中国东南新生代玄武岩地球化学研究：源区富集组分的来源

摘要

板内玄武岩的起源和成因已经持续争论了数十年，至今仍在不断引起地球化学家讨论与关注。板内玄武岩具有的富集地球化学特征往往被地球化学家和地幔源区中来自地球浅部圈层再循环物质联系起来。中国东部地区新生代广泛发育板内玄武岩，为研究再循环物质组分在大陆板内玄武岩源区的贡献，以及俯冲活动对板内玄武岩的影响提供了可能。当前已有的研究表明中国东部新生代玄武岩源区中富集组分的可能来自于:(1)俯冲板块中的再循环洋壳或者大洋沉积物;(2)中生代拆沉的加厚大陆下地壳/岩石圈地幔;(3)具有富集特征大陆岩石圈地幔。
　　中国东部地区自中生代以来经历了复杂的地质过程。中国东部地区自中生代以来经历了多期次的俯冲事件，地球物理地震图像表明俯冲的太平洋板块至今还滞留在地幔过渡带(MTZ)中，同时，地球物理地震图像证据也表明在长白山和海南岛地区可能存在有地幔柱结构。中国东部地区的复杂地质历史背景为研究不同地质背景下的玄武岩源区的差别提供了可能。中国东南沿海新生代板内玄武岩下部的三种不同地幔结构特征:地球物理地震图像表明中国东南沿海地区北部地区（浙江地区与江西地区）下的地幔过渡带里有滞留的太平洋俯冲板块存在;中部地区（福建与广东北部）的MTZ深度的地震波异常逐渐减弱直至消失;海南岛与雷州半岛有地幔柱结构存在。
　　水和Ce在岩浆和地幔矿物中的分配行为相近似，其比值在岩浆演化过程（部分熔融和分离结晶）中不会发生明显改变，同时，不同种类的再循环物质组分具有不同的H2O/Ce比值，并且区别于DMM的H2O/Ce比值。如果将玄武岩的H2O/Ce与Ba/Th、Nb/La、Ce/Pb等微量元素比值相结合，可以判断其地幔源区是否有再循环物质存在，以及源区再循环物质组的来源。同时，地表再循环物质大多经历过浅部的低温反应，通常具有与普通地幔迥异的氧同位素比值(δ18O)，以鉴别再循环物质存在与否。Liu et al.(2015 a和b)采用H2O/Ce和δ18O联合示踪的方法提示出华北克拉通的新生代玄武岩中再循环物质组份的存在。为了确定中国东南沿海地区新生代玄武岩中是否存在再循环物质及其来源，本文分析了采自中国东南沿海地区具有不同地质背景的新生代玄武岩的主微量元素组成、Sr-Nd-Pb放射性成因同位素组成、单斜辉石斑晶的水含量、主量元素组成、氧和Li同位素组成。随后，依据O'Leary et al.(2010)提出的单斜辉石斑晶成分与水分配系数关系的经验方程，由单斜辉石斑晶主量元素组成计算出水在单斜辉石斑晶与玄武岩熔体中的分配系数，进而反演出玄武岩浆的“原始”水含量，为中国东南沿海地区新生代玄武岩源区中富集组分的来源提出了新线索和制约:
　　(1)浙江新生代玄武岩水含量分布范围为1.3-2.6％，与岛弧玄武岩和弧后盆地玄武岩的水含量一致。浙江新生代玄武岩主要喷发于两个时代:20-27 Ma以及晚于11Ma。两个时期喷发的玄武岩具有迥异的地球化学特征。偏老的玄武岩采自于西垄(XL)地区，具有更高的碱含量、微量元素含量、La/Yb、Ce/Pb和Nb/La比值，更低的硅铝含量，以及H2O/Ce和Ba/Th比值。西垄玄武岩可以在蛛网图上的观察到强烈的K、Pb、Zr、Hf和Ti负异常，以及Nb(Ta)正异常。较年轻的新昌玄武岩(包括高坪(GP)和双彩(SC)两个地区）具有比西垄玄武岩低的碱含量、微量元素含量、La/Yb、Ce/Pb和Nb/La比值，更高的硅铝含量，以及更高的H2O/Ce和Ba/Th比值。Ba/La、H2O/Ce、Nb/La、Ce/Pb与Ba/Th之间协同的变化关系表明西垄新生代玄武岩源区除了亏损地幔以外还有再循环洋壳组分存在，新昌新生代玄武岩的源区除了DMM与再循环洋壳组分以外，还含有再循环大洋沉积物组分。再循环物质组分在浙江新生代玄武岩源区的连续变化表明在20-11Ma之间有新的再循环物质的持续供给与加入。华南自中生代以来只受西向的太平洋俯冲的影响，因此浙江新生代玄武岩源区连续加入的再循环物质组分只可能来源于滞留在地幔过渡带内的太平洋俯冲板块。
　　(2)福建新生代玄武质岩石喷发或侵位于17Ma之后，其微量元素组成与GP和SC的浙江玄武岩相类似。明溪(MX)和石衡(SH)玄武岩在蛛网图上具有明显的Th、U、Pb、K、Zr、Hf和Ti负异常，而白琳(BL)辉绿岩在蛛网图中不具有明显的K、Zr、Hf和Ti异常。与浙江玄武岩都具有高水含量特征不同，福建地区三个采样点的玄武质岩石水含量差异较大:SH玄武岩的水含量为1.3-2.4％; MX玄武岩的水含量为0.3-0.5％;BL地区的辉绿岩的由于单斜辉石中的H经历过扩散，其表观水含量为1.9％-2.1％。明溪新生代玄武岩的水含量明显低于其他浙江和福建地区的新生代玄武岩，表明水在上地幔的分布具有明显的不均一性。福建新生代玄武质岩石中的单斜辉石斑晶具有高于普通地幔的δ18O值，表明其源区有再循环物质组分的存在。最高的δ18O值出现在具有中等Si/Al和Ca/Al比值的单斜辉石斑晶中，表明多种含有不同比例再循环物质组分的岩浆后混合。福建玄武质岩石的H2O/Ce、Ba/La、Nb/La、Ce/Pb和Ba/Th之间协变关系，表明福建地区新生代玄武质岩石的源区同样存在再循环的大洋物质组分。尽管现存的地球物理学证据表明，MX和SH下并没有与滞留于MTZ的俯冲太平洋板片，但是这些再循环组分可能来自于已经下沉到下地幔的俯冲大洋板片在上幔的零星残留。如果考虑到福建玄武质岩石的放射成因同位素并非过于富集，这些“消失”的俯冲大洋板片的年龄不可能太老，太平洋俯冲的可能性依然最大。
　　(3)相对于浙江和福建新生代玄武岩，海南新生代玄武岩在微量元素蛛网图上表现出多种类型的OIB-like特征，包括类似HIMU和类似EM的特征，表明海南玄武岩的源区相对于浙江和福建新生代玄岩源区具有更大的不均一性和复杂性。相对MORB而言，海南新生代玄武岩具有更富集的Sr-Nd-Pb放射成因同位素特征和不同于典型地幔值(+5.7‰)的δ18O值，表明其源区存在有再循环物质。雷虎岭(LH)新生代玄武岩单斜辉石斑晶的Li同位素剖面分析结果表明其在结晶后经历了Li扩散，其与马鞍岭(ML)以及Sanjiaoyuan(SJY)近乎完全“干”的水含量特征并不是其源区的原始特征，而可能是单斜辉石斑晶结晶后H丢失的结果。在去掉受H丢失影响的样品后，LH，大洋(DY)和福基田(FJT)玄武岩水含量分别为2.7％、1.3％以及2.6％。LH玄武岩具有类似HIMU的微量元素特征、高δ18O、低Ba/Th与H2O/Ce比值表明其地幔源区存在再循环上部洋壳组分，少量的低δ18O单斜辉石斑晶表明除再循环部洋壳组分外，其源区可能还含有少量的再循环大洋下地壳的辉长岩组分。DY和FJT玄武岩的高Ba/Th、δ18O和H2O/Ce比值特征则表明其源区可能含有再循环的大洋洋壳和沉积物组分。
　　总的看来，具有不同地幔结构的中国东南沿海新生代玄武岩源区都有再循环的洋壳物质组分存在。中国东南沿海新生代玄武岩通常都具有与岛弧玄武岩和弧后盆地玄武岩相类似的高水含量，即使这些玄武岩具有不同的放射性成因Sr-Nd-Pb同位素比值和微量元素特征。放射性成因Sr-Nd-Pb同位素比值和微量元素的变化表明中国东南沿海不同地区的玄武岩的地幔源区中的再循环大洋物质组分组成不同，最有可能是受到了西向的俯冲的太平洋板块的影响。

目录

声明

Acknowledgements

Abstract

摘要

Catalogue

Chapter 1 Introduction

1．1．1 The source of intra-plate basalts

1．1．2 Cenozoic alkali basalt in SE China

1．2 H2O in nominally anhydrous minerals and basaltic magma

1．3 Lithium and Oxygen isotopes

1．3．1 Lithium isotopes

1．3．2 Oxygen isotopes

1．4 Objectives of this work

Chapter 2 Geological background and Samples

2．1 Basalt locations and Samples

2．1．1 Cenozoic alkali basalts in the Zhejiang region

2．1．2 Cenozoic alkali basalts and diabases in the Fujian region

2．1．3 Cenozoic basalts in the Hainan Island

Chapter 3 Analytical protocols

3．1 Sample preparations

3．2 Analytical protocols

3．2．1 Major and trace element concentrations of the bulk rocks

3．2．2 Sr-Nd-Pb isotopic compositions of the bulk rocks

3．2．3 Approaches to measure the water content of basalts

3．2．4 Chemical compositions of cpx phenocrysts by EPMA

3．2．5 In-situ Li and O isotopic analysis of cpx phenocrysts

Chapter 4 Calibration of matrix effect in Li isotope analysis of cpx by SIMS

4．1 Calibration of IMF by the composition of cpx

4．2 Applications of Li calibration

4．2．1 Li content and isotope results of cpx grains

4．2．2 Difference between the calibration of Mg# and Si

4．2．3 Discussion of the variation of Li content and Li isotope

4．2．4 Conclusion

Chapter 5 Continuous supply of recycled Pacific oceanic materials in the source of Cenozoic basalts in SE China：the Zhejiang case

5．1 Results

5．1．1 Bulk-rock major and trace elements

5．1．2 Sr-Nd-Pb isotopic compositions

5．1．3 Water content of cpx phenocrysts and equilibrated melts

5．2 Discussions

5．2．1 Source or processes?

5．2．2 H2O content in the initial magmas

5．2．3 Source lithology

5．2．4 Lithospheric or asthenospheric source?

5．2．5 Enriched components in mantle sources

5．2．6 Links between enriched components and Pacific subduction

5．3 Conclusions

Chapter 6 Geochemical heterogeneity in the source of Cenozoic basaltic rocks in the Fujian region

6．1．1 Bulk-rock major and trace elements

6．1．2 Sr-Nd-Pb isotopic compositions

6．1．3 Chemical and isotopic composition of cpx phenocrysts

6．2 Discussions

6．2．1 Crustal／peridotite assimilation and fractional crystallization

6．2．2 Variation of δ7Li and Li content

6．2．3 H2O content of initial magma

6．2．4 Origin of the oxygen isotopic anomaly

6．2．5 Mantle heterogeneity and recycled component

6．2．6 Implications for the mantle source

6．3 Conclusions

Chapter 7 Hainan basalts and the spatial chemical variation of Cenozoic basalts in East China

7．1 Results

7．1．1 Bulk-rock major and trace element compositions

7．1．2 Chemical and isotopic composition of cpx phenocrysts

7．2 Discussions

7．2．2 Water contents of the Hainan basalts

7．2．3 The abnormal Oxygen isotope in Hainan basalts

7．2．4 The recycled materials in Hainan basalts

7．3 The variation of geochemistry for Cenozoic basalts depended on latitude

7．4 Conclusions

Chapter 8 Conclusions

References

Published Papers