Question

火山岩源区性质的Sr、Nd、Pb同位素判别

Answer 1

Sr、Nd、Pb同位素值分别集中于同一区域很小范围内，说明藏北高原新生代高钾钙碱性火山岩是来源于同一源区，并且经历了类似的地球化学动力学过程，是相同的物源及其相似的演化过程结果的反映。

Sr同位素的初始比值可反映火山岩的源区特征。一般认为，现今＜0.706比值的火山物质来源于地幔；0.706～0.710比值的物质来源于下地壳；＞0.710比值物质来源于上地壳。来源于上地幔的，未被浸染的现今大洋脊和大洋岛屿的火山岩的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值分别为0.7028和0.7039（Faure，1977）。从Nd同位素特征来看，近代火山岩的ε（Nd）值因构造位置不同而有所不同，现今上地幔ε（Nd）=+12，而大陆地壳的平均值约为-15（Dapaolo，1981、1988）；源自上地幔而未受到地壳物质混染的岩浆，其ε（Nd）≥0，若ε（Nd）＜0，无疑与地壳物质的加入有关。藏北新生代高钾钙碱性火山岩的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 值比值介于0.707101～0.707998之间，明显高于均一储集库（uniform reservior）的（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）_UR现代值0.7045（Depaolo et al.，1980）；ε（Nd）＜0，¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd比值也小于未分异的球粒陨石地幔值0.512638。显然这已超出了习惯上认为的正常地幔性质。但也不能简单地得出地壳物质重熔的结论，因为这不符合岩石学和地球化学所揭示的大量事实。藏北高原新生代高钾钙碱性火山岩的Sr、Nd、Pb同位素特点限制了其源区具有壳-幔物质混合的地幔性质。

Hart（1984）根据岩石的不同同位素组成特征，鉴别出四种地幔端元类型：即亏损型地幔（DMM）、富集Ⅰ型地幔（EMⅠ）、富集Ⅱ型地幔（EMⅡ）和异常高²³⁸U/²⁰⁴Pb型地幔（HIMU）。其中DMM为MORB的源区（亏损型），具有低的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值和Pb同位素组成及高的¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd值；EMⅠ的最显著特点是在四种地幔类型中最接近于全球的同位素组成，其特点是具有较低的²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb值与¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd值，通常认为是下地幔经过地幔对流与流体交代形成的；EMⅡ被普遍认为是俯冲和再循环的大陆物质与地幔岩发生混合作用的产物，具有高⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值、高Pb同位素比值和低¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd值的特点；HIMU可能代表古老的变质洋壳，具有高Pb同位素组成、低⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值和中等¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd值。大多数玄武岩的同位素组成都可以用这四种地幔端元不同比例的混合模式来解释。

图8-1 新生代高钾钙碱性火山岩的¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd^-87Sr/⁸⁶Sr同位素成分投影图

图8-2 新生代高钾钙碱性火山岩的¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd^-87Sr/⁸⁶Sr同位素成分投影图

图8-3 新生代高钾钙碱性火山岩的ε（Sr）-ε（Nd）变异图

图8-4 新生代高钾钙碱性火山岩的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr^-206Pb/²⁰⁴Pb关系图解

新生代高钾钙碱性火山岩Sr、Nd同位素组成均分布于地幔主趋势线的右侧并远离地幔主趋势线，低于地球总成分，处在典型的EMⅡ范围之内（图8-1），并位于 Roman省钾质火山岩范围内（图8-2），其源区属于大离子亲石元素和轻稀土元素富集的一种壳-幔物质的混合地幔。

如前所述，ε（Sr）和ε（Nd）是常用的两个判别岩石成因参数，这两个值越大，表明其偏离标准样品（一种无球粒陨石）的值越远（李昌年，1992）。藏北新生代高钾钙碱性火山岩的ε（Sr）变化于116.0～128.9 之间，较大陆溢流玄武岩的值（＜80）高，被认为通常出现在再循环的地壳或被交代的地幔岩石中（Kyser，1986）。在 ε（Sr）ε（Nd）相关图中（图8-3），本区岩石落在玄武岩和壳源混合区（B+C₃和B+C₂之间），并在大洋沉积物的趋势延长线上。

图8-5 新生代高钾钙碱性火山岩的¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd^-206Pb/²⁰⁴Pb关系图解

图8-6 不同源区地幔的Pb同位素组成

图8-7 新生代高钾钙碱性火山岩的²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb—²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb投影图

图8-8 新生代高钾钙碱性火山岩的²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb—²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb投影图

通过⁸⁷Sr/⁸⁶Sr^-206Pb/²⁰⁴Pb和¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd^-206Pb/²⁰⁴Pb相关图判别（图8-4、8-5），也得出与上述同样的结论，都与EMⅡ型富集地幔源的趋势一致，而明显不同于富集Ⅰ型地幔，且远离亏损型和异常高²³⁸U/²⁰⁴Pb型地幔区。

Normam等（1989）利用岩石的²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb—²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb二元投影图解圈定了不同同位素组成的地幔源范围。藏北高原新生代高钾钙碱性火山岩投影点均落在北半球大洋玄武岩同位素组成的回归线左上方，均密集在大陆下岩石圈地幔区的上部（图8-6），显示存在陆壳组分的混合作用。图8-7、图8-8进一步说明了其Pb同位素组成不仅与EMⅡ非常吻合，尤其与大洋沉积物的Pb同位素特征一致，并且与西班牙的钾镁煌斑岩和Roman省钾质火山岩存在着一定的相似性。再次揭示了藏北高原新生代高钾钙碱性火山岩具有被大洋沉积物及陆壳物质所混合的不均一富集地幔源区。