蒙古中部Tariat新生代玄武岩的地幔源区特征:橄榄石成分及Sr-Nd-Pb同位素证据

张庆霖, 任钟元, 张 乐, 张 磊

蒙古中部Tariat新生代玄武岩的地幔源区特征:橄榄石成分及Sr-Nd-Pb同位素证据

张庆霖1, 2, 任钟元1*, 张 乐1, 张 磊1, 2

(1. 中国科学院 广州地球化学研究所, 同位素地球化学国家重点实验室, 广东 广州 510640; 2. 中国科学院大学, 北京 100049)

蒙古中部新生代玄武岩呈弥散状广泛分布, 然而有关该地区新生代玄武岩的研究十分有限。本文分析了蒙古中部Tariat地区新生代玄武岩中橄榄石斑晶的成分, 并结合新的全岩主量元素、微量元素、Sr-Nd-Pb同位素数据以及前人报道的数据, 探讨蒙古中部新生代玄武岩的地幔源区特征。Tariat新生代玄武岩以碱性玄武岩为主, 微量元素蛛网图上具有明显Ba、K、Sr正异常, Th、U、Ti负异常, 无明显Nb、Ta负异常, 显示出与富集地幔(EM1)型洋岛玄武岩(OIB)相似的特征。Tariat玄武岩的Sr-Nd-Pb同位素组成介于亏损地幔(DMM)与EM1组分之间。橄榄石成分表明Tariat玄武岩源区同时存在辉石岩和橄榄岩组分。Tariat玄武岩的87Sr/86Sr与CaO/Al2O3值、Nb/U与Ce/Pb值呈良好的负相关关系,143Nd/144Nd与CaO/Al2O3值、Ba/Th以及206Pb/204Pb与Ba/La值呈良好的正相关关系, 说明Tariat玄武岩的成分变化主要受控于DMM与EM1端元组分的混合作用, 其中DMM端元组分来源于含金云母的岩石圈地幔, 而EM1端元组分来源于再循环的洋壳辉长岩与远洋沉积物混合, 玄武岩源区母岩中的辉石岩组分则是由再循环的洋壳物质熔体交代地幔橄榄岩形成的二阶段辉石岩。

新生代玄武岩; 橄榄石; 地球化学特征; 源区特征; 蒙古

0 引 言

作为地幔部分熔融的产物, 玄武质岩浆形成的玄武质岩石是研究地幔物质组成的重要岩石探针之一(Hofmann and White, 1982; Zindler and Hart, 1986; Mckenzie and Bickle, 1988; Langmuir et al., 1992)。蒙古境内新生代板内玄武岩呈弥散状广泛分布, 然而有关该地区新生代玄武岩的成因研究十分有限(Windley and Allen, 1993; Yarmolyuk et al., 1996)。前人研究表明, 蒙古中部地区新生代玄武岩以碱性玄武岩为主, 其微量元素具有洋岛玄武岩(OIB)的特征; Sr-Nd-Pb同位素组成显示, 其中一个地幔端元组分靠近全硅酸盐地球(BSE)或流行地幔(PREMA)端元, 另一个端元组分与富集地幔Ⅰ型(EM1)相似, 部分玄武岩的Sr-Nd同位素组成还显示出富集地幔Ⅱ型(EM2)的特征(Barry and Kent, 1998; Barry et al., 2003; Kudryashova et al., 2010; Savatenkov et al., 2010; Hunt et al., 2012; Yarmolyuk et al., 2015)。然而有关该地区新生代玄武岩的源区母岩岩性以及源区富集组分来源仍然存在争议: 源区母岩的岩性是石榴石橄榄岩(Barry et al., 2003; Kudryashova et al., 2010; Savatenkov et al., 2010; Hunt et al., 2012), 还是辉石岩(Savatenkov et al., 2010; Zhang et al., 2021)? 源区的富集组分来源于交代富集的岩石圈地幔(Barry et al., 2003; Hunt et al., 2012), 还是再循环的洋壳物质(Savatenkov et al., 2010; Zhang et al., 2021)?

该区仅有的少量前人的研究工作都是基于全岩地球化学而开展的(Barry et al., 2003; Kudryashova et al., 2010; Savatenkov et al., 2010; Hunt et al., 2012; Yarmolyuk et al., 2015)。然而, 岩浆在形成和演化过程中会受到多种地质过程(如岩浆混合、地壳混染)的影响, 成岩后可能遭受热液作用和风化蚀变的影响。因此, 全岩成分是多种地质过程的综合产物, 其携带的深部源区信息难以准确识别(Kent, 2008; 任钟元等, 2018)。相对于全岩而言, 橄榄石是镁铁质岩浆中最早结晶的硅酸盐矿物, 未蚀变的橄榄石记录了原始岩浆的性质以及岩浆演化过程的信息。最近的研究表明, 橄榄石的化学成分是区分玄武质岩浆源区母岩成分的良好指示剂(Sobolev et al., 2005, 2007)。因此, 本文选取蒙古中部Tariat新生代玄武岩为研究对象, 分析了玄武岩中橄榄石的成分、全岩主量元素、微量元素以及Sr-Nd-Pb同位素, 并总结前人研究数据, 来探讨其源区母岩的岩性以及富集地幔组分的来源。

1 研究区地质背景及样品特征

蒙古地处中亚造山带中段, 北邻西伯利亚板块, 南侧与华北克拉通和塔里木板块相接, 位于蒙古–鄂霍次克缝合带的西缘(Yarmolyuk et al., 1996, 2015; Fritzell et al., 2016)。蒙古境内新生代板内火山作用表现为许多小规模的玄武质火山锥和熔岩(30 Ma～5 ka)的喷发(图1), 主要分布在北部Khubsugul、中部Khangai、南部Gobi和东部Darignaga 4个区域(Yarmolyuk et al., 1996; Barry and Kent, 1998)。Tariat玄武岩(6 Ma～5 ka)位于蒙古中部的Khangai地区(Barry et al., 2003; Yarmolyuk et al., 2015; Ancuta, 2017)。Khangai地区是一个面积约2×105km2的穹窿区域。最近的研究认为, Khangai穹窿的抬升始于晚中生代(McDannell et al., 2018)。Khangai地区最高海拔接近4000 m, 平均海拔约2000 m(Windley and Allen, 1993; Walker et al., 2007)。前寒武纪片麻岩和片岩在中生代期间堆积增生, 形成Khangai穹窿的基底, 上覆厚的古生代浊积扇序列, 基底被寒武纪花岗岩侵入(Hunt et al., 2012)。地球物理研究表明, 该地区地壳厚度约为50 km, 岩石圈厚度可能为70～ 80 km, 最厚的地区超过了100 km(Petit et al., 2002)。

本次研究在Tariat地区共采集新生代玄武岩样品10件。玄武岩样品以块状构造和斑状结构为主(图2)。斑晶主要为橄榄石, 呈它形–自形粒状结构, 大小为0.5～2 mm, 含量为5%～10%, 少数橄榄石边缘发生轻微伊丁石化蚀变, 部分橄榄石为地幔捕虏晶, 呈它形。部分样品除具有橄榄石斑晶外, 还可见少量单斜辉石, 含量小于5%, 直径约1 mm, 呈半自形–自形粒状结构, 可见环带结构, 说明岩浆的演化过程中可能存在混合作用(Guo et al., 2007)。个别样品还可见斜长石斑晶。基质以间粒–间隐结构为主, 少部分为间隐结构, 由斜长石、橄榄石、辉石、磁铁矿和火山玻璃等组成。少数玄武岩样品中有橄榄岩地幔包体。

2 分析方法

切除样品中地幔包体部分, 将样品切成厚度约为1 cm的板片状, 选取新鲜岩石板片, 碎成厘米级大小, 选取其中新鲜的小碎块, 利用碎样机粗碎成几毫米大小。将挑选好的样品装在烧杯中用超纯水清洗, 并置于超声波清洗槽中超声20 min, 反复3次。将洗好的岩石碎块置于加热板上烘干, 用三头玛瑙研磨仪研磨成200目的粉末。挑选剩余的岩石板片粉碎成毫米大小, 挑捡出橄榄石颗粒备用。

全岩主量元素分析是在中山大学广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室, 利用高分辨率X荧光光谱分析仪(XRF)进行的, 分析方法参见Goto and Tatsumi (1996)。SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、Na2O和K2O分析精度优于3%; TiO2、MnO和P2O5优于5%。全岩微量元素、全岩Sr-Nd-Pb-Hf同位素和橄榄石成分分析在中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室完成。全岩微量元素分析采用酸溶法, 分析仪器是iCap Qc ICP-MS, 实验过程详见刘颖等(1996)。大部分微量元素的分析精度优于5%。根据微量元素含量, 称量90～160 mg全岩粉末置于Teflon杯中溶解, 进行全岩Sr-Nd-Pb同位素分离。采用HF-HNO3混合酸, 摇匀后置于加热板上在120 ℃条件下保温7天。待样品完全溶解后, 置于120 ℃的加热板上蒸干, 蒸干后再次加入1 mL浓HNO3进行二次蒸干。随后加入1 mL HCl(6 mol/L)置于加热板上继续保温4 h以上后蒸干。将再次蒸干后的样品加入1 mL HBr(1mol/L)继续蒸干, 然后用移液枪准确加入1 mL HBr(1mol/L)室温保温4 h, 依次进行Pb、Sr、Nd元素的分离。Sr-Nd-Pb同位素的测试在Neptune-plus多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)上完成。本次实验过程中, 每测6个样品后, 测定一次国际标样, 以监测仪器的运行状态。Sr、Nd和Pb同位素分别用国际标样NBS987、JNdi-1和NBS981进行监控, Sr和Nd同位素实验精度分别优于0.004%和0.001%,206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb的实验精度分别优于0.1%、0.1%和0.2%。

图1 蒙古新生代玄武岩分布图(据Barry and Kent, 1998)

图2 Tariat新生代玄武岩显微照片

橄榄石元素分析采用RESOlution M-50激光剥蚀系统与ELEMENT XR高分辨电感耦合等离子体质谱仪(ICP-SF-MS)联机测试。在测试过程中, 激光光束直径为60 μm, 频率为6 Hz, 能量密度约为4 J/cm2。每一个点分析包括20 s的背景采集和30 s的样品剥蚀。使用国际标样BCR-2G、BHVO-2G和GSD-1G作为外标校正样品的元素含量。使用玻璃标样TB-1G作为监控标样。TB-1G的测试结果显示SiO2、FeO、MnO、MgO、CaO的测试精度好于3%, NiO的测试精度好于5%。详细的实验过程见Zhang et al. (2019)。

3 分析结果

3.1 主量元素

Tariat新生代玄武岩的主量元素分析结果列于表1。其中SiO2含量为48.49%～51.88%, MgO含量为6.96%～9.80%, Na2O+K2O值为5.71%～7.12%, 玄武岩的烧失量(LOI)均小于1%。在TAS图解(图3)上, Tariat玄武岩以碱性玄武岩为主, 少数为亚碱性玄武岩, SiO2与Na2O+K2O呈负相关关系。结合前人的研究数据, Tariat玄武岩的SiO2、Al2O3与MgO呈负相关关系, CaO/Al2O3、Sc与MgO呈正相关关系(图4)。

表1 蒙古中部Tariat新生代玄武岩主量元素(%)、微量元素(μg/g)以及Sr-Nd-Pb同位素分析结果

续表1:

注: SE. 标准误差。

Tariat文献数据来自Barry et al., 2003; Savatenkov et al., 2010; Hunt et al., 2012; Yarmolyuk et al., 2015; Chuvashova et al., 2019。底图据Le Bas et al., 1986。

3.2 微量元素

Tariat新生代玄武岩的微量元素分析结果列于表1。Tariat玄武岩的∑REE含量为123～209 μg/g, 平均值为152 μg/g, LREE/HREE比值为7.89～12.0, (La/Yb)N值为13.0～23.9, 玄武岩的轻稀土元素相对富集, 亏损重稀土元素, 呈现右倾的配分特征。原始地幔标准化微量元素蛛网图(图5)显示, 微量元素特征整体与EM1型OIB相似, 呈现明显的Ba、K、Sr正异常, 无明显的Nb、Ta负异常, 具有Th、U、Pb、Ti负异常, 部分玄武岩还显示出Pb正异常。

3.3 Sr-Nd-Pb同位素

本文分析了8个Tariat新生代玄武岩的Sr-Nd-Pb同位素(表1), 其中87Sr/86Sr为0.704387～0.704746,143Nd/144Nd为0.512537～0.512697,Nd为−1.96～1.07。结合前人研究数据, Sr-Nd同位素图解(图6a)显示, Tariat玄武岩落在EM1型的Pitcarin洋岛玄武岩的区域内。Tariat地幔捕虏体的Sr-Nd同位素组成比Tariat玄武岩更加亏损, 而Tariat地壳捕虏体具有更高的87Sr/86Sr、更低的143Nd/144Nd值, 相对Tariat玄武岩更加富集。本次分析的Tariat玄武岩样品的206Pb/204Pb为17.223～17.838,207Pb/204Pb为15.490～ 15.512,208Pb/204Pb为37.354～37.803。207Pb/204Pb与206Pb/204Pb、208Pb/204Pb与206Pb/204Pb的关系图(图6c、d)显示, Tariat玄武岩位于北半球参考线(NHRL)之上、亏损的洋中脊地幔(DMM)和EM1组分之间。相比Pitcarin洋岛玄武岩, Tariat玄武岩具有更低的206Pb/204Pb、208Pb/204Pb值, 并未显示出EM2组分的Pb同位素特征。此外, Tariat玄武岩的143Nd/144Nd与206Pb/204Pb值呈正相关关系, 并且靠近EM1端元(图6b)。

图4 Tariat新生代玄武岩SiO2(a)、Al2O3(b)、CaO/Al2O3(c)、Sc(d)与MgO关系图解

原始地幔据McDonough and Sun, 1995; EM1(Gough)、HIMU(高U/Pb地幔)据Willbold and Stracke, 2006; CC(大陆地壳)据Rudnick and Gao, 2003。

3.4 橄榄石成分

本文挑选了4个Tariat玄武岩样品, 对其中的橄榄石斑晶进行主要和次要元素测试, 共计159个。测试结果见表2。橄榄石的Fo为73.42～82.43, CaO含量为0.14%～0.26%(图7a), 均大于典型的地幔捕虏晶(CaO<0.1%), 结合显微镜下观察到自形橄榄石晶体, 说明所测试的橄榄石均为岩浆成因(Thompson and Gibson, 2000)。玄武岩中橄榄石斑晶的Fo与全岩的Mg#相平衡(图7b), 同样指示了所测试的橄榄石斑晶均为岩浆成因, 而不是地幔捕虏晶。橄榄石的Ni含量为710～2278 μg/g, 与Fo呈正相关(图8c), Mn含量与Fo呈负相关关系(图8b), Fe/Mn值为60.40～80.59(图8d)。

4 讨 论

由于玄武质岩浆在上升过程以及喷出地表后, 可能会经历后期蚀变、地壳混染、分离结晶等作用, 在进一步讨论全岩地球化学特征之前, 首先需要判断这些作用对玄武岩成分变化的影响。

DMM、EM1、EM2、HIMU据Zindler and Hart, 1986; Pitcarin据Woodhead and Devey, 1993; Eisele et al., 2002; Somoa据Workman et al., 2004; Salters et al., 2011; Tariat地壳捕虏体据Barry et al., 2003; Ancuta, 2017; Tariat地幔捕虏体据Stosch et al., 1986; Ionov et al., 1994; Carlson and Ionov, 2019。

表2 蒙古中部Tariat新生代玄武岩橄榄石斑晶分析结果

续表2:

续表2:

续表2:

图7 Tariat新生代玄武岩中橄榄石CaO(a,底图据Thompson and Gibson, 2000)、全岩Mg#(b,底图据Roeder and Emslie, 1970)与Fo关系图

4.1 岩浆期后蚀变作用

岩相学观察显示, 偶见橄榄石边缘有微弱的伊丁石化现象, Tariat玄武岩样品的LOI均小于1%, 表明Tariat玄武岩样品新鲜, 蚀变作用微弱。此外, 玄武岩的活动性元素(Ba、Th、Sr、Pb等元素)和非活动性元素(Zr)的相关性良好(图9), 同样表明岩浆期后的低温蚀变作用对玄武岩的成分无明显影响。

4.2 地壳混染

大陆中、上地壳强烈富集Ba、Th、U、Pb等大离子亲石元素, 亏损Nb、Ta等高场强元素(Rudnick and Gao, 2003)。Tariat玄武岩的SiO2与Th(U、La) 等不相容元素呈良好的负相关关系(图10a), 绝大部分玄武岩的Nb/U值落在大洋玄武岩(OIB&MORB, Nb/U=47±7)区域之内或上方(图10b)。Tariat玄武岩还具有Th、U、Pb负异常, 无明显Nb、Ta负异常(图5),因此可以排除玄武岩遭受了中、上地壳的混染作用。Tariat玄武岩的Nb/U、Ce/Pb值分别与87Sr/86Sr值呈负相关关系(除了两个玄武岩具有较高的87Sr/86Sr), 相对高的87Sr/86Sr值对应低的Nb/U与Ce/Pb值, 大部分玄武岩的Ce/Pb值低于大洋玄武岩(OIB&MORB, Ce/Pb=25±5)的平均值, 暗示玄武岩在形成过程中存在大陆地壳物质的加入(图10c、d、11d; Hofmann et al., 1986)。

Hawaii、MORB及科马提岩据Sobolev et al. (2007); 底图据Herzberg (2011)。

图9 Tariat新生代玄武岩Ba、Th、Sr、Pb与Zr关系图

然而源区中再循环大陆地壳物质的加入或者上升过程中大陆下地壳的混染都可以导致玄武岩具有上述特征。以下证据可以排除Tariat玄武岩在上升过程中遭受大陆下地壳的混染作用。Tariat新生代玄武岩中多见有地幔橄榄岩捕虏体, 说明玄武质岩浆上升的速度较快, 受到地壳物质强烈混染的可能性较小(Stosch et al., 1986; Ionov et al., 1994; Barry et al., 2003; Ancuta, 2017; Carlson and Ionov, 2019)。前人报道了Tariat地区地壳捕虏体的Sr-Nd-Pb同位素组成(图6), 岩性以下地壳的二辉麻粒岩为主, 两个中地壳捕虏体(长英质麻粒岩、片麻岩)具有相对高的87Sr/86Sr与放射性Pb同位素组成(Barry et al., 2003; Ancuta, 2017)。相比Tariat下地壳捕虏体, Tariat玄武岩具有更低的87Sr/86Sr值、更高的143Nd/144Nd、206Pb/204Pb值(图6a、b),143Nd/144Nd-206Pb/204Pb关系图显示, Tariat玄武岩落在地壳捕虏体区域之外。此外, Tariat下地壳捕虏体的Ce/Pb平均值为4.72, 与大陆下地壳(Ce/Pb值为5.00)、低Ce/Pb值的Tariat玄武岩(Ce/Pb值最低为5.93)相近。但是Tariat下地壳捕虏体的Ba含量(616～1601 μg/g, 平均值为1151 μg/g)及Ba/Th值(100～10266 μg/g, 平均值为4979 μg/g)远高于Tariat玄武岩(Ba: 350～880 μg/g; Ba/Th: 63.0～239 μg/g) (Rudnick and Gao, 2003; Ancuta, 2017)。如果Tariat玄武岩在喷出地表过程中遭受大陆下地壳的混染, 那么玄武岩除了具有低的Ce/Pb值之外, 还应具有Tariat下地壳捕虏体的高Ba特征, 这与Tariat玄武岩的Ba含量以及Ba/Th值不一致。综上, 本文认为Tariat玄武质岩浆在上升过程中没有遭受明显的大陆下地壳混染, 玄武岩中低的Nb/U与Ce/Pb值是继承了其地幔源区的特征。

UCC. 大陆上地壳; MCC. 大陆中地壳; LCC. 大陆下地壳(Rudnick and Gao, 2003); OIB&MORB区域引自Hofmann et al., 1986。

大陆下地壳据Rudnick and Gao, 2003; HIMU、EM1据Willbold and Stracke, 2010; 洋壳辉长岩据Hart et al., 1999; 全洋壳据Stracke et al., 2003; 远洋黏土据Plank and Langmuir, 1998; GLOSS-II据Plank, 2014。

4.3 结晶分离作用

岩相学观察显示Tariat玄武岩样品常见橄榄石、单斜辉石斑晶, 而斜长石多以微晶形式出现, 斑晶极少。Tariat玄武岩的CaO/Al2O3值与MgO含量呈正相关关系, SiO2、Al2O3与MgO含量呈负相关关系, 表明玄武质岩浆经历了橄榄石和单斜辉石的分离结晶(图4)。Sc相对单斜辉石是相容的, Tariat玄武岩的Sc与MgO呈正相关, 同样说明玄武岩质岩浆经历了单斜辉石的分离结晶(图4)。微量元素蛛网图显示Sr正异常以及Eu没有明显的负异常(图5), 说明斜长石的分离结晶作用不明显, 与岩相学观察一致。如果岩浆的成分仅受控于橄榄石(+单斜辉石)的分离结晶作用, 那么SiO2与Na2O+K2O、Th应该呈正相关关系, 而Tariat玄武岩SiO2与Na2O+K2O、Th呈负相关关系(图2、10a)。因此, 本文认为Tariat玄武岩的成分变化除了受橄榄石和单斜辉石的分离结晶作用影响, 还受控于部分熔融作用或者地幔源区成分。

4.4 源区母岩及残留矿物

橄榄石是玄武质岩浆中最早结晶的硅酸盐矿物, 它保留了岩浆演化早期的特征, 橄榄石斑晶的地球化学组成可以用来推测岩浆源区岩性的组成差异(Sobolev et al., 2007; Herzberg, 2011; Herzberg et al., 2014; Liu et al., 2015; Ren et al., 2017; Pang et al., 2019)。由于地幔中的矿物主要为橄榄石、辉石和石榴石, 其中橄榄石和单斜辉石分别是橄榄岩和辉石岩中最主要的矿物。而橄榄石、单斜辉石矿物–熔体间Ni、Ca、Mn的分配系数不同, 导致橄榄岩与辉石岩发生部分熔融时产生的熔体中结晶的橄榄石具有不同的Ca、Ni、Mn含量和Fe/Mn值(Sobolev et al., 2005, 2007; Herzberg, 2011)。研究结果显示, 与源区母岩为橄榄岩的熔体中结晶的橄榄石相比, 辉石岩熔体中结晶的橄榄石, 具有更高Ni含量、Fe/Mn值, 更低Ca、Mn含量的特征(Sobolev et al., 2005, 2007; Herzberg, 2011)。此外, 当岩浆发生单斜辉石结晶分离时, 残余熔体会更加富集Ni, 亏损Ca、Mn, 与其同时或之后结晶的橄榄石会具有更低的Ca、Mn含量(Herzberg, 2011)。因此, 在讨论源区岩性的时候, 还要考虑单斜辉石分离结晶的影响。Tairat玄武岩中橄榄石的Fo与Ca无明显相关性, Fo与Mn呈良好的负相关关系(图8a、b), 结合岩相学观察到的玄武岩中单斜辉石斑晶含量较低(绝大部分样品中小于3%), 本文认为橄榄石成分受单斜辉石结晶分离的影响非常有限, 可以较好地反映源区岩性的特征。

相同Fo下, Tariat玄武岩橄榄石的Ni、Mn含量及Fe/Mn值介于橄榄岩熔体(MORB)结晶的橄榄石与夏威夷(Hawaii)玄武岩的橄榄石之间, Tariat玄武岩橄榄石的Ca含量与夏威夷玄武岩的橄榄石相似(图8)。Mn/Fe和Ni/(Mg/Fe)值受到分离结晶作用的影响较小, 这两个参数可以用来反映源区岩性的差异性(Sobolev et al., 2005)。100Mn/Fe和Ni/(Mg/Fe)/ 1000关系图显示(图12), Tariat玄武岩橄榄石的成分落在辉石岩成分与橄榄岩成分区域之间。因此, 本文认为Tariat玄武岩的源区母岩为橄榄岩与辉石岩的混合。而Tariat玄武岩的轻稀土元素相对于重稀土元素富集, 相对于Gd、La, 石榴石强烈富集重稀土Yb(Pilet et al., 2008), Tariat玄武岩的(Gd/Yb)N均大于1, 且与(La/Yb)N呈正相关关系(图13), 说明源区存在石榴石的残留。

图12 Tariat新生代玄武岩中橄榄石Ni/(Mg/Fe)/1000- 100Mn/Fe关系图(据Sobolev et al., 2007)

图13 Tariat新生代玄武岩(Gd/Yb)N-(La/Yb)N关系图

4.5 地幔源区特征

在玄武质岩浆形成过程中, 微量元素的变化除了受到不同源区物质的影响之外, 还受到部分熔融和分离结晶作用的影响, 而同位素比值的变化仅取决于源区中不同组分的贡献, 因此对结晶分异或部分熔融作用不敏感的微量元素比值和同位素比值之间的变化关系能够反映玄武岩源区的特征(Hofmann, 1997; Willbold and Stracke, 2006)。Tariat玄武岩的87Sr/86Sr与CaO/Al2O3、Nb/U、Ce/Pb呈良好的负相关关系(除了两个玄武岩具有较高的87Sr/86Sr值; 图10d、11a、d),143Nd/144Nd与CaO/Al2O3、Ba/Th值呈正相关关系(图11b、h),206Pb/204Pb与Ba/La值呈良好的正相关关系(图11f)。结合Sr-Nd-Pb同位素组成(图6), 本文认为Tariat玄武岩的成分变化主要受控于DMM与EM1地幔端元组分的混合作用。其中靠近DMM端元的玄武岩具有较高的CaO/Al2O3、Ce/Pb、Nb/U、Ba/Th、Ba/La值, 而靠近EM1地幔端元的玄武岩则具有较低的CaO/ Al2O3、Ce/Pb、Nb/U、Ba/Th、Ba/La值。

靠近DMM端元玄武岩的Nb/U和Ba/La值明显高于典型的EM1型洋岛玄武岩(图11c、e), 而地幔橄榄岩的部分熔融并不能形成具有如此高Nb/U和Ba/La值的熔体(Workman and Hart, 2005; Willbold and Stracke, 2010)。前人研究发现Tariat玄武岩中的橄榄岩包体中含有金云母或角闪石(Stosch et al., 1986; Ionov et al., 1995)。由于Ba和Nb在金云母或角闪石中都是相容元素, 含金云母或角闪石的岩石圈地幔橄榄岩发生部分熔融, 并且金云母或角闪石在熔融过程中被消耗殆尽, 那么形成的熔体将会富集Ba和Nb, 具有高的Nb/U和Ba/La值(Ionov et al., 1995; Tiepolo et al., 2000)。Tariat玄武岩的地幔源区存在石榴石, 而角闪石在石榴石稳定的源区(>2～2.5 GPa)是不稳定的, 因此Tariat玄武岩的地幔源区不含角闪石(Willbold and Stracke, 2006)。此外, 玄武岩的富集K和Rb的特征与金云母地球化学特征吻合(Ionov et al., 1995; Tiepolo et al., 2000)。因此本文认为Tariat玄武岩的DMM组分特征来源于含金云母的岩石圈地幔。

前人的研究提出, EM1组分存在以下几种成因方式: ①再循环的洋壳物质(Hofmann and White, 1982; Weaver, 1991; Willbold and Stracke, 2006; Chauvel et al., 2008); ②再循环的大陆下地壳(Gao et al., 2004, 2008; Willbold and Stracke, 2006; Zeng et al., 2011); ③交代富集的岩石圈地幔(Halliday et al., 1995; Niu and O’Hara, 2003; Pilet et al., 2008; Turner et al., 2017);④碳酸盐化地幔(Bizimis et al., 2003; Dasgupta et al., 2007; Li et al., 2016; Wang et al., 2018)。

富集的岩石圈地幔: Tariat新生代玄武岩中携带有地幔捕虏体, 目前该地区报道的地幔捕虏体岩性以橄榄岩为主, 地幔捕虏体的Sr-Nd同位素组成相对于Tariat玄武岩更加亏损(图6a; Stosch et al., 1986; Ionov et al., 1994; Carlson and Ionov, 2019)。仅Carlson and Ionov (2019)发现Tariat玄武岩携带的二辉橄榄岩捕虏体中存在辉石岩脉, 该辉石岩脉同样具有相对低的87Sr/86Sr值(0.702474)和高的143Nd/144Nd 值(0.513048), 与橄榄岩捕虏体同位素组成相似, 所以本文认为岩石圈地幔并不适合作为Tariat玄武岩源区中EM1成分的主要来源。

碳酸盐化地幔: 研究表明, 碳酸盐化地幔通常具有K、Pb、Zr、Hf、Ti负异常和高的Ce/Pb、CaO/Al2O3、Zr/Hf值(Bizimis et al., 2003; Dasgupta et al., 2007)。然而Tariat玄武岩的87Sr/86Sr同位素与Ce/Pb、CaO/Al2O3值呈负相关关系(图10d、11a), 表明EM1富集组分具有相对低的Ce/Pb、CaO/Al2O3值, 且Tariat玄武岩呈明显的K正异常, 不具有Zr、Hf负异常(图5)。因此可以排除碳酸盐化地幔作为Tariat玄武岩源区中EM1成分的主要来源。

再循环的洋壳物质或再循环的大陆下地壳: 上文通过橄榄石成分识别出源区母岩中存在辉石岩成分。而辉石岩成分可以是由陆壳或者洋壳物质直接变质形成的榴辉岩(Pertermann et al., 2003), 或者来自俯冲洋壳的富SiO2熔体或流体交代地幔橄榄岩形成的斜方辉石岩(Straub et al., 2008), 或者由再循环的大陆下地壳或洋壳熔体与周围的橄榄岩反应形成的二阶段辉石岩(Sobolev et al., 2005; Ren et al., 2017)。由于前两种成因的辉石岩熔融形成的熔体分别是英安质熔体与Nb、Ta亏损的亚碱性熔体, 而Tariat玄武岩几乎都是碱性玄武岩, 且Nb、Ta无明显负异常, 所以本文认为Tariat玄武岩的源区母岩中的辉石岩成分来源于再循环的大陆下地壳或洋壳熔体与周围的橄榄岩反应形成的二阶段辉石岩。上文已经排除岩浆上升过程中大陆地壳的同化混染影响, 说明Tariat玄武岩低的Nb/U、Ce/Pb值是继承了地幔源区的特征。靠近EM1端元玄武岩的Nb/U、Ce/Pb值接近大陆下地壳的值, 但是Ba/Th值明显低于大陆下地壳(图10b、11g; Rudnick and Gao, 2003)。如果EM1组分来源于再循环的大陆下地壳物质, 则需要高比例的下地壳物质参与才能形成Tairat玄武岩低Nb/U和Ce/Pb值的特征, 而高比例的下地壳物质参与会明显提高玄武岩的Ba/Th值, 使之接近大陆下地壳的Ba/Th值(Rudnick and Gao, 2003)。但是靠近EM1端元的玄武岩明显低于大陆下地壳的Ba/Th值, 因此可以排除再循环的下地壳物质作为EM1组分的来源(图11g)。

已有的研究表明再循环的洋壳和少量的古老远洋沉积物的混合可以形成EM1组分特征(Hofmann and White, 1982; Weaver, 1991; Willbold and Stracke, 2006; Chauvel et al., 2008)。Tariat玄武岩显示出微弱的Eu正异常(Eu/Eu*=EuN/(SmN×GdN)0.5=1.05±0.02)以及明显的Sr正异常(Sr/Sr*=SrN/(PrN×NdN)0.5=1.40±0.08),暗示岩浆源区可能存在辉长岩组分或岩浆演化过程中发生了斜长石的堆晶作用(McDonough and Sun, 1995; Hofmann, 1997; Wu et al., 2019)。由于Tariat玄武岩形成过程中斜长石的分离结晶作用微弱, 且玄武岩样品中斜长石斑晶含量极少, 说明Tariat玄武岩Sr和Eu正异常特征并非是斜长石的堆晶作用导致的, 更有可能与岩浆源区存在辉长岩组分相关。远洋黏土的Ce/Pb、Nb/U值略低于大陆下地壳物质, Ba/Th值明显低于大陆下地壳, 洋壳辉长岩与远洋黏土的混合可以很好地解释玄武岩低的Ce/Pb、Nb/U和Ba/Th值(图11g; Rudnick and Gao, 2003; Sobolev et al., 2005; Wu et al., 2019)。并且靠近EM1端元的玄武岩具有低的Ba/La、Ba/Nb值, 与HIMU型玄武岩相似(图11e), 而HIMU型玄武岩的成因被认为与源区存在再循环的洋壳物质密切相关(Hart et al., 1999; Stracke et al., 2003; Willbold and Stracke, 2006; Wu et al., 2019)。因此, 本文认为源区母岩中辉石岩组分是再循环的洋壳物质熔体交代地幔橄榄岩形成的二阶段辉石岩, 而EM1组分来源于含古老远洋沉积物的再循环洋壳辉长岩。

5 结 论

(1) Tariat新生代玄武岩以碱性玄武岩为主, 在微量元素蛛网图上与EM1-OIB特征相似, 具有明显的Ba、K、Sr正异常, Th、U、Ti负异常, 无明显的Nb、Ta负异常。Sr-Nd-Pb同位素显示玄武岩同位素组成介于DMM与EM1型地幔端元之间。

(2) 大陆地壳混染对于Tariat玄武岩成分无明显影响, 岩浆在上升过程中主要经历了橄榄石与单斜辉石的分离结晶作用, 但分离结晶作用并不是控制玄武岩成分变化的主要因素。

(3) 蒙古中部新生代玄武岩的源区母岩中存在辉石岩与橄榄岩的组分, 源区残留有石榴子石。

(4) Tariat玄武岩的成分变化主要受控于DMM与EM1型地幔端元组分的混合作用, 其中DMM组分来源于含金云母的岩石圈地幔, 而EM1组分来源于含古老远洋沉积物的再循环洋壳辉长岩。

致谢:蒙古科学院古生物与地质研究所Narantsetseg Tserendash研究员与中国科学院广州地球化学研究所袁超研究员在野外工作中给予了很大的帮助; 中山大学王若嘉工程师以及中国科学院广州地球化学研究所李欣工程师、孙胜玲、涂湘林以及曾文高级工程师在样品主量元素、微量元素以及同位素测试实验中给予了大量帮助; 论文得到中国科学院广州地球化学研究所郭锋研究员和吉林大学葛文春教授的认真审阅和宝贵意见, 笔者在此一并表示衷心感谢。

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Characteristics of the mantle source for Cenozoic basalts in Tariat, Central Mongolia: Olivine composition and Sr-Nd-Pb isotopes

ZHANG Qinglin1, 2, REN Zhongyuan1*, ZHANG Le1, ZHANG Lei1, 2

(1. State Key Laboratory of Isotope Geochemistry, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Cenozoic basalts are widespread throughout Mongolia; however, research on these basalts remains limited. This study analyzed the composition of olivine phenocrysts in the Tariat Cenozoic basalts of central Mongolia, and combines the new major element, trace element, Sr-Nd-Pb isotope whole-rock data, and the data reported by the predecessors to discuss the characteristics of the mantle source of Cenozoic basalts in central Mongolia. The Tariat Cenozoic basalts are dominated by alkaline basalts, and the samples showed similar trace element patterns to EM1-type oceanic island basalt (OIB) in the primitive mantle-normalized trace element spidergrams with obvious positive anomalies of Ba, K, and Sr; negative anomalies of Th, U, and Ti; and no obvious Nb or Ta negative anomaly. The Sr-Nd-Pb isotopic data showed that the isotopic composition of the Tariat basalts is between the depleted mantle (DMM) and enriched mantle (EM1) components. The composition of olivines in the Tariat basalts indicated that pyroxenite and peridotite within the parent rock in the mantle source. The87Sr/86Sr of the basalt had a good negative correlation with CaO/Al2O3, Nb/U, and Ce/Pb;143Nd/144Nd had a good positive correlation with CaO/Al2O3and Ba/Th; and206Pb/204Pb had a good positive correlation with Ba/La. These correlations indicate that the compositional change of the Tariat basalts were predominantly controlled by the mixing of DMM- and EM1-like components. The components of the DMM originated from the lithospheric mantle containing phlogopite, and the EM1-like components were derived from the mixing of recycled oceanic crust gabbro and pelagic sediments and the pyroxenite components of the source lithology were derived from two-stage pyroxenite which formed by the reaction of mantle peridotite with the melting of recycled ocean crust components.

Cenozoic basalt; olivine; geochemical characteristics; source characteristics; Mongolia

P586; P595; P597.1

A

0379-1726(2022)04-0472-20

10.19700/j.0379-1726.2022.04.010

2020-07-26;

2020-09-17

国家自然科学基金面上项目(41972062)资助。

张庆霖(1995–), 男, 硕士研究生, 矿物学、岩石学、矿床学专业。E-mail: 542314812@qq.com

任钟元(1962–), 男, 研究员, 主要从事岩石学和地球化学方向研究。E-mail: zyren@gig.ac.cn