太平洋洋中脊火山玻璃主量元素地球化學(xué)特征

吳偉男,劉希軍,Paterno R.Castillo,李政林,梁瓊丹,姚 野,廖 帥

(1.桂林理工大學(xué) a.廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b.地球科學(xué)學(xué)院,廣西 桂林 541004;2.Scripps Institution of Oceanography, UCSD, La Jolla, CA 92093, USA)

太平洋洋中脊火山玻璃主量元素地球化學(xué)特征

吳偉男1,劉希軍1,Paterno R.Castillo2,李政林1,梁瓊丹1,姚 野1,廖 帥1

(1.桂林理工大學(xué) a.廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b.地球科學(xué)學(xué)院,廣西 桂林 541004;2.Scripps Institution of Oceanography, UCSD, La Jolla, CA 92093, USA)

洋中脊火山玻璃代表地幔源區(qū)熔體成分，攜帶了巖漿作用和洋殼形成的大量信息。通過研究太平洋洋中脊火山玻璃的主量元素地球化學(xué)特征，探討了巖漿作用過程的元素分配特征，結(jié)果表明：洋中脊火山玻璃的主量元素成分呈現(xiàn)規(guī)律性演化，從基性向中酸性演化過程中，Na2O的含量從2%逐漸升高至6%，K2O從<1%逐漸升高至5%； 而CaO含量從10%～13%逐漸降低至1%，F(xiàn)eO從9%～13%逐漸降低至3%，Al2O3從18%逐漸降低至13%。洋中脊火山玻璃中主量元素分配特征揭示了其分配的不均一性，這可能是受到宏觀上地幔不均一性的影響；在同一洋中脊中的火山玻璃成分也存在不均一性，可能是巖漿作用過程中局部動(dòng)力學(xué)機(jī)制差異引起的元素分配不均一。

火山玻璃;洋中脊；地球化學(xué);主量元素；太平洋

0 引 言

全球洋中脊體系是板塊構(gòu)造的重要組成部分,洋中脊系統(tǒng)是地幔對流的動(dòng)力學(xué)表現(xiàn),強(qiáng)大的上升地幔流不斷作用于巖石圈板塊底部并使之繼續(xù)離散而形成洋殼[1],通過海底打撈、深潛和鉆進(jìn)等方法采集的大洋洋殼樣品是洋中脊巖漿作用的產(chǎn)物,為探討洋中脊巖漿作用和洋殼形成等一系列過程奠定了基礎(chǔ),因此,洋中脊巖漿作用一直是國際海洋地質(zhì)學(xué)界深海研究的重點(diǎn)。

理論研究表明, 洋中脊巖漿作用是軟流圈地幔被動(dòng)絕熱上升, 發(fā)生減壓熔融引起的[2]。 Jaques等[3]首次闡述了在地幔熔融條件和地幔組分變化時(shí), 地幔熔體的全巖組分是如何發(fā)生系統(tǒng)性變化的,為了解洋中脊地幔熔融和洋中脊玄武巖(MORB)

成因的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒋蛳铝嘶A(chǔ)。Klein等[2]研究了全球范圍內(nèi)洋中脊玄武巖化學(xué)組成與洋脊軸部深度之間的關(guān)系。因此,MORB為發(fā)生在洋中脊下方的巖漿作用過程提供了重要的信息。然而,幾乎所有的MORB都已受到了結(jié)晶分異作用的影響。相比之下,洋中脊巖漿在海底噴出后遇到海水快速冷卻形成的火山玻璃比冷卻速度相對較慢的大洋玄武巖受結(jié)晶分異作用的影響更小,更能反映洋中脊地幔源區(qū)熔體的成分[4-5]。因此,目前對洋中脊火山玻璃樣品的地球化學(xué)特征研究已經(jīng)是國際上認(rèn)識洋中脊地球化學(xué)組成和演化的主要手段。本文通過對環(huán)太平洋板塊邊界區(qū)域洋中脊火山玻璃的主量元素地球化學(xué)特征進(jìn)行研究,從而了解太平洋不同地區(qū)洋中脊火山玻璃的上地幔巖漿地球化學(xué)演化特征。

1 地質(zhì)背景及分析方法

本研究使用的火山玻璃樣品采自太平洋3個(gè)典型的洋中脊區(qū)域(圖1), 包括： 西太平洋-歐亞板塊俯沖體系中Perce Vela和菲律賓弧后盆地(a區(qū)); 東太平洋洋中脊的西南端區(qū)域(b區(qū)), 該區(qū)洋中脊跨度約1 500 km, 被6條右旋轉(zhuǎn)換斷層切割, 其中兩條最長、 最靠近的轉(zhuǎn)換斷層的斷裂帶(Heezen和Tharp)被認(rèn)為是同一洋中脊巖漿作用下形成的, 它們被合稱為Eltanin轉(zhuǎn)換斷層斷裂系統(tǒng); 東太平洋中接近太平洋板塊與美洲板塊的俯沖體系的洋中脊區(qū)域(c區(qū)), 該區(qū)域向北美洲板塊延伸至California海灣附近。

洋中脊火山玻璃主要由美國加州大學(xué)圣迭戈分校Scripps海洋研究所提供。樣品制靶后在桂林理工大學(xué)的電子探針實(shí)驗(yàn)室采用JXA8230R電子探針儀測試,樣品鍍碳采用日本電子JEE-420系列真空噴鍍儀完成,厚度控制采用灰度對比的方法。電子探針定量分析采用波譜儀(WDS),測試條件為加速電壓15 kV,加速電流20 nA,束斑直徑5 μm。 Na、 K、 Ca的元素峰值測試時(shí)間和背景值測試時(shí)間為10 s和5 s，其余元素的峰值測試時(shí)間和背景值測試時(shí)間為20 s和10 s。分析數(shù)據(jù)采用ZAF法校正(原子序數(shù)校正、 吸收效應(yīng)校正、 熒光效應(yīng)校正)。元素測試線系主要為α線,其中具有重疊峰的元素經(jīng)過相應(yīng)背景及峰位校正并使用相應(yīng)β線系代替α線系校正。相應(yīng)測試元素在標(biāo)準(zhǔn)樣品中的檢出限為(wB/10-6):Na 54,Mg 56,Al 56,Si 32,P 68,S 34,K 64,Ca 37,Ti 43,V 53,Cr 58,Mn 60,Fe 50,Co 58,Ni 60,Cu 95,Zn 78。

2 主量元素地球化學(xué)特征

本文選取10個(gè)火山玻璃樣品進(jìn)行了EPMA主量元素分析,結(jié)果見表1。主要探討洋中脊巖漿作用過程中熔體的化學(xué)成分隨著巖漿演化(從基性到中酸性巖漿)的特征,同時(shí),進(jìn)一步探討了同一巖漿房中,由于巖漿的流變性質(zhì)及化學(xué)不均一性引起的主量元素變化特征。

根據(jù)鮑文反應(yīng)序列原理中礦物的共生關(guān)系,巖漿從基性(低SiO2)往酸性(高SiO2)演化過程中, Na2O、K2O含量逐漸升高,如Na2O從～2%逐漸升高至～6%、K2O從<1%逐漸升高至～5%;而CaO、FeO和Al2O3含量逐漸降低,如CaO從10%～13%逐漸降低至～1%、 FeO從9%～13%逐漸降低至～3%、 Al2O3從～18%逐漸降低至～13%。 本文研究的樣品中, SiO2與其他主量元素的協(xié)變趨勢總體上與上述演化一致。 然而, 同一地區(qū), 甚至在同一巖漿房中(同一塊玻璃樣品)呈現(xiàn)出了與上述宏觀演化趨勢不一致的特征(圖2)。

圖1 全球板塊構(gòu)造單元綱要圖及采樣區(qū)域(據(jù)國際大洋學(xué)會(huì)(GEBBCO)深海地形圖(2004版)修改簡化)

表1 太平洋洋脊火山玻璃主量元素?cái)?shù)據(jù)

Table 1 Major elements data of Pacific MORB glass

wB/%

續(xù)表1

續(xù)表1

續(xù)表1

續(xù)表1

注： B.d為低于檢測限。

在SiO2-CaO協(xié)變體系(圖2a)中,當(dāng)SiO2含量在56%～70%時(shí)，CaO含量降低的速率加快,表明該階段可能有大量含Ca的硅酸鹽礦物(如長石等)結(jié)晶,即使在同一塊樣品(如RNDB15 13-2)中,其Ca含量也是隨著SiO2含量的變化而變化。來自西太平洋俯沖體系中勞海盆弧后盆地洋中脊樣品RNDB、PPTU的變化趨勢和總體一致；而RNDB樣品呈現(xiàn)出與總體趨勢相反的變化趨勢,在東太平洋洋中脊EPR樣品中CaO的含量變化很小,說明在該階段CaO幾乎不受SiO2的控制,可能因?yàn)橐呀咏鼛r漿演化的后期階段。

在SiO2-Al2O3體系(圖2b)中, SiO2與Al2O3呈正相關(guān)關(guān)系。 然而, RNDB15 13-2樣品Al2O3的含量隨著SiO2含量的增加而增加, 是與總體趨勢相反的。 來自不同洋中脊的樣品RNDB、 PPTU與EPR有著不同的巖漿演化規(guī)律, EPR樣品中Al2O3含量分布相對分散,且與SiO2沒有特別明顯的相關(guān)關(guān)系,說明巖漿演化到高SiO2階段時(shí),Al2O3受SiO2控制的影響非常小。

在SiO2-FeO體系(圖2c)中,FeO的含量先是隨著SiO2含量的增加而增加,在SiO2含量達(dá)到61.5%之后,FeO的含量隨著SiO2含量的增加而減少。這與正常的演化過程稍有不同。SiO2含量在44%～56%時(shí),RNDB、PPTU樣品中FeO含量的變化與理想的巖漿演化過程是相反的,EPR樣品分布相對集中,與SiO2沒有相關(guān)關(guān)系,說明此時(shí)FeO含量的變化受SiO2的影響非常小。

圖2 SiO2與CaO、Al2O3、FeO和Na2O協(xié)變關(guān)系

在SiO2-Na2O協(xié)變體系(圖2d)中, SiO2含量變化于42%～78%, 總體的演化趨勢為正相關(guān)。然而, 來自西太平洋俯沖體系中勞海盆弧后盆地洋中脊的火山玻璃樣品RNDB和PPTU中, 當(dāng)SiO2含量在45%～54%變化時(shí), Na2O的含量隨著 SiO2的含量增高而逐漸降低,呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),它們的這種變化與總體趨勢相反。

在SiO2-K2O協(xié)變體系(圖3)中可見,從西太平洋到東太平洋洋中脊火山玻璃K2O與SiO2總體呈現(xiàn)正相關(guān),特別是在SiO2含量>65%時(shí),K2O含量迅速升高(圖3a);然而SiO2含量在45%～65%時(shí),K2O的含量變化不明顯。將這一部分的區(qū)域放大(圖3b),可以觀察到兩種不同的演化趨勢,如從樣品PPTU 19-1至PPTU 21-3,K2O含量幾乎呈直線上升,RNDB樣品K2O含量則增加平緩,從一條近水平演化到逐漸上升的曲線,與PPTU對比形成兩種不同的演化趨勢。

3 討 論

洋中脊火山玻璃是地幔熔體通過巖漿作用噴發(fā)到海底遇冷迅速冷凝形成的, 最能體現(xiàn)洋中脊巖漿作用過程中熔體的變化特征[6-14]。根據(jù)巖漿作用的機(jī)制,理想情況下其化學(xué)成分應(yīng)該是均一的,但是測試數(shù)據(jù)分析表明，不同火山玻璃的化學(xué)成分其實(shí)不均一,說明它可能受到了地幔不均一性的影響,這一影響除了表現(xiàn)在宏觀上不同地幔源區(qū)之間的不均一性, 同時(shí)表現(xiàn)為小規(guī)模巖漿作用的不均一性,這種不均一性主要是巖漿動(dòng)力學(xué)機(jī)制差異引起的元素分配不均一[11-12]。

圖3 SiO2-K2O協(xié)變關(guān)系

在 SiO2-Na2O、SiO2-K2O體系中,部分洋中脊火山玻璃在基性巖漿(SiO2含量在45%～54%)中呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),說明有角閃石類或基性長石類礦物結(jié)晶出來,從而導(dǎo)致了Na2O、K2O含量的減少,這一特征與巖漿演化過程總趨勢(Na2O、K2O隨SiO2含量增加而增加)相反,也可能是由于受到熔融壓力、熔融程度、溫度、深度的影響不同,導(dǎo)致巖漿在基性階段與中酸性階段的演化差異,從而表現(xiàn)出反常的特征。對于單個(gè)洋中脊玻璃樣品RNDB和PPTU表現(xiàn)出的相似的演化趨勢,說明這些樣品可能經(jīng)歷了相似的巖漿演化機(jī)制。巖漿演化至中酸性階段,Na2O、K2O含量明顯增加,反映了該階段堿性元素的大量富集,此時(shí)巖漿中堿性礦物沒有大量結(jié)晶,導(dǎo)致巖漿中Na2O、K2O主要聚集在熔體中?？傮w上,巖漿演化在基性階段堿性元素變化較慢,演化至中酸性階段時(shí)變化快,表明巖漿作用過程中溫度和壓力對熔體變化的影響差異,同時(shí),因?yàn)樵卦谌垠w中的均一性時(shí)間不同,如果巖漿作用緩慢,作用的時(shí)間較長,將會(huì)使得元素均一性較好,同時(shí)元素變化相對較小;反之,當(dāng)巖漿演化到后期,巖漿演化經(jīng)歷的時(shí)間較短,結(jié)晶分異作用對熔體影響小,特別是堿性元素將更可能富集在熔體中。

CaO、Al2O3和FeO在巖漿中變化與輝石、長石、角閃石及云母等礦物的結(jié)晶分異有關(guān),特別是巖漿演化至中酸性階段,SiO2含量在56%～70%時(shí)，其含量在熔體中貧化加快,含有CaO、Al2O3、FeO的礦物迅速結(jié)晶出來,熔體受結(jié)晶分異作用的影響大;當(dāng)巖漿演化到酸性階段時(shí)(如EPR樣品),這些元素的變化受結(jié)晶分異影響小。另一方面,FeO含量出現(xiàn)先增后減的趨勢,這可能是因?yàn)閹r漿在基性階段,橄欖石及輝石等礦物的結(jié)晶主要影響MgO，而對FeO影響較小,致使巖漿開始階段相對富集FeO；巖漿演化后期,如鈦鐵礦或者磁鐵礦結(jié)晶,導(dǎo)致FeO迅速貧化。

總之,洋中脊火山玻璃的主量元素之間的協(xié)變關(guān)系,揭示了洋中脊巖漿作用的復(fù)雜性,不僅地幔不均一性能引起區(qū)域性巖漿的演化差異,即使同一巖漿源區(qū),也表現(xiàn)出巖漿作用過程中元素分配的化學(xué)不均一性。

4 結(jié) 論

(1)洋中脊巖漿作用從基性至中酸性演化過程中,Na、K含量逐漸升高, Ca、Fe、Mg和Al逐漸降低,符合鮑溫反應(yīng)序列所呈現(xiàn)的熔體中元素分配特征。

(2)部分火山玻璃中微觀上元素分配特征與宏觀巖漿演化過程相反,其微觀上巖漿演化過程中某些主量元素可能受到特征礦物結(jié)晶分異的影響,也可能受到熔融程度、壓力、溫度等因素影響。

(3)洋中脊火山玻璃中元素分配不均一,可能受到了宏觀上地幔不均一性的影響；在同一洋中脊中的火山玻璃成分也存在不均一性，可能是由于巖漿作用過程中局部動(dòng)力學(xué)機(jī)制差異引起的元素分配不均一所造成的。

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Geochemical characteristics of major elements in Pacific mid-ocean ridge volcanic glass

WU Wei-nan1, LIU Xi-jun1, Paterno R. Castillo2, LI Zheng-lin1,LIANG Qiong-dan1,YAO Ye1, LIAO Shuai1

(1.a.Guangxi Key Laboratory of Hidden Metallic Ore Deposits Exploration; b.College of Earth Sciences,Guilin University of Technology, Guilin 541004, China;2.Scripps Institution of Oceanography, UCSD, La Jolla, CA 92093, USA)

The mid-ocean ridge volcanic glass is of mantle partial melting carrying lots of information on formation of oceanic crust and its magmatism. The major element geochemical characteristics of mid-ocean ridge glass from Pacific mid-ocean ridge system is studied,and the element distribution characters of magma is discussed in this paper.Results indicate that the major element composition of glass displays normal evolution, with SiO2increasing, the Na2O increasing from 2% to 6%, K2O increasing from <1% to 5%, but CaO decreasing from 10%-13% to 1%,FeO decreasing from 9%-13% to 3%,and Al2O3decreasing from 18% to 13% when SiO2increasing.The distribution pattern of major elements suggests the heterogeneity of magma, which was likely caused by mantle heterogeneity. Moreover, the glass from same mid-ocean ridge system also shows the composition heterogeneity, which is probably due to the locality geodynamic difference(es) inducing from major element heterogeneous distribution.

volcanic glass; mid-ocean ridge;geochemistry; major element;Pacific Ocean

1674-9057(2015)04-0786-10

10.3969/j.issn.1674-9057.2015.04.017

2015-09-02

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41463002;41302041);廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014GXNSFBA118218；2014GXNSFBA 118220);廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(桂科能1598025-14);同位素地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所)開放基金項(xiàng)目(SKLIG-KF-14-04);廣西“八桂學(xué)者”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2013,有色金屬成礦理論與勘查技術(shù));廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心項(xiàng)目

吳偉男(1989—),女,碩士研究生,研究方向:巖石地球化學(xué),guilinligongwwn@163.com。

劉希軍,博士,副教授, xijunliu@glut.edu.cn。

吳偉男,劉希軍,Castillo P R,等.太平洋洋中脊火山玻璃主量元素地球化學(xué)特征[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,35(4):786-795.

P736.3

A