2017年12月13日
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陈立辉教授课题组在钾质玄武岩成因研究方面取得重要进展

近日,我校地球科学与工程学院陈立辉教授课题组在钾质玄武岩成因研究获得重要进展,相关成果在著名地学综合性刊物《Journal of Geophysical Research-Solid Earth》和《Earth and Planetary Science Letters》上刊发。

玄武岩是地幔部分熔融的产物,是了解地幔的化学组成与演化的窗口。钾质玄武岩(K2O/Na2O>1)是玄武岩的一个重要亚类。分布于我国东北松辽盆地北侧和大兴安岭地区的新生代钾质玄武岩是典型的大陆板内钾质玄武岩,并具有Ⅰ型富集地幔 (EM1)的同位素组成特征,其成因是岩石学家和地球化学家共同关注的热点问题之一,长期存在广泛争议。争议的焦点集中于两个问题:一是钾质玄武岩的源区问题(来源于交代的岩石圈地幔还是富集的软流圈地幔?);二是EM1型源区物质的根本属性问题(是再循环古老沉积物还是再循环大陆下地壳?)

针对上述成因争议,课题组以五大连池和诺敏河两地的钾质玄武岩为主要研究对象,对东北新生代钾质玄武岩的成因进行了深入探讨,取得了以下重要进展:

(1)发现钾质玄武岩来源于软流圈地幔的证据(后期经历了岩石圈地幔的改造)

发现东北新生代钾质玄武岩的地球化学特征与其时-空分布存在明显的耦合关系。岩石圈越厚的地区产出的钾质玄武岩的MgO含量越高,K2O/Na2O和Rb/Nb比值越低,Sr-Nd同位素组成更亏损;同一地区(如大兴安岭诺敏河地区)喷发越晚的岩浆SiO2含量和Rb/Nb、K/La比值越高,MgO含量越低。这些钾质玄武岩的同位素组成具有明显的两端元混合排列特征,代表该区岩石圈地幔的橄榄岩捕掳体位于亏损端元。此外,橄榄石捕掳晶普遍发育熔蚀结构和成分环带。以上证据明确排除了钾质玄武岩直接来自交代岩石圈地幔的可能,而支持其源区为富集软流圈地幔的观点。软流圈地幔中的富集物质(EM1)部分熔融可产生富钾富硅的熔体,在熔体上升过程中与亏损的岩石圈地幔发生了不同程度的反应,从而演化为钾质玄武岩。

(2)建立了判别EM1型组份来自地幔过渡带的诊断性地球化学指标体系

图1 东北新生代钾质玄武岩元素分馏特征及其形成机制

利用主微量元素和Sr-Nd-Pb-Hf-Mg同位素联合示踪的方法,发现东北钾质玄武岩的EM1端元具有偏轻的Mg同位素组成,异常高的K/U和Ba/Th比值,极低的206Pb/204Pb和U/Pb比值,以及Zr、Hf的正异常。轻的Mg同位素和极低的206Pb/204Pb比值明确支持EM1端元为再循环古老沉积物的观点。异常高的K/U和Ba/Th比值说明K-U和Ba-Th这两个地球化学行为极为相近的元素对发生了显著的分馏,且其分馏程度远超沉积物。实验岩石学研究已证明含碳酸盐的沉积物俯冲到地幔过渡带深度(410~660公里)时将发生低程度熔融并生成碳酸岩熔体,而源区钾锰钡矿和镁铁榴石的残留会导致上述元素对的显著分馏(图1)。同时,碳酸岩熔体的抽取会降低残留物的稀土元素含量,从而生成具有Zr、Hf正异常的EM1组分。因此,异常高的K/U、Ba/Th比值和Zr、Hf的正异常是东北钾质玄武岩源区EM1组分来自地幔过渡带的诊断性地球化学指标,这些指标的识别明确了钾质玄武岩与地幔过渡带物质之间的成因联系(图2)。

图2 东北新生代钾质玄武岩的成因卡通图

博士生刘建强和王小均分别为以上两篇论文的第一作者,陈立辉教授为通讯作者。该研究项目得到国家自然科学基金委员会和内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室资助。

原文链接:

JGR: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2016JB013605/full.

EPSL: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X17300961.

(地球科学与工程学院 科学技术处)