中国东部地幔橄榄岩捕虏体Nd-Hf-Mg同位素研究——对地幔交代作用性质的制约

One of the major advances in the solid Earth science recently is the recognition of the ubiquity of peridotite-melt interaction in lithospheric mantle, which is an important mechanism for the composition transformation of lithospheric mantle by the study of peridotite xenoliths. The Nd-Hf isotopes in crust-mantle system show a coupled variation on a global scale. However, our recently pre-research indicates that the reaction of mantle metasomatism may be various. These observations provide new challenges on our understanding the mechanism of mantle metasomatism and the causation of Nd-Hf decoupling in lithospheric mantle. In this research, we attempt to unravel the existence of Nd-Hf isotopic decoupling and its type. We will combine the Mg isotope, major/trace elements and petrochemistry of peridotite xenolith in eastern China to explain the Nd-Hf isotopic decouplings. The expected results are of significance to understand the character mechanism of mantle metasomatism and carry out the research on the alteration and chemical erodent to the lithospheric mantle from oceanic crust subduction around the North China Craton.

固体地球科学近年来重要的进展之一是通过对地幔橄榄岩捕虏体研究认识到橄榄岩-熔体的相互反应很可能在岩石圈地幔中普遍存在，是岩石圈地幔组成转变的重要方式。尽管壳幔体系中Nd-Hf同位素在全球尺度上表现出相关性，但新近研究表明岩石圈地幔存在Nd-Hf同位素解耦且起源仍存争论。我们的预研结果表明，造成Nd-Hf解耦的地幔交代作用可能存在多种类型的交代反应，这些观察对于我们理解地幔交代作用机制和岩石圈地幔Nd-Hf同位素解耦成因提出了新的挑战。本项目拟对中国东部地幔橄榄岩捕虏体进行Nd-Hf-Mg同位素分析，探讨深源捕虏体Nd-Hf同位素之间是否存在解耦和解耦类型。结合Mg同位素数据及主微量元素地球化学数据和岩相学研究探讨各种Nd-Hf同位素解耦的成因。该研究结果对认识中国东部岩石圈地幔交代作用的性质和发生的机制，以及华北克拉通周边大洋板块俯冲对岩石圈地幔的改造和化学侵蚀作用有重要意义。

项目聚焦中国东部岩石圈地幔的Hf-Nd同位素解耦的类型及其岩石学和地球化学特征和岩石圈地幔两种Hf-Nd同位素解耦的成因两个科学问题开展，选取交代作用较为典型的山东北岩、河北汉诺坝地区橄榄岩捕虏体开展系统的野外、岩石学和地球化学工作。(1)项目研究中地幔橄榄岩捕虏体Hf元素含量相对较低，是Hf同位素测定的技术难点。研究中通过严格控制实验环境、操作流程，降低化学流程本底，实现了Hf含量样品Hf元素化学分离提纯，均获得精确同位素比值数据。(2)研究表明北岩地区岩石圈地幔至少遭受了两期熔流体的改造，富单斜辉石二辉橄榄岩具有显著重的Mg同位素和富集的Sr-Nd-Hf同位素组成，是再循环的太平洋板片在早期脱水产生的流体与二辉橄榄岩反应的结果，而且这一流体继承了大洋岩石圈地幔的重Mg同位素和大洋沉积物富集的放射性同位素组成。异剥橄榄岩部分具有显著轻的Mg同位素和富集的Sr-Nd-Hf同位素组成，是后期玄武质熔体与二辉橄榄岩或富单斜辉石二辉橄榄岩反应形成，玄武质熔体的组分与北岩寄主玄武岩、中国东部新生代玄武岩类似，具有显著轻的Mg同位素、富集Sr-Nd-Hf同位素组成。而且该期次交代发生在流体与二辉橄榄岩的反应之后。(3)Nd-Hf同位素解耦类型对判别交代熔流体性质提供制约，河北汉诺坝含石榴石橄榄岩捕虏体多数落在陆壳演化线之上，呈正解耦；北岩异剥橄榄岩多数落在陆壳演化线之下，呈负解耦。汉诺坝橄榄岩包体经历的熔体交代具有高放射成因Hf的特征，可能为榴辉岩相洋壳俯冲致地幔形成的富集地幔部分熔融所产生的硅酸盐熔体。北岩易剥橄榄岩包体经历的熔体交代性质的复杂性，其交代熔流体有可能即包含有石榴子石作为残留相洋壳部分熔融产生的硅酸盐熔体，又包含有俯冲板片携带的再循环碳酸盐产生的熔流体。项目通过Nd-Hf-Mg同位素联合示踪初步查明碳酸盐熔-流体或榴辉岩相俯冲洋壳产生的硅酸盐熔体的作用，对认识中国东部岩石圈地幔交代作用的性质和发生的机制，以及华北克拉通周边大洋板块俯冲对岩石圈地幔的改造和化学侵蚀作用有重要意义。