辽西中生代岩石圈地幔特征

【摘要】：太古代华北克拉通在显生宙经历了剧烈的减薄和破坏,是地球上研究大陆岩石圈地幔时空演化独一无二的天然实验室。在中-新生代构造-热事件影响下,华北东部岩石圈地幔已从古生代高度难熔的巨厚克拉通型岩石圈地幔转变为现今具有大洋岩石圈地幔特征(饱满的、热的和薄的)的岩石圈地幔。橄榄石、单斜辉石和斜方辉石是上地幔橄榄岩的主要组成矿物,它们对反演地球上地幔属性和时空演化具重要意义。本文因此以华北北缘辽西地区早白垩世义县组玄武岩中橄榄石和单斜辉石为研究对象,通过详细的矿物学、橄榄石主量元素和原位氧同位素以及单斜辉石主微量元素分析,在鉴定出这些橄榄石和单斜辉石为捕虏晶的基础上,利用它们探讨了晚中生代华北北缘岩石圈地幔的物质属性,并从橄榄石氧同位素组成的角度证明了橄榄岩-熔体反应在中生代华北岩石圈地幔转变过程中的重要作用。辽西地区早白垩世义县组玄武岩中发现有大量橄榄石捕虏晶,它们提供了华北北缘中生代岩石圈地幔组成特征的重要信息。这些橄榄石晶体均具环带结构,总体较大(600-1600?m),并呈半自形浑圆状,颗粒内也多发育裂纹和溶蚀结构。具有环带结构橄榄石晶体核部镁橄榄石指数Fo高且均一(88–91),落在华北新生代地幔橄榄岩中橄榄石的范围。这些橄榄石边部则具有低得多的Fo(74–82),与寄主玄武岩中的斑晶相似。橄榄石晶体上述的矿物学和地球化学特征揭示了这些具环带结构的橄榄石是解体于地幔橄榄岩的矿物捕虏晶,因此它们可以用来反演玄武岩喷发时华北北缘岩石圈地幔的组成和性质。这些橄榄石晶体的核部具有相比于正常地幔橄榄石较高的氧同位素组成(?~(18)O_(SMOW)=5.9–7.0‰),这说明早白垩世华北北缘的岩石圈地幔是饱满富集的,而且主要受到了低温热液蚀变俯冲洋壳来源熔体的交代作用。早白垩世华北北缘大量具有环带结构橄榄石捕虏晶的发现说明橄榄岩-熔/流体反应可能是中生代岩石圈地幔改造的重要机制。辽西义县组玄武岩包含两类具环带结构的单斜辉石晶体,大多数具正环带结构,少量为反环带。反环带单斜辉石晶体一般较大(0.8-1.6 mm),且内部多发育溶蚀结构。其核部的化学组成和华北古老下地壳麻粒岩中单斜辉石接近,表现为低Mg#值(65.5-79.7),而它们幔部的Mg#值则高得多(85.1-89.6)。反环带单斜辉石核部稀土元素标准化曲线比较平坦,而且具有非常明显的Eu和Sr负异常,这说明反环带单斜辉石核部曾与富Ca的斜长石平衡,因此核部可能是来自华北下地壳的单斜辉石捕虏晶。反环带单斜辉石晶体的幔部较核部十分富集Mg O和Cr_2O_3,而贫Fe O、Al_2O_3和Na_2O。它们的轻重稀土元素分馏明显,主微量元素组成表明反环带单斜辉石晶体的幔部是幔源岩浆与核部下地壳捕虏晶反应后再结晶的产物。正环带结构单斜辉石晶体通常较小(500?m),且颗粒内部大多发育溶蚀结构和裂纹。正环带单斜辉石晶体的核部具有高且均一的Mg#值(85.9-89.6),成分接近华北克拉通中生代橄榄辉石岩中单斜辉石,而它们的边部具有低得多的Mg#值(65.1-83.9)。这些单斜辉石晶体颗粒中的Mg O和Cr_2O_3从核至边呈逐渐下降趋势,而Fe O、Ti O_2、Al_2O_3和Ca O则相反地上升。正环带单斜辉石的核边均具有稀土元素含量较低和轻重稀土元素分馏明显的特征,核部稀土元素标准化曲线与中生代橄榄辉石岩的十分相似。因此我们认为正环带单斜辉石核部可能是橄榄辉石岩的解体产物,而边部则为核部被捕获后与寄主玄武质熔体相互作用的结果,也存在部分直接从寄主岩浆中结晶的自形边部。前人通过对华北克拉通东部晚中生代幔源火山岩岩石学和Sr–Nd同位素综合分析,认为华北克拉通古生代克拉通型岩石圈地幔在中生代主要受到壳源熔体交代作用演变成饱满富集的岩石圈地幔。华北中生代富集岩石圈地幔并没有存在很长时间,晚白垩世-新生代橄榄岩捕虏体和基性火山岩Sr–Nd同位素研究表明富集的中生代岩石圈地幔可能通过软流圈-岩石圈相互作用转变为亏损的岩石圈地幔。本次研究里义县组玄武岩中橄榄石原位O同位素分析进一步证明了早白垩世期间俯冲洋壳熔体对华北北缘岩石圈地幔显著的交代作用。大量具有环带结构的橄榄石和单斜辉石捕虏晶的发现,表明橄榄岩-熔体反应可能是华北克拉通中生代改造和破坏的重要机制。