中国科学院海洋研究所机构知识库

与太平洋洋中脊玄武岩（mid-ocean ridge basalt, MORB）相比，印度洋MORB在相同的²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb时具有高的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb，即Dupal异常。这种大尺度的地幔不均一性表明被俯冲带和大陆长期隔绝的地幔域演化历史。厘清两个地幔域中间地区地幔的同位素组成可以帮助我们理解地幔不均一性成因。西太平洋边缘海盆和岛弧玄武岩同位素组成和正在俯冲的中生代太平洋MORB不同，通常认为俯冲板片隔绝了地幔对流。然而，西太平洋边缘海地幔组成和历史仍不清楚。

卡洛琳板块沿太平洋板块的西缘呈南北向扩张，中间没有俯冲带相隔，因此是研究西太平洋地区地幔组成的理想区域。本研究报道了卡洛琳板块穆绍海脊玄武岩的⁴⁰Ar-³⁹Ar年龄、全岩主量和微量元素组成以及Sr-Nd-Pb-Hf同位素组成。⁴⁰Ar-³⁹Ar定年结果表明穆绍海脊玄武岩形成于~25Ma，与卡洛琳板块扩张时间一致。穆绍海脊玄武岩样品具有低的SiO₂和Na₂O+K₂O含量，属于拉斑玄武岩系列。在原始地幔标准化微量元素模式图中，所有的穆绍海脊玄武岩都具有MORB型的微量元素组成模式，强不相容元素含量从低于N-MORB值变化到高于E-MORB值。根据(La/Sm)_N，穆绍海脊玄武岩样品可以分为D-MORB型，N-MORB型到E-MORB型。地幔动力熔融模拟结果表明，亏损地幔通过5%–15%的部分熔融可以解释穆绍海脊N-MORB型玄武岩微量元素组成，然而D-MORB型玄武岩微量元素组成需要一个超亏损地幔源区—经历5%熔体抽取的亏损地幔。穆绍海脊玄武岩具有高的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和²⁰⁸Pb/²⁰⁶Pb*，即Dupal型的同位素组成。并且，穆绍海脊玄武岩的Nd-Hf同位素组成拓展了西太平洋边缘海盆玄武岩的范围，出现了更高的εNd和εHf（εNd=8.05–12.67, εHf=14.90–20.47）。相比于亏损的太平洋和印度洋MORB，穆绍海脊玄武岩在相同的(Sm/Nd)_N时具有更高的(Lu/Hf)_N，以及时间累积的Nd-Hf同位素组成。这表明一个古代经历过熔体抽取并具有残留石榴子石效应的地幔源区组分，和正常MORB的软流圈地幔不同。通过和其他的西太平洋边缘海盆玄武岩对比，本研究确定了在赤道西太平洋地区存在一个固有的超亏损Dupal型地幔域，以高Δ8/4和εHf为特征（均>14），与太平洋型地幔域或印度洋型地幔域不同。结合板块重建模型，这个超亏损的Dupal型地幔域可能来自于太平洋大的剪切波低速省，符合地幔柱供给软流圈地幔模型。

另一方面，印度洋型地幔域和太平洋型地幔域分别可以追溯到古特提斯洋和古太平洋时期，然而，古特提斯洋和古太平洋地幔域中间地区的地幔组成尚不清楚。华南板块位于古特提斯洋构造域和古太平洋构造域的交汇区，在晚古生代以来发育有大规模的岩浆活动，与古太平洋板块的俯冲活动有关。因此，华南板块边缘的弧岩浆岩记录了古特提斯洋和古太平洋交汇区的地幔组成与物质循环过程。然而，华南大陆边缘在晚中生代以来的大陆裂解以及海底扩张活动中被破坏，残留的弧岩浆记录可能保留在南海北部或南部大陆边缘，仍缺少系统的研究。

本文利用南海南部大陆边缘>2000 m的美济礁钻孔岩浆岩样品进行了系统的地质年代学和地球化学研究。钻孔样品包括互层的玄武岩、粗面安山岩和粗面岩，均具有典型的弧型微量元素组成，例如大离子亲石元素的富集和高场强元素的亏损等。美济礁钻孔不同深度的粗面岩锆石U-Pb定年结果显示出一致的形成时间，²⁰⁶Pb/²³⁸U加权平均年龄为211.2±1.6 Ma，表明晚三叠世时南海大陆边缘存在安第斯型火山弧。美济礁玄武岩样品具有低的SiO₂和Na₂O+K₂O含量，属于拉斑玄武岩系列。其中，MgO>8.5 wt.%的原始玄武岩样品具有最亏损的微量元素和同位素组成，其Nd-Hf同位素比值几乎不受俯冲组分的影响，反映了一个印度洋型的弧下地幔源区。通过与特提斯洋和古太平洋洋壳玄武岩和辉长岩对比，印度洋型地幔和太平洋型地幔可能长期被俯冲带分隔。玄武岩样品整体随Th/Nb和Hf/Hf*的升高表现出逐渐降低的Nd-Hf同位素比值，反映了俯冲沉积物组分的影响。美济礁粗面岩样品具有高的SiO₂和K₂O含量，属于响岩至高钾系列。这些粗面岩样品具有明显的Sr和Eu的负异常以及均一和富集的Nd-Hf同位素组成，表明来自一个富集的俯冲沉积物为主的源区。值得注意的是，美济礁粗面岩样品具有高的Hf/Hf*和解耦的Nd-Hf同位素组成（相比于Nd-Hf同位素地幔参考线具有高的εHf），表明来自俯冲沉积物的高温熔融，可能和混杂岩底辟熔融有关。粗面安山岩的微量元素和同位素组成介于玄武岩和粗面岩之间，来自于两种岩浆的混合。在与华南板块二叠纪-侏罗纪俯冲相关的岩浆岩进行对比的基础上，南海大陆边缘美济礁弧岩浆岩标志着岩浆源区组分的转变，对应着古太平洋板块在晚三叠纪时的俯冲后撤活动。