2025年大学《地球化学》专业题库- 地幔柱地球化学特征及其成因

2025年大学《地球化学》专业题库——地幔柱地球化学特征及其成因考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共10分）1.下列哪一项不是通常用来指示地幔柱岩浆源区特征的同位素比值？A.εNdB.εHfC.δ¹³CD.δ¹⁸O2.与地幔源区相比，典型的地幔柱岩浆通常表现出哪些元素的显著富集？A.K,Rb,BaB.Nb,Ta,TiC.Mg,FeD.Ca,Na3.在地幔柱上升和岩浆演化过程中，分离结晶作用对岩浆的地球化学组成主要产生什么影响？A.使岩浆整体成分趋于均一化B.导致岩浆富集铁镁质组分C.引起岩浆成分发生显著分异，形成不同岩相D.使岩浆的同位素组成发生剧烈改变，但元素配分相对稳定4.根据地幔柱成因的“热点”假说，热点上方地壳记录的岩浆活动具有什么特征？A.岩石年龄普遍较老，且呈随机分布B.岩石年龄随距离热点距离的增加而单调递增C.岩石年龄相对年轻，且常形成火山弧或裂谷系D.岩石年龄记录了地幔柱长时间（数百万年）稳定活动的历史5.kimberlite和lamproite这两种深部地幔起源的岩浆岩，在地球化学特征上的主要区别在于：A.是否含有熔融的岩浆B.主要指示矿物（金、黄铜矿）的有无C.微量元素和同位素组成的整体趋势D.携带的深部地幔包裹体的类型和丰度二、简答题（每题5分，共20分）1.简述地幔柱对地幔源区的地球化学扰动。2.解释什么是“地幔柱地球化学指纹”，并列举三种主要的地球化学指纹。3.阐述地幔柱岩浆在上升过程中可能经历的地球化学变化。4.简述使用εNd值研究地幔柱成因的基本原理。三、论述题（每题15分，共30分）1.比较kimberlite和basaltic(洋中脊)plume在地球化学特征（元素、同位素）上的主要异同，并探讨这些差异可能反映的成因差异。2.详细论述地幔柱岩浆与地壳发生相互作用的主要方式，并分析这些作用对地幔柱岩浆最终成分和分布的影响。试卷答案一、选择题（每题2分，共10分）1.D解析：δ¹⁸O主要受水的影响，在地幔柱研究中更多地指示岩浆与水的相互作用或源区特征，不如εNd和εHf那样直接反映原始地幔性质和分异程度。εNd和εHf是指示地幔源区年龄和演化的重要同位素参数。δ¹³C在火山碳酸盐岩中研究较多，与地幔柱关系相对间接。2.B解析：地幔柱岩浆通常显示富集型地球化学特征，其中高场强元素（HFSEs）如Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,U以及部分轻稀土元素（LREEs）相对富集，而碱金属元素（K,Rb,Ba）、Ba,Sr,Eu等相对亏损是常见趋势。选项B中的Nb,Ta,Ti正属于HFSEs组。3.C解析：分离结晶是指岩浆中某些矿物相因饱和而结晶析出。这个过程会移除晶出的矿物所含的元素，导致剩余岩浆成分发生显著变化，沿着岩浆成分系列（如岩浆岛）发生分异，形成不同化学成分的岩浆体和岩石。因此，分离结晶是导致岩浆成分显著分异的主要原因。4.B解析：根据“热点”假说，地幔柱是深部地幔中持续存在的热源，其上方的岩石圈会发生持续加热和部分熔融，导致岩浆活动。随着板块不断漂移经过固定的热点，岩浆活动记录会依次分布在热点两侧，形成年龄随距离热点距离增加而递增的火山链或岩脉序列。5.C解析：kimberlite和lamproite都被认为是起源于深部地幔（>150km）的岩浆岩，携带有来自地幔的指示矿物（金、黄铜矿等）和独特的包裹体。它们都属于富硅质、富碱质、低钾的超镁铁质岩浆岩。主要区别在于其整体地球化学趋势和部分元素（如Ca,Na,Mg）的相对含量有所差异，反映其源区可能存在细微差别（如kimberlite相对富Ca,Na；lamproite相对富K）。选项C指出它们在微量元素和同位素组成上的整体趋势存在差异，这是区分两者的关键地球化学特征之一。二、简答题（每题5分，共20分）1.解析：地幔柱的上升和活动会对原始地幔源区造成扰动。首先，地幔柱本身可能是一个富集区（如富集型地幔FDM），其存在改变了周围地幔的化学组成。其次，地幔柱的快速上升和部分熔融过程会搅动周围地幔，可能导致局部化学不均一。此外，地幔柱携带的熔体与地幔基质之间的相互作用（如岩浆混合、萃取）也会改变源区的成分。2.解析：“地幔柱地球化学指纹”是指地幔柱岩浆在上升、演化及与地壳相互作用过程中，所携带并记录下来的、区别于地幔源区正常岩浆和地壳成分的独特地球化学特征。这些特征可以用来识别地幔柱活动，追溯其源区，并了解其演化过程。主要的地球化学指纹包括：特定的元素配分模式（如HFSE富集，LILE亏损，Ba,Sr,Eu相对亏损），独特的同位素组成（如εNd和εHf值通常显示其为富集型地幔来源，但具体数值可能因源区和演化而异），以及特定的矿物组合和包裹体类型（如金、黄铜矿）。3.解析：地幔柱岩浆在上升过程中，由于压力降低，会经历一系列地球化学变化。首先是部分熔融程度可能增加，导致岩浆进一步富集。随着深度减小，岩浆成分可能发生分异，某些组分（如硅、碱金属）可能发生结晶或富集，导致岩浆成分演化。同时，岩浆可能与周围的地幔楔或地壳发生混合，引入外部物质，改变其化学成分。此外，岩浆还可能捕获或溶解来自深部或浅部的包裹体，这些包裹体的成分也会影响岩浆的整体特征。最终，岩浆的成分取决于其源区、上升过程中的演化程度以及与地壳的相互作用程度。4.解析：εNd值是利用Nd同位素比值（²⁸Nd/²⁹Nd）相对于特定标准（通常为CHUR或PMD）的偏离程度来量化地幔或岩石的Nd同位素组成特征。地幔柱起源于地幔源区，其Nd同位素组成（εNd(t)）反映了该源区的形成年龄和后期演化历史。通过测定地幔柱岩浆岩（在尽可能避免后期地壳混染的情况下）的εNd值，并与地幔柱活动记录的年龄（t）结合，可以利用Nd同位素体系的演化模型（如球粒陨石均一化模型）来反推地幔柱岩浆形成时地幔源区的εNd值，进而探讨该源区的性质（如是否为富集型地幔FDM）和可能的成因。三、论述题（每题15分，共30分）1.解析：Kimberlite和BasalticPlume都是源自深部地幔的超镁铁质/镁铁质岩浆，但它们在地球化学特征上存在显著差异。*相同点：两者通常都具有富集型地球化学特征，表现为HFSEs(Nb,Ta,Ti,Zr,Hf,U)相对富集，LILE(K,Rb,Ba)相对亏损，表现出与地幔源区不同的元素配分模式。它们都含有来自深部地幔的指示矿物（金、黄铜矿、铬铁矿等）和包裹体。它们都代表了地幔柱活动的一种表现形式。*不同点：*元素配分：Kimberlite通常具有更极端的富集特征，特别是Ba,Sr,Eu,Na,Ca相对亏损更为显著，而basalticplume玄武岩相对富集一些LILE和Ba,Sr。它们的微量元素比值（如Rb/Sr,Ba/Sr）也存在差异。*同位素组成：虽然两者都可能显示富集型εNd和εHf值，但具体数值范围和演化模式可能不同。Kimberlite的εNd值通常变化范围较宽。*矿物学：Kimberlite岩石中金、黄铜矿含量通常很高，而basalticplume玄武岩中则相对较少或没有。*Sr,Nd,Hf同位素斜率：有研究指出，kimberlite的Sr,Nd,Hf同位素斜率（表示同位素比值随时间的变化率）可能与basalticplume不同，暗示它们可能起源于地幔柱的不同部位或具有不同的演化历史。*成因差异推测：这些地球化学差异可能反映了kimberlite和basalticplume所携带的地幔柱岩浆具有不同的源区性质（如kimberlite可能与更富集的FDM相关），或者它们在上升通道中经历了不同的岩浆混合、分离结晶或地幔楔/地壳相互作用过程。例如，kimberlite的极端富集和指示矿物组合可能指示其经历了更快速或更强烈的岩浆分异，或者其通道更直接地沟通了深部富集地幔。而basalticplume岩浆则可能经历了更复杂的演化，并与地幔楔发生了更充分的相互作用。2.解析：地幔柱岩浆与地壳发生相互作用是影响其最终分布和地球化学特征的关键过程。主要方式包括：*岩浆分异作用：在地壳中，岩浆可以发生进一步的结晶分异，特别是结晶出斜长石等硅铝酸盐矿物。这会导致残余岩浆的成分向更酸性、更硅富集的方向演化，形成花岗岩、正长岩等岩浆岩。这个过程改变了地幔柱岩浆的原始成分，使其更接近地壳成分。*岩浆混合作用：地幔柱岩浆在上升过程中或侵入地壳后，可能与地壳中已经存在的岩浆（如地壳改造的岩浆、同化地壳物质形成的岩浆）发生混合。这种混合作用会稀释地幔柱岩浆的成分，并可能使其成分介于地幔柱岩浆和地壳岩浆之间。混合的规模和程度会影响最终产物的成分。*地壳同化作用（混染作用）：地幔柱岩浆在上升和冷却过程中，可以部分地熔融或溶解围岩（地壳物质）。这个过程会向岩浆中带入地壳成分，导致岩浆成分向更硅富集、更碱质、更富集元素（如LILE,K,Rb,Ba）的方向变化，同时可能亏损某些地幔特征元素。同化作用程度越强，岩浆的“地壳化”程度越高。*地幔柱岩浆对地壳的改造：强大的地幔柱岩浆可以侵入深部地壳，形成巨大的岩基。岩基的冷却结晶过程可以显著改变上覆地壳的物理和化学性质。岩浆的侵入和热效应也可能导致围岩发生接触变质。*影响：这些相互作用