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汉诺坝熔体—岩石圈相互作用研究

杜星星  
【摘要】:引言 从上世纪80年代起,我国新生代火山及其中地幔岩石捕虏体的研究工作就已展开,并相继取得了众多成果。刘若新等(1981)根据我国新生代玄武岩中地幔橄榄岩的平衡温度和压力计算结果,首先提出华北上地幔的古地温接近大洋地温并靠近裂谷地温,新生代华北岩石圈厚度为50~80km,动摇了以往对华北克拉通地台大地构造属性的传统认识,奠定了华北克拉通破坏重大研究计划的一块基石,如今关于华北克拉通破坏的研究也如火如荼。 目前学术界普遍认可,华北克拉通下部的岩石圈地幔在显生宙以来遭到了破坏,表现在从古生代古老克拉通型地幔从冷的、厚的、高P波速、低密度、主量元素亏损、以方辉橄榄岩为主、放射性成因同位素富集,转变为热的、薄的、低P波速、相对高密度、主量元素富集、以二辉橄榄岩为主、放射性成因同位素亏损的新生大洋型地幔。而关于破坏作用发生的时间、空间、机制等问题目前尚未得到最终解决,也一直是学术界争论的焦点所在。华北岩石圈地幔破坏发生的时间,多数学者认为起止时间都限定在中生代内,也有部分学者认为一直持续到新生代。关于破坏的范围以往认为只局限于东部地区,而越来越多证据表明西部的局部地区也发生了或正在发生岩石圈地幔的减薄与改造。岩石圈破坏的动力学机制问题,目前具有代表性的两种模型,拆沉模型和侵蚀模型,虽然都各自能较好的解释一些问题,但仍存在一定局限性。近年来部分学者提倡熔体-岩石圈相互作用对岩石圈地幔的破坏与改造起到重要作用。最直观的证据就是华北许多地区地幔捕虏体中都发现有熔体与橄榄岩的反应现象,造成的结果使岩石圈地幔的组成和性质发生改变。具体表现为华北地区多处玄武岩中橄榄岩捕虏体或橄榄岩矿物捕虏晶与岩浆都发生了反应,除矿物结构上被熔蚀成浑圆状、港湾状或锯齿状外,矿物核部成分与反应边成分更是有很大区别。如果捕虏体或捕虏晶与岩浆相互作用的时间越长,反应就会进行的越彻底,其受到的改造与破坏也就越严重。 本文是对华北克拉通西部北缘的汉诺坝及其周边地区新生代玄武岩中的橄榄岩捕虏体以及碳酸岩进行深入研究,探讨该区域岩石圈地幔是否经历了破坏和改造、破坏和改造的程度如何、发生的时间和方式怎样,重点讨论熔体对岩石圈地幔的破坏和改造作用。通过岩相学和地球化学两方面的详细研究,发现研究区地幔捕虏体中有大量熔体-岩石的反应和交代现象,熔体类型包括硅酸盐熔体和碳酸盐熔体两类。研究结果表明熔体-岩石相互作用不仅发生在已经遭到破坏和减薄的东部地区,也同样发生在西部地区。正是由于熔体对岩石圈地幔后期的改造作用,从而对西部岩石圈地幔能否代表古老地幔残余提出质疑。 区域地质概况 华北克拉通的形成过程极为复杂,总的来说经历了三大演化阶段,首先是太古宙-古元古代的活动期,接着是中-新元古代到中生代三叠纪的持续稳定期,再到中-新生代的活动期。多数学者认为华北克拉通化的完成时间基本是在新太古代末期。 本文的研究区汉诺坝及其周边地区位于华北克拉通南北重力梯度带以西,该区玄武岩发育并且具有多个旋回,每个旋回内部皆有碱性玄武岩和拉斑玄武岩产出。碱性玄武岩中常含有大量的地幔、地壳捕虏体和巨晶,含量最多可达到70~80%,无定向排列性;捕虏体大小不一,直径从几个cm~几十个cm,一般以10~20cm多见;捕虏体形态多呈球形-椭球形,无棱角形态浑圆。捕虏体岩石类型以二辉橄榄岩最多(~90%),还可见方辉橄榄岩、纯橄岩、辉石岩、麻粒岩等,黑色的辉石巨晶和白色的长石巨晶也较常见。一些地区发现碳酸岩脉贯穿了碱性玄武岩及其中橄榄岩捕虏体的现象,还发现一处爆破成因的碳酸岩筒。 实验分析方法 本文选用了多种不同的实验分析方法来达到不同的研究目的。首先将采集到的典型样品制备成电子探针薄片,通过显微镜观察了解样品的矿物组成和结构特征。对不同样品进行下述实验分析:对与玄武岩浆发生相互作用的橄榄岩矿物及其反应边和橄榄岩矿物中的熔体包裹体进行主量元素电子探针分析;对不同类型橄榄岩进行Re-Os同位素和PGE元素分析,以探寻橄榄岩的成因与演化,如是否经历交代作用;对碳酸岩的成因研究,运用了主量元素X射线荧光光谱分析、微量元素电感耦合等离子体质谱分析、C-O同位素分析和矿物电子探针分析;对辉石岩和麻粒岩的成因研究,采用了矿物电子探针分析、矿物微量元素激光探针分析、Sr-Nd同位素分析。 硅酸盐熔体-橄榄岩相互作用 1玄武岩浆与橄榄岩相互作用 汉诺坝及其周边地区新生代玄武岩中捕获的地幔橄榄岩及其解体矿物捕虏晶,都普遍发育反应边结构,提供了玄武岩浆在上升穿越岩石圈地幔过程中与橄榄岩相互作用的重要信息。在地幔橄榄岩捕掳体岩相观察的基础上,进一步进行矿物及其反应边电子探针分析,探讨熔体-橄榄岩相互作用在华北岩石圈演化中的意义。橄榄石、单斜辉石、尖晶石反应边的成分变化一致,由核部富镁向边部富铁变化,橄榄石和单斜辉石反应边趋同于玄武岩中相应斑晶的成分。斜方辉石反应边一般由橄榄石+单斜辉石+玻璃构成,反应边矿物橄榄石、单斜辉石较相应的地幔矿物富铁,玻璃成分为富硅、碱的中酸性玻璃。同时还发现,橄榄岩捕掳体中尖晶石颜色、成分随温度变化的关系。地幔矿物的反应边结构得以保存,暗示了玄武岩浆的快速上升。玄武岩浆在上升过程中与岩石圈地幔橄榄岩的反应不仅发生在中生代,同样发生在新生代,最终结果造成岩石圈地幔由富镁向富铁转变,同时也由主量元素亏损的地幔转变为富集地幔。这种熔体-橄榄岩反应已经成为华北克拉通东、西部岩石圈地幔破坏和改造的一种重要的化学动力学机制。 2富硅熔体与橄榄岩相互作用 本文对汉诺坝及其周边地区新生代玄武岩里的地幔捕虏体矿物中的熔体包裹体和斜方辉石反应边,这两种不同产状的富硅熔体进行了对比研究。通过详细的岩相学观察和电子探针分析发现,两种熔体虽然都富硅,但存在其它成分上的差异,表明二者为不同来源。斜方辉石反应边中熔体玻璃富硅(SiO264~67%)、碱(Na2O5~7%,K2O6~9%),几乎不含挥发份,是地幔捕虏体被寄主玄武岩浆快速携带上升至地表的过程中斜方辉石与岩浆反应的产物。玄武岩浆在上升过程中与地幔捕虏体中斜方辉石的反应,导致了岩石圈地幔由富硅向贫硅转变,为华北西部岩石圈的破坏提供了新的证据。矿物中熔体包裹体玻璃成分富硅(SiO261~65%),相对贫Na2O(1~3%)、K2O(1%),富含挥发份(约3~6%),为地幔交代成因。地幔交代作用产生的富硅熔体包裹体深刻影响了岩石圈地幔的地球化学性质,引起了地幔岩石和矿物微量元素成分的变化,造成了岩石圈地幔的地球化学非均一性。 3交代成因橄榄岩 文中选取了汉诺坝地区方辉橄榄岩和二辉橄榄岩两种类型岩石样品进行Re-Os同位素和PGE元素研究,以期探讨两种橄榄岩的不同成因与演化。Re-Os体系研究结果显示,橄榄岩样品中的Os含量相对原始地幔都是亏损的,可能是岩石经部分熔融形成后又受到其他作用的改造,致使Os元素的迁移从而造成其含量的降低。橄榄岩样品虽然都显示了年轻的Re亏损模式年龄结果(0.20~2.19Ga),但并非表明是显生宙时期新增生的,可能是古老岩石圈地幔与熔体相互作用的产物。PGE的研究结果显示,方辉橄榄岩和二辉橄榄岩是熔体抽取程度不同所形成的地幔残余,部分样品还受到了熔体/流体交代富集作用造成Pt和Pd的相对富集。而该交代作用范围相对较小,不同于上述造成橄榄岩Os含量普遍降低的交代事件,表明研究区橄榄岩至少经历过两期交代事件。 碳酸盐熔体-橄榄岩相互作用 对汉诺坝及其周边地区碱性玄武岩中的脉状碳酸岩和岩筒碳酸岩进行了研究,基于野外地质观察、岩相学和地球化学(包括岩石主量、微量元素成分、C-O同位素组成,矿物化学成分)证据,得出结论——这些碳酸岩都是幔源岩浆成因。野外观察发现,脉状碳酸岩贯穿了玄武岩及其捕获的橄榄岩捕虏体,紧邻碳酸岩脉的橄榄岩较远离碳酸岩脉的橄榄岩经历了更为强烈的碳酸盐化作用。岩相学观察发现,碳酸岩的方解石具有结晶的柱状-粒状结构,常含有地幔来源的捕虏晶,如橄榄石、斜方辉石、单斜辉石和尖晶石。碳酸岩是具有高CaO含量的方解石碳酸岩。碳酸岩与碱性玄武岩紧密的时空共生关系以及相似的REE配分型式和C-O同位素组成,表明碳酸岩同碱性玄武岩一同起源于软流圈地幔,是通过硅酸盐-碳酸盐熔体的不混溶作用产生。推测来自于软流圈的富CO2的硅酸盐熔体在上升穿越岩石圈地慢的过程中,在相对低压的条件下发生两种熔体的不混溶:相对高温的碱性玄武岩浆先喷出地表,随后低温的富CO2的碳酸岩浆爆破喷发形成岩筒或呈脉状贯穿于玄武岩及其橄榄岩捕虏体中。在碳酸盐熔体上升过程中与其捕获的富镁橄榄岩矿物发生了相互作用,导致了碳酸岩中方解石镁含量的增加。 辉石岩与麻粒岩的成因探讨 汉诺坝地区新生代玄武岩中除了含有丰富的地幔橄榄岩捕虏体外,还含有一定数量的辉石岩和麻粒岩捕虏体。由于二者外观上常具有一定的相似性,很容易造成混淆。本文在岩石结构构造和岩相学观察研究的基础上,结合矿物主量元素分析、单斜辉石微量元素和Sr-Nd同位素分析,将二者进行深入的研究和对比,探讨其成因。研究结果表明,捕虏体麻粒岩具有层状堆晶构造,两种辉石矿物(次透辉石和古铜辉石)相对贫MgO富FeO,单斜辉石的REE相对富集,以高~(87)Sr/~(86)Sr低~(143)Nd/~(144)Nd为特征;而捕虏体辉石岩一般呈块状构造,两种辉石矿物(透辉石和古铜辉石-顽火辉石)相对富MgO贫FeO,单斜辉石REE总量极低呈亏损模式,Sr-Nd同位素组成上介于捕虏体橄榄岩和麻粒岩之间。麻粒岩特征表明其原岩是幔源岩浆底侵作用形成,并且受到下地壳的混染。而辉石岩则明显不同于橄榄岩和麻粒岩的成因,来自于富集地幔。 主要结论 1通过新生代玄武岩及其中地幔橄榄岩捕虏体的野外考察与岩相学观察研究发现,玄武岩中熔蚀状的橄榄岩捕虏体、矿物捕虏晶及其反应结构,以及被碳酸岩脉穿插的橄榄岩强烈的碳酸盐化现象,揭示了汉诺坝及其周边地区硅酸盐熔体和碳酸盐熔体与岩石圈地幔相互作用现象的普遍存在。 2玄武岩浆在上升过程中与橄榄岩捕虏体发生了反应,造成橄榄石、单斜辉石、尖晶石的反应边比核部富铁贫镁,斜方辉石生成由橄榄石+单斜辉石+富硅玻璃(几乎不含挥发份)组成的反应边。玄武质熔体-橄榄岩反应导致岩石圈地幔由富镁转为富铁、主量元素由亏损转为富集,成为华北西部新生代岩石圈地幔破坏与改造的一种重要化学动力学机制。 3地幔矿物中富硅熔体包裹体富硅和挥发份,相对贫碱性元素,区别于斜方辉石反应边中几乎不含挥发分的富硅碱玻璃熔体。富硅熔体包裹体的存在造成岩石圈地幔的地球化学非均一性。 4橄榄岩样品中Os含量的相对亏损表明岩石曾受到过交代作用,造成Os元素的迁移减少。Re亏损模式年龄结果(0.20~2.19Ga)的相对年轻,并非表明岩石圈地幔是显生宙时期新增生的,而可能是古老岩石圈地幔与熔体相互作用的结果。PGE研究结果显示,方辉橄榄岩和二辉橄榄岩是熔体抽取程度不同所形成的地幔残余,部分样品还受到了后期熔体/流体交代作用造成Pt和Pd的相对富集。 5碳酸岩中常含地幔矿物捕虏晶,表明它的幔源岩浆成因。碳酸岩与碱性玄武岩紧密的时空共生关系以及相似的REE配分型式和C-O同位素组成,表明二者同源,是在上升过程中由硅酸盐-碳酸盐熔体的不混溶作用产生。 6辉石岩和麻粒岩捕虏体分别为块状构造和层状堆晶构造。辉石岩中两种辉石矿物(透辉石和古铜辉石-顽火辉石)相对富MgO贫FeO,单斜辉石REE总量极低并呈亏损模式,Sr-Nd同位素组成介于橄榄岩和麻粒岩之间,来自于富集地幔。麻粒岩中两种辉石矿物(次透辉石和古铜辉石)相对贫MgO富FeO,单斜辉石的REE相对富集,以高~(87)Sr/~(86)Sr低~(143)Nd/~(144)Nd为特征,是幔源岩浆底侵作用形成,并受到了下地壳的混染。


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