内蒙古达里诺尔含金云母辉石岩的发现及其地质意义

2020-05-20张珺杰郭鹏远孙普陈懋卿肖媛媛

世界地质 2020年1期

张珺杰，郭鹏远，孙普，陈懋卿，肖媛媛

1.中国科学院海洋研究所，山东青岛 266071； 2.海洋地质与环境重点实验室(中国科学院)，山东青岛 266071； 3.中国科学院大学，北京 100049； 4.天津大学表层地球系统科学研究院，天津 300072

0 引言

地幔交代作用的概念在数十年前就已被提出，前人认为这一过程是使金伯利岩或碱性玄武岩所携带的地幔捕虏体具有地球化学上富集特征的原因[1--3]。地幔交代作用是指由于地幔流体/熔体与地幔岩石发生反应，导致周围地幔岩石的成分发生改变的过程[4]。根据地幔交代作用产物的不同，地幔交代作用通常可以分为显性交代作用与隐性交代作用：显性交代作用是指形成了新的矿物相(如角闪石、金云母和磷灰石等)的交代作用过程[5--6]；隐性交代作用表示在交代作用的过程中没有新的矿物相产生，但是已有矿物相的成分(特别是微量元素的丰度)发生了改变[7]。

金云母作为地幔交代作用的标志矿物，其发现可为地幔交代作用的存在提供直接有力的证据，对其性质的约束也可以为地幔交代作用过程的研究提供重要信息。辉石岩作为地幔中仅次于橄榄岩的重要组成部分，一直受到人们的广泛关注[8--10]。考虑到辉石岩具有明显不同于地幔橄榄岩的地球化学特征以及成因上的多样性[11]，对于其性质和成因的研究也同样是理解地幔演化过程的关键。

中国东部新生代玄武岩中携带有大量地幔捕虏体，前人对于这些玄武岩和地幔捕虏体进行了全岩以及单矿物(特别是单斜辉石)的研究，结果表明：中国东部新生代时期的地幔保存有受到近期地幔交代事件影响的信息[12--17]。尽管如此，对于这些包含在新生代玄武岩里的地幔捕虏体中的地幔交代作用标志矿物—金云母的报道却较少，目前主要在汉诺坝、鹤壁和三义堂等地有过报道[14]。本次工作在内蒙古达里诺尔地区的鸽子山(图1)附近发现了含金云母的辉石岩捕虏体，这些辉石岩捕虏体中金云母的发现直接指示了该地区地幔交代过程的存在。本文对辉石岩中的单斜辉石、斜方辉石、金云母和粒间熔体进行了系统的激光原位微区主量、微量元素分析。以此来探讨研究区地幔交代作用的过程，特别是交代介质的性质和来源，这对理解中国东部新生代岩石圈地幔的演化过程具有重要意义。

1 地质背景

晚中生代—新生代时期，华北克拉通广泛发育岩浆活动[18--20]。这些岩浆活动被认为与向西俯冲的太平洋板块有关：俯冲的太平洋板块的地幔楔吸力导致软流圈地幔从中国大陆向太平洋方向流动，软流圈地幔从西部的厚岩石圈之下向东部薄岩石圈之下流动的过程是一个减压过程，会引起减压熔融，产生中国东部新生代玄武岩[19]。中国东部新生代的玄武岩具有不相容元素富集但同位素组成亏损的特征[15--17,19]。这种放射性成因同位素与不相容元素的解耦现象被解释为地幔源区经历了近期低程度部分熔融熔体(low-F melts)的交代[15--17,19]。

达里诺尔地区的玄武岩出露于华北克拉通中部造山带的北缘(图1)，其形成时代为1.0～0.19 Ma[21]。该地区玄武岩的地球化学特征与中国东部出露的新生代玄武岩相似，其地幔源区被认为经历了近期地幔交代作用[15]。该区玄武岩中包含有丰富的地幔捕虏体，包括二辉橄榄岩以及少量的辉石岩。其中，辉石岩捕虏体手标本中可见金云母，这些辉石岩捕虏体以及其中的金云母是研究区域岩石圈地幔交代作用的最直接样品。

图1 中国东部新生代玄武岩的主要构造单元和时空分布(据文献[15]修改)(a)和研究区内新生代玄武岩的分布以及采样位置(b)Fig.1 Major tectonic units and spatial distribution of Cenozoic basalts in eastern China(a) and their distribution in study area and sampling location (b)

2 岩石学特征

赤峰地区玄武岩携带了大量地幔橄榄岩捕掳体和少量的辉石岩捕掳体，笔者着重研究辉石岩捕掳体。辉石岩捕掳体样品直径～8 cm，呈次浑圆状，与寄主岩之间界线清晰(图2 a、b)。中细粒结构，组成矿物主要为斜方辉石(60%)、单斜辉石(30%)、金云母(7%)及粒间熔体(3%)。金云母在单偏光镜下呈棕褐色鳞片状，具一组极完全解理，粒径大小在1～2 mm。粒间熔体主要沿辉石和金云母颗粒的边缘分布(图2)。

3 分析方法

辉石岩中单斜辉石、斜方辉石、金云母和粒间熔体的主量、微量元素的原位微区分析均在中国科学院海洋研究所大洋岩石圈与地幔动力学实验室完成。采用激光剥蚀系统与电感耦合等离子体质谱仪联用(LA--ICP--MS)设备完成测试：激光剥蚀系统为193 nm Photon--Machines Excite纳米激光系统，电感耦合等离子质谱仪采用Agilent 7900a，激光束斑为～50 μm，采用高纯度He气作为剥蚀物质的载气。以USGS玻璃(BCR--2G、BIR--1G和BHVO--2G)作为校正标准，采用无内标--多外标法对元素含量进行计算。单斜辉石、斜方辉石和粒间熔体每个矿物均选取约2个位置点进行测试，金云母每个矿物选取2～4个位置点进行测试。每个样品分析时间约为75 s，包括背景采集时间25 s和样品激光剥蚀时间50 s。硅酸盐矿物的测试数据使用ICPMSDatacal软件进行离线处理[22]。

需要注意的是，由于金云母具有较高的含水量，进行金云母单矿物的元素含量归一化处理时，加入金云母的理论含水量(4.3%)[23]与元素含量一同进行归一化计算。

4 分析结果

4.1 矿物主量元素

单斜辉石： Mg#的变化范围为74.6%～75.7%，其他主要氧化物的变化范围为：SiO248.7%～49.3%、TiO21.33%～1.39%、FeO 8.13%～8.42%、MgO 13.8%～14.4%、Na2O 2.00%～2.16 %、Al2O37.63%～7.70%、Cr2O30.24%～0.28%和CaO 16.6%～17.0%(表1)。相较于汉诺坝和阳原地区的辉石岩捕虏体中的单斜辉石具有更低的Mg#，更高的Al2O3，较低的CaO、Na2O以及与汉诺坝地区相近的Cr2O3含量(图3、表1)。与研究区内地幔橄榄岩捕虏体中的单斜辉石主量元素相比，辉石岩中的单斜辉石具有更低的Mg#。

Phl：金云母；Opx：斜方辉石；Cpx：单斜方辉石。xpl：正交偏光；ppl：单偏光。图2 鸽子山地区含金云母辉石岩的野外照片(a、b)和显微照片(c-h)Fig.2 Photographs(a, b)and microphotographs(c-h)of phlogopite-bearing pyroxenite xenoliths from Gezishan area

表1 鸽子山含金云母辉石岩捕虏体中单斜辉石的主量(102)、微量元素(10-6)分析结果

Table 1 Major elements compositions (102) and trace elements compositions (10-6) of clinopyroxene in phlogopite-bearing pyroxenite xenoliths from Gezishan

CPX1CPX2CPX3CPX4CPX5CPX7CPX9CPX10CPX11SiO249.249.149.149.149.049.148.749.049.3TiO21.351.351.331.331.341.391.381.391.38Al2O37.677.637.707.707.657.677.657.697.69Cr2O30.280.270.270.260.240.270.250.270.24FeO8.208.208.258.288.428.138.258.248.21MnO0.140.140.140.140.140.140.140.140.14MgO14.214.114.013.813.914.014.414.114.0CaO16.616.816.816.916.916.916.816.816.6Na2O2.162.142.152.152.162.002.142.132.14K2O0.0050.0060.0040.0040.0050.0340.0040.0040.004Total99.799.799.799.799.799.799.799.799.7Mg#75.575.475.174.974.675.575.775.475.2P124.093.9110.0127.055.488.1101.0104.090.5Sc25.326.125.626.313.917.326.025.726.0Ti8 1028 0987 9807 9444 0745 5608 2738 3458 294V344347348346335340340342336Cr960932928905835919855912810Co46.247.246.846.5198.0148.045.945.945.7Ni243243250246127167245244244Cu2.923.511.941.900.811.901.822.002.15Ga15.315.415.815.296.472.115.215.116.3Rb0.0510.0810.0400.022—0.160—0.0360.005Sr97.797.397.397.4395.0298.096.097.497.2Y8.909.008.999.314.746.249.929.319.01Zr50.951.851.951.225.933.750.852.052.1Nb0.630.590.600.620.350.640.610.630.65Cs0.0010.0080.0080.0040.0050.0050.0050.006—Ba0.2900.0950.0600.0740.4503.4500.0230.0080.094La2.742.612.712.5826.1019.002.662.742.66Ce8.538.988.568.695.586.839.078.688.76Pr1.621.471.581.483.122.661.531.481.59Nd8.118.888.468.665.846.748.268.228.32Sm2.672.802.622.971.852.093.202.952.77Eu1.071.031.060.960.770.891.091.081.12Gd2.873.122.843.241.642.173.013.102.79Tb0.420.450.440.460.220.310.400.410.44Dy2.322.432.282.311.201.672.352.282.49Ho0.350.380.410.390.220.240.350.370.38Er0.800.800.820.840.450.550.850.770.74Tm0.070.080.080.090.060.060.090.090.11Yb0.430.430.400.450.200.300.480.470.46Lu0.050.050.050.050.020.040.050.060.03Hf2.242.232.262.141.021.382.122.212.20Ta0.120.120.120.130.070.100.130.120.12Pb0.120.100.070.080.050.070.080.080.11Th0.130.140.130.130.060.100.130.120.13U0.040.030.030.030.020.030.020.030.03

注：Mg#=molar Mg/(Mg+Fe)。

斜方辉石：Mg#的变化范围为77.8%～78.8%，其主要氧化物含量的变化范围为：SiO250.3%～51.1%、TiO20.42%～0.47%、FeO 13.5%～14.0%、MgO 27.4%～28.2%、Cr2O30.14%～0.17%、Al2O34.89%～5.33%、MnO 0.17%～0.18%和Na2O 0.23%～0.24%(表2)。相较于阳原和汉诺坝地幔辉石岩捕虏体中的斜方辉石以及研究区内橄榄岩捕虏体中的斜方辉石，辉石岩中的斜方辉石具有更低的Mg#和Cr2O3，更高的Na2O，相当的Al2O3和MnO(图4)。

图中堆晶成因的辉石岩数据来自文献[24--25]，反应成因的辉石岩来自文献[24]；汉诺坝辉石岩的数据来自文献[26--27]，阳原辉石岩的数据来自文献[28]，鸽子山橄榄岩的数据来自文献[29]。图3 单斜辉石的Mg#与Al2O3、Cr2O3含量协变图Fig.3 Diagram of Mg# vs. Al2O3 and Cr2O3 contents in clinopyroxenes

表2 鸽子山含金云母辉石岩中斜方辉石的主量元素分析结果

注：Mg#=molar Mg/(Mg+Fe)。

金云母：与中国东部其他地区地幔岩中的金云母相比，具有更高的FeO(10.6%～11.2%)、TiO2(7.71%～8.04%)含量，更低的Cr2O3(0.30%～0.54%)和Mg#(71.1%～73.2%)，并且从主量元素上来看，更接近于地幔中的金云母巨晶或者脉状金云母的元素组成(图5、表3)。

堆晶成因与反应成因辉石岩数据来源与上图一致；汉诺坝、阳原辉石岩以及鸽子山橄榄岩的数据与上图一致。图4 斜方辉石的Mg#与Al2O3、MnO、Na2O和Cr2O3含量协变图Fig.4 Diagrams of Mg# vs. Al2O3, MnO, Na2O and Cr2O3 contents in orthopyroxenes

图5 金云母的Mg#与Cr2O3和TiO2含量协变图Fig.5 Diagram of Mg# vs. Cr2O3 and TiO2 contents in phlogopites

表3 鸽子山含金云母辉石岩中金云母的主量(102)、微量(10-6)元素分析结果

Table 3 Major elements compositions (102) and trace elements compositions (10-6) of phlogopite in phlogopite-bearing pyroxenite xenoliths from Gezishan

注：Mg#=molar Mg/(Mg+Fe)。

其中巨晶状金云母数据来自文献[30--31]，脉状和弥散浸染状金云母数据来自文献[30--32]；三义堂、鹤壁、汉诺坝地区的金云母数据来自文献[14]。

粒间熔体：其主量元素特征与鸽子山新生代玄武岩差别较大，说明粒间熔体并不是研究区内玄武岩的母岩浆。粒间熔体具有高的FeO(12.2%～17.6%)和MgO(21.1%～30.0%)，较低的SiO2(43.5%～50.3%)、Mg#(0.75～0.78)、K2O(0.12%～1.76%)、Na2O(0.36%～1.90%)和CaO(1.53%～6.87%)(表4)。

4.2 矿物微量元素

研究区单斜辉石的微量元素配分模式一致，在蛛网图上表现为：明显亏损Rb、Ba、K和Pb，但HFSE(如：Nb、Ta和Ti)并没有明显负异常。REE的配分形式呈右倾的上凸型，富集中稀土，[La/Yb]N=4.11～4.91(图6、表1)。

球粒陨石和原始地幔标准化值均取自文献[33]；赤峰地区玄武岩平均值来自文献[15]。图6 单斜辉石、粒间熔体与金云母的球粒陨石标准化稀土元素配分模式图解(a，c，e)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b，d，f)Fig.6 Chondrite-normalized REE distribution patterns (a, c, e) and primitive mantle-normalized trace element spidergrams (b, d, f) of clinopyroxenes, intergranular melts and phlogopites

表4 鸽子山含金云母辉石岩中粒间熔体的主量(102)、微量(10-6)元素分析

Table 4 Major elements compositions (102) and trace elements compositions (10-6) of intergranular melts inphlogopite-bearing pyroxenite xenoliths from Gezishan

R1R2R3R4R6R7R8R9SiO243.550.343.750.050.049.248.850.0TiO22.010.540.510.620.610.980.990.60Al2O38.265.364.265.935.706.346.675.78Cr2O30.360.280.160.290.440.260.620.50FeO13.713.617.613.213.112.612.213.5MnO0.130.180.210.180.180.170.170.18MgO26.127.330.026.326.723.521.126.0CaO1.801.531.652.122.174.766.872.38Na2O1.900.360.820.570.420.921.200.43K2O1.760.120.460.340.220.610.310.20Total99.599.699.399.599.699.398.999.5Mg#79.179.977.179.880.178.777.579.2Li0.282.351.153.034.132.681.333.02P170100257100187384369239Sc4.949.076.579.5011.8012.1014.5011.30Ti12 0573 2013 0673 7214 3635 8915 9594 173V183155101152192215220186Cr1 222963561977149387821291 699Co121116156127114167352119Ni861494581491509656821517Cu22.431049676253012594594576Ga14.9013.709.8314.3014.4014.5015.7015.00Rb26.702.835.514.524.1513.306.474.04Sr129.016.043.023.741.471.075.549.6Y1.121.391.742.433.013.974.882.91Zr17.408.3215.3011.7019.1025.3028.1019.90Nb5.671.361.531.261.644.372.212.50Cs0.1000.0520.0420.0080.0250.2100.0530.130Ba570.039.423.062.044.915580.549.2La1.500.571.210.741.562.762.391.95Ce3.021.402.401.673.826.125.664.53Pr0.400.240.390.190.600.910.980.66Nd1.620.841.830.932.974.114.963.01Sm0.410.100.530.350.821.151.540.94Eu0.280.0780.230.140.280.410.560.29Gd0.400.270.510.480.721.211.240.74Tb0.050.020.080.090.130.150.200.16 Dy0.270.250.360.440.710.941.120.74Ho0.040.040.060.080.130.150.150.11Er0.120.130.150.200.260.330.370.25Tm0.0080.0200.0210.0420.0280.0380.0510.033Yb0.080.150.100.260.150.240.220.11Lu0.0060.0080.0230.0170.0240.0310.0330.029Hf0.480.310.440.380.680.760.930.58Ta0.370.060.110.090.100.270.180.15Pb0.550.850.960.981.001.662.781.27Th0.250.120.180.110.200.370.190.23U0.160.090.120.200.160.270.220.15

注：Mg#=molar Mg/(Mg+Fe)。

研究区辉石岩捕虏体中的粒间熔体的微量元素配分模式接近一致，在蛛网图上表现为：Ba、K、Pb和Ti的正异常和Nb、Ta的负异常，与赤峰地区新生代玄武岩具有明显不同的微量元素特征。REE的配分形式呈右倾，[La/Yb]N=2.02～12.90(图6、表4)。

研究区的金云母的微量元素配分模式一致。在蛛网图上表现为：明显亏损Th、U和REE，富集Nb、Ta、K、Ti。在REE的配分图中具有明显的Gd正异常(图6、表3)。

5 讨论

5.1 鸽子山地区辉石岩的岩石成因

目前，关于辉石岩的成因的主要观点是：①大洋地壳的固相再循环，即：由洋壳辉长岩直接变质形成[34--35]；②在地幔条件下，上升的岩浆由于温度和压力的改变发生结晶分异作用形成的堆晶岩[8];③熔体--橄榄岩反应形成[10,24]。

大洋辉长岩在高压下发生变质往往会形成石榴辉石岩，在鸽子山地区的辉石岩包体中并没有发现石榴子石的存在，此外，该地区的辉石岩包体也缺乏变质成因的变质结构(图2)，所以，该地区的辉石岩并不是由洋壳再循环的方式形成的。堆晶成因与熔--岩反应成因的辉石岩中的单斜辉石、斜方辉石具有明显不同的主量元素组成。研究区的辉石岩捕虏体中的单斜辉石和斜方辉石的主量元素显示出不同于熔体--橄榄岩反应成因的辉石岩的特征，而是更接近堆晶成因的辉石岩：单斜辉石和斜方辉石具有低的Mg#、Cr2O3和高的Al2O3，斜方辉石还具有高的MnO(图3、4)。虽然单斜辉石的微量元素表现为轻稀土元素富集的配分模式([La/Yb]N=4.11～4.91)，与熔--岩反应成因的辉石岩中的单斜辉石类似[11]，而且斜方辉石的Na2O含量较高(图4)，但这也可能是继承了其母岩浆的特征。所以，鸽子山地区辉石岩更可能是地幔岩浆堆晶的产物。

前人通过对洋岛玄武岩的研究认为其源区存在交代成因的辉石岩脉。这些辉石岩脉(含有金云母及角闪石的辉石岩或者石榴子石辉石岩)是极低程度部分熔融熔体的堆晶，往往形成于岩石圈与软流圈界面[36--38]。这一认识也已得到了实验岩石学的验证[39]。从概念上来讲，大陆岩石圈地幔经历的交代过程应与大洋岩石圈地幔类似[38]，所以研究区内这些堆晶成因的辉石岩极有可能代表交代熔体在岩石圈地幔中因冷却而堆晶形成的岩脉。

5.2 多期次地幔交代作用的存在

从岩相学角度来看，研究区辉石岩捕虏体在显微镜下可观察到金云母的存在，表明了显性交代作用的存在。此外，辉石岩矿物颗粒之间存在有明显的粒间熔体，这些熔体并不是研究区内的玄武岩的母岩浆(见下文)，更可能是代表了后期侵入辉石岩中的性质不同的低分熔熔体。粒间熔体的存在为地幔交代作用的存在提供了进一步证据。

图中百分含量表示分离结晶过程中晶体所占的比例；金云母的分配系数来自文献[40--41]，单斜辉石的分配系数来自文献[42--44]，详见表5。图7 同单斜辉石、金云母平衡的理想熔体与粒间熔体的微量元素成分对比(a)及金云母的理想初始熔体与单斜辉石的理想初始熔体微量元素成分的对比(b)Fig.7 Comparison of trace elements between calculated chemical equilibrium melts of phlogopite and clinopyroxene and intergranular melts in mantle xenoliths(a) and comparison of trace elements between the calculated parental melts of phlogopite and clinopyroxene(b)

通过简单的模拟计算可以看出(图7)：粒间熔体与同金云母、单斜辉石平衡的熔体的特征不一致(图7a)，这说明粒间熔体与金云母、单斜辉石并没有达到成分上的平衡，因此，推测粒间熔体与金云母、单斜辉石并不是同一期次地幔交代作用的产物；此外，结晶出金云母的原始熔体的成分特征与结晶出单斜辉石的原始熔体也不一致(图7b)，说明金云母与单斜辉石也不是由同一熔体结晶形成，而是形成于不同期次交代熔体的结晶。因此，辉石岩中的矿物组成和粒间熔体至少代表了3次地幔交代作用过程。

表5 计算过程中使用的分配系数

注：金云母的分配系数来自文献[40--41]；单斜辉石的分配系数来自文献[42--43]中的汇编以及文献[44]。

5.3 交代介质的性质与来源

金云母在地幔岩石中的存在形式主要有以下3种：脉状、弥散浸染状和巨晶状，这3种存在形式的金云母在地球化学特征上也具有明显的不同(图5)[31]。鸽子山地区的金云母颗粒相较更大，直径可达1～2 mm(图2)，从形态上来看可以属于巨晶状的金云母；从地球化学特征上来看，研究区辉石岩捕虏体中的金云母也与巨晶的金云母类似[30--31](图5)。前人的研究认为巨晶状的金云母形成于交代介质的结晶沉淀[30--32]，所以研究区辉石岩中的金云母的成分可以用来判断该地区交代介质的性质[31]。前人认为金云母较低的Mg#(<80)和较高TiO2含量指示其来自于经历过演化的碱性玄武质熔体[31]，因此可以推断研究区内与金云母形成有关的交代介质可能是碱性玄武质熔体[31]。

前文的论述已经说明：单斜辉石是交代熔体堆晶的产物，所以其微量元素特征可反映交代介质的地球化学特征。在微量元素蛛网图上，结晶出单斜辉石的熔体表现出了K、Pb的亏损，且HFSE(如Nb、Ta、Ti)亏损并不明显的特征(图7b)，说明结晶出单斜辉石的原始熔体是亏损K、Pb，但并不亏损HFSE的硅酸盐熔体，具有这种性质的熔体主要来自软流圈地幔。

辉石岩的矿物颗粒中还存在有玄武质粒间熔体，这些粒间熔体与玄武岩围岩的地球化学成分特征明显不同(图6c、d)，因此可以推断这些粒间熔体并不是玄武岩围岩的母岩浆，更可能代表了交代熔体。这些熔体具有低SiO2，高MgO、FeO的地球化学特征，属于苦橄质熔体。这些高镁的基性熔体只能起源于超基性岩的部分熔融，因此其应为地幔熔融形成的熔体。但是从微量元素蛛网图中可以看出，这些粒间熔体还具有明显的Nb、Ta负异常和K、Pb正异常的特征。因此，认为这些粒间熔体的地幔源区中还有俯冲陆源沉积物的贡献。

5.4 中国东部新生代岩石圈地幔的多期次地幔交代作用

辉石岩作为地幔熔体高压结晶下的产物，其母岩浆及衍生物对于原本存在的地幔岩而言就是一种重要的交代介质，会使其成分发生变化[11,36--38]。辉石岩中的金云母与辉石并非源自同一原始熔体，金云母是在辉石岩形成后又一期次的熔体交代辉石岩的产物。此外，与金云母成分不平衡的粒间熔体也指示了另外一期的交代作用的存在。这种多期次的地幔交代作用的存在与前人对新生代玄武岩与其中的地幔岩包体的研究结果一致[17,45]。这说明新生代时期，中国东部的岩石圈地幔一直受到地幔交代作用的影响。地幔交代作用在大陆岩石圈地幔中的持续发生是导致大陆岩石圈地幔富集的主要原因。