岩石地球化学进展(朱弟成)

拉萨弧后裂离
第四次碰撞
进展5：碰撞后
进展4：大陆碰撞
进展3：俯冲带岩浆作用 进展2：俯冲何时开始
进展1： 地幔柱活动 与大洋开启
进展3：俯冲带岩浆作用
Frisch et al., 2011
岛弧（洋洋汇聚）
大陆弧（洋陆汇聚）
进展3：俯冲带岩浆作用
汇聚边缘剖面结构：
水平：海沟→增生楔→弧前盆地→岩浆弧→弧后盆地 垂向：地壳/弧→地幔楔 （岩石圈地幔→ 软流圈地幔）→俯冲板块（沉 积物→ 洋壳→ 大洋岩石圈地幔）
板块构造理论预测: 大陆与大陆发生碰撞时：大洋俯冲
作用将会停止 地体或微陆块与大陆发生碰撞时： 大洋俯冲作用将从地体的一侧跃迁 到另外一侧
为什么碰撞会触发初始俯冲？
大洋高原模型（Niu et al., 2003, Journal of Petrology）
为什么碰撞会触发初始俯冲？
为什么碰撞会触发初始俯冲？
同化混染作用（assimilation & contamination）:
岩浆同化了围岩或捕虏体，使岩浆发生成分改变（常只能改变 岩浆局部的成分）。依据同化混染作用的程度，分为： 同化作用(assimilation) —— 完全 混染作用(contamination) —— 不完全 判断同化混染的标志： 岩体中捕虏体多 颜色、结构、构造不均一，如斑杂构造 有非岩浆成因的矿物，如石榴石、刚玉等是同化围岩的结果
Continental flood basalts derived from the hydrous mantle transition zone
Transition zone
Wang et al., 2015, Nature Comm. Wang et al., 2016, Lithos
进展1：地幔柱活动与大洋开启
主要元素：SiO2 + MgO + FeO > 90% Al2O3 + CaO + Na2O = 5-8% 6种氧化物的总量 > 98% 其它氧化物(单独)不超过0.6%
大陆弧的结构和组成：
Ducea et al., 2015, AREPS
新进展
进展5：碰撞后
进展4：大陆碰撞
进展3：俯冲带岩浆作用
进展2：俯冲何时开始
进展1： 地幔柱活动 与大洋开启
进展1：地幔柱活动与大洋开启
Bryan and Ferrari, 2013
进展1：地幔柱活动与大洋开启
Coffin and Eldholm, 1994
主要特征： 1）大面积的镁铁质岩浆活动 2）短的岩浆作用时限 3）板内构造背景
Bryan and Ernst, 2008
进展1：地幔柱活动与大洋开启
Saunders, 2005
大火成岩省普遍被认为是地幔柱活动的结果： 1）高MgO岩浆的产生 —— 高温 2）放射性岩墙群 —— 地表隆升 3）深部地幔物质的地球化学特征
进展1：地幔柱活动与大洋开启
Segev, 2002
Coffin et al, 2006
来自核幔边界
不相容元素（incompatible element）：在矿物结晶过程 中趋向于在液相中富集的微量元素，如Li、Rb、Sr、Cs、 Be、Ba、Zr、Hf、Nb、Ta、Th、U等
分配系数对矿物组成、元素比值的影响：
Data from Rollinson (1993 )
Sr/Y: Pl + Grt Ce/Y: Grt La/Yb: Grt
控制岩浆岩成分的主要因素
上地幔的矿物组成和化学成分：
上地幔：由斜长石二辉橄榄岩、尖晶石二辉橄榄岩和石榴子 石二辉橄榄岩（深度→深） 斜长石→尖晶石 Mg2SiO4+CaAl2Si2O8=MgSiO3+CaMgSi2O6+MgAl2O6 尖晶石→石榴子石 MgAl2O4+4MgSiO3=Mg2SiO4+Mg3Al2Si3O12 尖晶石二辉橄榄岩：Ol 66%; Opx 24%; Cpx 8%; Sp 2% 石榴子石二辉橄榄岩：Ol 63%; Opx 30%; Cpx 2%; Grt 5%
Zhu et al, 2009, 2013
进展1：地幔柱活动与大洋开启
Xia et al, 2014
Hirschmann, 2006
传统观点一直将LIPs短时间内产生巨量的岩浆归因于高温熔融，而很少
有讨论水是否在其中产生了作用
如果地幔源区存在一定量的水，熔融的深度和部分熔融的程度都会增加
进展1：地幔柱活动与大洋开启
Ramos and Folguera., 2009
2) 俯冲沉积物在弧岩浆形成过程中的作用
Maury et al., 1996
Richards, 2011 OGR
传统观点：
流体交代地幔楔 MASH过程 钙碱性岩浆岩 熔体交代地幔楔 富Nb玄武岩 高镁安山岩
问题：沉积物对于弧岩浆岩的贡献、形式和机制仍然不清楚
(A) 岩石的部分熔融是其中低熔点物质的部分熔融，Mg是耐火难 熔的组分，Si－Al等是易熔组分； (B) 部分熔融得到的熔体比原岩更偏酸性、Mg更低
部分熔融产生岩浆的3个条件：
Gill, 2010
分离结晶作用（fractional crystallization）：
一些矿物先结晶，不与熔浆发生反应，导致残余岩浆成分发生变 化，使岩浆向富硅、富碱的方向发展
Niu et al., 2003, JP
进展2：俯冲何时开始
碰撞作用触发初始俯冲
问题转换：
俯冲何时开始？ 碰撞发生的时间？
进展2：俯冲何时开始
青藏高原实例
松潘－甘孜带
进展2：俯冲何时开始
青藏高原实例
进展2：俯冲何时开始
青藏高原实例
进展2：俯冲何时开始
第一次碰撞 第二次碰撞
青藏高原实例
第三次碰撞
Wang et al., 2016
黄色区域：the magma H2O contents by olivine-hosted melt inclusions 灰色区域：the magma H2O contents constrained by phase relations and LLD
进展1：地幔柱活动与大洋开启
岩浆岩岩石地球化学
岩浆岩的岩石类型和矿物组成
岩浆岩的成分多样性
主要受控于：源区 + 矿物成分 + 岩浆过程
几个重要概念：
分配系数（Partition Coefficient )：在一定温度下，处于 平衡状态时，某种组分在固相中的浓度和在液相中的浓度之 比，以KD表示
相容元素（compatible element）：在矿物结晶过程中趋 向于在早期固相中富集的元素，如Cr、Ni、Co、V等；
Herzberg and Asimow, 2008 Bizimis and Peslier, 2015
现有数据都指示水含量低：
1）玄武玻璃中的水含量不能代表原始岩浆的水含量
2）洋岛玄武岩测定的斑晶水含量可能经历了去气作用 3）包裹体少而小，容易受后期改造从而难测定其水含量
进展1：地幔柱活动与大洋开启
(更低 Fe/Mg 和 Al2O3)
后者更亏损
岩石的部分熔融是其中低熔
点物质的部分熔融， Mg 是 耐火难熔的组分（留在源 区）， Si － Al 等是易熔组分 （进入熔体）； 更偏酸性、Mg更低
石榴石含量低
密度低 更具有浮力
部分熔融得到的熔体比原岩
俯冲开始：
当大洋岩石圈 >35 Ma时，由于洋脊推力，其始终处 于一种挤压背景
富水流体、板片溶体、超临界流体交代地幔楔？ 混杂岩底辟到地幔楔中 (diapirs)？
2) 俯冲沉积物在弧岩浆形成过程中的作用
混杂岩底辟到地幔楔中 (diapirs)？ Diapirs 物理混合过程 岩浆起源于混
杂岩的头部
Marschall and Schumacher, 2012 Nature Geoscience
Niu et al., 2003, JP
密度差：0.7%
为什么碰撞会触发初始俯冲？
大洋高原岩石圈 正常大洋岩石圈
(Nair and Chacko, 2008, Geology)
最小密度差：0.6%
为什么碰撞会触发初始俯冲？
正常的大洋岩石圈地幔 － 弧下或大洋高原岩石圈地幔
最小密度差：
0.7% (Niu et al., 2003) 0.6% (Nair & Chacko, 2008)
岩石地球化学进展
朱弟成 2017.11.08
岩石地球化学（Petrogeochemistry）：
岩石学和地球化学的交叉学科
研究岩石的化学组成，包括其成分的含量、分布、种
类、来源和化学变化的一门地球科学
研究各类岩石中的主量元素、微量元素和同位素，用
于探讨岩石源区、岩石成因、岩石演化和岩石产出的 构造环境等方面基础理论问题。
大洋岩石圈脱水 年轻的、热的俯冲板块
Gutscher et al., 2000 - Geology
1) 俯冲板片的部分熔融
洋壳熔融发生于特定的构造背景
Gutscher et al., 2000 - Geology
Zhang et al., 2000 - GR
初始俯冲、平板俯冲、大洋高原俯冲 板片窗背景：大洋中脊俯冲、板片断离
The arc-like H2O content (4.82 ± 1.00 wt.%) provides the first clear evidence that H2O plays an important role in the generation of CFB.
Xia et al., 2016, SR
进展3：俯冲带岩浆作用
Mass fluxes (in km3/yr) in a subduction zone, as constrained by Jagoutz and Schmidt, 2013 - EPSL
Jagoutz and Kelemen, 2015 - AR
2005
进展3：俯冲带岩浆作用
Frisch et al., 2011
进展3：俯冲带岩浆作用
板片流体和溶体交代地幔楔：
a) 弧玄武岩富水 b) 富集LILE，亏损HFSE (Nb, Ta) c) 源区物质贡献包括俯冲洋壳、沉 积物和地幔楔
Plank et al., 2013 EPSL
Grove et al., 2009 Nature
上地幔的矿物组成和化学成分：
橄榄石 + 单斜辉石 + 斜方辉石 + 富铝相矿物（尖晶石、石 榴石、斜长石）± 角闪石 ± 金云母 其它：磷灰石、金红石等<<1% 原始地幔: 二辉橄榄岩（lherzolite, > 10 vol. % Cpx） 残留相: 方辉橄榄岩（harzburgite, < 10 vol. % Cpx） 交代相: 辉石岩(pyroxenite), 以脉状或岩墙产出
1) 俯冲板片熔融
2) 俯冲沉积物在弧岩浆形成过程中的作用
3) 俯冲带深部碳循环
4) 俯冲带岩浆作用的周期性 5) 俯冲带岩浆作用与大陆地壳形成 6) 俯冲带地壳厚度估算
1) 俯冲板片的部分熔融
Kay, 1978 Adakite
高 Sr/Y、La/Yb
Walowski et al., 2015 - Nature Geoscience
源区矿物组合
( Hb Grt Pl ) 岩浆分异过程
部分熔融 (Partial melting)
地球内部岩石的部分熔融: 源区物质→熔体(melt) + 残留物(residue) 熔体: 富集容易熔的物质（比源区要酸性或长英质更多）→ 富集不相容元素（incompatible elements） 残留物: 富集难熔的物质（比源区要基性或镁铁质更多）→ 富集相容元素（compatible elements）
3) 俯冲带深部碳循环
地球碳循环主要包括：地球表层碳循环和 地球深部碳循环
地球表层碳：<0.001%
地球深部碳：>98.5%
深部碳循环对理解全球的碳循环至关重要
3) 俯冲带深部碳循环
深部碳循环
地球深部过程将促使深部物质循环进入地壳浅层和大气圈，引起环境改变
3) 俯冲带深部碳循环
深部碳循环研究的关键科学问题
进展1：地幔柱活动与大洋开启
Bell and Rossman, 1992
ห้องสมุดไป่ตู้
Bercovici and Karato, 2003
地幔柱中的水：究竟来自下地幔 还是过渡带？
进展5：碰撞后
进展4：大陆碰撞
进展3：俯冲带岩浆作用
进展2：俯冲何时开始
进展1： 地幔柱活动 与大洋开启
进展2：俯冲何时开始
2008