二叠纪地幔柱构造与地表系统演变

项目名称：二叠纪地幔柱构造与地表系统演变

首席科学家：徐义刚中国科学院广州地球化学研究

所

起止年限：2011.1至2015.8

依托部门：中国科学院

二、预期目标

本项目的总体目标：

通过对二叠纪大规模岩浆作用、环境记录和生物演化的研究，揭示地球深部过程、重大地质事件与地表环境和生命演变之间的内在联系，提出地幔柱和地表系统之间相互作用的理论体系,为地球系统科学研究的提供范例。

五年预期目标:

1、通过扬子地块西缘和塔里木地块及其周边火山喷发前后地层和岩相古地理对比，石炭-

二叠纪重大地质事件的年代学、几何学和运动学研究，为该区大规模岩浆作用的地质-构造背景提供制约；

2、揭示二叠纪大规模岩浆作用的时空分布特征和深部动力学，对塔里木二叠纪玄武岩是否

是我国另一个大火山岩省给予明确的答案；

3、通过扬子地块西缘被动源远震观测及层析成象分析工作，查明研究区的深部结构和地幔

柱活动遗迹，揭示深部结构与溢流玄武岩空间展布之间的关系；

4、完成攀西裂谷带人工源地震观测，获得横穿地幔柱活动区的地壳精细结构，计算岩浆产

出量；

5、分析侵入岩与喷出岩之间的时空和成因关系，研究地幔柱岩浆上升过程中壳幔相互作用

及对岩浆分异演化和成矿作用的影响；

6、研究地幔柱与岩石圈的动力相互作用，阐明其对大火成岩省多样性的控制；

7、揭示二叠纪环境变化的生命和地质记录，阐明地表环境变化与大规模火山作用之间的耦

合和相互作用机理；

8、综合对比全球二叠纪三个火成岩省（峨眉山、塔里木和西伯利亚），揭示三者之间的时

空联系并建立晚二叠纪全球地幔柱活动模式；

9、阐明地幔柱影响地表系统的主要方式和作用机理，初步建立二叠纪地幔柱活动和地表系

统演变之间相互作用的理论框架。

以上预计的研究成果将以70~80篇论文发表在SCI刊物上，同时造就一批活跃于国际地学舞台的中青年学术带头人和若干创新研究群体，培养研究生和博士后20~30人。

三、研究方案

1、学术思路

本项目着眼于扬子地块西缘和塔里木地块及其周边地区，抓住两个关键地质作用过程（①二叠纪大规模岩浆活动、②二叠纪生命环境演变趋势），瞄准三个关键科学问题（①二叠纪地幔柱活动的证据、方式和过程；②大规模岩浆作用与晚二叠生物大灭绝的联系的证据和机制；③二叠纪大规模岩浆与成矿作用的多样性及其关键控制因素），揭示二叠纪大规模岩浆喷发的深部动力学控制因素及其环境-生命响应的机理，建立地球深部过程、重大地质事件与地表环境和生命演变之间的内在联系的新理论和新模式。

要完成这一目标，需要包括理论和实验模拟、地质学、构造地质学、地球物理学、地球化学、岩石学、矿床学和地层古生物等多个学科交叉和融合。多技术联合应用、系统对比研究和综合集成等研究途径是提升解决问题能力和研究水平的关键。

图2 项目设计和研究思路示意图

总体的研究方案分为两个层次（见图2），第一个层次的研究分别涉及地球深部和地表过程两个系统上，一方面通过对二叠纪岩浆作用的研究以及岩浆活动区构造地质和地球物理的探测，探讨二叠纪深部地质构造和动力学过程；另一方面通过二叠纪古生物地层和古环境恢复的研究，揭示当时地球环境变化和生物事件之间的关联性。第二个层次则是要在第一个

层次研究的基础上，重点剖析地球深部和地表过程两个系统之间在时间、空间上的相互联系和作用机制，揭示地球系统的整体运作功能。

2、技术途径及创新性

（1）采用野外构造岩相填图、构造－沉积建造分析等技术方法，通过石炭-二叠纪中国西部、扬子西部古特提斯洋演化、消减过程和其后劳亚大陆的拼合、Pangea超大陆的裂解为线索，剖析和恢复大规模岩浆活动前、岩浆的喷发及其巨量火山岩喷发后地壳层次的变形作用，对所属区块的古构造几何形态和运动学进行划分和复原；采用精细的不同尺度构造精细研究，确定各块体间的大型韧性剪切带和走滑带，进一步限定各主要的造山带及块体的构造属性，为确定大火山岩省的形成背景提供地质制约。

（2）采用锆石U-Pb原位定年法、40Ar/39Ar法、含Re岩石矿石Re-Os法等同位素测年技术，进行成岩、成矿和变形事件的精确定年，建立研究区精确的构造-岩浆作用的时间序列。采用单颗粒锆石的U-Pb定年，确定P2-P3的界线年龄，勾画生物衰退的时间曲线，为探讨火山作用和生物灭绝提供基础性资料。

（3）采用岩石探针、元素地球化学示踪和同位素示踪（Sm-Nd，Lu-Hf，Pb-Pb，Re-Os，Rb-Sr和He同位素）等技术和方法并进行元素地球化学理论模拟，厘定二叠纪岩浆起源与演化和壳/幔相互作用的程度和方式，鉴别不同地幔端员组分对岩浆的贡献。利用Pt-Os和Re-Os同位素体系联合示踪探索有否来自核幔边界的物质。利用EPMA, LA-ICP-MS，FTIR 和SIMS等技术，对火山岩样品中橄榄石斑晶内的熔体包裹体进行原位微区分析，获取熔体包裹体的含水量、挥发份、化学和Pb同位素组成。利用这些数据，研究原始岩浆的成分和部分熔融时的温度压力条件，估算火山喷发释放的气体量。

（4）重点考察含矿岩体与非含矿岩体在岩石组合特征、外围构造组合等方面的异同以及岩体与围岩的接触界线特征，估算围岩蚀变对成矿作用的影响。通过矿物成分、组构分析查明铁钛氧化物的形成是否与氧化物矿浆的不混熔分离有关；调查不同类型的矿床中矿物的成分、组构特征，揭示硅酸盐矿物与硫化物和铂族矿物的结构关系、形成顺序和期次，查明低钛玄武质岩浆形成不同类型铜镍硫化物矿床的主要机制和铂族元素富集的过程。开展岩浆活动系统的地球化学示踪及岩浆动力学模拟研究，利用具有特征意义的矿物组合开展其形成温度、压力的测算，结合同位素示踪研究，建立岩浆运移、演化的垂向系统。

（5）采用线面结合的方式，通过区域远震和重力观测，开展壳幔结构层析成像，接收函数成像等研究，获得研究区立体速度结构，主要间断面几何结构与变异特征，为地幔柱活动遗留的印迹提取提供基础。理解覆盖大火成岩省的壳幔结构、主要间断空间展布、地壳与上地幔性质，为地幔柱研究提供深部结构与构造约束。通过跨越攀西裂谷带的人工源地震观