩的密度大于下伏的地幔,从而引发拆沉。大陆下地壳拆沉不大可能是整体进行的,可能是一块一块地被蚕食、被拆沉的。(4)拆沉后的效应不同。大洋岩石圈地幔拆沉,使热的软流圈地幔上涌,从而引发了一系列地质效应:如岩浆活动、地壳抬升、构造松弛以及随后的造山带垮塌等。而下地壳拆沉只引起地壳减薄,高原和山脉垮塌,并不伴有大规模的岩浆活动和地壳抬升等过程。(5)拆沉与岩浆活动的关系不同。主动拆沉导致大规模岩浆活动,而被动拆沉是在大规模岩浆活动的基础上开始的。此外,文中还对"下地壳+岩石圈地幔拆沉"模式提出了质疑,认为该模式有许多难以理解的问题和太多推测的成分,而且与现在保存的地质事实不符。

大洋岩石圈和大陆岩石圈的元素丰度

根据大洋地壳、大陆地壳、上地幔和球岩石圈的元素丰度资料,本文初次分别求出大洋岩石圈和大陆岩石圈的元素丰度,如表2所示。可用作研究化学元素在洋圈或陆圈内各地区分布特征的地球化学背景值。

基于变参数板块模型的大洋岩石圈参数反演与岩石圈伸展成盆模拟

本文利用热导率、热容、热膨胀系数等参数随温度变化的经验表达式,在板块模型的基础上用隐式有限差分方法解非线性热传导方程,并利用北太平洋和北大西洋海底年龄与水深数据反演了大洋岩石圈厚度与底界温度等参数,结果表明大洋岩石圈的厚度在105 km左右,岩石圈底界温度在1450℃左右,这与Stein等用全球大量数据反演的结果一致.将变参数模型用到岩石圈拉张成盆的模拟中,结果表明当考虑岩石圈热参数随温度变化之后,预测的地表热沉降要大于常参数均匀伸展模型的预测量.由此我们指出:McKenzie的均匀伸展模型预测的初始沉降偏大而热沉降偏小,可能与该模型没有考虑热参数随深度(即温度)变化有关.

古大洋岩石圈地幔流体组成——来自玉石沟地幔橄榄岩的证据

蛇绿岩底部地幔橄榄岩是认识古大洋岩石圈地幔流体的典型样品.采用分步加热质谱法测定了北祁连玉石沟蛇绿岩底部斜辉橄榄岩和纯橄榄岩矿物中流体的化学组成.……

大洋岩石圈俯冲过程中流体活动的岩石地球化学记录:以中国西南天山(超)高压变质带为例

大洋岩石圈俯冲变质作用直接影响俯冲带岩浆作用和地幔组成的不均一性。近年的研究发现,大洋岩石圈俯冲变质作用非常复杂。本研究以采自西南天山富含脉体的变质岩样品为例来探讨大洋岩石圈俯冲作用过程中流体对元素地球化学行为的影响。根据岩石学特征,将该样品分为三部分:榴辉岩部分、退变蓝片岩部分和脉体。脉体以绿辉石为主、并普遍含有碳酸盐矿物和磷灰石,反映该样品经历过榴辉岩相变质条件下富CO2、P和卤族元素的流体改造。样品的全岩Lu-Hf等时线年龄为332±24 Ma,这与前人用SHRIMP U-Pb锆石定年等方法得到的西天山峰期变质年龄一致。这三部分样品的全岩Th-U-Nb-Ta-Zr-Hf、稀土元素等不易迁移元素的配分模式均类似于洋岛玄武岩(OIB)的特征,表明其原岩与OIB类似。这三部分样品的K、Rb、Cs、Ba等元素相对亏损,且含量变化较大,在蓝片岩部分的含量明显高于榴辉岩部分,表现了这些元素的活动性。另外,白云母中富集Rb、Cs、Ba元素,以及K和Rb、Cs、Ba之间很好的相关性体现了白云母的存在对这些元素的控制作用。这些岩石样品主要经历了两阶段变质作用,即榴辉岩化过程和不同程度水化作用改造。第一阶段中,K、Rb、Cs、Ba等水溶性元素丢失,而第二阶段中,外来流体造成水化作用改造,并使水化程度高的蓝片岩部分形成了大量白云母等含水矿物,使这些元素表现出再富集并得以保存。因此,如果白云母稳定存在,俯冲大洋岩石圈简单变质脱水则难以解释岛弧岩浆高K、Rb、Cs、Ba等水溶性元素特征。

首次“大洋岩石圈科学研究战略研讨会”在青岛召开

2013年8月24日,由中国科学院海洋研究所（下称海洋所）主办的大洋岩石圈科学研究战略研讨会在青岛召开。本次会议为期一天半,旨在立足西太平洋,放眼全球大洋,探讨中国未来5～10年对大洋岩石圈成因演化研究的贡献。会议由秦蕴珊院士发起,海洋所海洋地质与环境重点实验室牛耀龄研究员、吴时国研究员组织。

对次点火山岩中地幔包体的研究揭示大洋岩石圈在俯冲消减前的交代作用

次点火山（petit-spot volcano）是指远离大洋中脊和地幔柱的大洋板块在即将进入俯冲带之前，由于板块的弯曲引发部分熔融所导致的局部海底火山作用。次点火山有时夹带有来自深部岩石圈的包体和捕虏晶，是了解大洋岩石圈深部物质组成的重要信息载体。次点火山自从在日本外海发现以来．在智利，汤加及巽他等俯冲带外围陆续被发现，显示次点火山并非是偶然，孤立的现象，其对大洋岩石圈组成、俯冲带的物质再循环和深部地幔的影响越来越引起科学家们的注意。

俯冲大洋岩石圈的相转变与俯冲带岩浆作用

以有效的实验岩石学研究和相平衡模拟为基础讨论了大洋岩石圈俯冲过程中的两类变质作用,即在洋中脊玄武岩(MORB)、沉积岩和橄榄岩中发生的亚固相线脱水作用和部分熔融作用.含水MORB体系相图显示在冷俯冲P-T体制下,基性岩层中的大部分水或者在蓝片岩相开始以前(小于20km)释放,或者在硬柱石蓝片岩向硬柱石榴辉岩的转变深度(60～70km)通过蓝闪石脱水释放;只有小部分水会在与岛弧岩浆的活动对应的深度范围内通过硬柱石和硬绿泥石脱水释放;有很少一部分水保存在硬柱石和多硅白云母中,能够潜入更深的地幔.文献中对角闪石在岛弧岩浆形成中的作用仍然有争论.在冷俯冲P-T体制下,贫铝变质沉积岩中绿泥石和滑石与富铝变质泥质岩中的硬绿泥石和纤柱石在约80～100km的深度发生脱水,也会对岛弧岩浆的形成有一定的贡献.相比而言,含水橄榄岩中蛇纹石的脱水发生在120～180km的深度,在岛弧岩浆作用中起着重要作用.当洋壳沿着热P-T体制俯冲时,会在超过80km深处跨越固相线,在流体存在或流体缺失条件下发生部分熔融;在变质沉积岩中的熔融作用受黑云母和多硅白云母控制,在基性岩石中的熔融作用受绿帘石和角闪石控制.基性地壳产生的熔体成分在压力小于3.0GPa时是埃达克质的,但是在更高的压力下变成过铝花岗质.

过台湾岛-西菲律宾海盆剖面的岩石圈重力模型

本文完成台湾岛及其邻区的二维重力建模和构成此处岩石圈密度剖面。依据密度参数将岩石圈划分为大陆型和大洋型。大陆岩石圈比大洋岩石圈轻，因而在其所有岩层中显出微弱的密度分界。大洋岩石圈的地壳、地幔都具有大的密度反差。在陆洋岩石圈块体的接触区内，确定了台湾岛复杂构成的叠置的密度结构——台湾密度构造。该构造划分出反差的密度边界和具有增高的高密度，形成不均一性。台湾密度体的形成同欧亚板块和菲律宾板块碰撞区的，时常发生在台湾带内的地球动力学过程有关。

西藏林周基性岩脉的^(40)Ar/^(39)Ar年代学、地球化学及其成因

在西藏林周盆地林子宗火山岩地层中发现一套始新世钾玄质基性岩脉。测定了它们的主量元素、微量元素和稀土元素含量以及Sr-Nd-O同位素和^(40)Ar/^(39)Ar同位素地质年代。测试结果表明,岩脉以低硅(SiO_2为45．42%～48．32%)、高镁(MgO为2．84%～5．35%,平均4．57%)、高钾高碱(K_2O+Na_2O为4．60%～6．23%、K_2O/Na_2O为0．71～1．18)为特征,属于钾玄质基性岩脉;稀土和微量元素呈现陆缘火山弧的特征,即相对富集轻稀土元素、亏损重稀土元素,具有弱的Eu负异常(δEu=0．79～0．94,平均0．83);强烈富集K、Rb、Sr、Ba、Th、Sr等大离子不相容元素,相对亏损Th、Nb、Ta、P、Zr、Hf、HREE等高场强元素,具有明显的Nb、Ta、Ti的负异常;Sr-Nd-O同位素组成上,具有相对原始的Sr、Nd同位素比值,初始^(87)Sr/^(86)Sr比值为0．70487～0．70543,^(143)Nd/^(144)Nd比值为0．51266～0．51273,ε_(Nd)值为0．5～1．8,相对低的δ^(18)O_(V-SMOW)值(4．8‰～7．6‰); ^(40)Ar/^(39)Ar角闪石单矿物年龄为52．9Ma。利用地幔地球化学示踪理论,推断林周钾玄质基性岩脉的形成与新特提斯洋岩石圈向欧亚大陆俯冲过程中的回转、断离以及由此引起的软流圈地幔的上涌等地球动力学过程有关,是软流圈地幔流体与先前被俯冲带流体交代过的上覆岩石圈地幔的部分熔融产物的混合,指示冈底斯带在古新世-始新世(55～50Ma)时期一次平行于造山带的伸展作用。

洋底动力学--从洋脊增生系统到俯冲消减系统

目的建立洋底动力学。方法对相关国际前缘研究成果进行综合研究。结果洋底动力学旨在研究洋底固态圈层的结构构造、物质组成和时空演化规律,研究洋底固态圈层与其他相关圈层,如软流圈、水圈、大气圈和生物圈之间相互作用和耦合机理,以及由此产生的资源、灾害和环境效应。结论洋底动力学以传统地质学理论和板块构造理论为基础,在地球系统科学思想的指导下,以海洋科学、海洋地质、海洋地球化学与海洋地球物理、数值模拟等高新探测和处理技术为依托,侧重研究洋脊增生系统、深海盆地系统和俯冲消减系统的动力学过程,以及不同圈层界面和圈层之间的物质和能量交换、传输、转变、循环等相互作用的过程,为探索海底起源和演化、保障人类开发海底资源等各种海洋活动、维护海洋权益和保护海洋环境服务的学科。

蛇绿岩与铬铁矿

蛇绿岩是遗留在现在大陆造山带中的古代大洋岩石圈(壳)残片,对蛇绿岩研究方兴未艾的原因不仅是因为蛇绿岩研究对恢复古代板块构造格局和了解古代大洋岩石圈的演化具有重要研究意义,同时因为蛇绿岩中含有现代工业必需的原材料之一的矿产——铬铁矿,从而也极具经济意义。另一方面,因铬铁矿具有最早在熔体中结晶,最早熔融进入熔体相和耐风化等特殊的化学特性,使得其成为探讨研究上地慢岩石成因过程的有力载体。

蛇绿岩研究中的几个问题

２０年来蛇绿岩研究已取得了很大的成绩。文中讨论了蛇绿岩与大洋岩石圈、蛇绿岩层序、蛇绿岩的多样性、地幔岩的部分熔融以及蛇绿岩的概念问题。指出蛇绿岩是古代大洋岩石圈的碎片，但并非“正常”的大洋岩石圈；蛇绿岩可以有层序也可以无层序；蛇绿岩的岩石组合、岩浆性质、源区组成、侵位机制、形成环境是多种多样的。文中还讨论了富集地幔物质对蛇绿岩岩浆形成的意义以及轴外岩浆作用问题，并把中国蛇绿岩归纳为日喀则型、双沟型和酉准噶尔型三类。

铙钹寨岩体是蛇绿岩吗?——评“也谈铙钹寨超镁铁岩体的成因和构造类型的归属问题”

王希斌等根据铙钹寨岩体恢复的原岩由亏损强烈的方辉橄榄岩、纯橄岩和弱亏损的二辉橄榄岩组成以及有豆荚状铬铁矿存在,认为铙钹寨岩体属于大洋岩石圈地幔,是蛇绿岩的成员;并且还根据岩体存在两种地幔橄榄岩组合进一步推断铙钹寨岩体"可能经历了洋内扩张(形成 MOR 型的地幔残余)和洋内俯冲两个阶段的演化过程"。我们认为,铙钹寨岩体是交代的地幔橄榄岩,它不大可能是蛇绿岩;铙钹寨岩体的特征比较接近大陆岩石圈地慢而非大洋岩石圈地幔;铬铁矿不是判别蛇绿岩的标志;不能根据岩体存在强烈亏损和弱亏损的两种橄榄岩而推断其形成于两种环境。

两类蛇绿岩剖面及其成因的探讨

研究表明,蛇绿岩剖面是多种多样的,至少可分为两类:第一类以特罗多斯为代表,为具层序性的、厚度较大的洋壳,特征是有席状岩墙群和较厚的堆晶岩单元;第二类以双沟为代表,仅出现镁铁质的喷出岩和侵入岩,洋壳厚度较小,缺少席状岩墙群和堆晶超镁铁岩或堆晶岩不发育。不同的蛇绿岩剖面反映了洋脊之下不同的动力学过程。

对“也谈铙钹寨超镁铁岩体的成因和构造类型的归属问题”一文评论的答疑

张旗先生的《评论》和他之前的工作没有提供饶钹寨岩体的"地幔交代作用"的证据;地幔交代作用不能作为判别地幔岩为大陆地幔和大洋地幔属性的标志,因为两者均可能发生地幔交代作用。根据铙钹寨岩体原岩为强烈亏损的方辉橄榄岩(和二辉橄榄岩),伴有豆荚状铬铁矿及瘤状矿石和铬尖晶石成分具有蛇绿岩地幔岩属性(双峰分布)而非大陆地幔橄榄岩特征,认为该岩体带有蛇绿岩成员的某些特征,并认为该岩体经历了角闪岩相-麻粒岩相的变质作用。我们对《评论》中列举的所谓大陆地幔橄榄岩中也产有豆荚状铬铁矿的诸多例子给予了剖析,指出《评论》犯有基本概念的错误。

夏威夷石榴辉石岩的水含量及其对地幔水不均一性的启示

在全球范围内，相比MORB而言，OIB具有较高的水含量和变化范围较广的H2O／Ce。其中，EM型OIB具有高的水含量和更低的H2O／Ce（〈100）。目前对其的解释有3种：①源区含有经历过脱水的洋壳和大洋沉积物；②源区有经历过热液蚀变的大洋岩石圈组分；③源区经历了水从富集地幔向亏损地幔的扩散丢失。

快速演变的三板块边界上的一次大地震破裂

2007年4月1日,一次大海啸地震(MW8.1)使得所罗门群岛俯冲带在一个三联点处破裂。在这个三联点上,澳大利亚板块、所罗门海-伍德拉克盆地板块在不同滑动方向上同时向太平洋板块俯冲。大地震过程中,相关的滑动方向突变使得太平洋板块上部收敛滞弹性变形,这就产生了Simbo俯冲断层之上弧前的局部隆起,潜在地放大了局地海啸振幅。地震周期过程中的弹性形变似乎主要通过上冲的太平洋弧前来调节。这次地震显示了极其年轻的俯冲大洋岩石圈的孕震潜力和横贯坚实地质边界的破裂能力,也显示了引起隆起和海啸的复杂同震滑动的后果。