微量元素在岩石成因研究中的应用 - 图文

微量元素在岩石成因研究中的应用 20131000380范伟国 微量元素在岩石成因研究中的应用

-----大洋玄武岩和埃达克熔体成因分析

20131000380 011134班

范伟国

改革开放以来，我国社会经济各个方面发生了深刻而快速的转型，取得了举世瞩目的成就在创新型国家战略目标的引导下，我国科学技术实现了高速发展，地球化学这门学科也同样处在历史最佳发展时期。在此背景下，与同位素组成一样，微量元素组成也是研究各种地质—地球化学作用过程的重要工具。本文我们主要利用微量元素组成的变化特征来分析岩石成因及其演化信息。

1.大洋玄武岩成因

地幔的不均一性一直被认为是由于地壳物质的加入，而地壳物质加入地幔的途径有地壳拆沉和板块俯冲等，其中最主要的是板块俯冲，这也是地球成分分异的主要驱动力，同时又是造成地幔不均一性的最基本原因[Pilet S,Hernandez J，Sylvester P，Poujol M.The metasomatic alternative for ocean island basalt chemical heterogeneity.EPSL，2005，236：148～166]。俯冲进入地幔的地壳组分包括四点：洋壳玄武岩及其上覆沉积物、大洋岩

石圈地幔、路壳结晶基底及沉积盖层、大陆岩石圈地幔。这些物质通过俯冲进入地幔，部分熔融交代或变质脱水地幔岩石，造成地幔岩石圈地球化学的不均一性。

过去很难直接观察到俯冲带深部，所以主要依赖原始大洋弧玄武岩OAB与正常洋中脊玄武岩MORB的对比或者实验模拟一定温压下的MORB变质脱水或部分熔融交代来间接反推出板块俯冲的主要过程。但是地壳中的元素会随着俯冲深度增加，岩石在变质脱水或部分熔融交代过程中会发生元素分异，理解此类过程对大洋玄武岩的分析具有重要意义。

由于某些副矿物会显著富集某些元素（如大洋俯冲带榴辉岩中的多硅白云母是大离子亲石元素LILE的主要载体，褐帘石是轻稀土LREE和Th的主要载体，而金红石是高场强元素HFSE的主要赋存矿物[Hermann J.Allanite:Thorium and light rare earth element carrier in subductingcrust.Chem Geol,2002,192:289～306]），因此这些矿物在板块俯冲时的稳定

性对交代熔体或流体的组成有着巨大的影响。因此，如果变质脱水或者部分熔融交代发生时这些矿物作为稳定的残余相存在，那么必定会对富水流体或含水熔体中的某些元素含量（如Ti、P、Zr、Th和LREE）和一些元素的比值（如Th/La、Ce/Pb和Zr/Hf）产生显著影响。由

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微量元素在岩石成因研究中的应用 20131000380范伟国 于俯冲带中变质流体可以是富水流体、含水熔体和超临界流体，在不同深度不同岩性的岩石中释放的变质流体元素含量会有明显差异。实验表明，俯冲板片中含水熔体比富水流体更能有效的溶解和迁移LILE和LREE，而超临界流体对元素的迁移能力主要取决于其具体的组分，通常其更容易搬运一些不活动元素：HFSE和重稀土HREE。对MORB体系来说，超临界流体可在3.4GPa/770℃时出现，对应深度100km左右(1GPa=35km)。据此可以推测，大多数大陆或大洋俯冲带深部流体均为超临界流体。如果这些流体交代上地幔楔，会形成从拉斑玄武岩到碱性玄武岩的系列组成，造成这些差异的原因是流体交代成分和交代深度的差异。

大洋玄武岩的Sr-Nd组成普遍表现为相对亏损的特点，表明其源区为亏损的正常软流圈地幔。对于OAB大洋弧玄武岩和OIB洋岛玄武岩来说，其特征的微量元素分布指示（图1），其地幔源区不是正常软流圈地幔，而是受到交代的富化地幔。某些玄武岩在Sr-Nd和不相容元素组成上显著富集，表明其源区可以由亏损地幔与地壳物质的混合组成。在微量元素分布模型中Nb-Ta的亏损和富集取决于进入地幔的地壳组分在形成时金红石的稳定和分解。如果洋壳玄武岩及其上覆沉积物在俯冲带变质脱水或局部熔融，但金红石依然处于稳定状态，那么就会形成亏损的Nb-Ta流体或熔体并且交代地幔楔橄榄岩，形成亏损的地幔源区，由此就形成了IAB岛弧玄武岩。如果洋壳俯冲到100km左右时，作为HFSE的主要赋存矿物金红石被超临界流体溶解并迁移，在这个温压条件下，交代地幔橄榄岩形成Nb-Ta不亏损的富辉石超镁铁质岩石，由此部分熔融形成OIB洋岛玄武岩。总体来说，大洋玄武岩的地化特点可用大洋俯冲板片-地幔相互作用模型解释（图2），但是在讨论镁铁质岩石是应该结合主量元素、同位素分析。

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微量元素在岩石成因研究中的应用 20131000380范伟国 图1 洋岛玄武岩、大陆弧安山岩、大洋弧玄武岩和洋中脊玄武岩的微量元素分布蛛网图

图2 大洋俯冲带之上板片-地幔相互作用与岛弧玄武岩和洋岛玄武岩的成因、

2.埃达克岩与埃达克质岩成因猜想

埃达克岩的原始定义是产生在俯冲消减环境由板片熔融形成的一套中酸性火山岩，其独特的地球化学特征就是亏损HREE与Y、高Sr、La/Yb，一般具有正铕异常（少数具有极弱负

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微量元素在岩石成因研究中的应用 20131000380范伟国 铕异常），我们将此特征称为埃达克质地球化学成分特征。埃达克质岩指具有埃达克质地球化学成分特征[张旗，王焰，钱青等。中国东部燕山期埃达克岩的特征及其构造-成矿意义。岩石学报，2001，17：236～244]，但不是板片熔融形成的火成岩的统称。

埃达克岩与埃达克质岩的形成条件一直存在争议，无论是埃达克岩还是埃达克质岩，其可形成在不同的构造环境，它们形成过程特别是埃达克质岩成因是多样的，但是它们都是由具有埃达克质地球化学成分的熔体或岩浆结晶形成。本文所指的埃达克熔体是指?镁铁质的源岩在石榴子石或金红石为残余相条件下部分熔融形成；?中基性岩浆在石榴子石或金红石稳定相条件下经历高压分离结晶或者相同条件下通过岩浆混合过程形成的中酸性熔体。玄武岩质的高温高压熔融实验是限定埃达克质熔体形成条件的最佳途径[Rapp R P，Shimizu N，Norman M D，Applegate G S.Reaction between slad-derived melts and peridotite in the mantle wedge:experimental constraints at 3.8GPa.Chemical Geology，1999，160：335～356]。

埃达克质熔体由变质玄武岩在俯冲带或下地壳熔融产生，高温高压熔融实验是推测埃达克岩形成的过程及条件的关键。针对埃达克岩独特的微量元素特征，特别是Ti、Nb、Ta亏损，通过一些高端实验技术开展变质玄武岩体系相平衡和部分熔融实验，揭示金红石是导致埃达克熔体Ti、Nb、Ta亏损的必要残余矿物，可以大致的给金红石在变质玄武岩体系稳定的温压条件划定一个范围。由于金红石稳定的最小压力是1.5CPa，所以埃达克质熔体产生的深度大于50km.

现有的微量元素分配系数很难满足埃达克岩成因模拟的需要，通过高温高压实验，系统测定了变质玄武岩部分熔融过程中角闪石、石榴子石、单斜辉石和金红石与熔体之间27个微量元素的分配系数，进而使用这一套分配系数限定埃达克质熔体主要由含金红石角闪榴辉岩熔融产生，而不是由角闪岩或者无角闪石的榴辉岩熔融产生。因此我们可以把含金红石角闪榴辉岩熔融的过程当作是埃达克质熔体产生的最佳模型，进而推测埃达克岩与埃达克质岩的成因。

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