西非喀麦隆火山线内埃蒂恩德与喀麦隆山霞石岩-碧玄岩过渡的Ar-Ar年代学揭示板内岩浆作用起源新机制

本刊推荐：本文通过高精度40Ar/39Ar定年技术首次揭示喀麦隆火山线（CVL）埃蒂恩德火山霞石岩（0.572-0.515 Ma）早于喀麦隆山碧玄岩（0.442 Ma-现今）的时序关系。同位素地球化学证据表明二者共享同一碳酸盐富集地幔源区，证实了从低程度部分熔融（霞石岩）到高程度熔融（碧玄岩）的演化序列，为非地幔柱机制的板内岩浆作用模型提供了关键约束。

　　

1 引言

板内岩浆作用存在多种成因机制。虽然夏威夷和黄石等时间递进的火山链符合地幔柱假说预测，但许多板内岩浆活动缺乏地幔柱证据。西非喀麦隆火山线（CVL）作为最庞大且长期活动的非地幔柱板内岩浆省，为检验替代性岩浆生成假说提供了理想场所。该火山线由1,700公里长的火山链构成，从大西洋的安诺本岛延伸至非洲大陆内部，缺乏年龄递进现象，岩浆活动从约65 Ma持续至今。

CVL与大西洋对岸的巴西东北部（NEB）火成岩省在时代和组成上具有镜像对称性，且两者均显示低³He/⁴He值（2.1-8.6 Ra），难以用地幔柱模型解释。地震数据显示CVL下方的地幔过渡带厚度与全球平均值一致，表明任何热异常仅限于软流圈层。Guimar?es等（2020）提出新模型：大陆聚合期通过碳酸盐熔体添加富集大陆岩石圈地幔，随后热均衡转化为软流圈，在大陆裂解后富集地幔向外流动，在岩石圈较薄处减压熔融。

2 研究方法

研究采用X射线荧光光谱（XRF）分析主量和微量元素组成，Cameca SX-100电子探针测定橄榄石成分。⁴⁰Ar/³⁹Ar定年使用俄勒冈州立大学反应堆辐照样品，以Alder Creek透长石（1.1891±0.0008 Ma）作为中子通量监测剂。采用CO₂激光阶段加热和电阻炉两种提取方式，ARGUS VI和ARGUS V质谱仪静态采集数据。年龄计算采用MassSpec软件，衰变常数依据Renne等（2011）标准。

3 埃蒂恩德与喀麦隆山

喀麦隆山是非洲最活跃火山之一，海拔4,040米，由碧玄岩、碱玄岩和粗玄岩构成。埃蒂恩德（1,713米）位于其西南侧，由霞石岩和碧玄岩组成。岩相学显示，霞石岩含浑圆状橄榄石斑晶，缺乏斜长石；碧玄岩则具自形橄榄石斑晶和基质斜长石（图3）。全岩地球化学显示，霞石岩具有更高的CaO（平均15.4 wt%）和更强的不相容元素富集特征，但两者原始地幔标准化微量元素模式和Sr-Nd-Pb同位素组成完全重叠（图5-6），表明源自同一地幔源区。

4 Ar-Ar年龄结果

12个样品的高精度定年结果显示：埃蒂恩德霞石岩年龄（0.572±0.032 Ma和0.5152±0.0073 Ma）早于喀麦隆山最老碧玄岩（0.442±0.014 Ma）。埃蒂恩德碧玄岩样品年龄（0.113±0.019 Ma和0.073±0.011 Ma）与喀麦隆山火山活动时代重叠。酸性霞石岩（C232）年龄0.4288±0.0050 Ma标志着霞石岩岩浆活动的末期。年代学证据表明埃蒂恩德主体形成于中更新世，而喀麦隆山建造于晚更新世至今。

5 橄榄石成分

埃蒂恩德霞石岩中橄榄石具较高CaO（0.42 wt%）和较低Ni含量，Fo值范围82.8-84.6；碧玄岩中橄榄石CaO较低（0.33 wt%），Ni含量较高，Fo范围71.1-85.6。两者Fe/Mn比值相近（55-81）。橄榄石成分差异反映了母岩浆组成特征：霞石岩低Ni高Ca，碧玄岩则相反。计算得到橄榄石/熔体分配系数D^ol/liq为13-15，与富碱基性熔体实验数据一致。

6 讨论

6.1 年代学框架

新的Ar-Ar年龄推翻了早期K-Ar年龄提出的喀麦隆山古老年龄（2.83 Ma）。根据现代喷发速率（10⁶ m³/年）和总体积（1,200 km³），喀麦隆山在<0.5 Myr内建成符合地质过程规律。埃蒂恩德存在大型岩浆房，允许霞石岩经分离结晶演化为酸性组分；而喀麦隆山的高岩浆通量导致碧玄岩仅经历有限演化。

6.2 碳酸盐富集源区证据

CaO/(CaO+MgO)与SiO₂图解显示，最原始霞石岩和碧玄岩构成与碳化橄榄岩熔融实验平行的趋势（图9）。Hirose（1997）和Dasgupta等（2007）在3 GPa下对添加2.5 wt% CO₂的KLB-1橄榄岩熔融实验表明，随熔融程度增加，熔体CaO/(CaO+MgO)降低而SiO₂升高。CO₂的存在扩大辉石稳定域并破坏橄榄石稳定性，导致霞石岩中橄榄石斑晶熔蚀。

6.3 共同地幔源熔融过程

La/Yb与SiO₂负相关（图10）揭示熔融程度增加与碳酸盐组分降低的耦合关系：早期低程度熔体（霞石岩）富含地幔源区碳酸盐组分（高La/Yb，低SiO₂）；后期高程度熔体（碧玄岩）因碳酸盐已初步提取，显示较低La/Yb和较高SiO₂。埃蒂恩德中长石质霞石岩的高δ³⁴S值指示源区存在古老俯冲组分添加。

6.4 霞石岩-碧玄岩转变的意义

不同于东非裂谷维龙加火山群同时喷发霞石岩和碧玄岩（且同位素组成差异显著），CVL两火山同位素均一性支持同一源区连续熔融模型。该转变不能用岩石圈地幔异离体熔融解释，因为CVL大洋与大陆段岩浆组成一致性证明源区必须位于岩石圈之下。时序-地球化学联合约束支持Guimar?es等（2020）模型：富集地幔自非洲下部向外流动，在大陆-大洋边界减薄岩石圈处减压熔融。

7 结论

埃蒂恩德-喀麦隆山系统记录了板内岩浆作用从低程度熔融（霞石岩）向高程度熔融（碧玄岩）的完整演化序列。Ar-Ar定年证实前者早于后者约0.45 Myr，地球化学证据揭示二者共享碳酸盐富集地幔源。该发现为“非地幔柱板内岩浆作用由裂解后富集地幔侧向流动触发”的模型提供了关键年代学与地球化学约束，对理解全球类似构造背景的岩浆活动具有普适意义。