我院曾罡副教授发现中国东部霞石岩起源自深部地幔

发布者:陆昀乔发布时间:2021-05-10浏览次数:10

地表的火山岩主要是浅部地幔熔融的产物,熔融深度一般不超过100km,但实验岩石学表明俯冲下去的含碳酸盐沉积物在地幔过渡带(410~660km)也会发生熔融(Thomson et al., 2016)。这种深部熔融事件被天然样品的地球化学特征所记录,比如超深源金刚石中的高压矿物包裹体(如Walter et al., 2008)以及我国东北的钾质玄武岩(Wang et al., 2017)。同时,由于上述超深源金刚石的发现,金伯利岩被认为是直接起源自地幔过渡带(410-660 km)的岩浆。那么,地球上是否还存在其它来自深部地幔的岩浆呢?以我院青年教师曾罡副教授为首的研究小组对该问题开展了研究。

1 山东霞石岩微量元素蛛网图

在中国东部广泛分布的新生代火山岩中,岩石类型丰富。其中的霞石岩与金伯利岩呈现出极其相似的微量元素特征(图1),如在微量元素蛛网图上表现为KPbZrHfTi的负异常的特征(Zeng et al., 2010; Giuliani et al., 2020),暗示两类岩石在成因上可能存在一定的相似性。那么这些中国东部的新生代霞石岩是否也代表直接来自地幔过渡带的岩浆呢?为此,该小组选择位于山东的四座新生代霞石质火山开展了以Mg稳定同位素结合放射成因同位素(SrNdHfPb)以及元素比值为主要示踪手段,探讨霞石岩岩浆深部地幔来源的可能性。

2 霞石岩成因卡通图

研究发现这些霞石岩与该区岩石圈地幔(以地幔橄榄岩捕虏体为代表)具有完全不同的同位素特征,说明岩石圈地幔不是这些霞石岩的源区。其明显偏轻的Mg同位素组成,指示其地幔源区存在含碳酸盐沉积物的显著贡献。霞石岩异常低的K/UBa/Th比值需要源区残留富钾矿物。实验岩石学已经证明含碳酸盐沉积物在地幔过渡带的深部熔融过程中,钾锰钡矿(KAlSi3O8;英文名:liebermanniteK-hollandite)是一个稳定的残余高压矿物相,且相比于ThU和轻稀土,该矿物对KBaRbPb具有更强的相容性(图2)。因此,在这一深度低程度部分熔融释放的熔体就能呈现出霞石岩标志性的微量元素特征,而这些特征也恰恰是霞石岩与金伯利岩相似的那些微量元素特征。也就是说,霞石岩所代表的初始熔体,与金伯利岩一样,都是含碳酸盐物质在地幔过渡带深度低程度熔融的产物。由于源区残留钾锰钡矿这一富钾的高压矿物,造成二者在微量元素上具有高度的相似性。

3 山东霞石岩Mg-Sr同位素相关图

此外,该研究小组发现观察到这些山东霞石岩在26Mg-87Sr/86Sr(图3)、143Nd/144Nd-MgO以及26Mg-Ba/Th等相关图上表现出良好的线性相关,暗示其经历过两端元的岩浆混合作用。其中高MgO端元具有亏损地幔的同位素组成,而低MgO端元保留了更多的含碳酸盐沉积物的同位素特征。因此,需要两阶段模型来解释霞石岩的成因(图2)。首先,含碳酸盐的沉积物在地幔过渡带深度发生低程度的部分熔融,形成碳酸盐化的硅酸盐熔体(初始熔体)。随后,此初始熔体在上升过程中与周围的橄榄岩发生反应,初始熔体转变为反应熔体。反应熔体与后续上升的初始熔体之间的混合,最终形成了霞石岩。对全球不同构造背景的霞石岩和碧玄岩的地球化学特征汇总表明,大多数这类碱性岩石都具有异常低的K/UBa/Th比值,说明这类深部来源的岩浆在全球范围内可能是普遍存在的。

综上所述,该研究小组认为,中国东部的霞石岩是起源自地幔过渡带的深部熔体,虽然其化学成分在上升过程中被不同程度的改造了。该项研究成果作为特邀论文(Invited Research Article)发表在《Chemical Geology》上:Zeng, G., Chen, L.-H., Hofmann, A.W., Wang, X.-J., Liu, J.-Q., Yu, X., Xie, L.-W., 2021. Nephelinites in eastern China originating from the mantle transition zone. Chem. Geol. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2021.120276.曾罡副教授为该文第一作者和第一通讯作者,陈立辉教授和Al Hofmann教授为该文共同通讯作者。王小均、刘建强、俞恂和谢烈文参与了该研究。该工作得到国家自然科学基金项目(41688103, 41672048)、中央高校基本科研业务费(0206-14380114)和南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室自主课题的资助。

论文链接:https://authors.elsevier.com/a/1c-3N26gac5JT


相关文献:

Giuliani, A., Pearson, D.G., Soltys, A., Dalton, H., Phillips, D., Foley, S.F., Lim, E., Goemann, K., Griffin, W.L., Mitchell, R.H., 2020. Kimberlite genesis from a common carbonate-rich primary melt modified by lithospheric mantle assimilation. Science Advances 6, eaaz0424. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaz0424.

Thomson, A.R., Walter, M.J., Kohn, S.C., Brooker, R.A., 2016. Slab melting as a barrier to deep carbon subduction. Nature 529, 76-79. https://doi.org/10.1038/nature16174.

Walter, M.J., Bulanova, G.P., Armstrong, L.S., Keshav, S., Blundy, J.D., Gudfinnsson, G., Lord, O.T., Lennie, A.R., Clark, S.M., Smith, C.B., Gobbo, L., 2008. Primary carbonatite melt from deeply subducted oceanic crust. Nature 454, 622-625. https://doi.org/10.1038/nature07132.

Wang, X.-J., Chen, L.-H., Hofmann, A.W., Mao, F.-G., Liu, J.-Q., Zhong, Y., Xie, L.-W., Yang, Y.-H., 2017. Mantle transition zone-derived EM1 component beneath NE China: Geochemical evidence from Cenozoic potassic basalts. Earth Planet. Sci. Lett. 465, 16-28. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2017.02.028.

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. Chem. Geol. 273, 35-45. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2010.02.009.