基于机器学习的大洋玄武岩构造环境判别研究

玄武岩的地球化学成分与其产出构造环境密切相关,是研究地球深部物质组成与动力学过程的重要岩石。为了判别玄武岩形成的构造环境,前人根据玄武岩的地球化学特征建立了一系列构造判别图,然而这些判别图仅限于二维或三维判别。随着全球玄武岩样品地球化学数据的爆发性增长,这些构造判别图逐渐暴露出其局限性强、准确率较低的缺点。在地学与大数据结合发展的背景下,利用机器学习方法有利于更全面和深入分析数据,建立高准确率和高效率的构造环境判别模型。因此,本文利用GEOROC和PetDB数据库,经过一系列数据下载、处理等步骤,建立了全球现代大洋玄武岩数据集。通过支持向量机(SVM)和随机森林(RF)机器学习算法,训练出高准确率的高维判别模型。本文分析了不同机器学习算法和不同地球化学成分数据集对现代大洋玄武岩构造环境判别的影响,并将各个判别模型应用于蛇绿岩数据当中,探讨机器学习模型在判别古老大洋岩石圈(蛇绿岩)形成构造环境下的应用前景。这项工作为大洋玄武岩形成的构造环境判别提供了更高维度的判别手段,是大数据时代下机器学习如何在地球科学领域应用的一次有益尝试。

大洋玄武岩的机器学习分析对化学地球动力学的启示

基于MORB和OIB的Sr-Nd-Hf-Pb同位素组成的二维和三维分布特征,前人构建起影响甚远的地幔研究范式。该范式假定地幔同位素组成分布于亏损端元(DM)和若干富集端元(HIMU, EM-1, EM-2)描绘的区域内,并推断在该区域的中心可能存在一个四者共享的“原始”端元(PREMA/FOZO)。然而,低维度的同位素观测与分析势必导致剩余数据维度丢失,只能呈现地幔同位素组成的“侧写”。

大洋玄武岩中元素对线性关系的一种解释

大洋玄武岩中,元素之间常常存在线性关系.本文应用批式熔融模型,解释了这一现象.

地幔和大洋玄武岩的钒同位素研究

钒(Ⅴ)是一个变价元素,其赋存状态和地球化学性质对环境的氧化还原条件非常敏感,因此Ⅴ同位素可以作为一个新的地球化学示踪剂来制约高温地质过程氧化还原条件的变化。随着多接收电感耦合等离子质谱仪(MC-ICP-MS)的发展,Ⅴ同位素的分析精度不断提高,高温地质过程的Ⅴ同位素分馏能够被分辨出来,使得Ⅴ同位素的高温地球化学研究得以开展。本文对地幔和大洋玄武岩的Ⅴ同位素组成进行了总结,综述了Ⅴ同位素在蚀变过程、部分熔融和分离结晶重要地质过程的分馏行为,对比了硅酸盐全地球与陨石之间Ⅴ同位素组成的差异,并探讨了高温Ⅴ同位素地球化学未来的发展方向。

酸洗预处理对大洋玄武岩Sr-Nd-Pb-Hf同位素组成的影响

玄武岩的Sr-Nd-Pb-Hf同位素可以用来识别地幔源区组成。全球90%以上的幔源岩浆产出于海底,因此目前学术界对地幔地球化学组成的认识绝大多数建立在对大洋玄武岩研究的基础上。然而幔源岩浆喷发到海底之后,会不可避免地与海水发生不同程度的相互作用,导致其同位素组成发生变化。X射线衍射分析显示,对大洋玄武岩样品进行酸洗处理,可以有效去除样品中的次生蚀变矿物,大大降低海水蚀变作用对大洋玄武岩同位素组成的影响。本文系统汇总了前人已发表的大洋玄武岩样品酸洗前后的Sr-Nd-Pb-Hf同位素数据,结合本文对西南印度洋洋中脊玄武岩样品开展的Sr和Nd同位素分析,发现酸洗前后大洋玄武岩的Sr、Pb同位素组成的变化较大,其变化范围明显超过实验测试的误差,而Nd-Hf同位素组成变化相对较小。通过汇总国际玄武岩标样BCR-2、BHVO-2等样品酸洗前后的Sr、Pb同位素数据发现,酸洗处理可显著提高标样数据的重现性。因此,当使用大洋玄武岩的同位素组成讨论其母岩浆及地幔源区地球化学组成时,我们建议在测试分析同位素前对样品和国际标样均进行酸洗处理。除此之外,本文总结了不同酸洗方法对酸洗效率的影响,推荐使用6 mol/L的HCl至少进行3次酸洗处理,每次20 min,以去除海水蚀变对大洋玄武岩Sr-Nd-Pb-Hf同位素组成的影响。

大洋玄武岩的三元混合特征及地幔的三元结构模式

本文综合分析了新生代大洋玄武岩的Pb、Sr、Nd同位素特征,并利用同位素混合方程,判别出大洋玄武岩均显示出很好的三元混合特征,提出了大洋地幔的三元结构模式。三个地幔端员成分分别代表了亏损地幔、高U/Pb比和高Th/Pb比地幔、富集地幔。修正了过去利用Sr-Nd负相关关系得出的二元地幔结构模式,作出了大洋玄武岩的Pb-Sr-Nd同位素相关图,并论证了Zindler等(1982)提出的“地幔面”是不存在的。本文还对部分岛弧及大陆玄武岩进行了讨论。

用非传统稳定同位素探索全球大洋玄武岩、深海橄榄岩成因和地球动力学的几个重要问题

2017年中国科学院海洋研究所"大洋岩石圈与地幔动力学实验室"建成。未来5年,该实验室在国家自然科学基金重点项目(编号:41630968)的资助下,用珍贵的太平洋、大西洋和印度洋洋中脊玄武岩(MORB)、辉长岩和深海橄榄岩(MORP)研究地球化学和地幔动力学的几个基本科学问题:1用Ti-Zr-Hf稳定同位素验证"Nb-Ta和Zr-Hf元素对质量分异的假说";2从MORB演化过程和地幔熔融过程检验目前对铁同位素分馏的基本假说,即重Fe同位素与Fe3+有亲和性,且比轻Fe同位素和Fe2+更不相容;3提出并试图检验地幔高氧逸度是板块构造的结果,即含有大量Fe3+的蛇纹石化大洋岩石圈地幔橄榄岩俯冲到深部地幔所致;4对代表性的MORB样品和中国东部新生代碱性玄武岩样品进行铀同位素研究,检验Andersen等(2015)有关地球演化过程中壳幔循环导致的内、外动力地质过程的相互关系。

大洋岛屿玄武岩低温蚀变作用及其对大洋过渡金属循环的贡献

用化学方法和ICP-MS方法分别对中、西太平洋海山富钴铁锰结壳产出区玄武岩的主元素、微量元素和稀土元素（REE）含量进行了测定,结果表明,研究区玄武岩经受了强烈的洋底低温蚀变作用,主元素成分发生了明显的变化,失去了原岩的特征.样品与新鲜大洋岛屿玄武岩（OIB）极为相似的稀土元素配分模式和微量元素含量特征表明,所研究的岩石属典型的大洋板内玄武岩.受洋底低温蚀变作用的影响,样品的Al2O3,Fe2O3,MnO、K2O,P2O5含量增加,MgO,FeO的含量降低.蚀变作用使大洋岛屿玄武岩中的镁、铁等活动组分大量流失,从而表现出相对富SiO2的特征（标准矿物计算结果中出现石英）.由于蚀变作用,活动组分的流失使样品的REE相对富集,而富REE铁锰氧化物在玄武岩气孔和裂隙中的沉淀不仅使样品的REE含量增大,而且引起轻稀土元素（LREE）与重稀土元素（HREE）分馏,表现为∑c（Ce）/∑c（Yb）值增大.以REE富集机制为基础,对样品中铁锰氧化物的沉淀量和单位质量新鲜玄武岩中活动组分的流失量进行了理论计算,结果表明,因低温蚀变作用所引起的新鲜玄武岩的单位质量亏损为0.150-0.657,而单位质量新鲜玄武岩中铁锰氧化物的沉淀量为0.006-0.042.主元素中以铁、镁的流失亏损最为明显,新鲜玄武岩中铁、镁的流失比例分别为18.28%-70.95%和44.50%-93.94%,超过了岩石总量的流失亏损比例（15.0%-65.7%）,因而样品相对贫铁、镁.其他元素的流失量和流失比例都很好地印证了地球化学研究的结果.样品中铝、钾、磷负的流失量是由于沸石在岩石气孔中的充填和岩石的磷酸盐化.理论计算结果和地球化学研究都表明,大洋岛屿玄武岩的低温蚀变向海水提供了大量金属,这是大洋海水中金属循环的重要环节.

大西洋中脊26°S玄武岩岩石成因及构造意义:来自Hf同位素的约束

大西洋中脊是慢速扩张洋脊的典型代表。本文以大西洋中脊26°S地区脊轴及海山玄武岩代表性样品为研究对象,开展系统的Sr-Nd-Pb-Hf同位素研究,并结合已发表的数据,探讨研究区玄武岩成因及地幔源区性质和演化,旨在为认识地幔不均一性和地幔柱-洋脊相互作用方式提供关键证据。样品主-微量元素与Sr-Nd-Pb-Hf同位素分析结果表明,所有样品均显示同位素富集的N-MORB特征。此外,大西洋26°S玄武岩主微量元素和同位素具有较大的变化范围,且同位素之间呈现出良好的相关关系,表明其是亏损软流圈地幔熔融的结果,但有富集组分参与。结合元素和同位素特征以及Sr-Nd-Hf同位素定量模拟结果,富集组分可能为Tristan da Cunha地幔柱残余组分,显示EMⅠ型富集地幔特征。同位素定量模拟结果表明:海山玄武岩地幔源区组成为约90%~95%的亏损组分和10%~5%的富集组分;而脊轴玄武岩地幔源区富集组分较少(<5%)。点位6、7海山玄武岩样品显示高放射成因Pb同位素组成,符合Dupal异常边界条件。定量计算表明,造成其异常的原因可能与EMⅠ型组分参与有关,这与同位素定量模拟结果相吻合。本文研究的同位素不同程度富集N-MORB可能的成因机制为:远端地幔柱-洋脊相互作用,即Tristan da Cunha地幔柱距离洋脊>1000km,地幔柱在运移至大西洋中脊的过程中,岩石圈厚度明显变薄,为减压熔融的发生提供了良好条件,使残余地幔柱物质不相容元素亏损,但同位素组成保留源区富集的特征。地幔柱残余物质到达大西洋中脊下方后,参与洋脊地区减压熔融,最终形成研究区不相容元素亏损且同位素富集的N-MORB。因此,本文研究的同位素富集的N-MORB可能记录了远端柱-脊相互作用和洋脊之下富集地幔柱物质再熔融的过程,为认识地幔不均一性提供了新的岩石学和地球化学证据。因此,地幔柱-洋脊相互作用不仅是E-MORB的可能成因,对理解N-MORB形成也有十分重要的意义。

西太平洋科学大洋钻探的地球动力学成果

西太平洋聚集了地球上大量的边缘海盆和俯冲带,在全球地球动力学研究中占有举足轻重的地位,一直以来都是大洋钻探的重点区域。文章通过归纳过去40年来科学大洋钻探在西太平洋的地球动力学成果,分析当前大洋钻探的现状,进而探讨仍然存在的问题及未来钻探的区域。钻探成果揭示了边缘海盆的演化过程,包括日本海盆的弧后海底扩张成因,菲律宾海的弧后扩张和残留弧的形成模式及南海构造演化过程。深海沉积物的研究及玄武岩的地球化学分析为海盆的扩张成因提供依据,同时为了解海盆扩张过程中的地幔演化过程提供重要信息。大洋钻探成果表明,俯冲倾角大小不仅影响俯冲工厂的动力学机制,而且对俯冲板块耦合性具有控制作用。目前日本南海海槽发震带钻探项目的最大钻探深度为3056米,未来几年有望获得发震带的岩石样本。对于西太平洋的两个重要构造单元-Shatsky海隆和翁通—爪哇海台的成因机制问题,大洋钻探获取的依据仍不能单一地支持某一个假说。在南斐济海盆及赫布里斯海盆发现的大洋红层的形成主要受控于海盆的海底扩张事件。苏拉威西海和南海发现的大洋红层直接发育在大洋玄武岩之上,可能为海盆的扩张起标定作用。虽然过去进行了大量的钻探工作,但因西太平洋边缘海盆具有很大的构造多样性和复杂性,仍然有很多科学问题有待进一步开展研究。

国际大洋发现计划IODP349航次

作为新十年国际大洋发现计划的首航,IODP349航次以研究南海构造演化和深海盆洋壳为重点,在南海中央海盆深水区完成了5个站位的取芯工作,钻探总深度4317m,其中沉积岩取芯1503m,基底玄武岩取芯近100m,获得的最大井深1008m。首次获得具有极高科学价值的大洋玄武岩、火山碎屑岩、深海钙质碳酸盐岩、浊流沉积岩、基底之上的半远洋沉积红层、富含有机质的浅海砂岩等岩芯,同时还完成了2个最深站位的地球物理测井工作,在地球动力学、大洋岩石圈演化、深海沉积学、深海极端微生物学等方面取得突破性科学进展。

布青山蛇绿混杂岩带查汗额热格玄武岩地球化学特征与构造意义

布青山蛇绿混杂岩带西端查汗额热格地区出露一套大洋板块玄武岩,主要由枕状玄武岩和球颗玄武岩组成,局部有块状玄武安山岩,且伴生有磁铁蛇纹岩和辉长岩,共同构成蛇绿岩带。为了解其岩石成因和形成的构造背景,对其进行了详细的岩石地球化学研究。研究表明:该套岩石属亚碱性系列,相对富集Rb、Ba、Sr等大离子亲石元素,相对亏损Nb、Zr、Th等高场强元素;稀土元素总量较低,且轻重稀土比值较小,球粒陨石标准化配分曲线呈微弱左倾;构造判别图则表明该玄武岩形成于洋中脊环境。综合前人研究成果,认为查汗额热格玄武岩形成于早石炭世—早二叠世,进一步表明东昆仑南缘地区存在晚古生代布青山-阿尼玛卿古特提斯洋分支洋盆。

西藏拉萨地块MORB型榴辉岩的岩石地球化学特征

松多榴辉岩的SiO2、Al2O3含量分别为45.3%～50.6%、12.93%～14.27%,K2O+Na2O为1.3%～2.8%,TFeO/MgO为1.11～2.02,CaO为10.4%～14.47%,K2O<0.3%,Na2O为0.97%～2.47%。总体上具有玄武质或辉长质岩石的成分特征,属于钙碱性系列,具有MORB的特征,表明其原岩来自大洋环境。松多榴辉岩大多数样品的稀土元素配分模式显示轻稀土元素亏损,无明显的Eu异常,重稀土元素平坦。微量元素蛛网图均显示从Zr到Yb属于平坦型,基本上未发生分馏。松多榴辉岩的LaN/YbN比值为0.19～0.56,LaN/CeN为0.75～0.81,LaN/SmN为0.37～0.81,三者均小于1;Hf/Th除了石英榴辉岩中的06Y-344样品为6.81外,其他样品为11.10～33.97,均大于8;Ce/Nb为2.72～19.02,均大于2;Th/Yb为0.01～0.10,均小于或等于0.1,也说明其原岩具有典型MORB的特征。锆石SHRIMPU-Pb定年获得松多榴辉岩的变质年龄为261Ma±5.3Ma,推测其原岩可能为古特提斯洋盆的残留。

化学地球动力学研究进展

化学地球动力学是地球化学与地球动力学之间的交叉学科,是20世纪末期地幔地球化学研究的热点和前沿。随着人们对板片-地幔相互作用机制及其地球化学效应的认识,化学地球动力学研究已经从地幔不均一性本身拓展到具体俯冲板片对地幔成分的影响。这个拓展为我们认识地球内部的运作机制、俯冲带壳幔相互作用和地幔不均一性的尺度等重要科学问题做出了重大贡献。本文系统回顾了大洋玄武岩成因与地壳物质再循环、大洋玄武岩源区的岩石学性质、板块俯冲与大洋玄武岩成因、大陆镁铁质超镁铁质岩成因和板片-地幔相互作用以及花岗岩成因与大陆动力学等方面的突出进展,对化学地球动力学领域存在的重要科学问题和今后的研究方向也提出了建议。

地幔Sr-Nd-Pb同位素演化的综合模型与n维同位素空间“地幔面”的地质意义

在 n 维的 Sr-Nd-Pb 同位素空间中,几乎所有的大洋中脊玄武岩(MORB)和洋岛玄武岩(OIB)都落在一个虚拟平面上,被称为"地幔面(mantle plane)"。"地幔面"描述了大部分玄武岩的同位素地球化学特征,是最重要的、也是最早提出的地幔动力学演化特征之一,但是长期以来关于"地幔面"的内涵和意义并不清楚。本文通过一个综合模型,反演受岩浆作用控制的地幔微量元素(包括各种同位素母体元素)分异、Sr-Nd-Pb同位素演化,并推导出地幔 Sr-Nd-Pb 同位素演化的二元参数方程形式。模型表明,通过部分熔融向地壳输出相对富硅、富碱的物质成分,是地幔长期演化的主要特点,这个过程受到两个参数—部分融融程度(F)和岩浆分离的时间(t)—的控制,即 n 维参数可化为2维,因此在 n 维同位素空间出现"地幔面"的特征。壳源物资循环,能够使局部地幔偏离"地幔面",就地幔总体统计特征而言,地壳混染的比例很低,不同的统计数据显示大约1%～6%的系统偏差,即可能的地壳混染程度;进一步模拟,可能作出更加精确的估算。

阿尔金红柳沟北南华纪火山岩地质特征及锆石U-Pb SHRIMP定年

研究区位于阿尔金山北缘,在前人所划蓟县系塔昔达坂群斯米尔布拉克组中解体出一套南华系火山岩,该套火山岩出露在阿尔金红柳沟北,在西部以枕状玄武岩夹紫红色硅质为主的大洋火山岩组合为主,东部则为玄武岩、枕状玄武岩、球颗玄武岩与英安岩、流纹岩及酸性火山灰凝灰岩构成的双峰式火山岩组合。其中玄武岩的主量、稀土、微量元素特征显示其为裂谷-大洋玄武岩,锆石U-PbSHRIMP定年为775Ma±14Ma,为南华纪早期,结合区域地质特征,我们认为红柳沟北一带火山岩为红柳沟-拉配泉大洋裂解初期的产物,说明阿尔金洋盆在南华纪已有一定的规模。

北祁连奥陶系地体中蓝片岩、绿片岩岩石矿物化学特征及地质意义

甘肃肃南县奥陶系构造地体中变质火山岩主要指蓝片岩、绿片岩及熔岩、凝灰岩。岩石化学特征表明,区内这些岩石属同源演化系列,多数为中基性,岩类属大洋拉斑玄武岩系列。与美国舒克桑岩套蓝片岩、绿片岩对比,两者具有相似的岩浆分异趋势,但肃南岩浆初始分异程度较低,相当现代FAMOUS区洋中脊岩石成分范围。进一步可分为LREE亏损组和LREE中等富集组,LREE亏损组也能与舒克桑蓝片岩和绿片岩类比,原岩产出环境为N型洋中脊。从矿物化学特征看,肃南硬柱石、绿纤石蓝闪片岩可与美国Cazadero硬柱石蓝片岩带、绿纤石蓝片岩带类比,板块运动造成的高压变质环境,发生在俯冲带内20km之上。

岩浆的密度、结构及流体动力学——八十年代火成岩研究新进展

对岩浆作用的全面认识,不仅要从化学过程去了解,还必须从物理过程去探索.几十年来,对岩浆作用的认识主要侧重于化学过程方面.70年代已开始重视了物理过程的研究.80年代对岩浆的物理性质以及岩浆作用的物理过程的认识,包括岩浆的密度、结构及流体动力学,获得了飞速的进展.随着这一学科前沿研究的深入,将会产生一系列的新认识.

秦巴区域岩石圈组成、构造发展与成矿规律的地球化学研究

指导本课题研究的理论构思为:在历史地球化学观点及构造运动和地球化学运动相互制约相互转化的观点的指导下,以区域岩石圈(地球化学系统)的组成与态状来制约区域内构造运动和地质作用(包括岩石和矿产形成作用)的性质与特征,同时以元素和同位素在构造-地质运动过程中的再分配和再循环,揭示区域岩石圈的演化与分区,从而使区域岩石圈研究同区域构造、成岩和成矿作用研究有机地结合起来。