在达尔瓦尔克拉通（Dharwar Craton）下发现的混合辉石岩-橄榄岩成分的地幔，其形成可追溯至约5.5亿年前的古元古代（Paleoproterozoic）基性岩浆活动

Dharwar克拉通不同时代玄武岩群研究表明，地幔源区存在橄榄岩与角闪岩质混合特征，俯冲变质作用引入角闪岩质区域后，地幔热柱活动通过选择性熔融维持了约550百万年的间歇性岩浆活动。

斯里乔伊·达塔（Srinjoy Datta）| 杰滕·帕特奈克（Jiten Pattnaik）| 阿米娅·K·萨马尔（Amiya K. Samal）| 拉杰什·K·斯里瓦斯塔瓦（Rajesh K. Srivastava）| 萨亚安德普·班纳吉（Sayandeep Banerjee）| 法努斯·维尔琼（Fanus Viljoen）| 亨丽埃特·乌克曼（Henriette Ueckermann）

印度瓦拉纳西（Varanasi）班纳拉斯印度教大学（Banaras Hindu University）科学研究所地质系，邮编221005

摘要

太古宙克拉通（Archean cratons）下方的岩石圈地幔在成分上具有异质性，这种异质性是由难熔的橄榄岩（peridotite）与来自俯冲地壳物质的熔体相互作用形成的，从而产生了橄榄石含量较低的辉石岩（pyroxenite）区域。通过结合橄榄石的微量元素化学特征和全岩地球化学数据，可以有效地评估这些异质性。我们研究了来自达瓦尔克拉通（Dharwar Craton）约23.7亿至23.6亿年、约22.1亿年、约20.8亿年和约18.9亿至18.8亿年期间的基性岩脉（mafic dykes）中的橄榄石主要和微量元素组成以及全岩地球化学特征。这些岩脉显示出负的铌（Nb）和钛（Ti）异常值，以及大离子亲石元素（large-ion lithophile elements）的富集现象，这些特征共同表明其来源于经历了交代作用的次大陆岩石圈地幔（subcontinental lithospheric mantle，简称SCLM）。微量元素比值表明熔体形成于一个浅层、尖晶石稳定的环境中。尽管这些岩脉在时间上有所不同，但它们显示出相似的地幔来源特征。橄榄石斑晶的演化程度适中（Fo值为71–81），并且镍（Ni）含量较高，锰（Mn）和钙（Ca）含量较低；其Mn/Zn（8.12–14.15）、100Mn/Fe（1.32–1.94）和10,000Zn/Fe（10.77–18.44）比值介于橄榄岩和辉石岩熔体之间，这表明这两种岩性都对岩脉的形成有所贡献。综合橄榄石化学成分和全岩数据可以推断，该地幔源是一种由辉石岩区域组成的混合类型。我们认为，在约25亿年前发生的俯冲相关交代作用将辉石岩成分引入了达瓦尔克拉通的地幔中，随后在古元古代（Paleoproterozoic）的地幔柱活动（mantle plume activity）作用下，这些辉石岩成分被重新迁移，从而在约5.5亿年的时间内引发了间歇性的基性岩浆作用。这表明，在太古宙克拉通中，长期存在的板内岩浆作用可以通过稳定地幔中保存的富集辉石岩区域的选择性熔化来维持，而无需持续的地幔再富集过程。

引言

次大陆岩石圈地幔（sub-continental lithospheric mantle，简称SCLM）在成分上表现出显著的变异性，这反映了其复杂的演化历史（Griffin和O’Reilly，2007；Griffin等人，2009）。SCLM的成分并不均匀，从榴辉岩（lherzolite）到哈斯堡岩（hartzburgite）和 dunite都有分布，这取决于部分熔融过程中玄武岩成分的逐渐去除（Griffin等人，2009）。对捕虏体（xenoliths）和捕虏晶（xenocrysts）的全球研究表明，贫化的地幔经常通过交代作用得到再富集，重新引入玄武岩成分并改变其矿物学和地球化学特征（Griffin等人，2003；Hoal，2004；Simon等人，2003，2007；Guarino等人，2024）。这种再富集作用，尤其是在俯冲、碰撞和岩浆作用期间，对太古宙SCLM的成分多样性起到了关键作用（Griffin等人，2009），进一步证实了地幔本质上具有异质性。这一过程的一个关键表现是辉石岩类型的形成，当来自俯冲地壳的硅酸盐熔体与原始地幔橄榄岩相互作用时，就会产生辉石岩（Sobolev等人，2005，2007）。这些辉石岩源具有独特的地球化学特征，表现为镍（Ni）的优先释放以及锰（Mn）和钙（Ca）的保留。这导致橄榄石的成分中镍含量较高，而锰和钙含量较低，与来自橄榄岩熔体的橄榄石相比（例如，Sobolev等人，2007）。由于橄榄石的非硅酸盐结构及其有限的元素兼容性，其微量元素系统相对简单，使其成为解析地幔来源特征和评估地幔异质性的有力地球化学指标（参见Howarth和Harris，2017）。高精度的微量元素分析（例如镍、钙、锰、锌、锂、钛、钪、钴、铝、铬）在区分基性岩浆中橄榄岩和辉石岩来源方面发挥了重要作用（例如，Sobolev等人，2007；Foley等人，2013；Howarth和Harris，2017）。虽然这种方法已广泛应用于显生代大型火成岩省（LIPs）以推断混合地幔来源（例如，Sobolev等人，2007；Day等人，2009；Foley等人，2013；Søager等人，2015；Howarth和Harris，2017；Shi等人，2022；Cao等人，2022；Kim等人，2025等），但类似的研究在前寒武纪地幔异质性方面的应用仍然相对有限（例如，MacKenzie和Canil，1999；Pattnaik等人，2009；Dongre等人，2016；Samal等人，2019a，2021a，2022；Manu Prasanth等人，2023），这可能是由于这些地幔样品容易随时间发生变质或改变，导致原始地球化学/矿物化学特征被掩盖。

基性岩脉是世界各地太古宙克拉通中的重要岩性单元。作为印度地盾（Indian Shield）最大的太古宙克拉通，达瓦尔克拉通保存了从约23.7亿年前到约17.9亿年期间的广泛基性岩脉侵入记录，至少包含了九代不同的岩脉（Srivastava等人，2014；Rai等人，2019；Samal等人，2021a，2021b，2022；Parashuramulu等人，2022）。许多这些岩脉延伸到印度地盾的其他克拉通（Srivastava等人，2021，Srivastava等人，2022；Pandey和Paul，2022），并且还与世界其他几个克拉通（如Superior克拉通、Slave克拉通、格陵兰克拉通和华北克拉通）有关联（French和Heaman，2010；Shellnutt等人，2019；Ernst等人，2021及其中的参考文献）。它们的全球分布和独特的放射状几何形态表明它们与地幔柱有关，并被认为是不同大型火成岩省（LIPs）的岩浆输送系统组成部分（例如，French和Heaman，2010；Srivastava等人，2014，2015；Ernst等人，2021；Samal等人，2021a，2021b，2022）。除了丰富的岩脉记录外，达瓦尔克拉通还经历了显著的俯冲相关交代作用。新太古代（Neoarchean）期间东部和西部达瓦尔克拉通的增生导致SCLM发生了显著变化（例如，Jayananda等人，2013；Srivastava等人，2014；Rai等人，2019；Pattnaik等人，2020，2021；Samal等人，2021a，2021b，2021；Pandey和Paul，2022）。尽管地幔交代作用和岩脉侵入是发生在不同地质时期的两种独立过程，但一个关键问题随之产生：地幔交代作用是否促进了后续的岩脉侵入事件？尽管这些岩脉通常归因于地幔柱相关的岩浆作用，但一个关键挑战仍然存在——尽管地幔逐渐变得难熔，它如何在整个古元古代经历了多次熔融？这表明地幔异质性可能在改变SCLM的岩性方面发挥了关键作用，从而促进了长时间内的持续熔融作用。在这种情况下，评估达瓦尔克拉通下方SCLM的精确岩性和其随时间的化学演化至关重要。

虽然达瓦尔克拉通中的许多岩脉具有不同的成分，但本研究重点关注更为原始的岩脉，其中早期结晶的橄榄石是解析地幔过程的关键指标。我们将约23.7亿至23.6亿年、约22.1亿年和约18.9亿年期间的岩脉群的新全岩地球化学数据与现有数据集进行了整合（Srivastava等人，2014；Samal等人，2021a，2021b；Parashuramulu等人，2022；Datta等人，2024）。此外，我们还分析了原始橄榄石斑晶的高精度微量元素特征，以回答上述关于地幔异质性的问题，并评估橄榄岩和辉石岩来源的贡献。通过分析不同时间间隔的多个岩脉群，本研究旨在提供关于达瓦尔克拉通下方地幔成分时空演化的新见解。

区域地质

达瓦尔克拉通包含了典型的太古宙至元古代岩石组合，已在早期研究中进行了详细研究（例如，Naqvi等人，1974；Naqvi和Rogers，1987；Ramakrishnan和Vaidyanadhan，2010；Chardon等人，2011；Jayananda等人，2006，2015，2018，2020；Maya等人，2017及其中的参考文献）。根据岩石组合、地质年代学、变质程度和热事件的不同，该克拉通的主要特征...

采样与岩石学

EDC地区分布着多代岩脉，因此不同岩脉群之间存在显著的几何重叠。此外，大多数岩脉群具有放射状几何形态，其岩脉方向在其分布范围内不断变化。这些条件使得岩脉群的表征非常复杂，容易导致不同岩脉群之间的混淆（例如，Pivarunas和Meert，2020）。因此...

全岩分析

所有研究样本均进行了全岩主要元素和微量元素分析。主要氧化物数据通过波长色散X射线荧光仪（WD-XRF）获得，而微量元素分析则使用高分辨率电感耦合等离子体质谱仪（HR-ICP-MS）进行。这两种仪器均安装在海得拉巴的国家地球物理研究所（CSIR-NGRI）。分析前，样品被粉碎至-200目粒度。样品制备...

全岩地球化学

当前数据集显示主要氧化物成分相似，二氧化硅（SiO₂）、氧化铝（Al₂O₃）、氧化钙（CaO）和总碱含量有重叠（表1）。所有样本的镁（Mg#）值介于43.55至58.71之间。然而，它们的二氧化钛（TiO₂）含量存在显著差异。约18.9亿至18.8亿年期间的岩脉群显示出较高的TiO₂含量（0.84–1.01 wt%），而其他岩脉群的TiO₂含量范围分别为0.51–0.87 wt%（约23.7亿至23.6亿年）和0.54–0.95 wt%（约22.1亿年）。

讨论

古元古代的基性岩脉样本是研究前寒武纪地幔性质和演化的宝贵资料。然而，数十亿年的地表作用使它们容易发生化学风化，这可能会改变原始的地球化学特征，从而导致对地幔来源和岩浆房过程的错误解释。因此，可靠的岩石成因解释需要确认观察到的地球化学特征...

结论

达瓦尔克拉通的古元古代基性岩脉群（约23.7亿至18.8亿年）记录的橄榄石结晶趋势无法仅用橄榄岩或橄榄石含量较低的辉石岩来源来解释。橄榄石微量元素化学与全岩地球化学的综合分析表明，其来源是一种包含橄榄岩和辉石岩区域的混合地幔。橄榄石的微量元素特征以及关键的全岩指标表明...

CRediT作者贡献声明

斯里乔伊·达塔（Srinjoy Datta）：撰写——原始草稿、方法论、研究、正式分析、概念化。杰滕·帕特奈克（Jiten Pattnaik）：撰写——审阅与编辑、可视化、软件、方法论、研究、正式分析、数据管理。阿米娅·K·萨马尔（Amiya K. Samal）：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、方法论、研究、数据管理、概念化。拉杰什·K·斯里瓦斯塔瓦（Rajesh K. Srivastava）：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、资源管理、项目协调。

未引用的参考文献

Beattie等人，1991年
Borisov和Shapkin，1990年
Bottinga和Weill，1971年
Danyushevsky和Plechov，2011年
Ernst和Youbi，2017年
Gibson，2002年
Lange和Carmichael，1987年
Meert等人，2010年
Spencer和Lindsley，1981年
Stormer，1983年
Zhao等人，2021年

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

作者感谢班纳拉斯印度教大学地质系主任在研究期间提供的所有必要设施。印度政府地球科学部[研究资助编号：MoES/P.O.(Geo)/159/2017]以及班纳拉斯印度教大学在卓越计划（Institute of Eminence program）下的种子/激励资助（计划编号：6031）为RKS、AKS和SB提供了部分财务支持。作者还感谢编辑Astrid Holzheid和Vincenza Guarino在编辑方面的指导。