卡洛琳地幔柱活動(dòng)減弱過(guò)程中巖漿成因和源區(qū)組成演化

趙晗，張國(guó)良，張吉，王帥

1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所深海極端環(huán)境與生命過(guò)程研究中心，青島 266071

2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

3. 中國(guó)科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心，青島 266071

由地幔柱活動(dòng)形成的洋島（如夏威夷海山鏈）火山巖普遍出現(xiàn)拉斑玄武巖和堿性玄武巖[1]，其中堿性洋島玄武巖通常代表了較晚期的地幔柱活動(dòng)。然而，有些洋島僅出現(xiàn)堿性玄武巖，如Samoa和Cape Verde。洋島火山巖堿性程度（Na2O+K2O）可能與源區(qū)部分熔融程度有關(guān)[2-4]。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究認(rèn)為，堿性洋島玄武巖成因與地幔熔融過(guò)程中CO2的參與有關(guān)[5-13]。實(shí)際上，堿性洋島玄武巖的堿性強(qiáng)弱等化學(xué)組成也受到地幔組成不均一性的影響[14-16]。因此，關(guān)于堿性玄武巖的成因解釋有多種，不同背景下的堿性玄武巖成因還存在很大爭(zhēng)議。同一個(gè)地幔柱通常表現(xiàn)為較為穩(wěn)定的地幔源區(qū)組成，為了解釋地幔熔融條件（溫度、壓力、CO2等）對(duì)堿性洋島火山巖成因的影響，最有效的方法是研究同一個(gè)地幔柱不同階段形成的堿性火山巖成因。

卡洛琳海山鏈由地幔柱熱點(diǎn)先后形成[17-20]，主要洋島包括楚克（14.8～4.3 Ma）、波納佩（8.7～＜1 Ma）、科斯雷（2～1 Ma），自西向東呈線性展布（圖1），西側(cè)是同一地幔柱在較早活動(dòng)階段形成的卡洛琳洋底高原，而在科斯雷以東沒(méi)有新的洋島形成。近年來(lái)的研究顯示，卡洛琳群島以堿性火山巖與霞石巖為主，且從楚克至科斯雷呈現(xiàn)火山巖堿性程度的明顯增加和火山體積顯著減小的特點(diǎn)[17,19]，證明其地幔柱處于晚期活動(dòng)階段。Sr-Nd-Pb-Hf同位素分析表明卡洛琳群島的地幔端元組成相似，火山巖的TiO2含量、3He/4He值與Pb同位素比值顯示再循環(huán)洋殼組分參與的特征[20]。從卡洛琳洋底高原到卡洛琳群島，隨著年齡減小，火山巖的堿性程度和Sm/Yb比值逐漸增加[21]，波納佩火山巖的研究顯示其地幔源區(qū)存在CO2的影響[22]。

圖 1 卡洛琳群島分布圖（a）與科斯雷島采樣位置（b）采用GeoMapApp 軟件制圖，水深數(shù)據(jù)來(lái)源于http://www.geomapapp.org/Fig.1 Distribution of Caroline Islands (a) and the sampling points in Kosrae Island (b)Bathymetric data are from http://www.geomapapp.org/ and map is produced using the GeoMapApp software.

已發(fā)表的研究表明，盡管卡洛琳群島由同一個(gè)地幔柱形成，具有基本相同的源區(qū)地幔組成，但楚克、波納佩、科斯雷火山巖的全巖主量、微量元素等地球化學(xué)組成仍存在明顯差異，以堿性程度的增強(qiáng)為典型代表。由于這些洋島形成時(shí)卡洛琳地幔柱正處于晚期活動(dòng)階段，因此熔融條件（如溫度、壓力）的變化可能是導(dǎo)致這些變化的原因，但其具體過(guò)程尚不清楚。目前對(duì)卡洛琳海山鏈堿性火山巖的詳細(xì)研究主要集中于波納佩島[22]，而對(duì)其他兩個(gè)主要洋島—科斯雷、楚克的地幔源區(qū)組成和熔融程度還缺乏更深一步的認(rèn)識(shí)。本研究計(jì)劃對(duì)楚克、科斯雷火山巖樣品進(jìn)行全巖主量、微量元素測(cè)定及橄欖石微區(qū)分析，將結(jié)果與波納佩火山巖對(duì)比，討論卡洛琳群島火山巖的組成差異與晚期地幔柱活動(dòng)、熔融條件變化之間的聯(lián)系。

1 樣品采集

卡洛琳海山鏈包括一系列的島嶼、環(huán)礁和海山，由東部的科斯雷島向西一直延展到南馬里亞納海溝，主要島嶼包括楚克島、波納佩島、科斯雷島。本文的17個(gè)樣品分別采自卡洛琳海山鏈中的科斯雷島、楚克島。其中11個(gè)樣品來(lái)自科斯雷島的北部（KSR-2采樣自路邊巨石，為新鮮玄武巖）、東南部（KSR-4采樣自海濱公路路基）和南部（KSR-5采樣自海濱公路海灘；KSR-6為略風(fēng)化的火山巖，采于雨林內(nèi)部道路斷面；KSR-7、8采樣自道路埡口斷面），6個(gè)樣品來(lái)自楚克島?？扑估谆鹕綆r為霞石巖和堿性玄武巖，楚克火山巖為堿性玄武巖，堿性程度相對(duì)較低（圖2）?？扑估紫际瘞r的主要礦物斑晶為橄欖石、輝石，無(wú)長(zhǎng)石斑晶，基質(zhì)由細(xì)粒的橄欖石、輝石、霞石和Fe-Ti氧化物組成，存在磷灰石；科斯雷與楚克堿性玄武巖中出現(xiàn)橄欖石、輝石斑晶，基質(zhì)中存在細(xì)粒橄欖石、輝石，含F(xiàn)e-Ti的氧化物礦物?？扑估谆鹕綆r中的橄欖石粒徑多大于100 μm，礦物內(nèi)部包含尖晶石相礦物、礦物包裹體。

圖 2 卡洛琳群島火山巖TAS分類圖波納佩火山巖數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[22]。Fig.2 Total alkalis vs SiO2 (TAS) diagram of volcanic rocks of the Caroline IslandsData of volcanic rocks of Pohnpei are from reference [22].

2 研究方法

2.1 全巖主量與微量元素

對(duì)楚克的6個(gè)火山巖樣品、科斯雷的11個(gè)火山巖樣品經(jīng)切割選擇、剔除脈體后制樣，測(cè)試全巖主量、微量元素組成。在青島斯八達(dá)分析測(cè)試有限公司使用ZSX Primus Ⅱ型X射線熒光光譜儀測(cè)試主量元素，實(shí)驗(yàn)選用巖石標(biāo)樣AGV-2、W-2A、BCR-2、BHVO-2作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，分析精度優(yōu)于5%。在自然資源部第二海洋研究所使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）測(cè)試微量元素，實(shí)驗(yàn)選用巖石標(biāo)樣AVG-2、GBW07316、BCR-2、BHVO-2作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，分析精度多優(yōu)于5%。

2.2 電子探針礦物成分分析

選擇科斯雷火山巖中MgO含量11.50%～13.90%的5個(gè)樣品（KSR2-2、4-2、5-2、7-2、8-2）以及楚克堿性火山巖中MgO含量為8.53%～9.07%的3個(gè)樣品（CHK-6、CHK-7、CHK-8），使用中國(guó)科學(xué)院海洋研究所的JEOL JXA-8230電子探針?lè)謩e對(duì)科斯雷樣品中的167個(gè)、楚克樣品中的24個(gè)橄欖石進(jìn)行了波譜分析。測(cè)試條件為：加速電壓20 kV、電子束流40 nA、束斑直徑5 μm。Si Kα、Mg Kα、Fe Kα的計(jì)數(shù)時(shí)間（counting time）為30 s，背景計(jì)數(shù)時(shí)間（background counting time）為20 s；Mn Kα、Ni Kα、Ca Kα的計(jì)數(shù)時(shí)間為60 s，背景計(jì)數(shù)時(shí)間為40 s。Si、Mg選用的標(biāo)準(zhǔn)樣品為橄欖石，F(xiàn)e使用的標(biāo)準(zhǔn)樣品為磁鐵礦，Mn選用的標(biāo)準(zhǔn)樣品為氧化錳，Ni選用的標(biāo)準(zhǔn)樣品為氧化鎳，Ca選用的標(biāo)準(zhǔn)樣品為硅灰石。在測(cè)定過(guò)程中重復(fù)測(cè)定橄欖石標(biāo)樣MongOl olivine sh11-2（SiO2=40.74%、MgO=48.79%、FeO=10.17%、MnO=0.14%、NiO=0.35%、CaO=0.09%）[23]監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確性。修正方法采用ZAF法。對(duì)熔融包裹體不同相的組分進(jìn)行了能譜面掃分析，測(cè)試條件為：加速電壓20 kV，電子束流10 nA。

3 結(jié)果

3.1 全巖主量與微量元素

對(duì)科斯雷島的11個(gè)火山巖樣品及楚克島的6個(gè)火山巖樣品共17個(gè)樣品進(jìn)行了主微量元素分析（表1，表2）。科斯雷與楚克火山巖樣品相對(duì)新鮮，燒失量分別為0.22%～2.93%和0.43%～1.67%。已發(fā)表的主量元素?cái)?shù)據(jù)表明卡洛琳群島火山巖系列為霞石巖到粗面巖[17-20,22,24]，本研究中的卡洛琳火山巖為堿性火山巖?？扑估讟悠分饕ㄏ际瘞r與碧玄巖/苦橄玄武巖，楚克樣品主要為碧玄巖/苦橄玄武巖（圖2）。

科斯雷火山巖具較低的SiO2含量，屬于堿性火山巖系列，代表卡洛琳地幔柱活動(dòng)的晚期階段，其中最具代表性的為科斯雷霞石巖?？扑估紫际瘞r具最高的MgO含量（13.20%～15.90%）、CaO含量（12.80%～13.30%）以及CaO/ Al2O3比值（1.28～1.49），貧SiO2（38.80%～40.20%），原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素配分圖（圖3）顯示其富集稀土元素（REEs），虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素（HFSEs），與火成碳酸巖特征類似?？扑估妆绦r/苦橄玄武巖與霞石巖特征相似，具較高的MgO含量（11.50%～14.60%）、CaO含量（11.50%～12.60%）以及CaO/Al2O3（1.03～1.26），較低的SiO2含量（41.20%～43.30%），稀土元素富集與高場(chǎng)強(qiáng)元素虧損的特征不明顯，個(gè)別樣品存在Sr負(fù)異常與Nd正異常。相比科斯雷火山巖，楚克碧玄巖/苦橄玄武巖的MgO含量（8.53%～11.60%）、CaO含量（10.10%～10.40%）和CaO/Al2O3（0.72～0.82）均較低，SiO2含量（44.50%～45.30%）較高，具Sr與Ti的正異常。

科斯雷火山巖中CaO/ Al2O3隨MgO含量的減少呈下降的趨勢(shì)，表明巖漿演化中發(fā)生了單斜輝石的分離結(jié)晶。盡管科斯雷與楚克堿性火山巖的FeO含量出現(xiàn)了隨MgO含量減少而下降的趨勢(shì)，但TiO2含量并未呈現(xiàn)此類特征且含量較高（科斯雷火山巖3.0%～3.43%，楚克火山巖2.79%～3.28%），因此，并不能確定其演化過(guò)程存在鈦磁鐵礦的分離結(jié)晶。科斯雷與楚克的高TiO2含量（＞2.79%）可能指示其源區(qū)存在再循環(huán)洋殼特征?？扑估紫际瘞r硅不飽和、富集REEs與虧損Nb、Ta、Zr、Hf的特征與波納佩島的部分火山巖相似[22]，可能代表著源區(qū)存在CO2的影響。

表 1 楚克、科斯雷樣品主量元素測(cè)定結(jié)果Table 1 Whole-rock major element compositions of Chuuk and Kosrae samples

3.2 橄欖石地球化學(xué)特征與含碳酸鹽熔體包裹體

對(duì)楚克和科斯雷的橄欖石斑晶進(jìn)行了電子探針高精度主量元素和微量元素（Ni、Ca、Mn）的波譜分析。科斯雷橄欖石具較高Fo值（平均值84.5mol%、最大值88.4mol%），Ni含量（平均值1 908×10-6、最 大 值3 002×10-6），Ca含 量（平均 值1 748×10-6、最大值4 752×10-6），Mn含量（平均值1 600×10-6、最大值3 624×10-6）；楚克橄欖石具有較低的Fo值（平均值80.7 mol%、最大值82.4 mol%），Ni含量（平均值1 715×10-6、最大值2 102×10-6），Ca含量（平均值1 812×10-6、最大值1 969×10-6），Mn含量（平均 值1 625×10-6、最 大 值1 737×10-6）。二 者 的Ni、Ca、Mn元素含量整體上接近高Ni的夏威夷OIB橄欖石組分范圍。在科斯雷的霞石巖樣品（KSR-5）中發(fā)現(xiàn)了內(nèi)部存在熔體包裹體的橄欖石，并對(duì)熔體包裹體的成分進(jìn)行了波譜的面掃分析（圖4），發(fā)現(xiàn)內(nèi)部含碳酸鹽，認(rèn)為這代表著科斯雷源區(qū)存在CO2的作用。

圖 3 楚克、科斯雷火山巖原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素配分模式圖波納佩數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[22]；原始地幔數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[25]；紅色虛線代表Cape Verde火成碳酸巖，數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[26]。Fig.3 Primitive mantle-normalized trace multi-element patterns for Chuuk and Kosrae samplesPohnpei data are from reference [22]. PM data are from reference [25]. Red dotted line represents the typical oceanic carbonatite lava from Cape Verde with data from reference [26].

表 2 楚克、科斯雷樣品微量元素測(cè)定結(jié)果Table 2 Trace element compositions of Chuuk and Kosrae samples 10-6

4 討論

已發(fā)表的研究表明，波納佩火山巖的形成與源區(qū)輝石巖的參與有關(guān)[22]。通過(guò)對(duì)楚克、科斯雷橄欖石微量元素的分析，認(rèn)為在卡洛琳海山鏈的地幔源區(qū)普遍存在輝石巖的熔融（見(jiàn)后文）。一般情況下，地幔柱成因的洋島玄武巖普遍包括堿性玄武巖和拉斑玄武巖[1]。主量元素測(cè)定結(jié)果顯示，不同于大部分洋島，卡洛琳群島僅出現(xiàn)堿性玄武巖（堿玄巖/碧玄巖、苦橄玄武巖）和硅不飽和的霞石巖（科斯雷霞石巖SiO2含量為38.80%～40.20%），缺失拉斑玄武巖。其中形成最早的楚克火山巖的堿性程度最接近拉斑玄武巖（圖2），而形成較晚的部分楚克、波納佩、科斯雷火山巖全堿含量（Na2O+K2O）較高（圖2）?？辶蘸Ｉ芥溊咝鋷r缺失的現(xiàn)象代表著地幔柱晚期活動(dòng)，而不同洋島之間火山巖堿性程度的差異，其成因可能與巖漿源區(qū)地幔柱活動(dòng)的變化導(dǎo)致的熔融條件（熔融程度、壓力）的變化、地幔源區(qū)組成的差異有關(guān)，為此需要分析全巖地球化學(xué)特征來(lái)做進(jìn)一步的討論。

4.1 富輝石巖源區(qū)

Sobolev將部分夏威夷OIB橄欖石的高Ni特征解釋為源區(qū)存在混合輝石巖[27]。地幔柱上升時(shí)攜帶的榴輝巖發(fā)生熔融，熔體與周圍地幔橄欖巖反應(yīng)，消耗了橄欖石生成二階段輝石巖。在輝石巖部分熔融時(shí)，作為地幔橄欖巖中主要的含Ni硅酸鹽礦物[28]，橄欖石不再控制Ni的分配行為，導(dǎo)致熔體中Ni含量很高，由這類熔體結(jié)晶出的橄欖石因此具有高Ni的特征。同時(shí)相對(duì)于橄欖巖源區(qū)，輝石巖源區(qū)的橄欖石Ca、Mn含量低[28]。

由于楚克火山巖中未觀察到更高Fo值的橄欖石，本文在Fo79—Fo82值范圍對(duì)卡洛琳群島橄欖石進(jìn)行比較。在Fo79—Fo82值范圍內(nèi)，卡洛琳群島橄欖石的Ni含量高于MORB橄欖石，楚克、波納佩的Mn含量低于MORB橄欖石而更接近于夏威夷OIB橄欖石[28]（圖5）。盡管低Fo值的波納佩、楚克橄欖石Ca含量高于MORB橄欖石，但仍位于夏威夷OIB橄欖石的范圍內(nèi)，而高Fo值橄欖石表現(xiàn)出低Ca的特征（圖5c）。因此，卡洛琳群島橄欖石與輝石巖源區(qū)夏威夷OIB橄欖石類似的高Ni，低Ca、Mn特點(diǎn)（圖5a-c），證明卡洛琳群島火山巖的地幔源區(qū)含輝石巖組分。

圖 4 科斯雷霞石巖、堿性玄武巖礦物組合（a，b）和霞石巖橄欖石內(nèi)部包裹體的背散射電子圖像（c，d）及該含碳酸鹽礦物相熔體包裹體成分面掃圖（e）Ap-磷灰石，Cpx-單斜輝石，Mag-磁鐵礦，Ne-霞石，Ol-橄欖石。Fig.4 Backscattered electron images showing mineral phase of Kosrae nephelinolite (a) and alkali basalt (b); melt inclusion in olivine from nephelinolite (c, d), and composition scan of carbonate-bearing melt inclusion (e)Ap(apatite), Cpx(clinopyroxene), Mag(magnetite), Ne(nepheline), Ol(olivine).

然而，相對(duì)于夏威夷造盾期火山巖以拉斑玄武巖為主，代表著強(qiáng)烈地幔柱活動(dòng)的階段，卡洛琳群島則以堿性玄武巖為主，代表著地幔柱晚期活動(dòng)階段，成分上與夏威夷復(fù)蘇期火山巖相似。盡管二者在成分上存在差異，橄欖石卻仍然顯示出相似的微量元素特征。此外，在高硅輝石巖參與的地幔源區(qū)產(chǎn)生了硅不飽和的科斯雷霞石巖，結(jié)合橄欖石探針?lè)治龊臀⒘吭胤治龅慕Y(jié)果，認(rèn)為這是由卡洛琳海山鏈晚期活動(dòng)中CO2揮發(fā)分的加入導(dǎo)致的。在卡洛琳群島源區(qū)混合輝石巖的部分熔融過(guò)程中，CO2的存在提高了熔體的堿性程度，并使部分熔體呈現(xiàn)硅不飽和，但在全堿含量低于8%的情況下不會(huì)影響Ni在橄欖石和熔體中的分配系數(shù)，因此卡洛琳群島橄欖石依然顯示高Ni特征。而由于CO2的存在，熔體的Ca更傾向于進(jìn)入熔體，Ca（Ol/melt）分配系數(shù)降低，因此輝石巖熔體結(jié)晶出的橄欖石Ca含量異常低；相應(yīng)地，卡洛琳群島火山巖全巖具有高的CaO含量（圖6）。

圖 5 橄欖石Fo值與Ni、Mn、Ca、Fe/Mn的關(guān)系紅色圓形、藍(lán)色正方形、灰色三角形填充標(biāo)記分別代表科斯雷、楚克以及波納佩火山巖橄欖石（波納佩數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[22]）；灰色正方形代表夏威夷OIB，白色菱形代表大西洋、印度洋、太平洋MORB橄欖石，數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[28]；黑色區(qū)域代表KR-4003飽滿橄欖巖原始巖漿（全巖MgO含量為8%～38%）橄欖石組分，帶數(shù)字標(biāo)記的黑色曲線代表計(jì)算的派生巖漿橄欖石組分，數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[29]。Fig.5 Olivine Fo content versus Ni, Mn, Ca contents and Fe/Mn ratioRed circle, blue square, and grey triangle fill marks represent Kosrae, Chuuk, and Pohnpei olivines respectively (Pohnpei data are from reference [22]). Gray squares represent Hawaiian olivines, white rhomboids represent MORB olivines from the Atlantic, Indian and Pacific, with data from reference [28]. The black area represents the compositions of olivine from primary magmas (whole rock MgO = 8%～38%) of fertile peridotite KR-4003, and the dark lines with number represent the compositions of olivine from derivative magmas (data are from reference [29]).

除Ni、Mn、Ca含量外，橄欖石的Fe/Mn比值也是反映原始巖漿成分的重要參數(shù)，通常認(rèn)為與橄欖石的分離結(jié)晶相關(guān)。一般認(rèn)為，橄欖巖源區(qū)的原始巖漿及其派生巖漿中橄欖石的Fe/Mn比值不會(huì)受到單斜輝石分離結(jié)晶的影響[29]，穩(wěn)定在60～70之間，以印度洋、大西洋、太平洋型MORB為代表（圖5d）；夏威夷OIB橄欖石的Fe/Mn比值較高，代表了富輝石巖源區(qū)而非富橄欖巖源區(qū)?？辶杖簫u橄欖石的Mn含量的范圍和趨勢(shì)與夏威夷造盾期橄欖石接近，并且楚克橄欖石的Mn含量相比之下更低（圖5d），這一特點(diǎn)導(dǎo)致其極高的Fe/Mn比值（＞81）。依據(jù)以上對(duì)橄欖石微量元素的分析結(jié)果，本文認(rèn)為卡洛琳群島均來(lái)源于含輝石巖的地幔源區(qū)。

圖 6 楚克、科斯雷、波納佩火山巖MgO與 SiO2、CaO、Al2O3、TiO2、CaO/Al2O3相關(guān)圖波納佩火山巖數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[22]。Fig.6 MgO content versus SiO2, CaO, Al2O3, TiO2, CaO/Al2O3 for Chuuk, Pohnpei, Kosrae volcanic rocksPohnpei data are from reference [22].

通過(guò)全巖主量元素的測(cè)定得知，楚克、科斯雷火山巖的MgO含量很高（分別為8.53%～11.30%和12.80%～15.90%），波納佩火山巖的MgO含量整體上處于二者的范圍內(nèi)[22]；楚克、科斯雷堿性火山巖TiO2含量也很高（分別為2.79%～3.28%、3.08%～3.43%）。TiO2在大部分洋島堿性玄武巖原始巖漿中富集[30]，含量超過(guò)2%甚至3%，一般認(rèn)為地幔柱成因的洋島玄武巖的高TiO2含量不能由原始地幔橄欖巖熔融產(chǎn)生[7,30-31]。原始地幔的TiO2含量為0.22%[25]，代表著無(wú)俯沖地殼巖石加入時(shí)地幔Ti含量上限，只有在部分熔融程度＜4%時(shí)才可產(chǎn)生TiO2含量＞2%的熔體，且在任何熔融程度時(shí)都不能產(chǎn)生TiO2含量＞3%的OIB原始巖漿。TiO2含量為0.3%的源區(qū)也只能在很小的部分熔融程度下產(chǎn)生TiO2含量＞3%的原始巖漿[30]。因此，TiO2含量＞3%的OIB原始巖漿需要一個(gè)更加富集Ti的源區(qū)。含榴輝巖的源區(qū)可以在較高程度的部分熔融條件下產(chǎn)生富集TiO2的巖漿，能夠解釋高Ti洋島玄武巖的來(lái)源[32]。3～5 GPa的實(shí)驗(yàn)表明榴輝巖部分熔融產(chǎn)生的熔體MgO含量為1%～7%[33]，僅由榴輝巖熔融無(wú)法解釋卡洛琳群島火山巖的高M(jìn)gO含量。而由榴輝巖與橄欖巖反應(yīng)生成的二階段輝石巖可形成高M(jìn)gO的原始熔體[34]，可以解釋卡洛琳群島火山巖的高M(jìn)g特征?？辶杖簫u火山巖全巖的高M(jìn)gO、高Ti特征符合本文對(duì)源區(qū)富輝石巖的討論。

4.2 熔融程度的變化

火山巖La/Sm比值通?？梢宰鳛楹饬咳廴诔潭鹊闹笜?biāo)，但La/Sm比值的差異也可能由源區(qū)組成差異引起。已發(fā)表的研究表明卡洛琳不同洋島火山巖的Sr-Nd-Pb-Hf同位素組成變化相對(duì)有限[20]，證明不同洋島的源區(qū)地幔端元組成是基本一致的。此外，卡洛琳群島火山巖La/Sm均值與La平均含量呈明顯正相關(guān)（圖7c），說(shuō)明海山鏈熔融程度的減小導(dǎo)致La含量與La/Sm值升高。因此卡洛琳群島先后形成的過(guò)程中，La/Sm值的變化指示了各洋島火山巖源區(qū)的熔融程度的改變。卡洛琳群島中，形成時(shí)代最早的楚克堿性玄武巖（La/Sm）N均值最低，為1.82，波納佩火山巖的（La/Sm）N均值為2.89，而最晚形成的科斯雷洋島火山巖（La/Sm）N均值為3.22（圖7）。從楚克、波納佩到科斯雷，洋島火山巖平均La/Sm值升高，反映了海山鏈各洋島部分熔融程度隨時(shí)間演化減小，與宏觀上從楚克到科斯雷洋島火山噴發(fā)量減少的現(xiàn)象相符。

圖 7 楚克、波納佩、科斯雷火山巖 (La/Sm)N (a)、 (Sm/Yb)N (b)平均值，La-(La/Sm)N (c)、(Sm/Yb)N-Al2O3 (d)關(guān)系圖解波納佩火山巖數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[22]，N表示原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化值，誤差條代表各洋島火山巖數(shù)據(jù)的±1σ標(biāo)準(zhǔn)差。Fig.7 Average values of (La/Sm)N, (La/Sm)N for Chuuk, Pohnpei, Kosrae island volcanic rocks respectively; the relationship of La content versus (La/Sm)N (c), (Sm/Yb)N versus Al2O3 content(d)Pohnpei data are from reference[22]; N represents the primitive mantle-normalized value. The error bars represent ±1σ standard deviation of volcanic rock data from each island.

相對(duì)于輕稀土元素，重稀土元素更傾向于進(jìn)入石榴石，因此，處于石榴石穩(wěn)定域的地幔熔融產(chǎn)生的熔體常呈現(xiàn)重稀土元素的虧損，高輕稀土/重稀土比值顯示較強(qiáng)的源區(qū)石榴石效應(yīng)，表現(xiàn)為高Sm/Yb值。楚克、波納佩、科斯雷的(Sm/Yb)N均值依次增大，分別為3.86、6.15和7.55[22]（圖7），均高于全球MORB和大部分夏威夷OIB，與已發(fā)表的數(shù)據(jù)一致[20,22]，表明它們都起源于石榴石穩(wěn)定域?？紤]到卡洛琳群島是在同一個(gè)地幔柱作用下形成的，巖石圈厚度并未發(fā)生明顯的變化，認(rèn)為這種Sm/Yb值的差別主要受到不同洋島形成時(shí)源區(qū)熔融程度的控制。在楚克火山巖的地幔源區(qū)，由于較大程度的部分熔融，石榴石效應(yīng)較弱，顯示最低的(Sm/Yb)N均值；隨著部分熔融程度的減小，源區(qū)石榴石效應(yīng)逐漸明顯，表現(xiàn)為波納佩到科斯雷的(Sm/Yb)N均值依次增大。由于原始巖漿的Al2O3含量受到源區(qū)地幔殘留石榴石的控制，源區(qū)地幔石榴石的部分熔融會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的巖漿具有異常高的Al2O3；相對(duì)地，石榴石處于穩(wěn)定域時(shí)的地幔部分熔融則會(huì)產(chǎn)生較低Al2O3的巖漿[35-36]。整體上看，楚克（12.40%～14.10%）、波納佩（8.44%～16.53%）、科斯雷（8.86%～11.50%）全巖Al2O3的含量存在明顯差異。楚克火山巖源區(qū)熔融程度大，石榴石效應(yīng)較弱，因此全巖Al2O3含量較高；相對(duì)地，石榴石效應(yīng)明顯的科斯雷火山巖Al2O3含量在卡洛琳群島火山巖中處于最低的范圍（圖7d）?？辶杖簫u火山巖地幔源區(qū)的部分熔融中石榴石的參與進(jìn)一步證明了源區(qū)輝石巖組分的存在。

圖 8 卡洛琳群島火山巖SiO2與CaO/Al2O3 (a)、Nb/Nb* (b)，Nb/Nb*與(La/Sm)N (c)、(Sm/Yb)N (d)相關(guān)圖N代表原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化值，波納佩火山巖數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[22]。Fig.8 SiO2 versus CaO/Al2O3 (a), Nb/Nb*(b); Nb/Nb*vs (La/Sm)N (c), (Sm/Yb)N (d) of volcanic rock in the Caroline islandsN represents the primitive mantle-normalized value; Pohnpei data are from reference[22].

4.3 晚期含碳組分加入

卡洛琳海山鏈橄欖石的微量元素特征顯示出其源區(qū)與高硅輝石巖的聯(lián)系，但最后形成的洋島—波納佩與科斯雷部分火山巖表現(xiàn)出高堿性程度和硅不飽和的特征，卡洛琳海山鏈地幔源區(qū)存在CO2的作用為此提供了解釋。被礦物晶體捕獲的熔體包裹體可能記錄著熔體噴發(fā)前的化學(xué)演化，已有研究將早期結(jié)晶礦物（如橄欖石）中含碳酸鹽的熔體包裹體與源區(qū)富集CO2組分聯(lián)系起來(lái)[13,22,37-40]。在科斯雷霞石巖（KSR-5）一個(gè)Fo值為85mol%的橄欖石中，發(fā)現(xiàn)了內(nèi)部包含碳酸鹽的熔體包裹體。圖4b中無(wú)揮發(fā)分100%標(biāo)準(zhǔn)化后類型1的成分組成（CaO=98.16%、MgO =1.84%）與鈣質(zhì)碳酸鹽礦物類似；類型2的成分組成（SiO2=53.58%、MgO=33.13%、FeO=9.14%、Al2O3=2.81%、CaO=1.34%）類似于硅酸鹽玻璃的組分。該熔體包裹體可能代表了原始巖漿中的殘余含碳熔體組成，在巖漿上升時(shí)被結(jié)晶的橄欖石所捕獲，此后該包裹體經(jīng)過(guò)演化并分異出含鈣的碳酸鹽礦物相，其他部分則代表著碳酸鹽礦物分離后的熔體組成。

Dasgupta認(rèn)為由碳酸榴輝巖產(chǎn)生的碳酸硅酸鹽部分熔體，其成分特征與高度堿性O(shè)IB類似[32]，具有低的SiO2與Al2O3，高的CaO、FeO和TiO2。在榴輝巖與二輝橄欖巖熔體反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，相對(duì)于無(wú)揮發(fā)分條件，CO2的參與明顯降低了熔體的SiO2含量、升高了CaO/ Al2O3比值，與天然霞石巖、過(guò)渡性霞石玄武巖特征相符[10]。Hoernle對(duì)佛得角和加納利洋島火成碳酸巖的研究表明，相對(duì)于大多數(shù)硅酸鹽火山巖，火成碳酸巖富集Ba、Th、Sr、稀土元素，并相對(duì)虧損Ti、Zr、Hf、K和Rb[26]。此外，Nb、Ta元素也呈現(xiàn)一定程度的負(fù)異常。圖8a顯示，相較于楚克，科斯雷與部分波納佩火山巖的SiO2含量明顯較低，整體上硅越來(lái)越不飽和；科斯雷部分霞石巖樣品表現(xiàn)出高CaO/Al2O3值（僅低于波納佩樣品P-7-1、2的1.56、1.61）[22]，高于科斯雷、楚克與大部分波納佩的堿性火山巖（圖8a）。科斯雷火山巖與波納佩火山巖類似，存在Zr、Hf、Ti負(fù)異常和REE的高度富集，顯示出與洋島火成碳酸巖相似的微量元素配分特征，而類似特征未出現(xiàn)在楚克火山巖中（圖3）?？扑估紫际瘞r明顯虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素，富集稀土元素（Nb/Nb*為0.87～0.96，Hf/Hf*為0.70～0.74，Zr/Zr*為0.90～0.94，Ti/Ti*為0.45～0.56；Nb/Nb*=NbN/(ThN×LaN)0.5， Hf/Hf*=H fN/(SmN×EuN)0.5，Zr/Zr*=ZrN/(SmN×EuN)0.5， Ti/Ti*=T iN/(EuN×GdN)0.5；N代表原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化值），其Nb/Nb*值為0.87～0.96，低于其他科斯雷堿性火山巖、楚克與大部分的波納佩火山巖。這種Nb負(fù)異常（Nb/Nb*＜1）可能與源區(qū)金紅石的控制有關(guān)。高Fo值橄欖石內(nèi)部含碳酸鹽礦物的包裹體，與科斯雷火山巖全巖的高CaO、低SiO2含量，以及高場(chǎng)強(qiáng)元素虧損、稀土元素富集的微量元素特征，均表明晚期卡洛琳地幔柱活動(dòng)的地幔源區(qū)存在CO2作用的影響。

卡洛琳群島火山巖的CaO/Al2O3、Nb/Nb*與SiO2含量呈現(xiàn)了良好的線性相關(guān)關(guān)系（圖8a，b）：隨著形成年齡的減小，楚克、波納佩、科斯雷洋島火山巖的SiO2含量減少，CaO/Al2O3值逐漸升高，Nb/Nb*逐漸降低，較晚形成的波納佩、科斯雷洋島部分火山巖呈現(xiàn)了與火成碳酸巖類似的特征?？辶杖簫u火山巖的Nb/Nb*與(La/Sm)N、(Sm/Yb)N整體上呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)（圖8c，d），熔融程度減小的趨勢(shì)與源區(qū)CO2作用逐漸明顯的趨勢(shì)一致。

5 結(jié)論

本文的測(cè)定結(jié)果顯示，即使各洋島源區(qū)地幔端元組成基本一致，但隨著形成時(shí)代的變化，洋島火山巖整體堿性程度增強(qiáng)，并出現(xiàn)不同的地球化學(xué)特征。楚克、波納佩、科斯雷洋島由同一個(gè)地幔柱活動(dòng)先后形成，其火山巖橄欖石的微量元素組成與來(lái)自輝石巖源區(qū)的夏威夷橄欖石類似，全巖組成符合卡洛琳群島源區(qū)組分與榴輝巖和橄欖巖反應(yīng)形成的二階段輝石巖有關(guān)的推論。通過(guò)高精度的橄欖石微區(qū)分析和全巖主量、微量元素測(cè)定，認(rèn)為卡洛琳群島堿性火山巖的巖性差異與以下因素有關(guān)：①熔融程度的改變。從楚克到科斯雷，源區(qū)熔融程度的減小，符合地幔柱活動(dòng)正在減弱的規(guī)律；② 隨著地幔柱晚期活動(dòng)的減弱，含碳組分更明顯地影響了源區(qū)的熔融過(guò)程，地球化學(xué)與礦物學(xué)的證據(jù)表明了卡洛琳地幔柱晚期活動(dòng)中CO2對(duì)源區(qū)熔融過(guò)程的影響。此外，源區(qū)CO2的作用解釋了高硅輝石巖源區(qū)為何能產(chǎn)生科斯雷洋島的硅不飽和的霞石巖。

致謝：對(duì)姚俊華博士后在文章撰寫和實(shí)驗(yàn)測(cè)試中提供的幫助表示衷心的感謝。