麦哲伦海山玄武岩岩石成因：来自微量元素和Sr-Nd-Pb-Hf同位素的制约

The Magellan Seamounts in the West Pacific Seamount Province are prime areas for mineralization of Co-rich Mn crusts and are interpreted to be derived from the South Pacific Isotopic and Thermal Anomaly. Thus the Magellan Seamount basalts are good candidates for studying the source component of ocean-island basalts (OIB). However, it remains unclear concerning their magmatic evolution, magma source component and petrogenesis. We employ a systematic and detailed petrographical, major and trace element and Sr-Nd-Pb-Hf isotope approach to investigate the relative contribution of DMM, EM1, EM2, HIMU and FOZO in the mantle source of the Magellan Seamounts. Using these data, we attempt to unravel the relationships between major elements and ratios of incompatible elements and Sr-Nd-Pb-Hf isotopes, and Nd-Hf isotopic correlations. Combined with distinct geochemical characteristics of OIBs derived from different mantle sources, these results allow us to further investigate the source component of the Magellan Seamounts and their petrogenesis. This has bearings on the source component and origin of global OIB and provides petrological and geochemical inferences for the prospecting of Co-rich Mn crusts on the Western Pacific seamounts.

西太平洋麦哲伦海山区是重要的富钴结壳成矿区，被认为形成于南太平洋同位素和热异常区，因此是研究洋岛玄武岩（OIB）源区组成和成因的重要靶区。而其岩浆起源、演化和岩石成因仍不清楚。本项目拟对麦哲伦海山区四座海山玄武岩进行系统的岩相学、主量和微量元素以及Sr-Nd-Pb同位素分析，并首次开展Hf同位素分析，通过模拟计算识别DMM、EM1、EM2、HIMU和FOZO端元对其源区贡献比例，揭示主量元素和不相容元素比值与Sr-Nd-Pb-Hf同位素之间的关系以及Nd-Hf同位素之间的耦合关系，结合OIB源区各种潜在物质来源的地球化学特征，揭示本海山区玄武岩岩石成因，深入探讨麦哲伦海山玄武岩源区组成和形成过程，对进一步认识OIB源区组成和成因具有重要意义。本项目研究成果还将为我国已经开展的西太平洋海山区的富钴结壳勘探提供岩石学和地球化学方面的基础资料。

麦哲伦海山群位于西太平洋海山省（WPSP）中，形成于白垩纪（87–95 Ma），其起源仍然是不清楚的。与一个深部地幔柱形成的海山链不同，它们并没有形成狭窄的连续的链状火山。呈NW-SE向的麦哲伦海山群平行于岩石圈断层，暗示它们之间有潜在的联系。本文对中国“大洋一号”和“向阳红09”科考船在麦哲伦海山区采薇平顶海山（~91.5 Ma）所采集的熔岩进行了主量和微量元素以及Sr-Nd-Pb-Hf同位素分析。结果显示，这些样品具有较大的板内海山Sr-Nd-Pb-Hf同位素和微量元素变化。我们在这个地区首次识别出具有HIMU特征的熔岩（组1），以及具有Nb-Ta-Zr-Hf负异常的的熔岩（组2），与实验获得的碳酸盐熔体相似。组3熔岩表现为EM1（富集地幔1型）特征，是由EM1型和FOZO型源区两组分混合形成的。Nb负异常以及Nb/La和Nb异常与Nd-Hf-Pb同位素的正相关性表明源区中有再循环大陆地壳物质使得EM1型端元具有Nb负异常。组4熔岩显示低CaO含量和Zr-Hf的负异常，它源于受到来自碳酸盐化榴辉岩形成的英安岩熔体交代而再富集的橄榄岩源区。我们推测麦哲伦海山群是由一个次级地幔柱熔融形成的，这个次级地幔柱位于一个热化学超级地幔柱的顶部。这个次级地幔柱是不均一的，含有EM1、FOZO、碳酸盐组分和再富集的橄榄岩。HIMU熔岩是由大洋岩石圈中的交代橄榄岩源区在次级地幔柱的加热下熔融形成的。之前存在的岩石圈断裂，为熔体穿过岩石圈到达地表提供了便利通道，这使得形成的海山具有复杂的年龄分布，而且使得同时期的火山出现在不同的地方。