華北東部巖石圈減薄中的下地殼過(guò)程：巖漿底侵、置換與拆沉作用

1、華北東部巖石圈減薄中的下地殼過(guò)程：巖漿底侵、置換與拆沉作用100043569/2005/021fO6)一1509-26ActaPetrologicaSinica巖石華北東部巖石圈減薄中的下地殼過(guò)程:巖漿底侵,置換與拆沉作用翟明國(guó),樊祺誠(chéng).張宏福隋建立ZHAIMingGu0一.FANQiCheng3.ZHANGH0ngFu,andSUIJianLi1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京1000292.中國(guó)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京1000293.中國(guó)地震局地質(zhì)研究所,北京1000294,巖石圈演化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京1000291.InstituteofGeologyandGeophy

2、sics,ChineseAcademyofSciences,Belling1000292.KeyLaboratoryofMineralResources,ChineseAcademyofSciences,Beijing1000293.InstituteofGeoly,ChineseSeisnmlogicalBureauofChina,Beijing1000294.StateKeyLaboraWryofLithosphericEvolution,Beijing1000292005-0912收稿.2005.10.27改回ZhaiMG,FanQC,ZhangHFandSuiJL.2005.Lower

3、crustprocessesduringthelithospherethinningineasternChina:magmaunderplating,replacementanddelamination.ActaPetrologicaSinica,22(1):15091526AbstractOurrecentstudyshowsthatthelowercrustwasthinnedtogetherwithlithospheremantleineasternNorthChinaBlock(NCB)atMesozoic.Thispaperrevealsthatlowercrustprocessis

4、akeypointtounderstandtectonicmechanismoflithosphereicthinning.Thegeochemicaldatafromvolcanicrocksandtheirxenolithspossiblysupportthatadelaminationoflowercrustandlithospheremantleoccurredinnorthernand/orsouthernmarginsoftheNCBonly,linkingtoaposteollisionalorogenicprocess.However,thedelaminationdiffic

5、ultlyhappensinthewholeofeasternNCBandresultinalossof80120kmthicknessoflithosphere.ThelowercrustxenolithsinMesozoicandCenozoicbasaltswithintheNCBhavetwokinds.Oneisgranulitefaciesmetamorphosedgabbros/twopyroxinenitesandeclogitefaciesmetamorphosedgarnetpyroxenites.whichformedat140120Ma.AnotherkindisPre

6、cambriangranulitesthatwerestronglyoverprintedbyMesozoicmetamorphism.AlargescalelowercrustreplacementtookplaceatMesozoicbeneaththeNCB.Inotherwords.therecentlowercrustoftheNCBisnotPrecambrianone.MostofthepresentlowercrustiscomposedofMesozoicmetagabbrosandpyroxinenites.Otherwise,alotoflateJurrasicgrani

7、tesintheNCBaresimilartoadakiteingeochemistry,whichpossiblyderivedfrompartialmeltingoflowermostcrustandsurvivedaremnantofeclogiteorgarnetamphibolite.Ahotupwellingmantleisnecessaryforreplacementoflowercrustandpartialmeltingoflowermostcrust.Althoughacertainsurvivingeclogitescouldsinkintomantle,itisunim

8、aginabletherewasathickenougheclogitelayerthatcandrag80120kmthicklithospheretogethertofounderintoasthenospherebeneaththeNCB.Onthecontrary,magmaunderplatingperhapsisoneofchoosers.Formingofthepresentlowercrustthroughunderplatinganditsreplacementtotheoldonearecloselyrelatedtolithospheremantlethinning.An

9、dthebothoflowercrustthinning/replacementandlithospheremantlethinningarecontrolledbyasamedynamicmechanism,andarecauseandeffectbyeachother.KeywordsLowercrust,Lithosphericthinning,NorthChina摘要最近研究說(shuō)明,華北中生代巖石囤減薄不僅是巖石囤地幔減薄,而且下地殼也發(fā)生了一定程度的減薄和置換.本文強(qiáng)調(diào)下地殼過(guò)程,如巖漿底侵,置換和拆沉作用是理解巖石囤減薄機(jī)制的關(guān)鍵因素之一.火山巖及其捕虜體的信息似乎支持在華北東部南,

10、北緣存在局部造山帶型的下地殼與巖石囤的拆沉作用.但是華北東部整體上的減薄機(jī)制難以用造山帶的拆沉模式來(lái)解釋.華北東部克拉通內(nèi)部的火山巖中的下地殼捕虜體有兩類,一類是經(jīng)歷了麻粒巖相變質(zhì)的底侵輝長(zhǎng)巖和輝石巖以及榴輝巖相變質(zhì)的石榴輝石巖,形成時(shí)代約在140120Ma;另一類是經(jīng)過(guò)了中生代變質(zhì)疊加的前寒武紀(jì)麻粒巖.中本文受?chē)?guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)工程(4023450)和中國(guó)科學(xué)院創(chuàng)新工程(KZCXI-07)資助第一作者簡(jiǎn)介:翟明國(guó),男,1947年出生,研究員,巖石學(xué)專業(yè),E-mail:mgzhaimail.igcas.ac.crll5lOActaPetrologicaSinica巖石2005,21(6)生代

11、華北東部曾發(fā)生過(guò)大規(guī)模的巖漿底侵作用,現(xiàn)今的下地殼很可能已大局部不是前寒武紀(jì)的下地殼,ff41'由中生代變質(zhì)的輝長(zhǎng)巖,鎂鐵質(zhì)巖石以及經(jīng)歷了很強(qiáng)烈改造的前寒武紀(jì)下地殼麻粒巖組成.此外,在華北東部普遍存在著化學(xué)成分類似于"埃達(dá)克巖"的中生代高鍶花崗巖類巖石,它們的形成與巖漿底侵作用和鎂鐵質(zhì)下地殼的局部熔融有關(guān),其熔融殘留應(yīng)是榴輝巖或石榴角閃巖.盡管如此,要通過(guò)下地殼局部熔融形成一個(gè)厚的密度很大的榴輝巖層,由它的重力不均衡來(lái)帶動(dòng)80120公里厚的巖石圈地幔一起拆沉進(jìn)入軟流圈的機(jī)制很難發(fā)生在華北克拉通內(nèi)部.巖漿底侵和置換作用是下地殼過(guò)程非常重要的形式,與巖石圈的減薄具有密切

12、聯(lián)系,其具體機(jī)制尚不完善.關(guān)鍵詞下地殼;巖石圈減薄;華北中圖法分類號(hào)P5421引言雖然還存在爭(zhēng)議,但是有不少數(shù)據(jù)支持華北克拉通的巖石圈地幔在中生代曾發(fā)生過(guò)大規(guī)模的減薄(FanandMenzies,1992;Menziesetal,1993;Meyereta1.,1994:Harriseta1.,1994;Faneta1.,2000;2001;鄧晉福等,1996;鄭建平,1999;路鳳香等,2000;Zhangeta1.,2002,2003.2004).作者等最近的研究(翟明國(guó)等,2001,2003.2004;邵濟(jì)安等,2000;Zhangeta1.,2002,2003;樊祺誠(chéng)等,2005)提出

13、這樣的認(rèn)識(shí):(1)巖石圈減薄是華北東部中生代構(gòu)造體制轉(zhuǎn)折的最重要的深部表現(xiàn)形式.這與淺部的燕山構(gòu)造帶的形成以及中國(guó)近北東一-IL-II東走向的盆嶺格局取代東西走向構(gòu)造格局是耦合的,因此中生代構(gòu)造體制的轉(zhuǎn)折是深部圈層間相互作用的直接結(jié)果;(2)巖石圈減薄不僅是巖石圈地幔減薄,而且地殼也發(fā)生了相當(dāng)規(guī)模的減薄.地幔與下地殼在中生代構(gòu)造轉(zhuǎn)折的時(shí)限內(nèi)有大規(guī)模的置換作用和突發(fā)式的特點(diǎn).強(qiáng)烈和大面積的火山作用和巖漿作用在中生代的階段性爆發(fā),成分的演變以及源區(qū)的變化和深源包體的記載,是研究巖石圈減薄過(guò)程的重要指示.大量的殼熔花崗巖和殼?；旌系幕◢弾r是由巖石圈減薄引起的強(qiáng)烈的殼幔相互作用的結(jié)果,形成了中生代巖漿

14、一流體一成礦系統(tǒng).引發(fā)了爆發(fā)式大規(guī)模成礦;(3)造山帶的下地殼與巖石圈的拆沉作用在華北陸塊南,北緣似乎有顯示,并主要發(fā)生在碰撞后伸展階段.但是華北克拉通整體上的減薄難以用造山帶的拆沉模式來(lái)解釋.因此,本文強(qiáng)調(diào)下地殼過(guò)程是理解巖石圈減薄機(jī)制的關(guān)鍵因素之一.新的下地殼的生成和對(duì)古老下地殼的置換對(duì)于巖石圈的減薄具有重大意義,它們參與巖石圈地幔交代和置換起著重要作用,其中鎂鐵質(zhì)巖漿底墊起到重要作用,雖然具體的機(jī)制還不完善,人們對(duì)下地殼的作用也知之甚少(RudnickandFountain,1995).在討論之前,有必要對(duì)以下幾個(gè)問(wèn)題予以簡(jiǎn)單的界定.1.1中生代巖石圈減薄的范圍中生代巖石圈地幔減薄是基于

15、古生代時(shí)期華北陸塊仍存在著穩(wěn)定的前寒武紀(jì)地幔,它被新的大洋型地幔所代替(Faneta1.,2000),并在厚度上減薄了80120km,而這一結(jié)論來(lái)源于古生代金伯利巖和新生代火山巖的研究.含金剛石的金伯利巖的出現(xiàn)在華北克拉通內(nèi),說(shuō)明該區(qū)古生代時(shí)存在一個(gè)冷的厚達(dá)200公里的巖石圈,而且金剛石中固態(tài)礦物包體的研究說(shuō)明古生代該區(qū)巖石圈地幔為典型的大陸克拉通型巖石圈地幔(Menzieseta1.,1993;Meyereta1.,1994;Harriseta1.,1994).但是也有人認(rèn)為整個(gè)中國(guó)的東部巖石圈在中生代都有減薄(吳福元等,2003;Niu,2005).其主要根據(jù)是在華南陸塊內(nèi),也有大量的中生

16、代花崗巖出現(xiàn),在揚(yáng)子克拉通的范圍內(nèi)有金伯利巖出露,以及推測(cè)造成華北巖石圈減薄的主要構(gòu)造控制是太平洋板塊的俯沖,因此影響范圍應(yīng)包括華南地區(qū).但是從目前大量的火山巖,巖漿巖以及地球化學(xué)和地球物理的研究來(lái)看,華北與華南存在較大的差別,華南中生代巖石圈減薄的證據(jù)還顯缺乏.Liuetal(2001)的地球物理層析成像結(jié)果顯示,一個(gè)可能的地幔隆起區(qū)的中心在東經(jīng)110120度和北緯3444度,以及120度以東的渤海附近.最近Liangeta1.(2004)的研究也在中國(guó)華北地區(qū)用地震波反演的圖像中所勾畫(huà)的一個(gè)深部的熱的穹隆(圖1).我們認(rèn)為現(xiàn)代的結(jié)構(gòu)在一定程度上記錄了早期的狀態(tài),這與華北中生代花崗巖一火山巖

17、的活動(dòng)區(qū)域一致,推測(cè)與華北克拉通東部的巖石圈減薄的范圍相吻合.1.2巖石圈減薄的時(shí)限翁文灝(WongWH,1927)最先提出"燕山運(yùn)動(dòng)"的概念,在燕山地區(qū)識(shí)別出近Ew走向展布的中,晚侏羅世髫髻山組火山巖和土城子組紅層,被NE走向展布的張家口組火山巖不整合覆蓋.這一不整合被認(rèn)為是該區(qū)燕山主造山幕的標(biāo)志.牛珍貴等(2003)根據(jù)張家口組火山巖中鋯石的SHRIMP年齡,提出136Ma代表華北中生代構(gòu)造轉(zhuǎn)折點(diǎn)的年齡.對(duì)于巖石圈減薄的時(shí)代有從侏羅紀(jì)(如許文良等,2004),以及從約140120Ma(如樊祺誠(chéng)等,1998,2005)開(kāi)始的不同意見(jiàn),但多數(shù)研究認(rèn)為最主要的峰期在13011

18、0Ma之間.但在空間上巖石圈減薄的起始時(shí)限存在明顯差異(Zhangeta1.,2003,2005).翟明國(guó)等(2004)提出華北中生代構(gòu)造體制轉(zhuǎn)折是與巖石圈大規(guī)模減薄耦合的,是地球圈層間由深部到表層的強(qiáng)烈的物質(zhì)能量交換和重組.它雖然與印支期的碰撞造山有聯(lián)系,但并不是印支期后造山伸展和拆沉作用的直接結(jié)果.同時(shí)也很難用單一的構(gòu)造事件如太平洋板塊的俯沖形成的造山帶來(lái)解釋,應(yīng)是動(dòng)力學(xué)機(jī)制完全不同的另一個(gè)構(gòu)造體制.翟明國(guó)等:阜Ib東部巖石成薄巾的下地殼過(guò)程:巖漿威促置換與拆沉作羽4?!占三三301Ol1gi【tlde(deglrfI悶的地震j豆嬌II.iavg.Chf2cKlFigJReullsInIl

19、HiDmin);t_1vPri.i1Iha因此I=造轉(zhuǎn)折單一的【或地甚礎(chǔ)譴J,火【l活動(dòng)能潮蓋.H,J也不能用?個(gè)地層帕年齡采定最近大艟研究從0同n度限定'l代掏世體制轉(zhuǎn)折稈l巖打圈減薄的時(shí)限(|II麗蝌等.;ZhmgIJl'2tj2;Zhang,2003,25:張曉輝等.2(X)2;州建nlJ等2003;劉偉等,20(3;,1rng,!cHn:李忠等.20O3Yt20G4蜓供城等.2(x15I巫對(duì)也扦華北墁南一緣.燕山,膠東等型地R的構(gòu)造丹忻確定rlI擠恂世劃沖一是恂造的峰期:部眥移l箍地?zé)崂部畯?fù)結(jié)刮州華北爾部c,新生代巖石圈厚度的1墅化和熱體制的蹙轉(zhuǎn)換的時(shí)代;地分析描示了巾

20、代新HljIf華北東缸地iIi擠.僥ff刑到仲艟斷蝸n轉(zhuǎn)坐崩:衄垃火山峨發(fā).與伸I造有關(guān)的范崗贊的形成.掩通內(nèi)部科lj緣的金礦啦髓戰(zhàn)期,以致通世止【I巖_1拍F地殼包體研究等定rHf減薄和殼幔旨換的峰cqlIf研究結(jié)險(xiǎn)串致.即畢北東郫構(gòu)造悻捌轉(zhuǎn)折的峰jcl】fI寸起于I60I40Ma.站求】IIl1OOMa,峰值是l20Ma研究n一生代火IJI活動(dòng)鯫分研段cZha.gpfJ.21)220fl3)04,2005;劉建舊等.2(03:刊紅濤等.2003;汁文良蕁.20(14:障破等.2c:rI)2lcII80Mt,.1能垃'印_生Jl】造山州聯(lián)系n0火山動(dòng).規(guī)模;白lfnf越的少花崗封或陸

21、惺巖;(!】l60一】5OMa,失ilI縣有城寄質(zhì)有啦啦熔花j措Il;觀3j140lI【】Ma火j巖f-ll巖漿其仃般i式rr:.1特點(diǎn);某鍵巖類再冉殼幔泄烯的特;4)9575M",等l地性也l博的堿一武巖賞以卜黼2l3兩個(gè)階疑-#兒中生代柑造轉(zhuǎn)折和巖f薄f芙.第個(gè)階段似乎叫太碰模的卉fl斟戚搏已經(jīng)停l1.?蚋童武類求一輯流瞄此.#北糸巖石幽瓶薄垃一個(gè)K期連續(xù)過(guò)程鶯JL緣出現(xiàn)的與fl_lf撞后垮塌柯的局部堿薄町能發(fā)生尢約l80Va之前但從#北克拉征演化的地質(zhì)所史n度看仍鼠肯突發(fā)rI濺尊的特fIJI3巖石圈地幔的改造與破壞已敘受.產(chǎn)一IL克拉逋曾仔太r宙和兒卉宙地幔近截帆新1一代火山巖

22、中地卜地殼邑體的直接定畢和地表前寒武紀(jì)巖兩的研究進(jìn)一步實(shí)I華北確實(shí)存在過(guò)2715億年太宙和20I8億古己宙地幔.井【1覡遷圩綠仔荷巾生代地幔的交代有l(wèi)置換雖然強(qiáng),怛很可能是不均勻的或蔣菇式的郫建,199'):路喬等.200)刈T'地幔捕冉體的Re一【Lu-Hrn舊位素研飩戰(zhàn)果陸續(xù)發(fā)蠢f高llI等,2f)3.2fH;支饈I秦脅,2004.建平等.2(R4;是幅無(wú)等2003,I-O體系的特性l可¨冉澉地示蹤地幔部廿悄融事件以及巖亓圈地幔的生IF齡復(fù)型的金f】利iIi的地幔捕虜J豐獲群25汜年和28憶午的.齡,漢諾壩帕地性包悼技得的等時(shí)線年齡是I984)+/一ls】|【_成

23、分喪叫ReIls系統(tǒng)處T封閉牲甚.術(shù)受到批柄或柏樣剛衄f塒流地性柯同的tk同f蓑組l垃.f=且鞍老的地世成分示玄武巖qJ的麻粒巖l虜已被征實(shí)是下地殼包體瞇閩輝等.1998:樊棋誠(chéng)等.I998;叫目f¨樊棋賦.2002;邙建平等.2(KN-J江?的鋯再年齡生巾在220240Ma時(shí)仃約25憶和184憶年的年齡,以埂28憶Fn畢幽睪顯示Ill選+I837和Hf模式齡為25一16億年研究柱州華北大陟2528fLCf.主要的?!毛期.15一6f,年J閂地慢在祝諾坷地區(qū)莊l9億破.古蚋新L地l艘丹置換.源輯捕虜件的研究地表柏脅寒武紀(jì)地質(zhì)研究確定時(shí)蓖大掏造事件是一斂的(ZhaidLiu,2f)3.

24、2(304:翟明國(guó).2004)再后經(jīng)的災(zāi)崔式地幔改造和破壞刪主要發(fā)生在中生代1601IOMa時(shí)期瞄1512中生代玄武巖的地球化學(xué)特征暗示中生代時(shí)期華北東部殼下巖石囤地幔既不同于古生代的克拉通型巖石圈地幔亦不同于新生代大洋型巖石圈地幔(Zhangeta1.,2002).中生代時(shí)期華北巖石圈地幔至少經(jīng)歷過(guò)兩次大的變動(dòng):從古生代主量元素虧損同位素中等程度富集以方輝橄欖巖為主變?yōu)橹髁亢屯凰鹘詮?qiáng)烈富集,且HFSE強(qiáng)烈虧損的以橄欖巖+輝石巖,再于中生代晚期轉(zhuǎn)變?yōu)橹髁吭仫枬M同位素虧損的以二輝橄欖巖為主的巖石圈地幔(Zhangeta1.,2004).早侏羅一晚白堊大量且持續(xù)的中基一中酸性巖漿活動(dòng)說(shuō)明華北北

25、緣巖石圈減薄作用的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)問(wèn)較華北南緣的早,因?yàn)槿A北南緣大量的中基性火山活動(dòng)僅出現(xiàn)于白堊紀(jì),而且具軟流圈同位素特征的玄武巖出現(xiàn)在第三紀(jì)(Zhangeta1.,2003).華北中生代巖石圈地幔存在高度化學(xué)不均一性(Zhangeta1.,2004),魯中地區(qū)以弱富集地幔為主體;太行山地區(qū)為EM1型地幔(Sr/Sr,=0.70500.7066;8Ndfl1=一17一一10);魯南和膠東地區(qū)那么為類似EM2型地幔(St/Sr;可高達(dá)0.7114);華北北緣中生代巖石圈地幔相對(duì)復(fù)雜,既有富集型又有虧損型,顯示"混合"特征.華北中生代時(shí)期巖石圈地幔隨時(shí)間的演化特征也很明顯,即隨時(shí)間

26、演化越來(lái)越富集(Zhangeta1.,2005).同位素地球化學(xué)特征顯示華北中生代巖石圈曾受到過(guò)富硅熔體不同程度地改造,魯西南.膠東地區(qū)受影響程度高,而魯中和太行山地區(qū)受影響程度低.地幔表現(xiàn)出不均一性,其南,北緣都顯示出古生代造山帶俯沖的巖石圈板片對(duì)地幔成分改造的奉獻(xiàn)(Zhangeta1.,2003),華北克拉通內(nèi)部如太行山地區(qū)的地幔受到巖漿底侵與殼幔作用的影響,并與前寒武紀(jì)的地幔有繼承性(Zhai,2003).Zhang(2005)對(duì)方城玄武巖中的具有明顯環(huán)帶結(jié)構(gòu)的橄欖石捕虜晶的研究說(shuō)明它們是地幔橄欖巖的解體礦物,環(huán)帶結(jié)構(gòu)的輝石捕虜晶是地幔輝石巖的解體礦物,它們可能記錄了殼幔相互作用以及熔體

27、在巖石圈中運(yùn)移的直接證據(jù).玄武巖中的地幔復(fù)合捕虜體的中心是純橄巖,邊部為輝石巖,它們的礦物相變有來(lái)自于陸殼物質(zhì)的熔體參加,這是華北南緣古生代富鎂橄欖巖轉(zhuǎn)變?yōu)橥戆讏准o(jì)富鐵橄欖巖和輝石巖的原因,可能對(duì)中生代巖石圈地幔的改造具有普遍意義.2下地殼置換與減薄的依據(jù)華北克拉通的下地殼和其它典型的克拉通有所差異,中生代巖石圈大規(guī)模減薄及其強(qiáng)烈的地幔改造和殼幔作用,致使巖石圈地幔和下地殼大部或全部被改造和置換,成為無(wú)古老"底"的克拉通(翟明國(guó),樊祺誠(chéng),2002;Kuskyeta1.,2005).置換作用尚沒(méi)有一個(gè)明確可以對(duì)直的英文名詞.本文提出的下地殼置換作用(replacement),

28、主要是指在隆升地幔的影響下,巖漿和流體對(duì)下地殼的破壞(disruption),交代(metasomatism)和改造(reform),導(dǎo)致原有下地殼的成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生了局部甚至全部改變和替代.ActaPetrologlcaSinica巖石2005,21(6)下地殼的麻粒巖捕虜體已經(jīng)陸續(xù)從華北克拉通不同地區(qū)的中,新生代玄武巖中發(fā)現(xiàn),同時(shí),晉冀蒙交界地區(qū)的早前寒武紀(jì)麻粒巖和下地殼剖面的研究也取得進(jìn)展,它們與漢諾壩玄武巖是近鄰,玄武巖的圍巖就是前寒武紀(jì)麻粒巖地體,這為詳細(xì)比照和研究提供了極好的天然實(shí)驗(yàn)室.此外.具有中生代與埃達(dá)克巖類似化學(xué)成分的高鍶花崗巖和火山巖的研究也為理解在華北東部的下地殼過(guò)程及其

29、在巖石圈減薄中的作用提供了依據(jù).2.1華北克拉通的前寒武紀(jì)下地殼傳統(tǒng)上地殼被視為雙層結(jié)構(gòu)(上部的花崗巖層和下部的玄武巖層)或上,中,下三層地殼結(jié)構(gòu).下地殼(2(】25km以下)是由麻粒巖相巖石組成的,成分包括了輝長(zhǎng)巖以及大量的包括奧長(zhǎng)花崗巖在內(nèi)的石英閃長(zhǎng)質(zhì)巖石(BohlenandMezger,1989).錢(qián)祥麟等(1985),趙宗溥等(1993)和沈其韓等(1993)提出華北克拉通北緣的麻粒巖是不均勻抬升過(guò)程中掀翻的下地殼.已經(jīng)有一批作者從地球物理和地球化學(xué)角度討論了華北下地殼的結(jié)構(gòu)(馬杏垣,1989,Maeta1.,1991;Gaoeta1.,1998a,1998b).大多數(shù)意見(jiàn)認(rèn)為華北克拉

30、通的下地殼成分可能是鎂鐵質(zhì)的,而不是更為演化的偏中性的成分(Kerneta1.,1996).由于在1992年以前華北克拉通所確定的麻粒巖大多數(shù)是中壓麻粒巖,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)代表最下部地殼的基性高壓麻粒巖地體,因此一直未能建立較為完整的下地殼剖面.我國(guó)最早的基性高壓麻粒巖地體發(fā)現(xiàn)于華北克拉通北緣西段的冀北蔓菁溝(翟明國(guó)等,1992;郭敬輝等,1993),后來(lái)發(fā)現(xiàn)它們可以陸續(xù)延伸到承德,建平,甚至膠東的萊西(李江海等,1998;劉文軍等,1998),在恒山白馬石還發(fā)現(xiàn)了退變的榴輝巖(翟明國(guó)等,1995).基性高壓麻粒巖和退變榴輝巖以具有石榴石的冠狀后生合晶結(jié)構(gòu)為巖相學(xué)標(biāo)志,其礦物組合為中壓麻粒巖相,而后又

31、受到角閃巖相退變質(zhì).高壓基性麻粒巖在晉冀內(nèi)蒙交界地區(qū)的懷安一豐鎮(zhèn)一尚義一帶與其它早前寒武紀(jì)變質(zhì)巖構(gòu)成變質(zhì)程度遞減,由高壓基性麻粒巖,中一低壓麻粒巖到角閃巖相的連續(xù)出露的變質(zhì)巖系.它們的古變質(zhì)壓力分別由一1.4GPa(50km)變化到0.5GPa(15km);它們的巖石組成有從變輝長(zhǎng)巖,中酸性正片麻巖到表殼巖的變化.它們的礦物組成由耐火的不含水的組合變?yōu)楦缓颇负徒情W石的組合;地球化學(xué)性質(zhì)也表現(xiàn)出從貧si和Al,輕度虧損生熱元素到具富集的連續(xù)變化;流體包裹體在輕度虧損生熱元素的麻粒巖中均為cO.流體,而在麻粒巖相的表殼巖和角閃巖系中,H0流體逐漸增加.中國(guó)典型的掀翻到地表的下地殼剖面在晉冀內(nèi)蒙交

32、界地區(qū),由懷安的蔓菁溝經(jīng)瓦窯口,米市口,小壩子,到尚義的黃土窯,與其它克拉通剖面有很好的可比性(翟明國(guó)等,1996;Zhaiete1.,2001),同時(shí)和國(guó)外典型的克拉通下地殼相比更為完整,有高壓基性麻粒巖代表的最下部地殼層(Percival,1988;Perciva1.eta1.1992:Fountmn,1990;RudnickandFountn.1995).翟明國(guó)等:華北東部巖石圈減薄中的下地殼過(guò)程:巖漿底侵,置換與拆沉作用2.2古,中,新生代火山巖中的下地殼捕虜體火山巖中的下地殼捕虜體的研究已有一批資料陸續(xù)發(fā)表,它們主要是漢諾壩,女山新生代玄武巖,信陽(yáng)中生代玄武巖以及復(fù)縣古生代的金伯利巖

33、中的麻粒巖捕虜體(周新民等,1992;樊祺誠(chéng)和劉假設(shè)新,1996;樊祺誠(chéng)等,1998;張國(guó)輝等,1998;陳紹海等,1998;黃小龍等,2001;Zhengeta1.,2003,2004;Yueta1.,2003;Huangeta1.,2004;Ifiueta1.,2004;鄭建平,2005),信陽(yáng)個(gè)別的捕虜體(Zhengeta1.,2003)和漢諾壩的石榴輝石巖捕虜體(樊祺誠(chéng)2001)被認(rèn)為是榴輝巖相的巖石,而麻粒巖捕虜體以鎂鐵質(zhì)麻粒巖為主,也有少量的英云閃長(zhǎng)質(zhì)的中酸性麻粒巖.許文良等(2004)和Xueta1.(2002)報(bào)道在徐淮地區(qū)的中生代侵入巖中有榴輝巖捕虜體,并根據(jù)同位素年齡和巖石

34、學(xué)研究認(rèn)定是華北克拉通的前寒武紀(jì)巖石在華北和揚(yáng)子兩個(gè)陸塊的碰撞中經(jīng)受了高壓一超高壓變質(zhì),因此與火山巖中的下地殼捕虜體具有不同的地質(zhì)意義.捕虜體麻粒巖的巖石學(xué)及地球化學(xué)下地殼麻粒巖捕虜體以鎂鐵質(zhì)麻粒巖為主,也有少量的英云閃長(zhǎng)質(zhì)的中酸性麻粒巖.巖石多具有明顯的條帶狀構(gòu)造,包括變形條帶和礦物分帶.鎂鐵質(zhì)麻粒巖有含石榴子石的二輝麻粒巖和不含石榴子石的二輝麻粒巖.鎂鐵質(zhì)麻粒巖的礦物組成及其百分含量變化很大,主要巖石類型以二輝麻粒巖為主,還有單斜輝石麻粒巖和紫蘇輝石麻粒巖,以及少量的含斜長(zhǎng)石石榴輝石麻粒巖.漢諾壩的捕虜體二輝麻粒巖由單斜輝石(Cpx)+紫蘇輝石(Opx)+斜長(zhǎng)石(Pig)組成.巖石具變晶結(jié)

35、構(gòu),三連點(diǎn)發(fā)育.斜長(zhǎng)石多聚集成條帶.但局部仍可見(jiàn)到變余的輝長(zhǎng)結(jié)構(gòu),說(shuō)明其原巖為輝長(zhǎng)巖.紫蘇輝石麻粒巖中不含或少含單斜輝石,并且含少量的石英.斜方斜方輝石與前寒武紀(jì)高壓麻粒巖相比更富MgO和貧FeO.同樣,單斜輝石也較富MgO和貧FeO,且A1,O,A1和Na20也較高.石榴石以鐵鋁榴石為主,不同于巖漿底侵到上地幔頂部的具有榴輝巖相變質(zhì)特征的石榴輝石巖捕虜體(石榴石的Pyr)樊祺誠(chéng)等,2001.捕虜體麻粒巖的全巖主量和微量元素含量與前寒武紀(jì)高壓麻粒巖沒(méi)有明顯的差異,都有REE略富集的特點(diǎn),只是SiO,略低(47%49%).捕虜體麻粒巖的石榴石不具冠狀后生合晶,有的樣品表現(xiàn)出淬火結(jié)構(gòu),顯然不是多期

36、變質(zhì)的結(jié)果而是隨熔漿噴出的印記,與前寒武紀(jì)高壓麻粒巖石榴石的冠狀降壓退變結(jié)構(gòu)不同(翟明國(guó)等,1992;郭敬輝等,1993;Zhaiet.z.,2001).礦物溫度計(jì)計(jì)算的變質(zhì)溫度是9001000C,比前寒武紀(jì)高壓麻粒巖高100150,屬高溫麻粒巖,壓力約1.01.3Gpa,與前寒武紀(jì)高壓麻粒巖相似,大約相當(dāng)于3345km的深度.Zhaieta1.(2001)和黃小龍等(2001)對(duì)漢諾壩的捕虜體鎂鐵質(zhì)麻粒巖和附近的蔓菁溝,西望山的前寒武紀(jì)鎂鐵質(zhì)麻粒巖進(jìn)行了詳細(xì)的地球化學(xué)的分析和比照,發(fā)現(xiàn)二者存在明顯的差異(圖2).蔓菁溝,西望山的前寒武紀(jì)基1513前寒武紀(jì)麻粒巖(1)下地殼基性麻粒巖捕虜體(I

37、')LaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLu圖2下地殼基性麻粒巖捕虜體與前寒武紀(jì)基性麻粒巖的REE球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分圖Fig.2ChondritenormalizedREEplotsofPreeambrianandbasicgranulitexenoliths性麻粒巖的稀土配分模式大致兩類,一類是輕稀土略富集的(I),一類是輕重稀土沒(méi)有明顯分異的(II),大致相當(dāng)于太古宙常見(jiàn)的TH1和TH2型基性巖石(Condie,1976;1981).捕虜體麻粒巖也可以分為兩類,一類是經(jīng)過(guò)了強(qiáng)烈改造的前寒武紀(jì)麻粒巖(I'),與蔓菁溝,西望山的前寒武紀(jì)基性麻粒巖中輕稀土富集型的

38、特征根本相似,表現(xiàn)出耐熔元素的繼承型;另一類是新生的變質(zhì)的輝長(zhǎng)巖('),它們與前寒武紀(jì)富集和虧損輕稀土的基性麻粒巖都不同,后者占多數(shù).儲(chǔ)雪蕾等(2001)對(duì)漢諾壩的變質(zhì)的輝長(zhǎng)巖進(jìn)行了鉑族元素(PGE)的分析,證實(shí)麻粒巖與寄主的玄武巖PGE分布特征相似(圖3),特別是它們的Pd/Os(5.05.1)和Pd/Ru(2.83.0)比值與玄武巖(5.05.4;2.02.1)十分接近,遠(yuǎn)高于地幔橄欖巖的比值(0.30.6;0.40.5),支持這些基性麻粒巖的形成與巖漿的底侵作用有關(guān).對(duì)這些捕虜體系統(tǒng)的sT,Nd和Pb同位素的研究說(shuō)明(張國(guó)輝等,1998;陳紹海等,1998),它們是在較近期(中生

39、代以來(lái))形成的.低的Rb/Sr比值與高的St/Sr的解耦說(shuō)明捕虜體的形成經(jīng)歷了復(fù)雜的歷史和較強(qiáng)的混合作用,是混合作用的產(chǎn)物,混合端元組成及混合作用機(jī)制都較復(fù)雜.捕虜體麻粒巖的年代學(xué)年代學(xué)研究的結(jié)果與巖石學(xué)和地球化學(xué)一致.漢諾壩不同捕虜體麻粒巖的鋯石UPb同位素稀釋法年齡測(cè)定的結(jié)果是140.2+/一0.5Ma,120.9+/0.6Ma和124.2+/一0.5Ma之間(樊祺誠(chéng)等,1998).該年齡被解釋為在侏羅紀(jì)晚期,華北幔源巖漿底侵作用開(kāi)始,開(kāi)始發(fā)生殼幔混合與麻粒巖相變質(zhì)作用,而大規(guī)模的底侵事件發(fā)生于白堊紀(jì)早期,輝長(zhǎng)質(zhì)巖漿直接侵位于下地殼形成不同的堆晶巖,并經(jīng)麻粒巖相變質(zhì),形成麻粒巖下地殼.如果

40、考慮到同位素的復(fù)雜混合特征,其形成過(guò)程可能更為復(fù)雜,包括了原有的基性下地殼的重熔,改造和混合.最近鄭建平(2OO5)利用激光剝蝕技OO5K隧一柱l5l4醬j圖3漢諾壩地幔橄欖巖,基性麻粒巖與玄武巖的PGE球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分圖(據(jù)儲(chǔ)雪蕾等,2001)Fig.3ChondritenormalizedREEplotsofbasalt,mantleperidotiteandgranulitexenolithfromHannuoba(afterChueta1.2001)術(shù)系統(tǒng)分析了漢諾壩,復(fù)縣和信陽(yáng)的下地殼捕虜體麻粒巖的鋯石UPb年齡.結(jié)果說(shuō)明,不同成分的麻粒巖都記錄了27002500Ma和190018

41、00Ma的年代學(xué)記錄,與華北克拉通前寒武紀(jì)變質(zhì)巖所記錄的兩次最重大的地質(zhì)事件一致(ZhaiandLiu,2004;Zhaoeta1.,2004).同時(shí)還記錄有更古老的年齡信息以及中生代巖漿活動(dòng)與改造的信息.結(jié)合Hf同位素研究,說(shuō)明了下地殼麻粒巖捕虜體的鋯石記錄了多期的下地殼再造和巖漿過(guò)程,反映了華北克拉通的構(gòu)造演化歷史和中生代改造的歷史.而漢諾壩的晚中生代鎂鐵質(zhì)麻粒巖相巖石最發(fā)育,是研究這一時(shí)期底侵作用和殼一幔交換作用最理想的地區(qū)(翟明國(guó),樊祺誠(chéng),2001;Wildeeta1.,2003;樊祺誠(chéng)等,2005;鄭建平,2005).2.3石榴輝石巖捕虜體與殼一幔過(guò)渡帶筆者等(Zhaieta1.,2

42、001;翟明國(guó)和樊祺誠(chéng),2001;樊祺誠(chéng)等,2005)提出中生代以來(lái)的下地殼分為三層:上部下地殼主要由長(zhǎng)英質(zhì)麻粒巖,下部下地殼主要由輝長(zhǎng)質(zhì)麻粒巖相堆晶巖(斜長(zhǎng)二輝巖為主)組成;殼幔過(guò)渡帶主要由鎂鐵質(zhì)一超鎂鐵質(zhì)榴輝巖相石榴輝石巖,輝石巖和尖晶石二輝橄欖巖等組成.經(jīng)歷了漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史演化的前寒武紀(jì)基性麻粒巖已無(wú)法代表現(xiàn)今下地殼,但它們?nèi)杂涗浟嗽缙谙碌貧ば畔?殼幔邊界巖石現(xiàn)今殼幔邊界巖石主要由巖漿底侵成因的鎂鐵質(zhì)麻粒巖相,榴輝巖相巖石和火成輝石巖,橄欖巖組成.底侵成因的麻粒巖相,榴輝巖相巖石具典型層狀堆晶結(jié)構(gòu).麻粒巖相巖石為含斜長(zhǎng)石礦物組合:P1+Cpx±Opx-4-Qtz±Gt,

43、巖石類ActaPetrologicaSinica巖石2005,21(6)型以斜長(zhǎng)二輝巖為主(>80%),少量含石榴石的斜長(zhǎng)石榴輝石巖,以及蘇長(zhǎng)質(zhì),長(zhǎng)英質(zhì)麻粒巖相巖石;榴輝巖相巖石為不含斜長(zhǎng)石礦物組合(Gt+Cpx±Opx),最常見(jiàn)巖石類型為石榴石+單斜輝石組合的石榴輝石巖.漢諾壩玄武巖中的石榴輝石巖,同種礦物石榴石或單斜輝石在粒度上逐漸過(guò)渡,大多數(shù)礦物品面為彎曲的接觸面,并有受應(yīng)力影響導(dǎo)致的顆粒壓扁拉長(zhǎng)和定向排列現(xiàn)象.石榴石粒徑變化最大(1mm一8mm),已完全蝕變,個(gè)別石榴石包裹有細(xì)粒渾圓狀單斜輝石.單斜輝石新鮮,黑色或褐黑色,區(qū)別于橄欖巖中翠綠色鉻透輝石.其層狀堆晶構(gòu)造和粒狀變晶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也明顯區(qū)別于漢諾壩從同源玄武質(zhì)巖漿高壓結(jié)晶,具火成結(jié)構(gòu)的包括石榴石輝石巖在內(nèi)的輝石巖類,代表了特定的由幔源巖漿底侵于上地幔頂部形成的堆晶巖.根據(jù)其產(chǎn)狀和成因礦物學(xué)特征,無(wú)疑是侵位于上地幔.與其一道產(chǎn)出的下地殼麻粒巖相斜長(zhǎng)二輝巖的TP條件為>900%和1.01.2GPa,相當(dāng)于3340km深度(樊祺誠(chéng)等,2001),而巖漿底