科学研究

杨宗鹏:岩浆混合在超钾质中基性火山岩形成过程中的作用【JP,2023】
2023-01-16 阅读:4163

岩浆混合是广泛出现的岩浆过程,并常被用来解释安山岩以及花岗岩微细粒包体(MME)的成因,但其在超钾质中基性火山岩形成过程中的重要性常常被忽略,以至于经常认为超钾质中基性火山岩的形成主要和特殊的地幔源区有关。然而,大量的岩相学证据,尤其是矿物不平衡结构,包括单斜辉石斑晶核部出现绿核辉石,斑晶矿物的斑晶的反环带与震荡环带以及广泛的熔蚀结构,尤其是同一手标本中常出现具有不同成分和结构的相同种类矿物,暗示了岩浆混合在超钾质岩浆形成过程中起到了重要作用。因此,与其他种类岩浆一样,超钾质岩可能在喷发到地表之前经历了复杂的岩浆演化过程,对其成分和其他地球化学指标进行了改造。

为更好的阐明超钾质中基性火山岩的成因,揭示其地壳过程的重要性,并对全球超钾质岩浆演化过程进行探讨,我校岩浆-热液演化与金属成矿求真群体张招崇教授团队博士研究生杨宗鹏和侯通教授我国滇西地区萂中村出露的渐新世超钾质熔岩(1为研究对象展开研究。通过BSE图像,WDS元素面扫,原位矿物主量、微量元素分析,在相同样品中发现了具有不同来源的晶体群,并结合全岩主微量成分与同位素分析,提出萂中超钾质岩形成于地壳岩浆房中钾镁煌斑岩与粗面岩岩浆的混合,并取得了如下主要创新性成果:

(1)萂中超钾质岩中的矿物斑晶(图2)可以被划分为三个晶体群:晶体群I包含高Fo橄榄石的核部、正环带辉石的核部、金云母、高铬尖晶石的核部,在成分上这些矿物具有钾镁煌斑岩矿物的特征。晶体群II包括反环带辉石(绿核辉石)的核部,在成分上具有粗面岩矿物的特征。晶体群III包括了小斑晶和大斑晶的边部,即低Fo橄榄石,高Fo橄榄石的边部,无环带辉石,震荡环带辉石,正环带辉石的边部,反环带辉石的幔部和边部,低铬尖晶石,高铬尖晶石的边部,具有钾镁煌斑岩与粗面岩过渡类型矿物的成分特征。

2)对全岩进行主微量分析,其成分落在粗玄岩-玄武粗安岩-粗安岩范围内,并被划分为超钾质岩(图3)。将区域内典型的钾镁煌斑岩及粗面岩数据放在一起展开对比,萂中超钾质岩的主微量成分恰好落在两种岩石的过渡区域内。萂中样品的微量元素及稀土配分类型同样介于钾镁煌斑岩及粗面岩之间,微量元素比值及全岩同位素比值同样位于两种岩石中间。利用多元矢量分析(PVA; Vogel et al., 2008)对岩浆混合端元展开计算,将萂中超钾质岩全岩主量元素成分作为变量拟合,所得岩浆混合端元有两个,分别与钾镁煌斑岩及粗面岩对应。利用Sr-Nd同位素估算结果显示,钾镁煌斑岩的端元大约90-40%

(3)采用本课题组最近开发的单斜辉石温压计对不同晶体群中的辉石结晶温度压力进行估算(Wang et al., 2021;图4)。根据绿核辉石核部(晶体群II; 0.02-0.93 GPa, 0.65 ± 0.23 GPa)可知粗面岩源于中-下地壳(约21-30km;平均值到最大值)。利用正环带辉石的核部(晶体群I; 1130-1238 ℃, 1177 ± 20 )估算钾镁煌斑岩的温度约为1197 (平均值加一倍误差)。根据绿核辉石幔部-边部(晶体群III)可知岩浆混合发生在中地壳(约10-15km)岩浆房中。利用橄榄石-尖晶石(Ballhaus et al., 1991)可得两组氧逸度变化关系,分别代表钾镁煌斑岩岩浆的氧逸度及混合后岩浆的氧逸度演化关系。钾镁煌斑岩岩浆较为氧化,氧逸度范围为FMQ+0.8FMQ+4.2混合后的岩浆相对钾镁煌斑岩岩浆还原,氧逸度范围为FMQ+0.4FMQ+2.9

4)随着哀牢山-红河断裂的活动,形成了两个系列的岩浆,分别是源于含有金云母交代地幔的钾镁煌斑岩和源于地壳熔融产生的粗面岩岩浆。萂中的超钾质熔岩正是形成于这两种岩浆的混合(图5)。首先,岩浆房中的粗面岩岩浆结晶了反环带辉石的核部(晶体群II),岩浆氧逸度和水含量都较低。随后,携带晶体(晶体群I)的钾镁煌斑岩岩浆注入到了粗面岩岩浆房中与粗面岩发生混合,二者相对富碱和富水的性质有利于岩浆中熔体的相对快速混合钾镁煌斑岩岩浆相较粗面岩岩浆具有更高的温度、氧逸度和水含量。两种岩浆混合后生成了晶体群III,这部分矿物结晶于混合后的岩浆,或是先前的矿物发生扩散再平衡(图5)。

上述研究表明岩浆混合尤其是不同晶体群的聚集会大大改变全岩成分及同位素特征,因此在运用全岩成分和同位素组成对超钾质岩进行研究时,应首先关注其矿物结构及成分特征及其反映的地壳内的演化过程对元素和同位素成分的影响。

 

图1 云南西部主要大地构造单元与研究区萂中地质图(修改自Huang et al., 2010)

 

 

图2 萂中样品岩相学照片。图a为橄榄石斑晶及尖晶石包裹体;图b为橄榄石、单斜辉石聚斑晶;图c为绿核辉石;图d为单斜辉石单颗粒斑晶;图e为金云母斑晶;图f为尖晶石斑晶

 

 

图3 全岩分类图解(引用数据来源详见原文)

 

 

图4 岩浆温度、压力、氧逸度条件。图a为单斜辉石温压计计算结果,图b-c为温度压力分布图,图d为利用橄榄石-尖晶石对计算氧逸度结果

 

 

图5 岩浆成因模式图:钾镁煌斑岩与粗面岩混合形成萂中超钾质岩浆

 

上述成果近期发表在国际地学权威期刊Journal of Petrology上:Yang, Z. P. (杨宗鹏), Hou, T.* (侯通), Wang, D. C. (王大川), Marxer, F., Wang, M. (王萌), Chebotarev, D., Zhang, Z. C. (张招崇), Zhang, H. L. (张宏罗), Botcharnikov, R. & Holtz, F. (2022). The role of magma mixing in the petrogenesis of Eocene ultrapotassic lavas, Western Yunnan, SW China. Journal of Petrology, doi:10.1093/petrology/egac129.

全文链接:https://doi.org/10.1093/petrology/egac129