霞石岩的成因及深部碳循环

霞石岩是以发育霞石和单斜辉石斑晶为特征的过碱性火山岩,其单体出露体积较小,常以碳酸岩-碱性杂岩体或小体积熔岩流的形式广泛分布在板内环境中,产出的时代跨度大(从太古宙至今),产出量总体上随地球的演化而增多。通常认为霞石岩在喷发过程中上升速度快且较少受到地壳物质混染,可以很好地反映地幔源区特征。然而,目前对其源区性质仍存在争议,其争论的焦点在于源区是否存在碳酸盐,即碳酸盐化源区是否是霞石岩形成的必要条件。本文基于全球各地霞石岩的地质-地球化学数据分析,将其分为两组:第一组霞石岩的SiO_(2)和碱含量(Na _(2)O+K_(2)O)变化范围较大,出现Rb、K、Pb、Zr、Hf、Ti、Y元素的负异常,放射性同位素组成普遍较为亏损;第二组相较第一组具有更高的SiO_(2)、碱含量,更低的MgO、TiO_(2)、P_(2)O_(5)含量和Na _(2)O/K_(2)O比值,并出现U、Nb、Pb、Zr元素的正异常以及Ti元素的负异常,Nb-Ta及Zr-Hf发生分馏,放射性同位素组成较第一组更富集。结合实验岩石学结果,研究认为第一组霞石岩的原始熔体为碳酸盐化榴辉岩部分熔融熔体与地幔橄榄岩反应形成的富碳硅酸盐熔体,其直接喷发或只经历低程度的分离结晶作用;第二组霞石岩与第一组霞石岩具有相似的源区特征,但熔体经历了强烈的分离结晶及不混溶作用。因此,碳酸盐化源区是霞石岩形成的必要条件。对霞石岩露头的时间分布进行统计发现,霞石岩最早形成于太古宙,但形成量在约550Ma和80Ma突增,碳酸盐俯冲通量的增加可能是导致霞石岩形成量突增的原因,而形成于太古宙的霞石岩说明太古宙地幔中存在局部的“碳”富集或输入。

地壳再循环与大陆碱性玄武岩的成因：以山东新生代碱性玄武岩为例

大陆碱性玄武岩在地球化学特征上与洋岛玄武岩高度相似,被看做是板内玄武岩在大陆上的典型代表。本文以山东新生代碱性玄武岩为例,探讨大陆碱性玄武岩的成因。山东新生代碱性玄武岩按时空分布特征可以分为两类:早期定向分布、相互平行的三个火山群(包括鲁西的潍坊火山群、沂水火山群和胶东的蓬莱火山群)和晚期杂乱分布的孤立小火山。早期火山群碱性较弱,以碱性橄榄玄武岩和碧玄岩为主,微量元素特征和同位素组成变化大;晚期孤立小火山碱性强,以碧玄岩和霞石岩为主,微量元素特征和同位素组成较均一。因此,从岩性组成和时空分布特征看,山东的火山群相当于洋岛/海山的造盾期玄武岩,而孤立小火山接近于洋岛/海山上的复苏期玄武岩。潍坊火山群和沂水火山群在Sr-Nd,Nd-Hf同位素相关图上都存在从亏损到富集的两端元混合排列趋势,但两者的排列趋势有一点区别。其中同位素富集的端元相对于原始地幔具有偏低的Ce/Pb比和偏高的Ba/Th比,指示其为大陆下地壳物质。同时,这种富集端元的Th/La比值明显低于大陆下地壳的平均值,其放射成因Hf相对于放射成因Nd过剩(即Nd-Hf同位素解耦),说明这种富集端元不是岩浆上升过程中混染的下地壳物质,而是经历过早期熔融的再循环大陆下地壳(榴辉岩或者石榴辉石岩)。鲁西两个平行火山群在同位素排列上的区别类似于夏威夷玄武岩中的KEA链和LOA链,因此,山东的平行火山群的深部动力学背景可能是地幔柱,再循环大陆下地壳物质可能是这种地幔柱的重要组成物质。晚期的孤立小火山在地球化学特征上与火成碳酸岩非常相似,如在原始地幔标准化图上都具有K,Pb,Zr,Hf,Ti的负异常等特征,因此我们认为其地幔源区为碳酸盐化的橄榄岩。孤立小火山中等亏损的Sr,Nd,Hf同位素特征支持碳酸岩熔体来自年轻的(中生代?)再循环洋壳。

浙江新昌-嵊州新生代玄武岩的Ca同位素组成:对华南新生代玄武岩源区成分的启示

本次工作首次报道了浙江中带新昌-嵊州新生代玄武岩的Ca同位素组成。新昌-嵊州新生代玄武岩具有相对均一的δ44/40Ca值(0.62±0.07)‰^(0.71±0.05)‰,平均值为(0.68±0.07)‰,这些值远低于硅酸盐地球(BSE)((0.94±0.05)‰)、正常型大洋中脊玄武岩(N-MORB)及绝大多数洋岛玄武岩(OIBs)的δ44/40Ca值。新昌-嵊州玄武岩Sr(Nd)同位素和全岩Ce/Pb、Zr/Hf与Ca/Al比值具有明显的负(正)相关关系,而与Ti*具有正(负)相关关系。这个现象意味着新昌-嵊州玄武岩起源于不均一的地幔源区,其成分变化可以通过两个不同的岩浆混合形成。本次工作推测两个源区分别为碳酸盐化岩石圈地幔和类似于海南岛玄武岩地幔源区的地幔集中带(FOZO)组分。新昌-嵊州玄武岩异常低的δ44/40Ca值可能继承自两个Ca同位素组成相似且具有较低δ44/40Ca值的岩浆。

西太平洋麦哲伦海山群Hemler、Vlinder和Il’ichev海山熔岩的成因及其形成的深部动力学机制

经典的“地幔柱假说”能够很好解释年龄随空间位置线性变化的大洋板内火山链的成因.而位于西太平洋的众多海山群,空间分布广、年龄-位置关系杂乱,很难用经典的“地幔柱假说”来解释,其成因存在争议.本研究选择西太平洋麦哲伦海山群Hemler、Vlinder和Il’ichev海山熔岩,对其进行40Ar-39Ar年代学、主量和微量元素以及Sr-Nd-Pb-Hf同位素分析,来揭示其岩石成因和形成的深部动力学机制. Hemler、Vlinder和Il’ichev海山熔岩属于碱性玄武岩、碧玄岩/霞石岩和粗面岩, MgO>8wt.%的熔岩具有较高的CaO、FeOT和TiO2含量,是碳酸盐化榴辉岩熔融的熔体与橄榄岩反应的产物.这些熔岩具有较高的Zr/Hf比值(40.6~45.2)和Zr-Hf负异常,指示它们的地幔源区存在碳酸盐组分. Hemler、Vlinder和Il’ichev海山熔岩富集不相容元素,其Sr-Nd-Pb-Hf同位素显示EM1(1型富集地幔)特征,与Rarotonga和Samoa热点相似.虽然产出于同一个海山, Il’ichev碱性玄武岩与Il’ichev碧玄岩的同位素组成明显不同:前者具有更为亏损的Sr-Nd-Hf同位素特征.结合板块构造恢复结果, Hemler(100.1Ma)、Vlinder造盾前(100.2Ma)和造盾期后((87.5±0.4)Ma)以及Il’ichev((56.4±1.2)Ma)海山熔岩的形成时间明显偏离了南太平洋Macdonald、Arago、Rarotonga和Samoa热点的运移轨迹,因此它们并非来源于深部地幔柱的直接熔融,更可能是浅部过程的产物.麦哲伦海山群所在的大洋板块的一个典型特征是:岩石圈断裂带在该区域广泛分布.我们提出,在中白垩世当麦哲伦海山群所在的太平洋板块经过Rarotonga地幔柱上方时, Rarotonga地幔柱直接熔融形成Vlinder(造盾期)、Pako和Ioah海山.随着地幔对流分散在周围软流圈中的Rarotonga和Samoa地幔柱物质,在岩石圈裂隙处发生减压熔融,形成Hemler和Vlinder造盾前和造盾期后熔岩;Il’ichev海山碱性玄武岩和碧玄岩是岩石圈裂隙诱发的软流圈中不均一富集组分熔融的产物.这种不均一组分最可能是滞留在软流圈中的不同地幔柱的物质,也有可能是残留在软流圈中的再循环的地球表层物质.