简介
地幔捕虏体是研究克拉通下方岩石圈地幔演化的关键对象，但在缺乏地幔捕虏体的情况下，如何利用富集玄武岩反演深部岩石圈地幔的性质和过程仍然有待探索。中国地质大学（武汉）戴宏坤研究员等收集了有关华北西北部早白垩世富集型玄武质岩石的文献数据, 并利用地球化学和热力学模拟手段对数据进行了重新的分析和评估。研究提出玄武岩FeO-TiO2含量受早期结晶分异影响较弱且对源区属性敏感，Tb/Yb是揭示岩石圈厚度和地幔热状态的有效指标；研究发现华北西北部在早白垩世具有薄的饱满地幔，显著区别于华北东部厚的难熔地幔，指出华北克拉通根的丢失是穿时的，与环克拉通汇聚作用有关。相关成果发表在《中国科学：地球科学》2024年第10期。
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克拉通是地球上最古老的大陆地块，通常具有巨厚、低温、低密度且难熔的岩石圈根，使其能长期稳定漂浮在对流地幔之上。华北克拉通是中国典型的古老克拉通，在中生代时期，东西部呈现差异演化，东部经历强烈岩浆作用、地壳变形和岩石圈减薄，而西部相对稳定，岩浆作用等只在克拉通边部出现(图1)。华北西部的捕获物只发现于少许晚白垩世至新生代火山岩中, 区域岩石圈地幔在早白垩世(华北克拉通破坏的关键期)演化过程尚不清楚。为此，本研究以华北西北部≥110Ma富集型玄武质岩石为例，利用地球化学和热力学模拟手段深入解读关于克拉通边部岩石圈地幔的性质和过程的信息。
图1 华北克拉通和周边显生宙造山带的空间关系(a)、华北西北部白垩纪-新生代玄武质岩石的年龄和空间分布简图(b)
数据显示：在克拉通破坏峰期，华北东、西部的玄武岩都具岛弧微量元素组成和富集的Sr-Nd同位素组成，显示地幔源区受到了流体交代作用，但主量元素有显著差异(图2)：东部的玄武岩具有显著低的TiO₂和 FeOₜ含量，显示来源于难熔岩石圈地幔；西部的玄武岩的TiO₂和 FeOₜ含量与饱满软流圈熔体类似。
图2 华北克拉通白垩纪至新生代玄武质岩石的TiO2 vs V组成特征(a)及与代表性地幔岩石的实验熔体组成对比(b)
黑色＋代表饱满二辉橄榄岩实验熔体，其中带灰色阴影的数据点表示实验压力在1.5~2.5GPa的熔体组成，绿色椭圆阴影区域表示低程度(<10%)熔体组成范围；紫色×代表难熔方辉橄榄岩实验熔体，其中带浅紫色阴影的数据点表示实验压力在1.5~2.5GPa的熔体组成。粗的彩色箭头指向非橄榄岩类地幔岩石(如角闪石岩、硅不饱和/过饱和辉石岩)的熔体组成, 这类岩石的实验熔体一般具有较高的TiO2含量(≥2wt.%)
地球化学和热力学模拟显示：华北西北部早白垩世玄武质岩石可能由软流圈减压熔融和受流体交代的岩石圈地幔低程度熔融共同控制，即薄的交代岩石圈和上涌软流圈分别在尖晶石相和石榴石相条件下发生熔融(图3)。
图3 不同潜热温度(1300~1450℃)的软流圈绝热减压过程中熔融程度随深度的变化
绝热熔融模拟用alphaMELTS程序进行, 减压步长为100bar, 每一步熔体分数超过0.0005的部分会被抽取形成累积熔体, 地幔源区的初始组成设定为原始地幔. (a)中熔融曲线的拐点由石榴石-尖晶石相变导致, (b)中也展示了华北白垩纪至新生代玄武岩的(Tb/Yb)p组成频数分布，下标p代表原始地幔标准化
综合研究表明：华北西北部在早白垩世具有薄的、饱满的岩石圈地幔, 而同期华北东部依旧保留有难熔岩石圈深根, 暗示克拉通岩石圈去根作用及伴随的饱满地幔增生是穿时发生的, 并与环克拉通构造域活动紧密相关. 因此, 富集玄武岩在揭示克拉通边部岩石圈地幔的性质及古构造活动印记方面具有重要的应用前景.
文章出版信息
中文版: 戴宏坤, 郑建平, 熊庆, 胡琳琳, 周翔. 2024. 利用富集玄武岩揭示克拉通边部岩石圈地幔的性质与过程. 中国科学: 地球科学, 54(10): 3180‒3194
英文版: Dai H K, Zheng J, Xiong Q, Hu L, Zhou X. 2024. Insight of enriched basalts into the nature and evolution of mantle lithosphere beneath craton margins. Science China Earth Sciences, 67(10): 3128‒3142, https://doi.org/10.1007/s11430-024-1371-x
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