下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
阿法尔地幔柱：稀土元素证据
席林
编者按
冰岛具有异常的地球物理背景，它处于两种不同的火山源之上：一个是洋中脊，即热物质从两个离散的构造板块之间上涌的部位；另一个是热点或地幔柱，即从地幔深处呈柱状上升的岩浆流。让–居伊·席林的这篇文章是最早证实上述情景的文章之一。由于两个火山源在冰岛地区有重叠，因此很难进行区别。但是席林指出洋岛玄武岩(火山岩)具有不同于洋中脊物质的地球化学标记，它可能来自于一个更“原生”的地幔柱。这有助于确定深层地幔柱的准确概念。 英文
在阿法尔三角，沿红海海槽和亚丁湾喷出的拉斑玄武岩中稀土元素配分模式的分带性表明，阿法尔地区下部存在上涌的原生地幔柱，并呈星状溢流进入软流圈。 英文
近年来，关于阿法尔三角，即红海、亚丁湾和东非大裂谷构成的三联点所在地或所在地附近区域的成因曾有过详细的讨论 [1,2] 。该问题对于确定到底是阿法尔三角控制着三条板块离散线的演化还是三条板块离散线的演化影响着阿法尔三角，或者三个不同的构造单元与阿法尔三角之间有何关系尤为重要。 英文
最早的分析是以海洋板块构造理论为依据，利用拟合红海的共轭海岸线的方法提出的。麦肯齐等人认为 [3] ，阿法尔凹陷主要是在阿拉伯半岛从非洲大陆上分离出去时由地幔物质上涌形成的，为证明这一点，他还提到了一份关于阿法尔三角磁场调查的初步报告 [4] 。从其最新的结论来看，该项调查 [5] 揭示出了三类磁异常现象：一、亚丁湾海洋磁异常向西扩展进入阿法尔南部地区；二、硅铝质陆壳来源的、波长和振幅均较小的磁异常；三、在北纬12°以北区域的磁异常具有从北西向南东扇形展开的分布特征。这说明该区复杂的构造走向和地质状况，兼具陆壳和洋壳的双重特征。莫尔 [6,7] 对阿法尔地区的地质和构造作了更详细的研究后，不完全赞同麦肯齐的结论 [3] ，并给出了一个修正的模型，该模型强调了达纳基勒和艾沙地垒作为大陆残余块体所发挥的重要作用。加斯 [8] 则独立地提出了一个三阶段岩热模型，描述了阿法尔地区下部涌升热柱的初级发展。最近，在没有进一步证据的情况下，摩根 [9-11] 又将阿法尔列为以岩石圈板块底部的黏滞曳力驱动全球板块运动的20个热柱之一。 英文
本文将为阿法尔三角下部存在上涌热地幔柱这一理论提供稀土元素地球化学方面的有力证据。 英文
首先通过与从冰岛—雷恰内斯的海岭－地幔柱体系中得到的类似但更全面的证据进行类比，我重新解译了沿红海海槽、亚丁湾喷发出的海底拉斑玄武岩以及之前报道的热贝尔－泰尔岛上的拉斑玄武岩中稀土元素丰度的数据。 英文
目前已知，拉斑玄武岩中的La（镧）、K 2 O（氧化钾）、TiO 2 （二氧化钛）、P 2 O 5 （五氧化二磷）、放射成因的Pb（铅）和Sr（锶），以及辉石斑晶相对于斜长石的丰度，随着沿雷恰内斯海岭到冰岛距离的增加而有规律地降低 [14-18] 。在冰岛和61°N以南的雷恰内斯海岭沿线，上述元素的丰度保持相对恒定，但两地的丰度值水平不同。在两种端元拉斑玄武岩之间为过渡类型，它们的差别主要在于大离子亲石元素含量和放射性同位素上，整个过渡带延伸超过400 km，分别连接着洋岛拉斑玄武岩（例如，冰岛、夏威夷岛、加拉帕戈斯岛、留尼汪岛以及热贝尔－泰尔岛）和沿大多数没有热点影响的海底玄武岩 [13] 。 英文
大离子亲石微量元素含量的逐渐亏损是离子半径的正则函数，对于稀土元素系列尤其如此。沿雷恰内斯海岭轴线，离子半径最小的Gd—Lu（钆—镥）等稀土元素丰度相对恒定，而轻稀土元素则变化较显著。La是离子半径最大的稀土元素，其含量变化最大，而Sm（钐）则介于中间。La/Sm的浓度比或相关函数，如相对于球粒陨石的富集因子之比等，就阐明了这一点（图1）。随着到冰岛距离的增加，[La/Sm] E.F. 显著降低（可能呈阶梯式）。该比值是衡量轻稀土元素分异的良好指标，可以结合重稀土元素对此类玄武岩的成因给出严格的界限 [13] 。 英文
图1. 沿冰后期雷恰内斯海岭轴线及其到冰岛上的延伸一线（见插图）喷出的拉斑玄武岩中，相对于球粒陨石的La/Sm富集因子 [13] 。
一般来说，当[La/Sm] E.F. >1时，通常指示轻稀土元素富集型配分特征，主要见于碱性玄武岩、洋岛拉斑玄武岩等（按照本文提出的模型，拉斑玄武岩来自原生热地幔柱（PHMP），包括洋岛拉斑玄武岩和相关的高原拉斑玄武岩）。 英文
当[La/Sm] E.F. <1，通常指示轻稀土元素亏损的海底洋中脊拉斑玄武岩（按照我的模型，洋中脊拉斑玄武岩来源于不受热点影响的亏损低速层（DLVL））。 英文
图2. 沿红海海槽和亚丁湾喷出的拉斑玄武岩中相对于球粒陨石 [13] 的La/Sm富集因子，与到阿法尔三角中心的（不计方向，见插图）径向距离的相关关系。
最后[La/Sm] E.F. ~1，指示的是海底洋中脊拉斑玄武岩。一般见于摩根提出的热地幔柱或三联点附近，这一点当时还无法解释 [13] （按照我的模型，这种混合型拉斑玄武岩是由来源于PHMP和DLVL来源的拉斑玄武岩浆混合形成）。 英文
上述结果并不仅限于雷恰内斯海岭和冰岛地区。与图1相似，对阿法尔地区的稀土元素数据重新分析 [12,13] 表明，随着到假设的阿法尔热点中心的径向距离的增大，[La/Sm] E.F. 也逐渐降低 [12,13] （图2）。在阿法尔热点附近（热贝尔－泰尔岛火山）稀土配分模式为轻稀土富集型，在中等的径向距离位置（亚丁湾脊轴），稀土分配模式变为未分异的相对平坦型，而球粒陨石相对富集，最后在远离阿法尔的红海海槽沿线则逐渐变为轻稀土元素亏损型。根据CIPW标准矿物及约德和蒂利的分类法 [19-22] ，在成分上它们都属于拉斑玄武岩。 英文
因此在远离阿法尔热点的地区，也出现了与冰岛热点类似的现象。只是在阿法尔地区轻稀土元素的亏损速率相对较小。虽然沿达纳基勒凹陷 [23] 的裂缝喷出的拉斑玄武岩还没有可用数据，但这些数据将会非常有趣，因为得出的结果可以用来检验我最近提出 [14,15] 并且现在应用于阿法尔地区的热地幔柱混合模型。 英文
该模型要求存在两个地幔源，两者在大离子亲石微量元素以及放射性铅、锶的含量上不同。来自上述两个地幔源的物质，在较浅深度部分熔融生成了拉斑玄武岩，沿着板块离散区域上，如红海海槽和亚丁湾（或雷恰内斯海岭），这些幔源物质相互作用并以不同比例发生混合。 英文
第一个地幔源，原生热地幔柱（PHMP）在阿法尔三角（冰岛）中心之下强烈垂直上涌，呈放射状溢流或优先沿岩石圈薄弱带流出，进入周围的浅部软流圈。举例来说，岩石圈薄弱带有：达纳基勒凹陷—红海海槽、亚丁湾，也许还有埃塞俄比亚裂谷（包括雷恰内斯和科尔本塞海岭）。PHMP具有相对丰富的大离子亲石元素，所形成的拉斑玄武岩的[La/Sm] E.F. >1。此外，在上升之前，PHMP物质一直在地幔深处（深度大于250 km）保持长时间封闭状态，故其放射性同位素累积量较高 [24-26] 。在上升过程中随着压力不断减小，到达较浅深度时，就发生程度足够大的部分熔融 [13] ，形成洋岛拉斑玄武岩，如冰岛 [27] 、夏威夷岛 [28] 、加拉帕戈斯岛 [29] 和留尼汪岛 [30] 等岛屿上的拉斑玄武岩。另外，据预测沿达纳基勒凹陷在阿法尔上部喷出的拉斑玄武岩也属此类 [23] 。本文中我们将这类拉斑玄武岩称为PHMP型拉斑玄武岩。 英文
第二个地幔源即低速层（DLVL），更具有全球性。该层的典型特征是亏损大离子亲石元素（K（钾）、Rb（铷）、Cs（铯）、Ba（钡）、U（铀）、Th（钍）、轻稀土元素等） [13,31] 以及放射性铅和锶含量较低（参考文献32、33）。通常，在远离热柱干扰的区域，由于板块离散，DLVL被动地充填到扩张洋中脊，与此同时岩石圈和地壳物质例如难熔固体、固体和熔体混杂物以及熔融物质在此加积。大多洋中脊玄武岩亏损上述元素，即[La/Sm] E.F. <1，且放射性铅和锶的含量也较低，它们来源于DLVL。22°N以北沿红海海槽喷出的拉斑玄武岩即是此种类型（61°N以南的雷恰内斯海岭亦同）。 英文
在热点附近，这两种端元之间存在着过渡带，两种主要的拉斑玄武岩融合类型将发生相互作用并混合（也许是两个地幔源的相互作用和混合）。亚丁湾地区（可类比于63°N附近的雷恰内斯海岭）的海底洋脊玄武岩当属此类，该类玄武岩的特征是其混合稀土配分模式介于两种端元组分配合类型之间。故稀土配分模式平缓，[La/Sm] E.F. ~1，说明其基本上为等量混合，而在热贝尔－泰尔岛则可能以PHMP型拉斑玄武岩占主导。 英文
到目前为止，该设想与摩根关于热柱的最初论述 [9] 均相符，但在一些细节上有所不同，关于这些细节我已经积累了大量证据，而且很容易得到验证。本模型与加斯的精致模型 [8] 也很相似，只是对地幔源的成分的看法有所不同。另外，本模型与加斯最近提出的对流模型 [34] 大不相同。 英文
通过详细研究关于冰岛—雷恰内斯体系的这些证据 [14-15] ，我认为两种初始熔岩类型的混合可能存在两种机制，而且这两种机制很可能同时发挥作用。一种机制要求裂谷带下方的岩浆房被拉长；另一种则要求水平岩墙远距离的扩展，正如基于基拉韦石裂谷带所提出并已得到证明的那样 [35,36] 。 英文
过渡带沿线的混合比例取决于PHMP的流动模式以及热柱进入周围LVL的强度。热柱的溢流模式各不相同，且随时间不断变化（参考文献37；让–居伊·席林，完稿中）。它取决于区域环境，如PHMP垂直通量、扩张脊的局部地形以及其他构造因素、相关岩石圈扩张速率与主应力场和热场等等。另外，在上部的200~300 km深处，两种幔源在不同程度上均由部分熔融的岩石组成。我们并未直接采用德费耶新近提出的热柱模型 [38] 。我认为，这里的涌流是相互渗透的多孔介质流，即表现为熔体渗透和渗透对流。此类体系被称为岩热体系 [39] ，且该概念已被引入对阿法尔地区的研究中 [8] 。 英文
在冰岛，PHMP溢流似乎主要是沿两个方向的，即沿雷恰内斯海岭向南和沿科尔本塞洋脊向北 [14, 15] 。这与摩根提出的热柱呈均匀放射状在软流圈内流动 [9-11] 的观点不同。当然，我倾向于认为热柱的软流圈溢流更可能是定向的，且可能更复杂，沃格特 [37] 也这样认为。这是根据地形、流体力学特征、流变特征以及热特征等 [14,15] 作出的选择。热柱溢流的这种通道效应主要受先存的岩石圈薄弱带，尤其是扩张中心（实际上呈线状）的影响。一旦接近或达到稳定状态，由于底辟构造和岩浆的注入，浅部软流圈的板块离散带将呈现出温度升高和质量减小的特征，因此更有利于地幔流的形成。此外，溢流还可能受堰塞效应的影响。堰塞效应是由具有较低温度山根的残余陆块造成的，例如，达纳基勒和艾沙地垒以及非洲地块或各断裂带（格陵兰岛，因为科尔本塞洋脊沿线的地幔流相对于雷恰内斯海岭沿线的更复杂）。据此我认为，阿法尔热点的PHMP应为三向星状流（见图3）。这些支流分别沿达纳基勒凹陷—红海海槽方向，朝向并沿着亚丁湾方向，以及在埃塞俄比亚裂谷下方（但不是很强）流动。沿第三种流向的扩张速率很小，且热梯度也不明显。化学梯度图（图1和图2）显示，[La/Sm] E.F. 与径向距离（不计方向）直接相关。但这并不能证明流向是呈均匀放射状的，而是主要受流变约束影响并具有方向性。结合所提出的混合模型 [14] 来看，图2中所示数据确实要求沿两个主方向（图3）地幔流的强度相同，且主要随到热柱中心距离的变化而变化。据此我认为：阿尔法热点的PHMP流不很强，不足以补给板块离散区的所有区域，如达纳基勒凹陷、红海轴海槽和亚丁湾（目前还没有埃塞俄比亚裂谷的相关数据）。当PHMP流不足时，脊轴涌升出的增生物质就由DLVL源物质补充。这种地幔源通常成为不受热点影响的洋中脊的供应源。 英文
图3. 阿法尔三角显示了三个主要的地壳减薄带，同时对应着在浅部软流圈内以阿法尔三角为中心的地幔流的择优流向。箭头的长度大致与流动强度成正比。由于缺少达纳基勒凹陷的相关数据，因此无法估算热柱直径（参见文献15关于冰岛地区的相关论述）。阴影部分1代表埃尔塔阿勒火山群，2代表阿莱塔火山群 [23] 。
沿着扩张脊或离散岩石圈板块块体的过渡段，两个地幔源都将以底辟形式隆升，发生减压然后部分熔融。原始熔体通过聚结作用相互混合，并在脊峰或脊槽下面地壳底部的狭长岩浆房里不断累积。这些岩浆房随时可为上覆的间歇性的火山喷发提供物质来源 [40] 。倘若板块离散速度足够快，可形成快速底辟的热动力学环境，那么这样的浅源火山作用将引起在同位素和微量元素组成为过渡类型的拉斑玄武岩岩浆作用 [13] 。当然，这恰好对应着加斯 [8] 模型中火山作用的第三个阶段，不同之处在于，在阿法尔附近，这种火山作用以PHMP物质为来源，而非像冰岛下方和其他一些热柱 [14] 那样来源于DLVL。 英文
从地球物理学角度来看，前面提到的阿法尔热柱的PHMP流动方向应该对应着地壳的减薄带和洋化带，其程度则取决于地幔流的强度以及区域扩张环境。另外，通常在热柱涌升的区域，其下部的某一深处应该存在异常地幔，正如在冰岛下部一样 [41] 。马克里斯等人 [42] 关于阿法尔地区重力场调查结果的解释恰好证明了这一点。根据他们的模型，阿法尔地区下方物质的密度为3.25 g·cm –3 ，沿达纳基勒凹陷，地壳的减薄非常明显且还有部分被洋化；而沿翁吉断裂带向埃塞俄比亚裂谷方向，地壳的减薄作用则较弱，而且绝大部分为陆壳。这些特征与根据稀土元素作出的预测非常一致。可惜的是，没有从热柱中心到亚丁湾一线上的重力资料，但已有的地震数据也与根据稀土元素得出的推断一致。该区的地震剖面 [43] 显示，亚丁湾地区地幔中存在向西延伸的异常低速带。在塔朱拉湾附近，海水不断变浅的同时似乎还伴随着地壳的加厚，速度－深度剖面与由保尔马松模型推导出的冰岛地区的非常相似 [44] 。因此，无论是从地震特征 [44-45] 还是化学组成上来看，阿法尔—亚丁湾热柱－洋脊体系都可类比于冰岛—雷恰内斯体系。 英文
其他地球物理和构造资料也显示，该处为三向浅层软流圈流动模式，而这正是磁异常线性构造 [4,5] 及所谓大型构造的方向和类型 [46] 。 英文
那么如何确定热柱中心的位置呢？图2中用于测定径向距离的参考中心（11°15′N，41°25′E），是人为选定的，在阿贝湖西北部，大致处于阿法尔三角的中心位置。这个位置是三个走向的三联点，即亚丁湾的西—南西走向，达纳基勒凹陷（以埃尔塔阿勒火山和阿莱塔山脉的拉斑玄武岩喷出形成雁列裂缝为特征）的南—南东走向 [23] 以及埃塞俄比亚非州大裂谷沿翁吉断裂带（图3）的大致延伸方向。当然，我并不是说该点一定就是热柱的中心。坐标的确切位置对于本文的论证并不是特别重要。热柱中心发生100 km左右的位移是很容易的，但不会改变根据图3所得出的结论。随后我又发现，该点的位置与巴尔贝里等 [23] 的论文中图3的阴影部分一致，而该阴影部分代表的是热活动中心，且有证据证明该处曾有海底火山存在 [47,48] 。同时它还是翁吉断裂带尖灭而难以辨认的地方 [47] ，也是断层活动和磁异常方向由北—北西转为正西的位置所在 [4,5] 。最后，它与莫尔提出的位于阿贝湖（11°N，41°30′E，参考文献49）附近的四元三联点也相对应。由此看来，综合各个独立获得的结构、构造、磁场以及地球化学等方面数据，均显示该区有热柱中心存在。 英文
除化学数据外，矿物学参数似乎也与从热柱中心沿洋中脊向外延伸的距离相关。例如，亚丁湾枕状玄武岩 [21] 中单斜辉石斑晶的异常存在，与洋中脊玄武岩形成鲜明对比，因为洋中脊玄武岩中通常富含斜长石斑晶；例如，沿雷恰内斯海岭向冰岛方向，辉石斑晶的含量相对于斜长石呈明显而有规律的增加 [18] 。沿亚速尔地台（另一个可能的热点 [9-11] ）上的大西洋洋中脊喷发的枕状玄武岩岩相调查表明，其单斜辉石相对于斜长石和橄榄石的含量也异常丰富（尚未发表）。上述玄武岩均为拉斑玄武岩，其轻稀土元素富集类型与来自冰岛和阿法尔热柱的玄武岩相似。因此，热点附近喷出的海底洋中脊玄武岩中单斜辉石的存在，可能反映了PHMP地幔组成的特殊性以及主要热动力熔融条件的差异，具体情况还有待于进一步研究。 英文
PHMP和DLVL型地幔的地球化学、岩石学以及地球物理学特征的确定亦非常重要。DLVL的微量元素及同位素组成是根据对距离任何热点足够远处喷出的所谓低氧化钾（K 2 O）洋中脊拉斑玄武岩的大量研究间接推断出的 [13, 32,33,50,51] 。另外，Sr和Pb的同位素比值研究 [25,33] 显示，在地质历史早期DLVL必定就已经历了亏损。这一亏损过程可能与多阶段的熔融和岩浆分离作用如碱性玄武岩的形成 [53] 、大陆的增长作用 [54] 以及地质历史时期上地幔几百公里的分异 [14] 等有关。 英文
对PHMP源还不是很明确，而且不同热柱之间也可能互不相同。在阿法尔、冰岛、夏威夷、加拉帕戈斯和留尼汪热点下部，涌升出的PHMP中大离子亲石元素似乎并未亏损，并且它产生的深度也大于DLVL（参考文献14、15）。当然，目前还不能推测到底是所有热柱均由来自同一个全球规模的单一深地层（均一或不均一）中相对较原始的地幔物质组成，还是各热柱分别由来自当地深处的重力不稳定的局部地幔物质组成。 英文
不管怎样，比较确定的一点是 [13,24,25] ，此类热地幔柱源作为封闭体系一定在地球深处停留了足够长的时间，积累了大量放射性同位素和热量，尔后才以热柱形式上升，将相对较原始的物质带到了地球上部圈层 [14] 。虽然最近沃格特 [55] 又提出地幔柱活动在全球是同步进行的，但在该观点得到进一步证实以前，我仍相信各方面证据的综合结果，即不同大洋之间，不同热柱之间，其涌升时间是不同的；而且热柱的活动强度也随时间不断变化（让–居伊·席林和诺埃－尼高，尚未发表）。这使得不同热柱源之间同位素的直接比较及其所处深度的推断变得更加复杂。 英文
感谢奥斯蒂和扎亚克在文字录入和绘图方面给予的帮助。本研究得到了美国海军研究办公室和美国国家科学基金会的资助。 英文
（齐红艳 翻译；徐义刚 审稿）