徐青鵠 劉嘉麒 莫宣學 賀懷宇 張云輝 趙文斌

1. 中國地質(zhì)大學(北京)地球科學與資源學院，北京 1000832. 中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所新生代地質(zhì)與環(huán)境研究室，北京 1000293. 西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，成都 611756

華北克拉通作為世界上最古老的克拉通之一(>3.8Ga)，在地質(zhì)歷史時期里經(jīng)歷了巨大的變遷(翟明國, 2019)。在古生代時期，華北克拉通為古老難熔的克拉通型巖石圈地幔；而在晚中生代-新生代時期，受到強烈的構(gòu)造-熱事件影響，華北克拉通被部分改造和破壞，巖石圈地幔厚度減薄并呈現(xiàn)出新生飽滿的特征；近年來，華北克拉通巖石圈性質(zhì)重大轉(zhuǎn)變的研究一直是地球科學研究的焦點問題(鄭建平, 1999; 馮亞洲等, 2020; 徐錫偉等, 2019; 朱日祥和徐義剛, 2019)。

已有研究表明，華北克拉通內(nèi)部出露有大面積的古生代-新生代幔源火山巖，火山巖中含有豐富的橄欖巖、輝石巖等地幔包體(鄭建平和戴宏坤, 2018)。地幔包體作為巖石圈地幔最直接的天然樣品，可以揭示深部巖石圈地幔的部分熔融與地幔交代作用，是研究巖石圈地幔的性質(zhì)、演化和巖石圈地幔減薄以及活化的重要媒介(Griffinetal., 2009)。許多學者對華北克拉通內(nèi)部寬甸、漢諾壩和昌樂等幔源包體進行了詳細的巖石學、地球化學及同位素研究，結(jié)合地球物理解譯，發(fā)現(xiàn)華北克拉通巖石圈地幔屬性和深部過程在空間上存在明顯的不均一性，其東部巖石圈地幔的改造作用較為強烈，表現(xiàn)為新生飽滿的特征；而中-西部則仍然整體保持著古老難熔的克拉通屬性，僅局部巖石圈受到了改造作用(Yangetal., 2018; Dai and Zheng, 2019; Haoetal., 2019; Wangetal., 2019; Zouetal., 2020)。此外，制約華北克拉通不同部位改造作用的構(gòu)造動力學機制也不盡相同：華北克拉通東部的巖石圈地?？赡苁艿搅颂窖蟾_的影響(Lietal., 2016)，北部的巖石圈地幔可能受到了中亞造山帶的影響(Daietal., 2019)，而其東南部則可能受到了華南克拉通與華北克拉通碰撞的影響(Yingetal., 2006)。

華北克拉通東北部出露了以長白山地區(qū)為代表的大范圍新生代火山巖，主要包括天池和龍崗火山巖群。在天池和龍崗火山巖群均已發(fā)現(xiàn)豐富的地幔橄欖巖包體，為研究長白山地區(qū)巖石圈地幔的性質(zhì)與演化提供了優(yōu)越條件。前人對天池和龍崗火山巖群開展了大量的研究，在火山巖形成時代、成因機制和深部結(jié)構(gòu)方面取得了豐碩的成果(樊祺誠, 2008; 郭文峰等, 2015; 陳棋福等, 2019)；但是，針對火山巖中橄欖巖包體的研究仍較為匱乏，成為制約學者們揭示長白山地區(qū)乃至華北克拉通東北部下覆巖石圈地幔特征的瓶頸。前人對天池和龍崗火山巖群中地幔橄欖巖包體進行了一定研究(Tangetal., 2012; Wangetal., 2013, 2017; Xuetal., 2019)；然而，由于樣品數(shù)量有限和測試方法不足，長白山地區(qū)巖石圈地幔屬性和深部過程(部分熔融和地幔交代)仍然未能得到準確限定，因此很有必要對長白山地區(qū)天池和龍崗火山巖群的橄欖巖包體開展詳細、系統(tǒng)的地球化學研究。同時，華北克拉通東北部巖石圈地幔的轉(zhuǎn)化過程及其構(gòu)造動力學機制亦存在不同認識，諸如，轉(zhuǎn)化過程包括：熱力學-化學破壞作用(Xu, 2001)、古老地殼的拆沉作用(Gaoetal., 2008)和古大洋俯沖引起的熔體-橄欖巖相互作用(Linetal., 2019)；構(gòu)造動力學機制可能為古亞洲洋的向南俯沖(Copeetal., 2005)或太平洋板塊的向西俯沖(朱日祥和徐義剛, 2019)。地幔橄欖巖包體的地球化學證據(jù)將可以在解決這一爭議中發(fā)揮重要作用。

因此，本文在前人研究基礎上，廣泛采集了長白山地區(qū)的天池和龍崗火山巖群中地幔橄欖巖包體樣品，對橄欖巖包體的巖石學、全巖主微量元素、單礦物主微量元素、單斜輝石Sr-Nd-Hf同位素進行了詳細、系統(tǒng)地分析，在此基礎上查明長白山地區(qū)下覆巖石圈地幔屬性，探討巖石圈地幔深部的部分熔融和地幔交代作用，揭示制約華北克拉通東北部巖石圈地幔改造作用的構(gòu)造動力學機制。

1 區(qū)域地質(zhì)背景和橄欖巖包體特征

長白山地區(qū)位于我國東北部的吉林省，區(qū)域構(gòu)造上屬華北克拉通東北緣，構(gòu)造格架主要由NEE向與NNE向的斷裂帶構(gòu)成，其次為EW向、NS向及NW向的斷裂(圖1)。長白山地區(qū)地處膠遼斷塊的隆起部位。膠遼斷塊的基底巖石從第四紀早期時開始緩慢隆起上升，此后從中更新世至今呈現(xiàn)出非持續(xù)性的上升，導致該區(qū)地貌出現(xiàn)嚴重變形，為玄武巖噴發(fā)創(chuàng)造了條件，最終在長白山地區(qū)形成了以天池和龍崗火山群為代表的大范圍火山巖群(樊祺誠, 2008)。長白山地區(qū)火山巖類型以造盾期的玄武巖、造錐期粗面巖和晚期堿流巖為主，近代噴發(fā)伴有火山碎屑流的堆積(劉嘉麒等, 2015)。火山群中常見有富含地幔包體的新生代堿性玄武巖。

圖1 華北克拉通東北緣區(qū)域地質(zhì)圖(a)和研究區(qū)玄武質(zhì)巖石分布和采樣點(b)F1-塔源-喜貴圖斷裂；F2-賀根山-嫩江斷裂；F3-西拉木倫斷裂；F4-開原-赤峰斷裂；F5-伊蘭-伊通斷裂；F6-牡丹江斷裂；F7-敦化-密山斷裂Fig.1 Regional map of the northeastern North China Craton (a) and basaltic rock distribution and sampling locations in study area (b)F1-Tayuan-Xiguitu fault; F2-Hegenshan-Nenjiang fault; F3-Xilamulun fault; F4-Kaiyuan-Chifeng fault; F5-Yilan-Yitong fault; F6-Mudanjiang fault; F7-Dunhua-Mishan fault

天池火山群地處中國和朝鮮交界線附近，是中國現(xiàn)有的休眠活火山之一。天池火山噴發(fā)從新生代開始至今一直間斷性發(fā)生，其噴發(fā)歷史被劃分為4個階段：(1)漸新世到中新世，形成了大面積的堿性玄武巖；(2)上新世到更新世，形成了大型粗面玄武巖的熔巖盾；(3)約1Ma時期，主要為粗面質(zhì)火山巖的噴發(fā)；(4)全新世，大規(guī)模火山強烈爆發(fā)活動形成了浮巖質(zhì)火山碎屑堆積物和天池的破火山口(劉嘉麒等, 2015)。龍崗火山群坐落在吉林輝南和靖宇縣轄區(qū)的龍崗山脈之中，其火山活動開始于新近紀早期，第四紀達到高峰，龍崗火山活動可分為3個階段：(1)小浪山期；(2)中-晚更新世龍崗期，為產(chǎn)生火山渣和低平火山口的主要時期；(3)約一千五百年前至一千六百年前的金龍頂子期，產(chǎn)生火山碎屑(白志達等, 2006)。

長白山地區(qū)地幔橄欖巖包體采集于天池和龍崗火山群玄武巖中，共計23件。包體多呈棱角狀至橢圓狀，表面未見蛇紋石化特征，樣品新鮮且呈翠綠-墨綠色，包體直徑大小為0.5～20cm(大多約12cm)。包體巖性主要為尖晶石二輝橄欖巖，少量為方輝橄欖巖，具有原生粒狀結(jié)構(gòu)或等粒變晶結(jié)構(gòu)(圖2)，未發(fā)現(xiàn)金云母和石榴石。二輝橄欖巖主要礦物組合和含量為：橄欖石(55%～77%)+斜方輝石(9%～29%)+單斜輝石(3%～22%)+尖晶石(0.1%～3%)；方輝橄欖巖具有較高的橄欖石和較低的斜方輝石、單斜輝石含量，其礦物含量為：橄欖石(86%～89%)+斜方輝石(8%～12%)+單斜輝石(1%～2%)+尖晶石(～1%)(表1)。前人研究中曾在長白山地區(qū)橄欖巖包體中發(fā)現(xiàn)有角閃石(史蘭斌等, 1999)，但是在本次研究未觀察到。鏡下二輝橄欖巖和方輝橄欖巖中的橄欖石和斜方輝石大小約0.5～3mm，為自形-半自形晶形。橄欖石發(fā)育有明顯的裂紋；單斜輝石一般呈翠綠色，大小約0.1～1.5mm，為他形晶形；尖晶石多為褐色，經(jīng)常出現(xiàn)在顆粒之間。此外，鏡下觀察樣品發(fā)育有較多的熔體囊，可見比較明顯的熔體交代特征。

表1 橄欖巖包體礦物組分和平衡溫度表

2 測試方法

2.1 全巖主量和微量元素分析

橄欖巖樣品的全巖主量和微量元素測試分析實驗在中國科學院廣州地球化學研究所完成。全巖主量元素測試工作在Rigaku ZSX-100e X熒光光譜儀上完成，分析精度優(yōu)于±3%。全巖微量元素采用PE Elan 6000型電感耦合等離子體質(zhì)譜議(ICPMS)完成，分析精度和準確度優(yōu)于5%。

2.2 單礦物主量元素和微量元素分析

單礦物主量元素和微量元素分析在武漢上譜測試公司完成。主量元素測試所采用的儀器為JEOL-JXA-8100電子探針分析儀。分析礦物主要包括單斜輝石、斜方輝石、橄欖石和尖晶石，相同礦物在每個橄欖巖包體樣品中選取5個分別進行測試，取其平均值作為分析數(shù)據(jù)。單斜輝石、斜方輝石和尖晶石的分析條件為加速電壓15kV，探針電流20nA。橄欖石分析條件為加速電壓為20kV，探針電流20nA，同時延長峰值時間，其中Mn、Ni、Cr、Ca和Al測試時間為100s。主量元素的分析精度優(yōu)于±0.5%。

單礦物原位微區(qū)微量元素含量在武漢上譜分析科技有限責任公司利用LA-ICP-MS完成。GeolasPro激光剝蝕系統(tǒng)由COMPexPro 102ArF 193nm準分子激光器和MicroLas光學系統(tǒng)組成，ICP-MS型號為Agilent 7700e。激光剝蝕過程中采用氦氣作載氣、氬氣為補償氣以調(diào)節(jié)靈敏度，二者在進入ICP之前通過一個T型接頭混合，激光剝蝕系統(tǒng)配置有信號平滑裝置(Huetal., 2015)。單礦物微量元素含量處理中采用玻璃標準物質(zhì)BHVO-2G，BCR-2G和BIR-1G進行多外標無內(nèi)標校正。每個時間分辨分析數(shù)據(jù)包括大約20～30s空白信號和50s樣品信號。詳細的儀器參數(shù)和分析流程見(Zongetal., 2017)。對分析數(shù)據(jù)的離線處理采用軟件ICPMSDataCal(Liuetal., 2008)完成。每個橄欖巖包體樣品的單斜輝石選取5個點進行測試，取其平均值開展分析。

2.3 單斜輝石Sr-Nd-Hf同位素分析

單斜輝石Sr-Nd-Hf同位素的測定是在桂林理工大學地球科學學院MC-ICP-MS同位素實驗室完成的。從橄欖巖樣品中挑選出足量單斜輝石顆粒，研磨至粉末以備分析。采用Neptune Plus多接受電感耦合等離子質(zhì)譜儀(MC-ICP-MS)測試Sr-Nd-Hf同位素。Sr同位素和Nd同位素的測量監(jiān)控采用不同的標準，分別為國際標樣NBS987、實驗室標準Sr-GIG和國際標準Jndi-1、實驗室標準Nd-GIG，數(shù)據(jù)的標準化值分別采用：87Sr/86Sr=0.1194、143Nd/144Nd=0.7219。標樣NBS987的87Sr/86Sr比值和Jndi-1的143Nd/144Nd比值分別為0.710288±28(σ)和0.512109±12(2σ)。Sr-Nd同位素分析精度好于0.002%。利用Neptune型MC-ICP-MS儀器分別對Lu、Hf進行質(zhì)譜測試，Yb用于校正出Lu的分餾，179Hf/177Hf=0.7325和Alfa Hf標準的176Hf/177Hf=0.282185可以對Hf的分餾校正。詳細流程見文獻(韋剛健等, 2002; 梁細榮等, 2003)。

P86兼有輔助捕收、起泡、消泡等多項特性，合理使用P86對減少捕收劑TL-1的用量、調(diào)整泡沫現(xiàn)象和改善操作有較大關(guān)系，合理的P86用量會對錫石浮選產(chǎn)生良好的效果。

3 測試結(jié)果

3.1 全巖主量元素和微量元素特征

長白山地區(qū)橄欖巖包體的全巖主量和微量元素測試結(jié)果列于表2。長白山大部分樣品由于Fe2O3T含量高，使得燒失量(LOI)的結(jié)果為負值。與方輝橄欖巖相比，二輝橄欖巖含有更高的Al2O3(2.32%～3.72%)和更低的MgO(38.2%～41.9%)。橄欖巖包體的主量元素含量低于原始上地幔，二輝橄欖巖具有較低的MgO含量，表現(xiàn)出新生飽滿的特征，少數(shù)的方輝橄欖巖表現(xiàn)出新生飽滿向古老難熔過渡的特征(圖3)。

圖3 橄欖巖包體全巖主量元素與微量元素二元圖解原始上地幔(PUM)引自Hart and Zindler (1986)；虧損地幔和大洋橄欖巖趨勢線引自Boyd (1989)和Griffin et al. (1998b)；熔體抽取趨勢線引自Frey et al. (1985)和Xu et al. (2008)Fig.3 Binary diagrams of major element and trace element compositions of peridotite xenolithsPrimitive upper mantle from Hart and Zindler (1986); depleted mantle and oceanic trend line from the Boyd (1989) and Griffin et al. (1998b); melting extraction trend from Frey et al. (1985) and Xu et al. (2008)

表2 橄欖巖包體全巖主量元素(wt%)和微量元素(×10-6)分析測試結(jié)果

3.2 單礦物主量元素特征

本次研究對長白山地區(qū)橄欖巖包體中橄欖石、斜方輝石、單斜輝石和尖晶石的主量元素含量開展電子探針分析，測試結(jié)果如表3所示。主微量元素二元圖解表明長白山地區(qū)方輝橄欖巖具有過渡型巖石圈地幔特征，二輝橄欖巖表現(xiàn)出新生飽滿的巖石圈地幔特征(圖4)。長白山地區(qū)二輝橄欖巖包體中橄欖石MgO含量為45.32%～49.44%，F(xiàn)o值(Fo=100×Mg2+/(Mg2++Fe2+))為85.6～91.0，F(xiàn)eO含量為8.84%～13.74%。與此對比，方輝橄欖巖包體中橄欖石具有更高的MgO(49.01%～49.70%)、Fo值(90.8～91.3)和更低的FeO(8.47%～8.90%)。二輝橄欖巖包體中斜方輝石的Al2O3含量為2.95%～4.77%，Mg#值為86.2～91.4；方輝橄欖巖包體中斜方輝石的Al2O3含量為2.94%～3.31%，Mg#值在91.5～91.9之間。方輝橄欖巖包體比二輝橄欖巖具有更高的斜方輝石Cr#(Cr#=100×molar Cr/(Cr+Al))值(10.8>4.1～8.8)，和Mg#值呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系。二輝橄欖巖包體的單斜輝石Al2O3分別為5.03%～6.37%，Mg#值變化較大為85.9～92.1，Cr#值在5.7～10.9之間。方輝橄欖巖包體的單斜輝石Al2O3、Mg#值和Cr#值含量分別為3.85%～4.00%、92.1～92.4和15.8。二輝橄欖巖包體的尖晶石Cr#值為8.9～18.8，Mg#值為66.9～76.4，TiO2含量為0.01%～0.24%；方輝橄欖巖包體的尖晶石具有更高的Cr#值(33.2～34.8)，Mg#值(71.0～71.7)，TiO2含量為0.09%～0.16%。

圖4 礦物主量元素關(guān)系圖(a)橄欖石Mg#值-CaO含量，(b)斜方輝石Cr#值-Mg#值，(c)單斜輝石Mg#值-Al2O3含量，(d)尖晶石Cr#值-Mg#值.山旺數(shù)據(jù)來源于Zheng et al. (1998)；鶴壁數(shù)據(jù)來源于Zheng et al. (2001)Fig.4 Binary diagrams of major element and trace element compositions of minerals in peridotite xenoliths(a) olivine Mg# values vs. CaO contents, (b) orthopyroxene Cr# values vs. Mg# values, (c) clinopyroxene Mg# values vs. Al2O3 contents, (d) spinel Cr# values vs. Mg# values. Data of Shanwang area from Zheng et al. (1998); Data of Hebi area from Zheng et al. (2001)

3.3 單斜輝石微量元素特征

長白山地區(qū)橄欖巖包體的單斜輝石微量元素含量如表4所示。本次研究根據(jù)球粒隕石標準化稀土元素配分曲線特征，進一步將單斜輝石劃分為以下四個類型(圖5)：(1)LREE嚴重虧損型：單斜輝石的輕重稀土元素分異較為明顯，(La/Yb)N值最低，為0.01～0.02，總體呈現(xiàn)LREE嚴重虧損和HREE平坦的特征，反映了二輝橄欖巖可能在尖晶石穩(wěn)定區(qū)經(jīng)歷了不同程度熔融抽取后的殘留，熔融比例在1.5%；(2)LREE虧損型：單斜輝石的輕重稀土元素分異略明顯，(La/Yb)N值較低，為0.07～0.33，總體呈現(xiàn)LREE虧損和HREE平坦的特征。(3)向右微傾型：單斜輝石輕稀土元素相對重稀土元素富集的特征，(La/Yb)N值為1.04～1.14，整體表現(xiàn)為平緩向右傾斜的直線；(4)“勺型”：單斜輝石LREE相對于MREE略微富集，(La/Yb)N值為0.95～1.25。橄欖巖包體中單斜輝石的微量元素表現(xiàn)出相近的特征，均富集大離子親石元素(Rb、Ba、Th、U)，虧損高場強元素(Nb、Ta、Zr、Hf、Ti)和Pb。

圖5 長白山地區(qū)橄欖巖包體中單斜輝石球粒隕石標準化稀土元素配分圖和原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖解(標準化值引自Sun and McDonough, 1989)Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns and spider diagrams of clinopyroxenes in peridotite xenoliths from the Changbaishan (normalization values after Sun and McDonough, 1989)

3.4 平衡溫度

本次研究的橄欖巖包體主要為尖晶石相二輝橄欖巖，不含斜長石和石榴子石礦物。尖晶石相橄欖巖通常穩(wěn)定存在于0.8～2.5GPa環(huán)境中(Nickel, 1986; Webb and Wood, 1986)，其形成時的準確壓力值難以用壓力計計算，本次研究選取前人在華北克拉通東北部巖石圈地幔研究所用的壓力值1.5GPa為參考值(Linetal., 2019)。為了避免使用單個地質(zhì)溫度計造成的系統(tǒng)誤差，本次研究采用二輝石溫度計(TWells)(Wells, 1977)和斜方輝石Ca溫度計(TBK)(Brey and K?hler, 1990)共同估算長白山和龍崗火山巖中橄欖巖包體的平衡溫度。當Mg#值比較高(>80)的橄欖巖包體，平衡溫度范圍在900～1400℃時，選用二輝石溫度計能夠給出更為準確的溫度。因此，在本次研究的計算結(jié)果中，優(yōu)先考慮二輝石溫度計的平衡溫度，與斜方輝石Ca溫度計的結(jié)果進行對比，來確保結(jié)果的可靠性。兩種地質(zhì)溫度計給出的結(jié)果見圖6和表1。二輝石溫度計和斜方輝石Ca溫度計的計算結(jié)果較為一致， 分別為928～1101℃和947～1139℃，說明長白山地區(qū)橄欖巖包體的平衡溫度范圍大約為900～1100℃。

圖6 橄欖巖包體平衡溫度頻率直方圖(a)二輝石溫度計(TWells)；(b)斜方輝石Ca溫度計(TBK)Fig.6 Frequency histograms of equilibrium temperatures(a) TWells, Na-in-orthopyroxene-clinopyroxene; (b) TBK, Ca-in-orthopyroxene geothermometer

3.5 單斜輝石Sr-Nd-Hf同位素特征

長白山地區(qū)橄欖巖包體中單斜輝石的Sr、Nd和Hf同位素分析結(jié)果如表5所示。87Sr/86Sr=0.702749～0.707276、143Nd/144Nd=0.512886～0.51333(εNd=+4.8～+13.6)、176Hf/177Hf=0.283273～0.284179(εHf=+17.7～+49.8)。由圖7可知，研究區(qū)二輝橄欖巖包體中單斜輝石的87Sr/86Sr和143Nd/144Nd比值變化范圍較大。整體上可以看出，長白山地幔橄欖巖樣品中單斜輝石表現(xiàn)出整體Sr同位素虧損，部分樣品Sr同位素富集的特征，樣品Nd-Hf同位素整體虧損的特征，整體基本與中國東部新生巖石圈地幔的Sr-Nd-Hf同位素特征相似。部分橄欖巖樣品沿地幔演化線發(fā)生了明顯的偏離，表現(xiàn)出不同程度的Nd-Hf同位素解耦。

表5 橄欖巖包體單斜輝石Sr-Nd-Hf同位素特征

圖7 橄欖巖包體中單斜輝石143Nd/144Nd-87Sr/86Sr(a)和176Hf/177Hf-143Nd/144Nd(b)同位素比值圖解OIB-洋島玄武巖；MORB-洋中脊玄武巖；BSE-整體硅酸巖地球. 洋中脊玄武巖數(shù)據(jù)和地幔演化線引自Zindler and Hart (1986)；洋島玄武巖數(shù)據(jù)引自Chauvel and Blichert-Toft (2001)和Salters and White (1998)；整體硅酸巖地球數(shù)據(jù)引自Bouvier et al. (2008)和Blichert-Toft et al. (1999)；長白山玄武巖數(shù)據(jù)引自Basu et al. (1991)、Guo et al. (2014)、Kuritani et al. (2009)和Zhang et al. (2014)；三個交代作用的混合端元包括：長白山玄武巖(Nd=35.9×10-6、Hf=5.1×10-6, Kuritani et al., 2009)、大洋島弧玄武巖(Nd=10.1×10-6、Hf=1.7×10-6，Kelemen et al., 2005)、富水的熔/流體(Nd=11.0×10-6、Hf=1.0×10-6, Kessel et al., 2005)Fig.7 143Nd/144Nd vs. 87Sr/86Sr (a) and 176Hf/177Hf vs. 143Nd/144Nd (b) isotopic ratios diagrams of peridotite xenolithsOIB-oceanic-island basalt; MORB-mid-ocean-ridge basalt; BSE-bulk silicate earth. Data for MORB and mantle array from Zindler and Hart (1986); data for OIB from Chauvel and Blichert-Toft (2001), Salters and White (1998); Data for BSE are from Bouvier et al. (2008) and Blichert-Toft et al. (1999); basaltic rocks from Changbaishan from Basu et al. (1991), Guo et al. (2014), Kuritani et al. (2009), and Zhang et al. (2014); three mixing end members include: Changbaishan basalt (Nd=35.9×10-6、Hf=5.1×10-6, Kuritani et al., 2009), oceanic arc basalts (Nd=10.1×10-6、Hf=1.7×10-6，Kelemen et al., 2005), aqueous fluids (Nd=11.0×10-6、Hf=1.0×10-6, Kessel et al., 2005)

4 討論

4.1 巖石圈地幔的部分熔融過程

長白山地區(qū)橄欖巖包體巖石類型以二輝橄欖巖為主，含少量方輝橄欖巖，表明長白山地區(qū)的巖石圈地幔組成主要為富集和中等虧損型地幔。長白山地區(qū)包體橄欖巖的MgO含量和其它主微量元素含量表現(xiàn)出明顯負相關(guān)的線性關(guān)系，與世界其它地區(qū)地幔橄欖巖類似，說明長白山地區(qū)橄欖巖包體是經(jīng)歷不同程度的熔融抽取后的結(jié)果(Freyetal., 1985; Xuetal., 2008)。地幔橄欖巖中橄欖石的Fo值、尖晶石的Cr#值和TiO2含量可以有效指示地幔巖石熔體抽取的程度，隨著部分熔融程度的增加，橄欖石的Fo值和尖晶石中的Cr#值都會增大(Hellebrandetal., 2001)。長白山地區(qū)橄欖巖包體中橄欖石的Fo值(85.6～91.3)和尖晶石的Cr#(8.9～34.8)變化較大，較低的橄欖石Fo值可排除典型的古老難熔克拉通型的地幔的可能性(Fo>92)。由圖8可知，長白山-龍崗二輝橄欖巖經(jīng)歷的部分熔融程度均小于10%。其中，2件方輝橄欖巖包體樣品比二輝橄欖巖包體樣品具有較高的Cr#值，可能代表了部分熔融程度更高的地幔。此外，尖晶石沿著擬合熔融曲線有不同程度的偏移，說明除了部分熔融作用以外可能還發(fā)生了其它的地質(zhì)過程。方輝橄欖巖包體中的尖晶石在同樣Cr#值的情況下更富集TiO2，這個偏離說明方輝橄欖巖在熔融殘留的后期可能與更富集Ti的熔體發(fā)生了交代作用；橄欖巖包體成分點落入深海橄欖巖區(qū)域并指向更為富集的趨勢，Cr2O3含量和Cr#值的變化較大也可能是由于后期交代作用所導致的。

圖8 橄欖巖包體中尖晶石Cr#-TiO2圖(a,據(jù)Park et al., 2017)和橄欖石Fo值-尖晶石Cr#值圖(b)(a)點線為深海橄欖巖中尖晶石成分區(qū)域(Dick and Bullen, 1984)，灰色箭頭代表了橄欖巖與似MORB熔體交代反應的變化趨勢，圖中虛線是熔融趨勢線，引自Choi et al. (2008)；(b)地幔演化線和橄欖石-尖晶石熔融趨勢引自Arai (1994)；超俯沖型橄欖巖和深海橄欖巖數(shù)據(jù)引自Ishii et al. (1992), Pearce et al. (2000)Fig.8 Diagrams of Spinel Cr#-TiO2 (a, modified after Park et al., 2017) and spinel Cr#-Fo contents in the coexisting olivine (b) of peridotite xenoliths(a) the dotted curve is a field of abyssal peridotite spinel (Dick and Bullen, 1984). Gray arrow represents an effect of metasomatic reaction with MORB-like melt. Melting trend, shown in dashed curve, is from Choi et al. (2008). (b) Arai (1994) was the source of mantle array and melting trend values for olivine-spinel. Data on supra-subduction zone (SSZ) peridotites and abyssal peridotites sourced from Pearce et al. (2000) and Ishii et al. (1992)

由于單斜輝石中不相容的重稀土元素含量不易被后期地幔交代作用改變，因此可以利用單斜輝石中的微量元素Yb和Y含量模擬巖石圈地幔的部分熔融程度(Norman, 1998)。本次研究采用分離部分熔融模型進行估算，結(jié)果表明長白山地區(qū)的二輝橄欖巖部分熔融程度介于3%～5%之間，方輝橄欖巖的部分熔融程度較大，為10%～12%(圖9)。Hellebrandetal. (2001)認為當Cr#值在10～60范圍時，可利用公式F=10ln(Cr#)+24，計算橄欖巖的部分熔融程度F。計算結(jié)果表明，長白山二輝橄欖巖的部分熔融程度(0.8%～7.3%)低于方輝橄欖巖的部分熔融程度(13.0%～13.4%)，這也與圖8、圖9中的部分熔融估算結(jié)果一致。

圖9 橄欖巖分離熔融模擬圖(分離熔融模擬曲線據(jù)Norman, 1998;標準化值據(jù)McDonough and Sun, 1995)Fig.9 Fractional partial melting modeling for the Changbaishan and Longgang peridotite (fractional partial melting model after Norman, 1998; normalized to primitive mantle after McDonough and Sun, 1995)

4.2 巖石圈地幔的交代富集作用

巖石圈地幔在受到部分熔融抽取后往往還會受到后期熔體/流體交代作用的改造，交代作用通常分為兩種形式：顯性交代和隱性交代。當發(fā)生顯性交代時，會形成新的礦物如角閃石、磷灰石或金云母(Gordon Medarisetal., 2015)，隱性交代通常會導致不相容元素的富集而不會形成其它礦物相(Uenver-Thieleetal., 2017)。長白山地區(qū)橄欖巖包體中缺乏角閃石、磷灰石或金云母等顯性交代的礦物，在全巖和單斜輝石微量元素上具有明顯的富集輕稀土元素的特征，并且表現(xiàn)出Nd-Hf同位素解耦現(xiàn)象，說明長白山地區(qū)橄欖巖在形成時發(fā)生了隱性交代作用。

已有研究表明，巖石圈地幔的交代介質(zhì)主要來源有碳酸鹽熔體(Rudnicketal., 1993)、富水硅酸鹽熔體(Zanganaetal., 1999)和富水流體(Xuetal., 2003)。在長白山地區(qū)橄欖巖中第一、四組單斜輝石具有虧損Nb的特征，第二、三組的單斜輝石Nb含量相對高一些，暗示在地幔交代中可能有Nb的加入(圖5)。由于富水流體并不能傳輸Nb(Eggler, 1987)，因此排除了交代介質(zhì)為富水流體的可能。組一和組二的樣品中輕重稀土元素分異明顯，并且略微富集大離子親石元素，大多伴有Zr的虧損，說明長白山地區(qū)橄欖巖包體的形成受到熔體交代影響(Blusztajn and Shimizu, 1994)。進而，需要進一步辨別交代介質(zhì)是碳酸鹽還是硅酸鹽熔體。交代反應中通常用單斜輝石(La/Yb)N和Ti/Eu的關(guān)系圖來指示熔體的性質(zhì)(Coltortietal., 1999)。高的(La/Yb)N和低的Ti/Eu比值多體現(xiàn)碳酸鹽熔體的交代作用，一般與穩(wěn)定大陸的巖漿作用有關(guān)；而低的(La/Yb)N和高的Ti/Eu比值多與硅酸鹽熔體交代有關(guān)(鄭建平, 2009)。長白山地區(qū)橄欖巖包體中的單斜輝石Ti/Eu比值較高且變化較大，而(La/Yb)N比值相對很低，可以明顯反映出硅酸鹽熔體的交代作用(圖10)。此外，碳酸鹽熔體形成的橄欖巖通常富集輕稀土元素、Sr、Ba和Rb元素，虧損高場強元素，具有較高的 (La/Yb)N值(Suetal., 2012)，與長白山地區(qū)橄欖巖包體的微量元素含量明顯不同；橄欖巖包體中還缺乏碳酸鹽交代的典型礦物，如方解石、磷灰石等(Yaxleyetal., 1998)，排除了交代介質(zhì)來源于碳酸鹽熔體的可能性。

圖10 橄欖巖中單斜輝石的(La/Yb)N-Ti/Eu關(guān)系圖(據(jù)Coltorti et al., 1999)粒隕石標準化值據(jù)Sun and McDonough (1989)Fig.10 Plot of (La/Yb)N vs. Ti/Eu of clinopyroxene from peridotite (after Coltorti et al., 1999)Chondrite-normalized values after Sun and McDonough (1989)

橄欖巖中單斜輝石的Nd-Hf同位素也可以約束交代熔體的性質(zhì)。在Nd-Hf同位素關(guān)系圖中(圖7b)，研究區(qū)的橄欖巖包體落在Nd-Hf同位素擬合的地幔演化線上。這樣的Nd-Hf同位素解耦在地幔橄欖巖中經(jīng)常觀察到(Choi and Mukasa, 2012; Liuetal., 2017)。為查明交代介質(zhì)的性質(zhì)，我們用虧損地幔(143Nd/144Nd=0.5153、176Hf/177Hf=0.2853、Nd=1×10-6、Hf=0.4×10-6)和三個交代介質(zhì)分別模擬出混合曲線，包括長白山玄武巖(Nd=35.9×10-6、Hf=5.1×10-6, Kuritanietal., 2009)、島弧玄武巖(Nd=10.1×10-6、Hf=1.7×10-6, Kelemenetal., 2005)、富水的熔/流體(Nd=11.0×10-6、Hf=1.0×10-6, Kesseletal., 2005)。由圖7b可知，長白山和龍崗二輝橄欖巖樣品主要落在虧損地幔與富水流體端元和島弧玄武巖端元混合的曲線上。綜上所述，長白山地區(qū)二輝橄欖巖樣品經(jīng)歷的交代作用中交代介質(zhì)為來源于與俯沖作用相關(guān)的富水硅酸鹽熔體。

4.3 巖石圈地幔的形成時代

長白山地區(qū)地幔包體均為不含石榴子石的尖晶石橄欖巖，表明其來自低于80km深度的地幔，全巖和礦物主量元素顯示形成尖晶石橄欖巖的地幔具有飽滿和高溫的特征。Fo值大于91的橄欖石被認為是太古代-元古代巖石圈地幔碎片的標志，F(xiàn)o值小于90的橄欖巖被認為是顯生宙新增生的飽滿巖石圈地幔(Griffinetal., 1998a; Zhengetal., 2007)。長白山地區(qū)地幔橄欖巖包體中橄欖石的Fo值變化范圍較大，顯示出新增生的巖石圈地幔和過渡型巖石圈地幔的特征。在圖11中可見，長白山地區(qū)二輝橄欖巖包體大多落在顯生宙區(qū)域，而方輝橄欖巖包體則落在元古宙區(qū)域附近，樣品整體沿著大洋演化趨勢線分布，說明在長白山地區(qū)下部存在不同時代的巖石圈地幔。

圖11 橄欖巖中橄欖石含量與橄欖石Fo值關(guān)系圖解大洋趨勢演化線來自Boyd (1989).太古代、元古代和顯生宙區(qū)域范圍來自Griffin et al. (1998a)Fig.11 Plot of modal olivine in peridotite versus Fo in olivineOceanic trend derived from Boyd (1989). Fields for the Archean, Proterozoic, and Phanerozoic from Griffin et al. (1998a)

在圖12中，長白山地區(qū)橄欖巖包體中橄欖石的Fo值與平衡溫度之間不存在相關(guān)性，說明長白山地區(qū)存在新生飽滿和過渡型巖石圈地幔，但是二者在垂向上并未表現(xiàn)出明顯的分層效應。Xuetal. (2019)對研究區(qū)橄欖巖含水量的研究發(fā)現(xiàn)，全巖水含量超過50×10-6(最高達132×10-6)的樣品代表新增生的軟流圈來源的巖石圈地幔，而全巖水含量小于50×10-6(低至9×10-6)的樣品代表著減薄的古老的巖石圈地幔，這也與前人研究的華北克拉通地區(qū)新生代玄武巖所攜帶的地幔橄欖巖水含量相一致(Xiaetal., 2010)。

圖12 地幔橄欖巖橄欖石Fo值與平衡溫度關(guān)系圖解Fig.12 Equilibration temperature versus Fo in olivine for the peridotite

長白山地區(qū)橄欖巖包體的單斜輝石表現(xiàn)出整體Sr同位素虧損，部分樣品Sr同位素富集的特征，以及整體Nd-Hf同位素虧損的特征。在圖13中，長白山地區(qū)橄欖巖包體的Sm-Nd和Lu-Hf同位素特征表現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系，在橄欖巖包體中選取不受熔體交代及受熔體交代作用影響弱的樣品，進行等時線擬合分析，分別得到Sm-Nd和Lu-Hf同位素模式年齡127～510Ma和260～853Ma，二者的年齡范圍具有較大的差異，Nd-Hf同位素發(fā)生了一定的解耦現(xiàn)象(圖7)，說明橄欖巖包體的Nd-Hf同位素可能受到對流地幔分離后巖石圈晚期交代作用改造(Bizimisetal., 2007)。研究表明Nd比Hf在含水溶液或者熔體中更易遷移(Ferrandoetal., 2019)。因此，相比于Lu-Hf同位素體系，熔/流體交代作用更容易重置Sm-Nd同位素體系。同時，Lu-Hf同位素體系具有較高的封閉溫度，在巖石圈地幔形成后不容易受到后期擾動，可以得到較為可信的年齡。此外，我們挑選出不受熔體交代作用以及受熔體交代弱的橄欖巖樣品。這些不受熔體交代作用或者交代作用不明顯的樣品的單斜輝石Hf同位素的模式年齡能夠提供一個比較可靠的巖石圈地幔年齡，這些樣品的單斜輝石Hf同位素計算出模式年齡的結(jié)果為260～853Ma，橄欖巖包體的形成時間范圍與華北克拉通的演化歷史相符(翟明國, 2019)。以上礦物學、地球化學和同位素證據(jù)表明，長白山地區(qū)下覆巖石圈地幔以新增生的飽滿地幔為主，夾有少量古老難熔的巖石圈地幔碎片。

圖13 長白山地區(qū)橄欖巖包體單斜輝石147Sm/144Nd-143Nd/144Nd關(guān)系圖解(a)和176Lu/177Hf-176Hf/177Hf關(guān)系圖解(b)虧損地幔(DM)和球粒隕石均一儲庫(CHUR)數(shù)據(jù)來自Blichert-Toft and Albarède (1997), Pearson and Nowell (2004)和Bouvier et al. (2008). 計算Lu-Hf等時線時衰變常數(shù)λ=1.865×10-11y-1(Scherer et al., 2001)Fig.13 Plot of 147Sm/144Nd vs. 143Nd/144Nd (a) and plot of 176Lu/177Hf vs. 176Hf/177Hf (b) for clinopyroxenes from Changbaishan peridotitesData for depleted mantle (DM) and chondritic uniform reservoir (CHUR) from Blichert-Toft and Albarède (1997), Pearson and Nowell (2004) and Bouvier et al. (2008). Calculation of the Lu-Hf errorchron was based on the decay constant λ=1.865×10-11y-1 (Scherer et al., 2001)

4.4 巖石圈地幔轉(zhuǎn)化的構(gòu)造動力學機制

在華北克拉通內(nèi)，古生代金伯利巖的包體指示厚、古老和難熔的前寒武系巖石圈地幔，新生代玄武巖中橄欖巖包體指示薄、新生和飽滿的新生代巖石圈地幔(鄭建平, 2009)。本次研究發(fā)現(xiàn)，長白山地區(qū)以新生飽滿巖石圈地幔為主，含少量古老難熔巖石圈地幔，說明在長白山地區(qū)所處的華北克拉通東北部發(fā)生了明顯的巖石圈地幔的轉(zhuǎn)化。華北克拉通巖石圈地幔的轉(zhuǎn)化過程一直是學者研究的焦點，其構(gòu)造動力學機制仍存在不同認識，包括熱化學侵蝕(Xu, 2001)、古老地殼的拆沉作用(Gaoetal., 2008)和板片俯沖作用(Linetal., 2019)。

研究表明，華北克拉通東部巖石圈地幔具有“東薄西厚”的特征，是太平洋板塊向西俯沖的結(jié)果(Zhengetal., 2009)。長白山地區(qū)位于華北克拉通東北部，地球物理(Zhao and Ohtani, 2009)和Os同位素(Zhangetal., 2017)證據(jù)表明在太平樣板片形成的“地幔楔”越過長白山地區(qū)，向東俯沖至華北克拉通東部的郯廬斷裂帶下部。構(gòu)造地貌學和構(gòu)造應力場研究發(fā)現(xiàn)，在華北克拉通東部的盆地、斷裂和變質(zhì)核雜巖都表現(xiàn)出NE-NNE的線性展布規(guī)律(Zhuetal., 2012)，也與太平洋板塊向西俯沖的構(gòu)造動力學機制一致。此外，華北克拉通東部侏羅-白堊紀巖漿活動也證明是太平洋板塊向西的俯沖擠壓和伸展拉伸階段的產(chǎn)物(Liangetal., 2020)。綜上所述，太平洋板塊的俯沖作用對華北克拉通東北部巖石圈地幔造成的影響有：華北克拉通東北部巖石圈的拉張和伸展的時空變化與俯沖的太平洋板塊的方向和角度相一致；俯沖太平洋板塊為中-新生代巖漿提供了拉張伸展的環(huán)境且提供了源區(qū)物質(zhì)。

地球物理的證據(jù)表明東北地區(qū)地幔過渡帶深度存在著滯留的太平洋板塊(Zhao and Ohtani, 2009)研究表明地幔過渡帶是地幔內(nèi)部一個較大的含水儲庫(Pearsonetal., 2014)。地幔過渡帶中水的長期循環(huán)流動過程中會導致局部的瑞利-泰勒不穩(wěn)定，進而產(chǎn)生上涌的水柱(Richard and Bercovici, 2009)。層析圖像的結(jié)果也表明在長白山地區(qū)從上地幔至410km(地幔過渡帶的最上端)存在著一個顯著的低速異常(Huang and Zhao, 2006; Zhaoetal., 2009)。長白山地區(qū)上地幔深度存在的低速異常很可能是由于來源于地幔過渡帶的水柱所致(Zhaoetal., 2009)。這些水柱在上升過程中，將先前存在地幔過渡帶的太平洋板塊的物質(zhì)(洋殼或和沉積物)運送到上地幔。這些再循環(huán)的太平洋板塊的物質(zhì)在上地幔的某一深度發(fā)生部分熔融產(chǎn)生熔體，這些熔體在上升過程中與長白山地區(qū)古老難熔的巖石圈地幔發(fā)生相互作用，導致巖石圈地幔由古老難熔向新生飽滿發(fā)生轉(zhuǎn)變。在轉(zhuǎn)變過程中，少量古老難熔的成分會殘留到巖石圈地幔，最終在長白山地區(qū)形成以新生飽滿為主，含少量古老難熔的巖石圈地幔。因此，太平洋板片俯沖不僅為新生代長白山地區(qū)提供了構(gòu)造動力學背景，還為其巖石圈形成與破壞提供所需的物質(zhì)。

5 結(jié)論

本文基于長白山地區(qū)地幔橄欖巖包體的巖相學、全巖主微量元素、單礦物原位主微量元素、單斜輝石Sr-Nd-Hf同位素特征研究，得到以下結(jié)論：

(1)長白山地區(qū)的橄欖巖包體主要是尖晶石相二輝橄欖巖和少量的方輝橄欖巖，平衡溫度為900～1100℃，經(jīng)歷了的不同程度的部分熔融(二輝橄欖巖<10%；方輝橄欖巖>10%)，后期受到地幔交代作用影響，交代介質(zhì)為富水硅酸鹽熔體。

(2)長白山地區(qū)晚新生代巖石圈地幔表現(xiàn)出不均一的特征，以新生飽滿地幔為主，夾有少量古老難熔的巖石圈地幔碎片。

(3)太平洋板塊向西俯沖的過程使得長白山地區(qū)所處的華北克拉通東北部下覆軟流圈上涌，攜帶大量殼源物質(zhì)進入地幔深部，富水硅酸鹽熔體上升過程中與巖石圈地幔發(fā)生橄欖巖-熔體反應，導致巖石圈地幔由古老難熔向新生飽滿發(fā)生轉(zhuǎn)變。

致謝感謝中國科學院地質(zhì)與地球物理所雷鳴博士、成智慧及張茂亮博士后等在野外工作和數(shù)據(jù)分析中的大力支持和幫助。感謝匿名審稿人和期刊主編對論文提出的寶貴意見。