西藏雅鲁藏布江缝合带西段普兰纯橄岩中橄榄石的出溶特征及指示意义

熊发挥, 杨经绥, 郭国林, 刘　钊, 徐向珍, 田亚洲,来盛民, 陈艳虹, 张　岚

1)中国地质科学院地质研究所, 大陆构造与动力学国家重点实验室, 北京 100037; 2)中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037;　3)中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083; 4)东华理工大学, 核资源与环境省部共建国家重点实验室培育基地, 江西南昌 330013



西藏雅鲁藏布江缝合带西段普兰纯橄岩中橄榄石的出溶特征及指示意义

熊发挥1), 杨经绥1), 郭国林1, 4), 刘钊2), 徐向珍1), 田亚洲1),来盛民3), 陈艳虹1), 张岚3)

1)中国地质科学院地质研究所, 大陆构造与动力学国家重点实验室, 北京 100037; 2)中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037;3)中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083; 4)东华理工大学, 核资源与环境省部共建国家重点实验室培育基地, 江西南昌 330013

摘要:西藏雅鲁藏布江缝合带西段普兰纯橄岩中橄榄石存在透辉石和磁铁矿共生出溶现象。这类纯橄岩非常新鲜, 主要由橄榄石、尖晶石和透辉石等矿物组成。橄榄石的Fo值是90.1~90.7, 铬尖晶石的Cr#为19.8~20.8, 远小于蛇绿岩地幔橄榄岩中常见纯橄岩中铬尖晶石的铬值(Cr#＞60)。基于前人研究结果, 提出这种现象是由于亏损方辉橄榄岩与含钛、铝、钙熔体发生交代作用, 从而形成橄榄石的固溶体存在Ti4+、Al3+、Ca2+、Fe3+, 而Cr3+进入铬尖晶石结晶。后期由于岩体在抬升过程中降温, 橄榄石中出溶形成单斜辉石和磁铁矿, 而铬尖晶石结晶被保留。依据铬尖晶石-橄榄石的矿物化学成分, 识别出低铬纯橄岩具有最低的部分熔融程度为~8%, Cr#最高的纯橄岩壳其部分熔融程度达到~50%, 表明不同岩相间其形成背景存在明显差异。因此, 笔者认为普兰蛇绿岩具有多阶段的过程。首先是在洋中脊环境下经历富Ca、Al和Na等熔体交代和部分熔融作用, 后受到俯冲带玻安质熔体改造。

关键词:纯橄岩; 出溶结构; 普兰岩体; 雅鲁藏布江缝合带

本文由国家行业专项(编号: SinoProbe-05-02)、国家自然科学基金重点项目(编号: 40930313)、国家自然科学基金创新群体项目(编号: 40921001)、国家自然科学基金(编号: 41202036; 41502062)、中国地质调查局工作项目(编号: 1212011121263; 12120115027201; 12120114061801; 2014DFR2127C)和中国地质科学院地质研究所基本科研业务费项目(编号: J1526)联合资助。

雅鲁藏布江缝合带蛇绿岩中存在不同类型的纯橄岩, 其中罗布莎岩体被报道主要包括3种类型,堆晶成因的厚层状纯橄岩、部分熔融形成的呈透镜状分布于方辉橄榄岩中透镜状纯橄岩、以及岩石-熔体反应形成于铬铁矿周围的纯橄岩壳(Zhou et al., 1996), 这种不同类型的纯橄岩组合是否存在于其它岩体？前人对于雅鲁藏布江缝合带西段普兰岩体的初步研究, 提出了以下几种认识: 基于地幔橄榄岩的地球化学特征以及在地幔橄榄岩中钙长石与角闪石的发现, 指示岩体可能形成于大洋中脊(MOR)环境, 后期受到不同程度的俯冲带(SSZ)环境改造(Liu et al., 2010; 徐向珍等, 2011; 熊发挥等, 2013, 2015);在对普兰岩体中辉长岩/辉石岩中单斜辉石、长石等矿物的系统地球化学研究后, 认为其可能只经历了MOR环境并未经历SSZ环境的改造(Liu et al., 2014);普兰地幔橄榄岩中超高压矿物金刚石与碳硅石的重大发现, 表明普兰岩体类似于罗布莎岩体, 可能来源于深部地幔(杨经绥等, 2011)。上述研究表明普兰地幔橄榄岩可能为多阶段叠加的结果, 而不同构造背景特征与普兰地幔橄榄岩成因联系还有待确定,每个阶段的岩相学和矿物学等痕迹尚需明确？是否存在不同构造背景的矿物结构的痕迹？笔者在前期工作的基础上, 细化了普兰地幔橄榄岩中纯橄岩的多种类型, 并在其中一类纯橄岩的橄榄石中发现了单斜辉石和磁铁矿出溶现象, 提出一种新的可能性,解释了普兰蛇绿岩多阶段的形成过程。

青藏高原是由多个向北增生的地块组成, 各地体之间存在较完整的缝合带(Yin and Harrison, 2000)(图1)。侏罗纪早期在陆内裂谷的作用下拉萨地块从印度板块脱离出来, 以此作为新特提斯演化的开始(Gaetani and Garzanti, 1991)。新特提斯洋的扩张致使拉萨地块与欧亚板块之间的特提斯洋在侏罗纪末关闭(Dewey et al., 1988), 并形成班公—怒江缝合带(图1)(Searle et al., 1987)。而后从晚白垩世一直至早第三纪(Yin and Harrison, 2000), 印度板块继续向北漂移导致新特提斯洋的关闭和雅鲁藏布江缝合带的形成(Guilmette et al., 2008), 沿雅鲁藏布江缝合带断断续续发育古洋壳的残留——蛇绿岩。根据空间展布, 可简单地划分为东段(曲水—墨脱)、中段(昂仁—仁布)和西段(萨嘎以西至中印边境)三部分(潘桂棠等, 1997)。

阿里地区的普兰超镁铁岩体位于普兰县西北侧,属雅鲁藏布江缝合带西段的蛇绿岩。该岩体呈北西西—南东东向带状展布, 总面积约650 km2(图1)(黄圭成等, 2006)。岩体沿拉昂错南部向西北方向延长至姜叶玛, 围岩为侏罗系—白垩系浅变质的碎屑岩、含放射虫硅质岩夹碳酸盐岩, 除被第四系所覆盖的地段外, 岩体四周与围岩均为断层接触(图1),西部北侧为三叠系海相碎屑岩; 中部及东部北侧为侏罗系—白垩系的砂、板岩, 硅质岩及中基性火山岩; 蛇绿岩西南部为硅质岩、玄武岩; 东南部出露晚第三系陆相磨拉石组合, 与蛇绿岩呈构造接触关系, 局部可见晚第三系砾岩不整合覆盖在蛇绿岩之上(夏斌, 1991)(图1)。岩体边部的超镁铁岩岩石破碎,蛇纹石化强烈, 在岩体内部岩石新鲜。

1　岩相学特征

普兰蛇绿岩主要由地幔橄榄岩、基性岩脉以及玄武岩夹硅质岩等组成。其中基性岩脉主要包括辉长辉绿岩, 常呈脉状侵入在地幔橄榄岩中, 切割地幔橄榄岩, 呈北西—南东走向, 另有一个约10 km2辉长岩岩块出露于普兰蛇绿岩拉昂错南侧(图1);玄武岩夹硅质岩分布于地幔橄榄岩的西北侧, 均倾向地幔橄榄岩, 并与地幔橄榄岩呈断层接触; 岩体内的地幔橄榄岩以方辉橄榄岩(Harz)为主, 另有纯橄岩(Dun)、二辉橄榄岩(Lhz)以及少量的橄榄单斜辉石岩组成。岩体内二辉橄榄岩与方辉橄榄岩之间往往呈渐变过渡关系, 而纯橄岩、辉长/辉石岩等多呈透镜状或团块状分布于二辉橄榄岩或方辉橄榄岩内(图1, 图2a, b); 致密块状和稠密浸染状铬铁矿呈透镜状出露于方辉橄榄岩中, 与围岩呈突变关系,铬铁矿矿体宽为0.5~2 m, 最大长轴方向为北西—南东向, 长约2~6 m(熊发挥等, 2013)。

图1　雅鲁藏布江缝合带西段普兰蛇绿岩的地质简图(据熊发挥等, 2013修编)Fig. 1　Detailed geological map of the Purang ophiolites in the the Western Segmenct of the Yarlung–Zangbo Suture Zone (modified after XIONG et al., 2013)

图2　普兰蛇绿岩各岩相照片Fig. 2　Lithology of the Purang ophiolitea-纯橄岩呈透镜状分布于方辉橄榄岩中; b-纯橄岩呈透镜状分布于方辉橄榄岩中; c-含翠绿色单斜辉石的方辉橄榄岩; d-星散状铬尖晶石分布于方辉橄榄岩中; e-二辉橄榄岩; f-铬尖晶石自形程度较高的纯橄岩a-dunite as lenses in harzburgite; b-dunite as lenses in harzburgite; c-green-colored clinopyroxene of harzburgite; d-spinel distributed in harzburgite; e-lherzolite; f-euhedral spinel in dunite lenses

图3　普兰各岩相镜下特征照片Fig. 3　Photomicrographs of different lithologies in Purang ophiolitea-二辉橄榄岩; b-方辉橄榄岩; c-透镜状纯橄岩; d-含橄榄石出溶的纯橄岩; Cpx-单斜辉石; Opx-斜方辉石; Ol-橄榄石; Spl-铬尖晶石a-lherzolite; b-harzburgite; c-dunite lens; d-exsolutions in dunite; Cpx-clinopyroxene; Opx-orthopyroxene; Ol-olivine; Spl-spinel

方辉橄榄岩: 在普兰岩体中约有70%~80%的方辉橄榄岩, 岩石多新鲜呈绿色、暗绿色, 少量蛇纹石化明显。方辉橄榄岩多以粒状结构, 块状构造为主。主要由橄榄石(2~6 mm)(70%~85%)、斜方辉石(0.5~5 mm)(15%~30%)及少量的翠绿色单斜辉石(0.05~1 mm)(＜5%)组成(图2c), 副矿物有铬尖晶石(0.5~7 mm)(1%)。岩石中见蛇纹石呈网状交代橄榄石, 而斜方辉石沿裂隙被滑石、角闪石等交代。方辉橄榄岩中的铬尖晶石除与辉石联生外, 还可见呈包裹体状分布于辉石中, 多呈半自形至他形状(图2d, 3b); 二辉橄榄岩: 二辉橄榄岩在普兰岩体产出包括两种类型, 其中一类呈透镜状出露于方辉橄榄岩中, 走向为北西—南东向, 宽度1~5 m。另一类在岩体北部边界呈厚层状展布, 宽度为500 m。二辉橄榄岩经地表风化后呈暗褐色, 新鲜断面可见翠绿色的单斜辉石, 具粒状不等粒结构、块状构造。主要由橄榄石(0.5~3 mm)(65%~70%)、斜方辉石(1~ 5 mm)(15%~25%)、单斜辉石(0.5~2 mm) (5%~15%)及少量的铬尖晶石(0.5~2 mm)(1%)组成(图2e, 3a);普兰纯橄岩按其产出分为两类: (a)透镜状纯橄岩:其岩石较新鲜, 为土黄色, 呈透镜状产出于方辉橄榄中, 并且二者的岩相通常为截然的接触关系(图2),宽度1~2 m, 少数10 m以上, 有一定的延长, 延长方向多为北西—南东向。纯橄岩蛇纹石化较弱, 粒状结构、块状构造, 镜下常见橄榄石的等粒粒状结构、交代结构等。岩石主要由橄榄石组成, 含量＞95%, 橄榄石大小0.5~5 mm, 呈镶嵌状分布, 铬尖晶石自形程度较高, 分布于橄榄石颗粒之间(图3); (b)纯橄岩壳: 薄壳状纯橄岩是指在铬铁矿外围以厚薄不等的“外壳”形式产出(Zhou et al., 2005), 与铬铁矿体以及外围的方辉橄榄岩有截然的接触界线。薄壳状纯橄岩岩石新鲜, 呈灰绿色, 块状构造, 并常见细脉浸染状铬铁矿, 主要由98%镁橄榄石和2%的铬尖晶石组成。薄壳状纯橄岩与铬铁矿之间呈明显截然的接触关系, 铬尖晶石呈半自形至自形粒状,粒度差别较大, 变化在0.1~5 mm之间, 并呈不规则的定向性, 不同于透镜状纯橄岩中铬尖晶石的形态(熊发挥等, 2013); (c)低铬纯橄岩: 在普兰地幔橄榄岩中存在极少的透镜状纯橄岩, 非常新鲜, 为土黄色, 与方辉橄榄岩为截然的接触关系, 宽度3~5 m,延长方向多为北东—南西走向, 与岩体总体方向垂直。岩石主要由橄榄石组成, 含量＞95%, 橄榄石大小0.5~3 mm, 呈镶嵌状分布, 裂纹发育, 多有绿泥石、蛇纹石等蚀变矿物沿裂纹分布, 并在橄榄石中见细小粒状和针状出溶矿物(图3d)。

经过镜下观察, 可知在几种不同岩相中, 矿物间呈较明显的变化特征: ①从二辉橄榄岩→方辉橄榄→透镜状纯橄岩, 铬尖晶石的晶形, 呈他形熔融状→他形粒状→半自形→自形的变化趋势, 而橄榄石、辉石此规律不明显。②方辉橄榄岩是二辉橄榄岩及透镜状纯橄岩的过渡岩相, 在方辉橄榄岩中可见较多的橄榄石、单斜辉石和铬尖晶石共生或相互包含的关系。③在两种不同类型的纯橄岩相中, 橄榄石新鲜程度差异明显, 从透镜状纯橄榄岩→薄壳状纯橄岩, 表明其经历的蛇纹石化程度不同。

图4　普兰低铬纯橄岩中橄榄石的单斜辉石和磁铁矿出溶成份(Ca、Al、Fe、Mg、Si)面扫描图Fig. 4　X-ray element (Ca, Al, Fe, Mg, Si) maps showing chemical variations in clinopyroxene, magnetite and olivine from Purang lower Cr#duniteMgt-磁铁矿; Cpx-单斜辉石; Olivine-橄榄石Mgt-magnetite; Cpx-clinopyroxene; Olivine-olivine

图5　普兰蛇绿岩中不同岩相的橄榄石成分图解Fig. 5　Compositional range of olivine in different lithologies of the Purang ophiolite

图6　普兰地幔橄榄岩中不同岩相中铬尖晶石-橄榄石化学成分图解Fig. 6　Mineral chemistry of different lithologies in spinel and olivine from Purang ophiolite

2　分析方法

在详细野外观测基础上, 采集大量地幔橄榄岩的样品, 并磨制光薄片, 进而开展显微镜下详细岩相学和矿物学研究。电子探针成分分析在大陆构造与动力学国家重点实验室和东华理工大学核资源与环境教育部重点实验室完成, 仪器为日本电子公司JXA-8100、能谱仪Inca Energy型电子探针, 探针束流20 nA, 加速电压15.0 kV, 电子束斑2 µm。

3　纯橄岩中的出溶结构

在普兰透镜状纯橄岩中存在极少量的一类, 延长方向垂直于岩体展布的方向为北东—南西走向,并在橄榄石中见细小粒状和针状出溶矿物的纯橄岩(低铬纯橄岩)(图3d, 图4)。这类纯橄岩非常新鲜,为土黄色, 与方辉橄榄岩为截然的接触关系, 宽度3~5 m。主要由橄榄石组成, 含量＞95%, 粒度大小为0.5~3 mm, 呈镶嵌状分布, 裂纹发育, 多有绿泥石、蛇纹石等蚀变矿物沿裂纹分布。在显微镜和电子探针下可见细粒橄榄石中有密集的针状出溶体,呈定向排列, 具一组或二组分布方向(图4)。极少数单斜辉石粒径达到5 μm以上, 从而通过电子探针获得其矿物组分。其余较小单斜辉石颗粒(＜1 μm),经矿物成分的钙、铝、铁、镁、硅元素的面扫描分析认为出溶体主要由含铁、镁的磁铁矿和透辉石组成, 二者之间常形成交生结构, 定向分布于橄榄石中(图4)。其中磁铁矿的颗粒常为1~2 μm宽, 1~ 10 μm长, 而单斜辉石更细小, 为1~2 μm宽, 1~ 5 μm长。两者延长方向平行于出溶体的方向(图4)。鉴于大多数出溶体细小, 透辉石、磁铁矿、橄榄石成分之间互相叠加, 因而无法得到准确的成分。但基于前人研究, 单斜辉石+磁铁矿的出溶体主要沿橄榄石的(100)方向分布, 得出橄榄石与出溶体的关系为: (100)Ol//(111)Mgt//(100)Cpx、[001]Ol//[011]Mgt// [010]Cpx(Moseley, 1984; Markl et al., 2001; Mikouchi et al., 2001), 同样的现象罗布莎高铬型纯橄岩中也有发现(Ren et al., 2008; 梁凤华等, 2014)。

4　矿物化学特征

4.1橄榄石

本文共分析了透镜状纯橄岩、纯橄岩壳、橄榄辉石岩、方辉橄榄岩和二辉橄榄岩中80个橄榄石的化学成分。结果显示所有的橄榄石都属于镁橄榄石, 其Fo值变化于88.3~93.4之间, 其中二辉橄榄岩中的橄榄石Fo值(=100×Mg/(Mg+Fe))为90.0~90.8, NiO含量为0.34%~0.47%, MnO为0.09%~0.15%;方辉橄榄岩中橄榄石Fo值变化于89.9~92.2之间, NiO含量为0.34%~0.49%, MnO为0.09%~0.16%;透镜状纯橄岩中橄榄石含量最高, 其Fo值为91.0~93.4, NiO含量为0.24%~0.41%, MnO为0.07%~0.16%; 纯橄岩壳中橄榄石的Fo值为92.0~92.1, NiO含量为0.29%~0.38%, MnO为0.08%~0.11%; 含橄榄石出溶的纯橄榄岩(低铬纯橄岩)中橄榄石的Fo值为90.1~90.7, NiO含量为0.30%~0.40%, MnO为0.12%~0.16%; 橄榄辉石岩中橄榄石的Fo值为88.3~88.6, NiO含量为0.33%~0.48%, MnO为0.13%~0.17%。

一般认为橄榄石的Fo值越大, 说明其形成深度和熔融程度越高(Dick et al., 1996)。普兰岩体中橄榄石Fo值呈连续变化特征, 并且低铬纯橄岩中橄榄石具最低的Fo值(图5), 指示其熔融程度与其他类型纯橄岩明显不同。橄榄石的NiO、MnO等组分对橄榄石的演化过程也具有重要指示意义, 不同岩相中橄榄石的MnO含量差异明显, 并且与橄榄石的Fo值呈负相关性(图5), 普兰各岩相间NiO含量比较接近, 平均值为0.38%。橄榄石的矿物化学组分在各岩相的差异性或许也进一步说明它们的形成条件有所差别, 这与前人提出普兰蛇绿岩中不同岩相部分熔融程度不同和形成的构造背景不同较一致(Liu et al., 2010; 徐向珍等, 2011; 熊发挥等, 2013)。

4.2铬尖晶石

在地幔橄榄岩中, 铬尖晶石都是以副矿物的形式存在, 含量很低, 一般都小于5%。蛇绿岩中地幔橄榄岩(或阿尔卑斯型橄榄岩)的铬尖晶石成分存在着Cr和Al的广泛互相替换(Irvine, 1967), 而形成富铬型尖晶石和富铝型尖晶石。铬尖晶石的Cr#[=100×Cr/(Cr+Al)]随着地幔岩部分熔融程度的增高而增大, 且不同亏损程度的地幔橄榄岩中铬尖晶石的Cr#大小作为推测地幔岩熔融程度、源区亏损程度和结晶压力的灵敏指示标志(Dick et al., 1984), 铬尖晶石的Mg#[=100×Mg/(Mg+Fe2+)]大小是岩石部分熔融程度的指示标志。

普兰地幔橄榄岩中铬尖晶石多为棕色至棕黄色, 不均匀零星分布, 本文上述研究表明铬尖晶石的晶形和产出在不同的岩相中具有明显的变化规律。普兰地幔橄榄岩的60个铬尖晶石数据, 显示不同岩相间的铬尖晶石其主元素含量之间有较大的差别。另外结合前人对普兰岩体的研究发现普兰地幔橄榄具有其特殊性, 所有岩相中铬尖晶石的Cr2O3含量为17.4%~64.5%, Al2O3含量为5.78%~52.3%,铬尖晶石的Cr#在20.1~88.5之间, 既有富铬型铬尖晶石也有富铝型铬尖晶石。含橄榄石出溶的透镜状纯橄岩(低铬纯橄岩)中铬尖晶石的Cr#最低, 变化在19.8~20.8, 平均值为20.4, 为富铝型尖晶石。其次为二辉橄榄岩中的铬尖晶石, Cr#变化在17.6~35.8之间, 平均值为30.7。方辉橄榄岩中的铬尖晶石, Cr#变化在38.8~49.2之间, 平均值为41.3, 同样为富铝型尖晶石。而透镜状纯橄岩中的铬尖晶石, Cr#变化在58.6~68.9之间, 平均值为62.9, 属于Dick分类图解中的Ⅲ类(Dick et al., 1984)。纯橄岩壳中铬尖晶石具最高的Cr#为87.9~88.5, 平均值为88.1。在橄榄辉石岩中铬尖晶石的Cr#值为44.8~71.8, 两种类型铬尖晶石都存在。铬尖晶石中Mg#值在不同岩相也呈明显不同的特征, 其中低铬纯橄岩、二辉橄榄岩、橄榄辉石岩、方辉橄榄岩分别为73.2~78.2、64.6~69.7、44. 6~53.3。而透镜状纯橄岩和纯橄岩壳较低为49.0~61.1、45.9~51.7。

基于上述数据, 可知从地幔橄榄岩中铬尖晶石的Cr#值随着岩石有低铬纯橄岩→二辉橄榄岩→方辉橄榄岩→透镜状纯橄岩→纯橄岩壳演化逐渐增加, 而Mg#值减少的趋势(图6a), 具有与世界上大多数阿尔卑斯型超镁铁岩共有的特征。即Cr#值随着Mg#值的升高而降低(Leblanc, 1980), 其中低铬纯橄岩、方辉橄榄岩、二辉橄榄岩的形成环境与深海橄榄岩相似, 而透镜状纯橄岩和纯橄岩壳形成环境与岛弧玄武岩环境较接近。不同岩相间TiO2的含量差别也较大, 低铬纯橄岩具有明显富集TiO2的特征(图6b, d)。除纯橄岩壳中铬尖晶石具有较低的TiO2和Al2O3含量, 显示岛弧型(或玻安质型)铬尖晶石特征外,其余都位于洋中脊玄武岩(MORB)型尖晶石范围内(图6c)。另有研究表明铬尖晶石的化学组成可以作为其寄主岩石——地幔橄榄岩的成因指示标志, 这是因为尖晶石的形成受地幔橄榄岩熔融程度、形成压力的控制(Dick et al., 1984)。因此利用尖晶石的Cr#和橄榄石的Mg#的关系可以推测其寄主岩石的部分熔融程度、形成压力及构造环境(Pearce et al., 2000)。基于橄榄石-铬尖晶石的矿物化学组分估算出低铬纯橄岩具有最低的部分熔融程度, 而低铬纯橄岩如若是辉石的不一致熔融形成, 其部分熔融程度应大于方辉橄榄岩, 因此这一特征佐证了其并不是部分熔融程度的结果。其次为二辉橄榄岩为~12%,方辉橄榄岩为~20%, 透镜状纯橄岩为~30%, 最高的为纯橄岩壳达~50%, 指示不同岩相间部分熔融程度存在明显差异(图6d), 呈低铬纯橄岩→二辉橄榄岩→方辉橄榄岩→透镜状纯橄岩→纯橄岩壳递增的趋势。

5　讨论

在固相或亚固相条件下的出溶结构系, 是由一个物相的物质发生扩散形成晶体核, 并呈定向排列的一种或多种新物相的现象(Ashworth and Chambers, 2000), 在橄榄岩中常存在普遍的出溶现象,例如橄榄石中单斜辉石和磁铁矿的定向共生结构也属于一种出溶现象(Moseley, 1984)。单斜辉石和磁铁矿的共生出溶结构在橄榄石中普遍被发现, 这是由橄榄石的固溶体分解和橄榄石氧化分解形成的高铁橄榄石(Fe2+Fe3+2(SiO4)2)(Moseley, 1984)。此后,在同步辐射微区X射线结构谱系定量地研究了侵入体天然橄榄石中Fe3+的赋存方式和状态, 结果表明存在三种可能: (1)在强还原环境下, 少量的Fe3+可以均匀地分散在铁橄榄石中; (2)在相对稳定的氧化环境下, 橄榄石的边缘形成赤铁矿+非晶质SiO2+高铁橄榄石或边缘完全形成了赤铁矿+非晶质SiO2,或边缘形成高铁橄榄石+磁铁矿; (3)高温下稳定的高铁橄榄石-铁橄榄石固溶体因温度降低而分解,形成铁橄榄石和高铁橄榄石的出溶, 即在高温下存在3个Fe3+替代2个Fe2+和一个空穴的情况(Dyar et al., 1998)。

在相对稳定的氧化环境下, 由于氧逸度增加,使橄榄石中Fe2+氧化, 其反应式为(Dyar et al., 1998; Ashworth and Chambers, 2000):

2Fe2+2SiO4→2SiO2+Fe2+Fe3+2O4+2e-+Fe2+

或者: 3Fe2+2SiO4→3SiO2+2Fe3+2O3+4e-+2Fe2+

而在高温下稳定的高铁橄榄石分解和出溶的过程, 其反应式为(Dyar et al., 1998):

当铁橄榄石经过氧化形成高铁橄榄石后, 高铁橄榄石和铁橄榄石在高温下呈固溶体, 随着降温时进一步的分解, 生成高铁橄榄石+铁橄榄石出溶体。在高温状态下Fe3+、Cr3+可以进入橄榄石晶格, 当温度降低时, 橄榄石因晶体结构收缩, Fe3+和Si4+达到临界尺寸时电荷排斥强烈, 使其结构不稳定, 生成磁铁矿(或铬铁矿)和单斜辉石, 二者之间形成共生出溶结构, 其反应式为(Moseley, 1984):

磁铁矿(或铬铁矿) 单斜辉石

其中R=Fe、Cr, X=Ca、Mg、Fe。据前人的实验, 橄榄石端元Fe2SiO4-CaFeSiO4之间、CaMgSiO4-CaFeSiO4之间和Fe2SiO4-Mg2SiO4之间在高温下是完全混溶的, Mg2SiO4-CaMgSiO4之间具很宽的不混溶区间, 在温度降低时这些固溶体发生出溶现象(Petaev and Brearley, 1994; Markl et al, 2001)。由于Ca的离子半径比Fe、Mg、Mn大, 因而在铁镁橄榄石一般不可能加入Ca。即使是在高温高压的条件下, Ca在橄榄石中的含量也极少。目前所知橄榄石中CaO一般小于0.5%。实验研究表明,在橄榄石-熔体体系中当熔体中CaO、Na2O和Fe2+的含量越高时, 橄榄石中Ca的含量也越高, 但该含量与所处的温度、压力、氧逸度的高低无关(Libourel, 1999)。如若橄榄石中存在三价离子, Ca原子总是进入单斜辉石而不是富Ca的橄榄石。橄榄石的Ca含量低说明在橄榄石中的Ca扩散速度非常快, 促进低温再平衡, 所以这种橄榄石的出溶结构不易保持下来。因此, 橄榄石的出溶因与后期岩浆冷却有关, 在冷却过程中氧逸度相对较高。当橄榄石发生充分再平衡时, 这些出溶现象便消失了(Mikouchi et al., 2000)。

结合普兰低铬纯橄岩的橄榄石出溶现象, 可以解释为地幔岩与含Ca、Al、Na的熔体相互作用生成了橄榄石, 随着温度的降低而形成了出溶结构的现象。在普兰低铬纯橄岩中铬尖晶石的Cr#值低至20(图6), 也是无法用部分熔融或岩石-熔体反应来解释的, 因为此两类观点形成的透镜状纯橄岩和纯橄岩壳中铬尖晶石的Cr#值远大于60, 其部分熔融程度大于30%, 并且是经历早期辉石的不一致熔融,从而重结晶形成形成橄榄石和铬尖晶石(Dick et al., 1984)。因此, 只有富含Ca、Al和Na熔体的交代方辉橄榄岩, 辉石和橄榄石与熔体再平衡, 进一步的重结晶, 同时伴随其成分的改变, 才可形成铬值如此低的纯橄岩(图6)。由于氧逸度增大, 熔体中Fe3+离子增多。少量的Fe3+、Cr3+、Ca2+、Na+可以加入到橄榄石中, 在高温下(<970℃ )橄榄石结晶, 形成稳定的橄榄石固溶体, 或橄榄石捕获熔体, 形成包体(Ren et al., 2008)。随着温度降低, 橄榄石固溶体分解, Fe3+、Cr3+进入磁铁矿相中, 而Ca2+、Na+进入透辉石相中, 形成了透辉石和磁铁矿的共生出溶结构。后期岩石冷却速率较快或构造侵位时间较短,橄榄石中的出溶体未发生充分的调整而保存下来,铬尖晶石也结晶而形成低铬的纯橄岩。这与普兰地幔橄榄岩中大量的辉石岩脉指示其经历了洋中脊(MOR)环境的拆离断层的构造侵位过程类似(Liu et al., 2014), 并且这种出溶现象可能普遍存在于雅鲁藏布江缝合带的各蛇绿岩岩体, 例如罗布莎岩体中橄榄石的单斜辉石和磁铁矿出溶, 单斜辉石和铬尖晶石的出溶现象等(Ren et al., 2008; 梁凤华等, 2014), 东波低铬纯橄岩中单斜辉石和磁铁矿的出溶等(另文发表), 指示了雅鲁藏布江蛇绿岩具相似的构造背景演化过程。然而与高压-超高压变质有关的橄榄石中的出溶体和出溶机制完全不同。其特点是出溶体比较简单, 如磁铁矿、钛铁矿等, 无硅酸盐相伴。这种出溶体的成因可能与β-橄榄石的减压相变有关(Dobrzhinetskaya et al., 1996; Zhang et al., 2004; Song et al., 2004)。

综上所述, 普兰低铬纯橄岩中橄榄石的出溶形成过程, 是早期富Ca、Al和Na熔体交代方辉橄榄岩而形成, 这种熔体的来源可能为洋中脊环境(MOR)下早期部分熔融的熔体或新生的岩浆。不同于俯冲环境(SSZ)的岩石-熔体反应生成的更富Mg、Si和Cr等熔体, 致使地幔橄榄岩高度部分熔融, 形成高铬的纯橄岩。

6　结论

(1)普兰低铬纯橄岩的橄榄石中存在共生的透辉石和磁铁矿出溶现象, 这是由亏损地幔方辉橄榄岩与含钠、铝、钙的熔体发生交代, 使得Al3+、Ca2+、Fe3+、Cr3+加入到橄榄石的固溶体中。由于岩石或构造的上升侵位过程降温, 橄榄石中的这些成分出溶形成单斜辉石和磁铁矿, 富铝的铬尖晶石结晶而形成了现在低铬纯橄岩, 这与在俯冲带的构造背景(SSZ)形成的高铬纯橄榄岩成因不同。

(2)普兰地幔橄榄岩中不同部分熔融程度的纯橄岩特征, 表明此岩体经历了不同的演化阶段, 包括洋中脊环境下的部分熔融和熔体交代, 以及俯冲带环境的岩石-熔体反应过程。

致谢: 野外工作和文章的写作过程中得到西藏矿业公司教授级高工巴登珠, 中国地质科学院地质研究所副研究员陈松永和梁凤华、助理研究员李源等的大力帮助。在此, 一并致以诚挚的谢意！

Acknowledgements:

This study was supported by the Science and Technology Project (No. SinProbe-05-02), the Key Program of National Natural Science Foundation of China (No. 40930313), the Foundation for Innovative Research Groups of the National Natural Science Foundation of China (No. 40921001), National Natural Science Foundation of China (Nos. 41202036 and 41502062), China Geological Survey (Nos. 1212011121263, 12120114061801, 12120114061801 and 2014DFR2127C) and Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund (No. J1526).

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Exsolutions in Olivine from the Lower Cr#Dunite in the Purang Ophiolite, the Western Portion of the Yarlung–Zangbo Suture Zone in Tibet

XIONG Fa-hui1), YANG Jing-sui1), GUO Guo-lin1, 4), LIU Zhao2), XU Xiang-zhen1), TIAN Ya-zhou1), LAI Sheng-min3), CHEN Yan-hong1), ZHANG Lan3)
1) State Key Laboratory for Continental Tectonics and Dynamics, Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037; 2) Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037; 3) School of Earth Science and Mineral Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083; 4) State Key Laboratory Breeding Base of Nuclear Resources and Environment, East China Institute of Technology, Nanchang, Jiangxi 330013

Abstract:Diopside and magnetite exsolutions occur as oriented intergrowths within olivine of the lower Cr#dunite in the Purang ophiolite, Tibet. The fresh lower Cr#dunite has a mineral assemblage of olivine, spinel and diopside. The Fo content of its olivine is 90.1~90.7, whereas the Cr#of spinel is very lower (about 19.8~20.7), much less than Cr#of the spinel in common dunite from ophiolite mantle (Cr#＞60). It is thus held that the formerly depleted mantle harzburgite reacted with the melt containing Ti, Al and Ca, and produced an olivine solid solution with the addition of Ti4+, Al3+, Ca2+, Fe3+, Cr3+, which entered interstitial chromite. Due to the fast cooling rate ofbook=80,ebook=83the rock or rapid tectonic emplacement, the exsolution textures in olivine and compositional zones of chromite have been preserved. The mineral chemical composition of picotite-olivine indicates ＜8% partial melting in exsolutions dunite. However, the higher Cr#dunite without exsolutions has highly partial melting (＞50%), suggesting reaction with boninitic melt. The authors consider that the Purang ophiolite experienced multi - stage processes. Firstly, UHP minerals were trapped in these magnesiochromite grains. When oceanic crustal slabs were trapped in Mid Ocean Ridge, they were modified by tholeiitic magmas or partial melting, which caused interaction or metasomatism and subsequent reaction with boninitic magma in suprasubduction zones (SSZ).

Key words:dunite; exsolutions; Purang ophiolite; Yarlung Zangbo suture

作者简介:第一 熊发挥, 男, 1985年生。博士, 助理研究员。主要从事蛇绿岩及铬铁矿研究工作。E-mail: xiongfahui@126.com。

收稿日期:2015-06-15; 改回日期: 2015-09-27。责任编辑: 魏乐军。

中图分类号:P588.125; P595

文献标志码:A

doi:10.3975/cagsb.2016.01.08