地幔柱活动引发大规模、快速的火山喷发和大火成岩省的形成，后者又导致大气圈和水圈的变化从而影响生物圈的演化，因而是联系地球内部和表层系统的纽带。二叠纪是地球历史中岩浆活动最活跃的时期之一，包括250~300 Ma期间的3个大火成岩省(西伯利亚暗色岩系、峨眉山和塔里木大火成岩省)，记录了二叠纪时期地幔物质组成与演化的宝贵信息。与全球大火成岩省成矿类型单一的情形不同，二叠纪大火成岩省的成矿类型多样，赋含钒钛磁铁矿矿床、铜镍硫化物矿床以及自然铜、铌钽矿化等。此外，二叠纪末还发生了显生宙以来最大规模的双生物灭绝事件(PTB和GLB)，造成90%以上的海洋生物和75%以上的陆地生物灭绝(Erwin，1993; Jin et al., 1994; Yin et al., 2004)，三叠纪初生命的发展历程一度回到了与前寒武纪末期可比较的原始状态。与瓜德鲁普世末生物灭绝事件相对应的是全球最大规模的海平面下降、地球磁场发生Illawarra反转事件和海水Sr同位素比值的巨幅降低(Isozaki，2009)。中晚二叠世这些全球事件的背景及相互关联机制值得研究。

2011~2015年，在国家973项目《二叠纪地幔柱构造与地表系统演变》的支持下，对峨眉山和塔里木大火成岩省的深部动力学过程、二叠纪大规模成矿作用的多样性及其关键控制因素和大规模岩浆作用与晚二叠世生物大灭绝的关联性等3个关键科学问题，进行了深入的研究。本文按照科学问题、研究思路和主要进展作为写作路线，总结了在上述3个方面取得的4项重要进展。

大火成岩省活动的持续时间是判断其形成动力学的重要指标(Campbell，2001；Xu et al., 2007)。一般来说，由地幔柱头熔融形成的大火成岩省的持续时间小于1 Ma。峨眉山玄武岩覆盖在茅口组灰岩之上，又被吴家坪阶的宣威组或龙潭组所覆盖。对比地层年表约束峨眉山玄武岩的年龄为254~259 Ma。遗憾的是，由于峨眉山大火成岩省受到了中-新生代复杂构造-热事件的影响，其Ar-Ar体系遭到破坏，因此，峨眉山玄武岩Ar-Ar年龄通常小于由地层关系限定的喷发时代(Boven et al., 2002; Lo et al., 2002；Ali et al., 2004)。根据对该大火成岩省中镁铁-超镁铁质岩体和花岗岩中的锆石U-Pb定年，初步确定峨眉山大火成岩省的形成时代为260±3 Ma(Zhou et al., 2002; He et al., 2007; Zhong et al., 2007, 2009; Shellnutt et al., 2008; Xu et al., 2008)。但是这些定年结果的误差较大(>1%)，分析误差可能已经大于火山活动的持续时间，因而对地幔柱识别难以提供有力的判断依据(徐义刚等，2013a；Zhong et al., 2014)。另外一个不足是，镁铁-超镁铁质岩体的年龄并不真正代表玄武岩喷发的年龄，因而无法准确限定火山作用的喷发峰期时间(徐义刚等，2013b)。

He等(2007)证明峨眉山玄武岩位于中-晚二叠世界线(即瓜德鲁普统-乐平统界线，GLB)，朝天剖面GLB黏土岩为中带火山岩的剥蚀产物。因此推测峨眉山大火成岩省中带顶部火山岩的年龄应与GLB黏土岩年龄一致，GLB的年龄应等同于峨眉山大火成岩省的年龄，这为验证He等(2007)的模型提供了重要途径。

采用单颗粒锆石CA-ID-TIMS方法对宾川地区峨眉山玄武岩顶部酸性凝灰岩和朝天剖面GLB黏土岩中的锆石进行高精度定年(Zhong et al., 2014)，测得的酸性凝灰岩和黏土岩年龄分别为259.1±0.5 Ma和259.2±0.3 Ma(图 1)，两者在误差范围内完全一致，与前人报道的攀西地区侵入岩年龄(259.6±0.5~257.6±0.5 Ma)(Shellnutt et al., 2012)基本一致。这些结果限定峨眉山大火成岩省峰期年龄为259.1~259.2 Ma，持续时间小于1 Ma，为峨眉山地幔柱柱头熔融模型提供了有利证据。这项工作的另一个科学意义是为GLB生物灭绝事件与峨眉山大火成岩省的时间耦合关系提供了高精度的同位素年龄依据，且指示GLB最老年龄为259.1±0.5 Ma，修正了国际地层年表中估算的GLB年龄(259.8±0.40 Ma，Henderson et al., 2012)。这一新的GLB年龄已被国际地层委员会采纳(http://www.stratigraphy.org/index.php/ics-chart-timescale，v.2016/12版)。

图 1

图件引自Zhong等(2014) 图 1 宾川地区峨眉山玄武岩顶部酸性凝灰岩(a)和朝天GLB黏土岩(b)中锆石的CA-ID-TIMS定年结果 Figure 1 CA-ID-TIMS dating results of zircons extracted from silicic igimbrite from the top of lava succession in the Bingchuan area and from claystone at the GLB of the Chaotian section

由于塔里木盆地为塔克拉玛干沙漠覆盖，有关二叠纪岩浆活动的信息主要来自出露于塔里木盆地西北部的柯坪、巴楚和皮羌地区，以及油气勘探提供的塔里木盆地内部的岩心资料(陈汉林等，1997；姜常义等，2004; 杨树锋等，2005；Yang et al., 2007; Zhou et al., 2009; Tian et al., 2010; Zhang et al., 2010a, 2010b; Li et al., 2011; Yu et al., 2011)。塔里木玄武岩位于康克林组之上，上覆沙井子组，地层对比确定塔里木玄武岩形成于早中二叠世(张师本，2003)。塔里木玄武岩出现在库普库兹满组和开派兹雷克组中，分别有2层和6层玄武岩岩流构成。库普库兹满组和开派兹雷克组均由互层的火山岩-砂泥岩构成，说明塔里木玄武岩具有相对长的喷发时限和较低的喷发速率。对塔里木玄武岩开展了大量的定年工作，文献中报道的年龄共有118个，年龄值为205~358 Ma(Shangguan et al., 2016)，年龄数据质量存在疑问。总体而言，K-Ar年龄为248~292 Ma，Ar-Ar年龄为278~283 Ma，锆石U-Pb年龄为287~294 Ma。其中Ar-Ar年龄(280 Ma)远小于锆石U-Pb年龄(290 Ma)，两者相差大于10 Ma。

针对已发表的锆石原位微区定年数据误差偏大、以及玄武岩锆石来源存在捕获自围岩的不确定性(Li et al., 2014)，对代表性剖面-柯坪玄武岩底部和顶部出露的中酸性凝灰岩，开展了高精度的CA-TIMS锆石U-Pb定年工作(Luo et al., in prep.)。结果显示，库普库兹曼组的火山作用起始于289.33±0.33 Ma，结束于289.41±0.87 Ma，开派兹雷克组的火山作用结束于284.27±0.39 Ma。因此，柯坪玄武岩的喷发时限大于5 Ma。田伟等(未发表资料)在另一个实验室获得了类似的年龄，库普库兹曼组顶部与底部酸性凝灰岩分别为289.34±0.93 Ma和290.9±1.3 Ma，确认库普库兹曼组与塔北英买力井区的玄武岩同期。

对已发表的有关塔里木大火成岩省的年龄数据进行了统计和甄别(Wei et al., 2014)，总结出塔里木大火成岩省的3期岩浆活动的时空分布特征(Xu et al., 2014)(图 2): ① ~300 Ma，金伯利岩，主要局限在巴楚瓦吉利塔格地区；② ~290 Ma，溢流玄武岩和G1流纹岩，主要分布于盆地内部；③ ~280 Ma，镁铁-超镁铁质岩体、岩墙群、正长岩和A型花岗岩，零星分布于盆地边缘或接近造山带部位。

图 2

图件引自Xu等(2014) 图 2 塔里木大火成岩省的3期岩浆活动 Figure 2 Three episodes of magmatic events in the Tarim Large Igneous Province

塔里木大火成岩省原指在塔里木盆地分布的早二叠纪岩浆岩(陈汉林等，1997；杨树锋等，2005)，但在天山造山带以及北疆地区也广泛存在同时代的岩浆岩。Zhang等(2010a)因此提出塔里木大火成岩省的范围可能覆盖塔里木盆地以及中亚造山带。不过中亚造山带的早二叠世玄武岩通常具有“弧”型地球化学特征，与塔里木盆地内部分布的典型的板内玄武岩的性质存在明显不同，因此关于塔里木大火成岩省的范围尚未有定论。从塔里木盆地出现的3期岩浆活动看，塔里木大火成岩省的活动起始于~300 Ma。除了瓦吉利塔格地区的似金伯利岩(Zhang et al., 2013)外，最近在西南天山特克斯哈拉达拉发现了含大型钒钛磁铁矿的层状镁铁-超镁铁质杂岩体，其形成年龄为~300 Ma(He et al., 2016)。传统上，天山造山带晚石炭-早二叠岩浆活动被认为是造山后岩浆作用，而且哈拉达拉岩体具有明显的“弧”型微量元素地球化学特征，与典型的板内岩浆特征有所不同。但He等(2016)根据磁铁矿-钛铁矿矿物对所确定出岩体的氧逸度相对较低，岩石中普遍缺乏含水矿物，极少量的晚期云母矿物均围绕他形的铁钛氧化物生长，其成分高镁并富含F、Cl，因此推论其原始岩浆具有相对低氧逸度和贫水的特点。岩体具有相对亏损的Sr-Nd同位素组成，相对平坦的微量元素和稀土元素配分型式，较弱的Nb-Ta-Ti负异常，相对低钾，表明其地幔源区的熔融程度较高，不可能形成于纯粹的后碰撞伸展构造环境。贫挥发分组分和岩石圈相对厚的构造环境表明，减压和固相线温度降低均不是哈拉达拉辉长岩的地幔源区发生高程度部分熔融的因素，而很可能存在异常热(如地幔柱)促使这一过程的发生。因此，该岩体代表了塔里木地幔柱与岩石圈相互作用的产物(He et al., 2016)。

同样，在北疆的大南湖地区出露2组岩浆岩：安山岩和玄武岩(Liu et al., 2016)。前者形成于321.2±9.8 Ma，具有埃达克岩特征；后者喷发于278.9±4.2 Ma，与塔里木二叠纪地幔柱岩浆同时代，早二叠世玄武岩具有大离子亲石元素相对高场强元素富集，亏损的Sr-Nd-Pb同位素组成特征，显示典型岛弧岩浆的特征。对于后者有2种解释：是俯冲背景下的产物，或者是遭受俯冲交代的地幔在后来的热事件中的熔融产物。为了区分这2种熔融机制，Liu等(2016)尝试用B同位素地球化学来研究引发地幔熔融的原因，进而探讨产生熔融的构造背景。B是不相容、活动元素，在俯冲板片脱水过程中倾向于随流体进入地幔楔，同时B同位素发生分馏，¹¹ B随流体进入地幔楔。因此，由地幔楔部分熔融形成的岛弧岩浆岩具有高的B含量和高的δ¹¹ B值；随着俯冲的深入，俯冲板片脱水作用减弱，进入地幔楔的B含量降低，因而岛弧岩浆的B含量和δ¹¹ B值降低；B/Nb值与δ¹¹ B值大致呈正相关关系(图 3灰色区域)。石炭纪埃达克岩符合岛弧岩浆B同位素所反映的这一特征。相反，起源于再循环洋壳的板内岩浆由于经历了俯冲过程的脱水作用，B含量降低，在δ¹¹ B-B/Nb图中呈负相关关系(图 3红色渐变区域)。与典型的板内岩浆相比，大南湖二叠纪玄武岩具有高的B/Nb值，与岛弧岩浆岩相当；但是，其B/Nb值和δ¹¹ B值呈现负相关性的特征，与板内岩浆过程B的行为一致，反映了B含量降低和δ¹¹ B值升高的过程，无显著俯冲流体的加入，是早期岛弧信息的残留。因此，大南湖二叠纪玄武岩形成于板内环境，说明中亚造山带南缘的构造背景在石炭纪-二叠纪由俯冲环境转为板内环境。

图 3

图件引自Liu等(2016) 图 3 用B同位素-B/Nb相关图区分大南湖石炭纪-二叠纪火山岩的构造背景 Figure 3 B isotope-B/Nb ratio diagram to discriminate the tectonic setting of the Carbonifierous-Permian volcanism in the Dananhu area

如果上述解释正确的话，塔里木地幔柱活动的影响范围不局限于塔里木盆地，可能覆盖了天山及北疆地区(Zhang et al., 2010a)。塔里木大火成岩省与印度克什米尔的Panjal溢流玄武岩在喷发时间上基本相同(Shellnutt et al., 2014)，两者是否存在亲缘关系、来自同一个地幔柱活动尚待后续研究加以证实。

塔里木盆地早二叠世岩浆岩覆盖面积达250000 km²，具有3期岩浆活动的时空分布特征。3期岩浆具有不同的元素和同位素地球化学特征，暗示由不同的母岩浆演化形成(Wei et al., 2014; Xu et al., 2014)。历子龙等(2017)对塔里木玄武岩地球化学性质有专门的总结，本文只简要对比第二期岩浆(以柯坪玄武岩为代表)和第三期岩浆(以巴楚辉绿岩为代表)的地球化学特征。

柯坪玄武岩具有分异的LREE和近水平的HREE配分模式，暗示其源区无明显的石榴子石残余；Nb-Ta负异常、较高的Pb含量、负的ε_Nd(t)值和较低的(²⁰⁶ Pb/²⁰⁴ Pb)_i值表明柯坪玄武岩明显区别于大洋玄武岩，而具有明显的地壳特征；同位素比值与抗蚀变不相容元素比值的相关性则表明，这些“地壳特征”不能用地壳同化混染作用解释，而更可能继承自源区，即受到俯冲沉积物交代的岩石圈地幔(Wei et al., 2014)(图 4)。

图 4

图件引自Wei等(2014) 图 4 (a)柯坪玄武岩和巴楚辉绿岩墙的εNd(t)-SiO2，(b)εNd(t)-(206 Pb/204 Pb)i，(c)εNd(t)-Nb/U和(d)(206 Pb/204 Pb)i-Ce/Pb图解 Figure 4 (a)εNd(t)-SiO2, (b)εNd(t)-(206 Pb/204 Pb)i, (c)εNd(t)-Nb/U and (d)(206 Pb/204 Pb)i-Ce/Pb binary plots for the Keping basalts and Bachu mafic dykes

与柯坪玄武岩相比，巴楚辉绿岩墙具有更分异的REE，表明其来自于LREE相对富集的源区；巴楚辉绿岩墙具有较大变化范围的ε_Nd(t)值(-0.3~4.8) 和(²⁰⁶ Pb/²⁰⁴ Pb)_i值(17.50~18.11)，其微量元素特征与洋岛玄武岩极其相似，暗示其来源于一个富集的软流圈地幔源区。巴楚辉绿岩的ε_Nd(t)与SiO₂和Nb/U值呈负相关以及辉绿岩中继承锆石的存在，表明新元古代基底的同化混染作用造成了巴楚辉绿岩的ε_Nd(t)具有较大的变化范围。巴楚辉绿岩墙和柯坪玄武岩具有不同的地幔源区(图 4)，说明塔里木大火成岩省岩浆活动过程中地幔柱的作用发生了变化，由早期主要提供热源转换为在晚期直接提供物源(Wei et al., 2014)。

表 1对比了峨眉山和塔里木2个大火成岩省的主要特征。其中特别需要关注的是，① 塔里木大火成岩省岩浆活动持续时间大于20 Ma，与峨眉山大火成岩省极短的持续时间小于1 Ma形成鲜明对比；② 峨眉山大火成岩省中侵入岩和喷出岩形成于同一时代，且来源于同一母岩浆，而塔里木大火成岩省侵入岩和喷出岩的形成过程具有明显的阶段性，且具有不同的母岩浆，其中第一和第二期岩浆主要是地幔柱-岩石圈相互作用的产物，而第三期岩浆是地幔柱熔融的产物。

表 1

表 1 峨眉山和塔里木大火成岩省的主要特征对比 Table 1 Comparison of the main characteristics of the Emeishan and Tarim Large Igneous Provinces

表 1 峨眉山和塔里木大火成岩省的主要特征对比 Table 1 Comparison of the main characteristics of the Emeishan and Tarim Large Igneous Provinces

峨眉山和塔里木大火成岩省的特点反映了2种不同的岩石圈-地幔柱相互作用形式(图 5)。峨眉山大火成岩省记录了地幔柱柱头熔融过程(Xu et al., 2004, 2007)，而塔里木大火成岩记录了在较厚的岩石圈下方地幔柱从孕育到侧向流动的过程(Wei et al., 2014; Xu et al., 2014)。众所周知，地幔柱的熔融与否取决于上覆岩石圈的厚度。只有当岩石圈较薄时，上升地幔柱才能发生减压熔融。峨眉山大火成岩省位于扬子地块西缘，发育康滇地轴和攀西裂谷，岩石圈相对较薄，因此峨眉山地幔柱上升引起岩石圈抬升和地幔柱柱头的减压熔融，侵入岩和喷发岩基本同时形成，且来源于同源母岩浆。塔里木现今岩石圈厚度大于150 km(Priestley and McKenzie, 2006)。因此，推测二叠纪时岩石圈厚度不会小于150 km。在这种条件下，地幔柱上升时不会发生减压熔融，而是潜伏在岩石圈之下，对上覆岩石圈起到热烘烤的作用，上覆岩石圈的热梯度逐渐提高，其中的低熔点、富集组分发生熔融，形成~300 Ma和~290 Ma这两期岩浆。由于在地幔柱作用下，塔里木岩石圈并没有发生大规模的减薄，地幔柱上升方向受到阻碍，因此地幔柱流发生侧向流动，特别是集中在塔里木克拉通边缘和与中亚造山带接壤的克拉通边缘，因此地幔柱流在这些岩石圈较薄的区域发生减压熔融，从而形成~280 Ma岩浆活动(Wei et al., 2014; Xu et al., 2014)。在塔里木大火成岩省的形成过程中，地幔柱在二叠纪岩浆作用的角色由早期的提供热源转变为后期的本身发生熔融，这一转变决定了不同期岩浆作用的岩石地球化学特点。

图 5

(a)地幔柱柱头熔融模型(Xu et al., 2004)；(b)地幔柱孕育模型(Xu et al., 2014) 图 5 形成峨眉山和塔里木大火成岩省的深部动力学过程 Figure 5 Diagram illustrating deep processes to produce the Emeishan and Tarim Large Igneous Provinces

如前所述，峨眉山地幔柱作用发生在中-晚二叠纪界线附近。古地磁重建结果显示，当时峨眉山大火成岩省所在的华南块体位于赤道偏南位置；如今华南已位于北纬30°附近。也就是说，峨眉山大火成岩省自喷发至今，至少向北漂移了3000多千米。一般认为，地幔柱是相对固定的，而板块则是“漂移”的。因此，无论该地幔柱至今是否依然存在或消亡，峨眉山大火成岩省现今所处的位置早已远离当时地幔柱活动的区域(即空间上的不对应)。此外，经过260 Ma的演化和冷却，与古地幔柱作用有关的热结构也已耗散殆尽，或者面目全非(即时间上的不对应)。也正是这两点因素，深部地球物理探测在古老大火成岩省研究中不受青睐。

然而，地幔柱活动的特征产物(如高镁岩浆、大量基性岩浆侵入对原有岩石圈的改造)会留在岩石圈中，这些特征不会因板块漂移而与大火成岩省分离。因此如果能用地球物理手段将特定地区地幔柱活动的特征产物的空间分布特征揭示出来，结合其他地质资料，可以为古老大火成岩省的形成机制提供制约。基于这一工作模型，针对峨眉山大火成岩省组织实施了综合地球物理剖面探测，通过人工源探测与天然源探测、地震方法与重力位场方法的相互配合、相互约束，系统地厘定了古地幔柱作用“遗迹”的地球物理标志，在探索古老大火成岩省深部结构和特征方面取得了成功；岩浆“底侵”作用规模和位置的确定、“透明”上地壳特征的发现等，对于该区未来的深部找矿具有重要的指导意义(见陈赟等，2017)。

图 6显示了峨眉山大火成岩省(岩石圈尺度)的深部地球物理结构和地质解释：

图 6

UI为下地壳底侵层顶界面，CD为康拉德不连续面，CB为结晶基底顶界面，Moho为莫霍面，MLD为岩石圈地幔内部间断面， LAB为岩石圈底界，岩石圈内部主要界面形态均来自接收函数偏移成像结果，古地形由重力均衡估算得到(Chen et al., 2015) 图 6 峨眉山大火成岩省的(a)岩石圈内部主要界面形态和(b)地质学解释示意图 Figure 6 (a)The characteristics of the seismically detected intra-lithospheric discontinuities, (b)geological interpretation of the Emeishan Large Igneous Province

(1) 在峨眉山大火成岩省中带、外带以及内带的东部上-下地壳之间的康拉德不连续面在地震学上有清晰的显示，但在内带该不连续面不清晰，即出现上地壳的“透明化”，这一特征可能与岩浆的内侵作用(magmatic intraplating)有关。基性岩浆的大量侵入，导致地壳成分的巨大改造，上下地壳的成分差异减小，康拉德不连续面因此而”消失”。

(2) 峨眉山大火成岩省内带地壳以高V_p、高V_s、高V_p/V_s、高密度、低大地热流为主要特征；同时，岩石圈地幔也相对高速，明显区别于现今热效应减薄对应的“薄岩石圈、低波速、高热流”等特征。增厚地壳的P波波速大于7.2 km/s，厚度15~20 km(Chen et al., 2015；徐涛等，2015)。由于该增厚下地壳与由生物地层学确定的峨眉山玄武岩喷发前的地壳穹窿(He et al., 2003)在空间上相吻合，而且高波速下地壳的形成需要高镁玄武质岩浆的参与(Xu and He, 2007)，因此推测增厚的高速下地壳对应二叠纪峨眉山地幔柱岩浆底侵作用的遗迹(徐涛等，2015；Chen et al., 2015)。

(3) 基于宽频带台阵资料远震S波接收函数成像结果获得的岩石圈-软流层边界(LAB)及其内部细节，结合远震S波有限频层析成像获得的相对速度结构，发现峨眉山大火成岩省内带存在岩石圈减薄、岩石圈地幔速度高，中带LAB部分缺失、但发育岩石圈内部不连续面(MLD)、岩石圈地幔速度低等特征，推测上述特征是由于古地幔柱作用期间，不同区带遭受破坏的力学机制不同引起的，地幔柱在内带以纵向作用为主，通过热-动力冲击方式造成内带岩石圈的减薄；而在中带以横向作用为主，通过剪切变形方式引起岩石圈地幔的横向伸展，甚至造成局部撕裂，并在撕裂部位进一步引发强烈的热-化学侵蚀，最终造成撕裂部位的岩石圈破坏；外带以垂向拖曳为主，造成岩石圈局部拆沉而减薄(图 6)。

详细的阐述见王焰等(2017)。峨眉山地幔柱成矿效应包括：(1) 大型的钒钛磁铁矿矿床，如攀枝花、红格、白马；(2) 中小型的铜镍矿和PGE矿，如杨柳坪、金宝山、力马河、白马寨、Ban Phuc等；(3) 与碱性伟晶岩脉和碱性花岗岩共生的铌钽矿化，如路枯和白草(Wang et al., 2015)。这些矿床或矿化在时间上和空间上均与峨眉山玄武岩及相关的岩浆作用紧密相关，共同构成了峨眉山地幔柱的岩浆成矿系统。

塔里木、中亚造山带西部发育大量二叠纪镁铁-超镁铁质岩体、基性岩脉、花岗岩体和正长岩体，其中有些赋含铜镍硫化物矿化，有些赋含钒钛磁铁矿矿化，在拜城波孜果尔A型花岗岩中赋存国内最大的铌钽矿，这些成矿组合均与峨眉山地幔柱成矿系统类似。但是不同之处在于，铜镍硫化物矿化和钒钛磁铁矿矿化程度相对较弱，而铌钽矿化程度相对较高。造成这些差异的原因有哪些？

不同地幔源区的岩浆决定了完全不同的成矿作用，在塔里木西缘以发育钒钛磁铁矿矿化的层状岩体为特征，而在中亚造山带西段则以发育铜镍硫化物矿化的镁铁-超镁铁质小岩体为主。这与峨眉山大火成岩省钒钛磁铁矿矿床集中在攀西地区的层状岩体、而铜镍硫化物矿床发育在攀西地区外围的特征有点类似，反映出在2个大火成岩省中，形成钒钛磁铁矿矿床含矿岩体与铜镍硫化物矿床含矿岩体的地幔源区特征是有区别的。

对东天山以及北疆镁铁-超镁铁质岩体和相关成矿作用的研究发现，这些岩体的母岩浆均来自被俯冲带流体交代的亏损地幔源区。交代的亏损地幔高程度(高温)的初始熔融是形成铜镍硫化物矿床的关键，如287 Ma的喀拉通克杂岩体。而二次熔融所形成的镁铁-超镁铁质岩体基本不含矿，如与喀拉通克相邻地区280~270 Ma的镁铁-超镁铁质岩体(Zhang et al., 2014)。

根据本项目的研究成果与文献综合，初步构建了地幔柱成矿系统格架(徐义刚等，2013b)。如图 7所示，与地幔柱相关的成矿作用可分成2类：(1) 与地幔柱直接相关的成矿作用；(2) 与地幔柱间接相关的成矿作用。成矿作用可能的控制因素包括：地幔柱结构、岩浆源区特征、结晶分异、硫化物熔离，地壳混染和侵位过程等。

图 7

图件徐义刚等(2013b) 图 7 地幔柱成矿系统示意图 Figure 7 Schematic illustration of mantle plume-related mineralization systems

与地幔柱岩浆直接相关的矿床：包括钒钛磁铁矿矿床和铜镍硫化物矿床，主要赋存在镁铁-超镁铁质岩体中。这些岩体多与大规模的大陆溢流玄武岩在时空上紧密伴生，其母岩浆多为高镁玄武质或苦橄质。层状岩体中的钒钛磁铁矿矿体通常成层分布，矿体由不同比例的硅酸盐矿物(斜长石、辉石、橄榄石、磷灰石)和铁钛氧化物(磁铁矿和钛铁矿)组成的韵律条带组成。层状岩体中的磁铁矿多数是典型的岩浆分离结晶作用晚期的产物，但也可能是岩浆不混溶作用形成的。铜镍硫化物矿床按照金属组合可以分成3种类型：以铜镍为主、以铂族元素为主和同时富集铜镍和铂族元素的矿床。

与地幔柱岩浆间接相关的矿床：地幔柱及其岩浆产物是巨大的热源，因此对上覆地壳形成热液循环系统，促进成矿元素的活化和矿床的形成，这些归入与地幔柱产出岩浆间接相关的矿床。包括与过碱性花岗岩脉有关的铌钽锆矿化、以及与玄武质岩浆后期热液活动相关的锰钴矿、自然铜矿、自然碲矿，以及与金伯利岩伴生的金刚石矿等。

地幔柱成矿作用的主要控制因素：

① 地幔柱结构、岩石圈-地幔柱相互作用。地幔柱结构(柱头还是边缘)是控制岩浆形成的重要因素。地幔柱结构主要表现在热和成分的分带，热结构控制了地幔柱熔融程度、产出岩浆的成分以及岩浆的供给率。与地幔柱边缘相比，地幔柱核部通常具有更高的温度，因此熔融程度大、岩浆供给率大，产出岩浆类型多样，有利于大型矿床的形成。

地幔柱可上涌至克拉通岩石圈或者造山带，因此岩石圈-地幔柱相互作用的方式和过程是不同的，从而对成矿作用产生影响。岩石圈对地幔柱活动具双重影响作用：一方面，刚性岩石圈对上涌地幔柱起阻挡作用，对流地幔发生熔融的前提条件是岩石圈厚度必须小于65~80 km。当地幔柱上涌至克拉通时，如果克拉通下岩石圈较厚(>150~300 km)，地幔柱则不会发生减压熔融；另一方面，当岩石圈地幔中含水或含其他低熔点组分，在地幔柱的烘烤下，岩石圈地幔则可以发生熔融。由于岩石圈地幔来源的岩浆体积较小、岩浆供给率小，因此形成大矿的可能性不大。而地幔柱形成的岩浆体积大、岩浆供给率大，因此形成大矿的可能性大。

② 岩浆源区。富Fe岩浆更可能导致钒钛磁铁矿床的形成，而富Ni岩浆有利于镍矿的形成。近十年来辉石岩在岩浆源区的贡献日益被重视。板内大火成岩省中火山岩主要来源于辉石岩为主的地幔源区，原始岩浆中Ni含量较高，为形成大型岩浆镍矿提供了基础。

③ 结晶分异和岩浆不混溶过程。拉斑玄武质岩浆通过结晶分异作用可以演化成富Si贫Fe的产物(即Bowen分异趋势)或富Fe贫Si的产物(即Fenner分异趋势)。在自然界，玄武岩的Bowen分异趋势较为普遍，常见于许多大火成岩省，而Fenner分异趋势以及富铁岩浆(全FeO>20%)较为罕见。峨眉山大火成岩省东区的玄武岩具有Fenner分异趋势，最终分异产物中Fe₂O₃含量高达23%，SiO₂含量低至44%，从而为富Fe贫Si岩浆在自然界的客观存在提供了直接的证据。地壳混染程度可能是造成幔源岩浆具有不同分异趋势的重要原因，具Bowen分异趋势的岩浆系列的氧逸度较高，并经历了较大程度的地壳混染作用，而具Fenner分异趋势的岩浆的氧逸度较低，地壳混染不明显。

在峨眉山大火成岩省的层状岩体中，磁铁矿层出现在岩体的中下部，暗示除了结晶分异作用外还有其他岩浆过程导致了磁铁矿的结晶。岩浆的不混溶过程可能是形成富铁熔体形成磁铁矿的重要过程。演化的玄武质岩浆经过岩浆不混溶作用形成与结晶相平衡共存的富Si、富Fe两种熔体，由于FeO和SiO₂在两种熔体中的分配截然相反，这为Bowen和Fenner趋势的争论提供了一种可能的解释。

④ 地壳混染过程。地壳混染作用对形成铜镍硫化物矿床非常关键。研究表明，西伯利亚大火成岩省中含矿侵入岩的⁸⁷ Sr/⁸⁶ Sr值大于不含矿侵入岩，外来地壳硫主要来自于岩浆侵入地层的膏盐层，地壳硫的加入是铜镍硫化物矿床的形成的关键控制因素之一。因此，中、上地壳物质组成应成为今后矿床研究和找矿靶区确定的重要环节。

⑤ 岩浆侵位过程：含矿岩体的形状和规模与其侵位时的中、上地壳特质结构、侵位时的构造位置关系密切。铜镍硫化物矿床含矿岩体可同时出现在板内或造山带中。已知铜镍硫化物矿床的铂族元素差异较大，可能与岩浆在深部的演化过程有关，不同程度的硫化物残留在深部岩浆房有可能是造成矿床硫化物矿床铂族元素差异的主要原因。岩浆中S的溶解度主要受岩浆成分、温度、氧逸度和压力的控制。在这两种不同的构造背景下，岩浆成分、温度和压力的变化有所差别，因此，对于岩浆S溶解度的影响也会产生差异。例如，岩浆中S的溶解度与压力呈反比，压力越低，岩浆中S的溶解度越大。在板内和造山带背景下，岩浆上升过程中压力的变化是不同的，在板内伸展背景条件下，岩浆上升有可能形成大的岩浆房，而在造山带背景下形成的岩浆房通常较小。

在前乐平世和二叠纪的末期分别发生了一次生物大灭绝事件，其中二叠纪末期(简称PTB)生物大灭绝事件是地史上规模最大的一次生物灭绝事件。另外一次为瓜德鲁普统-乐平统(简称GLB)生物灭绝事件。中-晚二叠世地球上发生了一系列的超级火山活动，主要包括西伯利亚大火成岩省、峨眉山大火成岩省和华南地区酸性火山灰，可能在生物灭绝事件中起着主导作用。然而，对中-晚二叠世火山活动与生物灭绝事件的时间关系还存在争议，对大规模火山活动导致生物灭绝的机制还存在诸多的不确定性。本项目对上述问题开展了研究，获得如下认识。

通过绝对时间(同位素定年)和相对时间(地层对比)2个角度对中-晚二叠世火山活动和生物灭绝事件的时间关系进行了研究。对蓬莱滩瓜德鲁普统-乐平统GSSP剖面GLB黏土岩的矿物学、地球化学和高精度的年代学工作表明，这些黏土岩不是前人所认为的酸性火山灰，而是碎屑成因的黏土岩。因此蓬莱滩剖面的黏土岩并不适合地层界线的同位素定年要求。只有GLB下部的黏土岩可能来源于峨眉山玄武岩(Zhong et al., 2013)。朝天剖面和上寺剖面的GLB黏土岩含一定量的黏土矿物，同时含有大量的石英、长石和方解石等矿物碎屑，与火山灰成因黏土岩明显不同，黏土岩中锆石Hf同位素特征与峨眉山玄武岩基本一致，说明中国西南地区GLB黏土岩的源区物质具有幔源物质的特征，应是峨眉山大火成岩省剥蚀后再沉积的产物。由于黏土岩在层位上位于GLB界线上，从而在相对时间上证实了峨眉山玄武岩与GLB生物灭绝事件的时间吻合关系。如前所述，对朝天GLB黏土岩中锆石年龄为259.2±0.3 Ma，与峨眉山大火成岩省峰期年龄(259.1~259.2 Ma)相一致，为峨眉山大火成岩省与end-Guadalupian生物灭绝事件之间的关系提供了年代学证据(Zhong et al., 2014)。

二叠纪-三叠纪(P-T)的火山活动形成了西伯利亚大火成岩省以及华南广泛分布的火山灰。在记录PTB生物大灭绝事件的地层中广泛发育多层火山灰，这在相对时间上论证了火山活动与PTB生物大灭绝的时间关系。根据火山灰定年和西伯利亚大火成岩省的定年结果，学术界普遍的观点认为这些火山灰来源于西伯利亚大火成岩省的火山活动。然而，对华南P-T界线火山灰中锆石δ¹⁸ O值(6.8‰~10.9‰)均大于地幔值，而且锆石的ε_Hf(t)值为是-14~-2.2，对应的二阶段Hf模式年龄为1.41~2.17 Ga，均指示地壳来源，导致He等(2014)质疑其与西伯利亚大火成岩省的成因联系。不过地幔柱活动中地壳熔融行为多样(Xu et al., 2008; Liu et al., 2014)，与地幔柱活动有关的地壳熔融并不见得一定来源于地幔岩浆，因此未来需要加强对西伯利亚大火成岩省的地壳熔融产物进行研究。最近的研究发现，华南地区PTB黏土岩具有酸性火山灰与基性火山灰的混合成因，因此西伯利亚大火成岩省与PTB生物灭绝的联系依然是存在的。

对PTB和西伯利亚大火成岩省的绝对定年为两者的联系提供了进一步的证据。Shen等(2011)对浙江煤山剖面、四川广元上寺剖面以及各地区发育的海陆过渡相地层剖面中火山灰夹层，开展高精度的锆石放射性同位素年龄的检测，确定各类型地质异常事件发生的事件序列关系。同时，利用高精度的牙形刺化石带进一步提高放射性年龄框架的精度，并以此建立各区域的生物地层对比框架和生物多样性定量统计的对比依据。他们的结果揭示了二叠纪末生物大灭绝发生在2.52亿年前，并只持续了20万年。更新的定年结果将PTB生物灭绝事件的时限限定在6万年之内(Burgess et al., 2014)。另一方面，最新的定年结果显示(Burgess and Bowring, 2015)，西伯利亚大火成岩省形成于251.354±0.088 Ma~252.27±0.11 Ma，与生物灭绝发生的时间在误差范围相一致(表 2)。

表 2

表 2 二叠纪大火成岩省年龄和两次生物灭绝的时代 Table 2 Ages of the Emeishan and Siberian large igneous provinces and timing of two mass extinction events

表 2 二叠纪大火成岩省年龄和两次生物灭绝的时代 Table 2 Ages of the Emeishan and Siberian large igneous provinces and timing of two mass extinction events

二叠纪末期生物灭绝事件的模式与驱动机制的研究，无论是多学科交叉的深度还是研究的分辨率和精度，都是地学领域研究的典范。其中，浙江煤山二叠纪-三叠纪界线剖面作为这一研究的重要基地，在推动事件地层学研究领域的学科发展中起到不可磨灭的作用。由于该界线地层高凝缩的沉积特征，以及不同环境异常证据相互作用途径以及时序关系认识的不足，对于二叠纪末期生物灭绝事件的驱动机制也存在极大的争议。

Shen等(2011)结合中国西南地区多条海陆过渡相和陆相剖面的生物地层、火山灰的精确年龄、植物群和煤层分布、碳同位素变化、沉积特征等研究，首次从生物地层、地质年龄和化学地层等多方面，建立了可信的海陆生态系统变化的对比关系。提出当时位于赤道地区的以大羽羊齿为代表的热带雨林植物群，在二叠纪末与海洋生物同时遭到快速毁灭性打击，为海、陆生态系统的同时崩溃提供了直接依据。

在确立高精度时间框架的基础上，Shen等(2011)恢复了华南二叠纪末碳同位素变化的速度和幅度。根据计算，认为二叠纪末由于大规模地下岩浆活动造成地表CH₄释放以及火山喷发等的共同作用，使得当时大气二氧化碳浓度快速增加，温室效应加剧，海水缺氧，从而导致海洋生物大量灭绝。同时，全球气候快速变暖并干旱化，造成全球范围内大规模森林野火事件频繁发生，使得森林快速消亡。森林的破坏又造成地表风化加剧，地表土壤系统快速崩溃。从此，地球进入一个长达5百万年以上的生命萧条期。

业已知道二叠纪末生物大灭绝是一次发生在6万年内的突发性、海陆同步的灾难事件，但关于其诱发机制或直接原因，目前尚存在较大争议。由于时间上的耦合性以及机制上的可能性，西伯利亚大火成岩省被普遍认为是最有可能导致二叠纪末生物大灭绝的“终极杀手”，而快速、急剧升温，海洋缺氧，以及酸化事件，都曾被列为生物大灭绝的“直接诱因”。为深入判别灭绝事件的直接诱因，并探讨西伯利亚大规模火山活动与生物灭绝事件之间的联系，选择浙江长兴煤山剖面二叠-三叠系连续地层进行了O、Mo、B等多元地球化学指标的综合研究(陈军和徐义刚，2017)。

图 8展示了浙江煤山剖面自吴家坪阶-长兴阶界线之下层3-2，至二叠系-三叠系界线之上层29-2，共计100个牙形刺样品的氧同位素变化趋势，及据此获得的二叠纪晚期高分辨率古海水温度变化曲线(Chen et al., 2016)。数据显示，二叠纪末期存在一次急速、大幅度升温事件(2万年内海水温度升高约10℃)，但这次事件发生在生物大灭绝之后(即煤山26-27a层)，且灭绝之前(即煤山24-25层)古海水温度并无明显变化(图 8)。这一结果在华南地区其他沉积环境，如下斜坡-盆地相(上寺剖面)、台地相(代家沟和凉风垭剖面)等得到证实，有力证明急剧升温事件不是造成二叠纪末生物大灭绝的直接诱因。

图 8

图件引自Shen等(2011); Chen等(2016) 图 8 浙江煤山剖面C-O同位素变化趋势和估算的古海水温度 Figure 8 Compiled C-O isotopes of the Meishan section, Zhejiang Province and estimated seawater temperature

海相碳酸盐B同位素是目前恢复古海水pH值的重要手段，结合碳同位素变化等情况，可以有效验证CO₂浓度急剧增加造成的海水酸度变化响应。Clarkson等(2015)首次报道了晚二叠世海相碳酸盐的B同位素组成，认为海水酸化是PTB生物灭绝的主因。但是他们的数据显示酸化发生在生物灭绝事件之后，而且酸化事件与全球性的晚二叠世C同位素负漂在时间上不吻合，因此他们的数据并不支持其结论。笔者对煤山剖面同一批碳酸盐样品测定的硼同位素数(Ma et al., in press)，表明二叠纪末生物大灭绝前后海水迅速酸化。二叠-三叠纪之交海洋酸化事件起始于生物大灭绝之前约23000年，相对时间上介于碳同位素负偏的起始及急剧负偏之间，并至少持续至生物大灭绝结束之后约74000年，因而从时间关系及成因机制上证实酸化事件可能是灭绝事件的直接诱因(之一)。

本文对国家973项目《二叠纪地幔柱构造与地表系统演变》的研究进展进行了简要总结，涉及二叠纪大火成岩省的深部动力学、地幔柱成矿系统、地幔柱的环境效应等3个前沿方向，主要认识如下：

(1) 峨眉山大火成岩省和塔里木大火成岩省在喷发年龄和持续时间上有很大不同，前者形成于~259 Ma，持续时间小于1 Ma，后者的喷发历史分成3个阶段：~300 Ma，~290 Ma和280 Ma，持续时间超过20 Ma。结合岩石成因，提出峨眉山大火成岩省是地幔柱头熔融的产物，而塔里木大火成岩省是孕育地幔柱活动的产物。

(2) 地球物理方法是鉴别现代地幔柱的有效手段，但在古老地幔柱的辨别上常常无能为力。本项目聚焦于地幔柱活动在岩石圈中留下的遗迹，结合地质学、沉积学和地球化学的研究成果，发现峨眉山大火成岩省内带上下地壳界面“消失”、下地壳增厚且具有高波速特征、岩石圈地幔减薄，是地幔柱熔融产物在地壳不同深度底侵和内侵的结果。研究思路和方法对古大火成岩省的研究具有重要的借鉴意义。

(3) 完善了大火成岩省岩浆矿床的形成机理，构建了地幔柱成矿系统的基本框架，提出地幔柱结构、岩浆源区特征、结晶分异过程、硫化物饱和、地壳混染和岩浆侵位过程等是地幔柱成矿的关键控制因素。

(4) 充分利用中国二叠纪金钉子层型剖面的地质优势，通过高精度放射性同位素年龄与生物地层对比框架结合的手段，精确地卡定二叠纪末期生物事件发生的时间小于20万年，为辨识驱动生物灭绝的真正环境因素提供了可信的计算依据。从相对和绝对时间角度确证了西伯利亚和峨眉山大火成岩省分别对应于PTB和GLB生物灭绝事件；提出了火山喷发和大规模CH₄释放导致生态系统崩溃的机制。重建了华南二叠-三叠世海水温度和pH值的演变历史，使甄别二叠纪末生物大灭绝的直接诱因成为可能。