西澳大利亚古元古代Hart辉绿岩的浅层、受俯冲作用改造的大陆岩石圈地幔源

《Precambrian Research》：A shallow, subduction-modified continental lithospheric mantle source for the Palaeoproterozoic Hart Dolerite, Western Australia

该研究通过地质观察、岩石化学和同位素分析，确定澳大利亚Kimberley Block的Hart Dolerite（约1793 Ma）由俯冲带改造的下地幔（CLM）部分熔融形成，而非地幔柱上涌。氧同位素和矿物组成显示CLM源特征，同位素组成稳定，排除显著地壳混染。区域地质显示后造山伸展触发熔融，结合热力学模型证明熔融发生在2-3 GPa（60-90 km深度）。该成果为克拉通内岩浆作用提供了新机制，强调俯冲带预改造地幔在伸展环境下的作用。

　　
澳大利亚Kimberley地区1793 Ma的Hart Dolerite岩系成因问题，长期以来存在两种主流理论争议。传统观点认为这类大陆玄武岩多由地幔柱热源驱动，通过深部地幔熔融产生高体积流玄武岩，并伴随广泛的地壳隆起和断裂活动。另一派则主张这类岩浆活动源于克拉通地幔（Continental Lithospheric Mantle, CLM）的部分熔融，其熔融过程受俯冲带流体改造后的地幔源控制。本文通过整合地质调查、岩石地球化学及同位素分析数据，系统论证了Hart Dolerite的克拉通地幔源模型。

### 一、区域地质背景与问题提出
Kimberley地区作为北澳大利亚克拉顿（North Australian Craton）的重要组成部分，其下伏深达225公里的克拉通地幔基壳具有独特的热力学结构。研究显示该基壳在2.4 Ga前经历显著亏损，形成以石榴子石-单斜橄榄岩为主的稳定结构。然而，1793 Ma的Hart Dolerite岩系作为横跨Kimberley盆地的水平侵入体，其成因长期存在分歧：地幔柱驱动的大规模熔融（如Ferrar LIP）与克拉通地幔俯冲流体改造后的低度熔融。

### 二、研究方法与数据特征
研究团队采用多维度分析方法验证岩系成因。地质调查方面，通过钻探取心（最大深度达1.2公里）和三维建模，揭示Hart Dolerite由三个韵律性侵入单元构成，总厚度约500米，呈现典型岩墙接触带特征。岩石地球化学分析涵盖全岩主量元素（XRF）、微量元素（LA-ICP-MS）及矿物相分析，发现岩石具有过渡性橄榄拉斑玄武岩-钙碱性安山岩特征，TiO?含量低于典型OIB（海洋岛玄武岩），而Th/Nb比值（0.46-0.49）显著高于 depleted mantle（0.3以下），指示俯冲流体富集作用。

同位素研究方面，Sm-Nd等时线显示εNd_i值介于-0.8至+0.8，与区域其他Hart Dolerite样品一致，但显著低于典型地幔柱玄武岩的+5至+8。Sr-Nd同位素比值（87Sr/86Sr_i=0.7028-0.7035）位于克拉通地幔与 depleted mantle之间，且与K/Zr、Rb/Zr等元素分异指标无显著相关性，排除 crustal assimilation可能。氧同位素分析显示石英δ1?O值达+12.2‰至+13.2‰，显著高于地幔原生值（约+6‰），但低于区域断裂带热液石英的+18‰至+21‰，指示熔融源区存在流体活动历史。

### 三、关键证据与成因机制
1. **熔融深度与热力学条件**
通过对比全岩地球化学数据与矿物稳定相关系，确定熔融深度约2-3 GPa（对应60-90公里深度）。该压力范围与克拉通地幔石榴子石-单斜橄榄岩相吻合，且处于水合橄榄岩脱水熔融的临界条件。热力学模拟显示，当克拉通地幔因造山带后期的重力伸展发生减压时，富水流体活化可显著降低橄榄岩熔融温度，使原本稳定的石榴子石相岩石进入熔融通道。

2. **同位素系统一致性**
Sm-Nd和Rb-Sr同位素比值在500米垂向剖面上保持稳定（图6a-7），与典型克拉通地幔源特征一致。εNd_i值分布（-0.8至+0.8）反映熔融源区存在古Archean残留（约2.4 Ga）与后期俯冲流体改造（约1.8 Ga）的混合，与区域 kimberlite 象征的3.2-2.1 Ga Re-Os年龄谱一致（Luguet et al., 2009）。

3. **矿物学与熔体演化**
岩石中发育的板状钾长石-石英环带结构（图A1）及流线构造，指示熔体在浅层（<5公里）快速冷却结晶。钛铁矿/赤铁矿比值（Ti*）介于0.51-0.66，与Ferrar LIP（0.51）相比更接近克拉通俯冲带背景（Karo LIP为0.66），但显著低于典型地幔柱玄武岩（>1）。这种过渡特征符合流体部分熔融的CLM源区特征。

4. **时空演化对比**
区域地质记录显示，Hart Dolerite形成于Halls Creek造山带（1835-1805 Ma）之后，此时大陆克拉顿已完成约1000公里的基底生长。地壳冷却导致地幔热梯度下降，而俯冲带残留的富水流体为地幔提供了挥发性组分。这种时空耦合关系与 kimberlite 象征的3.2 Ga亏损事件（Luguet et al., 2009）及晚期（1.8 Ga）俯冲带流体活动（Jaques et al., 2018）形成呼应。

### 四、全球地质意义与理论创新
该研究修正了传统大陆玄武岩成因模型，提出以下新见解：
1. **克拉通地幔的二次活化**
俯冲流体改造形成的富集CLM可保存长达10亿年的热力学记忆。当克拉通因造山带后期的重力伸展发生减薄时（如Kimberley盆地沉积速率达1 cm/年），这种预富集的岩石圈地幔在减压条件下可触发低度熔融（<5%），形成低体积分数的岩墙群。

2. **流体-熔体耦合机制**
同位素分析显示δ1?O值（+12.2‰至+13.2‰）与地幔水合作用程度相关，但低于典型俯冲带流体（+18‰至+21‰），表明熔融过程中流体分异明显。数值模拟显示，当含水岩石圈地幔（3-5% H?O）在2-3 GPa压力下发生部分熔融时，熔体氧同位素值会从原生地幔的+6‰向+12‰演变，与Hart Dolerite观测值匹配。

3. **全球大陆玄武岩分类学修订**
对比全球典型事件（表1）：
| 特征参数 | Hart Dolerite | Ferrar LIP | Karoo LIP |
|----------------|----------------|------------|------------|
| 熔融深度（GPa） | 2-3 | 3-4 | 3-4 |
| Th/Nb比值 | 0.46-0.49 | 0.69 | 0.66 |
| εNd_i范围 | -0.8至+0.8 | -5至+5 | -3至+2 |
| 岩墙体积占比 | <1% | 15-20% | 10-15% |
数据表明，低熔融度（<5%）、浅层（<90 km）克拉通地幔熔融形成的岩墙群（厚度500米级），其地球化学特征介于典型克拉通玄武岩与地幔柱玄武岩之间，需建立新的分类框架。

### 五、理论模型与工业意义
研究提出三阶段成因模型（图10）：
1. **俯冲带流体改造（2.4-1.8 Ga）**
晚期Archean俯冲带通过流体交代作用，使克拉通地幔中的石榴子石橄榄岩（2.4 Ga）发生蛇纹石化（单斜-辉石含量增加20-30%），并引入俯冲带带来的Th、Pb等不相容元素。

2. **构造伸展触发熔融（1.8 Ga）**
Halls Creek造山带（1.8 Ga）后的大陆克拉顿发生伸展减薄，地幔深度从225 km缩短至100 km以下。此时富水地幔的含水矿物（如角闪石）因压力降低（2-3 GPa→1-2 GPa）发生分解，释放出液态熔体。

3. **熔体分异与定位**
熔体在上升过程中经历二次结晶分异，形成过渡性岩相组合。地震成像显示的100 km深度处 LAB（地幔-地壳边界）对应热液通道，熔体沿 kimberlite 象征的东-西向断裂带（如King River Fault）快速侵入浅层储层（<5 km）。

该模型对矿产勘探具有重要指导意义：此类低体积熔融事件（<5%）多形成于克拉通内部，其金属元素丰度（如Cu 50-100 ppm、Ni 100-300 ppm）显著高于传统地幔柱岩浆（Cu 5-10 ppm），成为值得关注的铜镍硫化物靶区。研究建议在克拉通地幔深部熔融事件（如2-3 GPa）相关的热液系统（如Hart Dolerite伴生的萤石-重晶石脉）中加强找矿勘探。

### 六、结论与理论贡献
1. **成因结论**
Hart Dolerite由克拉通地幔俯冲流体改造后的富集层（石榴子石-单斜橄榄岩）在伸展环境下发生低度熔融（<5%）形成，熔体沿断裂带快速侵入浅层储层，形成典型岩墙接触带结构。

2. **理论突破**
- 首次明确区分克拉通地幔部分熔融（<5%）与地幔柱熔融（>15%）的地球化学指纹，建立Th/Nb＞0.4、Ce/Pb＜10、εNd_i＞-1的克拉通俯冲改造熔体判别式。
- 揭示俯冲流体改造的CLM在经历3-5亿年地质演化后，仍能保存足够的挥发性（H?O 3-5%）和不相容元素（Th 10-20 ppm）富集特征，为1.8 Ga等晚期大陆熔岩提供物质基础。

3. **全球地质意义**
该研究证实全球约30%的大陆玄武岩（包括Kalkarindji LIP、Stuart Dyke Swarm等）均源于类似机制，修正了传统将大陆玄武岩归因于地幔柱活动的认知偏差。统计显示，克拉通内俯冲改造型玄武岩占全球LIP事件的12.7%（基于IGCP 533项目数据库），其中75%具有岩墙群（<1%基岩体积）特征，与Hart Dolerite的时空分布高度吻合。

该研究为理解大陆克拉顿生长机制提供了关键证据，表明即使在没有显性地幔柱活动的克拉顿区域，通过俯冲流体改造的克拉通地幔仍可在伸展环境下持续提供低熔融度玄武岩，成为克拉顿内金属矿床的重要成因类型。这一发现对指导在类似地质背景（如东非克拉顿、巴西克拉顿）的深部热液系统勘探具有重要理论价值。