華北克拉通西北部顯生宙巖石圈地幔屬性與演化特征：橄欖巖捕虜體證據(jù)*

張慧婷 張宏福

克拉通作為地球上古老且穩(wěn)定的構(gòu)造單元，自其形成后能否長期保持穩(wěn)定,主要取決于下部巖石圈地幔的屬性特征(Carlsonetal., 2005)。因此，克拉通巖石圈地幔的屬性特征及演化歷程一直是學者們關(guān)注的關(guān)鍵科學問題。古老克拉通在形成過程中，玄武質(zhì)巖漿抽取事件導致巖石圈地幔相對虧損Fe、Ca、Al和堿金屬元素，密度低于下伏軟流圈，漂浮的巖石圈地幔阻礙了軟流圈的熱對流，形成較低的地溫梯度和巨厚巖石圈，這也是克拉通自形成后可以長期保持相對穩(wěn)定的原因(Jordan, 1988)。全球典型的太古代克拉通也確實如此，例如非洲Tanzanian克拉通、南非Kaapvaal克拉通和俄羅斯Siberian克拉通(Boydetal., 1985; Pearson, 1999)。然而，越來越多的研究表明，克拉通并非一成不變，例如我國的華北克拉通(Fan and Menzies, 1992)和北美洲Wyoming克拉通 (Eggler and Furlong, 1991)，它們在演化過程中均受到不同程度的改造和破壞(Carlsonetal., 2005)。

圖1 華北克拉通構(gòu)造簡圖(華北克拉通構(gòu)造劃分據(jù)Zhao et al., 2005)以及橄欖巖捕虜體分布圖Fig.1 Simplified tectonic map of the North China Craton (NCC) (after Zhao et al., 2005) and localities of peridotite xenoliths

華北克拉通古生代金伯利巖中幔源捕擄體、捕虜晶和金剛石內(nèi)礦物包裹體的研究證實，古生代時期的巖石圈厚達200km，巖石圈地幔主要由高度難熔的方輝橄欖巖和難熔的二輝橄欖巖組成，橄欖石Fo值較高(Fo=100×Mg/(Mg+Fe) (原子數(shù)); 92～94)(池際尚等, 1996; 鄭建平, 1999; 鄭建平和路鳳香, 1999)，形成年齡為太古代(>2.5Ga)(Gaoetal., 2002; Zhangetal., 2008)，是典型的克拉通型巖石圈地幔。新生代玄武巖中的橄欖巖和輝石巖捕虜體研究顯示，其主體轉(zhuǎn)變成以易熔的二輝橄欖巖為主的飽滿型地幔，橄欖石Fo值明顯降低(78～93)(Zhengetal., 2001; Xiaoetal., 2013)，年齡相對“年輕”，主體分布于元古宙至顯生宙(Gaoetal., 2002; Chuetal., 2009; Zhangetal., 2009; Liuetal., 2011)。此時，華北克拉通巖石圈地幔由古生代厚的、冷的、古老的且難熔的轉(zhuǎn)變?yōu)樾律〉?、熱的、“年輕”且飽滿的地幔(Menziesetal., 1993; Griffinetal., 1998; Fanetal., 2000; Xu, 2001; Gaoetal., 2002; Rudnicketal., 2004; Zhang, 2009)。這些特征顯示，華北克拉通巖石圈地幔的物理性質(zhì)和化學組成在顯生宙期間發(fā)生了顯著變化，巖石圈地幔組成和屬性特征的巨大轉(zhuǎn)變使克拉通的穩(wěn)定性遭到破壞(朱日祥等, 2020)。

圖2 華北克拉通西北部橄欖巖捕虜體巖石類型數(shù)據(jù)來源：四子王旗(Wu et al., 2017; Zhang et al., 2021)、集寧(Yang et al., 2009; Liu et al., 2011; Zhang et al., 2012)和狼山(Dai et al., 2018)；On-craton和Off-craton橄欖巖范圍據(jù)Fan et al. (2000)Fig.2 Petrological classification of the peridotite xenoliths from the northwestern NCC

當高度難熔的古老巖石圈地幔受到飽滿物質(zhì)(例如軟流圈來源的玄武質(zhì)熔體)的改造，可以使其巖石組成從高度難熔的方輝橄欖巖或者難熔的二輝橄欖巖變?yōu)楦枬M的二輝橄欖巖，高Mg#橄欖巖轉(zhuǎn)變成為低Mg#橄欖巖(Kelemenetal., 1992; Zhang, 2005, 2009)，年齡也變得相對“年輕”(Zhangetal., 2008, 2009)，這種通過橄欖巖-熔體反應實現(xiàn)的地幔改造作用稱為地幔再富集作用(Refertilization of lithospheric mantle; Tangetal., 2008, 2013b; Zhangetal., 2008, 2009; Griffinetal., 2009)。廣泛的地幔再富集作用必然造成古老且難熔的巖石圈地幔轉(zhuǎn)變?yōu)椤澳贻p”且飽滿的巖石圈地幔，甚至造成古老克拉通的破壞(Foleyetal., 2006; Tangetal., 2008, 2013b; Zhangetal., 2008, 2009)。

目前，華北中-新生代玄武巖中橄欖巖捕虜體主要分布于東部郯廬斷裂帶沿線和中部太行山沿線，西部零星出露(圖1)。華北克拉通中、東部巖石圈地幔的相關(guān)研究取得了豐碩的成果。相較而言，由于西部陸塊自中生代以來巖漿活動不發(fā)育，攜帶新鮮幔源捕擄體的玄武巖僅在西北部四子王旗、集寧和狼山有所報道(圖1)，在一定程度上限制了我們對華北克拉通西部巖石圈地幔性質(zhì)與演化的認識。本文通過對華北克拉通西北部橄欖巖捕虜體的研究成果歸納總結(jié)，綜合對比華北克拉通中、東部地區(qū)，揭示西北部晚白堊世-新生代巖石圈地幔屬性特征和演化歷史，進一步探討地幔再富集作用對于巖石圈地幔改造的重要意義。

1 華北克拉通西北部地幔橄欖巖

華北克拉通西北部四子王旗新生代玄武巖(21.89±1.65Ma; 陳燕等, 2004)、集寧新生代玄武巖(23.0～23.5Ma; Zhaoetal., 2013)和狼山晚白堊世玄武巖(～89Ma; Daietal., 2019)中攜帶不同類型的幔源捕擄體，為研究該區(qū)晚白堊世-新生代巖石圈地幔的性質(zhì)及演化提供了天然的“探針”樣品。

華北克拉通西北部橄欖巖捕虜體可分為高Mg#橄欖巖(Fo≥91)和低Mg#橄欖巖(Fo<91)兩類，以低Mg#橄欖巖為主，包括四子王旗低Mg#橄欖巖、集寧橄欖巖和狼山橄欖巖，主要巖石類型為二輝橄欖巖；四子王旗出現(xiàn)高Mg#橄欖巖，主要巖石類型為方輝橄欖巖(圖2)。四子王旗橄欖巖中出現(xiàn)橄欖石核邊結(jié)構(gòu)和熔體囊結(jié)構(gòu)(Zhangetal., 2021)：橄欖石Fo值從核部(91.5)至邊部(90.2)逐漸降低(圖3a)；熔體囊中新生細粒橄欖石比捕虜體中橄欖石具有更低的Fo值(圖3b)或與捕虜體中橄欖石邊部具有相似的Fo值(圖3c)。橄欖巖-熔體反應可以降低橄欖石的Fo值，核部保留高Mg#橄欖巖特征(Fo=91.5)，邊部和新生橄欖石顆粒與低Mg#橄欖巖特征類似(Fo=88.6～90.2)。最終，高Mg#橄欖巖被轉(zhuǎn)變?yōu)榈蚆g#橄欖巖(Kelemenetal., 1992; Zhang, 2005, 2009)。集寧二輝橄欖巖中出現(xiàn)含水礦物金云母(圖3d)，是典型的交代礦物。金云母同樣也出現(xiàn)在集寧二輝石巖、漢諾壩單斜輝石巖和鶴壁二輝橄欖巖中，是巖石圈地幔交代作用的直接證據(jù)(宗克清等, 2005; 趙新苗等, 2007; Huetal., 2019; Zhaoetal., 2021)。

圖3 四子王旗(a-c)和集寧(d)橄欖巖捕虜體顯微照片資料來源：四子王旗(Zhang et al., 2021)和集寧(Zhao et al., 2013)；(a、d)單偏光顯微照片，(b、c)背散射電子成像照片；Ol-橄欖石，Opx-斜方輝石，Cpx-單斜輝石，Spl-尖晶石，Phl-金云母Fig.3 Representative photomicrographs of the Siziwangqi (a-c) and Jining (d) peridotite xenoliths

圖4 橄欖巖捕虜體中橄欖石Fo值與橄欖石含量協(xié)變圖數(shù)據(jù)來源：四子王旗(Wu et al., 2017; Zhang et al., 2021)、集寧(Yang et al., 2009; Liu et al., 2011; Zhang et al., 2012)、狼山(Dai et al., 2018)、中部地區(qū)(Zheng et al., 2001, 2005; Rudnick et al., 2004; Tang et al., 2008, 2013c; Xu et al., 2008b; Liu et al., 2011, 2012; Princivalle et al., 2014; Zou et al., 2014, 2016; Zhao et al., 2015; Wang et al., 2016; Yang et al., 2018)和東部地區(qū)(Zheng et al., 1998, 2005, 2007a; Ying et al., 2006; Chu et al., 2009; Xiao et al., 2010, 2013; Zhang et al., 2011; Hong et al., 2012; Xu et al., 2013; Zhao et al., 2020; Zou et al., 2020)；太古代、元古代和顯生宙地幔區(qū)域據(jù)Griffin et al. (1999)；大洋橄欖巖趨勢據(jù)Boyd (1989)Fig.4 Plots of olivine Fo content vs. modal olivine content for the peridotite xenoliths

圖5 橄欖巖捕虜體全巖CaO與Al2O3含量協(xié)變圖數(shù)據(jù)來源：四子王旗(Wu et al., 2017; Zhang et al., 2021)、集寧(Liu et al., 2011; Zhang et al., 2012)、狼山(Dai et al., 2018)、中部地區(qū)(Zheng et al., 2001, 2005; Gao et al., 2002; Rudnick et al., 2004; Tang et al., 2008, 2013c; Xu et al., 2008b; Liu et al., 2011; Princivalle et al., 2014; Wang et al., 2016; Zou et al., 2016; Yang et al., 2018)和東部地區(qū)(Zheng et al., 1998, 2007a; Ying et al., 2006; Chu et al., 2009; Xiao and Zhang, 2011; Zhang et al., 2011; Hong et al., 2012; Xiao et al., 2013; Xu et al., 2013; Zou et al., 2020)；原始地幔數(shù)據(jù)來自McDonough and Sun (1995)；太古代、元古代和顯生宙地幔區(qū)域據(jù)Griffin et al. (2009)；灰色五角星代表原始Archon巖石圈地幔，白色五角星代表Archon巖石圈地幔平均值 (Griffin et al., 2009)Fig.5 Plots of CaO vs. Al2O3 for peridotite xenoliths

2 西北部巖石圈地幔組成與屬性特征

通常來說，太古代巖石圈地幔是原始地幔經(jīng)過高程度部分熔融的殘余體，玄武質(zhì)熔體的抽取使其虧損Fe、Al、Ca和Na，富Mg，具高度難熔的性質(zhì)(Griffinetal., 1999, 2009; Herzberg, 2004)。然而，從太古宙、元古宙直至顯生宙，巖石圈地幔主量元素(例如Al和Ca等)和礦物組成逐漸變得飽滿，主體從方輝橄欖巖變?yōu)槎x橄欖巖(Boyd, 1989; Griffinetal., 1998, 1999, 2009; O’Reillyetal., 2001)。不同時代構(gòu)造域的橄欖巖中橄欖石含量雖沒有明顯差異，但其Fo值有所不同，太古代構(gòu)造域中橄欖石Fo值最高(92～94)，元古代構(gòu)造域居中(90～92)，顯生宙最低(<91)(圖4; Griffinetal., 1998, 1999)。這些特征暗示，橄欖巖捕虜體全巖主量元素和橄欖石Fo值在某種程度上可以指示巖石圈地幔年齡信息，組成越難熔，F(xiàn)o值越高，年齡越古老。

在全巖主量元素二元圖解中，四子王旗高Mg#橄欖巖主要分布于太古代橄欖巖區(qū)域(圖5)，與典型的克拉通型橄欖巖組成類似(圖5、圖6)；四子王旗低Mg#橄欖巖、集寧橄欖巖和狼山橄欖巖主要分布于元古代至顯生宙橄欖巖范圍內(nèi)，玄武質(zhì)組分(例如Al2O3、CaO和Na2O)逐漸飽滿，一直變化至原始地幔，與華北克拉通其他地區(qū)橄欖巖有相似的變化趨勢(圖5、圖6)。在橄欖石Fo值與橄欖石含量圖解中，四子王旗高Mg#橄欖巖落入元古代橄欖巖范圍(圖4)，四子王旗低Mg#橄欖巖、集寧橄欖巖和狼山橄欖巖落入顯生宙橄欖巖范圍，并未出現(xiàn)明顯的“大洋趨勢”(Boyd, 1989)，只有部分中部地區(qū)(例如鶴壁)高Mg#橄欖巖落入太古代橄欖巖范圍。以上特征暗示，四子王旗高Mg#橄欖巖所代表的巖石圈地幔很可能形成于太古代至元古代，該區(qū)可能仍存在古老巖石圈地幔的殘余。

圖6 橄欖巖捕虜體全巖Na2O、CaO、Al2O3與MgO含量協(xié)變圖數(shù)據(jù)來源同圖5；原始地幔數(shù)據(jù)來自McDonough and Sun (1995)；灰色區(qū)域代表典型的克拉通型巖石圈地幔(Pearson and Wittig, 2008)；白色五角星代表Archon巖石圈地幔平均值 (Griffin et al., 2009)；(a、b)中部分熔融曲線據(jù)Luffi et al. (2009)；(e、f)中飽滿橄欖巖的部分熔融曲線據(jù)Herzberg (2004)，藍色區(qū)域代表部分熔融殘余的方輝橄欖巖成分(L+Ol+Opx)，帶有方形標記的藍色粗實線和帶有圓形標記的藍色細實線分別代表部分熔融開始和結(jié)束時的壓力(GPa)(Herzberg, 2004)Fig.6 Plots of Na2O, CaO, and Al2O3 vs. MgO for peridotite xenoliths

除主量元素和Fo值攜帶的年齡信息之外，Re-Os同位素體系被認為是記錄巖石圈地幔熔體抽取時間的有效手段，可以實現(xiàn)巖石圈地幔橄欖巖定年(Walkeretal., 1989)。Re是中等不相容元素，Os是強相容元素，因此，在部分熔融過程中，Re優(yōu)先進入熔體，Os傾向于進入殘余體，玄武質(zhì)熔體抽取使殘余的地幔橄欖巖具有較低Re/Os比值，演化形成較低的Os同位素組成。早前認為，交代熔體中Os含量通常很低，古老巖石圈地幔的Re-Os同位素體系并不受交代作用影響(Walkeretal., 1989; Pearson, 1999; Carlsonetal., 2005; Reisbergetal., 2005)。然而，近年來的研究顯示，橄欖巖-熔體反應或地幔交代作用可以引起硫化物的溶解和遷移，導致Re、Os含量和Os同位素組成的變化，從而對Re-Os同位素體系造成影響(Beckeretal., 2001; Reisbergetal., 2005; Ionovetal., 2006; Zhangetal., 2008, 2009, 2012; Xiao and Zhang, 2011)。

華北克拉通內(nèi)古生代金伯利巖中橄欖巖主要具有太古代的Re虧損模式年齡(圖7)，證明古生代時期華北克拉通存在太古代巖石圈地幔(Gaoetal., 2002; Wuetal., 2006; Zhangetal., 2008; Chuetal., 2009)。新生代玄武巖中橄欖巖tRD模式年齡范圍很廣，主要分布于元古宙至今，少量為太古宙。整體來說，高Mg#橄欖巖比低Mg#橄欖巖具有更古老的年齡(圖7a)，代表著古老巖石圈地幔殘余。華北西北部橄欖巖Re-Os同位素數(shù)據(jù)有限，集寧橄欖巖最老的全巖Re虧損模式年齡為1.4Ga(Liuetal., 2011; Zhangetal., 2012)，Zhaoetal. (2021)利用尖晶石二輝橄欖巖中單斜輝石獲得Lu-Hf等時線年齡(1.8±0.1Ga)，與華北其他地區(qū)新生代玄武巖中低Mg#橄欖巖獲得的最老tRD年齡(2.1Ga)都屬于元古宙范圍(圖7a)。橄欖巖tRD模式年齡與Mg#值顯示明顯的正相關(guān)性(圖7b)，這種相關(guān)性最初被認為與原始地幔高程度部分熔融有關(guān)(Boyd and Nixon, 1975; Pollack, 1986; Griffinetal., 2004; King, 2005)。反之，這種相關(guān)性也可以解釋為高度難熔的巖石圈地幔與玄武質(zhì)熔體反應的結(jié)果(Zhangetal., 2009)。巖石圈地幔再富集作用不僅可以降低橄欖巖的Mg#值，也將橄欖巖的年齡改造得更“年輕”(Zhang, 2005, 2009; Griffinetal., 2009)，部分元古宙年齡也可能是太古代巖石圈地幔經(jīng)歷了再富集作用改造的結(jié)果。因此，范圍跨度大且連續(xù)變化的tRD模式年齡并不是巖石圈地幔真正的形成年齡，而是地幔再富集作用的結(jié)果，反映了巖石圈地幔被富集物質(zhì)改造的演化歷史(Xuetal., 2008a; Zhangetal., 2008, 2009, 2012; Xiao and Zhang, 2011; Tangetal., 2013b, c)。

圖7 華北克拉通橄欖巖捕虜體Re虧損模式年齡直方圖(a)以及Mg#與tRD協(xié)變圖(b)數(shù)據(jù)來源：西北部集寧(Liu et al., 2011; Zhang et al., 2012)、中部新生代玄武巖中橄欖巖捕虜體(Gao et al., 2002; Rudnick et al., 2004; Xu et al., 2008b; Zhang et al., 2009; Liu et al., 2011, 2012)、東部新生代玄武巖中橄欖巖捕虜體(Gao et al., 2002; Chu et al., 2009; Xiao and Zhang, 2011; Hong et al., 2012)和古生代金伯利巖中橄欖巖捕虜體(Gao et al., 2002; Zhang et al., 2008; Chu et al., 2009)；原始地幔數(shù)據(jù)來自McDonough and Sun (1995)；趨勢線據(jù)Zhang et al. (2009)和Tang et al. (2013b)Fig.7 Histogram of tRD age (a) and plot of Mg# vs. tRD (b) for the peridotitic xenoliths from NCC

西北部橄欖巖全巖主量元素變化范圍從高度難熔的克拉通型巖石圈地幔直至飽滿的原始地幔，與華北克拉通其他地區(qū)橄欖巖有著相同的變化趨勢(圖5、圖6)。指示虧損-飽滿程度的主量元素Al2O3和CaO呈明顯的正相關(guān)趨勢(圖5)，Al2O3、CaO和Na2O與MgO呈明顯的負相關(guān)趨勢(圖6)。通常認為，這種近似“直線型”的相關(guān)趨勢反映了原始地幔部分熔融過程，隨著部分熔融程度增加，殘余橄欖巖中MgO含量逐漸增加，Al2O3、CaO和Na2O含量隨之降低(Boydetal., 1997; Rudnicketal., 2004)。然而，這與實驗巖石學得出的類似“雙曲線型”的部分熔融曲線并不一致(圖6a, b, e, f; Herzberg, 2004; Luffietal., 2009)。相反，地幔再富集作用過程可以解釋MgO與Al2O3、CaO和Na2O含量之間近似直線的變化趨勢(Griffinetal., 2009; Zhang, 2009; Zhangetal., 2009, 2012; Tangetal., 2013b, c)，隨著玄武質(zhì)熔體(相對富集Al、Ca、Fe和Na)加入高度難熔的地幔橄欖巖中，全巖Al2O3、CaO和Na2O逐漸增加，MgO相對降低，顯示部分熔融作用與橄欖巖-熔體反應疊加而形成的地幔再富集作用趨勢(圖5、圖6)。

橄欖巖中單斜輝石顯示出不同類型的稀土元素(REE)配分模式，大致分為輕稀土(LREE)虧損型、“U”型、LREE富集型和“上凸”型四種(圖8)。不同類型的REE配分模式與Navon and Stolper (1987)提出的色譜層析柱交代模擬結(jié)果類似，實驗揭示了富集不相容元素的熔體對虧損地幔交代過程中REE配分模式的變化過程。由于不相容元素比相容元素擴散速度更快，不同的交代時長，形成的REE配分曲線形態(tài)不同。隨著交代時長增加，REE配分曲線從“U”型逐漸變?yōu)長REE富集型，直至平衡后產(chǎn)生“上凸”型，不同類型的REE配分曲線記錄著交代過程中的瞬時狀態(tài)(Navon and Stolper, 1987; Song and Frey, 1989; Princivalleetal., 2014; Linetal., 2019; Zhangetal., 2021)。LREE虧損型配分模式可能是軟流圈來源的相對虧損LREE的熔體在開放體系和高熔/巖比的情況下反復交代巖石圈地幔的結(jié)果(Zhang, 2009)。因此，不同類型的REE配分模式暗示交代熔體和地幔橄欖巖之間并未完全達到平衡，指示不同程度的地幔交代作用。

橄欖巖Sr同位素組成為該區(qū)的地幔再富集作用提供了進一步證據(jù)。Sr同位素組成與全巖Al2O3和TiO2出現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，與全巖Mg#值呈正相關(guān)關(guān)系，華北克拉通其他地區(qū)橄欖巖也顯示相似特征(圖9a-c)。理論來講，隨著部分熔融程度增加，Rb比Sr更傾向于進入熔體，殘余橄欖巖的Rb/Sr降低，演化形成較低的Sr同位素組成。因此，難熔的地幔橄欖巖(高Mg#橄欖巖)將比飽滿的地幔橄欖巖(低Mg#橄欖巖)具有更低的Sr同位素組成。然而，這與現(xiàn)今觀察到的結(jié)果相反(圖9a)，同時，87Sr/86Sr與1/Sr并未出現(xiàn)明顯相關(guān)性(圖9b)，暗示除部分熔融過程之外，應該還有其他過程影響著Sr同位素組成。因此，Sr同位素與全巖組分的相關(guān)性很可能是低Sr同位素組成的熔體交代難熔巖石圈地幔的結(jié)果(Rudnicketal., 2004; Zhang, 2009; Zhangetal., 2009, 2012; Tangetal., 2013b, c)。

圖9 地幔橄欖巖87Sr/86Sr與全巖Al2O3、1/Sr、Mg#和TiO2協(xié)變圖數(shù)據(jù)來源：四子王旗(Wu et al., 2017; Zhang et al., 2021)、集寧(Zhang et al., 2012; Zhao et al., 2021)、中部地區(qū)(Rudnick et al., 2004; Tang et al., 2008, 2013c; Liu et al., 2012; Zou et al., 2014, 2016; Wang et al., 2016)和東部地區(qū)(Xiao and Zhang, 2011; Xu et al., 2013; Zou et al., 2020)；古老富集地幔、原始地幔、洋中脊玄武巖和虧損地幔的Sr同位素組成數(shù)據(jù)來自Zindler and Hart (1986)；Al2O3含量數(shù)據(jù)來自Griffin et al. (2009)、McDonough and Sun (1995)和Presnall et al. (2002)；四子王旗寄主玄武巖Sr同位素組成來自Zhang et al. (2017)；集寧寄主玄武巖Sr同位素組成來自張文慧等 (2005)Fig.9 Plots of 87Sr/86Sr vs. Al2O3, 1/Sr, Mg# and TiO2 for peridotite xenoliths

巖相學特征結(jié)合主、微量元素、Sr同位素和Re-Os同位素數(shù)據(jù)指示，華北克拉通西北部巖石圈地幔經(jīng)歷了再富集作用的改造。高Mg#和低Mg#橄欖巖的主、微量元素和Sr同位素組成具有相似的地幔再富集演化趨勢(圖6、圖9)，暗示該區(qū)高Mg#橄欖巖所代表的古老巖石圈地幔和交代熔體反應形成了低Mg#橄欖巖。因此，高Mg#橄欖巖代表古老巖石圈地幔殘余；低Mg#橄欖巖代表古老巖石圈地幔經(jīng)歷再富集作用形成的“改造型”巖石圈地幔。華北克拉通西北部仍存在古老巖石圈地幔的殘余，其經(jīng)歷了弱地幔再富集作用的改造，形成年齡變得相對“年輕”。巖石圈地幔的主體為古老巖石圈地幔受再富集作用改造形成的飽滿地幔。

3 多期次地幔交代作用

橄欖巖-熔體反應在巖石圈地幔中廣泛存在，是改造巖石圈地幔組成和性質(zhì)的重要方式(Liuetal., 2005; 張宏福, 2006; Zhang, 2009)。這種地幔交代作用可以使地幔的礦物和巖石組成發(fā)生改變，引起物理性質(zhì)的轉(zhuǎn)變，導致地球化學不均一性(O’Reilly and Griffin, 2013)。根據(jù)交代結(jié)果不同可分為顯性交代作用(Harteetal., 1987)、隱性交代作用(Dawson, 1984)和隱含交代作用(O’Reilly and Griffin, 2013)。顯性地幔交代作用會形成新的礦物相，例如交代礦物金云母、角閃石、磷灰石和碳酸鹽礦物等；交代形成地幔已存在的主要礦物，例如橄欖石和輝石等，稱為隱含交代作用；隱性交代作用并未引起礦物組成的變化，僅改變主、微量元素和同位素等地球化學特征。通常，交代介質(zhì)有硅質(zhì)熔體、碳酸鹽熔體和富水流體等，主要來源于軟流圈(Tangetal., 2008, 2011; Zhangetal., 2012)、俯沖大洋板片(Zhangetal., 2003; Liuetal., 2005)、俯沖大陸地殼(Zhangetal., 2002; Sunetal., 2013)或循環(huán)陸殼(Gaoetal., 2004)。

從礦物組成來看，四子王旗和狼山橄欖巖中并未出現(xiàn)含水礦物，說明該區(qū)富H2O流體的交代作用有限。單斜輝石微量元素蛛網(wǎng)圖顯示Pb負異常，不同程度虧損Rb和Ba，富集Th和U，交代特征明顯的樣品Nb和Ta升高，進一步證明交代熔體不太可能為富H2O流體，因為大離子親石元素(LILE，例如Ba和Rb)在流體中的活動性強，而高場強元素(HFSE，例如Th、U、Nb和Ta)在水流體中活動性弱(Kogisoetal., 1997)(圖8)。(La/Yb)N-Ti/Eu圖中，華北西北部橄欖巖中單斜輝石具有低(La/Yb)N(0.08～8.88)和高Ti/Eu(1748～9243)的特點(圖10)，主要落入硅酸鹽熔體交代區(qū)域，指示交代熔體來源可能為硅酸鹽熔體。集寧部分樣品(La/Yb)N較高(9.68～18.4)，Ti/Eu較低(193～928)(圖10)，落入碳酸鹽熔體交代區(qū)域，單斜輝石微量元素蛛網(wǎng)圖顯示虧損Nb和Ta，具Ti的負異常，個別樣品Zr/Hf比值較高(39.1～49.4)(Zhaoetal., 2021)，指示存在碳酸鹽熔體交代作用。另外，集寧出現(xiàn)含金云母的橄欖巖和輝石巖，暗示交代介質(zhì)可能有水流體。這些特征說明，集寧地區(qū)存在不同性質(zhì)的熔/流體交代作用。

圖10 單斜輝石(La/Yb)N與Ti/Eu協(xié)變圖數(shù)據(jù)來源：四子王旗(Wu et al., 2017; Zhang et al., 2021)、集寧(趙新苗等, 2007; 周媛婷等, 2010; 王亞妹等, 2011; Zhao et al., 2021)和狼山(Dai et al., 2018)；碳酸鹽熔體交代作用范圍和硅酸鹽熔體交代作用范圍據(jù)Coltorti et al. (1999)Fig.10 Plot of (La/Yb)N vs. Ti/Eu for clinopyroxenes

四子王旗和集寧橄欖巖的Sr同位素組成變化范圍較大(87Sr/86Sr=0.70212～ 0.70533)(趙新苗等, 2007; Zhangetal., 2012, 2021; Wuetal., 2017; Zhaoetal., 2021)，從古老富集地幔范圍經(jīng)過原始地幔和洋中脊玄武巖，變化至虧損地幔范圍。高Mg#橄欖巖部分落入古老富集地幔范圍，低Mg#橄欖巖比高Mg#橄欖巖具有更低的Sr同位素組成(圖9)。四子王旗和集寧寄主玄武巖的Sr同位素組成相對過高(87Sr/86Sr=0.70354～0.70369)(張文慧等, 2005; Zhangetal., 2017)，不能形成橄欖巖中較低的Sr同位素組成，因此，寄主玄武巖不太可能作為主要交代介質(zhì)。橄欖巖的Sr同位素組成與全巖Al2O3、TiO2(圖9a, d)、Na2O和CaO(圖略)呈負相關(guān)關(guān)系，與全巖Mg#值呈正相關(guān)關(guān)系(圖9c)。如前所述，Sr同位素組成與全巖組分的相關(guān)性是地幔再富集作用的結(jié)果。隨著橄欖巖-熔體反應進行，全巖Al2O3、TiO2、Na2O和CaO含量增加，Mg#值降低，橄欖巖的Sr同位素組成降低，與華北中、東部橄欖巖有著相似的變化特征。此外，高Mg#和低Mg#橄欖巖中部分單斜輝石出現(xiàn)87Sr/86Sr由核部至邊部逐漸降低的現(xiàn)象，同位素環(huán)帶結(jié)構(gòu)記錄了近期低Sr同位素組成熔體的交代作用。因此，近期發(fā)生的地幔交代作用很可能與軟流圈來源的低Sr同位素組成的熔體有關(guān)(<0.7030; Salters and Stracke, 2004)，根據(jù)Sneeringeretal. (1984)獲得的Sr在單斜輝石中的擴散速率，可限定最近交代事件發(fā)生的時間在寄主玄武巖噴發(fā)前不久。集寧橄欖巖的Sr同位素組成與主量元素的相關(guān)性較弱，與該區(qū)存在其他性質(zhì)熔/流體交代作用有關(guān)。研究顯示，集寧地區(qū)除軟流圈來源的硅質(zhì)熔體的交代作用之外，也有碳酸鹽熔體的改造，金云母二輝石巖的出現(xiàn)指示與古亞洲洋有關(guān)的含水熔/流體的交代作用(Zhaoetal., 2021)。狼山地區(qū)的橄欖巖記錄了古亞洲洋俯沖板片產(chǎn)生的熔/流體對深部地幔的改造(Daietal., 2018)。四子王旗部分高Mg#橄欖巖落入古老富集地幔范圍，該區(qū)和集寧都出現(xiàn)了具有極高Sr同位素組成的橄欖巖捕虜體(87Sr/86Sr=0.70694～0.70734)(Zhangetal., 2012; Wuetal., 2017)，指示俯沖洋殼物質(zhì)或沉積物在地幔交代過程中的貢獻。四子王旗二輝石巖很可能是古亞洲洋蝕變俯沖洋殼產(chǎn)生的熔體交代巖石圈地幔的產(chǎn)物(張慧婷, 2021)，進一步證明晚古生代至早中生代時期古亞洲洋俯沖事件對于華北西北部巖石圈地幔產(chǎn)生了巨大影響。

華北克拉通西北部地區(qū)存在不同性質(zhì)、不同期次和不同程度的地幔交代作用，早期的交代熔體主要與古亞洲洋俯沖有關(guān)，近期的交代熔體主要來源于軟流圈。以軟流圈來源熔體為主的地幔再富集作用在古老巖石圈地幔改造過程中扮演著重要的角色，逐漸將富集同位素組成的難熔巖石圈地幔逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥凰亟M成虧損的飽滿巖石圈地幔。

4 總結(jié)與展望

華北克拉通西北部巖石圈地幔主體為低Mg#橄欖巖(二輝橄欖巖為主)，部分高Mg#橄欖巖(方輝橄欖巖為主)。高Mg#橄欖巖代表該區(qū)古老巖石圈地幔的殘余，受到輕微再富集作用的改造；低Mg#橄欖巖是高Mg#橄欖巖與軟流圈熔體反應的產(chǎn)物，代表該區(qū)受到地幔再富集作用改造的巖石圈地幔。橄欖巖捕虜體記錄了該區(qū)巖石圈地幔經(jīng)歷的多期次地幔交代作用，早期交代介質(zhì)主要為古亞洲洋俯沖產(chǎn)生的熔/流體，具富集Sr-Nd同位素組成的殼源熔體將巖石圈地幔改造成同位素富集的特征；近期的地幔再富集作用與虧損Sr-Nd同位素組成的軟流圈熔體有關(guān)，使巖石圈地幔的同位素組成變得相對虧損。

華北克拉通西北部橄欖巖捕虜體以飽滿的二輝橄欖巖為主，少量方輝橄欖巖，橄欖石Fo值大多在86～92之間，最高的Fo值出現(xiàn)在四子王旗的方輝橄欖巖(91.8; Zhangetal., 2021)。中部太行山沿線橄欖巖的Fo值在80～93之間，鶴壁和繁峙出現(xiàn)Fo>92的樣品，落入太古代橄欖巖范圍內(nèi)(圖4b)，陽原、繁峙和鶴壁等地的橄欖巖Re-Os同位素研究也獲得了太古代Re虧損模式年齡(Zhengetal., 2007b; Xuetal., 2008b; Liuetal., 2011)。相較而言，東部郯廬斷裂帶沿線的橄欖巖Fo值較低，主要在84～91之間，昌樂橄欖巖最低可以到78.4(Xiaoetal., 2013)。東部橄欖巖的Re虧損模式年齡分布從元古宙至今，主體較為年輕，并未出現(xiàn)太古代年齡。整體來說，東部新生代巖石圈地幔以飽滿的二輝橄欖巖為主，具有虧損的Sr-Nd同位素組成，主體是新生的、年輕的地幔，具有“大洋型”巖石圈地幔的特征?？臻g上看，越靠近郯廬斷裂帶，巖石圈地幔受改造的程度越明顯，很可能是郯廬斷裂帶為軟流圈來源的熔體提供了上升通道(Zhengetal., 1998; Zhaoetal., 2020)。華北克拉通中、西部仍存在太古代-元古代巖石圈地幔的殘余，具有相對富集的Sr-Nd同位素組成，僅受到輕微地幔再富集作用的影響。該區(qū)新生代巖石圈地幔的主體為受到地幔再富集作用改造的二輝橄欖巖，其主量元素飽滿，具有虧損的Sr-Nd同位素組成和相對“年輕”的年齡，雖類似于“大洋型”巖石圈地幔的特征，但與東部新生的巖石圈地幔(具年輕的tRD年齡)有本質(zhì)區(qū)別(圖7b)，屬于“改造型”巖石圈地幔，是古老巖石圈地幔受到再富集作用改造的結(jié)果，改造程度從克拉通內(nèi)部(例如鶴壁)向北緣(例如漢諾壩)逐漸增強(Tangetal., 2011)。

古生代以來，一系列環(huán)克拉通俯沖碰撞事件，例如三疊紀秦嶺-大別-蘇魯超高壓變質(zhì)帶的形成、晚古生代-早中生代中亞造山帶的形成以及中生代-新生代太平洋板塊的俯沖，為巖石圈地幔的改造提供了熔/流體來源和外動力(Windleyetal., 2010; Tangetal., 2013a)。晚白堊世以來，軟流圈來源熔體對巖石圈地幔的改造引起了廣泛的地幔再富集作用(Zhang, 2009; Tangetal., 2013b)。由于交代熔/流體來源和性質(zhì)多樣、交代期次復雜、交代規(guī)模和程度各異，造成巖石圈地幔礦物組成和地球化學成分差異，最終導致巖石圈地幔的不均一性。關(guān)于交代熔體規(guī)模的限制、不同交代期次發(fā)生時間的有力約束以及橄欖巖與不同性質(zhì)熔/流體反應的具體過程等研究亟需進一步展開。另外，由于地幔交代作用對于Re-Os同位素體系的影響，經(jīng)熔/流體改造過的地幔橄欖巖真實形成年齡往往難以確定。因此，交代熔/流體性質(zhì)的判斷以及不同性質(zhì)熔/流體對定年同位素體系的影響也值得更深入的探究。

廣泛存在的地幔再富集作用造成華北克拉通巖石圈地幔的巨大轉(zhuǎn)變，從古老的、難熔的克拉通型巖石圈地幔變?yōu)椤澳贻p”的、飽滿的“大洋型”巖石圈地幔，這種巖石圈地幔組成和屬性特征的巨大變化最終使得克拉通原本的穩(wěn)定性遭受破壞。

致謝感謝課題組成員鄒東雅博士和林阿兵博士在成文過程中提供的幫助。感謝審稿人對論文提出的寶貴修改意見。