科学研究

许伟:角闪石控制弧岩浆分异的两种方式【JP,2021】
2021-09-30 阅读:33287

俯冲带弧岩浆的成因和演化是认识大陆地壳形成的关键之一,是国际学术界长期关注并在持续攻关的重大基础科学问题。火山岩的全岩地球化学和实验岩石学研究表明角闪石在弧岩浆的分异过程中扮演了重要角色,但火山岩很少发育角闪石斑晶,而富角闪石超镁铁质-镁铁质岩石又通常位于地壳深部,很难被直接观察和研究,这就导致角闪石控制弧岩浆分异的具体机制尚不完全清楚。位于青藏高原南部冈底斯岩基(220–10 Ma)东段的崔久火成杂岩(ca. 200 Ma)保存有相对完整的早中生代冈底斯弧下地壳至上地壳剖面,岩性组成丰富。其中的闪长岩含有大量的富角闪石超镁铁质-镁铁质捕虏体,为研究角闪石如何控制弧岩浆的分异提供了极好的机会。

针对上述科学问题,中国地质大学(北京)“大陆汇聚与青藏高原生长”求真研究群体博士研究生许伟,在导师朱弟成教授和澳大利亚莫纳什大学Roberto F. Weinberg教授的共同指导下,对冈底斯岩基东段崔久火成杂岩中的富角闪石超镁铁质-镁铁质捕虏体开展了野外、岩石学、锆石U–Pb定年、矿物和全岩地球化学等方面的工作,取得如下一系列研究成果。

1)崔久富角闪石超镁铁质-镁铁质捕虏体产出于寄主闪长岩内,在长度上可达几百米(1a),其中心部位的岩性为斑状辉石角闪石岩(1b),向寄主闪长岩的方向逐渐被细粒角闪辉长岩取代(1a)。细粒角闪辉长岩与寄主闪长岩界线截然,但偶见两者的机械混杂现象(斜长石的交换)(1c)。锆石U–Pb定年结果表明上述三种岩性均结晶于~200 Ma

2)岩相学观察和全岩及矿物地球化学数据指示斑状辉石角闪石岩和细粒角闪辉长岩均由互不平衡的两组矿物组合组成:(a)角闪石斑晶的棕色核+其内的单斜辉石包裹体;(b)角闪石斑晶的绿色边+绿色基质角闪石+基质单斜辉石+斜长石+石英+副矿物。第一组矿物组合内的棕色角闪石和单斜辉石均富集中稀土(MREE)、亏损轻稀土(LREE)和重稀土(HREE),并轻微亏损Ti23),而第二组矿物组合内的绿色角闪石和单斜辉石以富集LREE、亏损MREEHREE为特征,并强烈亏损SrTi23)。

3)崔久富角闪石超镁铁质-镁铁质捕虏体形成于开放体系下的熔体-岩石反应。原始玄武质熔体侵入地壳并结晶形成由第一组矿物组合组成的超基性堆晶岩(4a)。这一堆晶岩体或晶粥体随后被晚期的寄主闪长质熔体广泛渗滤(4a)。矿物和熔体的不平衡触发了第一组矿物组合的溶解和第二组矿物组合的结晶(4b)。最小二乘法质量平衡计算结果表明参与反应的闪长质熔体的含量变化于25%44%之间。角闪石Al压力计和寄主闪长岩中存在的岩浆绿帘石表明上述熔体-岩石反应发生在中地壳(~6 kbar)。

4)第一组矿物组合内的棕色堆晶角闪石富集MREE并亏损LREEHREE3a),可以导致派生熔体显示低的Dy/Yb比值。第二组矿物组合内由熔体-岩石反应生成的绿色角闪石虽然富集LREE并亏损MREEHREE,但其内的MREE含量依然高于HREE的含量(3c),因此,经历上述熔体-岩石反应的残余熔体同样会表现出角闪石分异(低Dy/Yb比值)的地球化学特征。综上所述,本文认为除结晶分异外,熔体-岩石反应也是角闪石控制弧岩浆分异的一种可能机制。

上述研究详细地刻画了崔久富角闪石超镁铁质-镁铁质捕虏体的成因过程,不仅呈现了一个中地壳尺度的弧堆晶岩与熔体反应的实例,同时也提出了角闪石控制弧岩浆分异的一种新机制。


图1 崔久富角闪石超镁铁质-镁铁质捕虏体的野外照片

 

图2 单斜辉石的微量元素特征

 

图3 角闪石的微量元素特征

 

图4 崔久富角闪石超镁铁质-镁铁质捕虏体的成因模式


上述成果发表在地球科学领域国际著名期刊《Journal of Petrology》上:Xu, W., Zhu, D.C.*, Wang, Q., Weinberg, R.F., Wang, R., Li, S.M., Zhang, L.L., Zhao, Z.D., 2021. Cumulate mush hybridization by melt invasion: Evidence from compositionally-diverse amphiboles in ultramafic-mafic arc cumulates within the eastern Gangdese Batholith, southern Tibet. Journal of Petrology, egab073. 这是本群体在崔久火成杂岩成因研究中发表的第3Journal of Petrology论文。

全文链接:https://doi.org/10.1093/petrology/egab073