地幔柱的構(gòu)造特征及巖石學(xué)和地球化學(xué)特征研究

楊焱鈞，周 海，吳 濤，李 冰 （西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069）

沉積盆地是地球表面的長期沉降區(qū)，盆地的沉降是巖石圈動力學(xué)演化的基本過程之一。通常將盆地的沉降機(jī)制分為3類，即熱沉降機(jī)制、構(gòu)造應(yīng)力作用、負(fù)荷 （重力）作用，上述沉降機(jī)制并非孤立地起作用，通常是以一種機(jī)制為主，多種機(jī)制綜合作用，其中有關(guān)熱沉降機(jī)制的描述如下[1]：巖石圈和地殼加熱造成隆起，隨之地表侵蝕使地殼變薄，然后又變冷導(dǎo)致這種衰減地殼的沉降。熱沉降機(jī)制是被動大陸邊緣、大洋盆地和大陸裂谷裂后坳陷的重要沉降機(jī)制之一。熱力作用是盆地發(fā)育演化和改造的主要因素，隨著大陸動力學(xué)研究的深入，大陸垂向熱力作用及其熱力構(gòu)造陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，其中地幔熱柱型是熱力構(gòu)造中非常重要的類型。例如，太平洋板塊上的夏威夷洋島以及向西北方向年齡逐漸變老的夏威夷－皇帝島鏈?zhǔn)前鍓K構(gòu)造理論解釋不了的板內(nèi)巖漿活動。Wilson[2]提出了熱點(diǎn)假說，用來解釋夏威夷島鏈火山巖的成因。Morgan[3]發(fā)展了熱點(diǎn)學(xué)說，并正式提出地幔柱假說，認(rèn)為熱點(diǎn)是下地幔圓柱狀地幔柱在地表的表現(xiàn)，并鑒別出20個地幔柱。Griffiths等[4]建立了地幔熱柱動力模型，成功解決了熱驅(qū)動和大粘滯度對比的問題。下面，筆者對地幔柱研究的情況進(jìn)行闡述。

1 地幔柱的構(gòu)造特征

1.1 巨型放射狀巖墻群

在全球鐵鎂質(zhì)巖墻GIS數(shù)據(jù)庫中收集的巨型放射狀巖墻群的總數(shù)大于500個[5]。巨型放射狀巖墻群主要與伸展構(gòu)造環(huán)境有關(guān)，是巖漿侵位事件造成上覆地殼形成裂隙系統(tǒng)，巖漿隨后灌入而形成的。巨型放射狀巖墻群的侵位模式主要包括垂向侵位和側(cè)向侵位2種模式，其巖性多樣，但主要是超基性－基性巖，說明其與深部巖漿作用密切相關(guān)。根據(jù)幾何形狀，可將巖墻群分成5種類型[6]（見圖1）：類型1為連續(xù)的扇狀型式；類型2雖具扇狀型但可進(jìn)一步劃分成相互隔開的亞群；類型3為由從一個公共點(diǎn)向四周輻射的亞巖墻群所組成；類型4為分布較寬的次平行巖墻群；類型5為窄帶狀的次平行巖墻。巨型放射狀巖墻群 （包括類型1、類型2和類型3）的侵位和地幔柱之間具有成因聯(lián)系的證據(jù)包括[7]：一個放射狀巖墻群的會聚區(qū)指示巖漿源的中心位置；會聚區(qū)域之外的巖墻中有側(cè)向侵入的巖漿熔巖流；會聚區(qū)的隆升是地幔柱到達(dá)的響應(yīng)；一些巖墻群的快速侵位。

1.2 大火成巖省

大火成巖省是指巨量的富鐵鎂巖石的連續(xù)侵位，包括大陸溢流玄武巖 （CFB）和相關(guān)的侵入巖、火山被動邊緣、大洋高原、洋脊、海山群及洋盆溢流玄武巖。大火成巖省代表了地球上已知的最大的火山事件，記錄了物質(zhì)和能量從地球內(nèi)部向外的大量轉(zhuǎn)換。大火成巖省以短時間內(nèi)的巨量噴發(fā)為特征，這種特殊現(xiàn)象一般認(rèn)為是地幔柱作用的結(jié)果，其可解釋大火成巖省的相關(guān)現(xiàn)象[8]：①短時間內(nèi)的巨量幔源巖漿；②噴發(fā)前大于500m的隆起；③高溫苦橄巖和科馬提巖的存在；④熱點(diǎn)軌跡；⑤在沒有揮發(fā)分和壓力降低的條件下地幔發(fā)生熔融；⑥高3He／4He比值。

1.3 超大陸裂解

對超大陸裂解的研究可以從大陸裂谷、巖墻群以及非造山巖漿活動等伸展性質(zhì)的構(gòu)造組合入手。大火成巖省是超級大陸解體事件的重要標(biāo)志之一，而在超級大陸解體事件中地幔柱的活動特征成為學(xué)者們關(guān)注的問題。例如，對于岡瓦納大陸的解體問題的探討，存在主動地幔柱理論與被動地幔柱理論之爭議[9]，前者認(rèn)為地幔柱造成大陸的上隆和碎裂致使大陸分開，后者認(rèn)為在大陸裂解過程中，地幔柱沒有起到任何作用，只是能導(dǎo)致大陸溢流玄武巖的噴溢。

2 地幔柱的巖石學(xué)及地球化學(xué)特征

2.1 巖石學(xué)特征

圖1 巨型放射狀巖墻群的5種形式

1）苦橄巖 苦橄巖是一種超鎂鐵質(zhì)熔巖，通常產(chǎn)于火山巖系的底部和下部，對其巖石學(xué)、礦物學(xué)、元素和同位素地球化學(xué)的研究可以為探討大火成巖省和地幔柱的關(guān)系、地幔柱的熱成分結(jié)構(gòu)模式以及預(yù)測Cu-Ni-PGE硫化物礦床的成礦潛力提供重要依據(jù)[10]。

2）科馬提巖 科馬提巖富含MgO成分 （含量大于18%）、橄欖石和輝石的原生礦物成分。Richard等[11]通過對加拿大魁北克北部環(huán)蘇比利爾湖區(qū)Ottawa島科馬提巖 （19×108a）、安大略阿比提比帶中Alexo科馬提巖 （19×108a）及津巴布韋Belingwe綠巖帶區(qū)Zvishevane科馬提巖 （27×108a）中的橄欖石進(jìn)行氦同位素研究。結(jié)果表明，橄欖石晶體捕獲了具有較高3He／4He比值的地幔流體，其中Alexo橄欖石中3He／4He比值最高可達(dá)大氣值的39倍，說明科馬提巖可能來自含有深源區(qū)成分的地幔柱。此外，在科馬提巖形成過程中，由于溫度很高，以至于地幔柱中占主導(dǎo)、耐熔的的組分頁發(fā)生了廣泛的熔融。

3）變質(zhì)核雜巖 變質(zhì)核雜巖是大陸流變伸展的重要表現(xiàn)形式，其構(gòu)造是熱穹隆構(gòu)造的進(jìn)一步發(fā)展與演化，屬于地幔熱柱－熱點(diǎn)構(gòu)造系統(tǒng)，也是地幔熱柱對大陸地殼作用的重要標(biāo)志與特征之一。變質(zhì)核雜巖具有明顯的雙層結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為不變質(zhì)或淺變質(zhì)蓋層環(huán)繞中－深變質(zhì)基底呈剝離斷層接觸，主要由變質(zhì)－巖漿雜巖核、拆離滑脫帶、拆離斷層及蓋層等4個構(gòu)造層次組成。變質(zhì)核雜巖的構(gòu)造背景可以簡要?dú)w納為如下不同構(gòu)造背景：①大洋板塊俯沖后期的大陸邊緣弧內(nèi)及弧后構(gòu)造背景，如北美洲的科迪勒拉變質(zhì)核雜巖帶[12]；②陸－陸碰撞帶構(gòu)造背景，如東阿爾卑斯的中新世變質(zhì)核雜巖[13]；③與雁行狀板內(nèi)走滑斷層系相關(guān)的走滑伸展區(qū)構(gòu)造背景，如加州死谷的黑山上新世－全新世變質(zhì)核雜巖[14]；④海底擴(kuò)張裂谷系向陸緣擴(kuò)張部位構(gòu)造背景，如D’Entrecasteaux島變質(zhì)核雜巖[15]；⑤板內(nèi)伸展區(qū)構(gòu)造背景，如云蒙山變質(zhì)核雜巖[16]。

2.2 地球化學(xué)特征

Crittenden等[17]研究了采自地幔熱柱巖漿作用地區(qū)的幔源超基性巖包體中的流體包裹體，結(jié)果表明，CO2是主要是揮發(fā)份，且C和He的含量具有良好的相關(guān)性，說明C和He在流體遷移過程中難以分離，這有助于根據(jù)He流通和C／He比值來準(zhǔn)確推測全球碳脫氣過程。此外，鉛同位素對于判別成巖成礦環(huán)境具有重要意義。不同大洋環(huán)境 （如大西洋、太平洋、印度洋）洋中脊玄武巖的鉛同位素組成較為均勻，這反映其來自較為均勻的上地幔源區(qū)[18]。關(guān)于87Sr／86Sr比值，洋島玄武巖高于中央海嶺玄武巖，而大陸溢流玄武巖又高于洋島玄武巖，這種變化與地幔交代和殼幔相互作用及地殼的混染有關(guān)。然而，地幔熱柱巖漿作用產(chǎn)生的洋島玄武巖和中央海嶺玄武巖以及基性－超基性侵入巖、堿性巖，其87Sr／86Sr初始比值普遍相對較低，具有典型的深部幔源特征[19]。

3 結(jié) 語

自從地幔柱學(xué)說與熱點(diǎn)學(xué)說的理論提出以后，關(guān)于地幔柱的研究一直受到學(xué)者的關(guān)注。熱力因素對盆地的形成、演化與改造具有重要影響。為了弄清地幔柱對盆地形成和演化的影響，還需要對地幔柱的成因、起源、動力學(xué)機(jī)制及其對成礦作用的影響進(jìn)行深入研究。

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