俯冲带是实现地球物质与能量跨圈层传输交换的关键纽带。俯冲带流体则是壳幔物质循环的重要载体。华北陆块东北部在晚中生代时期位于古太平洋板块向欧亚大陆之下俯冲的汇聚板块边缘,发育丰富的早白垩世镁铁质—超镁铁质岩浆岩。镁铁质—超镁铁质岩浆岩主要包括高角闪石含量的富闪深成岩和高辉石含量的辉长岩与玄武岩以及橄榄二辉岩,是研究俯冲带流体属性及其交代地幔过程的关键“岩石探针”。近年来,对于古太平洋构造体系在该区影响的研究多集中在构造演化历史,对俯冲带流体交代地幔以及深部地幔水—碳循环的研究则相对薄弱。俯冲带流体如何影响镁铁质—超镁铁质岩具有明显不同的矿物学和地球化学组成?俯冲带流体改造地幔源区的过程与机制如何?深部地幔水—碳循环的效应如何?上述问题均没有得到很好地回答。 针对上述科学问题,本文选择华北陆块东北部辽南—辽东地区早白垩世镁铁质—超镁铁质火成岩作为研究对象,通过野外地质调查、室内岩石学与岩相学、单矿物原位主微量元素、斜长石Sr-Pb同位素、单斜辉石Sr同位素、磷灰石Nd同位素和锆石U-Pb-Hf-O同位素,结合全岩主微量元素、全岩Sr-Nd-Pb同位素和非传统金属稳定Mg-Zn同位素地球化学的系统研究,查明了研究区早白垩世镁铁质—超镁铁质岩的时空分布和岩浆演化过程及富水组分交代地幔的过程与机制;探讨了镁铁质—超镁铁质岩的岩石成因及富碳组分交代地幔的过程与机制;揭示了早白垩世时期古太平洋俯冲作用对于华北陆块东北部地幔属性的影响及深部水—碳循环的效应。取得的具体成果如下: 1.查明了研究区早白垩世镁铁质—超镁铁质岩的岩石成因及碳质流体交代地幔的过程与机制 华北陆块东北部辽南—辽东地区早白垩世镁铁质—超镁铁质岩主要由富闪深成岩、(橄榄)辉长岩和小岭组玄武岩以及橄榄二辉岩组成,形成时代为早白垩世(126-110 Ma)。镁铁质—超镁铁质岩具有低的全岩Si O₂(45.15-58.69 wt.%)和高Mg O(3.89-18.24 wt.%)、以及Cr(15-786 ppm)和Ni(26.6-168 ppm)含量。同时,它们具有与弧型岩浆相似的微量元素分布模式(轻稀土元素和大离子亲石元素富集,重稀土元素和高场强元素亏损),表明其来源于交代岩石圈地幔的部分熔融。通过全岩和斜长石Pb同位素模拟,提出地幔交代的时间介于160-150 Ma。它们的地幔源区在晚侏罗世受到了不同壳源组分的交代。基于不同程度富集的全岩Sr-Nd和锆石Hf-O同位素组成,鉴别了多种类型的壳源组分:俯冲的扬子大陆地壳、拆沉的华北陆块古老下地壳、俯冲的大洋地壳以及上覆陆源沉积物。镁铁质—超镁铁质岩具有轻于正常地幔的全岩Mg同位素组成(δ²⁶Mg=-0.43‰--0.19‰),结合弧型微量元素分布特征和与正常地幔相似的全岩Zn同位素组成(δ⁶⁶Zn=0.24‰-0.32‰),揭示了以菱镁矿为主的再循环含碳酸盐的硅酸盐沉积物流体对早白垩世弧下地幔源区的交代。这表明华北陆块东部早白垩世岩石圈地幔经历了由碳酸盐流体引起的局部地幔碳质交代作用。进而提出结合单斜辉石与全岩同位素地球化学,以及Mg-Zn同位素的二元混合模拟,可以很好限制硅质和/或碳酸盐流体对地幔的贡献。 2.探讨了研究区早白垩世镁铁质—超镁铁质岩的岩浆演化过程及含水流体交代地幔的过程与机制 矿物结构和矿物化学研究表明,富闪深成岩含有大量自形—半自形正环带的角闪石(40-60 vol.%)和斜长石,其结晶序列为:透辉石—培长石—韭闪石(第1阶段;中地壳结晶);然后是次透辉石—镁绿钙闪石/浅闪石/镁质普通角闪石—镁质黑云母—拉长石/中长石(第2阶段;上地壳结晶)。(橄榄)辉长岩和橄榄二辉岩矿物组成相对均一,它们含有少量半自形—他形的角闪石(<10 vol.%),其结晶序列为:橄榄石—单斜辉石/斜方辉石—斜长石—角闪石/金云母。不同类型的镁铁质—超镁铁质岩具有不同比例的含水矿物角闪石,表明华北陆块东北部岩石圈地幔受到壳源组分来源的含水熔体的交代,具有明显富水特征,且富水程度高度不均一。角闪石通过在封闭系统中早期结晶的无水矿物和间隙熔体的水合反应形成。“干”的岩浆源区具有低水含量,形成了含角闪石的镁铁质—超镁铁质岩;而“湿”的岩浆源区具有高含水量,利于高角闪石含量的富闪深成岩形成。 3.揭示了晚中生代古太平洋西向俯冲作用对华北陆块东北部地幔属性的影响及深部水—碳循环的效应 晚侏罗世时期,再循环壳源组分的地球化学信号(不相容元素和Sr-Nd-Pb-Hf-O同位素)通过古太平洋板块西向俯冲被传送到华北陆块东北部早白垩世镁铁质—超镁铁质岩的地幔源区,使岩石圈地幔具有弧型微量元素特征和富集的同位素组成。再循环的壳源组分脱水/熔融形成含水熔/流体,迁移过程中水化上覆岩石圈地幔,使其具有高度不均一的富水特征,导致华北陆块东北部早白垩世镁铁质—超镁铁质岩的地幔源区具有不同的水含量。水的存在显著降低了碳酸盐的热稳定性,从而在弧下深度形成含水碳酸盐熔/流体,并产生具轻于正常地幔Mg同位素组成的弧型镁铁质—超镁铁质岩浆作用。