王軍等-JPet:大陸堿性玄武質(zhì)熔體形成的新機(jī)制
大陸板內(nèi)環(huán)境的堿性玄武巖通常與拉斑玄武巖共生,這些玄武巖的主微量成分已經(jīng)被廣泛用來(lái)示蹤地幔熔融過(guò)程或者地幔巖性的不均一性。然而,根據(jù)玄武巖成分來(lái)推斷地幔信息時(shí),需要仔細(xì)校正殼內(nèi)巖漿分異過(guò)程的影響,傳統(tǒng)觀點(diǎn)中考慮的是富熔體的“巖漿房”中礦物重力沉降導(dǎo)致的分離結(jié)晶過(guò)程。但是最近的地球物理和巖石學(xué)研究表明殼內(nèi)“巖漿儲(chǔ)庫(kù)”是以富晶體(>50%)的晶粥體形式存在,其巖漿分異的方式是以滲透的粒間熔體和晶粥體的格架礦物之間的反應(yīng)為主,這明顯區(qū)別于富熔體的“巖漿房”模型中的巖漿分異過(guò)程,且熔體—晶粥體反應(yīng)導(dǎo)致的熔體主微量演化趨勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了分離結(jié)晶所預(yù)測(cè)的趨勢(shì)。因此,需要重新評(píng)估殼內(nèi)巖漿儲(chǔ)庫(kù)的演化對(duì)板內(nèi)玄武巖成分多樣性的貢獻(xiàn)。
針對(duì)上述科學(xué)問(wèn)題,中國(guó)科學(xué)院廣州地化所、深地科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王軍博士、王強(qiáng)研究員及其合作者對(duì)青藏高原中部羌塘地塊雀莫錯(cuò)地區(qū)一套共生的堆晶巖(橄欖石含量超過(guò)50%的橄長(zhǎng)和橄欖輝長(zhǎng)巖)和巖墻(輝綠巖)進(jìn)行了詳細(xì)的年代學(xué)、礦物學(xué)和地球化學(xué)研究,取得了以下新的認(rèn)識(shí):
1、雀莫錯(cuò)鎂鐵質(zhì)巖石主要分布在一條北西向斷裂帶兩側(cè),西側(cè)由橄長(zhǎng)巖、斑狀輝綠巖和少量富磁鐵礦輝綠巖組成,東側(cè)由橄欖輝長(zhǎng)巖和無(wú)斑輝綠巖組成。這些巖石形成于早侏羅世(191±2 Ma)板內(nèi)伸展環(huán)境,其母巖漿都是貧水(H2O < 0.9wt%)的拉斑玄武巖。
2、橄長(zhǎng)和橄欖輝長(zhǎng)質(zhì)堆晶巖記錄了中地殼壓力(~0.5GPa)下拉斑質(zhì)熔體通過(guò)更熱的晶粥體(50-60%橄欖石±斜長(zhǎng)石晶體)時(shí)發(fā)生的反應(yīng),該反應(yīng)涉及橄欖石、斜長(zhǎng)石和單斜輝石的溶解和再沉淀,主要證據(jù)如下:(1)堆晶相橄欖石具有高度溶蝕的港灣狀邊,這些溶蝕隧道被粒間熔體結(jié)晶的斜長(zhǎng)石和單斜輝石充填,表明粒間熔體與堆晶相之間存在反應(yīng);(2)粒間單斜輝石成分變化類似前人實(shí)驗(yàn)得到的熔體—晶粥體反應(yīng)趨勢(shì):Mg#幾乎不變,Ti和Na急劇升高,這顯著偏離了分離結(jié)晶趨勢(shì),而輝綠巖墻的單斜輝石成分變化就表現(xiàn)出分離結(jié)晶的趨勢(shì):Mg#急劇降低,Ti和Na緩慢升高后降低(圖1)??傊?,相對(duì)分離結(jié)晶成因的輝石(巖墻),在給定的相容元素含量下(如Mg和Ni),反應(yīng)成因的輝石(堆晶巖)具有更高的不相容元素含量(如Ti、Na和Y)和比值(Ce/Y),這是因?yàn)殚蠙焓娜芙庖种屏巳垠w相容元素含量的降低(圖1)。

圖1.(a-b)洋殼和反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的單斜輝石;(c-f)堆晶巖和巖墻單斜輝石的成分差異(藍(lán)色代表熔體—晶粥體反應(yīng);紅色代表分離結(jié)晶)
3、堆晶巖的粒間單斜輝石TiO2含量已經(jīng)從0.6 wt%急劇升高到3.4 wt%(圖1c),實(shí)驗(yàn)和天然樣品的研究表明只有堿性玄武巖才能結(jié)晶高鈦輝石(TiO2 > 2wt%)。另外,最晚期結(jié)晶的高鈦輝石邊部也出現(xiàn)了堿性玄武巖的標(biāo)志性礦物——鈦閃石(TiO2含量高達(dá)7.1wt%),本次研究統(tǒng)計(jì)的實(shí)驗(yàn)熔體數(shù)據(jù)也表明(圖2a),只有堿性玄武巖/玄武安山巖才能結(jié)晶高鈦角閃石(TiO2 > 4.5wt%)。因此,熔體—晶粥體反應(yīng)可以導(dǎo)致滲透的粒間熔體從拉斑向堿性玄武巖轉(zhuǎn)變。多階段反應(yīng)模擬結(jié)果也驗(yàn)證了這一結(jié)論,即滲透熔體的硅和鎂含量幾乎不變(由于橄欖石溶解),堿含量升高(由于熔體質(zhì)量降低),進(jìn)而穿越拉斑—堿性的分界線(圖2b)。

圖2.(a)洋殼和實(shí)驗(yàn)角閃石鈦含量及其母巖漿硅含量;(b)不同壓力的分離結(jié)晶實(shí)驗(yàn)(三角和五角形)和熔體—晶粥體反應(yīng)模擬(六邊形)顯示的拉斑-堿性玄武巖轉(zhuǎn)變
4、研究區(qū)斷裂帶兩側(cè)巖石具有不同的同位素和微量元素組成,表明存在兩個(gè)空間上獨(dú)立的巖漿系統(tǒng)(圖3)。盡管斷裂帶兩側(cè)的初始拉斑質(zhì)巖漿存在這些成分差異,但兩側(cè)的堆晶巖晚期粒間礦物都出現(xiàn)了主量成分類似的高鈦輝石和鈦閃石,表明拉斑質(zhì)熔體—晶粥體反應(yīng)生成堿性玄武巖的過(guò)程是普遍存在的,與初始拉斑玄武巖成分變化無(wú)關(guān)。新生代高原隆升將中地殼堆晶巖剝露到地表的同時(shí),可能也剝蝕了早侏羅世地表的玄武巖(圖3)。

圖3. 斷裂帶兩側(cè)的巖漿管道系統(tǒng)記錄類似的拉斑質(zhì)熔體—晶粥體反應(yīng)過(guò)程
5、前人實(shí)驗(yàn)研究表明拉斑玄武巖在高壓(> 0.4 GPa)下也可經(jīng)過(guò)分離結(jié)晶形成高鈦的堿性玄武巖,這是因?yàn)楦邏捍龠M(jìn)富硅的單斜輝石結(jié)晶,并抑制鐵鈦氧化物早期結(jié)晶,這導(dǎo)致熔體硅降低以及堿和鈦升高。然而該過(guò)程形成的都是低鎂堿性玄武巖,這區(qū)別于拉斑質(zhì)熔體—晶粥體反應(yīng)生成的相對(duì)高鎂的堿性玄武巖(圖2b)。下洋殼輝長(zhǎng)質(zhì)堆晶巖也記錄了拉斑質(zhì)熔體—晶粥體反應(yīng)過(guò)程,但是洋殼中只有低鈦輝石(TiO2 < 1.5wt%)和角閃石(TiO2 < 4wt%)(圖1a和2a),這是因?yàn)檠髿ぃ?lt; 0.2 GPa)的巖漿儲(chǔ)庫(kù)相對(duì)陸殼更淺。0.5 GPa拉斑質(zhì)熔體—晶粥體反應(yīng)實(shí)驗(yàn)也表明更高壓力可以生成更高鈦的輝石(圖2a)。
因此,高壓下(≥0.5 GPa)拉斑質(zhì)熔體—晶粥體反應(yīng)是形成大陸堿性玄武質(zhì)熔體的一種新機(jī)制,這也暗示相對(duì)高鎂的堿性玄武巖不一定是幔源原生巖漿,即大陸拉斑—堿性玄武巖的轉(zhuǎn)變可能不一定是地幔不均一性或熔融過(guò)程導(dǎo)致的。相關(guān)研究成果已經(jīng)發(fā)表在國(guó)際巖石學(xué)著名刊物Journal of Petrology上,該研究受國(guó)家自然科學(xué)基金、第二次青藏科考、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中國(guó)博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。
論文信息:Wang Jun (王軍), Wang Qiang* (王強(qiáng)), Zeng Ji-Peng (曾紀(jì)鵬), Ou Quan (歐權(quán)), Dan Wei (但衛(wèi)), Yang Yang Alexandra (楊陽(yáng)), Chen Yi-Wei (陳怡偉), Wei Gangjian (韋剛健), 2022. Generation of continental alkalic mafic melts by tholeiitic melt-mush reactions: A new perspective from contrasting mafic cumulates and dikes in central Tibet. Journal of Petrology. https://doi.org/10.1093/petrology/egac039

新聞動(dòng)態(tài)