APP下载

西太平洋弧后盆地火山岩中熔体包裹体研究进展

2021-03-02李晓辉杨慧心曾志刚

海洋地质与第四纪地质 2021年1期
关键词:源区火山岩熔体

李晓辉,杨慧心,曾志刚,4

1. 中国科学院海洋研究所海洋地质与环境重点实验室,青岛 266071

2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室,青岛 266071

3. 中国科学院海洋大科学研究中心,青岛 266071

4. 中国科学院大学,北京 100049

硅酸盐熔体包裹体(Silicate melt inclusion)是在高温高压环境下被矿物斑晶包裹的硅酸盐液滴[1-2],在火山岩(尤其是基性岩)斑晶中广泛发育[3](图1)。按照被寄主矿物捕获的时间顺序和形成方式的差异,硅酸盐熔体包裹体可分为原生和次生两种[1,3-4]。斑晶矿物在结晶的过程中可捕获周围的岩浆熔体并进一步演化为原生熔体包裹体[1],这些被捕获的岩浆液滴可以很好地指示寄主斑晶矿物形成时的物理化学条件及岩浆熔体的地球化学组成;次生熔体包裹体在寄主矿物结晶之后形成,与后期岩浆熔体的充填或交代相关[1],指示了寄主矿物结晶之后的岩浆组成特征。本文重点介绍原生熔体包裹体在反演原始熔体组成及岩浆演化过程中的重要作用,以下简称“熔体包裹体”。

利用熔体包裹体可以很好地确定地幔属性、岩浆物理化学状态等岩浆源区信息,识别分离结晶、同化混染等岩浆演化过程[1,3,6-11]。就目前火山岩研究而言,对岩浆源区组成的识别及对不同岩浆演化过程的判断还主要建立在全岩地球化学数据应用的基础上,而全岩仅仅是岩浆形成至喷出地表且经历了一系列复杂岩浆过程后的最终表现形式,代表的是一种“混合”成分,在一定程度上掩盖了可能存在的异常熔体组分及原始岩浆的成分特征[3,10,12-14]。相反,熔体包裹体受到寄主矿物的保护,一些后期岩浆作用(蚀变、去气、同化、混染、结晶分异等)[4,7,15]对熔体包裹体成分的改造有限,例如在岩浆体系内被早期结晶矿物橄榄石捕获的熔体包裹体往往保留了比寄主全岩更加原始的岩浆成分,因而被大量的应用于反演岩浆演化、地幔交代、部分熔融等早期岩浆作用过程中[3,6-9,12,15-19]。熔体包裹体的特殊形成条件及区别于全岩研究的独特优势,使其成为全面系统研究原始岩浆组成、探讨岩浆演化过程的不可多得的有力工具[5,13,19-21]。

图1 冲绳海槽火山岩橄榄石内代表性熔体包裹体镜下特征[5]a.玄武岩内熔体包裹体,b.安山岩内熔体包裹体。Fig.1 Representative photomicrographs of olivine-hosted melt inclusions in Okinawa Trough basalts[5]a. melt inclusions in basalt, b. melt inclusions in andesite.

俯冲带是地球物质运移及循环的重要区域,也是地壳及俯冲物质输入地幔的关键场所[22-28]。弧后盆地作为沟-弧-盆俯冲体系的组成单元之一,对认识俯冲带区域岩浆源区物质组成及来源、明确俯冲作用下地球物质循环途径意义重大。西太平洋发育有全球约75%的弧后盆地,涵盖了从成熟的洋内(如马里亚纳海槽、劳海盆、北斐济海盆)到新生的陆缘(如冲绳海槽)等不同基底环境和发展阶段的弧后盆地,是认识弧后盆地形成及演化的理想区域。西太平洋弧后盆地岩浆地幔源区普遍存在Dupal异常[29],而这种地幔异常是西太平洋地幔固有特征还是受到板片俯冲物质混染的影响,目前还不明确[29-31]。大量研究表明西太平洋弧后盆地的岩浆演化受到了板片俯冲物质的影响,而俯冲带系统的物质循环,即俯冲物质的输入(俯冲板片、沉积物等)及输出(岛弧及弧后岩浆作用)一直是国际研究的热点[28,32-33]。另外,由于复杂的俯冲构造环境,西太平洋不同弧后盆地的地幔源区均存在强烈的不均一性[34-37],这种不均一的源区地幔是在板块俯冲早期就已改造[35,38]还是受到了俯冲作用多阶段的持续交代[39]还需要进一步探讨[31]。西太平洋弧后盆地还发育有强烈的海底热液活动,是海底热液硫化物产出的重要区域,尤其是那些年轻的弧后盆地,如马里亚纳海槽、冲绳海槽等[40]。熔体包裹体可对源区岩浆物质组成进行很好的指示,可反映弧后盆地地幔组成特征[1,3,6-11]。同时,熔体包裹体保留了母岩浆脱气前成矿金属元素的浓度,是研究岩浆作用对热液活动物质贡献的有力工具[41-43]。因此,本文将以西太平洋典型弧后盆地(马里亚纳海槽、马努斯海盆、劳海盆、北斐济海盆、冲绳海槽)为主要研究区域(图2),综述熔体包裹体研究对充分认识弧后盆地岩浆作用过程的贡献。

图2 西太平洋典型弧后盆地位置图Fig.2 The location map of typical back-arc basins in the western Pacific

1 熔体包裹体的研究领域及主要测试方法

1.1 熔体包裹体的主要研究领域

熔体包裹体最早由Sorby[2]提及,认为熔体包裹体具有与流体包裹体类似的形成过程。Roedder[1]的相关研究使熔体包裹体在地球科学领域得到进一步重视,并逐步成为解决关键科学问题的重要途径。熔体包裹体的重点研究领域及应用范围大致可归纳为以下几点:

(1)代表原始岩浆初始状态的组成特征。主要针对基性矿物中的熔体包裹体,相比于火山岩全岩或火山玻璃,基性斑晶矿物内的熔体包裹体受到寄主矿物的保护,能较好地规避后期岩浆作用及蚀变对原始成分的改造,进而很好地反映出岩浆初始状态的组成特征[17,21,44-46]。例如,Ren等[44]对夏威夷火山岩橄榄石内熔体包裹体进行了系统的分析,发现熔体包裹体明显不同于全岩组成,表现出显著不均一性,从而提出了全新的成分不均一性地幔柱模型。

(2)提供原始熔体中的挥发组分信息。在高温高压条件下被捕获的熔体包裹体可以得到寄主矿物的保护而免受蚀变及去气过程的影响,类似于对原始岩浆初始状态成分特征的指示,熔体包裹体可以最大限度地记录原始熔体的挥发份组成特征[3,47-50]。因此,熔体包裹体研究在刻画原始熔体挥发份组成方面得到了普遍应用。例如,Saal等[49]对洋中脊玄武岩中橄榄石内熔体包裹体进行了挥发份(CO2、H2O、S、Cl、F等)含量分析,评估了亏损上地幔的挥发份组成,证明地幔的挥发份组成具有明显不均一性。

(3)识别岩浆混合过程中的两种或多种混合熔体成分。火山岩在形成过程中可能发生多种成分的岩浆混合,这些混合熔体被矿物斑晶捕获后形成成分多样的熔体包裹体。相比于全岩“平均化”的物质组成,受寄主矿物保护的熔体包裹体可以很好地反演岩浆同化混染和岩浆混合等过程,进而揭露复杂岩浆组成特征[5,51-54]。例如,Kent等[53]对俯冲带安山岩内熔体包裹体进行了成分分析,利用这种被捕获的熔体成分代表安山质熔体的组成,证明安山质岩浆的产生与镁铁质岩浆在长英质岩浆房内的岩浆再充填事件关系密切。

(4)研究元素迁移和熔体交代。熔体交代现象在岩浆演化过程中广泛存在,岩浆发生交代作用时被斑晶矿物捕获的熔体包裹体可以很好地反映出交代熔体的成分特征[47,55-58]。例如,Schiavi等[56]检测了意大利南部斯特隆博利岛橄榄石内熔体包裹体的元素和同位素(Pb-B-Li)组成,元素及同位素与全岩成分相比具有较大的变化范围,表明岩浆源区在小尺度范围内成分不均一,同时岩浆源区受到了俯冲板片物质及含水流体的交代作用。

(5)应用于矿床成因的研究。熔-流体包裹体作为一类组成独特的包裹体,在花岗质岩石及伟晶岩中大量存在,被广泛用于不同地质条件下性质差异的熔体和流体间发生的不混溶作用以及不同成分熔体相中不同金属元素间可能存在的不混溶过程的研究[59-63]。例如,Kamenetsky等[60]对堪察加半岛橄榄石内的硅质和硫化物包裹体进行了元素组成研究,证明硅-硫不混溶熔体可在岛弧火山岩内存在。熔体包裹体中硫化物和硫酸盐并存支持了岩浆中硫化物的氧化与相关富硫流体的生成有关,并据此推测此类流体会积累硫化物熔体分解时释放的金属,促使浅成热液矿化作用的发生。

(6)研究元素在熔体和矿物间的分配系数。寄主矿物和熔体包裹体之间有较大的接触面积,岩浆演化过程中元素在熔体和寄主矿物间较容易发生平衡,方便对特征元素成分及其地球化学行为进行检测[7,64-65]。例如,Severs等[65]利用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)对熔体包裹体进行了微量元素(Sc、Ti、V、Mn、Sr、Y、Zr、Nb、Ba、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Yb、Hf和 Pb)分析,探讨了不同元素在英安质硅酸盐熔体和单矿物间的分配系数。除Sr外,其余元素在斜长石内表现出不相容特征,除Mn外其余元素在斜方辉石内表现出不相容特征,在单斜辉石中,Sc、V、Mn具有相容性,而Y、Ti、HREE和MREE表现出轻微的不相容特征。研究表明这种原位的熔体包裹体-矿物元素分析方法是检测元素分配系数的有效手段。

目前,熔体包裹体研究在国际上已处于蓬勃发展阶段。但是,因为熔体包裹体的复杂成因以及分析测试手段的制约,国内对熔体包裹体的详细研究及其在地学领域的应用还处于起步阶段,与国际水平相比差距明显[20]。2011年,张春来等[66]对辉石斑晶内的熔体包裹体微量元素的检测是国内科研人员借助LA-ICP-MS测试技术对熔体包裹体进行的开创性研究,打破了传统上熔体包裹体高温热台测温及主量元素分析的局限[67],为国内熔体包裹体在地球化学领域的进一步发展提供了借鉴。近年来,中国科学院广州地球化学研究所[20]、中国科学技术大学[68]等科研团队在熔体包裹体测试技术开发及应用方面做了大量工作,例如,利用大型离子探针(SIMS)和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LAICP-MS)快速便捷地分析熔体包裹体微量元素[69-70],利用激光剥蚀多接收器电感耦合等离子体质谱仪(LA-MC-ICP-MS)对熔体包裹体进行精确Pb同位素分析[71-72],相继开展了海南岛新生代玄武岩[73]、汉诺坝新生代玄武岩[74]、华北克拉通地区东南缘中生代玄武岩[75-78]、峨眉山大火成岩省[44]等一系列火山岩内熔体包裹体研究工作,这些工作无疑极大推动了熔体包裹体在国内研究的发展。将来,随着对熔体包裹体研究程度的重视,测试技术的革新,相信国内熔体包裹体的研究工作会快速兴起。

1.2 熔体包裹体的主要测试方法

在进行熔体包裹体分析前,需要对熔体包裹体进行一系列前处理工作。熔体包裹体的前处理工作较为精细、繁琐,主要包括:①将岩石磨制成可进行镜下观察的薄片并进行岩相学观察。确定熔体包裹体的大小、类型、结晶状态、气泡数量等,与可能存在的矿物包裹体(如尖晶石,图1a)区分,这是做好熔体包裹体研究的基础。②加热熔体包裹体使其达到均一化状态。熔体包裹体形成之后,内部的硅酸盐熔体往往会发生结晶分异,因此在分析熔体包裹体之前要加热熔体包裹体,使其成分均一[20,79],尽可能还原熔体包裹体被捕获时的状态。显微热台和高温熔炉(马弗炉)是进行熔体包裹体加热处理的常用设备[1,4,20-21]。③制备熔体包裹体矿物靶。在制靶过程中需要将寄主矿物抛光并将熔体包裹体磨至表面,以满足指定仪器的测试分析要求。

熔体包裹体组成分析是利用熔体包裹体解决科学问题的主要途径,也是进行熔体包裹体研究的基础。随着对熔体包裹体研究的重视以及近年来测试方法的开发和利用,熔体包裹体的成分分析取得了极大的进步。前人对熔体包裹体的研究方法有较多综述[20,67-68,71,80-85],本文只作简要对比介绍。熔体包裹体的成分分析可以大致分为对均一玻璃中水及挥发份的定性及定量分析和对元素含量及同位素比值的定量分析[67,80,83]。对水及挥发份的分析目前的主流方法有傅里叶变换红外吸收光谱仪(FTIR)对H2O及CO2等组成及含量的测试,电子探针(EMPA)对少量挥发份(如 F、CI、S 等)的粗略分析及离子探针(SIMS)对挥发份组成的较高精度分析。在元素及同位素分析方面,电子探针(EMPA)可对熔体包裹体进行主量元素分析,激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)和离子探针(SIMS)可对熔体包裹体进行微量元素分析,而同位素的分析主要用到了激光剥蚀多接收电感耦合等离子体质谱仪(LA-MC-ICP-MS)和离子探针(SIMS)。

2 熔体包裹体在西太平洋弧后盆地火山岩中的应用

2.1 岩浆源区组成及火山岩成因研究

熔体包裹体提供了母岩浆成分和演化的重要信息,是检测弧后盆地地幔源区组成的理想工具。在冲绳海槽区域,现有的全岩数据表明区域内存在多种成分的软流圈地幔,具有明显的地幔不均一性[5,86-88],且岩浆源区受到板块俯冲作用影响[5,89-96],玄武质岩浆的分离结晶是区域内岩浆演化的主要方式[93-94,97-98],同时可能受到了部分陆壳物质的混染[90,95]。冲绳海槽浮岩中辉石和斜长石内玻璃质熔体包裹体主量元素组成显示不同熔体包裹体代表的原始岩浆具有同源性,熔体包裹体成分的差异主要是由不同阶段的岩浆结晶演化或不同矿物结晶引起的[99]。随着分析技术的进步,Li等[5,92,100]对冲绳海槽火山岩橄榄石内熔体包裹体进行了系统的元素及Pb同位素分析(图1b)。熔体包裹体中不相容元素比值(Th/Ce、Th/Sm等),正Pb异常,负Nb、Ta、Ti异常及有机烃类(CnHm)的存在表明俯冲沉积组分在岩浆源区的加入[92,100]。此外,研究发现在单一火山岩,甚至是在单个橄榄石中存在高207Pb/206Pb(>0.865)和低207Pb/206Pb(<0.865)两种同位素组成的熔体包裹体(图3),体现出岩浆源区成分的不均一性[5]。“太平洋”型地幔与来自循环下地壳的EMI组分以及来自俯冲沉积物的EMII组分混合可以解释低207Pb/206Pb熔体包裹体的存在,而安山岩中少量高207Pb/206Pb,高 K2O、P2O5、Rb、U 含量,低 Pb和 Cu含量的熔体包裹体则指示了安山质岩浆的产生受到不同元素和同位素组成熔体的混合,证明了不同性质岩浆的混合在冲绳海槽区域普遍存在[5]。相比之下,传统全岩数据对不同类型岩浆的混合缺乏很好的识别。

图3 冲绳海槽中部玄武岩和安山岩橄榄石内熔体包裹体Pb同位素组成[5]Fig.3 Pb isotopic compositions in olivine-hosted melt inclusions from middle Okinawa Trough basalts and andesites[5]

在洋内弧后盆地劳海盆的研究中,传统全岩地球化学数据显示在海盆尺度内存在明显的源区成分不均一性[33,101-102],越靠近汤加弧,岩浆受俯冲组分的影响程度越高[38,101,103]。此外,地壳混染和结晶分异作用也在岩浆演化过程中扮演了重要角色[104-107]。对劳海盆瓦路法脊(Valu Fa Ridge)轴部海山小尺度范围内熔体包裹体研究发现岩浆源区存在两种组分差异明显的原始熔体,一种熔体表现出富H2O(约 2.5 wt%)、高 CaO(约 14 wt%)、低 Al2O3(约8 wt%)特征,且普遍存在于东部和西部海山,另一种熔体具有低CaO特点,仅出现在西部海山[108],这表明不仅在海盆的大尺度上,在单个海山的小尺度上源区岩浆也具有明显成分不均一性。熔体包裹体的微量元素特征表明岩浆源区存在富LILE、富Pb和富Cl的由俯冲洋壳在火山弧前脱水产生的超临界流体[108]。玄武岩玻璃和熔体包裹体的Cl同位素分析结果显示在受俯冲影响程度较低的中部和东部扩张中心δ37Cl接近于0,Cl主要来自于浅部陆壳的海水同化过程[109],而位于三联点处的低Cl玻璃具有负δ37Cl值,明显低于亏损地幔值,指示源区受到了来自蚀变洋壳的流体、沉积物和/或蛇纹石化地幔楔等物质的影响[109]。此外,劳海盆和马努斯海盆橄榄石内熔体包裹体研究发现未去气的玻璃质熔体具有高 Re含量(高达 2×10-3μg/g),明显高于传统上全岩研究得到的陆壳Re的含量((0.2~0.4)×10-3μg/g)[110](图 4),其成因并非岩浆分异的结果,而可能是富Re的俯冲板片流体在岩浆源区的加入[111]。

图4 马努斯海盆橄榄石内熔体包裹体Re与Yb含量及Yb/Re比值相关图[110]Fig.4 Re abundance versus Yb abundance and Re abundance versus Yb/Re ratios in olivine-hosted melt inclusions in Manus basin[110]

北斐济海盆位于太平洋西南部(图2),是现今仅存的高成熟度的活动边缘海盆[112-113]。全岩微量元素和同位素组成特征显示海盆的岩浆受富集的OIB型地幔和亏损的N-MORB型地幔物质的混合,并表现出明显的成分不均一性[37]。北斐济海盆坎达武(Kadavu)群岛高Mg埃达克岩橄榄石内熔体包裹体数据显示区域内存在一个复杂开放系统下形成的埃达克质岩浆系列,包括了地幔来源的低SiO2、高Mg埃达克质岩浆和高SiO2、低Mg埃达克质岩浆及两者之间的混合成分[114](图5),这也表明区域内存在成分特征差异的岩浆物质来源。熔体包裹体微量元素结合全岩地球化学数据研究表明,北斐济海盆内玄粗岩主要来自交代的弧下岩石圈地幔低程度部分熔融,同时受到了俯冲物质的影响[115]。

马里亚纳海槽火山岩微量元素及同位素组成特征均显示马里亚纳海槽的火山岩起源于受俯冲物质影响的地幔源区[35,116-120],弧后扩张脊的不同部位,玄武岩的地球化学组成不同[34-36],表明地幔源区组成存在差异。马努斯海盆扩张中心的玄武质岩浆地球化学特征与MORB熔岩接近[104],但也表现出受一定程度俯冲组分影响的特征[121-122]。这两个弧后盆地关于岩浆源区组成及火山岩成因研究主要基于全岩地球化学展开,而熔体包裹体的研究主要体现在对岩浆挥发份及金属元素组成上,将在后文作主要概述。

图5 斐济海盆坎达武(Kadavu)群岛熔岩及熔体包裹体SiO2 (wt%)与K2O (wt%)、TiO2 (wt%)相关图[114]Fig.5 K2O (wt%) and TiO2 (wt%) vs. SiO2 (wt%) in laves and olivine-hosted melt inclusions from Kadavu Island Group in Fiji basin[114]

2.2 挥发份组成研究

岩浆的演化受挥发份(H2O、CO2、F、Cl、S等)组成的影响显著,俯冲过程中板片发生脱水可导致岛弧及弧后盆地岩浆活动的产生。对挥发份在岩浆体系中的地球化学行为研究是了解俯冲带岩浆形成、运移、储存和喷发的关键。对此,Newman等[123]检测了马里亚纳海槽火山岩玻璃和斑晶内熔体包裹体的H2O和CO2成分,玻璃的挥发份含量变化较大(H2O 为 0.2~2.8 wt%,CO2为 0~300 μg/g),斑晶内熔体包裹体H2O的含量与寄主玻璃类似,但其内CO2的含量可以高达875 μg/g。马里亚纳海槽玻璃内H2O和CO2的含量呈负相关关系(图6),表明岩浆在喷发的压力下其内部CO2-H2O气体是饱和的,这些岩浆在抬升和喷发过程中的去气作用导致CO2明显丢失,而对喷发前H2O含量的影响较小[123]。Parman等[124]通过结晶分馏实验分析了马里亚纳多个海岛和一个海山橄榄石内熔体包裹体H2O含量,发现马里亚纳岛弧熔岩喷发前H2O含量(2~3 wt%)相对稳定,与马里亚纳海槽熔岩H2O含量相似。高H2O含量的海山贯穿马里亚纳岛弧分布,但与俯冲参数(俯冲角度、倾斜度等)没有相关性,说明马里亚纳弧下地幔中的挥发份通量在本质上就是不均匀的[124]。

马努斯海盆熔体包裹体富含挥发份和流体活动性元素的特征表明板块俯冲对岩浆成分的影响强烈[41]。东马努斯海盆PACMANUS热液区火山岩内熔体包裹体普遍具有1~2个气泡,且气泡的体积占比较大(>5.5 vol%),在辉石和橄榄石斑晶中气泡比例更高(80~>95 vol%),表明气泡是由挥发物的剧烈释放或岩浆房内的岩浆沸腾形成的[125]。熔体包裹体中的高H2O含量(1.0~2.5 wt%)、高Cl含量(0.45 wt%)等富挥发份组成特征,说明岩浆房内挥发份饱和[126]。S、Cl、F与H2O具有正相关性(图7),暗示这些挥发份来自于岩浆的结晶脱气及熔体出溶,且岩浆在结晶过程中会丢失高达65 vol%的挥发组分[125]。此外,Sun等[127]对马努斯海盆熔体包裹体分析发现Cl与非挥发性且高度不相容的微量元素具有很好的相关性,说明岩浆内Cl并没有强烈挥发性且不存在明显的海水混染,熔岩玻璃中约80%的Cl可能直接来自于俯冲板片流体[127]。

2.3 成矿金属元素组成研究

现代海底构造环境是许多热液系统和多金属硫化物矿床的宿主,金属元素的运输和沉淀是通过岩浆过程控制的,例如喷发前的脱气和热液循环[41]。在特定背景下,成矿金属的含量取决于其在原始岩浆源区或其他富集过程中相关金属的浓度,而熔体包裹体的研究可提供母岩浆中成矿金属的浓度信息,是研究岩浆作用对热液活动物质贡献的重要手段[41]。

图6 马里亚纳海槽火山岩和熔体包裹体H2O-CO2含量图[123]Fig.6 CO2 versus H2O contents of laves and melt inclusions from the Mariana Trough[123]

图7 PACMANUS安山岩内橄榄石和辉石斑晶中的熔体包裹体内H2O含量(wt%)与S、Cl和F(wt%)的关系[125]Fig.7 H2O contents (wt %) vs. S, Cl, and F (wt %) in the glass of melt inclusions in olivine and pyroxene phenocrysts of andesite from PACMANUS[125]

马努斯海盆中熔体包裹体和基质玻璃中成矿金属类型在不同岩相中有所不同(玄武岩和玄武质安山岩为Ni+Cu+Zn+Fe、安山岩中为Cu+Zn+Fe、英安岩中为Cu+Fe、英安质流纹岩中为Fe、流纹岩中为 Fe+Zn(+Pb?))(图 8),表明岩浆流体可能是不同岩相中金属的主要来源[126]。岩浆流体在浅部岩浆房聚集并沿着构造薄弱带喷出,将为海底热液系统提供大量的挥发份和成矿金属,这种过程可以解释硫化物烟囱体中Fe、Cu、Zn、Pb的富集,即火山成因的块状硫化物矿床中成矿金属主要来自于岩浆流体[126]。此外,Kamenetsky等[43]在东马努斯海盆玄武岩橄榄石斑晶(Fo82-92)内的熔融包裹体中发现Cu含量从玄武岩到英安岩逐渐减少,而Pb含量在英安岩中达到最高,Zn含量在安山岩中最高,并随结晶分离作用的进行而降低。分馏的岩浆中Cu含量的降低表明金属元素进入CO2-H2O流体相中会发生显著脱气反应[43]。岩浆系统中的热液可以直接携带岩浆中的含金属流体,这些流体是从马努斯弧后盆地中岛弧型岩浆内溶解出来,并迁移和浓缩了大量的成矿金属元素,特别是Cu[43]。随岩浆演化,熔体包裹体和火山玻璃中Au和Cu的浓度显著下降,这可能是因为fO2的缓冲作用及S含量的降低,进而增加了Cu-Au氢硫化物络合物的形成[128]。东马努斯海盆熔体包裹体的相关研究还指示在浅部岩浆房内的结晶过程中,大量的岩浆流体也会发生去气反应,且至少1.7 wt% H2O从岩浆中出溶[126]。该去气过程可持续至少5~48 a,结合黑烟囱2~10 a的寿命,可推测硫化物烟囱生长过程中的成矿金属主要来自于岩浆流体,即岩浆可以在很长一段时间内向热液系统提供大量成矿金属和挥发份,从而在海底形成大量块状硫化物矿床[125]。

2.4 熔体包裹体均一温度研究

熔体包裹体的测温实验可以明确熔体包裹体被捕获时的均一温度,对熔体产生时岩浆房的温度状态及不同批次岩浆熔体的混合具有较好的指示意义。孙海青等[129]对马里亚纳海槽玄武岩斜长石和橄榄石斑晶中的熔融包裹体进行了镜下观察和均一化测温实验。结果显示熔体包裹体在橄榄石和斜长石斑晶中的均一化温度分别为1 035~1 100 ℃和1 050~1 145 ℃,反映了矿物结晶的多期性[129]。类似的,冲绳海槽浮岩中熔体包裹体的测温结果和成分数据显示熔体包裹体在长石内具有910~1 250 ℃和高于1 250 ℃的均一温度,表明斜长石在岩浆房内经历了两个阶段的演化[130]。

图8 PACMANUS代表性样品熔体包裹体中沉积金属元素变化与代表性岩石的多孔度和SiO2含量有关[126]Fig.8 Variation of metal species in the precipitates in melt inclusions of representative samples from PACMANUS,as related to the vesicularity and SiO2 content of the representative rocks[126]

3 问题与展望

上文简要总结了目前国内外学者在西太平洋弧后盆地火山岩中熔体包裹体的主要研究工作,尽管研究工作涉及到了源区地幔不均一性、俯冲组分对岩浆源区的贡献、源区挥发份组成、岩浆热液流体来源、岩浆演化过程以及岩浆房的温度条件等多方面研究,但不同弧后盆地的研究现状参差不齐。例如,作为典型“洋―洋”俯冲作用代表的马里亚纳俯冲带,尽管国际上对其火山岩全岩已经开展了较全面的工作,但是对海槽内熔体包裹体的研究却寥寥无几[123,129],多数工作还是集中在马里亚纳岛弧及弧前区域。岛弧和弧后盆地存在明显的构造差异,对马里亚纳海槽内基底火山岩熔体包裹体的研究可使我们明确全岩所显示的地幔不均一性是在板块俯冲早期就已改造还是受到后期俯冲过程多阶段持续作用的影响。这可为解决俯冲作用下弧后盆地岩浆物质来源及演化过程等科学问题提供重要指示。与此对应的典型“洋-陆”俯冲作用下的冲绳海槽内熔体包裹体的研究则主要集中在浮岩、安山岩及玄武质安山岩等演化程度较高的火山岩上[5,95,100,130]。由于冲绳海槽发育于陆壳基底之上,陆壳混染对冲绳海槽不同区域火山岩岩浆源区的影响一直存在争议[88,91-93],海槽内不同区域基底岩石熔体包裹体的研究可为明确陆壳物质对岩浆源区的贡献程度提供理论依据。同样的,构造特征差异的马努斯海盆、劳海盆及北斐济海盆内熔体包裹体的研究程度也各不相同。在今后的工作中可以对不同弧后盆地火山岩内熔体包裹体进行针对性的系统研究,结合区域内已发表全岩数据,可获取对基底岩石形成及岩浆演化过程的更全面的认识。此外,可以对多个弧后盆地进行熔体包裹体对比研究,明确不同演化阶段及地质构造特征的弧后盆地岩浆组成对板块俯冲作用的指示,进一步完善板块构造理论。

经过近半个多世纪的发展,熔体包裹体研究无论是在分析技术手段方面还是在地球科学应用方面均已取得了长足的进步。熔体包裹体具有全岩研究所无法比拟的优势,是明确原始岩浆组成特征、揭示岩浆源区地幔属性、探讨岩浆演化过程的重要工具,在地球科学发展过程中发挥了举足轻重的作用。尽管如此,熔体包裹体的研究还有一些亟待解决的问题。首先,熔体包裹体样品制备过程复杂,受分析测试仪器的限制,样品制备需要精确挑选合适的单矿物并将熔体包裹体进行均一化处理,此过程中熔体包裹体可能受外界影响而发生破裂或者熔融,导致成分改变,需要对其成分进行仔细评估。为了进行精确的成分分析还需要将熔体包裹体抛光打磨至样品靶表面。这些流程加大了熔体包裹体样品制备的难度。其次,由于熔体包裹体与寄主矿物接触,在演化过程中不同元素或者挥发份与寄主矿物之间可能存在成分交换,使得分析获得的熔体包裹体数据需要经过一系列复杂过程的校正处理,加大了数据解释的难度及可信度。再次,熔体包裹体标样的制备比较困难,限制了对熔体包裹体元素、同位素及挥发份等分析技术的开发。最后,由于测试技术的限制,对熔体包裹体的分析需要熔体包裹体大小及目标元素含量满足要求,这些都阻碍了熔体包裹体在地球科学不同领域的广泛应用。未来,需要科研工作者进一步加强新设备、新技术的研发,优化熔体包裹体的制样及测试流程,提高熔体包裹体测试分析的精度及准确度,拓宽熔体包裹体的应用领域,有望实现熔体包裹体研究质的飞跃。

近年来,国内学者在熔体包裹体研究方面已经有了较大进步,并取得了可喜的成果,但是众多研究主要集中在陆地之上,而在与陆地构造特征差异明显的海洋领域,国内熔体包裹体研究相对滞后,发展空间广阔。未来,在不断开发熔体包裹体测试分析手段,提高熔体包裹体元素及同位素测试精度及准确度,完善熔体包裹体测试分析流程的前提下,加大弧后盆地火山岩熔体包裹体研究,有望在俯冲作用下弧后盆地岩浆源区地幔性质及岩浆来源、岩浆活动对弧后盆地热液过程的物质贡献等重大科学问题上取得突破。希望本文能起到抛砖引玉的作用,提高国内学者在海洋地质领域熔体包裹体的研究兴趣,推动我国海洋地质研究的更大进步。

猜你喜欢

源区火山岩熔体
熔体处理对DZ483合金凝固组织的影响
受焦化影响的下风向城区臭氧污染特征及潜在源区分析
三江源地区1961-2019年降水量时空变化特征
美国南方线材公司推出商用超声波在线净化系统
一种接触导线用铜合金的制备方法
安徽沿江地区早白垩世侵入岩成因及其找矿意义
冬小麦蒸散源区代表性分析
达巴松凸起石炭系火山岩油气勘探技术研究
接财接福
熔体过热对Al-18%Si合金中初生硅形态的影响