第四章_化学地球动力学及深部过程地球化学示踪

1、第四章第四章 化学地球动力学及深部化学地球动力学及深部过程地球化学示踪过程地球化学示踪大陆动力学地球化学探索大陆动力学地球化学探索（地球化学进展课程）（地球化学进展课程）2002年年8 8月月一一 引言引言 （一）（一）化学地球动力学的提出与基本构化学地球动力学的提出与基本构想想1化学地球动力学产生的背景化学地球动力学产生的背景 除了微量元素与同位素示踪理论和技术方法的发展，奠定了除了微量元素与同位素示踪理论和技术方法的发展，奠定了地幔地球化学发展的一般基础外，直接影响到化学地球动力学地幔地球化学发展的一般基础外，直接影响到化学地球动力学产生的因素为产生的因素为：*板块构造学说影响板块构造学说

2、影响 板块构造学说使地球科学家与地球化学家板块构造学说使地球科学家与地球化学家能够统观整个地球系统，看到板块运动能够统观整个地球系统，看到板块运动伴随着伴随着大规模壳、幔相大规模壳、幔相互作用和物质再循环。互作用和物质再循环。 *多种地幔端元组分的发现多种地幔端元组分的发现 洋、陆玄武岩同位素与微量元素揭洋、陆玄武岩同位素与微量元素揭示了地幔物质储库的多样性，即除了原始地幔示了地幔物质储库的多样性，即除了原始地幔(PM)(PM)和亏损地幔和亏损地幔(DM)(DM)两个端元组分外，尚存在一些其它地幔端元组分，以致造两个端元组分外，尚存在一些其它地幔端元组分，以致造成玄武岩同位素和化学成分的多种多

3、样性。成玄武岩同位素和化学成分的多种多样性。进而进而可以可以尝试由地尝试由地（接上页）（接上页）球层圈的相互作用，包括壳球层圈的相互作用，包括壳/幔、上幔、上/下地幔、以至核下地幔、以至核/幔过渡带幔过渡带的物质交换与再循环等，来解释多种地幔端元的物质交换与再循环等，来解释多种地幔端元的成的成因因。也就是也就是说由地幔化学结构的多样性，进而产生了从地球圈层相互作用说由地幔化学结构的多样性，进而产生了从地球圈层相互作用来揭示地球动力学的构想来揭示地球动力学的构想。 *多同位素体系线性和非线性数值模拟技术的发展，多同位素体系线性和非线性数值模拟技术的发展，使有可能使有可能模拟模拟地球、地幔不均一化

4、学结构的形成与层圈相互作用，以期地球、地幔不均一化学结构的形成与层圈相互作用，以期揭示壳幔演化历史及地球动力学揭示壳幔演化历史及地球动力学。 因此，产生了将地球视为一个统一的动力学系统，以层圈因此，产生了将地球视为一个统一的动力学系统，以层圈的相互作用为主导，以揭示壳、幔化学组成和演化为基础，探的相互作用为主导，以揭示壳、幔化学组成和演化为基础，探讨地球发展历史与动力学的化学地球动力学讨地球发展历史与动力学的化学地球动力学(chemical geo-dynamics)的构想的构想(Allegre,1982; Zindler & Hart,1986)。（二）（二） 研究概况研究概况 化学

5、地球动力学提出以来，在国际范围内通过大洋化学地球动力学提出以来，在国际范围内通过大洋玄武岩和大陆玄武岩源区同位素和微量元素示踪，开玄武岩和大陆玄武岩源区同位素和微量元素示踪，开展了有关全球地幔化学组成、化学演化与化学不均一展了有关全球地幔化学组成、化学演化与化学不均一性的系统研究。在此基础上，以化学地球动力学为指性的系统研究。在此基础上，以化学地球动力学为指导，研究已经取得一些重要和有意义的进展与成果。导，研究已经取得一些重要和有意义的进展与成果。其中主要方面有：其中主要方面有：（1 1）地幔组分端元探索有了新近展）地幔组分端元探索有了新近展；（2 2）有关全球和区域地幔化学和同位素组成不均一

6、）有关全球和区域地幔化学和同位素组成不均一性规律的发现及其应用的探索；性规律的发现及其应用的探索；（3 3）壳幔相互作用与再循环研究取得了重要进展，）壳幔相互作用与再循环研究取得了重要进展，揭示出三种形式的壳幔再循环揭示出三种形式的壳幔再循环（见下片）（见下片）：*板块会聚带洋壳俯冲和壳板块会聚带洋壳俯冲和壳/ /幔再循环幔再循环。近代的已有较近代的已有较深入和成功的研究，古代的正处于探索阶段深入和成功的研究，古代的正处于探索阶段；*陆壳陆壳底部底部幔源岩浆底侵幔源岩浆底侵( (underplatingunderplating) )和和大陆地壳和大陆地壳和岩石圈拆沉岩石圈拆沉( (delami

7、nationdelamination) )。已有少量论证较好的实已有少量论证较好的实例，还有待于推广探索例，还有待于推广探索;.;.* 大陆壳俯冲大陆壳俯冲、超高压变质带的形成、超高压变质带的形成与折返与折返。这是近这是近年在碰撞造山带发现超高压变质榴辉岩后，揭示出的年在碰撞造山带发现超高压变质榴辉岩后，揭示出的第三种壳幔再循环方式，并构成当前研究的热点。第三种壳幔再循环方式，并构成当前研究的热点。(4)(4)地幔柱研究的发展及地球深部层圈相互作用、物质地幔柱研究的发展及地球深部层圈相互作用、物质循环和动力学的探索；循环和动力学的探索；(5)(5)化学地球动力学数值计算模拟探索取得了初步进展。

8、化学地球动力学数值计算模拟探索取得了初步进展。二二 地幔端元组分及地幔化学不均一性地幔端元组分及地幔化学不均一性（一）地幔端元组分（一）地幔端元组分 随大洋和大陆玄武岩同位素和化学成分的积累，人们发现了随大洋和大陆玄武岩同位素和化学成分的积累，人们发现了同位素和元素组成上的多样性。仅考虑原始地幔和亏损地幔两同位素和元素组成上的多样性。仅考虑原始地幔和亏损地幔两个端元组分，已无法解释许多玄武岩的组成特征，地幔应具有个端元组分，已无法解释许多玄武岩的组成特征，地幔应具有多种端元组分。通过多年研究，目前已确定的地幔端元组分见多种端元组分。通过多年研究，目前已确定的地幔端元组分见表表1 1和图和图1

9、1：表表1 1 各类型地幔端元的同位素组成特征各类型地幔端元的同位素组成特征 地幔端元类型地幔端元类型 143Nd/144Nd 87Sr/86Sr 206Pb/204Pb 176Hf/177Hf亏损地幔（亏损地幔（DM） 0.5131 0.5133 0.7020 0.7024 15.5 17.8 0.2831 0.2835高高U/Pb值地幔值地幔(HIMU) 0.5128 0.7026 0.7030 21.0 22.0 0.2893I 型富集地幔型富集地幔(EM I) 0.5123 0.5124 0.7045 0.7060 16.5 17.5 0.2826 0.2827II型富集地幔型富集地幔

10、(EM II) 0.5127 0.5129 0.707 18.5 19.5 0.2828流行地幔（流行地幔（PREMA） 0.5130 0.7035 18.3 原始地幔原始地幔(PM) 0.512438 0.7045 17.3517.5 图图1 1 海洋玄武岩同位素组成变化范海洋玄武岩同位素组成变化范围围表表2 2 洋岛玄武岩洋岛玄武岩(OIB)(OIB)各端元的微量元素和同位素组成各端元的微量元素和同位素组成（据Weaver,1991;Hart et al., 1992,) 幔的其他端元和陆壳幔的其他端元和陆壳 洋岛玄武岩洋岛玄武岩(OIB)原始地幔原始地幔亏损地幔亏损地幔 陆陆 壳壳 HI

11、MU EMI EMIIZr/NbLa/NbBa/NbBa/ThRb/NbK/NbTh/NbTh/LaBa/La87Sr/86Sr143Nd/144Nd206Pb/204Pb 14.80. 949.0770. 913230. 1170. 125 9.6 301. 07 4.3 600. 362960. 070. 07 4.00.70220. 5133 18.0 16.22. 254 1244.7 13410. 440. 2025 27 5.50. 640.824.7 6.9 39 850.300.43 66 1870. 070.1210 0.166.2 9.360. 70280. 5128 21

12、.83.5 13.10. 781.329.1 23.480 2040. 691.23207 5230. 090.130. 09 0.1511.3 19.10. 70530. 5124 17.4 4.4 7.80. 791.196.4 13.4 57 1050. 580.87203 3780.100.170. 110.187.3 13.50. 70780. 5126 19.0图2 秦岭两侧中新生带玄武岩87Sr/86Sr206Pb/204Pb、143Nd/144Nd 206Pb/204Pb和143Nd/144Nd 206Pb/204Pb图解 注：地幔端元组成据Wilson, 1993. 1.汝阳

13、 10081；2.汝阳 10083；3. 黄陂 10104；4.阳新 95041；5. 麻城 M571。 由图由图1 1可见可见EMI EMIIEMI EMII和和HIMUHIMU为产生洋岛玄武岩的三个主要为产生洋岛玄武岩的三个主要端元，并已确定了这三个端元的特征元素对比值的范围端元，并已确定了这三个端元的特征元素对比值的范围（表（表2）。）。利用三元和三元以上的同位素图解与表利用三元和三元以上的同位素图解与表2 2中的数中的数据可确定所研究玄武岩地幔源区的组分端元。应用二元同据可确定所研究玄武岩地幔源区的组分端元。应用二元同位素图解在确定端元组分时，常会造成误判（图位素图解在确定端元组分时，

14、常会造成误判（图2 2）。）。讨论：讨论： DMMDMM、EMIEMI、 EMII EMII和和HIMUHIMU是被公认的端元组分；而是被公认的端元组分；而PREMAPREMA是是否为独立端元组分尚有争议。否为独立端元组分尚有争议。因因PREMAPREMA的同位素组成正好位于前的同位素组成正好位于前面四种端元组分混合中心，有人认为它是前四种端元组分混合面四种端元组分混合中心，有人认为它是前四种端元组分混合的结果；另一些人认为它是一个原始地幔组分，由该组分分异的结果；另一些人认为它是一个原始地幔组分，由该组分分异出其它四个端元组分出其它四个端元组分。 关于地幔端元组分形成的认识，迄今仍分歧很大。

15、关于地幔端元组分形成的认识，迄今仍分歧很大。1. 1. 对对DMMDMM的认识基本一致，认为是的认识基本一致，认为是N-MORBN-MORB的源区，代表强的源区，代表强烈亏损的上地幔烈亏损的上地幔。2. HIMU2. HIMU一般认为来源于一般认为来源于再循环大洋岩石圈，由于俯冲前洋再循环大洋岩石圈，由于俯冲前洋底热液作用或俯冲期间变质脱水使部分铅丢失而形成其特高的底热液作用或俯冲期间变质脱水使部分铅丢失而形成其特高的U/PbU/Pb比值或比值或值。然而，值。然而，HIMUHIMU经常见于洋岛玄武岩源区，表明经常见于洋岛玄武岩源区，表明源区位于下地幔或幔核边界，这就涉及洋壳深俯冲的问题源区位于

16、下地幔或幔核边界，这就涉及洋壳深俯冲的问题。 3. 3. 对对EMI和和 EMII的认识仍有分歧的认识仍有分歧, , 存在以下主要存在以下主要不同不同认识：认识：它们分别是俯冲作用携带的少量深海和陆源沉积物加入它们分别是俯冲作用携带的少量深海和陆源沉积物加入地幔的结果（地幔的结果（Hofmann & White,1982; Wilson,1993）；）；大陆物大陆物质通过俯冲和拆沉加入地幔的结果质通过俯冲和拆沉加入地幔的结果( (Hawkesworth et al., 1988, 1990)1990)；EMII 为与壳幔再循环相联系的交代成因的富集地幔为与壳幔再循环相联系的交代成因的富

17、集地幔组分，组分，EM I为与地幔自身分异相联系的交代成因的富集地幔为与地幔自身分异相联系的交代成因的富集地幔组分（朱炳泉，组分（朱炳泉，19991999）, , 等等。等等。 也不排除也不排除EMI和和 EMII本来就是多成因的，应针对具体问题本来就是多成因的，应针对具体问题具体解决。办法是：重视分辨陆壳、洋壳、远洋沉积物、大陆具体解决。办法是：重视分辨陆壳、洋壳、远洋沉积物、大陆沉积物，以及各种成因流体化学组成的细微差别及其对地幔影沉积物，以及各种成因流体化学组成的细微差别及其对地幔影响的细微不同，从而对之作出恰当的解释。响的细微不同，从而对之作出恰当的解释。 多种地幔端元组分的存在表明地

18、幔化学结构的多种地幔端元组分的存在表明地幔化学结构的复杂性，它既表现于垂向，又显示于侧向。复杂性，它既表现于垂向，又显示于侧向。（二）地幔大尺度区域性化学不均一性（二）地幔大尺度区域性化学不均一性 1 1南半球地幔大规模同位素异常带南半球地幔大规模同位素异常带 通过大洋玄武岩系统同位素填图，通过大洋玄武岩系统同位素填图，Hart(1984,1988)揭示出南揭示出南半球（赤道至南纬半球（赤道至南纬50度左右）存在大规模同位素异常带。其特征度左右）存在大规模同位素异常带。其特征表现为：表现为：HIMU、EMI、EMII端元组分集中分布，地幔显示端元组分集中分布，地幔显示HIMU端元组分的高放射成

19、因铅的特征与端元组分的高放射成因铅的特征与Hart所定义的所定义的DUPAL异异常。常。 DUPAL异常具有如下特征：异常具有如下特征： a. 高高87Sr/86Sr（大于（大于0.7050）; b. 8/4Pb 大于大于60， 7 7/4Pb也偏高。也偏高。 其中， 8/4Pb和7/4Pb是表征样品208Pb/204Pb 和207Pb/204Pb偏离北半球参考线(NHRL)程度的参数。计算方法如下： 为计算一个玄武岩样品的为计算一个玄武岩样品的7/4Pb和和8/4Pb，Hart(1984) (1984) 给给出了以下的经验式：出了以下的经验式： （207Pb/204Pb）NHRL =0.10

20、84(206Pb/204Pb)+13.491; （208Pb/204Pb）NHRL =1.209(206Pb/204Pb)+ 15.627;7 7/4Pb = （207Pb/204Pb）DS -（207Pb/204Pb）NHRL 100;8 8/4Pb = （208Pb/204Pb）DS -（208Pb/204Pb）NHRL 100.其中, DS为任何样品的数据。 计算证明南半球同位素异常带应存在了几十亿年计算证明南半球同位素异常带应存在了几十亿年（Hart, 1984）。）。 图图3 玄武岩玄武岩207Pb/204Pb206Pb/204Pb与与208Pb/204Pb206Pb/204Pb图解

21、图解2.全球大洋同位素省全球大洋同位素省RB 太平洋省：太平洋省：铅同位素具有NHRL特征，也包括北大西洋地区； 印度洋省：印度洋省：DUPAL型铅同位素异常特征，206Pb/204Pb较低，87Sr/86Sr较高，也包括南大西洋南部地区； HU(高铀高铀)省：省：具有高206Pb/204Pb和高值特征，分布于南太平洋和南大西洋的中部地区。3.3.全球大陆同位素省全球大陆同位素省 在综合分析各大陆新生代玄武岩（代表地幔）、中生代矿石和花岗岩（代表上地壳）及麻粒岩（代表下地壳）Pb、Sr、Nd等同位素数据（图26、图27、图28）基础上，并结合钕模式年龄揭示的地壳增生历史、地壳元素丰度及矿产类型

22、与规模等资料分析，已将全球大陆划分为四个已将全球大陆划分为四个同位素省：同位素省：北太平洋型陆块省：北太平洋型陆块省：铅同位素具有NHRL特征，分布于北美西部以及亚洲的西伯利亚与华北之间；东冈瓦纳型陆块省：东冈瓦纳型陆块省：具有较高的206Pb/204Pb和DUPAL异常特征，范围包括澳洲西部、南部非洲、印度、印度支那和华夏（华南）；西冈瓦纳型陆块省西冈瓦纳型陆块省:具有高206Pb/204Pb和高值特征，范围包括非洲中部、南美、南极和澳洲东部；劳亚或北大西洋型陆块省：劳亚或北大西洋型陆块省：具有低206Pb/204Pb和近于原始地幔的低值特征，范围包括欧洲、格陵兰、北美东部、西伯利亚、华北和

23、塔里木。 与大洋同位素省对比前三个陆块省可分别相当于三个大洋省，只有北大西洋型陆块省还没有找到对应的大洋省。图图4 中国主要地体上地幔中国主要地体上地幔Nd-Sr-Pb(206、207、208)同位素同位素 组成的五维拓扑空间投影图解组成的五维拓扑空间投影图解1.华南陆快；2.南半球和冈瓦纳；3.华北陆块；4.北太平洋（朱炳泉，1991）。图图5 5 全球麻粒岩全球麻粒岩207Pb/204Pb206Pb/204Pb图解图解G-L:格陵兰拉布多拉； Le：苏格兰路易斯； In：印度； A：澳大利亚； Si：西伯利亚； An：南极； SF： 南非； SA：南美；NC：华北；SC：华南；SG-W：南

24、戈壁乌拉山群；J：佳木斯麻山群（朱炳泉，1998）。图图6 中国大陆不同块体铅同位素中国大陆不同块体铅同位素206Pb/204Pb分布柱状统计图分布柱状统计图（Zhu, 1995）(A) 新生代玄武岩；(B)中生代花岗岩长石. 1华北；2扬子；3华南；4东北兴安岭地区；5西藏。4 4关于地幔区域不均一性形成的争议与启示关于地幔区域不均一性形成的争议与启示 争议争议：概括为两类：（1）地球地幔原始均一后来演化为不均一；地球地幔原始均一后来演化为不均一；（2）地球地幔原始不均一后来再发生演化。）地球地幔原始不均一后来再发生演化。 *地球地幔原始均一后演化出不均一说地球地幔原始均一后演化出不均一说：

25、地球原始是均一的，后自身分异，尤其是层圈相互作用和再循环导致不均一。这是迄今地球化学的统治思想。表现为对全球地幔采用统一的原始地幔标准。如对于南半球地幔显示出的同位素组成特殊性，认为是异常。对其形成，尽管存在着密集的俯冲碰撞使大量地壳物质带入地幔成因说（Allegre & Turcotte, 1985）及幔核边界层物质上涌形成说（Hart, 1988; Castillo,1988）之争，但均是从统一原始地幔考虑问题的。 *地球地幔原始不均一加后来演化说地球地幔原始不均一加后来演化说: 根据天体化学揭示的原始地球物质在空间上的不均一性，而且全球地幔化学不均一性的某些规律又非能由层圈再循环

26、所能解释，因而提出了地球原始非均一论，向均一论发起挑战（欧阳自远等，1994，1995）。实践检验实践检验： 秦岭造山带是壳幔剧烈相互作用带，发生着大规模的洋壳秦岭造山带是壳幔剧烈相互作用带，发生着大规模的洋壳和陆壳俯冲消减、大陆拆沉，但这些再循环地壳物质对地幔组和陆壳俯冲消减、大陆拆沉，但这些再循环地壳物质对地幔组成的影响范围仅限于造山带两侧的窄带中，稍远一些的华北和成的影响范围仅限于造山带两侧的窄带中，稍远一些的华北和扬子区内地幔仍长期保持其各自的化学特征。这一初步揭示的扬子区内地幔仍长期保持其各自的化学特征。这一初步揭示的规律，似乎有利于后一观规律，似乎有利于后一观点。点。启示：启示：

27、有关地幔大尺度不均一性成因的争论非短期所能解决的。有关地幔大尺度不均一性成因的争论非短期所能解决的。但鉴于这种不均一性是有规律的和长期保持的（至少由但鉴于这种不均一性是有规律的和长期保持的（至少由新太古新太古代代至今），可以认为：至今），可以认为：在全球地幔化学不均一性规律基础上，在全球地幔化学不均一性规律基础上，通过区域同位填图，研究陆块通过区域同位填图，研究陆块和洋域和洋域的原始构造归属是有根据的原始构造归属是有根据的，这一方法的完善和发展将对全球构造研究具有重要意义。的，这一方法的完善和发展将对全球构造研究具有重要意义。 （三）、大别造山带（三）、大别造山带Pb同位素填图同位素填图1 P

28、b1 Pb同位素填图的误区同位素填图的误区 朱炳泉（朱炳泉（19931993，19981998）与张理刚（）与张理刚（19931993，995995）在中国开展大尺度铅同位素填图和划分铅同位在中国开展大尺度铅同位素填图和划分铅同位素省是成功的，在区分构造块体方面起了重要素省是成功的，在区分构造块体方面起了重要的作用。然而，他们仅根据大别地区矿石铅和的作用。然而，他们仅根据大别地区矿石铅和中生代花岗岩长石铅贫放射成因铅的特征，就中生代花岗岩长石铅贫放射成因铅的特征，就将大别造山带的主体全部（北大别和南大别）将大别造山带的主体全部（北大别和南大别）划归华北省，从而造成误区。其实铅同位素填划归华北省

29、，从而造成误区。其实铅同位素填图应注意以下图应注意以下3 3点：点： 接上接上 扬子扬子Pb同位素省内存在着同位素省内存在着Pb同位素组成明显不同的亚同位素组成明显不同的亚省，如西南扬子亚省（省，如西南扬子亚省（B2-1)、北扬子亚省（、北扬子亚省（B2-2)、南、南扬子亚省（扬子亚省（B2-3)等（张理刚，等（张理刚，1995；图；图7），其中后），其中后两个亚省确实较华北明显富放射成因铅，但两个亚省确实较华北明显富放射成因铅，但B2-1亚省亚省的三个主要的三个主要Pb同位素比值上都很低，与华北省很难区同位素比值上都很低，与华北省很难区别（图别（图7和表和表3）。填图过程中应该分别对待）。填

30、图过程中应该分别对待。 区分铅同位素省与亚省应既考虑三个区分铅同位素省与亚省应既考虑三个Pb同位素比值，同位素比值，同同 时又应注意时又应注意206Pb相对于相对于 208Pb和和 207Pb的关系，如揭的关系，如揭示南半球大规模同位素异常时鉴别示南半球大规模同位素异常时鉴别DUPAL型铅那样。型铅那样。 应考虑地质历史中构造应考虑地质历史中构造-铅同位素块体空间上的位移铅同位素块体空间上的位移与变化。与变化。南海诸岛南宁澳门香港海口钓鱼岛赤尾屿台北上海沈阳长春哈尔滨北京天津石家庄太原济南郑州西安合肥南京成都贵阳昆明南宁海口澳门香港广州福州长沙武汉杭州南昌呼和浩特银川西宁兰州拉萨B3-2B2-

31、3B2-1B2-3B2-2A3-2A3-1B3-1B4-2B4-1B2-3B2-2B1A3-1A2A3-2A2A1-1A1-2A1-1A1-2C1C1C20180360KmB4-2广州乌鲁木齐7080901001101201301404030201012011012011010090203040图图7 中国东部构造中国东部构造-铅同位素省划分（张理刚等，铅同位素省划分（张理刚等，1993） 省与亚省 B2-1(21) B2-2(59) B2-3(14) A3-2a(21) A3-2b(6)206Pb/204Pb 范围/平均 16.0818.012 17.014 17.51218.393 18.

32、058 18.07318.394 18.268 16.82218.014 17.367 16.37817.373 17.065207Pb/204Pb 范围/平均 15.26015.573 15.406 15.24415.720 15.558 15.46615.659 15.612 15.30515.696 15.470 15.19215.519 15.365208Pb/204Pb 范围/平均. 37.09638.474 37.758 37.28139.039 38.350 38.05638.770 38.239 36.95038.872 38.029 35.90240.447 37.76820

33、6Pb/208Pb 范围/平均 0.44670.4589 0.4498 0.46480.488 0.4709 0.47190.4791 0.4744 0.44340.4648 0.4567 0.42950.4519 0.4518206Pb/207Pb 范围/平均 I.07391.1300 1.0971 1.14571.1635 1.1607 1.16391.1926 1.1711 1.04131.1477 1.1226 1.07811.1248 1.1106207Pb/208Pb 范围/平均 0.39620.4107 0.4083 0.40360.4105 0.4057 0.40390.409

34、0 0.4054 0.40300.4142 0.4068 0.38120.4232 0.4068表表 3 扬子与华北扬子与华北Pb同位素省和亚省的特征同位素省和亚省的特征数据除本文外，主要引自张理刚（1995）。A3-2a: 华北南缘洛宁-固始中生代花岗岩；A3-2 b:太华和登封群群各类岩石。 2 南、北大别白垩纪花岗岩及基底岩石的南、北大别白垩纪花岗岩及基底岩石的Pb同位素组成特征同位素组成特征（1 1）南、北大别白垩纪花岗岩（图）南、北大别白垩纪花岗岩（图8 8），不管它），不管它们侵入于大别核杂岩，还是侵入于超高压相变们侵入于大别核杂岩，还是侵入于超高压相变质岩片均具有彼此相似的地球化

35、学特征。它们质岩片均具有彼此相似的地球化学特征。它们的的PbPb同位素组成特征基本相同（表同位素组成特征基本相同（表4 4），均显），均显示低放射成因铅的特征；然而它们的示低放射成因铅的特征；然而它们的206206Pb/Pb/208208PbPb均显得较低，分别平均为均显得较低，分别平均为0.4456(0.4456(北大别）和北大别）和0.43820.4382（南大别）；它们的（南大别）；它们的206206Pb/Pb/207207PbPb也均显得也均显得较低，分别平均为较低，分别平均为1.0913(1.0913(北大别）和北大别）和1.06551.0655（南大别）（南大别）。信114o115

36、o116o117o30o31o32o117o116o115o114o32o31o30o123456789BHYNDBSDBSSEBBHYHAEBTBNDBBHYSDBSSSJHEB10050 kmXX信阳霍山红安罗田岳西太湖英山武汉麻城团麻断裂-宿松桐城郯庐断裂-SJHHBSQZBBMTTSKLYQC1112XXHATB图图8 大别造山带地质略图大别造山带地质略图 北 大 别南大别 UHP 区 项 目 灰色片麻岩 （14） 斜长角闪岩 （7）白垩纪花岗岩 （25）碰撞后辉长岩 （5）白垩纪花岗岩 （14）206Pb/204Pb 16.708 16.617 16.744 17.250 16.26

37、2207Pb/204Pb 15.319 15.327 15.341 15.426 15.262208Pb/204Pb 37.550 37.573 37.500 37.870 37.107206Pb/208Pb 0.4449 0.4422 0.4465 0.4555 0.4382206Pb/207Pb 1.0907 1.0840 1.0913 1.1182 1.0655207Pb/208Pb 0.4079 0.4080 0.4089 0.4073 0.4113 南大别 UHP 区 项 目 UHP 片麻岩 （6） UHP 榴辉岩 （5）扬子 B2-1 亚省 （21）扬子 B2-2 亚省 （59）南

38、秦岭耀岭河群(16)206Pb/204Pb 17.836 17.545 17.014 18.058 17.858207Pb/204Pb 15.458 15.441 15.406 15.558 15.481208Pb/204Pb 37.949 37.889 37.758 38.350 38.569206Pb/208Pb 0.4699 0.4630 0.4498 0.4709 0.4629206Pb/207Pb 1.1538 1.1362 1.0971 1.1607 1.1549207Pb/208Pb 0.4074 0.4075 0.4083 0.4057 0.4015表表4 4 大别山杂岩和白垩

39、纪花岗岩大别山杂岩和白垩纪花岗岩PbPb同位素组成同位素组成数据除本文的外，主要引自李石、王彤（1991）；Ma Changqian et al.(2000); 从柏林、王清晨（2000）；张理刚（1995）。(2)大别基底岩石的大别基底岩石的Pb同位素组成同位素组成特征特征 大别造山带广泛出露高角闪岩相大别造山带广泛出露高角闪岩相-麻粒岩相麻粒岩相核杂岩，主要由灰色片麻岩和少量斜长角闪岩核杂岩，主要由灰色片麻岩和少量斜长角闪岩组成。核杂岩构成大别穹隆构造的核心，主体组成。核杂岩构成大别穹隆构造的核心，主体分布在北大别，部分出露于南大别。在南大别分布在北大别，部分出露于南大别。在南大别核杂岩之

40、上，覆盖着由超高压变质岩组成的滑核杂岩之上，覆盖着由超高压变质岩组成的滑脱岩片，其中包含有超高压榴辉岩、片麻岩等。脱岩片，其中包含有超高压榴辉岩、片麻岩等。 A. 南、北大别核杂岩中的灰色片麻岩南、北大别核杂岩中的灰色片麻岩Pb同同位素组成位素组成特征：特征：南、北大别的灰色片麻岩具有南、北大别的灰色片麻岩具有彼此相似的彼此相似的PbPb同位素组成，后者基本同白垩纪同位素组成，后者基本同白垩纪花岗岩的花岗岩的PbPb同位素组成相接近（表同位素组成相接近（表4 4和图和图9 9）。）。15.016.017.018.019.020.021.0(206Pb/204Pb)t15.015.215.415

41、.615.8(207Pb/204Pb)t15161718192021(206Pb/204Pb)t36.0 36.5 37.0 37.5 38.0 38.5 39.0 (208Pb/204Pb)tSDBNDBNDBSDBt=120Mat=120Ma图图9 南北大别基底杂岩与白垩纪花岗岩类南北大别基底杂岩与白垩纪花岗岩类Pb同位素组成对比同位素组成对比t=120 MaSDB:南大别：实心三角南大别：实心三角-超高压片麻岩；空心三角超高压片麻岩；空心三角-超高压榴辉岩；超高压榴辉岩； NDB:北大别：北大别：实心方块实心方块-灰色片麻岩；空心方块灰色片麻岩；空心方块-斜长角闪岩；实心圆点南北大别白垩

42、纪花岗岩。斜长角闪岩；实心圆点南北大别白垩纪花岗岩。接上接上 核杂岩中的斜长角闪岩具有同灰色片麻岩相似核杂岩中的斜长角闪岩具有同灰色片麻岩相似的低放射成因铅的的低放射成因铅的Pb同位素组成（表同位素组成（表4）。）。 根据根据PbPb同位素组成对比表明，南、北大别白同位素组成对比表明，南、北大别白垩纪花岗岩的源岩应一致为深部的大别核杂岩垩纪花岗岩的源岩应一致为深部的大别核杂岩（主体为灰色片麻岩）。（主体为灰色片麻岩）。 南大别超高压片麻岩和榴辉岩具有相似的南大别超高压片麻岩和榴辉岩具有相似的Pb同位素组同位素组成，成， Pb同位素比值均高于同位素比值均高于核杂岩中的灰色片麻岩（表核杂岩中的灰色

43、片麻岩（表4和图和图10），它们的六个），它们的六个Pb同位素参数基本接近扬子的同位素参数基本接近扬子的B2-2亚省，尤其更接近南秦岭的中地壳上部的耀岭河亚省，尤其更接近南秦岭的中地壳上部的耀岭河群火山岩系（表群火山岩系（表4）。）。 0.080.10.120.140.160.18147Sm/144Nd-35-30-25-20-15-10-50Nd( 120Ma)Cretaceous granitoidsCC unitUHP unit Cretaceous granitoidOrthogneiss in CC unit Amphibolite in CC unit Gneiss in UHP

44、unitEclogite in UHP unit图图10 大别造山带白垩纪花岗岩和变质基底岩石大别造山带白垩纪花岗岩和变质基底岩石Nd(120 Ma)-147Sm/144Nd图解。图例同图图解。图例同图9。（3）讨论）讨论 南、北大别白垩纪花岗岩及其源岩南、北大别白垩纪花岗岩及其源岩深部大别杂岩深部大别杂岩（代表中（代表中-下地壳）均以低放射成因（低下地壳）均以低放射成因（低值）值）Pb同位同位素组成为特征，表明南、北大别地壳主体一致显示类素组成为特征，表明南、北大别地壳主体一致显示类似华北壳幔所具有的低似华北壳幔所具有的低Pb同位素比值。同位素比值。然而，上述大然而，上述大别造山带中三类岩石

45、（花岗岩、灰色片麻岩和斜长角别造山带中三类岩石（花岗岩、灰色片麻岩和斜长角闪岩）的闪岩）的 206Pb/208Pb比值（平均：比值（平均：0.4449 0.4382）及及206Pb/207Pb比值（平均：比值（平均：1.0655 - 1.0913) )均较华北均较华北 ( (基底岩石分别为基底岩石分别为0.4516和和1.1106, ,花岗岩分别为花岗岩分别为0.45610.4561和和1.226)1.226)为低为低, ,表明南、北大别陆壳均应归属于扬子表明南、北大别陆壳均应归属于扬子B2-1构造构造-铅同位素亚省铅同位素亚省( (206Pb/208Pb 平均：平均：0.4498, 0.44

46、98, 206Pb/207Pb平均：平均：1.0971) ，即应对应于西部的南秦岭。，即应对应于西部的南秦岭。 讨论（续）讨论（续） 大别造山带北侧北淮阳带大别造山带北侧北淮阳带(图图8）的晚古生代沉积地层）的晚古生代沉积地层一致显示接近北秦岭的高放射成因铅的一致显示接近北秦岭的高放射成因铅的Pb同位素组成，同位素组成，并可与紧贴商丹古缝合带南缘的弧前沉积和刘岭群并可与紧贴商丹古缝合带南缘的弧前沉积和刘岭群（由北秦岭岛弧提供碎屑物质）的（由北秦岭岛弧提供碎屑物质）的Pb同位素组成相对同位素组成相对比（表比（表5和图和图11），表明商丹缝合带东延应通过北淮阳），表明商丹缝合带东延应通过北淮阳带北

47、缘。从而，进一步证明南面的北大别，和南大别带北缘。从而，进一步证明南面的北大别，和南大别一样，应相当商丹缝合带南侧的南秦岭或扬子板块。一样，应相当商丹缝合带南侧的南秦岭或扬子板块。 近年在北大别发现多处榴辉岩，虽迄今尚未在其中鉴近年在北大别发现多处榴辉岩，虽迄今尚未在其中鉴定出确切的超高压柯石英，但高压变质岩这一事实已定出确切的超高压柯石英，但高压变质岩这一事实已完全可以证明北大别同样属于陆壳的俯冲盘，碰撞带完全可以证明北大别同样属于陆壳的俯冲盘，碰撞带应位于北大别的北面，这也支持北大别和南大别一样应位于北大别的北面，这也支持北大别和南大别一样应属于扬子板块俯冲碰撞陆缘。应属于扬子板块俯冲碰撞

48、陆缘。 北 淮 阳 北秦岭 北 淮 阳 项 目龟山群变玄武岩（3）古生代变沉积岩(7)*各类基底岩石及前晚古生代花岗岩类（50）商城-金寨中生代火山-侵入岩（6）*六安-舒城中生代火山-侵入岩（8）*华北 A3-2 亚省基底与花岗岩（27）206Pb/204Pb 18.206 19.342 18.324 17.328 16.284 17.300207Pb/204Pb 15.543 15.658 15.582 15.484 15.375 15.447208Pb/204Pb 38.484 39.843 38.319 38.292 37.065 37.971206Pb/208Pb 0.4764 0.

49、4851 0.4782 0.4526 0.4384 0.4556206Pb/207Pb 1.1713 1.2352 1.1759 1.1192 1.0567 1.1199207Pb/208Pb 0.4040 0.3932 0.4066 0.4044 0.4148 0.4068表表5 北淮阳晚古生代地层北淮阳晚古生代地层Pb同位素组成特征同位素组成特征*火山-侵入岩包括白垩纪玄武安山岩、玄武粗安岩、粗面岩、流纹岩、正长岩等，数据引自杨祝良等，1999。*古生代变沉积岩包括龟山组、南湾组和佛子岭群变质碎屑岩和碳酸盐岩。15.515.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.020

50、6Pb/204Pb208Pb/204Pb3637383940414215.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0206Pb/204Pb207Pb/204Pb北大别块体北淮阳刘岭群桐柏杂岩南大别超高压块体北大别块体北淮阳刘岭群桐柏杂岩南大别超高压块体15.115.715.315.9北秦岭块体南秦岭块体北秦岭块体南秦岭块体图 26 206Pb/204Pb vs. 207Pb/204Pb 和208Pb/204Pb 图（四）、秦岭古洋幔属于特提斯构造域洋幔类型（四）、秦岭古洋幔属于特提斯构造域洋幔类型1.特提斯构造域洋幔长期具有高特提斯构造域洋幔长期具有高207Pb/204Pb

51、和和DUPAL 异常特征异常特征 通过对环地中海特提斯构造域内中、新生代蛇绿岩通过对环地中海特提斯构造域内中、新生代蛇绿岩（Hamelin et al., 1984）、云南三江地区晚古生代古特提）、云南三江地区晚古生代古特提斯蛇绿岩（斯蛇绿岩（Zhang Qi et al., 1993）, 阿拉伯地盾区新元古阿拉伯地盾区新元古代（代（820870 Ma）蛇绿岩（）蛇绿岩（Pallister et al., 1988）的铅）的铅同位素数据对比研究，同位素数据对比研究，发现这些产出于特提斯构造域的发现这些产出于特提斯构造域的蛇绿岩的铅同位素组成绝大多数显示高蛇绿岩的铅同位素组成绝大多数显示高207

52、Pb/204Pb和和DUPAL异常特征，表明特提斯构造域的古洋幔至少由新异常特征，表明特提斯构造域的古洋幔至少由新元古代至今就具有类似现代印度洋幔和东冈瓦纳区地幔元古代至今就具有类似现代印度洋幔和东冈瓦纳区地幔的铅同位素组成特征的铅同位素组成特征。2. 2. 秦岭蛇绿岩与特提斯蛇绿岩的地球化学对比秦岭蛇绿岩与特提斯蛇绿岩的地球化学对比秦岭地区存在着新元古代松树沟蛇绿岩和晚古生代勉略蛇绿岩，为了证明秦岭古洋属于特提斯构造域类型，进行了秦岭和特提斯蛇绿岩中MORB型岩石的地球化学对比。(1) 秦岭蛇绿岩在高秦岭蛇绿岩在高207Pb/204Pb方面与特提斯蛇绿岩一致，而同太平方面与特提斯蛇绿岩一致，

53、而同太平洋域中的蛇绿岩的低洋域中的蛇绿岩的低207Pb/204Pb不同（图不同（图12）。）。图图12 秦岭蛇绿岩与特提斯域和太平洋域蛇绿岩中秦岭蛇绿岩与特提斯域和太平洋域蛇绿岩中MORB型岩石型岩石Pb同位素组成对比同位素组成对比1：松树沟蛇绿岩；2：勉略蛇绿岩。实线区为特提斯蛇绿岩组成范围；虚线区为太平洋带蛇绿岩组成范围，其中小实线区为低207Pb/204Pb的特提斯域中Samail和Zecca 蛇绿岩的组成范围（两者均显示DUPAL特征）。图13 秦岭蛇绿岩中MORB型岩石变质前和形成时铅的（207Pb/204Pb）t -（206Pb/204Pb）t图解1：松树沟蛇绿岩变质前（t= 40

54、0 Ma）同位素比值; 2:松树沟蛇绿岩形成时（t= 1000 Ma）同位素比值；3：勉略蛇绿岩形成时（t= 350 Ma）同位素比值；4：勉略蛇绿岩变质前（t= 240 Ma）同位素比值；5：阿拉伯新元古代蛇绿岩（t= 820870 Ma）长石铅同位素比值。图中标有值者为不同值的增长线；标有t者为不同时间的等时线。（2 2）秦岭蛇绿岩中秦岭蛇绿岩中MORBMORB型岩石的初始型岩石的初始PbPb同位素组成同位素组成图图14 秦岭和云南古特提斯蛇绿岩中秦岭和云南古特提斯蛇绿岩中MORB型岩石的型岩石的208Pb/204Pb206Pb/204Pb及及7 7/4Pb8/4Pb图解图解 1：松树沟蛇

55、绿岩；2：勉略蛇绿岩；3：滇西三江蛇绿岩。实线圈为松树沟岩石、 断线圈为勉略岩石的组成范围；虚线圈为三江岩石的组成范围（据Zhang Qi et al., 1993）. (3) 秦岭蛇绿岩均显示秦岭蛇绿岩均显示DUPAL型异常铅同位素组成特征型异常铅同位素组成特征(4) 通过计算得出的通过计算得出的8/4Pb值和值和7 7/4Pb值为值为： 松树沟蛇绿岩松树沟蛇绿岩MORB：8/4Pb=42.6109.5, 7 7/4Pb=10.117.7；勉略蛇绿岩勉略蛇绿岩MORB： 8/4Pb=45.4109.9, 7 7/4Pb=10.120.9； 松树沟和勉略蛇绿岩中变质橄榄岩：松树沟和勉略蛇绿岩中

56、变质橄榄岩：8/4Pb=68.678.8, 7 7/4Pb=6.722.9；表明秦岭蛇绿岩的表明秦岭蛇绿岩的MORB和地幔橄榄岩均显示出和地幔橄榄岩均显示出DUPAL异常特征。异常特征。(5) 松树沟和勉略蛇绿岩松树沟和勉略蛇绿岩MORB具有与特提斯域蛇绿岩具有与特提斯域蛇绿岩MORB完全可对比的完全可对比的Zr/Zr*、 Ti/Zr、 Ti/V、TiO2/P2O5和和Zr/Nb比值比值（表6）。表表6 秦岭与特提斯域蛇绿岩中秦岭与特提斯域蛇绿岩中MORB型岩石微量元素比值对比型岩石微量元素比值对比 项项目目 松松树树沟沟N-NORB 松松树树沟沟E-MORB 勉勉 略略 滇滇西西三三江江 印

57、印度度Phulad年年龄龄（Ma ） 1000 1000 C C-P 1012Zr/Zr* 0.9 - 1.6 0.6 - 1.14 1.15 -1.6 - 1.0 - 1.2Ti/Zr 59 - 120 87 - 116 101 - 106 58 - 90 70 -120Ti/V 15 - 26 23 - 40 16 - 26 23 - 56 23 - 32TiO2/P2O5 8.9 - 45 9 - 12 8.8 - 14 7.2 - 10.2 9 - 10Nb/Zr 12.7 - 18 5.3 - 12.6 64 - 92 15 - 24 11 - 26Zr/Zr*=Zr/(Sm+Nd)

58、/2，其中，其中Zr，Sm，Nd浓度均为浓度均为CI球粒陨石标准化值，球粒陨石标准化值，CI球粒陨石平均成球粒陨石平均成分引自分引自Anderson，1983。松树沟蛇绿岩数据引自周鼎武等，。松树沟蛇绿岩数据引自周鼎武等，1995。勉略绿岩数据引自许继锋等。勉略绿岩数据引自许继锋等，1997。印度。印度Phulad绿岩数据引自绿岩数据引自Volpo and MacDougall，1990。 总之，地球化学对比能够证明秦岭洋幔应属于特提斯构造总之，地球化学对比能够证明秦岭洋幔应属于特提斯构造域洋幔类型。古地磁研究表明，秦岭地区和扬子陆块在新元古域洋幔类型。古地磁研究表明，秦岭地区和扬子陆块在新元

59、古代至泥盆纪时位于南半球或赤道附近（刘育燕等，代至泥盆纪时位于南半球或赤道附近（刘育燕等，1993），这），这一结果也能支持上述论断一结果也能支持上述论断。三、深部过程的地球化学研究三、深部过程的地球化学研究（一）原理和方法（一）原理和方法1. 原理或思路：原理或思路：目前常需研究的壳幔作用深部过程包括：板块会目前常需研究的壳幔作用深部过程包括：板块会聚带壳幔再循环（洋壳俯冲）、陆壳俯冲、陆壳底侵、岩石圈拆聚带壳幔再循环（洋壳俯冲）、陆壳俯冲、陆壳底侵、岩石圈拆沉等。研究它们的共同途径是：通过岩浆的壳、幔源区的微量元沉等。研究它们的共同途径是：通过岩浆的壳、幔源区的微量元素和同位素示踪，判别岩

60、浆地幔源区中加入了何种物质，或者壳素和同位素示踪，判别岩浆地幔源区中加入了何种物质，或者壳源岩浆的源岩属于哪一构造单元，从而确定深部过程的性质与类源岩浆的源岩属于哪一构造单元，从而确定深部过程的性质与类型。对各深部过程揭示的思路是：型。对各深部过程揭示的思路是：洋壳俯冲：通过判定岛弧玄武岩幔源区中卷入了洋壳物质，尤其洋壳俯冲：通过判定岛弧玄武岩幔源区中卷入了洋壳物质，尤其远洋和陆源沉积物来证明；远洋和陆源沉积物来证明；陆内俯冲：通过判定断裂构造带一侧（上盘）构造单元中的岩浆陆内俯冲：通过判定断裂构造带一侧（上盘）构造单元中的岩浆作用是以另一侧构造单元（下盘）的岩层为源，进行证明；作用是以另一侧构造单元（下盘）的岩层