中太平洋CA海山玄武岩中斜长石化学成分特征及地质意义

何 欣，孙国胜，初凤友，王春光，晋瑞香，李 洋，战乃臣，刘世伟，孙九达

(1.吉林大学 地球科学学院，吉林 长春 130061；2.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3.吉林省地质勘查基金管理中心，吉林 长春130061)

中太平洋CA海山玄武岩中斜长石化学成分特征及地质意义

何 欣1，孙国胜1，初凤友2，王春光3，晋瑞香1，李 洋1，战乃臣1，刘世伟1，孙九达1

(1.吉林大学 地球科学学院，吉林 长春 130061；2.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3.吉林省地质勘查基金管理中心，吉林 长春130061)

在对CA海山玄武岩CAD21样品岩相学研究基础上，运用电子探针和X-荧光光谱法(XRF)对中太平洋CA海山斜长石斑晶中的环带、斜长石微晶和玄武岩中的硅酸盐进行了化学成分研究。CA海山玄武岩为地幔柱成因的板内玄武岩；斜长石斑晶具有环带结构，环带核部与边部为不连续消光，是不连续环带；环带核部为培长石，边部为拉长石，是岩浆演化过程中形成的正环带，其成因受岩浆演化过程中熔体组分及温、压条件的共同制约。斜长石斑晶核部、边部及斜长石微晶估算温度平均值分别为1 281，1 198和1 071 ℃，分别代表了岩浆源区、岩浆房及岩浆喷发温度，三者温度差值较小，这和洋岛玄武质岩浆的形成及喷发特点相吻合。

CA海山；玄武岩；斜长石；环带；结晶温度

0 引言

玄武岩的矿物学和岩石地球化学特征是岩浆形成、演化及其温度、压力、组分等物理化学条件的反映。其中斜长石是玄武岩中最重要的矿物之一，呈斑晶或在基质中呈微晶大量分布。斜长石斑晶通常呈环带结构发育，斜长石环带从核部到边部的矿物成分变化完整地记录了岩浆组分及温、压条件的变化[1]；而且由于形成环带的主要成分 Na(Si)-Ca(Al)之间的相互扩散速率很低，环带结构形成后扩散作用影响很小，因此斜长石中的环带可以准确地反映岩浆温度、压力和组分的变化[2-8]。通过对不同世代的斜长石及斜长石环带研究，可以为探讨岩浆源区性质、岩浆演化及物理化学条件提供依据。前人通过对冲绳海槽、东海陆架及南海等海区玄武岩中斜长石环带系统研究，为探讨其玄武岩形成演化及特征提供了重要信息[9-11]。

CA海山等中太平洋海山玄武岩为洋岛玄武岩[12]，经过我国及DSDP和ODP多个航次的地质和地球物理调查，前人对中太平洋海山的形态、岩石学特征及成因等进行了较为深入的研究[13]，为开展进一步研究工作提供了基础。本文利用我国“大洋一号”调查船2001年的DY105-11航次在CA海山拖网采集的CAD21号样品，在岩相学及岩石化学测试分析的基础上,利用电子探针对斜长石斑晶中的环带及斜长石微晶的矿物成分进行测试，并通过热力学计算，研究了斜长石环带及微晶形成的温度、组分变化特征，进一步探讨了斜长石环带形成机制，对深入了解中太平洋海山洋岛玄武岩岩浆的形成、演化及喷发机制等具有重要意义。

1 地质背景

中太平洋海山区(图1)位于中太平洋海盆以北，夏威夷群岛西南，成近东西向链状分布，延伸长度大于3 000 km，海山的基底岩石主要由中白垩世的碱性玄武岩和拉斑玄武岩[12]组成，局部海山见有新生代的碱性火山岩。经过DSDP和ODP多个航次的地质和地球物理调查研究[13]可知，这些海山群在120～90 Ma BP间起源于现今法属玻利尼西亚群岛区，后来随着太平洋板块的扩张而不断漂移至今天位置[14-17]。这些海山多呈平顶型，形成于由地幔柱引发的板内火山活动，是板内火山型海底平顶山。火山基底之上的沉积层有晚白垩世的生物碎屑灰岩、礁灰岩、泥岩，中始新世至第四纪含超微化石的砂和钙质软泥，以及形成时代不清的燧石岩等。

CA海山位于中太平洋海山群中南部，火奴鲁鲁岛西偏南约1 400 n mile，坐标为17°51′～18°54′N, 180°00′～178°00′W。CA海山分布面积较大，是由6座平顶海山组成的海山簇。从CA海山拖网样品及海底摄像观察，基岩有玄武岩、火山角砾岩、火山凝灰岩、礁灰岩、碳酸盐岩、磷块岩、燧石岩、泥岩及有孔虫灰岩等。

图1 CA海山地理位置示意图Fig.1 Geographical location of CA Seamount

2 样品来源及实验方法

研究样品来自于我国“大洋一号”调查船2001年的DY105-11航次在CA海山采集的CAD21号样品。拖网着底坐标为18°17′52″N，178°58′37″W；离底坐标为18°17′32″N，178°57′57″W；水深2 781 m。

玄武岩岩石样品呈灰黑色，斑状、杏仁结构，块状构造，气孔较发育(图2)。显微镜下斑晶主要为斜长石和少量辉石(图3)，其中斜长石斑晶为自形-半自形结构，含量占15%～20%，粒度在5 mm×8.8 mm～0.8 mm×1.2 mm之间，干涉色多为一级灰白，正低突起，有聚片双晶，可见溶蚀现象和黑色麻点；辉石斑晶是有一组完全解理的单斜辉石，含量约5%左右，粒径< 1 mm,短柱状、粒状，干涉色高而鲜艳，正高突起，斜消光。基质中主要为斜长石微晶(图3)，其次含有少量辉石、磁铁矿、磷灰石和玻璃等；基质中斜长石微晶粒度在0.1 mm×0.02 mm～0.05 mm×0.01 mm之间，呈间隐结构，自形长柱状或针状，树枝状、羽毛状骸晶发育；斜长石微晶间充填隐晶质，杂乱排列，无定向。

图2 CA海山玄武岩Fig.2 CA Seamount basalt

图3 CA海山玄武岩光学显微镜照片Fig.3 Optical microphotograph of CA Seamount basaltpl:斜长石；px:辉石pl: plagioclase；px: pyroxene

玄武岩硅酸盐成分测试在吉林大学测试科学实验中心完成(表1)，采用的仪器是日本生产的ZSX PrimusⅡ，实验首先选取新鲜、斑晶较少的样品，粉碎至200目，采用高温熔融玻璃片法，将样品熔解制成玻璃体圆片。测试条件：最大功率4 kW，最高工作电压60 kV，最大工作电流150 mA，元素含量检测范围10-2～10-6，最大扫描速度240 °/min，最大转角速度1 400 °/min 。

CA海山斜长石环带及斜长石微晶电子探针成分测试数据见表2和表3。电子探针成分测试过程中，首先将玄武岩岩石样品制成电子探针薄片，通过显微镜观察，在薄片中选取具有代表性环带结构的斜长石晶体及基质中的微晶进行电子探针测试。电子探针测试在国家海洋局第二海洋研究所海底科学重点实验室完成，使用的仪器是日本生产的JXA-8100型电子探针。工作环境为:加速电压为15 kV，探针电流为2.005E×10-8A，电子束直径为5 μm，定量结果精度可以达到0.1%以上。测试中Si和Na用硬玉标样，Mg用橄榄石标样，Ti用金红石标样，Fe和Al使用石榴石标样，Ca用透辉石标样，K使用砂质标样，Cr使用氧化铬标样，Mn用硅化镍标样标定。修正方法为ZAF。

表1 玄武岩硅酸盐成分测试数据

注：Mg#=Mg/(Mg+FeT)，空白表示无数据

表2 斜长石斑晶电子探针测试数据

Tab.2 EPMA data of plagioclase phenocryst %

项目样品测试点号核部12345678910均值边部111213141516均值SiO245.7146.0145.2546.0146.0445.8945.7946.3746.2045.9145.9252.2152.1451.7951.9651.8551.5451.92Al2O331.6331.4331.2231.5831.6031.6031.5031.6131.7031.4431.5327.0227.4727.7127.3027.1327.7427.40FeO0.650.430.610.520.580.600.510.470.580.480.540.841.031.131.091.151.251.08CaO17.4317.4217.1617.4317.5017.3417.5217.4617.5617.4217.4212.4812.8813.1112.6212.5713.0012.78MgO0.190.180.200.190.170.240.180.180.180.170.190.180.160.110.160.180.140.16Na2O1.411.471.521.491.421.571.411.391.421.651.484.144.034.124.133.923.974.05K2O0.060.060.170.050.070.080.070.060.040.070.070.170.200.120.170.190.260.19TiO2-0.060.09-0.070.030.040.050.030.070.040.170.200.120.170.190.260.19MnO-0.050.01-0.05--0.000.04-0.020.03-0.020.04--0.02P2O50.010.030.04-0.010.010.010.02-0.010.010.010.020.01-0.020.020.01Cr2O30.010.040.010.04-0.010.03-0.020.050.020.050.06--0.010.050.03BaO--0.010.04---0.030.010.020.010.010.040.01--0.020.01An86.8786.4385.3486.3686.8785.5386.9187.0987.0285.0286.3461.8863.3063.2362.2461.9963.8262.74

注：“-”表示未检出

表3 斜长石微晶电子探针测试数据

注：“-”表示未检出

3 岩石地球化学特征及成因

CA海山玄武岩SiO2含量在48.16%～49.40%之间,平均为48.82%；Al2O3的含量变化范围为15.94%～16.83%，平均为16.37%；TiO2的含量为3.14%～3.29%,平均为3.25%；TFeO的含量为11.68%～13.32%,平均为12.10%；CaO的含量为5.54%～7.22%,平均为6.72%； MgO的含量为2.60%～3.04%，平均为2.75%；Na2O+K2O含量为4.65%～5.18%,平均为5.02%。与洋岛玄武岩[18]平均含量相比(表1)，CA海山玄武岩具有Al,K和Ti高，Mg和NaO/K2O比值低的特征；与邻区CM海山玄武岩[19]相比，具有Si，Al，K，Na和Ti高，Ca和Mg低的特征。

玄武岩成分在TAS图解上的投点可以看出(图4),样品投点落入玄武岩-粗面玄武岩范围内，且平均分布于碱性-亚碱性分界线上方，属碱性系列，与邻区CM和CH海山[19-20]相比略偏酸性。在判别岩石成因的TiO2-MnO-P2O5图解中(图5)，样品数据全部落在洋岛碱性玄武岩区域内。在玄武岩TiO2-Zr判别图解中(图6)，样品点位于板内玄武岩区，佐证了CA海山玄武岩属地幔柱成因[21-23]的板内洋岛玄武岩。

图4 CA海山玄武岩 TAS 分类图[24]Fig.4 TAS classification diagram of CA Seamount basalt[24]F：副长石岩；Pc：苦橄玄武岩；B：玄武岩；O1：玄武安山岩；O2：安山岩；O3：英安岩；Ir：流纹岩；U1：碱玄岩-碧玄岩；U2：响岩质碱玄岩；U3：碱玄质响岩；S1：粗面玄武岩；S2：玄武质粗面安山岩；S3：粗面安山岩；T：粗面岩-粗面英安岩；Ph:响岩F: foidite; Pc: picrobasalt; B: basalt; O1: basaltic andesite;O2: andesite; O3: dacite; Ir: rhyoite; U1: tephrite/basanite;U2: phonotephrite; U3: tephriphonolite; S1: trachy basalt;S2: basaltic trachy andesite; S3: trachy andesite;T: trachyte trachydacite; Ph: phonolite

图5 CA海山玄武岩的TiO2-MnO-P2O5判别图解[25]Fig.5 TiO2-MnO-P2O5 discrimination diagram of CA Seamount basalt[25]

图6 CA海山玄武岩的TiO2-Zr判别图解[26]Fig.6 TiO2-Zr discrimination diagram of CA Seamount basalt[26]MORB: 洋中脊玄武岩; WPB: 板内玄武岩;VAB: 火山弧玄武岩MORB: mid-ocean ridge basalt; WPB: within-plate basalt;VAB: Volcanic arc basalt

4 斜长石斑晶环带特征

CAD21样品中的斜长石具有两种不同的世代：斑晶和基质中的微晶，斑晶多为自形晶，呈自形板条状，粒度在5 mm×8.8 mm～0.8 mm×1.2 mm之间，大多发育环带(图7)。核部和边部有明确划分，核部形态较为规则，斑晶核部的大小为1.3 mm×1.0 mm，边部环带宽约1.0 mm。斑晶核部与边部消光特点具有不连续性，为不连续环带[27]。斜长石微晶呈细小的长柱状或针状，无环带构造，是由于岩浆温度的迅速下降，斜长石大量成核并快速结晶成岩所造成的。

本文对斜长石的核部和边部进行了电子探针成分测试及相关计算(表2)，斜长石An值核部为85.34～87.09,均值为86.34(n=10)；边部为61.88～63.82，均值为62.74(n=6)。在斜长石的Or-Ab-An成分图解中(图8)，环带核部样品点位于培长石区，边部样品点位于拉长石区；总体上从核部至边部逐渐向富钠质方向演化，即由基性斜长石向酸性斜长石变化。在斜长石的主要成分中(图9)，从斜长石斑晶的核部到边部：(1)SiO2和Na2O平均含量分别由45.92%和1.48%，增加到51.92%和4.05%，而且核部和边部各自成分较稳定，波动不大；(2)FeO和K2O平均含量分别由0.54%和0.07%，增加到1.08%和0.22%，总体上呈震荡升高趋势；(3)Al2O3和CaO含量则明显降低，其平均含量分别由31.53%和17.42%，降至27.40%和12.78%；(4)MgO含量从0.19%减少为0.16%，整体呈现下降的趋势，但变化幅度较小。

图7 斜长石环带显微照片Fig.7 Plagioclase zoning micrograph

图8 斜长石的Or-Ab-An成分图[28]Fig.8 Or-Ab-An composition diagram of plagioclases[28]

上述研究表明，CA海山斜长石具有正环带，这种环带是玄武质岩浆结晶过程中，由于温、压的下降及岩浆组分变化形成的，而不是不同岩浆的混合或同化混染围岩等原因形成的。在岩浆温度、压力下降过程中，随着低Si矿物橄榄石、辉石和富Ca斜长石的结晶析出，熔体组分向富Si，Na和K，贫Mg和Ca的方向演化。早期晶出的斜长石晶体来不及与岩浆充分反应,就被后来晶出的斜长石所包裹，导致斜长石环带从核部到边部Si，Na和K升高，Ca和Mg含量降低。Al含量从环带核部到边部降低，一方面受熔体组分中Si含量增高的制约，另一方面由于温度的降低，Al替代Si进入斜长石Si-O四面体晶格中的能力下降所致。

图9 斜长石斑晶主要元素系统剖面成分测试曲线Fig.9 Measured curve of the major element of plagioclase phenocryst

斜长石环带核部与边部为不连续消光，是不连续环带，同时核部和边部成分差别明显，存在截然不同的变化，表明斜长石晶体的核部和边部是在两种不同的环境中形成的，可能分别代表了岩浆源区和洋壳中的岩浆房环境[9]。

5 斜长石微晶成分特征

斜长石微晶电子探针测试数据见表3。与斜长石斑晶成分相比，斜长石微晶中SiO2含量(53.50%)高于斜长石斑晶核部(45.92%)和边部(51.92%)；Al2O3的含量(28.87%)低于斑晶核部(31.53%)略高于边部(27.40%)；TiO2含量(0.15%)高于斑晶核部(0.04%)，略低于边部(0.19%)； FeO含量(0.77%)高于斑晶核部(0.54%)，低于边部(1.08%)；CaO含量(11.94%)低于斑晶核部(17.42%)和边部(12.78%)；MgO含量(0.10%)低于斑晶核部(0.19%)和边部(0.16%)；Na2O含量(4.78%)高于斑晶核部(1.48%)和边部(4.05%)；K2O含量(0.23%)高于斑晶核部(0.07%)和边部(0.22%)。

6 玄武岩及斜长石结晶温度估算

6.1 玄武岩结晶温度估算

前人的相关研究表明[29-35]，玄武质岩浆的液相线温度和其MgO的含量呈正比，因此玄武质岩浆中的MgO常被用作液相线或喷发温度的代表。据NIU et al[30]计算玄武质岩浆喷发温度公式Tliquides(℃)=1 026e[0.018 94MgO(wt%)]计算及由图解(图10)估算，CA海山玄武质岩浆喷发温度为1 081 ℃。

图10 玄武质岩浆液相线温度和MgO含量关系图[30]Fig.10 Diagram of basaltic magma liquidus temperature and MgO content[30]

6.2 斜长石结晶温度估算

斜长石环带的成分变化主要受其形成时温度、压力的制约，利用马西兹对久藤-威尔斜长石温度计修正后的公式[36]来估算斜长石斑晶中环带及基质形成时的温度。根据斜长石斑晶及基质中斜长石微晶形成深度及马西兹对久藤-威尔斜长石温度计修正后的公式适用条件[36]，斜长石斑晶温度估算中采用PH2O为1 kb的公式，基质中斜长石微晶选用PH2O为0.5 kb的公式：

lnλ/σ+ 1.29× 104φ/T= 9.87× 10-3T-15.21 (PH2O= 0. 5 kb)

(1)

lnλ/σ+ 1.29× 104φ/T= 9.60× 10-3T-15.76 (PH2O= 1 kb)

(2)

式中：T为热力学温度，单位为K；λ=(XNaXSi/XCaXAl)基质；σ =(XAbγAb/XAnγAn)；φ=(XCa+XAl-XSi-XNa)基质。

根据上述公式，本文利用电子探针分析数据对斜长石斑晶核部、边部及基质中斜长石微晶分别进行了温度估算，通过计算结果如下：斜长石斑晶核部温度范围为1 266～1 288 ℃，平均为1 281 ℃；斜长石斑晶边部温度范围为1 194～1 203 ℃，平均为1 198 ℃；基质斜长石微晶温度范围为1 055～1 082 ℃，平均为1 071 ℃。

与邻区冲绳海槽岛弧玄武岩、东海陆架玄武岩中斜长石特征相比[9-11]，CA海山玄武岩斜长石斑晶粒径大，环带发育，核部、边部成分存在截然的差异，应是在两种不同的构造环境中结晶形成的。其中环带核部温度为1 281 ℃，代表了岩浆源区岩浆的温度；环带边部温度为1 198 ℃，代表了岩浆在洋壳岩浆房中的温度。斜长石微晶骸晶结构发育，应是在玄武质岩浆喷出，海底淬冷条件下快速结晶形成的，斜长石微晶的结晶温度(1 071 ℃)代表了玄武质岩浆的喷发温度，而且与利用玄武岩中MgO含量估算的玄武质岩浆喷出温度(1 081 ℃)基本吻合。

与前人估算的邻区冲绳海槽岛弧玄武岩、东海陆架玄武岩中斜长石环带结晶温度及玄武质岩浆喷发温度(表4)相比，CA海山玄武岩斜长石环带核部、边部及玄武质岩浆喷发温度高，温差相对较小，这可能代表了洋岛玄武质岩浆形成及喷发特点。CA海山玄武岩岩石成因研究表明，该玄武岩为板内洋岛玄武岩，属地幔柱成因；已有的研究表明地慢柱一旦启动，它将快速穿过整个地幔和地壳上升至地表，并在较短的时间内喷发形成大规模玄武岩[37-38]。YUEN et al[39]研究认为，地慢柱只有快速上升才能满足其在较短的时间内喷发形成大规模大陆溢流玄武岩和洋底高原玄武岩；并提出地幔柱岩浆是在巨大的浮力过剩和粘度亏损条件下绝热上升到地表的。CA海山玄武岩中斜长石核部、边部及斜长石微晶结晶温度高，温度相差较小，可能正是印证了上述地幔柱岩浆的形成和喷发过程。

表4 CA海山、冲绳海槽、东海陆架及南海的玄武岩中的斜长石形成温度、An值对比

注：括号中的温度为平均温度

7 结论

(1)CA海山玄武岩化学成分具有Al2O3，K2O和TiO2高，MgO和NaO/K2O比值低的特征，为碱性系列粗面玄武岩，其成因属地幔柱成因的板内洋岛玄武岩。

(2)斜长石斑晶具有正环带结构，从核部至边部化学成分向富钠质方向变化，即由基性斜长石向酸性斜长石变化；环带核部为培长石，边部为拉长石。在斜长石的主要成分中，从斜长石斑晶的核部到边部，SiO2，Na2O，FeO和K2O含量增高，Al2O3和CaO含量则明显降低，MgO含量整体呈现下降的趋势，但变化幅度较小。

(3)斜长石环带核部、边部及斜长石微晶是岩浆演化不同阶段形成的。斜长石斑晶核部温度范围为1 266～1 288 ℃，平均为1 281 ℃，代表了寄主岩浆源区的温度；边部温度范围为1 194～1 203 ℃，平均为1 198 ℃，代表了寄主岩浆在洋壳中岩浆房的温度；斜长石微晶结晶温度(1 071 ℃)，代表了玄武质岩浆喷发温度，与利用玄武岩MgO含量估算的玄武质岩浆喷发温度(1 081 ℃)吻合。

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Chemical characteristics and geological implication of plagioclase in CA Seamount basalts from the Middle Pacific

HE Xin1, SUN Guo-sheng1, CHU Feng-you2, WANG Chun-guang3, JIN Rui-xiang1, LI Yang1,ZHAN Nai-chen1, LIU Shi-wei1, SUN Jiu-da1

(1.CollegeofEarthSciences,JilinUniversity,Changchun130061,China; 2.SecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,China; 3.GeologicalExplorationFundManagementCenterofJilinProvince,Changchun130061,China)

Chemical composition of plagioclase phenocryst zone, plagioclase crystallite and silicate of basalts in CA Seamount (sample CAD21), was examined using EPMA method and X-Ray fluorescence spectrometry (XRF) on basis of petrography. The basalts of CA Seamount are intraplate basalts formed by the activity of mantle plume. The core and the edge of zones of plagioclase phenocrysts show nonsequence optical extinction phenomenon, indicating a discontinuous zoning structure. The sequence of zones is labradorite to bytownite from edge to core, showing a normal zoning in the process of magmatic evolution. Such a phenomenon is constrained by melt composition and temperature-pressure condition. Average temperatures of plagioclase phenocrysts are 1 281 ℃(temperature of magmatic source)，1 198℃(temperature of magmatic chamber) and 1 071 ℃(temperature of magmatic exhalation) respectively. The small temperature difference indicates a rapidly eruption process, in accord with the formation and eruption characteristics of oceanic island basalt magma.

CA Seamount; basalt; plagioclase; zoning; crystallization temperature

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.02.003.

2017-01-20

2017-04-24

国家自然科学基金面上项目资助(41176045)

何欣(1992-)，女，吉林双辽市人，主要从事地球化学方面的研究。E-mail：1054610130@qq.com

P588.14+5

A

1001-909X(2017)02-0023-10

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.02.003

何欣，孙国胜，初凤友，等.中太平洋CA海山玄武岩中斜长石化学成分特征及地质意义[J].海洋学研究,2017,35(2):23-32,

HE Xin, SUN Guo-sheng, CHU Feng-you, et al. Chemical characteristics and geological implication of plagioclase in CA Seamount basalts from the Middle Pacific[J].Journal of Marine Sciences,2017,35(2):23-32, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2017.02.003.