西南印度洋中脊50°E基性超基性岩石地球化学特征及其成因初探＊

韩宗珠，张 贺，范德江，丁蒙蒙，刘 明，徐翠玲

（中国海洋大学海洋地球科学学院海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东青岛266100）

西南印度洋中脊50°E基性超基性岩石地球化学特征及其成因初探＊

韩宗珠，张 贺，范德江，丁蒙蒙，刘 明，徐翠玲

（中国海洋大学海洋地球科学学院海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东青岛266100）

西南印度洋中脊是典型的慢速扩张洋中脊之一。对采自西南印度洋中脊50°E附近的7件玄武岩和蛇纹石化橄榄岩样品所作的分析表明，基性玄武岩类SiO2含量为43.72%～48.40%，TiO2含量较少，为1.14%～1.52%；MgO含量为5.96%～10.98%；TFe2O3含量为4.55%～5.2%；Mg＃值为0.53～0.64，里特曼指数σ为2.34～20.10。微量元素Zr／Nb和Y／Nb比值为显示N－MORB的性质，但是其他微量元素的比值（Ba／Nb，Ba／Th，La／Nb，Nb／U，Nb／Pb）均不显示正常洋中脊玄武岩的特征，微量元素原始地幔标准化蛛网图显示强烈富集K和Pb，亏损Nb，稀土元素显示较为平缓的分配模式。超基性蛇纹石化橄榄岩的主量元素特征为SiO2为38.91～45.49；TiO2含量为0.02～0.28；MgO含量很高，为36.87～40.61，TFe2O3含量为2.82～3.91，Mg＃值为0.92～0.94。微量元素中Ni，Cr的含量很高，原始地幔标准化蛛网图显示橄榄岩强烈富集K和Pb，Ba，Th，La，Ce，Ti中等程度富集，而亏损Nb，Sr。稀土元素总量较低，标准化曲线显示轻稀土元素富集模式。结合地球化学特征及前人研究资料分析认为，西南印度洋中脊的基性岩和超基性岩属同源性质，其原始地幔物质可能为部分正常洋中脊亏损地幔混染了陆壳或远洋沉积物的结果。

西南印度洋中脊；50°E；地球化学

西南印度洋中脊是全球重要的慢速扩张洋中脊之一，西起Bouvet三联点（BTJ）（55°S，00°40′W），东至Rodrigues三联点（25°30′S，70°E）（RTJ），全长约为7 700 km。作为非洲板块和南极洲板块的分界线，它具有较慢的扩张速度（平均扩张速率为14～16 mm／a）和斜向扩张的特征，也具有不连续的火山作用和缺少转换断层的特征［1］。

图1 西南印度洋中脊岩石样品采样位置图Fig.1 Sampling location of rocks from the Southwest Indian Ridge

一些学者对西南印度洋中脊部分区段的岩石地球化学特征等方面进行了研究，并对洋中脊的岩石成因进行了进一步的研究，其不同区段具有不同的岩石类型。Bouvet三联点向11°E方向的熔岩，主要可以分为3种类型，一种类型的由典型的亏损的（N型MORB）洋中脊玄武岩组成；第二种类型具有的“地幔柱”类型的特征（P型MORB），含量较少；第三种具有过渡的化学组成（T型MORB）。上述3类岩石分别起源于正常亏损洋中脊地幔、Bouvet地幔柱以及洋中脊下部的混合地幔［2］；洋中脊倾向段（9°E～16°E）分布富K熔岩、霞石—正长碱性玄武岩和富含不相容元素的夏威夷岩，这些玄武岩为地幔很低程度部分熔融（＜5%）的产物［3］；垂直段（16°E～24°E）玄武岩样品中同位素分析表明同位素由亏损的正常洋中脊玄武岩（N－MORB）组成［4］；36°E～39°E洋中脊呈现由热点和高εNd值的正常MORB地幔混合引起的特征。在39°E～41°E范围内，主要为具有高Ba／Nb值、低206Pb／204Pb值和εNd（－4－＋3）特征的岩浆，这种组成不仅与Marion热点（或者其他热点）不相同，而且在全球范围内的MORB中也是唯一的。临近Indomed Fracture Zone（～46°E）为富集不相容元素的岩浆，而它们的这种特征与Marion，Kerguelen以及Crozet热点的开启有关［4］。临近11Ma的Atlantis II bank的735B孔（ODP Leg 176）的辉长岩岩芯，地球化学特征显示其在很大程度上为浅层洋壳垂直距离为1km（距离海底500～1 000m）部分的矿物学和地球化学的特征，其具有Mg＃＝84～70，Ca＃＞61以及低的Na＃（Na／（Na＋Al））（8～17）值特征，结合Sr、Pb同位素比值认为这种辉长岩主要起源于洋中脊玄武岩地幔，而这种地幔是由类似中央印度洋的亏损洋中脊地幔加与任何MORB组成都不相似的两种端源成分混合而成［5］。在接近Rodrigues三联点附近的西南印度洋采集到的主要为新鲜的熔岩、低温蚀变的岩石和高温蚀变岩石3种类型，新鲜熔岩与正常洋中脊玄武岩有相同的化学组成，但是大离子亲石元素和Nd却分别发生轻微的富集和亏损，低温蚀变的样品富集K2O，Rb和U，这归因于样品中存在富集K的绿磷石和铁的氢氧化物以及粘土矿物的U吸附作用，高温热液蚀变的岩石中U的富集显著的［6］。

本文研究的样品采集自西南印度洋中脊50°E附近，根据该区洋中脊海底地貌特征和地球物理资料来看，研究区域缺少大型的转换断层，其西部为Indoomed断裂带，东部靠近Gallieni断裂带，其南部为Crozet热点。而前人对西南印度洋中脊Indoomed断裂带和Gallieni断裂带之间的岩石地球化学特征、地幔类型及成因研究较少。本文将根据50°E处的基性超基性岩的主微量元素地球化学特征进行分析，以期对上述问题进行初步的论述。

1 样品采集和样品分析方法

本文中所涉及的岩石样品来自大洋一号DY115－21航次，主要为西南印度洋中脊50°E附近的基性超基性岩，各个样品其取样坐标和水深见下表。

表1 西南印度洋中脊火成岩采样位置坐标和深度Table 1 Sampling coordinates and depth of igneous rocks from Southwest Indian Ocean Ridge

对采西南印度洋中脊的7件岩石样品，粉碎至200目做主量、微量和稀土元素分析。其中主量元素在中国海洋大学海洋地球科学学院XRF分析实验室作了基质XRF分析，分析精度优于0.5%；微量元素和稀土元素在中国地质调查局青岛海洋地质研究所实验中心完成，应用ICP－MS进行分析测试，分析精度优于5%。

2 岩相学特征

本次研究所采集的岩石样品大致可以分为2种岩石类型：基性玄武岩和超基性蛇纹石化橄榄岩。

玄武岩样品新鲜面一般为深灰色或黑色，隐晶质结构，块状构造，部分样品具气孔状构造，其中06－B－01号岩石样品见包壳，06－B－03号玄武岩样品表面见橄榄石晶粒；镜下观察06－B－01号样品大部分为隐晶质，含有少量雏晶，部分矿物发育具有类似球粒的外形，外部包壳呈一暗色细粒矿物环带，主要为长英质组分，其余样品为斑状结构或为填间结构，基性斜长石结晶程度较好，为斑晶或者为板柱状晶体，其余的辉石、橄榄石等暗色矿物呈小颗粒或隐晶质成分出现，与磁铁矿、钛铁矿以及火山玻璃等共同充填与基性斜长石搭成的格架中，其中06－B－03号玄武岩样品中的橄榄石具有明显的伊丁化。

蛇纹石化橄榄岩样品表层为黄绿色，细粒－隐晶质结构，块状构造，主要为蛇纹石化橄榄岩。而镜下观察两件样品特征有所差异。21Ⅴ－S15－TVG3号岩石镜下观察主要呈叶片状、纤维状和放射状，蚀变较严重，几乎已经完全被蛇纹石化；21Ⅶ－S23－TVG12号样品在镜下主要为网格状结构，蛇纹石化沿橄榄石间隙以及裂隙进行，橄榄石位于蛇纹石中心，副矿物为尖晶石、钛铁矿以及磁铁矿。

3 岩石地球化学

3.1 主量元素

样品的主微量元素的数据如表2所示，玄武岩样品的SiO2的含量为43.72%～48.40%；K2O含量较低，为0.28%～0.37%，Na2O的含量为3.33%～3.67%；TiO2的含量较少，为1.14%～1.52%；Al2O3含量较高，为12.21%～14.94%，显示斜长石的晶出；镁铁含量较高，MgO含量为5.96%～10.98%，TFe2O3含量为4.55%～5.2%；Mg＃值为0.53～0.64，接近原生玄武岩Mg＃值（0.68～0.75），显示基性玄武岩为大体为原生玄武岩或演化程度较低的原生玄武岩性质；里特曼指数σ为2.34～20.10，其中06－B－03显示为碱性，其余玄武岩均为亚碱性岩系；分异指数DI为30.22～34.24，结晶指数CI为55.45～60.43，均显示岩石的分异程度较低。氧化指数OX为0.64～0.69。在玄武岩Nb／Y－SiO2分类图解中（见图2），玄武岩类均落入亚碱性玄武岩的范围内。

蛇纹石化橄榄岩主量元素特征为：SiO2为38.91～45.49；K2O含量很低，为0.06～0.12；TiO2含量为0.02～0.28；MgO含量很高，为36.87～40.61，TFe2O3含量为2.82～3.91，Mg＃值为0.92～0.94，均大于0.91；分异指数DI和结晶指数CI分别为0.3～0.76和76.25～78.89。氧化指数OX为0.65～0.70。

样品的主量元素协变图如图3所示，CaO、Al2O3、K2O、TiO2含量与MgO含量呈负相关，并呈现出较好的线性关系；Na2O含量与MgO含量呈正相关，也呈现出较小的线性关系；SiO2含量与Mg O呈负相关，但是两者之间的线性关系不明显。CaO随着MgO含量增加而下降在玄武岩中主要指示基性斜长石的晶出，而在蛇纹石化橄榄岩中则主要指示单斜辉石的晶出；Al2O3在玄武岩中则主要指示斜长石的晶出；TiO2在岩石样品中指示钛铁矿的晶出［7］。

图2 西南印度洋中脊玄武岩Nb／Y－SiO2岩石学分类图解（据Winchester，JA etal.，1977）Fig.2 Nb／Y－SiO2 petrology classification diagram of Southwest Indian Ridge Basalts

表2 西南印度洋中脊火成岩样品主量元素分析结果Table 2 Major element analysis of the igneous rocks from the Southwest Indian Ridge

图3 西南印度洋火成岩Harker图解Fig.3 Harker diagrams for the igneous rocks from the Southwest Indian Ridge

3.2 微量元素及稀土元素地球化学特征

图4 西南印度洋中脊玄武岩微量元素标准化蛛网图（标准值参照Mc Donough等1992）Fig.4 Primitive mantle normalized trace element patterns of the basalts from Southwest Indian Ridge

西南印度洋中脊玄武岩样品微量元素含量如表3所示，由表中可以看出，玄武岩样品的Ni和Cr含量均较高；Zr／Nb比值较高，为46.387～89.53，Y／Nb比值为20.3～32.8，2个比值均显示N－MORB的特征［8］；Ba／Nb比值大致可以分为2种类型，一种高于NMORB型（平均值为1.7～8.0）［9］，另一种为低于NMORB型；Ba／Th比值中部分显示出大于OIB的特征（平均值为88.00）［10］；La／Nb比值显示高于大部分平均陆壳比值（La／Nb～2.2）［10］；Nb／U值为2.79～11.13，低于OIB和MORB的值（47±10），但是类似陆壳比值（Nb／U～10）［11］；Nb／Pb比值为0.05～1.09，低于OIB比值（Nb／Pb～12）［11］。玄武岩类微量元素蛛网如图4所示，显示玄武岩样品强烈富集K和Pb，亏损Nb，Y显示轻微的亏损特征，大离子亲石元素Ba显示两种特征，一种为亏损特征，而另一种不显示明显富集亏损特征；其他元素不显示明显的富集与亏损特征。

蛇纹石化橄榄岩微量元素中Ni含量很高，其中一件样品与亏损地幔的含量（1960×10－6）相当，另一样品Ni含量小于亏损地幔，Cr含量均高出亏损地幔值（2 500×10－6）［12］，Co含量为（90.75～98.46）×10－6，其微量元素原始地幔标准化蛛网图见图5，由图可知，蛇纹石化橄榄岩的原始地幔标准化蛛网图显示橄榄岩强烈富集K和Pb，Ba，Th，La，Ce，Ti中等程度富集，而亏损Nb，Sr，其富集与亏损特征具有与玄武岩相类似的特征。

稀土元素分配模式（见图6）显示玄武岩类呈现较平缓的分配型式或重稀土较富集的形式，除Ce显示出明显的异常之外，其余元素均无明显异常特征；玄武岩的∑REE为70.61～111.61，LREE／HREE比值为0.45～0.97，显示玄武岩样品的重稀土元素轻度富集，分异程度均较低；δEu值为1.03～1.09，显示不明显的正Eu异常；（La／Yb）N为0.4～1.3，显示N－MORB的类型特征。

而蛇纹石化橄榄岩则显示出轻稀土元素的富集形式，∑REE为10.22～68.77，LREE／HREE比值为1.23～3.20，δEu值为0.82～0.77，显示微弱的Eu负异常，（La／Yb）N为1.75～3.54。

表3 西南印度洋中脊火成岩样品微量元素测试结果（10－6）Table 3 Trace element analysis of the igneous rocks from the Southwest Indian Ridge（10－6）

表4 西南印度洋中脊火成岩样品稀土元素分析结果（10－6）Table 4 Rare earth element analysis of the igneous rocks from the Southwest Indian Ridge（10－6）

4 讨论

4.1 岩浆的形成模式

图7 西南印度洋中脊岩浆岩样品La－La／Sm图解Fig.7 La－La／Sm diagram for the igneous rocks from the Southwest Indian Ridge

根据Allegre等的研究，岩浆在分离结晶作用过程中随着超亲岩浆元素（例如Ta，Ce，La等）的富集，亲岩浆元素（HREE，Hf，Zr等）丰度也几乎同步增长。所以La／Sm的比值几乎为一常数；而在平衡部分熔融过程中，随着La快速进入熔体，Sm也会在熔体中富集，但其增长速度较慢。依据此理论，西南印度洋中脊岩石的La／Sm－Sm图解如下（见图7），依据图解可以得出，西南印度洋中脊岩石样品采集处岩石形成主要为平衡部分熔融作用和分离结晶作用2种作用［13］。

4.2 地幔特征

玄武岩的Zr／Nb和Y／Nb比值均显示正常洋中脊的性质，而其稀土元素比值而在Zr／Nb和Zr／Y的双变量协变图中（见图8），西南印度洋中脊玄武岩也均落在偏向于N－MORB的区域。而其他元素比值特征（如Ba／Nb，Ba／Th，La／Nb，Nb／U，Nb／Pb）与正常洋中脊亏损地幔的微量元素比值特征不符。而元素Cs，Ba，Rb，Th，U，Ta，Nb和La在玄武岩系统中具有很低的批式分配系数，所以这些元素的比值在结晶分异或部分熔融过程中不会发生显著的分馏，并能较为准确的指示源区地幔的微量元素比值。纵使岩石在海底可能会遭受低温海水蚀变，但是其岩石的氧化指数OX与微量元素含量及比值并不呈现正相关关系，因此单一的海水蚀变作用并不能解释洋中脊岩石中Ba／Nb，La／Nb以及Nb／U这种组合特征。

图8 西南印度洋玄武岩类Zr／Nb－Zr／Y图解Fig.8 Zr／Nb－Zr／Y diagram of rocks from Southwest Indian Ridge

玄武岩类及蛇纹石化橄榄岩类的主量元素Haker图解和微量元素类似的富集模式显示，2类岩石可能为同一岩浆源不同程度分异的结果，而橄榄石和玄武岩这种高Ba，K，Pb和低Nb的特征与陆壳和远洋沉积物具有类似的特征［14－15］。

Barry L.Weaver和David A.Wood对大西洋南部洋岛玄武岩的地球化学特征进行研究时，现代远洋沉积物通常含有较高的比例的钙质软泥，此外包括一些红色粘土和硅质粘土，在对一定比例上述成分的远洋沉积物进行微量元素进行测定时，得出Nb为3.3×10－6，Ba／Nb和La／Nb比值分别为518和8.2［16］。Ba／Nb的比值显示部分高于大陆地壳比值。Karoo的苦橄玄武岩显示在南非大陆下部地幔［17］相对于亏损的洋底地幔来说具有较高的Ba／Nb比值（Ba／Nb＜8）。同样La／Nb比值显示出大于平均陆壳和OIB的比值，在La／Nb－Ba／Nb图解中，玄武岩样品显示N－MORB与陆壳或远洋沉积物的混合作用。而Nb／U比值亦可以指示剥落的陆壳岩石圈或远洋沉积物的就加入。OIB和MORB具有类似的Nb／U比值（47±10），但是陆壳的Nb／U比值与两者不同，前人研究显示Karoo大陆溢流玄武岩指示的陆壳岩石圈的Nb／U比值低于MORB比值（见图9）。

前人的研究显示Crozet热点在120Ma以前在印度、西澳大利亚和南极洲北部呈溢流玄武岩的火山作用存在［18］，而这个年代早于冈瓦纳大陆的裂解年代。随着冈瓦纳大陆的裂解和Crozet等热点的开启，一些分散的前寒武的冈瓦纳岩石圈碎片以及一些古老的远洋沉积物进入到浅部软流圈中［19］。而这种地幔物质后又与部分N－MORB地幔物质混合后形成西南印度洋中脊50°E处的基性超基性岩的地球化学特征。

5 结论

（1）西南印度洋中脊50°E基性玄武岩主量元素显示低钛高镁特征，微量元素中Ni和Cr含量较高，Zr／Nb和Y／Nb比值均显示正常洋中脊玄武岩的特征，而其他微量元素的比值（Ba／Nb，Ba／Th，La／Nb，Nb／U，Nb／Pb）则显示异常特征。微量元素蛛网图中强烈富集K和Pb，亏损Nb，稀土元素显示较为平缓的分配模式；超基性蛇纹石化橄榄岩主微量元素分布特征与基性玄武岩类似，稀土元素显示稀土元素总量较低和轻稀土元素富集模式。

（2）主微量元素地球化学特征显示西南印度洋中脊的基性玄武岩和超基性蛇纹石化橄榄岩具有同源性质，其原始地幔物质可能为部分洋中脊亏损地幔混染了陆壳或远洋沉积物的结果。

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The Characteristic of Geochemistry and Genesis for Mafic and Utrlmafic Rocks from the 50°E of Southwest Indian Ridge

HAN Zong－Zhu，ZHANG He，FAN De－Jiang，DING Meng－Meng，LIU Ming，XU Cui－Ling
（The Key Laboratory of Science and Exploration，College of Marine Geoscience，Ocean University of China，Qingdao 266100，
China）

Southwest Indian Ridge（SWIR）is one of important slow－spreading mid－ocean ridges.We have analyzed 7 samples of basalt and serpentinized peridotite collected from the vicinity of 50°E from SWIR.The SiO2of basic basalts content is of 43.72%～48.40%，TiO2content is less of 1.14%～1.52%，MgO content of 5.96%～10.98%，TFe2O3content of 4.55%～5.2%，Mg＃value of 0.53～64 and the Rittmann indexσis 2.34～20.10.Trace element ratios of Zr／Nb and Y／Nb show the nature of NMORB，but the ratios of other trace elements（Ba／Nb，Ba／Th，La／Nb，Nb／U，Nb／Pb）do not display this feature.Primitive mantle－normalized spider diagram of trace element shows a strong enrichment of K and Pb，loss of Nb.And the REE distribution shows a gentle pattern.The major element characteristics of ultramafic serpentinized peridotite are as follows.The SiO2content is of 38.91～45.49，TiO2content of 0.02～0.28，MgO content very high of 36.87～40.61，TFe2O3content of 2.82～3.91 and Mg＃value of 0.92～0.94.The contents of trace elements Ni and Cr are high.And the primitive mantle－normalized spider diagram shows a strong enrichment of K and Pb，moderate enrichment of Ba，Th，La，Ce，Ti，and loss of Nb，Sr.The∑REE are low，and the chindrite－normalized REE shows LREE enrichment patterns.Combine geochemical characteristics with the former analysis results，we suggest that the mafic and ultramafic rocks Southwest Indian Ridge are products of the homologous origin，and their original mantle material may be the product of the normal depleted mid－ocean ridge mantle mixed with continental crust or pelagic sediments partly.

Southwest Indian Ridge；50°E；geochemistry

P591

A

1672－5174（2012）09－069－08

2011－05－14；

2012－04－26

韩宗珠（1964－），男，教授。E－mail：hanzongzhu＠ouc.edu.cn

责任编辑 徐 环