楊文健 于紅梅** 趙波 陳正全 白翔

1. 中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，吉林長(zhǎng)白山火山國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，北京 1000292. 中國(guó)地震局地震與火山災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

玄武巖被稱為探測(cè)地球深部的“巖石探針”，能夠有效的揭示深部地幔信息。南海及周緣地區(qū)(包括雷瓊、北部灣以及中南半島等地區(qū))廣泛出露的晚新生代玄武巖對(duì)揭示整個(gè)區(qū)域的深部地幔物質(zhì)組分、地幔熱狀態(tài)以及殼-幔相互作用等具有重要意義。

雷瓊及北部灣周邊地區(qū)為我國(guó)南方最大的第四紀(jì)火山巖分布區(qū)(樊祺誠(chéng)等，2006)，處于南海西北緣(圖1a)，產(chǎn)生于南海擴(kuò)張后期。潿洲島位于北部灣海域內(nèi)，為我國(guó)最年輕的第四紀(jì)火山巖島(圖1b)。從1963年廣東水文工程地質(zhì)隊(duì)首次對(duì)全島的火山巖研究至今，有關(guān)該島火山地質(zhì)、年代學(xué)和巖石地球化學(xué)等方面的成果豐碩(劉傳章，1986；黎希明和劉傳章，1991；盧進(jìn)林，1993；賈大成等，2003；李昌年和王方正，2004；李昌年等，2005；樊祺誠(chéng)等，2006，2008a，b；黃林培和李昌年，2007；Lietal.，2013)。樊祺誠(chéng)等(2006)結(jié)合火山地質(zhì)特征和年代學(xué)結(jié)果將全島火山活動(dòng)劃分為早期(1.42～0.49Ma)溢流式噴發(fā)和晚期(36～33Ka)射汽巖漿噴發(fā)2個(gè)階段。黃林培和李昌年(2007)對(duì)火山碎屑巖中的橄欖巖包體進(jìn)行溫度和壓力計(jì)算指出寄主碧玄巖的起源深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于包體的穩(wěn)定深度(～40km)。但是，對(duì)于潿洲島玄武巖的地幔源區(qū)特征以及巖漿成因機(jī)制仍然存在爭(zhēng)議(賈大成等，2003；李昌年等，2005；鄢全樹和石學(xué)法，2007；樊祺誠(chéng)等，2008a， b)，其核心問題在于對(duì)其動(dòng)力學(xué)機(jī)制認(rèn)識(shí)的不同。Sr-Nd-Pb同位素特征指示南海以及周緣地區(qū)的晚新生代玄武巖地幔端元組成普遍呈現(xiàn)虧損地幔(DM)與富集地幔(EM2)的二元混合趨勢(shì)(Yanetal.，2014)。但是，對(duì)于EM2的來源仍然有下部大陸巖石圈地幔(Tuetal.，1991；Zhou and Mukasa，1997；樊祺誠(chéng)等，2008a；韓江偉等，2009)和地幔柱(鄢全樹等，2008；Zou and Fan，2010；Yanetal.，2018，2019)之爭(zhēng)。此外，賈大成等(2003)認(rèn)為北部灣及鄰區(qū)巖漿活動(dòng)可能源于在5Ma左右紅河斷裂由左行走滑轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚凶呋臉?gòu)造性質(zhì)轉(zhuǎn)變。樊祺誠(chéng)等(2008a，b)通過橄欖巖包體的Re-Os同位素和熔體包裹體研究指出雷瓊及北部灣周邊地區(qū)的晚新生代玄武巖起源于巖石圈-軟流圈地幔相互作用的結(jié)果。鄢全樹和石學(xué)法(2007)認(rèn)為海南地幔柱主導(dǎo)了南海擴(kuò)張停止以后南海海盆以及周緣地區(qū)的巖漿活動(dòng)，且整個(gè)區(qū)域玄武巖的微量元素和同位素呈現(xiàn)與洋島玄武巖(OIB)相似的地球化學(xué)特征。同時(shí)，越來越多的地球物理學(xué)資料顯示在海南島下方存在低速體，并認(rèn)為海南地幔柱制約著海南島及鄰區(qū)的火山活動(dòng)(Lebedev and Nolet，2003；Leietal.，2009；Weietal.，2012；Xiaetal.，2016；Wei and Zhao，2020)，這些認(rèn)識(shí)為重新厘定潿洲島玄武巖的地幔源區(qū)特征以及巖漿成因機(jī)制提供了重要科學(xué)依據(jù)。

本文結(jié)合鉆孔(ZK、S2和S3)巖芯樣和露頭樣對(duì)潿洲島玄武巖做了詳細(xì)的全巖主量元素、微量元素、Sr-Nd-Pb同位素以及單礦物成分測(cè)試，以揭示其地幔源區(qū)特征和巖漿成因機(jī)制，試圖對(duì)南海以及周緣地區(qū)的晚新生代玄武巖成因提供重要信息和約束條件。

1 地質(zhì)背景

南海處于印度-澳大利亞板塊、歐亞板塊、太平洋板塊相互作用疊加區(qū)，構(gòu)造-巖漿作用廣泛發(fā)育，被譽(yù)為天然的巖漿-構(gòu)造作用試驗(yàn)場(chǎng)(Taylor and Hayes，1983；Briaisetal.，1993)。海底磁異常條帶揭示南海擴(kuò)張始于32Ma，止于16Ma(Briaisetal.，1993)。由于洋脊抽汲作用在南海海盆周緣地區(qū)少見擴(kuò)張期(32～16Ma)玄武巖(Huangetal.，2013)，而在南海北緣(海南島、潿洲島及雷州半島等)以及中南半島地區(qū)出現(xiàn)大面積的擴(kuò)張期后(<16Ma)玄武巖，并顯示與OIB相似的地球化學(xué)特征(Yanetal.，2014)。

潿洲島屹立于南海西北緣的北部灣海域內(nèi)(圖1b)，全島面積約25km2，地貌上北低南高。其與東南角面積不足2km2的斜陽(yáng)島，共同構(gòu)成北部灣海域內(nèi)的一對(duì)姊妹火山島(樊祺誠(chéng)等，2006)。第四紀(jì)火山活動(dòng)貫穿整個(gè)造島過程，形成一套連續(xù)的火山巖地層。下更新統(tǒng)火山巖層由玄武巖、火山集塊巖和凝灰?guī)r構(gòu)成，呈夾層產(chǎn)于湛江組地層中，最大厚度達(dá)40m；中更新統(tǒng)火山巖層以玄武巖為主、底部見凝灰角礫巖，厚度介于21～127m之間，與湛江組地層呈不整合接觸；上更新統(tǒng)火山巖層頂部為沉凝灰?guī)r、底部為玄武巖，最大厚度達(dá)70m，與石峁嶺組地層呈平行不整合接觸(黎希明和劉傳章，1991；盧進(jìn)林，1993)。李昌年和王方正(2004)根據(jù)地層切割關(guān)系識(shí)別出一套由沉凝灰?guī)r、火山角礫巖和集塊巖組成的全新統(tǒng)火山巖地層，與湖光巖組地層呈角度不整合接觸。樊祺誠(chéng)等(2006)綜合年代學(xué)與火山地質(zhì)特征，將全島火山活動(dòng)劃分為早-中更新世(1.42～0.49Ma)溢流玄武巖噴發(fā)和晚更新世末期(36～33ka)射汽巖漿噴發(fā)。早-中更新世溢流玄武巖構(gòu)成本島的底座，主體淹沒在海平面以下，在潮間帶可見呈球狀風(fēng)化玄武巖出露；晚更新世末期射汽巖漿噴發(fā)產(chǎn)物遍及全島，以火山基浪堆積物為主夾雜不同粒度火山碎屑巖，巨厚的基浪堆積層發(fā)育交錯(cuò)層理、陷落構(gòu)造、增生火山礫以及爬升層理。已發(fā)現(xiàn)有南灣、橫路山、大嶺、橫嶺山等多個(gè)火口(劉敬合等，1991；盧進(jìn)林，1993；亓發(fā)慶等，2003)。

圖1 南海及周緣地區(qū)晚新生代玄武巖分布圖(a, 據(jù)Yan et al.，2018)和潿洲島地質(zhì)簡(jiǎn)圖(b, 據(jù)樊祺誠(chéng)等，2006修改)ZK、S2和S3分別為鉆孔取樣位置，其它均為露頭取樣位置Fig.1 The distribution of the Late Cenozoic basalts in the South China Sea and surrounding areas (a, after Yan et al., 2018), and the brief geological map of Weizhou Island (b, modified after Fan et al., 2006)

本次取樣位置見圖1b。樣品包括：直接出露的球狀風(fēng)化玄武巖(樣品號(hào)：NW-2、NW-5、HLS-2、HLS-3、18WZ-1、18WZ-2、18WZ-3、18WZ-4、18WZ-5、NW-7*、NW-15*)和火山碎屑巖中的同源角礫(樣品號(hào)：WZ-1、WZ-10、XYD-3、XYD-4、ZZL-3、ZZL-4、)；鉆孔巖芯中的玄武巖(樣品號(hào)：S3-3、S3-7、S3-9、S3-11、S2-4、S2-14、S2-20、S2-30)和火山碎屑巖中的同源角礫(樣品號(hào)：ZK-14、ZK-23)。

2 分析方法

礦物電子探針分析在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)電子探針實(shí)驗(yàn)室采用EPMA-1600型電子探針完成測(cè)試。其中，測(cè)試電壓15kV，電流1×10-8A，束斑直徑1μm，分析精度優(yōu)于5%。

挑選新鮮樣品，洗凈并在烘箱中烘干，再用瑪瑙研磨粉碎至200目粉末。測(cè)試全巖主量元素26件、微量元素16件、Sr-Nd-Pb同位素6件。樣品NW-7*和NW-15*的主量元素分析在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司采用日本理學(xué)PrimusⅡX射線熒光光譜儀(XRF)完成測(cè)試，其余樣品在河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室采用AxiosmaxX射線熒光光譜儀(XRF)完成，分析精度優(yōu)于5%。全巖微量元素在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司采用Agilent 7700e ICP-MS分析完成，分析精度優(yōu)于5%，具體測(cè)試過程見文獻(xiàn)(Liuetal.，2008)。全巖Sr-Nd-Pb同位素在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司采用美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司的MC-ICP-MS(Neptune Plus)完成測(cè)試分析，具體實(shí)驗(yàn)操作流程見文獻(xiàn)(Liuetal.，2008)。Sr-Nd同位素比值分別采用88Sr/86Sr=8.375209、146Nd/144Nd=0.7129進(jìn)行校正(Linetal.，2016)。其中，Pb同位素比值采用205Tl/203Tl=2.38714進(jìn)行校正，同時(shí)由于Tl和Pb分餾行為存在一定差異，選擇標(biāo)樣NBS SRM 981作為外標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)二次校正。

3 結(jié)果

3.1 巖相學(xué)和礦物學(xué)特征

玄武巖整體呈灰黑色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，以塊狀構(gòu)造為主、少數(shù)見氣孔構(gòu)造。顯微鏡下玄武巖呈斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶主要為橄欖石和少量單斜輝石(圖2a, b)。橄欖石斑晶含量約5%～10%，呈粒狀，半自形，大小主要為50～250μm；單斜輝石斑晶含量少于5%，大小為50～200μm；基質(zhì)為間粒結(jié)構(gòu)，不規(guī)則排列的長(zhǎng)條狀-針狀斜長(zhǎng)石中間充填有橄欖石、輝石微晶和鈦鐵氧化物，斜長(zhǎng)石呈長(zhǎng)條狀、針狀，自形-半自形，大小介于30～300μm?；鹕剿樾紟r中同源角礫的顯微結(jié)構(gòu)與前者存在差異，顯微鏡下呈?；郀罱Y(jié)構(gòu)，斑晶主要為橄欖石(圖2c, d)，含量約5%～10%，呈粒狀，半自形-自形，大小主要為50～300μm； 少量單斜輝石斑晶，含量1%～3%，呈粒狀，半自形-自形，大小為50～200μm；發(fā)育氣孔；基質(zhì)主要為黑色玻璃質(zhì)。

續(xù)表1

圖2 潿洲島玄武巖顯微鏡照片(a、b)分別為鉆孔玄武巖(S2-14)正交偏光和單偏光下的顯微照片，基質(zhì)為間粒結(jié)構(gòu)；(c、d)分別為鉆孔火山碎屑巖中同源角礫(ZK-14)正交偏光和單偏光下的顯微照片，呈?；郀罱Y(jié)構(gòu). Ol-橄欖石；Cpx-單斜輝石；Pl-斜長(zhǎng)石；G-玻璃Fig.2 Microphotographs of basalts in Weizhou Island

橄欖石成分見表1，其Fo [Fo=100 Mg/(Mg+Fe)]值為75.8～87.8，NiO含量為0.12%～0.36%，且Fo值與NiO呈正相關(guān)趨勢(shì)，明顯區(qū)別于地幔橄欖石演化趨勢(shì)(Sato，1977)(圖3a)。所有樣品的CaO含量為0.19%～0.30%，都高于地幔捕虜晶(CaO<0.1%)范圍，應(yīng)屬巖漿成因(Thompson and Gibson，2000)(圖3b)。MnO含量為0.07%～0.39%，隨著橄欖石Fo值降低，MnO含量升高，呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)(圖3c)。全巖Mg#與橄欖石Fo顯示(圖3d)，當(dāng)橄欖石與熔體達(dá)到平衡時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)將集中落在平衡曲線上；若數(shù)據(jù)點(diǎn)落在平衡曲線的下方或上方，則顯示橄欖石來源于富鐵的基質(zhì)或巖漿演化過程中早期結(jié)晶的富鎂斑晶。在圖3d中，樣品S3-9中的橄欖石均落在平衡曲線的下方，指示富鐵的基質(zhì)來源；而樣品18WZ-1中的橄欖石同時(shí)落在平衡曲線上方、中間和下方，分別顯示富鎂斑晶、平衡結(jié)晶和富鐵基質(zhì)來源特征；其他樣品(18WZ-2、18WZ-3、S2-4、S2-30、XYD-4)中的橄欖石均落在平衡曲線中間和下方，顯示平衡結(jié)晶和富鐵基質(zhì)來源特征。

表1 潿洲島玄武巖橄欖石電子探針分析結(jié)果(wt%)

圖3 橄欖石斑晶的成分變化特征(a)橄欖石Fo與NiO含量關(guān)系圖解，地幔橄欖石趨勢(shì)線據(jù)Sato(1977)，夏威夷橄欖石和普通橄欖石組分變化區(qū)域(據(jù)Sobolev et al.，2005)，海南島玄武巖中的橄欖石成分變化區(qū)域(據(jù)Wang et al.，2012)；(b)橄欖石Fo與CaO含量關(guān)系圖解(底圖據(jù)Thompson and Gibson，2000)；(c)橄欖石Fo與MnO含量關(guān)系圖解(底圖據(jù)Wang et al.，2012)；(d)橄欖石Fo與全巖Mg#關(guān)系圖解，F(xiàn)e-Mg分配系數(shù)KD據(jù)Roeder and Emsile(1970)Fig.3 Variations in the compositions of olivine phenocrysts

單斜輝石成分見表2，由次透輝石和普通輝石構(gòu)成(Wo40.5-46.2En41.7-46.22Fs10.9-15.1)，其中TiO2含量為1.11%～2.74%，Al2O3含量為2.25%～4.98%。斜長(zhǎng)石成分見表3，主要由中-拉長(zhǎng)石(An45.5-60.0)組成。

表2 潿洲島玄武巖單斜輝石電子探針分析結(jié)果(wt%)

表3 潿洲島玄武巖斜長(zhǎng)石電子探針分析結(jié)果(wt%)

3.2 全巖主、微量元素特征

全巖主、微量元素成分見表4和表5。其中，SiO2含量為43.17%～49.86%，MgO含量為6.33%～11.42%，Mg#值為60.6～72.0。在TAS圖中(圖4)，幾乎所有樣品都集中落于堿性玄武巖范圍內(nèi)。在哈克圖解中(圖5)，MgO與SiO2、Al2O3呈良好負(fù)相關(guān)，與Fe2O3T、MnO、CaO、CaO/Al2O3具正相關(guān)關(guān)系，與TiO2、Na2O、K2O相關(guān)性不明顯。

表4 潿洲島玄武巖主量元素分析結(jié)果(wt%)

圖5 潿洲島玄武巖哈克圖解Fig.5 Harker diagrams for basalts in Weizhou Island

圖4 潿洲島玄武巖TAS分類圖解(底圖據(jù)Le Bas et al.，1986)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)：李昌年等，2005；樊祺誠(chéng)等，2008b；Li et al.，2013. 后圖同F(xiàn)ig.4 TAS diagram of basalts in Weizhou Island (base map after Le Bas et al., 1986)

表5 潿洲島玄武巖微元素分析結(jié)果 (×10-6)

在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分曲線上 (圖6b)， 呈現(xiàn)輕稀土(LREE)富集、重稀土(HREE)虧損的右傾模式，(La/Yb)N=14.42～28.64，不存在Eu明顯負(fù)異常。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖上(圖6a)具有明顯的Nb-Ta正異常。同時(shí)，與南海海山玄武巖、越南玄武巖以及海南島玄武巖相比，均顯示與Sun and McDonough(1989)提出的洋島玄武巖(OIB)相似的微量元素特征。

圖6 潿洲島玄武巖原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(a,標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough，1989)和球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖(b,標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)McDonough and Sun，1995)洋島玄武巖(OIB)和洋中脊玄武巖(E-MORB和N-MORB)組分據(jù)Sun and McDonough (1989); 越南玄武巖據(jù)An et al.(2017)；海南島玄武巖據(jù)Wang et al.(2012)；南海海山玄武巖據(jù)鄢全樹等(2008)Fig.6 Primitive mantle-normalized trace element diagrams (a, normalized values after Sun and McDonough, 1989) and chondrite-normalized rare earth element diagrams (b, normalized values after McDonough and Sun，1995) of basalts in Weizhou Island

3.3 全巖同位素特征

全巖Sr-Nd-Pb同位素組成見表6。其中，87Sr/86Sr=0.703492～0.703741，143Nd/144Nd=0.512914～0.512977，208Pb/204Pb=38.5574～38.9179，207Pb/204Pb=15.55871～15.6525，206Pb/204Pb=18.4361～18.7327，顯示相對(duì)均一的同位素組成變化特征。在87Sr/86Sr-143Nd/144Nd圖中(圖7a)，所有的樣品均落在Staudigeletal.(1984)定義的洋島玄武巖(OIB)范圍內(nèi)，并與中南半島、雷瓊半島以及南海海山玄武巖呈現(xiàn)相似的同位素組成，呈現(xiàn)出DM與EM2的二元混合趨勢(shì)(鄢全樹等，2008；石學(xué)法和鄢全樹，2011；徐義剛等，2012；Yanetal.， 2014)。在143Nd/144Nd-206Pb/204Pb圖中 (圖7b)，也顯現(xiàn)出DM與EM2的混合趨勢(shì)。在206Pb/204Pb-207Pb/204Pb和206Pb/204Pb-208Pb/204Pb圖中(圖7c, d)，所有的樣品均位于北半球參考線(NHRL)上方，顯示Hart(1984)提出的Dupal同位素異常特征。

圖7 潿洲島玄武巖Sr-Nd-Pb同位素比值圖解不同地幔端元(DM、EM1、EM2、HIMU)據(jù)Zindler and Hart(1986)；洋島玄武巖(OIB)范圍據(jù)Staudigel et al.(1984)；北半球參考線(NHRL)據(jù)Hart(1984)；中南半島玄武巖據(jù)Hoang et al. (1996), Zhou and Mukasa (1997), An et al. (2017), Hoang et al. (2018), Yan et al. (2018); 南海玄武巖據(jù)Tu et al. (1992), 鄢全樹等(2008)；雷瓊半島玄武巖據(jù)Tu et al. (1991), Zou and Fan (2010), Wang et al. (2013), 韓江偉等(2009), 朱炳泉和王慧芬(1989)Fig.7 Sr-Nd-Pb isotope ratio diagrams of basalt in Weizhou Island

表6 潿洲島玄武巖Sr-Nd-Pb素分析結(jié)果

4 討論

4.1 巖漿演化過程

4.1.1 地殼混染情況

產(chǎn)于大陸板內(nèi)的幔源巖漿在上升到地表的過程中，可能會(huì)受到地殼物質(zhì)不同程度的混染。潿洲島玄武巖中地幔橄欖巖包體的存在指示巖漿快速上升且?guī)缀醪慌c地殼發(fā)生同化混染作用(黃林培和李昌年，2007；樊祺誠(chéng)等，2008a)。在微量元素蛛網(wǎng)圖上(圖6a)，潿洲島玄武巖顯示Nb-Ta正異常，暗示不存在地殼物質(zhì)的混染。同時(shí)，在Nb-Nb/U圖上(圖8a)，大多數(shù)樣品均落于OIB(47±10；Hofmannetal.，1986)范圍，遠(yuǎn)高于平均大陸地殼(Nb/U=6.15；Rudnick and Gao, 2003)；在(La/Nb)N-(Th/Nb)N圖上(圖8b)，所有樣品(La/Nb)N和(Th/Nb)N比值都明顯低于下地殼組成((La/Nb)N=1.7，(Th/Nb)N=2.0，Rudnick and Gao, 2003)，但極其接近OIB范圍，進(jìn)一步排除了潿洲島玄武巖受地殼混染的影響(Daietal.，2011)。此外，與整個(gè)南海及周緣地區(qū)的晚新生代玄武巖幾乎不受地殼物質(zhì)的混染具有一致性(Yanetal.，2014；Anetal.，2017；Hoangetal.，2018)。綜上所述，潿洲玄武巖幾乎不受地殼物質(zhì)的混染影響，其微量元素、同位素特征代表了其地幔源區(qū)特征。

圖8 潿洲島玄武巖Nb-Nb/U(a, 底圖據(jù)Hofmann et al.，1986)和(La/Nb)N-(Th/Nb)N(b, 底圖據(jù)Dai et al.，2011)關(guān)系圖解大陸地殼Nb/U比值、LC(下地殼)、MC(中地殼)和UC(上地殼)的(Th/Nb)N及(La/Nb)N比值據(jù)Rudnick and Gao(2003)；N表示原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough(1989)Fig.8 Diagrams of Nb vs. Nb/U (a, after Hofmann et al.，1986) and (La/Nb)N vs. (Th/Nb)N for Weizhou Island basalts (b, after Dai et al.，2011)

4.1.2 巖漿結(jié)晶分異

潿洲島玄武巖Mg#=60.6～72.0，Ni=160×10-6～283×10-6，Cr=206×10-6～329×10-6(表4、表5)，與原始巖漿(Mg#>70，Ni>400×10-6～500×10-6，Cr>1000×10-6(Freyetal.，1978；Wilkinson and Le Maitre，1987)相比，僅部分樣品的Mg#(>70)接近原始巖漿，而大部分玄武巖Mg#低于原始巖漿成分，說明部分巖漿經(jīng)歷了結(jié)晶分異過程。在哈克圖解中(圖5)，MgO與SiO2、Al2O3呈良好負(fù)相關(guān)，與Fe2O3T、MnO、CaO、CaO/Al2O3具正相關(guān)關(guān)系，與TiO2、Na2O、K2O相關(guān)性不明顯，說明可能發(fā)生了橄欖石和單斜輝石結(jié)晶分異。在稀土元素配分曲線上(圖6b)不存在明顯Eu負(fù)異常，暗示不存在斜長(zhǎng)石的分離結(jié)晶。同時(shí)，在相容元素(Cr、Co、Ni、Sc)與MgO關(guān)系圖中(圖9)，MgO與Ni、Co呈良好正相關(guān)，與Cr、Sc不顯示相關(guān)性，也說明巖漿經(jīng)歷了橄欖石的結(jié)晶分異。巖石地球化學(xué)特征和巖相學(xué)觀察到橄欖石和單斜輝石斑晶(圖2)具有一致性，綜合表明潿洲島玄武巖經(jīng)歷了橄欖石和少量單斜輝石的結(jié)晶分異作用。

圖9 潿洲島玄武巖相容元素(Ni、Cr、Co、Sc)與氧化物(MgO)關(guān)系圖解Fig.9 Diagrams of the relationship between compatible elements (Ni, Cr, Co, and Sc) and oxide (MgO) for Weizhou Island basalts

4.2 地幔源區(qū)特征

4.2.1 源區(qū)巖石學(xué)特征

潿洲島玄武巖呈現(xiàn)強(qiáng)烈的輕、重稀土分餾，ΣLREE/ΣHREE=7.92～12.21，(La/Yb)N=14.42～28.64，暗示其源區(qū)可能存在石榴石。Wangetal.(2002)指出(Tb/Yb)N比值可以約束地幔源區(qū)特征，潿洲島玄武巖均顯示高(Tb/Yb)N比值(2.76～3.90)，暗示其源區(qū)存在石榴石((Tb/Yb)N>1.8；Wangetal.，2002)。此外，在熔體/石榴石中DDy/Yb=0.26，而在熔體/尖晶石中DDy/Yb=1(Mckenzie and O’Nions，1991)，因此Dy/Yb比值可以用來約束地幔源區(qū)礦物。微量元素模擬結(jié)果(圖10)顯示尖晶石二輝橄欖巖和尖晶石-石榴石二輝橄欖巖具有低Dy/Yb比值(前者小于1.5，后者小于2.7)，而潿洲島玄武巖具有高Dy/Yb(3.12～3.90)比值，指示源區(qū)存在石榴石。同時(shí)，本區(qū)玄武巖并不落在單一的模擬的部分熔融曲線上，而是介于模擬的石榴石輝石巖和石榴石二輝橄欖巖熔融曲線之間(圖10)，暗示其源區(qū)巖石可能由石榴石橄欖巖和石榴石輝石巖的混合組成(Anetal.，2017；Hoangetal.，2018；Kimetal.，2019)。

圖10 潿洲島玄武巖Yb-Dy/Yb圖解(底圖據(jù)An et al.，2017；Yan et al.，2018)石榴石二輝橄欖巖、尖晶石-石榴石二輝橄欖巖和尖晶石二輝橄欖巖非實(shí)比熔融曲線，以及榴輝巖(Cpx82Grt18和Cpx75Grt25)實(shí)比熔融曲線據(jù)An et al.(2017)；石榴石輝石巖(Opx5Cpx45Grt50)實(shí)比熔融曲線據(jù)Yan et al.(2018). Grt-石榴石；Ol-橄欖石；Opx-斜方輝石；Cpx-單斜輝石Fig.10 Diagram of Yb vs. Dy/Yb for Weizhou Island basalts(after An et al.，2017；Yan et al.，2018)

實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)表明橄欖巖部分熔融產(chǎn)生的熔體與很多具有OIB特征的玄武巖出現(xiàn)解耦(Hirose and Kushiro，1993；Hirose and Kawamoto，1995；Dasguptaetal.，2007；Davisetal.，2011)，而輝石巖、角閃石巖、碳酸鹽化橄欖巖、榴輝巖、碳酸鹽化榴輝巖等均可以作為堿性玄武巖的源區(qū)母巖(Hirschmannetal.，2003；Sobolevetal.，2005，2007；Dasguptaetal.，2007；Piletetal.，2008；Chenetal.，2009；Zengetal.，2010)。全巖和橄欖石的主、微量元素以及非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素(如Mg同位素等)研究暗示，南海以及周緣地區(qū)的晚新生代玄武巖的源區(qū)存在輝石巖和碳酸鹽化橄欖巖(Wangetal.，2012；Liuetal.，2015；Yanetal.，2015，2018；Anetal.，2017；Lietal.，2017；Zhangetal.，2017；Hoangetal.，2018)。通常碳酸鹽化地幔橄欖巖部分熔融形成的巖漿具有明顯Ti、Zr、Hf負(fù)異常(Zengetal.，2010)，但在微量元素蛛網(wǎng)圖(圖7a)上潿洲島玄武巖呈現(xiàn)Zr、Hf正異常及Ti弱負(fù)常，故排除源區(qū)為碳酸鹽化地幔橄欖巖。Herzberg(2011)指出全巖CaO含量能夠有效的識(shí)別源區(qū)巖石。為了消除單斜輝石分離結(jié)晶的影響，剔除MgO<9%的樣品。在CaO-MgO圖(圖11a)中，所有的樣品均落在輝石巖熔體區(qū)域內(nèi)。Herzberg(2011)認(rèn)為輝石巖熔融產(chǎn)生的熔體具有高FeOT/MnO(>60)比值，而橄欖巖熔融產(chǎn)生的熔體具有低FeOT/MnO(<60)比值。在圖FeOT/MnO-MgO圖(圖11b)中絕大多數(shù)樣品集中落在輝石巖熔體區(qū)域內(nèi)，暗示其源區(qū)存在輝石巖。此外，與Gaffneyetal.(2005)提出混合的橄欖巖-輝石巖源區(qū)形成的夏威夷玄武巖相比顯示相似的CaO含量和FeOT/MnO比值(圖11)，推測(cè)潿洲島玄武巖也可能具有混合的源區(qū)特征。Sobolevetal.(2005)認(rèn)為輝石巖和地幔橄欖巖的混合部分熔融可以形成夏威夷玄武巖中高Ni橄欖石斑晶，并強(qiáng)調(diào)再循環(huán)的榴輝巖洋殼經(jīng)部分熔融后交代周圍的橄欖巖生成二階段輝石巖，所形成的的二階段輝石巖與殘存的地幔橄欖巖混合發(fā)生部分熔融形成我們所觀察到的夏威夷玄武巖(Sobolevetal.，2007)。在圖3a中，絕大多數(shù)橄欖石也都落在夏威夷玄武巖中的橄欖石成分區(qū)域內(nèi)，并與海南玄武巖中橄欖石顯現(xiàn)很高的相似性(Wangetal.，2012)，進(jìn)一步說明潿洲島玄武巖的源區(qū)母巖具有石榴石輝石巖和地幔橄欖巖混合特征。此外，Strackeetal.(2003)指出深海輝長(zhǎng)巖作為再循環(huán)洋殼的獨(dú)特組分具有典型的Sr正異常特征，故Sr正異?？梢宰R(shí)別再循環(huán)(輝長(zhǎng)巖)洋殼。Yuetal.(2010)對(duì)蛟河輝石巖包體研究指出Sr、Eu正異常反映了源區(qū)存在富斜長(zhǎng)石堆積的輝長(zhǎng)巖洋殼。在微量元素蛛網(wǎng)圖(圖6a)中，潿洲島玄武巖也顯現(xiàn)出Sr(Sr/Sr*=1.21～2.36)和Eu(Eu/Eu*=1.01～1.11)正異常，說明了其源區(qū)存在再循環(huán)洋殼(輝長(zhǎng)巖)組分。Hofmann and White(1982)指出在地幔柱中普遍存在再循環(huán)洋殼，伴隨著地幔柱上升攜帶的再循環(huán)洋殼經(jīng)部分熔融產(chǎn)生的熔體與橄欖巖反應(yīng)生成輝石巖(Sobolevetal.，2005)。綜上所述，我們認(rèn)為潿洲島玄武巖源自石榴石輝石巖和地幔橄欖巖混合的部分熔融。

圖11 潿洲島玄武巖MgO-CaO(a, 底圖據(jù)Herzberg and Asimow，2008)和MgO-FeOT/MnO(b, 底圖據(jù)Herzberg，2011)圖解夏威夷玄武巖據(jù)Gaffney et al.(2005)；FeOT=FeO+0.8998×Fe2O3Fig.11 Diagrams of MgO vs. CaO (a, after Herzberg and Asimow, 2008) and MgO vs. FeOT/MnO (b, after Herzberg, 2008) for Weizhou Island basalts

4.2.2 地幔端元組成

南海以及周緣地區(qū)廣泛分布的晚新生代玄武巖具有與OIB相似的微量元素和同位素地球化學(xué)特征(鄢全樹等，2008；石學(xué)法和鄢全樹，2011；徐義剛等，2012；Yanetal.，2014)，暗示著它們可能源于同一個(gè)源區(qū)(鄢全樹和石學(xué)法，2007)。潿洲島玄武的Sr-Nd-Pb同位素變化范圍較窄(圖7)，表明其具有較為均一的地幔源區(qū)特征。此外，前人研究指出中國(guó)東部新生代玄武巖Sr-Nd-Pb同位素組成具有區(qū)域性變化，在東南沿海地區(qū)普遍顯示DM與EM2混合的特征(Liuetal.，1994；Zouetal.，2000)。在Sr-Nd-Pb同位素圖中(圖7)，潿洲島玄武巖也呈現(xiàn)出DM與EM2的二元混合趨勢(shì)，與南海及周緣地區(qū)的晚新生代玄武巖具有一致性(鄢全樹等，2008；石學(xué)法和鄢全樹，2011；徐義剛等，2012；Yanetal.，2014)。在微量元素蛛網(wǎng)圖和稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖上(圖6)，呈現(xiàn)出明顯Nb-Ta正異常和LREE富集、HREE虧損的OIB地球化學(xué)特征，而明顯區(qū)別來源于軟流圈地幔的洋中脊玄武巖(E-MORB和NMORB)，推測(cè)潿洲島玄武巖中的DM組分代表了海南地幔柱自身的特征。然而，對(duì)于EM2的來源認(rèn)識(shí)存在爭(zhēng)議，一部分學(xué)者認(rèn)為源于下部大陸巖石圈地?；驇r石圈地幔(Tuetal.，1991；韓江偉等，2009；Anetal.，2017)，另一部分學(xué)者認(rèn)為源于下地?；虻蒯Ｖ?Yanetal.，2008，2015；Zou and Fan，2010；Wangetal.，2013)。Tuetal.(1992)認(rèn)為在缺乏地幔柱的作用下南海及其周緣玄武巖中EM2組分來源于下部大陸巖石圈地幔(SCLM)。然而，層析成像技術(shù)揭示了海南地幔柱的存在(Lebedev and Nolet，2003；Montellietal.，2006；Zhao，2007；Leietal.，2009；Weietal.，2012；Xiaetal.，2016)，海南地幔柱不僅對(duì)南海及其周緣的巖漿活動(dòng)提供了熱量，還提供了物質(zhì)組分。Anetal.(2017)基于全球代表SCLM的地幔包體統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)其Nd-Hf同位素具有明顯的解耦現(xiàn)象，不呈現(xiàn)線性正相關(guān)趨勢(shì)。而南海及周緣的晚新生代玄武巖的Nd-Hf同位素呈正相關(guān)趨勢(shì)(Yanetal.，2015)，暗示EM2可能不是來源于SCLM。在微量元素蛛網(wǎng)圖上(圖6a)，潿洲島玄武巖顯示Nb-Ta正異常，也排除了EM2源于SCLM的可能性，說明了EM2最可能源于海南地幔柱。

4.3 巖漿成因模型

從化學(xué)成分來講，地幔柱成因的火山巖具有OIB的特點(diǎn)，但顯示OIB特征的巖漿未必源自地幔柱活動(dòng)的產(chǎn)物(徐義剛等，2012)。中國(guó)東部新生代玄武巖與南海及其周緣地區(qū)的晚新生代玄武巖均顯示OIB特征，但二者的成因機(jī)制存在顯著差異。徐義剛等(2018)指出在地幔過渡帶中滯留的太平洋板塊脫碳、脫水以及熔融和交代作用導(dǎo)致了中國(guó)東部新生代玄武巖顯示OIB特征，而南海以及周緣地區(qū)的晚新生代玄武巖受控于海南地幔柱的活動(dòng)(鄢全樹和石學(xué)法，2007)。從大地構(gòu)造背景來看，潿洲島玄武巖與南海及周緣擴(kuò)張期后(<16Ma)玄武巖具有一致的構(gòu)造背景特征，均集中落于地幔柱玄武巖區(qū)域內(nèi)(徐義剛等，2012)。大量的地球物理學(xué)資料表明在海南島的下方存在低速異常，指示海南地幔柱的存在(Lebedev and Nolet，2003；Montellietal.，2006；Zhao，2007；Leietal.，2009；Xiaetal.，2016)。海南地幔柱活動(dòng)不僅導(dǎo)致了南海及周緣地區(qū)的地幔顯示高溫?zé)岙惓?Wangetal.，2012；Anetal.，2017；Yangetal.，2019)，而且還形成了整個(gè)區(qū)域分布面積超過4×106km2具有OIB特征的晚新生代玄武巖(鄢全樹和石學(xué)法，2007)。區(qū)域和全球?qū)游龀上耧@示海南地幔柱起源于下地幔(Lebedev and Nolet，2003；Montellietal.，2006；Zhao，2007；Weietal.，2012；Xiaetal.，2016)，與夏威夷地幔柱成因玄武巖相比，其具有異常高的230Th含量，表明它呈慢速上升(Zou and Fan，2010)。Xiaetal.(2016)根據(jù)層析成像結(jié)果提出海南地幔柱呈雙層上升模式(Weietal.，2012；Wei and Zhao，2020)，即在地幔過渡帶地幔柱頭發(fā)生橫向擴(kuò)展呈蘑菇狀，隨著柱頭的持續(xù)上升到達(dá)巖石圈底部時(shí)分散呈布丁狀，形成獨(dú)立的巖漿房或地幔柱分支(Xiaetal.，2016；Fanetal.，2017)。

由于地幔柱熱結(jié)構(gòu)存在差異，核部溫度遠(yuǎn)高于邊緣位置(Renetal.，2005；Zhangetal.，2006；Herzberg and Gazel，2009)。Zhangetal. (2006)指出位于峨眉山地幔柱軸部的麗江地區(qū)顯示最高的熱異常(T=1630～1680℃)。進(jìn)一步研究認(rèn)為，隨著距離軸部的距離增加，呈現(xiàn)溫度遞減的趨勢(shì)(李永生，2012；汪云峰等，2013)。原始巖漿組分被廣泛用來估算地幔潛在溫度(Tp)及熔融條件(McKenzie and Bickle，1988；Putirka，2005；Zhangetal.，2006；Putirkaetal.，2007；Herzberg and Asimow，2008，2015)。根據(jù)估算的原始巖漿計(jì)算獲得處于海南地幔柱中心的海南島顯示高地幔潛在溫度(Tp=1500～1580℃，Wangetal.，2012)，而處于地幔柱邊部的越南地區(qū)顯示較低地幔潛在溫度(Tp=1468～1490℃，Anetal.，2017)，但是由于它們的巖漿源區(qū)存在輝石巖(Wangetal.，2012；Anetal.，2017)，故計(jì)算值將比實(shí)際地幔潛在溫度偏高(Herzberg and Asimow，2008)。但以上這些計(jì)算結(jié)果在一定程度依然可以反映海南地幔柱熱結(jié)構(gòu)的差異，且與峨眉山地幔柱熱結(jié)構(gòu)相似，均顯示軸部溫度高、邊部溫度低的特征(Zhangetal.，2006；李永生，2012；汪云峰等，2013)，由此可以推測(cè)出潿洲島的地幔潛在溫度介于海南島和越南地區(qū)之間。此外，潿洲島與南海、雷瓊半島以及中南半島等地區(qū)的晚新生代玄武巖均顯示與OIB相似的地球化學(xué)特征(Yanetal.，2014)，但潿洲島玄武巖具有明顯窄的Sr-Nd-Pb同位素變化范圍(圖7)，綜合說明了海南地幔柱的物質(zhì)組成和溫度結(jié)構(gòu)具有不均一性的特點(diǎn)。海南地幔柱的不均一性可能誘發(fā)了海南地區(qū)的火山活動(dòng)，且這種不均一性源自地幔柱上升過程中攜帶的再循環(huán)物質(zhì)在地幔過渡帶中的分層(Weietal.，2012；Ballmeretal.，2013；Xiaetal.，2016; Wei and Zhao, 2020)。因此，基于海南地幔柱的雙層上升模型(Weietal.，2012；Xiaetal.，2016；Wei and Zhao，2020)，我們認(rèn)為起源于下地幔的海南地幔柱上升驅(qū)使再循環(huán)輝長(zhǎng)巖洋殼上浮，當(dāng)柱頭達(dá)到地幔過渡帶時(shí)幾乎不受浮力影響而發(fā)生橫向擴(kuò)展形成一個(gè)化學(xué)成分和溫度結(jié)構(gòu)極其不均一的熱化學(xué)堆積層(Ballmeretal.，2013)，隨著源自柱尾持續(xù)的熱和物質(zhì)供給使得這個(gè)高度不均一的熱化學(xué)堆積層重新上升(Xiaetal.，2016)，當(dāng)進(jìn)一步上升抵達(dá)地幔淺部時(shí)，由于過高熱異常而使得再循環(huán)輝長(zhǎng)巖洋殼優(yōu)先達(dá)到其固相線溫度經(jīng)部分熔融交代周圍的地幔橄欖巖生成石榴石輝石巖(貧硅輝石巖)，混合的石榴石輝石巖和未反應(yīng)的地幔橄欖巖再次發(fā)生部分熔融形成我們所觀察到的潿洲島堿性玄武巖。

5 結(jié)論

(1)潿洲島玄武巖顯示與OIB相似的微量元素和同位素特征，在巖漿上升過程，幾乎未受到地殼物質(zhì)的混染，經(jīng)歷了橄欖石和單斜輝石的分離結(jié)晶作用。

(2)Sr-Nd-Pb同位素特征顯示地幔端元組成呈DM與EM2二元混合趨勢(shì)，其中DM和EM2組分均來源于海南地幔柱。

(3)主、微量元素地球化學(xué)特征顯示源區(qū)母巖由地幔橄欖巖和石榴石輝石巖(貧硅輝石巖)組成。其中，石榴石輝石巖與再循環(huán)輝長(zhǎng)巖洋殼熔體交代地幔橄欖巖有關(guān)。

(4)南海及周緣地區(qū)的晚新生代巖漿活動(dòng)受控于海南地幔柱。伴隨著海南地幔柱的上升，再循環(huán)的輝長(zhǎng)巖洋殼經(jīng)部分熔融交代地幔橄欖巖生成石榴石輝石巖，石榴石輝石巖和未反應(yīng)的地幔橄欖巖混合部分熔融形成潿洲島玄武巖。

致謝感謝中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)郝金華老師在電子探針分析工作中的熱情支持；感謝中國(guó)地震局地質(zhì)研究活動(dòng)火山研究室魏費(fèi)翔、韋偉和趙勇偉等老師在文章撰寫和修改過程中的熱情指導(dǎo)；感謝廣西壯族自治區(qū)地震局和廣西北海水文工程礦產(chǎn)地質(zhì)勘查研究院提供鉆孔巖芯樣品；衷心感謝審稿人對(duì)本文提出的寶貴意見和建議。