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西南印度洋中脊玄武岩地球化学特征及其对岩浆过程的指示意义

韩宗珠 孙苑高 王传 孙晓霞 刘明 来志庆

韩宗珠,孙苑高,王传,等. 西南印度洋中脊玄武岩地球化学特征及其对岩浆过程的指示意义[J]. 海洋地质前沿,2021,37(1):11-19 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.045
引用本文: 韩宗珠,孙苑高,王传,等. 西南印度洋中脊玄武岩地球化学特征及其对岩浆过程的指示意义[J]. 海洋地质前沿,2021,37(1):11-19 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.045
Zongzhu HAN, Yuangao SUN, Chuan WANG, Xiaoxia SUN, Ming LIU, Zhiqing LAI. GEOCHEMICAL CHARACTERISTICS OF THE MORBS OF THE SWIR AND THEIR IMPLICATIONS FOR MAGMATIC PROCESS[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(1): 11-19. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.045
Citation: Zongzhu HAN, Yuangao SUN, Chuan WANG, Xiaoxia SUN, Ming LIU, Zhiqing LAI. GEOCHEMICAL CHARACTERISTICS OF THE MORBS OF THE SWIR AND THEIR IMPLICATIONS FOR MAGMATIC PROCESS[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(1): 11-19. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.045

西南印度洋中脊玄武岩地球化学特征及其对岩浆过程的指示意义

doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.045
基金项目: 国家自然科学基金(41376053);山东省自然科学基金(ZR2017PD002)
详细信息
    作者简介:

    韩宗珠(1964—),男,教授,主要从事岩石学和地球化学方面的研究工作. E-mail:hanzongzhu@ouc.edu.cn

  • 中图分类号: P736.4;P595

GEOCHEMICAL CHARACTERISTICS OF THE MORBS OF THE SWIR AND THEIR IMPLICATIONS FOR MAGMATIC PROCESS

  • 摘要: 对采自西南印度洋中脊(SWIR)50°E附近5个站位的玄武岩样品进行了岩石学和元素地球化学研究。样品主量元素、TAS分类图解和AFM图解显示,SWIR研究区样品类型主要为低钾拉斑玄武岩。相对原始地幔SWIR区玄武岩具有Ba、Nb、Sr负异常,K表现为正异常。稀土元素分配模式均为左倾型,具有轻微的Eu、Ce正异常;SWIR区玄武岩都起源于上地幔,SWIR玄武岩则明显向EMⅡ端元偏移。SWIR玄武岩地幔源区相对最为富集,可能为DM和EMⅡ的混合源区,存在少量的陆壳成分。研究区玄武质岩浆起源深度为尖晶石橄榄岩区域处于中度还原环境下,经历了明显的橄榄石+单斜辉石+斜长石的分离结晶。
  • 图  1  西南印度洋洋中脊岩石类型分布图[12]

    Figure  1.  Distribution of the rock types on the SWIR[12]

    图  2  SWIR研究区玄武岩代表性样品偏光镜下特征

    Ol:橄榄石;Pl:斜长石

    Figure  2.  Microscopic characteristics of the typical basalt from SWIR

    图  3  SWIR研究区玄武岩TAS分类图

    Figure  3.  TAS diagram of basalt samples

    图  4  SWIR研究区玄武岩AFM图解

    Figure  4.  AFM diagram of basalt samples

    图  5  稀土元素球粒陨石标准化配分模式及微量元素原始地幔标准化蛛网图

    Figure  5.  The Cl-Chondrite normalized REE pattern and spider diagram of trace elements of the basalt samples

    图  6  SWIR研究区玄武岩Nb*-Ta*、εNd-87Sr/86Sr图解

    Mantle Array:地幔阵列;PREMA:普通地幔;BSE:主体硅酸盐地球;DM:亏损地幔;MORB:洋中脊玄武岩;HIMU:高U-Pb比值地幔;OIB:洋岛玄武岩;EMⅠ:Ⅰ型富集地幔;EMⅡ:Ⅱ型富集地幔

    Figure  6.  Nb*-Ta* and εNd-87Sr/86Sr diagrams of the SWIR

    图  7  SWIR玄武岩εNd-206Pb/204Pb、206Pb/204Pb -87Sr/86Sr、207Pb/204Pb-206Pb/204Pb图解

    NHRL:北半球参考线

    Figure  7.  εNd-206Pb/204Pb, 206Pb/204Pb -87Sr/86Sr, 207Pb/204Pb-206Pb/204Pb diagrams of the SWIR basalts

    图  8  SWIR玄武岩(Tb/Yb)N-(La/Sm)N图解[29]

    Figure  8.  (Tb/Yb)N-(La/Sm)N diagrams of the SWIR basalt[29]

    图  9  143Nd/144Nd-87Sr/86Sr图解[27]

    Figure  9.  143Nd/144Nd-87Sr/86Sr diagram[27]

    图  10  SWIR玄武岩(La/Yb)N-(Dy/Yb)N和La/Yb-Yb图解

    Figure  10.  (La/Yb)N-(Dy/Yb)N and La/Yb-Yb diagram of the SWIR basalt

    图  11  SWIR玄武岩CaO/Al2O3-Na8图解

    数字代表部分熔融程度F

    Figure  11.  CaO/Al2O3-Na8 diagram of the SWIR basalt

    表  1  SWIR研究区样品采样位置及采样方法

    Table  1.   Sample locations from SWIR and sampling methods

    样品编号经度纬度采样方式
    B01 50.42585°E 37.60980°S 电视抓斗
    B03 50.37599°E 37.552317°S
    B04 50.46777°E 37.67918°S
    B05 50.47244°E 37.67936°S
    S31 48.5802°E 38.13244°S
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    表  2  SWIR研究区玄武岩元素地球化学数据分析结果

    Table  2.   Element geochemistry of the basalt in the study area

    元素/指标B01B03B04B05S31
    主量元素/% SiO2 47.13 43.72 48.93 48.4 48.04
    TiO2 1.52 1.41 1.4 1.43 1.14
    Fe2O3 14.67 12.72 12.83 13.57 14.62
    MgO 8.36 5.96 7.76 8.63 10.98
    Al2O3 12.21 14.94 14.57 13.61 13.36
    Na2O 3.33 3.46 3.35 3.67 3.43
    CaO 10.77 12.48 11.13 11.29 10.65
    K2O 0.28 0.35 0.37 0.28 0.31
    MnO 0.21 0.45 0.19 0.21 0.37
    P2O5 0.15 0.22 0.15 0.17 0.13
    Total 98.63 95.71 100.68 101.26 103.03
    Mg# 53 48 55 56 60
    微量元素/10−6 Ba 14.4 21 25.07 26.95 17.1
    Cr 231.85 248.65 290.85 326.87 576.19
    Ni 89.14 95.99 114.65 117.82 220.23
    Sr 111.27 226.37 96.58 96.38 94.72
    V 431.92 426.03 393.05 411.36 346.54
    Nb 1.89 3.73 2.82 3.66 4.84
    Ta 0.13 0.12 0.15 0.15 0.16
    Hf 3.78 7.08 2.23 2.15 1.74
    Zr 89.67 78.96 78.6 74.9 57.4
    稀土元素/10−6 La 2.84 7.49 2.14 2.32 3.48
    Ce 8.77 27.6 7.22 7.42 14.6
    Pr 1.62 2.47 1.41 1.46 1.39
    Nd 8.9 12.24 8.12 8.28 7.35
    Sm 3.21 3.78 3.04 3.1 2.54
    Eu 1.22 1.36 1.16 1.17 0.98
    Gd 3.69 4.37 3.54 3.49 3.02
    Tb 0.81 0.91 0.78 0.78 0.65
    Dy 5.72 6.3 5.52 5.64 4.54
    Ho 1.29 1.41 1.25 1.27 1.02
    Er 3.57 3.92 3.52 3.57 2.83
    Tm 0.57 0.61 0.56 0.57 0.45
    Yb 3.54 3.89 3.6 3.67 2.91
    Lu 0.57 0.64 0.59 0.58 0.47
    ∑REE 46.31 76.99 42.45 43.32 46.22
    LREE/HREE 1.34 2.49 1.19 1.21 1.91
    LaN/YbN 0.54 1.3 0.4 0.43 0.81
    δEu 1.08 1.02 1.08 1.08 1.08
    δCe 0.97 1.54 0.97 0.94 1.6
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    表  3  SWIR研究区玄武岩Sr-Nd-Pb同位素分析结果

    Table  3.   The analysis results of Sr-Nd-Pb isotope on the SWIR

    同位素B04B05S31DMEMHIMUN-MORB
    208Pb/204Pb 38.282 1 38.529 4 38.746 3 37.2~37.4 38~38.2 37.891
    2SE 0.005 5 0.001 9 0.002
    207Pb/204Pb 15.563 2 15.623 6 15.649 8 15.4 15.46~15.49 15.485
    2SE 0.002 0.000 7 0.000 7
    206Pb/204Pb 18.327 2 18.377 6 18.706 1 17.2~17.7 17.6~17.7 >20.8 18.6
    2SE 0.002 2 0.000 7 0.000 8
    208Pb/206Pb 2.088 81 2.096 5 2.071 2
    2SE 0.000 07 0.000 05 0.000 04
    207Pb/206Pb 0.849 19 0.850 1 0.836 5
    2SE 0.000 02 0.000 01 0.000 01
    87Sr/86Sr 0.702 692 0.702 7 0.704 1 0.702~0.702 4 0.704 5~0.706 0.702 9 0.702 84
    ±2σ 14 15 12
    143Nd/144Nd 0.513 126 0.513 1 0.512 9 0.513 1~0.513 3 0.511 2 <0.512 8 0.513 13
    ±2σ 6 14 8
    εNd(t 9.519 388 9.285 3 5.715 5
    注:DM、EM、HIMU数据来自ZINDLER等[17]和WEAVER[18];N-MORB数据来自ITO和李彬贤[19]
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    表  4  SWIR玄武岩部分熔融程度

    Table  4.   The partial melting of the SWIR basalt

    /%
    采样位置样品号Na8Ca8Al8F
    SWIRB013.3910.5711.8915.45
    B033.0314.2916.7816.76
    B043.3111.2814.7913.95
    B053.7810.9813.0712.69
    S313.9510.6411.9712.57
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-05-06
  • 网络出版日期:  2020-12-12
  • 刊出日期:  2021-01-27

西南印度洋中脊玄武岩地球化学特征及其对岩浆过程的指示意义

doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.045
    基金项目:  国家自然科学基金(41376053);山东省自然科学基金(ZR2017PD002)
    作者简介:

    韩宗珠(1964—),男,教授,主要从事岩石学和地球化学方面的研究工作. E-mail:hanzongzhu@ouc.edu.cn

  • 中图分类号: P736.4;P595

摘要: 对采自西南印度洋中脊(SWIR)50°E附近5个站位的玄武岩样品进行了岩石学和元素地球化学研究。样品主量元素、TAS分类图解和AFM图解显示,SWIR研究区样品类型主要为低钾拉斑玄武岩。相对原始地幔SWIR区玄武岩具有Ba、Nb、Sr负异常,K表现为正异常。稀土元素分配模式均为左倾型,具有轻微的Eu、Ce正异常;SWIR区玄武岩都起源于上地幔,SWIR玄武岩则明显向EMⅡ端元偏移。SWIR玄武岩地幔源区相对最为富集,可能为DM和EMⅡ的混合源区,存在少量的陆壳成分。研究区玄武质岩浆起源深度为尖晶石橄榄岩区域处于中度还原环境下,经历了明显的橄榄石+单斜辉石+斜长石的分离结晶。

English Abstract

韩宗珠,孙苑高,王传,等. 西南印度洋中脊玄武岩地球化学特征及其对岩浆过程的指示意义[J]. 海洋地质前沿,2021,37(1):11-19 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.045
引用本文: 韩宗珠,孙苑高,王传,等. 西南印度洋中脊玄武岩地球化学特征及其对岩浆过程的指示意义[J]. 海洋地质前沿,2021,37(1):11-19 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.045
Zongzhu HAN, Yuangao SUN, Chuan WANG, Xiaoxia SUN, Ming LIU, Zhiqing LAI. GEOCHEMICAL CHARACTERISTICS OF THE MORBS OF THE SWIR AND THEIR IMPLICATIONS FOR MAGMATIC PROCESS[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(1): 11-19. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.045
Citation: Zongzhu HAN, Yuangao SUN, Chuan WANG, Xiaoxia SUN, Ming LIU, Zhiqing LAI. GEOCHEMICAL CHARACTERISTICS OF THE MORBS OF THE SWIR AND THEIR IMPLICATIONS FOR MAGMATIC PROCESS[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(1): 11-19. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.045
    • 洋中脊是离散型板块边界,在此形成的洋壳向两侧扩张,使地幔物质减压发生部分熔融形成玄武质岩浆[1]。岩浆的地幔源区不同、部分熔融差异、温度的变化以及岩石圈厚度等都会导致岩浆的形成过程和化学成分的不同[2],因此,洋中脊玄武岩携带有上地幔物质,其带来的信息可以反映地幔源区特征、熔融过程等差异。由于大洋岩石圈相较于大陆物质组成较简单,厚度较小,因此,洋中脊玄武岩受到的混染作用较小,能够更准确地反映出其地幔物源区性质及岩浆的演化过程,结合洋壳的特征能够有效地反演出岩浆形成过程中的动力学过程[3]。本文以“大洋一号”调查船获得的5块玄武岩样品为研究对象,通过对样品的岩相学、地球化学的特征进行分析,利用西南印度洋中脊玄武岩地球化学特征来反演其地幔源区特征、岩浆演化过程的差异。

    • 西南印度洋洋中脊(SWIR)总长约7 700 km,自南大西洋Bouvet Triple Junction(54°50′S,00°40′W)延伸到印度洋的Rodrigues Triple Junction(25°30′S,70°00′E),至少在100 Ma以前开始活跃[4-5]。SWIR是超慢速扩张洋中脊[6],其被一系列SN走向的转换断层分成若干段,扩张速率平均为14 mm/a,速率沿脊中轴变化较为明显,由西南段的平均16~18 mm/a减小到北东段的平均12~13 mm/a[7]。自转换断层向东直至RTJ,被3个SN向的主要断裂带偏移。SWIR中有一段长约1 000 km的转换断层将西南印度洋分为2个部分[8-9]。西南印度洋的洋壳厚度约4 km,而正常洋壳的平均厚度约为7 km[10],在70°—49°E 范围内的洋中脊段,洋壳厚度增加[11]

      根据ZHOU和DICK[12]绘制的地形图(图1),岩石类型主要沿轴分布,SWIR主要出露玄武岩,在轴部地区亦有橄榄岩大量出露,在断裂带以外区域有少量辉长岩和蛇纹石化橄榄岩等出露[13-14]。JANNEY等[15]认为SWIR中部地区的玄武岩类型具有分段性,自西向东分别出露E-MORB型、N-MORB型、N-MORB与T-MORB的混合型、受Marion影响的洋中脊玄武岩、Dupal型洋中脊玄武岩等几段不同类型的玄武岩。

      图  1  西南印度洋洋中脊岩石类型分布图[12]

      Figure 1.  Distribution of the rock types on the SWIR[12]

    • 本次研究的洋中脊玄武岩样品是“大洋一号”调查船在DY115-21航次获取的,采样点以及采样方式如表1所示。

      表 1  SWIR研究区样品采样位置及采样方法

      Table 1.  Sample locations from SWIR and sampling methods

      样品编号经度纬度采样方式
      B01 50.42585°E 37.60980°S 电视抓斗
      B03 50.37599°E 37.552317°S
      B04 50.46777°E 37.67918°S
      B05 50.47244°E 37.67936°S
      S31 48.5802°E 38.13244°S

      对SWIR研究区的玄武岩样品主要采用岩相学观察、全岩主、微量元素分析和Sr-Nd-Pb同位素等分析方法。玄武岩样品的岩相学观察以及主量元素测试分别在中国海洋大学地学院矿物鉴定实验室以及XRF分析实验室完成,主量元素分析精度优于0.5%;微量元素测试在中国地调局青岛海洋地质研究所采用ICP-AES完成,分析精度优于5%;Sr-Nd-Pb同位素分析在中国地质科学院地质研究所完成。

    • SWIR地区玄武岩(图2)主要为隐晶质以及斑状结构,为块状构造,且部分样品气孔状构造发育,气孔内缺乏热液充填。无论是隐晶质结构还是斑状结构的样品中,其基质主要矿物为斜长石和辉石,自形—半自形的斜长石杂乱分布,半自形—他形辉石填充其中,并且其间隙填充有火山玻璃,部分样品有极少量橄榄石填充其中,且部分暗色矿物发生绿帘石化。具斑状结构的样品中,斑晶主要为斜长石,约占斑晶总量的70%,呈板状或柱状,粒径变化较大,可见聚片双晶、卡式双晶等,发育环带,部分晶体受熔蚀影响具有不规则的边界,较大的斜长石斑晶有熔蚀麻点现象;橄榄石斑晶很少,呈粒状,发育裂纹,部分伊丁石化;偶见辉石斑晶颗粒较小填充在斜长石斑晶间隙中。基质主要为呈间粒结构,局部可见针状斜长石呈定向排列,此外,部分样品中有少量磁铁矿出现。

      图  2  SWIR研究区玄武岩代表性样品偏光镜下特征

      Figure 2.  Microscopic characteristics of the typical basalt from SWIR

    • 研究区玄武岩主量元素测试结果见表2。研究区玄武岩主量元素含量比较均一,变化范围较小,其中:SiO2质量分数为43.72%~48.93%,均值为47.24%;MgO质量分数变化较大,为5.96%~10.98%,均值为8.34%;Na2O为3.33%~3.67%,平均3.45%;K2O为0.28%~0.37%,平均0.32%;TiO2为1.14%~1.52%,平均1.38%,低于碱性洋岛玄武岩平均值(2.90%),而与洋岛拉斑玄武岩或洋中脊玄武岩值相近;Mg#为48~60,平均为54.4,低于原生岩浆中的含量范围(Mg#=68~75),这说明岩浆形成后经历了结晶分异作用。在TAS分类命名图解中(图3),SWIR玄武岩是基性玄武岩。在AFM图解中(图4),SWIR玄武岩样品投影在拉斑玄武岩区域中。综上所述,SWIR研究区的玄武岩的岩石化学成分类型均属于低钾拉斑玄武岩系列。

      表 2  SWIR研究区玄武岩元素地球化学数据分析结果

      Table 2.  Element geochemistry of the basalt in the study area

      元素/指标B01B03B04B05S31
      主量元素/% SiO2 47.13 43.72 48.93 48.4 48.04
      TiO2 1.52 1.41 1.4 1.43 1.14
      Fe2O3 14.67 12.72 12.83 13.57 14.62
      MgO 8.36 5.96 7.76 8.63 10.98
      Al2O3 12.21 14.94 14.57 13.61 13.36
      Na2O 3.33 3.46 3.35 3.67 3.43
      CaO 10.77 12.48 11.13 11.29 10.65
      K2O 0.28 0.35 0.37 0.28 0.31
      MnO 0.21 0.45 0.19 0.21 0.37
      P2O5 0.15 0.22 0.15 0.17 0.13
      Total 98.63 95.71 100.68 101.26 103.03
      Mg# 53 48 55 56 60
      微量元素/10−6 Ba 14.4 21 25.07 26.95 17.1
      Cr 231.85 248.65 290.85 326.87 576.19
      Ni 89.14 95.99 114.65 117.82 220.23
      Sr 111.27 226.37 96.58 96.38 94.72
      V 431.92 426.03 393.05 411.36 346.54
      Nb 1.89 3.73 2.82 3.66 4.84
      Ta 0.13 0.12 0.15 0.15 0.16
      Hf 3.78 7.08 2.23 2.15 1.74
      Zr 89.67 78.96 78.6 74.9 57.4
      稀土元素/10−6 La 2.84 7.49 2.14 2.32 3.48
      Ce 8.77 27.6 7.22 7.42 14.6
      Pr 1.62 2.47 1.41 1.46 1.39
      Nd 8.9 12.24 8.12 8.28 7.35
      Sm 3.21 3.78 3.04 3.1 2.54
      Eu 1.22 1.36 1.16 1.17 0.98
      Gd 3.69 4.37 3.54 3.49 3.02
      Tb 0.81 0.91 0.78 0.78 0.65
      Dy 5.72 6.3 5.52 5.64 4.54
      Ho 1.29 1.41 1.25 1.27 1.02
      Er 3.57 3.92 3.52 3.57 2.83
      Tm 0.57 0.61 0.56 0.57 0.45
      Yb 3.54 3.89 3.6 3.67 2.91
      Lu 0.57 0.64 0.59 0.58 0.47
      ∑REE 46.31 76.99 42.45 43.32 46.22
      LREE/HREE 1.34 2.49 1.19 1.21 1.91
      LaN/YbN 0.54 1.3 0.4 0.43 0.81
      δEu 1.08 1.02 1.08 1.08 1.08
      δCe 0.97 1.54 0.97 0.94 1.6

      图  3  SWIR研究区玄武岩TAS分类图

      Figure 3.  TAS diagram of basalt samples

      图  4  SWIR研究区玄武岩AFM图解

      Figure 4.  AFM diagram of basalt samples

    • 由研究区玄武岩微量元素测试结果(表2)可见,研究区V、Cr、Sr、Zr和Ni含量较高;Nb、Hf和Ta元素含量相对较低。在标准化蛛网图中(图5),研究区样品总体上具有Ba、Ta和Sr呈负异常以及K呈正异常的特征,但各样品间有较大差异,可能受到其源区成分的影响。研究区样品∑REE含量范围为(42.45~76.99)×10−6,重稀土元素配分模式是相似的,δEu为弱的正异常;样品B03和S31显示右倾型特征,δCe表现为强烈的正异常,该样品可能处于氧化环境中。(La/Yb)N是轻重稀土的分馏程度的指标,反映地幔部分熔融程度的影响,除B03和S31的(La/Yb)N和(La/Sm)N较大外(表2),其余样品(La/Yb)N和(La/Sm)N均<0.6,重稀土明显富集,轻稀土有一定程度的分馏。SWIR研究区仅B03样品具有E-MORB的特征,显示出N-MORB和E-MORB混合存在的特点[16]

      图  5  稀土元素球粒陨石标准化配分模式及微量元素原始地幔标准化蛛网图

      Figure 5.  The Cl-Chondrite normalized REE pattern and spider diagram of trace elements of the basalt samples

    • 研究区玄武岩Sr-Nd-Pb同位素测试结果见表3,Sr-Nd-Pb同位素组成较为均一。研究区元素特征接近于EM源区特征值,Sr、Nd同位素比值相对DM源区比值偏高[17-18]。本文中SWIR区玄武岩样品的同位素数据反映了87Sr/86Sr、206Pb/204Pb、207Pb/204P、208Pb/204Pb的增加和143Nd/144Nd的减少,说明Crozet热点对SWIR具有影响[19]

      表 3  SWIR研究区玄武岩Sr-Nd-Pb同位素分析结果

      Table 3.  The analysis results of Sr-Nd-Pb isotope on the SWIR

      同位素B04B05S31DMEMHIMUN-MORB
      208Pb/204Pb 38.282 1 38.529 4 38.746 3 37.2~37.4 38~38.2 37.891
      2SE 0.005 5 0.001 9 0.002
      207Pb/204Pb 15.563 2 15.623 6 15.649 8 15.4 15.46~15.49 15.485
      2SE 0.002 0.000 7 0.000 7
      206Pb/204Pb 18.327 2 18.377 6 18.706 1 17.2~17.7 17.6~17.7 >20.8 18.6
      2SE 0.002 2 0.000 7 0.000 8
      208Pb/206Pb 2.088 81 2.096 5 2.071 2
      2SE 0.000 07 0.000 05 0.000 04
      207Pb/206Pb 0.849 19 0.850 1 0.836 5
      2SE 0.000 02 0.000 01 0.000 01
      87Sr/86Sr 0.702 692 0.702 7 0.704 1 0.702~0.702 4 0.704 5~0.706 0.702 9 0.702 84
      ±2σ 14 15 12
      143Nd/144Nd 0.513 126 0.513 1 0.512 9 0.513 1~0.513 3 0.511 2 <0.512 8 0.513 13
      ±2σ 6 14 8
      εNd(t 9.519 388 9.285 3 5.715 5
      注:DM、EM、HIMU数据来自ZINDLER等[17]和WEAVER[18];N-MORB数据来自ITO和李彬贤[19]
    • SWIR的Nb/U平均值为27.43,低于MORB和OIB(47±10),高于平均地壳(10)[20-21],多数样品高于原始地幔的对应值,表明该区含有一定的富集组分。SWIR区玄武岩中Nb/Ta和Zr/Hf的平均值分别为35.87和27.58。SWIR相应比值与原始地幔的对应值(分别为17.5±0.5和36.27)相差较大。Ce/Pb比值是研究玄武岩源区地球化学性质和混染交代作用的示踪工具之一[22],研究区的Ce/Pb为0.77~7.85,与陆壳平均值相近,说明研究区玄武质岩浆源区可能混有地壳物质。Nb*和Ta*可以用来揭示玄武岩的地幔来源,大洋玄武岩中高Nb*和Ta*值是由于前期经历了俯冲区域的脱水作用,使得Th和U相对Nb和Ta优先转移到地幔楔的循环大洋岩石圈,导致残余岩石圈富集Nb和Ta[23]。研究区样品的Nb*>1、Ta*<1,表明研究区源区富集组分更可能来自于再循环的大陆物质而非洋壳物质[23-24]图6),可能与冈瓦纳大陆裂解过程中俯冲蚀变岩石圈地幔在初期印度洋上地幔中沉陷有关。

      图  6  SWIR研究区玄武岩Nb*-Ta*、εNd-87Sr/86Sr图解

      Figure 6.  Nb*-Ta* and εNd-87Sr/86Sr diagrams of the SWIR

      εNd-87Sr/86Sr相关图(图6)表明研究区玄武岩起源于上地幔。εNd-206Pb/204Pb相关图(图7)表明玄武岩地幔源区的主体应该是以N-MORB为代表的亏损地幔。在206Pb/204Pb-87Sr/86Sr和207Pb/204Pb -206Pb/204Pb相关图解[25-26]中(图7),研究区玄武岩均落在DM、HIMU和EMⅡ端元之间,SWIR玄武岩则明显向EMⅡ端元偏移。研究区玄武岩可能为DM和EMⅡ的混合源区,存在少量陆壳物质。

      图  7  SWIR玄武岩εNd-206Pb/204Pb、206Pb/204Pb -87Sr/86Sr、207Pb/204Pb-206Pb/204Pb图解

      Figure 7.  εNd-206Pb/204Pb, 206Pb/204Pb -87Sr/86Sr, 207Pb/204Pb-206Pb/204Pb diagrams of the SWIR basalts

    • 在球粒陨石标准化(Tb/Yb)N-(La/Sm)N图解中(图8),研究区所有样品在尖晶石橄榄岩的区域内这一特征说明,研究区样品地幔源区没有石榴子石参与熔融。HAWKESWORTH[27]使用橄榄岩的143Nd/144Nd-87Sr/86Sr图解区分尖晶石橄榄岩和石榴石橄榄岩,发现前者能够代表上地幔的正常样品,而后者一般位于相对于全球的富集象限。在143Nd/144Nd-87Sr/86Sr图中(图9),研究区样品全部落在尖晶石橄榄岩的区域,说明源区较为亏损,有尖晶石橄榄岩的熔融。此外,(Dy/Yb)N-(La/Yb)N和Yb-La/Yb图中(图10),研究区样品落在尖晶石二辉橄榄岩的熔融曲线上,说明研究区的岩浆起源于尖晶石橄榄岩区[28-30]

      图  8  SWIR玄武岩(Tb/Yb)N-(La/Sm)N图解[29]

      Figure 8.  (Tb/Yb)N-(La/Sm)N diagrams of the SWIR basalt[29]

      图  9  143Nd/144Nd-87Sr/86Sr图解[27]

      Figure 9.  143Nd/144Nd-87Sr/86Sr diagram[27]

      图  10  SWIR玄武岩(La/Yb)N-(Dy/Yb)N和La/Yb-Yb图解

      Figure 10.  (La/Yb)N-(Dy/Yb)N and La/Yb-Yb diagram of the SWIR basalt

    • NIU和BATIZA[31-33]认为,CaO/Al2O3与Na8具有良好的线性关系,与部分熔融程度有关,在CaO/Al2O3-Na8图解中(图11),SWIR研究区玄武岩岩浆部分熔融程度为10%~16%。NIU和BATIZA[31-33]总结了大量洋中脊玄武岩的实验结果,并且依据SiO2、Al2O3、FeO和CaO在MgO=8%之间的关系,提出了计算部分熔融程度(F)的经验公式:

      图  11  SWIR玄武岩CaO/Al2O3-Na8图解

      Figure 11.  CaO/Al2O3-Na8 diagram of the SWIR basalt

      $$ F(wt) = 19.202 - 5.175 \times {\rm{N}}{{\rm{a}}_8} + 15.537 \times {\rm{C}}{{\rm{a}}_8}/{\rm{A}}{{\rm{l}}_8} $$

      利用上述公式对SWIR研究区获得的玄武岩数据进行计算,结果显示超慢速扩张脊SWIR玄武岩的部分熔融程度为12.57%~16.76%(表4)。

      表 4  SWIR玄武岩部分熔融程度

      Table 4.  The partial melting of the SWIR basalt

      /%
      采样位置样品号Na8Ca8Al8F
      SWIRB013.3910.5711.8915.45
      B033.0314.2916.7816.76
      B043.3111.2814.7913.95
      B053.7810.9813.0712.69
      S313.9510.6411.9712.57
    • 洋中脊区域上地幔部分熔融形成的岩浆与源区分离,在迁移过程中岩浆所处的温压条件随着岩浆的向上迁移不断变化,在这一过程中,岩浆会发生结晶分异作用,从而使岩浆的组分发生变化,而在扩张脊的岩浆房为分离结晶作用提供了空间[34-35]。本文所选取的玄武岩样品的MgO含量和固结指数(SI)范围较广,说明玄武质岩浆在向上迁移过程中分离结晶过程具有差异。此外,Mg#值也可以反映玄武质岩浆熔融晶体的分离作用,研究区玄武岩的Mg#范围为0.48~0.6,经历了原始(Mg#=0.7)到中等(Mg#=0.4)的演化[36]

      Ni、Cr为强相容元素,其中Ni主要存在于橄榄石中,Cr主要存在于单斜辉石中[37];Sr只相容于斜长石[2]。研究区样品中Ni-MgO和Cr-MgO为明显的正相关,相关系数分别为0.84和0.85,Sr-MgO为明显的负相关,相关系数为−0.76。研究区样品中Ba和Sr为负异常,Eu为弱的正异常,其异常不明显,这表明在岩浆迁移过程中有斜长石的结晶分异作用,但是分离结晶作用不明显,研究区玄武岩在中度还原环境中[38]。综上,研究区玄武岩经历了明显的橄榄石+单斜辉石+斜长石的分离结晶。

    • (1) SWIR区玄武岩样品常量元素特征及岩相学特征指示其化学成分类型为低钾拉斑玄武岩,斑晶均以斜长石斑晶为主;橄榄石斑晶次之;单斜辉石斑晶基本缺失。

      (2) 相对原始地幔SWIR区玄武岩具有Ba、Ta、Sr负异常,K表现为正异常。稀土元素分配模式样品B03和S31显示右倾型特征,δCe表现为强烈的正异常,其余为左倾型,具有轻微的Eu、Ce正异常。

      (3) 微量元素和同位素综合分析表明,SWIR区玄武岩都起源于上地幔,SWIR玄武岩则明显向EMⅡ端元偏移。SWIR玄武岩地幔源区相对最为富集,可能为DM和EMⅡ的混合源区,存在少量的陆壳成分。

      (4) SWIR区玄武质岩浆起源深度为尖晶石橄榄岩区域,SWIR玄武岩的部分熔融程度为14.28%。研究区玄武岩处于中度还原环境下,经历了明显的橄榄石+单斜辉石+斜长石的分离结晶。

参考文献 (38)

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