古板块滞留导致中国东北地幔转换带强烈富水

（周春银 编译；来源：Nature Geoscience）

Nature Geoscience原文链接：http://www.nature.com/ngeo/journal/v4/n10/full/ngeo1250.html

【摘要】上下地幔之间410-660 km深度的地幔转换带是地球深部一个重要的水储库（1-4）。但是水的分布仍存在区域性的不均一性（4-5）。尤其是中国东北地区下面的区域是明显含水的（4），但是它是在何时以及怎样变得含水的仍然不清楚。这里我们综合分析了中国东北晚新生代玄武岩以及其他已发表的地球化学数据。我们发现玄武岩地球化学特征和下伏地幔中低速带的分布存在空间对应关系，这一低速带被认为是来自地幔转换带的热柱上涌作用（plume uwelling，注意这里的plume没有翻译成地幔柱，因为这里的plume是指局部的、非深源（核幔边界）的细小上升热物质流，而不是太平洋中部的大规模的plume。编者注）（6）。因此我们用玄武岩地球化学特征来推测地幔转换带的成分。玄武岩样品具有高Ba/Th和²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb比值，于是我们认为，可能由于俯冲板片的脱水作用，它记录了发生在超过10亿年以前的转换带中的一次古水合事件。我们认为这一古水合事件，结合最近一次和俯冲太平洋板片脱水相关的水合事件（7），可以解释中国地区下面地幔转换带的含水特征。我们的结果说明，地幔转换带可以作为一个稳定的地球深部水储库而保持10亿年以上的时间尺度。

Figure 1 Map showing distributions of Cenozoic volcanic fields and deep faults in northeast China. The distributions are from ref. 28. The distance from Tianchi volcano, which is located in the central part of the Changbaishan area, is shown. Grey dashed lines indicate locations of cross-sections shown in Fig. 2. See Fig. 3 for colour legend.

中国东北地区，新生代板内玄武岩分布广泛（Fig.1），并且下伏地幔转换带（MTZ）含有俯冲下去的太平洋板片残余（8）。在长白山火山地区下面，P波层析成像在上地幔中显示了一个明显的热柱（plume）类似形态的低速异常（Fig.2）；这暗示着有来自MTZ的湿物质上涌作用（ref.6）。数值模拟研究同样也表明，低速异常可能指示着MTZ中的失稳所产生的湿地幔热柱（ref.9）。中国东北地区新生代岩浆活动的主要成因被认为是滞留板片上面上涌软流圈物质减压熔融产生的（10,11）。由此长白山地区周围的火山岩可以为受MTZ源上涌影响的上地幔深部提供非常有用的地球化学方面的信息。于是我们对长白山地区以及周围火山区域（Fig.1）的晚新生代玄武岩地球化学数据进行了研究。

Figure 2 Vertical cross-sections of P-wave velocity tomography under northeast Asia. The locations of a, east–west and b, north–south cross-sections are shown in Fig. 1. Black crosses and white circles show the shallow and deep earthquakes. The figure is slightly modified from ref. 6, ©2009 Elsevier

这些熔岩主要是碱性玄武岩（补充材料Fig.S1）。熔岩中的不相容微量元素与板内特征关系密切，具有Ba、Pb和Sr的明显正异常峰（补充材料Fig.S2）。熔岩在某些地球化学特征方面具有规则的空间差异。第四纪熔岩Ba/Th以及Pb/U比值从位于长白山地区中部的天池火山（Fig.1）随距离增加而规则下降（Fig.3）。在我们所研究的火山区域内的玄武质熔岩当中，发现长白山熔岩具有和EM1（富集地幔-1）（12）样品相似的Cr、Nb以及Pb同位素成分（Fig.4以及补充材料Fig.S3）。值得注意地是，这些空间地球化学差异并没有受到地壳混染作用的明显影响，正如所观测到的玄武岩的Ba/Th和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值基本上与每个火山区域的SiO₂含量是无关的（补充材料Fig.S4）。

Figure 3 Spatial variations in Ba/Th and Pb/U ratios of late Cenozoic basaltic lavas from northeast China. The horizontal axis shows the distance from the Tianchi volcano, located at the centre of the Changbaishan area. Quaternary samples are indicated by filled circles and Tertiary samples (<10 Myr) and samples of unknown ages are indicated by open circles. Samples with a significant Eu anomaly (Eu*>1.1 or Eu*<0:9), which may be significantly affected by crustal processes (that is, plagioclase fractionation or accumulation), are not plotted. See Supplementary Information for the source of the data.

熔岩在地球化学特征上的同心空间变化和长白山地区下面上地幔中热柱类似形态的低速异常（Fig.2）之间的明显一致性说明，这些地球化学差异与深达~410 km的低速异常是相关的。中国东北的火山并不具有深部热点成因，因为滞留的太平洋板片阻止了深部热柱（plume）的上涌，而且实际上地幔层析成像也并没有观测到这样的热柱（或地幔柱，编者注）的存在痕迹（6）。这也得到了超基性包体的低³He/⁴He比值的支撑证明（10）。软流圈地幔中所发现的下地壳物质熔融也不太可能是所研究的玄武岩的成因，因为由该机制所产生的岩浆在成分上就会是长英质的（14）。因此，考虑到Ba/Th以及Pb/U分异在软流圈地幔减压熔融中影响很小，长白山熔岩中所观测到的独特的地球化学特征的成因有两种可能：（1）陆下岩石圈地幔（SCLM）下部含有这种具有高Ba/Th和Pb/U比值的成分，并且岩浆通过上涌岩石圈和SCLM之间的相互作用而吸收了这种成分（ref.13）；（2）这种成分存在与MTZ中，岩浆通过含有MTZ来源物质的上涌岩石圈地幔的熔融作用吸收了这种成分（15）。这些假设中，前者不太可能是真实的情况，因为中国东北地区下面的SCLM下部形成于新生代（16）而EM1类似性质的形成则需要超过~1 Gyr的时间尺度（ref.17）。根据这一分析，说明富EM1的物质是来源于MTZ的。Murphy等（15）研究表明如南极地区Gaussberg钾镁煌斑岩的EM1类似性质可以通过MTZ中俯冲沉积物的长期（2-3 Gyr）隔离而形成。

Figure 4 Lead isotopic compositions of late Cenozoic basalts from northeast China. Present-day compositions of continental crust-derived sediment that has evolved with μ=2, starting 1.5–0 Gyr ago, from a modified two-stage model of ref. 29 (see Supplementary Fig. S6 caption) are shown. Compositions of Japan Sea basalts (open crosses), altered oceanic crust (filled triangle), pelagic sediment (grey area), and EM1 are taken from refs 30,18,24, and 12, respectively. Large open circles show the present-day compositions of the three possible endmember components (Supplementary Fig. S6). The data source for lavas is given in the Supplementary Information.

现在认为中国东北地区下面的MTZ中会产生滞留太平洋板片的脱水（7）。但是EM1类似形式无法用来源于太平洋板片的物质来解释。这是因为太平洋板片具有比陨石等时线更低的²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb比值（18），而EM1类似成分则具有比陨石等时线更高的²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb比值（Fig.4）。另外，尽管太平洋板片在MTZ中的滞留时间顶多为~50 Myr（ref.19），但是要形成EM1类似的铅同位素成分则需要低μ物质被隔离超过1 Gyr的时间（ref.17,20）。一个拆沉下去的古SCLM，可能已经垮塌并滞留于MTZ中，同样也不太可能是EM1类似性质形成的源物质，因为代表中国东北下面太古宙SCLM的地幔包体并不具有EM1类似成分（21）。因此，EM1类似性质的形成肯定与MTZ中一次古老（> 1 Gyr以前）的事件有关。

一个可能引起低μ（²³⁸U/²⁰⁴Pb）物质在MTZ中储存的事件就是地幔抬升时410-km不连续面处脱水导致的部分熔融作用（即富水转换带模型（22））。但是这一模型无法解释低μ物质的形成。这是因为橄榄岩的部分熔融并不能引起较大的U-Pb分异，而且熔体不可能具有和亏损抬升地幔（即上地幔）明显不同的U/Pb比值。另外一种可能的事件就是MTZ中古滞留板片内矿物相的分解（refs.15,23）。在俯冲下去的物质中，沉积物中的K-锰钡矿是唯一的能够在MTZ中通过分解而释出大量的如Ba和Pb这样的不相容元素的主要矿物相（ref.23）。由于深海沉积物具有低μ值（低至~2; ref.24）而K-锰钡矿基本上保持了它的寄主岩石的不相容元素特征，那么由K-锰钡矿分解所释放的这些元素可能是低μ源物质（23）。具有EM1类似性质的Gaussberg钾镁煌斑岩，它可能包含相当量的MTZ古俯冲沉积物组分，具有高Pb/U和Ba/Th比值（15）；这些特征与长白山熔岩特征非常相似。在中国东北玄武岩微量元素分布图观测到了Ba、Sr以及Pb的正异常峰（补充材料Fig.S2），而且K-锰钡矿的成分在Ba/La-Ba/Th图上几乎落在玄武岩成分变化扩展区（补充材料Fig.S5）；这些观测也暗示着熔岩源区中沉积成分的存在（23）。

在干条件下K-锰钡矿可以保持稳定至~1700ºC的高温（23）。尽管~1 Gyr以前地幔温度比现今的温度高大约~100ºC（ref.25），但是K-锰钡矿在干条件下的MTZ中可能还没有分解，因为~1 Gyr以前的MTZ低温低于1700ºC。另一方面，在湿条件下，K-锰钡矿的稳定域低于1400-1450ºC（ref.23）。因此，如果古俯冲物质中有流体相出现的话，K-锰钡矿就有可能会发生分解。由于可能水能够通过俯冲作用而有效地被运输到MTZ中，即使是在~1 Gyr以前（注意橄榄石中水的储存量在升温100ºC条件下并没有明显下降（26）），因此古俯冲板片中的K-锰钡矿可能会由于存在过量的水而发生分解，而且该板片之上的MTZ可能会因此而受到富集由K-锰钡矿分解所释放元素的流体的交代。尚不清楚这样的古水合事件是否会引起岩浆作用，因为含水MTZ的位置并不一定就在中国地区下面，这是由于存在岩石圈相对于下伏软流圈的差异运动（27）。

形成EM1类似性质需要交代过的MTZ被隔离相当长的时期。在此期间，不论是上地幔还是下地幔都不会与交代过的MTZ产生明显的相互作用，因为它们的铅同位素成分始终都比陨石等时线具有更低的²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb比值（20）。

在太平洋板片发生滞留以后，通过与MTZ中交代区域的相互作用，脱水后的流体可能会获取EM1类似性质。因此有可能是，一个低密度的含水橄榄岩热柱从MTZ上涌（ref.9），正如地幔层析成像结果所示（6）（Fig.2），在上地幔相对较浅范围内上升的热柱中会产生部分熔融，从而形成长白山地区周围所观测到的岩浆作用。除了明显的EM1类似特征，长白山熔岩并不像Gaussberg钾镁煌斑岩那样具有高K₂O含量。这可以由长白山熔岩源区地幔中沉积组分的较低贡献来解释，正如比Gaussberg钾镁煌斑岩更低的Ba/Th以及Ba/La比值所显示的（补充材料Fig.S5）。

如上所述，可以肯定的是，俯冲沉积物可能是中国东北地区玄武岩地球化学特征的一个主要成因。因此，玄武岩源区地幔中的不相容元素可能主要来自于三种成分：古俯冲沉积物、现在的太平洋沉积物以及现在的亏损地幔。在这种情况下，EM1富集的长白山熔岩可以用所研究的熔岩中古老的以及现在的沉积物组分的强烈加入来解释（Fig.4）。要估计上述古沉积物组分的年龄还比较困难。但是，如果我们假设古水合作用是发生在~1.5 Gyr以前的一个单一事件，那么长白山玄武岩的同位素成分可以用~0.5%的沉积物组分（含有1：2至1：3比例的现代和古代沉积物组分的混合物）和亏损地幔的混合（补充材料Fig.S6）来解释。值得注意地是，中国东北地区玄武岩的铅同位素成分需要古代和现代沉积物组分在源区的同时加入，因为其成分位于上述三种组分所构成的三角区内（Fig.4）。这一观测和MTZ中同时存在古代和现代水合事件也是相符的。

根据以上讨论，我们认为中国东北地区下面MTZ的显著含水特征（4）是至少两期叠加水合事件的结果：早期（>1 Gyr以前）水合事件，可能是由古俯冲板片的滞留引起的；现代的水合事件是由太平洋板片的滞留引起的。最近，有人提出欧洲下面的MTZ不如东亚地区下面的MTZ富水，虽然俯冲板片在两个地区都存在滞留现象（4，5）。MTZs之间的差异是因为东亚地区下面的MTZ由于太平洋板片滞留之前的古滞留板片脱水作用而已经富水了。本研究也说明，由于古俯冲作用而交代的MTZ可能已经被隔离了相当长的时间（>1 Gyr）。因此，这表示交代后的MTZ是地球内部一个长期稳定的水储库。

（参考文献见原文；若您无法下载到原文PDF文档，请留下Email，我将发送到您的邮箱。）