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王軍等-JP：大陸堿性玄武質(zhì)熔體形成的新機制

撰稿：發(fā)布時(shí)間：2022-05-17

        大陸板內環(huán)境的堿性玄武巖通常與拉斑玄武巖共生，這些玄武巖的主微量成分已經(jīng)被廣泛用來(lái)示蹤地幔熔融過(guò)程或者地幔巖性的不均一性。然而，根據玄武巖成分來(lái)推斷地幔信息時(shí)，需要仔細校正殼內巖漿分異過(guò)程的影響，傳統觀(guān)點(diǎn)中考慮的是富熔體的“巖漿房”中礦物重力沉降導致的分離結晶過(guò)程。但是最近的地球物理和巖石學(xué)研究表明殼內“巖漿儲庫”是以富晶體（>50%）的晶粥體形式存在，其巖漿分異的方式是以滲透的粒間熔體和晶粥體的格架礦物之間的反應為主，這明顯區別于富熔體的“巖漿房”模型中的巖漿分異過(guò)程，且熔體—晶粥體反應導致的熔體主微量演化趨勢遠遠偏離了分離結晶所預測的趨勢。因此，需要重新評估殼內巖漿儲庫的演化對板內玄武巖成分多樣性的貢獻。
        針對上述科學(xué)問(wèn)題，中國科學(xué)院廣州地化所、深地科學(xué)卓越創(chuàng )新中心王軍博士、王強研究員及其合作者對青藏高原中部羌塘地塊雀莫錯地區一套共生的堆晶巖（橄欖石含量超過(guò)50%的橄長(cháng)和橄欖輝長(cháng)巖）和巖墻（輝綠巖）進(jìn)行了詳細的年代學(xué)、礦物學(xué)和地球化學(xué)研究，取得了以下新的認識：
        1、雀莫錯鎂鐵質(zhì)巖石主要分布在一條北西向斷裂帶兩側，西側由橄長(cháng)巖、斑狀輝綠巖和少量富磁鐵礦輝綠巖組成，東側由橄欖輝長(cháng)巖和無(wú)斑輝綠巖組成。這些巖石形成于早侏羅世（191±2 Ma）板內伸展環(huán)境，其母巖漿都是貧水（H₂O < 0.9wt%）的拉斑玄武巖。
        2、橄長(cháng)和橄欖輝長(cháng)質(zhì)堆晶巖記錄了中地殼壓力（~0.5GPa）下拉斑質(zhì)熔體通過(guò)更熱的晶粥體（50-60%橄欖石±斜長(cháng)石晶體）時(shí)發(fā)生的反應，該反應涉及橄欖石、斜長(cháng)石和單斜輝石的溶解和再沉淀，主要證據如下：（1）堆晶相橄欖石具有高度溶蝕的港灣狀邊，這些溶蝕隧道被粒間熔體結晶的斜長(cháng)石和單斜輝石充填，表明粒間熔體與堆晶相之間存在反應；（2）粒間單斜輝石成分變化類(lèi)似前人實(shí)驗得到的熔體—晶粥體反應趨勢：Mg^#幾乎不變，Ti和Na急劇升高，這顯著(zhù)偏離了分離結晶趨勢，而輝綠巖墻的單斜輝石成分變化就表現出分離結晶的趨勢：Mg^#急劇降低，Ti和Na緩慢升高后降低（圖1）。總之，相對分離結晶成因的輝石（巖墻），在給定的相容元素含量下（如Mg和Ni），反應成因的輝石（堆晶巖）具有更高的不相容元素含量（如Ti、Na和Y）和比值（Ce/Y），這是因為橄欖石的溶解抑制了熔體相容元素含量的降低（圖1）。

圖1.（a-b）洋殼和反應實(shí)驗的單斜輝石；（c-f）堆晶巖和巖墻單斜輝石的成分差異（藍色代表熔體—晶粥體反應；紅色代表分離結晶）

3、堆晶巖的粒間單斜輝石TiO₂含量已經(jīng)從0.6 wt%急劇升高到3.4 wt%（圖1c），實(shí)驗和天然樣品的研究表明只有堿性玄武巖才能結晶高鈦輝石（TiO₂ > 2wt%）。另外，最晚期結晶的高鈦輝石邊部也出現了堿性玄武巖的標志性礦物——鈦閃石（TiO₂含量高達7.1wt%），本次研究統計的實(shí)驗熔體數據也表明（圖2a），只有堿性玄武巖/玄武安山巖才能結晶高鈦角閃石（TiO₂ > 4.5wt%）。因此，熔體—晶粥體反應可以導致滲透的粒間熔體從拉斑向堿性玄武巖轉變。多階段反應模擬結果也驗證了這一結論，即滲透熔體的硅和鎂含量幾乎不變（由于橄欖石溶解），堿含量升高（由于熔體質(zhì)量降低），進(jìn)而穿越拉斑—堿性的分界線(xiàn)（圖2b）。

圖2.（a）洋殼和實(shí)驗角閃石鈦含量及其母巖漿硅含量；（b）不同壓力的分離結晶實(shí)驗（三角和五角形）和熔體—晶粥體反應模擬（六邊形）顯示的拉斑-堿性玄武巖轉變

4、研究區斷裂帶兩側巖石具有不同的同位素和微量元素組成，表明存在兩個(gè)空間上獨立的巖漿系統（圖3）。盡管斷裂帶兩側的初始拉斑質(zhì)巖漿存在這些成分差異，但兩側的堆晶巖晚期粒間礦物都出現了主量成分類(lèi)似的高鈦輝石和鈦閃石，表明拉斑質(zhì)熔體—晶粥體反應生成堿性玄武巖的過(guò)程是普遍存在的，與初始拉斑玄武巖成分變化無(wú)關(guān)。新生代高原隆升將中地殼堆晶巖剝露到地表的同時(shí)，可能也剝蝕了早侏羅世地表的玄武巖（圖3）。

圖3. 斷裂帶兩側的巖漿管道系統記錄類(lèi)似的拉斑質(zhì)熔體—晶粥體反應過(guò)程

        5、前人實(shí)驗研究表明拉斑玄武巖在高壓（> 0.4 GPa）下也可經(jīng)過(guò)分離結晶形成高鈦的堿性玄武巖，這是因為高壓促進(jìn)富硅的單斜輝石結晶，并抑制鐵鈦氧化物早期結晶，這導致熔體硅降低以及堿和鈦升高。然而該過(guò)程形成的都是低鎂堿性玄武巖，這區別于拉斑質(zhì)熔體—晶粥體反應生成的相對高鎂的堿性玄武巖（圖2b）。下洋殼輝長(cháng)質(zhì)堆晶巖也記錄了拉斑質(zhì)熔體—晶粥體反應過(guò)程，但是洋殼中只有低鈦輝石（TiO₂ < 1.5wt%）和角閃石（TiO₂ < 4wt%）（圖1a和2a），這是因為洋殼（< 0.2 GPa）的巖漿儲庫相對陸殼更淺。0.5 GPa拉斑質(zhì)熔體—晶粥體反應實(shí)驗也表明更高壓力可以生成更高鈦的輝石（圖2a）。
        因此，高壓下（≥0.5 GPa）拉斑質(zhì)熔體—晶粥體反應是形成大陸堿性玄武質(zhì)熔體的一種新機制，這也暗示相對高鎂的堿性玄武巖不一定是幔源原生巖漿，即大陸拉斑—堿性玄武巖的轉變可能不一定是地幔不均一性或熔融過(guò)程導致的。相關(guān)研究成果已經(jīng)發(fā)表在國際巖石學(xué)著(zhù)名刊物《Journal of Petrology》上，該研究受?chē)易匀豢茖W(xué)基金、第二次青藏科考、中科院戰略性先導科技專(zhuān)項、中國博士后科學(xué)基金等項目的聯(lián)合資助。
        論文信息：Wang Jun (王軍), Wang Qiang* (王強), Zeng Ji-Peng (曾紀鵬), Ou Quan (歐權), Dan Wei (但衛), Yang Yang Alexandra (楊陽(yáng)), Chen Yi-Wei (陳怡偉), Wei Gangjian (韋剛健), 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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王軍等-JP：大陸堿性玄武質(zhì)熔體形成的新機制

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