大陸玄武質巖漿的化學組成具有較大的變化(從拉班玄武巖到鹼性玄武巖)(Dupuy and Dostal, 1984; Guo et al., 2016)。影響玄武巖化學組成的因素包括:源區成分的變化(Lum et al., 1989),分離結晶(Peterson, 1989),地殼混染(Dupuy and Dostal, 1984)。然而,儘管Ellam(1992)推測巖石圈厚度會影響稀土元素的豐度,並且Green等(1967)使用實驗巖石學的證據證明了該推測,但是我們很大程度上忽略了大陸巖石圈厚度會影響大陸玄武巖的化學組成。最近通過研究全球海底玄武巖發現巖石圈厚度是控制這些玄武巖化學組成的主要因素,尤其是噴發在板內的洋島玄武巖(具有變化的巖石圈厚度)(Humphreys and Niu, 2009; Niu and Green, 2018)。蓋層效應(lid effect)指的是:在更厚的巖石圈噴發的海底玄武巖具有更低程度和更高壓熔融的地球化學特徵,然而在更薄的巖石圈噴發的玄武巖具有更高程度和更低壓熔融的特徵(Niu et al., 2011)。如果巖石圈蓋層效應影響了大洋玄武巖巖漿,那麼蓋層效應也一定會影響大陸玄武巖巖漿。
為了驗證蓋層效應同樣也適用於大陸玄武巖巖漿,並且評估這種效應對大陸玄武巖成分變化的影響程度,本文作者選擇了中國大陸東部赤峰至西林浩特地區的新生代玄武巖(沿東南到西北方向分布,大約260 Km,穿過陡峭的地形坡度(海平面之上~500到1500 m),對應的陡峭的巖石圈厚度為~80到~120 Km),噴發年齡為23.8 Ma到0.19 Ma(Ho et al., 2008; Wang et al., 2015)。本文分析了19個玄武巖樣品的主量元素、微量元素和Sr-Nd-Hf同位素組成,同時也使用了已經發表的來自赤峰到西林浩特地區的41個玄武巖樣品的化學組成數據。
從東南到西北方向分布的玄武巖巖性從拉班玄武巖到過渡玄武巖到鹼性玄武巖的變化。為了去除分離結晶對玄武巖化學組成的影響,本文將所有樣品的主量元素組成校正到Mg#=0.72(在主量元素的右下角標註72)。從東南到西北,Si72逐漸減少,而Mg72、Fe72、Ti72、P72、K72逐漸增加。同樣微量元素比值從東南到西北方向上也具有變化趨勢,(La/Sm)N、(Sm/Yb)N、Rb/Hf等比值逐漸增加。赤峰到西林浩特玄武巖相對於矽酸鹽地球具有虧損的Sr-Nd-Hf同位素組成。本文作者發現源區組成成分的變化和巖石圈的混染會影響大陸玄武巖的成分變化,但是這僅僅是影響大陸玄武巖化學成分變化的次要因素。
總的來說,本文的研究證實蓋層效應也適用於大陸玄武巖。就熔融程度和熔融壓力來說,大陸巖石圈的厚度是控制大陸玄武巖成分的主要因素,這對理解上地幔動力學和大陸地質學具有十分重要的作用。除此之外,本文的研究為殼幔系統的地殼均衡提供了強有力的證據。
圖1(A-D):GGL(Great Gradient Line),研究區用虛線方框圈出。全充滿的藍色三角形、綠色菱形、紅色圓圈為本文的樣品,半充滿的綠色菱形和半充滿的紅色圓形代表前任的研究數據(Wang et al., 2015; Guo et al., 2016; Pang et al., 2019)。
參考文獻:Guo, P., et al., 2020, Lithosphere thickness controls continental basalt compositions: An illustration using Cenozoic basalts from eastern China: Geology, v. 48, p. https://doi.org/10.1130/G46710.1.
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