俯沖的太平洋板塊與中國東部新生代玄武巖起源：來自水含量和氧同位素的制約.pdf

1、數(shù)十年來，大陸板內(nèi)玄武巖的起源一直是國際上地球科學(xué)研究的前沿和熱點問題，而廣泛分布于中國東部乃至整個東亞地區(qū)的新生代大陸堿性玄武巖為研究這一問題提供了重要窗口。最近，隨著新的地球化學(xué)研究手段（巖漿水含量、斑晶的氧同位素組成、全巖的Mg同位素組成，熔體包裹體的成分等）被應(yīng)用于示蹤玄武巖地幔源區(qū)中富集組分，再循環(huán)洋殼組分越來越多地被認(rèn)為是源區(qū)富集組分的主要來源。地震層析成像顯示俯沖地太平洋板塊滯留在中國東部的地幔過渡帶，因此玄武巖源區(qū)的再循

2、環(huán)洋殼組分被更多的與太平洋板塊聯(lián)系起來。然而，中國東部經(jīng)歷了多期的俯沖事件（例如:Paleo-Tethyan，Paleo-Asian或Izanagi板塊俯沖），這些再循環(huán)的洋殼組分同樣可能來自于古老的俯沖板塊。目前尚沒有直接的證據(jù)表明中國東部新生代玄武形成是否與位于地幔過渡帶的太平洋板塊有關(guān)。
　　為了研究太平洋板塊俯沖與中國東部板內(nèi)玄武巖起源之間的聯(lián)系，本文從玄武巖水含量、斑晶氧同位素組成以及地幔源區(qū)時間和空間上的不均一性的角度

3、，選取位于中國東北地區(qū)的雙遼、烏蘭哈達(dá)、柴河-阿爾山和小古里河新生代玄武質(zhì)火山群作為研究對象，詳細(xì)地分析了全巖的主、微量元素，單斜輝石斑晶的主量元素、水含量和氧同位素的組成，通過最早結(jié)晶的單斜輝石斑晶的水含量結(jié)合水在單斜輝石斑晶（鎂值Mg＃＞75）和熔體之間的分配系數(shù)計算得到“原始”巖漿的水含量。
　　對于雙遼玄武巖，單斜輝石斑晶的氧同位素(δ18O)從4.10‰變化到6.73‰，類似于經(jīng)典的蝕變洋殼氧同位素的變化特征。另外，氧同

4、位素與全巖的Eu和Sr的異常存在相關(guān)性。這些都指示其地幔源區(qū)存在再循環(huán)洋殼組分。經(jīng)過計算，雙遼玄武巖“原始”水含量為0.90-3.06wt.％,明顯高于MORBs(大洋中脊玄武巖)和OIBs(洋島玄武巖)的水含量。結(jié)合雙遼玄武巖顯著的K正異常以及全巖H2O/Ce與Ba/Th，Ce/Pb比值之間的相關(guān)性，推測其源區(qū)還存在富水沉積物組分。
　　不同于雙遼玄武巖，位于太平洋板塊俯沖最前緣的烏蘭哈達(dá)玄武巖具有相對低的水含量(0.21-0.

5、69 wt.％)，介于MORBs和OIBs之間。單斜輝石斑晶具有較高的氧同位素組成(5.49-7.38‰)，顯著高于典型MORB和地幔橄欖巖中單斜輝石的氧同位素組成。另外，烏蘭哈達(dá)玄武巖全巖的H2O/Ce比值與全巖的87Sr/86Sr,Ba/Th，Nb/La，Nb/U和Ce/Pb比值之間存在相關(guān)性。這些說明了其源區(qū)中存在脫水的沉積物和再循環(huán)洋殼組分。
　　柴河-阿爾山火山群由超過35座第四紀(jì)(＜2Ma)玄武質(zhì)火山組成。不同樣品之間

6、單斜輝石斑晶的氧同位素組成和“原始”熔體水含量變化范圍很大(4.27-8.57‰，0.23-2.70 wt.％)，指示其地幔源區(qū)化學(xué)組成的高度不均一性。另外，單個樣品內(nèi)部單斜輝石斑晶氧同位素組成和水含量同樣具有很大的變化范圍，表明在火山噴發(fā)前發(fā)生了快速的巖漿混合作用。其斑晶的氧同位素組成，全巖的H2O/Ce和Ba/Th比值，Eu異常之間的關(guān)系說明柴河-阿爾山玄武巖地幔源區(qū)中存在三個組分（再循環(huán)蝕變上部洋殼和沉積物，蝕變的下部輝長質(zhì)洋殼和

7、周圍地幔）。
　　對于小古里河超鉀質(zhì)火山巖，計算得到的水含量和H2O/Ce比值很低(0.36-0.50 wt％，～15)，顯著低于中國東部鈉質(zhì)堿性玄武巖。這意味著其源區(qū)中富K組分是相對“干”的。結(jié)合其高的橄欖石斑晶氧同位素比值，低的全巖20Pb/204Pb比值和較高的全巖87Sr/86Sr比值，推測脫水的古老沉積物組分很可能是小古里河超鉀質(zhì)玄武巖源區(qū)中富鉀組分的來源。
　　由于地幔不同圈層之間的含水性差異很大，因此水含量可以

8、成為示蹤大陸玄武巖來源的有力證據(jù)。根據(jù)玄武巖“原始”熔體的水含量，源區(qū)的部分熔融程度和水的分配系數(shù)，我們計算了中國東部新生代玄武巖源區(qū)的水含量。其中，最保守估計的水含量是150-4000 ppm(大部分超過500 ppm)，仍然顯著的高于相應(yīng)地區(qū)地幔橄欖巖的水含量。并且中國東部新生代玄武巖源區(qū)的水含量與橄欖巖包體的水含量呈現(xiàn)不同的空間變化特征，這更加清晰地表明巖石圈地幔并不是這些玄武巖的源區(qū)。另外，除了海南島，地球物理的觀測并沒有發(fā)現(xiàn)中

9、國東部存在深部地幔柱的痕跡，而且位于地幔過渡帶的太平洋板塊也會阻擋深部地幔柱的上涌。因此，具有高水含量特征的中國東部新生代板內(nèi)玄武巖只可能來源于富水的地幔過渡帶。對單個火山群中研究發(fā)現(xiàn)，不同的再循環(huán)洋殼組分（沉積物，上部洋殼，下部洋殼）對地幔源區(qū)的貢獻(xiàn)隨時間有強(qiáng)烈變化（例如，柴河-阿爾山玄武巖，雙遼玄武巖）。由于太平洋板塊正不斷地向中國東部俯沖，持續(xù)地向地幔輸送再循環(huán)物質(zhì)，因此這種地幔源區(qū)時間上的不均一性很可能是由持續(xù)俯沖地太平洋板塊俯

10、沖引起的。換句話說，位于地幔過渡帶的太平洋板塊很可能是中國東部新生代玄武巖源區(qū)富集組分的主要來源。
　　統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，中國東部新生代玄武巖的水含量和H2O/Ce比值變化很大(0.19-3.89 wt.％，12-737)，大部分高于典型的OIBs的水含量。值得注意的是，靠近太平洋海溝的玄武巖的水含量和H2O/Ce比值（雙遼，山東和浙江）要高于遠(yuǎn)離太平洋海溝的玄武巖的水含量和H2O/Ce比值（烏蘭哈達(dá)，小古里河和太行山），除了柴河-阿爾山