橄榄岩_熔体的相互作用_岩石圈地幔组成转变的重要方式_张宏福

第13卷第2期2006年3月

地学前缘(中国地质大学(北京);北京大学)

Earth Science Frontiers (Chin a University of Geosciences,Beijing;Peking University)Vol.13No.2M ar.2006

收稿日期:2005

11;修回日期:2005

1211

橄榄岩-熔体的相互作用:岩石圈地幔组成转变的重要方式

张宏福

中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室,北京100029

ZH ANG H ong -fu

S tate K ey L abor atory of L ithosph eric E v olution ,Institute of Geolog y and Ge op hy sics ,Chinese A cad emy of S ciences ,B eij ing 100029,China

ZHANG Hong -fu Peridotite -melt interaction:an important m echanism for the compositional transformation of lithospheric m antle Earth Science Frontiers ,2006,13(2):065-075

Abstract:P eridot ite -melt/magma inter act ion has usually been used to inter pr et t he pet rog enesis for tho se ro cks that hav e disequilibr ated tex tures and minera l co mpo sitio ns,w hich range fro m o phio lit ic peridot ites,oro genic per idotites,ultr a -maf ic intrusive complex es,to mantle x eno liths T her e ar e tw o majo r ty pes of per idotit e -melt reactio n:i e disso lutio n o f oliv ine (and clinopy rox ene)and precipitatio n of o rtho py ro xene,o r disso lutio n of or thopyro x ene and precipitat ion of o liv ine (and clinopyr ox ene) T he r esult o f the r eaction leads not only to a chang e in miner al per centag es,but a lso to a change in mineral composit ions;the latter has not been paid e -no ug h at tention T he discover y o f zoned mantle oliv ine and pyr ox ene xenocr ysts,especially zoned mantle per-i dot itic x eno liths in M esozoic basa ltic ro cks fro m easter n N or th China,indicates that perido tite -melt inter action was w idespread in M esozoic lithospher ic mantle beneath the so utheastern No rth China crato n Such inter action could be an impo rtant mechanism for the compositional transfor mation and rapid enr ichment of the lithospher ic mant le T his is the f irst case in the w or ld for larg e -scale co mpo sitio nal chang es of t he litho spheric mantle r e -sult ing fr om peridot ite -melt interaction T he r eactant melts wer e mainly der ived f rom tw o so urces:cr ustal ma -terials and/or asthenospher e React ion o f per ido tites wit h melts fro m differ ent sources r esults in different com -po sitional changes

Key words:easter n N or th China;M eso zo ic;xenocr yst and x enolith;per idotit e -melt int eractio n;lithospher ic mant le

摘要:橄榄岩-熔体/岩浆的相互作用常被用来解释蛇绿岩套橄榄岩、造山带橄榄岩、超镁铁质侵入杂岩体、地幔橄榄岩捕虏体中某些具有不平衡结构和矿物组成的岩石的形成过程。橄榄岩-熔体的反应主要有两种方式,即消耗橄榄石(和单斜辉石)生成斜方辉石或消耗斜方辉石生成橄榄石(和单斜辉石)。反应的结果不仅造成矿物百分含量的变化,而且造成矿物组成的变化;后者更重要但未引起足够的重视。华北东部中生代玄武质岩石中具有环带状结构的橄榄石和辉石捕虏晶,特别是具有环带状结构的地幔橄榄岩捕虏体的发现,暗示这种橄榄岩-熔体的相互作用在华北东南部中生代岩石圈地幔中很可能普遍存在,为岩石圈地幔组成转变和快速富集的重要方式。这是全球首例由橄榄岩-熔体相互反应造成的岩石圈地幔大规模的组成变化。反应熔体来源途径主要有地壳来源和软流圈地幔来源。来源不同的熔体与橄榄岩的反应造成的组成变化完全不同。

关键词:华北东部;中生代;捕虏晶和捕虏体;橄榄岩-熔体反应;岩石圈地幔

中图分类号:P588 12 文献标识码:A 文章编号:10052321(2006)02006511

橄榄岩-熔体/岩浆的相互作用或广义的熔体/流体参与下的交代作用并不是一个新名词。它常被用来解释蛇绿岩套橄榄岩、造山带橄榄岩、超镁铁质侵入杂岩体、地幔橄榄岩捕虏体中某些具有不平衡结构和矿物组成的岩石的形成。因这种橄榄岩-熔体/岩浆反应现象多出现在岩体的局部区域或少数捕虏体岩石中,多年来一直作为局部交代现象未能引起足够的重视。然而,最近对华北东部(太行山及其以东地区)中生代玄武岩中地幔橄榄石[1-3]和辉石捕虏晶以及橄榄岩捕虏体的研究发现,这种橄榄岩-熔体的相互反应很可能在岩石圈地幔中普遍存在,是岩石圈地幔组成转变的重要方式。因此,应该引起足够重视。本文旨在系统介绍橄榄岩-熔体的反应方式和过程,特别是介绍笔者近年来在华北东部中、新生代玄武岩中的最新发现及其可能代表的重要地质意义。

1 橄榄岩-熔体的反应方式、过程及其

结果

1 1 橄榄岩-熔体的反应方式和过程

早在20世纪80年代人们就逐渐认识到狭义的交代作用,不管是隐交代作用(造成岩石的微量元素如LREE和LILE的富集),还是显交代作用(生成新的矿物如金云母、角闪石、钛铁类矿物等),都很难解释某些橄榄岩中主量元素组成的变化[4-5],从而提出了橄榄岩-熔体的相互反应或称之为广义的交代作用的概念。橄榄岩-熔体/岩浆的相互反应在西藏等地蛇绿岩套橄榄岩[6-7]、意大利和西班牙等地造山带橄榄岩[8]、美国加利福尼亚等地超镁铁质侵入杂岩体[4,9-10]、南非等地地幔橄榄岩捕虏体[10-12]以及深海橄榄岩[13]中广泛存在,并被许多地幔橄榄岩的实验岩石学研究所证实[5,14-15]。在蛇绿岩套橄榄岩和造山带橄榄岩中,这种反应常以消耗斜方辉石生成橄榄石为主要特征,同时可能伴随有单斜辉石的形成。这种反应过程很好地解释了部分蛇绿岩套[6-7]和造山带[8]橄榄岩中纯橄岩以及蛇绿岩中豆

相反地,另一种橄榄岩-熔体的反应:橄榄石+ SiO2(熔体1)(+单斜辉石)=斜方辉石(+熔体2),却在超镁铁质侵入杂岩体[4,9-10]和地幔橄榄岩捕虏体[10-11]中很常见。这种反应过程以消耗橄榄石(和单斜辉石)而生成斜方辉石为主要特征,并用来解释部分地幔方辉橄榄岩和超镁铁质侵入杂岩体中方辉橄榄岩的成因。这种反应方式和过程可能在古老岩石圈地幔中广泛存在[10-11,16]。Kelem en等[10]通过对全球各种来源地幔橄榄岩捕虏体的矿物学和岩石学的详细研究发现,许多地幔橄榄岩含有太多的斜方辉石(即富SiO2)和具有很高的LREE/ H REE值,这些特征都与起源于原始地幔橄榄岩部分熔融形成的难熔残余的观点不相符,从而提出这些方辉橄榄岩可能是地幔难熔残余形成之后再由地幔交代作用改造形成的。同时,这些学者[4,9-10]在对美国加利福尼北部环状超镁铁质侵入杂岩体(纯橄岩、方辉橄榄岩、二辉橄榄岩、斜长石二辉橄榄岩)的研究中首次提供了详细的地质证据,证实了这种交代方辉橄榄岩的存在。Zhang等[11,16]在对南非地幔混杂(po lymict)橄榄岩捕虏体的研究中首次发现交代作用形成的斜方辉石,从而为交代方辉橄榄岩的存在提供了岩石学证据。交代作用形成的斜方辉石和原橄榄岩中的斜方辉石存在很大的化学组成上的不同,包括氧同位素组成有巨大变化[11,17]。有趣的是,上述两种反应方式(单斜辉石交代斜方辉石,同时生成橄榄石;斜方辉石交代单斜辉石,同时消耗橄榄石)在同一块混杂橄榄岩捕虏体中同时存在(见文献[16]中图1A和B)。矿物相的温压计算和反应过程中,矿物相如橄榄石体积变化[18]皆说明生成橄榄石的反应趋向于发生在较浅部位,而生成斜方辉石的反应发生在较深部位;这与反应的纯橄岩多出现在蛇绿岩、造山带橄榄岩和深海橄榄岩,而交代方辉橄榄岩常存在于超镁铁质侵入岩和地幔橄榄岩捕虏体的事实一致。Kelem en等[18]进一步通过橄榄石中镍含量与橄榄岩中斜方辉石含量的正相关关系,以及反应中橄榄石的体积变化和孔隙流体的特征等分析,认为消耗辉石生成橄榄石的反应

1 2 橄榄岩-熔体的反应结果

必须强调的重要事实是,不管是哪种反应方式,橄榄岩-熔体反应的结果不仅使橄榄岩中不同矿物相(橄榄石、斜方辉石、单斜辉石、尖晶石或石榴石)的相对百分含量发生变化,而且必然导致矿物相组成的变化,而后者没有引起足够的重视。前已叙及,南非混杂橄榄岩反应前后斜方辉石的组成变化很显著[11],但占橄榄岩60%以上的橄榄石的组成的变化又如何?南非混杂橄榄岩捕虏体中橄榄石的组成存在非常大的变化(大的变斑晶Fo=92~95,小的晶体Fo=87~91)①。因混杂橄榄岩是地幔不同来源的矿物岩石组成的构造混杂岩[11,16-17],加之橄榄石矿物环带又不存在,故当时认为变斑晶为难熔橄榄石残留晶,而小的低Fo晶体为熔体结晶的产物。华北中、新生代玄武岩中具有明显环带结构的橄榄石捕虏晶[1-3,19]和捕虏体的最新发现,为我们了解橄榄岩-熔体的反应过程及其导致橄榄岩中橄榄石组成的变化提供了天然样品。很显然,橄榄岩反应的结果取决于参与反应的熔体组成。因为通常情况下,熔体的组成比岩石圈地幔橄榄岩富Si、Ca、Fe和贫Mg、Ni。反应的结果很可能导致橄榄岩向富Si、Ca、Fe和贫Mg方向演化,即导致低镁橄榄岩的形成。这可能就是蛇绿岩套中纯橄岩比方辉橄榄岩中橄榄石的Fo低的原因[6-7]。

2 华北东部玄武岩中的最新发现及其

代表的地质意义

2 1 橄榄石-熔体的反应:橄榄石捕虏晶的存在及

其普遍意义

自从鲁西方城中生代玄武岩中发现地幔橄榄石捕虏晶[1,3]以来,地幔橄榄石捕虏晶在鲁西费县中生代玄武岩[2]、太行山中段的河北井陉和山西昔阳平定地区的新生代玄武岩[19]、胶东青岛晚白垩世基性脉岩(张瑾等,未发表)、辽西义县组火山岩(邵济安,私人通讯)、山东昌乐新生代玄武岩(图1a)中相继被发现。这些具有明显环带结构[1-3,19]的橄榄石捕虏晶的存在,不仅表明橄榄石-熔体的反应能够发生,而且更重要的是暗示如果地幔橄榄石捕虏晶普遍存在的话,某些高镁火山岩,如高镁埃于华北东部缺乏地幔橄榄岩捕虏体的中生代岩石圈地幔源的火山岩[20-28]研究而言,大颗粒捕虏晶中心部分的成分[1,3,19],保持了在捕虏晶捕获前的地幔橄榄岩中橄榄石的组成,因此基本上能够代表华北东部中生代岩石圈地幔的主量元素组成特征。

(1)环带的形成过程:显然环带是橄榄石被寄主熔浆捕获后与寄主熔浆反应形成的。在高温熔浆捕获橄榄石后,橄榄石与寄主熔浆巨大的化学组成上的不平衡,导致橄榄石捕虏晶受溶蚀,并与之发生以固态扩散(即M g-Fe交换)为主要形式的反应。从而形成浑圆状和/或港湾状的外形(见文献[3]图2和文献[19]图2和图3)。反应的结果使得橄榄石边缘部分逐渐与寄主熔浆的化学成分趋于一致,即边部的组成接近于从熔浆中直接结晶出来的斑晶的组成。反应的方程式可以表述为:(M g,Fe)2SiO4 (镁橄榄石)+熔体(原始熔浆)=(M g,Fe)2 SiO4(贵橄榄石)+熔体(演化熔浆)。在有些情况下橄榄石捕虏晶的边部是直接从熔浆中结晶的,从而形成较自形的外形(如文献[1]图1样品FC6-1和FC18-1)。一般来说,扩散反应环带和结晶环带是很难区分的。

当熔浆温度和/或压力降低到一定值喷出地表,这种矿物-熔浆的扩散反应即刻停止,从而保存了这种不平衡的环带结构。这说明橄榄石捕虏晶-熔浆反应终止于寄主岩基质矿物结晶之前。因为在如此高的温度下,M g、Fe在橄榄石中的扩散交换速率很快,故要保存完好的橄榄石环带结构要求反应进行的时间很短。这可能就是橄榄石捕虏晶多见于喷出岩(如金伯利岩和玄武岩中)而在基性侵入岩中尚未见到的主要原因。如果反应时间很充分,基性侵入岩有充分的时间结晶,橄榄石捕虏晶中心部分的组成亦会逐渐与熔浆趋于平衡,如方城玄武岩中小颗粒橄榄石捕虏晶的情况(见文献[3],图3)。因而所形成的橄榄石捕虏晶与橄榄石斑晶很难区分。基于上述情况我们认为,华北某些基性侵入岩,如高镁闪长岩[27,29-31]的高镁特征需要重新审视。

(2)捕虏晶的鉴定特征:橄榄石捕虏晶通常具有浑圆的外形和/或熔蚀的港湾,并具有特征的环带结构。捕虏晶在喷出岩薄片中颗粒一般较大,类似斑

晶。捕虏晶的环带结构在偏光显微镜下不易辨认,但在背散射图像中环带结构很清晰,一般中心部位颜色深(富镁),边缘部分颜色浅(富铁)(图1a)。另外,橄榄石捕虏晶常具有众多的裂隙(图1a),明显区别于同源斑晶,后者一般不具有裂隙。捕虏晶最主要的判别标志是矿物的组成特征,因为捕虏晶多是地幔橄榄岩的解体产物,所以橄榄石捕虏晶通常具有高的镁橄榄石分子(Fo 约为88~95,多数大于90)和低的CaO 含量(质量分数多不超过0 1%),其CaO 含量明显低于岩浆中结晶的自形橄

榄石斑晶或巨晶[32]

,后者质量分数通常大于0 1%

(0 1%~0 4%)。因橄榄石的CaO 含量在电子探针分析中较难准确测定,而性质与铁镁相似,又较类

质同象存在的锰的测定相对容易,故利用橄榄石的Fo 和M nO 的质量分数图解则能有效地区分橄榄石的来源(见文献[3],图5)。通常地幔橄榄岩捕虏体和橄榄石捕虏晶的核心部分的Fo 大于88,M nO 小于2 5w t%。橄榄石斑晶的Fo 一般在75~80之间,最高不超过85,其MnO 质量分数含量多大于2 5%(3~5wt%)(注:

高程度部分熔融形成的科

图1 a:山东昌乐北岩新生代玄武岩中的橄榄石捕虏晶的背散射图片;b d:山东方城中生代玄武岩中具有简单环带

的单斜辉石捕虏晶的背散射图片;e f:山东方城中生代玄武岩中具有复杂环带的单斜辉石捕虏晶的背散射图片;g :山东青岛晚白垩世基性脉岩中单斜辉石捕虏晶的显微照片(单偏光);h:山东临朐新生代玄武岩中单斜辉石捕虏晶的显微照片(单偏光),其中单斜辉石中含玻璃质熔体包裹体

Fig 1 a:Backscattered image of olivin e xen ocryst entrained in the C han gle Cenozoic basalt,S han dong Province;b d:Backscattered images of sim ply -zoned clin opyr ox ene xenocrysts from the Fangch eng M es oz oic basalts,Shandong Province;e f:Backscattered images of com plexly -z on ed clinopyroxene xenocrys ts from the Fangcheng M esozoic basalts,Sh andong Provin ce;g:M icro -ph otograph of the cl-i

图2 华北东部古、中、新生代火山岩中各种来源的

单斜辉石的M g#与N a2O%图解

Fig 2 M g#versu s Na2O%in clinopyroxenes from various Paleo-z oic,M esozoic,and Cen oz oic volcanic rocks and their borne man tle and low er crustal xenoliths an d xenocrysts fr om the eastern North C hina craton

橄榄岩、新生代辉石岩、中生代辉石岩、古老下地壳麻粒岩和底侵麻粒岩分布代表华北古生代金伯利岩和新生代玄武岩携带的橄榄岩捕虏体、新生代玄武岩中辉石岩捕虏体、方城中生代玄武岩携带的辉石岩捕虏体、新生代玄武岩携带的古老下地壳麻粒岩捕虏体和麻粒岩地体、和新生代玄武岩携带的由底侵作用形成的年轻麻粒岩中的单斜辉石组成。各种来源的辉石组成包括方城玄武岩携带的简单环带的核心和边缘组成和复杂环带的核心、幔部和边缘组成皆来自Zhang et al ①及其参考文献。星号代表青岛晚白垩世基性脉岩中单斜辉石捕虏晶核心部分的平均组成

马提岩和苦橄岩等除外)。同源岩浆基质中的橄榄石具有非常低的Fo(65~75)和非常高的M nO(质量分数大于5%)。尽管不同玄武岩结晶的橄榄石斑晶和基质组成可能存在变化,但变化范围大体上不会超过上述区间。很显然,如果橄榄石捕虏晶与熔体反应充分,达到了扩散平衡,橄榄石捕虏晶和斑晶就很难区分了。捕虏晶的反应环带部分组成变化很大,因此只有那些具有稳定组成的橄榄石捕虏晶的核心部分才能够代表反应前橄榄石的组成(见文献[3],图3)。

(3)橄榄石捕虏晶的存在及其普遍意义:橄榄石捕虏晶在火山岩中的存在可能远比我们已经发现的要普遍。许多火山岩中以前认为的高镁橄榄石斑晶[33-35]很可能是捕虏晶。特别是在时间相对充裕的情况下,橄榄石-熔体的充分反应更增加了鉴别的难度。因此,某些苦橄岩可能并非真正意义上的苦橄岩,而是含大量橄榄石捕虏晶的玄武岩。同样某些高镁火山岩可能并非真正意义上的高镁火山岩,而是含橄榄石捕虏晶的正常火山岩。其结果造成对火山岩的来源和部分熔融程度的计算产生巨大影响。因此,在进行玄武质火山岩的研究中,正确判别岩石

图3 华北东部中、新生代火山岩中代表性单斜辉石捕虏晶核心部分的稀土元素配分图(与图1对应)

Fig 3 REE distribu tion pattern s of cor e compos ition of clinopy-roxen e xenocrys ts en trained in M es oz oic and Cenozoic volcanic rocks from the eastern North China craton(corr espondin g to Fig 1)

捕虏晶FC-39来源于辉石岩;FC-10来源于古老下地壳麻粒岩; PSK03-4来源于地幔橄榄岩;04LQQ-03来源于底侵作用形成的辉石岩,并含有玻璃质熔体包裹体

的物理性质变化,如变形诱发的晶格定向和相的转变[36-39],被认为是许多深源地震的诱因。岩石圈地幔中橄榄石组成的变化,很可能也是某些大陆板内深源地震的重要诱因和岩石圈地幔组成转变的结果。如果占橄榄岩绝对多数的橄榄石组成发生了重要改变,那么橄榄岩的组成必将发生重大变化。因此,橄榄石-熔体相互作用的研究不仅具有重要的理论意义,而且具有重要的现实意义。

2 2 辉石-熔体的反应:单斜辉石捕虏晶的种类

橄榄石能够与熔体发生反应,那么橄榄岩中的另一类主要矿物是否可以与熔体发生反应?华北中、新生代火山岩中具有环带状结构的单斜辉石捕虏晶(图1b-h)和斜方辉石捕虏晶[2]的发现表明,辉石亦可以和熔体发生相互作用。单斜辉石捕虏晶根据其环带的复杂程度,可以分为简单环带(图1b-d)和复杂环带(图1e-f)两类。简单环带常见,主要为正环带,是单斜辉石被高温寄主熔浆捕获受熔蚀并发生辉石-熔体间元素扩散和/或从熔浆中结晶形成的,后者多为较自形的晶体(如图1d)。因此,其环带边缘部分相当于辉石斑晶。因为辉石的Fe-Mg扩散速率远低于橄榄石[40-41],所以单斜辉石的

反应环带边明显小于共存的橄榄石的反应边(图1b)。复杂环带少见,通常为反环带和复杂环带,如图1e-f,中心富铁(颜色浅),幔部富镁(颜色深),边缘又富铁,其形成过程复杂。这种复杂环带在全球火山岩中也很少报道。据笔者所知,具有这种反环带的单斜辉石仅在Qaug h岛火山岩单斜辉石斑晶研究中有过报道[42]。根据捕虏晶核心主量、微量元素组成(图2和图3),单斜辉石捕虏晶有以下多种来源:

(1)地幔橄榄岩来源的捕虏晶:地幔橄榄岩来源的单斜辉石捕虏晶环带很清楚(图1g),环带边缘主要是从熔浆中结晶的,扩散环带弱。这种来源的单斜辉石捕虏晶多出现在含地幔橄榄岩捕虏体的晚中生代和新生代玄武岩中,如青岛晚白垩世基性脉岩中。其核心部分的主量元素和微量元素组成以类似地幔橄榄岩中单斜辉石的高铬含量和高镁值(M g# >90,图2)和具有LREE亏损的或勺形(spoon-shaped)稀土元素配分图(图3)为特征。这种具有勺形的稀土元素配分型式的单斜辉石是中国东部新生代玄武岩携带的尖晶石二辉橄榄岩捕虏体中单斜辉石的一种常见型式(如Fan等[43])。因此,地幔橄榄岩来源的单斜辉石捕虏晶中心部分通常为翠绿色Cr-透辉石。但有时仅凭主量元素组成是不易与来源于岩石圈地幔橄榄岩中的Cr-透辉石脉岩区分,因为这种与橄榄岩平衡的透辉石脉岩中,单斜辉石亦具有高铬和高镁特征,但却具有LREE富集的稀土元素配分型式。故利用主量、微量元素相结合的方法很容易鉴定地幔橄榄岩或辉石岩来源的单斜辉石捕虏晶。

(2)辉石岩来源的捕虏晶:辉石岩来源的单斜辉石捕虏晶有时环带界线并不很清楚,捕虏晶常遭受熔蚀形成浑圆状或港湾状外形(图1b d)。其核心部分的主量元素组成以低镁(M g#:81~89)、Na2O(质量分数<1%)和铬(Cr2O3质量分数< 0 5%)为特征,方城中生代玄武岩中具简单环带的单斜辉石捕虏晶核心部分组成,完全落入中生代辉石岩捕虏体中单斜辉石的组成范围内(图2)。因此,这种单斜辉石多为黑色和暗绿色的普通辉石。辉石岩来源的单斜辉石捕虏晶的微量元素具有特征的上凸(convex-upw ard)稀土元素配分型式(图现于山东方城中生代玄武岩中。该单斜辉石捕虏晶具有复杂环带结构,即具有一个浅色的核心,一个深色的幔部和一个浅色的边缘(图1e)。核心部分的Mg#和Na2O含量与古老下地壳地体麻粒岩和安徽女山新生代玄武岩携带的麻粒岩捕虏体中的单斜辉石组成接近[44-45](图2),具有明显Eu负异常和较平坦的稀土元素配分型式(图3),这亦说明该单斜辉石捕虏晶的核部曾与斜长石共存。因此,主量元素和微量元素组成皆说明该单斜辉石捕虏晶来源于古老下地壳麻粒岩。幔部高得多的M g#(图2)和低的Al2O3含量表明其形成于相对深的位置,是古老麻粒岩与地幔橄榄岩相互作用的结果。这可能暗示在岩石圈伸展作用背景下,下地壳麻粒岩可以局部进入岩石圈地幔中,从而形成这种复杂的反环带。以扩散作用为主导的环带界线不太清楚(图1e)。该捕虏晶的边缘部分显然是被寄主岩浆捕获后从岩浆中结晶的。

(4)新增生下地壳来源的捕虏晶:来源于新增生下地壳麻粒岩的单斜辉石捕虏晶亦仅见于山东方城中生代玄武岩中(图1f)。该捕虏晶中心部分颜色浅,其M g#和Na2O含量与汉诺坝新生代玄武岩携带的由岩浆底侵作用形成的麻粒岩捕虏体中的单斜辉石组成接近[46-49](图2)。该捕虏晶环带结构非常明显,中心和边缘接触界线明显(图1f)。显然边缘暗色部分是被熔浆捕获后快速结晶形成的,故晶形好,边缘平直。晶体下部的破碎结构(图1f)说明结晶作用发生在岩浆上升之前,即是深部结晶的产物。

(5)含熔体包裹体的捕虏晶:该类单斜辉石捕虏晶存在于山东临朐新生代玄武岩中(图1h)。捕虏晶边缘部分具有明亮的边,是从寄主熔浆中结晶的。捕虏晶中心部分含众多细小的橄榄石、斜长石甚至钾长石子晶和玻璃质熔体包裹体(50~100 m) (张宏福,未发表)①。核心单斜辉石贫镁(M g#约为80),富铝(Al2O3质量分数约为6 5%),即为铝质普通辉石。其微量元素组成亦具有上凸形的稀土元素配分型式(图3),但LREE含量明显比辉石岩来源的单斜辉石捕虏晶低,尽管M-H REE含量非常接近。这种捕虏晶很可能来源于岩浆底侵作用。

其熔体包裹体研究对了解熔浆的形成和运移方式具有重要意义,但对熔体包裹体的详细探讨已超出本文的范围。

2 3 橄榄岩-熔体的反应:地幔橄榄岩捕虏体证据

很显然,橄榄岩中的橄榄石和辉石都能够与熔

体发生反应,那么橄榄岩必然可以与熔体发生反应。然而,橄榄岩-熔体的相互反应只是在地幔橄榄岩捕虏体的交代作用中得到暗示,缺乏直接的证据。山东胶州大西庄晚白垩世[50]王氏群玄武岩中产出的具有环带结构的复合橄榄岩捕虏体(图4),提供了橄榄岩-熔体相互作用的直接证据。该橄榄岩捕虏体是目前世界上发现的唯一一块直接记录橄榄岩

-图4 华北东部晚白垩世王氏群玄武岩携带的具有环

带结构的地幔橄榄岩捕虏体的显微照片

Fig 4 M icrophotograph of a zoned m antle perid otitic x enolith from late Cr etaceous W angs hi Grou p basalt,th e eastern North Chin a craton

熔体相互作用的岩石圈地幔橄榄岩样品。橄榄岩捕虏体具有明显的环带结构,中心由尖晶石二辉橄榄岩组成,幔部为剪切带,边缘为反应带。二辉橄榄岩为中粒结构,主要组成矿物为橄榄石、斜方辉石、单斜辉石和尖晶石,其中橄榄石具有极低的Fo (86~87)。剪切带具有明显的剪切结构,其组成矿物橄榄石和单斜辉石具有定性排列。反应带具有同结晶结构,主要由颗粒细小的橄榄石、单斜辉石和尖晶石组成。剪切带和反应带中未见斜方辉石。捕虏体明显的环带结构以及主、微量元素,如M g #和REE 丰度从中心二辉橄榄岩至边缘反应带的系统变化(详见Zhang 等①),表明橄榄岩-熔体/岩浆的相互反应的确能够发生,其反应结果造成高镁橄榄岩向低镁橄榄岩转变。该混杂捕虏体的发现,暗示这种橄榄岩-2 4 橄榄岩-地壳来源熔体的反应

有人可能要问,上述提供的橄榄石、辉石和橄榄岩环带结构只是说明橄榄岩可以与寄主岩浆即玄武质熔体发生反应,但华北东南部中生代岩石圈地幔

来源的基性岩浆活动,暗示该区中生代岩石圈地幔

的组成转变过程需要大量俯冲的壳源熔体的加

入

[21-25,28,51]

,而壳源熔体成分主要是富硅的花岗质,那么地幔橄榄岩是否能够与富硅的花岗质熔体发生反应呢?从理论上讲,地幔橄榄岩与花岗质熔体比玄武质熔体组成差别更大,因为地幔橄榄岩贫硅富

镁,而花岗质熔体富硅贫镁,因此应该更容易和花岗质熔体发生反应。当花岗质熔浆进入岩石圈地幔中,因其能量较小不足以喷出地表或侵入到地壳中,在岩石圈地幔的高温下,巨大的组成差异产生的成分梯度会导致橄榄岩-花岗质熔体相互作用的发生,从而导致高镁橄榄岩转变为低镁橄榄岩,并伴随有大量的辉石岩的结晶。这可能就是方城中生代玄武岩中含有大量辉石岩的原因[23]。在华北东南部晚白垩世玄武岩中,发现具极低镁橄榄石分子的尖晶石二辉橄榄岩(图4),这也相应要求这种橄榄岩-花

岗质熔体反应的存在,并在捕虏体被捕获之前就已完成,否则无法解释这种远比软流圈和模拟地幔岩(其中Fo~89)贫镁的橄榄岩的形成。因在岩石圈地幔的高温、高压条件下,这种橄榄岩-熔体的反应很容易达到化学平衡,从而形成组成均匀的矿物晶体。因此,在地幔橄榄岩捕虏体中很少见到环带结构明显的橄榄石和/或辉石晶体。

在单斜辉石捕虏晶(图1h)中发现熔体包裹体,为探讨壳源熔体的组成提供了途径。初步研究表明,熔体包裹体为富碱的响岩质或粗安岩质,并具有明显Eu 正异常(张宏福等,未发表)。故这种熔体很可能来源于陆壳岩石高程度的部分熔融。加强对华北东部中生代玄武质岩石中地幔橄榄岩捕虏体、捕虏体中各组成矿物以及捕虏晶中熔体和/流体包裹体的寻找和发掘,是进一步研究橄榄岩-熔体的相互作用过程以及深入了解岩石圈地幔熔体组成的必由之路。

2 5 熔体的两种可能来源及其造成的不同结果

前已述及,除了橄榄岩捕虏体和捕虏晶与寄主

ZH ANG H F,et al.T ran sform ation of s ub -continen tal lithos -

熔浆反应外,地幔橄榄岩-熔体的直接反应也能够发生,并证明在岩石圈地幔中的确存在。那么在岩石圈地幔中,参与反应的熔体只能有两种来源:软流圈来源的部分熔融熔体和俯冲或拆沉的大陆地壳来源的部分熔融熔体。

俯冲或拆沉的大陆中、下地壳来源的部分熔融形成的花岗质熔体与亏损的岩石圈地幔橄榄岩的相互作用,如上所述,在华北东南部中生代岩石圈地幔中广泛存在。这种地幔橄榄岩与熔体的反应是岩石圈地幔组成转换的重要方式,其结果导致主量元素高度亏损的古生代岩石圈地幔直接转变为主量元素饱满的晚中生代岩石圈地幔(橄榄岩+辉石岩)。显然,转换后的岩石圈地幔的微量元素和同位素组成在很大程度上取决于参与反应的熔体的组成和性质。在俯冲的扬子中、下地壳(或拆沉的华北下地壳)中,所形成的熔体富硅和碱而贫镁,并具有高度富集的微量元素含量和Sr-Nd同位素组成,这就是华北东南缘中生代岩石圈地幔快速富集的主要原因。华北内部大量中生代钙碱性火山岩即是这种橄榄岩-熔体反应强烈改造过的岩石圈地幔部分熔融物质。

地幔橄榄岩与软流圈来源的玄武质熔体间的相互作用很可能更普遍[11,16,52-54]。Liu等[54]通过对汉诺坝新生代玄武岩中复合石榴石辉石岩捕虏体详细的岩石学研究认为,这些石榴石辉石岩是地幔橄榄岩与富硅熔体反应的产物。而汉诺坝玄武岩中大量的石榴石辉石岩捕虏体的出现,说明该区(中)新生代时期存在大量的橄榄岩-玄武质熔体的相互作用。由软流圈(橄榄石Fo~89)部分熔融形成的玄武质熔体与地幔橄榄岩(橄榄石Fo~92)的组成差别相对较小,大量这种来源的熔体在岩石圈地幔中通过渗滤作用导致的橄榄岩-熔体的相互作用尽管能够造成橄榄岩Mg#值的降低,但降低幅度较小,远小于橄榄岩-花岗质熔体反应导致的橄榄岩M g#值的降低幅度。而橄榄岩-熔体的相互作用可能没有造成橄榄岩Re-Os同位素体系的重大变化,这可以解释汉诺坝地区地幔橄榄岩捕虏体的主量元素(低镁,年轻)和Os同位素(古老)组成间的解耦特征[55]。汉诺坝地幔橄榄岩捕虏体以贫单斜辉石的二辉橄榄岩和方辉橄榄岩为主,颗粒粗大、破碎,成地幔橄榄岩Sr-Nd同位素组成的巨大变化。因此,地幔橄榄岩与地壳来源的熔体或软流圈来源的熔体相互作用造成的结果会截然不同,后者更难以鉴别。这应该引起我们在研究玄武岩中地幔橄榄岩的高度重视。

3 结论

由地幔和地壳矿物捕虏晶和地幔橄榄岩捕虏体揭示的地幔橄榄岩-熔体的相互作用,在我国东部中/新生代岩石圈地幔中普遍存在,是岩石圈地幔组成转变的重要方式。该组成的转变是造成华北东部中生代岩石圈减薄后残余岩石圈地幔性质变化的主要原因。在橄榄岩-熔体的反应中,熔体的来源有两种主要形式:软流圈来源的熔体和地壳来源的熔体。两种熔体的反应造成的结果截然不同。

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