前寒武纪科马提岩研究概况

胡 刚, 缪向亮, 聂晓亮, 李 牟, 刘 茜, 刘莉茗

(1.江西省地矿资源勘查开发中心,江西 南昌 330030; 2.湖北省国土资源厅,湖北 武汉 430071)

前寒武纪科马提岩研究概况

胡 刚1, 缪向亮1, 聂晓亮1, 李 牟1, 刘 茜1, 刘莉茗2

(1.江西省地矿资源勘查开发中心,江西 南昌 330030; 2.湖北省国土资源厅,湖北 武汉 430071)

科马提岩是前寒武纪绿岩的重要组成部分,对探讨前寒武纪地球演化历史、壳—幔演化及岩石成因等方面有着重要的意义。科马提岩来源于地幔的镁铁质、超镁铁质火山熔岩,具有流动熔岩的结构构造,其化学成分表现为SiO246%～53%,MgO>9%,CaO/Al2O3>1,K2O<0.9%,TiO2<0.9%,F/F+M比值低,TiO2含量低,MgO、Ni、Cr含量高。且不同产地的科马提岩具有不同的化学组成,主要分为贫铝科马提岩、富铝科马提岩、钛富集型科马提岩与镁铁质富镁的科马提岩。目前主流的成因模式为Jarvis G.T,Campbell I.H等先后提出的热地幔柱模式,认为科马提岩为地幔柱引起的高温熔融形成的。

科马提岩;化学特征;形成条件;热地幔柱模式

随着对前寒武纪绿岩带研究的深入,作用于太古代绿岩带重要组成部分的科马提岩也引起了人们的广泛关注。目前,科马提岩的研究已经与地球起源、与地壳演化等重大地质问题联系起来,在生产方面,科马提岩的研究对于找寻铁、铜、镍、铬、金和铀矿,尤其是铜镍硫化物矿床等具有重要的指导意义[1]。科马提岩是一种来源于地幔的镁铁质、超镁铁质火山熔岩。科马提岩这一术语是由M.J.维尔今(Viljaen)和R.P维尔乔林(Viljolen,1969)提出的,当时专指南非(阿扎尼亚)巴布尔顿地区科马提的太古代橄榄岩和与之相关的镁铁质熔岩。中国对科马提岩的研究可追索到上世纪70年代,肖庆辉(1978)、黄婉康(1979)、张贻侠(1980)先后对国外科马提岩进行了介绍。迄今为止中国发现的科马提岩产地有数十处,多分布于扬子地块,主要形成于太古代、元古代和古生代。国外报道的科马提岩多分布于太古代,加之科马提岩形成的特殊地质环境,因此,对于中国形成于元古代与古生代的科马提岩,国外学者大都持怀疑态度。本文重点就科马提岩野外特征,岩石类型、岩石化学组合特征,形成的温压条件及前人提出的演化模式作一简要介绍。

1 科马提岩野外特征

N.T.Arndt等(1977),在研究了加拿大蒙罗的科马提岩之后提出了判别科马提岩的准则和定义[2]。科马提岩包括两套岩石类型:①非堆积岩类——从苦橄榄岩到玄武岩或安山岩;②堆积岩类——从纯橄榄岩或橄榄岩到辉长岩。与普通的超镁铁岩不同,科马提岩具有流动熔岩的结构构造,属喷出成因。科马提岩具有一些独特的结构构造,通常这类岩石结晶都不完全,有时具斑状结构,含大量火山玻璃,常含气孔,在冷凝带通常生成水平拉长的橄榄石晶粒,有些连生在一起构成鬣刺结构或呈现鱼骨状、羽毛状或竹叶状等结构。该套岩石是在特定的海相地质条件下形成的一种镁铁质—超镁铁质火山熔岩,常夹有含放射虫及其它海相化石的燧石条带,具枕状和多边形节理等构造,常与拉斑玄武岩共生,呈互层、夹层或过渡形式存在。科马提岩是太古代绿岩带的重要组成部分,且多位于绿岩带的最下部。绿岩带中部为钙碱性火山岩系,上部为一套双模式的火山岩系,表现为互层的英安岩、流纹岩或同成分的火山碎屑岩、基性熔岩。根据不同的结构、构造与矿物成分,可将科马提岩分为三类:橄榄科马提岩、辉石科马提岩和玄武科马提岩[3]。

橄榄科马提岩呈暗灰绿色、黑色,矿物成分主要是结晶相的橄榄石及单斜辉石以及火山玻璃和少量的铬尖晶石,铬铁矿等。橄榄石常被蛇纹石化、绿泥石化、滑石化,而保留橄榄石的假象;辉石科马提岩呈灰绿色,结晶相矿物主要是单斜辉石,即易变辉石和普通辉石,次之为橄榄石,一般缺乏长石;玄武科马提岩呈暗绿色,结晶相矿物为单斜辉石和斜长石,无或有少量的橄榄石,有时有角闪石、石英、铁的氧化物等。单斜辉石和斜长石往往构成斑晶,基质由细粒的辉石、斜长石、火山玻璃组成,斜长石一般钠长石化。橄榄科马提岩、辉石科马提岩具有典型的鬣刺结构。鬣刺结构的形成是岩浆在喷溢条件下,快速冷凝,岩流中的橄榄石或辉石斑晶朝底部一边下沉,一边生长,并与从熔浆中晶出的另一些橄榄石或辉石骸晶连接形成“鬣刺状”的结构特征。

2 科马提岩化学特征

目前大家常用的鉴别科马提岩的化学准则是C Brooks和S R Hart(1974)提出的:SiO246%～53%,MgO>9%,CaO/Al2O3>1,K2O<0.9%,TiO2<0.9%,科马提岩的特点是F/F+M比值低,TiO2含量低,MgO、Ni、Cr含量高。三种类型的科马提岩岩石化学特征表现为:橄榄科马提岩(MgO≈30%,SiO2=44%);辉石科马提岩(MgO≈12%,SiO2=52%);玄武科马提岩(MgO=8%,SiO2=52%)。并认为科马提岩系列,从最低镁铁质到超镁铁质具有化学参数的连续性。科马提岩具有很低的稀土含量(∑REE),一般在10×10-6～59×10-6之间,LREE/REE比值、(La/Lu)N比值在0.24～4.8之间。从超镁铁质、镁铁质科马提岩到拉斑玄武岩,稀土总量和(La/Lu)N比值逐渐增加,MgO含量逐渐减少。科马提岩具有Eu负异常,δEu为0.25～0.55。

关于科马提岩的岩石化学特征,M.J和R.P.维尔乔最初强调的是CaO/Al2O3比值高,碱金属含量低。在对加拿大、津巴布韦、芬兰、澳大利亚等地橄榄科马提岩的研究之后表明,最常见的科马提岩CaO/Al2O3比值约在1左右,略大于球粒陨石(0.82)。而南非巴伯顿因Al2O3含量低,所以CaO/Al2O3比值较高,平均为1.59。为此,珀维斯把科马提岩分为“贫铝”和“不贫铝”(大部分)两种类型。贫铝科马提岩的岩石化学特征是:CaO/Al2O3比值高,Al2O3/TiO2比值低,贫Al,贫重稀土元素,贫V、SC。Smitn H S等(1982)认为这种铝亏损科马提岩的源区成分与一些典型的大洋中脊玄武岩相似,对应的是“贫铝的玄武科马提岩”[4]。富铝的橄榄科马提岩的岩石化学特征是:CaO/Al2O3比值约为1,Al2O3/TiO2比值约为20,接近球粒陨石,重稀土元素含量曲线平直,对应的是 “不贫铝的玄武质科马提岩”。目前这种富铝的科马提岩在实验(Ohtani E et al,1989)和实践中已经得到验证[5]。不同产地的科马提岩具有不同的地球化学特征。Barnes S J等(1990)提出了钛富集型科马提岩;Juteau M等(1988)发现了镁铁质富镁的科马提岩。

在实际工作中,由于科马提岩鬣刺结构较少发育,且通常与低钾富铁的拉斑玄武岩共生,因此,在实际工作中通常使用岩石地球化学方法将科马提岩与低钾富铁的拉斑玄武岩区分开来。区分二者的判别图解很多,目前最常用的有Naldrett et al(1977)提出的MgO-TiO2图解、MgO-CaO- Al2O3图解与SiO2-TiO2图解(图1)等。

由于科马提岩形成时间较早,通常发育在前寒武纪,多分布于太古代。因此,目前发现的科马提岩多发生变质作用,从绿片岩相至麻粒岩相都有发育。对如何恢复原岩,是个值得关注的问题。Viswanathan(1974)认为麻粒岩相变质的科马提岩与绿片岩相变质的科马提岩化学成分上并无多大差别。J G Arth(1977)认为科马提岩稀土元素分布特征取决于岩石的熔融程度,变质作用对其影响不大。因此,J G Arth认为,可以用岩石化学恢复原岩成分[6]。

图1 MgO-TiO2图解与MgO-CaO- Al2O3图解[7]Fig.1 MgO-TiO2 diagram and MgO-CaO-Al2O3 diagram

3 科马提岩形成条件

研究表明,科马提岩形成条件十分苛刻。由于科马提岩的液相线温度比现代一般熔岩高250 ℃左右,因此过去一直认为科马提岩岩浆是在高温(>2 000 ℃源区)地温条件下通过地幔部分熔融产生的[8]。但在近年来的研究表明在15 GPa压力条件下,地幔橄榄岩的液相线与固相线相交,说明在足够高的压力条件下也能形成科马提岩岩浆。关于科马提岩形成的温度,Bowen N.L等认为在MgO-SiO2-H2O体系中,蛇纹岩熔体在101 325 Pa压力下,其液相线温度为1 400～1 600 ℃。Green D.H认为MgO含量为32%的熔体温度超过1 650 ℃[9]。Bickle M J(1978,1982)提出了无挥发分的科马提岩和镁铁质玄武岩的液相线温度与MgO含量关系图(图2)。在101 325 Pa压力条件下,含30%MgO的科马提岩的液相线温度大约为1 600 ℃。由于熔点随压力增大而升高,即使1 600 ℃也只是一个最小值。在3 GPa压力条件下,同样含30%MgO的科马提岩的液相温度为1 800 ℃。因此初始科马提岩的温度不会低于1 600 ℃。

图2 101 325 Pa和3 GPa压力条件下镁质玄武岩和科马提岩液相线图解[10]Fig.2 Liquidus diagram of magnesian basalt and komatiite under pressure conditions of 101 325 Pa and 3 GPa

4 科马提岩成因模式

科马提岩的成因模式存在干地幔熔融模式、湿地幔熔融模式、湿超镁铁质板块俯冲模式以及热地幔柱模式等几种类型。由于干地幔熔融模式所要求的熔融温度太高,加之太古代的地热梯变高达44 ℃/km(以30 km厚度为计),并且干地幔熔融模式不能解释科马提岩的微量元素的地球化学特征[11-12]。湿地幔熔融模式又找不到太古代存在湿地幔的任何证据。基于科马提岩形成时高温的特点,以及现代大洋和大陆中局部高热异常热点的存在,Jarvis G.T,Campbell I.H等先后提出了热地幔柱模式。

大部分太古代绿岩层序的下部主要由互层的拉斑玄武岩和科马提岩流占绝对优势,而且这两类岩浆在岩石学和地球化学上表现出不同的特征。但它们都显示出了紧密的空间与时间伴生关系。热地幔柱模式认为地幔柱头部的温度比轴部低大约450 ℃,这正是科马提岩与共生的拉斑玄武岩形成的温度差,因此认为科马提岩是由地幔柱轴部熔融形成的,而共生的拉斑玄武岩是由地幔柱头部熔融形成的[12]。就目前研究程度来说,热地幔柱模式比较成熟。

从板块构造模式出发,目前存在科马提岩形成于大洋盆地、俯冲环境和大陆裂谷环境的不同观点。一些研究认为,科马提岩及伴生玄武岩可能是陆壳下或洋壳下地幔热柱演化的产物,即形成于热点环境。多数研究认为科马提岩的形成与地幔柱活动有关。因此,对科马提岩的研究有助于了解太古宙地幔的组成。

5 结语

科马提岩是前寒武纪绿岩带的重要组成部分,对探讨前寒武纪地质演化与成因岩石学等方面具有重要的理论意义,而且对铁、铜、铬、镍、金、铀等矿产,尤其是铜镍硫化物矿床的找矿工作具有重要指导作用。所以,对科马提岩研究是当前地质科学研究的重要课题之一,有助于中国对前寒武纪地质工作及找矿工作的理论研究。

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[11] 刘继顺,肖禧砥.科马提岩研究新进展[J].地质科技情报,1991,10(2):1-6.

[12] 肖禧砥,刘继顺.科马提岩成因研究述评[J].矿产与地质,1993,34(7):94-101.

(责任编辑：于继红)

Research Survey of Precambrian Komatiite

HU Gang1, MIAO Xiangliang1, NIE Xiaoliang1, LI Mou1, LIU Xi1, LIU Liming2

(1.CenterofExplorationandDevelopmentofGeologyandMineralResourcesofJiangxiProvince,Nangchang,Jiangxi330030; 2.DepartmentofLandandResourcesofHubeiProvince,Wuhan,Hubei430071)

Komatiite is an important component of the Precambrian greenstone,that has important significance to explore the Precambrian earth evolution history,crust-mantle evolution and rock formation,etc.Komatiite is derived from the mantle mafic,super mafic volcanic lava,and has lava flow structure.The chemical composition expression SiO246%～53%,MgO>13 9%,CaO/Al2O3>1,K2O<0.9%,TiO2<0.9%,F/F+M ratio is low,low content of TiO2,high content of MgO style,Ni and Cr.Komatiite in different regions has different chemical composition,mainly divided into poor aluminum komatiite,rich aluminum komatiite,enrichment of titanium type komatiite and mafic rich magnesium komatiite.The cause mode of the current mainstream，is by Jarvis G.T,Campbell I.H successively put forward the hot mantle plume model,such as consider komatiite for mantle plume caused by high temperature melt.

Komatiite; chemical characteristics; forming condition; model of hot mantle plume

2015-02-05;改回日期:2015-03-23

胡刚(1989-),男,助理工程师,硕士研究生,地质学专业，从事地质勘查工作。E-mail:310973192@qq.com

P588.14+6

A

1671-1211(2015)03-0267-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201503005

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150422.1023.003.html 数字出版日期:2015-04-22 10:23