华北典型地区辉石岩捕掳体的Fe同位素特征及其意义

Pyroxenites, the second most common ultramafic rock type after spinel peridotites in the upper mantle, have received much attention in recent years. However, the nature and origin of pyroxenites still remain hotly debated. As Fe is a major element that occurs in two different oxidation states (Fe2+ and Fe3+) in the constituent minerals of the pyroxenites, Fe isotopes may also provide new insights into the nature and origin of pyroxenites beneath the North China Craton. This project, as target on the mantle pyroxenite xenoliths and xenocrysts entrained in Mesozoic and Cenozoic basalts occurred in the typical regions of the North China Craton(e.g. the northern margin、Taihang mountain and Tanlu fault zone areas)and utilizing the recently-imported Fe isotopic analytical technique, is designed to investigate the extent of Fe isotope variations in pyroxenite xenoliths and xenocrysts, as well as addressing the nature and origin of different kinds of pyroxenites, through the systematic Fe isotopic analyses on these mantle pyroxenite xenoliths and xenocrysts, and combined with the detailed studies on petrology and traditional geochemistry. This project finally tries to provide the Fe isotopic constraints on the destruction and thinning processes of the lithosphere of the North China Craton.

辉石岩是上地幔仅次于橄榄岩捕掳体的重要组成部分，包含着丰富的岩石圈演化信息而历来受到学术界的广泛关注，但是对辉石岩的成因和来源的认识仍存在很大分歧。铁是辉石岩的主要造岩元素，同时还是最主要的变价元素之一。铁同位素高精度分析方法的建立为探讨辉石岩的成因和来源研究提供了新的途径。 本项目拟对华北克拉通典型地区（如华北北缘、太行山和郯庐断裂带地区）中、新生代玄武岩携带的不同类型辉石岩捕掳体和矿物捕掳晶Fe同位素组成进行系统研究，厘定各类辉石岩捕掳体及其捕掳晶Fe同位素组成范围及在各矿物间的分馏关系，并结合详细的岩石学和传统同位素地球化学研究，探讨华北克拉通各类辉石岩的成因和来源，从而为我国华北岩石圈的破坏和减薄过程提供Fe同位素地球化学制约。

本项目以华北克拉通不同类型辉石岩捕掳体为研究对象，对其进行了详细的Fe同位素地球化学研究。研究结果表明，高压堆晶成因的绿色型Cr-透辉石辉石岩、黑色型Al-普通辉石二辉岩和石榴石子石单斜辉石岩的Fe-Mg同位素组成变化范围小（δ57Fe= -0.13−0.13；δ26Mg= -0.28 − -0.25），其平均值与正常地幔的Fe-Mg同位素组成接近。矿物间的Fe-Mg同位素分馏达到了平衡。而由橄榄岩与熔体反应形成的石榴子石辉石岩Fe同位素组成比正常地幔偏重（δ57Fe=0.12−0.30）。矿物间的Fe同位素组成具有明显的分馏（橄榄石δ57Fe= -0.25−0.08；斜方辉石δ57Fe= -0.04−0.25；单斜辉石δ57Fe= -0.07−0.31；尖晶石δ57Fe=0.07−0.46；石榴子石δ57Fe=0.31−0.42）。并且石榴石子具有比正常地幔轻的Mg同位素组成（δ26Mg= -0.43）。其组成矿物橄榄石和辉石具有相近的Mg同位素组成(橄榄石：δ26Mg= -0.35；斜方辉石：δ26Mg= -0.35；单斜辉石：δ26Mg= -0.34)，而石榴子石的Mg同位素组成最轻(δ26Mg= -0.66)，尖晶石的Mg同位素最重(δ26Mg=0.04)。交代成因的石榴子石辉石岩矿物间的Fe-Mg同位素分馏与高温下的理论平衡同位素分馏计算结果不同，表明矿物间的Fe-Mg同位素没有完全达到平衡。值得注意的是，受到强烈地幔交代作用影响的金云母单斜辉石岩具有目前发表的幔源岩石最重的Fe同位素组成和最轻的Mg同位素组成（δ57Fe=0.99；δ26Mg= -1.53）。总体而言，华北地幔交代成因的石榴子石辉石岩和金云母单斜辉石岩及其单矿物的Fe-Mg同位素具有明显的反相关关系，是橄榄岩与熔体反应或者强烈的地幔交代作用过程中，岩石与熔体反应，从而发生Fe-Mg元素交换，引起的动力学同位素分馏。因此地幔交代作用是导致辉石岩Fe-Mg同位素组成不均一的重要机制，从而为不同类型的辉石岩的成因提供了新的制约手段。