华北克拉通西北部显生宙岩石圈地幔属性与演化特征：橄榄岩捕虏体证据*

张慧婷 张宏福

克拉通作为地球上古老且稳定的构造单元，自其形成后能否长期保持稳定,主要取决于下部岩石圈地幔的属性特征(Carlsonetal., 2005)。因此，克拉通岩石圈地幔的属性特征及演化历程一直是学者们关注的关键科学问题。古老克拉通在形成过程中，玄武质岩浆抽取事件导致岩石圈地幔相对亏损Fe、Ca、Al和碱金属元素，密度低于下伏软流圈，漂浮的岩石圈地幔阻碍了软流圈的热对流，形成较低的地温梯度和巨厚岩石圈，这也是克拉通自形成后可以长期保持相对稳定的原因(Jordan, 1988)。全球典型的太古代克拉通也确实如此，例如非洲Tanzanian克拉通、南非Kaapvaal克拉通和俄罗斯Siberian克拉通(Boydetal., 1985; Pearson, 1999)。然而，越来越多的研究表明，克拉通并非一成不变，例如我国的华北克拉通(Fan and Menzies, 1992)和北美洲Wyoming克拉通 (Eggler and Furlong, 1991)，它们在演化过程中均受到不同程度的改造和破坏(Carlsonetal., 2005)。

图1 华北克拉通构造简图(华北克拉通构造划分据Zhao et al., 2005)以及橄榄岩捕虏体分布图Fig.1 Simplified tectonic map of the North China Craton (NCC) (after Zhao et al., 2005) and localities of peridotite xenoliths

华北克拉通古生代金伯利岩中幔源捕掳体、捕虏晶和金刚石内矿物包裹体的研究证实，古生代时期的岩石圈厚达200km，岩石圈地幔主要由高度难熔的方辉橄榄岩和难熔的二辉橄榄岩组成，橄榄石Fo值较高(Fo=100×Mg/(Mg+Fe) (原子数); 92～94)(池际尚等, 1996; 郑建平, 1999; 郑建平和路凤香, 1999)，形成年龄为太古代(>2.5Ga)(Gaoetal., 2002; Zhangetal., 2008)，是典型的克拉通型岩石圈地幔。新生代玄武岩中的橄榄岩和辉石岩捕虏体研究显示，其主体转变成以易熔的二辉橄榄岩为主的饱满型地幔，橄榄石Fo值明显降低(78～93)(Zhengetal., 2001; Xiaoetal., 2013)，年龄相对“年轻”，主体分布于元古宙至显生宙(Gaoetal., 2002; Chuetal., 2009; Zhangetal., 2009; Liuetal., 2011)。此时，华北克拉通岩石圈地幔由古生代厚的、冷的、古老的且难熔的转变为新生代薄的、热的、“年轻”且饱满的地幔(Menziesetal., 1993; Griffinetal., 1998; Fanetal., 2000; Xu, 2001; Gaoetal., 2002; Rudnicketal., 2004; Zhang, 2009)。这些特征显示，华北克拉通岩石圈地幔的物理性质和化学组成在显生宙期间发生了显著变化，岩石圈地幔组成和属性特征的巨大转变使克拉通的稳定性遭到破坏(朱日祥等, 2020)。

图2 华北克拉通西北部橄榄岩捕虏体岩石类型数据来源：四子王旗(Wu et al., 2017; Zhang et al., 2021)、集宁(Yang et al., 2009; Liu et al., 2011; Zhang et al., 2012)和狼山(Dai et al., 2018)；On-craton和Off-craton橄榄岩范围据Fan et al. (2000)Fig.2 Petrological classification of the peridotite xenoliths from the northwestern NCC

当高度难熔的古老岩石圈地幔受到饱满物质(例如软流圈来源的玄武质熔体)的改造，可以使其岩石组成从高度难熔的方辉橄榄岩或者难熔的二辉橄榄岩变为更饱满的二辉橄榄岩，高Mg#橄榄岩转变成为低Mg#橄榄岩(Kelemenetal., 1992; Zhang, 2005, 2009)，年龄也变得相对“年轻”(Zhangetal., 2008, 2009)，这种通过橄榄岩-熔体反应实现的地幔改造作用称为地幔再富集作用(Refertilization of lithospheric mantle; Tangetal., 2008, 2013b; Zhangetal., 2008, 2009; Griffinetal., 2009)。广泛的地幔再富集作用必然造成古老且难熔的岩石圈地幔转变为“年轻”且饱满的岩石圈地幔，甚至造成古老克拉通的破坏(Foleyetal., 2006; Tangetal., 2008, 2013b; Zhangetal., 2008, 2009)。

目前，华北中-新生代玄武岩中橄榄岩捕虏体主要分布于东部郯庐断裂带沿线和中部太行山沿线，西部零星出露(图1)。华北克拉通中、东部岩石圈地幔的相关研究取得了丰硕的成果。相较而言，由于西部陆块自中生代以来岩浆活动不发育，携带新鲜幔源捕掳体的玄武岩仅在西北部四子王旗、集宁和狼山有所报道(图1)，在一定程度上限制了我们对华北克拉通西部岩石圈地幔性质与演化的认识。本文通过对华北克拉通西北部橄榄岩捕虏体的研究成果归纳总结，综合对比华北克拉通中、东部地区，揭示西北部晚白垩世-新生代岩石圈地幔属性特征和演化历史，进一步探讨地幔再富集作用对于岩石圈地幔改造的重要意义。

1 华北克拉通西北部地幔橄榄岩

华北克拉通西北部四子王旗新生代玄武岩(21.89±1.65Ma; 陈燕等, 2004)、集宁新生代玄武岩(23.0～23.5Ma; Zhaoetal., 2013)和狼山晚白垩世玄武岩(～89Ma; Daietal., 2019)中携带不同类型的幔源捕掳体，为研究该区晚白垩世-新生代岩石圈地幔的性质及演化提供了天然的“探针”样品。

华北克拉通西北部橄榄岩捕虏体可分为高Mg#橄榄岩(Fo≥91)和低Mg#橄榄岩(Fo<91)两类，以低Mg#橄榄岩为主，包括四子王旗低Mg#橄榄岩、集宁橄榄岩和狼山橄榄岩，主要岩石类型为二辉橄榄岩；四子王旗出现高Mg#橄榄岩，主要岩石类型为方辉橄榄岩(图2)。四子王旗橄榄岩中出现橄榄石核边结构和熔体囊结构(Zhangetal., 2021)：橄榄石Fo值从核部(91.5)至边部(90.2)逐渐降低(图3a)；熔体囊中新生细粒橄榄石比捕虏体中橄榄石具有更低的Fo值(图3b)或与捕虏体中橄榄石边部具有相似的Fo值(图3c)。橄榄岩-熔体反应可以降低橄榄石的Fo值，核部保留高Mg#橄榄岩特征(Fo=91.5)，边部和新生橄榄石颗粒与低Mg#橄榄岩特征类似(Fo=88.6～90.2)。最终，高Mg#橄榄岩被转变为低Mg#橄榄岩(Kelemenetal., 1992; Zhang, 2005, 2009)。集宁二辉橄榄岩中出现含水矿物金云母(图3d)，是典型的交代矿物。金云母同样也出现在集宁二辉石岩、汉诺坝单斜辉石岩和鹤壁二辉橄榄岩中，是岩石圈地幔交代作用的直接证据(宗克清等, 2005; 赵新苗等, 2007; Huetal., 2019; Zhaoetal., 2021)。

图3 四子王旗(a-c)和集宁(d)橄榄岩捕虏体显微照片资料来源：四子王旗(Zhang et al., 2021)和集宁(Zhao et al., 2013)；(a、d)单偏光显微照片，(b、c)背散射电子成像照片；Ol-橄榄石，Opx-斜方辉石，Cpx-单斜辉石，Spl-尖晶石，Phl-金云母Fig.3 Representative photomicrographs of the Siziwangqi (a-c) and Jining (d) peridotite xenoliths

图4 橄榄岩捕虏体中橄榄石Fo值与橄榄石含量协变图数据来源：四子王旗(Wu et al., 2017; Zhang et al., 2021)、集宁(Yang et al., 2009; Liu et al., 2011; Zhang et al., 2012)、狼山(Dai et al., 2018)、中部地区(Zheng et al., 2001, 2005; Rudnick et al., 2004; Tang et al., 2008, 2013c; Xu et al., 2008b; Liu et al., 2011, 2012; Princivalle et al., 2014; Zou et al., 2014, 2016; Zhao et al., 2015; Wang et al., 2016; Yang et al., 2018)和东部地区(Zheng et al., 1998, 2005, 2007a; Ying et al., 2006; Chu et al., 2009; Xiao et al., 2010, 2013; Zhang et al., 2011; Hong et al., 2012; Xu et al., 2013; Zhao et al., 2020; Zou et al., 2020)；太古代、元古代和显生宙地幔区域据Griffin et al. (1999)；大洋橄榄岩趋势据Boyd (1989)Fig.4 Plots of olivine Fo content vs. modal olivine content for the peridotite xenoliths

图5 橄榄岩捕虏体全岩CaO与Al2O3含量协变图数据来源：四子王旗(Wu et al., 2017; Zhang et al., 2021)、集宁(Liu et al., 2011; Zhang et al., 2012)、狼山(Dai et al., 2018)、中部地区(Zheng et al., 2001, 2005; Gao et al., 2002; Rudnick et al., 2004; Tang et al., 2008, 2013c; Xu et al., 2008b; Liu et al., 2011; Princivalle et al., 2014; Wang et al., 2016; Zou et al., 2016; Yang et al., 2018)和东部地区(Zheng et al., 1998, 2007a; Ying et al., 2006; Chu et al., 2009; Xiao and Zhang, 2011; Zhang et al., 2011; Hong et al., 2012; Xiao et al., 2013; Xu et al., 2013; Zou et al., 2020)；原始地幔数据来自McDonough and Sun (1995)；太古代、元古代和显生宙地幔区域据Griffin et al. (2009)；灰色五角星代表原始Archon岩石圈地幔，白色五角星代表Archon岩石圈地幔平均值 (Griffin et al., 2009)Fig.5 Plots of CaO vs. Al2O3 for peridotite xenoliths

2 西北部岩石圈地幔组成与属性特征

通常来说，太古代岩石圈地幔是原始地幔经过高程度部分熔融的残余体，玄武质熔体的抽取使其亏损Fe、Al、Ca和Na，富Mg，具高度难熔的性质(Griffinetal., 1999, 2009; Herzberg, 2004)。然而，从太古宙、元古宙直至显生宙，岩石圈地幔主量元素(例如Al和Ca等)和矿物组成逐渐变得饱满，主体从方辉橄榄岩变为二辉橄榄岩(Boyd, 1989; Griffinetal., 1998, 1999, 2009; O’Reillyetal., 2001)。不同时代构造域的橄榄岩中橄榄石含量虽没有明显差异，但其Fo值有所不同，太古代构造域中橄榄石Fo值最高(92～94)，元古代构造域居中(90～92)，显生宙最低(<91)(图4; Griffinetal., 1998, 1999)。这些特征暗示，橄榄岩捕虏体全岩主量元素和橄榄石Fo值在某种程度上可以指示岩石圈地幔年龄信息，组成越难熔，Fo值越高，年龄越古老。

在全岩主量元素二元图解中，四子王旗高Mg#橄榄岩主要分布于太古代橄榄岩区域(图5)，与典型的克拉通型橄榄岩组成类似(图5、图6)；四子王旗低Mg#橄榄岩、集宁橄榄岩和狼山橄榄岩主要分布于元古代至显生宙橄榄岩范围内，玄武质组分(例如Al2O3、CaO和Na2O)逐渐饱满，一直变化至原始地幔，与华北克拉通其他地区橄榄岩有相似的变化趋势(图5、图6)。在橄榄石Fo值与橄榄石含量图解中，四子王旗高Mg#橄榄岩落入元古代橄榄岩范围(图4)，四子王旗低Mg#橄榄岩、集宁橄榄岩和狼山橄榄岩落入显生宙橄榄岩范围，并未出现明显的“大洋趋势”(Boyd, 1989)，只有部分中部地区(例如鹤壁)高Mg#橄榄岩落入太古代橄榄岩范围。以上特征暗示，四子王旗高Mg#橄榄岩所代表的岩石圈地幔很可能形成于太古代至元古代，该区可能仍存在古老岩石圈地幔的残余。

图6 橄榄岩捕虏体全岩Na2O、CaO、Al2O3与MgO含量协变图数据来源同图5；原始地幔数据来自McDonough and Sun (1995)；灰色区域代表典型的克拉通型岩石圈地幔(Pearson and Wittig, 2008)；白色五角星代表Archon岩石圈地幔平均值 (Griffin et al., 2009)；(a、b)中部分熔融曲线据Luffi et al. (2009)；(e、f)中饱满橄榄岩的部分熔融曲线据Herzberg (2004)，蓝色区域代表部分熔融残余的方辉橄榄岩成分(L+Ol+Opx)，带有方形标记的蓝色粗实线和带有圆形标记的蓝色细实线分别代表部分熔融开始和结束时的压力(GPa)(Herzberg, 2004)Fig.6 Plots of Na2O, CaO, and Al2O3 vs. MgO for peridotite xenoliths

除主量元素和Fo值携带的年龄信息之外，Re-Os同位素体系被认为是记录岩石圈地幔熔体抽取时间的有效手段，可以实现岩石圈地幔橄榄岩定年(Walkeretal., 1989)。Re是中等不相容元素，Os是强相容元素，因此，在部分熔融过程中，Re优先进入熔体，Os倾向于进入残余体，玄武质熔体抽取使残余的地幔橄榄岩具有较低Re/Os比值，演化形成较低的Os同位素组成。早前认为，交代熔体中Os含量通常很低，古老岩石圈地幔的Re-Os同位素体系并不受交代作用影响(Walkeretal., 1989; Pearson, 1999; Carlsonetal., 2005; Reisbergetal., 2005)。然而，近年来的研究显示，橄榄岩-熔体反应或地幔交代作用可以引起硫化物的溶解和迁移，导致Re、Os含量和Os同位素组成的变化，从而对Re-Os同位素体系造成影响(Beckeretal., 2001; Reisbergetal., 2005; Ionovetal., 2006; Zhangetal., 2008, 2009, 2012; Xiao and Zhang, 2011)。

华北克拉通内古生代金伯利岩中橄榄岩主要具有太古代的Re亏损模式年龄(图7)，证明古生代时期华北克拉通存在太古代岩石圈地幔(Gaoetal., 2002; Wuetal., 2006; Zhangetal., 2008; Chuetal., 2009)。新生代玄武岩中橄榄岩tRD模式年龄范围很广，主要分布于元古宙至今，少量为太古宙。整体来说，高Mg#橄榄岩比低Mg#橄榄岩具有更古老的年龄(图7a)，代表着古老岩石圈地幔残余。华北西北部橄榄岩Re-Os同位素数据有限，集宁橄榄岩最老的全岩Re亏损模式年龄为1.4Ga(Liuetal., 2011; Zhangetal., 2012)，Zhaoetal. (2021)利用尖晶石二辉橄榄岩中单斜辉石获得Lu-Hf等时线年龄(1.8±0.1Ga)，与华北其他地区新生代玄武岩中低Mg#橄榄岩获得的最老tRD年龄(2.1Ga)都属于元古宙范围(图7a)。橄榄岩tRD模式年龄与Mg#值显示明显的正相关性(图7b)，这种相关性最初被认为与原始地幔高程度部分熔融有关(Boyd and Nixon, 1975; Pollack, 1986; Griffinetal., 2004; King, 2005)。反之，这种相关性也可以解释为高度难熔的岩石圈地幔与玄武质熔体反应的结果(Zhangetal., 2009)。岩石圈地幔再富集作用不仅可以降低橄榄岩的Mg#值，也将橄榄岩的年龄改造得更“年轻”(Zhang, 2005, 2009; Griffinetal., 2009)，部分元古宙年龄也可能是太古代岩石圈地幔经历了再富集作用改造的结果。因此，范围跨度大且连续变化的tRD模式年龄并不是岩石圈地幔真正的形成年龄，而是地幔再富集作用的结果，反映了岩石圈地幔被富集物质改造的演化历史(Xuetal., 2008a; Zhangetal., 2008, 2009, 2012; Xiao and Zhang, 2011; Tangetal., 2013b, c)。

图7 华北克拉通橄榄岩捕虏体Re亏损模式年龄直方图(a)以及Mg#与tRD协变图(b)数据来源：西北部集宁(Liu et al., 2011; Zhang et al., 2012)、中部新生代玄武岩中橄榄岩捕虏体(Gao et al., 2002; Rudnick et al., 2004; Xu et al., 2008b; Zhang et al., 2009; Liu et al., 2011, 2012)、东部新生代玄武岩中橄榄岩捕虏体(Gao et al., 2002; Chu et al., 2009; Xiao and Zhang, 2011; Hong et al., 2012)和古生代金伯利岩中橄榄岩捕虏体(Gao et al., 2002; Zhang et al., 2008; Chu et al., 2009)；原始地幔数据来自McDonough and Sun (1995)；趋势线据Zhang et al. (2009)和Tang et al. (2013b)Fig.7 Histogram of tRD age (a) and plot of Mg# vs. tRD (b) for the peridotitic xenoliths from NCC

西北部橄榄岩全岩主量元素变化范围从高度难熔的克拉通型岩石圈地幔直至饱满的原始地幔，与华北克拉通其他地区橄榄岩有着相同的变化趋势(图5、图6)。指示亏损-饱满程度的主量元素Al2O3和CaO呈明显的正相关趋势(图5)，Al2O3、CaO和Na2O与MgO呈明显的负相关趋势(图6)。通常认为，这种近似“直线型”的相关趋势反映了原始地幔部分熔融过程，随着部分熔融程度增加，残余橄榄岩中MgO含量逐渐增加，Al2O3、CaO和Na2O含量随之降低(Boydetal., 1997; Rudnicketal., 2004)。然而，这与实验岩石学得出的类似“双曲线型”的部分熔融曲线并不一致(图6a, b, e, f; Herzberg, 2004; Luffietal., 2009)。相反，地幔再富集作用过程可以解释MgO与Al2O3、CaO和Na2O含量之间近似直线的变化趋势(Griffinetal., 2009; Zhang, 2009; Zhangetal., 2009, 2012; Tangetal., 2013b, c)，随着玄武质熔体(相对富集Al、Ca、Fe和Na)加入高度难熔的地幔橄榄岩中，全岩Al2O3、CaO和Na2O逐渐增加，MgO相对降低，显示部分熔融作用与橄榄岩-熔体反应叠加而形成的地幔再富集作用趋势(图5、图6)。

橄榄岩中单斜辉石显示出不同类型的稀土元素(REE)配分模式，大致分为轻稀土(LREE)亏损型、“U”型、LREE富集型和“上凸”型四种(图8)。不同类型的REE配分模式与Navon and Stolper (1987)提出的色谱层析柱交代模拟结果类似，实验揭示了富集不相容元素的熔体对亏损地幔交代过程中REE配分模式的变化过程。由于不相容元素比相容元素扩散速度更快，不同的交代时长，形成的REE配分曲线形态不同。随着交代时长增加，REE配分曲线从“U”型逐渐变为LREE富集型，直至平衡后产生“上凸”型，不同类型的REE配分曲线记录着交代过程中的瞬时状态(Navon and Stolper, 1987; Song and Frey, 1989; Princivalleetal., 2014; Linetal., 2019; Zhangetal., 2021)。LREE亏损型配分模式可能是软流圈来源的相对亏损LREE的熔体在开放体系和高熔/岩比的情况下反复交代岩石圈地幔的结果(Zhang, 2009)。因此，不同类型的REE配分模式暗示交代熔体和地幔橄榄岩之间并未完全达到平衡，指示不同程度的地幔交代作用。

橄榄岩Sr同位素组成为该区的地幔再富集作用提供了进一步证据。Sr同位素组成与全岩Al2O3和TiO2出现负相关关系，与全岩Mg#值呈正相关关系，华北克拉通其他地区橄榄岩也显示相似特征(图9a-c)。理论来讲，随着部分熔融程度增加，Rb比Sr更倾向于进入熔体，残余橄榄岩的Rb/Sr降低，演化形成较低的Sr同位素组成。因此，难熔的地幔橄榄岩(高Mg#橄榄岩)将比饱满的地幔橄榄岩(低Mg#橄榄岩)具有更低的Sr同位素组成。然而，这与现今观察到的结果相反(图9a)，同时，87Sr/86Sr与1/Sr并未出现明显相关性(图9b)，暗示除部分熔融过程之外，应该还有其他过程影响着Sr同位素组成。因此，Sr同位素与全岩组分的相关性很可能是低Sr同位素组成的熔体交代难熔岩石圈地幔的结果(Rudnicketal., 2004; Zhang, 2009; Zhangetal., 2009, 2012; Tangetal., 2013b, c)。

图9 地幔橄榄岩87Sr/86Sr与全岩Al2O3、1/Sr、Mg#和TiO2协变图数据来源：四子王旗(Wu et al., 2017; Zhang et al., 2021)、集宁(Zhang et al., 2012; Zhao et al., 2021)、中部地区(Rudnick et al., 2004; Tang et al., 2008, 2013c; Liu et al., 2012; Zou et al., 2014, 2016; Wang et al., 2016)和东部地区(Xiao and Zhang, 2011; Xu et al., 2013; Zou et al., 2020)；古老富集地幔、原始地幔、洋中脊玄武岩和亏损地幔的Sr同位素组成数据来自Zindler and Hart (1986)；Al2O3含量数据来自Griffin et al. (2009)、McDonough and Sun (1995)和Presnall et al. (2002)；四子王旗寄主玄武岩Sr同位素组成来自Zhang et al. (2017)；集宁寄主玄武岩Sr同位素组成来自张文慧等 (2005)Fig.9 Plots of 87Sr/86Sr vs. Al2O3, 1/Sr, Mg# and TiO2 for peridotite xenoliths

岩相学特征结合主、微量元素、Sr同位素和Re-Os同位素数据指示，华北克拉通西北部岩石圈地幔经历了再富集作用的改造。高Mg#和低Mg#橄榄岩的主、微量元素和Sr同位素组成具有相似的地幔再富集演化趋势(图6、图9)，暗示该区高Mg#橄榄岩所代表的古老岩石圈地幔和交代熔体反应形成了低Mg#橄榄岩。因此，高Mg#橄榄岩代表古老岩石圈地幔残余；低Mg#橄榄岩代表古老岩石圈地幔经历再富集作用形成的“改造型”岩石圈地幔。华北克拉通西北部仍存在古老岩石圈地幔的残余，其经历了弱地幔再富集作用的改造，形成年龄变得相对“年轻”。岩石圈地幔的主体为古老岩石圈地幔受再富集作用改造形成的饱满地幔。

3 多期次地幔交代作用

橄榄岩-熔体反应在岩石圈地幔中广泛存在，是改造岩石圈地幔组成和性质的重要方式(Liuetal., 2005; 张宏福, 2006; Zhang, 2009)。这种地幔交代作用可以使地幔的矿物和岩石组成发生改变，引起物理性质的转变，导致地球化学不均一性(O’Reilly and Griffin, 2013)。根据交代结果不同可分为显性交代作用(Harteetal., 1987)、隐性交代作用(Dawson, 1984)和隐含交代作用(O’Reilly and Griffin, 2013)。显性地幔交代作用会形成新的矿物相，例如交代矿物金云母、角闪石、磷灰石和碳酸盐矿物等；交代形成地幔已存在的主要矿物，例如橄榄石和辉石等，称为隐含交代作用；隐性交代作用并未引起矿物组成的变化，仅改变主、微量元素和同位素等地球化学特征。通常，交代介质有硅质熔体、碳酸盐熔体和富水流体等，主要来源于软流圈(Tangetal., 2008, 2011; Zhangetal., 2012)、俯冲大洋板片(Zhangetal., 2003; Liuetal., 2005)、俯冲大陆地壳(Zhangetal., 2002; Sunetal., 2013)或循环陆壳(Gaoetal., 2004)。

从矿物组成来看，四子王旗和狼山橄榄岩中并未出现含水矿物，说明该区富H2O流体的交代作用有限。单斜辉石微量元素蛛网图显示Pb负异常，不同程度亏损Rb和Ba，富集Th和U，交代特征明显的样品Nb和Ta升高，进一步证明交代熔体不太可能为富H2O流体，因为大离子亲石元素(LILE，例如Ba和Rb)在流体中的活动性强，而高场强元素(HFSE，例如Th、U、Nb和Ta)在水流体中活动性弱(Kogisoetal., 1997)(图8)。(La/Yb)N-Ti/Eu图中，华北西北部橄榄岩中单斜辉石具有低(La/Yb)N(0.08～8.88)和高Ti/Eu(1748～9243)的特点(图10)，主要落入硅酸盐熔体交代区域，指示交代熔体来源可能为硅酸盐熔体。集宁部分样品(La/Yb)N较高(9.68～18.4)，Ti/Eu较低(193～928)(图10)，落入碳酸盐熔体交代区域，单斜辉石微量元素蛛网图显示亏损Nb和Ta，具Ti的负异常，个别样品Zr/Hf比值较高(39.1～49.4)(Zhaoetal., 2021)，指示存在碳酸盐熔体交代作用。另外，集宁出现含金云母的橄榄岩和辉石岩，暗示交代介质可能有水流体。这些特征说明，集宁地区存在不同性质的熔/流体交代作用。

图10 单斜辉石(La/Yb)N与Ti/Eu协变图数据来源：四子王旗(Wu et al., 2017; Zhang et al., 2021)、集宁(赵新苗等, 2007; 周媛婷等, 2010; 王亚妹等, 2011; Zhao et al., 2021)和狼山(Dai et al., 2018)；碳酸盐熔体交代作用范围和硅酸盐熔体交代作用范围据Coltorti et al. (1999)Fig.10 Plot of (La/Yb)N vs. Ti/Eu for clinopyroxenes

四子王旗和集宁橄榄岩的Sr同位素组成变化范围较大(87Sr/86Sr=0.70212～ 0.70533)(赵新苗等, 2007; Zhangetal., 2012, 2021; Wuetal., 2017; Zhaoetal., 2021)，从古老富集地幔范围经过原始地幔和洋中脊玄武岩，变化至亏损地幔范围。高Mg#橄榄岩部分落入古老富集地幔范围，低Mg#橄榄岩比高Mg#橄榄岩具有更低的Sr同位素组成(图9)。四子王旗和集宁寄主玄武岩的Sr同位素组成相对过高(87Sr/86Sr=0.70354～0.70369)(张文慧等, 2005; Zhangetal., 2017)，不能形成橄榄岩中较低的Sr同位素组成，因此，寄主玄武岩不太可能作为主要交代介质。橄榄岩的Sr同位素组成与全岩Al2O3、TiO2(图9a, d)、Na2O和CaO(图略)呈负相关关系，与全岩Mg#值呈正相关关系(图9c)。如前所述，Sr同位素组成与全岩组分的相关性是地幔再富集作用的结果。随着橄榄岩-熔体反应进行，全岩Al2O3、TiO2、Na2O和CaO含量增加，Mg#值降低，橄榄岩的Sr同位素组成降低，与华北中、东部橄榄岩有着相似的变化特征。此外，高Mg#和低Mg#橄榄岩中部分单斜辉石出现87Sr/86Sr由核部至边部逐渐降低的现象，同位素环带结构记录了近期低Sr同位素组成熔体的交代作用。因此，近期发生的地幔交代作用很可能与软流圈来源的低Sr同位素组成的熔体有关(<0.7030; Salters and Stracke, 2004)，根据Sneeringeretal. (1984)获得的Sr在单斜辉石中的扩散速率，可限定最近交代事件发生的时间在寄主玄武岩喷发前不久。集宁橄榄岩的Sr同位素组成与主量元素的相关性较弱，与该区存在其他性质熔/流体交代作用有关。研究显示，集宁地区除软流圈来源的硅质熔体的交代作用之外，也有碳酸盐熔体的改造，金云母二辉石岩的出现指示与古亚洲洋有关的含水熔/流体的交代作用(Zhaoetal., 2021)。狼山地区的橄榄岩记录了古亚洲洋俯冲板片产生的熔/流体对深部地幔的改造(Daietal., 2018)。四子王旗部分高Mg#橄榄岩落入古老富集地幔范围，该区和集宁都出现了具有极高Sr同位素组成的橄榄岩捕虏体(87Sr/86Sr=0.70694～0.70734)(Zhangetal., 2012; Wuetal., 2017)，指示俯冲洋壳物质或沉积物在地幔交代过程中的贡献。四子王旗二辉石岩很可能是古亚洲洋蚀变俯冲洋壳产生的熔体交代岩石圈地幔的产物(张慧婷, 2021)，进一步证明晚古生代至早中生代时期古亚洲洋俯冲事件对于华北西北部岩石圈地幔产生了巨大影响。

华北克拉通西北部地区存在不同性质、不同期次和不同程度的地幔交代作用，早期的交代熔体主要与古亚洲洋俯冲有关，近期的交代熔体主要来源于软流圈。以软流圈来源熔体为主的地幔再富集作用在古老岩石圈地幔改造过程中扮演着重要的角色，逐渐将富集同位素组成的难熔岩石圈地幔逐渐转变为同位素组成亏损的饱满岩石圈地幔。

4 总结与展望

华北克拉通西北部岩石圈地幔主体为低Mg#橄榄岩(二辉橄榄岩为主)，部分高Mg#橄榄岩(方辉橄榄岩为主)。高Mg#橄榄岩代表该区古老岩石圈地幔的残余，受到轻微再富集作用的改造；低Mg#橄榄岩是高Mg#橄榄岩与软流圈熔体反应的产物，代表该区受到地幔再富集作用改造的岩石圈地幔。橄榄岩捕虏体记录了该区岩石圈地幔经历的多期次地幔交代作用，早期交代介质主要为古亚洲洋俯冲产生的熔/流体，具富集Sr-Nd同位素组成的壳源熔体将岩石圈地幔改造成同位素富集的特征；近期的地幔再富集作用与亏损Sr-Nd同位素组成的软流圈熔体有关，使岩石圈地幔的同位素组成变得相对亏损。

华北克拉通西北部橄榄岩捕虏体以饱满的二辉橄榄岩为主，少量方辉橄榄岩，橄榄石Fo值大多在86～92之间，最高的Fo值出现在四子王旗的方辉橄榄岩(91.8; Zhangetal., 2021)。中部太行山沿线橄榄岩的Fo值在80～93之间，鹤壁和繁峙出现Fo>92的样品，落入太古代橄榄岩范围内(图4b)，阳原、繁峙和鹤壁等地的橄榄岩Re-Os同位素研究也获得了太古代Re亏损模式年龄(Zhengetal., 2007b; Xuetal., 2008b; Liuetal., 2011)。相较而言，东部郯庐断裂带沿线的橄榄岩Fo值较低，主要在84～91之间，昌乐橄榄岩最低可以到78.4(Xiaoetal., 2013)。东部橄榄岩的Re亏损模式年龄分布从元古宙至今，主体较为年轻，并未出现太古代年龄。整体来说，东部新生代岩石圈地幔以饱满的二辉橄榄岩为主，具有亏损的Sr-Nd同位素组成，主体是新生的、年轻的地幔，具有“大洋型”岩石圈地幔的特征。空间上看，越靠近郯庐断裂带，岩石圈地幔受改造的程度越明显，很可能是郯庐断裂带为软流圈来源的熔体提供了上升通道(Zhengetal., 1998; Zhaoetal., 2020)。华北克拉通中、西部仍存在太古代-元古代岩石圈地幔的残余，具有相对富集的Sr-Nd同位素组成，仅受到轻微地幔再富集作用的影响。该区新生代岩石圈地幔的主体为受到地幔再富集作用改造的二辉橄榄岩，其主量元素饱满，具有亏损的Sr-Nd同位素组成和相对“年轻”的年龄，虽类似于“大洋型”岩石圈地幔的特征，但与东部新生的岩石圈地幔(具年轻的tRD年龄)有本质区别(图7b)，属于“改造型”岩石圈地幔，是古老岩石圈地幔受到再富集作用改造的结果，改造程度从克拉通内部(例如鹤壁)向北缘(例如汉诺坝)逐渐增强(Tangetal., 2011)。

古生代以来，一系列环克拉通俯冲碰撞事件，例如三叠纪秦岭-大别-苏鲁超高压变质带的形成、晚古生代-早中生代中亚造山带的形成以及中生代-新生代太平洋板块的俯冲，为岩石圈地幔的改造提供了熔/流体来源和外动力(Windleyetal., 2010; Tangetal., 2013a)。晚白垩世以来，软流圈来源熔体对岩石圈地幔的改造引起了广泛的地幔再富集作用(Zhang, 2009; Tangetal., 2013b)。由于交代熔/流体来源和性质多样、交代期次复杂、交代规模和程度各异，造成岩石圈地幔矿物组成和地球化学成分差异，最终导致岩石圈地幔的不均一性。关于交代熔体规模的限制、不同交代期次发生时间的有力约束以及橄榄岩与不同性质熔/流体反应的具体过程等研究亟需进一步展开。另外，由于地幔交代作用对于Re-Os同位素体系的影响，经熔/流体改造过的地幔橄榄岩真实形成年龄往往难以确定。因此，交代熔/流体性质的判断以及不同性质熔/流体对定年同位素体系的影响也值得更深入的探究。

广泛存在的地幔再富集作用造成华北克拉通岩石圈地幔的巨大转变，从古老的、难熔的克拉通型岩石圈地幔变为“年轻”的、饱满的“大洋型”岩石圈地幔，这种岩石圈地幔组成和属性特征的巨大变化最终使得克拉通原本的稳定性遭受破坏。

致谢感谢课题组成员邹东雅博士和林阿兵博士在成文过程中提供的帮助。感谢审稿人对论文提出的宝贵修改意见。