西北印度洋中脊玄武岩源区地幔特征

淳明浩, 于增慧, 李怀明, 翟世奎



西北印度洋中脊玄武岩源区地幔特征

淳明浩1, 2, 于增慧1, 2, 李怀明3, 翟世奎1, 2

(1. 中国海洋大学海洋地球科学学院, 山东青岛 266100; 2. 海底科学与探测技术教育部重点实验室, 山东青岛 266100; 3. 国家海洋局第二海洋研究所, 浙江杭州 310012)

利用全球岩石地球化学数据库(PetDB)中有关卡尔斯伯格洋脊(CR)、北中印度洋脊(NCIR)及南中印度洋脊(SCIR)玄武岩的微量元素及同位素组成数据, 分析了玄武岩的元素地球化学特征及其沿脊轴的变化, 旨在探讨玄武岩源区地幔的(不)均一性及岩浆作用过程的差异。初步研究结果表明: CR、NCIR及SCIR 玄武岩组成相近, 仅在个别脊段表现有微量稀土元素和同位素组成上的差异, 玄武岩整体与N-MORB组成特征相近, 与先前通常认为的典型印度洋中脊玄武岩不同。玄武质岩浆主要源自尖晶石二辉橄榄岩地幔的熔融, 岩浆源区主要由两个地幔端元构成, 即以亏损型地幔(DMM)为主(69%), 其次为富集型地幔(EMⅡ, 27 %)。富集组分可能源自古老陆壳物质的混染。自CR经NCIR到SCIR整个印度洋中脊西北分支玄武岩的Sr、Nd及Pb同位素组成表现出均一性, 表明岩浆源区地幔组成相近。在SCIR 19°S附近脊段岩浆源区地幔存在有不均一性, 有EMⅡ型地幔端元混入的迹象。在CR 3.5°N附近脊段, 玄武岩明显富集K、Ba、La及U等微量元素, 但由于缺少同位素数据, 源区地幔特征有待进一步研究。在上述研究成果的基础上, 提出了该区大比例尺的调查填图及密集采样和精细室内分析是CR深入研究的基础, 同时加强Sr、Nd、Pb及Re、Os、Be等同位素分析测试, 可提供揭示CR地幔不均一性的可靠依据, 而厘清印度洋型地幔对CR的影响程度则有助于深入认识地幔不均一性的成因及地幔动力学过程。

西北印度洋中脊; 玄武岩; 沿脊轴变化; 地幔不均一性

洋中脊下部橄榄岩上地幔减压熔融形成的原始玄武质岩浆经结晶演化和冷凝形成的洋中脊玄武岩(Mid-Ocean Ridge Basalt, 简称MORB)的地球化学特征既可以指示形成时的物化条件, 也可以指示岩浆源区地幔性质[1-4]。通常认为MORB主量元素可以指示地幔熔融和结晶分异特征, 而不相容元素和同位素则可以反映熔融过程及源区地幔的组成特征[5]。

地幔存在厘米尺度乃至数万千米尺度的同位素组成不均一性[6-7]。大西洋中脊(MAR)及东太平洋海隆(EPR)的MORB研究表明其源区地幔的Sr、Nd及Pb同位素组成之间均具有较好的相关性, 地幔以亏损型地幔为主, 只在局部热点区受到富集型地幔混入影响[8]。印度洋中脊(IOR)MORB源区地幔相比MAR和EPR MORB源区地幔具有更大不均一性, 典型特征表现为对于给定的143Nd/144Nd、207Pb/204Pb及208Pb/204Pb具有较高的87Sr/86Sr及更低的206Pb/204Pb[9], 导致这一现象的原因在不同脊段可能有所不同。西南印度洋中脊(SWIR)高△Hf(为Hf同位素偏差, 高△Hf指示源自一个相对亏损的源区地幔)的印度洋型地幔被归因于中生代冈瓦纳大陆裂解产生的岩石圈碎片进入了印度洋上地幔[9]。东南印度洋中脊(SEIR)则被认为受Kerguelen热点的影响, 源区地幔有循环沉积物或陆壳物质等富集组分的混入[10-12]。

卡尔斯伯格洋脊(CR)、北中印度洋脊(NCIR)和南中印度洋脊(SCIR)共同构成了“入”字型印度洋中脊系统(IORS)的北部分支。相对于SWIR及SEIR两个分支, 该部分洋中脊研究工作不多。已有的岩石学研究主要集中在罗德里格斯三联点(RTJ)附近和SCIR脊段, 这两个区域玄武岩源区地幔延续了SWIR的印度洋型地幔的特征。多数学者据此认为冈瓦纳大陆裂解产生的影响可以向北一直持续到CR末端。然而, 北部的CIR和CR区研究工作相对缺少, 特别是缺乏同位素证据, 对于这一中脊区域的源区地幔性质了解尚少。基于上述分析, 本文利用全球岩石地球化学数据库(PetDB: http: //www.earthchem.org/ petdb)中关于CR、NICR及SCIR的MORB微量元素(共利用108个数据)及同位素数据(共利用37个数据),分析了3个脊段 MORB的微量元素及同位素地球化学特征, 探讨了玄武岩源区地幔的(不)均一性及其沿脊轴的变化。

1 区域地质背景

CR是印度板块和索马里板块的边界[13], 在晚古新世(~55 Ma)塞舌尔板块从印度板块分离过程中形成[5], 起始于11°N附近的Owen 破碎带, 呈NW-SE向延伸, 向东南方向一直延伸到赤道附近[14]。CR全扩张速率约为24 ~26 mm/a, 为慢速扩张洋脊[13]。中脊轴部火山带高度及长度分别变化在200~800 m及5~23 km之间, 轴部地形与慢速扩张的MAR相似, 具有较多的非转换不连续带[15]。洋底出露岩石类型以玄武岩为主, 同时出露有超基性岩、辉长岩及辉绿岩等[16]。

NCIR位于CIR 1°N~11°S脊段内, 半扩张速率约18~21 mm/a, 为慢速扩张中脊[17], 轴部裂谷较宽, 地形起伏及水深变化较大[18]。SCIR位于CIR 11°~ 25°S脊段内, 半扩张速率为23 mm/a左右, 为慢速扩张中脊[17], 轴部裂谷也较宽, 相比CR和NCIR具有更大且多的转换断层[18-19]。CR、NCIR及SCIR轴部水深见图1, 本文研究区为CR 11°N至SCIR 21°S之间的脊段。

2 MORB元素地球化学性质

2.1 元素组成沿脊轴变化

不相容元素比值可以很好地指示岩浆来源和岩浆作用过程[20]。因此, 分析玄武岩的微量元素组成可以有效地研究不同中脊岩石类型及岩浆作用的演化特征。沿整个北印度洋中脊(包括CR、NCIR和SCIR脊段), 玄武岩中(K)/(Ti)((K)表示玄武岩中微量元素K的含量,(K)/(Ti)表示微量元素K与微量元素Ti的含量比值)变化不大(图2), 大多与N-MORB (Normal Mid-Ocean Ridge Basalt, 为正常型洋中脊玄武岩)的参考值(~0.1)相近, 仅在19°S及3.5°N附近脊段玄武岩中(K)/(Ti)变化较大, 出现明显的高值。大部分脊段玄武岩的Mg#(岩石镁指数, Mg#=molar [100×Mg/(Mg+Fe2+)])同样接近N-MORB参考值(~59)[21], 且沿脊轴变化不大, 也是仅在19°S和3.5°N附近Mg#变化范围较大, 出现明显的低值(图2)。上述特征表明大部分脊段的岩浆结晶演化程度相近, 但在19°S及3.5°N附近脊段岩浆演化程度较高。

在岩浆作用过程中, 随着岩浆源区地幔熔融程度的增大, 稀土元素La相对Sm将在熔体中更加富集, 导致(La)/(Sm)随熔融程度的增大而增大[22]。由图3可以看出, 大部分玄武岩的(La)/(Sm)沿脊轴变化不大, 仅在19°S附近脊段玄武岩的(La)/(Sm)变化较大, 出现明显的高值, 表明该脊段岩浆源区地幔的熔融程度较大[23]。与此同时, 在19°S附近脊段部分玄武岩的(La)/(Yb)和(Ce)/(Yb)也变化较大并出现明显的高值, 同样表明该脊段源区地幔相对较高的熔融程度[24]。在玄武岩的(Ba)/(La)和(Ba)/(Th)沿脊轴变化图中, 19°S及3.5°N附近脊段玄武岩的(Ba)/(La)及(Ba)/(Th)同样存在较大变化并出现明显的高值, 这种特征则可能与源区富集作用有关[23]。此外, 在玄武岩的(U)/(Th)、(Nb)/(U)及(Ce)/(Pb)沿脊轴变化图中, 19°S及3.5°N附近脊段玄武岩微量元素比值也变化较大, 且出现明显的低值。由于富集源区往往具有较高的Pb、U及Th含量, 也表明19°S及3.5°N附近脊段可能受到了富集源区组分的影响[25-26]。

由于(Ce)/(Yb)对石榴石及尖晶石橄榄岩的熔融非常敏感, 故常用来判断岩浆源区熔融地幔的性质[27]。从玄武岩的(Ce)/(Yb)-(Ce)图(图4)上看, 玄武岩的数据均投在尖晶石二辉橄榄岩区, 大体沿熔融线分布, 表明玄武质岩浆主要来源于尖晶石二辉橄榄岩地幔的熔融, 这也说明地幔熔融作用不是引起19°S及3.5°N附近脊段玄武岩(La)/(Sm)和(La)/(Yb)增大的原因。由于在岩浆结晶分异作用过程中REE(Rare Earth Element, 稀土元素)整体具有不相容元素的特征, 随着岩浆结晶分异作用的进行(MgO减少)会逐渐在剩余岩浆中富集, [(La)/(Sm)][25]可以很好地反映REE的这种特征。在玄武岩的[(La)/(Sm)]–(MgO)((MgO)表示玄武岩中主量元素MgO的质量分数)图中(图4), 部分玄武岩的[(La)/(Sm)]随(MgO)减小而无太大变化, 大体沿结晶分异作用趋势线分布; 少数玄武岩的[(La)/(Sm)]随(MgO)减小而变化较大, 出现[(La)/(Sm)]>1.0的高值。由于富集型MORB一般具有[(La)/(Sm)]>1.0的特征, 并且前文已述及19°S附近脊段部分玄武岩具有较高的(La)/(Sm)及(Ba)/(La) , 因此[(La)/(Sm)]值进一步证明该脊段玄武岩可能部分源自富集型源区地幔[28]。

2.2 微量及稀土元素特征

CR、NCIR及SCIR玄武岩的REE含量总体较低,SREE和SLREE/SHREE等指标变化较大, 但 [(La)/(Sm)][25]及[(La)/(Yb)][25]均较小且变化不大, 分别表明轻稀土及重稀土分馏不强, 玄武岩均无明显Eu和Ce的异常。从REE标准化图(图5)中可以看出, CR、NCIR及SCIR大部分玄武岩均表现出亏损LREE(Light Rare Earth Element, 轻稀土元素)而富集HREE(High Rare Earth Element, 重稀土元素)的特征, 配分模式与N-MORB相似, 仅少数SCIR玄武岩具有富集LREE而亏损HREE的特征, 配分模式与E-MORB(Enriched Mid-Ocean Ridge Basalt, 为富集型洋中脊玄武岩)相似。对3段中脊玄武岩的稀土配分模式进行对比可见, CR玄武岩的LREE亏损程度较大而NCIR玄武岩的HREE富集程度较大, SCIR玄武岩的LREE富集及HREE亏损程度均较大。

在微量元素原始地幔标准化图上(图5), CR、NICR及SCIR大部分玄武岩均表现出亏损LILE (Large ion Lithophile Element, 大离子亲石元素)而富集HFSE(High Field-Strength Element, 高场强元素)的特征, 配分模式与N-MORB相似。仅少数SCIR玄武岩具有富集LILE而亏损HFSE的特征, 配分模式与E-MORB相似。对3段中脊玄武岩的微量元素配分模式进行比较发现, CR玄武岩的LILE及HFSE亏损程度较大, NCIR 玄武岩的HFSE富集程度较大, 而SCIR玄武岩的LILE富集及HFSE亏损程度均较大。由于REE整体在岩浆作用过程中表现出不相容元素的性质, 熔融作用过程会使得LREE与HREE发生分馏, 从而各自呈现出不同程度的亏损或富集。微量元素由于不相容性的差异, 在岩浆作用过程中呈现出与REE相似的性质。CR、NCIR及SCIR玄武岩的稀土及微量元素配分模式相近, 表明不同中脊熔融作用程度相近, 因此熔融作用不是玄武岩性质差异的主要控制因素。此外, 大部分玄武岩的稀土及微量元素配分模式与N-MORB相似的特征, 表明中脊岩石类型主要为N-MORB; 少数NCIR玄武岩的稀土及微量元素配分模式与E-MORB相似, 岩浆源区受富集型地幔组分影响。

2.3 微量元素的统计学意义

稀土及微量元素对岩浆源区性质具有很好的指示性, 为了探讨研究区MORB的元素组合及其控制因素, 进而分析岩浆源区地幔的性质, 对玄武岩的稀土及微量元素数据(共采用108个稀土及微量元素数据), 利用SPSS软件做R型因子分析, 并进行最大方差旋转。分析结果表明, 稀土及微量元素可以分为两组(图6), 即主要有2个因子控制着MORB的微量及稀土元素组成, 它们共同解释了96%的信息, 其方差贡献分别为69%和27%。因子1是方差贡献(69%)最大的因子, 表明因子1是MORB源区组成中的主要控制类型。从因子1的旋转成分特征值分布模式图中(图6)可以看出, 其呈现LREE亏损的特征, REE旋转成分特征值分布模式为左倾型, 微量元素相对亏损Ba、Rb、U、Th及Nb、Ta等, 相对富集HREE、Sr、Zr及Hf等, 与典型N-MORB的微量元素组成模式相近。在4种基本地幔端元中, DMM端元亏损LILE和不相容元素[29], 其与因子1的微量元素组成特征相近, 因此因子1应该代表了MORB源区中的亏损型地幔端元(DMM)。因子2方差贡献为27%, 呈现LREE富集的特征, REE旋转成分特征值分布模式为右倾型, Rb、Ba、Th及Nb等富集, Pb及U等亏损, 微量元素组成模式与富集型地幔相近。由于EMⅡ型地幔端元具有(Rb)/(Sr)较高、(Sm)/(Nd)较低并且(Th)/(Nd)和(Th)/(La)均较高的特征[29], 其与因子2的微量元素组成特征相近, 因此因子2反映了富集型地幔端元(EMⅡ)的特征。因子1和因子2几乎反映了MORB中元素组成的所有特征信息(二者之和高达96%), 而且存在有明显的互为消长关系, 这正是两种地质作用或二端元混合体系的典型特征。因此, 研究区岩浆源区地幔主要为亏损型的DMM端元, 但局部有富集型(EMⅡ)地幔的混入。

3 地幔不均一性

地幔储库中的Sm-Nd、Rb-Sr及U-Th-Pb同位素体系可以很好地限制地幔演化模型并提供其演化的潜在信息[30]。根据不同地幔储库的同位素组成特征则可以识别出多种地幔端元(如DMM、EMⅠ、 EMⅡ、PREMA及HIMU等)[31]。一般来说, DMM地幔端元相当于N-MORB的源区, 具有高143Nd/144Nd、低87Sr/86Sr和低206Pb/204Pb, 同位素组成极为均一; EMⅠ地幔端元的形成与远洋沉积物、亏损的大洋岩石圈和被交代的大陆岩石圈等的俯冲作用有关, 具有极低的206Pb/204Pb和最低的143Nd/144Nd, 同位素组成均一性尚不明确; EMⅡ地幔端元的形成与高Rb/Sr、低Sm/Nd的上地壳陆源沉积物的俯冲作用有关, 具有极高的87Sr/86Sr及中等的206Pb/204Pb和143Nd/144Nd, 具有极大的同位素组成不均一性; HIMU地幔端元则与高U/Pb的蚀变洋壳的俯冲作用有关, 具有极高的206Pb/204Pb、低87Sr/86Sr及中等143Nd/144Nd, 典型特征是U、Th相对于Pb特别富集, 同位素组成也较为均一[22, 29, 32]。这4种地幔端元足以解释所有地幔的同位素组成, 其他地幔端元可以由它们不同程度混合而形成[29]。

从玄武岩的87Sr/86Sr、143Nd/144Nd、206Pb/204Pb、207Pb/204Pb及208Pb/204Pb沿脊轴变化图(图7)中可知, 大部分脊段玄武岩的同位素组成沿脊轴均无太大的变化, 与N-MORB参考值相近, 仅在19°S附近脊段玄武岩的87Sr/86Sr、206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb和143Nd/144Nd变化较大, 分别出现明显高值与低值。据此可知, 玄武岩的同位素组成沿脊轴变化不大, 整体具有均一性特征, 表明CR、NCIR及SCIR玄武岩源区地幔组成较为均一, 只是在19°S附近脊段下伏的地幔可能存在不均一性。

从玄武岩的143Nd/144Nd-87Sr/86Sr及143Nd/144Nd-206Pb/204Pb组成判别图上可以看出, 玄武岩的同位素组成相关性较好, 同位素组成整体处于IOR MORB范围内, 大部分CR、NCIR及SCIR玄武岩处于DMM地幔端元范围内, 少数SCIR玄武岩有靠近EMⅡ地幔端元的趋势(图8)。在玄武岩的207Pb/204Pb-206Pb/204Pb及208Pb/204Pb-206Pb/204Pb组成判别图上, 同位素组成相关性也较好, 同位素组成整体处于IOR MORB范围内, 大部分CR、NCIR及SCIR玄武岩仍然处于DMM地幔端元范围内, 少数SCIR玄武岩具有较为明显的沿DMM地幔端元向EMⅡ地幔端元变化的趋势。以上玄武岩的Sr、Nd及Pb同位素组成特征表明, CR、NCIR及SCIR玄武岩的同位素组成具有相似的特征, 存在较大的均一性, 源区地幔组成也较为均一并以DMM地幔端元为主; 仅在SCIR 19°S附近脊段存在地幔不均一性, 源区地幔可能受到了EMⅡ型地幔端元组分的混染, 这一特征与微量元素因子分析结果一致。

4个基本地幔端元研究中, 如果以“DMM-EMⅠ-HIMU”3个地幔端元构成“底部三角形”, 则 EMⅡ地幔端元位于“三角形”顶部, 而由DMM和HIMU混合形成的PREMA地幔端元则位于“三角形”的底部。在CR、NCIR及SCIR 玄武岩Sr、Nd及Pb同位素组成3D示意图中, 不同脊段玄武岩的同位素组成较为一致, 差异不明显, 多处于DMM地幔端元范围内; 仅少数SCIR玄武岩的同位素组成从DMM地幔端元向E-DMM地幔端元变化, 有靠近EMⅡ地幔端元的趋势(图9)。

上述特征进一步表明, CR、NCIR及SCIR 玄武岩的源区地幔组成较为均一, 以DMM型地幔端元为主, 仅SCIR 19°S附近脊段玄武岩的同位素组成不均一, 中脊下伏地幔存在不均一性, 源区地幔有富集组分的混入。该富集组分与EMⅡ型地幔组分相似, 可能来自古老陆壳物质的混染作用。

4 结论与展望

4.1 结论

(1) CR、NCIR及SCIR 玄武岩组成相近, 仅在个别脊段表现有微量稀土元素和同位素组成上的差异, 玄武岩整体与N-MORB组成特征相近, 与先前通常认为的典型印度洋中脊玄武岩不同。玄武质岩浆主要源自尖晶石二辉橄榄岩地幔的熔融, 岩浆源区主要由两个地幔端元构成, 即以亏损型地幔(DMM)为主(69%), 其次为富集型地幔(EMⅡ, 27%)。富集组分可能源自古老陆壳物质的混染。(2)自CR经NCIR到SCIR整个印度洋中脊西北分支玄武岩的Sr、Nd及Pb同位素组成表现出均一性, 表明岩浆源区地幔组成相近。在SCIR 19°S附近脊段岩浆源区地幔存在有不均一性, 有EMⅡ型地幔端元混入的迹象。

4.2 展望

尽管数十年以来对于CIR及CR的玄武岩已经做了大量的工作, 但是对于不同脊段之下地幔的性质(物质组成及均一性)、熔融作用及岩浆的结晶演化过程等重要科学问题还缺乏足够的认识。在今后的调查研究中应注重以下几个方面: (1)大比例尺的调查填图及密集的采样和随后的室内分析研究工作是深入系统研究工作的基础。(2)加强同位素方面的分析测试工作, 既包括传统的Sr、Nd、Pb同位素, 也要包括最近几年得以应用的元素(例如Re、Os、Be、Li和Fe等)同位素的分析测试工作。越来越多的证据表明, 地幔不均一性存在的空间尺度变化非常大, 只有在大量分析数据的基础上, 才能得到真实可靠的判断。(3)已有的研究工作表明, 印度洋型地幔在冈瓦纳大陆裂解过程中受到了残余陆块混入的影响。CIR及CR作为“入”字型印度洋中脊系统的最北段, 印度洋型地幔对其的影响程度及范围至今还不清楚, 该问题的解决对于深入认识地幔不均一性的成因及地幔动力学过程具有重要的意义。

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Mantle source features of basalts in the Northwest Indian Ridge

CHUN Ming-hao1, 2, YU Zeng-hui1, 2, LI Huai-ming3, ZHAI Shi-kui1, 2

(1. College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Key Laboratory of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, Ministry of Education, Qingdao 266100, China; 3. Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012, China)

The geochemical features and variation in major elements, trace elements, and isotopic compositions of CR, NCIR, and SCIR MORBs, collected from the PetDB database, are examined to investigate mantle source heterogeneity and the variation in magmatic processes along a ridge axis. The trace element and isotopic composition of the basalts are nearly identical to that of N-MORB, except for an anomaly in some segments, and are different from typical Indian Ridge basalts. The basaltic magma is a product of spinel lherzolite mantle melting, and the mantle source comprises two mantle domain components, namely DMM and EMⅡ, which contribute 69% and 27%, respectively. The enrichment of the EMⅡ-type component may be a result of ancient crustal contamination. The isotopic composition of Sr, Nd, and Pb is heterogeneous, reflecting that the composition of mantle source is similar for the basalts from the CR, NCIR, and SCIR. The basalts show that there is heterogeneity in the mantle source near the SCIR 19°S segment .In addition, it shows that the significant feature of the EMⅡ-type component mixed. There is enrichment of K, Ba, La, and U in the basalts near the CR 3.5°N segment; however, the features of the mantle source need to be further studied because of the lack of isotopic composition data. Based on these research results, we define large-scale mapping, intensive survey sampling, and laboratory analysis as a basis for further research the CR. An extensive isotopic analysis of Sr, Nd, Pb and Re, Os, and Be could provide evidence on the mantle heterogeneity of the CR. Furthermore, clarification on the degree of influence of Indian Ocean Mantle on the CR could contribute to a better understanding of the causes of mantle heterogeneity and its dynamic processes.

the Northwest Indian Ridge; basalt; variation along ridge axis; mantle heterogeneity

(本文编辑: 刘珊珊)

[National Key Basic Research and Development Program, No. 2013CB429702; The 12thFive-Year Plan major projects of China Ocean Mineral Resources Research and Development Association, No. DY125- 11-R-01, No. DY125-12-R-03]

May 14, 2015

P736.4

A

1000-3096(2016)08-0108-11

10.11759/hykx20150514002

2015-05-14;

2015-07-23

国家重点基础研究发展计划项目(2013CB429702); 中国大洋矿产资源研究开发协会“十二五”重大项目(DY125-11-R-01, DY125- 12-R-03)

淳明浩(1988-), 男, 四川巴中人, 硕士研究生, 海洋地质专业, 主要从事海底矿产资源与成矿作用研究, 电话: 17612280695, E-mail: chunminghao520@163.com; 翟世奎, 通信作者, 男, 博士生导师, E-mail: zhaishk@public.qd.sd.cn.