南大西洋洋中脊(18-26°S)地幔不均一性的研究

Mid-ocean Ridge of the South Atlantic has a strong mantle heterogeneity. The heterogeneity that produced by the deep mantle plume or the recycle of shallow crustal material is hotly debated. Complicated geological process commonly results in uncertainties of the interpretations of traditional Sr-Nd-Pb isotopes in tracing the source of mid-ocean ridge basalts (MORB). However, nontraditional Os isotopes have strong implications for the input of crustal material into the mantle source. Therefore, the Os isotopes are very useful to identify the crust-mantle interaction. Melt inclusions in olivine phenocrysts of the ridge basalts preserve components of mantle-derived magmas, which can reveal the composition of parental magma. In this project, we will focus on the Os isotopic composition of the South Atlantic MORB (18-26°S) and the melt inclusions of the olivine. Combined with petrology, geochemistry and conventional Sr-Nd-Pb isotope data, our studies will constrain the source characteristics of the basalts and reveal the magmatic evolution. This will provide a better understanding of the genesis of mantle heterogeneity of the South Atlantic and the process of crust-mantle interaction in this area.

南大西洋洋中脊区具有强烈的地幔不均一性，其不均一性是受深源地幔柱控制，还是受浅部地壳物质的再循环作用控制，存在着广泛的争议。复杂的地质过程导致传统同位素Sr-Nd-Pb示踪和识别洋中脊玄武岩（MORB）源区时存在多解性的问题，而非传统同位素Os能够有效指示地幔中壳源物质的加入，是识别壳幔相互作用过程良好的示踪剂。同时，洋脊玄武岩中的橄榄石斑晶及其中的熔体包裹体保存了幔源母岩浆的组分，可从小尺度提取岩浆源区信息。本项目以南大西洋（18-26°S）的洋中脊玄武岩为研究对象，以非传统同位素Os和橄榄石及其中的包裹体成分研究为主要手段，结合岩石学、全岩主、微量元素和传统同位素Sr-Nd-Pb数据，查明研究区洋中脊玄武岩的源区性质，揭示其岩浆演化过程，探讨该地区地幔不均一性的成因。本项目的预期成果对判断南大西洋地幔不均一性的控制因素和探索南大西洋洋中脊玄武岩源区壳幔相互作用过程具有重要意义。

大西洋洋中脊玄武岩具有强烈的地幔不均一性，这种地幔不均一性被认为是由多种原因造成的，包括地幔柱的上涌、大陆岩石圈物质的再循环和古洋壳物质的再循环等。对其不均一的成因研究对于探索大西洋中脊玄武岩源区性质、岩浆演化和壳幔相互作用过程具有重要的地质意义。.沿着大西洋中脊的MORB熔融温度和压力条件、同位素和元素比值具有较大变化范围，特别是在有地幔柱作用的洋中脊地区。岩浆源区的潜在温度计算结果显示大西洋中脊玄武岩源区的温度峰值分别对应Iceland，Sierra Leone，Discovery，Shona，Gough 地幔柱周围的洋脊段，其值均大于1450℃。而Azores, Jan Mayen，St. Helena地幔柱附近洋脊段的MORB源区温度明显低于1450℃，甚至低于1350℃。本研究认为这种洋中脊玄武岩的不敏感反应是由于地幔柱形状决定的，饼状渠道的地幔柱影响周围地幔没有具体的方向性，而管状渠道影响周围地幔具有方向性。岩石的元素比值一定程度上能够反映岩浆源区性质，通过对大西洋中脊玄武岩元素比值的研究，我们认为大部分大西洋中脊玄武岩源区的多样性是由俯冲的洋壳和拆沉的地壳物质引起的。个别洋脊段则是受起源于核幔边界的地幔柱影响，具有核幔边界物质的信号。.南大西洋26°S洋脊段远离地幔柱，是研究地幔不均一性的理想地区。由于其远离地幔柱，首先排除了其不均一性跟地幔柱作用无关。该地区的玄武岩主要为斑状结构，斑晶主要是斜长石和橄榄石，基质为玻璃质。全岩MgO变化范围7-9 wt.%。主量元素的HARK图解显示：FeOT、TiO2、Na2O、K2O、P2O5、MnO、L.O.I与MgO呈负相关关系，而CaO和CaO/Al2O3与MgO均呈正相关关系，SiO2和Al2O3与MgO之间没有明显的相关性。稀土元素为轻稀土亏损重稀土富集的特征，微量元素蛛网图显示其具有典型的N-MORE特征，暗示岩浆源区即使有外来物质的加入，其比例也不会太高。全岩87Sr/86Sr比值为0.702384~0.702461，187Os/188Os比值为0.2150-0.2533。Sr-Os同位素的研究结果显示该地区的MORB源区有洋壳物质的加入，比例在20%以内。元素的相关性暗示所有样品来自同一地幔源区，该地区下部存在一个岩浆房。预测岩浆房的深度在MORB下部2.5-4km处。