马里亚纳俯冲带弧内坡橄榄岩的矿物组成及微量元素地球化学特征

马里亚纳俯冲带弧内坡橄榄岩的矿物组成及微量元素地球化学特征

脉冲板层和地幔楔层之间的相互作用是脉冲带工厂的核心过程，在这个过程中，形成了大量的岛弧火山岩。然而,俯冲板片的脱水并不是到达火山前锋以下才开始进行,在弧前已经释放出了大量的水,如沉积物孔隙水、板片孔隙水以及低温含水矿物(如蛋白石、蒙脱石等)脱水等。这些来自板片的水会造成弧前地幔楔矿物的水化,并改变弧前地幔的物理性质,如密度、地震波速度等。伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧的弧前蛇纹岩海山也被认为是源自板片的水使地幔橄榄岩蛇纹石化之后由于密度差异底辟上升形成的。弧前的板片流体进入地幔楔的元素循环研究还很少,只有针对伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧的弧前蛇纹岩海山流体的少量研究以及少量蛇绿岩套中蚀变橄榄岩的研究,这些研究表明,弧前流体中Li、B、Cs、U等流体活动性元素含量较高。在马里亚纳俯冲带,因为俯冲板片的侵蚀作用,地壳以及地幔深部的岩石出露于弧内坡,相关的研究表明部分橄榄岩经历了从高温到低温的流体交代反应,这为我们研究弧下地幔流体交代提供了难得的样品。本文以马里亚纳南部关岛以南的弧内坡橄榄岩为对象,尝试用全岩的主量元素以及部分微量元素数据结合矿物组成的数据来反映弧前的板片流体的组成特点。1岩石学和地质特征马里亚纳俯冲带是典型的洋内俯冲带,它是在始新世时期太平洋板块漂移的方向由北北西突变为北西西的背景下,在前期存在的大转换断层的基础上发展形成的。马里亚纳俯冲带具有非常宽广的弧前,最宽处超过200km。在马里亚纳的弧前从北向南分布有串珠状蛇纹岩海山,它们是俯冲板片脱水引起弧前地幔楔橄榄岩蛇纹石化底辟上升形成的,记录了俯冲板片脱水形成的流体与地幔楔在相对低温下的相互作用。ODP(OceanDrillingProgram)曾有两个航次对这些蛇纹岩海山取样(Leg125、Leg195)。在关岛以南,马里亚纳俯冲带没有发育岛弧火山作用,除局部地区有太平洋板片海山物质(包括少量的玄武岩以及灰岩等)的加积以外,大量弧下下地壳(辉长岩)以及上地幔橄榄岩出露于弧内坡。美国1977—1979年组织的3个地质取样航次和日本KH-98以及KH-03航次都在这一段的弧内坡发现了大量的超基性岩。这些超基性岩的岩相和地球化学特征与深海橄榄岩有明显的区别,而与马里亚纳弧前蛇纹岩海山中的超基性岩相近,是弧下地幔的代表。本文讨论的样品来自于日本KH-03航次D7(5件)以及D8(7件)在关岛以南的两个拖网站位,具体位置如图1。拖网的水深D7为4500—4000m,D8为3500—3000m,拖网所取得的样品超过90%均为超基性岩,包括方辉橄榄岩、纯橄岩以少量的辉石岩,其他岩石为角闪岩、辉长岩、辉绿岩、玄武岩等。2岩石学和矿物特征矿物的电子探针分析在国家海洋局第二海洋研究所进行,设备型号为JOEL-8100,测试电流为2.0×10-8A。橄榄石、单斜辉石、斜方辉石、滑石、尖晶石(包括铬铁矿)以及镍黄铁矿的数据见表1—4,角闪石数据另文发表。本文所研究的12件样品均有不同程度的蛇纹石化,如果用烧失量做为蛇纹石化程度的度量(蛇纹石含水13.04%,橄榄岩及辉石均不含水,不考虑其他挥发成分),那么这些样品的蛇纹石化程度在30%—75%之间,大多在30%—50%之间。这12件样品原岩的岩性包括方辉橄榄岩以及纯橄岩两种。从蛇纹石化程度较低的岩石薄片来看,样品多具有粗粒结构,大部分样品无定向构造,部分略具定向构造,部分蛇纹石化程度低且结晶较粗的样品中可以见到包橄结构(图2a)。方辉橄榄岩中的主要矿物包括橄榄石及斜方辉石,D7-63样品有明显的它形的单斜辉石(图2b)。纯橄岩中几乎全部为橄榄石。所有的样品中都出现了后期的针状或长柱状的角闪石(图2d),尖晶石在薄片中也常见(图2b、e),一般为自形到半自形的粒状,局部可以看到尖晶石边缘变为铬铁矿(图2e)。岩石中的橄榄石、辉石以及尖晶石的化学成分呈现出经历高程度熔融的特点。橄榄石Mg#多在91以上,要高于产于洋中脊的深海橄榄岩(平均90.29)。斜方辉石的Mg#与橄榄石基本相当,最高可以超过92;斜方辉石中的Al2O3含量在1.01%—1.72%之间,而深海橄榄岩中斜方辉石的Al2O3多在2%以上。尖晶石多具有明显高的Cr#,除去明显晚期形成的铬铁矿,Cr#多可以达到60—90明显要高于产于洋中脊的深海橄榄岩(图3)。这些特点与马里亚纳弧前蛇纹岩海山的矿物组成相似。这些超基性岩的矿物组成也表现出曾经历后期的流体交代过程,最为典型的是普遍出现的角闪石部分样品中的角闪石可以超过5%。角闪石在岩石的裂隙中较为发育,有穿插橄榄石等矿物的现象(图2d),偶见角闪石会呈单斜辉石或是斜方辉石假象。这些都表明角闪石的形成要晚于橄榄石及辉石这些原生矿物。从电子探针数据来看,角闪石中,透闪石占大多数,而高Al2O3、Na2O的镁角闪石数量相对较少,浅闪石只偶尔出现(另文发表)。除角闪石以外,滑石和蛇纹石也是弧前的流体交代相对低温的地幔楔的产物。滑石多为长柱状呈放射状集合体等形态,其在样品中分布不普遍与洋中脊海水蚀变形成的呈脉状的滑石不同,本研究中的部分样品中滑石结晶程度较好,呈片状。橄榄岩中滑石的出现一般代表了流体中具有高的SiO2活度,或是CO2的加入导致Mg的移出,形成菱镁矿(加入H2O后会转变为水镁石)。本研究中未发现菱镁矿或是水镁石,流体中具有高的SiO2活度可能是滑石出现的主要原因。一般说来,斜方辉石的蛇纹石化可以导致流体中SiO2活度提高,不过这与本研究中斜方辉石少见以及蚀变程度较低不一致。蛇纹石多以网状蚀变橄榄石,斜方辉石仅在边缘有轻微的蛇纹石化现象,这可能意味着SiO2来源于俯冲板片。此外,部分样品还可以见到镍黄铁矿,其粒度多小于0.05mm,多见于蛇纹石化较强烈的局部或是与磁铁矿伴生(图2f、g)。在一个薄片中观察到镍黄铁矿边缘和裂隙蚀变为暗灰色的磁铁矿(图2h),表明蚀变流体可能具有相对高的氧逸度。3主量元素地球化学岩石样品先用全烧结金刚石切割片切成2—5mm的厚小片,再小心地切去表面的海水风化层,之后用去离子水在超声波清洗机中清洗1h,最后用玛瑙研钵手工磨至200目以下用于分析。岩石的主量元素及微量元素的分析在中国科学院广州地球化学研究所同位素年代学与地球化学重点实验室完成,烧失量采用重量法测定,其他主量元素采用X射线荧光光谱分析(XRF)进行测试,测试精度好于5%,微量元素在超净实验室消解完成后,采用ICP-MS进行测试。微量元素具体测试流程参见。由于橄榄岩不相容元素如稀土元素、Th、Hf等含量极低,难以得到可靠的数据,表5、表6中仅列出含量相对较高的几个不相容元素,包括Rb、Ba、U、Nb、Sr、Zr等。全岩样品的烧失量在4.17%—10.52%之间,由于蛇纹石化过程中水的加入,相当于其他主量元素被稀释,会影响到对原岩主量元素特征的探究,因此需要把主量元素换算成干体系以校正其含量。校正后,样品的SiO2含量在43.91%—46.88%之间,MgO含量在39.68%—45.03%之间,集中于43%左右,总Fe2O3含量变化相对较大,为8.17%—12.02%。样品中TiO2和K2O的含量极低,在0—0.01%之间,Na2O含量也很低,在0.10%—0.22%之间。样品中Al2O3含量很低,最高仅1.12%,大部分样品都小于1%,CaO的含量同样较低,在0.46%—1.6%之间。虽然蛇纹石化过程中,CaO可能活化,但是样品CaO与Al2O3具有的正相关关系表明CaO在蛇纹石化过程中受到的影响并不显著(图4)。全岩低的CaO与Al2O3含量以及高的MgO含量表明岩石经历了高度的熔融过程;而很低的K2O,Na2O与Al2O3含量意味着流体交代作用对全岩成分的影响并不显著,这可能是由于流体中这些元素的浓度较低,或是由于温压以及全岩成分的条件难以形成大量富含这些元素的矿物相所致。样品具有高的相容元素含量,Cr含量在2955×10-6—5437×10-6之间,Ni含量在2062×10-6—2520×10-6之间,Co含量达94.2×10-6—162×10-6。Cr与MgO略具负相关关系,Ni与MgO略具正相关关系(图5)。这两个元素与SiO2无明显的相关关系。这可能与蛇纹石化过程中MgO以及SiO2的活动有关,也可能在于本研究所测试的样品较少,且MgO和SiO2含量分布非常集中有关。不相容元素在样品中的含量很低,特别是部分大离子亲石元素,如Th、Hf等,含量小于0.01×10-6Nb含量一般小于0.1×10-6,最高仅0.44×10-6。Rb含量在0.13×10-6—0.25×10-6之间,Ba含量在0.96×10-6—3.54×10-6之间。高于亏损地幔平均组成,但明显低于原始地幔。但是,部分不相容元素与具有明显高的含量,如U的含量达0.32×10-6—1.15×10-6,明显超过了原始地幔的U含量(0.021×10-6),高出亏损地幔数十倍(0.0047×10-6)。Sr是另一个含量较高的元素,最高达70.0×10-6,除两个样品含量小于5×10-6以外,其他样品都集中于10×10-6左右,根据未发表的本研究区橄榄岩稀土元素中Nd的数据(0.014×10-6—0.26×10-6,与石井辉秋个人交流),SrN/NdN(下标N代表原始地幔标准化,下同)最高可以达到100以上,几乎所有样品SrN/NdN都大于1,表明相对于稀土元素,Sr具有明显富集的特征。Wang等发表的马里亚纳南部橄榄岩微量元素SrN/NdN也同样>1,最高可达42,明显具有Sr相对富集的特征。4蛇纹石化的海底冲突弧前流体相对富集亲流体元素,因此对地幔楔的交代作用有可能产生亲流体元素的富集。本研究的样品中观察到2个亲流体元素U和Sr明显的的相对富集,考虑到采样位置的构造环境,产生这种特征可能有两种原因。一是由于海水对于橄榄岩的蚀变,二是由于俯冲板片释放流体对于地幔楔的交代作用。弧前的岩石圈并不具有洋中脊的地壳结构,这会限制橄榄岩发生广泛的蛇纹石化,这与本研究中观察到的有限的蛇纹石化程度相一致。虽然海水中含有较高含量的Sr,可以达到8mg·kg-1(10-6),但是仅含有约3μg·kg-1(10-9)的U。如果要达到样品中U的含量(最高1.15×10-6),要求水岩比达到300:1以上,这与本研究中大部分样品蛇纹石化程度不高相矛盾。Sr元素也有同样情形,虽然大部分的样品Sr含量在10×10-6以内,但是含量最高的样品可以超过60×10-6,同样需要很高的水岩比。蛇纹石化过程对U和Sr的影响也应该是很有限的。大西洋中脊的蛇纹石化深海橄榄岩中Sr的含量大多都没有明显的提升,多<10×10-6,而U的含量更低(<0.1×10-6)。个别具有高U含量的样品被归因于玄武质熔体的交代,因为这些样品同时具有高的Th含量。据此,海水对于橄榄岩的蚀变作用可能并不是岩石具有高的Sr和U含量的主要原因。来源于俯冲板片的流体对地幔岩的交代是产生这种现象的最可能原因。首先,Sr和U属于亲流体元素,容易随流体迁移。Mottl等测定了马里亚纳弧前蛇纹岩海山冷泉化学成分,发现Ca、Sr具有相对高的含,其中Sr的含量可以达到1008μmol·kg-1,并认为Sr的主要来源是沉积物的脱水。伊豆—小笠原—马里亚纳弧前蛇纹岩海山(Conical海山和Torishima海山,ODPLegs125)中蛇纹石化橄榄岩也相对富集Sr和U,Sr含量最高可以达到271×10-6相对于Nd具有显著的正异常。U含量也有个别样品可以达到1×10-6以上,同时相对于Th具有明显的正异常。陈俊兵等用LA-ICPMS测定了本研究区橄榄岩中的单斜辉石、透闪石以及镁角闪石的微量元素组成,发现U和Sr都具有明显的正异常同时具有较高的含量,这表明这两个元素在俯冲流体中应该具有较高的含量。Desch