橄榄岩-熔体的相互作用:岩石圈地幔组成转变的重要方式

橄榄岩-熔体/岩浆的相互作用常被用来解释蛇绿岩套橄榄岩、造山带橄榄岩、超镁铁质侵入杂岩体、地幔橄榄岩捕虏体中某些具有不平衡结构和矿物组成的岩石的形成过程。橄榄岩-熔体的反应主要有两种方式,即消耗橄榄石(和单斜辉石)生成斜方辉石或消耗斜方辉石生成橄榄石(和单斜辉石)。反应的结果不仅造成矿物百分含量的变化,而且造成矿物组成的变化;后者更重要但未引起足够的重视。华北东部中生代玄武质岩石中具有环带状结构的橄榄石和辉石捕虏晶,特别是具有环带状结构的地幔橄榄岩捕虏体的发现,暗示这种橄榄岩-熔体的相互作用在华北东南部中生代岩石圈地幔中很可能普遍存在,为岩石圈地幔组成转变和快速富集的重要方式。这是全球首例由橄榄岩-熔体相互反应造成的岩石圈地幔大规模的组成变化。反应熔体来源途径主要有地壳来源和软流圈地幔来源。来源不同的熔体与橄榄岩的反应造成的组成变化完全不同。

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.……

汉诺坝熔体—岩石圈相互作用研究

引言 从20世纪80年代起，我国新生代火山及其中地幔岩石捕虏体的研究工作就已展开，并相继取得了众多成果。刘若新等根据我国新生代玄武岩中地幔橄榄岩的平衡温度和压力计算结果，首先提出华北上地幔的古地温接近大洋地温并靠近裂谷地温，新生代华北岩石圈厚度为50～80km，动摇了以往对华北克拉通地台大地构造属性的传统认识，奠定了华北克拉通破坏重大研究计划的一块基石，如今关于华北克拉通破坏的研究也如火如荼。

橄榄岩-熔体反应过程中微量元素和同位素组成的转变

地幔橄榄岩-熔体反应不仅能使主量元素亏损的高镁橄榄岩转变为主量元素饱满的低镁橄榄岩,而且能够引起橄榄岩的微量元素和同位素组成的明显变化.由于参与反应的熔体的来源和性质的差异,反应所产生的结果亦截然不同.模拟计算表明,来自再循环的地壳物质部分熔融所产生的熔体能够造成橄榄岩微量元素和同位素组成的明显富集,而来自软流圈的玄武质熔体则可造成橄榄岩微量元素和同位素组成的相对亏损.橄榄岩-熔体反应过程能够合理地解释目前所发现的岩石圈地幔样品的主、微量元素和同位素组成的巨大变化,所以,存在于岩石圈地幔中的橄榄岩-熔体的相互反应可能是岩石圈演化的重要方式之一.

斜方辉石筛状反应边的成因机制及其对岩石圈地幔性质转变的意义

本文利用电子背散射衍射(EBSD)技术对河北张家口大麻坪汉诺坝玄武岩橄榄岩捕虏体中斜方辉石与玄武岩反应结构的显微构造进行了详细研究。研究结果表明:1其反应边具有复杂的多层筛状结构特征,包括玄武岩层、富橄榄石层以及橄榄石和单斜辉石交生层;o由外至内,橄榄石的M g值逐渐升高,而单斜辉石的M g值变化不大;反应边结构中的单斜辉石与斜方辉石残斑之间存在很好的结晶学拓扑关系,即(100)opx//(100)cpx、(010)opx//(010)cpx、(001)opx//(001)cpx;橄榄石的结晶学取向无序且与斜方辉石和单斜辉石均无关。这个反应过程可以用贫硅熔体先与斜方辉石反应形成单斜辉石,并导致熔体富硅,从而橄榄石从反应熔体中结晶出来合理地解释。相对富硅熔体与橄榄岩的反应,贫硅熔体与橄榄岩的反应过程由于筛状反应边的存在可能更容易进行,筛状结构反应边可以为熔体在橄榄岩中沿颗粒边界运移提供通道,并使橄榄岩主要组成矿物发生细粒化和岩石结构变得松散,可以有效保证熔体上升过程中对橄榄岩的持续侵蚀和破坏,从而可能导致岩石圈地幔性质的迅速转变。

汉诺坝玄武岩中熔体-捕虏体相互作用初步研究

汉诺坝新生代玄武岩捕获的地幔橄榄岩及其解体矿物橄榄石、单斜辉石、斜方辉石捕虏晶,普遍发育反应边结构,提供了玄武岩浆在上升穿越岩石圈地幔过程中橄榄岩-熔体相互作用的重要信息。橄榄石和单斜辉石捕虏晶反应边的成分变化一致,由核部富镁向边部富铁变化,趋同于玄武岩中相应斑晶的成分。斜方辉石捕虏晶反应边一般由橄榄石+单斜辉石+玻璃构成,多为双层结构,反应边矿物橄榄石、单斜辉石较相应的地幔矿物富铁,其富硅、碱的中酸性玻璃成分,为中国东部地幔矿物包裹体中存在的富硅、碱熔体的来源提供了重要信息。同时发现橄榄岩捕虏体中尖晶石颜色、成分的变化与温度的关系。地幔矿物捕虏晶反应边结构(非平衡结构)得以保存,暗示了玄武岩浆的快速上升。而大规模的熔体-捕虏体相互作用,改变着岩石圈地幔的性质。

华北东南部中生代岩石圈地幔性质、组成、富集过程及其形成机理

本文通过对我国华北东南部中生代幔源岩浆活动的时空分布规律及其地球化学特征的系统总结来进一步厘定该地区中生代岩石圈地幔的性质和组成,并通过与华北内部如鲁中地区中生代岩石圈地幔的对比研究探讨华北东部岩石圈的时空演化规律、富集过程及其形成机理。幔源岩石的 Sr-Nd-Ph 同位素特征表明华北东部中生代岩石圈地幔存在明显的时空不均匀性,其中心部位如鲁中地区以弱富集地幔为主体;而东南部如鲁西南和胶东地区则为类似 EM2型地幔(^(87)Sr/^(86)Sr_i 可高达0.7114)。华北东南部中生代岩石圈地幔随时间的演化特征也很明显。这些幔源岩石的地球化学特征和玄武岩中地幔岩捕虏体(橄榄岩和辉石岩)和捕虏晶(橄榄石和辉石)的组成和结构特征皆证明华北东南部中生代岩石圈地幔曾受到过富硅熔体的强烈改造。橄榄岩-熔体的相互反应是该区岩石圈改造和组成转变的重要方式,从而造成古生代高镁橄榄岩转变为晚中生代低镁橄榄岩和辉石岩。进入岩石圈地幔的熔体具下/中地壳物质重熔的特征,从而导致该区晚中生代岩石圈地幔的快速富集。有关华北东部中生代岩石圈减薄和改造的时限、过程和机制等问题也进行较详细的讨论。

地幔富硅交代与大陆岩石圈的演化

富硅交代是弧下地幔中熔体岩石相互作用的主要表现形式 ,是造成古老克拉通陆下岩石圈地幔富硅的主要机制。在弧下地幔捕掳体中 ,橄榄岩被来自俯冲洋壳物质部分熔融生成的含水富硅熔体交代后 ,斜方辉石含量的增加使全岩富集SiO2 ,斜方辉石显示异常低的Al2 O3和Cr2 O3,微量元素上表现为强烈富集LILE ,强烈亏损Nb ,Ta和Ti。在古老克拉通地幔岩样品中 ,方辉橄榄岩具过剩的斜方辉石 ,橄榄石的Ni含量与斜方辉石的组成含量成正比 ,而和橄榄石的x(Mg) /x(Mg +Fe2 +)值没有正比关系 ,被解释为亏损的地幔橄榄岩和来自俯冲板片的富硅熔体相互作用的结果。熔体岩石相互作用最终导致了陆下岩石圈地幔富集SiO2 ,这种被含水富硅熔体改造后的地幔岩石的部分熔融可能是造成陆壳富硅富镁的主要原因。含水富硅熔体对岩石圈地幔的影响程度也可能是大陆岩石圈增生或裂解、增厚或减薄的关键因素之一。

大陆岩石圈地幔异剥橄榄岩化的证据和意义

异剥橄榄岩化是地幔橄榄岩与硅不饱和熔体发生强烈相互作用的地幔过程。这一过程通常伴随地幔物理-化学性质的显著改变,与克拉通岩石圈减薄和破坏密切相关。本文梳理了前人对异剥橄榄岩化的驱动机理、结构和成分特征及其对大陆稳定性影响等方面的定性认识,并在此基础上通过热力学模拟,刻画了不同属性地幔与熔体在不同温度压力条件下的相互作用过程,目标是为定量限定异剥橄榄岩化的发生条件、物理-化学效应及地球动力学意义。研究显示,异剥橄榄岩化通常会出现磷灰石、角闪石、金云母和碳酸盐等标志性交代矿物,并以斜方辉石被单斜辉石替换为典型特征,还可发育海绵边、熔体囊(已冷却结晶为单斜辉石、橄榄石等细粒矿物)和矿物环带等非平衡结构。热力学模拟表明,熔岩反应过程受原岩、熔体性质以及熔/岩比例的共同控制,不同属性地幔(难熔方辉橄榄岩、饱满二辉橄榄岩)与贫硅(如霞石岩)熔体反应都能生成富单斜辉石橄榄岩,且在较高压力(如2.5GPa和4.0GPa)条件下更容易形成异剥橄榄岩;相比之下,不同性质地幔与富硅(如MORB)熔体反应在任何压力条件下均不能产生异剥橄榄岩。此外,两类熔体参与的熔岩反应均能引起围岩密度逐渐增加,并在高压条件下能导致饱满岩石圈地幔密度超过地幔参考值、达到岩石圈失稳的条件。因此,本文从热力学的角度定量约束了异剥橄榄岩化的发生条件和对岩石圈地幔的影响,为前人提出的橄榄岩-熔体反应能够造成岩石圈地幔减薄和破坏这一概念模型提供了理论实证,对评估大陆稳定性具有重要意义。

橄榄岩-熔体相互作用:克拉通型岩石圈地幔能够被破坏之关键

对近年来华北克拉通不同时代地幔橄榄岩捕虏体和捕虏晶的研究结果进行了系统的归纳和总结,旨在为华北克拉通破坏过程的进一步研究提供新的思路.Re-Os同位素研究结果证明华北岩石圈减薄前岩石圈地幔的确形成于太古代.这种密度低、难熔程度高的古老岩石圈地幔能够被破坏和减薄的关键是由橄榄岩与多来源熔体的相互作用造成岩石圈地幔的组成和物理性质的改变引起的.华北克拉通周边板块的俯冲-碰撞作用不仅提供了克拉通破坏的动力来源,而且俯冲下去的大陆壳或大洋壳物质熔融还为岩石圈地幔组成的改变提供了源源不断的熔体.120Ma左右的区域性热异常的存在导致已经被改造的岩石圈地幔熔融,此时或随后岩石圈的伸展作用以及软流圈上涌进一步加剧了地幔的熔融和岩石圈的减薄.因此,华北岩石圈的破坏和减薄是橄榄岩-熔体相互作用(加挥发分)、区域热异常的升高(增温)和岩石圈伸展(减压)联合作用的结果.这一复杂的地质过程最终形成了华北中生代、新生代高度化学不均一的"混合"岩石圈地幔,并导致了不同地区不同时代地幔橄榄岩捕虏体组成的巨大差异.

吉林伊通-大屯地区晚中生代-新生代玄武岩的地球化学特征及其意义

吉林伊通-大屯地区有长达80Ma的火山喷发历史,为探讨该区深部地质演化提供了条件。从晚白垩长春大屯火山(92．5±0．5Ma)到伊舒地堑内第三纪伊通火山群(31Ma、9～15Ma),玄武岩碱性逐渐增强,Dy/Yb比值逐渐升高,根据地幔动态熔融模型计算获得的玄武岩最终形成深度由约50km变深至110km。根据岩石圈盖效应推测该区晚白垩纪以来岩石圈厚度逐渐增厚。伊通第三纪碱性玄武岩显示了均一的地球化学组成;类似洋岛玄武岩(OIB)的微量元素分配模式和Nb/U比值,以及低(^(87)Sr/^(86)Sr)_i、正ε_(Nd)(t)同位素特征暗示它主要来源于软流圈。与第三纪碱性玄武岩相比,晚白垩大屯拉斑玄武岩具有相对偏高的Ni、Cr和Sc,高Ba/Th、Rb/Nb、Ba/Nb比值,高(^(87)Sr/^(86)Sr)_i和低(^(143)Nd/^(144)Nd)_i。这些特征可能与软流圈熔体与古老富集地幔之间的相互反应有关。伊通-大屯玄武岩的演化特征反映了岩石圈在板内岩浆作用中所担当的不同角色:第三纪时,岩石圈并没有在物质上直接参与岩浆作用,但岩石圈对上涌软流圈起到了机械阻挡作用;而在晚白垩岩浆作用中,岩石圈的间接和直接作用都得到了体现。

华北地幔捕虏体Fe-Mg-Ca同位素研究进展

近年来,得益于同位素分析技术和质谱仪器性能的提高,使得铁(Fe)、镁(Mg)和钙(Ca)等非传统稳定同位素的高精度测量成为可能,并很快在地球化学、天体化学和生物地球化学等研究领域取得了丰硕的成果。本文通过对比分析来自华北克拉通不同地区不同类型地幔捕虏体的Fe、Mg和Ca位素组成特征,揭示华北克拉通岩石圈地幔Fe、Mg和Ca同位素组成不均一性的成因,并在此基础上,探讨华北大陆岩石圈地幔演化过程如部分熔融、橄榄岩-熔体反应过程、熔体的性质和来源等科学问题,为华北克拉通岩石圈的演化过程提供新证据。

华北克拉通岩石圈地幔特征与演化过程

克拉通能否长期稳定存在,主要取决于岩石圈地幔的特征和属性.中生代以来,华北岩石圈地幔的组成和性质发生了根本性转变,导致了克拉通破坏.尽管目前取得了上述共识,但是对岩石圈地幔转变形式与机制的认识仍然存在分歧.本文以华北克拉通破坏前后岩石圈地幔的特征为视角,对华北不同时代幔源岩石及地幔捕虏体的研究结果进行综述,旨在为上述问题的讨论提供新的思路.华北古生代岩石圈厚达200km,具有高度难熔、SrNd同位素富集的克拉通型岩石圈地幔特征;中生代岩石圈地幔具有易熔、同位素高度富集的特征,在空间上具有明显的不均一性和分布规律;在新生代,华北东部岩石圈厚约60~80km,具有易熔、同位素亏损的大洋型岩石圈地幔特征;中部带岩石圈厚度大于100km,岩石圈地幔具有上老下新的双层结构;西部岩石圈厚达200km,仍然保存有克拉通型古老地幔.岩石圈地幔组成的转变主要是通过橄榄岩-熔体反应的方式实现的.古生代周边板块的多次俯冲作用使华北克拉通边缘地区岩石圈地幔的组成发生了明显改变.中生代古太平洋板块俯冲作用的叠加,促成华北东部岩石圈地幔组成和性质的根本转变,导致克拉通破坏区域的面积占华北总面积的1/2以上.从克拉通破坏的峰期时间和破坏区域空间展布来看,古太平洋板块俯冲及其驱动的深部动力学过程是华北克拉通破坏的一级控制因素.造成东部岩石圈巨厚减薄的主导因素是俯冲板块回转、海沟后撤引起的大陆岩石圈伸展.俯冲板块机械侵蚀、熔流体交代作用造成的岩石圈弱化、非稳态地幔流动伴随的热-化学侵蚀和岩石圈局部拆沉共同加剧了岩石圈减薄和克拉通破坏的进程.

地幔橄榄岩捕掳体中尖晶石筛状边的成因

山东的无棣大山和栖霞方山是两个以霞石岩为主的新生代火山,含有大量的地幔橄榄岩捕掳体,橄榄岩捕掳体中的尖晶石常见黑色反应边。在BSE图像上,这些反应边根据结构的不同又可以进一步分为两种:筛状边和均一边。有时两种反应边在同一颗尖晶石中共存并相互过渡。尖晶石捕掳晶和捕掳体中与寄主岩直接接触的尖晶石常发育均一边;发育筛状边的尖晶石则一般不直接与寄主岩接触,但位于捕掳体的边缘。尖晶石的筛状边呈多孔状,为富Cr尖晶石或铬铁矿。筛状边成分上与核部(Cr_2O_3=7.52%~36.75%,Cr#=7.80~44.20,Mg#=44.70~74.48)区别明显,具有高的Cr_2O_3含量(23.42%~65.96%)、Cr#值(78.97~92.49)以及低的Mg#值(17.22~43.02)。另外,筛状边相对其核部(TiO 2=0.00%~0.53%,MnO=0.04%~0.35%)还显示偏高的TiO 2(0.20%~3.60%)和MnO(0.29%~1.93%)。在筛状边附近存在富Al_2O_3(8.00%~17.57%)和MgO(17.89%~26.02%)的玻璃。尖晶石的均一边无孔洞但多发育裂理,成分上与核部突变,并以富TiO 2(20.90%~6.64%)和FeO T(70.79%~53.92%)为特征,最外部为钛磁铁矿。均一边具有明显的成分分带,表现为由内至外TiO 2、FeO T含量逐渐增高,Al_2O_3(0.04%~16.34%)、Cr_2O_3(0.77%~25.69%)和MgO(0.50%~7.16%)含量逐渐降低。尖晶石的两种反应边与寄主岩密切的空间关系说明其成因与寄主岩浆有关。虽然尖晶石筛状边的Cr#值(79.0~92.5)明显高于核部(7.8~44.2),但是其相对核部偏高的TiO 2和MnO含量,以及显著降低的Mg#值均与单纯的部分熔融趋势不吻合。根据尖晶石两种反应边的结构特征、成分特征和相互的空间关系,我们认为筛状边与均一边是岩浆与尖晶石反应不同阶段的产物。当橄榄岩捕掳体被岩浆捕获后,由于成分上的不均衡两者之间将发生溶解反应。反应过程中,尖晶石中不同元素向熔体迁移的速率区别明显,其中Cr是最难熔的元素也是迁移最慢的元素。在反应的初始阶段,由于易溶组份Al、Mg等元素随熔体迁出,尖晶石发育筛状边,并同时伴随Cr#值的显著升高和Mg#值的显著降低。此时,寄主岩浆中的Ti、Mn等元素也部分扩散进入筛状边中的残留尖晶石。如果熔体足够多,反应得以持续进行,筛状边中的Cr最终也将被熔体带走。在反应产生的混合熔体中金属氧化物最早达到饱和并结晶。随着反应的持续进行,结晶出的矿物将继续生长、变粗,并相互连接,直至孔洞消失形成均一边。同时伴随着矿物的不断结晶,溶解界面上的熔体成分也不断变化,从而使均一边具有明显的成分分带。在橄榄岩捕掳体内部,由于渗进捕掳体中的岩浆有限,渗透岩浆与尖晶石之间的反应多限于早期阶段,反应产物为筛状边。在捕掳体边缘,与寄主岩浆直接接触的尖晶石由于参与反应的岩浆量足够多,因此一般产生反应的终端产物———均一边。

前寒武纪大陆岩石圈对全球H2生成的贡献

微生物生态系统可以依赖地球深处和深海火山口水-岩相互作用产生的氢气（H2）而得以生存。根据目前的估算，全球海洋岩石圈通过水-岩反应（水合作用）所产生的氢气量在1011mol／yr的量级。最近在对陆上地下前寒武纪岩石裂缝咸水的勘探中，人们发现了氢气富集程度类似于热液喷口和海底扩张中心的环境，并提出了在溶解的氢气量和水的辐射离解作用之间存在一定的联系。然而，在南非威特沃特斯兰德（Witwatersrand）盆地的一个深金矿中开展的区域氢气流量外推结果显示”，前寒武纪岩石因对全强氢气生产的贡献可以忽略不计（每年0．009×1011摩尔）。本文中我们对以往公开的和新近获得的前寒武纪岩石中的氢气浓度数据进行了汇总，发现人们以往低估了前寒武纪大陆岩石圈生成氢气的潜力。我们认为，出现这种情况的原因是，人们没有考虑其他的生氢反应（例如蛇纹岩化），而且缺乏有效的手段对在这些环境中测量的氢气生成速率进行换算，以便把前寒武纪地壳在全球大陆地壳表面积中的占比高达70％以上这一事实考虑在内。如果把通过辐射分解和水合反应生成的氢气考虑在内，我们估计，来自前寒武纪大陆岩石圈的氢气生成速率可以达到（0．36～2．27）×1011mol／yr，这个数值和海洋系统的氢气生成速率相当。