岩石矿物学杂志.pdf

书书书 第 卷第 期 年 月 岩石矿物学杂志 山东荣成马草夼橄榄岩矿物地球化学研究 任玉峰高翔杨经绥胡明月贾泽荣 国土资源部 大陆动力学实验室中国地质科学院 地质研究所北京 中国地质大学 光衍射实验室北京 国家地质实验测试中心北京 摘要 马草夼橄榄岩位于苏鲁超高压变质带山东荣成腾家集附近其原岩为残余地幔方辉橄榄岩经历了超高压变 质作用和后期麻粒岩 角闪岩相变质作用 对马草夼橄榄岩及侵入于其中的辉石岩脉和角闪岩脉的主要矿物橄榄石 斜方辉石和角闪石做了单矿物微量元素和稀土元素地球化学分析结果表明 和 在橄榄石中含量最高且富集在 斜方辉石和角闪石中含量低且亏损 由于橄榄石在全岩中含量高达 以上因而全岩 富集 虽然角闪石在 全岩中体积含量仅占 但斜方辉石和橄榄石的微量和稀土元素含量远远低于角闪石故全岩的微量 除 外和稀土元素化学特征受控于角闪石 斜方辉石橄榄石与角闪石的微量和稀土元素分布特征基本相同辉石岩脉和 角闪岩脉中的角闪石比地幔橄榄岩中的角闪石更富集微量和稀土元素 微量和稀土元素地球化学特征显示马草夼橄 榄岩至少受到了含 的流体富含 的硅酸盐流体和少量低 的碳酸盐地幔流体的多次交代 流体交代发生于超高压变质后期浅部地幔驻留期间 马草夼橄榄岩所处的氧逸度相对于 为 落 入正常大陆地幔的范围在折返过程中未受到壳源流体的影响保持了地幔氧同位素特征 关键词 橄榄岩矿物微量和稀土元素氧同位素氧逸度荣成山东 中图分类号 文献标识码 文章编号 收稿日期 修订日期 基金项目 项目 中国地质调查局项目 中国地质科学院重点实验室基金资助项目 作者简介 任玉峰女研究员长期从事矿物学岩石学研究工作 地质背景 马草夼橄榄岩地处苏鲁超高压变质带东北端的 山东省荣成市腾家集附近图 呈不规则的卵圆 状分布于本区大面积出露的新元古代花岗闪长质片 麻岩中 该片麻岩中产出的榴辉岩块大理岩块及 片麻岩本身均经历了超高压变质作用叶凯等 图 荣成地区地质简图 橄榄岩 榴辉岩 片麻岩 大理岩 花岗岩 第四系 岩石产状 绿片岩相变质带 苏鲁 大别高压超高压变质带 钻孔位置 在该橄榄岩上实施了 的科学钻探 经详 细的岩石学研究岩石主体原岩为亏损的地幔方辉 橄榄岩被岩浆成因的辉石岩脉和角闪岩脉所切割 图 橄榄岩主要矿物组成为橄榄石 斜方辉石 角闪石 尖晶石 镍硫化物 和单斜辉石 图 其中橄榄石发生了不同程度的 蛇纹石化 在该岩石中还发现了呈团簇状分布的微 米级细粒石榴石 根据该岩石的矿物组合和结构 笔者认为该岩石经历了早期部分熔融中期超高压 变质和后期的退变质交代作用任玉峰等 图 地幔橄榄岩中穿插的岩浆岩脉 橄榄岩 方辉岩 角闪岩脉依次呈暗色灰白色深灰色 具条带构造 地幔橄榄岩中穿插的方辉岩脉 岩石矿物学杂志第 卷 图 马草夼地幔橄榄单偏光照片 在该橄榄岩中发现有 条岩浆成因的岩脉包 括辉石岩脉 和角闪岩脉 后者与橄 榄岩和辉石岩一起呈条带状分布于地幔橄榄岩中 图 任玉峰等 橄榄岩的矿物化学成分 完全不同于地幔橄榄岩 辉石岩脉和角闪岩脉厚度 前者 由顽火辉石 角闪石 和橄榄石 组成后者由韭闪石 和黑云母 组成 这些岩脉与地幔橄榄岩之间界限清晰 从全岩化学分析知该地幔橄榄岩轻稀土元素 富集重稀土元素亏损任玉峰等 那么这 些微量和稀土元素存在于何种矿物中 在长期的地 幔岩演化过程中该岩石所处环境的氧逸度是否有改 变 与该地幔橄榄岩相伴的具有侵入体性质的岩脉 的地球化学特点是什么 本文从岩石地球化学的角 度对此展开了探讨 分析方法 矿物的微量和稀土元素分析在国家地质研究测 试中心完成 采用 等离子质谱 仪配合 激光器对厚约 的岩石薄片中的矿物进行了原位分析 激光光斑直 径为 采用的玻璃标样为美国国家标准技术 研究院研制的标准 和德国马普化学所提供 的标准物质 结合橄榄岩中矿物的电子探针 数据进行校正 绝大多数元素含量检出限可达到 至 在 内重复测定标准物质痕量 元素分析精度为 分析的矿物有角闪石斜方辉石和橄榄石 其 中角闪石来自地幔橄榄岩 辉石岩脉 和角闪岩脉 斜方辉石来自地幔橄榄岩 中的残余辉石斑晶和细粒低钙辉石 辉石岩 脉 橄榄石来自地幔橄榄岩 橄榄 石粒径细小多在 裂隙发育再加上 薄片厚度大可供分析的数据偏少但已具有一定的 代表性 氧同位素分析在中国地质科学院矿产资源研究 所氧同位素实验室完成 采用常规的 氧同位 素制样方法利用质谱仪 分析采用国 际标准 分析精度为 分析样品为单 矿物橄榄石斜方辉石和角闪石 其中橄榄石和斜 方辉石残余斑晶是从 个地幔岩样品破碎后挑选 出来的 角闪石是从角闪岩脉 中挑选的 矿物微量元素地球化学 表 为橄榄石斜方辉石角闪石的单矿物微量 元素地球化学分析结果 与原始地幔岩的 相 比 橄榄岩全岩表现为 富集 任玉峰等而单矿物微量元素显示表 仅 橄榄石表现为富集 其他矿物 含量 均低于原始地幔表现为亏损 因此橄榄岩中 和 主要存在于橄榄石中 由于橄榄石占到原岩 矿物体积的 蛇纹石占约 其他矿物 因此全岩仍然表现为 富 集 但值得注意的是该橄榄岩同苏鲁其他橄榄岩 块一样含有包括镍黄铁矿和赫硫镍矿 在内的镍硫化物它们分布于蛇纹石中 多呈不规则的形态与磁铁矿交生在一起图 从 岩石微量元素地球化学知蛇纹石化强烈的 个样 品其 正异常程度低于蛇纹石化弱的岩石任 玉峰等表明这些元素在流体的作用下有一 定的迁移使 有所降低 与橄榄岩相邻的片 麻岩中几乎看不到镍硫化物和磁铁矿 可见蛇纹 石化及硫化物的生成仅限于橄榄岩内部 等 认为这些硫化物为残余地幔熔体但根据橄 榄石富含 且 硫化物常与磁铁矿呈交生 结构分布于蛇纹石中笔者认为这些 硫化物 第 期任玉峰等山东荣成马草夼橄榄岩矿物地球化学研究 极可能是橄榄石蛇纹石化从橄榄石分离的产物或 橄榄岩受到含镍流体的交代使 增加后期蚀 变使 从橄榄石中分离以硫化物方式出现 图 马草夼橄榄岩中镍黄铁矿和磁铁矿的 交生结构扫描电镜照片 从表 知橄榄石中除 外其他微量元素 含量极低远远低于辉石和角闪石 从图 矿物微量 元素平均含量相对于原始地幔的分布方式可以看出 橄榄石和斜方辉石的微量元素都是亏损的除 外而角闪石中许多微量元素如 是富集的 矿物中所含微量元素的变化趋势与岩石 基本一致如 显示负异常 显示 图矿物微量元素平均含量相对于原始地幔分布图 橄榄石 斜方辉石 角闪石阴影岩石 原始地幔 正异常图 橄榄岩中的斜方辉石残余斑晶与基质 中细粒低铝斜方辉石微量元素含量区别不大表 具岩浆性质的斜方辉石其微量元素含量变化趋势类 似于橄榄岩中的残余辉石而且相对与原始地幔也 是亏损的图 角闪石中大离子亲石元素 是富集的 呈正异常 强 烈亏损呈负异常高场强元素 较平坦 岩 浆成因的角闪石与橄榄岩中的角闪石相比主元素组 成几乎完全相同任玉峰等但所含的 均高于地幔岩中的角闪石尤其是 相对 于原始地幔是富集的而在后者中总是亏损的表 这与角闪岩脉内可见副矿物钛铁矿后者仅见到副矿 物铬铁矿和磁铁矿是一致的任玉峰等 所有 脉岩 中矿物 含量均高于残余地幔 岩中的矿物 矿物稀土元素地球化学 表 为橄榄石斜方辉石角闪石的单矿物稀土 元素地球化学分析结果 橄榄石和辉石的稀土元素 含量极低几乎不含稀土而角闪石的稀土元素含量 极高且辉石岩脉中和角闪岩脉中的角闪石的稀土含 量高于橄榄岩中的角闪石图 从橄榄岩的稀土 元素含量来看稀土元素总量为 其中轻稀土元素在 任玉峰等 而对于单矿物角闪石稀土 图 矿物稀土元素平均含量相对于原始地幔分布图 橄榄石 斜方辉石 角闪石阴影岩石 原始地幔 第 期任玉峰等山东荣成马草夼橄榄岩矿物地球化学研究 元素总量为 轻稀土元素 为 其中角闪岩脉中的角 闪石稀土元素总量 轻 稀土元素 与原始地幔 岩相比 种角闪石均表现为轻稀土元素富集重稀 土元素亏损 与岩石稀土元素分布模式相比较图 可知橄榄岩全岩稀土元素的特征及其贡献主要 来自角闪石 矿物氧同位素 橄榄石的 值为 表 与仰口 石榴石橄榄岩的橄榄石 一致 但比正常地幔橄榄石氧同位素比值 偏低这可能与测试方法有关 采用传统的单矿物 粉末方法由于橄榄石颗粒很细不易剔除边缘和内 部蛇纹石的影响 而采用激光熔样对单颗粒矿物分 析的方法能够避开蛇纹石的影响 显然该比值比 壳源石榴石橄榄岩原岩为侵入地壳的橄榄岩后 来经历了超高压变质作用橄榄石的单颗粒氧同位 素比值 高的多李天福等 仍 然反映了马草夼橄榄岩中橄榄石来自地幔而非地 壳 橄榄岩中斜方辉石残余斑晶的氧同位素比值为 表 反映了地幔氧同位素特征 来自岩浆 成因的角闪石也显示了地幔氧同位素特征为 表 接近于含水的地幔橄榄岩中角闪石氧同位 素比值 范围 另 外斜方辉石和角闪石氧同位素差值 表明该地幔橄榄岩与角闪岩脉的氧同位素之 间是平衡的 因此马草夼橄榄岩中的辉石岩脉和 角闪岩脉均为残余地幔进一步熔融产生的熔体结晶 的产物而且后期均未受到地壳流体的改造 表 造岩矿物氧同位素分析结果 样品号单矿物 橄榄石 斜方辉石斑晶 角闪石岩脉 岩石氧逸度 对于马草夼橄榄岩根据橄榄石尖晶石和斜方 辉石的探针数据任玉峰等利用 和 有关 在斜方辉石中溶解度的温度 计 和 有关尖晶石 橄榄 石中 和 在斜方辉石中溶解度的温度计以及 等有关橄榄石 尖晶石 交换 反应温度计计算出在尖晶石橄榄岩压力范围内共 同温度范围在 在此基础上根据 等有关橄榄石 斜方辉石 尖晶石的氧逸 度关系式适用范围 计算出马草夼橄榄岩氧逸度在 大多在 之间与大陆地幔橄榄岩氧逸 度数据相一致 表明地幔交代伴随者岩石的氧化作用 残余地幔已经历地幔流体的普遍改造 讨论 马草夼橄榄岩主体原岩为方辉橄榄岩与 钻孔中的石榴石方辉橄榄岩和无石榴石的橄榄岩有 相似矿物组合特征李天福等 不同的是马 草夼橄榄岩含角闪石和少量微米尺度的石榴石几 乎不含云母少量仅见于辉石和角闪岩脉个别样 品中含有少量的他形且成分不均匀的白云石菱镁 矿仅以包体方式出现在橄榄石中 据矿物组合和温 压计算该岩石经历了超高压变质作用任玉峰等 前人对中国东部岩石圈地幔岩做了大量的 研究 张宏福等郑建平等 郑建平等提出华北克拉通岩石圈主体至少保 留到早古生代与扬子板块俯冲碰撞之前中国东部 岩石圈地幔的交代作用发生在超高压变质作用后 而且交代流体与华北 扬子地块碰撞产生的流体有 关 等研究了中国东部玄武岩中尖晶石 和石榴石橄榄岩微量元素地球化学特征提出橄榄 岩的变质交代作用发生在玄武岩喷发前不太长的时 间内即地幔交代作用不是在残余地幔形成后就开 始的 任玉峰等认为马草夼橄榄岩在超高压 变质作用后在浅部地幔发生了麻粒岩相 角闪岩相 变质交代事件 等认为流体缺乏 是导致超高压变质过程中初始和低压相存在的主要 原因 研究了约 个地幔橄 榄岩中等不相容元素 所代表的橄榄 岩分离熔融模式提出所有的橄榄岩无论其形成于 第 期任玉峰等山东荣成马草夼橄榄岩矿物地球化学研究 何种构造背景其在地幔中平衡成为地幔残余的压 力均小于 即为尖晶石相而呈石榴石相的橄 榄岩是在汇聚边界俯冲到更深部位的结果 从马草 夼橄榄岩岩相来看保留有早期地幔残余的特征如 含有具透辉石 铬铁矿出溶体的高铝顽火辉石残余 斑晶而微米级石榴石 细粒低铝顽火辉石组合表 明岩石曾从地幔浅部俯冲到深部或者浅部地幔橄 榄岩受陆 陆碰撞形成的挤压应力作用所处深度并 未加大而压力增大发生了榴辉岩相超高压变质作 用 据郑建平等对 钻孔橄榄岩的 研究和 等对来自壳源橄榄岩和幔 源橄榄岩主元素和微量元素地球化学对比研究我 们认为马草夼橄榄岩应属于华北克拉通地幔残余 且经历了超高压变质作用 马草夼橄榄岩的主要矿物为橄榄石 蛇纹石 其次为斜方辉石和角闪石 从前面矿物的微量和稀 土元素分析知除 外马草夼橄榄岩全岩稀土 和微量元素的主要贡献者为角闪石斜方辉石和橄 榄石几乎不含稀土这与角闪石中含有离子半径较 大的 和 可与大离子亲石元素和稀土元素 相互取代有关 当岩石中含有单斜辉石和石榴石 全岩微量和稀土元素含量将受控于它们 当岩石中角闪石的模式含量较高时角闪石 所含微量元素将超过单斜辉石和石榴石 因此马草夼橄榄岩中橄榄石斜方辉石不 是容纳微量和稀土元素的主体这与 等 的研究结果是相一致的 但特别注意的是 这 两种微量元素主要赋存在橄榄石中 当橄榄岩受到含水硅酸盐流体交代岩石将富 集大离子亲石元素和高场强元素而受到碳酸盐流 体交代时岩石将富含大离子亲石元素轻稀土元 素和 但高场强元素含量低 通 常这两者流体均存在 马草夼橄 榄岩表现为轻稀土元素富集重稀土元素亏损具明 显的 正异常 强烈亏损而 相 对 呈正异常 笔者认为马草夼橄榄岩可能受到 多期流体的交代包括含水硅酸盐流体和少量低 的碳酸盐流体的相互作用使岩石强烈亏损 和 高场强元素平坦 其交代流体特征与仰口石榴石 橄榄岩 和芝麻坊橄榄岩 李天福等有所差别 对于侵入到橄榄岩中 的辉石岩脉和角闪岩脉其基性程度高应为地幔橄 榄岩重熔的产物可能形成于超高压变质之前也可 能形成于超高压变质中或稍晚的阶段 这需要进一 步的研究证据 从矿物微量和稀土元素的分布模式来看岩石 的微量和稀土元素分布模式是单矿物分布模式及各 元素丰度变化的综合 由于辉石岩脉和角闪岩脉中 角闪石 辉石的含量远远大于橄榄岩中角闪石的含 量因此脉岩中相应的微量和稀土元素比橄榄岩中 的更富集且其分布模式完全取决于角闪石 前人对尖晶石橄榄岩石榴石橄榄岩和含金刚 石橄榄岩 以 及含水地幔橄榄岩 的氧同位 素研究表明橄榄石辉石石榴石及角闪石的 在 之间其中 橄榄石 石榴石 尖晶石 单斜辉石 斜方辉石含水和无水的橄 榄岩氧同位素并无系统差别说明地幔内流体被橄 榄石的氧同位素所缓冲流体循环沉淀出角闪石云 母或地幔流体氧同位素与地幔氧同位素组成相同 储雪蕾等于慧敏等 对中国东 部玄武岩中地幔橄榄岩包体同位素研究表明其单 矿物氧同位素比值均落入正常地幔氧同位素的范围 内但矿物之间存在氧同位素分馏并将其归因于各 种地幔流体的交代 对于苏鲁地区经历了超高压变 质作用的地幔橄榄岩 如仰口的石榴石橄榄岩 和芝麻坊橄榄岩