Question

火成岩中元素及同位素组成与源区和构造环境的关系

Answer 1

现代大陆层析成像技术已揭示出大陆之下不存在连续的软流圈，因此软流圈对流不可能成为全球板块构造运动的动力。但是，事实上对应于不同的构造环境，生成的火成岩中微量元素的含量、组合（包括同位素组成）又有较明显的差异，这就提供了应用火成岩的元素及同位素组成特征来示踪源区和构造环境的可能。不少地球科学家（地球化学家、岩石学家、构造学家等）在这一领域进行了不懈地探索，已取得不少新成果。如对洋中脊玄武岩的研究发现，因为诱发岩浆产生的热源为上隆软流圈，物源为单纯洋幔，源区处于拉张的动力学状态，岩浆形成和运移过程无陆壳污染（仅与海水互相作用），决定了它们富集 Ti、Mn、P、Co、Ni、Cr、V、Cu、Zn、Au、Ag、Mo等元素。又如，由于部分熔融过程不相容元素总是倾向于进入熔浆，导致地幔岩石或深部地壳中的大离子亲石元素（不相容元素）K、Rb、Sr、U、Th、REE等不断向上部富集，经过壳-幔分异和地壳的长期演化，大陆地壳中富集 REE、W、Sn、U、Th、Be、Pb、Cs、Ta等元素，在上地壳中上列元素更是强烈富集，同时导致在俯冲带下的大陆地幔岩石中贫大离子亲石元素。在洋壳与陆壳形成后，洋壳与陆壳之间，以及它们与上地幔之间不断进行物质交换，使局部地幔的成分可以因地壳物质的加入而发生一定程度的变化，因此，地幔组成总是化学不均一的。因为地幔源区的成分和部分熔融程度不同，不同时代和不同空间产生的幔源岩浆具有不同的成分特征，它们与构造环境间有确定的联系（参看图 5.15 和图5.16）。

构造运动和环境还起着沟通岩浆物源、约束过程发生的场所和运移的途径、制约热动力学和物理化学条件等的作用。例如，不同性质的构造切割或沟通的地球结构层和影响的深度是不同的，洋脊构造可沟通地幔直达软流圈，洋-陆（B型）俯冲导致俯冲洋壳与岩石圈地幔的相互作用，陆-陆（A型）俯冲引起俯冲陆壳与另一侧的深部地壳或地幔的相互作用。上述作用都可能引发岩石的部分熔融，但由于不同层圈及不同结构层的化学成分有差异，以不同层圈或不同结构层为源岩所产生的岩浆，在元素（同位素）组成上将因继承源区的特征而各不相同，这给应用微量元素及同位素示踪源区提供了条件。

进一步说，不同构造也限定了岩浆活动的场所和岩浆的运移途径，如洋脊构造限定了玄武岩浆仅沿扩张脊活动，所形成的火成岩成分常会受到海水蚀变的影响；B型俯冲岩浆因仅限于在岛弧区下方产生，当与大洋岩石圈（洋内岛弧）或大陆岩石圈（大陆岛弧）相互作用后，岩浆的成分将因受洋壳或陆壳物质不同程度的混染而出现差异。

不同构造环境中的热动力学和物理化学条件也不相同，它们会影响原岩的部分熔融程度和熔浆成分的演化。例如，在洋脊环境下由于温度的急剧下降，岩浆只发生快速固结，一般不引起明显的成分分馏。地幔软流圈上隆或地幔热柱上升所产生的幔源岩浆既可以通过结晶分异、岩浆不混熔分层等方式形成双模式岩套，也可以由于通过幔源岩浆的热烘烤使下地壳岩石部分熔融生成长英质岩浆、与幔源岩浆一起构成不同源的双模式岩套。由于这两种双模式岩套岩浆的形成机制不同，两者的微量元素组成也必然存在差异，即：同源的双模式岩套中应表现出岩浆中高场强元素（HFSE）相对于大离子亲石元素（LILE）的亏损；而不同源的双模式岩套中不会出现岩浆中HFSE相对于LILE的亏损。又如，B型俯冲带岩浆的形成过程是；俯冲板片随地幔对流向下运移，随俯冲洋壳下插到一定深度，随地温升高，俯冲洋壳板片发生变质和脱水，导致岩石富水条件下的部分熔融，这就造成富含高场强元素（Nb、Ta、Zr、Hf、Ti、P）的难熔（溶）矿物（铌钛酸盐类、金红石、锆石）等，更多地留在源区残余固相中，而大离子亲石元素（K、Rb、Ba、Th、U、LREE）（一般含在长英质矿物中）则倾向富集于熔融形成的岩浆中，造成产于B型俯冲消减带中的岩浆均显示HFSE相对于LILE亏损的特征（Foley and Wheller，1990；Kelemen et al.，1990；McCullochand Gamble，1991），具有这种特征的组分又被称为消减带组分SZC（Condie，1989）。由于相同的构造环境能生成具有相似微量元素组成的岩浆，给应用微量元素组成示踪岩浆产生的构造环境提供了基础和应用前景。

某些放射性同位素的母、子体同位素因在源岩中各自寄主矿物（以类质同象方式进入的矿物）的易熔程度不同，而显示出不同的分配行为（不相容性或相容性），造成在部分熔融过程中母、子体同位素的相对分离，这是导致不同圈层（或构造层）母、子体同位素比值变化的主要原因，也是应用同位素示踪岩浆源岩性质和构造环境的前提。不少放射性母体同位素属于强不相容元素，它们倾向于在地壳尤其在上地壳中富集，如 Rb、U、Th 等，如果它们的子体同位素的不相容性相对较弱，如 Sr 的不相容性比 Rb 弱，Pb 的不相容性比 U弱等，在岩石圈地幔和下部地壳发生部分熔融后，熔浆中的 Rb-Sr和 U-Pb 同位素系统将与源区 Rb-Sr 和 U-Pb 同位素系统母、子体同位素比值产生差异，导致在不同层圈（或不同构造层）中有不同的演化趋势。如在地壳和地幔两体系中（⁸⁷ Sr/⁸⁶ Sr）₀的比值特征和（⁸⁷ Sr/⁸⁶ Sr）₀随时间的演化趋势都不相同（参看图6.3），因此火成岩的同位素组成可以指示岩浆源区的性质。

在地幔岩石部分熔融过程，Sm-Nd同位素体系子、母体同位素的不相容性没有明显差异，而且除部分熔融作用外的其他作用也不会引发两元素间的分异，因此用岩石的Nd同位素组成可示踪地幔源区的性质。在第 6 章中通过对壳幔体系ε_Nd（t）随时间的演化规律的研究，已确定了原始地幔的ε_Nd（t）值恒等于0；亏损地幔随时间推移ε_Nd（t）向正值增高的方向演化，地壳物质向着ε_Nd（t）值降低的方向演化等。在此基础上，建立了ε_Nd（t）-t 和ε_Nd（t）-ε_Sr（t）示踪图解（参看图6.4，6.5），这种图解既可以判断幔源岩浆源区的性质，又可以探讨壳幔演化、壳幔相互作用、地幔不均一性及成岩后的变化等。由于岩石圈结构变化是深部地幔动力学的表现或响应，因此，对深源岩浆岩地幔源区的示踪，具备了分析岩石圈结构演化并进一步揭示深部过程和地幔动力学（化学地球动力学）的效能。