地球深部水循环的动力学机制与相关问题研究进展

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(兰州大学地质科学与矿产资源学院 ，甘肃省西部矿产资源重点实验室(兰州大学)甘肃 兰州 730000)

地幔转换带(mantle transition zone，MTZ)是介于上下地幔之间的区域，是指410km和660km不连续面之间的地幔部分。地幔转换带内部发生的地质过程深刻地影响着与之相关的地质事件，而地球深部的水循环在其中起到了重要作用，是解决许多重要地球科学问题的钥匙(BIRCH,1952)。但是，由于缺乏直接来自于地幔转换带的样品，对地幔转换带的研究主要使用的是一些交叉学科的研究手段，尤其以地球物理为主，由此产生的相关地球物理的数据又由于自生多解性的缘故，在详细系统的说明有关地球深部的物质结构和地质过程的时候仍然存在较大的困难，由此必须藉由高温高压的实验来证实和解释(金振民，1997)。在各个类型的构造背景之中包含有种类丰富的地壳与地幔之间的耦合作用，而其中的俯冲带地区是二者相互作用最为强烈的区域之一(赵子福等，2015)。在俯冲带，岩浆的来源主要有地幔楔物质的熔融以及俯冲洋壳和深海沉积物(THORKELSON，1996)。此外，岩浆产生的一个重要来源包括向地幔进行俯冲的板块在深度达到一定程度的时候而释放的水的参与，这是一个不可忽视的机制，这会影响岩浆的形成。例如，地幔物质的绝热减压的过程，地幔楔物质熔融的程度大小以及地幔楔的水通量都在其形成过程中起到了重要的作用(HELFFRICH et al.,2001)。因此，可以通过观测一些数据来解释目前难以观察到的地方，而广泛分布在地表的大陆溢流玄武岩(continental flood basalt，CFB)便是其中很好的一个例子。大陆溢流玄武岩对于壳幔循环的动力学机制研究意义重大。通过对全球范围内的大陆溢流玄武岩的地球化学特征的分析，结合其与构造环境的相关关系，便可以推知其源区的一些性质，借此便能够初探地球深部水循环的部分性质。目前提出的地幔转换带水过滤器模型(WANG et al.,2016)对于地幔不均一性的问题给出了一个很好的解释，地幔转换带的富水程度远高于上、下地幔，由俯冲过程带入的残余板片下沉进入地幔转换带，残余板片在地幔转换带发生相变并伴随脱水作用，释放出来的水导致部分熔融的发生，之后引发相应的含水流体的上涌，交代上覆岩石圈地幔，使得岩浆作用产生的大陆溢流玄武岩具有类似岛弧玄武岩的地球化学特征。而传统的玄武岩构造判别图在区分这2类玄武岩时判别精度不够高(王金荣等，2017；杨婧等，2016)。可以通过进一步的敏感的元素进行划分(XIA et al.,2014)，所以需谨慎地使用构造判别图。笔者在查阅大量文献的基础上，结合最新的研究进展，对地球深部水循环的一些理论进行对比总结，旨在更好地理解岩浆成因机理与构造动力学过程之关系。

1 深部地球水循环研究历史及趋向

1.1 研究历史回顾

深部地球水循环的研究始于20世纪50至60年代(MARTIN et al.,1972)。伴随着高温高压实验技术的兴起以及测试分析水平的提高，地幔转换带的深度环境条件已经能够成功的在实验环境中模拟实现，这使得我们对于在地幔转换带之中的矿物岩石学研究、矿物物理学研究、热动力学状态以及流变学诸多方面的研究有了长足的发展。然而要想掌握地球深部成分和结构的情况，目前的手段是采取对比地球深部物理特征，结合特殊的矿物组合的性质，由此对地球深部的物理化学性质进行评价和估计，我们需要认可并且采用一种符合实际情况的地幔成分模型，而对于地幔转换带物质组成的分析必须建立在现有的地幔岩石学模型的基础上进行操作。目前有2个上地幔物质组成的相关模型，主要是pyrolite(地幔岩)模型(RINGWOOD,1962;RINGWOOD,1966;RINGWOOD,1975;RINGWOOD,1979;SUN,1982) 和piclogite(苦橄质榴辉岩)模型(ANDERSON et al.,1984; BASS et al.,1984; DUFFY,et al.,1989)。其中，前者更为广大学者所接受。

由RINGWOOD首先明确指出的“pyrolite”模型，指的是地幔含有60%的橄榄石成分、30%的辉石成分以及数量较少的含铝相矿物组成，其中含铝相矿物根据压力的大小情况可划分为石榴子石、尖晶石或者斜长石(RINGWOOD,1991)。这种模型对于许多地球物理的相关现象都能够很好的进行解释，然而该模型中存在的最大问题就是其中的橄榄石成分在深度为410km时引起的密度和波速的突然改变都与地震波的实际测量值不同，并且要高于实际测量值(SHEARER et al.,1999;CAMMARANO et al.,2005)，这是唯一存在于该模型的一个无法解释的问题。

地幔的另一种矿物组成模型是由ANDERSON et al(1984)提出的“piclogite”模型。在这个模型中，橄榄石在地幔之中的含量下降至40%～50%，而辉石和石榴子石含量却一一上升,然而piclogite模型一直缺乏直接的高温高压实验数据的支持。在后来的关于地震的波速及密度研究中的结果表明，实际测得的地球物理结果更加倾向于pyrolite模型。经理论计算，2种模型的矿物组成随着深度的变化而变化，pyrolite模型在实验中受到广泛应用，加深了我们对于地幔的认识水平。

想要清楚地了解和掌握地球深部的物质状况就必须借助科学的实验，这就要求我们结合各类相关学科的知识，尤其着重于材料领域的科学、传统的物理学化学手段以及新兴的计算机科学来实现综合性水平的提升。现在高温高压实验的技术已经取得了长足的突破，尤其是激光加热金刚石压砧(LHDAC)和大体积压机(LVP)这2种技术手段对于高温高压实验有着至关重要的意义，在此基础上再结合同步辐射技术(synchrotron radiation)，就可以使得研究人员在高温高压的条件下进行原位(in situ)定量地对地球深部物质的相变情况和相关矿物的物理性质进行探究(OHTANI et al.,2008)。

需要指出的是，对于地球深部的研究，关于地球深部赋存矿物的相变情况和结构的研究是不可忽视的一个方面，因为地幔转换带中的地幔物质的成分和结构受控于相关矿物的相变状态，而这也对探究相关地幔流体的交代作用等一系列地球动力学过程具有指导作用。位于地幔410～660km深度范围的地幔转换带(MTZ)，处于该区域内的橄榄石会经历连续的矿物相转变过程位于410km邻近区域的橄榄石就会转变为瓦兹利石(wadsleyite)，这是对橄榄石而言的高压矿物相，也是410～520km深度主要的矿物相，常称为β相橄榄石；接下来在520km的区域内发生相的转变，转变为林伍德石(ringwoodite)，学术界认为这是520～660km区域内的主要矿物相，称为γ相橄榄石；最后在660km附近分解为钙钛矿(perovskite)以及镁方铁石(magnesiowustite)，为下地幔的主要矿物相。

地球深部动力学研究离不开对其中水的研究，因为水可以降低地幔熔融温度，通过流体传输元素，加强扩散作用，并且可能改变相转变边界的位置(WOOD,1995)。

水对地球深部过程具有重要影响，如矿物的相转变(SMYTH et al.,2002)，地震波的性质(INOUE et al.,1998) 等，同时也是地球深部发生流体交代作用的主体。在地球浅部，水主要赋存于俯冲板块的各种含水矿物中，以及俯冲洋壳带来的沉积物中，并且通过俯冲从而进入地球深部位置，在俯冲深度不断增加的过程中，这之中裹携的大量含水矿物状态逐渐不稳定从而引发脱水作用，这个过程中赋存的水的主要形式是名义上无水矿物(Nominal Anhydrous Minerals，NAMs)，包括一部分致密的水镁硅酸盐之内(BELL et al.,1992)。名义上无水矿物通常表述为在化学式中未见到H元素，但是实际中却可以在晶格中观察到一定数目的H元素的一类矿物。KUBO et al.(1998)观察到水可以加强橄榄石α-β相的转变，同时水可以改变瓦兹利石的流变学性质，使其携带0.02%的水含量。

地幔转换带中的主要矿物，瓦兹利石和林伍德石都是名义上无水矿物，地幔转换带中的的含水数量都取决于这些名义上无水矿物。研究表明，地幔转换带中潜在的含水量较之地表含量很高(IONUE et al.,1995)。

借助于地幔中主要储水矿物的含量，可以大致估算出包括地幔转换带在内的地幔各个圈层的储水能力。表1表示地幔中各圈层的储水能力，通过其中矿物的含水能力以及矿物的比例计算得出，矿物的比例依照RINGWOOD提出的地幔岩模型中的各个矿物的比例。

表1 地幔各圈层的储水能力(ANDERSON,2007)Tab.1 Water storage capacity of each mantle layer (ANDERSON,2007)

1.2 存在的争议

目前关于地球深部水循环存在许多争议(GREEN et al.,2008) 。其中之一就是地幔转换带有无水的参与，也就是转换带的“干”“湿”之争，尽管实验结果显示名义上无水矿物都含有一定能力的储水本领，但并不代表转换带中就一定储存着大量的水，而且根据不同的模型的计算，具体含水多少等问题目前还存在很大争议(OHTANI, 2005) 。

现已发现地幔中名义上无水矿物可以含有高达3%的水(KOHLSTEDT et al.,1996)。而且如果矿物含水的话，其物理性质与不含水时将会有很大的差异(HIRSCHMANN,2006)。实验也证明，地幔转换带中存在的林伍德石可以含有相当多的水。OHTANI et al.(2001) 发现林伍德石的含水量与温度的变化呈现负相关性，伴着温度的升高而呈现降低的趋势，原因在于相边界与林伍德石的含水量有密切的关系，水参与后的影响与温度的影响正好相反，尤其是温度较低时水影响的程度更甚，这是因为水的传输能力与板片的热状态有关。例如，热的年轻的板片只能将很少水带入地幔深部，然而冷的板片在临界条件(600℃，6 GPa)则能够携带大量水进入深部地幔(KUBO et al.,1998)。660 km地震波速的大幅下降也被认为是转换带中水存在的证据之一(LITASOV et al.,2005)。

尽管实验的结果说明了地幔转换带含水的事实是存在的，不过不同实验得出的具体含水数目则存在较大差异。HUANG 等(2005)认为，地幔转换带中含水，但是含水量在不同的地区存在很大的差异，而且通过全球地幔转换带电导率的研究表明，其在全球的分布存在着不均一性，而且通过和大地电磁测量实验的结果相互比较得出的结论是，在无水条件下橄榄石的电导率与地球物理测量结果存在很好的相关性，由此可以推导得出，水分布的不均一性是全球范围内地幔转换带的一个普遍现象，尤其在一些构造背景下，如笔者讨论的俯冲带环境，地幔转换带是富含一定量的水的，但是在有些地区则呈现出无水的情形，这就使得地幔转换带是否含水成为一个学术界研究讨论的热点问题。

尽管赋存于地幔转换带中的某些矿物存在含有一定数量水的可能性，但是直接证据的缺乏，即目前尚未直接观察到来自地幔转换带的样品来证明其中是否含水。地幔转换带能否将如此多的水稳定地保存其中仍然值得商榷，换句话说，高的储水能力并不代表着实际的高含水量。

1.3 地球深部水循环研究新进展

随着板块构造理论逐渐被学术界广泛地接受，在20世纪80年代，伴随着玄武岩构造环境判别方法的发展，使得玄武岩在地球动力学、大地构造背景研究中所体现出的影响和作用愈来愈大(王金荣等，2017)。20世纪90年代所使用判别图由于时间久远、研究区域普遍较小、研究思路以及研究手段的匮乏以及分析技术的瓶颈所限，从发展的角度来看，不足之处难以避免，许多不同类型的玄武岩在判别图上因为重叠区域太大而难以区分(LI et al.,2015)。WANG 等(2015,2016)在基于全球6个大火成岩省大陆溢流玄武岩以及与裂谷作用有关的美国盆地-山脉省的玄武岩数据进一步验证了玄武岩构造判别图的置信度，认为利用主要主量元素、微量元素及其原始地幔标准化蛛网图等综合的判别体系是能够区别类岛弧地球化学特征的大陆溢流玄武岩与岛弧玄武岩的，并且提出了一个新的地幔转换带水过滤器模型(WANG et al.,2015)，进一步指出地球深部流体(主要是水)再循环是大陆溢流玄武岩富集流体活动性元素的重要机制，由此可见地球深部水循环所起到的重要作用。

该模型提出，来自地幔转换带内残余板片熔融产生的含水流体的上涌组分是构成大陆溢流玄武岩的主要来源。俯冲板块产生的流体在形成弧岩浆和新地壳的过程中占有十分重要的地位，残余板片物质继续向深部俯冲，因此对深部地幔的地球化学组成产生了一系列的影响，在板内玄武岩岩浆中可能伴随有部分古老板块的参与(国坤等，2016)。而在地表占绝大多数的大陆溢流玄武岩往往显示出类似岛弧玄武岩的地球化学特征，其原因也可以通过地球深部水循环得到很好地解释，并且从根本上将其与真正的岛弧玄武岩区分开来(WANG et al.,2015;WANG et al.,2016)，而传统意义上的构造判别图在区分两者时得到的结果往往不很理想，所以重新理解大陆溢流玄武岩的起源就显得尤为重要。因为判别玄武岩的构造环境对于接下来的工作开展尤为关键，如果能够基于一个正确且合理的结论，与之相关的工作也会进行的更加科学和系统。

玄武岩的地球化学特征取决于其源区的组成，熔融的条件(温度、压力以及有无含水相)以及之后发生的部分熔融和AFC作用等(DUNCAN,1987)。往往只有这些地质过程对于某个特殊的构造环境显示出独特的鉴定特征时，这些玄武岩的组成才能作为构造环境的指示器(XIA, 2014)。因此，这些弧形特征是如何产生的就成为了区分弧型和在俯冲环境下产生的真正的岛弧玄武岩的关键。

1.4 与地球深部水循环有关的CFB的起源

目前一致的看法是CFB的类似岛弧玄武岩地球化学特征都可以用直接或间接地来自从俯冲板片中释放出来的水(包括其他流体相)来解释(IVANOV et al., 2013)。地球化学和岩石学都说明了类似岛弧玄武岩的大陆玄武岩的地球化学特征和富集的放射性同位素特征都来自于交代过的、长期远离地幔对流的地幔源区(MERLE et al.,2014)。但是，俯冲板块产生的流体是如何影响和控制这些类似岛弧玄武岩特征仍是一个未解决的问题。

有的学者认为部分熔融过程发生于无水的大陆岩石圈地幔(SCLM)橄榄岩固相线条件下，显然干的SCLM不可能是CFB的源区，因此地幔转换带中的含水能力能够解释这个问题，这也与GALLAGHER(GALLAGHER et al.,1992)等人的观点相一致。如果岩石圈地幔含有足够多的水(0.3%H2O),橄榄岩固相线可以降低500℃，在该条件下，岩石圈地幔的部分熔融就可以作为CFB的主要源区。

FUKAO et al.(2009)结合数学建模与地球物理的研究说明俯冲过程产生的大量水可以到达地幔转换带。因此，类似岛弧玄武岩地球化学特征或许与地幔转换带的深部地球流体循环有关(IVANOV et al.,2008)。

对于大陆溢流玄武岩来说，这种大规模喷发的玄武岩需要一个足够大的且连续的含水富集源区，并且需要一个相当长的稳定时间来建立同位素异常储库。因此，首先可排除SCLM作为CFB源区的可能性。如果需要一个更深的地幔来源作为CFB的物质来源和喷发基础，那么这种来源毫无疑问应该是地幔转换带。最近观察到的10 μm林伍德石的颗粒提供了地幔转换带含水本质的第一手证据(PEARSON et al., 2014) 。

在深部水循环模型中，当俯冲进入地幔转换带内的残余板块由于重力原因继续下沉时，发生了矿物相转变，因此使得密度发生了变化，由于浮力的原因，便会产生含水流体的上涌，上涌的流体交代上覆地幔橄榄岩，由于不相容元素主要存在于角闪石等矿物中，当含水流体上升交代地幔橄榄岩时，矿物在流体中的溶解率受阳离子从晶体中扩散速率的影响，如金红石这样的富Ti氧化物，具有高电荷的阳离子，溶解速率低于硅酸盐矿物，高度交代的地幔岩石中含有大量的金红石，它们将导致LREE，LILE优先于HFSE而进入流体中，这一过程有实验结果所支持(MUNKER, 1998)。除了矿物相本身的影响，LREE、LILE、HFSE在流体中的溶解度还存在差异，流体活动性元素容易在流体中迁移，而HFSE不易溶解，因此交代地幔部分熔融产物具有高的LILE/HFSE值。LREE富集的原因是因为部分熔融程度低，也可能源于源区的富集，此外，当洋壳快速俯冲至地幔发生板片断裂，下部的富集地幔通过裂隙上涌发生减压熔融，也能够形成不相容元素和LREE的富集。

长石、辉石、橄榄石等主要造岩矿物中含有的H2O和Ce都是不相容元素，并且其不相容性非常相似，而且H2O/Ce值在部分熔融和结晶分异两种过程中都不具有明显的分异现象，所以岩浆的H2O/Ce值在排除了脱气作用的影响后就代表了源区的H2O/Ce值(夏群科等,2015)。因此，岩浆的水含量和H2O/Ce值可以用来指示源区的组成(THY et al.,2006)。因为水的行为表现的像高度不相容元素，如Ce和K2O。在地-幔熔融过程中，H2O/Ce值可以作为水流体在熔融中的贡献的指标(HAURI et al.,2006)。DIXON 等(2002)基于全球岛弧玄武岩数据，结合RUSCITTO 等(2012)的研究，认为流体活动性元素与非流体活动性元素(La，Nb)的比值与H2O/Ce高度相关。这就意味着流体活动性元素的富集可以用来限定初始的H2O/Ce值。地壳中的脱气作用导致H2O的损失，但对REE没有影响，因此会降低H2O/Ce值(PLANK et al.,2013)。具有较低的H2O/Ce的玄武岩源区可能有发生过强烈脱水作用的洋壳玄武岩的参与，而显示出高的H2O/Ce值的玄武岩源区由2部分组成，既有俯冲洋壳的玄武岩的参与，同时还包括沉积物组分(夏群科等,2015)。在类似岛弧玄武岩的陆内玄武岩和岛弧玄武岩中流体活动性元素的富集和HFSE的亏损的相似性都说明了深部地球水循环在形成地球大火成岩省中的重要作用。

1.5 地球深部水循环模式

一个新的模型建立的意义是因为它具有很好的解释预测和指导作用，可以用来解释许多地球动力学过程。传统的地幔柱理论及其模式得到广泛承认的原因正是因为它们很好地解释了大洋板内玄武岩的相关问题。在21世纪初期，在地幔柱模式的指导下，全世界范围内取得了一系列卓越的研究成果(CIVIERO et al.,2015)。然而目前这些传统理论及模式并未像人们所希望的那样在陆内造山带地区产生重大影响，这严重地撼动了地幔柱模式在地球动力学研究中的地位(FROMM et al.,2015)。于是以WANG 等(2015)为代表的一批学者，通过对世界范围内多个地区的CFB进行的观察和研究，提出了以地球深部水循环为指导的地球深部水过滤器模型。该模型将地球深部水循环、残余板片、含水流体地幔上涌、大规模板内岩浆作用和超大陆的拼合与裂解结合在了一起(图1)。由图1可知，当俯冲板片进入地球深部的地幔转换带，许多残余板片滞留在地幔转换带之中，在此阶段地幔对流呈现分层性，滞留在地幔转换带的残余板片最终俯冲进入下地幔，有一部分发生矿物相转变回到上地幔，在下地幔顶部发生部分熔融，导致残余板片释放出流体和熔体成分，这会导致大规模的含水流体上涌，并且在地幔转换带引发交代作用。从俯冲板块回到上覆地壳和软流圈中的元素是地球上各个位置的元素物质再循环的重要过程之一(国坤等，2016)。聚集在下地幔顶部的地幔柱物质也会加强地球表面以及地幔转换带之间水的循环，并且会促进含水流体的上涌。

图1 地幔转换带水过滤器模型图(据WANG，2015)Fig.1 Mantle transition zone water-filting model(After WANG, 2015)

与地幔柱模式不同，地幔转换带水过滤器模型将地球深部水流体循环、大规模陆内岩浆作用和超大陆拼合与裂解组成了一个体系。这个模型说明了超大陆的聚合潜在地导致了含水大洋板片在地幔转换带内的积累，并且可能改变了地幔对流的模式(FUKAO et al.,2015)。

Pangea古陆和Rodinia超大陆的重建模型支持了这一模型，它们的周围围绕着环超级大陆俯冲带(LI et al., 2009)。这些特征也适用于其他超级大陆，并且有重要的地球动力学启示(LI et al.,2008)。地幔转换带内的板片的黏度和矿物相转变是决定滞留板片命运的关键因素(NAKAKUKI et al.,2010)。缓慢的辉石-石榴子石的相转变说明滞留板片在地幔转换带内存留超过了100 Ma(LI et al.,2008)，大量的基于板片黏度的热动力学模型同样说明滞留板片的存在周期为100～130 Ma(LI et al, 2009)。这也与Pangea古陆和Rodinia超大陆的最终拼合与初始裂解之间的140～150 Ma的时间相一致(LI et al.,2008)。这种相似性可能对板片崩塌和超大陆的裂解的联系有所启示。地幔转换带内相对稳定的板片最终会俯冲进入下地幔。这会产生大规模的含水流体上涌并交代上覆大陆岩石圈，由于重力不稳定以及矿物相转变的原因，导致大陆岩石圈最下部的不稳定(WINDLEY et al.,2010)。更重要的是，含水的玄武质流体会汇聚在岩石圈和软流圈的边界(LAB)，为加速板块移动提供一个润滑的作用(SAKAKMAKI et al.,2013)。残余板片崩塌导致的上涌流体以及含水玄武质熔体的活动性将会促进超级大陆的裂解。超级大陆裂解相应的也可能会促进残余板片的崩塌。由于含水玄武质熔体的物理性质偏向于集中在LAB，所以对于理解与克拉通破坏有关的玄武质岩石成因十分关键。例如，中国华北克拉通地区。因此，地幔转换带内部的残余板片崩塌导致的上涌含水流体在超大陆的裂解与在地球表面和地幔转换带之间的水循环过程中起到了关键作用。如此大规模的含水流体上涌引发并控制了大规模的陆内岩浆作用。

这里再次强调起源于核幔边界的地幔柱并不是产生类似岛弧玄武岩CFB的重要条件，但是地幔柱的存在必然将会加强深部流体循环。WANG 等(2015)认为地幔柱和超级地幔柱产生的物质加速了矿物相转变，并且随后加强了地球深部的流体循环。新的模型认为板片的崩塌导致了上涌的流体可能会引发最初的大陆裂解。这与Pangea古陆最初裂解产生的显著的类似岛弧玄武岩的大陆玄武岩相一致。

2 相关的大陆溢流玄武岩实例

2.1 CFB的鉴定特征

随着地球科学的发展，地质学家对于大陆溢流玄武岩和岛弧玄武岩的研究取得了一系列进展，但与此同时也产生了许多问题。由于来自地球的深部流体对于大陆地壳或岩石圈的混染作用可以给出似消减带的信号，从而会使得人们将大陆玄武岩误判为岛弧玄武岩 (夏林圻等，2007)。因为大陆溢流玄武岩往往显示出类似岛弧玄武岩的地球化学特征(Arc-like signature)，所以如何将大陆玄武岩与岛弧玄武岩区分开来，就成为了大陆火山岩研究中一个十分重要的课题(ERNST et al.,2005；XIA,2014)。

大陆溢流玄武岩(CFB)也称为板内玄武岩，大多集中于裂谷带上，保存于被动大陆边缘，部分与板内深大断裂有关，广泛的分布于大陆之上，是一类研究详细的玄武岩类，巨大规模的大陆溢流玄武岩被称为大火成岩省(王金荣等，2016)。前人的研究表明，大陆溢流玄武岩通常具有平坦的REE分配形式，并以缺乏Nb，Ta和Ti的负异常为特征，没有受到混染的大陆溢流玄武岩通常是以(Th/Nb)n<1,Nb/La>>1,低87Sr/86Sr值(0.703 4～0.706 4)，高εNd(t)值为特征(HAWKESWORTH et al.,1995)。而受到混染的大陆溢流玄武岩则具有较低的Nb/La(<1.0),较高的87Sr/86Sr值(0.704 3～0.713 7)，较低的εNd(t)值，并且Nb，Ta和Ti负异常程度显著高于俯冲带的玄武岩。板片来源的流体/熔体会导致低的Nb/La值，岩石圈的混染也会使Nb/La值降低，但是会产生负的εNd(t)值，从而造成类似岛弧玄武岩的地球化学特征(XIA,2014)。

CFB通常分为高Ti和低Ti两类，这反映了地幔源区的不均一性(SAUNDERS et al.,1992)，这也与之前提到的地幔转换带内部水的分布相对应。在不相容元素中，Pb富集特征差异最大，Pb鉴于是一种俯冲迁移元素，俯冲组分中的Pb可能会掩盖地幔中Pb的组分。Pb如果有明显的正异常，那么CFB可能反映出板块俯冲作用有陆源物质的加入，而且富集地幔的不同还表现在Pb的异常方面，这也是地幔不均一性的表现(WEAVER, 1991)。Hf是一种非俯冲迁移元素，对揭示俯冲带岩浆初始物源具有重要作用(JORDAN et al.,2007)。

CFB拥有较宽的ε(Nd)和ε(Sr)，表明具有不同的Sm/Nd、Rb/Sr 值长期存在的独立源区，这也从侧面说明了对于CFB这种大规模喷发的玄武岩需要一个相当长的并且独立稳定的时间来建立同位素异常储库(PUFFER,2001)。

2.2 研究实例

根据PANG 等(2016)在内蒙古的本巴图组玄武岩的研究结果显示，该地区玄武岩具有类似弧型岛弧玄武岩的地球化学特征，具有较低的Sr87/Sr86初始值(0.704 2～0.704 8)，εNd(t)(+8.99～+9.24)以及εHf(t)(+15.38～+15.65)，在蛛网图上富集Rb，U，Pb，Zr和Hf；亏损Nb，Ta，Ti和Sr，显示出富集LILE,LREE，亏损HFSE的趋势，并且具有平缓的REE配分形式图，但是其中的Zr与Hf元素的富集以及Sr的亏损与典型的岛弧玄武岩区分了开来。笔者认为造成该地区玄武岩具有类似岛弧玄武岩地球化学特征的原因可能是地幔源区发生的交代作用导致的，而这一作用则发生在地幔转换带之中，通过俯冲作用进入的板片释放出的含水流体引起的。

在实际研究工作中，如果不结合实际的地质情况和地球化学特征加以认真详细地分析判断，只是通过某些使用频率较高却又最容易与岛弧玄武岩混淆的元素数值特征和地球化学图解，或者利用构造环境判别图解，就会将表现出岛弧型信号的大陆溢流玄武岩误判为岛弧玄武岩(夏林圻等，2007)。所以当利用玄武岩构造环境判别图解来鉴别有弧型特征的CFB时，必须谨慎地使用相关图解，尤其是在面对被卷入造山带中形成的环境未知的古老火山系时。在这种情况下，夏林圻等(2007)认为应使用Zr-Zr/Y图解，因为大陆玄武岩具有高的Zr(>70×10-6)，Zr/Y(>3.4)，这与是否被混染无关，因此这些具有弧型特征的CFB仍然会落在板内玄武岩(WPB)之内，这是因为Zr和Y在玄武岩岩浆上升时未受到影响的缘故，它们仍将保持其原始浓度(TURNER et al.,2003)。但是，如果使用与Nb、Ta、Ti有关的判别图时，由于地壳岩石中含有较低的TiO2含量和Nb、Ta含量，将会落入岛弧玄武岩(IAB)，因为类似岛弧玄武岩的CFB与IAB的多元素原始地幔标准化分配型式近似程度高，在判断时比较困难(KEPPLER,1996)。

典型的岛弧玄武岩(IAB)与大陆溢流玄武岩相比，总体上是以具有较低的Zr含量(<130×10-6)和Zr/Y值(<3.3)为特征；而大陆溢流玄武岩不论是否有弧型特征，它们都具有较高的Zr含量(>70×10-6)和Zr/Y值(>3.4)(PEARCE et al.,1979)。

3 结论

(1)地球深部研究是地学研究中的前沿学科，因此对于地球深部水循环的研究对地球内部的许多动力学过程都具有重要意义。近几十年来，地球深部水循环过程的研究成为地球科学研究的热点。但是依然存在许多未解决的问题(地幔转换带中水的实际含量等)。

(2)对地幔转换带结构的研究是清楚了解地球深部水循环的重要前提，因此有必要在中国发展高温高压实验技术，深入探索地球深部结构和性质，探讨地球深部水循环与地球动力学之内在的联系。

(3)大陆溢流玄武岩(CFB)的成因比较复杂，有可能与地球深部的水循环有关，而CFB常因具有类似岛弧玄武岩特征常被误判为岛弧玄武岩，所以正确理解CFB的起源对于正确区分二者具有重要的意义。

(4)以地幔对流为基础的地幔柱模式常用于解释与大洋玄武岩有关的地质过程，而以地球深部水循环为基础的地幔转换带水过滤器模型则为复杂的超大陆旋回、深部流体循环、陆内岩浆作用共存模式。地球深部水循环模型尚在探索阶段，这2种模式不会区分绝对的对错，只是在不同的情况下适用性不同。

(5)传统的玄武岩构造判别图在区分2类玄武岩(CFB、IAB)时判别精度不够高，可以通过进一步的敏感的元素进行划分，所以需谨慎地使用构造判别图。

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