在我国东北地区松辽盆地北缘,发育着一条“二克山―五大连池―科洛―小古里河”钾质火山岩带,是该地区最主要和最年轻的钾质火山岩带。由于该火山岩带独特的地球化学性质(高K,低Al,不相容元素富集,轻稀土元素和大离子亲石元素强烈富集,轻重稀土强烈分异,高87Sr/86Sr、207Pb/206Pb,低143Nd/144Nd、208Pb/204Pb),一直是研究的焦点之一。在过去几十年里,一系列关于该火山岩带岩石成因的模型被相继提出,这些模型主要的争论议题围绕于岩浆起源温度、岩浆源深度、部分熔融程度、交代模式、交代流体的来源及地幔含水情况,而本区原始岩浆到底起源于软流圈地幔转换带的含水地幔柱还是大陆岩石圈地幔是最大的分歧。基于此,本论文试图在传统全岩地球化学手段的基础上,利用橄榄石微量元素示踪证据探讨上述问题。同时,鉴于东北富钾火山岩带构造位置特殊,位于岩石圈厚度存在差异的松辽盆地(中心约为80km,边缘大于120km),是研究岩石圈厚度及成分对岩浆形成及控制作用的理想对象。因此本论文也对这一命题进行讨论。一、论文研究方法及理论依据基于高精度EMPA和LA-ICP-MS分析技术的发展和矿物微量元素测试精度的提高,利用橄榄石中的微量元素示踪地幔部分熔融、地幔交代作用、岩浆早期结晶过程等地质问题成为近年来一个新兴的研究方向,主要涉及橄榄石中Ni、Co、Al、Cr、Zn、Ti、Li、V、Sc、Mn、Ca和P等元素的示踪使用。本论文首先系统性地归纳和介绍橄榄石微量元素地球化学示踪方法的原理、使用条件及示踪案例,并对橄榄石微量元素示踪的效果进行评价;综合性阐述橄榄石微量元素示踪的相关问题,如橄榄石微量元素赋存状况、橄榄石微量元素测试手段、数据可靠性及测试流程要点、橄榄石的常规示踪指标及微量元素最新用途、橄榄石微量元素的使用条件及需注意的问题;然后利用橄榄石微量元素的地球化学示踪方法体系对研究区的岩石成因进行约束和深入探讨。二、论文主要研究内容本论文工作对整个东北富钾火山岩带进行系统采样,并进行全岩主量、微量、Sr-Nd-Pb同位素分析以及橄榄石主微量元素分析。根据火山群所处位置处岩石圈厚度的不同,将岩石样品划分为三组:A组为二克山、南尖山及莲花山;B组为五大连池、北尖山及科洛;C组为门鲁河和小古里河。具体的分组标准为:100km<LA组<120 km<LB组<150 km<LC组(L指代岩石圈厚度)。依据全岩的主量、微量、Sr-Nd-Pb同位素数据,我们对研究区火山岩的种类、岩浆同源性、岩浆源区的交代特性、地幔端元组成等地球化学性质进行判别和界定。基于橄榄石微量元素的特征,我们对岩浆过程及源区性质进行了详细的地球化学示踪:(1)根据橄榄石中微量元素的赋存特性、配分行为、示踪特征,我们将研究区橄榄石中微量元素划分为以下几组,i)ni、mn、co、cu、zn和li,ii)cr、al、v、sc、ca和na,iii)p、ti、li和zn;(2)利用ti、ca、zr、sc及mn元素对研究区橄榄石捕掳晶和斑晶的种类族群进行划分;(3)利用橄榄石斑晶的mg#和尖晶石的cr#特征和橄榄石-尖晶石地幔演化趋势线(osma)图解判别岩浆源区的亏损程度;(4)利用橄榄石中p、li、ti元素对岩浆源区是否受壳源物质交代进行判别;(5)利用橄榄石al-温度计计算岩浆源区的潜能温度;(6)利用橄榄石斑晶的al、cr特征判别岩浆源区的岩石组合;(7)通过橄榄石中ni含量特征判别岩浆源区交代作用、岩浆混合作用;(8)利用橄榄石微量元素特征判别研究区em-1端元组分的起源等等。对于岩石圈厚度及成分对岩浆形成控制作用的研究,我们采取以下方法:通过全岩的特定主、微量、同位素元素与岩石圈厚度变化的协变关系,判别岩石圈“盖效应(lideffect)”的作用;利用研究区富钾火山岩中橄榄石的一些元素特征(如ni、ni/mg、ni/(mg/fe)、mn/fe和ca/fe)判别岩石圈“盖效应(lideffect)”和组分效应对岩浆中矿物成分的影响。三、论文主要研究结果(1)研究区富钾火山岩中橄榄石可划分为四个族群,其中三个族群为岩浆成因斑晶,另一族群为地幔橄榄石捕掳晶,它们依次为:正常的岩浆结晶斑晶;岩浆演化后结晶斑晶;低-ni橄榄石斑晶;橄榄石捕掳晶。(2)橄榄石微量元素证据表明:研究区富钾火山岩岩浆来自亏损程度较高的石榴石橄榄岩深度的源区(为方辉橄榄岩而非二辉橄榄岩),源区早期的熔体抽取程度和部分熔融程度差异导致了三个组火山岩中橄榄石斑晶成分的不同,同时揭示松辽盆地下岩石圈地幔的分层性;具有典型em-1端元特征的岩浆起源于大陆岩石圈地幔,它的源区往往经历过高程度的亏损和后期的交代作用;低ni橄榄石的研究指示岩石圈局部发生过碳酸岩化作用,由异剥橄榄岩和岩石圈地幔混合而成的源区发生部分熔融,形成小古里河所特有的高钾岩浆。(3)三组火山岩中橄榄石最高结晶温度平均值分别为1258℃(a组)、1224℃(b组)和1203℃(c组),它们的地幔源区热状态均较为接近(温度差在20°左右),彼此间没有特别明显的热异常。三个组橄榄石最大结晶温度皆小于1300℃,明显低于地幔柱的热异常。因此,研究区下部不存在前人提出的“热的”地幔柱。(4)综合火山岩全岩地球化学和橄榄石主、微量成分特征,本文认为“二克山-五大连池-科洛-小古里河”富钾火山岩的形成过程包括:软流圈物质经过一定程度的上涌和熔融,底侵于岩石圈地幔的底部,并且与被交代的上覆岩石圈地幔发生相互作用导致不同岩石圈厚度位置上软流圈和岩石圈物质不同比例的混合,形成成分不同的三组火山群。(5)研究区富钾火山岩全岩主量元素(如Si72、Al72、Mg72、Fe72、Ti72和P72)、微量元素(如Sm/Yb、La/Sm)含量及橄榄石的一些元素特征(如Ni、Ni/Mg、Ni/(Mg/Fe)、Mn/Fe和Ca/Fe)与岩石圈厚度的线性协变关系表明了岩石圈厚度变化(Lid effect)与松辽盆地富钾火山岩成分之间存在响应关系。四、论文主要创新点(1)系统性归纳介绍了橄榄石微量元素示踪这一新方法体系。(2)首次将橄榄石微量元素示踪方法用于东北钾质岩的岩石成因研究,对岩石成因信息(岩石源区组合、源区亏损程度、部分熔融程度等)提供了有效的约束。(3)探讨了大陆岩石圈在玄武质岩浆形成过程中对岩浆及其矿物(橄榄石)成分的控制作用。