汉诺坝玄武岩及幔源包体对大陆地幔不均一性的指示*

张岗岚 刘勇胜 张拉

1. 自然资源部海底矿产资源重点实验室，中国地质调查局广州海洋地质调查局，广州 511458 2. 中国地质大学地球科学学院，地质过程与矿产资源国家重点实验室，武汉 430074 3. 重庆地质矿产研究院，重庆 401120

地幔是地球上最大的地球化学储层和火山活动的主要源区，记录了板块构造旋回期间洋壳和陆壳物质再循环历史(Hart, 1988; Hofmann, 1997; 周新华等, 2013)。了解地幔的性质以及不均一性在理解洋壳与陆壳的性质和命运方面起着关键作用，有助于重建地壳物质再循环过程(Zindler and Hart, 1986; 周新华等, 2013)。大洋玄武岩(包括洋中脊玄武岩和洋岛玄武岩)直接来自于地幔部分熔融且未经历厚的大陆地壳混染过程，因此，早期研究主要通过喷发至海底的玄武质岩浆来探究地幔的性质和组成(Gastetal., 1964; Hartetal., 1973; Allègre, 1982; White, 1985; Hofmann, 1997)。通过来自大洋玄武岩的化学和Sr-Nd-Pb同位素分析表明大洋地幔存在明显的不均一性(Hofmann, 1997, 2014)。基于大洋玄武岩的Sr-Nd-Pb同位素组成特征，将大洋地幔源区分为EM-1、EM-2、HIMU和DMM四个端元(Hofmann, 2014)。大洋岩石圈及携带的上覆沉积物俯冲至地幔，被认为是形成大洋不同地幔端元的主要因素(Zindler and Hart, 1986; Hofmann, 1997; Plank and Langmuir, 1998; Sobolevetal., 2005)。另外，大陆地壳的侵蚀和循环也是引起大洋地幔不均一的重要过程(Jacksonetal., 2007; Willbold and Stracke, 2010; Stracke, 2012; Edwardsetal., 2019; Adamsetal., 2021)。总体而言，地球上两个主要的亲石元素储库——地幔和地壳之间的物质交换和循环是大洋地幔局部富集和不均一的主要原因。

由于地壳混染以及岩石圈地幔经历了复杂的熔体抽离和熔/流体交代作用，相比大洋地幔，人们对大陆地幔的组成特征的认识仍是相当有限。随着地质学家对大陆地幔来源的岩浆岩(玄武岩等)、构造抬升至地表的橄榄岩地体以及幔源岩浆携带的地幔包体的研究，发现大陆岩石圈和软流圈地幔也存在着明显的不均一(Sobolevetal., 2007; Jonesetal., 2013; Bodinier and Godard, 2014; Pearsonetal., 2014; Giuliani and Pearson, 2019)。例如，大陆地幔来源的碱性玄武岩、碳酸岩、金伯利岩等的地球化学组成研究表明其地幔源区具有再循环沉积碳酸盐岩以及碎屑沉积物成分的存在(Walteretal., 2008; Lietal., 2017; Wangetal., 2017; Amsellemetal., 2020; Xuetal., 2020)。此外，板内玄武岩也记录了地幔源区中再循环的拆沉的大陆下地壳的成分信息(Lustrino, 2005; Gaoetal., 2008; Liuetal., 2008)。金伯利岩中来自不同地幔深度的金刚石及其矿物包裹体的C-O-N同位素组成记录了陆下岩石圈和地幔过渡带深度中具有再循环洋壳成分的存在(Schulzeetal., 2003; Walteretal., 2011; Cartignyetal., 2014; Lietal., 2019; Regieretal., 2020)。来自克拉通岩石圈地幔的大部分榴辉岩包体具有俯冲蚀变洋壳的化学和Sr-O同位素特征，这些榴辉岩包体被认为是经历海底蚀变的洋壳俯冲至深部地幔经历变质形成的(Jacob, 2004; Aulbachetal., 2019)。另外，经构造抬升至地表的橄榄岩地体和幔源岩浆携带的橄榄岩包体的研究表明，陆下岩石圈地幔岩石经历了不同地壳物质来源的熔、流体交代和改造，使得岩石圈地幔在微米至千米尺度上存在明显的成分不均一(Downes, 2007; Bodinier and Godard, 2014; Zouetal., 2014; Svojtkaetal., 2016; Borghinietal., 2018; Fitzpayneetal., 2019; Dengetal., 2020)。由于大陆岩石圈地幔相比大洋地幔具有更的演化历史，因此大陆地幔中保存了更加复杂的地壳成分特征，更有利于探讨地幔不均一的成因。

华北克拉通是地球上最古老的陆块之一，仍保留了～3.8Ga地壳残余的记录(Liuetal., 1992)。华北克拉通于晚古元古代完成克拉通化，之后受到北部古亚洲洋板块、南部古特提斯洋板块和东部太平洋板块的俯冲改造，且在中生代期间经历了大规模的岩石圈减薄作用(Zhaoetal., 2001; Wuetal., 2019; Zhu and Xu, 2019)。因此，华北克拉通是探究地壳物质再循环和地幔不均一的绝佳研究区域。自20世纪开始，中外学者已对华北克拉通幔源玄武质岩浆以及携带的地幔包体进行了较为全面和系统的研究(Zhou and Armstrong, 1982; Fan and Hooper, 1989; Song and Frey, 1989; Songetal., 1990; Zhietal., 1990; Basuetal., 1991; Tatsumotoetal., 1992; Zouetal., 2000; Chenetal., 2001; Xu, 2002; Zhang, 2005; Choietal., 2008; Liuetal., 2010b; Guoetal., 2016, 2020; Xuetal., 2018; Gengetal., 2019; Zhengetal., 2021)。虽然对于玄武岩和地幔包体的成因以及记录的交代历史存在一定的争议，但是，这些研究结论一致表明华北克拉通地幔在横向空间存在明显的结构和成分不均一。

新生代汉诺坝玄武岩沿华北克拉通北缘分布，由碱性玄武岩和拉斑玄武岩组成(Zhou and Armstrong, 1982; Songetal., 1990; Zhietal., 1990)。其中，汉诺坝碱性玄武岩包含了来自不同深度的上地幔和下地壳包体(冯家麟等, 1982; 谢漫泽等, 1993; 李绍柄等, 1987; 邓晋福等, 1988; 樊祺诚等, 1998; 张国辉等, 1998)。利用汉诺坝地区幔源岩石来探究大陆地幔不均一性的主要优势包括：(1)汉诺坝玄武岩及其携带的辉石岩和橄榄岩包体来自于不同地幔深度，可以对比地幔在垂向上成分的不均一性；(2)不同类型的辉石岩包体记录了不同的再循环地壳物质成分信息，可以更好的研究不同类型地壳物质引起的地幔不均一性；(3)汉诺坝玄武岩及其携带的辉石岩和橄榄岩包体已经进行了大量的基础研究工作(主-微量元素、锆石U-Pb年龄、Sr-Nd-Pb同位素、Li-Mg-Ca-Cu-Fe-Zn同位素等)(Zhou and Armstrong, 1982; 冯家麟等, 1982; 谢漫泽等, 1993; Song and Frey, 1989; Tatsumotoetal., 1992; Chenetal., 2001; Liuetal., 2001, 2005; Rudnicketal., 2004; Tangetal., 2007; Zhengetal., 2009; Huetal., 2016, 2019; Kangetal., 2016; Zhaoetal., 2017; Weietal., 2019; Daietal., 2020; Zhangetal., 2020, 2022)。因此，汉诺坝地区幔源岩石为窥探大陆地幔的不均一性提供了最合适的角度。

1 汉诺坝玄武岩的地幔源区性质

新生代汉诺坝玄武岩呈现出拉斑玄武质岩浆和碱性玄武质岩浆韵律式喷发的特征，因此，在汉诺坝玄武岩剖面可见互层的拉斑玄武岩和碱性玄武岩(李绍柄等, 1987; 邓晋福等, 1988; Songetal., 1990; Zhietal., 1990)(图1)。关于这两类玄武岩的成因目前还存在一定争议，先前的研究认为两类玄武岩为同一岩浆经历不同程度分异演化或同一地幔源区不同熔融程度的产物(李绍柄等, 1987; 邓晋福等, 1988; 李天福等, 1999)；而最近的研究则认为两类玄武岩来自不同的地幔源区，且源区具有不同类型的再循环地壳物质加入(Songetal., 1990; Zhietal., 1990; Choietal., 2008; Qianetal., 2015; Zouetal., 2022)。下文将详细阐述两类玄武岩的地幔源区性质。

图1 汉诺坝玄武岩野外剖面(据Zou et al., 2022修改)Fig.1 Field outcrops in stratigraphic sections of Hannuoba basalts (modified after Zou et al., 2022)

1.1 碱性玄武岩

汉诺坝碱性玄武岩整体具有轻重稀土分异明显、较高的强不相容元素元素含量以及明显的Pb负异常特征(图2)。值得注意的是，Zouetal. (2022)发现低MgO的样品同时具有更显著的碳酸盐的地球化学特征和更亏损的Sr-Nd同位素组成；另外，全岩MgO含量与Ni、Cr含量和Dy/Yb、Ti/Eu、Ba/Th等比值以及143Nd/144Nd之间存在明显的相关性(图3)，这些地球化学趋势可以很好的用两端元混合进行解释。高MgO端元(岩石圈地幔)具有高Dy/Yb、低Ti/Eu和Ba/Th以及富集的Nd同位素组成，低MgO端元(原始碱性玄武岩熔体)具有低Dy/Yb、高Ti/Eu和Ba/Th以及亏损的Nd同位素组成(Zouetal., 2022)。

图2 汉诺坝碱性玄武岩和拉斑玄武岩的球粒陨石标准化稀土元素配分图(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)(标准化值据McDonough and Sun, 1995)汉诺坝玄武岩数据来自于Zhi et al. (1990), Basu et al. (1991), Qian et al. (2015), Xu et al. (2017)和Zou et al. (2022); 图3数据来源同此图Fig.2 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element patterns (b) for the Hannuoba alkaline and tholeiite basalts (normalized values from McDonough and Sun, 1995)The Hannuoba basalt data from Zhi et al. (1990), Basu et al. (1991), Qian et al. (2015), Xu et al. (2017) and Zou et al. (2022); the data source in Fig.3 is the same as in this figure

图3 汉诺坝碱性玄武岩和拉斑玄武岩的全岩MgO与Dy/Yb(a)、Ba/Th(b)和143Nd/144Nd(d)以及Ti/Eu与Dy/Yb(c)关系变化图Fig.3 Plots of whole-rock MgO against Dy/Yb (a), Ba/Th (b), 143Nd/144Nd (d) and Ti/Eu vs. Dy/Yb (c) for the Hannuoba alkaline and tholeiite basalts

原始碱性玄武岩熔体的主、微量元素组成特征被认为是俯冲的蚀变洋壳变质形成的碳酸盐化榴辉岩部分熔融的产物，后期原始碱性玄武岩熔体与富集的岩石圈地幔橄榄岩发生不同程度反应，从而形成了成分不均一的汉诺坝碱性玄武岩(Zouetal., 2022)。Qianetal. (2015)则认为碱性玄武岩的地幔源区为交代成因的石榴辉石岩和少量橄榄岩组成，同时高MgO碱性玄武岩具有更大比例的橄榄岩贡献。目前，我们无法区分碱性玄武岩的地幔源区中石榴石和单斜辉石矿物组合为蚀变洋壳变质成因的榴辉岩还是富Si熔体交代地幔形成的石榴辉石岩(Qianetal., 2015; Zouetal., 2022)，但是，两者都表明了碱性玄武岩源区具有蚀变洋壳成分的加入。另外，模拟计算表明碱性玄武岩源区具有3%～5%碳酸盐的加入(Zouetal., 2022)。碱性玄武岩的明显Pb负异常特征也进一步证明其地幔源区具有脱水洋壳或碳酸盐成分的存在(Dasguptaetal., 2009)。但是，目前缺乏直接证据来表征碱性玄武岩的来源深度是岩石圈地幔还是软流圈地幔顶部，不过，通过与实验岩石学结果的对比，间接推测其熔融深度为软流圈顶部区域(Zouetal., 2022)。因此，汉诺坝碱性玄武岩记录了该地区地幔中保留的碳酸盐化洋壳成分的信息，同时具有高MgO含量和富集的Sr-Nd同位素组成的碱性玄武岩也表明岩石圈中具有富集的橄榄岩存在(富集的岩石圈地幔橄榄岩将在章节2进行讨论)。

1.2 拉斑玄武岩

相比于汉诺坝碱性玄武岩而言，拉斑玄武岩具有富集的Sr-Nd同位素组成特征且无明显Pb负异常，两者的主、微量元素之间也不存在明显的混合线性关系，表明两者来自不同的地幔源区(图2-图4)。前人基于拉斑玄武岩的主、微量元素组成特征，推测其地幔源区主要由橄榄岩以及少量辉石岩组成(Qianetal., 2015)。邹宗琪(2021)利用Zr/Hf和Sm/Yb比值模拟结果表明拉斑玄武岩源区中石榴石辉石岩所占的比例为4%～20%。另外，虽然极个别拉斑玄武岩样品的明显Pb正异常是由于地壳混染引起的(邹宗琪, 2021)，但是拉斑玄武岩整体缺乏Pb负异常特征表明其源区中碳酸盐成分的贡献有限(Dasguptaetal., 2009)。结合拉斑玄武岩全岩Eu正异常、富集的Sr-Nd同位素组成以及橄榄石斑晶中熔体包裹体的高208Pb/206Pb和207Pb/206Pb比值，表明拉斑玄武岩地幔源区具有再循环的古老洋壳(大洋辉长岩)和硅质沉积物成分的加入(Songetal., 1990; Basuetal., 1991; Qianetal., 2015)。另外，再循环富集的洋壳和沉积物成分需孤立演化长达>1Gyr之久，且整体未被周围地幔岩石所同化稀释，才可形成拉斑玄武岩的Pb同位素富集的地幔源区(Qianetal., 2015)。此外，拉斑玄武岩中橄榄石包裹的熔体Pb同位素组成变化明显而橄榄石及包裹体的主量元素组成一致，表明拉斑玄武岩地幔源区中再循环富集的洋壳和沉积物成分比例较低，只能引起同位素组成的变化而主量元素组成未受影响(Qianetal., 2015)。通过模拟计算表明汉诺坝拉斑玄武质岩浆形成压力为～3GPa，对应该地区岩石圈地幔底部(Xuetal., 2017)。综上，汉诺坝拉斑玄武岩记录了该地区地幔中保留的古老洋壳和沉积物成分的信息。

图4 汉诺坝碱性玄武岩和拉斑玄武岩的全岩Sr-Nd同位素组成汉诺坝玄武岩数据来自于Zhi et al. (1990), Basu et al. (1991), Xu et al. (2017)和Zou et al. (2022)Fig.4 Whole-rock Sr-Nd isotopic compositions of the Hannuoba alkaline and tholeiite basaltsThe Hannuoba basalt data from Zhi et al. (1990), Basu et al. (1991), Xu et al. (2017) and Zou et al. (2022)

2 汉诺坝橄榄岩和辉石岩包体记录的地幔不均一性

汉诺坝碱性玄武岩携带了大量且不同类型的上地幔包体，包括橄榄岩和辉石岩。其中，根据矿物组合特征(是否含有石榴石以及单斜辉石的类型及含量)将辉石岩包体分为石榴辉石岩、Cr-透辉石辉石岩、Al-普通辉石辉石岩、单斜辉石岩四类。利用这些地幔样品可以直接探究陆下岩石圈地幔的化学成分的不均一性。下文将详细探讨橄榄岩和不同类型辉石岩的成因以及记录的再循环地壳成分信息。

2.1 橄榄岩

汉诺坝橄榄岩包体主要以尖晶石相橄榄岩为主，少数研究报道了石榴石相橄榄岩的存在(Fan and Hooper, 1989; Song and Frey, 1989; Chenetal., 2001; Rudnicketal., 2004; Huetal., 2016)。主要组成矿物为橄榄石、斜方辉石、单斜辉石、尖晶石，少量含有石榴石。汉诺坝橄榄岩记录的平衡温度在920℃和1050℃范围之间(Rudnicketal., 2004)。橄榄岩与原始地幔(PM)具有相似的Mg#(图5a)，基于汉诺坝橄榄岩主量元素组成以及熔融实验研究结果，表明汉诺坝橄榄岩经历了0～25%熔体抽离过程(Rudnicketal., 2004)。其全岩的稀土元素(REE)配分模式从轻稀土(LREE)亏损至LREE富集变化，且样品呈现出Pb正异常(图6a, b)，表明部分橄榄岩后期受到不同程度的熔/流体交代(Rudnicketal., 2004)。结合橄榄岩全岩和单斜辉石矿物的Sr-Nd同位素组成的差异和Sr元素的扩散速率，推测交代介质为富集的Sr-Nd同位素组成的熔体且交代事件发生于新生代(Rudnicketal., 2004)。另外，汉诺坝橄榄岩中单矿物(橄榄石、斜方辉石、单斜辉石)中Li含量和Li同位素组成存在明显的核边变化，Tangetal. (2007)认为是来自于蚀变洋壳和软流圈的两期熔/流体-橄榄岩反应形成的混合趋势。从Ca同位素角度看，汉诺坝地区岩石圈地幔经历了碳酸盐熔体的地幔交代作用(Kangetal., 2016)。

地幔橄榄岩Re-Os等时线可用来约束大陆岩石圈地幔的形成时间，从而了解陆下岩石圈地幔的形成与改造过程(Rudnick and Walker, 2009)。虽然汉诺坝橄榄岩经历了不同程度的熔/流体交代，但是橄榄岩中硫化物未受明显影响且全岩亲铜亲铁元素含量以及Cu同位素组成也未受明显改造(Liuetal., 2010a; Liuetal., 2015)，因此，Gaoetal. (2002)发现汉诺坝橄榄岩包体全岩保留了～1.9Ga Re-Os等时线年龄。这些结果表明汉诺坝地区太古代岩石圈地幔整体于～1.9Ga被置换，之后汉诺坝地区陆下岩石圈地幔受到来自不同源区的多期熔/流体交代作用。

2.2 石榴辉石岩

汉诺坝石榴辉石岩以脉状与橄榄岩层组成复合包体或独立存在(Xu, 2002; Liuetal., 2005, 2010b; Huetal., 2016; Zhaoetal., 2017)。石榴辉石岩主要由斜方辉石、橄榄石、单斜辉石、尖晶石和石榴石组成。汉诺坝石榴辉石岩记录的平衡温度和压力分别为887～1080℃和1.2～2.1GPa(Liuetal., 2010b; Huetal., 2016; Zhaoetal., 2017)。相比汉诺坝橄榄岩全岩，石榴辉石岩全岩具有更高的TiO2、CaO和Al2O3含量和更低的FeOT、MgO、Cr和Ni含量(图5a-f)。石榴石辉石岩REE配分模式从LREE亏损型至LREE富集型变化，无明显Eu异常存在(图6c)；另外，蛛网图上可见明显的Pb、Sr正异常和大离子亲石元素(LILE)富集(图6d)。

图5 汉诺坝橄榄岩和各类辉石岩包体的主、微量元素组成橄榄岩和辉石岩数据来自于Song and Frey (1989), Tatsumoto et al. (1992), 张国辉等 (1998), Chen et al. (2001), Xu (2002), Rudnick et al. (2004), Liu et al. (2005), 宗克清等 (2005), Choi et al. (2008), Zheng et al. (2009), Hu et al. (2016), Zhao et al. (2017), Hu et al. (2019), Wei et al. (2019), Zhang et al. (2022). 红星代表原始地幔(PM)的组成(McDonough and Sun, 1995)Fig.5 Major and trace element compositions of the Hannuoba peridotite and pyroxenite xenolithsThe peridotite and pyroxenite data from Song and Frey (1989), Tatsumoto et al. (1992), Zhang et al. (1998), Chen et al. (2001), Xu (2002), Rudnick et al. (2004), Liu et al. (2005), Zong et al. (2005), Choi et al. (2008), Zheng et al. (2009), Hu et al. (2016), Zhao et al. (2017), Hu et al. (2019), Wei et al. (2019), Zhang et al. (2022). The red star represents the composition of the primitive mantle (PM) from McDonough and Sun (1995)

石榴辉石岩常见的三种岩石成因包括：俯冲洋壳变质作用(Yuetal., 2010)、岩浆堆晶作用(Leeetal., 2006; Downes, 2007)、熔体-橄榄岩相互作用(Rappetal., 1999)。由于洋壳中辉长质岩石中斜长石含量高，因此经俯冲洋壳变质作用形成的辉石岩具有明显的正Eu异常(Yuetal., 2010)。而汉诺坝石榴辉石岩无明显Eu异常，因此可排除俯冲洋壳变质成因。从岩相学角度，观察到汉诺坝复合包体中石榴辉石岩与橄榄岩两者呈渐变接触关系。从橄榄岩至石榴辉石岩过渡区，橄榄岩含量逐渐降低，斜方辉石含量升高，表明斜方辉石形成的过程中橄榄石发生消耗(Liuetal., 2005)。另外，石榴石以含尖晶石核的石榴石和无尖晶石核的独立石榴石颗粒两种形态存在于岩石中。含尖晶石核的石榴石表现出石榴石逐渐取代尖晶石的趋势，表明石榴石形成于后期且形成过程中消耗尖晶石(图7a-d)。此外，汉诺坝石榴辉石岩具有相对高的Mg#和Ni含量，同时还明显富集Pb、Sr和LILE，不同于典型的堆晶成因的辉石岩(Liuetal., 2005)。其中，石榴石单矿物凹型REE配分模式(La至Nd逐渐亏损，Nd至Lu逐渐富集；图6c)明显不同于典型的岩浆成因石榴石(La至Lu逐渐富集；Leeetal., 2006)。与橄榄岩中的单斜辉石相比，石榴辉石岩中单斜辉石具有更高的Ni含量(Chenetal., 2001; 宗克清等, 2005)，这一特征与熔体-橄榄岩反应过程中橄榄石分解释放出的Ni进入新形成的辉石中相关(Kelemenetal., 1998)，同时熔体交代过程使得样品富集Pb、Sr和LILE。近期Fe-Mg同位素研究表明汉诺坝石榴辉石岩具有明显变化的Fe-Mg同位素组成，且矿物间Fe-Mg同位素不平衡分馏是由于熔体-岩石相互作用过程中Fe-Mg扩散引起的(Huetal., 2016; Zhaoetal., 2017)。综上，岩相学和地球化学证据表明汉诺坝石榴辉石岩为熔体-橄榄岩相互作用的产物。

图6 汉诺坝橄榄岩和各类辉石岩包体的球粒陨石标准化稀土元素配分图和原始地幔标准化微量元素蛛网图(标准化值据McDonough and Sun, 1995)

图7 汉诺坝石榴辉石岩中石榴石-尖晶石对(a-d)以及粒间玻璃(e-f)的显微照片(据Hu et al., 2016；Liu et al., 2010b)显微照片示尖晶石逐渐被石榴石取代. Cpx-单斜辉石；Opx-斜方辉石；Grt-石榴石；Spl-尖晶石；IG-粒间玻璃；Kp-杂蚀镁铝榴石Fig.7 Photomicrographs of garnet-spinel pairs in the garnet pyroxenites from the Hannuoba (a-d) (from Hu et al., 2016 and Liu et al., 2010b)Photomicrographs show progressive replacement of spinel by garnet. Cpx-clinopyroxene; Opx-orthopyroxene; Grt-garnet; Spl-spinel; IG-interstitial glasses; Kp-kelyphite

汉诺坝石榴辉石岩中含有多期次年龄谱峰的锆石，包括2.4～2.5Ga、1.6～2.2Ga、0.6～1.2Ga、315Ma、80～170Ma和48～64Ma(Liuetal., 2010b)。其中，前寒武纪锆石为捕虏晶，来自于俯冲洋壳或拆沉下地壳，被硅质熔体携带至石榴辉石岩中(Liuetal., 2010b)。另外，石榴辉石岩Sr-Nd同位素组成(图8)也表明其形成过程中具有蚀变洋壳以及拆沉下地壳熔融形成的硅质熔体的贡献 (Xu, 2002; Liuetal.,2010b)。～315Ma锆石具有典型的岩浆锆石特征，记录了洋壳来源的熔体渗入地幔橄榄岩形成石榴辉石岩并引起锆石结晶的过程(Liuetal., 2010b)。Liuetal. (2010b)认为80～170Ma阶段引起熔体-橄榄岩相互作用的硅质熔体可能是在华北克拉通岩石圈减薄期间拆沉的大陆地壳部分熔融产生的。另外，48～64Ma锆石具有极高的REE、U、Th含量，结合矿物颗粒间碳酸盐质玻璃的存在，反映了一期碳酸盐熔体或流体交代活动(Liuetal., 2010b)。综上所述，汉诺坝石榴辉石岩记录了多期地壳来源的熔体-橄榄岩反应过程且熔体来自于不同源区。

图8 汉诺坝橄榄岩和各类辉石岩包体的全岩Sr-Nd同位素组成橄榄岩和辉石岩数据来自于Xu (2002), Rudnick et al. (2004), Hu et al. (2016), Zhao et al. (2017), Hu et al. (2019), Wei et al. (2019). 富集地幔Ⅰ(EMⅠ；皮特凯恩岛)、富集地幔Ⅱ(EMⅡ；萨摩亚岛)用于对比(http://georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc)Fig.8 Whole-rock Sr-Nd isotopic compositions of the Hannuoba peridotite and pyroxenite xenolithsThe peridotite and pyroxenite data from Xu (2002), Rudnick et al. (2004), Hu et al. (2016), Zhao et al. (2017), Hu et al. (2019), Wei et al. (2019). The enriched mantle I (EMⅠ; Pitcairn islands), enriched mantle Ⅱ (Samoa islands) are shown for comparison (http://georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc)

2.3 Cr-透辉石辉石岩

汉诺坝Cr-透辉石辉石岩主要组成矿物为斜方辉石和单斜辉石(Cr透辉石，手标本尺度呈翠绿色)，含有少量橄榄石和尖晶石。汉诺坝Cr-辉石岩记录的平衡温度为831～1073℃(Chenetal., 2001; Zhaoetal., 2017; Weietal., 2019)。相比其他类型辉石岩，汉诺坝Cr-辉石岩整体具有一致且高的Mg#值(87～92)，与汉诺坝橄榄岩相当(图5a)。绝大部分Cr-辉石岩REE配分模式呈“平坦型”，少数样品呈现出LRRE亏损型和LREE富集型，无明显Eu异常(图6e)。

图9 汉诺坝Cr-辉石岩(a)和Al-辉石岩(b)薄片照片照片显示出Cr-辉石岩和Al-辉石岩与橄榄岩的边界是截然的Fig.9 Thin-section photographs of Hannuoba Cr-pyroxenite (a) and Al-pyroxenite (b)Photographs show that the boundaries between the two types of pyroxenite and peridotites are quite clear

汉诺坝Cr-辉石岩具有堆晶结构，且复合包体中橄榄岩围岩与Cr-辉石岩脉体边界是截然的，不存在明显的过渡反应结构(图9a)。因此，汉诺坝Cr-辉石岩被认为是幔源熔体的堆晶产物(Xu, 2002; Liuetal., 2005; Zhaoetal., 2017; Weietal., 2019)。Zhaoetal. (2017)基于单斜辉石微量元素组成以及单斜辉石与玄武质熔体之间分配系数，获得的平衡熔体呈现出HFSE亏损特征，明显不同于寄主玄武岩。另外，大部分Cr-辉石岩的Sr-Nd同位素组成与形成于软流圈地幔的汉诺坝橄榄岩相似(Zhaoetal., 2017)。因此，Cr-辉石岩被认为是软流圈地幔来源熔体的堆晶产物，而不是寄主玄武岩熔体的堆晶(Xu, 2002; Zhaoetal., 2017)。另外，少量Cr-辉石岩具有明显的Pb富集和HFSE亏损特征以及富集的Sr-Nd同位素组成(图6f、图8)，表明其母岩浆具有少量大陆地壳成分的混入(Xu, 2002; Zhaoetal., 2017)。地壳成分可能来自于俯冲洋壳的上覆沉积物或拆沉的经历长期演化的大陆下地壳(Xu, 2002; Zhaoetal., 2017)。

2.4 Al-普通辉石辉石岩

汉诺坝Al-普通辉石辉石岩主要组成矿物为斜方辉石和单斜辉石(Al-普通辉石，手标本尺度呈黑色)，含有少量橄榄石和尖晶石。汉诺坝Al-辉石岩记录的平衡温度为822～977℃(Chenetal., 2001; Zhaoetal., 2017; Weietal., 2019)。相比交代成因的石榴辉石岩和堆晶成因的Cr-辉石岩而言，汉诺坝Al-辉石岩整体具有低的Mg#值(65～88)和高的FeOT含量(5.4%～14.5%)(图5a)。汉诺坝Al-辉石岩蛛网图可见明显的Nb、Ta、Zr、Hf亏损特征，个别样品具有轻微Eu异常(图6g, h)。

汉诺坝Al-辉石岩具有堆晶结构，同时具有堆晶岩典型的“上凸型”REE配分模式，与汉诺坝Cr-辉石岩类似，复合包体中橄榄岩围岩与Al-辉石岩脉体边界也无过渡反应结构(图9b)。因此，汉诺坝Al-辉石岩和Cr-辉石岩均为堆晶成因(Xu, 2002; Liuetal., 2005; Zhaoetal., 2017; Weietal., 2019)。然而，Al-辉石岩和Cr-辉石岩平衡熔体REE分配模式存在明显差异(Zhaoetal., 2017)。此外，Al-辉石岩和Cr-辉石岩Sr-Nd同位素组成之间存在明显差异，表明两类辉石岩为不同地幔源区来源的岩浆堆晶岩，并非同一母岩浆不同演化阶段的产物(Xu, 2002; Zhaoetal., 2017; Weietal., 2019)。基于Al-辉石岩亏损HFSE特征和富集的Sr-Nd同位素组成(图8)，Xu (2002)和Zhaoetal. (2017)认为Al-辉石岩是由混有不同比例的下地壳物质的幔源熔体形成的堆晶产物。然而，Weietal. (2019)研究表明两端元混合需要>50%比例的地壳物质才能形成Al-辉石岩的Sr-Nd同位素组成，因此倾向于认为Al-辉石岩富集的同位素组成特征是继承于母岩浆的地幔源区，其地幔源区具有富集的大陆地壳物质加入。

2.5 单斜辉石岩

先前研究通常将汉诺坝单斜辉石岩归类成汉诺坝Al-辉石岩。由于单斜辉石岩具有明显不同于Al-辉石岩的主、微量元素和同位素组成，因此，本文将其单独归于一类进行探讨。汉诺坝单斜辉石岩主要组成矿物为单斜辉石(>90%)，部分样品含金云母和尖晶石。Huetal. (2019)通过单斜辉石温度计以及Al配位数和矿物组成的间接方式约束获得的汉诺坝单斜辉石岩平衡温度和压力分别为770～840℃和1.4～1.5GPa，对应汉诺坝地区壳-幔过渡带深度。汉诺坝单斜辉石岩相比于Al-辉石岩而言，具有明显变化的Mg#值(79～90)、低的FeOT(2.9%～6.5%)、Cr(15×10-6～207×10-6)和Ni(15×10-6～45×10-6)含量以及更加富集的Sr-Nd同位素组成(图5a, e, f、图8)。单斜辉石岩REE配分模式呈现出LREE富集型，具有轻微Eu负异常(图6i)。

关于汉诺坝单斜辉石岩成因，先前研究提出了不同的模型来解释单斜辉石岩的元素和Sr-Nd-O-Mg同位素组成特征，包括堆晶成因、交代成因以及先堆晶后交代成因(宗克清等, 2005; Zhengetal., 2009; Huetal., 2016, 2019; Zhaoetal., 2017)。汉诺坝单斜辉石岩呈现出明显变化的Ba/Th比(5.1～1190)。张岗岚(2022)利用单斜辉石单矿物的Li/Y比和全岩Zn同位素组成与全岩Ba/Th比的相关性(图10a, b)，表明全岩Ba/Th比是由不同程度熔/流体交代引起的，而不是不同程度金云母堆积或分解的结果。另外，单斜辉石岩Cr和Ni含量与Ba/Th比缺乏相关性表明低Cr和Ni为单斜辉石岩原有的特征。结合单斜辉石岩Rb/La、Th/Nb与Ba/Th比的相关性(图10c, d)，推测汉诺坝单斜辉石岩为地幔低程度部分熔融的玄武质熔体的堆晶岩，后期经历了不同程度的含水熔体交代(张岗岚, 2022)。根据汉诺坝单斜辉石岩中挑选的锆石U-Pb年龄分析，表明后期含水交代过程发生于～55Ma(张岗岚, 2022)。单斜辉石岩除了具有极其富集的Sr-Nd同位素组成以外，还具有轻Mg同位素(δ26Mg：-1.51‰～-1.04‰)和重O同位素组成(δ18O：9.9‰～11.3‰)(Huetal., 2016, 2019; Zhaoetal., 2017)。上述地球化学特征表明汉诺坝单斜辉石岩地幔源区具有再循环的碳酸盐和硅酸盐沉积物成分的混入。 此外，单斜辉石岩δ66Zn(0.04‰～0.46‰)与含水熔体交代指标(Rb/La、Ba/Th、K/U、Th/Nb)呈现出明显的相关性(张岗岚, 2022)，表明后期受到含碳酸盐岩沉积物来源的含水熔体交代。综上所述，汉诺坝单斜辉石岩记录了两期含碳酸盐岩沉积物来源的熔体活动。

图10 汉诺坝单斜辉石岩的单斜辉石Li/Y(a)、全岩δ66Zn(b)、Rb/La(c)和Th/Nb(d)与全岩Ba/Th的关系变化图(据张岗岚,2022修改)单斜辉石岩数据来自于宗克清等(2005), Zheng et al. (2009), Hu et al. (2016, 2019), Zhao et al. (2017), 张岗岚(2022)Fig.10 Plots of Li/Y in Cpx (a), whole-rock δ66Zn (b), Rb/La (c) and Th/Nb (d) againstwhole-rock Ba/Th for the Hannuoba clinopyroxenite (modified after Zhang, 2022)The clinopyroxenite data are from Zong et al. (2005), Zheng et al. (2009), Hu et al. (2016, 2019), Zhao et al. (2017), Zhang (2022)

3 地壳物质再循环引起的大陆地幔不均一

地壳是地球上不相容元素的主要储库，例如，大陆地壳仅占硅酸盐地球质量的0.6%，但其不相容元素含量占地球总含量的20%～70%，包括一些放射性同位素体系的元素(Rb-Sr、Sm-Nd、U-Th-Pb、Lu-Hf等)(Rudnick and Gao, 2014)。因此，相比于原始地幔而言，地壳具有明显高的不相容元素含量以及演化的Sr-Nd-Pb等同位素组成。当富集的地壳物质通过板片俯冲作用或下地壳拆沉作用等地质过程加入至地幔时，会使得局部地幔岩石发生再富集作用，从而继承地壳物质的一些富集的元素和同位素组成信息。俯冲过程中，随着俯冲深度的增加(即温度和压力升高)，来自板片的地壳物质(如蚀变洋壳、沉积碳酸盐岩、碎屑沉积物等)会以流体、熔体、超临界流体或底辟体的形式迁移至上覆地幔楔(Kesseletal., 2005; Hermann and Rubatto, 2009; Behnetal., 2011; Marschall and Schumacher, 2012; Li and Ni, 2020)，从而改造地幔楔岩石的化学组成和物理性质(如：熔点和氧逸度等)(Poli and Schmidt, 2002; Bénardetal., 2018; Heetal., 2020)。此外，地壳物质也可随着残余板片俯冲至深部地幔中(Jacksonetal., 2007; Wangetal., 2017)。另外，由于榴辉岩密度高于橄榄岩，在加厚大陆地壳底部形成的榴辉岩可通过拆沉作用再循环至地幔中(Rudnick and Fountain, 1995; Gaoetal., 2004; Leeetal., 2006)。由于榴辉岩的熔融温度低于橄榄岩，随着拆沉的榴辉岩升温发生熔融，会与周边地幔橄榄岩发生反应(Rappetal., 1999; Gaoetal., 2008)。

汉诺坝地区位于华北克拉通中部造山带北缘，经历了晚古元古代华北克拉通东部陆块和西部陆块拼合、古亚洲洋板块俯冲、以及太平洋板块俯冲等地质事件(Zhaoetal., 2001; Wuetal., 2019; Zhu and Xu, 2019)。这些地质过程皆会引起地壳物质再循环，可能会使得汉诺坝地区陆下地幔经历改造和再富集，呈现出局部地幔不均一特征。首先，从玄武岩角度来观察汉诺坝地区深部软流圈地幔和岩石圈底部记录的再循环地壳物质的成分信息。汉诺坝碱性玄武岩来自于深部软流圈地幔顶部，源区为碳酸盐化榴辉岩(Zouetal., 2022)。此外，碱性玄武岩后期在向上迁移至地表过程中与岩石圈地幔发生不同程度的相互作用，其记录的碳酸盐化榴辉岩特征被稀释和掩盖。碳酸盐化榴辉岩在软流圈顶部发生熔融可能是由先前存在的不含挥发分的榴辉岩被来自软流圈深部的碳酸盐熔体交代而触发的，或碳在榴辉岩中以还原碳的形式存在，随后被对流地幔携带至相对氧化的浅部地幔形成碳酸盐化榴辉岩并发生熔融(Zouetal., 2022)。汉诺坝碱性玄武岩的研究结果表明俯冲的蚀变洋壳变质形成的榴辉岩会加入至软流圈地幔深度，引起软流圈地幔岩性和成分的不均一；此外，软流圈中的碳酸盐化榴辉岩也可作为碱性玄武岩的源区，熔体向上迁移过程中会与岩石圈地幔发生相互作用，自身成分被改造的同时也会进一步影响岩石圈地幔岩石的化学组成(图11a)。汉诺坝拉斑玄武岩来自于岩石圈地幔底部，其地幔源区为橄榄岩和少量辉石岩组成，具有少量再循环的古老洋壳和沉积物成分(>1Ga)的加入(Qianetal., 2015)。因此，这些古老的洋壳和沉积物成分极有可能是华北克拉通西部陆块和东部陆块拼合期间(～1.8Ga)加入至汉诺坝地区岩石圈地幔底部的。汉诺坝拉斑玄武岩的研究结果表明再循环的古老洋壳和沉积物成分会长期稳定存在于岩石圈地幔底部，未被周围地幔所同化和稀释，最后形成Sr-Nd-Pb同位素富集的地幔源区(图11a)。

图11 汉诺坝玄武岩和辉石岩成因模型概念图以及记录的地壳物质再循环引起的大陆地幔不均一信息(a，据Zou et al., 2022修改)Fig.11 Cartoons of the petrogenesis of Hannuoba basalts and pyroxenites and recorded information on continental mantle heterogeneity caused by recycling of crustal materials (a, modified after Zou et al., 2022)

汉诺坝橄榄岩样品的主、微量元素和Sr-Nd-Li-Ca同位素组成的研究表明橄榄岩受到不同程度和不同成分组成的熔/流体交代，包括蚀变洋壳来源的硅质熔/流体以及沉积物来源的碳酸盐熔体(Rudnicketal., 2004; Tangetal., 2007; Kangetal., 2016)。这些熔/流体可能通过洋壳及上覆沉积物俯冲变质过程中脱挥发分作用直接形成，或者储存于地幔中受后期热事件干扰形成。浅部岩石圈地幔(<2.8GPa)主要以尖晶石相橄榄石为主(Robinson and Wood, 1998)，汉诺坝橄榄岩包体单矿物和全岩的地球化学分析表明汉诺坝地区浅部岩石圈地幔在厘米至微米尺度存在明显的成分不均一特征，主要是由含地壳成分的熔/流体交代引起的(Rudnicketal., 2004; Tangetal., 2007; Kangetal., 2016)(图11b)。

汉诺坝玄武岩携带的辉石岩包体类型丰富，包括石榴辉石岩、Cr-透辉石辉石岩、Al-普通辉石辉石岩和单斜辉石岩。虽然辉石岩在地幔整体中所占的比例较小，但是地幔中辉石岩直接证明了地幔化学成分不均一特征的存在(Downes, 2007; Tilhacetal., 2016)。另外，大多数情况下，辉石岩的形成过程中或多或少都具有地壳成分参与，如洋壳变质以及俯冲板片和拆沉下地壳来源的熔/流体等(Yuetal., 2010; Zouetal., 2014; Montanini and Tribuzio, 2015; Svojtkaetal., 2016; Varas-Reusetal., 2018)。汉诺坝石榴辉石岩位于该地区岩石圈地幔浅部(1.2～2.1GPa)，常与橄榄岩形成复合包体(Liuetal., 2010b; Huetal., 2016; Zhaoetal., 2017)。汉诺坝石榴辉石岩岩相学以及地球化学证据表明其为熔体-橄榄岩相互作用的产物以及反应的熔体是由俯冲的洋壳以及拆沉下地壳部分熔融形成的(Liuetal., 2005, 2010b; Huetal., 2016; Zhaoetal., 2017)。另外，石榴辉石岩中粒间玻璃也进一步证明汉诺坝地区浅部岩石圈地幔中具有硅质和碳酸盐质熔体活动(Liuetal., 2010b)(图7e, f、图11b)。汉诺坝Al-辉石岩和单斜辉石岩来源深度相对石榴辉石岩更浅，大致形成于汉诺坝地区壳-幔过渡带和岩石圈地幔顶部深度。汉诺坝Al-辉石岩的母质岩浆来自于具有大陆地壳成分加入的富集地幔源区，而关于富集地幔源区的深度以及大陆地壳物质加入的方式仍不清楚。不论如何，Al-辉石岩的研究表明来自富集地幔源区的熔体向上迁移过程中分离结晶过程会进一步影响浅部岩石圈的成分均一性。汉诺坝单斜辉石岩记录了来自于地幔源区以及后期交代介质的富集地壳成分信息。汉诺坝单斜辉石岩的地幔源区具有富集的古老大陆上地壳以及碳酸盐岩成分的加入，后期交代介质为含碳酸盐岩沉积物来源的含水熔体(张岗岚, 2022)(图11b)。另外，汉诺坝玄武岩中碳酸岩脉体也为汉诺坝地区大陆地幔中沉积物来源的碳酸盐熔体活动提供最直接的证据(Chenetal., 2016)。综上所述，汉诺坝玄武岩以及橄榄岩和辉石岩包体表明软流圈顶部至壳-幔边界深度存在多来源及多成分的富集地壳物质，包括蚀变洋壳、大陆下地壳、沉积碳酸盐岩、碎屑沉积物等(图11)，这些物质的加入明显影响了汉诺坝地区陆下地幔成分的均质性，因此，汉诺坝地区陆下地幔的不均一的认识为了解地壳物质再循环提供了绝佳的窗口。

汉诺坝地区的玄武岩和地幔包体记录的地幔深度未超过地幔过渡带。而一些克拉通的金伯利岩以及携带的包体(如：金刚石等)可探究更深部地幔的成分均质性。来自不同地幔深度(陆下岩石圈地幔—地幔过渡带—下地幔)的金刚石中矿物包裹体氧同位素组成以及金刚石碳-氮同位素组成表明碳酸盐化洋壳可俯冲至岩石圈至过渡带深度(低于660km)，碳酸盐化洋壳成分的加入会明显影响岩石圈至过渡带地幔深度的成分组成(Regieretal., 2020)。另外，金刚石中硫化物包裹体硫同位素分析表明<2.5Ga金刚石中硫化物具有S同位素非质量分馏特征，表明俯冲开启后，大气改造的浅表S同位素非质量分馏特征并入大陆地幔中，并作为硫化物包裹体保存在金刚石中(Smitetal., 2019)。同时，金伯利岩也记录了来自浅部沉积物的碳同位素组成特征(Giulianietal., 2022)。这些研究表明浅部沉积物和蚀变洋壳会进一步影响深部地幔(直至地幔过渡带)的元素和同位素组成，引起陆下地幔的成分不均一。

4 结语

汉诺坝玄武岩以及携带的橄榄岩和辉石岩包体表明该地区软流圈顶部至壳-幔边界深度中普遍存在不同来源的富集地壳物质。俯冲板片将蚀变洋壳和上覆的沉积碳酸盐岩和碎屑沉积物以及拆沉作用将榴辉岩相下地壳成分输送至岩石圈和软流圈地幔中，这些富集的地壳物质加入引起汉诺坝地区陆下地幔发生不同程度的再富集和改造作用，使得陆下地幔的岩性和成分组成在微米至千米尺度呈现出明显的不均一特征。由于汉诺坝地区经历了多期地质构造演化事件，因此，汉诺坝陆下地幔中富集地壳成分是以什么形式进入地幔、何时进入地幔等问题目前还不清楚。

结合来自其他克拉通更深部地幔的金刚石及其矿物包裹体，表明大陆地幔中普遍存在富集的地壳成分。浅部地壳物质的再循环过程是引起大陆地幔不均一性的重要因素。

致谢感谢郭鹏远副研究员以及另一位匿名评审人对本文提出的宝贵意见；感谢徐荣副研究员以及邹宗琪博士在论文撰写过程中给予的帮助。