华北克拉通破坏
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华北克拉通破坏的过程与机制
－中生代高镁闪长岩及深源包体证据
报告提纲
问题的提出 研究区的地质概况
中生代早期陆壳加厚过程的确定
拆沉陆壳熔融熔体对岩石圈地幔的改造
华北克拉通东部中生代构造演化模型
一、问题的提出
稳定的大陆克拉通是如何被破坏或改造的？
• 古生代金伯利岩和
地幔包体 —岩石圈厚度 约 200Km
• 新生代玄武岩和 地幔包体 —岩石圈厚度 约 60-80Km
范蔚茗 和 Menzies, 1992
中国东部克拉通岩石圈时空变化模型
Menzies, Fan, and Zhang, 1993
冷的、厚的 克拉通岩石圈
热-构造 活化
热的、薄的 ‘大洋型’岩石圈
岩石圈拆沉模型（Deng et al., 2003,2007)
• 交代熔体的性质
岩相学证据 Mg2SiO4+SiO2—Mg2Si2O6
Olivine + SiO2 — Opx
Cr-Spinel —— Chromite (- Al2O3) Am Phl —— 含水富硅质的熔体
From Gao et al.,2008-EPSL
费县玄武岩中反环带单斜辉石
From Gao et al.,2008-EPSL
C
Feixian basalt
CaO<0.10 wt%
D
CaO0.10 wt%
E
84 86 88 90 92 94 96
Fo
橄榄岩类捕虏体的矿物成分－Mg#
橄榄岩类捕 虏体中尖晶 石族矿物成 分－Cr#
方辉橄榄岩 —Cr-Spinel 纯橄岩 —Chromite
橄 榄 岩 的 Re-Os 同 位 素
华北克拉通破坏的机制：
• 拆沉作用
• 热-化学侵蚀作用
Enkin et al., 1992; Zhao et al., 1996
185-225Ma
110-130Ma
百度文库
华北克拉通东部中生代岩石圈的演化模型
华南造山带 110
O
0
400 km
115 O
120
O
125
O
徐淮榴辉岩类包体
中生代埃达克质火山岩
中生代埃达克质侵入岩
三、中生代早期陆壳加厚过程的确立
— 高镁闪长岩的年代学格架
Age
具有adakitic岩石的地球化学属性
SiO2=54-67%; Mg#=0.49-70; Na2O/K2O=1.4-2.7
华北克拉通演化的动力学模型（Zhang et al., 2003)
华北克拉通中、新生代岩石圈减薄与地幔置换模型
（Zheng et al., 2007)
华北克拉通破坏－争论的焦点
时间：三叠纪、晚侏罗世－早白垩世、晚白垩世－
新生代、中生代和新生代两次减薄？
空间： 东部带、东部带和中部带、还是整个中国东部？ 机制：拆沉作用、热－化学侵蚀、置换作用、熔体－橄榄 岩的反应、俯冲脱水？ 动力学背景： 扬子与华北的俯冲碰撞、洋壳的俯冲、地
高镁闪长岩Pb同位素的组成及空间变化
认识：
榴辉岩相变质的时间－陆壳加厚的时 间：220Ma左右 榴辉岩类捕虏体的构造归属 华北克拉通基底 扬子克拉通基底 动因：扬子与华北克拉通俯冲碰撞
问题：能否拆沉？
拆沉作用：岩 石物理性质
Density vs Vp
Peridotite Eclogite
Mafic granulite
太行山
鲁西：橄榄 岩包体Re的 亏损模式年 龄: 2.6~2.68 Ga 太行山：Re 的亏损模式 年龄: 2.1~2.4 Ga、 2.7 Ga
鲁西中生代高镁闪长岩——橄榄岩 类捕虏体的发现：认识 橄榄岩捕虏体的地幔成因
• 丰富的交代现象－Opx、Cpx、
Am、Phl
• Sp－Chr的转变 问题：交代熔体的性质？
幔柱的作用？
出现上述争论的主要原因： 缺乏关键证据
热－化学侵蚀作用
(after Xu Y.G.,2001)
拆沉作用
(Gao et al., 1998, 2001)
判定的关键性证据： 岩石圈地幔中是否存在长英质熔体？
Depth (Km)
二、研究区的地质概况
－中生代高镁闪长岩中榴辉岩和橄榄岩类包体
Peifeng Xu et al. (2005, with permission)
四、拆沉陆壳熔融熔体对岩石圈地幔的改造
鲁西中生代高镁闪长岩和橄榄岩类捕虏体证据
• Sp-方 辉橄榄岩
• Chr-纯 橄岩
• Chr-易 剥橄榄岩
鲁西橄榄岩类捕虏体的岩相学特征
地幔富硅质交代作用---岩相学证据---net Opx.
110 45
O O
115
O
120
O
125 O
Shuangliao
东部块体 朝鲜
40
O
40
O
Beijing
?
Seoul
鲁西
西部块体
南太行
?
35
O
35
O
Xi'an
中部带
徐淮
JEJU ISLAND
橄榄岩类包体
Qingling
Nanjing
Shanghai
30
O
123 ，，
Wuhan
30
O
扬子克拉通
123 ，，
绿辉石：
Jd:20-29%
Grt
Sp
Cpx中出溶Q
Sp转变成Grt
Sp
Cp
Grt中出溶 Ru和Ap
Cpx中出溶 Grt和Zo
榴辉岩相变质作用的P-T条件：T=760-1060º C； P 1.50Gpa
榴辉岩，埃达克质岩石和太古代变玄武岩 （斜长角闪岩）成分比较
认识：
1. 早白垩世Adakitic岩石的确定
2. 榴辉岩类捕虏体的发现 P>1.5GPa 3. 石榴石残留晶的存在
意味着陆壳加厚过程的存在!
加厚的时间问题？
榴辉岩类捕虏体的构造归属问题？
• 徐淮地区榴辉岩类捕虏体－榴辉岩相变质作用的时间
50 m
36.1
265±49Ma
36.2
22 6±62Ma
Xu et al.,2006
• 徐淮地区榴辉岩类捕虏体的构造归属
具有adakitic岩石的地球化学属性
鲁西高镁闪长岩Sr-Nd同位素组成及空间变化
EMII EMI
榴辉岩和石榴辉石岩捕虏体的发现
岩石学
Grt+Omph+Q+Ru+/-Amph
高Mg闪长岩中的Grt 残留晶 ex- Rutile in Grt
榴辉岩的确定： B1-10 B1-9 LG-4 JG2-2
Opx metasomatic vein
Opx
Cr· 2O3
Chr
6
7
8
9
10
11
Net Opx metasomatism
地幔富硅质交代作用---岩相学、矿物化学证据.
T7-21
Ol Am Chr Am Opx
LW8-44
Cpx
TRD=2.6-2.8Ga
尖晶石方辉橄榄岩中的交代现象
Cr#=58
石榴辉石岩中的新
元古代锆石－扬子
克拉通基底物质
2500Ma、1800Ma －华北克拉通基底
物质
榴辉岩类捕虏体锆石U-Pb定年结果
徐淮地区 榴辉岩类 捕虏体的 Pb同位素 组成
费县玄武岩
方城（Zhang et al.,2002)
高镁闪长岩Pb同位素的组成及空间变化
费县玄武岩
方城（Zhang et al.,2002)
问题：交代的时间？
• 鲁西地区橄榄岩类捕虏体中交代作用的时间
纯橄岩
LW8-42
261±9Ma
LW8-42
149±5Ma
456±15Ma
30μm
30μm
LW8-42 纯橄岩中锆石的CL图像
华北克拉通破坏的过程：
• 中生代早期陆壳加厚过程—克拉通破坏的主要开始期 • 早白垩世—拆沉陆壳物质熔融的熔体对岩石圈地幔的改造期 • 晚白垩世—岩石圈地幔的增生期
Chr
Cr#=40
Sp
鲁西橄榄岩类捕虏体的岩相学特征
LW10-1
Ol
LW10-2
Am Ol 300mm 100mm Chr Cpx
纯橄岩中的交代现象与矿物出溶
鲁西橄榄岩捕虏体中橄榄石的CaO含量
Archaean xenolith
A
Cenozoic xenolith
B
Laiwu xenolith
反环带单斜辉石核部形成压力的估算结果
橄榄岩捕虏体中原生和交代成因Cpx的REE型式
鲁西橄榄岩捕虏体中Opx的REE配分型式
橄榄岩类捕 虏体中角闪 石矿物成分
S-Am-起源 于俯冲带物 质交代成因 I-Am-陆内软 流圈物质交 代成因
橄榄岩类捕 虏体中角闪 石矿物成分 S-Am-起源 于俯冲带物 质交代成因 I-Am-陆内软 流圈物质交 代成因
鲁西橄榄岩捕虏体的REE配分型式
鲁西橄榄岩捕虏体的痕量元素蛛网图
鲁西橄榄岩捕虏体的Sr-Nd同位素组成
鲁西高镁闪长岩中太古代继承锆石
鲁西橄榄岩捕虏体的Re-Os同位素组成
鲁西橄榄岩捕虏体与徐淮榴辉岩捕虏体的 Re-Os同位素组成
认识：
Cpx反环带 橄榄岩包体的Sr-Nd、Re-Os同位素组成 交代成因角闪石的存在 —证明软流圈中存在有拆沉的陆壳物质 交代熔体为榴辉岩类岩石部分熔融的熔体
－中生代高镁闪长岩及深源包体证据
报告提纲
问题的提出 研究区的地质概况
中生代早期陆壳加厚过程的确定
拆沉陆壳熔融熔体对岩石圈地幔的改造
华北克拉通东部中生代构造演化模型
一、问题的提出
稳定的大陆克拉通是如何被破坏或改造的？
• 古生代金伯利岩和
地幔包体 —岩石圈厚度 约 200Km
• 新生代玄武岩和 地幔包体 —岩石圈厚度 约 60-80Km
范蔚茗 和 Menzies, 1992
中国东部克拉通岩石圈时空变化模型
Menzies, Fan, and Zhang, 1993
冷的、厚的 克拉通岩石圈
热-构造 活化
热的、薄的 ‘大洋型’岩石圈
岩石圈拆沉模型（Deng et al., 2003,2007)
• 交代熔体的性质
岩相学证据 Mg2SiO4+SiO2—Mg2Si2O6
Olivine + SiO2 — Opx
Cr-Spinel —— Chromite (- Al2O3) Am Phl —— 含水富硅质的熔体
From Gao et al.,2008-EPSL
费县玄武岩中反环带单斜辉石
From Gao et al.,2008-EPSL
C
Feixian basalt
CaO<0.10 wt%
D
CaO0.10 wt%
E
84 86 88 90 92 94 96
Fo
橄榄岩类捕虏体的矿物成分－Mg#
橄榄岩类捕 虏体中尖晶 石族矿物成 分－Cr#
方辉橄榄岩 —Cr-Spinel 纯橄岩 —Chromite
橄 榄 岩 的 Re-Os 同 位 素
华北克拉通破坏的机制：
• 拆沉作用
• 热-化学侵蚀作用
Enkin et al., 1992; Zhao et al., 1996
185-225Ma
110-130Ma
百度文库
华北克拉通东部中生代岩石圈的演化模型
华南造山带 110
O
0
400 km
115 O
120
O
125
O
徐淮榴辉岩类包体
中生代埃达克质火山岩
中生代埃达克质侵入岩
三、中生代早期陆壳加厚过程的确立
— 高镁闪长岩的年代学格架
Age
具有adakitic岩石的地球化学属性
SiO2=54-67%; Mg#=0.49-70; Na2O/K2O=1.4-2.7
华北克拉通演化的动力学模型（Zhang et al., 2003)
华北克拉通中、新生代岩石圈减薄与地幔置换模型
（Zheng et al., 2007)
华北克拉通破坏－争论的焦点
时间：三叠纪、晚侏罗世－早白垩世、晚白垩世－
新生代、中生代和新生代两次减薄？
空间： 东部带、东部带和中部带、还是整个中国东部？ 机制：拆沉作用、热－化学侵蚀、置换作用、熔体－橄榄 岩的反应、俯冲脱水？ 动力学背景： 扬子与华北的俯冲碰撞、洋壳的俯冲、地
高镁闪长岩Pb同位素的组成及空间变化
认识：
榴辉岩相变质的时间－陆壳加厚的时 间：220Ma左右 榴辉岩类捕虏体的构造归属 华北克拉通基底 扬子克拉通基底 动因：扬子与华北克拉通俯冲碰撞
问题：能否拆沉？
拆沉作用：岩 石物理性质
Density vs Vp
Peridotite Eclogite
Mafic granulite
太行山
鲁西：橄榄 岩包体Re的 亏损模式年 龄: 2.6~2.68 Ga 太行山：Re 的亏损模式 年龄: 2.1~2.4 Ga、 2.7 Ga
鲁西中生代高镁闪长岩——橄榄岩 类捕虏体的发现：认识 橄榄岩捕虏体的地幔成因
• 丰富的交代现象－Opx、Cpx、
Am、Phl
• Sp－Chr的转变 问题：交代熔体的性质？
幔柱的作用？
出现上述争论的主要原因： 缺乏关键证据
热－化学侵蚀作用
(after Xu Y.G.,2001)
拆沉作用
(Gao et al., 1998, 2001)
判定的关键性证据： 岩石圈地幔中是否存在长英质熔体？
Depth (Km)
二、研究区的地质概况
－中生代高镁闪长岩中榴辉岩和橄榄岩类包体
Peifeng Xu et al. (2005, with permission)
四、拆沉陆壳熔融熔体对岩石圈地幔的改造
鲁西中生代高镁闪长岩和橄榄岩类捕虏体证据
• Sp-方 辉橄榄岩
• Chr-纯 橄岩
• Chr-易 剥橄榄岩
鲁西橄榄岩类捕虏体的岩相学特征
地幔富硅质交代作用---岩相学证据---net Opx.
110 45
O O
115
O
120
O
125 O
Shuangliao
东部块体 朝鲜
40
O
40
O
Beijing
?
Seoul
鲁西
西部块体
南太行
?
35
O
35
O
Xi'an
中部带
徐淮
JEJU ISLAND
橄榄岩类包体
Qingling
Nanjing
Shanghai
30
O
123 ，，
Wuhan
30
O
扬子克拉通
123 ，，
绿辉石：
Jd:20-29%
Grt
Sp
Cpx中出溶Q
Sp转变成Grt
Sp
Cp
Grt中出溶 Ru和Ap
Cpx中出溶 Grt和Zo
榴辉岩相变质作用的P-T条件：T=760-1060º C； P 1.50Gpa
榴辉岩，埃达克质岩石和太古代变玄武岩 （斜长角闪岩）成分比较
认识：
1. 早白垩世Adakitic岩石的确定
2. 榴辉岩类捕虏体的发现 P>1.5GPa 3. 石榴石残留晶的存在
意味着陆壳加厚过程的存在!
加厚的时间问题？
榴辉岩类捕虏体的构造归属问题？
• 徐淮地区榴辉岩类捕虏体－榴辉岩相变质作用的时间
50 m
36.1
265±49Ma
36.2
22 6±62Ma
Xu et al.,2006
• 徐淮地区榴辉岩类捕虏体的构造归属
具有adakitic岩石的地球化学属性
鲁西高镁闪长岩Sr-Nd同位素组成及空间变化
EMII EMI
榴辉岩和石榴辉石岩捕虏体的发现
岩石学
Grt+Omph+Q+Ru+/-Amph
高Mg闪长岩中的Grt 残留晶 ex- Rutile in Grt
榴辉岩的确定： B1-10 B1-9 LG-4 JG2-2
Opx metasomatic vein
Opx
Cr· 2O3
Chr
6
7
8
9
10
11
Net Opx metasomatism
地幔富硅质交代作用---岩相学、矿物化学证据.
T7-21
Ol Am Chr Am Opx
LW8-44
Cpx
TRD=2.6-2.8Ga
尖晶石方辉橄榄岩中的交代现象
Cr#=58
石榴辉石岩中的新
元古代锆石－扬子
克拉通基底物质
2500Ma、1800Ma －华北克拉通基底
物质
榴辉岩类捕虏体锆石U-Pb定年结果
徐淮地区 榴辉岩类 捕虏体的 Pb同位素 组成
费县玄武岩
方城（Zhang et al.,2002)
高镁闪长岩Pb同位素的组成及空间变化
费县玄武岩
方城（Zhang et al.,2002)
问题：交代的时间？
• 鲁西地区橄榄岩类捕虏体中交代作用的时间
纯橄岩
LW8-42
261±9Ma
LW8-42
149±5Ma
456±15Ma
30μm
30μm
LW8-42 纯橄岩中锆石的CL图像
华北克拉通破坏的过程：
• 中生代早期陆壳加厚过程—克拉通破坏的主要开始期 • 早白垩世—拆沉陆壳物质熔融的熔体对岩石圈地幔的改造期 • 晚白垩世—岩石圈地幔的增生期
Chr
Cr#=40
Sp
鲁西橄榄岩类捕虏体的岩相学特征
LW10-1
Ol
LW10-2
Am Ol 300mm 100mm Chr Cpx
纯橄岩中的交代现象与矿物出溶
鲁西橄榄岩捕虏体中橄榄石的CaO含量
Archaean xenolith
A
Cenozoic xenolith
B
Laiwu xenolith
反环带单斜辉石核部形成压力的估算结果
橄榄岩捕虏体中原生和交代成因Cpx的REE型式
鲁西橄榄岩捕虏体中Opx的REE配分型式
橄榄岩类捕 虏体中角闪 石矿物成分
S-Am-起源 于俯冲带物 质交代成因 I-Am-陆内软 流圈物质交 代成因
橄榄岩类捕 虏体中角闪 石矿物成分 S-Am-起源 于俯冲带物 质交代成因 I-Am-陆内软 流圈物质交 代成因
鲁西橄榄岩捕虏体的REE配分型式
鲁西橄榄岩捕虏体的痕量元素蛛网图
鲁西橄榄岩捕虏体的Sr-Nd同位素组成
鲁西高镁闪长岩中太古代继承锆石
鲁西橄榄岩捕虏体的Re-Os同位素组成
鲁西橄榄岩捕虏体与徐淮榴辉岩捕虏体的 Re-Os同位素组成
认识：
Cpx反环带 橄榄岩包体的Sr-Nd、Re-Os同位素组成 交代成因角闪石的存在 —证明软流圈中存在有拆沉的陆壳物质 交代熔体为榴辉岩类岩石部分熔融的熔体