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岩石大地构造花岗岩地质与华南花岗岩南京大学地科系周新民E-mail:xuezhou@nju.edu.cnM:1377050712620101026中国地大(北京)校游泳馆在中国地质大学(北京)讲座2岩石大地构造学问题花岗岩地质与人文花岗岩类型：划分识别实例起源存在问题花岗岩中岩石包体：长英-镁铁质岩浆混合作用花岗岩“石臼”:一种外动力效应花岗岩形成的构造环境：地质学家的关注华南晚中生代花岗岩成因讨论提纲岩石大地构造学问题地球的动力源地球运动基本框架(板块构造与地幔柱构造)全球有两个独立的动力体系——地球动力源区在核幔边界耗热能~10%耗热能~85%(据Davis1999《DynamicEarth》)哥伦比亚玄武岩黄石公园热点-地幔柱初始阶段地球历史上最不平静的场所地幔柱板块构造Vp8-10km/s湍流导致磁场外核-内核-地幔的物态和转速Vp的差异是全球动力之根源地球的纵剖面地核:间接证据证明地核由铁镍合金组成内核是固体外核是流体正是流体的湍流(约1m/h慢速)产生了地磁场磁极可倒转但反复无常间隔几千万年JeanlozR《科学》1984No.1月球磁场形成后6-9亿年内有磁场此后即消失其原因是岩浆上浮有磁场当岩浆中UTh衰变耗尽热使传导停止磁场消失地磁场与地核起始形成年代200745《自然》：对南非花岗岩中长石石英地磁场测试表明地球在32亿年前就已拥有相当强大磁场(比原25亿年提早7亿年)可以很好地抵御太阳风从而使地球大气层没有被逐渐剥离地球上的生物也免遭致命的辐射地磁场由地球液态金属核对流形成地幔柱-热点的数量1963年Wilson首先提出热点概念(CanJPhy41863~70)解释夏威夷-皇帝山火山链成因识别了16个热点1976年Burke&Wilson117个热点(SciAm23546~57)1979年Chase24个热点(Nature282464~8)1980年Crough&Jurdy42个热点(EPSL4815~22）FromYGXU玄武岩分布d≈1~2000km厚1~2km地形隆起裂谷（三叉型）岩墙群有两个分布在南太平洋和非洲（据全球P波层析资料）诱发：全球升温黑色页岩海面升高石油/矿产形成超级地幔柱(MaruyamaS1994JGSJapan10024~49)地质证据岩浆活动减压熔融柱头大玄武岩量多柱顶最热产生苦橄岩“污染”少柱侧温度低泛流玄武岩巨量高原玄武岩地幔柱地幔柱构造模型200km以下地球深部构造柱头呈蘑菇状因热柱上升快和地幔粘滞而不断变大热柱浮力导致岩石圈垂向运动柱头大小取决于起源深度来自核幔边界(2900km)时柱头d≈1000km至岩石圈底部(660km)时达2000km厚100-200km来自上-下地幔边界时柱头d≈500km地慢柱由热柱源区物质和周围地幔物质混合而成热柱源区物质富Os因地核富Os187Os/188Os高于原始地幔20%也富He高3He/4He代表去气的下地幔源柱尾细长主要来自核幔边界D’’(核幔边界附近地震波波速梯度异常低的地区）地幔柱活动导致生物大绝灭(66Ma和250Ma)和大火成岩省其面积＞10万km2厚5km短时(约3Ma内)快速喷发弯隆状地形玄武岩为主富LIL亏NbTa与大陆裂解时间匹配热点分布JohnA.Tarduno撰文(科学美国人2008年第2期):以太平洋上的皇帝海山为样本热点也在移动！颠覆传统的发现它让地质学家们惊呼板块漂移的坐标丢了让板块运动学说遭遇了前所未有的麻烦NamibiaJ1179±7Ma厚0.9km7800km2J3~K1140~110Ma厚1800m120万km2ParanaCFBs喷发于J3-K南大西洋打开时侏罗-白垩纪时冈瓦纳大陆裂解-打开前由超级地幔柱诱发的泛流玄武岩(据Cox1978Nature27447~49)地球上的伤疤东非裂谷系东支长5800km西支长1700km深1000－2000m宽30－200km形成于50Ma以来山高海拔5199m裂谷加宽几cm/年再过2亿年诞生第五大洋30多个深湖(-150m)13次火山喷发红海阿法尔大断层三周开裂8m红海将先成大洋厄埃两国成岛Science060720地幔柱隆升引起大陆裂解东非裂谷火成岩形成的构造环境岛弧-活动大陆边缘裂谷板内伸展挤/张-剪切-剪张(含滑脱)13425运动中的板块与运动速率板块聚敛三形式夏威夷岛链与地幔柱3.8-5.6Ma2.2-3.3一1.3-1.8＜1.00.7至今(《EARTH》Tarbuck&Lutgens)据岩石中钍和氦同位素研究地球上板块因热上涌而运动但不是一直在运动曾短暂停止于距今15亿和3.5亿年前《Science》080107洋-陆洋-洋陆-陆珠穆朗玛峰新高度为8844.43m051009珠穆朗玛峰岩石圈缩短2500km开始碰撞于55MaBP珠穆朗玛峰印度板块与欧亚大陆的撞击抬升了喜马拉雅山Nature2007世界第三极近60Ma年间印-藏碰境所致相关南中国海形成于近30Ma印度板块以高于一般4倍的20cm/年高速率向青藏推挤诱发巨量抬升和7-8级地震NatureOct2007地质历史上三个超大陆哥伦比亚超大陆距今19-15亿年前(Columbia)罗迪尼亚超大陆距今10-7.5亿年前(Rodinia)潘基亚超大陆距今2.9-2.5亿年前(Pangea)RodiniaPangea(《EARTH》Tarbuck&Lutgens)从Rodinia超大陆到Pangea超大陆(历时约5亿年)——Dalziel,I.W.D.,《科学》,1995,No5Pangea超大陆2.6亿年前裂谷扩张速率的估算：据火山岩组合和岩石结构A041223B041226里氏8.1级里氏9.0级04年12月震惊世界大海啸大地震重创7个亚洲1个非洲国家震力如1万颗原子弹死亡27万余人底浪时速800km上岸浪高30m造成海底长1300km高10m隆升型海隆050329里氏8.5级20073611:49苏门答腊6.6级200742所罗门群岛8.0级抬升海岛3m汶川地震里氏8.0级都是印度板块惹的祸板块与地震美国地勘局统计1900-2007“太平洋火圈”平均年发生19.4起里氏7.0级以上地震中生代环太平洋“火圈”与矿产新生代时环太平洋尚有12个岛弧西藏的季风树叶和荒漠化荒漠化上升的温暖干燥空气3000~4000米2000~3000米1000米以内大量的降雨小的单叶干冷气候锯齿边的中叶冷湿气候具有光滑边和“滴水叶尖”的大叶湿热气候从印度洋吹来的潮湿气流/风据青藏地调院报告1975年以耒荒漠化增长率8.3%现面积已达50.61万km2比30年前增加3.88万km2其原因是变暖少雨渡放牧工程旅游青藏高原不是中国和亚洲的水塔黄河源地区阿尼玛卿山哈龙冰川冰舌末端位置对比20071019816MatthiasKuhle摄20059JohnNovis摄花岗岩地质与人文翁文灏(1889-1971)与章鸿钊丁文江李四光一起被公认为中国地质科学四大奠基人之一初识和创建“燕山运动”最早研究中国花岗岩的先驱(1926)李四光(1889-1971)苏州花岗岩雕像南大地科系楼前黄汲清(1904-1995)最早(1937-1945)指出华南花岗岩的多时代性1927年翁文灏代表中国地质调查所与美方北京协和医院达成书面协议：①1928年起接受洛克菲勒基金会2.2万美元;②步达生负责开展周口店野外工作;③“一切标本归中国地调所所有,但人类学材料在不运出中国的前提下,由北京协和医院保管,以供研究之用。”④“一切研究成果在《中国古生物志》或中国地调所其他刊物,以及中国地质学会出版物上发表。”地质学研究与人文精神上犹花岗岩(γ3)跳马涧组(D2t)长石砂岩徐克勤铜像在南大第一个被发现被“假花岗岩”覆盖的是上犹花岗岩体：加里东期发现人徐克勤等(1957)由此开拓了华南地质研究新局面舒良树攝供花岗岩地质1第二个被发现被“假花岗岩”(残存古风化壳)覆盖的花岗岩是S-型休宁岩体：晋宁期休宁砂岩Z2休宁花岗岩休宁岩体休宁砂岩Z2休宁岩体皖南休宁县城北为堇青石石榴石花岗闪长岩33km2960Ma(全岩Rb-Srn=6)εNd(t)≈0侵位深度约24km由中晚元古代玄武岩-沉积岩部分熔融形成(研究于1958-1988)花岗岩地质2中Cd上Gt休宁岩体位于皖南休宁县城北为堇青石石榴石花岗闪长岩33km2960Ma(全岩Rb-Srn=6)εNd(t)≈0侵位深度约24km由中晚元古代玄武岩-沉积岩部分熔融形成(研究于1958-1988)下(-)(+)第二个被发现被“假花岗岩”(残存古风化壳)覆盖的花岗岩是S-型休宁岩体：晋宁期花岗岩地质2Cd残留ZirZirBi+FeTiOxide花岗岩类岩石是含石英的侵入岩(含侵出岩)而花岗质岩石其含义更广还包括相应喷出岩狭义花岗岩指碱性长石数量(面积/体积%)≥或≈斜长石而石英约占矿物总量1/3的花岗岩类花岗岩类岩石约占我国大陆面积9％(80余万km2)分布于各种大地构造单元是大多数金属矿产的成矿母岩/母岩浆鉴此花岗岩类岩石是研究地壳发生演化成矿过程的重要对象川西1997——花岗质岩石是水平岩层之外构成旅游自然景观唯一地质体南岭花岗岩二云母花岗岩εNd(t)-10.6广东翁源下庄TDM1.76Ga石榴石花岗岩εNd(t)-10.7江西大余西华山TDM1.8Ga方钠正长岩εNd(t)0.15~20广东从化石岭TDM0.95~6Ga霓辉石正长岩εNd(t)+3.2~5江西龙南塔背TDM0.72~68Ga富角闪石花岗闪长岩广东兴宁罗浮糜棱岩化花岗岩广西猫儿山＞95%呈块状构造在伸展环境下取得置放空间少量/局部呈叶理状受糜棱岩化所致εNd(t)+3.2~+3.5TDM0.72~0.68Ga花岗岩标本花岗岩类型划分识别实例起源存在问题花岗岩类矿物组合及与其他岩石关系花岗岩类花岗岩Q石英A碱性长石P斜长石依据QAP三种实际矿物相对含量决定具体岩石名称块状花岗岩类一般形成在伸展构造应力环境片麻状花岗岩类一般形成在区域剪切应力环境在岩石名称之前加前缀“片麻状”Q+A+P=100%(Clarke,1992)纵座标为ASI即ACNK=Al2O3/(CaO+Na2O+K2O)分子数据铝饱和度(ASI)对花岗岩分类ASI即ACNK花岗岩岩类的ACNK(即ASI)值及其在北美分布频率(据北美365个花岗岩资料Chayes1985)图幅下部显示：I-S-A-M-Gr的A/CNK值范围花岗岩成因类型比较I-型花岗岩1.1含黑云母板内/岛弧壳-幔多数1.0褐帘石/断裂构造混合起源S-型花岗岩1.0含白云母/堇青石板内多数1.1/石榴石/电气石地壳起源/红柱石A-型花岗岩1.1可含霓辉石/霓石板内/岛弧/钠铁闪石/钠闪石与裂谷/地幔起源地幔柱有关花岗岩类型A/CNK※特征矿物形成环境物源花岗岩类型与成因的简易鉴别※ACNK=全岩Al2O3/(CaO+Na2O+K2O)分子数花岗岩(Gr)黑云母(B)白云母(M)始熔曲线之间关系图面显示S-型花岗岩中常见的白云母不存在于浅位花岗岩中而黑云母结晶于各种深度形成的花岗岩中(据HSYoder1954&PjTurner1960)MMGB温度℃PH2O(kb)6007009001000321I-型花岗岩类岩石系列中1-4不同压力下角闪石结晶早晚(相对于另三种矿物)反映成岩时相对深度安山质岩石固相线(S)和液相线(L)在磁铁矿(Mt)稳定的中等氧压下与单斜辉石(Cpx)磁铁矿斜长石(Pl)熔融曲线和角闪石稳定曲线关系(据MCGilbert1982)S温度MtPlCpxL1Amp–Cpx–Mt-Pl2Cpx–Amp–Mt-Pl3Cpx–Mt–Amp-Pl4Cpx–Mt–Pl-Amp压力花岗质熔体的形成aP-t简图(阴影表示熔体发生区)b含白云母黑云母地壳物质熔融时熔体数量(据Clarke,1992;Vielzeufetal.,1988)与消减作用有关的高Mg玄武岩和玄武安山岩微量元素丰度与H2O含量关系(墨西哥城南第四纪Chichinautzin火山)图面上H2O含量据相应岩石中高压熔体