雷琼地区晚新生代玄武岩成因及对海南地幔柱的约束

大量的地球物理观察发现在海南岛-雷州半岛（简称雷琼地区）深部地幔中存在类似地幔柱的地震波低速异常带，地球物理学家将这一地震波低速异常带称作"海南地幔柱"。但是到目前为止，还没有系统的地质学、岩石学、地球化学的资料能用来回答"海南地幔柱"是否存在这一科学问题。雷琼地区晚新生代玄武岩省为我们研究上述问题提供了最佳研究对象。申请者将主要应用熔体包裹体、低温热年代学以及Sr-Nd-Pb-Hf-Os同位素地球化学手段，探讨雷琼地区玄武岩省是否存在高温熔岩、是否存在地壳抬升以及是否有深部地幔物质贡献，进而对地球物理定义的"海南地幔柱"提出独立的检验和约束。如果海南地幔柱得到地质学-岩石学-地球化学的证实，将为研究地球动力学系统的整体机制提供非常宝贵的资料。如果海南地幔柱最终被证伪，就表明地震波低速异常带不是判别地幔柱活动的必要条件之一，也将对地幔柱理论的发展产生积极的影响。

本项目通过对海南岛晚新生代玄武岩进行了Ar-Ar年代学，主微量元素地球化学以及矿物成分分析，初步的研究结果表明：海南岛晚新生代玄武岩主要以拉斑质和亚碱性玄武岩为主，微量元素组成具有OIB相似特征。拉斑玄武岩的源区含有橄榄石和循环洋壳组分；碱性玄武岩分为高Th和低Th两类，低Th碱性玄武岩的源区有橄榄石和榴辉岩组分，高Th碱性玄武岩则来源于榴辉岩相的部分熔融。海南岛岩石中含有大量的高镁橄榄石斑晶（Fo最高达90.7），而且MnO和CaO含量也很高，表明其原始岩浆具有高镁的特征。利用单斜辉石斑晶温压计，我们计算出它当时的结晶压力在2-25kpa,大部分在10-15kpa；结晶温度在1100-1350℃。利用高镁橄榄石反演原始岩浆的组成发现，拉斑玄武岩的原始岩浆形成压力和温度为18-32kpa和1420-1520℃；碱性玄武岩的为25-32kpa和1480-2530℃，地幔的潜能温度为1540℃。这些高镁橄榄石，高地幔潜能温度以及源区有循环洋壳组分证据表明，海南岛晚新生代玄武岩的形成与地幔柱有关，从而首次论证了海南岛地幔柱的存在。在海南岛晚新生代玄武岩主微量和矿物地球化学研究基础上，对这些样品进行了Sr-Nd-Pb以及Re-Os同位素地球化学研究。综合Sr，Nd，Pb和Os同位素地球化学研究表明，海南地幔住源区存在一个0.2～0.5Ga的循环洋壳的组分，说明地幔循环的速率应该是大于1cm/yr，这与之前在夏威夷地幔柱所估计的一致。通过对海南岛玄武岩的同位素地球化学研究，发现了该地幔源区存在一个古老的地幔源区以及一个年轻的循环洋壳组分。由于地震层析成像显示海南岛深部地幔的地震波低速异常带一致持续到下地幔，甚至到核幔边界。地球物理所得出的海南地幔柱来自核-幔边界的结论和本研究一致。我们推断由于洋壳的不断俯冲和密集隔离玄武岩层的出现引起了海南地幔柱活动。我们这个工作很好的将深俯冲与地幔柱的活动从地球动力学上联系在了一起。