（地球化学专业论文）云南丽江苦橄岩和玄武岩的reos同位素地球化学.pdf

摘要 摘要 大火成岩省概念和地幔柱假说在研究地球历史中板块内部异常岩浆 作用中具有极其重要的作用，也是当今学术界热烈争论的话题。本文第一 章简要介绍了大火成岩省的概念、特点、时空分布、成因模式、研究意义 以及p t r e o s 同位素体系在检验地幔柱熔体中地核贡献的应用。根据大火 成岩省的概念，位于我国西南部广泛分匆于四川、云南、贵州三省境内的 峨眉山玄武岩系，符合大火成岩省的特征，已被国际地学界承认。 根据经典的“大火成岩省”概念，热地幔柱是其重要成因。经典的“热 地幔柱假说”认为，地幔柱起源于地球内部的核一幔边界( c m b ) ，由于地 核冷却放热在核一幔边赛层形成了有很大温度梯度的热边界层，导致热地 幔柱的形成。热地幔柱在上升过程中不断地卷入周围地幔物质，到达岩石 圈底部后撞击岩石圈造成其穹隆状抬升，最后形成短时间内规模异常的板 内岩浆喷发，形成大火成岩省。随着地幔柱理论的发展和地幔柱存在与否 的大辩论，现代地幔柱理论认为根据起源深度可以将地幔柱分为核幔边 界、上下地幔边界和岩石圈三类。对于峨眉山大火成岩省的地幔柱成因 模式，其起源深度目前还存在争议，这正是本论文希望解决的问题。 p t - r e o s 同位素体系可以用来示踪地幔柱熔体中地核的贡献，根据 b r a n d o n 的观点，起源于核一幔边界d ”层的地幔柱熔体应该带有地核的印 记，其p t r e o s 体系应该呈现博6 0 s 1 9 7 0 s 耦合富集。苦橄岩是地幔柱高 温高部分熔融的产物，其成分接近原始岩浆，故而是研究地幔柱源区性质 的良好载体。在峨眉山大火成岩省的局部地区也有少量苦橄岩出露，我们 选取了云南丽江地区的苦橄岩及其共生的玄武岩，对其进行r e o s 同位素 分析，其结果显示：苦橄岩具有高o s 含量和低的o s 同位素比值，其初始 o s 同位素比值与球粒陨石值稍低；而玄武岩具有低0 s 含量和高的放射成 因同位素比值。与其它已证明为深部地幔柱成因的大火成岩省中的苦橄岩 相比，丽江苦橄岩的o s 同位素比值偏低，如果核幔边界d ”层是均一的， 说明蛾眉山大火成岩省的地幔柱成因要么不成立，要么地幔柱并不是起源 于核幔边界。 关键词：大火成岩省；地幔控；苦檄岩：r e o s 同位素。 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et e r ml a r g e i g n e o u sp r o v i n c e s ( l i p s ) a n dt h e m a n t l e p l u m e h y p o t h e s i sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei ne x p l o r i n gt h eo r i g i no fm a s s i v ei n t r a p l a t e m a g m a t i s m h o w e v e r ，t h em a n t l ep l u m eh y p o t h e s i s h a sr e c e i v e dg r e a t c h a l l e n g e si nr e c e n ty e a r s ，a n dt h e “m a n t l ep l u m e d e b a t e i sc u r r e n t l yr a t h e r h e a t e d w eb r i e f l yd e s c r i b e dt h ec o n c e p t ，c h a r a c t e r ，d i s t r i b u t i o ni nt i m ea n d s p a c e ，g e n e s i sm o d e l a n dr e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo fl i p , a n dt h em a n t l e h y p o t h e s i sa n d m a n t l ep l u m ed e b a t e ”，a sw e l la st h ea p p l i c a t i o no ft h eb o t h o fh f - wa n dp t - r e o si s o t o p es y s t e m si nd e t e c t i n gt h ec o n t r i b u t i o nf r o mt h e o u t e rc o r ei np l u m e d e r i v e dl a v a so fl i pi nt h ef i r s tc h a p t e ro ft h i st h e s i s t h e e m e i s h a nb a s a l t s ，l o c a t e di ns i c h u a n ，y u n n a n ，a n dg u i z h o up r o v i n c e so fs w c h i n ai sa nu n i q u ec a s eo fl a r g ei g n e o u sp r o v i n c ei nc h i n aw h i c hi s a c k n o w l e d g e db yt h ei n t e r n a t i o n a lg e o l o g i c a lc o m m u n i t y t h eg e o l o g y ， p e t r o l o g y , g e o c h e m i s t r ya n dr e s e a r c hh i s t o r yo fe l i pa r es h o r t l yd e s c r i b e di n t h es e c o n dc h a p t e r w ef o c u s e do nt h er e o sg e o c h e m i s t r yo fp i c r i t e sa n d a s s o c i a t eb a s a l t sf r o ml i j i a n g ，e l i pi nt h et h i r dc h a p t e r o sa n dr e a b u n d a n c e sa n do si s o t o p er a t i o so f18s a m p l e sf r o mt h ea r e aa r er e p o r t e d ， a n dt h e i ri m p l i c a t i o n so nt h eo r i g i no fe l i pa r ed i s c u s s e di nt h a tc h a p t e r w e b r i e f l yd e s c r i b e da n a l y t i c a lp r o c e d u r e sf o rr e o si s o t o p es y s t e mu s e di no u r l a b o r a t o r y ，a n do r i g i n a ld a t ao fr ea n do sc o n c e n t r a t i o n sa n do si s o t o p i c c o m p o s i t i o n sa r ec r i t i c a l l ye v a l u a t e di nt h ef o u r t hc h a p t e r b a s e do nt h ec l a s s i c a ld e f i n i t i o no fl i p s ，t h e ya r ef o r m e dv i at h et h e r m a l m a n t l ep l u m e s ，a c c o r d i n gt ot h ec l a s s i c a lp l u m em o d e l ，t h ep l u m e sa r e o r i g i n a t e df r o mt h ed ”l a y e ra r o u n dc o r e m a n t l eb o u n d a r y ( c m b ) w i t h i nt h e e a r t h t h eh u g ep o t e n t i a lh e a tf r o mt h ec o r ep r o v i d et h em a n t l em a t e r i a l s e n o u g hb u o y a n c yt oa s c e n du p w a r d s m a t e r i a l sf r o mt h es u r r o u n d i n gl o w e r m a n t l ec o n t i n u o u s l yw e r ew r a p p e di n t ot h em a n t l ep l u m ed u r i n gi t su p w e l l i n g a b s t r a c t t h ep l u m eh e a da s c e n d e dt ot h eb a s eo fl i t h o s p h e r e ，f l a t t e n e d ，d e c o m p r e s s e d m e l ta n dt h e ne r u p t e dt of o r man e wl i p w i t ht h ed e v e l o p m e n t so ft h ep l u m e t h e o r y ，m o d e r nm a n t l ep l u m et h e o r yp r e f e r st oc l a s s i f yt h em a n t l ep l u m e sa s t h r e et y p e s ：f r o mt h ec m b ，t h eu p p e rm a n t l e l o w e rm a n t l eb o u n d a r y ( u l m b ) ， a n dt h el i t h o s p h e r e h o w e v e r ，t h e r ea r ea l s oc o n t r o v e r s i a lv i e w so nt h e o r i g i n a t i n gd e p t ho ft h ee m e i s h a nm a n t l ep l u m e h e r ew ej u s ta t t e m p tt os o l v e p t o r l sp r o b l e m o u t e rc o r ec o n t r i b u t i o n st op l u m e d e r i v e dm a g m a sc a nb ed e t e c t e db yt h e r e o si s o t o p i cs y s t e m a sw i t ht h ev i e w p o i n t so fb r a n d o n t h ep l u m e g i n a t e df r o mt h ed l a y e ra tt h ec m bs h o u l dp r e s e n tc o u p l e dh i g h 18 6 0 s 8 8 0 sa n d 。8 7 0 s 8 8 0 s v a l u e sw h i c hi sc o n s i d e r e da ss i g n a t u r eo fo u t e r c o r em a t e r i a l sc o n t r i b u t i o n p i c r i t e sw e r ep r o d u c t so ft h et h e r m a lp l u m ew i t h g r e a td e g r e eo fp a r t i a lm e l t i n ga th i g ht e m p e r a t u r e ，a n dt h e i rc o m p o s i t i o n sa r e t h eb e s te s t i m a t eo ft h ep r i m a r ym a g m ad e r i v e df r o mp l u m e s t h u st h e yc a n m o s tl i k e l yr e f l e c tt h es i g n a t u r e so ft h em a n t l ep l u m es o u r c e t h e r ea r ea l s oa f e wp i c r i t e so u t c r o pi ns o m ea r e a so ft h ee l i p i nt h i ss t u d yw ed i dt h ew h o l e r o c kr e o ss y s t e m a t i ca n a l y s i so fp i c r i t e sa n da s s o s i a t e db a s a l t sf r o ml i j i a n g a r e a ，y u n n a np r o v i n c eo fc h i n a t h er e s u l t sa p p a r e n t l yd i s p l a y e dt h a tt h e p i c r i t e sh a dh i g h e ro sc o n c e n t r a t i o na n dl o w e r 8 7 0 s 1 8 8 0 sr a t i o st h a nt h a to f a s s o c i a t e db a s a l t s c o n t r a s tt oo t h e rp i c r i t e sf r o mt h el i p sw h i c hh a db e e n c o n f i r m e dd u et od e e pm a n t l ep l u m e sf r o mt h ec m b ，t h ep i c r i t e so fl i j i a n g a r e ah a dl o w e r1 8 7 0 s 1 鲳o s r a t i o s a c c o r d i n gt o b r a n d o n so p i n i o n t h e e m e i s h a nm a n t l ep l u m ee i t h e rd o e sn o te x i s to rd o e sn o to r i g i n a t ef r o mt h e c m bu n l e s st h ec o r e - m a n t l eb o u n d a r yd ”l a y e ri si n h o m o g e n e o u s k e yw o r d s ：l a r g ei g n e o u sp r o v i n c e ；p l u m e ；p i c r i t e ；r e o si s o t o p e i i l h q 高 刖茜 当今地学界f 在热烈地丌展“地幔柱大辩论”，核心问题是：地幔柱 是否存在? 地幔柱是否可以存在? 板内异常的岩浆活动是否非地幔柱解 释不可? 这场辩论也许是固体地球科学历史上最剧烈的争论之。峨眉山 玄武岩代表了地幔桂成因的大火成岩省，是当今学术界的主流观点，得到 了国际学术界的支持。研究峨眉山大火成岩省地幔柱成因的证据可以为地 幔柱大辩论提供支持和怀疑的实例。 长期的研究结果表明，分布在云贵川的二叠纪术( 2 5 9 m a ) 蛾眉山 玄武岩具有如下基本特点：玄武质火山熔岩分布面积广大( 2 5 0 0 0 0 k m 2 ) ， 体积巨大( 3 0 0 0 0 0 k m 3 ) ，火山作用持续时蒯短( 卜2 m a ) ，喷发速率侠， 在火山作用丌始前上覆地层茅口狄岩有k m 级的穹隆状抬升，在局部地区 有少量的高温苦橄岩熔岩出露。这些特点符合经典的“大火成岩省( l i p ) ” 概念表征的大陆溢流玄武岩省( c f b ) 的特征，在地质上的短暂时自j 内在 地表出现的异常大量的板内岩浆作用。因而峨眉山玄武岩可以作为典型的 大火成岩省的一个实例，它是国际学术界公认的在我国境内分布的唯一的 “大火成岩省”。 根据经典的“大火成岩省”概念，热地幔枉是大火成岩省的重要成因 模式。经典的“热地幔杜假说”认为，在地球内部的地核地幔边界( c m b ) ， 由于地核冷却放热在核一幔边界层形成了有很大温度梯度的热边界层，导 致热地幔柱的形成，地幔柱出柱头和柱尾构成，柱头形似球冠，撞尾形似 圆柱体。当一个新地幔柱在核一幔热边界层形成时，杜头直径达到4 0 0 k m 爿能有足够的浮力脱离供给物质的热边界层，在地幔中上升，热物质通过 柱尾持续从热边界层流入柱头。同时柱头加热周围地幔薄层，裹进周围物 质形成柱头的螺旋式结构，柱头最终达到直径为1 0 0 0 k m 左右。柱尾物质 来源于核幔边界层地幔底部2 0 k m 范围内，柱头物质来源于边界层和下地 幔最下部1 3 范围内。地幔柱上升与岩石圈作用造成后者呈穹隆状抬升， 最后形成短时问内规模异常的板内岩浆喷发，郎形成大火成岩省。大规模 异常的岩浆活动，不仅与成岩和成矿( c u n i p g e ) 作用有密切关系，而 且与全球环境和尘态变化密切有关，甚至造成生态灾难。显生宙以来地球 上的5 次生物大灭绝都与地幔柱成因的大火成岩省形成有一定的关系。 前言 大火成岩省概念和地幔柱假说在研究地球历史中板块内部异常岩浆 作用中具有极其重要的作用，也是当今学术界热烈争论的话题。面对当今 地学界展丌的“地幔柱大辩论”，地球化学可以有什么贡献? 如果热边界 层也是化学边界层的话，即核一幔热边界层物质具有特殊的地球化学特征 的话，那么检测地幔柱熔体中是否存在来源于该边界层的物质，可以检验 热地幔柱假说。目的认为主要有两个同位素体系“r e p t - o s 体系”和“h f _ w 体系”，适合作地球化学检测工具。现今后者的研究成果不如耵者丰富。 r e o s 同位素体系定年和示踪是上世纪9 0 年代爿趋于成熟和广泛使 用的新的地球化学方法。r e o s 同位素体系具有亲铁一亲铜的地球化学特 性，在地球演化早期的核一幔分异过程中，r e o s 和其他铂族元素( p g e ) 集中在地核，在地核结晶过程中o s 相对于r e 和p t 优先进入固态的内核， 从而造成液态外核中r e o s 和p t o s 比值升高，在其后地球的长期演化过 程里导致地球外核的1 8 7 0 s 18 8 0 s 和m o s o s 同位素比值升高。外核物质 能够渗入到核一幔边界层( d ”层) ，使地幔柱成因的大火成岩省的熔岩具有 来源于核幔边界层的特征。在一些地幔柱成因的大火成岩省熔岩中，如 夏威夷、冰岛、西伯利亚、戈尔戈纳( g o r g o n a ) 等地高镁火山熔岩中都 已探测到o s 嘲o s 和1 8 6 0 s o s 同位索比值升高，并且两者之问具有线 性正相关关系。支持了热地幔柱来源于核幔热边界层的观点。 本论文在当今研究板内大规模异常岩浆活动的“大火成岩省”概念和 “热地幔柱假说”的基础上。了解了峨眉山玄武岩的地质地球化学的研 究成果，选择了云南丽江高温熔岩苦橄岩为研究对象，采用有效示踪核 幔热边界层物质的同位素体系，丌展了r e o s 同位素体系地球化学研究， 通过大量的分析测试，获得了丽江苦橄岩r e o s 含量和同位素比值的可信 数据，结果显示峨眉山大火成岩省的高温苦檄岩中缺乏来源于核，幔热边 界层物质的地球化学特征，即没有旧7 0 s 1 8 8 0 s 比值异常存在，与主流观点 “热地幔柱假说”预测的o s 同位素组成不相符合。本文结果为探讨峨眉 山玄武岩的成因、物质来源和源区性质提供了新的制约，也为当今地幔柱 大辩论中怀疑热地幔柱的存在提供新个例。 v 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：盟 叩年，胡多日 第一章人火成岩省、地幔枉假说羊核一幔边界物质地球化学示踪 第一章大火成岩省概念、地幔柱假说 和核幔边界物质地球化学示踪 1 1 大火成岩省 1 1 1l i p s 的定义 当前学术界对于大火成岩省( l a r g ei g n e o u sp r o v i n c e ，l i p ) 术语有狭义和广 义的两种理解。 c o m n 和e l d h o l m ( 1 9 9 2 ，1 9 9 3 ，1 9 9 4 ) 最早使用“大火成岩省”术语，专 指“在地壳上大量出现的主要为镁铁质的喷出岩，不是由f 常的海底扩张过程 形成，它们包括大陆溢流玄武岩，火山被动边缘，海洋高原玄武岩等。”长期以 来这个术语几乎专门用于大陆溢流玄武岩省( c f b ) ，如德干( d e c c a n ) 、西伯利 亚( s i b e r i a n ) 和哥伦比亚河( c o l u m b i ar i v e r ) 玄武岩省等，和海洋高原玄武岩， 如翁通爪沣( o n t o n gj a v a ) 等。有人提出以分白面积为1 0 0 0 0 0 k m 2 来规范“大 火成岩省”之大。在近1 5 年的发展历史中，“大火岩成省”术语使用范围开趋 扩大，如用于大面积的长英质火成岩，如墨西哥的s i e r r am a d r e 和o c c i d e n t a l ， 和巨大的花岗质一花岗闪长质岩基，如西藏喜马拉雅、北美西部和安底斯岩基， 以及大型镁铁质层状侵入体，如布什维尔( b u s h v e l d ) 层状侵入体等。最近还有 人提出了广义的理解，凡是分布面积大于5 0 0 0 0 k m 2 的火成岩不管其是侵入岩还 是喷出岩，不管其构造位置和化学成份性质，都可以称之为“大火成岩省”( s h e t h ， 2 0 0 7 ) ，并且提出了一个系统分类和列举了实例( 表1 1 ) 。我国境内的峨眉山玄 武岩和西藏喜马拉雅花岗岩岩基都在其中。另外，在国内也有人将华南花岗岩 列入大火成岩省( 王德滋等，2 0 0 5 ) 。 在本论文中我们采用狭义的大火成岩省概念。l i p s 的特点简单既就是岩浆在 第一章犬火成岩省、地幔枉假说和核一幔边界物质地球化学示踪 短时问内的巨量喷发。表现为覆盖面积大( 一般 1 0 6 k m 2 ) ，体积一般在1 0 6 k m 3 以 上( c o f f i n ，1 9 9 4 ) 。岩浆喷发持续时间短( ( m c d o n o u g h ，1 9 9 5 ，2 0 0 3 ；n e w s o me ta 1 ，1 9 9 6 ) ，所以只要地幔柱产生的岩 浆中擂2 w 相对于地幔存在微弱的亏损，都可能反映了核幔之间的相互作用。 第一章大火成岩省、地幔牲假说雨l 核一幔边界物质地球化学示踪 图1 1 0w 元素随时间演化幽解( s c h e r s t 6 n 2 0 0 4 ) 1 3 2p t - r e - 0 s 同位素体系 核一幔边界是与从金属地核到硅酸盐地幔发生的显著化学变化相关的边界 层，某些特征物质可能出现在地幔底部的d ”层中( 图1 1 1 ) ( t o l s t i k h i na n d h o f m a n ，2 0 0 5 ) ，因此，板内玄武岩中所携带的地核或d ”层的化学信号可以证 明该玄武岩的源区位于核一幔边界。可以推断物质从核幔边界通过地幔柱向上运 移，但是严格地说，地球化学无法说明玄武岩的源区物质何时到达核幔边界。 地核的密度比地幔大得多，但地核中的氧饱和度可以使亲铁元素释放到地幔中 去( w a l k e r ，2 0 0 2 ；w a l t e r a n