古元古代克拉通型煌斑岩中长期源区富集与地幔演化的地球化学及同位素约束

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Geochemical and Isotopic Constraints on Long-Lived Source Enrichment and Mantle Evolution in Paleoproterozoic Cratonic Lamprophyres

　　

克拉通岩石圈地幔记录了复杂的交代作用过程，并且常被碱性岩浆作用所取样，从而为追踪地幔渐进式演化提供了独特机会。本研究考察了印度南部东达尔瓦克拉通（Eastern Dharwar Craton）新太古代 Jonnagiri 片岩带中新识别出的一处钙碱性煌斑岩组合。岩相学与矿物学观察显示，角闪石斑晶发育反环带结构，指示多级岩浆管道系统中的岩浆混合与补给。被解释为前晶（antecryst）的角闪石核部结晶于深部岩浆储库（～20 km），随后在较浅地壳层位（～7 km）与更富镁铁质熔体达到平衡并生长边部，记录了岩浆演化的动态历史。煌斑岩的 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 年龄（2,200–2,400 Ma）表明一次显著不同的古元古代钙碱性事件，其时代早于该克拉通其他地区广泛发育的中元古代（～1,100 Ma）碱性岩浆作用。全岩地球化学在蛛网图中表现出 Nb-Ta、Zr-Hf 和 Ti 负异常，表明其来源于在新太古代俯冲过程中受板片来源流体改造的大陆岩石圈地幔（SCLM）。所研究煌斑岩的 Th/Yb（5.3–2.5）、Nb/U（9.4–2.1）微量元素比值，以及分异的轻稀土/重稀土（LREE/HREE）配分型式（La_N/Yb_N：29–18），与 Superior 克拉通和 Yilgarn 克拉通煌斑岩基本不可区分。接近球粒陨石的 εNd_i 特征和富集太古宙地幔型 Sr 同位素特征，暗示交代改造后所形成岩浆的滞留时间较短。Jonnagiri 片岩带的地球动力学格局反映了受俯冲改造岩石圈的后碰撞再造，该过程可能由新太古代增生作用衰退期的板片断离和软流圈上涌所触发。古元古代（～2.3 Ga）期间该富集地幔的部分熔融，可能与 Superia 超大陆裂解有关，从而促成了该区多期次岩浆活动。Jonnagiri 煌斑岩记录了一个受俯冲富集的岩石圈地幔域自新太古代至中元古代被间歇性取样的长期影响。

该文发表于《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》，研究对象为印度南部东达尔瓦克拉通 Jonnagiri 片岩带中新发现的钙碱性煌斑岩。研究背景在于：煌斑岩富含挥发分、通常近源于地幔初始熔体，能够敏感记录大陆岩石圈地幔（SCLM）的富集、亏损及再活化过程；而东达尔瓦克拉通既保存了新太古代增生造山与绿岩带演化信息，也发育多期碱性岩浆作用，但此前对该区古元古代钙碱性煌斑岩事件认识不足，尤其缺少对其源区性质、成岩时代以及岩浆管道系统演化的系统约束。因此，开展本研究有助于厘清俯冲改造地幔在克拉通长期演化中的作用，并补充达尔瓦克拉通多旋回岩浆活动的时间框架。

研究人员围绕四条新发现的煌斑岩脉开展了岩相学、矿物化学、全岩地球化学、Sr-Nd 同位素及 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 定年综合研究。研究表明，这些岩石属于钙碱性、以斯佩萨特岩（spessartite）为代表的煌斑岩类型，角闪石斑晶具有反环带和斑驳环带，记录了开放体系条件下的岩浆补给、混合与多层次储库演化。年代学结果将该套岩石限定为 2.2–2.4 Ga 的古元古代事件，显著早于东达尔瓦克拉通广泛认知的 ～1.1 Ga 碱性岩浆作用。地球化学与同位素证据共同指示，其母岩浆来源于新太古代俯冲作用期间被板片流体交代富集的岩石圈地幔，并在古元古代发生低程度部分熔融。该研究的重要意义在于：确认了东达尔瓦克拉通存在此前未被充分识别的古元古代钙碱性煌斑岩事件，揭示了俯冲富集型地幔源区可在长时间尺度上被反复活化，从而支持该区碱性岩浆作用具有多时代、继承性和长期源区控制特征。

研究人员采用的主要技术方法包括：对 Jonnagiri 片岩带四条煌斑岩脉进行岩相学鉴定；利用电子探针（EPMA）和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）分析角闪石等矿物主微量元素；对 18 件样品实施全岩主量、微量及稀土元素测试；对 10 件较新鲜样品开展 Sr-Nd 同位素分析；对 3 件角闪石分离物开展 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 阶段加热定年，并结合角闪石温压计算与微量元素分配/部分熔融模拟约束源区与结晶深度。

以下为论文主体内容解读。

4.1 岩相学
研究显示，Jonnagiri 煌斑岩具有典型斑状与半自形结构，角闪石为主要斑晶，相含量高于 30%，基质由微晶角闪石、长石及少量磁铁矿、黄铁矿、磷灰石、绿帘石、绿泥石和榍石组成。角闪石普遍可见深色核—浅色边的光学环带，背散射图像进一步区分出具有清晰成分边界的反环带斑晶和斑驳环带斑晶。裂隙被基质长石充填，边部及裂隙周缘再平衡现象明显，说明结晶后至侵位过程中存在持续反应与补给。磷灰石和锆石包裹体关系表明锆石极早结晶，磷灰石亦属早期矿物；硫化物局部蚀变为针铁矿，长石绢云母化/钠长石化则反映后期改造。

4.2 矿物化学
角闪石成分主要落在富钙角闪石系列，从富镁普通角闪石（magnesio-hornblende）到帕加斯石（pargasite）。其核部与边部在 Mg#、FeO_tot、MgO 上存在系统差异，边部 Mg# 高于核部，明确指示反环带结构。结合 Al_IV、Al_VI 与 Si 关系，研究人员认为主体角闪石保留原生岩浆成因特征，次生透闪石仅代表低级变质作用，不参与成因讨论。基质长石以斜长石为主，成分从钠长石至中长石，支持该岩石归入 spessartite。磁铁矿沿岩浆趋势分布，也支持原生岩浆结晶属性。

4.3 原位微量元素地球化学
角闪石稀土配分整体呈上凸型，Nd 附近出现峰值，中稀土（MREE）相对轻、重稀土富集，并具有明显 Nb、Zr、Hf、Ti 负异常和 Ba 正异常。这种特征与俯冲环境地幔角闪石，特别是超俯冲带地幔橄榄岩脉体中的角闪石高度相似，说明其继承了受俯冲流体改造地幔源区的信息。边部总稀土含量高于核部，显示后期熔体与早期晶体之间发生了新的平衡或补给作用。

4.4 全岩地球化学
样品整体为基性、富碱性玄武质组成，K₂O/Na₂O 多接近 0.5，体现钙碱性—舒松尼质（shoshonitic）亲缘性。其 TiO₂ 较低、Al₂O₃ 较高，和全球及其他克拉通钙碱性煌斑岩具有一致性。稀土元素配分表现为强烈轻稀土富集与重稀土亏损，La_N/Yb_N 高，Gd_N/Yb_N > 3.1，说明源区部分熔融发生于石榴子石稳定域。原始地幔标准化蛛网图中稳定出现 Nb-Ta、Zr-Hf、Ti 负异常，这是俯冲交代型岩石圈地幔源区的重要标志。

4.5 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 年代学
角闪石阶段加热年龄谱呈驼峰状并具有不协调平台，可能受过剩 Ar 或反冲效应影响，但中温阶段仍提供了地质上有意义的信息。三个样品给出的加权平均平台年龄分别约为 2,231 ± 3.3 Ma、2,245 ± 3.7 Ma 和 2,381 ± 3.3 Ma。尽管反等时线初始 ⁴⁰Ar/³⁶Ar 偏高、MSWD 较大，研究人员仍谨慎认为这些煌斑岩的合理形成时代位于 2,200–2,400 Ma，从而界定出一次独立于 ～1.1 Ga 事件之外的古元古代钙碱性岩浆作用。

4.6 Sr-Nd 同位素地球化学
初始 εNd_i 多数介于 ?0.2 至 ?3.4，个别样品低至 ?7.8；初始 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 为 0.70224–0.70356。该组合区别于东达尔瓦克拉通已知中元古代钙碱性煌斑岩较为演化的同位素组成，却接近太古宙 Superior 与 Yilgarn 克拉通钙碱性煌斑岩所表现出的相对“juvenile”特征。这说明其母岩浆虽源于富集地幔，但在源区交代之后停留时间较短，尚未发展出更强烈的放射成因演化特征。

5.1 岩后蚀变与地壳混染评估
研究人员通过岩相、元素活动性和同位素协变关系排除了显著地壳混染。尽管样品可见绿泥石化、钠长石化和低级变质，但高场强元素（HFSE）与稀土元素整体保持规则分布，LILE 未出现明显异常迁移。低 Th/La、相对较高的 Zr/Hf 和 Nb/Ta、缺乏 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 与 SiO₂ 的相关性、以及 εNd_i 与 100/Nd 不相关，共同说明富集/亏损特征主要继承自地幔源区，而不是由壳源物质同化造成。

5.2 地幔源区性质
Nb/La、Th/Yb、Nb/U、La/Nb、Ba/Rb 与 Rb/Sr 等指标共同指示，源区为受俯冲板片流体而非软流圈直接输入控制的交代型岩石圈地幔。低 Nb/La 反映岩石圈地幔来源；高 Th/Yb 和低 Nb/U 反映板片流体输入；分异稀土模式要求石榴子石残留；Ba/Rb 与近恒定 Rb/Sr 支持角闪石作为源区含水矿物存在。研究人员进一步通过部分熔融模拟提出，该套岩石可由受少量俯冲沉积物流体交代的含角闪石石榴子石二辉橄榄岩在 1%–7% 低程度部分熔融下形成。

5.3 角闪石斑晶成因的原位证据
结合岩相、微量元素和理论分配模拟，研究人员认为具有清晰核边界的角闪石核部并非直接在最终宿主熔体中结晶，而应属于前晶，形成于较早的深部岩浆储库。利用角闪石温压计计算，核部结晶温度约 970°C–920°C、压力 696–451 MPa，对应深度约 20 km；边部结晶温度约 871°C–806°C、压力 257–150 MPa，对应深度约 7 km。理论模拟显示，当剩余熔体比例 F = 0.9 时，可较好重现边部而非核部的微量元素组成，进一步证明边部与宿主熔体平衡，而核部来自更早期岩浆系统。

5.4 岩石成因与岩浆管道系统
综合全岩与矿物证据，Jonnagiri 煌斑岩来源于新太古代俯冲作用改造过的 SCLM。该源区保留角闪石脉体和石榴子石稳定域熔融印记，在古元古代经历低程度部分熔融，产生富挥发分、富轻稀土而亏损 Nb-Ta-Ti 的钙碱性煌斑质熔体。岩浆上升过程中，先前在中—下地壳结晶的角闪石前晶被后续较原始、较氧化的同源岩浆再次卷入，并在浅部发生边部过生长，记录出开放体系中的补给、混合与再平衡过程。基质微晶角闪石则代表晚阶段冷却固结产物。

5.5 地球动力学意义
该研究识别出的 2.4–2.2 Ga 事件表明，东达尔瓦克拉通并非仅在 ～1.1 Ga 经历深源碱性岩浆活动，而是在古元古代已存在一次独立的钙碱性煌斑岩作用。结合区域上 2.37–1.88 Ga 的基性岩墙群和裂谷相关镁铁质岩浆活动，研究人员认为 Jonnagiri 事件可能属于更广泛古元古代构造热事件的一部分，并与 Superia 超大陆裂解背景下的地幔上涌和旧富集地幔域再活化有关。同时，这些岩石又保留了新太古代俯冲增生作用时期形成的源区富集印记，说明东达尔瓦克拉通下方存在一个长期孤立、但可被多次激活的富集岩石圈地幔储库。

讨论部分总结
论文讨论的核心在于：Jonnagiri 煌斑岩的地球化学异常、同位素组成和角闪石多阶段结晶特征，不能用显著地壳混染或单纯封闭体系分异解释，而最适合由“新太古代俯冲流体交代富集的岩石圈地幔，在古元古代低程度部分熔融，并在多级岩浆管道中经历开放体系补给和混合”这一模型解释。该模型既说明了为何全岩与矿物同时保留俯冲型 Nb-Ta-Ti 亏损特征，也解释了为何其 Nd-Sr 同位素较东达尔瓦克拉通中元古代同类岩石更接近球粒陨石和太古宙富集地幔特征。研究的更广泛意义在于，它将东达尔瓦克拉通的碱性岩浆作用从单一中元古代事件扩展为跨越古元古代至中元古代的多期次过程，并强调了克拉通岩石圈地幔源区可在超大陆旋回中被反复利用。

研究结论翻译
Jonnagiri 片岩带新发现的煌斑岩组合为钙碱性，属于 spessartite 类型；角闪石斑晶揭示了深部复杂岩浆管道系统。矿物化学与微量元素模拟表明，斑晶核部具有前晶性质，形成于约 20 km 深处的岩浆房；随后在上升与侵位过程中，与性质相近但更原始的岩浆脉冲混合，使其在约 7 km 的浅部地壳环境中形成与基质熔体平衡的过生长边部。⁴⁰Ar/³⁹Ar 年龄 2,200–2,400 Ma，明显早于东达尔瓦克拉通此前记录的 ～1.1 Ga 钙碱性煌斑岩侵位时代。微量元素比值显示，石榴子石二辉橄榄岩中交代角闪石脉体保持稳定，随后交代化 SCLM 发生 1%–7% 部分熔融，形成 Jonnagiri 煌斑岩。其地球化学特征与东达尔瓦及全球太古宙克拉通片岩带相关的钙碱性—舒松尼质煌斑岩相似，表明存在一个富集的岩石圈地幔源储库。不同于东达尔瓦克拉通中元古代钙碱性煌斑岩，Jonnagiri 古元古代样品显示近球粒陨石到轻微富集的 Nd 同位素以及富集太古宙地幔型 Sr 同位素组成，这归因于岩石圈富集后母岩浆形成时间较短。该交代富集与新太古代东达尔瓦克拉通增生生长阶段海洋地壳向西汇聚有关。总体上，本研究强调了东达尔瓦克拉通钙碱性煌斑岩侵位的多时代性，并支持在相关片岩带及邻近克拉通岩石圈之下存在一个长期持续、相对孤立的富集地幔源区，自古元古代至中元古代被反复活化并产生碱性岩浆作用。