加拿大Slave克拉通橄榄岩的平衡温压计算

陈 瑶，王 勤

内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室，南京大学 地球科学与工程学院，南京 210023

1 引言

金伯利岩、玄武岩和钾镁煌斑岩携带的地幔捕虏体和捕虏晶提供了研究克拉通岩石圈地幔的物质组成和结构的窗口。幔源包体的平衡温压是建立克拉通岩石圈地幔热结构和流变结构的基础，对研究上地幔的物理状态和演化历史具有重要意义。随着深度增加，稳定克拉通地区的岩石圈地幔橄榄岩依次由尖晶石相、尖晶石—石榴子石过渡相、石榴子石相到金刚石相。随着高温高压矿物相平衡实验数据的积累和热力学理论计算的发展，出现了众多地幔矿物温度计和压力计，但是其精确度和准确度差别很大。共存矿物中主量元素和微量元素的含量是一定温度、压力、氧逸度等条件下热力学平衡的结果，如何把简单实验体系获得的矿物成分与温度、压力、氧逸度的关系运用到复杂的天然体系是大家非常关注的问题。

对地幔橄榄岩捕虏体的统计结果发现从太古宙克拉通、元古宙克拉通到显生宙构造域，橄榄石Fo值依次从92~94、90~92减小为＜91，表明克拉通岩石圈地幔经历了早期大规模部分熔融，并在后期通过地幔交代作用再次富集（Griffin et al.,1998, 1999）。Lee 和 Chin（2014）排除了受地幔交代作用影响再富集的橄榄岩，发现太古宙克拉通橄榄岩的原岩熔融温压条件为1~5 Ga（30~150 km）和1400~1750℃，而橄榄岩的亚固相平衡温压条件为3~7.5 GPa（90~200 km）和900~1300℃，表明克拉通岩石圈地幔形成时的地幔潜热温度比现在高200~300℃，上地幔在浅部发生高温熔融形成了橄榄岩原岩，冷却后经历了后期热事件的改造。对于稳定的克拉通，后期的地幔交代作用是否伴随热事件并影响矿物的平衡温度目前尚不清楚。

前人对基于地幔矿物主量元素的压力计（吴春明, 2009; Wu and Zhao, 2011）和温度计（徐义刚,1993; Nimis and Grütter, 2010, 2012）进行了系统总结。此外，稀土元素（Rare Earth Elements，简称REE）在地幔矿物和玄武质熔体中的分配系数受温度、压力、水逸度、氧逸度、矿物和熔体中主量元素含量、稀土元素离子半径等因素的影响（Blundy and Wood, 2003; Lee et al., 2007; Sun and Liang, 2012,2013）。封闭温度是冷却过程中，某一元素与周围介质通过扩散进行有效交换的最低温度。由于辉石和石榴子石中的REE扩散速率比二价主量元素（例如：Ca2+、Mg2+、Fe2+）的扩散速率慢2~3个数量级（Van Orman et al., 2002; Cherniak and Dimanov, 2010;Carlson, 2012），因此，石榴子石—单斜辉石REE温度计可以保留早期的温度信息。如果基性岩和超基性岩经历了冷却，使用石榴子石—单斜辉石REE温度计获得的封闭温度将高于通过矿物主量元素获得的平衡温度，可以为研究麻粒岩、榴辉岩和橄榄岩的热历史提供新的信息（Sun and Liang，2015; Pickles et al., 2016; Yang and Wei, 2017）。

Artemieva（2009）对比了全球大陆地幔的S波速度变化，发现在排除温度效应之后，克拉通岩石圈地幔较高的S波速度可以归因于岩石圈地幔具有较高的橄榄石Fo值和斜方辉石含量，但是在金伯利岩区由成分导致的上地幔S波高速异常并不明显，表明金伯利岩浆喷发的地方是地幔薄弱带，可能与地幔交代作用有关。因此，金伯利岩筒携带的橄榄岩捕虏体不仅包括克拉通形成早期的难熔残留体，还包括经历了后期改造再富集的橄榄岩。加拿大Slave克拉通是全球最古老的克拉通之一，有大量金伯利岩筒，至今仍保持稳定，地震学揭示的岩石圈厚度达到200 km（Artemieva, 2009）。前人对Slave克拉通金伯利岩携带的橄榄岩包体开展了详细的岩石学研究，发现受地幔交代作用的影响，橄榄岩的化学成分随深度发生显著变化，但与上地幔热演化历史的关系还不清楚（Heaman et al.,2002; Heaman and Pearson, 2010; Aulbach et al., 2013;Kopylova et al., 2016）。

本文采集了来自加拿大Slave克拉通Jericho金伯利岩筒的橄榄岩包体，使用可靠的矿物主量元素温压计和最新的石榴子石—单斜辉石REE温压计，获得橄榄岩包体的平衡温度，探讨将两类温压计联合起来追踪大陆岩石圈地幔热演化和交代作用的可行性。

2 地幔矿物温压计简述

吴春明（2009）和Wu 和 Zhao （2011）将常见的地幔矿物压力计应用于岩石学相平衡实验，根据计算值与实验值之间的标准差为±0.3 GPa检验其精确度，再将它们应用到天然橄榄岩包体检验其准确度。他们的统计结果表明：对尖晶石相橄榄岩唯一适用的压力计是橄榄石—单斜辉石压力计，但是准确度还太低，难以给出可靠的结果。最适合石榴子石相橄榄岩的压力计是石榴子石—斜方辉石压力计（Nickel and Green, 1985; Taylor, 1998; Brey et al.,2008）；对于尖晶石—石榴子石过渡相和石榴子石相橄榄岩，最好使用Taylor （1998）的石榴子石—斜方辉石压力计和二辉石温度计估计平衡的压力和温度（吴春明, 2009; Wu and Zhao, 2011）。由于Taylor （1998）的石榴子石—斜方辉石压力计基于斜方辉石中Al2O3的含量，如果斜方辉石中Al2O3含量低于0.37 wt%，则压力计算的误差较大。此外，由于斜方辉石TiO2的含量会影响斜方辉石中契尔马克分子的活度，对于贫钛斜方辉石（Al/Ti＞12.0）应使用Nickel 和 Green（1985）的石榴子石—斜方辉石压力计（Wu and Zhao, 2012）。

尖晶石相橄榄岩的压力计是一个长期困扰岩石学家的问题。在不同温度和压力下，由于橄榄石和单斜辉石中的Ca交换会导致显著的摩尔体积变化，Köhler 和 Brey（1990）开发了基于Ca-inolivine的橄榄石—单斜辉石压力计，对橄榄石、尖晶石、单斜辉石和斜方辉石共存体系的平衡压力进行估计。但是该方法需要先给出独立的温度估计，而Brey 和 Köhler（1990）二辉石温度计又对压力敏感，这导致计算过程中的不确定性很大。D’Souza等（2020）对尖晶石相橄榄岩在950~1250℃和1.5~2.4 GPa的最新实验表明，把橄榄石的Al和Ca相结合，先使用Al-in-olivine温度计获得平衡温度，再使用Köhler 和 Brey（1990）的Ca-in-olivine橄榄石—单斜辉石压力计，可以较好地估算尖晶石相橄榄岩的平衡温压。由于Ca和Al在橄榄石里的含量非常低，需要用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）获得橄榄石高精度的成分数据，而且样品没有受到后期热扰动，才能保证该方法的可靠性。

Nimis 和 Grütter（2010, 2012）对大约1000个含石榴子石的二辉橄榄岩和辉石岩样品进行矿物温压计检验，认为Nickel 和Green（1985）的石榴子石—斜方辉石压力计更适合石榴子石相橄榄岩的压力估计，尤其对具有中等Na2O含量的斜方辉石，而Brey等（2008）石榴子石—斜方辉石压力计在中等压力范围内的精度较差。因此，Nimis 和Grütter（2010）使用Nickel 和Green（1985）的石榴子石—斜方辉石压力计获得金伯利岩筒携带的橄榄岩包体的平衡压力，然后比较不同的地幔矿物温度计。他们发现Taylor（1998）的二辉石温度计和Nimis和 Taylor （2000）的单斜辉石温度计获得的石榴子石橄榄岩和辉石岩的平衡温度误差小于30℃，是最可靠的地幔矿物温度计。对于广泛使用的Brey和Köhler （1990）二辉石温度计，由于单斜辉石中Na含量的增加会导致样品温度的过高估计，因此只适用于单斜辉石中Na:6O≈0.05的情况。

虽然Fe-Mg交换温度计被广泛应用于麻粒岩、榴辉岩和橄榄岩的温度估计，Nimis 和 Grütter（2010）发现石榴子石—单斜辉石Fe-Mg温度计对Fe的氧化态非常敏感（Krogh, 1988; Ai, 1994;Ravna, 2000）。由于电子探针分析只给出全铁作为Fe2+的含量，这导致石榴子石—单斜辉石Fe-Mg温度计获得的橄榄岩平衡温度与Taylor（1998）二辉石温度计的结果差异较大。Wu 和 Zhao （2007）橄榄石—石榴子石Fe-Mg温度计精度最高，但是在温度＜1200℃时，获得的平衡温度会比Taylor（1998）二辉石温度计的结果略高。Nimis 等（2015）使用穆斯堡尔谱获得橄榄岩包体的斜方辉石和石榴子石的Fe3+含量，发现Fe3+在斜方辉石和石榴子石的分配系数与温度无关，随着压力降低和斜方辉石Na含量升高而升高。因此，斜方辉石—石榴子石Fe-Mg温度计仅适用于非常还原的橄榄岩（Fe3+含量很低），而对氧化的橄榄岩温度误差可大于100℃。

根据矿物—熔体系统的晶格应变模型（Blundy and Wood, 1994, 2003; Wood and Blundy, 1997; Sun and Liang, 2013）以及前人高温高压实验获得的矿物-熔体中的REE分配系数，Sun 和 Liang （2015）提出了适合基性岩和超基性岩的石榴子石—单斜辉石REE温压计。通过对石榴子石—单斜辉石中REE分配系数的线性回归，不仅可以获得REE在矿物中的封闭温度，还可以识别后期交代作用。但是，Pickles 等（2016）测量了在1.3~10 GPa和970~1400℃下共存的石榴子石和单斜辉石的主量元素和微量元素，发现压力对石榴子石—单斜辉石体系中REE分配的影响并不明显，因此石榴子石—单斜辉石稀土元素温压计难以给出可靠的平衡压力。由于石榴子石中La和Ce的含量很低，而Tb、Dy和Ho在测量中常常被忽略，Pickles 等（2016）基于扩展的晶格应变模型（Lee et al., 2007），使用Y、 Nd、Sm、Eu、Gd、 Er、Yb、Lu这8个 微 量元素建立了石榴子石—单斜辉石微量元素温度计，获得的样品封闭温度与实验温度的误差不超过80℃。Abbott（2018）校正了Pickles 等 （2016）的石榴子石—单斜辉石微量元素温度计程序，校正后获得的封闭温度比原来的计算值高30~50℃。

3 地质背景

位于加拿大西北的Slave克拉通出露面积约19×104km2，保 留4.03~4.02 Ga的Acasta片麻岩（Bowring and Williams, 1998; Reimink et al.,2016），其主体部分为2.63~2.58 Ga花岗岩（van Breemen et al., 1992; Kusky, 1993; Percival et al.,2004; Helmstaedt, 2009）。如图1所示，Slave克拉通的边界为两个古元古代造山带：西边Hottah地体与Slave克拉通发生弧—陆碰撞，形成1.88~1.84 Ga的 Wopmay造山带（Hoffman, 1989; Hildebrand et al., 2010），东边Slave克拉通与Buffalo Head地体和Rae克拉通碰撞形成2.0~1.9 Ga的Taltson-Thelon岩浆弧（Henderson and van Breemen, 1992; Card et al., 2014）。Kusky 等（2014）认为Slave克拉通在新太古代经历了从大陆裂解、被动陆缘形成、弧—陆碰撞到陆陆碰撞的威尔逊旋回，之后通过元古代的造山运动与劳伦大陆拼贴。

图1 (a) Jericho金伯利岩区在加拿大Slave克拉通的位置（图中红色虚线部分为Lac de Gras金伯利岩区）和(b) Jericho金伯利岩区地质简图(修改自Tappe et al., 2013; Newton et al., 2016)Fig. 1 (a) Location of the Jericho kimberlite cluster in the Slave Craton, and (b) simplified geological map of the Jericho kimberlite cluster

自1991年以来，在Slave克拉通发现了约350个金伯利岩筒，金伯利岩的喷发时间可分为六期：新元古代末期（613 Ma）、寒武纪（~530 Ma）、奥陶纪—志留纪（~450 Ma）、二叠纪（286~256 Ma）、侏罗纪（~170 Ma）、白垩纪—古新世（75~45 Ma）（e.g., Heaman et al., 2003; Helmstaedt, 2009）。这些金伯利岩携带的地幔包体具有一定的时空分布特征，Slave克拉通岩石圈地幔的主体形成峰期为2.75 Ga，而大多数榴辉岩形成于2.2~2.0 Ga，记录了俯冲洋壳和基性—超基性岩浆的残留（Heaman et al., 2002; Heaman and Pearson, 2010; Kopylova et al., 2016）。Aulbach等 （2013）分析了Slave克拉通中部Lac de Gras含金刚石金伯利岩携带的地幔包体中石榴子石和单斜辉石的微量元素和Sr-Nd-Hf同位素，发现以145 km为界，浅部＞3.3 Ga岩石圈地幔强烈亏损，受碳酸盐熔体交代的影响；而深部~3.3 Ga岩石圈地幔的亏损程度较低，受金伯利岩熔体交代的影响。

Jericho金伯利岩筒（111°28.90′W, 65°28.19′N）位于Slave 克拉通北部Contwoyto湖的北缘，喷发于中侏罗世173.1±1.3 Ma，围岩是新太古代花岗闪长岩 （图1；Heaman et al., 2006）。Jericho金伯利岩筒主要由三个不同的相组成，各相之间可以从颜色、结构、蛇纹石化程度、地幔包体和捕掳晶的成分、磁化率和密度来区分（Cookenboo, 1998），但都具有相似的微量元素，显示其来源于同一个金伯利岩浆房（Kopylova et al., 1998）。Jericho地幔包体的来源深度范围在60~200 km，可分为5种：粗粒橄榄岩、残斑结构（porphyroclastic）橄榄岩、巨晶辉石岩、钛铁矿—石榴子石异剥橄榄岩、单斜辉石岩（Kopylova et al., 1999）。与位于西南~15 km的Muskox金伯利岩筒携带的地幔包体（Newton et al.,2016）、Slave克拉通中部Lac de Gras的地幔包体相似（Aulbach et al., 2013），Jericho地幔包体揭示了Slave克拉通上地幔浅部强烈亏损，在160~200 km为富集橄榄岩，在200 km之下为经历了地幔交代作用和热扰动的岩石圈—软流圈边界（Kopylova et al., 1999）。

4 样品描述

本文选取了Jericho金伯利岩筒携带的9块橄榄岩包体，包括尖晶石橄榄岩、尖晶石—石榴子石橄榄岩和石榴子石橄榄岩，为对比温压计提供了很好的基础（表1）。样品新鲜，矿物无后期蚀变，仅在尖晶石二辉橄榄岩11-6、尖晶石—石榴子石二辉橄榄岩26-11、石榴二辉橄榄岩28-4、石榴异剥橄榄岩MX3-107、石榴方辉橄榄岩LOST-1的矿物边缘及裂隙出现轻微蛇纹石化。

表1 Jericho金伯利岩筒中橄榄岩包体的矿物组成Table 1 Modal composition of peridotite xenoliths from the Jericho kimberlite pipe

尖晶石—石榴子石二辉橄榄岩样品42-5具有残斑结构，其它样品都具有粗粒变晶结构（图2）。粗粒变晶橄榄岩的橄榄石和辉石为自形—半自形粒状，橄榄石出现肯克带，单斜辉石出现波状消光，发育双晶并出熔斜方辉石（图2a）。部分橄榄石大颗粒可见三联点镶嵌结构，颗粒边缘平直，反映了上地幔高温低应力条件下稳态重结晶作用（图2b）。尖晶石—石榴子石二辉橄榄岩10-12A中含少量韭闪石（图2c-d）。残斑结构尖晶石—石榴子石二辉橄榄岩42-5的橄榄石和辉石残斑可大于2 mm，在石榴子石边缘形成了金云母，在金云母内可见晶型较好的细粒尖晶石（图2e-f）。

5 矿物主量和微量元素特征

5.1 实验方法

对9个橄榄岩样品中的橄榄石、斜方辉石、单斜辉石、石榴子石和尖晶石进行了电子探针实验，分析其主量元素。使用JEOL JXA-8800M型电子探针，其加速电压为15 Kv，束电流为20 nA，探测区域＜5 μm，检测极限是0.01%，误差范围是加减1.5%。样品中各矿物的化学成分为多个颗粒的平均值。此外，使用扫描电镜Zeiss Supra 55，对残斑结构橄榄岩样品42-5中的石榴子石及其周边矿物进行了X射线能谱实验，加速电压为20 KV，计数频率为2~3 kCPS，工作距离为10 mm，获得面扫区域矿物的主要元素分布。上述实验在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成。

由于尖晶石方辉橄榄岩10-456和石榴子石方辉橄榄岩LOST-1中单斜辉石颗粒太少，所以只测了其余7个样品的单斜辉石成分，以及6个含石榴子石橄榄岩样品中石榴子石的微量元素。在南京宏创地质勘查技术服务有限公司使用Agilent 7700x电感耦合等离子质谱仪（LA-ICP-MS），配合GeoLasPro 193nm ArF准分子激光剥蚀系统进行测试，能量密度为10 J/cm2，束斑直径为44 μm，频率为4 Hz，剥蚀时间为40秒，每个样品的化学成分为4~5个矿物颗粒的平均值。

5.2 单矿物主量元素

表2列出了橄榄石、单斜辉石、斜方辉石、石榴子石和尖晶石的主量矿物含量，Mg# = Mg/(Mg+Fe)×100。9个橄榄岩样品中的橄榄石Mg# 为91.09~93.19，尖晶石橄榄岩的橄榄石Mg#最高，为93.1~93.2，粗粒结构尖晶石—石榴子石橄榄岩的橄榄石Mg#为91.9~92.4，石榴子石橄榄岩的橄榄石Mg#为91.1~91.7，而碎斑结构尖晶石—石榴子石橄榄岩的橄榄石Mg# 为91.2，与石榴子石相橄榄岩更接近（图3a）。与Kopylova等（1999）的结果对比，反映了Jericho上地幔浅部橄榄岩经历的部分熔融程度更高。斜方辉石为顽火辉石，Mg#在92.4~93.8之间，斜方辉石Mg#与橄榄石Mg#具有非常好的正相关 （图3a）。橄榄岩样品中的单斜辉石为透辉石，Mg#的范围在88.7~96.4之间，整体上单斜辉石的CaO越高，Cr2O3含量越低，但相关性不强(图3b)。橄榄岩样品中的石榴子石Mg#为78.6~83.9，均为镁铝榴石，与粗粒变晶橄榄岩相比，样品42-5中的石榴子石更富Cr （图3c）。

表2 Slave克拉通Jericho 橄榄岩包体中主要矿物的主量元素含量(wt%)Table 2 Major element abundances (wt%) in major minerals from the Jericho peridotite xenoliths in the Slave Craton

尖晶石的Cr# = Cr/(Cr+Al) ×100，主要为铬尖晶石，MgO与Cr2O3含量为负相关（图3d）。粗粒变晶橄榄岩中尖晶石的TiO2含量为0.01%~0.07%，但残斑结构尖晶石—石榴子石橄榄岩样品42-5的尖晶石TiO2含量达到2.67% （表2）。根据薄片观察，样品42-5的尖晶石出现在围绕石榴子石的后生金云母中 (图2e-f)，石榴子石也比其它样品更富Cr，表明尖晶石是后期富Ti、富Cr流体环境下的结晶产物。使用扫描电镜对样品42-5的石榴子石及其周边矿物进行了验证。如图4所示，金云母围绕石榴子石生长，富Si、O、Al、Mg和K，含有少量的Ti，几乎不含Cr、Fe和Ca。蛇纹石出现在颗粒边界的裂隙中，围绕在金云母外面，在金云母和蛇纹石中含少量细粒的尖晶石。

图3 Jericho橄榄岩包体的矿物成分关系图Fig. 3 Relationships between major element concentrations in minerals from the Jericho peridotite xenoliths

图4 残斑结构尖晶石—石榴子石二辉橄榄岩42-5的石榴子石及其周边矿物的能谱面扫图像和Cr、Mg、K元素分布图Fig. 4 Element mapping of garnet and surrounding minerals from porphyroclastic spinel-garnet lherzolite sample 42-5

5.3 单斜辉石与石榴子石的微量元素

表3和表4分别列出了Jericho橄榄岩包体样品中的单斜辉石和石榴子石微量元素含量。7个橄榄岩样品的单斜辉石呈现相似的微量元素特征，从Gd到Lu为负斜率，出现Nb、Ta、Zr、Hf的负异常和Th、U、La、Sm、Ho的正异常，并且(Zr/Sm)N、(Hf/Sm)N值都小于1（图5a）。在球粒陨石标准化REE图解上，单斜辉石都表现为轻稀土富集和重稀土亏损，但是石榴子石二辉橄榄岩28-4的单斜辉石重稀土含量明显增加（图5b）。

表3 Jericho橄榄岩包体中的单斜辉石微量元素含量(×10-6)Table 3 Trace element abundances (×10-6) in clinopyroxene from the Jericho peridotite xenoliths

表4 Jericho橄榄岩包体中的石榴子石微量元素含量(×10-6)Table 4 Trace element abundances (×10-6) in garnet from the Jericho peridotite xenoliths

6个橄榄岩样品的石榴子石在微量元素蛛网图上比较一致，表现为Ba、La、Pb、Sr、Hf的负异常和U、Ce、Pr、Nd、Sm的正异常（图5c）。石榴子石的REE配分图可分成两类（图5d）：石榴子石二辉橄榄岩28-4和石榴子石异剥橄榄岩MX3-107都具有轻稀土亏损的特征，从Sm到Lu略微增加，Smn/Ern≤1；而其它样品的石榴子石显示出轻稀土亏损、中稀土—重稀土含量变化的正弦态（sinusoidal）的曲线，Smn/Ern＞1。

图5 Jericho橄榄岩包体的(a)单斜辉石微量元素蛛网图和(b)稀土元素蛛网图，(c)石榴子石微量元素蛛网图和(d)稀土元素蛛网图（微量元素和稀土元素分别使用原始地幔和球粒陨石成分进行了标准化McDonough and Sun, 1995)Fig. 5 Patterns of trace elements and REEs in clinopyroxene (a-b) and garnet (c-d) from peridotite xenoliths in the Jericho kimberlite pipe (Concentrations of trace elements and REEs are normalized to primitive mantle and chondrite abundances,McDonough and Sun 1995, respectively)

6 橄榄岩包体的平衡温压估计

6.1 主量元素矿物温压计

根据前人对常用地幔矿物压力计和温度计的总结（吴春明, 2009; Wu and Zhao, 2011; Nimis and Grütter, 2010, 2012），本文使用的矿物压力计和温度计如表5所示。对于尖晶石相橄榄岩，本文使用Köhler 和 Brey（1990）橄榄石—单斜辉石压力计和Brey 和 Köhler (1990)的二辉石温度计。对于尖晶石—石榴子石过渡相和石榴子石相橄榄岩，先使用石榴子石—斜方辉石压力计（Nickel and Green, 1985; Taylor, 1998）获得平衡压力，然后分别使用Taylor （1998）的二辉石温度计、Nimis 和Taylor（2000）的单斜辉石温度计、Ravna（2000）石榴子石—单斜辉石Fe-Mg温度计估算平衡温度。本文使用由Sergey K. Simakov和Dmitry V. Dolivo-Dobrovolsky开发的主量元素温压计程序PTQuick，获得理论平衡压力和平衡温度两条线的交点，因此每一组温度计对应的压力值不同（表6）。由于Taylor（1998）只是对Nickel 和 Green（1985） 的石榴子石—斜方辉石压力计进行了校正，二者的压力结果误差小于5%，因此表6只列出了使用Nickel和 Green（1985）石榴子石—斜方辉石压力计获得的PNG85Grt-Opx结果。

表5 本文使用的地幔矿物温度计和压力计Table 5 Thermometry and barometry of mantle minerals used in this study

对于5个尖晶石—石榴子石橄榄岩和石榴子石橄榄岩样品，使用Taylor（1998）二辉石温度计获得的平衡温度为575~1109℃，比Nimis 和 Taylor（2000）单斜辉石温度计的计算结果高16~25℃（表6），这与Nimis 和 Grütter（2010）对地幔橄榄岩温度计的统计结果一致，表明二者都是可靠的地幔矿物温度计。而Ravna（2000）石榴子石—单斜辉石Fe-Mg温度计高估了橄榄岩样品的温度，导致压力PNG85Grt-Opx也显著偏高，样品28-4的TR00Grt-Cpx高达1512℃，比TT98Opx-Cpx高了669°C，也高出了上地幔橄榄岩的熔点，表明该温度计的误差较大。

表6 不同地质温压计获得的Jericho橄榄岩包体的平衡温度和压力Table 6 Equilibrium temperatures and pressures of the Jericho peridotite xenoliths calculated from different geothermometers and geobarometers

值得注意的是，残斑结构尖晶石—石榴子石橄榄岩42-5的压力PNG85Grt-Opx达到5.0 GPa，温度为1109℃，远高于其它样品2.4~3.6 GPa和575~843℃的温压范围。假定Slave克拉通的地壳厚度为40 km，地壳平均密度为2.85 g/cm3，上地幔平均密度是3.3 g/cm3，则根据PNG85Grt-Opx估算的样品42-5的来源深度为156 km，而其它样品的来源深度为78~116 km。

6.2 石榴子石—单斜辉石REE温压计

REE在石榴子石和单斜辉石中的分配系数DGrt/Cpx受温度、压力、矿物主量元素含量、稀土元素的离子半径的影响（Sun and Liang, 2013; Pickles et al., 2016）。根据高温高压下石榴子石-熔体和单斜辉石—熔体中的REE分配系数实验，Sun和Liang（2014）校正了石榴子石和单斜辉石中REE分配模型。Sun和Liang（2015）提出石榴子石和单斜辉石中REE分配系数(DGrt/Cpx)与平衡温度TREE和平衡压力PREE的热力学关系可用下式拟合：

其中A受控于石榴子石和单斜辉石的主量元素组成，B是矿物主量元素和稀土离子半径的函数。以ln(D)-A对B/1000 进行最小二乘法线性回归，直线的斜率和截距可以分别确定平衡温度TREE和f(PREE)。平衡压力PREE从f(PREE)计算获得：

本文使用Sun 和 Liang（2015）的石榴子石—单斜辉石REE温压计，估算了5个橄榄岩样品的平衡温压。如图6所示，所有样品的石榴子石和单斜辉石中的REE都基本保持了平衡，ln(D)-A对B/1000的线性回归拟合较好，REE在石榴子石和单斜辉石中保持了平衡。只有尖晶石—石榴子石二辉橄榄岩样品10-12A的Er显著偏离趋势线，在线性回归中Er的数据被排除，获得平衡温度TREE为941±38℃，平衡压力为4.2±0.7 GPa（图6a）。该异常是由于样品42-5的单斜辉石中Er含量显著降低（图5a-b），从而导致Er在石榴子石—单斜辉石中的分配系数呈现出异常高值 （图6f）。尖晶石—石榴子石二辉橄榄岩样品10-12A和26-11的TREE都高于对应的TT98Opx-Cpx，可能反映了岩石的逐渐冷却。石榴二辉橄榄岩28-4和石榴异剥橄榄岩MX3-107的TREE近似，分别为779±21℃和759 ±24℃，而二者的TT98Opx-Cpx分别为843℃和676°C，暗示了Slave克拉通岩石圈地幔的复杂组成和热演化历史，可能局部有热扰动。对于残斑结构尖晶石—石榴子石二辉橄榄岩样品42-5，TREE为1268±62℃，略高于TT98Opx-Cpx的1109℃，而PREE为2.8±0.7 GPa，显著低于PNG85Grt-Opx的5.0 GPa。

图6 (a-e) 使用石榴子石-单斜辉石REE温压计回归获得Jericho橄榄岩包体的平衡温度和压力，橘黄色圆点为排除在线性回归的元素；(f) REE在石榴子石-单斜辉石中的分配系数Fig. 6 (a-e) Inversions of temperature and pressure of the Jericho peridotite xenoliths using the REE-in-Grt-Cpx thermobarometer,and (f) Partitioning coefficients of REEs between garnet and clinopyroxene

7 讨论与结论

克拉通岩石圈地幔经历了从早期岩浆结晶、部分熔融到后期变质平衡和熔流体交代，由于主量元素和稀土元素在地幔矿物中的扩散速率不同，将不同温压计结合起来，可以为追溯岩石圈地幔的演化历史提供重要约束。Slave克拉通Jericho金伯利岩携带的橄榄岩包体提供了检验这一思路的机会。

前人研究表明Slave克拉通岩石圈地幔具有分层性，经历了显著的地幔交代作用（Kopylova et al., 1998, 2009）。单斜辉石和石榴子石中不相容元素的富集提供了地幔交代作用的证据。以西伯利亚克拉通Udachnaya橄榄岩包体为例，单斜辉石中轻稀土富集，Ti/Eu高、石榴子石具有正弦态的REE配分型式（Smn/Ern＞1），指示了金伯利岩浆的交代作用（Howarth et al., 2014），而石榴子石表现为轻稀土亏损，Sm到Lu平坦的稀土配分型式（Smn/Ern＜1），指示了硅酸盐熔体交代作用（Agashev et al., 2013）。在南非Kaapvaal克拉通金伯利岩携带的橄榄岩包体中，具有环带的石榴子石从中心到边缘就分别发育了这两种石榴子石REE配分模式，反映了富流体的地幔交代作用（张宏福等, 1999）。本文选取的9个橄榄岩样品中橄榄石的Mg#为91.09~93.19，从尖晶石橄榄岩、尖晶石—石榴子石橄榄岩到石榴子石橄榄岩依次降低，表明Slave克拉通岩石圈地幔浅部的部分熔融程度最高。橄榄岩样品42-5和10-12A中的金云母和韭闪石是显性地幔交代作用的标志，单斜辉石轻稀土富集（图5b）、石榴子石的两类REE分配模式（图5d），表明Slave克拉通岩石圈地幔经历了金伯利岩浆和硅酸盐熔体的地幔交代作用。

Kopylova 等（1998）使用主量元素估算Jericho橄榄岩包体的平衡温压，发现岩石圈地幔相对较冷，但是在160~190 km深度温度显著升高，反映了短暂的岩浆事件的影响。本文没有获得尖晶石相橄榄岩的可靠温压条件，使用Taylor（1998）二辉石温度计、Nimis和 Taylor（2000）单斜辉石温度计获得的含石榴子石粗粒橄榄岩的温度为575~843℃，压力为2.4~3.6 GPa，表明Slave克拉通岩石圈地幔温度较低，是典型的克拉通岩石圈。但是，残斑结构尖晶石—石榴子石二辉橄榄岩样品42-5具有较高的温度和压力（1109℃和5.0 GPa），石榴子石边缘形成了金云母，在金云母内可见晶型较好的细粒尖晶石（图2e-f），表明它经历了显性交代作用和两阶段折返历史。使用石榴子石—单斜辉石REE温压计，样品42-5的TREE为1268±62℃，略高于TT98Opx-Cpx的1109℃，而PREE为2.8±0.7 GPa。考虑到REE温度计保留的是岩石早期热历史，而且石榴子石—单斜辉石REE温压计的压力估计偏差较大（Pickles et al., 2016），因此，TREE可能记录了经历了早期金伯利岩浆交代作用的石榴子石橄榄岩平衡温度，该样品被后期金伯利岩浆从~156 km携带到尖晶石—石榴子石相深度，形成了金云母和尖晶石，然后再被Jericho金伯利岩筒喷发携带到地表。这一结果与Slave克拉通多期金伯利岩浆活动事件一致（Heaman et al., 2003; Helmstaedt, 2009）。

对Jericho橄榄岩包体的平衡温度和压力估算表明，在解释主量元素温度计和石榴子石—单斜辉石REE温度计获得的温度差异时，除了考虑岩石热演化的影响，首先需要确定数据质量。大多数地质温度计都需要先给出一个平衡压力，才能进行计算。对同一个样品，估算的平衡温度不仅受主量元素温度计本身的误差影响，也与使用的平衡压力有关。对于经历了多期岩浆—变质事件的橄榄岩，需要留意矿物成分从核部到边部的变化，以便分离主量元素在不同矿物对中的分配系数从平衡到非平衡态的P-T轨迹。

此外，等温、等化学成分实验表明压力对石榴子石—单斜辉石体系中REE分配的影响并不明显（Pickles et al., 2016），因此，石榴子石—单斜辉石REE温压计（Sun and Liang, 2015）的压力估算是否可靠，亟需更多的实验和天然样品来进行检验。微量元素的测量精度对使用Kohler 和 Brey （1990）橄榄石—单斜辉石压力计以及石榴子石—单斜辉石REE温度计至关重要。把电子探针与LA ICP-MS相结合，获得地幔矿物中主量元素和微量元素的可靠含量分布，可以为厘定岩石圈地幔的复杂演化历史提供有效约束。

致谢：感谢加拿大Maya G. Kopylova教授提供橄榄岩样品，Sergey K. Simakov提供PRQuick温压计程序，感谢吴春明研究员和张晓琪老师的宝贵意见。