印度洋亚丁-欧文-卡尔斯伯格脊三联点邻近洋脊的玄武岩地球化学特征及其地幔源区性质

黄凯晖,韩喜球*,王叶剑,邱中炎,李洪林

(1.国家海洋局 第二海洋研究所,浙江 杭州 310012;2.国家海洋局 海底科学重点实验室,浙江 杭州 310012)

0 引言

洋脊三联点是三个板块边界的相接点,在板块构造运动研究过程中具有重要意义[1-4]。印度洋洋脊扩张体系主要由罗德里格斯三联点和亚丁-欧文-卡尔斯伯格脊(AOC)三联点所控制[5],前者连接中印度洋脊、西南印度洋脊和东南印度洋脊[6],后者是阿拉伯-印度-索马里板块的相接点[7-8]。AOC三联点是目前地球上典型的洋脊-洋脊-断裂型(RRF)三联点,此类型的洋脊三联点也是洋脊-断裂-断裂型(RFF)三联点向洋脊-洋脊-洋脊型(RRR)三联点过渡的洋脊类型[9-11]。通过对AOC三联点邻近洋脊的研究能更好地揭示RRF型三联点不同洋脊段的岩石地球化学特征的差异和联系。

已有研究表明,亚丁洋脊处于陆壳裂解的早期阶段,洋壳尚未完全发育[12];希巴洋脊西接亚丁洋脊,东与卡尔斯伯格脊由欧文断裂带相隔,它先于亚丁洋脊扩张,具有洋壳特征[13];卡尔斯伯格脊则是印度洋洋脊体系中扩张成熟的洋中脊[14-15]。因此,AOC三联点邻近的亚丁洋脊、希巴洋脊、欧文洋脊和卡尔斯伯格脊,为探究处于不同扩张阶段的洋脊玄武岩岩石地球化学特征,并追踪对应的地幔源区性质提供了理想的研究地区。

但迄今针对AOC三联点邻近不同洋脊的已有研究主要集中在其运动学和构造活动方面[9,16-18],前人对周边各洋脊有过零星的调查取样和局部研究,但欠缺整体性研究以获取全面认识。本文通过对邻近AOC的各板块边界上的玄武岩进行主、微量元素和Sr-Nd-Pb同位素对比研究,揭示处于不同扩张阶段的亚丁洋脊、希巴洋脊、欧文洋脊和卡尔斯伯格脊在玄武岩地球化学方面的特征,追踪不同扩张阶段的洋脊地幔端元性质,并探讨阿法热点(Afar hotspot)对不同洋脊扩张过程的影响。

1 区域地质背景

亚丁-欧文-卡尔斯伯格脊三联点旋转中心位于亚丁湾希巴洋脊(14.5°N,56.4°E),该三联点邻近各洋脊具有极为相似的运动学特征[14]。如卡尔斯伯格脊和希巴洋脊具有相似的扩张速率和方向[9],20 Ma年前,欧文洋脊与希巴洋脊相接,两者同时扩张[19],在18～15 Ma以前,卡尔斯伯格脊向西北方向扩张,逐步与希巴洋脊相接[9]。距今不早于6 Ma前,欧文断裂的形成将欧文洋脊与希巴洋脊错断,欧文洋脊随着欧文断裂带的发育向前移动,逐步形成目前的构造格局[16,20-23]。

希巴洋脊的发育共分为三个阶段:第一阶段为20 Ma前,洋脊扩张形成200 km长的新洋脊段;第二阶段为距今17.5 Ma,在希巴洋脊以西至费尔泰断裂带以东发育了长约500 km的洋脊段;第三阶段为距今16 Ma以前,形成亚丁洋脊,从费尔泰断裂带以西至亚丁湾西侧,长约700 km,并与阿法热点相接[16,21,24]。阿法热点是亚丁洋脊和红海裂谷及东非大裂谷的相接点。在距今20～16 Ma年前,希巴洋脊和亚丁洋脊保持较快的扩张速率,平均全扩张速率约为3.5 cm/a。距今16～10 Ma之间洋脊扩张速率急剧减小[9]。

欧文洋脊是阿拉伯板块和印度板块的边界,是全球扩张速率最慢的板块边界,该洋脊始于欧文断裂以东,呈NE—SW向与达尔林普尔海槽相接[25]。欧文断裂带是一条沿欧文洋脊延伸的长达800 km的走滑断裂系统,根据地貌形态的差异,欧文洋脊被划分为南、中、北三段[26],其中南段洋脊长300 km,中段洋脊长220 km,在最北端,欧文洋脊与达尔林普尔海槽相接[27-28]。

卡尔斯伯格脊共有三个演化阶段:第一阶段为61～51 Ma之间,洋脊保持快速扩张状态,全扩张速率为12 cm/a;而在39～23 Ma之间保持非常慢的扩张状态,洋脊的全扩张速率<1.2 cm/a;从第二阶段至今洋脊保持慢速扩张状态,洋脊的全扩张速率为2.4 cm/a[29]。

图1 亚丁-欧文-卡尔斯伯格脊三联点(AOC)位置和样品分布Fig.1 The location of Aden-Owen-Carlsberg Triple Junction and the sample distribution底图:Geomap App, http://www.geomapapp.org/basemap: Geomap App, http://www.geomapapp.org/

2 数据来源及数据处理

本文所研究的玄武岩岩石分析数据来自海底岩石数据库(PetDB)。取样站位信息见图1和附录。其中,卡尔斯伯格脊有3个站位[30-33],希巴洋脊有7个站位[34-36],亚丁洋脊有26个站位[36-41],阿法热点有3个站位[36,41],欧文洋脊有1个站位[42]。

因不同的实验室对岩石分析测试的方法和标准不尽一致,测试结果可能存在一定的系统误差。对于主量元素而言,这种由测试标准和方法所造成的偏差可以忽略[43-44]。但由于Fe含量有不同的表现形式[45],我们用GALE et al[46]所介绍的方法对数据进行了处理,如果Fe是以FeOT的形式给出,则FeOT=FeOT;如果是仅给出FeO而未给出Fe2O3，则FeOT=FeO;如果仅给出Fe2O3T的含量,则FeOT=0.899 8×Fe2O3T;而如果数据同时给出Fe2O3和FeO,FeOT=FeO+0.899 8×Fe2O3。对于微量元素和Pb-Sr-Nd同位素而言,不同实验室由于采用的分析方法和精度不一,可能存在一定的偏差,本文在研究时通过使用微量元素和同位素的比值以消除可能存在的系统误差[46]。

3 岩石地球化学特征

3.1 主量元素

从图2可以判断,本次所研究的玄武岩样品均为亚碱性玄武岩。其中希巴洋脊、亚丁洋脊、卡尔斯伯格脊和阿法热点玄武岩均属拉斑系列玄武岩。

图2 火山岩岩性判别图(a)和岩石系列判别图(b)[47]Fig.2 Discrimination diagram of igneous rock (a) and rock series (b)[47]图例中CR、SR、AR和AF分别代表卡尔斯伯格脊、希巴洋脊、亚丁洋脊和阿法热点，下同CR: Carlsberg Ridge, SR: Sheba Ridge, AR: Arden Ridge, AF: Afar Hot Spot, same hereinafter

从主量元素协变图解可以看出(图3),除了亚丁洋脊样品以外,其它样品主量元素具有较好的相关性,如Na2O和K2O的含量随着MgO含量的降低呈现升高趋势。Al2O3和CaO则显示出与Na2O和K2O相反的特征,随着MgO含量的降低,岩石样品中Al2O3和CaO的含量有减少趋势。FeOT、TiO2与MgO的协变关系表现出负相关趋势。

总的来说,在亚丁-欧文-卡尔斯伯格脊三联点体系中,阿法热点玄武岩样品的Na2O、K2O、TiO2和FeOT含量较高,MgO、Al2O3和SiO2含量较低,而卡尔斯伯格脊则相反。其他洋脊上的玄武岩主量元素含量基本介于阿法热点和卡尔斯伯格脊玄武岩样品之间。随着与阿法热点距离的增加,从阿法热点—亚丁洋脊—希巴洋脊—卡尔斯伯格脊,Na2O+K2O、FeOT与TiO2的含量有逐渐降低的趋势,而SiO2、Al2O3和CaO含量呈逐渐升高趋势。此外,洋脊玄武岩Mg#值[Mg2+/(Mg2++TFe2+)]是反映岩浆演化过程的重要指标,由图4可以看出,从阿法热点—亚丁洋脊—希巴洋脊—卡尔斯伯格脊,玄武岩Mg#值呈逐渐增大趋势,指示岩浆分异程度逐渐降低。

图3 主量元素协变关系图Fig.3 Major elements covariant diagram

图4 Mg#随经度变化趋势Fig.4 Mg# variation trend along the longitude

3.2 稀土元素

AOC邻近各洋脊上玄武岩的稀土元素配分型式见图5。采自卡尔斯伯格脊北端的玄武岩样品轻稀土元素含量十分亏损,低于全球N-MORB平均参考线(图5a);欧文洋脊的样品具有OIB的特征(图5b);希巴洋脊的样品具有典型的N-MORB特征(图5c);亚丁洋脊的玄武岩样品稀土元素含量变化范围较大,部分样品轻稀土元素亏损,表现出N-MORB特征(图5d);而阿法热点附近的玄武岩样品具有典型的OIB特征(图5e)。

总的来说,卡尔斯伯格脊和希巴洋脊的玄武岩属于N-MORB;亚丁洋脊的玄武岩稀土元素含量具有较大的变化范围,既有N-MORB,也有E-MORB和明显受到陆壳影响的玄武岩;欧文洋脊和阿法热点的玄武岩具有OIB特征。

La/Sm、Dy/Yb和La/Yb的比值分别指示轻稀土元素、重稀土元素和轻重稀土元素之间相互分离的程度。从图6观察发现,阿法热点的La/Sm比值变化范围较大,而与其相接的亚丁洋脊样品的La/Sm和La/Yb比值的变化范围更大,在靠近阿法热点的一侧,样品具有较高的稀土元素比值,而在46.5°E以东的亚丁洋脊、希巴洋脊和卡尔斯伯格脊玄武岩中La/Sm和La/Yb比值均低于阿法热点。整体上,除46.5°E以西的亚丁洋脊和欧文洋脊的样品,La/Sm和La/Yb比值从阿法热点—亚丁洋脊—希巴洋脊—卡尔斯伯格脊有降低的趋势;而Dy/Yb比值从阿法热点—亚丁洋脊—希巴洋脊—卡尔斯伯格脊—欧文洋脊有增大的趋势。

图5 玄武岩稀土元素球粒陨石标准化图Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns of basalt samples球粒陨石数据引自文献[48]。BCC:平均陆壳，UCC:上陆壳[49]The chondrite-normalizing values are from reference[48]. BCC: bulk continental crust; UCC: upper continental crust[49]

图6 玄武岩样品稀土元素比值随经度变化趋势Fig.6 The variation trend of REE ratios of basalt samples along the longitude

3.3 Pb、Sr、Nd同位素特征

洋脊玄武岩中Pb、Sr、Nd同位素比值是反映源区地幔端元特征的良好指标[50-51]。从图7可以看出,卡尔斯伯格脊玄武岩的206Pb/204Pb(17.335～17.353)、207Pb/204Pb (15.370～15.425)、208Pb/204Pb (37.084～37.190)和87Sr/86Sr (0.702 62～0.702 67)为所有样品中最低,而143Nd/144Nd(0.513 18)和ε(Nd)(10.475 2)为最高。与之相接的希巴洋脊样品的Pb同位素和Sr同位素明显较卡尔斯伯格脊玄武岩样品高(206Pb/204Pb=18.341～18.548,207Pb/204Pb=15.491～15.528,208Pb/204Pb=38.178～38.354),Nd同位素则相对较低(平均0.513 11)。欧文洋脊玄武岩的Pb同位素比值(206Pb/204Pb=18.458,207Pb/204Pb=15.494,208Pb/204Pb=38.546)与希巴洋脊玄武岩较接近,但Nd同位素比值明显亏损,Sr同位素比值明显偏高。亚丁洋脊样品的Pb、Sr、Nd同位素具有较大的变化范围,Pb同位素高于卡尔斯伯格脊；Nd同位素低于卡尔斯伯格脊,但均涵盖其它洋脊的变化范围；而Sr同位素介于卡尔斯伯格脊和欧文洋脊及阿法热点之间(143Nd/144Nd=0.512 87～0.513 17,ε(Nd)=4.603 68～10.377 69;87Sr/86Sr=0.702 80～0.703 44)。阿法热点的玄武岩样品具有比希巴洋脊、亚丁洋脊、欧文洋脊、卡尔斯伯格脊更高的Pb同位素比值；Sr同位素比值与欧文洋脊接近,但较其他洋脊更高；而Nd同位素比值比欧文洋脊高,但在亚丁洋脊的变化范围内(207Pb/204Pb=15.552～15.593,208Pb/204Pb=38.710～38.844;87Sr/86Sr=0.703 68～0.704 14;143Nd/144Nd=0.512 89～0.512 97)。

图7 研究区玄武岩样品的Sr-Nd-Pb同位素协变图Fig.7 Sr-Nd-Pb isotope covariation diagram of the basalt samples in the study area

4 讨论

4.1 地幔端元识别

根据同位素和微量元素成分的差异,大洋地幔端元主要分为4种:(1)亏损地幔(DMM),具有低Rb/Sr、87Sr/86Sr,高143Nd/144Nd比值,ε(Nd)为高正值,是洋中脊玄武岩源区的主要端元组分。(2)I型富集地幔(EMI),Rb/Sr比值较高,Sm/Nd、143Nd/144Nd比值较低,87Sr/86Sr比值变化大,对于给定的206Pb/204Pb,207Pb/204Pb和208Pb/204Pb比值高,代表下地壳物质再循环加入地幔后形成的富集地幔。(3)II型富集地幔(EMII),特点是Rb/Sr比值高,Sm/Nd比值低,143Nd/144Nd和87Sr/86Sr比值均高于EMI型地幔,EMII型地幔端元与上陆壳有密切联系,可能代表了陆源沉积岩陆壳、蚀变大洋地壳或洋岛玄武岩的再循环作用,也可能是次大陆岩石圈进入地幔与之混合。(4)HIMU型地幔端元是高U/Pb比值的地幔,U和Th相对Pb富集,HIMU的成因可能是由于蚀变的洋壳进入地幔并与之混合,地幔交代流体使Pb和Rb流失[48,50-53]。这4种地幔端元的混合作用可以解释所观察到的各种幔源岩浆岩的同位素组成[53]。

从图8可以看出,卡尔斯伯格脊北端玄武岩样品的Sr、Nd、Pb同位素组成接近DMM端元,说明岩浆起源自亏损地幔。阿法热点附近样品的Sr、Nd同位素呈现明显的DMM、EMII和HIMU三端元混合的特征,反映地幔柱上升过程中与岩石圈存在相互作用[54-56]。相比阿法热点,亚丁洋脊玄武岩样品的Sr、Nd、Pb同位素变化范围更大,结合亚丁洋脊玄武岩的稀土元素特征(图5d),显然亚丁洋脊玄武岩样品有些源自软流圈地幔,有些源自岩石圈地幔,而不可能仅由来自阿法热点的物质与亏损地幔混合而成。说明亚丁洋脊在从东向西扩张过程中,随着洋壳的出现,大陆岩石圈物质的贡献越来越小,直到出现N-MORB。与亚丁洋脊相比,希巴洋脊样品的Sr、Nd和Pb分布较为集中,均较接近DMM,但也有一定程度的EMII和HIMU的贡献,但从其稀土元素特征来看,EMII和HIMU的贡献并不显著。欧文洋脊玄武岩样品轻稀土元素较为富集,具有OIB特征,结合其具有较为亏损的Nd同位素组成和较为富集的Sr同位素组成,判断欧文洋脊在演化过程中受到了陆壳物质的影响,ODP722和DSDP223钻探也证实欧文洋脊形成过程中有陆源物质的混染作用[57],基于地震反射成像研究发现,位于欧文洋脊最南端的穆雷洋脊继承了冈瓦那古陆裂解产生的陆壳碎块[27,58]。

图8 亚丁-欧文-卡尔斯伯格脊三联点邻近洋脊玄武岩同位素地幔端元判别图Fig.8 The discrimination diagrams of isotope mantle endmember in basalt samples from the ridges adjacent to Aden-Owen-Carlsberg Triple JunctionDMM：亏损地幔端元，EMI-I:型富集地幔端元，EMII-II:型富集地幔端元，HIMU：HIMU型地幔端元，NHRL：北半球参考线。各地幔端元数据引自文献[53]DMM: depleted mantle endmember, EM-I: type-I enriched mantle endmember, EM-II: type-II enriched mantle endmember,HIMU: HIMU mantle endmember, NHRL: northern hemisphere reference line. Each mantle endmember data are from reference[53]

Dupal异常是以30°S为中心不连续地在大洋地幔出现的Sr、Nd、Pb同位素异常[59]。△7/4、△8/4和△Sr是表征Pb、Sr同位素和北半球参考线(NHRL)的偏离程度的指标[53],是识别Dupal异常的判别标准,位于NHRL以上被认为存在Dupal异常,而位于NHRL以下的则不具有该异常[52]。图9a显示,AOC三联点附近多数洋脊玄武岩样品的207Pb/204Pb和208Pb/204Pb均位于NHRL以上及附近,少数采自亚丁洋脊的玄武岩样品位于NHRL以下,其△7/4小于0,但△8/4均大于0。从图9还可以进一步看出,阿法热点△7/4、△8/4和△Sr均最大,欧文洋脊的△Sr值其次,△8/4也较大,但△7/4接近于0;卡尔斯伯格脊玄武岩的△Sr最低。因亚丁洋脊处于洋脊扩张的早期阶段,其△7/4、△8/4和△Sr值的变化范围最大。

在U-Th-Pb衰变体系中,由于Th比U具有更强的不相容性,陆壳里Th较U更为富集,故由Th衰变而来的208Pb比由U衰变形成的207Pb含量高,陆源物质的加入将降低△7/4[48,51-52,60]。部分亚丁洋脊玄武岩的△7/4<0,说明在岩浆形成演化过程中受到了陆壳物质的影响。

图9 玄武岩样品Pb同位素关系协变图Fig.9 The covariance relationship diagram of Pb isotopic in the basalt samples△7/4=[(207Pb/204Pb)DS-(207Pb/204Pb)NHRL]×100，△8/4=[(208Pb/204Pb)DS-(208Pb/204Pb) NHRL]×100，△Sr=[(87Sr/86Sr)DS-0.7]×104[52]

La/Sm-Sm/Yb能够识别源区地幔成分及其部分熔融的程度[61-63]。随着尖晶石二辉橄榄岩部分熔融程度的增高,La/Sm值降低,Sm/Yb值的变化不大,接近或者位于亏损洋脊地幔(DMM)与原始地幔(PM)的Sm/Yb比值之间[62]。对于石榴子石斜辉橄榄岩来说,随着部分熔融程度的增高,La/Sm值和Sm/Yb值均显著降低,但其趋势高于亏损地幔和原始地幔序列的Sm/Yb。从图10可以看出,亚丁洋脊、希巴洋脊和卡尔斯伯格脊的岩浆均源自尖晶石二辉橄榄岩地幔的部分熔融,而且从亚丁洋脊至希巴洋脊再到卡尔斯伯格脊,地幔的熔融程度有逐渐增加的趋势。部分熔融程度越高,地幔减压熔融越充分,意味着洋脊发育的时间越长[64],这与从西到东,AOC邻近各洋脊的发育越趋成熟相一致。而阿法热点的样品则是石榴子石斜辉橄榄岩源区地幔部分熔融的产物。

4.2 阿法热点对AOC邻近洋脊的影响

渐新世,阿拉伯板块和非洲板块的分离形成红海-亚丁湾扩张系统。距今30 Ma前,阿法热点岩浆供应激增,对整个亚丁湾新生的洋脊系统产生显著影响[54,70-71]。地震资料分析认为亚丁洋脊形成演化的过程中可能受到了阿法热点壳-幔物质流动的影响[72]。古板块重建研究认为阿法热点对希巴洋脊和欧文洋脊的形成演化具有一定的影响[73]。

Zr/Y-Nb/Y关系能有效区分海底玄武岩地幔柱和非地幔柱物质来源的影响[74-75],为探究阿法热点与AOC邻近洋脊相互作用的地球化学证据,我们利用Zr/Y-Nb/Y关系图来识别AOC邻近洋脊玄武岩中可能存在的地幔柱信号。从图11可以看出,卡尔斯伯格脊玄武岩样品均位于地幔柱参考线以下,而欧文洋脊、希巴洋脊和亚丁洋脊的玄武岩样品均位于地幔柱参考线以上,表明了地幔柱对欧文、希巴和亚丁洋脊均有不同程度的影响,而对卡尔斯伯格脊并未产生影响。此外,亚丁洋脊玄武岩较欧文洋脊和希巴洋脊玄武岩更接近于地幔柱参考点(PM),说明地幔柱对AOC邻近各洋脊的影响程度随着与阿法热点距离的增大而减弱[36]。所研究样品的主量元素、微量元素及同位素特征也支持上述结论(图3、4、5、7、8)。

图10 La/Sm-Sm/Yb熔融程度图解[65]Fig.10 Melt curves diagram of La/Sm-Sm/Yb[65]尖晶石二辉橄榄岩(矿物组成为Ol.53%+Opx.27%+Cpx.17%+Sp.3%[66])熔融曲线和石榴子石斜辉橄榄岩(矿物组成为Ol.53.3%+Cpx.35.7%+Gt.11.0%[67])熔融曲线参考自文献[62]，亏损地幔端元(DMM)成分引自文献[68]。PM代表原始地幔[48]，KP为源自印度洋凯尔盖朗洋底高原ODP钻孔样品数据[69]Melt curves for spinel-lherzolite (mineral composition of Ol.53%+Opx.27%+Cpx.17%+Sp.3%[66]) and garnet-clinopyroxeneperidotite(mineral composition of Ol.53.3%+ Cpx.35.7%+Gt.11.0%[67])are from reference [62]. Depleted MORB Mantle (DMM) compositions are from reference[68]. PM compositions are from reference [48].KP is derived from Kerguelen Plateau ODP samples data[69]

图11 玄武岩样品的Zr/Y-Nb/Y关系图解Fig.11 Zr/Y-Nb/Y diagram of the basalt samples地幔柱与非地幔柱物质来源线引自文献[74]，其中PM代表地幔柱，数据参考文献[75]Boundary line between mantle plume and non-mantle plume sources is from reference[74]. PM represents the primary mantle, the data refer to the literature[75]

5 结论

通过对亚丁-欧文-卡尔斯伯格脊三联点邻近洋脊及阿法热点玄武岩样品的主、微量元素及同位素的分析研究,得出以下结论:

(1)卡尔斯伯格脊和希巴洋脊的玄武岩样品属于典型的N-MORB;欧文洋脊的玄武岩样品具有OIB特征;亚丁洋脊的玄武岩样品涵盖了N-MORB、E-MORB和大陆玄武岩等多种类型。从卡尔斯伯格脊、希巴洋脊到亚丁洋脊,随着洋脊发育时间缩短,地幔熔融程度逐渐降低。

(2)卡尔斯伯格脊的玄武岩浆起源于DMM型亏损上地幔;希巴洋脊玄武岩的地幔源区较卡尔斯伯格脊略有富集现象,具有DMM型亏损地幔和EMII型富集地幔二端元混合的特征;欧文洋脊的地幔源区可能有残余陆块的混入;亚丁洋脊的幔源岩浆在喷出过程中可能有再循环下陆壳物质不同程度的混染。

(3)阿法热点对亚丁洋脊、希巴洋脊和欧文洋脊均具有一定程度的影响,随着与其距离的增大,影响程度逐渐减弱,至卡尔斯伯格脊,基本未受到阿法热点的影响。

致谢本研究过程中得到李正刚博士、朱弟成教授和董彦辉副研究员的帮助和建设性修改意见,谨致谢忱!

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