華北地幔橄欖巖鋰同位素研究進(jìn)展*

湯艷杰 英基豐

我國(guó)學(xué)者早期通過(guò)對(duì)深源巖石及其地幔捕虜體的巖石地球化學(xué)研究(Zhou and Armstrong, 1982; 鄂莫嵐和趙大升, 1987; 池際尚, 1988; 劉若新, 1992)，認(rèn)識(shí)到華北克拉通新生代巖石圈地幔具有活動(dòng)性和巖石圈減薄現(xiàn)象(鄧晉福等, 1994)。華北金伯利巖及其地幔捕虜體和金剛石包裹體的組成特征表明，華北東部古生代巖石圈厚達(dá)200km(路鳳香等, 1991; 趙磊等, 1993; 池際尚和路鳳香, 1996; 鄭建平, 1999)，而新生代玄武巖攜帶的地幔捕虜體記錄的巖石圈厚度僅有60～80km(池際尚, 1988; Song and Frey, 1989; Tatsumotoetal., 1992; Xuetal., 1995, 1998; Griffinetal., 1998; Zhengetal., 1998)，因此，華北克拉通東部巖石圈的厚度自中生代以來(lái)減小了～120km(Fan and Menzies, 1992; Griffinetal., 1992; Menziesetal., 1993)。在此期間，華北巖石圈地幔的組成和性質(zhì)也發(fā)生了明顯變化(Fanetal., 2000; Xu, 2001; Zhangetal., 2002)，與典型克拉通的特征明顯不符，即華北中生代巖石圈遭到了破壞(Mesozoic lithosphere destruction; Zhangetal., 2002)，由此誕生了“華北克拉通破壞”這一新概念(Zhuetal., 2011, 2012)。

華北東部是全球克拉通破壞的典型代表(Carlsonetal., 2005)。近15年來(lái)，圍繞克拉通破壞這一核心科學(xué)問(wèn)題，我國(guó)學(xué)者開展了大量地質(zhì)、地球物理和地球化學(xué)多學(xué)科綜合研究，認(rèn)識(shí)到克拉通破壞的實(shí)質(zhì)是由于巖石圈地幔的物質(zhì)組成與物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變(從古老、難熔的克拉通型轉(zhuǎn)為相對(duì)年輕的、飽滿的大洋型地幔)，從而導(dǎo)致克拉通固有的穩(wěn)定性遭到破壞，并指出古太平洋板塊俯沖是華北克拉通東部破壞的主要外部驅(qū)動(dòng)力(Zhengetal., 2007; Xuetal., 2009; Zhuetal., 2011; Zhu and Xu, 2019; 朱日祥等, 2020; Tangetal., 2021及其參考文獻(xiàn))。在華北克拉通巖石圈地幔組成轉(zhuǎn)變研究方面，Li-Fe-Mg等非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素體系的示蹤作用功不可沒(méi)(張宏福等, 2007; Zhaoetal., 2010, 2017b; 黃方, 2011; Xiaoetal., 2013; 蘇本勛, 2017; 湯艷杰和張宏福, 2019)。例如，地幔橄欖巖的Li含量和Li同位素特征表明華北巖石圈地幔經(jīng)歷了再循環(huán)的蝕變洋殼衍生熔體和軟流圈熔體多階段的改造作用(Tangetal., 2007a, 2012, 2014; Zhangetal., 2010; 李佩等, 2012; Xuetal., 2013; Xiaoetal., 2015)；新生代玄武巖和地幔捕虜體的Mg同位素研究也佐證了來(lái)自大洋俯沖板片的再循環(huán)碳酸鹽熔體對(duì)巖石圈地幔的改造作用(Yangetal., 2012; Xiaoetal., 2013; Huetal., 2016)，隨后的研究進(jìn)一步表明整個(gè)中國(guó)東部新生代地?？赡芏际艿搅宋魈窖蟀鍓K俯沖的影響(Huangetal., 2015; Tianetal., 2016; Lietal., 2017)，即使遠(yuǎn)在上千千米之外的華北中部太行山地區(qū)也受到了影響，該區(qū)新生代玄武巖Sr-Nd-Pb同位素特征表明古老巖石圈與軟流圈之間的相互作用(Xuetal., 2005; Tangetal., 2006)，其Ba同位素組成特征反映地幔源區(qū)有俯沖的大洋沉積物的貢獻(xiàn)(Zhaoetal., 2021)；Xuetal. (2017)和Zhuetal. (2021)通過(guò)對(duì)新生代玄武巖的主、微量元素和Zn-Sr-Nd同位素研究發(fā)現(xiàn)太行山地區(qū)的新生代地幔還可能受到了碳酸鹽化榴輝巖/輝石巖的影響；地幔捕虜體的Fe和Ca同位素地球化學(xué)特征也有效地示蹤了華北巖石圈地幔轉(zhuǎn)變的重要機(jī)制——橄欖巖-熔體相互作用(Zhaoetal., 2010, 2012, 2015, 2017a; Kangetal., 2016)。本文將簡(jiǎn)要綜述華北地幔橄欖巖Li同位素地球化學(xué)研究進(jìn)展。

1 鋰同位素體系概述

鋰(Li)同位素是最先被用于示蹤地幔過(guò)程的非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素體系。它的兩個(gè)天然穩(wěn)定同位素6Li和7Li的豐度分別為7.4%和92.6%，高達(dá)16%的相對(duì)質(zhì)量差使得Li同位素在自然界中產(chǎn)生巨大的分餾，δ7Li變化范圍可達(dá)～80‰(Tomascak, 2004; Tangetal., 2007b)。Li為中等不相容元素，在殼-幔體系中含量變化明顯：陸殼和新鮮MORB平均鋰含量分別為20×10-6(Tengetal., 2004, 2008)和5×10-6～6×10-6(Chanetal., 1992; Egginsetal., 1998; Elliottetal., 2006; Tomascaketal., 2008)，明顯高于正常地幔的平均值1.5×10-6(Egginsetal., 1998)。

由于Li元素具有強(qiáng)烈的流體活動(dòng)性，而且7Li優(yōu)先在流體相中富集，造成地球上不同儲(chǔ)庫(kù)的Li同位素組成差異顯著(Tangetal., 2010; 肖燕等, 2021)，因而Li同位素體系能夠被廣泛用于示蹤與流體有關(guān)的許多地質(zhì)過(guò)程(Tangetal., 2007b; Suetal., 2012, 2014, 2016; 肖益林等, 2015;肖燕等, 2021及其參考文獻(xiàn))。由于在低溫蝕變過(guò)程中，大洋地殼與海水發(fā)生同位素交換，因此蝕變洋殼的δ7Li明顯高于新鮮的洋中脊玄武巖。洋殼在俯沖過(guò)程中發(fā)生脫水反應(yīng)，釋放的重Li流體(高δ7Li)交代上覆地幔，會(huì)造成具有重Li同位素組成特征的地幔楔，而脫水之后俯沖進(jìn)入深部地幔的殘余板片具有輕Li同位素特征(肖益林等, 2015)。低δ7Li的俯沖板片熔融所釋放的熔體與地幔橄欖巖反應(yīng)，可以產(chǎn)生具有輕Li同位素特征的地幔(Tomascaketal., 2002; Zacketal., 2003; Brookeretal., 2004; Elliottetal., 2004; Wunderetal., 2006; Tangetal., 2007b)。

未經(jīng)歷交代作用的正常地幔的Li含量為1×10-6～2×10-6，其中橄欖石的Li含量略高于單斜輝石和斜方輝石(Seitz and Woodland, 2000; Tangetal., 2011; Suetal., 2012)。地幔交代作用可以明顯升高橄欖巖中礦物的Li含量，Li同位素變輕或變重則主要取決于不同性質(zhì)的熔體(Seitzetal., 2004; Woodlandetal., 2004; Zhangetal., 2010; Suetal., 2014)。例如，硅酸鹽熔體交代作用會(huì)造成單斜輝的Li含量明顯升高(Woodlandetal., 2004)，橄欖石的Li同位素組成變重(Suetal., 2014)；反之，碳酸鹽熔體交代會(huì)造成橄欖石Li含量升高(Woodlandetal., 2004)，但其δ7Li值降低(Suetal., 2014)。由于地幔交代作用在巖石圈地幔中普遍存在(Tangetal., 2013b)，因此絕大多數(shù)地幔礦物具有不均一的Li含量和Li同位素組成(Seitzetal., 2004; Tangetal., 2007a, 2014; Wagner and Deloule, 2007; Aulbach and Rudnick, 2009; Suetal., 2012; Xuetal., 2013)。根據(jù)共存礦物之間的Li含量和同位素組成變化情況，可以判斷地幔交代作用過(guò)程中熔體的性質(zhì)和來(lái)源(蘇本勛, 2017; 湯艷杰和張宏福, 2019; 肖燕等, 2021)。比如，碳酸鹽熔體和脫水之后的洋殼熔體都具有輕Li同位素組成，對(duì)于二者的區(qū)分，除了Li同位素組成，還需結(jié)合共存礦種之間Li含量的變化：碳酸鹽熔體交代會(huì)造成橄欖石Li含量升高，而脫水洋殼熔融產(chǎn)生的熔體可造成單斜輝石Li含量的升高。因此，根據(jù)共存的橄欖石和單斜輝石的Li含量和同位素組成特征可對(duì)兩者進(jìn)行區(qū)分。

2 華北地幔橄欖巖鋰同位素組成特征

離子探針微區(qū)原位分析和多接收等離子體質(zhì)譜儀溶液法分析均表明，華北克拉通地幔捕虜體中共存礦物的Li含量和Li同位素組成具有非常大的變化范圍?？傮w上，地幔橄欖巖中輝石的Li含量(最高可達(dá)40×10-6)明顯高于共存的橄欖石的Li含量(絕大多數(shù)<5×10-6)(圖1a)。大多數(shù)輝石具有較輕的Li同位素組成(δ7Li<0)，其平均值低于共存的橄欖石(圖2; Zhangetal., 2010; 李佩等, 2012; Suetal., 2012, 2014; Tangetal., 2012; Xuetal., 2013; Xiaoetal., 2015)。造成這種現(xiàn)象的主要原因是Li同位素的擴(kuò)散分餾作用，因?yàn)長(zhǎng)i元素在輝石(包括單斜輝石和斜方輝石)中的擴(kuò)散速率遠(yuǎn)大于它在橄欖石中的速率(Cooganetal., 2005; Parkinsonetal., 2007)，致使輝石容易受到后期過(guò)程中同位素?cái)U(kuò)散分餾的影響。例如，在地幔橄欖巖捕虜體被寄主巖漿捕獲、攜帶上升至地表，以及巖漿冷卻的過(guò)程中，輝石的Li含量和Li同位素組成均會(huì)受到明顯影響(Tangetal., 2007a, 2011, 2012; Aulbach and Rudnick, 2009; Gaoetal., 2011)。相比之下，橄欖石的Li含量和同位素組成變化較小，或者只是礦物顆粒的邊部受到影響。因此，在地幔交代過(guò)程中，輝石是較容易被改造的礦物相，其Li含量和同位素特征主要記錄近期的交代作用，而不易被改造的橄欖石則可以記錄更早期的地幔過(guò)程，尤其是大顆粒橄欖石的核部更能保持其地幔源區(qū)的Li元素和同位素組成特征(Qianetal., 2010; 李佩等, 2012; Tangetal., 2012, 2014; Xiaoetal., 2015; 湯艷杰和張宏福, 2019)。因此，本文在統(tǒng)計(jì)橄欖石和共存的單斜輝石Li含量(圖1)、三種主要礦物(橄欖石、單斜輝石和斜方輝石)Li同位素組成(圖2)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)華北不同地區(qū)的地幔捕虜體中橄欖石的Li同位素組成進(jìn)行對(duì)比(圖3)。

圖1 華北地幔橄欖巖中共存單斜輝石和橄欖石Li含量變化(a)和交代熔體性質(zhì)判別圖(b，底圖據(jù)Tang et al., 2007a)數(shù)據(jù)來(lái)源：青島(Zhang et al., 2010)，蓬萊(李佩等, 2012)，寬甸(Xu et al., 2013)，龍崗(Tang et al., 2012)，北巖(Xiao et al., 2015)，漢諾壩(Tang et al., 2007a)，繁峙(Tang et al., 2010, 2011, 2014)，鶴壁(Tang et al., 2010, 2011, 2014)，漢諾壩、繁峙、鶴壁含湯艷杰等未發(fā)表數(shù)據(jù). 每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表單個(gè)樣品溶液法或原位分析結(jié)果的平均值(多數(shù)橄欖巖樣品中橄欖石和單斜輝石的原位分析點(diǎn)數(shù)在5～20之間).圖2、圖3數(shù)據(jù)來(lái)源同此圖Fig.1 Diagrams showing Li abundances in coexisting olivine and clinopyroxene (a) and melt discrimination of mantle metasomatism (b, after Tang et al., 2007a) in mantle peridotites from the North China Craton

圖2 華北地幔橄欖巖中共存橄欖石、斜方輝石和單斜輝石的Li同位素組成變化(底圖據(jù)Tang et al., 2010)Fig.2 Diagram showing variation of Li isotopic compositions of coexisting olivine, orthopyroxene and clinopyroxene minerals in mantle peridotites from the North China Craton (after Tang et al., 2010)

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，華北不同地區(qū)地幔捕虜體中礦物的Li含量和Li同位素組成差異明顯。青島和龍崗地區(qū)的部分樣品落在正常地幔范圍內(nèi)，除此之外，其它地區(qū)樣品中礦物的Li含量均高于正常地幔值(圖1b)，鶴壁、繁峙、蓬萊和漢諾壩地區(qū)的樣品中單斜輝石的Li含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出正常地幔的范圍(圖1a)，表明這些樣品經(jīng)歷了鐵鎂質(zhì)硅酸鹽熔體的交代作用；在龍崗地區(qū)的部分樣品中，橄欖石的Li含量高于共存的單斜輝石，顯示了碳酸鹽熔體交代作用的特征(圖1b)。在Li同位素組成上，除龍崗和青島低Mg#橄欖巖樣品的橄欖石在正常地幔范圍附近變化外，其它地區(qū)樣品的δ7Li均顯示較大變化范圍，而且多數(shù)低于正常地幔值(新鮮洋中脊玄武巖的范圍，圖2)。與眾不同的是，漢諾壩地區(qū)多數(shù)橄欖巖捕虜體樣品中橄欖石的δ7Li值高于正常地幔值，鶴壁橄欖石的δ7Li值具有比輝石更大的變化范圍(圖2)。大量研究表明，華北地幔橄欖巖捕虜體中Li含量和同位素組成存在多個(gè)尺度的不均一性：不同地區(qū)、同一地區(qū)的不同樣品、同一樣品的不同礦物、同一礦物的不同顆粒之間都存在Li含量和Li同位素組成的差異，甚至礦物顆粒內(nèi)部也存在不同程度的成分環(huán)帶。在多數(shù)地幔橄欖巖樣品中，不同礦物顆粒的核部-幔部-邊部的成分變化沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)律(Tangetal., 2007a, 2011, 2012, 2014; 李佩等, 2012; Xuetal., 2013; Suetal., 2014; Xiaoetal., 2015)。

圖3 華北克拉通東部與中部地區(qū)地幔橄欖巖中橄欖石Li含量與Li同位素組成直方圖華北東部包括青島、蓬萊、北巖、龍崗和寬甸;中部包括鶴壁、繁峙和漢諾壩. 正常地幔據(jù)Tang et al. (2010)Fig.3 Histograms of Li abundances and Li isotopic compositions for olivine in the mantle peridotites from the eastern and central parts of North China Craton

地幔橄欖巖中礦物之間和礦物顆粒內(nèi)部的Li含量和Li同位素差異指示華北克拉通巖石圈地幔中存在Li同位素的不平衡現(xiàn)象。結(jié)合巖石學(xué)和其他同位素地球化學(xué)指標(biāo)，這種強(qiáng)烈的非平衡體系不能用純粹的同位素?cái)U(kuò)散分餾機(jī)制來(lái)解釋，而是華北巖石圈地幔經(jīng)歷了復(fù)雜的地幔交代作用的結(jié)果(Tangetal., 2011, 2014;李佩等, 2012; Xuetal., 2013; Xiaoetal., 2015; 湯艷杰和張宏福, 2019)。在大多數(shù)地幔捕虜體中，兩種輝石的Li含量明顯高于共生的橄欖石的Li含量，與普遍的硅酸鹽熔體交代作用的特征相一致(Tangetal., 2007a, 2011; Zhangetal., 2010)；漢諾壩橄欖石高δ7Li的特征進(jìn)一步指示典型的硅酸鹽熔體交代作用(Suetal., 2014)；龍崗地區(qū)的地幔橄欖巖顯示了碳酸鹽熔體交代作用的特征(圖1b)，青島地區(qū)的低Mg#橄欖巖具有正常地幔的組成，而北巖地區(qū)的地幔橄欖巖捕虜體記錄了硅酸鹽熔體和碳酸鹽熔體交代的多重信息(Xiaoetal., 2015)。

與已知的Li同位素儲(chǔ)庫(kù)相比(圖2)，華北克拉通大部分樣品中橄欖石的Li同位素組成接近正常地幔，或在正常地幔的范圍內(nèi)變化，少部分樣品的橄欖石Li同位素組成明顯偏離了正常地幔的范圍。例如，青島地區(qū)低Mg#橄欖巖具有相對(duì)均一的組成，高M(jìn)g#橄欖巖中橄欖石的Li同位素組成范圍變化較大，但未超出島弧熔巖的范圍(Zhangetal., 2010)，這與龍崗地區(qū)的橄欖巖具有相似之處。由于龍崗新生代玄武巖中的橄欖巖捕虜體非常新鮮、塊體巨大，而且有方輝橄欖巖、二輝橄欖巖等多種類型，最重要的是多數(shù)樣品中礦物的Li含量和同位素組成比較均一(Tangetal., 2012)，因此，已被開發(fā)成為橄欖巖離子探針原位分析的標(biāo)準(zhǔn)樣品(Suetal., 2015)。

除鶴壁地區(qū)之外(可能是輝石分析數(shù)據(jù)較少的原因)，其他地區(qū)橄欖巖中輝石的Li同位素組成變化范圍明顯大于橄欖石(圖2)，這與前文所述的輝石容易受到近期Li同位素?cái)U(kuò)散分餾作用的影響相一致。因此，接下來(lái)重點(diǎn)討論華北地幔橄欖巖捕虜體中橄欖石的Li同位素組成特征與成因。

圖4 華北巖石圈地幔多階段改造與Li同位素特征示意圖(據(jù)Tang et al., 2007a；Xu et al., 2022修改)圖中綠色的[Li]表示Li含量Fig.4 Schematic diagrams showing the multi-stage transformation and Li isotope characteristics of lithospheric mantle beneath the North China Craton (modified after Tang et al., 2007a; Xu et al., 2022)

根據(jù)現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖2)，在華北所有地區(qū)的地幔橄欖巖捕虜體中，鶴壁地幔橄欖巖中橄欖石的Li同位素組成變化范圍最大，最輕的組分(低δ7Li)與榴輝巖的特征相似，最重的組分(高δ7Li)與漢諾壩地區(qū)相似，具有接近于低溫蝕變的大洋玄武巖和海水的Li同位素組成特征。北巖和寬甸地區(qū)部分橄欖巖捕虜體中的橄欖石也具有較重的Li同位素組成。而蓬萊地區(qū)的橄欖巖中橄欖石具有非常輕的Li同位素特征，接近于大多數(shù)單斜輝石和斜方輝石的Li同位素組成。繁峙橄欖巖中橄欖石的Li同位素組成也明顯偏離了正常地幔，具有偏輕的特征。華北不同地區(qū)地幔橄欖巖Li同位素組成的巨大差異表明，華北克拉通巖石圈地幔經(jīng)歷了復(fù)雜的熔體/流體-橄欖巖相互作用，一方面是參與地幔交代作用的介質(zhì)不同，另一方面是地幔交代作用具有多階段性和疊加性，而且地幔改造作用的程度也不相同(湯艷杰 和張宏福, 2019; Tangetal., 2021; Xuetal., 2022)。

華北克拉通破壞主要發(fā)生在東部，這一現(xiàn)象也被地幔橄欖巖的Li同位素特征所反映。華北東部地區(qū)地幔橄欖巖樣品位置包括山東青島、蓬萊、北巖、遼寧寬甸和吉林龍崗地區(qū)，華北中部的樣品主要來(lái)自河南鶴壁、山西繁峙和河北漢諾壩地區(qū)。華北克拉通東部和中部地區(qū)多數(shù)地幔橄欖巖中橄欖石的Li含量接近正常地幔，但還有相當(dāng)一部分高于正常地幔(圖3a)，相比之下，Li同位素組成的變化范圍非常大，雖然在正常地幔范圍附近的樣品數(shù)量最多，但是，仍有大量樣品的Li同位素組成偏離正常地幔的范圍(圖3b)。與華北東部相比，華北中部地幔橄欖巖中橄欖石的Li同位素組成變化范圍更大(圖3b)，尤其是鶴壁和漢諾壩地區(qū)，部分橄欖巖中橄欖石具有極輕或極重的Li同位素組成特征(圖2)。

3 華北克拉通巖石圈地幔改造過(guò)程與鋰同位素變化機(jī)制

全球克拉通與造山帶地幔橄欖巖的對(duì)比研究表明，地幔改造作用在大陸巖石圈地幔中普遍存在，相比之下，華北克拉通巖石圈地幔的改造現(xiàn)象更為明顯(Tangetal., 2013b)。華北地幔橄欖巖捕虜體中礦物復(fù)雜的Li含量和Li同位素變化特征，反映了華北克拉通巖石圈地幔復(fù)雜的改造過(guò)程。如圖4所示，華北巖石圈地幔經(jīng)歷了至少三個(gè)階段的熔/流體改造作用。在熔/流體-橄欖巖相互作用的過(guò)程中，Li同位素在交代介質(zhì)與地幔橄欖巖之間、以及橄欖巖的不同礦物之間的擴(kuò)散分餾作用造成了復(fù)雜的Li同位素不均一現(xiàn)象。理論上，正常地幔應(yīng)該具有相對(duì)均一的Li含量和Li同位素組成(圖4a)，以新鮮的洋中脊玄武巖為代表，正常地幔的δ7Li在大約+1.5‰～+6‰之間變化(圖2)。在Li擴(kuò)散進(jìn)入礦物之前，橄欖巖中礦物的Li含量和同位素組成是均勻的，與正常上地幔相似(Seitz and Woodland, 2000; Jeffcoateetal., 2007)。在大洋板塊俯沖的早期階段，俯沖板塊釋放的流體具有高Li含量和高δ7Li的特征(圖4b)，這樣的流體與地幔橄欖巖發(fā)生反應(yīng)，二端元混合作用的結(jié)果必然造成橄欖巖中礦物的Li含量和δ7Li的升高。隨著板片俯沖深度增加和重鋰組分的釋放，殘余的俯沖板片在深部地?；虻蒯＿^(guò)渡帶發(fā)生熔融，釋放出的熔體具有比正常上地幔低的δ7Li值(Zacketal., 2003; Wunderetal., 2006; Caciaglietal., 2011; Xiaoetal., 2011)，輕Li的熔體與橄欖巖反應(yīng)，導(dǎo)致地幔礦物δ7Li降低(圖4c; Tangetal., 2012)。由于6Li的擴(kuò)散速度大于7Li，擴(kuò)散分餾作用可能在礦物顆粒邊部形成Li含量和同位素組成分帶，礦物顆粒邊緣的Li含量通常高于核心，而δ7Li值呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)(邊緣δ7Li低于核心)，這種現(xiàn)象在橄欖巖冷卻過(guò)程中表現(xiàn)得尤為明顯。

由于來(lái)自軟流圈的熔體具有正常地幔的Li同位素組成，其δ7Li值高于之前來(lái)源于殘余俯沖板片的熔體，因此，近期的軟流圈熔體與橄欖巖相互作用疊加在橄欖巖之前經(jīng)歷的低δ7Li熔體改造作用之上，使橄欖巖被降低了的δ7Li值回升，趨近于正常地幔；但隨著地溫梯度下降或橄欖巖捕虜體的冷卻，Li在輝石與橄欖石之間的分配系數(shù)發(fā)生變化，Li從橄欖石擴(kuò)散進(jìn)入單斜輝石，造成礦物顆粒邊緣的Li含量與δ7Li之間的反相關(guān)現(xiàn)象(圖4d; Tangetal., 2007a)。

前已述及，華北不同地區(qū)地幔橄欖巖中Li同位素組成的巨大變化，反映了不同地區(qū)巖石圈地幔特征和改造過(guò)程的差異。例如，漢諾壩地區(qū)地幔橄欖巖中橄欖石高δ7Li的特征指示典型的硅酸鹽熔/流體交代作用(Suetal., 2014)。就華北中部而言，漢諾壩和繁峙地區(qū)的地幔橄欖巖具有相對(duì)飽滿的組成，橄欖石Fo值<92(Tangetal., 2008)，而鶴壁地幔橄欖巖具有相對(duì)難熔的組成，多數(shù)橄欖石Fo值>92(Zhengetal., 2001)。鶴壁橄欖巖異常的Li同位素組成特征(圖2)可能反映了再循環(huán)的大洋地殼物質(zhì)(殘余的俯沖板片)對(duì)古老的克拉通巖石圈地幔的改造作用(Tangetal., 2014)，這種輕Li組分也對(duì)華北其他地區(qū)造成了影響，圖2中部分地區(qū)橄欖石的輕Li特征支持上述結(jié)論。

除了蓬萊地區(qū)，華北克拉通東部地區(qū)多數(shù)地幔捕虜體中的橄欖石具有相對(duì)均一、且接近正常地幔的δ7Li，而中部地區(qū)橄欖石的δ7Li變化范圍很寬，這主要與華北不同地區(qū)的差異演化過(guò)程有關(guān)(Tangetal., 2013a)。華北中部既有元素和同位素組成高度不均一的古老巖石圈地幔(湯艷杰等, 2004; Tangetal., 2008; Xuetal., 2008, 2010; Liuetal., 2011)，又有相對(duì)年輕的類似于大洋型的地幔(Tangetal., 2013c)；而東部地區(qū)的巖石圈地幔經(jīng)歷了地殼衍生熔體和軟流圈熔體的多階段強(qiáng)烈改造(Xuetal., 2022)，幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹髁吭仫枬M、同位素組成相對(duì)均一的大洋型地幔(Tangetal., 2021及其參考文獻(xiàn))。因此，不同程度的熔/流體改造作用最終造成了華北克拉通東部與中部巖石圈地幔特征的明顯差異。

值得強(qiáng)調(diào)的是，龍崗地區(qū)的地幔捕虜體與青島低Mg#橄欖石相似，無(wú)論是橄欖石，還是兩種輝石，礦物顆粒具有均一且接近于正常地幔的Li含量和Li同位素組成(圖2)。龍崗部分樣品具有低于正常地幔的δ7Li值，反映了再循環(huán)的蝕變洋殼(含硅酸鹽沉積物)衍生熔體的改造作用。龍崗地區(qū)具有相對(duì)均一的、低δ7Li特征的樣品為地幔中存在輕Li組分提供了直接證據(jù)(Tangetal., 2012)。同方輝橄欖巖相比，二輝橄欖巖和輝石巖中橄欖石和輝石較高的Li含量和δ7Li反映了來(lái)自軟流圈熔體的改造作用(Tangetal., 2012)。綜上所述，地幔捕虜體Li含量和Li同位素組成特征表明華北巖石圈地幔至少經(jīng)歷了蝕變洋殼早期俯沖階段釋放的流體、深俯沖和地幔過(guò)渡帶滯留階段的殘余洋殼衍生熔體和近期軟流圈熔體三個(gè)階段的改造過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

華北克拉通巖石圈地幔高度不均一的Li同位素組成特征主要反映了不同熔/流體對(duì)古老地幔改造的結(jié)果。由于改造作用的多階段性和改造程度的不同，華北克拉通東部與中部地幔橄欖巖的組成特征具有系統(tǒng)性的差異。微區(qū)原位研究證明了巖石圈地幔中存在輕Li組分，其成因與殘余俯沖板片熔融所產(chǎn)生的熔體有關(guān)。因?yàn)楦_的硅酸鹽沉積物和殘余蝕變洋殼都有可能在地幔深部產(chǎn)生低δ7Li值的熔體，因此僅通過(guò)地幔捕虜體中橄欖石和輝石的Li同位素特征尚不能很好地區(qū)分二者的貢獻(xiàn)，將Li同位素與Sr或Ba同位素特征進(jìn)行聯(lián)合研究，有望解決這一問(wèn)題。由于Li同位素是最輕的非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素，對(duì)熔/流體活動(dòng)非常敏感，因而能夠靈敏地示蹤華北克拉通巖石圈地幔的改造過(guò)程。但由于Li是微量元素，其同位素組成容易受到許多地質(zhì)過(guò)程的影響，在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中也存在一些不確定性。相比之下，F(xiàn)e和Mg是主量元素，其同位素變化理應(yīng)更能夠說(shuō)明巖石圈地幔組成的改變。然而，在多數(shù)情況下，F(xiàn)e和Mg同位素組成的變化較小，對(duì)地質(zhì)過(guò)程不太敏感。因此，將Li與Fe和Mg等其他地球化學(xué)指標(biāo)相結(jié)合，從多方面提供證據(jù)進(jìn)行聯(lián)合示蹤是未來(lái)的發(fā)展方向。

借此機(jī)會(huì)，謹(jǐn)以此文感謝周新華老師推薦我到中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所從事博士后研究，并帶領(lǐng)我進(jìn)入地幔地球化學(xué)領(lǐng)域，這對(duì)我在地球科學(xué)成長(zhǎng)之路上至關(guān)重要。

致謝感謝張宏福老師在我博士后期間推薦我到日本岡山大學(xué)固體地球科學(xué)研究中心嘗試進(jìn)行地幔橄欖巖的Li同位素分析，從此開辟了我國(guó)Li同位素地幔地球化學(xué)研究方向，推動(dòng)了學(xué)科的發(fā)展。文章質(zhì)量的提升得益于肖益林教授和徐榮博士提出的建設(shè)性修改意見(jiàn)，在此表示感謝！