中国西南部广西西部晚二叠世基性岩的岩浆成因：对峨眉山地幔柱岩浆作用的影响

《ACS Omega》：Petrogenesis of Late Permian Mafic Rocks in the Western Guangxi Area, SW China: Implications for the Emeishan Mantle Plume Magmatism

扬子地块西缘天林基性岩锆石U-Pb测年（258.3±6.6Ma）显示与Emeishan岩省主喷发期一致， geochemical特征为高钛系列（TiO?=2.79–4.74wt%），OIB-like REE分异模式伴生Nb-Ta-Zr-Hf负异常，Sr-Nd同位素（εNd=+0.43–+0.81）指示富集地幔源，结合区域构造分析，提出新元古代俯冲带物质与Emeishan地幔柱交互作用形成岩省多样性。

　　
中国广西西部天林地区晚二叠世基性岩体的成因及其与埃梅什山大型岩省（ELIP）的时空关联性，通过整合同位素年代学、地球化学特征与构造背景分析，揭示了该区域岩浆活动的深部过程与俯冲带物质再循环的关键机制。研究团队以天林地区厚达30米、延伸超1.5公里的侵入体为对象，结合激光诱导电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）锆石U-Pb定年、全岩主量元素与微量元素分析、Sr-Nd同位素系统等多元数据，系统阐明了ELIP成岩过程的时空演化规律及深部动力来源。

### 一、地质背景与样品特征
研究区域位于扬子克拉通西缘的南盘江盆地，该盆地作为华南板块与东南亚板块的过渡构造单元，记录了古特提斯洋与环太平洋构造体制的转换过程。区域地层序列显示，晚二叠世至三叠纪硅质碎屑岩层覆盖在二叠纪碳酸盐岩之上，而天林基性岩体作为晚二叠世产物，侵入于中二叠世马口组碳酸盐岩层中，并受后期NE-SW向褶皱-断裂系统改造。岩体野外表现为暗绿色新鲜断面，镜下显示辉石（40-45%）与斜长石（45-50%）为主体的典型闪长岩结构，含少量钛铁矿与磁铁矿等暗色矿物（约5%），斜长石呈针状至拉长板状，辉石则呈粒状至不规则状填充于晶间。

### 二、年代学与地球化学约束
通过LA-ICP-MS对19颗锆石颗粒进行U-Pb定年，获得5组谐和年龄（258.3±6.6 Ma），排除 Discordant样品后确认岩体结晶年龄与ELIP主喷发期（260±5 Ma）一致。地球化学分析显示，该岩体属于高钛系列（TiO?=2.79-4.74 wt%），钛/钇比值（Ti/Y）达507-1229，在Zr/TiO?×0.0001与Nb/Y判别图上归类为碱钙性玄武岩。全岩 geochemical特征表现为：稀土元素配分曲线呈现轻稀土元素（LREE）显著富集、重稀土元素（HREE）相对亏损的OIB型特征；原始地幔标准化微量元素蛛网图显示Nb、Ta、Zr、Hf的负异常，但Zr/Y（5.09-5.76）与Zr/Nb（5.64-6.52）比值处于地幔演化轨迹中典型范围，表明岩浆源区受后期俯冲带物质影响。

### 三、同位素地球化学指示
Sr-Nd同位素分析显示，初始Sr同位素比值（87Sr/86Sr)i=0.705522-0.705891，εNd(t)=+0.43至+0.81，其Sr同位素组成介于OIB与大陆基性岩之间，而正εNd值则指示幔源物质未受显著陆壳混染。在Sr同位素比值与εNd值投图上，样品位于地幔源区与部分熔融残留体之间的过渡区域，结合主量元素特征，证实其源区为经俯冲带物质改造的富集型地幔。

### 四、岩浆源区演化机制
研究提出，ELIP岩浆活动源于埃梅什山地幔热柱与古特提斯洋俯冲带物质的复合作用。具体而言：
1. **俯冲带物质贡献**：古特提斯洋（约890-740 Ma）长期俯冲导致携带陆壳成分的俯冲 slab 在地幔深部发生部分熔融。该过程释放的富含Nb、Ta等高场强元素（HFSE）的熔体与上覆地幔橄榄岩发生反应，形成富含LREE的 garnet stability field residue（残留体），这解释了样品中（La/Yb）N达8.5-10.8的显著分异特征。

2. **地幔热柱触发机制**：晚二叠世（约260 Ma）埃梅什山热柱穿透地幔-克拉通过渡带，将已发生俯冲带物质改造的富集幔源岩熔激活。热柱导致的区域地幔上涌使深部 (~150-200 km) 的富铁镁橄榄岩部分熔融，而浅部 (~50-100 km) 的俯冲带残片携带的陆壳混染物质（Nb/Ta比值降低）通过热柱上涌过程进入岩浆系统。

3. **岩浆分异过程**：岩浆在上升过程中经历两阶段分异：初始阶段（地幔熔融）形成富含HFSE的粗粒辉长岩，随后在浅部 (~20-30 km) 发生辉石主导的结晶分异，导致TiO?含量升高（从初始2.5 wt%增至2.8-4.7 wt%）与Nb/Ta比值降低（从地幔原始比值0.2降至0.1-0.13）。这种分异模式在ELIP东西段均得到验证，东段高钛玄武岩对应更早阶段的岩浆演化，而西段低钛玄武岩则反映后期分异程度更高。

### 五、构造背景与演化意义
研究揭示，南盘江盆地作为古特提斯洋与太平洋构造体系的交汇带，其独特的岩石地球化学特征具有三重时空指示意义：
- **时间耦合性**：258.3 Ma岩浆活动与ELIP主喷发期一致，但早于华北克拉通内同期A型花岗岩（约250-240 Ma），表明热柱活动具有阶段性。
- **空间分异规律**：ELIP东段（湖南-贵州）以低钛玄武岩为主，TiO?<2.5 wt%；而西段（广西-越南）高钛玄武岩占比显著增加（TiO?>3.0 wt%），这与埃梅什山热柱在扬子克拉通下的穿透深度差异相关。天林地区样品作为西段代表，其高Ti/Y（507-1229）比值与东非高原OIB类似，但负Nb-Zr-Hf异常暗示俯冲带物质贡献。
- **克拉通动力学响应**：研究证实扬子克拉通下地幔存在深部富集层，该层在古特提斯洋俯冲阶段已形成（约800 Ma），并在晚二叠世埃梅什山热柱作用下被部分熔融。这种克拉通级地幔记忆为理解大型岩省的形成提供了新视角。

### 六、理论模型创新
研究提出"双层地幔改造"模型：在古特提斯洋俯冲阶段（约800-500 Ma），携带陆壳物质的俯冲 slab 在地幔橄榄岩中引发交代反应，形成富含LREE的 garnet stability field residue（GSR）。这种GSR在地幔深部通过热柱活动被提升至浅部 (~50-80 km) 液态线以下，成为晚二叠世岩浆的主要源区。该过程导致：
- 地幔橄榄岩中钛铁矿部分熔融，释放富含TiO?的熔体
- 带有GSR特征的深部幔源物质与地幔顶部的酸性熔体混合，形成高钛玄武岩的多样性
- 由于俯冲 slab 物质在热柱活动前已通过交代作用均匀化，因此ELIP岩石的Nb/Ta比值（0.1-0.13）与华北克拉通新元古代基底岩石（Nb/Ta=0.15-0.18）具有继承性，而不同于同期 Paleo-Tethyan slab 的Nb/Ta=0.25-0.3特征。

### 七、对比分析与模型验证
研究通过对比三个关键参数验证理论模型：
1. **Th/Yb与Nb/Yb比值**：天林样品Th/Yb=1.24-1.39，Nb/Yb=10.6-12.4，与珠峰地区新特提斯俯冲带相关玄武岩（Th/Yb=1.2-1.8，Nb/Yb=10-20）具相似性，但显著低于典型俯冲带成因的弧岩浆（Th/Yb=2-5，Nb/Yb=5-10），表明是经过部分熔融的富集幔源物质。
2. **εNd(t)与Sr同位素**：正εNd值（+0.43-+0.81）与0.7055-0.7059的Sr同位素组成，与华南地区古特提斯洋俯冲带相关蛇纹岩（εNd=+0.5-+1.2，87Sr/86Sr=0.705-0.707）具有良好匹配，证实源区改造历史。
3. **TiO?含量与热柱深度**：TiO?>3.0 wt%的高钛岩石对应热柱穿透深度>200 km，该深度足以触发克拉通深部 (~200-300 km) 的GSR熔融，而TiO?<2.5 wt%的低钛岩石则与热柱浅部 (~50-100 km) 源区相关。

### 八、对克拉通内大型岩省研究的启示
该研究为理解克拉通内大型岩省（如埃梅什山、罗迪尼亚省等）的形成机制提供了新范式：
- **俯冲带物质的时间存留性**：古特提斯洋俯冲带物质在克拉通地幔中可保存超过300 Ma，在后期热柱活动下仍能参与岩浆生成。
- **热柱活动的多尺度响应**：地幔热柱可能通过两种途径影响岩浆系统：直接引发地幔对流（深部熔融）与间接导致地幔- crustal界面热梯度变化（浅部熔融），这两种过程在天林岩体中均得到地球化学证据支持。
- **克拉通内岩浆系统的分层性**：通过TiO?含量梯度（2.8-4.7 wt%）与Zr/Y值（5.1-5.8）的变化，可划分出深部（高TiO?、低Zr/Y）与浅部（低TiO?、高Zr/Y）两个岩浆源区，解释了ELIP内部成分多样性。

### 九、研究局限与未来方向
当前研究存在三个主要局限：1）锆石定年未区分继承锆石与原生锆石贡献；2）缺乏对热柱动力学的数值模拟支持；3）未深入探讨地幔深部 (~200 km) 与浅部 (~50 km) 源区的具体物质交换机制。未来研究建议：
- 采用深部矿物（如石榴子石、辉石）的包体测温技术，约束源区深度
- 结合地球物理数据（如地幔电导率各向异性）重建热柱三维分布
- 开展多期岩浆活动的同位素年代学追踪，明确热柱活动的阶段性特征

该研究成果不仅完善了ELIP的成因模型，更为克拉通内大型岩省的时空分布规律提供了新的地球化学判据，对理解古地幔演化与克拉通活化机制具有重要理论价值。