地幔橄榄岩中橄榄石的指示意义

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1、第33卷第1期 2011牟3月 地球科学与环境学报 Journal of Earth Sciences and Environment Vo133 No1 Mar。2011 地幔橄榄岩中橄榄石的 指示意 义 汤艳杰，张宏福，英基丰，杨 蔚，赵新苗，苏本勋，肖 燕 (中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室。北京100029) 摘要：橄榄石是地幔橄榄岩和辉石岩的主要组成矿物，但也经常以斑晶和捕虏晶的形式出现在玄武质岩石中。结 合近年来在地幔橄榄岩的主要元素(如Mg和Fe)组成特征以及I i、Mg和Fe稳定同位素地球化学方面的研究成 果，重点对橄榄石的地球化学特征与华北克拉通岩石圈地

2、幔演化过程之间的联系进行了讨论，旨在加深对华北克 拉通岩石圈地幔演化过程的理解。现有研究表明：地幔橄榄岩中橄榄石的矿物学特征、元素和同位素地球化学组 成能够很好地指示岩石圈地幔的特征及其演化过程，因而具有重要的意义。对于克拉通地区的地幔橄榄岩来说，橄 榄石的Mg 通常可以指示岩石圈地幔的属性，古老、难熔的地幔橄榄岩中的橄榄石一般具有较高的Mg (92)，而 新生的岩石圈地幔橄榄岩中的橄榄石则具有较低的Mg (92)，while those from newly-aecreted lithospheric mantle are relatively low in Mg (91)As a resu

3、lt，olivine Mg of mantle peridotites has certain age significanceThe I i，Mg and Fe isotopic compositions of olivines in mantle peridotites can efficiently imply the 收稿日期： 基金项目： 作者简介： 2O100826 国家自然科学基金重点项目(90714008)；国家自然科学基金项目(40773026)；中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2一 YW一103) 汤艳杰(1973一)，男，河南南阳人，副研究员，理学博J：，从事

4、岩石地球化学研究。Email：tangyanjiemailigcas。acen 第1期 汤艳杰，等：地幔橄榄岩中橄榄石的指示意义 25 signature of lithospheric mantle and its evolutionary processes Key words：mantle peridotite xenolith；olivine；geochemistry；lithospheric evolution；North China Craton 0 引言 地球深部过程研究尤其是岩石圈地幔演化过程 的研究，有助于促进人类对大陆的形成和演化过程 的理解。更为重要的是，地球深部物质组成

5、特征和 深部圈层之间相互作用研究对于金属矿床成因认识 和矿产勘探具有实际的指导意义1 j。地幔橄榄岩 捕虏体和橄榄石捕虏晶是起源于地幔的岩浆(如金 伯利岩岩浆和玄武质岩浆)在向上迁移过程中所携 带的岩石圈地幔碎块或其解体矿物，它们是地幔岩 石学和地球化学研究的主要对象之一，具有地球深 部的“探针”之称，为研究地球深部物质组成特征和 演化过程提供了直接的样品。因此，它们在反演上 地幔属性和物质组成特征以及岩石圈地幔演化研究 中具有重要意义l5。州。作为地幔橄榄岩的主要组成 矿物，橄榄石通常占地幔橄榄岩中矿物体积分数的 60 以上，其元素和同位素组成特征在反演岩石圈 地幔的物质组成、性质以及长期演

6、化过程等方面发 挥了重要作用l】 。基于笔者所在的研究小组近年 来在中国华北克拉通地区地幔橄榄岩捕虏体岩石学 和地球化学研究方面的工作，这里着重对地幔橄榄 岩中橄榄石的主要元素组成特征口 和非传统稳定 同位素(如I ” 、Fe 和MgL。 )地球化学特征以 及它们所反映的岩石圈地幔性质和地幔演化过程进 行总结，目的在于展示橄榄石的组成特征对岩石圈 地幔演化过程的指示意义。 1 橄榄石主要元素特征及其指示意义 在中国华北克拉通地区，广泛发育着不同时代 的起源于上地幔的岩浆岩。例如，古生代含金刚石 的金伯利岩、中生代和新生代的玄武质岩石，包括玄 武岩、辉长岩和基性脉岩等 。在这些幔源岩石 中，不少

7、研究者相继发现了地幔橄榄岩捕虏体和橄 榄石捕虏晶(图1)，这为中国华北地区岩石圈地幔 特征及其演化过程研究提供了宝贵的样品。 根据地球分异理论，大陆地壳是原始地幔经 过部分熔融形成的。因此，典型的古老岩石圈地 幔亏损玄武质组分，具有难熔的化学组成，其主要 特征是存在高度难熔的方辉橄榄岩和难熔的二辉 橄榄岩 。一般情况下，太古代岩石圈地幔、元 古代到显生宙岩石圈地幔，其橄榄岩的主量元素 注：据文献L15，25J修改。 图1 华北克拉通地区橄榄岩捕虏体和橄榄石捕虏晶分布 Fig1 Sketch Map Showing Peridotite Xenolith and Olivine Xenocrys

8、t Localities on the North China Craton 组成由高度难熔过渡为不太难熔甚至饱满，而且 岩石圈地幔由以方辉橄榄岩为主过渡为以二辉橄 榄岩为主的岩石圈地幔；据推测，太古代大陆岩石 圈地幔是在大于150 km深度下的原始地幔经过 高程度部分熔融的残余 。因此，太古代和显 生宙的岩石圈地幔橄榄岩在矿物组成上存在着明 显的差异，最突出的表现就是其橄榄石的模式含 量及其化学组成的不同(图2)。 笔者在山西省繁峙地区新生代玄武岩所携带的 世 釜 橄榄石Mg 注：大洋型橄榄岩的熔体亏损趋势来自文献23；太古代、元古代 和显生宙分别表示全球典型地区不同时代地幔橄榄岩中橄榄石

9、Mg 的范围z63；方辉橄榄岩和二辉橄榄岩均为山西繁峙地区的 新生代玄武岩中的橄榄岩捕虏体；据文献25修改。 图2橄榄石Mg 与橄榄岩中橄榄石模式含量的关系 Fig2 Olivine Mg Versus Modal Contents in Peridotites 26 地球科学与环境学报 第33卷 地幔橄榄岩捕虏体样品中也发现了与上述差异相类 似的现象：该区的方辉橄榄岩样品中橄榄石因为具 有高Mg 的特征(图2)，而落在或者非常接近全球 典型太古代克拉通型地幔橄榄岩的范围内，显示了 古老、难熔的地幔橄榄岩的组成特征，表明这些方辉 橄榄岩样品很可能代表该区古老岩石圈地幔的残 余2 。相比之下，繁

10、峙地区的二辉橄榄岩全部落 在了显生宙二辉橄榄岩范围内。它们具有饱满的矿 物组成(低Mg )，并显示出大洋型橄榄岩的演化趋 势，这些特征与华北克拉通东部地区新增生的岩石 圈地幔具有相似性口 。然而，繁峙橄榄岩的Re-Os 同位素数据却给出了古元古代甚至太古代的熔体抽 取年龄，即岩石圈地幔橄榄岩形成年龄的最小估计， 这说明繁峙地区的二辉橄榄岩并不是来自新增生的 岩石圈地幔，而是来自“古老”的岩石圈地幔 。 然而，典型的古老岩石圈地幔橄榄岩在矿物组成上 是亏损的。那么，什么过程造成繁峙地区古老的岩 石圈地幔橄榄岩具有饱满的主要元素组成?经过详 细的岩石学和地球化学研究，笔者认为近期的软流 圈熔体一橄

11、榄岩反应可能是一个合理解释，由于熔体 的加入，造成该区难熔的(主要元素亏损)方辉橄榄 岩变成主要元素相对饱满的二辉橄榄岩2 ”。 。此 外，由于软流圈熔体与岩石圈地幔的相互作用，造成 了本区的玄武质岩石具有古老岩石圈地幔的一些地 球化学特征_3 蚓。所以，繁峙地区的二辉橄榄岩样 品代表了遭受近期软流圈来源的熔体一橄榄岩反应 改造的古老岩石圈地幔，而具有高Mg 特征的方辉 橄榄岩则代表本区残留的古老岩石圈地幔。这说明 地幔橄榄岩中橄榄石的Mg 具有一定的年龄指示 意义，能够在一定程度上指示岩石圈地幔的属性。 在野外工作中，地幔橄榄岩捕虏体并不常见，因 为许多幔源岩浆岩根本没有携带或者迄今尚未发现

12、 橄榄岩捕虏体。随着研究工作的逐步深入，许多研 究者在一些玄武质岩石中发现了大颗粒的橄榄石晶 体_3 _39_，其中，颗粒较大者粒径可达1 cm=4 】。经过 详细的镜下观察和电子探针成分分析研究，结果发 现许多大颗粒的橄榄石晶体并非玄武质岩石的斑 晶，而是地幔橄榄岩的解体矿物，即橄榄石捕虏 晶1 。 。通过对捕虏晶的研究同样可以得到反 映岩石圈地幔物质组成的信息，所以，捕虏晶的发现 在很大程度上弥补了一些地区的研究工作因缺乏地 幔橄榄岩捕虏体所造成的不足。 橄榄石捕虏晶大小不一，多呈浑圆状、次棱角状 且具熔蚀港湾 。它们具有明显的成分环带，在背 散射电子像图上表现为中心部分颜色深(灰黑色 灰

13、色，富Mg)，边缘颜色浅(灰白色一白色，富Fe)， 中心和边缘部分的宽度因颗粒而异1 。相比之 下，玄武岩中橄榄石斑晶多为半自形，少数为自形。 橄榄石捕虏晶中心部分的Mg 类似于河南省鹤壁 地区新生代玄武岩所携带的高Mg 橄榄岩捕虏体 中橄榄石的Mg (图3)，后者被认为是代表了该区 古老岩石圈地幔的残留4 。橄榄石捕虏晶从中心 到边缘MgO含量降低，而CaO和MnO含量升高。 橄榄石捕虏晶的边缘部分一般具有很低的Mg ，接 近于玄武岩中橄榄石斑晶的Mg 。 CaO含量是判别岩浆成因的橄榄石还是地幔 橄榄岩解体后残留橄榄石的一个十分有效的标志， 地幔橄榄岩中叫(CaO)01 4 ，而岩浆成因的

14、 橄榄石一般具有高的CaO含量3 。橄榄石捕虏晶 的CaO几乎都落在了地幔橄榄岩的范围内(图2)， 这些事实说明这些橄榄石捕虏晶来自地幔橄榄岩的 解体矿物。因此，大颗粒捕虏晶的中心部分具有与 地幔橄榄岩相似的化学组成，因而可以看作是古老 岩石圈地幔的直接样品，对它们的详细研究能够获 得岩石圈地幔性质及其演化过程的一些重要信息。 橄榄石捕虏晶的成分环带(边缘富Fe、中心富Mg) 可能是橄榄石与寄主岩浆反应没有达到平衡的产 物。关于橄榄石捕虏晶环带的这种形成过程，张宏 福等已经做了较为详尽的论述l3 。张宏福等在中 生代玄武岩中发现了具环带结构的橄榄石捕虏晶， 得出橄榄石与玄武质岩浆的相互反应可能

15、在华北中 生代岩石圈地幔中普遍存在的结论，并认为这种相 互作用是岩石圈地幔组成转变的重要方式之一，从 而为岩石圈地幔演化研究提供了新的思路口引。这 一推论得到了随后越来越多的实验观察和研究结果 的支持 驼 引。 华北克拉通地幔橄榄岩捕虏体中橄榄石Mg 统计结果显示不同时代的地幔橄榄岩具有较大差异 (图4)。总的来说，古生代金伯利岩中橄榄岩捕虏 体的橄榄石Mg 较高，这与它们古老的形成年龄相 一致_3 “ ，表明古老的岩石圈地幔经历了高程度 的部分熔融；新生代玄武岩所携带的橄榄岩中橄榄 石Mg 较低，而赋存于中生代玄武质岩石的地幔橄 榄岩中橄榄石的Mg 范围介于古生代和新生代地 幔橄榄岩之间，说

16、明中生代岩石圈地幔比新生代岩 石圈地幔难熔(Mg 偏高)，这与橄榄岩的同位素地 球化学研究结果相一致。在同位素组成上，中生代 岩石圈地幔具有同位素富集的特征H ，而新生代 第1期 汤艳杰，等：地幔橄榄岩中橄榄石的指示意义 27 G 04 03 O 2 O，l O O1 0 。 口 碱性橄榄玄武岩 新 古 新生代捕虏晶 口中生代捕虏晶 玄武岩中斑晶 目玄武岩中基质 O高M 橄榄岩 低M 橄榄岩 口 50 55 60 65 7O 75 80 85 90 95 a Mg与MnO含量关系 79 81 83 85 87 89 9l 93 95 b Mg MnO含量关系(局部 75 8O 85 90 95 c M 与CaO含量关系 注：新生代捕虏晶代表山西昔阳一平定和河北井陉地区新生代玄 武岩中的橄榄石捕虏晶4oj；高Mg 橄榄岩和低Mg 橄榄岩分 别代表河南鹤壁地区新生代玄武岩所携带的高Mg 和低Mg 橄榄岩捕虏体中橄榄石组成 ；新生