几类常见的超钾质火成岩的特征及成因分析

董昭

摘要：指出了Foley等在20世纪80年代末，在对全岩地球化学特征进行研究分析后，总结并提出了超钾质岩石的概念，其界定条件为：K2O的百分含量大于3%，MgO的百分含量大于3%，K2O/Na2O百分含量之比大于2。并分析了一些诸如CaO、K2O、Al2O3等主量元素的含量及K2O/Na2O比值的特征，将超钾质岩石进一步分为钾镁煌斑岩类、钾霞橄黄长岩类、斜长白榴岩类等类别，它们彼此间存在显著的成分区别，并且各自对应着不同的源区环境，有着不同的成因。

关键词：超钾质火成岩；地球化学特征；成因

中图分类号：P588.1

文献标识码：A文章编号：1674-9944（2016）22-0138-03

1引言

钾质火成岩（亦称作钾质岩）一般来说，属于强碱性岩，其K2O/Na2O含量>1%。Foley等在20世纪80年代末又进一步划分出了超钾质岩，与钾质岩石有些不同，主要体现地球化学成分上，全岩地球化学成分K2O>3%，MgO>3%和K2O/Na2O>2%。在地球化学成分上，钾质火山岩和超钾质火山岩的范围较广，从钾玄质成分的岩浆到超钾质的钾镁煌斑岩类、钾霞橄黄长岩类和斜长白榴岩类，均可包含其中。这些类别的岩石有很多产自岛弧中，并且与钙碱性火山岩共生。因为金伯利岩的K2O/Na2O常常极高（>3%），有时也把其划归于此类，特别是含云母的第Ⅱ组金伯利岩[1]。

2分类及特征

Foley等根据全岩地球化学成分，进一步将超钾质岩划分为四类[2]，分别是钾镁煌斑岩类、钾霞橄黄长岩、斜长白榴岩类及钾镁煌斑岩与斜长白榴岩的过渡类型。下面依次介绍几类超钾质岩。

2.1钾镁煌斑岩类

在世界范围内，比较认可的产地是金伯利西部、高斯伯格等地，形成于高钛的稳定陆台环境和碰撞造山带。这类岩石的特征是，含低的主量元素如SiO2、CaO、Al2O3、Na2O，通常含有较高（大于0.6）的K2O/Al2O3比值和Mg#值（Mg#=Mg2+/（Mg2++Fe2+）），多数情况下含方辉橄榄岩和纯橄榄岩，有时含少量的捕获的云母或单斜辉石。形成于还原条件，该条件下贫CO2，富H2O、HF，有时也被认为是地幔源区的再次富集，因为地幔CaO、AI2O3、Na2O的含量较低。在矿物成分方面，含深色矿物较多，不少于整个岩石中矿物含量的1/3。另外，钾镁煌斑岩具有独特的结构，即斑晶自形度极好，基质中的铁镁矿物自形度亦良好。

如产于塔里木地台的钾镁煌斑岩，其岩石地球化学成分与亚洲板块其他地区的岩石地球化学成分也十分相近，一些主量元素如SiO2、FeO、CaO、K2O、Na2O、CO2与含金刚石的钾镁煌斑岩相似，TiO2、MgO偏低，而Al2O3偏高。该区钾镁煌斑岩化学特征与国内外钾镁煌斑岩相一致，不论是在稀土（REE）总量、稀土元素配分模式，还是在Eu负异常等特征上。另外结合其相对贫钛的特征，其源区地幔富集程度较低[4]。该区K、Ba、La、Ce等不相容元素显示正异常，而Sr、Ti、Nb、Ta相对显示负异常，这与钾镁煌斑岩的特征相一致。

又如山西大同饮牛沟钾镁煌斑岩岩体，其地化特点以超钾质属性K2O/Na2O>3%和近似钾过饱和的K2O/Al2O3≥0.9%为特征。该区钾镁煌斑岩中钛含量显示为较低水平，为0.98%～1.29%（平均为1.12%），哈克图解显示，SiO2含量与TiO2含量的变化并不具有相关性，这恰恰显示出了TiO2来自于不饱和甚至是极度不饱和的岩浆。

2.2钾霞橄黄长岩类

该类岩石的全岩地球化学特征是，硅含量低（一般SiO2<40%），而钙含量较高（一般CaO>10%）。形成条件最优越且具有代表性的产地为东非裂谷（典型的大陆裂谷环境），其特点是CaO的百分含量较高，并且Sr、Nb、Ta等呈现正异常，但是SiO2、Al2O3、Na2O、MgO百分含量却很低。有时会含捕获的云母，并且单斜辉石发育，形成于富含CO2、贫H2O的氧化条件，被认为是亏损地幔（高钙、低铝、钠）的再度富集[5]。该类岩石既可以产在大陆型地壳构造环境产出，也可以产自大洋型地壳构造环境，但以大陆裂谷最为常见，因此钾霞橄黄长岩类的构造背景较为复杂多变。

在我国，钾霞橄黄长岩类的代表性的产地位于甘肃西秦岭一带。该区全岩地球化学成分贫硅、铝，高镁、钙、钛和全碱（K2O+Na2O），但K2O/Na2O比值低。另外Mg#值较高（0.70%～0.84%，平均值为0.81%）。微量元素地球化学特征显示，西秦岭地区轻稀土元素富集较为明显，另外在球粒陨石标准化分布配分模式曲线中明显呈现右倾趋势，Eu负异常不明显。据董昕等（2008）实验，反映轻稀土（LREE）富集程度的La/Yb之比在21.96%～43.92%之间，平均值为34.87%，总体来说岩石的LREE强烈富集[3]。该区岩石钡正异常明显，铅负异常不明显和较弱的钛负异常，大离子亲石元素（如Rb、Ba）和高场强元素（如Nd、Th、Ta、Zr、Hf等）富集，且元素不相容性与元素的富集程度呈现正相关关系。该区的Nb异常高，且明显高于正常的OIB（具有EMI型富集端元的OIB），暗示岩浆源区特殊的地球化学属性。

2.3斜长白榴岩类

一般说来，因为分布范围较小，该类超钾质岩石不常见到，多产于陆壳俯冲带或碰撞造山带，从世界范围内来看，主要分布在欧洲西部陆壳与洋壳的接触带上，含白榴超钾质岩代表性产地在意大利，产出自与俯冲大陆相關的活动造山带，其岩石地球化学特点是，主量元素钙、铝、硅的含量较高，而Mg#值较低，Ba、Nb、Ta、Zr、Ti负异常，含单斜辉石捕虏体。形成于H2O>CO2的氧化条件，被认为是富集地幔源区[2]。

在我国，新疆西天山地区也有相关的研究。该区斜长白榴岩Si含量的变化与后期形成的钠长石的多少有关，因此SiO2含量变化范围较大，TiO2及Al2O3的含量与土耳其和意大利等地含白榴岩超钾质岩石的TiO2和Al2O3含量相当，并且含量相对稳定。Fe2O3和MnO含量较高，MgO含量正常，K2O和Na2O含量正常，但是K2O含量较低，而Na2O含量稍高。根据岩相学的资料，该区超钾质岩浆与土耳其地区的一样，白榴石、钾长石等富钾矿物蚀变强烈，最终导致岩石中偏低的K2O含量值，但是Na2O含量的明显升高是由于后期的钠长石化导致的，因此才显现出其K2O/Na2O比值波动状况。这说明，一旦超钾质岩后期发生蚀变，就很难再保持其特有的地球化学特征（如高钾和高K2O/Na2O比值）[6]。另外，其微量元素特征是，球粒陨石标准化分布配分模式曲线为右倾曲线，大离子亲石元素（如Rb、Ba、Sr）低于其他地区的地球化学指标。且该区含白榴石超钾质岩石独特于其他地区的是，超钾质岩浆不仅稀土元素（REE）总的含量低于平均水平，并且La/Sm和La/Yb比值也低于平均水平。总的说来，该区岩石成因是造山带岩浆岩，因为其微量元素Pb的正异常的特征及Zr-Hf值和Nb-Ta值的负异常的特征。

而在西藏羊八井地区的白榴斑岩也有相关的研究，其地化特征是富钾和钠且含量较高，而镁的含量较低。另外岩石硅含量较高，几乎和基性岩硅含量相当，岩石明显呈现钾富集，ACKN>1.1%，呈准铝质-弱过铝的特征，该区δEu平均值为0.6%，Eu负异常不强烈。与其他地区的含白榴超钾质岩相比，在其矿物组合上，特征为明显的硅不饱和，白榴石是其斑晶的主要组成部分，基质以钾长石、斜长石及云母等为主，有时也含少量方辉石。岩石的MgO、FeOT、CaO与SiO2之间存在明显负相关关系，表明岩浆的演化过程中可能存在强烈的橄榄石、辉石和钛铁矿等矿物的结晶分异作用[7]，在这之后才演化成为到一个十分贫镁和其他相容元素的岩浆，由于分离结晶的不是斜长石，因此岩石没有出现明显大规模的Eu的负异常。

3超钾质岩类的成因模式

钾镁煌斑岩、钾霞橄黄长岩及斜长白榴岩这三类超钾质岩具有特征的大地构造背景[2]，即钾镁煌斑岩位于大陆稳定区（如澳大利亚西部），钾霞橄黄长岩位于大陆裂谷（如东非裂谷），而斜长白榴岩位于消减俯冲带或碰撞造山带的共生组合中（如意大利、土耳其）。然而，对于超钾质岩形成的原因，因其成因复杂，尤其是钾来源多样，学术界至今未有确切的超钾质岩的成因模式。

以青藏高原为例，目前对青藏高原钾质-超钾质岩石的成因解释主要有2种模式[7]：①岩石圈地幔对流减薄模式，青藏高原北部超钾质岩的成因可用此模式解释。该模式认为，大陆岩石圈地幔在青藏高原地区由于新生代缩短地壳均匀增厚导致重力不稳，部分大陆岩石圈地幔快速分离并被上涌热的软流圈替换，从而导致残留的大陆下部岩石圈地幔发生部分熔融，并伴随明显的地表隆升[8]。②拉张分异模式，于丽芳等认为，自中新世开始，东西向的拉张作用力就作用在了青藏高原所在的岩石圈上。其岩石圈地幔在拉张作用力下发生破裂，由于青藏高源岩石圈的密度较软流圈更大，因而会下沉，而与此同时软流圈会上浮。由于在上浮过程中温度和压力会降低而释放热量，致使岩石圈底部与软流圈交界部分会发生部分熔融。在初期拉张的时候，释放的热量较少，岩石圈底部岩石熔融程度低，与软流圈进行物质交换的程度及规模均较小，熔融岩浆也较少，造成了超钾质岩石规模较小；而在晚中新世，亦即拉张中后期，由于热量的进一步释放，岩石圈岩石熔融的程度和规模进一步扩大，因而该年代学的超钾质岩分布较初期更为广泛。例如在西藏查孜地区，证明超钾质岩形成于拉张模式就是中新世超钾质岩。该超钾质岩形成的构造环境为，一个东西拉张形成的地堑，因此猜测该中新世地堑形成于东西向的拉张作用力。另外，查孜地区也发现了一些富钾的流纹岩，可能是拉萨地块中上地壳因减压而发生部分熔融的产物[9]。

4结论

超钾质岩石的成因是极其复杂多变的，不论从其形成原因或是地质构造背景，从以上几类超钾质岩的成因的分析结果就可以看得出来。这样成因上的复杂多变甚至体现在相同地区的超钾质岩石之间，在同一地区，不同世代的超钾质岩之间在成分上可能明显不同。而这些超钾质岩之间的区别不能用简单的成因模式来进行解释。除了石榴石二辉橄榄岩源岩外，还有：①钾镁煌斑岩岩浆形成于地幔亏损而又被再次强烈交代的富集型云母方辉橄榄岩源区[5]，由于源区H2O、CO2等含量较高，属于强还原环境，而Si的含量由于熔融的位置不同而不一致（因为不同深度的熔融程度不同）。这样说来，钾镁煌斑岩的源岩位置最深，因为其含有金刚石，而金刚石形成于温度和压力较大的深部。②钾霞橄黄长岩由于有时会含云母，因此判断其源区富含云母，并且根据产区特点，源区应该赋存H2O、CO2等挥发分，另外其氧化环境极佳。③斜长白榴岩由于富含白榴石，并根据其特点，猜测源区应该富含单斜辉石和云母。李天福等的实验表明，近固相线的矿物组合更能代表源区的组合[5]。一般认为，超钾质岩大部分形成于上地幔，形成的深度大于100km，这样的深度金刚石也可以稳定赋存。而与超钾质岩形成有关的地幔交代介质是地质流体和熔融体，交代反应需要的条件较为宽松，但是H2O、CO2等挥发分对矿物组合影响很大。这种交代作用可能是定期循环发生的，并且有一定的偶然性。在岩浆上涌结晶分异的过程中，温度和压力也会造成一定的影响，因为温压的不同会影响矿物组合的稳定性，进而影响超钾质岩熔融体的成分。

参考文献：

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