华北克拉通东南部新生代玄武岩地球化学研究

摘要

华北克拉通自中生代以来经历了大规模的减薄/破坏。与此相对应，华北克拉通东部广泛发育中生代和新生代岩浆活动，其中新生代岩浆活动的主要产物为玄武岩。这些大陆玄武岩普遍具有类似洋岛玄武岩(OIB)的微量元素分布特征和相对亏损的Sr-Nd同位素组成。对这些玄武岩的地幔源区存在不同认识，主要为:(1)上涌的软流圈地幔;(2)含碳酸盐组分熔体交代的软流圈地幔;(3)大陆榴辉岩质下地壳与软流圈地幔的机械混合物;(4)俯冲大洋板片熔体交代地幔橄榄岩形成的新生岩石圈地幔。先前的认识大多依据单一放射成因同位素或者微量元素组成，缺乏对主要元素和微量元素与放射成因同位素和稳定同位素之间的综合制约。例如，正常软流圈地幔部分熔融虽然能够形成Sr-Nd-Hf同位素组成相对亏损的玄武岩，但是其微量元素组成应该具有洋中脊玄武岩(MORB)的分布型式，这是中国东部新生代玄武岩所不具备的。为此，本学位论文对华北克拉通东南部山东昌乐-临朐地区新生代玄武岩进行了系统的全岩主微量元素和Sr-Nd-Pb同位素、斑晶矿物稀有气体同位素以及水含量和氢氧同位素组成研究，结果用于综合限定它们的地幔源区性质，探讨华北克拉通岩石圈地幔减薄的过程和机制。
　　 华北东南部山东昌乐-临朐地区新生代玄武岩从主量元素上可以分为碧玄岩和碱性玄武岩。这些玄武岩具有高的全岩Fe/Mn比值和低的Fe/Zn比值，橄榄石斑晶成分也不同于由橄榄岩部分熔融产生的熔体中结晶的橄榄石，表明其地幔源区含有辉石岩组份。对于Sr-Nd同位素相对富集的碱性玄武岩，其MgO含量并不高于相对亏损的碧玄岩，因此其中相对富集的组份不是来自于古老克拉通岩石圈地幔，而是来源于交代亏损地幔的地壳物质。鉴于这些玄武岩具有类似OIB型的微量元素分布特征，要求加入到这些玄武岩地幔源区的富集组分是俯冲洋壳及其上覆沉积物，而不是具有弧型微量元素分布特征的正常大陆地壳。对于Sr-Nd同位素相对亏损的碧玄岩，其Nd模式年龄最小为334Ma，指示其源区为新生岩石圈地幔。这些玄武岩的斑晶矿物大多具有低于正常地幔的δ18O值，指示其地幔源区相对亏损18O。这种亏损可以归因子低δ18O洋壳部分熔融产生的低δ18O熔体交代地幔。低δ18O地幔源区的保存在地球化学动力学上要求，新生岩石圈地幔形成后就脱离了对流的软流圈地幔均一化效应。两种玄武岩的Sr-Nd-Pb同位素组成有所差异，并与主量元素之间存在一定的相关性，反映了地幔源区的地球化学不均一性。这些玄武岩的元素和同位素组成表明，它们的地幔源区是由来自俯冲洋壳的埃达克质熔体和来自上覆沉积物的长英质熔体以不同的比例交代亏损地幔形成的。
　　 华北克拉通东南缘昌乐-临朐、女山和合肥新生代玄武岩中橄榄石和辉石斑晶的稀有气体同位素组成变化较大。昌乐-临朐和女山玄武岩中橄榄石斑晶具有与MORB相近的3He/4He比值，指示其源区中的He以亏损地幔来源为主，3He/4He与4He/40Ar*之间的正相关关系指示岩浆上升过程中的去气作用。与此相反，合肥玄武岩中橄榄石和辉石斑晶的3He/4He比值非常低，表明其源区中的He主要为地壳来源。玄武岩斑晶Ne和Ar同位素组成均明显不同于MORB而接近于大气值，这种大气Ne和Ar同位素组分应来自于俯冲板片。蚀变洋壳和上覆沉积物携带着壳源He同位素信息和从海水中获得的大气Ar同位素信息俯冲至地幔深处，它们所产生的熔体交代亏损地幔并将这些稀有气体同位素组成特征带入到玄武岩的地幔源区。这一系列从地表到地幔深处的同位素交换和运移过程可以概括为溶解-交换-平衡-吸收(DEED)过程。
　　 由昌乐-临朐新生代玄武岩单斜辉石斑晶结构水含量计算得出的地幔源区水含量为～450ppm，高于MORB型地幔源区而接近于OIB型地幔源区，表明其地幔源区相对富水。昌乐-临朐和合肥新生代玄武岩斑晶矿物全水的δD值为-82‰--145‰，明显低于新鲜MORB值。这可以由脱水后的俯冲大洋板片组分加入到地幔源区来解释，因为俯冲大洋板片在脱水后其δD值明显低于新鲜MORB。俯冲板片还提供了一定量的水，使得其地幔源区相对富水。大洋俯冲隧道中发生的板片脱水和板片-地幔相互作用，是玄武岩地幔源区富水和δD变低的关键过程。
　　 地震层析成像研究表明，华北克拉通岩石圈厚度呈现由西向东逐渐减小的趋势，指示太平洋板块由东向西俯冲对华北克拉通岩石圈减薄的影响。中国东部新生代大陆玄武岩成因中的交代熔体可能就是来自于俯冲的太平洋板块。由此可以对华北克拉通东南部新生代玄武岩的成因予以制约。中生代时期，受到俯冲改造的洋壳和沉积物分别发生部分熔融，熔体以不同的比例交代上覆亏损地幔，形成一系列从富硅到贫硅辉石岩的新生岩石圈地幔。新生代时期，新生岩石圈地幔在岩石圈拉张背景下发生部分熔融，形成了这些玄武岩。中生代时期太平洋板块西向俯冲引起了华北克拉通古老岩石圈地幔下部拆沉，随后软流圈地幔侧向侵位填补留下的空间。俯冲洋壳及其上覆沉积物部分熔融所产生的熔体交代了填补进来的新生岩石圈地幔，形成富化富集的含辉石岩地幔源区，它们与软流圈之间处于相对分离状态。因此，中国东部新生代大陆玄武岩记录了中生代时期太平洋板块俯冲引起华北克拉通古老岩石圈地幔减薄的化学地球动力学。

目录

声明

摘要

第一章 导论

1．1 玄武岩简介

1．2 玄武岩的地幔源区性质

1．3 中国东部新生代玄武岩

1．4 本文研究内容和意义

1．5 工作量小结

第二章 区域地质概况

2．1 华北克拉通

2．2 山东昌乐-临朐区域地质及新生代火山岩分布

2．3 女山区域地质和新生代火山岩概况

2．4 皖东及合肥盆地区域地质和新生代火山岩概况

第三章 样品描述

3．1 昌乐-临朐玄武岩

3．2 女山玄武岩

3．3 合肥玄武岩

第四章 分析方法

4．1 40Ar／39Ar定年

4．2 全岩主微量元素分析

4．3 全岩Sr-Nd-Pb同位素分析

4．4 矿物氧同位素分析

4．5 单矿物电子探针分析

4．6 矿物稀有气体同位素组成

4．7 矿物结构水含量红外光谱分析

4．8 TC／EA-MS矿物全水含量和氢同位素分析

第五章 昌乐-临朐玄武岩地球化学

5．1 全岩39Ar／40Ar定年

5．2 主量元素特征

5．3 微量元素特征

5．4 Sr-Nd-Pb同位素特征

5．5 矿物氧同位素特征

5．6 橄榄石元素组成

第六章 昌乐-临朐新生代玄武岩成因

6．1 地壳混染

6．2 分离结晶

6．3 部分熔融过程及源区残留矿物相

6．4 斑晶矿物低δ18O成因

6．5 不均一的新生岩石圈地幔源区

6．6 玄武岩源区中的地壳组分

6．7 玄武岩源区的岩石学性质

6．8 玄武岩地幔源区形成过程中的壳幔相互作用

第七章 华北东南缘新生代玄武岩稀有气体同位素地球化学

7．1 斑晶稀有气体组成

7．1．1 He

7．1．2 Ne

7．1．3 Ar

7．2 稀有气体元素分异和同位素分馏

7．3 陆壳混染

7．4 地表大气混染

7．5 玄武岩源区中的稀有气体组分来源

7．5．1 低3He／4He源区的来源

7．5．2 斑晶低Ne、Ar同位素组成的来源

7．6 地表稀有气体再循环的机理

第八章 新生代玄武岩斑晶水含量及氢同位素组成

8．1 斑晶结构水

8．2 斑晶全水和氢同位素组成

8．3 玄武岩及其地幔源区水的性质

8．3．1 结构水

8．3．2 全水

8．3．3 地幔源区水含量

8．4 玄武岩源区氢同位素组成

8．5 玄武岩低δD成因

8．5．1 大气降水

8．5．2 蚀变洋壳δD

8．5．3 俯冲洋壳脱水温压条件下的矿物-水氢同位素分馏

8．5．4 新生代玄武岩地幔源区中俯冲大洋板片氢同位素组成

8．6 大洋板片俯冲与地幔氢同位素不均一性

第九章 新生代玄武岩地幔源区形成的地球动力学意义

9．1 大洋板片俯冲与岩浆活动

9．2 昌乐-临朐新生代玄武岩成因模式

第十章 结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文