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太古宙地幔的热状态是研究地球早期历史的核心问题之一,只有解决了这个问题,才能对早期的动力学机制进行深入探讨。科马提岩是地幔高度熔融的产物,通过它可以追溯早期地幔形成、热状态以及地幔柱构造;蛇绿岩套中超镁铁质单元是地幔的直接组成部分,通过对太古代蛇绿岩超镁铁质单元的研究,可以了解早期洋壳的形成、板块运动和古大洋岩石圈地幔的演化,因此这些典型的太古宙超镁铁岩能够提供比镁铁质岩石更多的早期地幔的信息。
华北新太古代典型超镁铁岩主要分布在鲁西蒙阴、五台李福沟和冀东遵化,分别位于华北克拉通的东部陆块和中部造山带。这里不仅发育了中国保存最好的鲁西新太古代科马提岩,为了解华北早期的热状态提供了标本,而且保留了目前的最古老的遵化蛇绿岩及其罕见的地幔橄榄岩类,弥补了太古代蛇绿岩的不足,为系统认识古大洋岩石圈组成演化的提供了难得机遇;以李福沟岩带为代表的五台山许多超镁铁岩块,分布面积最广、含岩体数量最多、岩性较好,系五台山最主要的超基性岩带,可能代表了古洋壳的残余。因此,选择以上三个典型地区的超镁铁岩进行研究,对于揭示华北早期地幔热状态和构造演化具有重要的科学意义。
在前人工作的基础上,本人通过详细的野外调查、岩相学、微量元素地球化学、Sm-Nd、Re-Os、Lu-Hf同位素方法,对华北新太古代典型超镁铁岩早期的热状态、源区的特征、形成的构造环境进行了研究,并在此基础上讨论华北早期的地幔演化,所取得的新认识如下:
鲁西蒙阴科马提岩具有典型的鬣刺结构,和高镁、低钛、高场强元素富集,轻稀土元素亏损的地球化学特征;鲁西蒙阴科马提岩在的喷出温度在1270℃左右(1atm),可能反映了其形成于地幔柱环境;蒙阴科马提岩轻稀土元素亏损、高场强元素相对富集以及新鲜样品的εNd一般为+3.3,指示长期亏损的地幔源区。
五台李福沟超镁铁岩呈透镜体分布在片麻岩中,强烈的宏观构造和显微变形特征表明它们来自较深的构造层次,亏损的Nb、Ti特征与岛弧地球化学特征类似,U型的稀土元素分布模式可能与后期交代作用有关,认为其可能来自上俯冲带环境。
冀东遵化地幔橄榄岩不相容元素Nb,Zr,Ti呈负异常,推测轻稀土元素富集可能是地幔交代作用所致;遵化铂族元素与世界其他典型豆荚状铬铁矿分布形式的相似性,反映了相似的上俯冲带形成环境;遵化豆荚状铬铁矿的Os同位素与现代岛弧环境下豆荚状铬铁矿特征的相似,具有球粒陨石组成。而遵化地幔橄榄岩的Lu-Hf同位素结果显示遵化豆英状铬铁矿来自长期亏损的地幔源区。综合地球化学、铂族元素和Re-Os同位素分析结果,认为遵化地幔橄榄岩形成于上俯冲带环境。
华北鲁西蒙阴科马提岩的喷发可能与导致2.7Ga左右的大陆增生事件的地幔柱岩浆作用有关;遵化和李福沟太古代超镁铁岩为华北中部蛇绿混杂岩带的组成部分,为东部陆块和西陆块碰撞所致。