中国科学院海洋研究所机构知识库

板块构造对地幔不均一性和壳幔物质循环具有重要的作用，通过板块俯冲作用将地壳、沉积物、岩石圈地幔等带入深部地幔，然后通过俯冲板片脱水、熔融以及地幔柱等过程将深部物质输出到地表。研究俯冲板片对地幔组成和岩浆的物质贡献以及示踪壳幔物质循环，可以通过不同的研究途径，包括研究特定地质构造背景下样品的地球化学特征，这些化学特征记录了岩浆受到板块俯冲过程和深部地幔过程的影响，以及通过研究可以灵敏地指示壳幔物质循环的地球化学指标。

雷州半岛和海南岛（雷琼地区）位于中国大陆的最南端，处于欧亚板块、太平洋板块和印度洋板块的交界处，它经历了从特提斯洋到太平洋板块的复杂板块俯冲过程。同时，根据高分辨率地震层析图像，在雷琼地区下面存在一个热的地幔柱。雷琼地区出露大面积的新生代板内玄武岩，本文分析测定了雷琼玄武岩全岩主微量元素、Sr-Nd-Pb-Hf同位素以及高精度的橄榄石斑晶地球化学组成。该地区玄武岩的微量元素显示，海南岛玄武岩都呈现出典型的洋岛玄武岩（OIB型）地球化学特征。而雷州半岛的火山岩除了具有OIB型玄武岩，还出现了类似岛弧玄武岩（IAB型）以及洋岛玄武岩与岛弧玄武岩过渡型（OIB-IAB过渡型）的火山岩，这些玄武岩表现出明显的富集大离子亲石元素（如Ba, Pb），亏损高场强元素（Nb, Ta, Zr, Hf, Ti）的特征。研究对比了这些玄武岩和华南大陆岩石圈地幔的Sr-Nd-Pb-Hf同位素，结果表明与海南OIB型玄武岩和次大陆岩石圈地幔相比，雷州半岛IAB型岩石具有略富集的Sr-Nd-Pb-Hf放射性同位素组成。根据Nb/Nb*与Ce/Pb、Ba/Nb、Pb/Pb*和SiO₂的对比图，IAB型玄武岩可以由海南地幔柱与来自俯冲的组分两端元混合产生。IAB型玄武岩中的橄榄石斑晶显示出异常高的Ni、低的Ca和 Mn含量，该地球化学组成符合富辉石岩源区岩性的特征。我们认为这种具有岛弧特征的富辉石岩的地幔源区是由俯冲板块产生的含水富硅熔体与大陆岩石圈地幔相互作用形成的。这些IAB型火山岩记录了海南地幔柱引发的岛弧型岩石圈地幔的熔融过程。

前人根据放射性同位素(Sr-Nd-Pb-Hf)，发现地幔在不同尺度上具有不均一的地球化学特征。然而，地幔地球化学的不均一性成因一直是争论的焦点。这种地幔非均质性的一个潜在成因是俯冲到地幔中的古洋壳。利用主微量元素和放射性同位素示踪并识别岩浆中再循环的玄武质洋壳仍然是一个挑战。钡（Ba）在地壳中的含量远远高于地幔中的含量，特别是富集在低温蚀变的大洋玄武岩中。钡同位素在地表过程中会发生明显的分馏作用，但是在地幔熔融过程中可能存在很小的钡同位素分馏作用。因此，钡同位素可能为研究洋壳循环在地幔不均一性中的作用提供了新的视角。在本研究中，我们选取了太平洋新鲜的洋中脊玄武岩(N-MORB)、洋岛玄武岩(OIB)和低温蚀变的大洋玄武岩样品进行Ba同位素分析。结果表明，N-MORB样品具有较均一的δ¹³⁸/¹³⁴Ba值(相对于SRM 915a)，其平均为0.05 ± 0.02‰ (2SD, n = 7)。而蚀变玄武岩具有变化范围非常大的Ba同位素组成(δ¹³⁸/¹³⁴Ba = -0.34‰ ~ 0.20‰)，但是其Ba含量、Ba/Th和Ba/La比值与Ba同位素之间呈现很好的负相关性，其δ¹³⁸/¹³⁴Ba加权平均值(以Ba元素含量加权)为 -0.18 ± 0.02‰ (2SD, n = 20)。本研究认为在玄武岩与海水发生低温蚀变反应、生成次生矿物的过程发生了Ba同位素分馏作用，同时这一过程可能是海水的高的Ba同位素组成的一个重要来源。OIB的δ¹³⁸/¹³⁴Ba平均值为0.01 ± 0.03‰ (2SD, n = 8)，其介于N-MORB与蚀变玄武岩的Ba同位素值之间。我们认为具有较大变化的δ¹³⁸/¹³⁴Ba蚀变洋壳，其俯冲到地幔中具有在地幔中产生Ba同位素不均一性的巨大潜力。通过模拟计算，富集地幔储库中Ba同位素的变化可以由橄榄岩地幔中加入蚀变洋壳来解释。因此，Ba同位素可能是壳-幔物质循环的有效示踪剂。

本研究还测试了雷琼地区IAB型玄武岩的Ba同位素组成，结果显示其具有很低的Ba同位素，δ¹³⁸/¹³⁴Ba值为-0.40 ~ -0.01‰，并且其与Ba元素、Nb/Nb*、Ba/Nb以及Zr/Sm比值具有较好的相关性。结合之前的研究，这些微量元素比值反映了源区中俯冲物质加入的量，表明源区中加入俯冲物质的组分越多，其Ba同位素越低，讨论表明IAB型玄武岩低的Ba同位素是由源区中俯冲组分加入导致的。因此，利用Ba同位素可能很好地指示地幔中再循环地壳物质组分，对地幔不均一性的研究具有重要意义。

第一章 引言.... 1

1.1  研究背景... 1

1.1.1 板块俯冲带及俯冲隧道内的壳幔相互作用... 1

1.1.2 壳幔物质循环... 4

1.2 雷州半岛和海南岛及其周边新生代板内玄武岩... 5

1.3 钡同位素地球化学及研究进展... 11

1.3.1 钡同位素地球化学... 11

1.3.2 钡同位素研究进展... 13

1.4 主要开展的研究内容以及研究意义... 16

1.5 已完成的工作量... 17

第二章 地质背景.... 18

2.1 华南... 18

2.2 西太平洋... 20

第三章 分析方法.... 22

3.1 全岩主微量元素分析... 22

3.2 全岩Sr-Nd-Pb-Hf同位素分析... 24

3.3 橄榄石斑晶高精度电子探针分析... 25

3.4 钡同位素LA-ICPMS分析... 26

第四章 雷琼地区岛弧型板内玄武岩成因及其对华南岩石圈地幔演化的约束.... 28

4.1 引言... 28

4.2 地质背景及采样... 31

4.3 结果... 33

4.3.1 主微量元素结果.... 33

4.3.2 Sr-Nd-Pb-Hf同位素结果.... 37

4.3.3 高精度橄榄石地球化学结果.... 39

4.4 讨论... 40

4.4.1 地幔源区性质.... 40

4.4.2 识别IAB型地幔组成的来源.... 43

4.4.3 被俯冲交代的富辉石岩的大陆岩石圈地幔的熔融.... 48

4.4.4 华南大陆边缘板块俯冲的岩石学和地球化学记录.... 52

4.5结论... 54

第五章 利用钡同位素对洋壳在地幔中再循环的制约.... 56

5.1 引言... 56

5.2 研究样品的情况... 58

5.2.1 新鲜洋中脊玄武岩.... 59

5.2.2 新鲜板内玄武岩.... 60

5.2.3 低温蚀变洋壳火山岩.... 61

5.3 结果和讨论... 63

5.3.1 研究样品中钡和钡同位素的组成特征.... 64

5.3.2 钡同位素在洋壳低温蚀变过程中的分馏.... 66

5.3.3 对流地幔中富集端元的钡同位素的来源.... 69

5.3.4 钡同位素在全球海水演化中的意义及对壳幔循环的示踪... 71

5.4 结论... 72

第六章 利用钡同位素示踪雷琼地区岛弧型玄武岩源区中的俯冲物质.... 74

6.1 引言... 74

6.2 结果与讨论... 75

6.2.1 雷琼地区岛弧型玄武岩的Ba同位素组成特征.... 75

6.2.2 轻Ba同位素组成的来源.... 77

6.3 小结... 79

第七章 结论.... 80

参考文献.... 81

附表.... 107

致 谢.... 138

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果     140