浙江玉环石峰山地区橄榄玄武岩中幔源包体的化学特征及其单斜辉石的“筛状结构”

苏昕瑶 ，厉子龙 ，2*

（1.浙江大学地球科学学院，浙江杭州310027；2.浙江大学海洋学院，浙江舟山316021）

0 引 言

我国东部地区新生代玄武岩的分布范围广泛，可分为3个区：松辽盆地以东的东北地区，山东到福建零星分布的华东地区以及位于海南岛和雷州半岛的雷琼地区。东南沿海玄武岩以广泛发育的碱性系列玄武岩为主，部分为拉斑玄武岩[1]。岩浆活动始于中新世（约20 Ma），沿NE-NNE断裂分布[2]，主要形成于0.9～17.1 Ma。岩浆活动的成因有以下几种观点：（1）与南海中央海盆体系向北扩张有关[3]；（2）可能为洋中脊与地幔柱相互作用诱发的洋脊抽吸作用引起[4]；（3）为南海打开、菲律宾海板块北漂旋转和太平洋板片俯冲后撤共同作用的产物[1]。新生代碱性玄武岩地壳混染的特征不明显，为板内裂谷构造背景下的碱性玄武岩，具有类似于OIB的特征，属富集地幔与软流圈亏损地幔的混合源区[5-7]。玄武岩中发现有大量幔源包体，多为尖晶石相，部分为石榴子石相，其成分多为二辉橄榄岩和斜方辉石橄榄岩。橄榄岩 Mg#值达到 87%～94%[8-10]，Al2O3和 CaO 含量较高，较饱满，并伴有少量亏损捕虏体出现，说明华南地区岩石圈地幔有古老的亏损地幔物质存在，经过漫长的地质演化，被新生饱满的地幔物质置换[11-13]。这些橄榄岩包体对研究中国东部新生代玄武岩的成因与大陆岩石圈地幔源区具有重要意义。

中国东部新生代玄武岩中富集组分来源于俯冲板块中的再循环洋壳或者大洋沉积物[6-7,14-17],且中国东南部地区有富集的大陆岩石圈地幔存在[17-21]。

一般认为，地幔捕虏体在被岩浆捕获、搬运至地表的过程中处于一个近似的封闭体系，其结构和成分几乎未受到外界的交换或改造。而近年来，越来越多的地幔橄榄岩捕虏体中单斜辉石边界常有新生自形微晶或微斑晶的泡沫状玻璃斑点和细脉形成，发育“筛状结构”[10,22-25]。这些“筛状结构”的成因仍存在较大争议，其形成过程与玄武岩中的富集组分是否有关也是当前研究的热点。

研究区位于中国东南部的浙江省玉环县本岛南部石峰山地区。该地区主要出露地层由老到新为下白垩统高坞组（K1g）地层、下白垩统西山头组地层（K1x）及全新统地层。区域上受北北东向温州-镇海断裂带控制。玉环石峰山火山（又名玉环小额火山通道）位于玉环县小额附近，属中心式喷发岩筒，长轴约800 m、短轴约510 m，平面上呈近圆锥形外貌。其通道内自边缘至中心，为环状粒玄岩、橄榄玄武岩。与围岩（流纹质晶屑岩屑熔结凝灰岩）呈明显的切割关系，接触面产状为 162°∠72°、35°∠84°（据浙江省908专项海岛调查地质专题调查研究报告，2011）。野外调查发现，研究区火山通道保存完好，出露一套非常新鲜的新生代橄榄玄武岩，并含大量幔源包体，且在包体中的单斜辉石内有明显的“筛状结构”发育。本文将对其中新发现的橄榄玄武岩及其含大量二辉橄榄岩包体与单斜辉石捕虏晶的矿物化学特征和筛状结构及其成因进行深入研究。

图1 中国东部新生代玄武岩分布图［7］Fig.1 Distribution of Cenozoic basalts in east China［7］

图2 浙江新生代玄武岩分布图［10］Fig.2 Distribution of Cenozoic basalts in Zhejiang province［10］

1 玄武岩与幔源包体的产状及岩相学特征

橄榄玄武岩呈碎块状分布于山坡两侧，部分岩块可见六边形柱状节理截面，南侧可见平卧的柱状节理分布（见图3）。岩石呈斑状结构，斑晶主要为橄榄石，粒径在0.5 mm左右。基质为间粒结构，基性斜长石骨架当中填充有辉石和橄榄石（见图 4 a）。

图3 玉环石峰山玄武岩及捕虏晶产出的野外照片Fig.3 Field images of the distribution of basalts and xenocryst in the Shifeng Mountain

肉眼观察到的幔源包体呈绿色，主要为尖晶石二辉橄榄岩（见图4 b，c，e）。粒径1～10 cm不等，粗粒结构，主要矿物为橄榄石（70%）、单斜辉石（10%）、斜方辉石（15%），次要矿物为尖晶石（5%）。橄榄石呈自形，部分被包裹在单斜辉石和尖晶石中，其粒度在1～5 mm。单斜辉石大多呈半自形，含橄榄石包体，粒径0.5～4 mm不等，内部有冷凝的玻璃体出现，形成筛状结构（见图4 e）。斜方辉石呈自形，粒径5～10 mm，较大，部分晶体内包裹有橄榄石。尖晶石多呈它形，分布在晶粒间，部分晶体内部包裹有橄榄石，粒径0.5～1 mm。橄榄石间多呈120°矿物三联点平衡结构。包体与玄武岩无反应边，接触面破碎严重。

图4 石峰山玄武岩和捕虏晶的野外和显微图Fig.4 Field and microphoto of basalts and xenocryst in the Shifeng Mountain

另外，玄武岩中还出现了单斜辉石捕虏晶，捕虏晶粒径可达2 cm，呈浑圆状，可见与玄武岩接触面有很好的反应边结构，其内部也发育相似的筛状结构（见图4d）。

2 分析方法

本文对石峰山新生代玄武岩中橄榄岩包体中的主要矿物进行了电子探针分析，并在自然资源部第二海洋研究所国家海洋局海底科学重点实验室完成测试。仪器型号为日本电子JEOL JXA-8100，配置有4道波谱仪（5B-92U）和1道能谱仪（Oxford INCA X-sight，5B-92U，能量分辨率133 eV@MnK）。加速电压15 kV，束流20 nA，束斑大小为1～5 μm（对于析出熔体及单斜辉石使用1 μm光斑）。采用ZAF法对实验数据进行定量分析。对其中橄榄石、单斜辉石、斜方辉石及尖晶石进行 Si、Ti、Al、Fe、Mn、Mg、Ca、Na、K、Cr、Ni共11种元素的成分分析。

3 分析结果及其指示意义

石峰山玄武岩包体中橄榄石各元素含量如表1所示，Mg#(Mg2+/(Mg2++Fe2+))在90%左右，属于贵橄榄石-镁橄榄石，与福建明溪、麒麟、安远，浙江新昌等地橄榄岩包体[8-9]中橄榄石Mg#相近。但SFS062903样品中部分橄榄石Mg#较低，为0.76～0.85。Mg-Fe在熔体与橄榄石矿物之间的分配系数小于1[26]。随着地幔橄榄岩的不断熔融，Mg-Fe较Mg，Fe更易进入熔体相，造成地幔橄榄岩Fe的亏损，残余的难熔地幔橄榄岩富含Mg。长期稳定的岩石圈地幔，地幔橄榄岩经过长时间的部分熔融过程，Mg#通常较高。石峰山玄武岩中的橄榄岩包体Mg#值为90%左右，低于克拉通地区地幔橄榄岩的Mg#，为中等难熔程度的地幔，与长期稳定的克拉通地区岩石圈地幔不同。石峰山玄武岩的橄榄岩包体中有斜方辉石与单斜辉石两种辉石存在（见表2）。石峰山玄武岩橄榄岩包体内的斜方辉石为顽火辉石-古铜辉石，单斜辉石为顽透辉石-普通辉石（见图5）。2个样品斜方辉石与单斜辉石的Mg#均在90%～91%，与新昌地区的尖晶石二辉橄榄岩相似[24]。而单斜辉石的 Al2O3含量（0.64～4.13），尤其是样品SFS062903包体中单斜辉石的Al2O3含量（0.64～0.77），远低于新昌地区（5.36～7.40），而Na2O 含 量（0.34～0.50）也 低 于 新 昌 地 区（1.09～1.96）[10]。

图5 石峰山包体中辉石分类图Fig.5 Classification of pyroxene in the xenoliths from Shifeng Mountain

表1 玉环石峰山尖晶石二辉橄榄岩包体中橄榄石成分表Table 1 Composition of olivine of xenolith in Shifeng Mountain w/%

石峰山橄榄岩包体中铬尖晶石Cr#（Cr/(Cr+Al)）值在 0.101～0.104（见表 3），属于富铝尖晶石（Cr#在0.08～0.25）。其中Cr属于相容元素，而Al为不相容元素。在部分熔融的过程中，Cr在残余的地幔橄榄岩中分配系数更大，而Al更趋向于进入熔体[27]。因此，随着部分熔融程度的增大，尖晶石二辉橄榄岩中尖晶石应更趋于富Cr。研究区尖晶石的Cr质量分数不高，与新昌地区尖晶石二辉橄榄岩的Cr#接近，低于新昌地区的方辉橄榄岩与石榴子石二辉橄榄岩，其部分熔融程度较低[10]。

表2 石峰山尖晶石二辉橄榄岩包体中辉石成分表Table 2 Composition of pyroxene of xenolith from Shifeng Mountain w/%

表3 石峰山尖晶石二辉橄榄岩包体中的尖晶石成分Table 3 Composition of spinel of xenolith from Shifeng Mountain w/%

单斜辉石捕虏晶，呈浑圆状，粒径约2 cm，主体为单斜辉石，化学组成与二辉橄榄岩中单斜辉石相近，属于普通辉石-次透辉石（见图5），并包裹有橄榄石与斜方辉石（见表4）。捕虏晶与玄武岩接触面有明显的接触带，远离接触带位置单斜辉石成分变化不大。

二辉橄榄岩包体（见表5）与捕虏晶的单斜辉石（见表6）在背散射图像中均具有明显的筛状结构，内部呈现大量灰色且其化学成分类似于长石玻璃体（见图5，图 6）。但其 TiO2（0.08%～0.40%）、FeO（0.17%～0.82%）、MgO（0.07%～0.71%）质量分数均高于一般的长石，部分位置K、Na质量分数很高（K2O可达11.15%，而Na2O达7.31%），且局部区域化学成分变化很快（见图6 c，e）。由于单斜辉石中K、Na含量很低，碱性长石在单斜辉石中无法达到相平衡。

4 单斜辉石出熔部分的熔融现象

发现越来越多的地幔橄榄捕虏体中的单斜辉石边界有新生自形微晶或微斑晶的泡沫状玻璃斑点和细脉，发育形成“筛状结构”[10,22-25,35]。

对于这些在单斜辉石中发育的筛状结构的成因，有以下几种看法：（1）与地幔交代反应[10,25,28-30,32]；（2）地幔流体参与的不一致熔融[22]；（3）岩浆与捕虏体的相互作用[23,34]；（4）减压熔融[24,30,35]。

在尖晶石二辉橄榄岩以及单斜辉石捕虏晶内均发现了筛状结构，出现大量微斑晶的泡沫状玻璃斑点（见图4 d，图6）。尖晶石二辉橄榄岩与玄武岩边界有明显的破碎带，反映其被捕获时与玄武岩无明显的相互作用，单斜辉石与其他矿物之间有明显的边界，熔体的形成与岩浆关系不大。单斜辉石巨晶呈浑圆状，边部到核部单斜辉石的化学成分变化明显，说明其被捕获上涌的过程中与玄武岩浆发生了少量物质交换（见图7）。背散射图像中单斜辉石出现的灰色部分其化学成分类似于长石中的玻璃质成分，但其Ti、Fe、Mg质量分数均高于一般的长石，部分位置K、Na质量分数很高，且局部区域化学成分变化很快（见图7 c，e）。类似结构亦在我国东部其他地区的玄武岩地幔捕虏体中出现。LIU等[10]发现新昌地区尖晶石方辉橄榄岩中单斜辉石边部具有筛状环，其筛状结构与石峰山玄武岩捕虏体、单斜辉石捕虏晶中的结构相似。单斜辉石的Na2O质量分数较低（约0.5%），而平滑的核部Na2O质量分数较高（约2%）。较于新昌地区，石峰山样品中单斜辉石的Na2O质量分数均低于0.5%，而内部熔体成分Na2O质量分数较高（见图8）。南京地区的低钙碱性玄武岩的包体中也发育有筛状结构的单斜辉石，部分发育为与新昌地区相似的筛状环，部分与本研究类似，表现为整体的筛状结构。同样，在南京的样品中，与平滑的单斜辉石相比，筛状结构单斜辉石Na2O质量分数较低（0.5%～0.7%）。LIU等[10]认为其被岩浆捕获，经历了20%的部分熔融和硅酸盐流体的交代作用。LU等[25]认为，二辉橄榄岩包体先后受到了富钾和富钠熔体的交代，并将这种流体的交代作用与中生代以来华南地区大陆岩石圈地幔的交代置换作用以及新生代玄武岩中的富集组分联系起来。王永锋等[32]认为，“筛状结构”中的单斜辉石是由熔体直接交代斜方辉石形成，而橄榄石则由熔体结晶形成。SHAW等[23]则认为，斜方辉石的不一致熔解形成的富硅和富碱性熔体溶解单斜辉石和尖晶石直至饱和，并析出新的单斜辉石、尖晶石，形成筛状结构。ZENG等[35]根据熔出体与单斜辉石截然不同的边界、单斜辉石的地球化学特征以及富集的橄榄岩易于部分熔融的化学性质，认为熔体为单斜辉石减压熔融形成，而非交代反应形成。

表4 石峰山捕虏晶中（样号13YH10）的矿物成分Table 4 Minerals composition of the xenocryst（sample No.13YH10）of Shifeng Mountain

图6 玉环石峰山尖晶石二辉橄榄岩单斜辉石中的筛状结构Fig.6 Sieved-texture of clinopyroxene in Shifeng Mountain

表5 石峰山尖晶石二辉橄榄岩包体中单斜辉石内熔体的成分Table 5 Melt composition in clinopyroxene from lherzolite of Shifeng Mountain w/%

表6 石峰山捕虏晶中（样号13YH10）的类似长石成分熔体Table 6 Composition of feldspar in the xenocrys（sample No.13YH10）of Shifeng Mountain w/%

对于石峰山地区的样品，接触边界并无筛状结构，说明样品与玄武质岩浆的物质交换应发生于熔体形成之后，筛状结构并非由岩浆与捕虏体的相互作用形成。石峰山玄武岩携带的包体中，“筛状结构”仅在单斜辉石中出现，且斜方辉石与橄榄石自形较好，接触边界完整，未见溶解和与熔体交代反应现象，推测筛状结构与上地幔熔体与橄榄岩的相互作用无关。

钠元素通常在高压状态下进入单斜辉石晶格，在此环境下，富含Na元素的熔体与单斜辉石在边部发生接触交代反应，不应使未接触熔体的单斜辉石核部较边部更富集钠等不相容元素。若石峰山样品中的熔体为外来熔体，沿裂隙与单斜辉石发生接触交代反应，则应在单斜辉石与熔体之间形成反应边。因此，筛状结构与地幔流体的交代作用无关。

超高压条件下钠质单斜辉石中可以固熔一定量的SiO2组分[36]，而过量的SiO2组分则可与硬玉组分结合，在减压的过程中出溶单斜钠长石[37]。

图7 石峰山单斜辉石捕虏晶分析点及其矿物成分变化Fig.7 Analyzed points and the change of mineral compositions from clinopyroxene xenocryst of Shifeng Mountain

石峰山样品中单斜辉石具有较低的Na/Ti值（0.3～2.6）与较高的 Ca/Al值（大于 6.9），与南京地区样品相似[35]。若样品中熔体为部分熔融形成，在部分熔融作用发生之前应与新昌、南京地区样品不具有筛状结构的单斜辉石核部接近，则Na2O质量分数应在2%左右。而当前样品中，单斜辉石的Na2O质量分数不到0.5%，而熔体中Na2O质量分数平均值为5.17%，若熔体为单斜辉石部分熔融直接形成，则根据质量平衡原理，部分熔融程度应在5%左右。低程度的部分熔融过程中，熔体的各元素浓度（Cl）与岩石中对应组分的浓度（C0）、元素的分配系数（D）以及部分熔融程度（F）有关。若熔体由单斜辉石部分熔融直接产生，则可将单斜辉石成分作为C0，熔体成分作为Cl，估算分配系数：

式中，以新昌样品无筛状结构的核部为参考，对于Na2O组分，取C0为2%，以熔体中Na2O含量为Cl，并取部分熔融程度（F）为5%。若熔体为单斜辉石部分熔融直接形成，则可计算Na在单斜辉石中的分配系数为0.22～0.72。随着压力的增大，Na的分配系数可从 0.7左右（1 atm）减至 0.2（30 kbar）左右[36]，与计算数值吻合，则熔体可由单斜辉石直接熔融形成。熔体中未发现镁铁矿物微晶析出，且熔体未发生明显的演化。岩浆上涌过程中，幔源包体中含K、Na较高的单斜辉石发生减压熔融，有富含K、Na成分的熔体析出，伴随着包裹体与捕虏晶快速冷却，保存并记录下来。而新昌的样品中，单斜辉石边部先发生反应，有富K、Na熔体析出，单斜辉石的Na2O含量降低。同时，核部还未达到平衡，Na2O质量分数高的单斜辉石被保存下来。

图8 新昌玄武岩幔源包体中单斜辉石与石峰山单斜辉石捕虏晶的成分对比图［10］Fig.8 Comparison of the composition change of the clinopyroxene in the xenolith of Xinchang and the xenocryst of Shifeng Moutain

在捕虏晶随岩浆绝热减压上涌的过程中，辉石巨晶在被岩浆捕获的过程中与岩浆发生交代反应，边部出现了明显的反应边构造，而核部则记录了该减压过程中的熔融过程。

笔者认为，石峰山地区尖晶石二辉橄榄岩及单斜辉石捕虏晶的“筛状结构”可由单斜辉石在绝热减压的条件下部分熔融形成，与外来熔体、流体是否有关目前无直接证据。并非所有地幔捕虏体中具有富集组分特征的流体存在，均可作为地幔交代的证据。

5 结 论

基于以上对在玉环石峰山地区新发现的橄榄玄武岩中含大量新鲜的二辉橄榄岩包体与单斜辉石捕虏晶的研究，认为：

5.1 这些幔源包体主要为尖晶石相，橄榄石Mg#在90%左右，辉石Mg#在90%～91%，尖晶石Cr#在0.1左右，与明溪、新昌等地相近，对应地幔源区部分熔融程度不高。

5.2 包体与捕虏晶的单斜辉石发育筛状结构，有长英质熔体熔出现象，为原K、Na质量分数较高的单斜辉石在岩浆上涌过程中发生减压，有富含K、Na成分的熔体析出，伴随着包体与捕虏晶快速冷却，保存并记录下来。而非外来富Na、K熔体交代形成。5.3 单斜辉石巨晶在被岩浆捕获的过程中与岩浆发生交代反应，边部出现了明显的反应边构造，此过程在单斜辉石部分熔融之后发生。而单斜辉石核部则记录了该减压过程中的熔融过程。

5.4 并非所有地幔捕虏体中具有富集组分特征的流体存在，均可作为地幔交代的证据。

自然资源部第二海洋研究所朱继浩博士在电子探针测试中提供了帮助，浙江省地质调查院提供了相关地质资料，河北地质大学邹思远博士和浙江省地质调查院余盛强高工等承担了部分野外工作，在此一并致谢。