1、第 卷 第 期 年 月 世 界 地 质 文章编号:()地幔柱活动对克拉通岩石圈地幔的影响:西伯利亚克拉通地幔橄榄岩包体 同位素制约程哲 孙晶中国石油大学(北京)地球科学学院 北京 摘要:利用单矿物溶液法分析了 金伯利岩中橄榄岩包体单矿物的 同位素组成并且与 金伯利岩中橄榄岩包体单矿物的 同位素组成进行了对比 结果显示 金伯利岩中橄榄岩包体单斜辉石具有亏损的 同位素组成和富集的、同位素组成橄榄岩包体石榴子石的 同位素组成表现出原始的特征 没有受到交代作用的影响 通过对比 和 金伯利岩中地幔包体的特征和单斜辉石的二元混合模拟发现 金伯利岩中的地幔包体的 同位素组成更偏向于金伯利岩的特征 而与之相反
2、 金伯利岩中的地幔包体的 同位素组成则位于金伯利岩和地幔柱溢流玄武岩之间 且更加偏向于溢流玄武岩的同位素特征 因此 地幔柱活动对西伯利亚克拉通岩石圈产生了影响 改变了其岩石圈地幔的同位素组成关键词:同位素 地幔柱 橄榄岩包体 西伯利亚岩克拉通中图分类号:文献标识码:/收稿日期:修订日期:基金项目:国家自然科学青年基金项目()第一作者:程哲()男 硕士研究生 主要从事岩石地球化学研究:通信作者:孙晶()女 博士 副教授 主要从事岩石学与地球化学研究:.:引言由于难熔地幔根的存在 克拉通能够保持长期的稳定 但是来自克拉通岩石圈地幔下部的地幔柱在上涌时会穿透岩石圈地幔 在此过程中地幔柱是否改造克拉通
3、岩石圈地幔一直是国内外研究的热点问题 要了解地幔柱活动对克拉通岩石圈地幔的影响 就需要研究地幔柱活动前后克拉通岩石圈地幔的变化 金伯利岩岩浆喷发为研究岩石圈地幔提供了有效的途径 它们将地幔橄榄岩包体从位于克拉通下部的岩石圈地幔带到地球表面 由于这些地幔橄榄岩包体是岩石圈地幔(主要是尖晶石和石榴子石橄榄岩)的直接样本 可以提供有关岩石圈地幔的组成、结构、热状态和地幔过程的直接信息 特别是地幔柱活动后喷发的金伯利岩 其携带的橄榄岩包体的主微量元素和同位素地球化学组成能够反映地幔柱活动后克拉通岩石圈地幔的地球化学特征西伯利亚克拉通在 发生了一次超级地幔柱活动 形成了著名的西伯利亚大火成岩省目前利用二
4、次离子质谱法()研究金伯利岩中钙钛矿 地质年龄 确定了西伯利亚克拉通两个著名的 和 金伯利岩筒的喷发时间 两个金伯利岩筒分别喷发于 和 即在时间上处于超级地幔柱活动发生之前和结束之后 是研究地幔柱活动对克拉通影响的理想地点 前人对地幔柱活动前后两个金伯利岩筒中地幔橄榄岩包体的主微量元素进行了研究 认为 地幔包体中石榴子石被金伯利岩熔体所交代而 地幔包体中石榴子石被玄武岩质熔体交代 并且认为由于地幔柱引起的热扰动造成了西伯利亚克拉通岩石圈地幔产生了近 的厚度差异 即 下方的岩石圈地幔()比 下方的岩石圈地幔()厚 西伯利亚克拉通岩石圈地幔厚度变化的原因至今仍有争议 有研究认为西伯利亚岩石圈地幔是
5、在碰撞拼合之前或碰撞拼合时导致克拉通不同地区厚度的不同 因此厚度的变化并不能证明地幔柱活动对岩石圈地幔产生了影响 前人对西伯利亚地幔橄榄岩包体的研究表明 在地幔柱活动之前的 地幔包体具有非放射成因(相对于 球粒陨石)的 同位素组成和较低的/这些都是经历过熔体抽提的古代亏损克拉通地幔的特征 而在地幔柱活动后的 地幔包体存在被硅酸盐熔体渗透过的 同位素特征 同时也存在“原始”残留的证据(和较低的/)现有的研究没有系统统计和对比过地幔柱活动前后 和 地幔橄榄岩的地球化学特征 缺少对地幔柱活动前后岩石圈地幔性质的对比 前人对 地幔橄榄岩包体的单斜辉石和石榴子石的、和 同位素进行了研究 但是缺乏地幔柱活
6、动后 地幔橄榄岩包体的矿物、和 同位素的研究 研究地幔包体中石榴子石和单斜辉石的、和 同位素组成 能够更有效地约束岩石圈地幔的特征笔者对 地区收集的二辉橄榄岩和纯橄岩包体中分离出来的单斜辉石和石榴子石进行了、同位素研究 进一步了解西伯利亚地幔柱活动中西伯利亚克拉通岩石圈地幔的演化过程 约束地幔柱活动对克拉通岩石圈地幔的影响 地质背景及样品描述 地质背景西伯利亚克拉通位于亚洲北部 是地球上最大的太古代至古元古代大陆区域之一 总面积约 西伯利亚克拉通主要被古生代沉积物和二叠纪溢流玄武岩所覆盖 地壳基底岩石主要暴露在 和 地盾上 西伯利亚克拉通在大约 时期克拉通化并且稳定 有超过 个金伯利岩筒分布在
7、西伯利亚克拉通上 研究发现该克拉通至少经历了 期金伯利岩浆喷发:、和 在 西伯利亚克拉通发生大规模玄武岩溢流 形成了目前地球上最大的显生宙大陆溢流玄武岩省 即所谓的西伯利亚暗色岩系 其岩浆喷发面积约 这一时期的地幔柱事件也称为超级地幔柱 世 界 地 质 第 卷 金伯利岩岩筒位于西伯利亚克拉通中部()(图)是 金伯利岩矿区的一部分 它切穿新元古代至古生代沉积岩 由东、西两个筒组成 金伯利岩中钙钛矿的 测年得出 东筒的喷发时间为()西筒喷发时间为()位于西伯利亚克拉通的东北部的 金伯利岩岩筒()(图)侵入震旦系的白云岩 并且在 河与 河汇合处附近的岸边存在露头 其喷发时间为 图 西伯利亚克拉通地质
8、简图 样品描述本次研究主要分析了 个 金伯利岩筒中收集的橄榄岩包体样品 包括 个尖晶石二辉橄榄岩、个尖晶石石榴子石二辉橄榄岩和 个尖晶石纯橄岩 直径为 所有样品均是尖晶石相橄榄岩 显示出粒状结构 主要含有橄榄石、单斜辉石、斜方辉石和尖晶石等矿物 部分样品中含有石榴子石、金云母和角闪石 从这些岩石样品中分离出纯净的单斜辉石和石榴子石进行矿物分析 样品 中发现橄榄石、单斜辉石和斜方辉石矿物之间存在三边平衡结构 这意味着 个矿物之间的元素达到平衡(图)这些矿物经历过高温固态流动而发生塑性变形 样品 的斜方辉石表面可见细小的单斜辉石出溶体(图)出溶现象表明包体在上升过程中 由于温压条件的变化而产生固溶
9、体的分离 在样品 和样品 的矿物晶体(橄榄石、斜方辉石和单斜辉石)边缘发现了随机分布的 质熔体 同时发现金云母和角闪石出现在含有 质熔体的样品 中(图)尖晶石在 橄榄岩包体中普遍存在 通常与单斜辉石共生 并且以他形晶、蠕虫状(图)、自形晶出现 不同结构的尖晶石可能代表着它们形成于不同的环境和温压条件 石榴子石少量存在于方辉橄榄岩和二辉橄榄岩中 主要为圆形或者椭圆形颗粒状 分析方法单斜辉石和石榴子石的 同位素的测定是使用中国地质大学(北京)同位素地球化学实验室的多接收电感耦合质谱仪()完成 实验方法是在前人研究的基础上由中国地质大学(北 京)同 位 素 地 球 化 学 实 验 室 改 进 而来从
10、橄榄岩包体中分离出来的单斜辉石和石榴子石颗粒用超纯水清洗 之后使用玛瑙研钵将淋洗干净的样品研磨至)其中 部分熔融程度低的 橄榄岩包体和 橄榄岩包体具有较低的橄榄石()和较低含量的 说明 和 地区的高橄榄石 橄榄岩包体是古老难熔岩石圈地幔的残余物 地幔柱活动对西伯利亚克拉通岩石圈地幔的影响 通过对比发现 大多数 地区地幔橄榄岩包体样品的 这是广泛熔体抽提后的结果 但是 橄榄岩包体中矿物的微量元素表明地幔包体在形成过程中存在一定程度的交代作用 由图 和图 可见 地图 和 橄榄岩包体的橄榄石 值频率分布图 区的地幔橄榄岩包体的橄榄石 值相较于 具有更加广泛的分布范围 研究认为在溢流玄武岩喷发期间高温
11、流体广泛的交代作用发生在低 含量的橄榄岩 使得 橄榄岩包体的 值提升 研究发现 地区下部的大陆岩石圈地幔受到了多种交代熔体的影响 包括碳酸盐熔体、玄武岩熔体和金伯利岩熔体 微量元素的变化特征反映了不同类型的交代熔体与地幔橄榄岩的相互作用 地幔柱活动前后西伯利亚克拉通岩石圈地幔的微量元素特征发生了改变 与 橄榄岩包体中单斜辉石的微量元素的特征相似 并且与西伯利亚大火成岩省玄武岩、和 金伯利岩的稀土配分模式相似(图、)和 橄榄岩包体的单斜辉石显示出较为单一的稀土元素组成模式 即从重稀土元素到中稀土元素到轻稀土元素的逐渐富集(图)大多数 橄榄岩包体中的单斜辉石显示出大离子亲石元素富集(如、等)高场强
12、元素亏损的特征(如、和 等)(图)这在交代地幔橄榄岩中十分常见 是属于熔体耗尽后熔体交代的结果 除了样品 的单斜辉石的稀土配分模式与 寄主金伯利岩相似外(图)大部分样品的单斜辉石稀土配分模式与西伯利亚大火成岩省玄武岩相似 另外样品 表现出独特的稀土元素配分模式 世 界 地 质 第 卷即轻稀土元素亏损 重稀土元素富集(图)除了 少 数 样 品 具 有 较 高 的(/)值 外 和 地幔包体中大部分单斜辉石的/值较高 与碳酸盐交代作用不吻合这种特征表明单斜辉石的轻稀土元素富集可能是晚期金伯利岩交代作用形成的 橄榄岩和 橄榄岩的数据来源同图 西伯利亚大火成岩省数据来自文献 和 金伯利岩数据来自文献 原
13、始地幔和球粒陨石标准值来自文献 图 和 地幔橄榄岩包体单斜辉石(、)和石榴子石(、)稀土元素球粒陨石标准化配分模式和微量元素原始地幔标准化蛛网图 ()()在克拉通环境下 熔体抽提后的橄榄岩通常显示出重稀土平坦型和正弦型的石榴子石稀土元素配分模式(图)正弦型表现为轻稀土元素相对亏损 中稀土元素逐渐富集 到重稀土元素又相对亏损 重稀土富集型主要为轻稀土元素亏损向中稀土元素逐渐变富集 重稀土元素相对原始地幔富集这两种模式在 地幔橄榄岩包体中十分常见 大部分 粗粒橄榄岩包体和方辉橄榄岩包体中 石榴子石稀土元素呈正弦型 中稀土元素和重稀土元素亏损几乎与轻稀土元素持平 而 过渡型和剪切变形橄榄岩包体的石榴
14、子石具有较高的中稀土元素 呈现轻微的正弦型到重稀土富集型 但是在 地幔橄榄岩包体的石榴子石中仅发现了重稀土平坦型的稀土元素配分模式 且相较于 地区橄榄岩包体的石榴子石 轻稀土元素含量更低 研究认为石榴子石的正弦型稀土配分模式是部分熔融过程中中稀土元素优先进入熔体 重稀土元素被保留在残留物中而形成的 或者是于碳酸盐熔体的隐性交代作用形成的 由于受到交代作用的影响原本的正弦型模式会变为重稀土平坦型的石榴子石稀土元素配分模式 因此 橄榄岩包体石榴子石的稀土配分模式可能是受到交代作用的影响 相较于金伯利岩交代作用造成的轻稀土元素富集 地区石榴子石的稀土元素组成更倾向于地幔柱活动期间玄武质流体交代的结第
15、 期 程哲 等:地幔柱活动对克拉通岩石圈地幔的影响:西伯利亚克拉通地幔橄榄岩包体果地幔包体中 同位素可以直接制约岩石圈地幔的同位素组成 对判断地幔柱活动是否影响西伯利亚克拉通岩石圈地幔具有重要意义和 地区的地幔橄榄岩中单斜辉石表现出较强的非均质性 这是熔体抽提以及熔/流体交代综合作用的结果 从图 中可以发现两个地区地幔橄榄岩包体中单斜辉石和石榴子石的、和 同 位 素 组 成 具 有 显 著 的 区 别:地区橄榄岩包体的单斜辉石和石榴子石同位素组成并未显示解耦现象 而 地区橄榄岩包体的单斜辉石和石榴子石的同位素组成具有明显的解耦现象 即单斜辉石表现出富集的 同位素比值特征 石榴子石则表现出亏损的
16、 同位素比值特征(图)地幔橄榄岩包体单斜辉石表现出来的同位素特征与文献中的 地幔橄榄岩包体中单斜辉石同位素特征并不完全相同 这种情况说明两个地区的地幔橄榄岩中单斜辉石是由不同的交代作用产生的在 同位素图(图)中 本次研究的 二辉橄榄岩包体的单斜辉石 同位素比值和 同位素比值与西伯利亚克拉通中部 岩筒中二辉橄榄岩包体和尖晶石相橄榄岩的单斜辉石相似 与其他克拉通地幔橄榄岩中的单斜辉石相比 这些单斜辉石样品具有更多非放射性成因的 同位素(/)的 橄榄岩包体单斜辉石 本研究中仅有一个单斜辉石样品落在“地幔趋势”线上(图)其他样品高于或低于该趋势线 地区的石榴子石的 同位素比值的分布范围相对较广 在 图
17、(图)中表现出富集的同位素特征 同时在 图(图)中 地区石 榴 子 石 的 同 位 素 比 值 与 地区部分单斜辉石的同位素比值范围相似 该特征表明在地幔柱活动之前岩石圈地幔经历的各种交代作用同时被单斜辉石和石榴子石很好地保留下来 有石榴子石的存在时 更容易进入石榴子石中 因此 在石榴子石稳定的温压区间内 部分熔融的残留物将具有高/比值 这导致了“地幔趋势”上方较高放射性成因的 同位素组成 这种特征不仅在 橄榄岩包体的石榴子石中存在 并且在西伯利亚克拉通的 和 地幔橄榄岩、南非的 地幔橄榄岩和华北克拉通的阳原地幔橄榄岩中均被发现 同位素组成的解耦普遍出现在大陆下方岩石圈地幔的橄榄岩中 这种现象
18、和岩石圈地幔与对流地幔分离后的交代作用有关 但是 地区地幔橄榄岩中石榴子石的、同位素组成完全不同于该地区的单斜辉石 更不同于 地区橄榄岩包体的石榴子石 相较于单斜辉石的、同位素组成 地区的石榴子石显示出比西伯利亚大火成岩省玄武岩和亏损地幔更加亏损的特征 且 同位素组成很好地落在地幔趋势线上 说明本次研究中的石榴子石没有受到后期交代熔体的影响 这种极度亏损的同位素特征表明石榴子石是原始的 石榴子石的重稀土平坦型稀土配分模式并非是玄武质流体交代的结果为了研究 和 地区橄榄岩包体所经历的交代作用 展示了一个假设的难熔橄榄岩单斜辉石的、丰度和同位素比值(、/、/、/)和 种交代熔体的二元混合曲线(图)
19、其中金伯利岩熔体 平均天然碳酸盐熔体 、熔体 、大陆地壳熔体 、西伯利亚大火成岩省玄武岩 、/、/金伯利岩 、/、/金伯利岩 、/、/金伯利岩熔体的/平均天然 世 界 地 质 第 卷碳酸盐熔体和 熔体的/、/大陆地壳熔体的/混合曲线显示 和 样品的 同位素比值介于大陆地壳、西伯利亚玄武岩和 金伯利岩之间(图)其中样品 落在了大陆地壳趋势线上 指示了 地区地幔包体中单斜辉石的 同位素比值受到了地壳物质的影响 而另外两个样品落在西伯利亚大火成岩省玄武岩和 金伯利岩之间表明 同位素组成受到了溢流玄武岩和金伯利岩的影响 由于样品更接近于西伯利亚大火成岩省玄武岩 说明 橄榄岩包体中单斜辉石受到地幔柱活动
20、期间玄武岩熔体的影响更大 受到金伯利岩熔体的影响较小 在 元素丰度和同位素比值相关图中(图)碳酸盐熔体 的丰度较低 无法有效地反映 橄榄岩包体中单斜辉石的交代熔体 在 元素丰度和同位素比值的相关图中(图)橄榄岩包体中单斜辉石样品落在西伯利亚大火成岩省玄武岩上(分别是 和)与 同位素不同 简单的二元混合模型不能很好地再现 地幔包体中单斜辉石的演化过程 表明 橄榄岩包体中单斜辉石的、和 同位素比值并非单一熔/流体交代叠加形成的 它们经历了更复杂的演化过程 西伯利亚克拉通岩石圈地幔所经历的交代作用总结为 个阶段 分别是低温交代作用阶段、地幔柱活动前金伯利岩交代作用阶段、地幔柱活动时溢流玄武岩交代作用
21、阶段和地幔柱活动后金伯利岩交代作用阶段 在 同位素图中(图、)地区的寄主金伯利岩相较于 地区的寄主金伯利岩有着更高的/()和/()同位素比值这个特征也反映在两个地区单斜辉石的样品上 相较于 地区的单斜辉石 地区单斜辉石的/()比值略高 说明西伯利亚岩石圈地幔经历了两期不同的金伯利岩熔体交代 样品保留了多期熔体交代的证据因此 地区橄榄岩包体中单斜辉石的、同位素组成暗示着地幔柱活动后岩石圈地幔受到了大陆地壳、地幔柱活动时期玄武岩熔体和金伯利岩熔体共同作用的影响 而研究中图 和 橄榄岩包体单斜辉石()和/()()、()和/()()、()和/()()丰度关系图 ()/()()()/()()()/()(
22、)的石榴子石并未受到溢流玄武岩和金伯利岩熔体的影响 保留了原始的特征 指示了地幔柱活动时溢流玄武质岩浆确实改造了西伯利亚克拉通岩石圈地幔 使其微量元素和同位素组成发生了不同程度的第 期 程哲 等:地幔柱活动对克拉通岩石圈地幔的影响:西伯利亚克拉通地幔橄榄岩包体变化 西伯利亚岩石圈地幔地球动力学过程本次研究对 橄榄岩包体中单斜辉石 同位素的模式年龄进行了估计 发现与前人研究的 橄榄岩包体的 模式年龄不同 研究认为样品、和 受到了晚期交代作用的影响 因此其 模式年龄没有地质意义 由于这些样品受到了交代熔体的影响 估计出的 橄榄岩包体中单斜辉石的 和 同位素的模式年龄()同样没有地质意义 如前所述
23、橄榄岩包体中石榴子石是原始的 没有受到交代作用的影响 其中样品 的石榴子石的 同位素模式年龄为 与前人研究的西伯利亚克拉通岩石圈地幔的古元古代年龄()和西伯利亚克拉通的地壳基底岩的年龄()大致相同 因此 在西伯利亚克拉通岩石圈的形成过程中 壳幔的形成存在时间耦合 并且可能存在成因联系 本次研究中没有发现接近西伯利亚地幔柱活动时间的地幔橄榄岩样品 因此无法证明地幔柱活动使 下方岩石圈地幔减薄了 本次研究中 地幔橄榄岩包体的 模式年龄为 等提出的西伯利亚克拉通的地球动力学模型提供了新的证据 在西伯利亚克拉通形成的早期阶段 地幔上升流扰乱了早期的岩石圈 使早期的岩石圈发生拆沉 之后是先前存在的大陆块
24、体相互碰撞最终形成克拉通 而西伯利亚地幔柱活动只对原有的岩石圈地幔进行交代改造 没有形成新的岩石圈地幔 结论()地幔橄榄岩包体中单斜辉石具 有 亏 损 的 同 位 素 组 成(/()富集的 同位素和 同位素组成(/()/()石榴子石具有原始的 同位素组成()()和亏损的 同位素组成(/()()对比两个地区地幔橄榄岩包体的地球化学特征发现 虽然其岩石类型、矿物组成和岩石的主量元素组成相近 但是单斜辉石和石榴子石的微量元素组成存在差异 表明这两个地区岩石圈地幔经历了不同程度的部分熔融和交代改造()通过 同位素进行二元混合模拟发现 金伯利岩中地幔包体的 同位素组成更偏向于溢流玄武岩的同位素特征 暗示
25、地幔柱活动对西伯利亚克拉通岩石圈地幔产生了影响 改变了岩石圈地幔的同位素组成参考文献:.:.():.:.:.:.:.:./():.:./:.():.:.(/):.世 界 地 质 第 卷:.():.:.(/):.():.:.:.孙晶 谢庆宾.西伯利亚雅库特地区岩石圈地幔特征.地球科学与环境学报 ():.():.:./:.:.:.():.:./:.():.:.:.:.:.().():.李献华 祁昌实 刘颖 等.扬子块体西缘新元古代双峰式火山岩成因:同位素和/新制约.科学通报 ():.:/.():.吴福元 李献华 郑永飞 等.同位素体系及其岩石学应用.岩石学报 ():.():.():.():./第
26、期 程哲 等:地幔柱活动对克拉通岩石圈地幔的影响:西伯利亚克拉通地幔橄榄岩包体 .:():.:.():.:.:.:.(/):.:.(/):.:():.:.():.:.:.:.:./:.():.:./():.:./:.(/):.:.:.郑建平.不同时空背景幔源物质对比与华北深部岩石圈破坏和增生置换过程.科学通报 ():.:.():.:.():.:世 界 地 质 第 卷 ./:.:.():.:./:.:.张宏福.橄榄岩熔体相互作用:克拉通型岩石圈地幔能够被破坏之关键.科学通报 ():.:.():.:.:.:.():.:.:.():.():.():.:.():.:.():.():.():.第 期 程哲 等:地幔柱活动对克拉通岩石圈地幔的影响:西伯利亚克拉通地幔橄榄岩包体
