張慶霖, 任鐘元, 張 樂(lè), 張 磊

蒙古中部Tariat新生代玄武巖的地幔源區(qū)特征:橄欖石成分及Sr-Nd-Pb同位素證據(jù)

張慶霖1, 2, 任鐘元1*, 張 樂(lè)1, 張 磊1, 2

(1. 中國(guó)科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所, 同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510640; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

蒙古中部新生代玄武巖呈彌散狀廣泛分布, 然而有關(guān)該地區(qū)新生代玄武巖的研究十分有限。本文分析了蒙古中部Tariat地區(qū)新生代玄武巖中橄欖石斑晶的成分, 并結(jié)合新的全巖主量元素、微量元素、Sr-Nd-Pb同位素?cái)?shù)據(jù)以及前人報(bào)道的數(shù)據(jù), 探討蒙古中部新生代玄武巖的地幔源區(qū)特征。Tariat新生代玄武巖以堿性玄武巖為主, 微量元素蛛網(wǎng)圖上具有明顯Ba、K、Sr正異常, Th、U、Ti負(fù)異常, 無(wú)明顯Nb、Ta負(fù)異常, 顯示出與富集地幔(EM1)型洋島玄武巖(OIB)相似的特征。Tariat玄武巖的Sr-Nd-Pb同位素組成介于虧損地幔(DMM)與EM1組分之間。橄欖石成分表明Tariat玄武巖源區(qū)同時(shí)存在輝石巖和橄欖巖組分。Tariat玄武巖的87Sr/86Sr與CaO/Al2O3值、Nb/U與Ce/Pb值呈良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系,143Nd/144Nd與CaO/Al2O3值、Ba/Th以及206Pb/204Pb與Ba/La值呈良好的正相關(guān)關(guān)系, 說(shuō)明Tariat玄武巖的成分變化主要受控于DMM與EM1端元組分的混合作用, 其中DMM端元組分來(lái)源于含金云母的巖石圈地幔, 而EM1端元組分來(lái)源于再循環(huán)的洋殼輝長(zhǎng)巖與遠(yuǎn)洋沉積物混合, 玄武巖源區(qū)母巖中的輝石巖組分則是由再循環(huán)的洋殼物質(zhì)熔體交代地幔橄欖巖形成的二階段輝石巖。

新生代玄武巖; 橄欖石; 地球化學(xué)特征; 源區(qū)特征; 蒙古

0 引 言

作為地幔部分熔融的產(chǎn)物, 玄武質(zhì)巖漿形成的玄武質(zhì)巖石是研究地幔物質(zhì)組成的重要巖石探針之一(Hofmann and White, 1982; Zindler and Hart, 1986; Mckenzie and Bickle, 1988; Langmuir et al., 1992)。蒙古境內(nèi)新生代板內(nèi)玄武巖呈彌散狀廣泛分布, 然而有關(guān)該地區(qū)新生代玄武巖的成因研究十分有限(Windley and Allen, 1993; Yarmolyuk et al., 1996)。前人研究表明, 蒙古中部地區(qū)新生代玄武巖以堿性玄武巖為主, 其微量元素具有洋島玄武巖(OIB)的特征; Sr-Nd-Pb同位素組成顯示, 其中一個(gè)地幔端元組分靠近全硅酸鹽地球(BSE)或流行地幔(PREMA)端元, 另一個(gè)端元組分與富集地幔Ⅰ型(EM1)相似, 部分玄武巖的Sr-Nd同位素組成還顯示出富集地幔Ⅱ型(EM2)的特征(Barry and Kent, 1998; Barry et al., 2003; Kudryashova et al., 2010; Savatenkov et al., 2010; Hunt et al., 2012; Yarmolyuk et al., 2015)。然而有關(guān)該地區(qū)新生代玄武巖的源區(qū)母巖巖性以及源區(qū)富集組分來(lái)源仍然存在爭(zhēng)議: 源區(qū)母巖的巖性是石榴石橄欖巖(Barry et al., 2003; Kudryashova et al., 2010; Savatenkov et al., 2010; Hunt et al., 2012), 還是輝石巖(Savatenkov et al., 2010; Zhang et al., 2021)? 源區(qū)的富集組分來(lái)源于交代富集的巖石圈地幔(Barry et al., 2003; Hunt et al., 2012), 還是再循環(huán)的洋殼物質(zhì)(Savatenkov et al., 2010; Zhang et al., 2021)?

該區(qū)僅有的少量前人的研究工作都是基于全巖地球化學(xué)而開展的(Barry et al., 2003; Kudryashova et al., 2010; Savatenkov et al., 2010; Hunt et al., 2012; Yarmolyuk et al., 2015)。然而, 巖漿在形成和演化過(guò)程中會(huì)受到多種地質(zhì)過(guò)程(如巖漿混合、地殼混染)的影響, 成巖后可能遭受熱液作用和風(fēng)化蝕變的影響。因此, 全巖成分是多種地質(zhì)過(guò)程的綜合產(chǎn)物, 其攜帶的深部源區(qū)信息難以準(zhǔn)確識(shí)別(Kent, 2008; 任鐘元等, 2018)。相對(duì)于全巖而言, 橄欖石是鎂鐵質(zhì)巖漿中最早結(jié)晶的硅酸鹽礦物, 未蝕變的橄欖石記錄了原始巖漿的性質(zhì)以及巖漿演化過(guò)程的信息。最近的研究表明, 橄欖石的化學(xué)成分是區(qū)分玄武質(zhì)巖漿源區(qū)母巖成分的良好指示劑(Sobolev et al., 2005, 2007)。因此, 本文選取蒙古中部Tariat新生代玄武巖為研究對(duì)象, 分析了玄武巖中橄欖石的成分、全巖主量元素、微量元素以及Sr-Nd-Pb同位素, 并總結(jié)前人研究數(shù)據(jù), 來(lái)探討其源區(qū)母巖的巖性以及富集地幔組分的來(lái)源。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景及樣品特征

蒙古地處中亞造山帶中段, 北鄰西伯利亞板塊, 南側(cè)與華北克拉通和塔里木板塊相接, 位于蒙古–鄂霍次克縫合帶的西緣(Yarmolyuk et al., 1996, 2015; Fritzell et al., 2016)。蒙古境內(nèi)新生代板內(nèi)火山作用表現(xiàn)為許多小規(guī)模的玄武質(zhì)火山錐和熔巖(30 Ma～5 ka)的噴發(fā)(圖1), 主要分布在北部Khubsugul、中部Khangai、南部Gobi和東部Darignaga 4個(gè)區(qū)域(Yarmolyuk et al., 1996; Barry and Kent, 1998)。Tariat玄武巖(6 Ma～5 ka)位于蒙古中部的Khangai地區(qū)(Barry et al., 2003; Yarmolyuk et al., 2015; Ancuta, 2017)。Khangai地區(qū)是一個(gè)面積約2×105km2的穹窿區(qū)域。最近的研究認(rèn)為, Khangai穹窿的抬升始于晚中生代(McDannell et al., 2018)。Khangai地區(qū)最高海拔接近4000 m, 平均海拔約2000 m(Windley and Allen, 1993; Walker et al., 2007)。前寒武紀(jì)片麻巖和片巖在中生代期間堆積增生, 形成Khangai穹窿的基底, 上覆厚的古生代濁積扇序列, 基底被寒武紀(jì)花崗巖侵入(Hunt et al., 2012)。地球物理研究表明, 該地區(qū)地殼厚度約為50 km, 巖石圈厚度可能為70～ 80 km, 最厚的地區(qū)超過(guò)了100 km(Petit et al., 2002)。

本次研究在Tariat地區(qū)共采集新生代玄武巖樣品10件。玄武巖樣品以塊狀構(gòu)造和斑狀結(jié)構(gòu)為主(圖2)。斑晶主要為橄欖石, 呈它形–自形粒狀結(jié)構(gòu), 大小為0.5～2 mm, 含量為5%～10%, 少數(shù)橄欖石邊緣發(fā)生輕微伊丁石化蝕變, 部分橄欖石為地幔捕虜晶, 呈它形。部分樣品除具有橄欖石斑晶外, 還可見少量單斜輝石, 含量小于5%, 直徑約1 mm, 呈半自形–自形粒狀結(jié)構(gòu), 可見環(huán)帶結(jié)構(gòu), 說(shuō)明巖漿的演化過(guò)程中可能存在混合作用(Guo et al., 2007)。個(gè)別樣品還可見斜長(zhǎng)石斑晶?；|(zhì)以間粒–間隱結(jié)構(gòu)為主, 少部分為間隱結(jié)構(gòu), 由斜長(zhǎng)石、橄欖石、輝石、磁鐵礦和火山玻璃等組成。少數(shù)玄武巖樣品中有橄欖巖地幔包體。

2 分析方法

切除樣品中地幔包體部分, 將樣品切成厚度約為1 cm的板片狀, 選取新鮮巖石板片, 碎成厘米級(jí)大小, 選取其中新鮮的小碎塊, 利用碎樣機(jī)粗碎成幾毫米大小。將挑選好的樣品裝在燒杯中用超純水清洗, 并置于超聲波清洗槽中超聲20 min, 反復(fù)3次。將洗好的巖石碎塊置于加熱板上烘干, 用三頭瑪瑙研磨儀研磨成200目的粉末。挑選剩余的巖石板片粉碎成毫米大小, 挑撿出橄欖石顆粒備用。

全巖主量元素分析是在中山大學(xué)廣東省地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源探查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 利用高分辨率X熒光光譜分析儀(XRF)進(jìn)行的, 分析方法參見Goto and Tatsumi (1996)。SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、Na2O和K2O分析精度優(yōu)于3%; TiO2、MnO和P2O5優(yōu)于5%。全巖微量元素、全巖Sr-Nd-Pb-Hf同位素和橄欖石成分分析在中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。全巖微量元素分析采用酸溶法, 分析儀器是iCap Qc ICP-MS, 實(shí)驗(yàn)過(guò)程詳見劉穎等(1996)。大部分微量元素的分析精度優(yōu)于5%。根據(jù)微量元素含量, 稱量90～160 mg全巖粉末置于Teflon杯中溶解, 進(jìn)行全巖Sr-Nd-Pb同位素分離。采用HF-HNO3混合酸, 搖勻后置于加熱板上在120 ℃條件下保溫7天。待樣品完全溶解后, 置于120 ℃的加熱板上蒸干, 蒸干后再次加入1 mL濃HNO3進(jìn)行二次蒸干。隨后加入1 mL HCl(6 mol/L)置于加熱板上繼續(xù)保溫4 h以上后蒸干。將再次蒸干后的樣品加入1 mL HBr(1mol/L)繼續(xù)蒸干, 然后用移液槍準(zhǔn)確加入1 mL HBr(1mol/L)室溫保溫4 h, 依次進(jìn)行Pb、Sr、Nd元素的分離。Sr-Nd-Pb同位素的測(cè)試在Neptune-plus多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(MC-ICP-MS)上完成。本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中, 每測(cè)6個(gè)樣品后, 測(cè)定一次國(guó)際標(biāo)樣, 以監(jiān)測(cè)儀器的運(yùn)行狀態(tài)。Sr、Nd和Pb同位素分別用國(guó)際標(biāo)樣NBS987、JNdi-1和NBS981進(jìn)行監(jiān)控, Sr和Nd同位素實(shí)驗(yàn)精度分別優(yōu)于0.004%和0.001%,206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb的實(shí)驗(yàn)精度分別優(yōu)于0.1%、0.1%和0.2%。

圖1 蒙古新生代玄武巖分布圖(據(jù)Barry and Kent, 1998)

圖2 Tariat新生代玄武巖顯微照片

橄欖石元素分析采用RESOlution M-50激光剝蝕系統(tǒng)與ELEMENT XR高分辨電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-SF-MS)聯(lián)機(jī)測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中, 激光光束直徑為60 μm, 頻率為6 Hz, 能量密度約為4 J/cm2。每一個(gè)點(diǎn)分析包括20 s的背景采集和30 s的樣品剝蝕。使用國(guó)際標(biāo)樣BCR-2G、BHVO-2G和GSD-1G作為外標(biāo)校正樣品的元素含量。使用玻璃標(biāo)樣TB-1G作為監(jiān)控標(biāo)樣。TB-1G的測(cè)試結(jié)果顯示SiO2、FeO、MnO、MgO、CaO的測(cè)試精度好于3%, NiO的測(cè)試精度好于5%。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程見Zhang et al. (2019)。

3 分析結(jié)果

3.1 主量元素

Tariat新生代玄武巖的主量元素分析結(jié)果列于表1。其中SiO2含量為48.49%～51.88%, MgO含量為6.96%～9.80%, Na2O+K2O值為5.71%～7.12%, 玄武巖的燒失量(LOI)均小于1%。在TAS圖解(圖3)上, Tariat玄武巖以堿性玄武巖為主, 少數(shù)為亞堿性玄武巖, SiO2與Na2O+K2O呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。結(jié)合前人的研究數(shù)據(jù), Tariat玄武巖的SiO2、Al2O3與MgO呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, CaO/Al2O3、Sc與MgO呈正相關(guān)關(guān)系(圖4)。

表1 蒙古中部Tariat新生代玄武巖主量元素(%)、微量元素(μg/g)以及Sr-Nd-Pb同位素分析結(jié)果

續(xù)表1:

注: SE. 標(biāo)準(zhǔn)誤差。

Tariat文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來(lái)自Barry et al., 2003; Savatenkov et al., 2010; Hunt et al., 2012; Yarmolyuk et al., 2015; Chuvashova et al., 2019。底圖據(jù)Le Bas et al., 1986。

3.2 微量元素

Tariat新生代玄武巖的微量元素分析結(jié)果列于表1。Tariat玄武巖的∑REE含量為123～209 μg/g, 平均值為152 μg/g, LREE/HREE比值為7.89～12.0, (La/Yb)N值為13.0～23.9, 玄武巖的輕稀土元素相對(duì)富集, 虧損重稀土元素, 呈現(xiàn)右傾的配分特征。原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(圖5)顯示, 微量元素特征整體與EM1型OIB相似, 呈現(xiàn)明顯的Ba、K、Sr正異常, 無(wú)明顯的Nb、Ta負(fù)異常, 具有Th、U、Pb、Ti負(fù)異常, 部分玄武巖還顯示出Pb正異常。

3.3 Sr-Nd-Pb同位素

本文分析了8個(gè)Tariat新生代玄武巖的Sr-Nd-Pb同位素(表1), 其中87Sr/86Sr為0.704387～0.704746,143Nd/144Nd為0.512537～0.512697,Nd為?1.96～1.07。結(jié)合前人研究數(shù)據(jù), Sr-Nd同位素圖解(圖6a)顯示, Tariat玄武巖落在EM1型的Pitcarin洋島玄武巖的區(qū)域內(nèi)。Tariat地幔捕虜體的Sr-Nd同位素組成比Tariat玄武巖更加虧損, 而Tariat地殼捕虜體具有更高的87Sr/86Sr、更低的143Nd/144Nd值, 相對(duì)Tariat玄武巖更加富集。本次分析的Tariat玄武巖樣品的206Pb/204Pb為17.223～17.838,207Pb/204Pb為15.490～ 15.512,208Pb/204Pb為37.354～37.803。207Pb/204Pb與206Pb/204Pb、208Pb/204Pb與206Pb/204Pb的關(guān)系圖(圖6c、d)顯示, Tariat玄武巖位于北半球參考線(NHRL)之上、虧損的洋中脊地幔(DMM)和EM1組分之間。相比Pitcarin洋島玄武巖, Tariat玄武巖具有更低的206Pb/204Pb、208Pb/204Pb值, 并未顯示出EM2組分的Pb同位素特征。此外, Tariat玄武巖的143Nd/144Nd與206Pb/204Pb值呈正相關(guān)關(guān)系, 并且靠近EM1端元(圖6b)。

圖4 Tariat新生代玄武巖SiO2(a)、Al2O3(b)、CaO/Al2O3(c)、Sc(d)與MgO關(guān)系圖解

原始地幔據(jù)McDonough and Sun, 1995; EM1(Gough)、HIMU(高U/Pb地幔)據(jù)Willbold and Stracke, 2006; CC(大陸地殼)據(jù)Rudnick and Gao, 2003。

3.4 橄欖石成分

本文挑選了4個(gè)Tariat玄武巖樣品, 對(duì)其中的橄欖石斑晶進(jìn)行主要和次要元素測(cè)試, 共計(jì)159個(gè)。測(cè)試結(jié)果見表2。橄欖石的Fo為73.42～82.43, CaO含量為0.14%～0.26%(圖7a), 均大于典型的地幔捕虜晶(CaO<0.1%), 結(jié)合顯微鏡下觀察到自形橄欖石晶體, 說(shuō)明所測(cè)試的橄欖石均為巖漿成因(Thompson and Gibson, 2000)。玄武巖中橄欖石斑晶的Fo與全巖的Mg#相平衡(圖7b), 同樣指示了所測(cè)試的橄欖石斑晶均為巖漿成因, 而不是地幔捕虜晶。橄欖石的Ni含量為710～2278 μg/g, 與Fo呈正相關(guān)(圖8c), Mn含量與Fo呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖8b), Fe/Mn值為60.40～80.59(圖8d)。

4 討 論

由于玄武質(zhì)巖漿在上升過(guò)程以及噴出地表后, 可能會(huì)經(jīng)歷后期蝕變、地殼混染、分離結(jié)晶等作用, 在進(jìn)一步討論全巖地球化學(xué)特征之前, 首先需要判斷這些作用對(duì)玄武巖成分變化的影響。

DMM、EM1、EM2、HIMU據(jù)Zindler and Hart, 1986; Pitcarin據(jù)Woodhead and Devey, 1993; Eisele et al., 2002; Somoa據(jù)Workman et al., 2004; Salters et al., 2011; Tariat地殼捕虜體據(jù)Barry et al., 2003; Ancuta, 2017; Tariat地幔捕虜體據(jù)Stosch et al., 1986; Ionov et al., 1994; Carlson and Ionov, 2019。

表2 蒙古中部Tariat新生代玄武巖橄欖石斑晶分析結(jié)果

續(xù)表2:

續(xù)表2:

續(xù)表2:

圖7 Tariat新生代玄武巖中橄欖石CaO(a,底圖據(jù)Thompson and Gibson, 2000)、全巖Mg#(b,底圖據(jù)Roeder and Emslie, 1970)與Fo關(guān)系圖

4.1 巖漿期后蝕變作用

巖相學(xué)觀察顯示, 偶見橄欖石邊緣有微弱的伊丁石化現(xiàn)象, Tariat玄武巖樣品的LOI均小于1%, 表明Tariat玄武巖樣品新鮮, 蝕變作用微弱。此外, 玄武巖的活動(dòng)性元素(Ba、Th、Sr、Pb等元素)和非活動(dòng)性元素(Zr)的相關(guān)性良好(圖9), 同樣表明巖漿期后的低溫蝕變作用對(duì)玄武巖的成分無(wú)明顯影響。

4.2 地殼混染

大陸中、上地殼強(qiáng)烈富集Ba、Th、U、Pb等大離子親石元素, 虧損Nb、Ta等高場(chǎng)強(qiáng)元素(Rudnick and Gao, 2003)。Tariat玄武巖的SiO2與Th(U、La) 等不相容元素呈良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖10a), 絕大部分玄武巖的Nb/U值落在大洋玄武巖(OIB&MORB, Nb/U=47±7)區(qū)域之內(nèi)或上方(圖10b)。Tariat玄武巖還具有Th、U、Pb負(fù)異常, 無(wú)明顯Nb、Ta負(fù)異常(圖5),因此可以排除玄武巖遭受了中、上地殼的混染作用。Tariat玄武巖的Nb/U、Ce/Pb值分別與87Sr/86Sr值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(除了兩個(gè)玄武巖具有較高的87Sr/86Sr), 相對(duì)高的87Sr/86Sr值對(duì)應(yīng)低的Nb/U與Ce/Pb值, 大部分玄武巖的Ce/Pb值低于大洋玄武巖(OIB&MORB, Ce/Pb=25±5)的平均值, 暗示玄武巖在形成過(guò)程中存在大陸地殼物質(zhì)的加入(圖10c、d、11d; Hofmann et al., 1986)。

Hawaii、MORB及科馬提巖據(jù)Sobolev et al. (2007); 底圖據(jù)Herzberg (2011)。

圖9 Tariat新生代玄武巖Ba、Th、Sr、Pb與Zr關(guān)系圖

然而源區(qū)中再循環(huán)大陸地殼物質(zhì)的加入或者上升過(guò)程中大陸下地殼的混染都可以導(dǎo)致玄武巖具有上述特征。以下證據(jù)可以排除Tariat玄武巖在上升過(guò)程中遭受大陸下地殼的混染作用。Tariat新生代玄武巖中多見有地幔橄欖巖捕虜體, 說(shuō)明玄武質(zhì)巖漿上升的速度較快, 受到地殼物質(zhì)強(qiáng)烈混染的可能性較小(Stosch et al., 1986; Ionov et al., 1994; Barry et al., 2003; Ancuta, 2017; Carlson and Ionov, 2019)。前人報(bào)道了Tariat地區(qū)地殼捕虜體的Sr-Nd-Pb同位素組成(圖6), 巖性以下地殼的二輝麻粒巖為主, 兩個(gè)中地殼捕虜體(長(zhǎng)英質(zhì)麻粒巖、片麻巖)具有相對(duì)高的87Sr/86Sr與放射性Pb同位素組成(Barry et al., 2003; Ancuta, 2017)。相比Tariat下地殼捕虜體, Tariat玄武巖具有更低的87Sr/86Sr值、更高的143Nd/144Nd、206Pb/204Pb值(圖6a、b),143Nd/144Nd-206Pb/204Pb關(guān)系圖顯示, Tariat玄武巖落在地殼捕虜體區(qū)域之外。此外, Tariat下地殼捕虜體的Ce/Pb平均值為4.72, 與大陸下地殼(Ce/Pb值為5.00)、低Ce/Pb值的Tariat玄武巖(Ce/Pb值最低為5.93)相近。但是Tariat下地殼捕虜體的Ba含量(616～1601 μg/g, 平均值為1151 μg/g)及Ba/Th值(100～10266 μg/g, 平均值為4979 μg/g)遠(yuǎn)高于Tariat玄武巖(Ba: 350～880 μg/g; Ba/Th: 63.0～239 μg/g) (Rudnick and Gao, 2003; Ancuta, 2017)。如果Tariat玄武巖在噴出地表過(guò)程中遭受大陸下地殼的混染, 那么玄武巖除了具有低的Ce/Pb值之外, 還應(yīng)具有Tariat下地殼捕虜體的高Ba特征, 這與Tariat玄武巖的Ba含量以及Ba/Th值不一致。綜上, 本文認(rèn)為Tariat玄武質(zhì)巖漿在上升過(guò)程中沒(méi)有遭受明顯的大陸下地殼混染, 玄武巖中低的Nb/U與Ce/Pb值是繼承了其地幔源區(qū)的特征。

UCC. 大陸上地殼; MCC. 大陸中地殼; LCC. 大陸下地殼(Rudnick and Gao, 2003); OIB&MORB區(qū)域引自Hofmann et al., 1986。

大陸下地殼據(jù)Rudnick and Gao, 2003; HIMU、EM1據(jù)Willbold and Stracke, 2010; 洋殼輝長(zhǎng)巖據(jù)Hart et al., 1999; 全洋殼據(jù)Stracke et al., 2003; 遠(yuǎn)洋黏土據(jù)Plank and Langmuir, 1998; GLOSS-II據(jù)Plank, 2014。

4.3 結(jié)晶分離作用

巖相學(xué)觀察顯示Tariat玄武巖樣品常見橄欖石、單斜輝石斑晶, 而斜長(zhǎng)石多以微晶形式出現(xiàn), 斑晶極少。Tariat玄武巖的CaO/Al2O3值與MgO含量呈正相關(guān)關(guān)系, SiO2、Al2O3與MgO含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 表明玄武質(zhì)巖漿經(jīng)歷了橄欖石和單斜輝石的分離結(jié)晶(圖4)。Sc相對(duì)單斜輝石是相容的, Tariat玄武巖的Sc與MgO呈正相關(guān), 同樣說(shuō)明玄武巖質(zhì)巖漿經(jīng)歷了單斜輝石的分離結(jié)晶(圖4)。微量元素蛛網(wǎng)圖顯示Sr正異常以及Eu沒(méi)有明顯的負(fù)異常(圖5), 說(shuō)明斜長(zhǎng)石的分離結(jié)晶作用不明顯, 與巖相學(xué)觀察一致。如果巖漿的成分僅受控于橄欖石(+單斜輝石)的分離結(jié)晶作用, 那么SiO2與Na2O+K2O、Th應(yīng)該呈正相關(guān)關(guān)系, 而Tariat玄武巖SiO2與Na2O+K2O、Th呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖2、10a)。因此, 本文認(rèn)為Tariat玄武巖的成分變化除了受橄欖石和單斜輝石的分離結(jié)晶作用影響, 還受控于部分熔融作用或者地幔源區(qū)成分。

4.4 源區(qū)母巖及殘留礦物

橄欖石是玄武質(zhì)巖漿中最早結(jié)晶的硅酸鹽礦物, 它保留了巖漿演化早期的特征, 橄欖石斑晶的地球化學(xué)組成可以用來(lái)推測(cè)巖漿源區(qū)巖性的組成差異(Sobolev et al., 2007; Herzberg, 2011; Herzberg et al., 2014; Liu et al., 2015; Ren et al., 2017; Pang et al., 2019)。由于地幔中的礦物主要為橄欖石、輝石和石榴石, 其中橄欖石和單斜輝石分別是橄欖巖和輝石巖中最主要的礦物。而橄欖石、單斜輝石礦物–熔體間Ni、Ca、Mn的分配系數(shù)不同, 導(dǎo)致橄欖巖與輝石巖發(fā)生部分熔融時(shí)產(chǎn)生的熔體中結(jié)晶的橄欖石具有不同的Ca、Ni、Mn含量和Fe/Mn值(Sobolev et al., 2005, 2007; Herzberg, 2011)。研究結(jié)果顯示, 與源區(qū)母巖為橄欖巖的熔體中結(jié)晶的橄欖石相比, 輝石巖熔體中結(jié)晶的橄欖石, 具有更高Ni含量、Fe/Mn值, 更低Ca、Mn含量的特征(Sobolev et al., 2005, 2007; Herzberg, 2011)。此外, 當(dāng)巖漿發(fā)生單斜輝石結(jié)晶分離時(shí), 殘余熔體會(huì)更加富集Ni, 虧損Ca、Mn, 與其同時(shí)或之后結(jié)晶的橄欖石會(huì)具有更低的Ca、Mn含量(Herzberg, 2011)。因此, 在討論源區(qū)巖性的時(shí)候, 還要考慮單斜輝石分離結(jié)晶的影響。Tairat玄武巖中橄欖石的Fo與Ca無(wú)明顯相關(guān)性, Fo與Mn呈良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖8a、b), 結(jié)合巖相學(xué)觀察到的玄武巖中單斜輝石斑晶含量較低(絕大部分樣品中小于3%), 本文認(rèn)為橄欖石成分受單斜輝石結(jié)晶分離的影響非常有限, 可以較好地反映源區(qū)巖性的特征。

相同F(xiàn)o下, Tariat玄武巖橄欖石的Ni、Mn含量及Fe/Mn值介于橄欖巖熔體(MORB)結(jié)晶的橄欖石與夏威夷(Hawaii)玄武巖的橄欖石之間, Tariat玄武巖橄欖石的Ca含量與夏威夷玄武巖的橄欖石相似(圖8)。Mn/Fe和Ni/(Mg/Fe)值受到分離結(jié)晶作用的影響較小, 這兩個(gè)參數(shù)可以用來(lái)反映源區(qū)巖性的差異性(Sobolev et al., 2005)。100Mn/Fe和Ni/(Mg/Fe)/ 1000關(guān)系圖顯示(圖12), Tariat玄武巖橄欖石的成分落在輝石巖成分與橄欖巖成分區(qū)域之間。因此, 本文認(rèn)為Tariat玄武巖的源區(qū)母巖為橄欖巖與輝石巖的混合。而Tariat玄武巖的輕稀土元素相對(duì)于重稀土元素富集, 相對(duì)于Gd、La, 石榴石強(qiáng)烈富集重稀土Yb(Pilet et al., 2008), Tariat玄武巖的(Gd/Yb)N均大于1, 且與(La/Yb)N呈正相關(guān)關(guān)系(圖13), 說(shuō)明源區(qū)存在石榴石的殘留。

圖12 Tariat新生代玄武巖中橄欖石Ni/(Mg/Fe)/1000- 100Mn/Fe關(guān)系圖(據(jù)Sobolev et al., 2007)

圖13 Tariat新生代玄武巖(Gd/Yb)N-(La/Yb)N關(guān)系圖

4.5 地幔源區(qū)特征

在玄武質(zhì)巖漿形成過(guò)程中, 微量元素的變化除了受到不同源區(qū)物質(zhì)的影響之外, 還受到部分熔融和分離結(jié)晶作用的影響, 而同位素比值的變化僅取決于源區(qū)中不同組分的貢獻(xiàn), 因此對(duì)結(jié)晶分異或部分熔融作用不敏感的微量元素比值和同位素比值之間的變化關(guān)系能夠反映玄武巖源區(qū)的特征(Hofmann, 1997; Willbold and Stracke, 2006)。Tariat玄武巖的87Sr/86Sr與CaO/Al2O3、Nb/U、Ce/Pb呈良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系(除了兩個(gè)玄武巖具有較高的87Sr/86Sr值; 圖10d、11a、d),143Nd/144Nd與CaO/Al2O3、Ba/Th值呈正相關(guān)關(guān)系(圖11b、h),206Pb/204Pb與Ba/La值呈良好的正相關(guān)關(guān)系(圖11f)。結(jié)合Sr-Nd-Pb同位素組成(圖6), 本文認(rèn)為Tariat玄武巖的成分變化主要受控于DMM與EM1地幔端元組分的混合作用。其中靠近DMM端元的玄武巖具有較高的CaO/Al2O3、Ce/Pb、Nb/U、Ba/Th、Ba/La值, 而靠近EM1地幔端元的玄武巖則具有較低的CaO/ Al2O3、Ce/Pb、Nb/U、Ba/Th、Ba/La值。

靠近DMM端元玄武巖的Nb/U和Ba/La值明顯高于典型的EM1型洋島玄武巖(圖11c、e), 而地幔橄欖巖的部分熔融并不能形成具有如此高Nb/U和Ba/La值的熔體(Workman and Hart, 2005; Willbold and Stracke, 2010)。前人研究發(fā)現(xiàn)Tariat玄武巖中的橄欖巖包體中含有金云母或角閃石(Stosch et al., 1986; Ionov et al., 1995)。由于Ba和Nb在金云母或角閃石中都是相容元素, 含金云母或角閃石的巖石圈地幔橄欖巖發(fā)生部分熔融, 并且金云母或角閃石在熔融過(guò)程中被消耗殆盡, 那么形成的熔體將會(huì)富集Ba和Nb, 具有高的Nb/U和Ba/La值(Ionov et al., 1995; Tiepolo et al., 2000)。Tariat玄武巖的地幔源區(qū)存在石榴石, 而角閃石在石榴石穩(wěn)定的源區(qū)(>2～2.5 GPa)是不穩(wěn)定的, 因此Tariat玄武巖的地幔源區(qū)不含角閃石(Willbold and Stracke, 2006)。此外, 玄武巖的富集K和Rb的特征與金云母地球化學(xué)特征吻合(Ionov et al., 1995; Tiepolo et al., 2000)。因此本文認(rèn)為Tariat玄武巖的DMM組分特征來(lái)源于含金云母的巖石圈地幔。

前人的研究提出, EM1組分存在以下幾種成因方式: ①再循環(huán)的洋殼物質(zhì)(Hofmann and White, 1982; Weaver, 1991; Willbold and Stracke, 2006; Chauvel et al., 2008); ②再循環(huán)的大陸下地殼(Gao et al., 2004, 2008; Willbold and Stracke, 2006; Zeng et al., 2011); ③交代富集的巖石圈地幔(Halliday et al., 1995; Niu and O’Hara, 2003; Pilet et al., 2008; Turner et al., 2017);④碳酸鹽化地幔(Bizimis et al., 2003; Dasgupta et al., 2007; Li et al., 2016; Wang et al., 2018)。

富集的巖石圈地幔: Tariat新生代玄武巖中攜帶有地幔捕虜體, 目前該地區(qū)報(bào)道的地幔捕虜體巖性以橄欖巖為主, 地幔捕虜體的Sr-Nd同位素組成相對(duì)于Tariat玄武巖更加虧損(圖6a; Stosch et al., 1986; Ionov et al., 1994; Carlson and Ionov, 2019)。僅Carlson and Ionov (2019)發(fā)現(xiàn)Tariat玄武巖攜帶的二輝橄欖巖捕虜體中存在輝石巖脈, 該輝石巖脈同樣具有相對(duì)低的87Sr/86Sr值(0.702474)和高的143Nd/144Nd 值(0.513048), 與橄欖巖捕虜體同位素組成相似, 所以本文認(rèn)為巖石圈地幔并不適合作為Tariat玄武巖源區(qū)中EM1成分的主要來(lái)源。

碳酸鹽化地幔: 研究表明, 碳酸鹽化地幔通常具有K、Pb、Zr、Hf、Ti負(fù)異常和高的Ce/Pb、CaO/Al2O3、Zr/Hf值(Bizimis et al., 2003; Dasgupta et al., 2007)。然而Tariat玄武巖的87Sr/86Sr同位素與Ce/Pb、CaO/Al2O3值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖10d、11a), 表明EM1富集組分具有相對(duì)低的Ce/Pb、CaO/Al2O3值, 且Tariat玄武巖呈明顯的K正異常, 不具有Zr、Hf負(fù)異常(圖5)。因此可以排除碳酸鹽化地幔作為Tariat玄武巖源區(qū)中EM1成分的主要來(lái)源。

再循環(huán)的洋殼物質(zhì)或再循環(huán)的大陸下地殼: 上文通過(guò)橄欖石成分識(shí)別出源區(qū)母巖中存在輝石巖成分。而輝石巖成分可以是由陸殼或者洋殼物質(zhì)直接變質(zhì)形成的榴輝巖(Pertermann et al., 2003), 或者來(lái)自俯沖洋殼的富SiO2熔體或流體交代地幔橄欖巖形成的斜方輝石巖(Straub et al., 2008), 或者由再循環(huán)的大陸下地殼或洋殼熔體與周圍的橄欖巖反應(yīng)形成的二階段輝石巖(Sobolev et al., 2005; Ren et al., 2017)。由于前兩種成因的輝石巖熔融形成的熔體分別是英安質(zhì)熔體與Nb、Ta虧損的亞堿性熔體, 而Tariat玄武巖幾乎都是堿性玄武巖, 且Nb、Ta無(wú)明顯負(fù)異常, 所以本文認(rèn)為Tariat玄武巖的源區(qū)母巖中的輝石巖成分來(lái)源于再循環(huán)的大陸下地殼或洋殼熔體與周圍的橄欖巖反應(yīng)形成的二階段輝石巖。上文已經(jīng)排除巖漿上升過(guò)程中大陸地殼的同化混染影響, 說(shuō)明Tariat玄武巖低的Nb/U、Ce/Pb值是繼承了地幔源區(qū)的特征。靠近EM1端元玄武巖的Nb/U、Ce/Pb值接近大陸下地殼的值, 但是Ba/Th值明顯低于大陸下地殼(圖10b、11g; Rudnick and Gao, 2003)。如果EM1組分來(lái)源于再循環(huán)的大陸下地殼物質(zhì), 則需要高比例的下地殼物質(zhì)參與才能形成Tairat玄武巖低Nb/U和Ce/Pb值的特征, 而高比例的下地殼物質(zhì)參與會(huì)明顯提高玄武巖的Ba/Th值, 使之接近大陸下地殼的Ba/Th值(Rudnick and Gao, 2003)。但是靠近EM1端元的玄武巖明顯低于大陸下地殼的Ba/Th值, 因此可以排除再循環(huán)的下地殼物質(zhì)作為EM1組分的來(lái)源(圖11g)。

已有的研究表明再循環(huán)的洋殼和少量的古老遠(yuǎn)洋沉積物的混合可以形成EM1組分特征(Hofmann and White, 1982; Weaver, 1991; Willbold and Stracke, 2006; Chauvel et al., 2008)。Tariat玄武巖顯示出微弱的Eu正異常(Eu/Eu*=EuN/(SmN×GdN)0.5=1.05±0.02)以及明顯的Sr正異常(Sr/Sr*=SrN/(PrN×NdN)0.5=1.40±0.08),暗示巖漿源區(qū)可能存在輝長(zhǎng)巖組分或巖漿演化過(guò)程中發(fā)生了斜長(zhǎng)石的堆晶作用(McDonough and Sun, 1995; Hofmann, 1997; Wu et al., 2019)。由于Tariat玄武巖形成過(guò)程中斜長(zhǎng)石的分離結(jié)晶作用微弱, 且玄武巖樣品中斜長(zhǎng)石斑晶含量極少, 說(shuō)明Tariat玄武巖Sr和Eu正異常特征并非是斜長(zhǎng)石的堆晶作用導(dǎo)致的, 更有可能與巖漿源區(qū)存在輝長(zhǎng)巖組分相關(guān)。遠(yuǎn)洋黏土的Ce/Pb、Nb/U值略低于大陸下地殼物質(zhì), Ba/Th值明顯低于大陸下地殼, 洋殼輝長(zhǎng)巖與遠(yuǎn)洋黏土的混合可以很好地解釋玄武巖低的Ce/Pb、Nb/U和Ba/Th值(圖11g; Rudnick and Gao, 2003; Sobolev et al., 2005; Wu et al., 2019)。并且靠近EM1端元的玄武巖具有低的Ba/La、Ba/Nb值, 與HIMU型玄武巖相似(圖11e), 而HIMU型玄武巖的成因被認(rèn)為與源區(qū)存在再循環(huán)的洋殼物質(zhì)密切相關(guān)(Hart et al., 1999; Stracke et al., 2003; Willbold and Stracke, 2006; Wu et al., 2019)。因此, 本文認(rèn)為源區(qū)母巖中輝石巖組分是再循環(huán)的洋殼物質(zhì)熔體交代地幔橄欖巖形成的二階段輝石巖, 而EM1組分來(lái)源于含古老遠(yuǎn)洋沉積物的再循環(huán)洋殼輝長(zhǎng)巖。

5 結(jié) 論

(1) Tariat新生代玄武巖以堿性玄武巖為主, 在微量元素蛛網(wǎng)圖上與EM1-OIB特征相似, 具有明顯的Ba、K、Sr正異常, Th、U、Ti負(fù)異常, 無(wú)明顯的Nb、Ta負(fù)異常。Sr-Nd-Pb同位素顯示玄武巖同位素組成介于DMM與EM1型地幔端元之間。

(2) 大陸地殼混染對(duì)于Tariat玄武巖成分無(wú)明顯影響, 巖漿在上升過(guò)程中主要經(jīng)歷了橄欖石與單斜輝石的分離結(jié)晶作用, 但分離結(jié)晶作用并不是控制玄武巖成分變化的主要因素。

(3) 蒙古中部新生代玄武巖的源區(qū)母巖中存在輝石巖與橄欖巖的組分, 源區(qū)殘留有石榴子石。

(4) Tariat玄武巖的成分變化主要受控于DMM與EM1型地幔端元組分的混合作用, 其中DMM組分來(lái)源于含金云母的巖石圈地幔, 而EM1組分來(lái)源于含古老遠(yuǎn)洋沉積物的再循環(huán)洋殼輝長(zhǎng)巖。

致謝:蒙古科學(xué)院古生物與地質(zhì)研究所Narantsetseg Tserendash研究員與中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所袁超研究員在野外工作中給予了很大的幫助; 中山大學(xué)王若嘉工程師以及中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所李欣工程師、孫勝玲、涂湘林以及曾文高級(jí)工程師在樣品主量元素、微量元素以及同位素測(cè)試實(shí)驗(yàn)中給予了大量幫助; 論文得到中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所郭鋒研究員和吉林大學(xué)葛文春教授的認(rèn)真審閱和寶貴意見, 筆者在此一并表示衷心感謝。

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Characteristics of the mantle source for Cenozoic basalts in Tariat, Central Mongolia: Olivine composition and Sr-Nd-Pb isotopes

ZHANG Qinglin1, 2, REN Zhongyuan1*, ZHANG Le1, ZHANG Lei1, 2

(1. State Key Laboratory of Isotope Geochemistry, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Cenozoic basalts are widespread throughout Mongolia; however, research on these basalts remains limited. This study analyzed the composition of olivine phenocrysts in the Tariat Cenozoic basalts of central Mongolia, and combines the new major element, trace element, Sr-Nd-Pb isotope whole-rock data, and the data reported by the predecessors to discuss the characteristics of the mantle source of Cenozoic basalts in central Mongolia. The Tariat Cenozoic basalts are dominated by alkaline basalts, and the samples showed similar trace element patterns to EM1-type oceanic island basalt (OIB) in the primitive mantle-normalized trace element spidergrams with obvious positive anomalies of Ba, K, and Sr; negative anomalies of Th, U, and Ti; and no obvious Nb or Ta negative anomaly. The Sr-Nd-Pb isotopic data showed that the isotopic composition of the Tariat basalts is between the depleted mantle (DMM) and enriched mantle (EM1) components. The composition of olivines in the Tariat basalts indicated that pyroxenite and peridotite within the parent rock in the mantle source. The87Sr/86Sr of the basalt had a good negative correlation with CaO/Al2O3, Nb/U, and Ce/Pb;143Nd/144Nd had a good positive correlation with CaO/Al2O3and Ba/Th; and206Pb/204Pb had a good positive correlation with Ba/La. These correlations indicate that the compositional change of the Tariat basalts were predominantly controlled by the mixing of DMM- and EM1-like components. The components of the DMM originated from the lithospheric mantle containing phlogopite, and the EM1-like components were derived from the mixing of recycled oceanic crust gabbro and pelagic sediments and the pyroxenite components of the source lithology were derived from two-stage pyroxenite which formed by the reaction of mantle peridotite with the melting of recycled ocean crust components.

Cenozoic basalt; olivine; geochemical characteristics; source characteristics; Mongolia

P586; P595; P597.1

A

0379-1726(2022)04-0472-20

10.19700/j.0379-1726.2022.04.010

2020-07-26;

2020-09-17

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41972062)資助。

張慶霖(1995–), 男, 碩士研究生, 礦物學(xué)、巖石學(xué)、礦床學(xué)專業(yè)。E-mail: 542314812@qq.com

任鐘元(1962–), 男, 研究員, 主要從事巖石學(xué)和地球化學(xué)方向研究。E-mail: zyren@gig.ac.cn