從大陸火山巖視角了解深部地幔化學(xué)儲(chǔ)庫的屬性*

陳立輝 曾罡 劉建強(qiáng) 王小均 張超

了解地幔的物質(zhì)組成以及地?；瘜W(xué)不均一性的成因是地幔地球化學(xué)的主要研究內(nèi)容，也是固體地球科學(xué)的前沿研究領(lǐng)域。近年來，洋島玄武巖(OIB)視角下的深部地?；瘜W(xué)儲(chǔ)庫研究已經(jīng)取得了許多重要進(jìn)展，尤其是代表性O(shè)IB的高精度金屬穩(wěn)定同位素分析和橄欖石斑晶的高精度微量元素分析，使我們有機(jī)會(huì)對地幔端元的屬性有了更精細(xì)的刻畫。但是，由于OIB在時(shí)間和空間分布上的局限性，以及其成因上的特殊性，基于OIB視角的地球化學(xué)觀察對于示蹤地幔中的再循環(huán)地殼物質(zhì)還存在許多盲點(diǎn)。為此，本文在總結(jié)近年OIB研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了不同地幔端元之間的成因聯(lián)系；同時(shí)以我國東北新生代幔源火山巖為例，提出從大陸火山巖視角開展的深部地幔儲(chǔ)庫觀察，可以與OIB視角下的研究構(gòu)成互補(bǔ)。

圖1 洋島玄武巖與大陸火山巖在Pb-Nd同位素相關(guān)圖上的對比(a)以及再循環(huán)地殼與各地幔儲(chǔ)庫之間的成因聯(lián)系(b)陰影區(qū)為全球洋島玄武巖和洋中脊玄武巖的范圍；代表性的洋島玄武巖包括Hawaii群島、Pitcairn-Cambier群島、Samoa群島以及Cook-Austral群島；東北超鉀質(zhì)玄武巖指小古里河新生代火山巖，東北鉀質(zhì)玄武巖指五大連池、科洛、二克山和諾敏河等地的新生代火山巖，東北鈉質(zhì)玄武巖指廣泛分布在松遼盆地東側(cè)的新生代玄武巖以及分布在大興安嶺哈拉哈-柴河地區(qū)的新生代玄武巖；帶雙箭頭的虛線代表不同地幔柱的排列趨勢(混合線).大洋玄武巖數(shù)據(jù)來自GEOROC數(shù)據(jù)庫(https://georoc.eu/georoc/)，東北新生代火山巖數(shù)據(jù)因涉及的文獻(xiàn)太多，此處未一一列舉Fig.1 206Pb/204Pb vs. εNd for OIBs and continental volcanic rocks in Northeast China (a) and genetic relationship between recycled crusts and mantle reservoirs (b)

1 洋島玄武巖視角下的深部地?；瘜W(xué)儲(chǔ)庫

針對洋島玄武巖開展的地球化學(xué)研究是探索深部地幔的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)和演化的主要途徑之一。20世紀(jì)80年代地球化學(xué)家在梳理洋島玄武巖(OIB)的Sr-Nd-Pb-He同位素?cái)?shù)據(jù)基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)下地幔在化學(xué)組成上不僅與上地幔存在顯著區(qū)別，而且下地幔內(nèi)部在化學(xué)上也是高度不均一的，并定義了今天被大家熟知的HIMU、EM1、EM2和PREMA(本文稱FOZO)等地幔端元(Zindler and Hart, 1986; 圖1a)。為了解釋深部地幔儲(chǔ)庫的化學(xué)不均一性和地幔端元的形成，地殼再循環(huán)(crustal recycling)模型應(yīng)運(yùn)而生。Hofmann and White (1982)首次詳細(xì)闡述了地殼再循環(huán)模型及其對洋島玄武巖成因的解釋，建立了地球深部與地球表層之間物質(zhì)循環(huán)的基本框架。經(jīng)過不斷完善，“地球表層物質(zhì)(如大陸地殼、大洋地殼以及不同類型沉積物等)以俯沖、俯沖剝蝕或拆沉等形式再循環(huán)進(jìn)入地幔并經(jīng)歷長期孤立的同位素演化”成為解釋深部地幔化學(xué)不均一的流行觀點(diǎn)(Hofmann, 1997; White, 2015)。雖然下地幔的主體是FOZO，根據(jù)其中等虧損的Nd同位素組成(圖1a)和較高的3He/4He比值(明顯高于MORB)，其成因主要與地幔的早期虧損事件有關(guān)，是早期虧損地幔經(jīng)過后續(xù)的系列演化形成(Hofmannetal., 2022)。因此EM1、EM2和HIMU的屬性是討論地球深部與地球表層之間物質(zhì)循環(huán)的關(guān)鍵，而不是FOZO。

EM1 (Enriched Mantle Ⅰ)指Ⅰ型富集地幔，顯著特點(diǎn)是在OIB中具有最低的206Pb/204Pb比值(～17.5)，代表性樣品來自南太平洋的Pitcairn和南大西洋的Walvis Ridge、Tristan-Gough群島/海山等。EM2 (Enriched Mantle Ⅱ)指Ⅱ型富集地幔，顯著特征是在OIB中具有最高的87Sr/86Sr比值，代表性樣品來自南太平洋的Society和Samoa群島等。HIMU [highμ,μ=(238U/204Pb)t=0]指具有高U/Pb比的地幔儲(chǔ)庫，顯著特點(diǎn)是在OIB中具有最高的206Pb/204Pb比值(>20.5)，代表性樣品來自南大西洋的St. Helena島和南太平洋Cook-Austral群島中Mangaia和Tubuai等島嶼。PREMA (Prevalent Mantle Composition)常譯為“流行地?！?，其Sr-Nd同位素組成集中于87Sr/86Sr=0.7033和143Nd/144Nd=0.5130的位置及附近，且通常具有較高的3He/4He比值(明顯高于MORB)。后來，PREMA的含義逐漸被“FOZO”(Focus Zone; Hartetal., 1992)所取代，類似的叫法還有“C”(Common Component; Hanan and Graham, 1996)和“PHEM”(Primitive Helium Mantle; Farleyetal., 1992)。FOZO特征的同位素組成在洋島玄武巖中較常見，即使是EM1的典型代表Pitcairn玄武巖，EM2的典型代表Samoa玄武巖，F(xiàn)OZO在其中也常見(圖1a)。

近年來，隨著研究手段的更新和研究思路的拓展，針對地幔深部化學(xué)儲(chǔ)庫的研究已取得了大量進(jìn)展(Huang and Zheng, 2017；Hanyu and Chen, 2021)。如橄欖石斑晶的高精度微量元素分析(Sobolevetal., 2007; Herzbergetal., 2014; Weissetal., 2016)，熔體包裹體的Pb同位素分析(Saaletal., 2005)、硫同位素的非質(zhì)量分餾研究(Cabraletal., 2013; Delavaultetal., 2016)、揮發(fā)分(H2O、CO2、F、Cl等)含量分析(Cabraletal., 2014; Kendricketal., 2014, 2017; Hanyuetal., 2019)、全巖的金屬穩(wěn)定同位素(Li、Mg、Fe、Zn、Tl等)分析(Krienitzetal., 2012; Blusztajnetal., 2018; Wangetal., 2018, 2021; Nebeletal., 2019; Shietal., 2022; Zhangetal., 2022)等陸續(xù)被用于制約各種類型儲(chǔ)庫的巖石學(xué)屬性、形成時(shí)代、形成機(jī)制等問題。與此同時(shí)，通過與地質(zhì)觀察和地球物理觀察相結(jié)合，地幔柱的地球化學(xué)分帶及其成因(Abouchamietal., 2005; Renetal., 2005; Huangetal., 2011; Weisetal., 2011)、俯沖輸入與洋島玄武巖輸出的物質(zhì)通量(Dasgupta and Hirschmann, 2010; Hanyuetal., 2019)、深部地幔-地球表層協(xié)同演化(Eguchietal., 2020)、深部化學(xué)儲(chǔ)庫與深部低速結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系(Jacksonetal., 2018a, b)等綜合性-跨學(xué)科科學(xué)問題也開始被討論。

2 各類地?；瘜W(xué)儲(chǔ)庫的屬性及其相互的聯(lián)系

近年來通過對代表性洋島玄武巖全巖的金屬穩(wěn)定同位素(如Mg、Fe和Zn)與傳統(tǒng)放射成因同位素(Sr、Nd、Pb、Hf和Os)相結(jié)合的研究，以及來自橄欖石斑晶化學(xué)成分的觀察，使深部地幔各類化學(xué)儲(chǔ)庫的屬性得到了進(jìn)一步的甄別，它們之間的關(guān)系也進(jìn)一步厘清(Chenetal., 2022)。

在Mg同位素證據(jù)出現(xiàn)之前，EM1的屬性之前還存在很多爭議，因?yàn)榇箨懴碌貧?、大陸巖石圈地幔以及古老的地表沉積物都可以具有EM1型的Sr-Nd-Pb同位素組成特征。Pitcairn島玄武巖的Mg同位素與Sr、Nd、Pb同位素之間的相關(guān)性表明EM1具有明顯偏輕的Mg同位素組成(δ26Mg值低于地幔值)，因此Pitcairn玄武巖所代表的EM1不可能是再循環(huán)的大陸下地殼或者大陸巖石圈地幔，而是由古老的含碳酸鹽的遠(yuǎn)洋沉積物演化而來(Wangetal., 2018)。Pitcairn玄武巖明顯偏重的Fe同位素表明其源區(qū)為富輝石的源區(qū)，比如反應(yīng)輝石巖(Nebeletal., 2019)。夏威夷Koolau火山的橄欖石斑晶具有明顯過剩的Ni含量(Ni/(Mg/Fe)比值異常偏高，見圖2)，其源區(qū)被認(rèn)為是由再循環(huán)洋殼與地幔橄欖巖反應(yīng)形成的反應(yīng)輝石巖(Sobolevetal., 2005)，但是Koolau玄武巖具有和MORB相近的Fe同位素組成。因此，Pitcairn玄武巖異常高的δ57Fe值無法用源區(qū)為反應(yīng)輝石巖來解釋，但可以用純的榴輝巖來解釋(Shietal., 2022)。同時(shí)，Pitcairn玄武巖中橄欖石斑晶的成分也支持源區(qū)存在榴輝巖巖性。這些橄欖石斑晶的化學(xué)成分既不與MORB中的橄欖石斑晶相同，也不與Koolau玄武巖中的斑晶相同。其Ni/(Mg/Fe)比值介于MORB橄欖石和Koolau橄欖石之間，但其Mn/Fe比甚至低于Koolau橄欖石，在Ni/(Mg/Fe)-Mn/Fe相關(guān)圖上具有一個(gè)特殊的展布趨勢，明顯偏離Koolau-Loihi-MORB橄欖石組成的主流趨勢(反應(yīng)輝石巖源區(qū)+橄欖巖源區(qū)，圖2)，說明Pitcairn地幔柱中存在榴輝巖組分(Shietal., 2022)。需要說明的是，南大西洋Tristan-Gough-Walvis火山鏈也是EM1儲(chǔ)庫的典型代表，該地區(qū)的EM1組分仍然存在交代的巖石圈地幔組分(Gibsonetal., 2005)還是再循環(huán)的地殼組分(Weaveretal., 1986)的爭議，需要通過進(jìn)一步的研究，如金屬穩(wěn)定同位素的研究和橄欖石斑晶的化學(xué)成分分析加以甄別。

圖2 橄欖石斑晶成分(Ni/(Mg/Fe)-Mn/Fe相關(guān)圖)示蹤地幔端元的巖性夏威夷Koolau橄欖石數(shù)據(jù)來自Sobolev et al. (2005)，Loihi橄欖石數(shù)據(jù)來自Sobolev et al. (2007)，Pitcairn橄欖石數(shù)據(jù)來自Shi et al. (2022)，Samoa群島Malumalu橄欖石數(shù)據(jù)來自Jackson and Shirey (2011)，Cook-Austral群島Mangaia和Tubuai橄欖石數(shù)據(jù)來自Weiss et al. (2016)；橄欖巖熔體及二次輝石巖熔體結(jié)晶的橄欖石陰影區(qū)引自Sobolev et al. (2007)；混合熔體結(jié)晶的橄欖石陰影區(qū)為本文總結(jié)，其中混合熔體為榴輝巖熔體和橄欖巖熔體混合而成Fig.2 Plot of 100(Mn/Fe vs. Ni/(Mg/Fe)/1000 of olivine phenocrysts for tracing the source lithology of various mantle endmembers

EM2的爭議不大。以Samoa群島為代表的EM2型OIB具有異常高的87Sr/86Sr以及具有陸殼特征的微量元素特征，普遍被認(rèn)為是再循環(huán)陸源沉積物演化而來(Jacksonetal., 2007)。近期發(fā)現(xiàn)Samoa玄武巖所代表的EM2也具有明顯偏重的Fe同位素組成，其δ57Fe值與部分Pitcairn玄武巖相當(dāng)(Wangetal., 2021)，說明EM2和EM1雖然在Sr-Nd-Pb同位素組成上差異明顯，但是兩者在巖性上是一致的，都是直接的再循環(huán)地殼物質(zhì)——榴輝巖。在Ni/(Mg/Fe)-Mn/Fe相關(guān)圖上Samoa橄欖石斑晶也明顯偏離Koolau-Loihi-MORB橄欖石組成的主流趨勢(反應(yīng)輝石巖源區(qū)+橄欖巖源區(qū)，圖2)，而與Pitcairn橄欖石的展布趨勢一致。因此，無論是Samoa地幔柱中的EM2，還是Pitcairn地幔柱中的EM1，都是榴輝巖。

HIMU早期被認(rèn)為是再循環(huán)的古老蝕變洋殼，這確實(shí)能完美解釋其關(guān)鍵特征——異常高的206Pb/204Pb比值(Chauveletal., 1992)。但是基于元素的觀察結(jié)果似乎總是與基于放射成因同位素的觀察結(jié)果相矛盾(Herzbergetal., 2014)。這些HIMU玄武巖的橄欖石斑晶在成分上大致更接近MORB橄欖石斑晶(圖2)，支持其源區(qū)為橄欖巖，而不是輝石巖或者榴輝巖，這就與再循環(huán)古老洋殼的觀點(diǎn)相矛盾了。不過，其Ca含量相對于MORB橄欖石斑晶明顯過剩，正常的地幔橄欖巖源區(qū)解釋不了，結(jié)合其全巖獨(dú)特的不相容微量元素特征，因此其源區(qū)被認(rèn)為是被富碳酸鹽熔體交代的橄欖巖(Weissetal., 2016)。這種觀點(diǎn)近期得到了玄武巖Zn同位素證據(jù)的有力支持。對Cook-Austral群島和St. Helena火山島的經(jīng)典HIMU型OIB樣品(206Pb/204Pb>20.5)的高精度鋅同位素分析表明，這些HIMU型洋島玄武巖的鋅同位素組成(δ66Zn=0.38±0.03‰)明顯偏重于正常地幔(δ66Zn=0.16±0.06‰)和絕大多數(shù)其它大洋玄武巖(δ66Zn=0.31±0.10‰)(Zhangetal., 2022)。鋅同位素(δ66Zn)與鋨同位素(187Os/188Os)之間存在的相關(guān)性表明偏重的鋅同位素組成是HIMU組分地幔源區(qū)的固有特征。模擬計(jì)算表明玄武巖這種偏重的鋅同位素組成特征無法由部分熔融和巖漿結(jié)晶分異過程產(chǎn)生，需要地表碳酸鹽(具有重的Zn同位素)的直接貢獻(xiàn)(Zhangetal., 2022)。

以上基于玄武巖全巖高精度金屬穩(wěn)定同位素的觀察結(jié)果，與基于橄欖石斑晶高精度的微量元素的觀察結(jié)果是相互吻合的。即EM1和EM2在巖性上是一致的，都是再循環(huán)地殼物質(zhì)轉(zhuǎn)變過來的榴輝巖，可以歸為一類儲(chǔ)庫，本文定義為殘余型富集儲(chǔ)庫(圖1)。這兩種富集儲(chǔ)庫在Sr同位素上的顯著差異主要是再循環(huán)沉積物的類型不同導(dǎo)致的。綜合玄武巖全巖的元素特征和同位素組成，Pitcairn型EM1和Samoa型EM2分別為洋殼+遠(yuǎn)洋沉積物和洋殼+陸源沉積物演化而來。需要指出的是，無論是EM1還是EM2，它們都存在內(nèi)部的不均一性(White, 2015)。比如從Pb-Nd同位素相關(guān)圖上的混合趨勢看，夏威夷的EM1和Pitcairn的EM1有區(qū)別；Samoa除了典型的EM2外，還存在介于Pitcairn和典型EM2之間的一種富集組分；這些不同的富集組分之間構(gòu)成連續(xù)的EM1-EM2譜系(Willbold and Stracke, 2010)。因此，把EM1和EM2歸為一類儲(chǔ)庫，無論在同位素組成上，還是在巖性組成上，都具有合理性。HIMU與EM1和EM2在巖性上顯著不同，本文定義為交代型富集儲(chǔ)庫。圖1b概括了地殼物質(zhì)的再循環(huán)過程及其與各類地幔富集儲(chǔ)庫的成因聯(lián)系。需要指出的是，由于交代熔體的成分和交代作用發(fā)生的時(shí)間不同，HIMU不是唯一的交代型富集儲(chǔ)庫。根據(jù)橄欖石斑晶的成分，夏威夷Koolau玄武巖和Loihi玄武巖的源區(qū)(反應(yīng)輝石巖)也屬于交代型富集儲(chǔ)庫(圖2)。

有趣的是，HIMU型OIB與EM1型OIB在時(shí)間-空間上存在伴生(成對)關(guān)系，這種現(xiàn)象最早發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)90年代(Chauveletal., 1992)，近年來在南太平洋和南大西洋不斷又有新的發(fā)現(xiàn)，因此兩者之間的成因聯(lián)系引起了地球化學(xué)家的廣泛興趣(Homrighausenetal., 2020)。其中EM1型玄武巖偏輕的Mg同位素雖然支持其源區(qū)與再循環(huán)碳酸鹽有關(guān)，但是其明顯偏低的CaO/Al2O3比值說明其地幔源區(qū)并不直接含碳酸鹽，再循環(huán)沉積物可能在俯沖過程中發(fā)生深部熔融釋放碳酸鹽熔體或發(fā)生碳酸鹽-硅酸鹽反應(yīng)而脫碳，殘余的沉積物雖然繼承了碳酸鹽偏輕的Mg同位素特征，但已經(jīng)不含碳酸鹽了(Wangetal., 2017, 2018)。而HIMU的源區(qū)恰恰需要被碳酸鹽熔體交代(Zhangetal., 2022)。因此，含碳酸鹽地殼物質(zhì)的深部熔融及其引起的深部交代作用，不僅可以解釋兩者的金屬穩(wěn)定同位素和放射成因同位素組成，而且也可以解釋其密切的時(shí)間-空間聯(lián)系(圖1b)。

3 洋島玄武巖的局限性

洋島玄武巖的地球化學(xué)研究，尤其是同位素研究，是地幔地球化學(xué)得以誕生并蓬勃發(fā)展的基礎(chǔ)，但也存在明顯的局限性。一方面，洋島玄武巖在空間上代表性不足。洋島玄武巖主要分布在南半球，導(dǎo)致目前對深部地幔地球化學(xué)的觀察過度依賴于南半球的洋島玄武巖，比如定義EM1、EM2和HIMU等地幔端元的洋島玄武巖都分布于南太平洋和南大西洋。來自北半球的觀察對于地幔地球化學(xué)的貢獻(xiàn)非常有限。另一方面，從洋島玄武巖中不易獲得端元組分的地球化學(xué)信息。經(jīng)典的洋島玄武巖是地幔柱上升到淺部地幔熔融的產(chǎn)物。由于大洋巖石圈的厚度整體不如大陸巖石圈的厚度，地幔柱的整體熔融程度相對偏高(即蓋層效應(yīng)，Niuetal., 2011)。不僅富集組分(易熔組分)發(fā)生部分熔融，虧損組分(難熔組分)也發(fā)生了部分熔融，兩種熔體的混合使富集組分的信號(hào)被稀釋。比如夏威夷玄武巖和Pitcairn玄武巖的同位素組成都表現(xiàn)出EM1端元和FOZO端元相混合的特征(圖1a)，這給端元屬性的進(jìn)一步約束帶來了困難。因此，目前洋島玄武巖呈現(xiàn)出的EM1、EM2和HIMU等地幔端元的同位素組成可能并不代表真正的端元值(Nebeletal., 2013)。橄欖石斑晶中的熔體包裹體可以保存混合之前的熔體成分信息，對其開展精細(xì)的地球化學(xué)分析可以部分彌補(bǔ)這種缺陷(Renetal., 2005; Adamsetal., 2021)。但是基于熔體包裹體的研究還存在以下困難：(1)只能依賴于原位分析，其數(shù)據(jù)質(zhì)量難以與全巖的數(shù)據(jù)質(zhì)量相媲美，大多數(shù)金屬穩(wěn)定同位素還難以實(shí)現(xiàn)高精度的原位分析；(2)熔體包裹體與寄主礦物之間以及熔體包裹體的均一化過程中存在元素和同位素的擴(kuò)散(Rose-Kogaetal., 2021)。

以上討論表明，洋島玄武巖對于研究深部地幔儲(chǔ)庫有其自身無法克服的局限性，需要獨(dú)辟蹊徑，從其它視角審視這個(gè)問題。

4 大陸火山巖視角下的深部地?；瘜W(xué)儲(chǔ)庫

大陸幔源火山巖的研究長期存在以下困惑：(1)缺少有效評估大陸地殼混染的手段；(2)缺少判斷巖漿來源于大陸巖石圈地幔還是軟流圈地幔的診斷性指標(biāo)；(3)缺少巖漿與深部地幔關(guān)聯(lián)性的地球化學(xué)證據(jù)。比如非洲大陸的年輕幔源火成巖(玄武巖、金伯利巖、碳酸巖)其同位素組成普遍位于EM1-HIMU之間，為EM1和HIMU混合的產(chǎn)物。其中EM1信號(hào)往往被解釋為來源于富集的巖石圈地?；蛘吖爬系拇箨懙貧せ烊荆鳫IMU源區(qū)則被認(rèn)為是碳酸鹽熔體交代的巖石圈地幔(Janneyetal., 2002)。但是，如果把非洲南部的金伯利巖、碳酸巖和南大西洋的Tristan、Gough、Discovery等洋島玄武巖作對比，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們之間不僅在時(shí)-空上緊密關(guān)聯(lián)，而且在同位素組成上也相互對應(yīng)(Homrighausenetal., 2020)。說明這些金伯利巖和碳酸巖的深部背景還是南大西洋的地幔柱，只是因?yàn)橛芯藓竦目死◣r石圈，導(dǎo)致地幔柱相關(guān)的巖漿作用因源區(qū)熔融深度大(熔融程度低)而表現(xiàn)形式不同。因此，大陸火山巖有潛力提供深部地幔的地球化學(xué)信息。

新生代大陸火山巖在東亞地區(qū)，包括我國東部地區(qū)，分布廣泛。由于這些大陸火山巖的空間分布與滯留在地幔過渡帶的太平洋板片大致吻合，因此一般認(rèn)為其深部背景為大地幔楔背景，因此也具有示蹤深部地幔儲(chǔ)庫的潛力(Lietal., 2017; 徐義剛等，2018)。東北新生代火山巖與夏威夷玄武巖、Pitcairn玄武巖一樣，在放射成因同位素組成上都具有EM1型的親緣性(圖1a)。與非洲南部和華北東部的年青火山巖位于古老的克拉通內(nèi)部不同，東北新生代火山巖的主體，尤其是松遼盆地西北側(cè)的新生代火山巖(圖3a)完全位于顯生宙的造山帶內(nèi)(中亞造山帶東段)，而且?guī)r性變化大(圖3b)，從而具有獨(dú)特的研究優(yōu)勢。該地區(qū)的鉀質(zhì)/超鉀質(zhì)玄武巖具有經(jīng)典的EM1型放射成因同位素組成特征(圖1a)，其中小古里河超鉀質(zhì)玄武巖的206Pb/204Pb比值最低僅16.4(Sunetal., 2014)。作為富鉀的巖石，它們常常被解釋為來源于交代富集的巖石圈地幔(Basuetal., 1991; Zhangetal., 1995; Zouetal., 2003; Chenetal., 2007; Chuetal., 2013; Sunetal., 2014, 2015)。但作為年輕的造山帶，其地殼和巖石圈地幔的206Pb/204Pb比值都比較高，該區(qū)巖石圈無法提供如此低的206Pb/204Pb比值。另外交代的巖石圈地幔也無法解釋這些鉀質(zhì)/超鉀質(zhì)玄武巖特別輕的Mg同位素組成(δ26Mg值低達(dá)-0.6‰)。這樣，鉀質(zhì)/超鉀質(zhì)玄武巖的EM1信號(hào)只能來自巖石圈之下，雖然它們的成分特征(如高的MgO含量)，以及與巖石圈厚度的相關(guān)性說明富鉀巖漿在上升過程中不同程度地被巖石圈地幔所改造(Liuetal., 2016, 2017; Wangetal., 2017)。

除了EM1型的Sr-Nd-Pb-Hf同位素組成外，這些鉀質(zhì)/超鉀質(zhì)火山巖還具有偏重的氧同位素(Sunetal., 2015)、偏輕的Mg同位素(Tianetal., 2016; Sunetal., 2017; Wangetal., 2017)，以及低的Ce/Pb比等表殼物質(zhì)的元素特征(Kuritanietal., 2013; Wangetal., 2017)，都指示其源區(qū)為古老的再循環(huán)沉積物。其中EM1端元除了具有非常輕的Mg同位素組成(δ26Mg<-0.6‰)外(圖4)，還具有異常高的K/U、Ba/Th比和Zr、Hf的正異常，說明這些再循環(huán)沉積物曾經(jīng)在地幔過渡帶經(jīng)歷過低程度熔融，從而導(dǎo)致這些元素發(fā)生異常分餾(Wangetal., 2017)。含碳酸鹽的沉積物俯沖到地幔過渡帶深度后會(huì)發(fā)生熔融，釋放出碳酸鹽熔體(丟失U、Th和REE)，但由于殘留相中主要由鉀錳鋇礦和鎂鐵榴石等高壓礦物組成，K、Ba和Zr、Hf保留在殘留相中，導(dǎo)致殘留物具有這些特殊的元素分餾特征(Wangetal., 2017)。因此，鉀質(zhì)/超鉀質(zhì)玄武巖的元素地球化學(xué)證據(jù)支持EM1組分來源于地幔過渡帶。在東北地區(qū)，EM1型同位素信號(hào)不僅出現(xiàn)在松遼盆地西北側(cè)的鉀質(zhì)/超鉀質(zhì)玄武巖中，也出現(xiàn)在該區(qū)的其它幔源火山巖中(圖1a)。東北周邊的俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)的新生代高鎂安山巖也具有EM1型的同位素特征(Xuetal., 2021)。地震學(xué)觀察支持這些具有EM1同位素特征的火山巖與地幔過渡帶和下地幔頂部的低速異常相關(guān)(Kuritanietal., 2011; Tangetal., 2014)。因此，東北地區(qū)的地幔過渡帶中常見EM1組分，東北地區(qū)的新生代火山巖也是了解深部地幔化學(xué)儲(chǔ)庫，尤其是殘余型富集儲(chǔ)庫的理想對象。雖然尚不清楚這種EM1是在地幔過渡帶長期居留并演化產(chǎn)生的，還是來自下地幔的“匆匆過客”。

圖3 東北新生代火山巖的分布(a)及其在TAS圖上的成分分類(b)右圖僅展示了松遼盆地西北側(cè)(左圖虛線框內(nèi)，主要包括大興安嶺和小興安嶺及鄰區(qū))的新生代火山巖(本課題組已發(fā)表的數(shù)據(jù))；高鎂安山巖數(shù)據(jù)引自劉建強(qiáng)等(2017)、林蔚涵等(2017)和Erdmann et al. (2019)，鉀質(zhì)玄武巖數(shù)據(jù)引自Liu et al. (2017)和Wang et al. (2017)，超鉀質(zhì)玄武巖引自Liu et al. (2021)，鈉質(zhì)玄武巖引自薛笑秋等(2019), 霞石巖引自He et al. (2019)Fig.3 Distribution (a) and TAS (b) diagrams for Cenozoic volcanic rocks in Northeast China

圖4 兩類EM1型板內(nèi)玄武巖在Mg穩(wěn)定同位素-放射成因Sr同位素相關(guān)圖上的對比 (據(jù)王小均等, 2019修改)Pitcairn洋島玄武巖數(shù)據(jù)引自Wang et al. (2018)，東北鉀質(zhì)玄武巖數(shù)據(jù)引自Chu et al. (2013)、Tian et al. (2016)、Sun et al. (2017)和Wang et al. (2017)；平均MORB和橄欖巖地幔的鎂同位素組成來自Teng (2017). 平均MORB的Sr同位素組成來自Gale et al. (2013)Fig.4 Comparison of two species of EM1-type intraplate basalts on δ26Mg vs. 87Sr/86Sr (modified after Wang et al., 2019)

圖5 兩類富集型板內(nèi)玄武巖在εNd-La/Yb比值相關(guān)圖上的對比Pitcairn洋島玄武巖數(shù)據(jù)引自Wang et al. (2018)和GEOROC數(shù)據(jù)庫(https://georoc.eu/georoc/)，東北鉀質(zhì)玄武巖數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)較多，此處未一一列舉Fig.5 Comparison of two species of EM1-type intraplate basalts on εNd vs. La/Yb

大陸巖石圈厚度大，大陸火山巖的地幔熔融程度整體偏低，來自于深部儲(chǔ)庫的富集端元組分信號(hào)容易被保存。比如同樣作為具有EM1型Sr-Nd-Pb-Hf同位素組成特征的幔源巖漿，經(jīng)典的EM1型洋島玄武巖比如Pitcairn洋島玄武巖最低的δ26Mg值為-0.4‰ (Wangetal., 2018)，而我國東北鉀質(zhì)/超鉀質(zhì)玄武巖δ26Mg值最低僅為-0.6‰(圖4)。根本原因是后者作為單成因火山(monogenic volcano)，火山體積小，巖漿通量低，是地幔低程度熔融的產(chǎn)物 (La/Yb比值最高值可大于100)，從而更容易保留富集組分的信息(圖5)。當(dāng)然厚的大陸巖石圈地幔也有缺點(diǎn)。當(dāng)這種小體積巖漿上升遷移時(shí)，通道中的熔體/巖石比低，巖漿成分容易受到圍巖的改造(熔體-橄欖巖反應(yīng))(Liuetal., 2016, 2017; Wangetal., 2017)。在東北地區(qū)，與鉀質(zhì)玄武巖/超鉀質(zhì)玄武巖以單成因的小火山出現(xiàn)不同，高鎂安山巖以連續(xù)的溢流相熔巖流為主，分布面積和體積要大得多，比如遜克火山區(qū)的熔巖流覆蓋面積達(dá)到3000km2(劉建強(qiáng)等，2017)，說明高鎂安山巖的源區(qū)熔融程度比鉀質(zhì)/超鉀質(zhì)玄武巖高。對于這種較高通量的巖漿，巖漿通道中的熔體/巖石比較高，巖漿成分受熔體-巖石反應(yīng)的影響較小，從而有可能更多的保存原始巖漿和源區(qū)的同位素信息。這些高鎂安山巖在主量元素成分上與榴輝巖高壓實(shí)驗(yàn)熔體相吻合，支持其原始熔體來源于再循環(huán)沉積物和/或洋殼(林蔚涵等，2017；Erdmannetal., 2019)。因此，這組在時(shí)空和成因上相互關(guān)聯(lián)的(圖3a)，但巖性上區(qū)別明顯的巖石組合(圖3b)，為了解源區(qū)富集物質(zhì)的特征提供了更立體的約束。

以上討論表明，東北地區(qū)的新生代火山巖在示蹤深部地?；瘜W(xué)儲(chǔ)庫方面有獨(dú)特的優(yōu)勢，其同位素組成更接近地幔深部儲(chǔ)庫富集端元的真實(shí)值，因此是更理想的用于示蹤富集組分(EM1端元)的研究對象。另外，東北地區(qū)位于北半球，該地區(qū)新生代火山巖的研究還能彌補(bǔ)北半球地幔深部化學(xué)儲(chǔ)庫研究程度低，代表性不足的問題?？偠灾瑬|北地區(qū)新生代火山巖的研究可以克服洋島玄武巖在地理空間代表性和端元組分獲取難度兩方面的局限，為了解深部地?；瘜W(xué)儲(chǔ)庫提供了一個(gè)嶄新的視角。當(dāng)然，我們還需面對大陸火山巖和OIB深部背景的復(fù)雜性。一方面，雖然端元型OIB與下地幔低剪切波速省的分布有關(guān)(Jacksonetal., 2018a, b)，但不等于下地幔底部(或稱為核-幔邊界)是這些富集儲(chǔ)庫形成的唯一位置，目前還不能排除這些地幔柱中的富集組分是其在穿過地幔過渡帶時(shí)從后者中捕獲的可能性(Nebeletal., 2013)。另一方面，雖然東北之下地幔過渡帶中的EM1可能是再循環(huán)地殼物質(zhì)在此長期存留演化而來，但也有可能是地幔柱把下地幔底部的EM1帶到了相對淺部的地幔過渡帶。因此，離全面了解深部地幔儲(chǔ)庫這一目標(biāo)，還有很長的路要走。

謹(jǐn)以本文致敬第一作者的導(dǎo)師——著名地幔地球化學(xué)家周新華研究員。

致謝感謝張宏福研究員和楊進(jìn)輝研究員的邀稿；感謝兩位審稿人的建設(shè)性意見。