课题组代表性成果

中国东部的新生代火山岩是大陆板内火山作用的产物。这些火山岩的岩性组成多样,地球化学特征变化范围大。从玄武岩到安山岩,从拉斑玄武岩到碱性玄武岩,从钾质系列到钠质系列, Sr-Nd同位素组成从高度亏损到高度富集。这些年轻火山岩丰富多彩的岩性和化学组成使其成为探讨大陆板内火山岩成因及其深部背景的理想对象。同时,中国东部的新生代玄武岩与经典洋岛玄武岩在岩石学特征和地球化学特征上都可以类比,所以这些玄武岩也成为探讨全球地幔组成和演化的重要研究对象。RMG在野外考察的基础上,综合运用岩石学、元素地球化学、同位素地球化学等方法和手段,以中国东部新生代玄武岩为主要研究对象,结合实验岩石学年代学和地球物理资料,在板内玄武岩的成因与地幔地球化学研究领域取得了国内外学术界认可的创新性成果。主要学术贡献为:

1)碱性(钠质)玄武岩成因与源区组成  

发现碱性玄武岩与地幔源区碳酸盐组分之间明确的成因联系,以及地幔源区的侧向化学不均一性。

碱性玄武岩的成因是岩石学研究的基本问题之一。实验岩石学已经证明角闪石岩、硅不饱和的辉石岩以及碳酸盐化橄榄岩的部分熔融都可以生成碱性玄武岩,这给碱性玄武岩的成因研究带来了新的挑战:如何根据碱性玄武岩的地球化学组成示踪其地幔源区的岩性?碱性玄武岩的源区是单一岩性的还是多组分的?如果是多组分的,它们以怎样的方式混合?实验岩石学同样证明,由于再循环碳酸盐的贡献,地幔中可以生成原始的碳酸盐熔体和碳酸盐化的硅酸盐熔体。那么,这些富碳酸盐的熔体与碱性玄武岩之间存在怎样的成因联系?申请者围绕以上科学问题,选择山东、江苏和南海的碱性玄武岩为研究对象,取得如下学术成绩:

(1)发现富碳酸盐熔体参与碱性玄武岩成因的岩石学地球化学证据

通过总结整理与碱性玄武岩成因相关的实验岩石学结果,对比发现山东新生代碱性玄武岩的主量元素特征更接近碳酸盐化橄榄岩低程度熔融熔体的成分特征(图1)。而且其关键的元素地球化学特征,如KZrHfTi的负异常,高的Zr/Hf比和Ca/Al比等,与板内火成碳酸岩一致,明确提出其源区为碳酸盐化橄榄岩(被碳酸盐熔体交代的橄榄岩)。

Fig. 3 carbonated sources.png

1 山东新生代碱性玄武岩与实验熔体的成分对比(Zeng et al., 2010)

在南海残留脊上的一座海山附近的火山角砾样品(IODP349航次钻孔样)中不仅发现碳酸盐化硅酸盐熔体存在的明确证据(图2),而且发现碳酸盐化硅酸盐熔体和碱性玄武岩在地球化学上的连续演化关系,其演化规律可以用碳酸盐化硅酸盐熔体(或者碳酸盐熔体)与岩石圈地幔橄榄岩之间的相互作用来解释。

Fig. 4 carbonated melts.png

2 南海海山火山角砾中发育大量出溶的碳酸盐小球

(碳酸盐小球是富碳酸盐硅酸盐熔体不混熔的产物,Zhang et al., 2017)

(2)发现碱性玄武岩源区组分的多样性及其侧向化学不均一性

对位于苏鲁超高压造山带的中新世碱性玄武岩(安峰山)研究中发现其同位素组成出现异常相关现象: eNd87Sr/86Sr正相关,与eHf负相关。而且代表Nd-Hf同位素解耦程度的ΔeHf值与87Sr/86Sr143Nd/144Nd206Pb/204Pb都呈负相关关系,指示其源区具有两端元混合的特征。Nd同位素亏损的端元其元素地球化学特征符合碳酸盐化橄榄岩特征,Nd-Hf同位素解耦的端元很可能是再循环的大陆下地壳物质。

通过对鲁西两列北东向平行排列的中新世火山群(图3a)进行系统的元素地球化学和Sr-Nd-Hf同位素分析,发现这两组碱性玄武岩都具有两端元混合的特征(图3b3c)。富集端元的元素特征与辉石岩来源熔体吻合,同位素组成指向再循环古老地壳物质。但是,南北两列玄武岩各自形成独立的二元混合趋势,在一定的eNd值下,南列玄武岩总是比北列玄武岩具有偏低的87Sr/86Sr和偏高的eHf值,指示南北两列玄武岩地幔源区富集端元的同位素组成存在差异,反映地幔源区存在小尺度的侧向化学不均一性。

Fig. 5 Zoning.png

3 鲁西两个平行分布的火山群及其Sr-Nd-Hf同位素组成(Zeng et al., 2011

(3)发现岩浆补给作用控制高硅碱性玄武岩和拉斑玄武岩的成分演化

  通过对浙江东部新生代玄武岩开展系统的元素地球化学工作,结合前人发表的同位素年代学工作,发现该小规模溢流玄武岩主要由SiO2>47.5wt.%的高硅碱性玄武岩和拉斑玄武岩组成,并存在明显的由南向北逐渐迁移的趋势(图4a)。其中在6百万年的时间里(9.4Ma3.5Ma),溢流玄武岩的TiO2/MgO比值(对岩浆演化非常敏感的指标)几乎没有变化(4b),反映幔源岩浆的持续补给使岩浆演化停滞,并导致岩浆房持续长大。受岩浆房北侧区域深大断裂(丽水-余姚断裂)影响,岩浆房增大的同时逐渐向北偏移,从而导致地表玄武岩的北向迁移趋势(图4a)。

Fig. 6 flood basalts.png

4 浙江东部新生代溢流玄武岩时-空关联性及其成分演化规律(Yu et al., 2015)

本主题相关论文:

1.   Chen L.-H.*, Zeng G., Jiang S.-Y., Hofmann A.W., Xu X.-S.,Pan M.-B. (2009) Sources of Anfengshan basalts: Subducted lower crust in the Sulu UHP belt, China. Earth and PlanetaryScience Letters, 286: 426–435.

2.  Zeng G., Chen L.-H.*, Xu X.-S., Jiang S.-Y., Hofmann A.W., (2010). Carbonated mantle sources for Cenozoic intra-plate alkaline basalts in Shandong, North China. Chemical Geology. 273: 35–45.

3.   Zeng G., Chen L.-H.*, Hofmann A.W., Jiang S.-Y., Xu X.-S., (2011). Crust recycling inthe sources of two parallel volcanic chains in Shandong, North China. Earth and Planetary Science Letters,302: 359–368.

4.   Yu X., Chen L.-H.*, Zeng G., (2015) Growing magma chambers control the distribution of small-scale flood basalts. Scientific Reports, 5, 16824; doi: 10.1038/srep16824.

5.   Zhang G.-L.*, Chen L.-H.*, Jackson M.G., Hofmann A.W. (2017) Evolution from carbonated silicate melt to alkali basalt in the South China Sea. Nature Geoscience, DOI: 10.1038/NGEO2877.


2钾质玄武岩成因与EM1的来源

发现钾质玄武岩来源于软流圈地幔并被岩石圈地幔改造的证据,并建立了判别EM1型组份来自地幔过渡带的诊断性地球化学指标体系。

东北新生代钾质玄武岩是典型的板内钾质玄武岩,并具有典型的EM1型同位素组成特征(低的206Pb/204Pb和143Nd/144Nd比值和中等的87Sr/86Sr比值)。由于其同时具有高MgO含量和富集的微量元素和同位素组成特征,曾长期被认为是交代的岩石圈地幔来源的。然而,代表该区岩石圈地幔的橄榄岩捕掳体的同位素组成非常亏损,这些钾质玄武岩的HREE分馏程度非常高(来源深),这些都无法用岩石圈地幔来源熔体的观点来解释。同时,其EM1型源区物质的属性也存在广泛争议:再循环古老沉积物还是再循环大陆下地壳?是否来自地幔过渡带?针对钾质玄武岩和EM1属性的成因争议,在全面收集已发表数据的基础上,以五大连池和诺敏河两地的钾质玄武岩为主要研究对象,结合实验岩石学和实验地球化学资料,在钾质玄武岩的成因和EM1属性的研究取得如下成果:

(1)厘清东北新生代钾质玄武岩与岩石圈地幔的成因联系

  发现东北新生代钾质玄武岩的地球化学特征与玄武岩时-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/Na2ORb/Nb比值越低(图5),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/NbK/La比值越高,MgO含量降低。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,代表该区岩石圈地幔的橄榄岩捕掳体位于亏损端元。橄榄石捕掳晶普遍发育溶蚀结构和成分环带。以上证据明确否定了钾质玄武岩直接来自交代岩石圈地幔的观点,而支持其源区为富集的软流圈地幔。软流圈地幔中的富集物质(古老的再循环沉积物)部分熔融产生富钾富硅的熔体,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(图5)。

Fig. 1 Cartoon for potassic basalts.png

5 东北新生代钾质玄武岩化学成分与岩石圈厚度的耦合关系及其成因解释(Liu et al., 2016, 2017)

(2)提出东北新生代钾质玄武岩源区EM1端元来自地幔过渡带的地球化学证据

  虽然科学界很多人认为中国东部新生代玄武岩的成因与滞留于地幔过渡带的太平洋板块有关,然而如何建立玄武岩与地幔过渡带物质的成因联系是一个很大的挑战。申请人以东北新生代钾质玄武岩为突破口。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端元具有轻的Mg同位素组成(d26Mg<-0.6‰),异常高的K/UBa/Th比值,正的Pb异常(低U/Pb比值)和ZrHf的正异常。我们对经典OIB的评估表明部分熔融对Mg同位素的影响较低(会导致板内玄武岩d26Mg值在0.1范围内变化)(Zhong et al., 2017, EPSL)。因此远低于正常地幔的Mg同位素组成和极低的206Pb/204Pb比值支持EM1端元为再循环的古老沉积物。异常高的K/UBa/Th比值说明K-UBa-Th这两个地球化学行为极为相近的元素对都发生了显著的分馏,分馏程度远超沉积物。实验岩石学已经证明含碳酸盐的沉积物俯冲到地幔过渡带深度将发生低程度熔融生成碳酸岩熔体,而钾锰钡矿和镁铁榴石的残留会导致这两个元素对的显著分馏(图6)。碳酸岩熔体的抽取同时会降低残留物的REE含量,从而生成具有ZrHf正异常的EM1组分。因此,异常高的K/UBa/Th比值以及Zr-Hf的正异常可以作为地幔过渡带来源物质(再循环沉积物)的地球化学诊断标志。

Fig. 2 modeling of potassic basalts.png

6 东北新生代钾质玄武岩元素地球化学特征及其形成机制(Wanget al., 2017)

本主题相关论文:

1.   Wang X.-J., Chen L.-H.*, Hofmann A.W. et al. (2017) Mantle transition zone-derived EM1component beneath NE China: Geochemical evidence from Cenozoic potassic basalts. Earth Planetary Science Letters, 465:16-28.

2.   Liu J-Q, Chen L.-H.*, Wang X.-J., et al. (2017) The role of melt-rock interaction inthe formation of Quaternary high-MgO potassic basalt from the Greater Khingan Range, Northeast China, Journal of Geophysical Research: Solid Earth, doi: 10.1002/2016JB013605.

3.   Liu J.-Q., Chen L.-H.*, Zeng G, et al. (2016) Lithospheric thickness controlled compositional variations in potassic basalts of Northeast China by melt‐rock interactions. Geophysical Research Letters, 43(6): 2582-2589.

4.   Zhong Y., Chen L.-H.*, Wang X.-J., et al. (2017) Magnesium Isotopic Variation ofOceanic Island Basalts Generated by Partial Melting and Crustal Recycling. Earth Planetary Science Letters, 463:127–135.