利用橄榄石和熔体包裹体的组成来制约东亚之下共同地幔组分（common component）的性质和起源

东亚地区新生代板内火山岩的地球化学组成揭示其下方的地幔具有高度的不均一性。前人研究表明来自东北亚的玄武岩具有以EM1（I型富集地幔）为主的同位素特征而来自东南亚的玄武岩具有以EM2（II型富集地幔）为主的同位素特征，并且它们相交于一个共同的地幔组分(common component，简称‘C’)（图1）。迄今为止，绝大多数的研究都集中在东亚之下富集地幔域的性质和组成上（徐义刚等，2018），而对其共同地幔组分（C）的约束却很少。

为了阐明东亚之下共同地幔组分（C）的性质和起源，“幔游课题组”对来自东北地区大兴安岭新生代哈拉哈-柴河玄武岩进行橄榄石斑晶和熔融包裹体的联合研究。我们选取哈拉哈-柴河玄武岩作为研究对象主要基于以下两个原因：（1）在整个东亚新生代玄武岩中，哈拉哈-柴河玄武岩具有最低的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr，最高的¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd（比DMM更富集）以及中等的²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb同位素组成，刚好位于EM1-C和EM2-C两条混合趋势线的交汇处，因此可以很好地代表东亚之下的C组分（图1）。（2）哈拉哈-柴河玄武岩下覆的岩石圈厚度高达150km。岩石圈越厚，地幔源区的熔融程度越低，从而为保存端元组分的化学信号提供了理想条件。

图1 (a)东亚新生代火山岩主要构造单元和空间分布的简化地质图。(b)(c) 东亚新生代火山岩Sr-Nd-Pb同位素组成

研究结果表明哈拉哈-柴河玄武岩中的橄榄石斑晶具有高的Ni （1320-3033ppm）、低的Mn（1038-2486ppm）和Ca（364-2244ppm）含量，以及高的Fe/Mn（64-90）和低Mn/Zn（<13）比值，这些橄榄石的成分特征表明其源区岩性为辉石岩。此外，通过对熔体包裹体的成分进行加（减）橄榄石的方法计算得到哈拉哈-柴河玄武岩的原始岩浆组成。其原始岩浆的成分具有较高的MgO（12.92-14.33wt%）和TiO₂(1.89-2.46wt%)，以及较低的SiO₂（46.2-47.88wt%），CaO（7.59-9.66wt%）和Al₂O₃（10.65-12.52wt%）含量。将得到的哈拉哈-柴河玄武岩的原始岩浆组成与高温高压实验部分熔融体对比进一步揭示该地幔源区为贫硅的辉石岩（图2）。

图2 哈拉哈-柴河玄武岩的原始岩浆组成与高温高压实验部分熔融体的对比

图3 东北地区哈拉哈-柴河玄武岩的水含量、结晶温度及氧逸度与MORB, OIB, BABB, IAB以及东北的新生代钾质玄武岩和高镁安山岩之间的对比。

为了进一步约束哈拉哈-柴河玄武岩的源区特征，我们对其岩浆的水含量，近液相线的结晶温度和氧逸度进行了估算。计算结果表明哈拉哈-柴河玄武岩的岩浆具有相对湿（水含量：1.02-2.83 wt%）、热（结晶温度：1050-1250℃）和较氧化（氧逸度：FMQ+1.2）的特征（图3），进而推断其地幔源也具有相对湿、热和氧化的特点。此外，地震层析成像显示，俯冲的太平洋板块停滞在地幔过渡带中，其西缘延伸到大兴安岭的东缘，大概位于哈拉哈-柴河火山之下。结合地球化学和地球物理的观测结果，我们认为哈拉哈-柴河玄武岩源区的贫硅辉石岩极有可能是来自地幔过渡带的俯冲太平洋洋壳与周围地幔的熔体-岩石反应或机械混合形成的结果。这种特征的地幔源区可能解释了目前在俯冲太平洋板块最西端观测到的一个主要低速体和地幔C组分的起源。该项研究成果发表在《Contributions to Mineralogy and Petrology》上：Liu, J.Q.*, Chen, L.H., Wang, X.J., Zhang, H.L., Zeng, G., Saskia, E., Zhang, L., Ren, Z.Y. 2022. Olivine and melt inclusion chemical constraints on the nature and origin of the common mantle component beneath eastern Asia. Contributions to Mineralogy and Petrology.   

https://doi.org/10.1007/s00410-022-01981-y

刘建强博士为该论文的第一作者和通讯作者。陈立辉，王小均，张慧丽，曾罡，Saskia Erdmann，张乐和任钟元参与了该研究。该工作得到国家自然科学基金项目(42130310和41802045)资助。论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s00410-022-01981-y。