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王军等-JP：大陆碱性玄武质熔体形成的新机制

撰稿：发布时间：2022-05-17

        大陆板内环境的碱性玄武岩通常与拉斑玄武岩共生，这些玄武岩的主微量成分已经被广泛用来示踪地幔熔融过程或者地幔岩性的不均一性。然而，根据玄武岩成分来推断地幔信息时，需要仔细校正壳内岩浆分异过程的影响，传统观点中考虑的是富熔体的“岩浆房”中矿物重力沉降导致的分离结晶过程。但是最近的地球物理和岩石学研究表明壳内“岩浆储库”是以富晶体（>50%）的晶粥体形式存在，其岩浆分异的方式是以渗透的粒间熔体和晶粥体的格架矿物之间的反应为主，这明显区别于富熔体的“岩浆房”模型中的岩浆分异过程，且熔体—晶粥体反应导致的熔体主微量演化趋势远远偏离了分离结晶所预测的趋势。因此，需要重新评估壳内岩浆储库的演化对板内玄武岩成分多样性的贡献。
        针对上述科学问题，中国科学院广州地化所、深地科学卓越创新中心王军博士、王强研究员及其合作者对青藏高原中部羌塘地块雀莫错地区一套共生的堆晶岩（橄榄石含量超过50%的橄长和橄榄辉长岩）和岩墙（辉绿岩）进行了详细的年代学、矿物学和地球化学研究，取得了以下新的认识：
        1、雀莫错镁铁质岩石主要分布在一条北西向断裂带两侧，西侧由橄长岩、斑状辉绿岩和少量富磁铁矿辉绿岩组成，东侧由橄榄辉长岩和无斑辉绿岩组成。这些岩石形成于早侏罗世（191±2 Ma）板内伸展环境，其母岩浆都是贫水（H₂O < 0.9wt%）的拉斑玄武岩。
        2、橄长和橄榄辉长质堆晶岩记录了中地壳压力（~0.5GPa）下拉斑质熔体通过更热的晶粥体（50-60%橄榄石±斜长石晶体）时发生的反应，该反应涉及橄榄石、斜长石和单斜辉石的溶解和再沉淀，主要证据如下：（1）堆晶相橄榄石具有高度溶蚀的港湾状边，这些溶蚀隧道被粒间熔体结晶的斜长石和单斜辉石充填，表明粒间熔体与堆晶相之间存在反应；（2）粒间单斜辉石成分变化类似前人实验得到的熔体—晶粥体反应趋势：Mg^#几乎不变，Ti和Na急剧升高，这显著偏离了分离结晶趋势，而辉绿岩墙的单斜辉石成分变化就表现出分离结晶的趋势：Mg^#急剧降低，Ti和Na缓慢升高后降低（图1）。总之，相对分离结晶成因的辉石（岩墙），在给定的相容元素含量下（如Mg和Ni），反应成因的辉石（堆晶岩）具有更高的不相容元素含量（如Ti、Na和Y）和比值（Ce/Y），这是因为橄榄石的溶解抑制了熔体相容元素含量的降低（图1）。

图1.（a-b）洋壳和反应实验的单斜辉石；（c-f）堆晶岩和岩墙单斜辉石的成分差异（蓝色代表熔体—晶粥体反应；红色代表分离结晶）

3、堆晶岩的粒间单斜辉石TiO₂含量已经从0.6 wt%急剧升高到3.4 wt%（图1c），实验和天然样品的研究表明只有碱性玄武岩才能结晶高钛辉石（TiO₂ > 2wt%）。另外，最晚期结晶的高钛辉石边部也出现了碱性玄武岩的标志性矿物——钛闪石（TiO₂含量高达7.1wt%），本次研究统计的实验熔体数据也表明（图2a），只有碱性玄武岩/玄武安山岩才能结晶高钛角闪石（TiO₂ > 4.5wt%）。因此，熔体—晶粥体反应可以导致渗透的粒间熔体从拉斑向碱性玄武岩转变。多阶段反应模拟结果也验证了这一结论，即渗透熔体的硅和镁含量几乎不变（由于橄榄石溶解），碱含量升高（由于熔体质量降低），进而穿越拉斑—碱性的分界线（图2b）。

图2.（a）洋壳和实验角闪石钛含量及其母岩浆硅含量；（b）不同压力的分离结晶实验（三角和五角形）和熔体—晶粥体反应模拟（六边形）显示的拉斑-碱性玄武岩转变

4、研究区断裂带两侧岩石具有不同的同位素和微量元素组成，表明存在两个空间上独立的岩浆系统（图3）。尽管断裂带两侧的初始拉斑质岩浆存在这些成分差异，但两侧的堆晶岩晚期粒间矿物都出现了主量成分类似的高钛辉石和钛闪石，表明拉斑质熔体—晶粥体反应生成碱性玄武岩的过程是普遍存在的，与初始拉斑玄武岩成分变化无关。新生代高原隆升将中地壳堆晶岩剥露到地表的同时，可能也剥蚀了早侏罗世地表的玄武岩（图3）。

图3. 断裂带两侧的岩浆管道系统记录类似的拉斑质熔体—晶粥体反应过程

        5、前人实验研究表明拉斑玄武岩在高压（> 0.4 GPa）下也可经过分离结晶形成高钛的碱性玄武岩，这是因为高压促进富硅的单斜辉石结晶，并抑制铁钛氧化物早期结晶，这导致熔体硅降低以及碱和钛升高。然而该过程形成的都是低镁碱性玄武岩，这区别于拉斑质熔体—晶粥体反应生成的相对高镁的碱性玄武岩（图2b）。下洋壳辉长质堆晶岩也记录了拉斑质熔体—晶粥体反应过程，但是洋壳中只有低钛辉石（TiO₂ < 1.5wt%）和角闪石（TiO₂ < 4wt%）（图1a和2a），这是因为洋壳（< 0.2 GPa）的岩浆储库相对陆壳更浅。0.5 GPa拉斑质熔体—晶粥体反应实验也表明更高压力可以生成更高钛的辉石（图2a）。
        因此，高压下（≥0.5 GPa）拉斑质熔体—晶粥体反应是形成大陆碱性玄武质熔体的一种新机制，这也暗示相对高镁的碱性玄武岩不一定是幔源原生岩浆，即大陆拉斑—碱性玄武岩的转变可能不一定是地幔不均一性或熔融过程导致的。相关研究成果已经发表在国际岩石学著名刊物《Journal of Petrology》上，该研究受国家自然科学基金、第二次青藏科考、中科院战略性先导科技专项、中国博士后科学基金等项目的联合资助。
        论文信息：Wang Jun (王军), Wang Qiang* (王强), Zeng Ji-Peng (曾纪鹏), Ou Quan (欧权), Dan Wei (但卫), Yang Yang Alexandra (杨阳), Chen Yi-Wei (陈怡伟), Wei Gangjian (韦刚健), 2022. Generation of continental alkalic mafic melts by tholeiitic melt-mush reactions: A new perspective from contrasting mafic cumulates and dikes in central Tibet. Journal of Petrology. https://doi.org/10.1093/petrology/egac039

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