壳幔作用途经及其判定的地球化学方法

张丽倩

(陕西国际商贸学院 珠宝学院，陕西 咸阳 712046)

0 引言

前人研究证明，形成地球的原始地壳是由地幔通过部分熔融产生的岩浆上侵和喷发而成。由于软流圈是地幔岩浆的主要发源地，因此，软流圈地幔和岩石圈地幔以及地壳三者之间的物质交换过程很关键，且近年来，底侵作用和拆沉作用被用来解释三者之间的物质交换及其造成的山脉隆升、盆地形成过程和陆内大规模岩浆作用等现象。

1 壳幔作用的途经

1.1 底侵作用(underplating)

底侵作用是指来自深部的岩浆向上侵位、添加和囤积的过程，它包括两种情况：来自上地幔部分熔融产生的基性岩浆侵入或添加到下地壳底部以及下地壳(包括壳幔混合层) 岩石的部分熔融形成的岩浆向中上地壳的侵位和添加[1]。目前探明的壳幔混合层中的“层状”，一方面可能是物质成分的互层，另一方面也可能是不同时期多次底侵作用的结果。如澳大利亚东南部大量下地壳包体主要为基性辉石麻粒岩和石榴石麻粒岩。该区的下地壳是在很长时间内通过多次基性岩浆底侵作用形成的。反射和折射地震成果也证实这个底侵层状基性岩体代表了壳—幔过渡带(5～15km)[1]，Vp 从6.5 km/s 渐变为7.5km/s，符合壳幔混合层的波速结构和岩石特点。

底侵作用不仅是壳幔混合层的物质来源，也是混合层物质过程的驱动因素之一。底侵作用提供的热可以使壳幔混合层内的物质部分熔融并进一步向中上地壳侵位。壳幔混合层的不断加厚，还会引起拆沉作用，促使壳幔混合层的物质重新返回地幔，构成壳幔物质循环。

1.2 拆沉作用(delamination)

拆沉作用的概念最初是由Bird[2-3]提出的。他分别讨论了喜马拉雅造山带的花岗岩浆作用、变质作用和伴随的隆升作用机制以及科罗拉多高原岩浆作用机制。前者热模拟表明，逆冲断层和放射性产生的热不足以造成地壳熔融产生喜马拉雅花岗岩和变质作用而需要另外的热源。后者，板块俯冲作用难以解释科罗拉多高原的隆升和岩浆作用。Bird[2-3]用拆沉作用引起软流圈上升至地壳底部带来的热和岩浆活动来解释两种情况。然而Sleep 等[4]在讨论密执安盆地沉降机制时，实际上已涉及拆沉作用的思想。Hou-seman 等[5]从连续介质力学角度研究表明造山带地幔根应迅速沉入下伏软流圈对流系统中，也即拆沉作用。

狭义的拆沉作用即大陆下岩石圈地幔由于较软流圈温度低，故密度较大，由此产生重力不稳定性，当存在适合的裂隙时，岩石圈地幔将沉入软流圈地幔中。Houseman 等[5-6]提出的对流减薄(convective thinning) 模型认为，由于密度较大的岩石圈地幔覆于密度较小的软流圈地幔之上将造成对流，如此同样会使岩石圈地幔沉入软流圈中并使得岩石圈减薄。目前，人们将这两种机制均称为拆沉作用[6-7]。现在，拆沉作用应泛指由于重力的不稳定性导致岩石圈地幔、大陆下地壳或大洋地壳沉入下伏软流圈或地幔的过程。

2 壳幔作用的地球化学证据和方法

地壳通过消耗地幔而得以增生已普遍达成共识，但对地壳，尤其陆壳，能否以某种方式进入地幔仍然存在争议，我国大别—苏鲁超高压变质岩中含金刚石和柯石英榴辉岩的发现是陆壳岩石进入地幔的重要证据，此外还有以下证据。

2.1 岛弧岩浆岩的地球化学研究

地球化学表明，岛弧岩浆岩在形成过程中有俯冲的陆源沉积物的贡献[4-6]，这得益于B 元素和10Be 以及Sr，Nd，Pb，Hf 等同位素的研究。

10Be 为放射性元素，半衰期为115Ma，来源于大气中氧和氮的衰变，之后在富粘土的沉积物中富集，导致海洋中最上部沉积物具有较高的10Be 含量，其N(10Be)/N(B)比值可达5000×10-11，远比洋中脊玄武岩(MORB)、洋岛玄武岩(OIB) 和大陆地壳中的＜5×10-11值高。研究发现，与俯冲成因有关的岛弧岩浆岩的一个重要特点是相当高的N(10Be)/N(B)比值，暗示俯冲的年轻的沉积物曾明显参与了岩浆的形成[7-8]。B 是10Be 性质相近的另一元素，在海洋沉积物和蚀变的洋中脊玄武岩中含量甚高，因此，10Be 与B 的联合运用可明确指示岛弧岩浆岩中沉积物的参与情况[9]。研究表明，岛弧熔岩明显具有w(B)/w(Be)与N(10Be)/N(Be)呈正相关的特点；且部分岛弧熔岩的w(B)/w(Be)值甚至比俯冲的沉积物还要高，反映有来自更高的w(B)/w(Be)值组分的加入，这种组分既可能是蚀变的洋中脊玄武岩或海洋沉积物，也可能是上升的与沉积物有关的流体。

微量元素及其原子比值或长半衰期的同位素研究结果也得出同样的结论。如Hawkesworth 等(1993)的研究发现[7]，存在w(Ce)/w(Yb)值明显不同的两类岛弧岩套，其中具高w(Ce)/w(Yb)值的岩套具有较高的不相容元素含量、较大的Sr，Nd 同位素比值范围和较高的N(207Pb)/N(204Pb)与N(208Pb)/N(204Pb)值，在Pb-Pb 同位素图上具有较陡的斜率，这些特征都应归因于俯冲的海洋沉积物的熔融。在利用地球化学方法来讨论大陆内部和岛弧地区岩浆岩成因时，必须考虑岩浆上升过程中陆壳物质的混入因素，而海洋玄武岩就避开了这一问题。

2.2 拆沉作用的地球化学证据

Eu 异常(Eu/Eu＊)是示踪地壳演化和壳—幔交换作用的重要探针。幔源岩石通常无Eu 异常，表明由地幔形成的新地壳同样不具Eu 异常。花岗岩浆活动引起的壳内分异作用，使上地壳和由上地壳风化、剥蚀而成的碎屑沉积岩具明显负Eu 异常，而残余的下地壳具正Eu 异常。底侵作用产生的下地壳亦具明显的正Eu 异常，如一般认为产于玄武质火山岩中的基性麻粒岩为底侵作用的产物，全球基性麻粒岩包体的平均Eu/Eu＊为1.18[9]。大陆上地壳Eu/Eu＊为0.65～0.75[10]。根据前人已发表的大别—苏鲁榴辉岩131 件样品稀土元素含量获得的平均Eu/Eu＊为1.15。因此，榴辉岩质或基性麻粒岩质的下地壳拆沉后，不仅造成大陆地壳总体成分向长英质方向演化，同时亦向负Eu 异常方向演化。Wedepohl、高山等[10]先后将此作为判断下地壳拆沉作用的地球化学依据。

［1］金振民，高山.底侵作用(underplating)及其壳-幔演化动力学意义[J].地质科技情报，1996.

［2］Bird P.Initiation of intracontinental subduction in the H imalaya [J].Geophys.Res，1978.

［3］Bird P.Continental delamination and the Colorado Plateau[J].Geophys.Res.，1979.

［4］Sleep N H，Snell N S.Thermal contraction and flexure of mid-continent and Atlantic marginal basins.Geophys[J].Roy.Astron.Soc.，1976.

［5］Houseman G A，McKenzieD P，Molnar P.Convective instability of a thickened boundary layer and its relavace for the thermal evolution of continental convergent belts[J].Geophys.Res.1981.

［6］Houseman G.From mountains to basin[J].Nature，1996.

［7］Seber D，BarazangiM，Ibebrahim A et al.Geophysical evidence for lithospheric delamination beneath the Alboran Se and R if-Beticmountains[J].Nature，1996.

［8］Rudnick R L，Fountain D M.Nature and composition of the continental crust：a lower crust perspective[J].Rev.Geophs.1995.

［9］高山，金振民.拆沉作用（delamination）及其壳-幔演化动力学意义[J].地质科技情报，1997.