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)

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[1-4]。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[5-14]。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、性质以及长期演化过程等方面发挥了重要作用[15]。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[16]和非传统稳定同位素(如Li[17-18]、Fe[19]和Mg[20])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[21-22]。在这些幔源岩石中,不少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。

图1 华北克拉通地区橄榄岩捕虏体和橄榄石捕虏晶分布Fig.1 Sketch Map Showing Peridotite Xenolith and Olivine Xenocryst Localities on the North China Craton

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[23-24]。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[9,24,26]。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)。

图2 橄榄石Mg#与橄榄岩中橄榄石模式含量的关系Fig.2 Olivine Mg#Versus Modal Contents in Peridotites

笔者在山西省繁峙地区新生代玄武岩所携带的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[23,26]。相比之下,繁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[27]。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[28-30]。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-橄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[25,31-33]。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[34-35]。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-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[36-39],其中,颗粒较大者粒径可达1 cm[40]。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[15,38,40-41]。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[40]。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—灰色,富Mg),边缘颜色浅(灰白色—白色,富Fe),中心和边缘部分的宽度因颗粒而异[15,38,40]。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[42]。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-w(CaO)<0.1%[43],而岩浆成因的橄榄石一般具有高的CaO含量[36]。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[38]。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[38]。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[18,25,32,44-46]。

图3 橄榄石的Mg#与MnO和CaO含量的关系Fig.3 Mg#Versus Contents of MnO and CaO in Olivines

图4 华北克拉通地区地幔橄榄岩中橄榄石Mg#的变化Fig.4 V ariable Range of Olivine Mg#in Mantle Peridotites from the North China Craton

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[32,47-48],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[49-51],而新生代岩石圈地幔的同位素组成接近于亏损地幔[27,54-56]。结合进一步的岩石学和地球化学研究,上述现象说明新生代岩石圈相对低Mg#的橄榄岩很可能是古老橄榄岩与软流圈来源的熔体相互作用的结果[12,16,25,46],这种改造过程不仅造成橄榄岩具有饱满的主要元素组成特征,而且使其原来富集的同位素特征变得相对亏损[18,31,57]。新生代地幔橄榄岩中橄榄石Mg#显示了较大的变化范围,部分样品的Mg#与古生代金伯利岩中的橄榄岩相重叠,说明华北克拉通在新生代时期仍然在部分地区(如河南鹤壁地区[42]和华北西部地区[29])残存古老的岩石圈地幔;部分新生代地幔橄榄岩捕虏体中橄榄石分布在原始地幔组成范围内,而且很多样品具有极低的Mg#,这说明华北一些地区的岩石圈地幔为新增生的岩石圈地幔(如华北东部郯庐断裂带及其附近地区[46,52,55,58-60]),部分样品Mg#极低很可能指示部分新增生的地幔也受到了熔体改造[12]。因此,橄榄岩捕虏体中橄榄石的Mg#很好地指示了华北不同时代地幔橄榄岩的组成特征及其可能经历的演化过程。

需要说明的是,橄榄石Mg#的指示意义同样适用于世界上其他古老克拉通地区的地幔橄榄岩,而对于造山带的地幔橄榄岩来说,上述指示作用则不适用,因为造山带地幔橄榄岩可能经历了更为复杂的演化过程。由于篇幅所限,世界上其他地区的地幔橄榄岩中橄榄石的地球化学特征及其所指示的地幔演化过程将另文发表。

2 橄榄石Li同位素特征及其指示意义

相对于传统的稳定同位素(如C、H和O)而言, Li、Mg和Fe同位素是新兴的稳定同位素,即非传统同位素,它们在岩石圈演化研究中发挥了日益重要的作用[61]。以Li同位素体系为例,Li有两种稳定同位素:6Li(大约7.5%)和7Li(大约92.5%),由于Li同位素系统自身的优越性,它能够提供与传统的放射性同位素互为补充、不可或缺的信息[61-63]。关于地球上不同储源的Li同位素组成以及Li同位素在近地表、俯冲带以及地幔橄榄岩中的行为已经进行了概括的总结[17,62,64-65],在此不再赘述。

图5 地幔橄榄岩捕虏体中橄榄石的Li含量与Li同位素组成δ7Li关系Fig.5 Diagram Showing Olivine Li Content Versusδ7Li in Mantle Peridotite Xenoliths

图5简单概括了Li同位素在岩石圈地幔橄榄岩和俯冲带的地球化学行为:初始俯冲的低温蚀变洋中脊玄武岩(MORB)的δ7Li为(4.5～14)× 10-3[66-67],它们要高于新鲜MORB的δ7Li((1.5～6.5)×10-3)[68-69]。俯冲板片的δ7Li将随着俯冲、脱水过程而降低[70-71],而俯冲板片所释放的流体具有高δ7Li特征,它们交代上覆的地幔楔。因此,源于地幔楔的岛弧熔体具有相对高的δ7Li[72-73],而俯冲进入深部地幔的低δ7Li板片残余则形成一个低δ7Li地幔源区[47,71]。一旦发生熔融,它们产生的低δ7Li熔体交代上覆地幔从而使其δ7Li变低。因此,华北克拉通地区中生代地幔橄榄岩捕虏体较高的δ7Li(图5)可能指示了来源于俯冲地壳所释放的重Li组分对中生代岩石圈地幔的改造作用[63];而新生代岩石圈地幔橄榄岩中较低δ7Li特征则要求再循环的俯冲洋壳熔融所释放的低δ7Li熔体的输入[74],该区新生代玄武岩中携带的辉石岩捕虏体的元素和同位素地球化学特征也表明了再循环的洋壳物质的存在[75-76]。根据最新研究,新生代地幔橄榄岩中较低的δ7Li也有可能指示岩石圈地幔受到近期软流圈来源熔体的改造作用,这一可能性得到了橄榄岩捕虏体Sr和Nd同位素组成的支持[65]。至于上述两种可能性究竟哪一种更为合理、亦或是二者都可能存在,目前尚未定论,需要更多详细、深入的研究来回答。总之,地幔橄榄岩中橄榄石的低δ7Li特征指示了岩石圈地幔中低Li组分的存在[65],无论上述哪一种可能性正确,都能够说明华北地区岩石圈地幔曾经历了熔体的改造过程,两种可能性的区别在于熔体性质和来源不同,因而所反映的地幔过程亦有所差异。因此,橄榄岩中橄榄石的Li同位素组成为传统的放射性同位素研究提供了重要的补充信息,进而为华北克拉通岩石圈地幔经历了多期橄榄岩-熔体相互作用改造提供了确切证据[63,65]。地幔橄榄岩中橄榄石的Li同位素地球化学特征的指示意义不仅在中国华北克拉通地区地幔橄榄岩研究中得到证实,而且在世界上其他地区(如南非、北美以及西伯利亚等地区)的地幔橄榄岩研究中也得到广泛认可[18,63-65,68]。

3 橄榄石Mg同位素特征及其指示意义

Mg有24Mg、25Mg和26Mg 3个稳定同位素,其相对丰度依次为78.99%、10.00%和11.01%。国际上关于地幔橄榄岩中橄榄石的Mg同位素地球化学研究尚处于起步阶段,所以,目前积累的数据非常有限。Pearson等利用激光烧蚀多接收感应耦合等离子体质谱仪(LA-MC-ICPMS)对世界上几个典型的古老克拉通地区(如西伯利亚、南非-Kaapvaal和北美洲Slave)和澳大利亚东南部显生宙断裂带中地幔橄榄岩捕虏体的橄榄石进行了Mg同位素组成的系统研究[77]。结果表明:从主量元素强烈亏损的太古宙岩石圈地幔到略亏损的显生宙地幔样品,Mg同位素组成逐渐变重;经历了明显地幔交代作用影响样品的Mg同位素组成变化范围较大;受强烈交代的样品,随着“软流圈特征”熔体的引入而具有重Mg同位素组成,而受地幔交代作用影响较弱的样品则具有较轻的Mg同位素组成;这些现象表明地幔交代过程所造成的Mg同位素分馏现象可以保存在地幔橄榄岩的橄榄石矿物颗粒中。

Yang等首次报道了中国华北克拉通地区地幔橄榄岩样品的Mg同位素研究结果[20]。研究样品包括12个尖晶石二辉橄榄岩和4个易剥橄榄岩(橄榄岩中斜方辉石的质量分数小于5%),它们分别是华北克拉通西部的三义堂(位于内蒙古集宁)和东部的北岩(位于山东昌乐)地区的新生代玄武岩所携带的地幔橄榄岩捕虏体,这些样品普遍经历过不同程度的交代作用。结果表明:地幔橄榄岩Mg同位素组成的变化范围与球粒陨石和玄武岩相似,地幔的平均Mg同位素组成与球粒陨石一样;与华北西部相比,华北东部新生代地幔橄榄岩中的橄榄石具有明显较大的Mg同位素组成变化范围(图6),指示了华北东部岩石圈地幔经历了更为复杂的演化过程,该结论与Sr-Nd同位素和Li同位素研究结果能够很好地吻合[12,63,78]。

图6 地幔橄榄岩捕虏体中橄榄石的镁同位素组成δ26Mg变化范围Fig.6 V ariation ofδ26Mg of Olivine in Mantle Peridotite Xenoliths

4 橄榄石Fe同位素特征及其指示意义

由于受到分析技术的限制,前人对稳定同位素的测定仅限于质量数小于40的元素。近年来,随着测试仪器的更新换代和同位素分析技术的革命性进展,特别是MC-ICP-MS的应用使得高精度测试Fe同位素成为可能,Fe同位素地球化学因而成为国际地学领域的一个前沿研究方向。

Fe有-4个稳定同位素:54Fe(5.85%)、56Fe (91.75%)、57Fe(2.12%)和58Fe(0.28%)。由于Fe同位素地球化学研究处于刚起步阶段,所以现有研究成果较少。Zhu等发现坦桑尼亚和加拿大一些地区的地幔橄榄岩捕虏体中共生的矿物组合橄榄石-斜方辉石-单斜辉石-角闪石之间存在着明显的-Fe同位素分馏;同时在石铁陨石中发现相互平衡的橄榄石和金属之间也存在着明显的Fe同位素分馏现象[79]。Williams等通过对不同构造环境下产出的地幔橄榄岩和辉石岩的研究也发现不同矿物之间存在类似的Fe同位素分馏的特点[80]。上述研究均发现:在地幔橄榄岩捕虏体的主要组成矿物中,交代作用的指示矿物(如角闪石)具有较重-Fe同位素组成,这表明地幔交代作用可能是Fe同位素分馏的重要机制之一。

为了进一步考察华北克拉通岩石圈地幔的演化过程,Zhao等选择了Fe同位素地球化学示踪手段对华北克拉通中部太行山地区新生代玄武岩(包括汉诺坝、繁峙和鹤壁地区)所携带的地幔橄榄岩捕虏体中矿物首次进行了系统研究[19]。结果表明,Fe同位素在岩石圈地幔橄榄岩捕虏体的矿物之间的确存在分馏,而且矿物的Fe同位素组成与共存矿物的元素组成之间也存在一定的相关性,如橄榄石的Fe同位素组成(δ57Fe)与共存的单斜辉石的微量元素(如w(La)N/w(Yb)N)之间存在一定的反相关关系,即w(La)N/w(Yb)N越小、Fe同位素组成越重(图7)。这些现象表明,岩石圈地幔中Fe同位素的分馏与地幔交代作用有着密切联系。初步研究认为,华北地区橄榄岩中矿物的Fe同位素组成变化主要与地幔交代作用有关;例如,来自于软流圈的熔体/流体具有较低的氧化还原性质,经过这种交代介质改造的岩石圈地幔具有重的-Fe同位素组成[19]。因此,地幔橄榄岩中橄榄石的Fe同位素组成特征变化也能够有效地指示岩石圈地幔所经历的一些重要地质过程。

图7 地幔橄榄岩捕虏体中橄榄石的Fe同位素组成δ57Fe与单斜辉石w(La)N/w(Yb)N变化图解Fig.7 Diagram Showing Olivineδ57Fe Versus Clinopyxene w(La)N/w(Yb)Nin Mantle Peridotite Xenoliths

5 结语

随着分析技术的进步和新兴研究手段的开发,对地幔橄榄岩中橄榄石的元素和同位素地球化学的研究将更加深入。基于上述讨论,地幔橄榄岩中橄榄石的指示意义主要表现在如下两个方面。

(1)橄榄石Mg#能够有效指示岩石圈地幔主要组成元素的饱满与亏损程度,进而能够指示岩石圈地幔的属性(古老的或者新生的)及其经历的演化过程。

(2)地幔橄榄岩中橄榄石的Li、Mg和-Fe稳定同位素地球化学特征能够明确指示岩石圈地幔所经历的熔体-橄榄岩相互作用的改造过程,进而为岩石圈地幔演化过程研究提供了新的思路和证据。

本文是笔者所在的研究小组过去几年在地幔橄榄岩研究方面的一个总结,上述工作得益于国内外多位合作者、国家自然科学基金委员会、中国科学院和岩石圈演化国家重点实验室的大力支持;评审人对本文的初稿提出了建设性的修改意见,在此一并致谢。

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