青藏高原西北部昆仑山西段碰撞后钾质火山岩的性质与成因：对含碳酸盐沉积物循环利用的启示

《Journal of Asian Earth Sciences》：Nature and genesis of post-collisional potassic volcanic rocks in the western Kunlun, NW Tibetan Plateau: implication for the recycling of carbonate-bearing sediments

钾质火山岩的源岩与地球动力学机制研究：基于西藏昆仑西部岩石元素及Mg-Pb-Sr-Nd同位素分析，发现其源自富集的下地幔（SCLM），受古海洋俯冲带再造碳酸盐沉积物影响，通过部分熔融碳酸盐掺杂的石榴石橄榄岩产生，并揭示上地幔拆离与碳酸盐再循环对碰撞后钾质岩浆形成的调控作用。

　　

杨文健|于红梅|赵波|徐建东|魏飞翔|周元志|王康

中国山西工业大学地球科学与工程学院，阳泉0450000

摘要

昆仑山脉西部的碰撞后钾质火山岩可能是青藏高原上最年轻的火山活动，为研究地壳-地幔相互作用及其相关的地球动力学提供了重要线索。然而，这些岩石的来源和成因仍存在争议。本文分析了该地区岩石中的元素以及Mg-Pb-Sr-Nd同位素特征。昆仑山脉西部的钾质岩石主要包括粗面安山岩、玄武质粗面安山岩和粗面岩。这些岩石表现出弧状微量元素分布，并伴有Sr-Nd-Pb同位素的富集，表明它们来源于富集的次大陆岩石圈地幔（SCLM），类似于EM2端元。微量元素比值模型显示，这些岩石是由含磷灰石的榴辉岩部分熔融形成的。此外，这些岩石的δ²⁶Mg值较低（?0.49‰至?0.24‰），Ti/Ti*和Hf/Hf*比值也较低。Zr/Hf与Hf/Sm比值之间的正相关关系进一步表明，其来源可能与再循环的沉积碳酸盐有关。富集组分（EM2）最有可能来源于与海洋俯冲作用相关的古代含碳酸盐沉积物，这通过Sr-Nd同位素变化、低Hf/Sm比值和δ²⁶Mg值得到了证实。我们的研究揭示了昆仑山脉西部下SCLM的特征和成因。我们推测，被古老海洋板块捕获的再循环含碳酸盐沉积物的熔融改变了上覆的SCLM，随后发生的地壳分层作用引发了这部分碳酸盐地幔的部分熔融，从而形成了昆仑山脉西部的钾质火山岩。本文强调了再循环含碳酸盐沉积物在碰撞后钾质岩浆形成中的重要作用。

引言

印度-欧亚板块碰撞后，整个青藏高原地区都发生了岩浆活动（Mo等人，2006年），形成了许多大规模的火山岩场。碰撞后的火山岩是研究青藏高原岩石圈组成和演化以及地壳-地幔相互作用的重要窗口。特别是昆仑山脉西部，它是青藏高原上发现的最年轻的钾质火山岩区（图1a）。这些钾质火山岩具有明显的Nb-Ta-Ti亏损和富集的Sr-Nd-Pb同位素特征，因此普遍认为其来源是富集的地幔（Arnaud等人，1992年；Wang等人，2020年；Wei等人，2017年；Yuan等人，2020年；Zhang等人，2008年）。然而，其来源中富集物质的性质仍不清楚。可能的富集物质包括与古特提斯洋俯冲作用相关的再循环远洋沉积物（Wang等人，2020年；Wei等人，2022年），以及与印度/亚洲板块俯冲作用相关的地壳物质（Arnaud等人，1992年；Guo等人，2014年；Tang等人，2022年；Wang等人，2023年）。因此，确定这些钾质岩石中富集组分的性质和来源对于理解西北青藏地区的地壳物质循环和地幔动力学过程至关重要。

最近的研究表明，沉积碳酸盐在钾质火山岩的形成过程中可能起着关键作用（Huang等人，2024年；Shu等人，2023年；Sun等人，2017年；Tian等人，2020年；Wang等人，2017年）。超钾质岩石中橄榄石的Fe/Zn比值降低和Zn/Mn比值升高可能表明碳酸盐的交代作用对其来源产生了影响（Weng等人，2022年）。熔融实验也表明，含碳酸盐沉积物与橄榄岩之间的相互作用可以生成钾质熔体（Gülmez等人，2023年）。由于沉积碳酸盐（δ²⁶Mg = ?5.57‰至?0.38‰；Teng，2017年）和地幔（δ²⁶Mg = ?0.25 ± 0.4‰；Teng，2017年）中Mg同位素的组成差异，Mg同位素可作为地幔中再循环碳酸盐物质的示踪剂。高温岩浆过程对Mg同位素的分馏作用有限，而低温过程则表现出显著的分馏作用（Huang等人，2015年）。然而，关于来源中的碳酸盐指纹是来自含碳酸盐沉积物还是碳酸盐榴辉岩仍存在争议（Li等人，2017年；Sun等人，2017年；Shu等人，2023年）。因此，确定碳酸盐组分的性质对于理解碳循环和地壳-地幔相互作用至关重要。同时，Mg同位素的研究也为追踪地幔源岩浆中的再循环物质提供了新的视角。本文通过对昆仑山脉西部钾质火山岩中的元素及Mg-Pb-Sr-Nd同位素进行分析，揭示了再循环含碳酸盐沉积物在碰撞后钾质岩浆形成中的重要作用。

地质背景与样品

青藏高原是地球上最高的高原，形成于新生代印度-欧亚板块的汇聚作用。它主要由四个大陆块组成（图1a）。该高原具有多种地质构造，包括众多断层和盆地（Yin和Harrison，2000年）。岩浆活动从古近纪持续到第四纪，并具有明显的空间和时间迁移特征（Chung等人，2005年）。

分析方法

在进行全岩地球化学分析之前，我们首先选择了新鲜样品，并使用颚式破碎机将其破碎成小块（3–5毫米）。然后，这些颗粒在蒸馏水中进行超声波清洗后干燥。此外，还去除了任何发生变质的颗粒。最后，将选定的颗粒研磨成200目粉末。

全岩主要元素和微量元素的分析以及Sr-Nd-Pb同位素的测定均在武汉样品解决方案分析技术有限公司完成。

主要元素和微量元素

数据详见表S3。所研究的样品具有较低的灼烧损失（LOI＜2 wt%），表明其几乎没有发生显著变质。这一结论得到了化学变质指数的支持，该指数介于36至49之间，与未变质的火山岩的数值（30–55；Nesbitt和Young，1982年）一致。这些样品的MgO（0.72–4.60 wt%）和SiO₂（52.87–64.92 wt%）含量各不相同。Mg^#（= molar Mg²⁺/(Mg²⁺+Fe²⁺)×100）的范围为27.6至57.6。

地壳污染和分馏结晶

由于青藏高原地壳较厚，地幔岩浆的上涌可能会受到地壳污染的影响。然而，在本研究区域，这些钾质岩石中发现了地幔捕虏体（Tang等人，2022年），这表明岩浆可能快速上升，没有足够的时间与地壳发生相互作用。此外，这些样品的Lu/Yb比值介于0.13至0.15之间（表S3），与地幔的值（0.14–0.15；Sun和McDonough，1989年）一致，但与地壳的值（>0.15）不同。

结论

• 昆仑山脉西部的钾质岩石主要由粗面安山岩、玄武质粗面安山岩和粗面岩组成，这些岩石经历了分馏结晶过程，且地壳污染程度较低。
• 这些钾质岩石中Nb-Ta-Ti的明显亏损以及LILEs和Sr-Nd-Pb同位素的富集表明，它们来源于富集的SCLM的部分熔融。
• 轻质Mg同位素表明，其地幔来源中引入了再循环的沉积碳酸盐。

未引用的参考文献

Conticelli等人，2015年；Turner等人，1996年；Wang等人，2023年；Zhou等人，2021年。

CRediT作者贡献声明

杨文健：撰写初稿、方法论制定、研究设计、概念构思。于红梅：撰写、审稿与编辑、方法论制定、资金筹集、概念构思。赵波：数据可视化、研究实施、资金筹集。徐建东：项目监督、项目管理、资金筹集。魏飞翔：数据验证、研究实施、数据管理。周元志：撰写、审稿与编辑、数据验证。王康：撰写、审稿与编辑、数据验证。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：IGCEA 2419）、中国地震局地质研究所（项目编号：42072330）以及吉林长白山火山国家观测与研究站（项目编号：NORSCBS20-02）的支持。我们衷心感谢王强教授的编辑指导以及两位匿名审稿人的宝贵意见。