华北中部造山带新生代玄武岩的地球化学特征及岩石学成因

【摘要】：地幔部分熔融形成玄武岩的主微量元素以及放射性同位素等成分具有复杂多样性,认识玄武岩的地幔源区成分是地幔地球化学领域长期以来研究的重要科学问题。大陆玄武岩是研究地幔源区性质的重要对象,其成分不均一性与地球动力学如板块俯冲等过程紧密相关。中国华北克拉通东部新生代玄武岩的成因被认为与地幔过渡带中滞留的太平洋板块有关,但是不清楚太平洋板块对华北克拉通中部带新生代玄武岩的化学组成是否也有贡献。本文中我们分析了华北克拉通中部造山带新生代玄武岩的全岩主-微量元素和Sr-Nd同位素成分、全岩Fe/Mn和Nb/Ta比值以及LA-ICP-MS激光原位橄榄石斑晶主微量元素化学成分,来探讨华北克拉通中部造山带新生代玄武岩的地幔源区性质及岩性特征,并评估其下覆岩石圈的演化及周边古大洋俯冲的影响。这些玄武岩主要是碱性玄武岩,含有少量的拉斑玄武岩。与地幔橄榄岩部分熔融的熔体成分相比,华北克拉通中部造山带新生代玄武岩具有更高的Ti O_2含量,总Fe_2O_3含量,FC3MS(FeO/CaO-3*MgO/SiO_2,所有单位都是重量百分比wt%),Fe/Mn和Zn/Fe比值以及更低的CaO含量。与从地幔橄榄岩熔体中结晶的橄榄石相比,华北克拉通中部造山带新生代玄武岩中的橄榄石斑晶具有更低的Ca、Mn含量和更高的Ni含量及Fe/Mn比值。这些特征表明华北克拉通中部造山带新生代玄武岩主要是来源于辉石岩地幔源区。结合Nb/Ta比值以及CS-MS-A假三元投影相图表明MgO7.5 wt%的碱性玄武岩的地幔源区残留矿物主要是单斜辉石+石榴石±橄榄石±金红石,而MgO6 wt%的拉斑玄武岩的地幔源区残留矿物主要是单斜辉石+石榴石±斜方辉石。华北克拉通中部造山带新生代玄武岩类似于洋岛玄武岩(OIB)的微量元素分布特征(在微量元素蛛网图上大部分样品都具有Ba、Sr、Nb、Ta正异常及Th和U的负异常)以及富集的Sr-Nd同位素特征表明亏损地幔源区中含有俯冲洋壳组分(包括蚀变洋壳和沉积物组分)。我们推断洋壳部分熔融产生的熔体与地幔橄榄岩反应会形成辉石岩源区,其中高的和低的熔/岩比分别形成富Si和贫Si的辉石岩。由于二阶段Si过剩辉石岩相比贫Si辉石岩具有更低的固相线,前者会倾向于发生更高程度的部分熔融产生拉斑玄武岩,而后者部分熔融形成碱性玄武岩,这与拉斑玄武岩相比碱性玄武岩具有更低的微量元素含量也是一致的。时间上,华北克拉通中部造山带新生代玄武岩从晚始新世到渐新世时期的碱性玄武岩逐渐演化到晚中新世-第四纪时期的碱性玄武岩和拉斑玄武岩共存。玄武岩地球化学成分的这一时间变化之前被解释为反映了新生代时期该地区岩石圈的逐渐减薄。但是该岩石圈减薄的模型主要是基于玄武岩代表了橄榄岩源区部分熔融熔体成分的传统假设。根据CS-MS-A假三元相图估算的拉斑玄武岩玄武岩的平均熔融压力约为3 GPa(100公里),明显高于前人根据传统的橄榄岩熔融模型得到60公里的深度,但是与华北克拉通中段北缘的现今岩石圈厚度(90-120公里)是一致的。因此我们的工作强调了之前关于华北克拉通中部造山带在新生代时期的岩石圈减薄模型可能需要重新修正。空间上,这些玄武岩的同位素及主微量元素成分特征沿着华北克拉通中央造山带从中心向南北两边发生系统变化,如SiO_2含量和Sr同位素增加,FeO_T含量、Nd同位素、Sm/Yb及Ce/Pb比值降低。这些玄武岩的时空化学变化表明华北克拉通中部造山带地幔中的再循环洋壳可能主要与早期的古亚洲洋南向俯冲以及/或者特提斯大洋板块的北向俯冲有关。前人的研究可能高估了太平洋板块俯冲的贡献。