Water contents and lithium isotope compositions of the Mesozoic-Cenozoic lithospheric mantle of the eastern NCC:constraints from peridotite xenoliths

摘要

对华北克拉通东部七个地点（蓬莱，栖霞，昌乐，鹤壁，大西庄，青岛和莒南）橄榄岩捕掳体中的主要组成矿物相（橄榄石，斜方辉石和单斜辉石）进行了系统的傅里叶变换红外光谱(FTIR)和二次离子探针(SIMS)分析。该研究旨在弄清名义上无水矿物中结构OH（也就是水）的含量，以及水在岩石圈地幔中可能的时空变化特征及其控制因素，并进一步通过锂同位素体系来限制岩石圈地幔中熔体-橄榄岩的相互作用过程。
　　名义上无水无矿物，如橄榄岩捕掳体中的单斜辉石和斜方辉石，普遍含有一定量的结构OH，也就是水。对于本论文所研究的地幔橄榄岩捕掳体，单斜辉石和斜方辉石的水含量变化范围分别为20-746 ppm，8-580 ppm。水在颗粒内部的均匀分布以及水在两种辉石之间的平衡分配都表明辉石的水含量测量值能代表捕掳体被带出地幔之前的原始值。橄榄岩中橄榄石几乎是无水的，这一般认为是捕掳体在减压上升过程中去气的结果。根据橄榄岩中各矿物相组成的相对比例，以及假定单斜辉石和橄榄岩在地幔条件下H的平衡分配系数为10，我们可以得到全岩的水含量，其变化范围为6-251 ppm。
　　晚中生代和新生代玄武岩中的地幔橄榄岩捕掳体具有明显不同的水含量，显示了华北克拉通东部岩石圈地幔中水的随时间变化。新生代样品（来自蓬莱，栖霞，昌乐和鹤壁）中单斜辉石和斜方辉石的水含量变化范围分别为:27-223ppm和8-94 ppm;中生代样品（来自青岛和莒南）中单斜辉石和斜方辉石的水含量变化范围分别为470-750 ppm和190-350 ppm。另外，晚中生代的大西庄样品则显示了新生代样品的含水特征，单斜辉石和斜方辉石的水含量范围分别为103-311 ppm和30-141 ppm。
　　新生代橄榄岩样品具有明显低于世界其它产地橄榄岩以及MORB源区的水含量特征，可能反映了经历了晚中生代-新生代华北岩石圈减薄事件后地幔残留的特征。伴随着岩石圈减薄的进行，对流上升的软流圈地幔带来的热可以烘烤其上覆的岩石圈地幔，导致其脱水从而贫水。另一方面，晚中生代岩石圈地幔的高水含量可能代表了介于新生代“贫水和早白垩纪富水的中间值。中生代以来的古太平洋板片的俯冲可能导致了岩石圈地幔的水化，而且这种水化的岩石圈地幔反过来会弱化岩石圈并导致减薄的开始。伴随着岩石圈底部水化和弱化部分的减薄和丢失，去气作用可能是剩余岩石圈地幔使自身力学性质变强以至于能在对流地幔中保存完整的一种机制。
　　新生代橄榄岩样品（蓬莱，栖霞和鹤壁）中橄榄石，斜方辉石和单斜辉石的原位锂含量变化范围分别为1.5-10.6 ppm，0.2-62.2 ppm，1.6-59.7 ppm。结合相应的数值模拟，这种极端的矿物之间，颗粒之间以及颗粒内部的锂含量非平衡分配说明了橄榄岩捕掳体在火山作用带至地表之前很短的时间内在地幔源区受到了强烈和短暂的富锂事件。这种富锂熔体-岩石相互作用持续的时间非常短暂以至于没有被其它微量元素或同位素体系所记录，蓬莱和鹤壁橄榄岩中单斜辉石的LREE富集特征所反映的地幔交代并不是导致锂富集的交代事件。模拟计算显示锂富集介质的锂含量高达600 ppm，这就要求这种高度富集锂的地幔介质为碳酸岩熔体，而且该富锂碳酸岩熔体的地幔源区也是锂含量高度富集的。
　　来自蓬莱，栖霞和鹤壁的橄榄岩样品显示了相似的锂含量和锂同位素特征，它反映了两期锂富集事件的叠加:早期具有中等锂含量＜5 ppm)富集和强烈的轻锂同位素组成(δ7Li:20～-10‰)，近期具有高锂含量和重锂同位素组成(+20‰)的熔体/流体。这些具有轻锂同位素组成和重锂同位素组成的熔体意味着其地幔熔融源区存在相应的具有锂同位素异常的组分。通过锂同位素体系的证据，我们可以得出华北东部之下的上地幔中存在再循环的壳源物质。这种壳源物质分别具有重的和轻的锂同位素组成，它们的形成可能与晚中生代以来古太平洋板片的西向俯冲有关，并分别来源于俯冲流体改变的地幔楔和高度脱水后的俯冲板片。
　　水含量与锂富集程度具有明显的脱耦现象:也就是新生代样品具有高的锂含量和低的水含量;而晚中生代样品则具有低的锂含量和高的水含量。这可能暗示一种锂和氢在矿物中的取代/替换机制:Li进入矿物晶格是通过H+的离开来实现电价平衡的（Li+H+→Li+1/2H2↑）。地幔中的富锂熔体-橄榄岩的相互作用可以导致或部分造成了华北克拉通东部岩石圈地幔的低含水性特征。

目录

声明

Acknowledgements

Abstract

摘要

Table of contents

1 Introduction

1．1 Background and motivation

1．2 Thesis outline

2 Geological background and previous works

2．1 The North China Craton

2．2 Lithospheric thinning and the destruction of the NCC

2．3 The Dabie-Sulu UHP Belt

2．4 Localities and samples

2．4．1 Qixia

2．4．2 Penglai

2．4．3 Changle

2．4．4 Hebi

2．4．5 Qingdao

2．4．6 Daxizhuang

2．4．7 Junan

3 Analytical methods

3．1 Electron microprobe (EMP)

3．2 LA-ICP-MS

3．3 Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR)

3．3．1 Water content in NAMs measured by FTIR

3．3．2 The theoretical background for quantitative analysis

3．4 Secondary ion mass spectrometry (SIMS)

4 Results

4．1 EMP results

4．1．1 Major elements concentrations

4．1．2 Temperature and Pressure estimates

4．2 LA-ICP-MS results for Trace element

4．3 FTIR results

4．3．1 H-related species in mineral structural

4．5 SIMS results for Lithium contents and isotopic compositions

4．5．1 PengLai samples

4．5．2 Qixia samples

4．5．3 Hebi samples

4．5．4 Junan samples

5 The melt depletion and enrichment process

5．1 Melt depletion

5．1．1 Melt depletion in the mantle sources

5．1．2 The estimate of extents of mantle melting

5．2 The fluids／melts enrichments

6 Water in the lithospheric mantle

6．1 Preservation of initial water content of mantle pyroxenes

6．2 Possible factors controlling water contents of pyroxenes

6．3 Low water content of peridotites hosted by Cenozoic basalts

6．3．1 Comparison with the continental craton and off-craton lithospheric mantle

6．3．2 Comparison with the oceanic mantle

6．3．3 Possible Role of Redox State on Water Content

6．3．4 Implications of the Low Water Content

6．3 High water contents in the Mesozoic lithospheric mantle

7 Lithium isotopic systematics of the lithospheric mantle

7．1 Lithium infiltration and disequilibria in peridotites

7．2 The Li enrichments and mantle metasomatism

7．3 Lithium isotopic fractionation in peridotites

7．3．1 The isotopic fractionation at high temperature

7．3．2 The diffusion-driven isotopic fractionation

7．3．3 The quantitative simulation of Li diffusion

7．4 The Li-rich influx with anomalous isotopic compositions

7．4．1 The low δ7Li influx

7．4．2 The recent high δ7Li influx

7．5 The anomalous Li isotopic domains in the mantle and their origins

7．5．1．The heavy Li domains in the mantle

7．5．2．The light Li domains in the mantle

7．6 The melt-rock interactions beneath the NCC

7．6．1 The melt-rock interactions and the re-fertilization

7．6．2 The Li enrichments and the water depletion

8 Conclusions

References

Related publications and manuscripts

Appendix