华北克拉通东部地幔不均一性:山东新生代玄武岩B同位素制约

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东亚大地幔楔的化学和物理不均一性在全球范围内特色鲜明,对于其成因仍未达成共识。地震层析图像显示东亚地幔转换带存在有滞留的太平洋板片,而较浅的上地幔表现出低波速、高电导率特征,俯冲的太平洋板片与上覆地幔不均一性的联系机制是目前国际地学界的研究热点。本论文以玄武岩B同位素为切入点,讨论太平洋板块与东亚大地幔楔化学和物理不均一性之间的关系,因为B是强不相容元素,极易溶于水,活动性强,被广泛用于示踪壳-幔物质循环,在示踪流体活动方面相对于其他放射性成因同位素具有明显的优势。本论文的研究对象是研究程度较高的山东新生代玄武岩,在系统分析前入主、微量元素,Sr-Nd-Hf-Pb同位素研究的基础上,遴选了代表性强,新鲜度高的样品,进行精准的B含量和δ11B测定,与典型的OIB(洋岛;例如夏威夷和亚速尔)玄武岩进行了B同位素组成对比,为东亚大地幔楔的地幔不均一性成因提供了新的制约。  山东新生代玄武岩主要包括碱性玄武岩(SiO2=45~48%)、碧玄岩(SiO2=41~45%)和霞石岩(SiO2=39~41%)。其中碱性玄武岩和碧玄岩形成于24~10.3Ma,霞石岩喷发于8.7~0.3Ma。山东新生代玄武岩化学组成与其SiO2含量密切相关,相对于低硅玄武岩,高硅玄武岩有着低全碱、CaO、和FeOT,低不相容性微量元素含量、低La/Yb、Sm/Yb和Ce/Pb比值,但是高Ba/Th比和更明显的Sr正异常的特点;同位素组成方面,高硅玄武岩有着低放射性成因的176Hf/177Hf、143Nd/144Nd、206Pb/204Pb值和高87Sr/86Sr比值特点。高硅玄武岩有着EM1型微量元素,同位素组成也表明其源区含有EM1组分,低硅系列有着HIMU型微量元素特征,但是较典型的HIMU玄武岩具有低206Pb/204Pb特点。  山东新生代玄武岩的B含量与SiO2含量呈负相关性,与TiO2、Nb含量有着很好的正相关性,其δ11B和K/Rb没有明显的相关性,且B和δ11B值呈负相关性,这些特征表明这些玄武岩没有受到地表作用(风化作用、海水蚀变、地壳混染)的影响。因此,测得的B同位素数据保存了原岩信息,能反映地幔源区性质。山东新生代玄武岩B同位素组成整体分布在OIB范围内部,但是不同硅含量的B同位素组成有着明显差异。相对于低硅的碧玄岩和霞石岩(B=2.1~5ppm;δ11B=-6.9~-3.9),高硅的碱性玄武岩有着低B含量(1.4~2.2ppm)和高δ11B值(-4.9~-1.4)特点。整体上,山东新生代玄武岩δ11B与εNd呈负相关性,这与典型的OIB(夏威夷和亚速尔)玄武岩明显不同,因此,不能用单次地幔富集事件来解释其地幔源区不均一性。  根据B与Nd、Sr同位素关系判断,高硅玄武岩的地幔源区含有蚀变洋壳和海洋沉积物,与夏威夷和亚速尔地幔源区的富集组分相似。但是低硅玄武岩的B同位素组成却与最新的MORB数据类似,其B-Nd(或B-Sr)关系表明其源区不同于高硅玄武岩,说明华北东部深部地幔在B同位素组成上是不均一的。相对于低硅玄武岩,高硅玄武岩具有低FeOT含量、低的La/Yb、Sm/Yb比值,暗示山东新生代高硅玄武岩来自深度较浅的地幔。因此,华北东部地幔垂向上存在B同位素不均一性。最新数据显示,St.Helena和其他HIMU玄武岩具有与MORB相似的B-Nd同位素组成,这些认识协调了山东低硅玄武岩HIMU型微量元素特征与其低206Pb/204Pb特点之间的矛盾,说明华北东部深部地幔的HIMU地幔源区可以形成于较年轻的地幔交代事件,熔体可能来自碳酸岩化的榴辉岩(滞留板片)。因此,我们认为华北东部地幔遭受了多次来自大洋板片流体/熔体的交代作用。高硅玄武岩的高δ11B特征继承自古老洋壳流体/熔体交代事件(>1Ga),而中生代以来的太平洋板块流体/熔体交代作用,在深部形成了HIMU微量元素特征的低δ11B源区。山东新生代玄武岩的B同位素研究还具有另外一个重要意义——检验华北克拉通东部岩石圈减薄的机制。如果下地壳拆沉(中生代)导致了华北东部岩石圈减薄,那么这些下地壳组分就可以演化为新生代玄武岩源区组分。但是山东低εNd的玄武岩具有高的δ11B,暗示其富集组分不可能来自于拆沉的下地壳(δ11B≈-10),本文B同位素不支持下地壳拆沉导致华北东部岩石圈减薄机制。
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