课题组代表性成果

1. 大陆壳再循环与地幔不均一性


安峰山是一座位于苏北中生代超高压造山带中的新生代火山。系统的Sr-Nd-Pb-Hf同位素分析发现,其同位素组成出现异常排列现象:eNd87Sr/86Sr正相关,与eHf负相关。而且代表Nd-Hf同位素解耦程度的DeHf值与87Sr/86Sr143Nd/144Nd206Pb/204Pb都呈负相关关系,指示源区两端元混合特征,其中Nd-Hf同位素解耦的端元很可能是再循环的大陆下地壳物质。该研究第一次把地幔化学不均一性与大陆深俯冲导致的地壳物质重循环联系起来(图1)。


图1 苏北安峰山玄武岩的Nd-Hf同位素解耦关系及其与俯冲大陆地壳的成因联系

(Chen L.-H.*, ZengG., Jiang S.-Y., Hofmann A.W., Xu X.-S., Pan M.-B., 2009. Sources of Anfengshanbasalts: Subducted lower crust

in the Sulu UHP belt, China. Earth and Planetary Science Letters,286: 426–435.)



2. 钠质碱性玄武岩的碳酸盐化源区组成


通过分析对比山东新生代碱性玄武岩的元素地球化学特征,发现其关键地球化学特征(如KZrHfTi的负异常)与板内火成碳酸岩一致,首次提出中国东部这种板内碱性玄武岩的源区为碳酸盐化橄榄岩。并通过对比实验熔体的成分,排除了其源区为角闪石岩和碳酸盐化榴辉岩的可能性(图2)。



图2 山东新生代碱性玄武岩与实验熔体的成分对比

(ZengG., Chen L.-H.*, Xu X.-S., Jiang S.-Y., Hofmann A.W., 2010. Carbonatedmantle sources for Cenozoic intra-plate alkaline basalts

in Shandong, NorthChina. Chemical Geology. 273: 35–45.)



3. 鲁西地幔小尺度侧向化学不均一性的发现:


通过对鲁西两列北东向平行排列的中新世火山群(图3a)系统的元素地球化学和Sr-Nd-Hf同位素分析,发现这些碱性玄武岩都具有两端元混合的特征(图3b和3c),富集端元为再循环古老地壳物质。但是,在一定的eNd值下,南列玄武岩总是比北列玄武岩具有偏低的87Sr/86Sr和偏高的eHf值,指示南北两列玄武岩源区的富集端元的同位素组成存在差异。该工作是首次通过大陆板内玄武岩的精细观察,发现地幔源区存在小尺度的侧向化学不均一性。




图3 鲁西两个平行分布的火山群(a)及其Sr-Nd-Hf同位素组成(b和c)

(Zeng G., Chen L.-H.*, Hofmann A.W., Jiang S.-Y., Xu X.-S., 2011.Crust recycling in the sources of two parallel volcanic chains

in Shandong,North China. Earth and Planetary ScienceLetters, 302: 359–368.)



4. 大陆小规模溢流玄武岩的时空分布特征及成因


通过对浙江东部新生代玄武岩的系统的元素地球化学和同位素年代学工作,发现溢流玄武岩存在明显的由南向北逐渐迁移的趋势(图4),其中在6百万年的时间里(9.4Ma~3.5Ma),溢流玄武岩的两个对岩浆演化非常敏感的指标(Na2O+K2O/MgO和TiO2/MgO比值)几乎没有变化(图3C和3D),反映幔源岩浆的持续补给使岩浆演化停滞,并导致岩浆房持续长大。受岩浆房北侧区域深大断裂(丽水-余姚断裂)影响,岩浆房增大的同时并向北偏移(不对称增大),并导致地表玄武岩的北向迁移趋势。


图4 浙江东部新生代玄武岩成分变化与时-空关联性的关系

(YuX., Chen L.-H.*, Zeng G., 2015. Growing magma chambers control the distributionof small-scale

flood basalts. ScientificReports, 5, 16824; doi: 10.1038/srep16824.)



5. 东北钾质玄武岩的成分变化与岩石圈厚度关联性的发现


分布于我国东北的新生代钾质玄武岩是世界上最典型的大陆板内钾质玄武岩,其成因存在广泛的争议。总结这些钾质玄武岩的成分发现,其元素和同位素组成变化区间大,并且与岩石圈厚度存在明显的关联性:岩石圈厚度越大,MgO越高,K2O/Na2O比和Rb/Nb比越小,Sr-Nd同位素越亏损,即岩石圈地幔的印记越来越强烈(图5)。结合该区地幔橄榄岩捕掳体常见金云母等交代矿物的现象,提出来自软流圈地幔的富钾熔体穿过岩石圈地幔时,会与岩石圈地幔发生相互作用并结晶出金云母,这导致岩浆的KRb含量降低而MgO含量升高的现象。岩石圈地幔厚度越大,反应持续的时间越长,熔体成分被改造得越大,这相当于盖层效应(lid effect)的另一种表现。这种盖层效应的发现明确支持钾质玄武岩的直接源区为软流圈地幔的富集物质(再循环地壳)。


图5 东北新生代钾质玄武岩的成分变化与岩石圈厚度的关系

(LiuJ.-Q., Chen L.-H.*, Zeng G., Wang X.-J., Zhong Y., Yu X., 2016. Lithospheric   thickness  controlled   compositional   variations  

in   potassic   basalts  of Northeast China by melt–rock interactions. Geophysical Research Letters, doi: 10.1002/2016GL068332)


6. 地幔岩性变化与古太平洋板片俯冲过程的潜在成因联系


中国东南部发育晚中生代的火山作用,前人研究认为其与古太平洋板片的俯冲作用密切相关。但是迄今为止,关于古太平洋板块俯冲作用对该地区之下地幔及相关幔源岩浆作用的影响起始时间仍不清楚。本项工作对中国东南部晚中生代玄武岩的源区岩性进行了系统研究,建立了地幔的岩性变化与古太平洋板片俯冲过程之间的潜在成因联系。研究表明,晚中生代玄武岩按照其喷发年龄可以进一步细分为四组:178~172 Ma, c.150 Ma, 137~123 Ma and 109~64 Ma。对这些玄武岩的源区岩性甄别发现,其源区岩性主体可能为辉石岩,而非之前认为的橄榄岩(图6)。这种偏基性的岩性组成往往与重循环的地壳组分密切相关。值得注意的是,c.150 Ma和137~123 Ma 的玄武岩的岩性主要都是富硅辉石岩,尤其前者还发生了碳酸盐化。这种碳酸盐化的富硅辉石岩反映的应该是地幔近期的重循环事件。因此,我们认为俯冲的古太平洋板片是最合适的候选者,其很可能中国东南部c.150 Ma幔源岩浆作用的主要源区。而上述地幔岩性的变化规律,主要受控于古太平洋板片的后撤作用。


图6 中国东南部晚中生代玄武岩的地幔源区岩性判别图

(Zeng, G., Z.-Y. He, Z. Li, X.-S. Xu, and L.-H. Chen (2016), Geodynamics of paleo-Pacific plate subduction constrained by the source lithologies

of Late Mesozoic basalts in southeastern China, Geophys. Res. Lett., 43, doi:10.1002/2016GL070346. )