沖繩海槽南部流紋巖中角閃石的化學(xué)特征及其對(duì)巖石成因的指示

陳祖興,曾志剛,王曉媛,殷學(xué)博,陳帥,李曉輝,齊海燕

沖繩海槽南部流紋巖中角閃石的化學(xué)特征及其對(duì)巖石成因的指示

陳祖興1,3,曾志剛1,2,3*,王曉媛1,2,殷學(xué)博1,陳帥1,2,李曉輝1,3,齊海燕1

(1.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 中國(guó)科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266071;2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海底礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266071;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049)

為了揭示沖繩海槽西南端流紋巖成因,利用電子探針和LA-ICP-MS對(duì)該流紋巖中角閃石進(jìn)行了主量和微量元素測(cè)定。所有角閃石主量元素成分變化范圍小,晶體化學(xué)特征主要表現(xiàn)為:CaB＞1.60,CaA=0,(Na+K)A＜0.33,NaB介于0.23～0.39之間,均為鈣質(zhì)鎂閃石。微量元素以富集Sc、V、Cr、Co、Ni和REE,虧損Rb、Sr、Ba、Zr、Th、U和Pb為特征,這些元素的富集與虧損與復(fù)雜的類質(zhì)同象作用有關(guān)。由角閃石溫壓計(jì)得出其結(jié)晶時(shí)的溫度范圍為775～839℃,壓力為0.12 GPa,大致相當(dāng)于4 k m的深度。角閃石的成因礦物學(xué)研究顯示該流紋巖中角閃石為殼-?；旌铣梢?進(jìn)一步表明沖繩海槽南部流紋巖由幔源玄武質(zhì)巖漿與殼源長(zhǎng)英質(zhì)巖漿混合形成的中基性巖漿在淺層巖漿房中結(jié)晶分異而形成,且殼?；旌显春芸赡苁菦_繩海槽西南端火山巖巖漿的主要來源。

角閃石;主量與微量元素;流紋巖;沖繩海槽

1 引言

角閃石族礦物廣泛產(chǎn)出于各種巖漿巖、變質(zhì)巖[1-2]以及河流與近海沉積物中[3-4],少量出現(xiàn)于上地幔中,成為地幔水的載體[5]。在角閃石系列礦物中,由于存在著Fe2+-Mg-Mn,Si-A1-Fe-Ti及Na+-K+等多元素的廣泛類質(zhì)同象替換,在不同的成巖條件下,形成不同的角閃石亞種,這些礦物亞種的成分變化則記錄了巖漿起源和演化等成巖方面的重要信息[6],因此,研究角閃石的化學(xué)成分對(duì)反映巖漿的起源、演化及巖石的成因具有重要意義。此外,角閃石中的某些組分對(duì)巖漿結(jié)晶的溫度、壓力、氧逸度等有重要指示意義,如角閃石中AlⅥ和Ti含量隨溫度增加而增加,而AlⅣ和M4位置上的Na含量隨壓力增加而增加,AlⅣ隨壓力增加而增加,氧逸度的升高將使其(Na+K)A增加而Ti降低[7-8]。為此,不同學(xué)者提出適合不同條件下的角閃石溫壓計(jì)及氧逸度計(jì)[9-14],這為我們根據(jù)角閃石的成分探討其結(jié)晶條件成為可能。

沖繩海槽是西太平洋邊緣年輕的弧后盆地,而目前對(duì)沖繩海槽火山巖的研究主要基于全巖地球化學(xué)[15-26],對(duì)礦物化學(xué)研究較少,且主要集中于對(duì)斜長(zhǎng)石[27-29]及輝石化學(xué)成分的研究[30-31],而對(duì)角閃石的研究鮮有報(bào)道。另一方面,關(guān)于沖繩海槽酸性巖的成因,目前主要認(rèn)為其是玄武質(zhì)巖漿結(jié)晶分異的產(chǎn)物,存在少量或無地殼混染作用影響[16,20,22—23,26,32]。目前,這些認(rèn)識(shí)主要是基于全巖的Sr-Nd同位素分析結(jié)果,無法消除由于海底火山巖Sr同位素易受海水蝕變影響,而可能難以反映其源區(qū)性質(zhì)的缺陷。為此,本文采用EPMA(電子探針分析)和LA-ICPMS(激光剝蝕電感耦合等離子質(zhì)譜儀)測(cè)試分析了沖繩海槽南端流紋巖中角閃石的主、微量元素組成,探討其結(jié)晶環(huán)境及成因,可為揭示其寄主巖石——流紋巖的成因提供研究基礎(chǔ)。

2 地質(zhì)背景

沖繩海槽位于東海大陸架東緣,北起日本九州南至中國(guó)臺(tái)灣,延伸達(dá)1 200 k m,與琉球海溝、琉球島弧構(gòu)成完整的溝-弧-盆體系(圖1)。海槽內(nèi)巖漿作用與熱液活動(dòng)發(fā)育[15,33],其由西北向延伸的吐喀喇?dāng)嗔押蛯m古斷裂分為北、中、南3段[34-35]。從北至南,海槽內(nèi)地殼厚度逐漸減薄,從北部厚約30 k m減至南部厚約12 k m[36]。這種明顯減薄的趨勢(shì)與海槽的張裂歷史有關(guān),主要有2個(gè)階段:(1)中中新世至晚中新世,(2)早更新世至晚更新世[37-38],而海槽張裂的停止與重啟,則與臺(tái)灣北部的弧陸碰撞有關(guān):大約在10 Ma BP,呂宋島弧與歐亞大陸碰撞,導(dǎo)致海槽第一階段張裂的停止;大約在2.8 Ma BP,臺(tái)灣北部造山帶碰撞后垮塌導(dǎo)致海槽第二階段擴(kuò)張的重啟,同時(shí)海槽向南延伸[39]。而沖繩海槽最南端與海槽其他部位存在不同的構(gòu)造演化模式[40],Sibuet等[41]認(rèn)為其張裂可以分為2個(gè)階段:2～0.1 Ma BP和0.1 Ma BP至今,Chung等[18]則指出第四紀(jì)才開始發(fā)育的沖繩海槽最南端是一個(gè)胚胎張裂區(qū),其地殼厚度(25～30 k m)并無明顯減薄[38,42]。

此外,巖漿作用與構(gòu)造作用密切相關(guān)。沖繩海槽火山巖的分布類型從北到南也存在明顯差異,北段主要出露流紋巖和英安巖[34];中段出露流紋巖和玄武巖,伴有少量的安山巖[15-16];南段地塹中主要出露玄武巖或玄武質(zhì)安山巖[15,24-25],而海槽的南端主要分布中酸性火山巖[17-18]。

圖1 沖繩海槽海底地形與取樣站位Fig.1 Bathy metric of the Okinawa Trough and sampling position

3 樣品與測(cè)試方法

3.1 樣品特征

研究的流紋巖樣品是由“科學(xué)”號(hào)科考船2014年通過實(shí)施HOBAB3航次,在沖繩海槽南段T9’站位(24°50'57.774″N,122°41'55.877″E)用電視抓斗取得,水深約1 382 m(圖1),位于唐印熱液區(qū)。該樣品為致密塊狀,呈不規(guī)則長(zhǎng)方體,長(zhǎng)約7～11 c m,寬4～5 c m,高約6 c m(圖2a),斑狀結(jié)構(gòu),斑晶主要為石英、斜長(zhǎng)石、角閃石、斜方輝石(圖2b,2c),基質(zhì)中氣孔呈定向排列,具有流紋構(gòu)造(圖2b)。角閃石呈自形-半自形結(jié)構(gòu),可見兩組完全解理,夾角56°,背散射圖像上角閃石未見環(huán)帶,即無成分變化(圖2d,2e,2f)。

3.2 測(cè)試方法

流紋巖樣品電子探針薄片、激光片的制備在河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院磨片室完成。具體制作流程如下:首先將巖石樣品表面蝕變部分切除,將里面新鮮部分切割成大小合適的塊狀,放在超聲波清洗機(jī)內(nèi)清洗約45 min,以去除氣孔內(nèi)的松散沉積物。烘干后進(jìn)行粗磨、細(xì)磨后利用環(huán)氧樹脂膠粘在載玻片上,繼續(xù)粗磨、細(xì)磨,待厚度合適后利用拋光材料對(duì)其進(jìn)行拋光,直至樣品厚度一致(探針片和激光片分別為60μm和80μm左右),細(xì)微麻坑和擦痕消失為止。

角閃石主量元素成分分析在中國(guó)海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成,電子探針型號(hào)為JXA-8230(日本JEOL公司)。測(cè)試條件為:電壓15 k V,電子束束流20 n A,束斑大小5μm。以自然礦物鈉長(zhǎng)石對(duì)Na、Al和Si,透輝石對(duì)Mg和Ca,透長(zhǎng)石對(duì)K,金紅石對(duì)Ti,鐵鋁榴石對(duì)Fe,鈣薔薇輝石對(duì)Mn以及綠泥石對(duì)Cr分別進(jìn)行校正,主要氧化物的分析誤差小于1%,詳細(xì)測(cè)試方法見Lai等[29]。

圖2 沖繩海槽南部流紋巖手標(biāo)本及顯微照片F(xiàn)ig.2 Hand speci men and microphotograph of the rhyolite fro mthe southern Okinawa Troughb～f為斑晶礦物背散射圖像,其中e、f角閃石上序號(hào)為L(zhǎng)A-ICP-MS測(cè)試點(diǎn)的位置b-f are back scattering i mages of phenocrysts,serial nu mber on the amphiboles in i mage e and f is the positions analyzed by LA-ICP-MS

礦物原位分析在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院殼幔物質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜(LA-ICP-MS)上完成。該分析系統(tǒng)的激光器為GeoZosi Vo Ar F激發(fā)紫外激光,激光波長(zhǎng)為193 n m。分析質(zhì)譜為Perkin El mer Elan DRCⅡ型四極桿質(zhì)譜。分析過程中采用氦氣(He)作為載氣,氬氣(Ar)作為輔助氣。激光斑束直徑為32～60μm。剝蝕過程中樣品表面的激光能量為10 mJ/c m2,激光頻率為10 Hz。分析過程中采用人工合成硅酸鹽玻璃標(biāo)樣NIST SRM610作為外部標(biāo)準(zhǔn),每隔5個(gè)樣品間插一個(gè)標(biāo)樣,對(duì)儀器狀態(tài)進(jìn)行控制和校正。對(duì)于大部分微量元素的分析誤差小于10%。

4 角閃石礦物化學(xué)特征

4.1 主量元素

角閃石類礦物的化學(xué)成分相當(dāng)復(fù)雜,其標(biāo)準(zhǔn)的晶體化學(xué)式可表示為:A0-1B2VIC5IVT8O22(OH)2[43]。其中T位是四面體位置,以Si、Al、Ti為序,使其總原子數(shù)為8;C位是八面體配位,用T位過剩的Al、Ti,依次還有 Fe3+、V、Cr、Mn3+、Zr、Mg、Zn、Ni、Co、Fe2+、Mn2+和Li可指派給C位,至總數(shù)為5;B位也是八面體配位,首先用C位過剩的原子充填,充填順序與C位相反,即Li、Mn2+等,然后是Ca、Sr、Ba和Na指派給B位,使其總數(shù)為2;A位用B位過剩的Na,然后是所有的K充填,其原子總數(shù)在0～1之間[44]。其中,□(空位)和K僅出現(xiàn)在A位,Na出現(xiàn)在B位或A位[43]。本文使用Win Amphcal軟件[45]進(jìn)行了角閃石數(shù)據(jù)的陽(yáng)離子數(shù)計(jì)算及配位,Fe2+和Fe3+校正采用陽(yáng)離子為Cations-13CNK和Cations-15 NK平均算法求得[46]。該流紋巖中角閃石主量元素電子探針分析結(jié)果及晶體化學(xué)計(jì)算結(jié)果列于表1中,從表中可以看出:角閃石主要氧化物含量變化范圍不大,如Si O2為44.68～46.91 wt%(平均為46.13 wt%;n=30);Al2O3為7.04～8.82 wt%(7.45wt%)和Mg O為9.27～12.77 wt%(10.47 wt%);Ca O為10.02～10.79 wt%(10.55 wt%);Fe O為16.63～22.48 wt%(20.16 wt%)。角閃石礦物的晶體化學(xué)特征主要表現(xiàn)為:CaB＞1.60,CaA=0,(Na+K)A＜0.33,NaB介于0.23～0.39之間(表1),根據(jù)國(guó)際礦物協(xié)會(huì)和礦物名稱委員會(huì)的角閃石分類方案[43-44],本區(qū)角閃石均屬于鈣質(zhì)角閃石亞類,為鎂閃石(圖3)。

表1 沖繩海槽南部流紋巖中角閃石的主要氧化物組成(wt%)Tab.1 Major oxides of amphibole in the r hyolite fromthe southern Okinawa Trough(wt%)

續(xù)表1

續(xù)表1

續(xù)表1

圖3 鈣角閃石分類圖解Fig.3 Classification of the calcic amphiboles

4.2 微量及稀土元素

沖繩海槽南部流紋巖中角閃石微量及稀土元素由激光探針(LA-ICP-MS)分析獲得,分析點(diǎn)位見圖2e、2f,結(jié)果列于表2中。各分析點(diǎn)位微量元素及稀土元素組成相似,其中Rb含量變化范圍為0.98×10-6～2.08×10-6(平均1.32×10-6),Sr含量在28×10-6～39×10-6(平均34×10-6)之間;Th、U和Pb的變化范圍分別為0.09×10-6～0.48×10-6(平均0.24×10-6)、0.01×10-6～0.1×10-6(平均0.05×10-6)和0.43×10-6～1.54×10-6(平均0.94×10-6);Zr變化范圍為65×10-6～90×10-6(平均75×10-6)。角閃石中 Rb、Sr、Th、U、Pb、Zr的含量均遠(yuǎn)低于角閃石賦存母巖(流紋巖)(分別為Rb=121×10-6、Sr=128×10-6、Th=12.5×10-6、U=2.67×10-6、Pb=17×10-6、Zr=95×10-6;表2)。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化曲線上各點(diǎn)位顯示相似的變化趨勢(shì),均虧損Th、U、Pb、Zr和Sr(圖4a)。

角閃石的稀土元素總量變化范圍為353×10-6～626×10-6。在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化曲線上表現(xiàn)出相似性,均呈現(xiàn)“弓型”特征(圖4b;標(biāo)準(zhǔn)化值引自Sun和Mc Donough[47])。輕稀土稍微虧損(La/Sm)N≈0.61),重稀土稍微富集(Gd/Yb)N≈1.55),具明顯的Eu負(fù)異常(δEu=0.16～0.30)。

值得注意的是角閃石中過渡族元素相對(duì)富集,如Sc、V、Cr、Co和Ni的變化范圍分別為199×10-6～422×10-6(平均301×10-6)、141×10-6～316×10-6(平均238×10-6)、2×10-6～61×10-6(平均23×10-6)、50×10-6～56×10-6(平均53×10-6)和14×10-6～33×10-6(平均23×10-6)均遠(yuǎn)高于賦存母巖(流紋巖)中同一元素的含量(分別為Sc=8×10-6、V=7.31×10-6、Cr＜0.5×10-6、Co=2.27×10-6和Ni=0.561×10-6;表2)。

圖4 原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化的角閃石微量元素蛛網(wǎng)圖(a)和角閃石稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分型式(b)Fig.4 Pri mitive mantle nor malized trace element patterns for amphiboles(a)and chondrite nor malized REE patterns(b)

表2 沖繩海槽南部流紋巖中角閃石微量元素激光探針分析結(jié)果(×10-6)Tab.2 The LA-ICP-MStrace element analysis result for amphiboles in the rhyolite fromthe southern Okinawa Trough(×10-6)

5 討論

5.1 角閃石中的微量元素組成

為了便于對(duì)比,將角閃石中微量元素對(duì)流紋巖全巖微量元素含量進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化(圖5),結(jié)果表明該角閃石中過渡族元素Sc、V、Cr、Co和Ni的富集程度相比流紋巖高達(dá)30倍。然而,過渡族元素在巖漿巖中通常富集于基性巖及超基性巖中,隨著巖漿的演化逐漸降低,至少其在中酸性巖和堿性巖中豐度值低[48]。其在角閃石中的富集,主要與復(fù)雜的類質(zhì)同象作用有關(guān)。由于Ti和Al在角閃石晶體化學(xué)結(jié)構(gòu)中是T位和C位的重要占位離子之一,而Fe和Mg是C位和B位的重要占位離子之一[43]。Sc在自然界通常是Sc3+,易替代Fe2+、Mg2+(Sc3++Al3+=Fe2++Si4+),V3+(0.74?,1?=10-10m)易以類質(zhì)同象替代Fe3+(0.67?)和Al3+(0.57?),Cr3+(0.62?)易以類質(zhì)同象替代Fe3+(0.67?)和Al3+(0.57?)(Cr3++Fe3+/Al3+=Fe2+/Mg2++Si4+),Co和Ni通常是2價(jià)離子,類質(zhì)同象替代 Mg2+、Fe2+、Mn2+,因此Sc、V、Cr、Co和Ni可以類質(zhì)同象的形式取代角閃石中Ti、Al、Fe和Mg,從而在角閃石中形成富集[49]。

該流紋巖中角閃石的稀土元素總量變化范圍為353×10-6～626×10-6,比流紋巖的稀土元素總量要富集(∑REE=126;表2),且重稀土元素的富集程度要明顯高于輕稀土元素(圖5)。由于三價(jià)稀土元素的離子半徑和Ca2+很接近,且Ca是角閃石B位的重要占位離子之一[43],因此,很容易以各種類質(zhì)同象形式進(jìn)入含鈣礦物中。然而,稀土元素之間離子半徑的差異(鑭系收縮),即從La到Lu離子半徑逐漸減小[50],如從La3+(1.22?),Ce3+(1.18?)降至Lu3+(0.99?),逐漸與Ca2+(0.99?)[49],由于半徑相似的離子更易發(fā)生類質(zhì)同像,因此該角閃石中重稀土元素的富集程度更高。這與流紋巖中角閃石/熔體間的分配系數(shù)結(jié)果一致,即角閃石中重稀土元素的分配系數(shù)高[51]。在稀土元素配分曲線上,角閃石強(qiáng)烈虧損Eu元素(圖4b),且在角閃石微量元素全巖標(biāo)準(zhǔn)化配分型式上,Eu元素顯示下凹的模式且富集程度較低(圖5),稀土元素Eu的富集與虧損主要取決于含鈣造巖礦物的聚集和遷移[52]。含鈣的造巖礦物主要有偏基性的斜長(zhǎng)石、磷灰石和含鈣輝石等。這類礦物中Ca2+離子半徑與Eu2+、Eu3+相近,且與Eu2+電價(jià)相同,故晶體化學(xué)性質(zhì)決定了Eu主要以類質(zhì)同象的形式進(jìn)入斜長(zhǎng)石、磷灰石、單斜輝石等造巖礦物[53]。而該流紋巖中部分斜長(zhǎng)石結(jié)晶早于角閃石(圖2b),從而造成殘余熔體中Eu含量的降低。因此,結(jié)晶相對(duì)較晚的角閃石中Eu的含量低。

流紋巖中角閃石的微量元素組成在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化曲線及微量元素全巖標(biāo)準(zhǔn)化配分型式上,均表現(xiàn)出Rb、Sr、Zr、Ba、Th、U和Pb負(fù)異常(圖4a,圖5),說明角閃石并不是流紋巖中這些元素的富集礦物相。由于Rb+的離子半徑(1.47?),Sr2+(1.12～1.27?)、Ba2+(1.34～1.43?)以及Pb2+(1.18～1.32?)與K+(1.33?)相近,因此上述離子可以在許多造巖礦物的晶格中置換K+,易于被含鉀礦物捕獲[49]。由于K離子只分布在角閃石的A占位[43],且該流紋巖中A占位K離子數(shù)很低(0.07～0.09;表1),所以,上述離子的虧損主要與其他含鉀礦物的分離結(jié)晶有關(guān)。Zr在巖漿中易形成獨(dú)立礦物相,如鋯石(Zr Si O4),因此角閃石中Zr含量較低。

圖5 角閃石微量元素全巖標(biāo)準(zhǔn)化配分型式Fig.5 Whole-rock nor malized trace element patterns for amphiboles

5.2 角閃石的結(jié)晶條件

角閃石的化學(xué)成分除受其寄主巖漿總成分的影響外,還與巖漿的結(jié)晶條件有關(guān)(如溫度、壓力、氧逸度等),因而角閃石的化學(xué)成分可以用來指示巖漿的結(jié)晶條件。

如何定量地獲得火山巖斑晶礦物結(jié)晶時(shí)的壓力,估算出巖漿房深度,對(duì)于探討巖漿作用過程有著重要的意義[54]。角閃石地質(zhì)壓力計(jì)主要有線性關(guān)系角閃石全鋁壓力計(jì)[9-13]。Hammarstrom和Zen[9]最早觀察到火成巖中角閃石的Al含量與平衡壓力之間存在較好地線性關(guān)系,并得到如下經(jīng)驗(yàn)公式:P=-0.392+0.503n(Altot)。其中P的單位是GPa,n(Altot)為角閃石分子式中全部Al(即包括Ⅳ和Ⅵ次配位的Al)的摩爾分?jǐn)?shù)。隨后Hollister等[10],Johnson和Rutherford[11-12],Sch midt[55]分別通過實(shí)驗(yàn)對(duì)該經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了改進(jìn):P=-0.476+0.564n(Altot),P=-0.354+0.428n(Altot)和P=-0.346+0.423n(Altot),以及P=-0.301+0.476n(Altot)。Anderson和Smith[13]認(rèn)為,應(yīng)用角閃石全鋁壓力計(jì)時(shí)還應(yīng)該考慮溫度和氧逸度對(duì)角閃石陽(yáng)離子占位的影響,且采用內(nèi)插法,得到了含溫度矯正項(xiàng)的全鋁壓力計(jì)。但是上述各線性角閃石全鋁壓力計(jì)公式僅適用于結(jié)晶壓力大于0.2 GPa的鈣堿性侵入巖類的壓力估算,且另一個(gè)重要前提是該鈣堿性巖石具有的礦物組合應(yīng)為角閃石+黑云母+斜長(zhǎng)石+堿性長(zhǎng)石+石英+Fe-Ti氧化物+榍石,當(dāng)巖石礦物組合中缺少堿性長(zhǎng)石和黑云母時(shí)則不適用[56]。沖繩海槽南部流紋巖斑晶主要為石英、斜長(zhǎng)石、角閃石、斜方輝石,不含堿性長(zhǎng)石和黑云母,因此不適用線性關(guān)系角閃石全鋁壓力計(jì)。

Ridolfi等[14]根據(jù)前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出適用于火山巖的指數(shù)關(guān)系角閃石全鋁壓力計(jì):P=19.209×exp[1.438n(Altot)],其中P的單位是MPa,該公式適用于鈣堿性火山巖中產(chǎn)出的鈣質(zhì)角閃石,要求其成分滿足:Al#≤0.21(Al#=[6]Al/AlT)≤0.21),且n(Mg)/[n(Mg)+n(Fe2+)]＞0.5。本研究中,流紋巖的Al#遠(yuǎn)小于0.21,且n(Mg)/[n(Mg)+n(Fe2+)]介于0.61～0.65之間,遠(yuǎn)大于0.5(表1)。以此經(jīng)驗(yàn)公式來估算沖繩海槽南部流紋巖巖中角閃石結(jié)晶時(shí)的壓力,顯示其結(jié)晶時(shí)的壓力約為0.12 GPa,大致相當(dāng)于4 k m的深度,表明該巖漿房的位置較淺。進(jìn)一步,從角閃石晶體化學(xué)式的A位占位情況看,當(dāng)A=1時(shí)(即全部被鉀,鈉占滿)反映其處于最強(qiáng)的還原狀態(tài);當(dāng)A=0時(shí)(即全部的鉀,鈉都進(jìn)入B位)反映其處在最強(qiáng)的氧化狀態(tài)[48],該角閃石A位陽(yáng)離子數(shù)(A=0.15～0.33)(表1),表明其氧化程度較高。上述分析結(jié)果,表明沖繩海槽南段T9站位的角閃石,其來源于巖漿就位相對(duì)較淺的部位。

溫度根據(jù)Ridolfi等[14]提出的公式:T=-151.487Si*+2.041(其中Si*=Si+[4]Al/15-2[4]Ti-[6]Al/2-[6]Ti/1.8+Fe3+/9+Fe2+/3.3+Mg/26+BCa/5+BNa/1.3-ANa/1.5+A[空位]/2.3),計(jì)算獲得,溫度范圍為775～839℃。此外,T9站位位于唐印熱液區(qū)[57],因此較淺的巖漿房,一方面可為角閃石等斑晶礦物的結(jié)晶提供了場(chǎng)所,另一方面也為表層的熱液噴口提供了主要熱源。

5.3 角閃石成因探討

酸性巖中可能存在的角閃石類型,主要包括由巖漿結(jié)晶作用所形成的結(jié)晶角閃石、巖漿上升過程中攜帶的角閃石捕虜晶以及成巖作用后期發(fā)生蝕變的角閃石。區(qū)分角閃石的不同類型是探討其對(duì)寄主巖石成因指示意義的前提。沖繩海槽南部流紋巖中角閃石偏光鏡下顯示無反應(yīng)邊,背散射圖片下也未顯示出明顯的成分變化(圖2b～f),因此排除后期蝕變交代等作用對(duì)其化學(xué)成分的改造。在馬昌前等[58]的角閃石Si-Ti圖解上(圖6a),所有樣品均落在結(jié)晶角閃石區(qū)域內(nèi),且根據(jù)陳光遠(yuǎn)等[59]提出的Mg-(Fe2++Fe3+)-(Na+K+Li+Ca)角閃石成因礦物族三角圖解(圖6b),本區(qū)角閃石均落入中酸性巖成因區(qū)內(nèi),說明它們?yōu)橐唤M中酸性原始熔體結(jié)晶產(chǎn)物。因此該流紋巖中角閃石的成因相對(duì)單一,即由該流紋質(zhì)巖漿結(jié)晶所形成。

巖漿巖中角閃石的成分特征能夠反映巖漿的起源、演化及巖石成因[6]。馬潤(rùn)則等[61]指出巖漿巖中鈣質(zhì)角閃石的化學(xué)成分與巖漿來源之間密切相關(guān),且隨著溫度和壓力的增高,鈣質(zhì)角閃石的Si含量有規(guī)律地降低,而且角閃石的Si/(Si+Ti+A1)值在殼源區(qū)和幔源區(qū)之間出現(xiàn)間斷,殼源角閃石的Si/(Si+Ti+A1)值不低于0.775,而幔源角閃石則不大于0.765,幔源角閃石的A12O3含量一般不低于10%[60],且高壓實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果顯示幔源角閃石成分上主要是韭閃石,含有少量的凍藍(lán)閃石[14]。沖繩海槽南部流紋巖中角閃石均為鈣質(zhì)鎂閃石(圖3),A12O3均小于10%,Si/(Si+Ti+A1)值的范圍為0.80～0.83(表1),應(yīng)屬殼源或殼幔混合源角閃石。在角閃石的Ti O2-A12O3關(guān)系圖上(圖6c),流紋巖中角閃石均位于殼幔混合源區(qū),表明巖漿應(yīng)來源于地幔,但存在地殼物質(zhì)的混入。謝應(yīng)雯和張玉泉[62]研究發(fā)現(xiàn)角閃石中的M值[M=Mg/(Mg+Fe2+)]是區(qū)分殼型、殼幔型和幔型角閃石的可靠標(biāo)志,幔型角閃石的M值大于0.7,殼型角閃石的M值小于0.5,殼幔型角閃石的M值介于0.5～0.7之間,該流紋巖中角閃石的M值為0.61～0.65,分布在殼幔型角閃石的范圍內(nèi),反映了殼?；旌系奶卣?。此外,殼型角閃石稀土元素最富集(∑REE＞900×10-6),而幔型及殼幔型中則較貧[62]。該流紋巖中角閃石的稀土元素總量變化范圍為353×10-6～626×10-6比殼型角閃石低,應(yīng)該屬于幔源或殼?；旌铣梢颉?/p>

圖6 角閃石成因礦物學(xué)圖解Fig.6 Diagrams for genetic mineralogy of the amphibolesa為角閃石的Ti-Si變異圖解(據(jù)文獻(xiàn)[58]);b為角閃石成因礦物族三角圖解(據(jù)文獻(xiàn)[59]),I.巖漿成因區(qū)、區(qū)域正變質(zhì)成因區(qū)、超變質(zhì)成因區(qū):I 1.超基性-基性成因區(qū),I 2.中-酸性成因區(qū),I 3.堿性成因區(qū);Ⅱ.接觸交代成因區(qū);Ⅲ.區(qū)域負(fù)變質(zhì)成因區(qū);c為角閃石Ti O2-Al 2 O3圖解(據(jù)文獻(xiàn)[60]),C.殼源,MC.殼?；旌显?M.幔源a is Ti-Si variation diagram of amphiboles(after reference[58]);b is diagram for t he amphibole genesis diseri mination(after reference[59]),I.mag ma genesis area,regional genesis of orthometamorphismarea,ultra-metamorphic genesisarea:I 1.basic-ultrabasic genesis area,I 2.inter mediate-acidic genesis area,I 3.alkaline genesis area;Ⅱ.contact metaso matic genesis area;Ⅲ.regional parametamorphic genesis area;cis Ti O2-Al 2 O3 diagram of amphiboles(after reference[61]),C.crust resource,MC.crust-mantle mixing source,M.mantle source

酸性巖的巖漿來源主要有殼源、幔源和殼幔相互作用3種類型。對(duì)于沖繩海槽的中酸性火成巖,目前大多數(shù)學(xué)者支持沖繩海槽酸性巖和基性巖具有統(tǒng)一的巖漿物質(zhì)來源,酸性巖是玄武質(zhì)巖漿結(jié)晶分異的產(chǎn)物,存在少量或無地殼混染作用影響[16,20,22—23,26,32]。該流紋巖中角閃石化學(xué)成分進(jìn)一步佐證了沖繩海槽西南端酸性巖母巖漿源于地幔,且在巖漿上升過程中存在地殼物質(zhì)的混染,與其寄主巖石全巖Sr-Nd同位素模擬結(jié)果一致,即由幔源玄武質(zhì)巖漿混染20%左右的上地殼物質(zhì)形成[32],且Chen等[17]認(rèn)為沖繩海槽西南端龜山島安山巖為幔源玄武質(zhì)巖漿混染了30%左右的上地殼物質(zhì)形成。這在一定程度上也反映出殼幔混合源是沖繩海槽西南端火山巖巖漿來源的主要特征。

6 結(jié)論

(1)沖繩海槽西南端流紋巖中角閃石主量元素成分變化范圍小,均為鈣質(zhì)-鎂閃石;微量元素以富集Sc、V、Cr、Co、Ni和REE,虧損Rb、Sr、Ba、Zr、Th、U和Pb為特征。

(2)角閃石形成溫度為775～839℃,壓力為0.12 GPa,對(duì)應(yīng)深度約為4 k m的上地殼淺層巖漿房。

(3)角閃石化學(xué)組成指示其由幔源玄武質(zhì)巖漿與殼源長(zhǎng)英質(zhì)巖漿混合形成的中基性巖漿結(jié)晶分異形成,與其寄主巖石Sr-Nd同位素結(jié)果一致。也進(jìn)一步佐證了殼?；旌显春芸赡苁菦_繩海槽西南端火山巖巖漿來源的主要特征。

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Geochemical characteristics of amphiboles in the rhyolite fromthe southern Okinawa Trough,and its i mplication for petrogenesis

Chen Zuxing1,3,Zeng Zhigang1,2,3,Wang Xiaoyuan1,2,Yin Xuebo1,Chen Shuai1,2,Li Xiaohui1,3,Qi Haiyan1

(1.Seaf loor Hydrother mal Activity Laborator y of the Key Labor ator y of Marine Geology and Environ ment,Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071,China;2.Laborator y for Marine Mineral Resources,Qingdao National Laborator y for Marine Science and Technology,Qingdao 266061,China;3.Graduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

In order to reveal the petrogenesis of the rhyolitefromthe southwestern Okinawa Trough,the major and trace elements of the amphibole phenocrysts in the rhyolite were measured by electron probe and LA-ICP-MS.The composition variation range of major elements of all the amphiboles is small,the crystal chemistry show CaB＞1.60,CaA=0,(Na+K)A＜0.33,NaBis bet ween 0.23 and 0.39,that belong to calcic series and classify as magnesiohornblendes.Trace elements are characterized by enrichment of Sc,V,Cr,Co,Ni and REE,loss Rb,Sr,Ba,Zr,Th,U and Pb.The enrich ment and loss of these elements are related to complex role of iso morphic replacement.Based on the amphibole geother mobarometer,the temperatures and pressures are 775 to 839℃and 0.12 GPa,roughly equivalent to the depth of 4 k m.Genetic mineralogy studies have shown that amphibolitein the rhyoliteis a crust-mantle mixing origin,further indicating that the rhyolite was most likely for med by mixing a mantle-derived basaltic magma with a crustal felsic magma,followed by extensive fractional crystallization in the shallow chamber,and crust-mantle mixed sourceis likely to be the main source of the volcanic rocks fromsouthwest Okinawa Trough.

amphibole;major and trace elements;rhyolite;Okinawa Trough

P736.4

A

0253-4193(2017)12-0074-16

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10.3969/j.issn.0253-4193.2017.12.008

Chen Zuxing,Zeng Zhigang,Wang Xiaoyuan,et al.Geochemical characteristics of amphibolesin therhyolitefromthe southern Okinawa Trough,and its i mplication for petrogenesis[J].Haiyang Xuebao,2017,39(12):74-89,doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.12.008

2017-03-28;

2017-06-18。

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)(2013CB429700);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41325021,41306053);全球變化與海氣相互作用專項(xiàng)(GASI-GEOGE-02);中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA11030302);泰山學(xué)者工程專項(xiàng)(ts201511061);青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室“鰲山人才”計(jì)劃項(xiàng)目(2015 ASTP-0S17);創(chuàng)新人才推進(jìn)計(jì)劃(2012RA2191);青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室鰲山科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2015 ASKJ03,2016 ASKJ13)。

陳祖興(1990—),男,安徽省桐城市人,從事海底火山巖地球化學(xué)研究。E-mail:chenzuxing14@mails.ucas.ac.cn

*通信作者:曾志剛,男,研究員,主要從事海底熱液硫化物等研究。E-mail:zgzeng@ms.qdio.ac.cn