华北克拉通东部2115 Ma海城火成岩省揭示大氧化事件期间地幔柱-岩石圈的广泛相互作用

本研究针对华北克拉通东部2.1 Ga海城火成岩省（HIP）的成因争议，通过岩石学、年代学与地球化学综合分析，首次发现高MgO（8.0–11.0 wt.%）的原始组分（87Sr/86Sr(t)=0.702–0.703；εNd(t)=+2.7–+3.4），证实其地幔柱来源属性，揭示GOE（大氧化事件）晚期地幔柱-岩石圈相互作用的跨克拉通尺度过程，为理解LIPs（大火成岩省）与地球环境演化的关系提供关键证据。

　　

在地球演化史上，古元古代大氧化事件（Great Oxidation Event, GOE）是大气氧含量骤增的关键转折点，而同期全球性大火成岩省（Large Igneous Provinces, LIPs）的爆发是否参与这一环境变革，一直是地球科学领域的未解之谜。华北克拉通东部发育的2.1 Ga海城火成岩省（Haicheng Igneous Province, HIP），因其时空分布与GOE峰值期（Lomagundi-Jatuli事件）高度吻合，成为研究这一问题的天然实验室。然而，HIP的镁铁质岩石长期存在"地幔柱起源"与"岩石圈局部熔融"的成因争议，其地球动力学机制及其对GOE的潜在影响亟待厘清。

针对这一科学问题，中国科学院地质与地球物理研究所Bisheng Xu、Peng Peng等团队对HIP的岩浆通道系统展开多学科交叉研究，重点分析了泛河盆地内侵入Sanchazi群（2.2–2.1 Ga）碳酸盐岩的镁铁质岩床。通过高精度年代学与地球化学示踪，首次发现具有原始地幔特征的岩浆组分，为HIP的地幔柱成因提供决定性证据。相关成果发表于《Precambrian Research》，揭示GOE晚期地幔柱与克拉通岩石圈相互作用的全球性意义。

研究团队运用以下关键技术：1）SIMS（二次离子质谱）对云盘沟岩床锆石进行Pb-Pb定年（精度±6 Ma）；2）全岩主微量元素分析（XRF和ICP-MS）；3）Sr-Nd同位素测试（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和ε_Nd）；4）岩相学与矿物化学研究（电子探针）。样本来自泛河盆地20米厚岩床的新鲜露头，包括具冷凝边的云盘沟高镁玄武岩（MgO达10.9 wt.%）。

主要研究结果

1. 地质背景与岩相特征
   HIP镁铁质单元侵位于辽河-泛河盆地的Sanchazi群，保留辉绿结构（辉石+斜长石+Fe-Ti氧化物），绿片岩相变质叠加阳起石/绿帘石。云盘沟岩床中心带发育倒C型成分分带，高MgO（8.0–11.0 wt.%）样品代表最未分异端元。

2. 精确年代学框架
   云盘沟岩床锆石²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb年龄2115±6 Ma，与HIP其他单元一致，确立其与GOE峰期的同步性。

3. 地球化学指纹
   高MgO样品具OIB型（洋岛玄武岩）微量元素配分（Nb/Ta≈16）、低SiO₂（44.8–48.2 wt.%）、高TiO₂（2.0–2.8 wt.%）及原始同位素（ε_Nd(t)=+3.4），区别于具弧特征的岩石圈熔体。全岩ε_Nd(t)变化范围（-2.8至+3.9）揭示地幔柱-岩石圈-地壳三重物质贡献。

4. 双峰岩浆成因
   镁铁质（SiO₂ 45.8–55.5 wt.%）与长英质（63.0–80.0 wt.%）单元共存，反映地幔柱熔体诱发岩石圈熔融并混染古老下地壳的跨壳层过程。

结论与意义
该研究通过HIP高精度地球化学解剖，取得三项突破性认识：1）云盘沟原始组分（MgO>8 wt.%, ε_Nd(t)>+2.7）确证古地幔柱存在；2）成分极性分带（倒C型）揭示岩浆房内动力学分异；3）HIP的双峰特征与同位素混合趋势，记录GOE晚期地幔柱上涌诱发克拉通尺度岩石圈改造的完整过程。这不仅解决华北2.1 Ga岩浆事件的成因争议，更提出LIPs通过改变深部挥发分通量影响地表氧化状态的新机制，为地球内外系统协同演化研究奠定基石。