华北克拉通中生代原始玄武岩铅同位素与下地壳拆沉作用

The Earth’s mantle is highly heterogeneous on both large and small scales. The origin of EM1 mantle end-member as one of the most important issues puzzling geochemists for tens of years, is a key to understand heterogeneity of the mantle and interaction between mantle and crust. However, it has been in great controversy. This project aims at systematic study of Pb isotopic compositions of four suites of Early Cretaceous high MgO (>10 wt.%) basalts collected from Feixian and Fangcheng counties in western Shandong province, and Yixian and Sihetun counties in western Liaoning province from the eastern block of the North China craton, combined with their geochemical and Sr-Nd isotopic compositions, to reveal lithological and geochemical features of the mantle source of Mesozoic primitive basalts in the eastern block of the North China craton and to provide direct evidence for great contribution of delaminated ancient lower continental crust in EM1 mantle source. In addition, based on above works, this project will try to apply delamination of lower continental crust to explore a new way to explain Earth’s Pb paradox, which has been puzzling geochemists for tens of years.

地幔在不同尺度上都具有高度的不均一性。EM1型地幔端元的成因对于了解地幔的不均一性及壳幔相互作用具有重要意义，但这也是一直困扰着人们的重大科学问题。本项目以华北克拉通东部鲁西费县和方城地区以及辽西义县和四合屯地区的四套早白垩世高镁玄武岩（MgO>10 wt.%）为研究对象。综合前人对这些玄武岩的研究基础之上，以全岩及单矿物Pb同位素的系统分析研究为重点，并结合详细的矿物学、主微量元素和Sr−Nd同位素研究，揭示华北克拉通东部中生代原始玄武岩地幔源区的岩石化学特征及其形成过程，并为示踪拆沉古老大陆下地壳对EM1型地幔源区的重要贡献提供直接证据。此外，本项目将在以上研究基础上尝试利用大陆下地壳的拆沉模型为全球关注的地球Pb同位素组成之谜（Pb paradox）提供新的解决方案。

克拉通岩石圈如何保持长期稳定以及如何被重新活化一直是地球科学领域的重大前沿科学问题。传统观点认为低的挥发份组成（特别是水）是克拉通岩石圈保持长期稳定的必要条件。然而，近年来的流变学高温高压实验对这一理论提出了质疑，认为水只能微弱地改变上地幔的粘性。华北克拉通东部自晚中生代以来发生了强烈活化和岩石圈减薄并伴随大量的早白垩世高镁安山岩。因此，它是研究克拉通岩石圈破坏减薄和板内高镁安山岩成因的理想对象。本项目以华北克拉通东部辽西地区早白垩世原始玄武岩和高镁安山岩为研究对象，对这些岩石进行了详细的岩相学、全岩主微量元素和Sr-Nd-Pb同位素、矿物主微量元素和水含量分析，以此来对上述的重要前沿科学问题予以解答。我们发现早白垩世原始玄武岩和原始高镁安山岩均来自浅部（~35-70 km）、热的（~1,280‒1,340 ºC）和富含水（>1000 ppm）的古老岩石圈地幔,而绝大部分早白垩世高镁安山岩是地幔基性原始熔体与下地壳酸性熔体的混合结果。结合华北克拉通的构造演化历史和EM1型Sr-Nd以及非放射性Pb同位素特征，我们提出中生代岩石圈地幔的水化是由古太平洋深俯冲（~200-125Ma）引起富水地幔过渡带物质（包含其中的古老（~2.5 Ga）俯冲沉积物）上涌造成的。然而，单纯由高水含量引起的地幔流变学性质变化及软流圈地幔物理侵蚀难以解释华北古老岩石圈地幔在如此短的时间内(<75 Ma)的大规模减薄。因此，其他的地质过程(如地幔氧化还原熔融redox melting)在岩石圈减薄过程中可能起到了更加重要的作用。义县组和四合屯组原始玄武岩反应出的高氧逸度(∆log fo2 FQM +1.4 ~ +1.9)进一步证实了这一观点。高的氧逸度使初始的华北克拉通岩石圈地幔底部发生氧化还原熔融产生碳酸质熔体，并不断逐步侵蚀上覆岩石圈地幔，导致其在相当短的时间发生大规模的活化减薄。我们的研究揭示了华北克拉通岩石圈地幔减薄峰期的热化学性质、板内高镁安山岩成因、水和氧逸度对岩石圈减薄的关键作用以及地球深部挥发分循环在这些过程中的重要作用。