西伯利亚雅库特地区岩石圈地幔特征
孙晶 谢庆宾
摘 要：西伯利亚克拉通是世界上典型的稳定克拉通之一。雅库特地区位于西伯利亚克拉通东北部，有大量的金伯利岩产出，也是世界上金刚石的重要产出地之一。前人研究表明该地区仅在年龄为360 Ma的金伯利岩中有金刚石的产出，而在年龄为160 Ma的金伯利岩中没有金刚石的产出，暗示着雅库特地区岩石圈地幔的性质在160～360 Ma之间可能发生了变化。总结并对比了雅库特地区不同时代喷发的金伯利岩中橄榄岩包体的岩石学、矿物学、地球化学及年代学特征，确定了该地区360 Ma与160 Ma的岩石圈地幔在时代与厚度上有很大的不同。这一不同可能与西伯利亚克拉通1.9 Ga碰撞拼合事件有关，而与西南部约250 Ma的超级地幔柱事件无关。
关键词：克拉通；岩石圈地幔；橄榄岩；Re-Os同位素；地幔交代作用；减薄；雅库特地区；西伯利亚
中图分类号：P31；P58 文献标志码：A
Abstract： Siberian craton is one of the stable craton in the world. Yakutia area， which locates in the northeast of Siberian craton， has a large number of kimberlite outcrops and is also one of the important place of diamond deposit. Previous studies displaced that diamond only occurred in the kimberlite erupted in 360 Ma， but the kimberlites erupted in 160 Ma had no diamond occurrence， indicating the character change of sub-continental lithospheric mantle beneath Yakutia area from 360 Ma to 160 Ma. The petrology， mineralogy， geochemistry and chronology characters of xenoliths from the kimberlite erupted in different episodes of Yakutia area were summarized and compared. The sub-continental lithospheric mantle underneath Yakutia area is varied from 360 Ma to 160 Ma on ages and thickness. This difference may be associated with the Siberian collisional amalgamation event in 1.9 Ga， rather than the super mantle plume around 250 Ma in the southwest.
Key words： craton； sub-continental lithospheric mantle； peridotite； Re-Os isotope； mantle metasomatism； thinning； Yakutia area； Siberia
0 引 言
克拉通是地球表面相对稳定的构造单元，由上部古老的大陆地壳和下部的岩石圈地幔组成。根据壳幔分异作用理论，地球在演化早期主要表现为核幔的形成，继而地幔发生较大规模部分熔融造成壳幔分异。除氧和硅以外，地幔主要由铁和镁组成，在部分熔融过程中，铁具有相对于镁较低的熔融温度而优先熔出形成玄武岩浆，剩下富镁的残留。由于镁的密度相对于铁较小，因而此残留漂浮在早期形成的地壳之下，构成岩石圈地幔。在岩石圈地幔中，部分熔融程度较高的且壳幔分异程度较大的残留所形成的岩石圈地幔密度越小。克拉通岩石圈（尤其是其古老岩石圈）地幔具有较低的密度，能够长久漂浮在地球表面。它因本身巨大的岩石圈厚度和较低的热流值，不易被俯冲破坏，能够使其较少受到其他地质作用的影响而保持长期的稳定性。
西伯利亚克拉通是世界上著名的稳定克拉通之一，位于亚洲北部（图1），占地面积4.4×106 km2，南邻贝加尔湖，北邻北冰洋，西部与东部分别与叶尼塞河和额库斯克海相邻。该克拉通被2～14 km的里菲期到早白垩世沉积和三叠纪暗色岩系所覆盖。西伯利亚克拉通基底岩石出露较少，只在南部的Aldan和北部的Anabar地盾中有所出露[1]。该克拉通北部主要由Magan、Anabar和Olenek地体组成。根据这两个地区的研究，该克拉通也是在1.85 Ga左右克拉通化并开始稳定的[2]。在元古代—显生宙期间，整个克拉通一直被大面积稳定的地台型沉积 （里菲和文德阶？）所覆盖。但是，西伯利亚克拉通在稳定阶段发育多次非造山的岩浆活动。年龄约为250 Ma的西伯利亚溢流玄武岩[3-5]是西伯利亚超级地幔柱活动的主要时期。作为全球最大的火成岩省之一的西伯利亚大火成岩省，其岩浆喷发面积约为2×106 km2，影响范围包括雅库特地区，这一时期的地幔柱事件也被称为超级地幔柱。多种证据表明，这次地幔柱事件可能与西伯利亚岩石圈地幔的热力学异常和抬升有关[6]。
雅库特地区位于西伯利亚东北部，发育超过1 000个金伯利岩管。前人研究表明，金伯利岩的喷发时代分别为420、约360、约220、约160 Ma[8-11]。世界上著名的Udachnaya和Mir岩管都位于该地区。雅库特地区因发现大量金刚石矿床而引起地质学界的广泛关注。与此同时，作为一个稳定的克拉通，雅库特地区也是研究克拉通岩石圈地幔演化史的重要地点。
地幔橄榄岩可以反映岩石圈地幔的特征。不同时代地幔橄榄岩可以对比不同时代岩石圈地幔的特征，从而反演岩石圈地幔的演化。西伯利亚克拉通Udachnaya岩管位于雅库特地区中南部，金伯利岩的喷发时代约为360 Ma[8]，在金伯利岩中有金刚石的大量产出。Obnazhennaya岩管位于雅库特地区东北部边缘，金伯利岩的喷发时代约为160 Ma[12]，与该地区所有中生代的金伯利岩管相似，在金伯利岩中没有金刚石的产出，说明其来自于相对较浅的地幔。本文通过总结前人对西伯利亚克拉通地幔橄榄岩的研究，对比不同时代金伯利岩中的橄榄岩包体来讨论西伯利亚雅库特地区岩石圈地幔的演化。
1 地壳形成时代
大陆地壳的形成时代是指地壳物质从地幔分异出来的时间，因此，稳定的克拉通地壳时代与对应的地幔时代应该是耦合的。西伯利亚克拉通具有前寒武纪基底，上部被古生代沉积和二叠纪—三叠纪溢流玄武岩所覆盖。Anabar和Aldan分别是克拉通北部和南部的两个古老地体，其中含有年龄为3.0～36 Ga的麻粒岩和片麻岩[2]。Udachnaya地区下地壳石榴石麻粒岩包体的全岩Nd模式年龄为275～3.00 Ga，锆石U-Pb年龄和Sm-Nd年龄显示这一地区的地壳形成于3.0 Ga左右，同时在1.9～2.0 Ga时伴有变质和岩浆事件[2]。
2 岩石学特征
Udachnaya地区（以下简称“Ud地区”）金伯利岩管的喷发时代为360 Ma，其中含有大量橄榄岩包体。橄榄岩包体种类包括石榴石二辉橄榄岩、石榴石方辉橄榄岩、异剥橄榄岩[1，13]。包体大部分为15～30 cm的椭圆形。同时，该地区橄榄岩包体有一定的变形，按变形程度分为轻微变形、中度变形、强烈变形，显微结构可分为粗粒结构、剪切结构以及过渡类型。在橄榄岩包体中，橄榄石的粒度大小大致相同，且略大于辉石。辉石一般都被拉长，具有核边结构，其中单斜辉石与斜方辉石共生。石榴石在橄榄岩中含量较低，生长在颗粒之间，且具有典型的Kelyphitic环带结构[1]。
Obnazhennaya地区（以下简称“Obn地区”）橄榄岩包体种类有石榴石二辉橄榄岩、石榴石方辉橄榄岩、尖晶石-石榴石二辉橄榄岩、尖晶石石榴石方辉橄榄岩、异剥橄榄岩 [1，14]。岩石与交代熔体反应，使方辉橄榄岩转变为二辉橄榄岩、异剥橄榄岩等。岩石结构包括粒状（粗粒）、残碎斑、过渡、剪切状。岩石依据不同的变形程度分为低度变形、中度变形、强烈变形。岩石中可以看到熔体充填等交代结构，但在Obn地区的石榴石中很少见到环带结构。
3 主量元素特征
Ud地区橄榄石按Mg#值分为两组：Mg#值为826～897的橄榄石和Mg#值为900～934的橄榄石[13，15-19]。Obn地区Mg#值为918～934[1，13]。Ud地区具有难熔和饱满两种包体，Obn地区橄榄岩包体大部分具有难熔的特征。
Ud地区单斜辉石按Mg#值分为两组：Mg#值为86.2～89.9，CaO含量（质量分数，下同）为1639%～1830%的单斜辉石；Mg#值为900～956，CaO 含量为1583%～ 2360%的单斜辉石[1，13，15-16]。 CaO含量与Mg#值成正相关关系，暗示着这些单斜辉石可能是交代作用的产物。与Ud地区单斜辉石相比，Obn地区橄榄岩中单斜辉石具有相对较低的Fe含量，因此，其Mg#值也相对较高（89.3～97.5），CaO含量（16.85%～22.40% [1]）也比Ud地区要高。
Ud地区斜方辉石按Mg#值分为两组：Mg#值为88.9～89.8，CaO含量为076%～100%的斜方辉石；Mg#值为90.5～94.1， CaO含量为011%～121%的斜方辉石[13，15-18]。Obn地区斜方辉石Mg#值在915～948之间，CaO含量为0.08%～0.95%[14]。
Ud地区石榴石Mg#值在7702～8756之间，Al2O3含量为1128%～2260%[1，13-15，17-18]；Obn地区Mg#值在6276～8650之间，Al2O3含量为2010%～ 2368%[1]。
4 微量元素特征
在橄榄岩的所有矿物中，单斜辉石富Ca，石榴石富Al。Ca、Al都是离子半径比较大的元素，因此，这两种矿物相对含有较高的微量元素。轻稀土元素主要与单斜辉石有关，重稀土元素主要与石榴石有关。因此，石榴石和单斜辉石的稀土元素配分模式基本可以用来反映橄榄岩的稀土元素特征。
总结前人对Ud地区和Obn地区包体的单斜辉石微量元素数据 [1，13，16]，可以看到Ud地区和Obn地区橄榄岩中的单斜辉石均表现为轻稀土元素富集、重稀土元素亏损的配分模式（图2）。这一稀土元素配分模式暗示着Ud地区和Obn地区单斜辉石均受到了交代作用的影响，或单斜辉石为橄榄岩受交代作用后的产物。
从石榴石稀土元素配分模式可以看出，Ud地区橄榄岩中石榴石可以被分为两组（图2）：正弦型、平坦重稀土元素（HREE）型。Ud地区大部分方辉橄榄岩中的石榴石以及石榴石核部都具有正弦型稀土元素配分模式特征，相对应的主量元素大都表现为相对饱满的二辉橄榄岩特征。与正弦型相比，平坦重稀土元素型石榴石具有相对富集中—重稀土元素，Ud地区橄榄岩中石榴石的边部以及Obn地区橄榄岩中石榴石大都表现出上述特征，暗示着平坦重稀土元素型配分模式是正弦型受到交代作用影响的结果[20]。
5 温压条件
用多种温压计对Ud地区和Obn地区地幔橄榄岩包体进行温度和压力计算，不同温压计所得到的同一地区温度和压力大致在一个范围内。Ud地区粗粒橄榄岩压力在27～66 GPa之间，温度为720 ℃～1 322 ℃。变形的橄榄岩具有相对较高的温度（1 235 ℃～1 320 ℃[16]）和压力（5.2～6.6 GPa[16]）。与之相似，Agashev等对Ud地区地幔橄榄岩温度和压力计算的结果也在1 250 ℃～1 400 ℃和56～70 GPa[13]。 Howarth等得到的温度和压力分别为56～65 GPa和1 240 ℃～1 280 ℃[1]。温度和压力的计算表明，Ud地区热流密度为40 mW·m-2[13，16，21]，而其压力所对应的岩石圈地幔深度约为220 km。前人也利用Ud地区金伯利岩中石榴石微量元素计算得到的岩石圈地幔与软流圈地幔的边界值（220～230 km）是一致的。地震波速上，Ud地区在210 km深度的地震波速为85 km·s-1，从210 km深度开始，地震波速从85 km·s-1 逐渐减少到81 km·s-1左右，直到250 km深度，波速又增加到86 km·s-1 [21]。因此，在210～250 km深度之间，Ud地区的地幔存在一个低速带——岩石圈地幔与软流圈地幔的分界线。
Obn地区地幔橄榄岩的研究相对较少，仅有的研究结果表明其温度为620 ℃～790 ℃，压力在15～25 GPa，深度约为150 km，计算所得到的热流密度为45～50 mW·m-2[1]。Obn地区与Ud地区样品对比发现（图3），Obn地区橄榄岩包体均位于石墨-金刚石分界线以上，Ud地区大部分样品位于该线以下，暗示着Ud地区岩石圈地幔比Obn地区要厚。
6 Re-Os同位素特征
岩石圈地幔是指早期地幔发生熔体迁出形成地壳后的残留。从定义出发，岩石圈地幔的时代应与地壳的形成时代相对应。传统上多依据地幔的亏损程度来推测岩石圈地幔的大致时代，即地球演化早期较高的地热梯度可以使地幔发生较高程度的部分熔融，从而使形成的岩石圈地幔具有较高的镁含量；而在显生宙期间，地球的地热梯度明显降低，且由于其较年轻，相对经历的熔融次数要少，所以在年轻岩石圈地幔中所产生的镁含量明显偏低。该方法主要依据地幔的主量元素组成特征，实质是熔融程度高时残留的地幔具有较低的Al2O3、CaO含量及高橄榄石牌号。然而，尽管可以概念性地认为时代较老的地幔由于受到多次熔融作用影响而使其熔融程度偏高，但不排除年轻的岩石圈地幔当经受高程度部分熔融时，其残留也表现出与古老地幔相同的元素特征。近年来，Os同位素可以对岩石圈地幔的时代给予有效约束。
地幔在熔体抽提时，Re等不相容元素较易进入熔体，而Os等相容元素则较多地残留在地幔中。因此，当某一地幔遭受不同程度熔融后，其不同部分残留的Re、Os含量及其比值会有不同的变化。通过构建Re-Os等时线可以确定熔体抽取的时间，即岩石圈地幔的时代。但是，Re-Os等时线方法在实际应用过程中具有很大的局限性，因为岩石圈地幔容易受到来自下部流体的改造，从而导致Re发生重新富集。Walker等提出的Os模式年龄（TMA）和Re亏损年龄（TRD）方法，TMA和TRD分别代表岩石圈地幔形成的最大和最小年龄[22]。而前人研究表明，后期流体和地壳物质的加入也不会对地幔样品的Os同位素比值造成很大影响。Re-Os同位素的分析方法主要有全岩Re-Os同位素分析方法和硫化物原位Re-Os同位素分析方法。
对Ud地区年龄为360 Ma金伯利岩中的地幔橄榄岩包体进行硫化物原位Re-Os同位素分析以及全岩Re-Os同位素分析。结果显示：N（187Os）/N（188Os）值在0881 91～0103 30之间，n（187Re）/n（188Os）值在0000 76～27400 00之间。通过计算TRD和TMA发现，Ud地区橄榄岩包体年龄可分为3组[14，19，23]：①太古宙（2.0～3.5 Ga，TRD≈TMA），这一年龄代表了岩石圈地幔抽提的时代，说明该地区有古老岩石圈地幔的存在，前人得到的Ud地区地壳时代（3.0 Ga）与这一组年龄耦合；②元古宙（1.0～20 Ga，TRD≈TMA），具有这样年龄的硫化物可能暗示着其是橄榄岩受到后期熔体交代的影响而结晶出来的，而新鲜的全岩橄榄岩包体Re-Os同位素显示其也同样具有元古宙的年龄，暗示着该地区新的岩石圈地幔与古老的岩石圈地幔共存；③压力小于10 Ga，TMA为负值，这些硫化物应该来自于后期交代的熔体。其中，N（·）/N（·）为同一元素同位素比值，N（·）为该元素的原子丰度，n（·）/n（·）为不同元素同位素比值，n（·）为元素的物质的量。
Obn地区橄榄岩包体的Re-Os数据目前还鲜有报道。笔者对几个橄榄岩包体进行了全岩Re-Os同位素分析，得到的TRD值在114～216 Ga之间，TMA值在161～323 Ma之间（未发表）。绝大多数样品的年龄为 2.0～3.0 Ga，说明这一地区在160 Ma时仍为古老的岩石圈地幔。
7 岩石圈减薄与破坏？
近年来，克拉通的减薄与破坏一直是地质科学研究的热点之一。以华北克拉通为例，研究发现华北克拉通在中新生代时期的岩石圈减薄不仅仅是岩石圈厚度的变化，同时伴随岩石圈性质和热状态的转变。1.85 Ga克拉通化以后，华北一直表现为稳定的克拉通特点，但从中生代以后，华北原应具有的稳定性质发生了破坏。西伯利亚克拉通是否发生了岩石圈的减薄与破坏呢？
前人对于西伯利亚克拉通的研究表明，古生代金伯利岩中的金刚石及其中的橄榄岩包体资料显示，该时期的岩石圈地幔具有200～220 km的厚度，然而由新生代地幔橄榄岩所构筑的地温线与古生代略有不同，结合其不含任何金刚石的产出，表明此时岩石圈厚度约为150 km，该厚度与用石榴石巨晶所确定的220 Ma Kharamai金伯利岩喷发时的岩石圈厚度基本相当[24]，即西伯利亚克拉通在220～360 Ma之间曾发生过约50 km的少量岩石圈减薄[1，8]。
对比西伯利亚克拉通古生代（360 Ma）金伯利岩和新生代金伯利岩中地幔包体，古生代与新生代的橄榄岩包体都含有石榴石，不同点在于古生代的金伯利岩中含有金刚石，从而暗示较大的来源深度[25]。在岩石类型上，古生代和新生代都为方辉橄榄岩以及少量的二辉橄榄岩；从主量元素成分来看，古生代与新生代的地幔橄榄岩大都表现为难熔的特点，表明是经历过较高程度熔体抽提后的地幔残留；Os同位素研究发现， Ud地区与Obn地区均存在相对古老的岩石圈地幔，年龄主要集中在2.0～3.0 Ga；橄榄岩包体及产于金伯利岩中的金刚石温压研究显示，360 Ma的地热状况与世界典型的克拉通相似，热流密度约为40 mW·m-2，而160 Ma时的热流密度约为50 mW·m-2，没有发生较大的变化。
综上所述，西伯利亚克拉通的岩石圈减薄可能仅仅是岩石圈厚度的变化，并没有伴随岩石圈性质和热状态的转变，这与华北克拉通是不同的。
8 岩石圈地幔减薄机制——交代作用
岩石圈地幔减薄机制是研究克拉通演化的一个重要问题。在世界上其他稳定克拉通的研究中，华北克拉通岩石圈地幔减薄机制的研究程度最高，热侵蚀、拆沉、机械拉张、橄榄岩-熔体的相互作用等一系列减薄机制相继提出。西伯利亚克拉通的岩石圈地幔与华北克拉通不同，仅发生了岩石圈减薄而没有造成克拉通的破坏作用。
地幔柱是一种来自于深部地幔的圆柱形热塑流，在其上涌过程中，可能会对上覆岩石圈地幔烘烤和加热，发生热侵蚀作用，造成岩石圈地幔的减薄。热侵蚀作用也称交代作用，是地幔中十分常见的一种现象，在全球各地的地幔橄榄岩中均有显现。它对地幔橄榄岩的影响主要有：①对地幔橄榄岩化学成分的影响；②使地幔橄榄岩中矿物组成和成分发生改变。
近期对西伯利亚克拉通地幔橄榄岩的研究表明，在地幔柱发生前后，该地区的岩石圈地幔一直都遭受着热侵蚀作用的影响，而这些熔体可能来自于尖晶石相的浅部熔体，或者是来自于俯冲或地幔柱入侵的熔体。热侵蚀作用的熔体种类有很多，主要包括：
（1）从岩石圈地幔中渗透出来的金伯利质熔体在喷发过程中对地幔有交代作用。金伯利质熔体的交代作用会使地幔橄榄岩的轻稀土元素（LREE）相对富集，并伴有次生的单斜辉石和石榴石反应边的形成。
（2）碳酸盐熔体的交代作用会造成单斜辉石的CaO、Na2O、LREEs、U、Th、Pb和Sr等含量的增加。在相同w（Ti）/w（Eu）值的样品中，受碳酸盐交代的样品比受金伯利质熔体交代的样品具有更高的w（La）/w（Yb）值。其中，w（·）为元素或化合物含量。
（3）玄武质熔体一般与较大的构造热事件有关，例如板间溢流玄武岩、地幔柱等。大量玄武质熔体入侵会造成岩石圈地幔的侵蚀或减薄，同时还会有低微量元素含量的石榴石产生和地幔岩石温度的升高。
（4）低温交代作用（950 ℃～1 100 ℃）会在地幔橄榄岩中形成矿物的反应边结构，如石榴石的反应边中有CaO、Zr、Y，Ti含量的增加，w（Zr）与w（Y）、w（Zr）与w（Ti）成相关关系，同时会伴有金云母等次生矿物的增加。
Howarth等利用两个地区橄榄岩中单斜辉石、石榴石微量元素含量，模拟计算全岩微量元素含量，并与上述交代介质进行对比，将西伯利亚克拉通岩石圈的交代减薄分成4个阶段（图4）[1，13]。这4个阶段具体为：
第一阶段（>360 Ma）为低温交代作用。这一时段的熔体来自于岩石圈地幔中，在年龄为360 Ma的金伯利岩熔体之前。从Ud地区的橄榄岩包体可以看出，低温交代作用是岩石圈地幔发生熔体再富集作用，使橄榄岩由方辉橄榄岩成分转变为石榴石二辉橄榄岩成分。然而这一过程只是使岩石从成分上发生了变化，在岩石类型上仍然是方辉橄榄岩。同时，这一阶段的交代作用并没有产生单斜辉石[16]。
第二阶段（约360 Ma）为高温交代作用。这一时期的交代熔体为岩石圈地幔小程度部分熔融产生的金伯利质熔体。伴随着这一时期的金伯利岩浆喷发，地幔橄榄岩中的石榴石CaO、Cr2O3含量降低，稀土元素配分模式发生了改变，同时使石榴石和单斜辉石产生反应边结构。同时，这一时期金伯利质岩浆交代也与西伯利亚的超级地幔柱继续上升有关。
第三阶段（约250 Ma）为玄武质熔体交代作用（超级地幔柱）。年龄为250 Ma的西伯利亚大火成岩省也可能是造成岩石圈地幔减薄的原因之一，也是目前公认的西伯利亚克拉通岩石圈减薄的主要机制[1]。年龄为250 Ma的西伯利亚大火成岩省产生了大量玄武质熔体，这些熔体的交代作用使西伯利亚克拉通的岩石圈地幔发生了改变。与Ud地区对比，Obn地区的橄榄岩包体含有粗粒的、无环带结构的石榴石以及高的石榴石和单斜辉石含量，这说明Obn地区岩石圈地幔受到的交代作用比Ud地区要更为强烈。通过微量元素的平衡计算得出这些交代作用的熔体与玄武质岩浆相关。上升的地幔柱溶蚀了50 km厚的岩石圈地幔，使Obn地区的岩石圈地幔减薄至无金刚石区域。
第四阶段（约160 Ma）为金伯利质熔体交代作用。交代的熔体为这一时期喷发的金伯利质岩浆，虽然在石榴石中仍保留有被年龄为250 Ma的玄武质岩浆交代作用的稀土元素结果，但单斜辉石的微量元素却已被金伯利质岩浆改造。
9 与空间位置是否有关？
虽然西伯利亚克拉通岩石圈的减薄被提出已经很久，并得到很多研究者的支持，但Taylor 等认为该克拉通岩石圈减薄幅度不大，或基本不存在减薄，只是空间的位置不同[26]。Ud地区岩管位于克拉通中部，岩石圈比较厚，而Obn地区岩管处于克拉通北部边缘，因而其岩石圈厚度可能稍薄[26]。
西伯利亚克拉通是元古宙几个块体碰撞拼贴而成，北部的块体分别为Magan、Anabar、Olenek。在克拉通形成之前，块体所经历的历史可能不同，导致其岩石圈地幔的厚度、成分、熔融程度、岩石类型以及所经历的交代事件都可能是不同的。前人研究结果表明，Ud地区Magan、Anabar块体被太古宙的地壳所覆盖，岩石圈地幔厚度约为230 km，岩石圈地幔的岩石种类与成分特征均表现出较为难融的太古宙特点[8，27]。Obn地区Olenek块体虽同样具有太古宙地壳，但其岩石圈地幔可能本身就具有典型的元古宙成分特征，导致其岩石圈地幔年龄也主要集中在元古宙时期，地幔厚度为150～180 km。这一特征可能是在1.8～1.9 Ga西伯利亚克拉通化之前就有的，亦或者是在克拉通化时的碰撞热事件所导致的。同时， Obn地区大部分橄榄岩Re-Os同位素年龄集中在1.8～1.9 Ga，与块体碰撞事件相同，也说明了减薄与重建可能发生在碰撞拼合时。这一现象在华北克拉通也有发生，华北克拉通汉诺坝地区所得到的19 Ga年龄就被解释为当时华北东、西部地块拼合时形成的岩石圈地幔[28-33]。
综上所述，西伯利亚克拉通的岩石圈地幔可能并没有受到西南部约250 Ma的超级地幔柱事件的影响，而是在碰撞拼合之前或碰撞拼合时导致克拉通不同地区岩石圈地幔厚度的不同。
10 结 语
（1）地温梯度以及金伯利岩中存在的金刚石表明，西伯利亚克拉通在360 Ma时的岩石圈地幔厚度至少有200 km，局部可达220 km左右，这与在西伯利亚克拉通发现的地震低速带是相吻合的。而在160 Ma时，岩石圈地幔厚度小于150 km。
（2）Udachnaya地区橄榄岩包体全岩Os同位素成分表明，32 Ga为Re-Os模式年龄，暗示岩石圈地幔形成于中太古代。这一年龄与Anabar和Aldan地区最古老的地壳年龄耦合，而Obnazhennaya地区岩石圈地幔的时代相对年轻，约为1.9 Ga。
参考文献：
References：
[1] HOWARTH G H，BARRY P H，PERNET-FISHER J F，et al.Superplume Metasomatism：Evidence from Siberian Mantle Xenoliths[J].Lithos，2014，184/185/186/187：209-224.
[2] ROSEN O M，MANAKOV A V，SUVOROV V D.The Collisional System in the Northeastern Siberian Craton and a Problem of Diamond-bearing Lithospheric Keel[J].Geotectonics，2005，39（6）：456-479.
[3] CARLSON R W，CZAMANSKE G，FEDORENKO V，et al.A Comparison of Siberian Meimechites and Kimberlites：Implications for the Source of High-Mg Alkalic Magmas and Flood Basalts[J].Geochemistry，Geophysics，Geosystems，2006，7（11），doi：10.1029/2005GC001233.
[4] IVANOV A V，HE H，YAN L K，et al.Siberian
Traps Large Igneous Province： Evidence for Two Flood Basalt Pulses Around the Permo-Triassic Boundary and in the Middle Triassic，and Contemporaneous Granitic Magmatism[J].Earth-science Reviews，2013，122：58-76.
[5] KAMO S L，CZAMANSKE G K，AMELIN Y，et al.Rapid Eruption of Siberian Flood-volcanic Rocks and Evidence for Coincidence with the Permian-Triassic Boundary and Mass Extinction at 251 Ma[J].Earth and Planetary Science Letters，2003，214（1/2）：75-91.
[6] SAUNDERS A D，ENGLAND R W，REICHOW M K，et al.A Mantle Plume Origin for the Siberian Traps：Uplift and Extension in the East Siberian Basin， Russia[J].Lithos，2005，79（3）：407-424.
[7] 吴福元，徐义刚，朱日祥，等.克拉通岩石圈减薄与破坏[J].中国科学：地球科学，2014，44（11）：2358-2372.
WU Fu-yuan，XU Yi-gang，ZHU Ri-xiang，et al.Thinning and Destruction of the Cratonic Lithosphere：A Global Perspective[J].Science China：Earth Sciences，2014，44（11）：2358-2372.
[8] GRIFFIN W L，RYAN C G，KAMINSKY F V，et al.The Siberian Lithosphere Traverse：Mantle Terranes and the Assembly of the Siberian Craton[J].Tectonophysics，1999，310（1/2/3/4）：1-35.
[9] KINNY P，GRIFFIN B J，HEAMAN L M，et al.SHRIMP U-Pb Ages of Perovskite from Yakutian Kimberlites[J].Russian Geology and Geophysics，1997，38（1）：97-105.
[10] KOSTROVITSKY S I，MORIKIYO T，SEROV I V，et al.Isotope-Geochemical Systematics of Kimberlites and Related Rocks from the Siberian Platform[J].Russian Geology and Geophysics，2007，48（3）：272-290.
[11] SNYDER G A，TAYLOR L A，CROZAZ G，et al.The Origins of Yakutian Eclogite Xenoliths[J].Journal of Petrology，1997，38（1）：85-113.
[12] BLANCO D，KRAVCHINSKY V A，KONSTANTINOV K M，et al.Paleomagnetic Dating of Phanerozoic Kimberlites in Siberia[J].Journal of Applied Geophysics，2013，88：139-153.
[13] AGASHEV A，IONOV D，POKHILENKO N，et al.Metasomatism in Lithospheric Mantle Roots：Constraints from Whole-rock and Mineral Chemical Composition of Deformed Peridotite Xenoliths from Kimberlite Pipe Udachnaya[J].Lithos，2013，160/161：201-215.
[14] PEARSON D，SHIREY S，CARLSON R，et al.Re-Os，Sm-Nd， and Rb-Sr Isotope Evidence for Thick Archaean Lithospheric Mantle Beneath the Siberian Craton Modified by Multistage Metasomatism[J].Geochimica et Cosmochimica Acta，1995，59（5）：959-977.
[15] IONOV D A，DOUCET L S，ASHCHEPKOV I V.Composition of the Lithospheric Mantle in the Siberian Craton：New Constraints from Fresh Peridotites in the Udachnaya-East Kimberlite[J].Journal of Petrology，2010，51（11）：2177-2210.
[16] DOUCET L S，IONOV D A，GOLOVIN A V.The Origin of Coarse Garnet Peridotites in Cratonic Lithosphere：New Data on Xenoliths from the Udachnaya Kimberlite， Central Siberia[J].Contributions to Mineralogy and Petrology，2013，165（6）：1225-1242.
[17] BOYD F R，POKHILENKO N P，PEARSON D G，et al.Composition of the Siberian Cratonic Mantle：Evidence from Udachnaya Peridotite Xenoliths[J].Contributions to Mineralogy and Petrology，1997，128（2）：228-246.
[18] CANIL D，ONEILL H S C.Distribution of Ferric Iron in Some Upper-mantle Assemblages[J].Journal of Petrology，1996，37（3）：609-635.
[19] GRIFFIN W L，SPETSIUS Z V，PEARSON N J，et al.In-situ Re-Os Analysis of Sulfide Inclusions in Kimberlitic Olivine：New Constraints on Depletion Events in the Siberian Lithospheric Mantle[J].Geochemistry， Geophysics， Geosystems，2002，3（11）：1-25.
[20] WU F Y，WALKER R J，REN X W，et al.Osmium Isotopic Constraints on the Age of Lithospheric Mantle Beneath Northeastern China[J].Chemical Geology，2003，196（1/2/3/4）：107-129.
[21] GRIFFIN W L，KAMINSKY F V，RYAN C G，et al.Thermal State and Composition of the Lithospheric Mantle Beneath the Daldyn Kimberlite Field，Yakutia[J].Tectonophysics，1996，262（1/2/3/4）：19-33.
[22] WALKER R J，CARLSON R W，SHIREY S B，et al.Os， Sr， Nd， and Pb Isotope Systematics of Southern African Peridotite Xenoliths：Implications for the Chemical Evolution of Subcontinental Mantle[J].Geochimica et Cosmochimica Acta，1989，53（7）：1583-1595.
[23] PEARSON N J，ALARD O，GRIFFIN W L，et al.In-situ Measurement of Re-Os Isotopes in Mantle Sulfides by Laser Ablation Multicollector-inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry：Analytical Methods and Preliminary Results[J].Geochimica et Cosmochimica Acta，2002，66（6）：1037-1050.
[24] GRIFFIN W L，NATAPOV L M，OREILLY S Y，et al.The Kharamai Kimberlite Field，Siberia：Modification of the Lithospheric Mantle by the Siberian Trap Event[J].Lithos，2005，81（1/2/3/4）：167-187.
[25] ASHCHEPKOV I V，POKHILENKO N P，VLADYKIN N V，et al.Structure and Evolution of the Lithospheric Mantle Beneath Siberian Craton，Thermobarometric Study[J].Tectonophysics，2010，485（1/2/3/4）：17-41.
[26] TAYLOR L A，SNYDER G A，KELLER R，et al.Petrogenesis of Group A Eclogites and Websterites： Evidence from the Obnazhennaya Kimberlite，Yakutia[J].Contributions to Mineralogy and Petrology，2003，145（4）：424-443.
[27] TYCHKOV N S，POKHILENKO N P，KULIGIN S S，et al.Composition and Origin of Peculiar Pyropes from Lherzolites： Evidence for the Evolution of the Lithospheric Mantle of the Siberian Platform[J].Russian Geology and Geophysics，2008，49（4）：225-239.
[28] GAO S，RUDNICK R L，CARLSON R W，et al.Re-Os Evidence for Replacement of Ancient Mantle Lithosphere Beneath the North China Craton[J].Earth and Planetary Science Letters，2002，198（3/4）：307-322.
[29] GRAND S P，HELMBERGER D V.Uppermantle Shear Structure Beneath Asia from Multi-bounce S Waves[J].Physics of the Earth and Planetary Interiors，1985，41（2/3）：154-169.
[30] 吴福元，徐义刚，高 山，等.华北岩石圈减薄与克拉通破坏研究的主要学术争论[J].岩石学报，2008，24（6）：1145-1174.
WU Fu-yuan，XU Yi-gang，GAO Shan，et al.Lithospheric Thinning and Destruction of the North China Craton[J].Acta Petrologica Sinica，2008，24（6）：1145-1174.
[31] 郑永飞，吴福元.克拉通岩石圈的生长和再造[J].科学通报，2009，54（14）：1945-1949.
ZHENG Yong-fei，WU Fu-yuan.Growth and Reworking of Cratonic Lithosphere[J].Chinese Science Bulletin，2009，54（14）：1945-1949.
[32] 朱日祥，郑天愉.华北克拉通破坏机制与古元古代板块构造体系[J].科学通报，2009，54（14）：1950-1961.
ZHU Ri-xiang，ZHENG Tian-yu.Destruction Geodynamics of the North China Craton and Its Paleoproterozoic Plate Tectonics[J].Chinese Science Bulletin，2009，54（14）：1950-1961.
[33] 高 山，章军锋，许文良，等.拆沉作用与华北克拉通破坏[J].科学通报，2009，54（14）：1962-1973.
GAO Shan，ZHANG Jun-feng，XU Wen-liang，et al.Delamination and Destruction of the North China Craton[J].Chinese Science Bulletin，2009，54（14）：1962-1973.
摘 要：西伯利亚克拉通是世界上典型的稳定克拉通之一。雅库特地区位于西伯利亚克拉通东北部，有大量的金伯利岩产出，也是世界上金刚石的重要产出地之一。前人研究表明该地区仅在年龄为360 Ma的金伯利岩中有金刚石的产出，而在年龄为160 Ma的金伯利岩中没有金刚石的产出，暗示着雅库特地区岩石圈地幔的性质在160～360 Ma之间可能发生了变化。总结并对比了雅库特地区不同时代喷发的金伯利岩中橄榄岩包体的岩石学、矿物学、地球化学及年代学特征，确定了该地区360 Ma与160 Ma的岩石圈地幔在时代与厚度上有很大的不同。这一不同可能与西伯利亚克拉通1.9 Ga碰撞拼合事件有关，而与西南部约250 Ma的超级地幔柱事件无关。
关键词：克拉通；岩石圈地幔；橄榄岩；Re-Os同位素；地幔交代作用；减薄；雅库特地区；西伯利亚
中图分类号：P31；P58 文献标志码：A
Abstract： Siberian craton is one of the stable craton in the world. Yakutia area， which locates in the northeast of Siberian craton， has a large number of kimberlite outcrops and is also one of the important place of diamond deposit. Previous studies displaced that diamond only occurred in the kimberlite erupted in 360 Ma， but the kimberlites erupted in 160 Ma had no diamond occurrence， indicating the character change of sub-continental lithospheric mantle beneath Yakutia area from 360 Ma to 160 Ma. The petrology， mineralogy， geochemistry and chronology characters of xenoliths from the kimberlite erupted in different episodes of Yakutia area were summarized and compared. The sub-continental lithospheric mantle underneath Yakutia area is varied from 360 Ma to 160 Ma on ages and thickness. This difference may be associated with the Siberian collisional amalgamation event in 1.9 Ga， rather than the super mantle plume around 250 Ma in the southwest.
Key words： craton； sub-continental lithospheric mantle； peridotite； Re-Os isotope； mantle metasomatism； thinning； Yakutia area； Siberia
0 引 言
克拉通是地球表面相对稳定的构造单元，由上部古老的大陆地壳和下部的岩石圈地幔组成。根据壳幔分异作用理论，地球在演化早期主要表现为核幔的形成，继而地幔发生较大规模部分熔融造成壳幔分异。除氧和硅以外，地幔主要由铁和镁组成，在部分熔融过程中，铁具有相对于镁较低的熔融温度而优先熔出形成玄武岩浆，剩下富镁的残留。由于镁的密度相对于铁较小，因而此残留漂浮在早期形成的地壳之下，构成岩石圈地幔。在岩石圈地幔中，部分熔融程度较高的且壳幔分异程度较大的残留所形成的岩石圈地幔密度越小。克拉通岩石圈（尤其是其古老岩石圈）地幔具有较低的密度，能够长久漂浮在地球表面。它因本身巨大的岩石圈厚度和较低的热流值，不易被俯冲破坏，能够使其较少受到其他地质作用的影响而保持长期的稳定性。
西伯利亚克拉通是世界上著名的稳定克拉通之一，位于亚洲北部（图1），占地面积4.4×106 km2，南邻贝加尔湖，北邻北冰洋，西部与东部分别与叶尼塞河和额库斯克海相邻。该克拉通被2～14 km的里菲期到早白垩世沉积和三叠纪暗色岩系所覆盖。西伯利亚克拉通基底岩石出露较少，只在南部的Aldan和北部的Anabar地盾中有所出露[1]。该克拉通北部主要由Magan、Anabar和Olenek地体组成。根据这两个地区的研究，该克拉通也是在1.85 Ga左右克拉通化并开始稳定的[2]。在元古代—显生宙期间，整个克拉通一直被大面积稳定的地台型沉积 （里菲和文德阶？）所覆盖。但是，西伯利亚克拉通在稳定阶段发育多次非造山的岩浆活动。年龄约为250 Ma的西伯利亚溢流玄武岩[3-5]是西伯利亚超级地幔柱活动的主要时期。作为全球最大的火成岩省之一的西伯利亚大火成岩省，其岩浆喷发面积约为2×106 km2，影响范围包括雅库特地区，这一时期的地幔柱事件也被称为超级地幔柱。多种证据表明，这次地幔柱事件可能与西伯利亚岩石圈地幔的热力学异常和抬升有关[6]。
雅库特地区位于西伯利亚东北部，发育超过1 000个金伯利岩管。前人研究表明，金伯利岩的喷发时代分别为420、约360、约220、约160 Ma[8-11]。世界上著名的Udachnaya和Mir岩管都位于该地区。雅库特地区因发现大量金刚石矿床而引起地质学界的广泛关注。与此同时，作为一个稳定的克拉通，雅库特地区也是研究克拉通岩石圈地幔演化史的重要地点。
地幔橄榄岩可以反映岩石圈地幔的特征。不同时代地幔橄榄岩可以对比不同时代岩石圈地幔的特征，从而反演岩石圈地幔的演化。西伯利亚克拉通Udachnaya岩管位于雅库特地区中南部，金伯利岩的喷发时代约为360 Ma[8]，在金伯利岩中有金刚石的大量产出。Obnazhennaya岩管位于雅库特地区东北部边缘，金伯利岩的喷发时代约为160 Ma[12]，与该地区所有中生代的金伯利岩管相似，在金伯利岩中没有金刚石的产出，说明其来自于相对较浅的地幔。本文通过总结前人对西伯利亚克拉通地幔橄榄岩的研究，对比不同时代金伯利岩中的橄榄岩包体来讨论西伯利亚雅库特地区岩石圈地幔的演化。
1 地壳形成时代
大陆地壳的形成时代是指地壳物质从地幔分异出来的时间，因此，稳定的克拉通地壳时代与对应的地幔时代应该是耦合的。西伯利亚克拉通具有前寒武纪基底，上部被古生代沉积和二叠纪—三叠纪溢流玄武岩所覆盖。Anabar和Aldan分别是克拉通北部和南部的两个古老地体，其中含有年龄为3.0～36 Ga的麻粒岩和片麻岩[2]。Udachnaya地区下地壳石榴石麻粒岩包体的全岩Nd模式年龄为275～3.00 Ga，锆石U-Pb年龄和Sm-Nd年龄显示这一地区的地壳形成于3.0 Ga左右，同时在1.9～2.0 Ga时伴有变质和岩浆事件[2]。
2 岩石学特征
Udachnaya地区（以下简称“Ud地区”）金伯利岩管的喷发时代为360 Ma，其中含有大量橄榄岩包体。橄榄岩包体种类包括石榴石二辉橄榄岩、石榴石方辉橄榄岩、异剥橄榄岩[1，13]。包体大部分为15～30 cm的椭圆形。同时，该地区橄榄岩包体有一定的变形，按变形程度分为轻微变形、中度变形、强烈变形，显微结构可分为粗粒结构、剪切结构以及过渡类型。在橄榄岩包体中，橄榄石的粒度大小大致相同，且略大于辉石。辉石一般都被拉长，具有核边结构，其中单斜辉石与斜方辉石共生。石榴石在橄榄岩中含量较低，生长在颗粒之间，且具有典型的Kelyphitic环带结构[1]。
Obnazhennaya地区（以下简称“Obn地区”）橄榄岩包体种类有石榴石二辉橄榄岩、石榴石方辉橄榄岩、尖晶石-石榴石二辉橄榄岩、尖晶石石榴石方辉橄榄岩、异剥橄榄岩 [1，14]。岩石与交代熔体反应，使方辉橄榄岩转变为二辉橄榄岩、异剥橄榄岩等。岩石结构包括粒状（粗粒）、残碎斑、过渡、剪切状。岩石依据不同的变形程度分为低度变形、中度变形、强烈变形。岩石中可以看到熔体充填等交代结构，但在Obn地区的石榴石中很少见到环带结构。
3 主量元素特征
Ud地区橄榄石按Mg#值分为两组：Mg#值为826～897的橄榄石和Mg#值为900～934的橄榄石[13，15-19]。Obn地区Mg#值为918～934[1，13]。Ud地区具有难熔和饱满两种包体，Obn地区橄榄岩包体大部分具有难熔的特征。
Ud地区单斜辉石按Mg#值分为两组：Mg#值为86.2～89.9，CaO含量（质量分数，下同）为1639%～1830%的单斜辉石；Mg#值为900～956，CaO 含量为1583%～ 2360%的单斜辉石[1，13，15-16]。 CaO含量与Mg#值成正相关关系，暗示着这些单斜辉石可能是交代作用的产物。与Ud地区单斜辉石相比，Obn地区橄榄岩中单斜辉石具有相对较低的Fe含量，因此，其Mg#值也相对较高（89.3～97.5），CaO含量（16.85%～22.40% [1]）也比Ud地区要高。
Ud地区斜方辉石按Mg#值分为两组：Mg#值为88.9～89.8，CaO含量为076%～100%的斜方辉石；Mg#值为90.5～94.1， CaO含量为011%～121%的斜方辉石[13，15-18]。Obn地区斜方辉石Mg#值在915～948之间，CaO含量为0.08%～0.95%[14]。
Ud地区石榴石Mg#值在7702～8756之间，Al2O3含量为1128%～2260%[1，13-15，17-18]；Obn地区Mg#值在6276～8650之间，Al2O3含量为2010%～ 2368%[1]。
4 微量元素特征
在橄榄岩的所有矿物中，单斜辉石富Ca，石榴石富Al。Ca、Al都是离子半径比较大的元素，因此，这两种矿物相对含有较高的微量元素。轻稀土元素主要与单斜辉石有关，重稀土元素主要与石榴石有关。因此，石榴石和单斜辉石的稀土元素配分模式基本可以用来反映橄榄岩的稀土元素特征。
总结前人对Ud地区和Obn地区包体的单斜辉石微量元素数据 [1，13，16]，可以看到Ud地区和Obn地区橄榄岩中的单斜辉石均表现为轻稀土元素富集、重稀土元素亏损的配分模式（图2）。这一稀土元素配分模式暗示着Ud地区和Obn地区单斜辉石均受到了交代作用的影响，或单斜辉石为橄榄岩受交代作用后的产物。
从石榴石稀土元素配分模式可以看出，Ud地区橄榄岩中石榴石可以被分为两组（图2）：正弦型、平坦重稀土元素（HREE）型。Ud地区大部分方辉橄榄岩中的石榴石以及石榴石核部都具有正弦型稀土元素配分模式特征，相对应的主量元素大都表现为相对饱满的二辉橄榄岩特征。与正弦型相比，平坦重稀土元素型石榴石具有相对富集中—重稀土元素，Ud地区橄榄岩中石榴石的边部以及Obn地区橄榄岩中石榴石大都表现出上述特征，暗示着平坦重稀土元素型配分模式是正弦型受到交代作用影响的结果[20]。
5 温压条件
用多种温压计对Ud地区和Obn地区地幔橄榄岩包体进行温度和压力计算，不同温压计所得到的同一地区温度和压力大致在一个范围内。Ud地区粗粒橄榄岩压力在27～66 GPa之间，温度为720 ℃～1 322 ℃。变形的橄榄岩具有相对较高的温度（1 235 ℃～1 320 ℃[16]）和压力（5.2～6.6 GPa[16]）。与之相似，Agashev等对Ud地区地幔橄榄岩温度和压力计算的结果也在1 250 ℃～1 400 ℃和56～70 GPa[13]。 Howarth等得到的温度和压力分别为56～65 GPa和1 240 ℃～1 280 ℃[1]。温度和压力的计算表明，Ud地区热流密度为40 mW·m-2[13，16，21]，而其压力所对应的岩石圈地幔深度约为220 km。前人也利用Ud地区金伯利岩中石榴石微量元素计算得到的岩石圈地幔与软流圈地幔的边界值（220～230 km）是一致的。地震波速上，Ud地区在210 km深度的地震波速为85 km·s-1，从210 km深度开始，地震波速从85 km·s-1 逐渐减少到81 km·s-1左右，直到250 km深度，波速又增加到86 km·s-1 [21]。因此，在210～250 km深度之间，Ud地区的地幔存在一个低速带——岩石圈地幔与软流圈地幔的分界线。
Obn地区地幔橄榄岩的研究相对较少，仅有的研究结果表明其温度为620 ℃～790 ℃，压力在15～25 GPa，深度约为150 km，计算所得到的热流密度为45～50 mW·m-2[1]。Obn地区与Ud地区样品对比发现（图3），Obn地区橄榄岩包体均位于石墨-金刚石分界线以上，Ud地区大部分样品位于该线以下，暗示着Ud地区岩石圈地幔比Obn地区要厚。
6 Re-Os同位素特征
岩石圈地幔是指早期地幔发生熔体迁出形成地壳后的残留。从定义出发，岩石圈地幔的时代应与地壳的形成时代相对应。传统上多依据地幔的亏损程度来推测岩石圈地幔的大致时代，即地球演化早期较高的地热梯度可以使地幔发生较高程度的部分熔融，从而使形成的岩石圈地幔具有较高的镁含量；而在显生宙期间，地球的地热梯度明显降低，且由于其较年轻，相对经历的熔融次数要少，所以在年轻岩石圈地幔中所产生的镁含量明显偏低。该方法主要依据地幔的主量元素组成特征，实质是熔融程度高时残留的地幔具有较低的Al2O3、CaO含量及高橄榄石牌号。然而，尽管可以概念性地认为时代较老的地幔由于受到多次熔融作用影响而使其熔融程度偏高，但不排除年轻的岩石圈地幔当经受高程度部分熔融时，其残留也表现出与古老地幔相同的元素特征。近年来，Os同位素可以对岩石圈地幔的时代给予有效约束。
地幔在熔体抽提时，Re等不相容元素较易进入熔体，而Os等相容元素则较多地残留在地幔中。因此，当某一地幔遭受不同程度熔融后，其不同部分残留的Re、Os含量及其比值会有不同的变化。通过构建Re-Os等时线可以确定熔体抽取的时间，即岩石圈地幔的时代。但是，Re-Os等时线方法在实际应用过程中具有很大的局限性，因为岩石圈地幔容易受到来自下部流体的改造，从而导致Re发生重新富集。Walker等提出的Os模式年龄（TMA）和Re亏损年龄（TRD）方法，TMA和TRD分别代表岩石圈地幔形成的最大和最小年龄[22]。而前人研究表明，后期流体和地壳物质的加入也不会对地幔样品的Os同位素比值造成很大影响。Re-Os同位素的分析方法主要有全岩Re-Os同位素分析方法和硫化物原位Re-Os同位素分析方法。
对Ud地区年龄为360 Ma金伯利岩中的地幔橄榄岩包体进行硫化物原位Re-Os同位素分析以及全岩Re-Os同位素分析。结果显示：N（187Os）/N（188Os）值在0881 91～0103 30之间，n（187Re）/n（188Os）值在0000 76～27400 00之间。通过计算TRD和TMA发现，Ud地区橄榄岩包体年龄可分为3组[14，19，23]：①太古宙（2.0～3.5 Ga，TRD≈TMA），这一年龄代表了岩石圈地幔抽提的时代，说明该地区有古老岩石圈地幔的存在，前人得到的Ud地区地壳时代（3.0 Ga）与这一组年龄耦合；②元古宙（1.0～20 Ga，TRD≈TMA），具有这样年龄的硫化物可能暗示着其是橄榄岩受到后期熔体交代的影响而结晶出来的，而新鲜的全岩橄榄岩包体Re-Os同位素显示其也同样具有元古宙的年龄，暗示着该地区新的岩石圈地幔与古老的岩石圈地幔共存；③压力小于10 Ga，TMA为负值，这些硫化物应该来自于后期交代的熔体。其中，N（·）/N（·）为同一元素同位素比值，N（·）为该元素的原子丰度，n（·）/n（·）为不同元素同位素比值，n（·）为元素的物质的量。
Obn地区橄榄岩包体的Re-Os数据目前还鲜有报道。笔者对几个橄榄岩包体进行了全岩Re-Os同位素分析，得到的TRD值在114～216 Ga之间，TMA值在161～323 Ma之间（未发表）。绝大多数样品的年龄为 2.0～3.0 Ga，说明这一地区在160 Ma时仍为古老的岩石圈地幔。
7 岩石圈减薄与破坏？
近年来，克拉通的减薄与破坏一直是地质科学研究的热点之一。以华北克拉通为例，研究发现华北克拉通在中新生代时期的岩石圈减薄不仅仅是岩石圈厚度的变化，同时伴随岩石圈性质和热状态的转变。1.85 Ga克拉通化以后，华北一直表现为稳定的克拉通特点，但从中生代以后，华北原应具有的稳定性质发生了破坏。西伯利亚克拉通是否发生了岩石圈的减薄与破坏呢？
前人对于西伯利亚克拉通的研究表明，古生代金伯利岩中的金刚石及其中的橄榄岩包体资料显示，该时期的岩石圈地幔具有200～220 km的厚度，然而由新生代地幔橄榄岩所构筑的地温线与古生代略有不同，结合其不含任何金刚石的产出，表明此时岩石圈厚度约为150 km，该厚度与用石榴石巨晶所确定的220 Ma Kharamai金伯利岩喷发时的岩石圈厚度基本相当[24]，即西伯利亚克拉通在220～360 Ma之间曾发生过约50 km的少量岩石圈减薄[1，8]。
对比西伯利亚克拉通古生代（360 Ma）金伯利岩和新生代金伯利岩中地幔包体，古生代与新生代的橄榄岩包体都含有石榴石，不同点在于古生代的金伯利岩中含有金刚石，从而暗示较大的来源深度[25]。在岩石类型上，古生代和新生代都为方辉橄榄岩以及少量的二辉橄榄岩；从主量元素成分来看，古生代与新生代的地幔橄榄岩大都表现为难熔的特点，表明是经历过较高程度熔体抽提后的地幔残留；Os同位素研究发现， Ud地区与Obn地区均存在相对古老的岩石圈地幔，年龄主要集中在2.0～3.0 Ga；橄榄岩包体及产于金伯利岩中的金刚石温压研究显示，360 Ma的地热状况与世界典型的克拉通相似，热流密度约为40 mW·m-2，而160 Ma时的热流密度约为50 mW·m-2，没有发生较大的变化。
综上所述，西伯利亚克拉通的岩石圈减薄可能仅仅是岩石圈厚度的变化，并没有伴随岩石圈性质和热状态的转变，这与华北克拉通是不同的。
8 岩石圈地幔减薄机制——交代作用
岩石圈地幔减薄机制是研究克拉通演化的一个重要问题。在世界上其他稳定克拉通的研究中，华北克拉通岩石圈地幔减薄机制的研究程度最高，热侵蚀、拆沉、机械拉张、橄榄岩-熔体的相互作用等一系列减薄机制相继提出。西伯利亚克拉通的岩石圈地幔与华北克拉通不同，仅发生了岩石圈减薄而没有造成克拉通的破坏作用。
地幔柱是一种来自于深部地幔的圆柱形热塑流，在其上涌过程中，可能会对上覆岩石圈地幔烘烤和加热，发生热侵蚀作用，造成岩石圈地幔的减薄。热侵蚀作用也称交代作用，是地幔中十分常见的一种现象，在全球各地的地幔橄榄岩中均有显现。它对地幔橄榄岩的影响主要有：①对地幔橄榄岩化学成分的影响；②使地幔橄榄岩中矿物组成和成分发生改变。
近期对西伯利亚克拉通地幔橄榄岩的研究表明，在地幔柱发生前后，该地区的岩石圈地幔一直都遭受着热侵蚀作用的影响，而这些熔体可能来自于尖晶石相的浅部熔体，或者是来自于俯冲或地幔柱入侵的熔体。热侵蚀作用的熔体种类有很多，主要包括：
（1）从岩石圈地幔中渗透出来的金伯利质熔体在喷发过程中对地幔有交代作用。金伯利质熔体的交代作用会使地幔橄榄岩的轻稀土元素（LREE）相对富集，并伴有次生的单斜辉石和石榴石反应边的形成。
（2）碳酸盐熔体的交代作用会造成单斜辉石的CaO、Na2O、LREEs、U、Th、Pb和Sr等含量的增加。在相同w（Ti）/w（Eu）值的样品中，受碳酸盐交代的样品比受金伯利质熔体交代的样品具有更高的w（La）/w（Yb）值。其中，w（·）为元素或化合物含量。
（3）玄武质熔体一般与较大的构造热事件有关，例如板间溢流玄武岩、地幔柱等。大量玄武质熔体入侵会造成岩石圈地幔的侵蚀或减薄，同时还会有低微量元素含量的石榴石产生和地幔岩石温度的升高。
（4）低温交代作用（950 ℃～1 100 ℃）会在地幔橄榄岩中形成矿物的反应边结构，如石榴石的反应边中有CaO、Zr、Y，Ti含量的增加，w（Zr）与w（Y）、w（Zr）与w（Ti）成相关关系，同时会伴有金云母等次生矿物的增加。
Howarth等利用两个地区橄榄岩中单斜辉石、石榴石微量元素含量，模拟计算全岩微量元素含量，并与上述交代介质进行对比，将西伯利亚克拉通岩石圈的交代减薄分成4个阶段（图4）[1，13]。这4个阶段具体为：
第一阶段（>360 Ma）为低温交代作用。这一时段的熔体来自于岩石圈地幔中，在年龄为360 Ma的金伯利岩熔体之前。从Ud地区的橄榄岩包体可以看出，低温交代作用是岩石圈地幔发生熔体再富集作用，使橄榄岩由方辉橄榄岩成分转变为石榴石二辉橄榄岩成分。然而这一过程只是使岩石从成分上发生了变化，在岩石类型上仍然是方辉橄榄岩。同时，这一阶段的交代作用并没有产生单斜辉石[16]。
第二阶段（约360 Ma）为高温交代作用。这一时期的交代熔体为岩石圈地幔小程度部分熔融产生的金伯利质熔体。伴随着这一时期的金伯利岩浆喷发，地幔橄榄岩中的石榴石CaO、Cr2O3含量降低，稀土元素配分模式发生了改变，同时使石榴石和单斜辉石产生反应边结构。同时，这一时期金伯利质岩浆交代也与西伯利亚的超级地幔柱继续上升有关。
第三阶段（约250 Ma）为玄武质熔体交代作用（超级地幔柱）。年龄为250 Ma的西伯利亚大火成岩省也可能是造成岩石圈地幔减薄的原因之一，也是目前公认的西伯利亚克拉通岩石圈减薄的主要机制[1]。年龄为250 Ma的西伯利亚大火成岩省产生了大量玄武质熔体，这些熔体的交代作用使西伯利亚克拉通的岩石圈地幔发生了改变。与Ud地区对比，Obn地区的橄榄岩包体含有粗粒的、无环带结构的石榴石以及高的石榴石和单斜辉石含量，这说明Obn地区岩石圈地幔受到的交代作用比Ud地区要更为强烈。通过微量元素的平衡计算得出这些交代作用的熔体与玄武质岩浆相关。上升的地幔柱溶蚀了50 km厚的岩石圈地幔，使Obn地区的岩石圈地幔减薄至无金刚石区域。
第四阶段（约160 Ma）为金伯利质熔体交代作用。交代的熔体为这一时期喷发的金伯利质岩浆，虽然在石榴石中仍保留有被年龄为250 Ma的玄武质岩浆交代作用的稀土元素结果，但单斜辉石的微量元素却已被金伯利质岩浆改造。
9 与空间位置是否有关？
虽然西伯利亚克拉通岩石圈的减薄被提出已经很久，并得到很多研究者的支持，但Taylor 等认为该克拉通岩石圈减薄幅度不大，或基本不存在减薄，只是空间的位置不同[26]。Ud地区岩管位于克拉通中部，岩石圈比较厚，而Obn地区岩管处于克拉通北部边缘，因而其岩石圈厚度可能稍薄[26]。
西伯利亚克拉通是元古宙几个块体碰撞拼贴而成，北部的块体分别为Magan、Anabar、Olenek。在克拉通形成之前，块体所经历的历史可能不同，导致其岩石圈地幔的厚度、成分、熔融程度、岩石类型以及所经历的交代事件都可能是不同的。前人研究结果表明，Ud地区Magan、Anabar块体被太古宙的地壳所覆盖，岩石圈地幔厚度约为230 km，岩石圈地幔的岩石种类与成分特征均表现出较为难融的太古宙特点[8，27]。Obn地区Olenek块体虽同样具有太古宙地壳，但其岩石圈地幔可能本身就具有典型的元古宙成分特征，导致其岩石圈地幔年龄也主要集中在元古宙时期，地幔厚度为150～180 km。这一特征可能是在1.8～1.9 Ga西伯利亚克拉通化之前就有的，亦或者是在克拉通化时的碰撞热事件所导致的。同时， Obn地区大部分橄榄岩Re-Os同位素年龄集中在1.8～1.9 Ga，与块体碰撞事件相同，也说明了减薄与重建可能发生在碰撞拼合时。这一现象在华北克拉通也有发生，华北克拉通汉诺坝地区所得到的19 Ga年龄就被解释为当时华北东、西部地块拼合时形成的岩石圈地幔[28-33]。
综上所述，西伯利亚克拉通的岩石圈地幔可能并没有受到西南部约250 Ma的超级地幔柱事件的影响，而是在碰撞拼合之前或碰撞拼合时导致克拉通不同地区岩石圈地幔厚度的不同。
10 结 语
（1）地温梯度以及金伯利岩中存在的金刚石表明，西伯利亚克拉通在360 Ma时的岩石圈地幔厚度至少有200 km，局部可达220 km左右，这与在西伯利亚克拉通发现的地震低速带是相吻合的。而在160 Ma时，岩石圈地幔厚度小于150 km。
（2）Udachnaya地区橄榄岩包体全岩Os同位素成分表明，32 Ga为Re-Os模式年龄，暗示岩石圈地幔形成于中太古代。这一年龄与Anabar和Aldan地区最古老的地壳年龄耦合，而Obnazhennaya地区岩石圈地幔的时代相对年轻，约为1.9 Ga。
参考文献：
References：
[1] HOWARTH G H，BARRY P H，PERNET-FISHER J F，et al.Superplume Metasomatism：Evidence from Siberian Mantle Xenoliths[J].Lithos，2014，184/185/186/187：209-224.
[2] ROSEN O M，MANAKOV A V，SUVOROV V D.The Collisional System in the Northeastern Siberian Craton and a Problem of Diamond-bearing Lithospheric Keel[J].Geotectonics，2005，39（6）：456-479.
[3] CARLSON R W，CZAMANSKE G，FEDORENKO V，et al.A Comparison of Siberian Meimechites and Kimberlites：Implications for the Source of High-Mg Alkalic Magmas and Flood Basalts[J].Geochemistry，Geophysics，Geosystems，2006，7（11），doi：10.1029/2005GC001233.
[4] IVANOV A V，HE H，YAN L K，et al.Siberian
Traps Large Igneous Province： Evidence for Two Flood Basalt Pulses Around the Permo-Triassic Boundary and in the Middle Triassic，and Contemporaneous Granitic Magmatism[J].Earth-science Reviews，2013，122：58-76.
[5] KAMO S L，CZAMANSKE G K，AMELIN Y，et al.Rapid Eruption of Siberian Flood-volcanic Rocks and Evidence for Coincidence with the Permian-Triassic Boundary and Mass Extinction at 251 Ma[J].Earth and Planetary Science Letters，2003，214（1/2）：75-91.
[6] SAUNDERS A D，ENGLAND R W，REICHOW M K，et al.A Mantle Plume Origin for the Siberian Traps：Uplift and Extension in the East Siberian Basin， Russia[J].Lithos，2005，79（3）：407-424.
[7] 吴福元，徐义刚，朱日祥，等.克拉通岩石圈减薄与破坏[J].中国科学：地球科学，2014，44（11）：2358-2372.
WU Fu-yuan，XU Yi-gang，ZHU Ri-xiang，et al.Thinning and Destruction of the Cratonic Lithosphere：A Global Perspective[J].Science China：Earth Sciences，2014，44（11）：2358-2372.
[8] GRIFFIN W L，RYAN C G，KAMINSKY F V，et al.The Siberian Lithosphere Traverse：Mantle Terranes and the Assembly of the Siberian Craton[J].Tectonophysics，1999，310（1/2/3/4）：1-35.
[9] KINNY P，GRIFFIN B J，HEAMAN L M，et al.SHRIMP U-Pb Ages of Perovskite from Yakutian Kimberlites[J].Russian Geology and Geophysics，1997，38（1）：97-105.
[10] KOSTROVITSKY S I，MORIKIYO T，SEROV I V，et al.Isotope-Geochemical Systematics of Kimberlites and Related Rocks from the Siberian Platform[J].Russian Geology and Geophysics，2007，48（3）：272-290.
[11] SNYDER G A，TAYLOR L A，CROZAZ G，et al.The Origins of Yakutian Eclogite Xenoliths[J].Journal of Petrology，1997，38（1）：85-113.
[12] BLANCO D，KRAVCHINSKY V A，KONSTANTINOV K M，et al.Paleomagnetic Dating of Phanerozoic Kimberlites in Siberia[J].Journal of Applied Geophysics，2013，88：139-153.
[13] AGASHEV A，IONOV D，POKHILENKO N，et al.Metasomatism in Lithospheric Mantle Roots：Constraints from Whole-rock and Mineral Chemical Composition of Deformed Peridotite Xenoliths from Kimberlite Pipe Udachnaya[J].Lithos，2013，160/161：201-215.
[14] PEARSON D，SHIREY S，CARLSON R，et al.Re-Os，Sm-Nd， and Rb-Sr Isotope Evidence for Thick Archaean Lithospheric Mantle Beneath the Siberian Craton Modified by Multistage Metasomatism[J].Geochimica et Cosmochimica Acta，1995，59（5）：959-977.
[15] IONOV D A，DOUCET L S，ASHCHEPKOV I V.Composition of the Lithospheric Mantle in the Siberian Craton：New Constraints from Fresh Peridotites in the Udachnaya-East Kimberlite[J].Journal of Petrology，2010，51（11）：2177-2210.
[16] DOUCET L S，IONOV D A，GOLOVIN A V.The Origin of Coarse Garnet Peridotites in Cratonic Lithosphere：New Data on Xenoliths from the Udachnaya Kimberlite， Central Siberia[J].Contributions to Mineralogy and Petrology，2013，165（6）：1225-1242.
[17] BOYD F R，POKHILENKO N P，PEARSON D G，et al.Composition of the Siberian Cratonic Mantle：Evidence from Udachnaya Peridotite Xenoliths[J].Contributions to Mineralogy and Petrology，1997，128（2）：228-246.
[18] CANIL D，ONEILL H S C.Distribution of Ferric Iron in Some Upper-mantle Assemblages[J].Journal of Petrology，1996，37（3）：609-635.
[19] GRIFFIN W L，SPETSIUS Z V，PEARSON N J，et al.In-situ Re-Os Analysis of Sulfide Inclusions in Kimberlitic Olivine：New Constraints on Depletion Events in the Siberian Lithospheric Mantle[J].Geochemistry， Geophysics， Geosystems，2002，3（11）：1-25.
[20] WU F Y，WALKER R J，REN X W，et al.Osmium Isotopic Constraints on the Age of Lithospheric Mantle Beneath Northeastern China[J].Chemical Geology，2003，196（1/2/3/4）：107-129.
[21] GRIFFIN W L，KAMINSKY F V，RYAN C G，et al.Thermal State and Composition of the Lithospheric Mantle Beneath the Daldyn Kimberlite Field，Yakutia[J].Tectonophysics，1996，262（1/2/3/4）：19-33.
[22] WALKER R J，CARLSON R W，SHIREY S B，et al.Os， Sr， Nd， and Pb Isotope Systematics of Southern African Peridotite Xenoliths：Implications for the Chemical Evolution of Subcontinental Mantle[J].Geochimica et Cosmochimica Acta，1989，53（7）：1583-1595.
[23] PEARSON N J，ALARD O，GRIFFIN W L，et al.In-situ Measurement of Re-Os Isotopes in Mantle Sulfides by Laser Ablation Multicollector-inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry：Analytical Methods and Preliminary Results[J].Geochimica et Cosmochimica Acta，2002，66（6）：1037-1050.
[24] GRIFFIN W L，NATAPOV L M，OREILLY S Y，et al.The Kharamai Kimberlite Field，Siberia：Modification of the Lithospheric Mantle by the Siberian Trap Event[J].Lithos，2005，81（1/2/3/4）：167-187.
[25] ASHCHEPKOV I V，POKHILENKO N P，VLADYKIN N V，et al.Structure and Evolution of the Lithospheric Mantle Beneath Siberian Craton，Thermobarometric Study[J].Tectonophysics，2010，485（1/2/3/4）：17-41.
[26] TAYLOR L A，SNYDER G A，KELLER R，et al.Petrogenesis of Group A Eclogites and Websterites： Evidence from the Obnazhennaya Kimberlite，Yakutia[J].Contributions to Mineralogy and Petrology，2003，145（4）：424-443.
[27] TYCHKOV N S，POKHILENKO N P，KULIGIN S S，et al.Composition and Origin of Peculiar Pyropes from Lherzolites： Evidence for the Evolution of the Lithospheric Mantle of the Siberian Platform[J].Russian Geology and Geophysics，2008，49（4）：225-239.
[28] GAO S，RUDNICK R L，CARLSON R W，et al.Re-Os Evidence for Replacement of Ancient Mantle Lithosphere Beneath the North China Craton[J].Earth and Planetary Science Letters，2002，198（3/4）：307-322.
[29] GRAND S P，HELMBERGER D V.Uppermantle Shear Structure Beneath Asia from Multi-bounce S Waves[J].Physics of the Earth and Planetary Interiors，1985，41（2/3）：154-169.
[30] 吴福元，徐义刚，高 山，等.华北岩石圈减薄与克拉通破坏研究的主要学术争论[J].岩石学报，2008，24（6）：1145-1174.
WU Fu-yuan，XU Yi-gang，GAO Shan，et al.Lithospheric Thinning and Destruction of the North China Craton[J].Acta Petrologica Sinica，2008，24（6）：1145-1174.
[31] 郑永飞，吴福元.克拉通岩石圈的生长和再造[J].科学通报，2009，54（14）：1945-1949.
ZHENG Yong-fei，WU Fu-yuan.Growth and Reworking of Cratonic Lithosphere[J].Chinese Science Bulletin，2009，54（14）：1945-1949.
[32] 朱日祥，郑天愉.华北克拉通破坏机制与古元古代板块构造体系[J].科学通报，2009，54（14）：1950-1961.
ZHU Ri-xiang，ZHENG Tian-yu.Destruction Geodynamics of the North China Craton and Its Paleoproterozoic Plate Tectonics[J].Chinese Science Bulletin，2009，54（14）：1950-1961.
[33] 高 山，章军锋，许文良，等.拆沉作用与华北克拉通破坏[J].科学通报，2009，54（14）：1962-1973.
GAO Shan，ZHANG Jun-feng，XU Wen-liang，et al.Delamination and Destruction of the North China Craton[J].Chinese Science Bulletin，2009，54（14）：1962-1973.
