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MOR型蛇绿岩中地幔橄榄岩的地质特征(上)

 摘 要 地幔橄榄岩是指来 自陆下 、弧下或洋脊下的岩石圈 地幔岩 ,通常通过构造侵位 (冷侵 位) 的方式存在于造山带中 ,如造山带橄榄岩、蛇绿岩中的橄榄岩 以及火山岩中 的地幔橄榄岩 等。 本文选取了 4 个具有 MOR 型属性的蛇绿岩中地幔橄榄岩体,对比研究了其与深海橄榄岩 在岩石学、地球化学、同位素地球化学和岩石成因等方面的特征,认为与深海橄榄岩性质的综 合对比是识别 MOR 型蛇绿岩中地幔橄榄岩的有效方法之一,同时在蛇绿岩的分类中具有较 好的参考价值。

关键词 MOR 型蛇绿岩 地幔橄榄岩 深海橄榄岩 岩石地球化学

中图分类号:P588    文献标识码: A    文章编号: 0563-5020(2013)02-569-12

研究蛇 绿岩对 认识大 洋岩石 圈洋中 脊和俯 冲带的 过程、 地幔动 力学及 其不均 一性、 岩浆房作用过程、流体动力机制、流体一岩石相互作用以及深部生物圈演化等方面具有 重要的意义 (莫宣学, 1997)。 1972 年在彭罗斯会议上把蛇绿岩定义为 : 是一种可与大洋 岩石圈对比的镁铁质一超镁铁质岩石组合。 随着对蛇绿岩研究 的深人 ,传统的蛇绿岩定 义巳经不能真实反映其组成和产出的多样性(如:有的蛇绿岩原始剖面或缺乏岩枕、岩墙 或岩墙群、或无堆晶岩及无地幔岩等 )。 不同地区、不同时代、不同构造背景的蛇绿岩剖 面,岩石单元之间的关系可以相互不一样,各单层厚度或总厚度更是各不相同 (周 国庆, 2008) 。 Dilek and Furnes(2011 )提出了 新的蛇绿岩定义: 即伴随板块汇聚作用而发生构 造侵位的非原地的上地幔和大洋地壳 中岩石碎片。 这些岩片从底至顶由 包括一套在岩 石成因和时代上相关联的橄榄岩、超镁铁质至长英质地壳侵人岩和火山 岩组合 ( 席状岩 墙可有可无 ); 其中一些单元可以在不完整的蛇绿岩中缺失。

关于蛇绿岩的分类 ,依据不同 的分类标准, 存在不 同的分类方案 (史仁灯, 2005; 张 进等, 2012) ,其中 ,使用最为广泛的方案是 Peace et al. ( 1984 ) 根据蛇绿岩中 、上部火山 岩形成的构造环境划分的: 即洋 中脊型 (MOR) , 以阿曼蛇绿岩南部的 Samal 岩体 (Kelemen et al. , 1997a; Godard et al. , 2000) 为典型代表; 俯冲带上盘型 ( SSZ) , 以塞浦路 斯的特罗多斯蛇绿岩 ( Batanova aad Sobolev, 2000; Dilek aad Furnes, 2009) 为典型代表。 然而, Dilek and Furnes (201 1 ) 依据蛇绿岩中上部溶岩 和岩墙 形成的构造环境进行划分蛇 绿岩类型时 ,却将 Samal 岩体划分到了 SSZ 型蛇绿岩中。 之所以存在这种 不同认识的一

* 国家重点基础研究发展计划项目 (编号 : 211CB43101) 和国家自然科学基金项目 (编号 : 411725, 4097056)

资助。

龚小晗, 男, 1989 年生, 硕士研究生, 岩石学和地球化学专业。 E-mail: fengwuing091 I @163 .om 2012-12-10 收稿, 2012-02-05 改回。

个重要原因可能是认为熔岩作为一个组分端员 ,只 占到整个地壳质量的 10% 〜 15% (Niu, 1997 ), 同时 ,原始地幔熔体在向上抽离( Kelemen et al. , 1997b; Ni, 1997) 和后期 复杂的岩浆房过程中都会发生组分和性质变化 ( Korenaga ad Kelemen , 1997; O’Hara and Hezbeg, 2002) ,因此,仅仅通过熔岩的性质来划分蛇绿岩的类型,需要建立在对这些过 程正确认识的基础上。

深海橄榄岩作为洋脊下对流地幔部分熔融的另一个组分端员,可能会提供更加直接 的关于地幔熔融、熔体抽取和熔融后的过程信息 (Niu, 2004)。 同样,尽管蛇绿岩中的地 幔橄榄岩在形成之后 的就位过程 中还要 经历更 为复杂 的改造作用, 如俯冲带的熔体产流 体交代作用(Zhou et al., 194, 1996,205; Li et al. , 210),但其中是否还保留着一些 最初成岩时的信息? 能否在蛇绿岩的分类中起到重要的作用呢? 这一切需要进一步研 究。

根据板块构造理论,岩石圈作为一个刚性的板块参与威尔逊旋回。 那么依据 Peac et a. (1984) 的分类,现今出露在缝合带中的蛇绿岩,其中的地幔橄榄岩部分最初必然形 成于 MOR 或 SS 型构造环境中。 MOR 蛇绿岩通常被认为形成于古洋中脊环境, 其地幔 橄榄岩部分在岩石类型、成分、结构构造、成因机制等方面与形成于现今洋中脊下的深海 橄榄岩存在可比性 ,因此本文选取了阿曼蛇绿岩南部 Wadi Tayin 岩体 ( Hanghj et al. ,

2010)、 意大利的 Internal Liguride 单元 ( Snow and Reisberg , 1995; Rampone et al. , 1996, 1998; Snowetal., 2000) 、西藏罗布莎地幔橄榄岩 (Zhou et al. , 1996; 2005)、西藏普兰地 幔橄榄岩 (Milleret al. , 2003; Li et al. , 2010; 2011)4 个具有 MOR 型属性的蛇绿岩中的 地幔橄榄岩体 ,对比研究了其与深海橄榄岩在岩石学、地球化学、同位素地球化学、岩石 成因等方面的特征 ,以期更好的识别 MOR 型蛇绿岩和回答上面的问题。

1 MOR 型蛇绿岩的基本特征

对于 M O R 构 造背景 下形成 的蛇绿 岩的基 本特征 ,前 人进行 了很多 总结性 的研究 (Dick etal., 1984a, 1984b, 1984c; Dik , 1989; 王希斌等, 1995; 张旗等, 1995, 2001; 史仁灯, 2005; Dilek and Funes , 2011)。 史仁灯 (2005 ) 在前人研究 的基础上详细 总结了 MOR 型蛇绿岩的岩相学和矿物学等特征 : 他认为形成于洋 中脊的 MOR 型蛇绿岩的地幔 橄榄岩一般为二辉橄榄岩 ,含有少量的纯橄岩和方辉橄榄岩 (这与 以方辉橄榄岩为主的 现代大洋岩石圈明显不同 ); 一般不发育大型的铬铁矿床 (Peace et al. , 1984),并且 LREE 为亏损型,副矿物尖晶石的 Cr# 值低于 6 ^ Dik etal., 1984a, 1984b, 1984c); 与其 相对应的熔岩从下而上堆晶组成为纯橄岩、橄长岩和橄榄辉长岩 (Elthon et al., 182; Elho , 1992) , 即岩浆结晶顺序为橄榄石一斜长石一单斜辉石 (PTG 岩石组合 ) (Peace et al., 184) ,并且橄榄石的 Mg# 高于斜方辉石 (斜方辉石的 Mg# 值甚至低于 74) 和单斜辉石 (甚至低于 82),这是由于原始岩浆在低压条件下的造成的结果 (<0.9 GPa,这与正常洋 壳下的地幔橄榄岩所处的深度是一致的 ) ; 上部火山岩一般为大洋拉斑玄武岩 (MORB) (Peace etal., 1984)。 这套有成因联系的岩石组合 ,如 果将其各个单元的特征置于 MOR 环境下予以考虑的话,很多性质与 MOR 环境是匹配的,这也说明将 MOR 型蛇绿岩与现 今大洋岩石圈背景相对比的可行性。

整体上看, Wadi Tayin 岩体、 Internal Liguride 单兀 、罗布莎地幔橄榄岩 、西藏普兰地幔 橄榄岩 4 个地区的地幔橄榄岩在岩石学上符合上述描述的 MOR 型地幔橄榄岩特征 ,其 中, Wadi Tayin 岩体、罗布莎地幔橄榄岩和西藏普兰地幔橄榄岩 3 个岩体以方辉橄榄岩为 主,含有少量纯橄岩和二辉橄榄岩,类似于当今的大洋岩石圈; 而 Internal Liguride 单元 则是典型的以二辉橄榄岩为主。 为什么 MOR 型蛇绿岩中的地幔橄榄岩一般为二辉橄榄 岩 ,而现今大洋岩石圈地幔以方辉橄榄岩为主,这可能与地幔源区的不均一性有关,也可 能与岩石发生部分熔融的深度以及程度有关。

2    MOR 型蛇绿岩中地幔橄榄岩的主量元素特征

岩石的主量元素构成了岩石中 的主要矿物相 ,主量元素含量的多少通常能反映出岩 石的形成过程 ,同时也控制了岩石中相应的微量元素及同位素的行为。 从岩石学意义上 讲,在上地幔熔出玄武岩浆的过程中, CaO、A^O3、SO2 等易熔组分容易进人熔体,其熔出 玄武岩浆越多,残留的地幔橄榄岩越富 Mg,地幔亏损程度越高。 因此,对于地幔部分熔 融体系 ,地幔橄榄岩中 MgO 质量分数的高低、 Mg# 值大小是地幔亏损程度或部分熔融程 度的重要标志 ( Coleman , 1977; Hartmann and Wedepohl , 1993)。

本文选取的 4 个地幔橄榄岩体的主量元素 ,其特征均表现为具有高的 MgO 含量 ,较 低的 CaO,Al:O3,SO 的含量 (图 1),显示出亏损的特征; 岩石中橄榄石的 Mg# 较高,多 为 90 〜 92 之间; 尖晶石的 Cr# 值大多数低于 60,TiO 含量较低 (图 2),主体上可以与深 海橄榄岩主量元素特征 (Niu, 204; Paulick et al. , 2006) 相对比。

另一方面 ,不同岩体之间以及同一岩体不同岩性之间的特征也存在差异性。 在图 1 中 ,Wadi Tayin 岩体的样品多落于较亏损深海橄榄岩端员 的底部 ,这可能与地幔橄榄岩的 形成深度有关 (Hanghoj et al. , 2010) ; 纯橄榄的 MgO 含量和橄榄石 Mg# 都要高于方辉橄 榄岩,这与纯橄岩中橄榄石的含量更高有关; 而纯橄岩中尖晶石较低的 Mg# 和较高的 TO2 含量可能与后期的玄武质熔体的 渗透反应有关 ( Hanghoj et al. , 210); Internal Lgurde 单元的地幔橄榄岩主要为二辉橄榄岩 ,处于相对较富集 的一端 ,这可能与部分熔 融程度相对较低相关; 西藏罗布莎蛇绿岩中 的地幔橄榄岩 ,不同类型的岩石之间, 主量元 素特征出现系统的变化,即从含单斜辉石方辉橄榄岩到方辉橄榄岩到纯橄岩,其 SO:、 CaO、Al2O3、CaOZAl2O3 含量系统地减少 ,而 MgO 含量和 Mg# 值系统地增加 (图 2),这与 岩石中单斜辉石含量系统变化是有关的 (Zhou et al., 1996,2005); 对于普兰地幔橄榄 岩,不同的岩石类型,其主元素含量有一定的差异性 (图 1) ,这可能反映了普兰岩体复杂 的成因来源 (徐向珍等, 2011; Liuetal., 2011)。 此外 ,从图 2 中还可以明显地看到不同 岩体中不同岩性的尖晶石的成分变化范围较大, 这可能与不同地幔源区的部分熔融、熔 融过程中 的分离结晶作用以及部分熔 融作用 后期尖 晶石与 其他硅 酸盐矿 物之间 的再平 衡作用有关 (Dick et al. , 1984a, 1984b, 1984c; Banes and Roeder, 2001; Kamenetsky et al. , 2001 ) 。

3    MOR 型蛇绿岩中地幔橄榄岩的微量元素特征

不同构造背景或岩浆过程中形成的各类岩石的微量元素或微量元素组合的含量是

92    90    88    40 50 60 70 80    0-2 0-4 0-6 0-8 LO

橄榄石 Fo 值    尖晶石 Mg# 值    尖晶石 Ti〇2 值

普兰 (徐德明等, 2008)

■纯橄岩 ▲方辉橄榄岩 ♦二辉橄榄岩 (普兰 ) O 深海橄榄岩 (Dick,1989)

图 2 MOR 型蛇绿岩中地幔橄榄岩的尖晶石 Cr# 值 [100 * molar CrZ( Cr+ Al) ] 与 ( a) 共生橄榄石 Fo 值 [100* molar MgZ( Mg+ Fe )] 、 与 ( b ) 尖晶石 Mg# 值 [100 * molar MgZ( Mg+ Fe ) ] 、 与 ( c ) 尖 晶石中 TiO2

含量协变图解 ( 数据来源及符号见图 1)

Fig. 2 Cr-number[ 100 * molar CrZ ( Cr+ Al) ] i spinel of MOR-type peridotites vs( a) Fo content [ 100 * molar MgZ ( Mg+Fe) ] in coexisting olivine , b) Mg-number[ 100 * molar MgZ ( Mg+Fe) ] i spinel , and( c) TiO2 i spinel (data sources and symbols as in Fig. I)

 

^ 深海橄榄岩 (Niu, 2004; PauHck et al” 2006; Godard et al., 2008)

图 I MOR 型蛇绿岩中地幔橄榄岩主量元素 MgO-SOJa)和 A^Og -CaO( b)图解

Fig. I Plots showing selected major element variations MgO-SO2(a) and Al2 O3 -CaO (b) i peridotites of MOR-type ophiolites.

 

有差异的,这也是通过岩石中微量元素含量和组合来判别不 同构造环境的基础。 对于 MOR 型地幔橄榄岩 ,通常认为形成的背景类似 于当今 的 大洋 中脊, 故 其微量 元素 特征与 深海橄榄岩理应具有可比性。 然而,从 MOR 型地幔橄榄岩在洋中脊下形成,到最终构造 侵位于缝合带的 过程中 ,又经 历了复 杂的流 体^ 熔体一岩石 反应改 造作用 ( Edwads ad Malpas , 1995; Zhou et al. , 1996,2005; Paulick et al. , 2006; Li et al. , 2010) ,其全岩的 微量元 素往往呈现出 复杂的 特征。

在全岩稀土元素 (REE) 的球粒陨石归一化曲线中 (图 3) ,Wadi Tayin 岩体中方辉橄 榄岩和纯橄岩都表现出向左倾的配分模式,LREE 相对富集,出现相对强烈的 MREEZ HREE 分馏。 相对于纯橄岩,方辉橄榄岩有类似的 LREE 含量, 较高的 HREE 含量 (图 3a) ,但整体上也都与深海橄榄岩的 REE 配分趋势一致。 Internal Liguride 单元中代 表性的地幔橄榄岩微量元素特征表现为 LREE 含量极低 ,表现出显著的亏损特征; 全岩 REE 球粒陨石标准化配分模式中表现出相对强烈的 MREEZHREE 分馏 ,类似于深海橄榄 岩的特征 (图 3a)。 对于西藏罗布莎蛇绿岩中的地幔橄榄岩,从含单斜辉石方辉橄榄 岩一方辉橄榄岩一纯橄岩,其 REE 标准化配分模式依次表现为勺型一上凹的 U 型 (图 3b) ,Zhou et a. (1996 ,005) 认为含单斜辉石方辉橄榄岩的 REE 配分模式可以与富 集的 MOR 型地幔源区相对比,而方辉橄榄岩和纯橄岩的 REE 配分模式则归因于后期富 集 LREE 熔体的改造作用 ,不同于深海橄榄岩的配分趋势。 对于普兰地幔橄榄岩 ,不同的 地幔橄榄岩类型可能表现复杂的微量元素特征,地幔橄榄岩的 REE 分配模式极为复杂 (图 3b) ,包括以下 5 种类型 : 1)V 或 U 型; 2) 烟斗型; 3)LREE 亏损型; 4)LREE 富集 型; 5)平坦型 (Pearce etal., 1984; 王希斌等, 1995); 且部分地幔橄榄岩富集 LREE 并 伴随 HFSE 的明显增加,少数亏损 LREE(徐德明等, 2008),这与 Niu(2004) 描述的深海 橄榄岩有相 似 的特点 。

另一方面, 对于深海橄榄岩 ,因 其残留 相单斜辉石 ( Cpx ) 相对于其它 的残留 相 ( 橄榄 石、斜方辉石、尖晶石)有更高的矿物一熔体配分系数 ,因此单斜辉石是深海橄榄岩中稀 土元素 (REE) 的最主要载体矿物 ,其含量变化通常能够较好 的反映部分熔融过程 (Johnson et al. , 1990; Niu, 2004) 。 对 Internal Liguride 单元 中代表性的地 幔橄揽岩中残 留相单斜辉石研究表明其 REE 含量变化与深海橄榄岩中残留相单斜辉石的 REE 配分模 式具有可比性 (Rampone et al. , 1996) ,这些组分特征 都显示 出明显 的亲深海橄榄岩属性 (图 4a) ; 而尽管普兰地幔橄榄岩的全岩微量表现出复杂的变化,对其橄榄岩中残留单斜 辉石的微量元素的研究表明部分地幔橄榄岩中单斜辉石的 REE 配分曲线表现为强烈的 轻稀土元素 (LREE) 亏损 (图 4b) ,类似于深海橄榄岩 (Miller et al. , 203; Liu et al. , 2011); 而对于那些 LREE 富集的地幔橄榄岩 (图 4b),可能代表了不同程度的富 LREE 流体的交代 (Liu et al., 2011)。