华北克拉通东部岩石圈破坏与幔柱的成因

华北克拉通东部是指大兴安岭—太行山重力梯度带以东的地区。该地区与东北及华南地区一样,也存在着岩石圈减薄和岩石圈破坏的现象。华北克拉通古生代与新生代的橄榄岩包体地热值分别为40mW/m^2和80mW/m^2,地热增高是岩石圈破坏的重要因素。中国东部—朝鲜半岛的GRACE卫星布格重力异常呈巨型环状展布,可能是地幔亚热柱所致。区内郯庐断裂带呈NNE向纵贯切割,最新的地震反射剖面成果反映,该断裂带以走滑为主,兼有逆冲和正断层,所组成的大型"花状"复杂断裂构造带,切穿地壳、莫霍面,直至岩石圈地幔,起到破坏岩石圈的作用。S波速成像结果证实,在苏鲁造山带下方,分布的碎块状波速扰动带延伸>300km,应是中生代扬子板块走滑俯冲、断离、折返的产物;而在渤海湾盆地下方,下地幔也存在陡倾的破碎带,延伸>300km,在岩石圈76km处及其深部,S波速降低,扰动很剧烈,可能是地幔柱头部呈粗大状的反映,故可认为渤海湾盆地是由蘑菇云状的地幔柱形成。再从华北克拉通的大陆根来看,东部为A型反时针pT轨迹麻粒岩分布,而中西部则为B型麻粒岩,这是因为东部新太古代绿岩带中赋存有科马提岩,其岩浆温度可高达1 600℃,如用幔柱构造模型解释成因最为合适。通过研究近年大量地震反射P波和S波层析资料,华北克拉通的东部在晚侏罗-早白垩世及新生代期间,受太平洋板块俯冲和地幔热柱上隆的相互作用,深部的地幔流体常沿构造破裂带运移,促使岩石圈拆沉,并发生热侵蚀作用,形成酸性大火成岩省(SLIP)、裂谷型盆地的广泛分布和成矿成藏作用的"大爆发"。由此认为,建立区域构造模型将有利于指导深部找矿工作。

华北克拉通中生代破坏前的岩石圈地幔与下地壳

华北克拉通是世界上最古老的克拉通之一,有38亿年的古老陆壳存在,它经历了复杂的地质变迁,在太古宙末(约2500Ma)基本完成克拉通化,在古元古代(约1900～1850Ma)整体受到了高级变质作用,最终完成了克拉通化。它的东部在中生代发生了重大的构造机制的转变,克拉通基底发生了破坏、置换和再造。在太行山重力梯度带以西的华北克拉通受中生代构造转折的改造程度较低,它们的下地壳和岩石圈地幔结构,大致保持了华北克拉通破坏前的状态。前寒武纪麻粒岩地体代表了掀翻抬升到地表的古元古代下地壳,出露地表的时间大致在1850～1800Ma。中、新生代火山岩中的地幔和麻粒岩捕虏体代表了现代的岩石圈地幔和下地壳的岩石。岩石学、地球化学和地球物理的研究,推测华北克拉通西部的岩石圈厚约200km,地壳厚度约45km～50km,是在古元古代(约1.9Ga)时期终极克拉通化作用形成的,其厚度和结构与全球典型的元古宙克拉通岩石圈相同。而太行山重力梯度带以东的克拉通岩石圈地幔受到程度不等的交代、改造、置换和减薄,下地壳大规模重熔,地壳厚度也发生减薄,指示了强烈的壳幔解耦、物质交换和重新耦合的过程。

华北克拉通重力梯度带两侧晚中生代火山岩地球化学特征对比研究及其对岩石圈减薄的时空制约

对华北克拉通重力梯度带东西两侧的河北承德袁家庄和内蒙古四子王旗白脑包出露的晚中生代火山岩进行了地球化学对比研究。全岩主量元素、微量元素和Sr-Nd-Hf同位素数据表明,袁家庄火山岩和白脑包火山岩具有相似的地球化学特征。这些火山岩轻、重稀土强烈分异,富集大离子亲石元素(如Rb,Ba,Th,U,K等),亏损高场强元素(如Nb,Ta,Zr,Hf,Ti等);其同位素具有高(87Sr/86Sr)i,低εNd(t)和低εHf(t)的特征,因此认为袁家庄和白脑包火山岩具有相似的源区,即均来源于被交代的古老岩石圈地幔的部分熔融。结合文献资料,作者认为,这些晚中生代火山岩是华北克拉通岩石圈减薄的直接产物,中生代时期华北克拉通岩石圈的减薄不仅仅局限于重力梯度带以东地区,以西的部分地区也有发生。

大别造山带双庙关金矿床成矿时代与成矿背景

湖北省麻城市双庙关金矿床隶属于秦岭-大别成矿带,近年来找矿进展显著,但成矿时代和成矿背景尚不清楚。矿区广泛发育新元古代片麻状二长花岗岩和变辉长岩,沿NE-NNE向和NW向断裂产出11条金矿(化)体。基于详细野外调查发现,矿区北部钾长花岗岩体、花岗斑岩体均被NE向含矿断裂穿切,为成矿前岩浆活动产物,矿区中部的闪长岩脉则穿切矿体,晚于成矿事件。钾长花岗岩体、花岗斑岩体和闪长岩脉的锆石U-Pb加权平均年龄分别为(133.6±1.1)Ma、(127.9±1.6)Ma和(126.6±1.3)Ma。因此,双庙关金矿床应形成于128~126 Ma,与小秦岭、熊耳山、桐柏等矿集区金爆发式成矿的时间一致,与中国东部岩石圈破坏导致的构造-岩浆事件密切相关。

俯冲板片熔融柱的数值模拟:上覆板块破坏及动力地形效应

洋壳俯冲过程中温度、压力升高和密度差异,可导致俯冲板片熔融柱的快速上涌,并作用在上覆板块岩石圈地幔底部,从而导致岩石圈的破坏减薄以及地表形态的剧烈变化,该过程类似于地幔柱对岩石圈的破坏作用。目前,对于俯冲板片熔融柱的形成及其对岩石圈破坏程度的研究相对较少,特别是地表动力地形变化与深部岩石圈破坏作用之间的响应关系依然不清楚。为此,本文将利用I2VIS有限差分方法,基于质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程,通过给定材料参数和一定边界条件,计算揭示俯冲洋壳在不同时间和不同深度下发生部分熔融并形成俯冲板片熔融柱的过程,从而模拟再现该熔融柱对上覆板块岩石圈的破坏过程,并进一步分析其导致的浅部地表地形变化响应。数值模拟结果显示,在大洋板片俯冲过程中,由俯冲的陆源沉积物以及洋壳形成的混合熔融柱垂向侵蚀岩石圈底部,造成岩石圈减薄。在熔融柱的横向侵蚀过程中,岩石圈地幔熔融范围增加,可达300km。在地形变化方面,板块俯冲造成大陆前缘受挤压变形,引起构造变形,构造变形范围可达300km。同时,与俯冲相关形成的熔融柱对岩石圈地幔底部的侵蚀作用逐渐增强,动力地形变化幅度增大,并持续抬升,最终可垂向抬升至4km。动力地形的变化范围局限在300km以内,这与岩石圈地幔的破坏范围保持一致。

阿尔金断裂西部邻区的上地幔各向异性研究

本文利用横波分裂方法对北京大学于田流动台阵记录的SKS震相进行分析,获到了阿尔金断裂西部及邻区的上地幔各向异性参数.分析结果显示,快波偏振方向在整个研究区基本呈近E-W向,与研究区内阿尔金断裂的走向几乎一致,分裂延迟时间在0.93~1.20s之间.综合研究区附近前人横波分裂研究结果,我们认为,在印度和欧亚大陆板块碰撞作用下,青藏高原北部上地幔软流圈物质向北流动,遇到塔里木盆地＂克拉通＂较厚岩石圈阻挡并发生了旋转,向东西两侧流动,导致在青藏高原和塔里木盆地边界地带软流圈上地幔橄榄岩中晶格沿近E-W向优势排列.这一模式显示阿尔金断裂可能是一个岩石圈尺度的大型走滑断裂：它既控制近地表的上地壳构造运动,同时也影响了上地幔软流圈物质的流动.另外,在向塔里木盆地内部延伸的台站也观测到显著的各向异性和近EW向的快波偏振方向.这些结果表明塔里木盆地＂克拉通＂岩石圈的中、下部分在南部边界被青藏高原北部上地幔软流圈流动＂热侵蚀＂而损失一部分,导致青藏高原软流圈向东西两侧的流动已经延伸到塔里木盆地内部.本文的研究结果揭示克拉通岩石圈＂活化＂不仅可以在垂直方向发生（如,岩石圈拆沉或软流圈上涌导致的热侵蚀）,也可以在水平方向上发生,即软流圈的水平流动对克拉通岩石圈边界的热侵蚀作用.

中国东北—华北地区地壳厚度与泊松比及其地质意义

本文通过收集和综合分析已有的接收函数H-k研究结果，给出了中国东北—华北地区的地壳厚度与波速比/泊松比分布图.本研究表明该区地壳最薄的地方出现在松辽盆地和华北平原地区（28~35 km）；大兴安岭、燕山—太行地区的地壳厚度介于36~45 km范围，其中燕山造山带地壳厚度由东向西逐渐增加；而最厚的地方则出现在鄂尔多斯盆地西南缘（~55 km）.研究区平均波速比为1.76±0.05，较全球大陆平均值明显偏高，这可能与中、新生代以来该区显著的岩石圈减薄与破坏过程相关.其中地壳波速比最高的地方出现在山西地堑、长白山、大同—张家口等新生代火山区，意味着这些地区可能具有较高的地壳温度或存在广泛的壳内部分熔融.本文研究显示，大兴安岭造山带地区地壳厚度与波速比/泊松比成负消长关系，推测大兴安岭在形成过程中，地壳的增厚以长英质上地壳增厚为主.与大兴安岭地区不同，松辽盆地及周边地区地壳厚度与泊松比没有明显的相关性，表明松辽盆地可能具有复杂的形成与演化过程.

临汾断陷盆地孤峰山花岗闪长岩的地球化学和年代学及其地质意义

临汾断陷盆地孤峰山花岗闪长岩的S iO2含量为64.62%~65.57%,具有富碱（Na2O＋K2O=7.38%~7.71%）、富钠（Na2O/K2O=1.37~1.54）、准铝质（A/CNK=0.94~0.99）和较低镁指数（Mg#=31.8~36.2）的特点,属于高钾钙碱性岩系。岩石明显富集轻稀土[（La/Yb）N=17.0~19.3],基本不显示Eu异常（δEu=0.94~1.04）,富集大离子亲石元素K、Rb、Ba、Sr等,Sr/Y比值高（Sr/Y=59.3~67.2）,亏损高场强元素Nb、Ta、Ti和Y。岩石学和地球化学特点表明该花岗闪长岩由加厚的基性下地壳部分熔融形成。对岩石进行的激光探针等离子体质谱（LA-ICP-MS）锆石U-Pb同位素年代测定获得了132.2±9.2M a的206Pb/238U加权平均年龄,该年龄与华北地块岩石圈减薄与破坏作用的峰期时间基本一致。部分锆石含有2590.9M a的内核,反映该地区在太古宙晚期发生过相应的构造事件。结合区域地质资料分析认为,孤峰山花岗闪长岩是华北地块早白垩世峰期伸展作用期间的产物,华北地块早白垩世期间的岩石圈减薄与破坏作用向西影响到了太行山以西的临汾断陷盆地一带。

三门峡高庙石英闪长玢岩的地球化学特征、LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄及其地质意义

三门峡市高庙石英闪长玢岩的激光探针等离子质谱(LA-ICP-MS)锆石U-Pb同位素年代测定获得了135Ma的年龄,与华北地块南缘早白垩世岩石圈伸展和减薄事件的时间一致。高庙岩体中继承锆石的形成年龄为2768Ma,该年龄和模式年龄均与华北克拉通早期地壳演化的峰期时间一致。石英闪长玢岩的SiO2含量为62.93%～65.54%,铝指数A/CNK=0.90～1.03,属于准铝质—弱过铝质系列。富钠(Na2O/K2O=1.29～1.46)、镁指数偏低(Mg#=33.5～42.4<45),属于高钾钙碱性岩系。岩石稀土含量∑REE=197.09×10-6～234.41×10-6(平均216.00×10-6),轻重稀土明显分异[(La/Yb)N=15.86～20.55],基本不显示铕异常(δEu=0.96～1.02)。岩石富集大离子亲石元素Rb、Ba、Sr、K等和轻稀土,高Sr/Y值(Sr/Y=41.99～56.71),亏损高场强元素Nb、Ta、Ti、重稀土和Y等。该石英闪长玢岩具有较低的n(143Nd)/n(144Nd)(t)值(0.5116)和较高的n(87Sr)/n86Sr)(t)值(0.7080),εNd(t)=-19.08,εSr(t)=49.89,TDM=2.15Ga。岩石的地球化学特点反映岩体由下地壳部分熔融形成。综合分析认为,高庙石英闪长玢岩源自加厚的基性下地壳的部分熔融作用,是华北克拉通的岩石圈在早白垩世减薄和破坏作用的产物,华北克拉通早白垩世期间的岩石圈减薄和破坏作用影响到了华北克拉通中—南部一带。

Mg同位素示踪中国东部中生代深部碳循环

地球深部碳循环对全球气候变化、生命探索和岩石圈演化的研究具有重要意义。中国东部岩石圈是地球深部碳循环的重要场所,其减薄和破坏与深部碳循环密切相关。中生代太平洋板块俯冲是制约中国东部岩石圈减薄和破坏的关键,对华北克拉通和华南板块的大规模金属成矿作用具有重要作用。笔者等系统阐述了Mg示踪地球深部碳循环原理,例举了镁同位素示踪中国东部深部碳循环的实例,论述了中生代俯冲的古太平洋板块所释放的碳酸盐熔体/流体与地幔相互作用,是造成中国东部地幔具有普遍的轻Mg同位素组成的重要原因。此外,指出轻镁同位素的多解性,提出多同位素联合示踪是未来研究地球深部碳循环的趋势。