论文部分内容阅读
海南岛位于欧亚大陆的东南缘,晚新生代以来,发生了剧烈的火山活动以及大量的玄武岩喷发,这些火山活动往往与区域的地震活动相伴生,并受到东西向以及北西-南东向两组断裂的控制。海南岛地区晚新生代的火山活动主要分布在琼北地区,区域内的火山作用被认为与印度-澳大利亚板块以及太平洋板块的俯冲作用有关,同时也可能受到南海海盆扩张作用的影响,大部分观点认为海南地幔柱的上涌对琼北地区玄武岩的形成起到了至关重要的作用。琼北地区的岩浆源区包含不同的地幔组分,前人已经对琼北地区的地幔源区组成开展过研究,认为除亏损地幔DMM和EM2外,有可能还包括少量EM1以及FOZO组分。不同的学者提出了不同的观点,然而这一问题仍能是存在争议的,同时琼北地区地幔储库的来源以及储库中熔体的部分熔融机制尚不清楚。基于上述现状,本文对琼北地区玄武岩的主量、微量元素、Sr-Nd-Pb-Hf同位素展开测试,同时本文分析了样品的Mg同位素,结合已发表的数据以及已有的地球物理证据,以期对该地区地幔源区组成,富集地幔储库成因及熔体部分熔融机制进行解释,最终得出琼北玄武岩形成的地球动力学机制。琼北玄武岩野外分为两类,一类为褐红色熔结火山碎屑岩,一类为灰黑色火山块状熔岩,显微镜下琼北玄武岩呈现斑状结构,斑晶以橄榄石和辉石为主,含有少量斜长石,基质为间粒结构或者间隐结构,基质成分为微粒斜长石,橄榄石,辉石,暗色矿物（磁铁矿）以及隐晶质矿物。熔结火山碎屑岩的气孔含量要高于火山熔岩中的气孔含量。琼北火山岩SiO2含量为44.81%—52.06wt%,全碱含量为4.63-5.05 wt%,在TAS图中大部分样品为亚碱性玄武岩,少部分样品为碱性玄武岩,琼北玄武岩石CIPW标准矿物计算大部分为样品橄榄拉斑玄武岩和石英拉斑玄武岩,极少部分为碱性橄榄玄武岩。在稀土配分模式图中,琼北玄武岩LREE/HREE比值为6.03-11.35,LaN/Yb N比值为8.76-20.14,呈现轻稀土富集,重稀土亏损的特征,在微量元素原始地幔标准化图中,琼北玄武岩呈现出富集大离亲石元素,亏损高场强元素的特征。琼北玄武岩呈现出亏损的Sr-Nd同位素特征,同时呈现出Dupal-Pb同位素异常,与南海海盆玄武岩以及东南亚地区玄武岩同为素特征相似,表明玄武岩的形成可能与印度洋板块的俯冲作用有关。在Sr-Nd-Pb-Hf同位素图解当中,琼北玄武岩具有与Somo地幔柱玄武岩相似的同位素地球化学特征,表明琼北玄武岩主要是由DMM与EM2富集地幔端元发生混合作用产生。此外,琼北玄武岩的δ26Mg值为-0.40‰±0.06‰—-0.28‰±0.05‰,低于正常地幔的δ26Mg值（-0.25‰±0.04‰）,显示出轻的Mg同位素成分。玄武岩Nb元素与Ba、Th、U、La、Sr、Pb、Nd等易活动元素均呈现出良好的正相关关系,表明岩浆期后蚀变作用较弱。琼北玄武岩的Nb/La比值高于大陆地壳的Nb/La比值（0.40）,Th/Ta比值低于大陆地壳的Th/Ta比值（8）。同时,Nb/U值高于地壳的Nb/U（10）值,Ce/Pb值也高于大陆地壳的Ce/Pb值（6.15）。SiO2与87Sr/86Sr,MgO与87Sr/86Sr均未呈现出一定的相关关系,表明琼北玄武岩遭受的地壳混染作用较弱,当MgO＞7.5%时,琼北玄武岩主要经历了橄榄石的分离结晶作用,而当MgO＜7.5%时,琼北玄武岩经历了微弱的单斜辉石、斜长石和Fe-Ti氧化物的分离结晶作用。SiO2,MgO与δ26Mg未显现正相关关系,表明分离结晶作用不会影响Mg同位素组成,LOI与δ26Mg也未呈现正相关关系,岩浆期后蚀变作用不会影响玄武岩的Mg同位素组成,同时Nb/Sm、Nb/Zr与δ26Mg值未呈现负相关关系,表明部分熔融不会影响玄武岩的Mg同位素成分,而Ba/Th和Nb/Th比值与δ26Mg值呈现出负相关关系,反映出源区的不均一性。琼北玄武岩TiO2与Nb/Ta并未呈现出负相关关系。表明低δ26Mg值并不是由源区钛铁矿的聚集作用造成。另一种解释表明琼北玄武岩低δ26Mg值可能来源于俯冲的含碳酸盐沉积物,琼北玄武岩与华南低δ26Mg玄武岩相近的Ca/Al值也证明了这一点。玄武岩的Sr-Nd同位素成分总体上低于华南地幔捕虏体,Pb同位素成分也明显高于华南捕虏体的Pb同位素成分,表明华南岩石圈下地幔不是琼北玄武岩的源区。在玄武岩εNd-Ce/Pb图以及87Sr/86Sr-Nd/Pb图中,琼北玄武岩均朝着俯冲沉积物一侧演化。这表明源区中很可能有再循环沉积物的加入。在206Pb/204Pb-87Sr/86Sr关系图,206Pb/204Pb-143Nd/144Nd关系图,206Pb/204Pb-207Pb/204Pb关系图以及208Pb/204Pb-207Pb/204Pb关系图中,琼北玄武岩均位于亏损地幔与俯冲沉积物二端元混合趋势线附近,表明琼北玄武岩可以看作是由亏损地幔与俯冲沉积物发生混合作用产生。琼北玄武岩Sr-Nd-Mg同位素三端元混合计算结果表明,琼北玄武岩的Sr-Nd-Mg同位素成分可以通过MORB、不含碳酸盐的硅质沉积物和碳酸盐三端元混合产生。对含碳酸盐俯冲沉积物在不同压力部分熔融熔体中的K/U和Ba/Th比值进行了计算,结果表明低压碳酸盐化硅酸盐熔体（6-8GPa）具有比原始地幔高的K/U和Ba/Th比值,而高压碳酸盐化硅酸盐熔体（18-20GPa）具有比原始地幔低的K/U和Ba/Th比值。在微量元素图中,琼北极少部分碱性玄武岩具有与中国东部霞石岩相似的微量元素原始地幔标准化模式,显示出K,Rb,Pb和Ti的负异常,而大部分拉斑玄武岩并未显示出与中国东部霞石岩相似的微量元素特征,特别是显示出K元素的正异常,暗示形成拉斑玄武岩的碳酸盐化硅酸盐熔体可能不是来自于地幔转换带,而是来自于上地幔。琼北碱性玄武岩具有比原始地幔橄榄岩低的K/U和Ba/Th比值,而琼北拉斑玄武岩具有比原始地幔高的K/U和Ba/Th比值,表现出与低压碳酸盐化硅酸盐熔体有着高度的关联性。K/U-Ba/Th关系图则表明少部分琼北碱性玄武岩是由高压碳酸盐化硅酸盐熔体和原始地幔橄榄岩反应后产生,而大部分拉斑玄武岩是由低压碳酸盐化硅酸盐熔体与原始地幔橄榄岩发生反应后生成。此外,琼北玄武岩具有比初始碳酸盐化硅酸盐熔体高的87Sr/86Sr和δ26Mg值,同时有着低于反应后熔体（由初始碳酸盐化硅酸盐熔体与橄榄岩反应生成）的87Sr/86Sr和δ26Mg值,87Sr/86Sr-δ26Mg关系图则表明琼北玄武岩可以由初始熔体与反应后熔体混合而后生成琼北玄武岩源区岩石岩浆。地球物理的证据表明琼北玄武岩的形成与印度-澳大利亚板块和太平洋板块的俯冲作用有关。俯冲的板片既可以停滞在地幔转换带,也可以进入下地幔当中,已有的研究认为俯冲沉积物中的低δ26Mg值特征能够通过岩石-岩石反应转化为硅酸盐矿物并最终可以进入到下地幔当中。随着印度-澳大利板块和太平洋板块的俯冲作用,俯冲板片会进入下地幔,此时,起源于核幔边界的地幔柱将俯冲板块残片携带至上地幔。在压力条件为18-20GPa时,再循环俯冲沉积物的残留岩相为碳酸盐化石榴石岩,石榴石岩发生熔融并与周边的地幔橄榄岩反应形成少部分琼北碱性玄武岩源区岩石岩浆（低K/U,低Ba/Th）和辉石岩（橄榄岩）残留相;在压力小于9GPa时,俯冲沉积物的残留岩相为碳酸盐化的榴辉岩,榴辉岩发生熔融,形成初始的碳酸盐化硅酸盐熔体并与周边的地幔橄榄岩反应形成大部分琼北拉斑玄武岩源区岩石岩浆（高K/U,高Ba/Th）和辉石岩（橄榄岩）残留相。另一种模式可以解释为,在形成琼北玄武岩的源区岩石岩浆后,初始碳酸盐化硅酸盐熔体与先前生成的琼北玄武岩源区岩石岩浆发生混合,最终继续作为琼北玄武岩的岩浆来源。