综述：对受地幔柱影响的慢速扩张带中玄武岩序列独特的空间和时间分布特征的回顾，及其岩石成因学意义

《Geochemistry》：A review of the distinctive spatial and temporal compositions of basalt sequences associated with slow-spreading zones influenced by mantle plumes and their petrogenetic implications

玄武岩序列中微量元素和放射性同位素的空间及时间异质性揭示地幔不均一性，尤其与慢扩张海岭及裂谷区地幔柱活动相关。通过对比东格陵兰、冰岛、法罗群岛等地的玄武岩数据，发现高钛与低钛玄武岩的时空演变模式相似，均受上地幔动态分异和岩浆混合控制。建立包含脉冲式地幔柱上涌、分阶段上地幔动态部分熔融、软流圈顶出流及岩浆混合等过程的综合成因模型，解释慢扩张区玄武岩成分分异机制。

　　

大卫·A·伍德

DWA能源有限公司，英国林肯

摘要

本文系统地分析了来自东格陵兰、冰岛、法罗群岛、罗卡尔海槽、赫布里底群岛和莫恩斯海岭的玄武岩序列中微量元素和放射性同位素比值的时空及局部空间变化。这些变化表明了与地幔柱影响相关的局部地幔异质性，这些区域正处于初始裂谷作用和缓慢扩张的构造活动中。关键元素和同位素的变化幅度和范围在各个区域中相似。为了有效描述这些变化，本文采用了两个相关的参考成分：全球平均的中洋脊玄武岩（N-MORB）和板内玄武岩（WLD）。将区域平均微量元素浓度和Pb同位素值标准化为WLD参考值后，也揭示了特征性模式。东格陵兰、法罗群岛、罗卡尔海槽和赫布里底群岛的一些玄武岩序列受到了地壳污染的影响。然而，微量元素比值和标准化后的剖面仍然能够揭示影响这些熔岩序列的地幔异质性。基于这些区域在空间和时间上的变化特征（早期以富集成分为主，后期以难熔成分为主），本文提出了一个概念性的岩石成因模型，并对其进行了说明。该模型包括脉冲式地幔柱上升作用以及渐进式的上地幔动态部分熔融过程，形成了独特的岩浆脉冲；软流圈物质外流以及下地壳中的岩浆房之间的岩浆混合也是该模型的重要特征。研究表明，在缓慢扩张或初始裂谷作用的区域，由于地幔柱受到的侧向限制时间较长，玄武岩序列的成分演化具有独特性。

引言

近几十年来，人们通过各种基于微量元素比值的地球化学方法，为区分中洋脊玄武岩（MORB）和洋岛玄武岩（OIB）的成分做出了大量努力并取得了进展。例如，Th-Hf-Ta的三元关系图（Wood, 1980）、Th/Yb与Nb/Yb及Ti/Yb与Nb/Yb的比值交叉图（Pearce, 2008）以及Th/Nb与Nb/Yb的比值交叉图（Saccani, 2015）被用于区分这两种构造-岩浆类型。近年来，机器学习利用更大的数据集（Li et al., 2025, Takaew et al., 2024）在这一分类方面取得了进一步进展。这类分类技术在确定古老地层（如蛇绿岩和太古宙绿岩）中玄武岩的来源方面具有重要意义。然而，当单独使用这些方法时，它们在解释局部和区域尺度上观察到的玄武岩成分的详细时空变化时效果较差。

在大陆环境中，当OIB或板内玄武岩（IPB）靠近扩张脊时，许多研究发现了其微量元素和放射性同位素组成的广泛多样性。例如，在冰岛及其周围的海底，存在相对于MORB富集和贫化的玄武岩成分（Wood, 2026）。此外，大西洋及其他海洋中的个别岛屿也表现出由于不同成分的地幔柱作用而形成的多种微量元素和放射性同位素OIB组成（Weaver et al., 1987; Zindler and Hart, 1986）。许多研究者试图仅通过少数几种地幔源成分（特别是Nd、Pb和Sr同位素数据）来解释OIB成分的多样性，而未进行详细的微量元素分析。在地幔混合模型中，通常被认为是“端成员”的成分包括贫化的MORB样地幔（DMM）、富集的地幔1和2（EM1和EM2），以及显著富集²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb的地幔（HIMU）。其他有时被考虑的端成员包括“焦点区”（FOZO）或“普遍地幔”（PREMA）（Cai et al., 2023），这些成分与许多OIB的组成相符。然而，随着对更大规模玄武岩数据集的深入研究，人们意识到需要更多种类的端成员成分来解释多个地点的IPB成分分布（Stracke et al., 2022; Wood, 2025）。

近年来，地球物理和地球化学研究在理解地幔全深度的动态变化方面取得了显著进展。特别是中地幔过渡带（MTZ；约410至660公里深度）以及位于核幔边界上方的低剪切速度带（LLVSP；1900至2900公里深度）被认为在地幔柱成分多样性中起着关键作用。MTZ（Bercovici and Karato, 2003）作为俯冲海洋地壳和剥离大陆地壳的脱水过滤器，部分脱水的地壳板块在该区域停留数百万年，之后才沉入更深的地幔（Fukao et al., 2009）。MTZ上方的次大陆上地幔倾向于被来自MTZ的水合富集熔体发生交代作用（Guo et al., 2021; Wang et al., 2025）。Mg同位素数据显示，一些IPB源自具有MTZ来源特征的熔体（Moradi et al., 2025）。此外，穿过MTZ的地幔柱也倾向于与MTZ的水合熔体发生成分混合（Yu et al., 2022）。各种成分的残留/脱水俯冲板块（例如具有PREMA和EM1特征的板块，以及较少见的HIMU）最终会沉降到太平洋板块和非洲板块下方的两个不同的下地幔LLSVP中（Burke and Torsvik, 2004），这些区域可以视为它们的“最终归宿”。

LLSVP的扰动，尤其是在其边缘（Peng et al., 2025），部分熔化了这些残留板块，生成新的深地幔柱并上升至上地幔。强烈的地幔柱活动时间与超级大陆的分裂过程（数十亿年前）有关（Panton et al., 2025）。因此，现在认为不同成分的地幔柱至少起源于LLSVP20亿年前。随着这些地幔柱的上升，它们与MTZ中的水合熔体以及上地幔发生相互作用。由这种复合地幔物质形成的岩浆构成了全球火山序列中记录的各种IPB成分的一部分。

这些最新研究揭示了深地幔-地壳循环，有助于解释地幔柱在海洋和大陆区域出现的位置、原因及时间，以及一定程度上它们的成分演化和地球化学特征。然而，这种理解本身并不能解释地幔柱与大陆裂谷带相互作用时岩浆序列的演化过程。此外，对于缓慢扩张裂谷与快速扩张裂谷中玄武岩序列的成分演化也缺乏足够的了解。

早在20世纪70年代，人们就观察到在扩张构造环境中暴露和侵蚀的火山岩序列中存在局部尺度的垂直（时间）和空间玄武岩成分异质性（Wood, 1976）。研究表明，冰岛、赫布里底群岛第三纪火山省以及塞浦路斯特罗多斯地块晚白垩世蛇绿岩中的不相容微量元素在特定地点随时间和空间系统性地从相对富集（富集型）变为相对贫化（难熔型）成分。最近的观察报告了缓慢扩张的莫恩斯海岭（AVR-M10区域；挪威-格陵兰海；73.2°N）一个小范围内（约1平方公里）的不相容微量元素和放射性Nd、Pb、Sr同位素比值的显著变化（Stubseid et al., 2024）。值得注意的是，在AVR-M10区域内，较新喷发的玄武岩（<30千年前）具有更贫化的微量元素成分和较低的放射性Pb同位素比值，而其上覆的稍老的玄武岩（30至65千年前）则相反。

在莫恩斯海岭下方的电导率观测（Johansen et al., 2019）以及AVR-M16（位于AVR-M10东北方向250公里处；靠近Loki's Castle活火山口；Pedersen et al., 2010）揭示了与电定义的岩石圈-软流圈边界（LAB）相关的倾斜方向的上地幔上升作用。基于这一观察，Stubseid et al.（2024）提出了渐进式上地幔上升作用来解释AVR-M10及其他缓慢扩张海岭中玄武岩的成分演化。他们引用了阿曼和阿拉伯联合酋长国蛇绿岩（Ceuleneer et al., 1988）及其他缓慢扩张海岭段（Niu and Batiza, 1994）的观测结果来支持动态地幔流动模型。

四十多年前（Wood, 1979a）就提出了一个渐进式上地幔上升作用模型，该模型关联了一个概念性的、具有变异性脉状结构的异质上地幔（Wood, 1979b）。该模型假设了涉及部分熔体保留的渐进式动态部分熔融过程。通过这种方式，它能够合理解释当时可获得的数据，并解释自白垩纪以来在冰岛、法罗群岛、斯凯岛和塞浦路斯特罗多斯地块观察到的玄武岩成分演化（Wood, 1979a）。与莫恩斯海岭相关的最新观测结果（Stubseid et al., 2024）对缓慢扩张海岭及受地幔柱影响的初始裂谷带具有普遍意义。因此，有必要重新审视和比较东格陵兰-冰岛-法罗群岛-赫布里底群岛火山省中玄武岩的垂直和局部空间成分分带的历史观测结果，结合最近关于深地幔、上地幔和地壳过程的新认识，以建立更通用的岩石成因模型。

本文对比了在莫恩斯海岭、克尼波维奇海岭、扬马延岛（挪威-格陵兰海）、冰岛、东格陵兰、法罗群岛、罗卡尔海槽、斯凯岛和穆尔岛采集的玄武岩样本中发布的微量元素和放射性同位素比值证据。基于多个已发表的样本，本文回顾并描述了这些地理位置和构造上相关的玄武岩序列的特定成分分布。它强调了表明上地幔异质性的显著局部成分变化，并使用两个相关参考点对这些变化进行了基准评估：全球平均的中洋脊玄武岩（N-MORB）（Ito et al., 1987; Gale et al., 2013）和全球平均的板内玄武岩成分（WLD）（Wood, 2025）。考虑到观察到的成分变化，本文提出了一个涉及渐进式地幔上升作用、渐进式动态部分熔融、软流圈物质外流以及复杂的熔体-地壳相互作用的岩石成因模型，并对其进行了说明。

材料与方法

本文回顾并重新评估了图1中标记区域多项研究中发布的玄武岩样本的微量元素和放射性同位素数据。除克尼波维奇海岭外，这些区域都受到了地幔柱或其释放的软流圈物质的影响。这些区域要么是缓慢扩张的中洋脊（如莫恩斯海岭），要么是与穿越冰岛的中大西洋海岭相关的历史裂谷区（在这些区域中OIB和MORB共存）。

结果

首先按区域呈现微量元素和放射性同位素结果，然后综合评估这些结果以进行比较岩石成因分析。

讨论：岩石成因学意义

对所研究区域（克尼波维奇海岭、莫恩斯海岭、冰岛东部、东格陵兰、法罗群岛、北罗卡尔海槽和赫布里底群岛）的局部空间和时间玄武岩微量元素浓度及放射性同位素比值变化进行了分析和比较，发现了一些显著相似性。具体来说，这些区域（克尼波维奇海岭除外）喷发的玄武岩具有以下特征：

• 1)
  低Ti（更难熔）和高Ti（更易熔）成分的局部共存

结论

本文比较了在受地幔柱影响的缓慢扩张和初始裂谷区域喷发的玄武岩中发布的微量元素和Nd、Sr、Pb放射性同位素比值的变化。来自东格陵兰、冰岛、法罗群岛、罗卡尔海槽、赫布里底群岛和莫恩斯海岭的玄武岩均显示出相似的系统性时间和空间成分变化。

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