索羅爾海槽俯沖前緣基底的巖石學(xué)和礦物學(xué)研究

閆施帥 ，鄢全樹 ，袁 龍，劉焱光，楊 剛

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島 266061；2.海洋地質(zhì)與成礦作用自然資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266061；3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過(guò)程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266061；4.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266590)

西太平洋雅浦溝弧系統(tǒng)是菲律賓海板塊、卡羅琳板塊和太平洋板塊三大構(gòu)造板塊相互作用的區(qū)域,也是全球典型的在大洋內(nèi)部發(fā)育的溝弧系統(tǒng)[1-3],該區(qū)是理解俯沖輸入與弧輸出之間相互關(guān)系、海底高原俯沖效應(yīng)等科學(xué)問(wèn)題的理想地區(qū)。與雅浦島弧巖漿作用的綜合研究相比,對(duì)于海溝的巖石地球化學(xué)和地幔演化研究較少[4]。雅浦海溝東側(cè)且正在俯沖或與雅浦島弧碰撞的卡羅琳高原(包括東、西卡羅琳脊)位于卡羅琳板塊和太平洋板塊的邊界[5](圖1a),McCabe和Uyeda[6]認(rèn)為該高原是在早中新世與雅浦島弧發(fā)生了碰撞,雅浦海溝是一個(gè)早期活躍的俯沖帶[7-9]。由于卡羅琳高原的俯沖阻力作用,其俯沖速度變得極為緩慢(0～6 mm/a)[10]。與其他洋內(nèi)俯沖環(huán)境相比,該俯沖體系具有許多獨(dú)特的構(gòu)造特征,如:異常短的溝弧距離(約50 km)[4,11]；缺乏中等深度的地震活動(dòng),如在海溝北部沒(méi)有超過(guò)70 km 的地震,在南部超過(guò)70 km 的地震較少[8]。前人對(duì)雅浦溝弧系統(tǒng)的研究多集中于卡羅琳高原碰撞的影響,認(rèn)為碰撞導(dǎo)致了雅浦島弧火山活動(dòng)的終止[12]或減弱[7,13],而雅浦島弧缺失的增生楔可能與卡羅琳高原俯沖碰撞導(dǎo)致的俯沖侵蝕有關(guān)[7,12]。目前的研究主要是通過(guò)海底地形、重力、地震、全巖主微量元素及同位素方法等,對(duì)雅浦溝弧系統(tǒng)和卡羅琳高原的構(gòu)造演化和俯沖過(guò)程進(jìn)行了一定的分析,但是對(duì)于作為俯沖系統(tǒng)的重要參與者、分開卡羅琳板塊與太平洋板塊的索羅爾海槽的構(gòu)造屬性仍不清楚[14-16],缺乏詳細(xì)的海槽俯沖前緣基底巖石地球化學(xué)研究,對(duì)該區(qū)域的源區(qū)巖性和巖漿過(guò)程也缺乏明確的認(rèn)識(shí)。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

本研究對(duì)采自雅浦海溝東南側(cè)處正在俯沖的基底樣品(索羅爾海槽的軸部在海溝處直接投影位置處的玄武巖)進(jìn)行了全巖化學(xué)和橄欖石礦物的原位主、微量元素分析研究,揭示了其地幔源區(qū)巖性、部分熔融程度以及巖漿作用條件。

1 地質(zhì)背景與樣品描述

1.1 地質(zhì)背景

伊豆-小笠原-馬里亞納(Izu-Bonin-Mariana,IBM)、雅浦、帕勞島弧形成了一個(gè)連續(xù)的島弧體系,定義了菲律賓海板塊與卡羅琳板塊和太平洋板塊之間的邊界,該區(qū)域也是洋內(nèi)匯聚板塊邊緣典型例子之一[16-17]。菲律賓海板塊的地質(zhì)歷史可為解譯西太平洋地區(qū)巨型溝-弧-盆系統(tǒng)形成演化提供重要線索,它主要是由西菲律賓海盆(50～30 Ma)、四國(guó)海盆(27～15 Ma)和帕里西維拉海盆(30～25 Ma)以及正在活動(dòng)的伊豆-小笠原-馬里亞納(IBM)溝-弧-槽系統(tǒng)組成[20]。61～45 Ma,菲律賓海板塊先后經(jīng)歷了菲律賓弧邊緣的海溝向南后撤和伊豆-小笠原-馬里亞納海溝向北后撤,西菲律賓海盆以中央海盆斷裂帶為擴(kuò)張中心南北向擴(kuò)張,并伴隨有逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)[21]。50 Ma左右,太平洋板塊運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變[22],由NNW 向變?yōu)镹WW 向(相對(duì)于熱點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向)[23]。伴隨著太平洋板塊運(yùn)動(dòng)方向的改變,菲律賓海板塊在50～40 Ma間順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了50°[23]。33 Ma左右,伊豆-小笠原-馬里亞納海溝持續(xù)的俯沖后退致使原伊豆-小笠原-馬里亞納島弧裂解并在隨后發(fā)生海底擴(kuò)張形成四國(guó)-帕里西維拉海盆,從而導(dǎo)致從原伊豆-小笠原-馬里亞納島弧中裂解出來(lái)的九州-帕勞海脊逐漸演化為殘留弧。17～15 Ma,四國(guó)海盆和帕里西維拉海盆停止擴(kuò)張[23]。綜上所述,菲律賓海板塊經(jīng)歷了多期弧后擴(kuò)張和多次構(gòu)造旋轉(zhuǎn),整個(gè)菲律賓海板塊自61 Ma以來(lái)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了近90°,造就了現(xiàn)今的構(gòu)造格局[20,23]。

卡羅琳板塊構(gòu)造演化相對(duì)復(fù)雜,曾被認(rèn)為是太平洋板塊的一部分,但隨著進(jìn)一步的研究,逐漸認(rèn)識(shí)到它是一個(gè)相對(duì)于太平洋板塊發(fā)生過(guò)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的獨(dú)立的微板塊[5]?？_琳板塊非常年輕[24],大約形成于第三紀(jì)中期[25-26]。關(guān)于卡羅琳板塊的成因以及構(gòu)造背景,仍然存在許多不清楚的地方,其可能是在漸新世(35～30 Ma)形成的弧后盆地,或形成于一個(gè)被圈閉的洋殼[15,26-27]?？_琳高原(主要由東、西卡羅琳海脊組成)大約在33～27 Ma期間在卡羅琳板塊上形成,隨著太平洋板塊向NW 向運(yùn)移,多數(shù)研究認(rèn)為它是由地幔柱/熱點(diǎn)形成的[15,19,28]。晚中新世期間(17～7 Ma),卡羅琳脊發(fā)生裂解作用形成索羅爾海槽,并伴有強(qiáng)烈的巖漿作用[29-31]；卡羅琳脊被分隔為東、西兩個(gè)部分,分別屬于太平洋板塊和卡羅琳板塊(圖1)。在地貌上,索羅爾海槽西面寬150～175 km,東面窄至75 km。從剖面上看,海槽西部明顯不對(duì)稱,呈半地塹狀,而東部則較為對(duì)稱。槽底深度也由西向東變淺750～1 000 m,最大深度由5 000 m 下降到4 000 m[15]。關(guān)于索羅爾海槽的性質(zhì)目前仍然存在爭(zhēng)論:它是停止活動(dòng)的弧間盆地[14],或者是一個(gè)裂陷海槽、并自1 Ma以來(lái)海槽重新開始活動(dòng)[15,31]。

晚中生代時(shí)期,太平洋板塊沿著NNW 向俯沖消減于歐亞板塊之下,在歐亞大陸東緣形成一條巨型的安第斯型大陸邊緣[20]。然而,自中生代末期或新生代早期以來(lái),印度板塊楔入歐亞大陸(喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)),同時(shí)由因地幔柱所形成的夏威夷-皇帝海嶺走向上的轉(zhuǎn)變時(shí)間(50 Ma)可知,太平洋板塊運(yùn)動(dòng)方向也從NNW 向轉(zhuǎn)變?yōu)镹WW 向,且菲律賓海板塊北移和太平洋板塊逐漸東撤,這些原因?qū)е略谖魈窖蟮貐^(qū)逐漸形成了巨型的溝-弧-盆俯沖系統(tǒng)[20]。自始新世中期以來(lái),太平洋板塊與卡羅琳板塊以及其間的索羅爾海槽沿著雅浦海溝、帕勞海溝俯沖于菲律賓海板塊之下,分別形成雅浦海溝-島弧體系和帕勞海溝-島弧體系[4,7,12,18,32](圖1)。雅浦島弧被認(rèn)為是40～30 Ma前原伊豆-小笠原-馬里亞納俯沖系統(tǒng)的一部分[33]。由于晚漸新世卡羅琳海底高原與雅浦海溝碰撞,形成了現(xiàn)在的雅浦俯沖帶[28],并于中新世晚期重新恢復(fù)活力[17,34]。與全球匯聚板塊邊緣處正地形俯沖行為類似[35],雅浦海溝東側(cè)俯沖體的復(fù)雜性導(dǎo)致了該區(qū)顯示出特別的俯沖效應(yīng),并在一定程度上控制了雅浦島弧在地質(zhì)不同歷史時(shí)期上活動(dòng)性的差異。

1.2 樣品描述

本研究樣品來(lái)自于2018年自然資源部第一海洋研究所“向陽(yáng)紅01號(hào)”科考船在卡羅琳區(qū)域科學(xué)考察時(shí),在雅浦海溝東南側(cè)處(索羅爾海槽的軸部在海溝處直接投影位置)獲得的正在俯沖的基底玄武巖樣品(圖1)。該CJ09-82站位位于(138°22′16.2″E、9°01′16.2″N),水深4 838 m,獲得的主要巖石類型為玄武巖,直徑為2～10 cm,基于標(biāo)本肉眼觀察將該站位樣品分為3組,分別編號(hào)為CJ09-82-1、CJ09-82-2和CJ09-82-3。這些樣品位置靠近站位1440[17],其形成年齡大致為7 Ma,對(duì)應(yīng)于目前公認(rèn)的索羅爾海槽裂解停止的時(shí)間[15]。

巖石樣品的總體特征為灰黑色,氣孔狀或塊狀構(gòu)造,斑狀結(jié)構(gòu),斑晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～10%。CJ09-82-1樣品的斑晶礦物主要為斜長(zhǎng)石,薄片范圍內(nèi)僅觀察到一顆橄欖石斑晶,基質(zhì)結(jié)構(gòu)為填間結(jié)構(gòu),其中長(zhǎng)條狀、針狀的斜長(zhǎng)石微晶雜亂分布,期間充填火山玻璃及輝石微晶(圖2a)。CJ09-82-2樣品的斑晶礦物主要為橄欖石和斜長(zhǎng)石,其中橄欖石約占斑晶總量的70%,斜長(zhǎng)石約占斑晶總量的30%,CJ09-82-2樣品主要為玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu),其中可見由火山玻璃脫?；纬傻穆辄c(diǎn)狀結(jié)構(gòu),此外,基質(zhì)中可見針狀斜長(zhǎng)石和橄欖石微晶。2個(gè)樣品的氣孔主要為圓形、橢圓形,氣孔大小為(0.07 mm×0.18 mm)～(0.20 mm×0.25 mm),體積分?jǐn)?shù)約5%。橄欖石斑晶粒徑大小一般為(0.24 mm×0.38 mm)～(0.52 mm×0.76 mm),自形,呈規(guī)則的多邊形(五邊形和六邊形較多),基質(zhì)中橄欖石微晶大小為(0.01 mm×0.02 mm)～(0.03 mm×0.09 mm),自形,且形狀較規(guī)則(多呈四邊形或五邊形)。斜長(zhǎng)石斑晶常呈聚片雙晶,粒徑一般為(0.02 mm×0.40mm)～(0.10 mm×0.67 mm),而基質(zhì)中斜長(zhǎng)石微晶較小。

圖2 索羅爾海槽基底玄武巖礦物正交偏光鏡下圖像Fig.2 Petrographic characteristics of basement basalts from the Sorol trough

2 分析方法

2.1 全巖主量元素和微量元素

首先去除巖石樣品的風(fēng)化表面,選取新鮮的巖石進(jìn)行碎樣處理,碎至2 cm 左右,用4.5 mol/L 的HCl浸泡,再用超聲波震蕩30 min,接著用去離子水在超聲波中震蕩30 min,反復(fù)清洗3次,再用去離子水清洗2次,最后將清洗后的樣品烘干。用瑪瑙研缽將烘干的樣品研磨至200目,用于主量元素和微量元素的測(cè)試。本次研究的玄武巖樣品的主、微量元素的測(cè)試工作均在中國(guó)冶金地質(zhì)總局山東局測(cè)試中心完成。主量元素的測(cè)試采用X 射線熒光光譜儀(X-ray Fluorescence Spectrometer,XRF)法,微量元素的測(cè)試采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)法,標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)采用BHVO-2。詳細(xì)分析測(cè)試方法見文獻(xiàn)[36]。對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞1%的主量元素(如Al2O3、SiO2),XRF的精確度為±(0.2%～2.0%)；對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜1%的主量元素(如Mn O、TiO2),XRF的精確度為±(2%～5%)。對(duì)于微量元素,ICP-MS的精確度高于10%。

2.2 單礦物主量元素和微量元素

電子探針顯微分析(Electron Probe Microanalysis,EPMA)在中國(guó)冶金地質(zhì)總局山東局測(cè)試中心完成,測(cè)試儀器為日本JEOL公司JXA-8230型電子顯微探針?lè)治鰞x。儀器工作條件:加速電壓15.0 k V,測(cè)試電流1×10－8A。根據(jù)點(diǎn)位的情況,分析選用“spot”模式(電子束斑直徑1μm)或“circle”模式(電子束斑直徑10μm),定量分析檢出限約100×10－6。標(biāo)準(zhǔn)樣品采用SPI國(guó)際標(biāo)樣,所有數(shù)據(jù)采用ZAF(Z、A和F分別代表原子數(shù)、吸收和熒光)法進(jìn)行基體校正。實(shí)驗(yàn)分析誤差:＞20%的元素(SiO2和Al2O3),允許的相對(duì)誤差≤5%；3%≤質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤20%的元素(CaO和Na2O),允許的相對(duì)誤差≤10%；1%≤質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤3%的元素(Na2O),允許的相對(duì)誤差≤30%；0.5%≤質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤1%的元素(MgO、MnO、FeO、TiO2、Cr2O3、NiO 和K2O),允許的相對(duì)誤差＜50%；總量誤差小于2%。在EPMA過(guò)程中,獲得了典型礦物的背散射電子(BSE)圖像(圖3),數(shù)據(jù)用地球化學(xué)軟件Geokit處理。單礦物微量元素分析,我們采用的LA-ICP-MS激光剝蝕系統(tǒng)為美國(guó)Conherent公司生產(chǎn)的GeoLasPro 193 nm ArF準(zhǔn)分子系統(tǒng),ICP-MS為Thermo Fisher ICAP Q。激光器波長(zhǎng)為193 nm,束斑直徑為40μm。激光剝蝕采樣過(guò)程以氦氣作為載氣,氦氣攜帶樣品氣溶膠在進(jìn)入ICP之前通過(guò)一個(gè)T型三通接頭與氬氣(載氣、等離子體氣和補(bǔ)償氣)混合。通過(guò)調(diào)節(jié)氦氣和氬氣氣流大小,以獲得NIST SRM 610(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院研制的人工合成硅酸鹽玻璃標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì))最佳信號(hào)為條件實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)最優(yōu)化,優(yōu)化條件主要為信號(hào)靈敏度最高、氧化物產(chǎn)率最低、雙電荷干擾最小、氣體空白最低和信號(hào)強(qiáng)度最穩(wěn)定。在束斑直徑為40μm、頻率為7 Hz、能量密度約為10 J/cm2激光剝蝕條件下,單點(diǎn)剝蝕NIST SRM 610可獲得:238U 靈敏度＞0.4 cps；208Pb靈敏度＞0.3 cps；氧化物產(chǎn)率Th O/Th＜0.1%；204Pb氣體空白＜100 cps；絕大部分元素(REE、U、Th、Pb)RSD＜3%。未知樣品測(cè)試時(shí)采樣方式為單點(diǎn)剝蝕/線性剝蝕、跳峰采集；單點(diǎn)/線性采集時(shí)間模式為:25 s氣體空白、60 s樣品剝蝕、25 s沖洗；每5～10個(gè)未知樣品點(diǎn)插入一組成分標(biāo)樣。成分標(biāo)樣采用NIST SRM 610、NIST SRM612、BHVO-2G、BCR-2G、BIR-1G,樣品的元素含量計(jì)算采用ICPMSDATACAL 數(shù)據(jù)處理程序,采用歸一化法/內(nèi)標(biāo)法校正,主量元素分析測(cè)試結(jié)果列于表3,微量元素分析測(cè)試結(jié)果列于表4中。

圖3 索羅爾海槽基底巖石中典型礦物的背散射電子(BSE)圖像Fig.3 Backscattering electron(BSE)images of representative minerals of basement basalts from the Sorol trough

3 分析結(jié)果

索羅爾海槽基底玄武巖的主微量分析測(cè)試結(jié)果見表1和表2。所有樣品的燒失量LOI值為1.65%～3.12%,LOI值的變化由次生含水礦物或蝕變礦物含量的變化所致。將數(shù)據(jù)中的LOI剔除,重新?lián)Q算成100%,然后使用校正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行投圖。在TAS圖解中,所有樣品都落在粗面玄武巖中,且屬于堿性玄武巖系列(圖4)。本研究樣品Mg O(2.05%～7.27%)和相容元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(Ni為71.7～139.0μg/g)變化較大,但是都遠(yuǎn)低于橄欖巖地幔部分熔融形成的熔體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。研究區(qū)樣品富集大離子親石元素和高場(chǎng)強(qiáng)元素,富集輕稀土,無(wú)Eu異常,具有似洋島玄武巖(Ocean Island Basalts,OIB)特征(圖5)。

圖4 索羅爾海槽基底玄武巖TAS圖解Fig.4 TAS diagram for basement basalts from the Sorol trough

圖5 索羅爾海槽基底玄武巖原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖Fig.5 Primitive mantle-normalized concentration diagram for basement basalts from the Sorol trough

表1 索羅爾海槽基底玄武巖的全巖主量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)Table 1 Whole-rock major element compositions for basaltic rocks from Sorol trough(%)

表2 索羅爾海槽基底玄武巖的全巖微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(×10-6)Table 2 Whole-rock trace element compositions for basaltic rocks from Sorol Trough(×10－6)

續(xù)表

3.1 橄欖石種屬與礦物化學(xué)

本區(qū)橄欖石Fo值變化范圍為84.97～86.88(表3)。橄欖石斑晶從核部到邊部,樣品間端元組分的變化存在一定差異(圖6),現(xiàn)分述如下:

①CJ09-82-1 樣品中發(fā)現(xiàn)橄欖石斑晶不具有化學(xué)成分環(huán)帶(圖3a),CaO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(0.21%～0.26%)。從核部到邊部,Fo值并沒(méi)有明顯的變化(86.30→86.09→86.29)(圖6a),Mg O 和Al2O3含量逐漸降低,而Cr2O3、Na2O 和K2O 從核部到邊部有逐漸升高的趨勢(shì),FeO、Mn O 和NiO 含量從核部到邊部含量基本不變,比較均一。

②CJ09-82-2樣品中,橄欖石斑晶也不具有明顯的化學(xué)成分環(huán)帶(圖3b)?？傮w上,橄欖石斑晶Fo值為84.97～86.85,微晶Fo值為85.94～86.88。隨著橄欖石Fo值減少,FeO、Mn O 和CaO 含量升高,NiO 含量表現(xiàn)減少的趨勢(shì)。玄武巖樣品(CJ09-82-2)中橄欖石微晶Fo值明顯低于斑晶邊部(圖6a)。本文研究樣品的橄欖石斑晶,其端元組成和特征氧化物(如Cr2O3)從核部到邊部有降低的趨勢(shì),而MgO 從核部到邊部有升高的趨勢(shì),CaO、MnO 和NiO 則沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的變化(表3)。對(duì)于CJ09-82-2-ol-04這個(gè)斑晶,其核部、幔部和邊部的Mg O 含量均較高且含量有輕微升高的趨勢(shì),但不存在明顯差異,Al2O3含量也逐漸升高。Cr2O3和FeO 含量有一定程度的下降趨勢(shì),CaO、Mn O 和NiO 含量從核部到邊部含量基本不變,比較均一(圖6b)。斑晶邊部的MgO 含量(Fo 85.60)接近于基質(zhì)橄欖石微晶(Fo 85.94),相對(duì)于斑晶邊部,基質(zhì)橄欖石微晶中的TiO2和Al2O3含量有輕微上升。橄欖石微晶的CaO 含量(0.21%～0.25%)與橄欖石斑晶(0.21%～0.26%)基本相同。

圖6 索羅爾海槽底玄武巖中橄欖氧化物變化特征Fig.6 Fo value of olivines in basement basalts from the Sorol trough

樣品中橄欖石斑晶和微晶的CaO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較高,平均為0.23%(圖7a),與金伯利巖或者堿性玄武巖攜帶至地表的地幔橄欖石包體(CaO＜0.10%)不同[39],其橄欖石斑晶粒徑較小,未出現(xiàn)環(huán)帶裂隙和扭折帶,表明本區(qū)的橄欖石為巖漿成因而非地幔橄欖巖捕虜體[40]。此外,在NiO-Fo圖解中(圖7b)可以看出這些橄欖石屬于巖漿結(jié)晶成因。

圖7 索羅爾海槽基底巖石寄宿的橄欖石斑晶成分圖解Fig.7 Compositional variations of olivine phenocrysts in basement basalts from the Sorol trough

CJ09-82-2-ol-03橄欖石斑晶從核部到邊部Cr、Ni含量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),Cu含量表現(xiàn)出減少的趨勢(shì),Co、Zn從核部到邊部呈震蕩變化,含量相對(duì)比較均一。相反,CJ09-82-2-ol-04橄欖石斑晶從核部到邊部Ni含量呈現(xiàn)減少的趨勢(shì),Cr、Co和Zn含量變化不明顯,從核部到邊部比較均一。CJ09-82-2樣品中,橄欖石微晶Cr含量明顯高于斑晶,Ni含量明顯低于斑晶,而CJ09-82-1樣品中橄欖石Cr和Ni含量顯著高于CJ09-82-2(表4)。

總體上,CJ09-82-1樣品中橄欖石微晶稀土總量約為0.26×10－6,LREE/HREE 約為0.2。CJ09-82-2樣品中橄欖石斑晶稀土總量為0.168×10－6～0.373×10－6,平均值為0.273×10－6(表4)。

5 討論

5.1 地幔源區(qū)巖性

近幾十年來(lái),研究人員對(duì)雅浦區(qū)域的研究多集中于卡羅琳海底高原碰撞的影響,而對(duì)與卡羅琳板塊同為沿著雅浦海溝俯沖的索羅爾海槽的基底巖石的源區(qū)巖性和巖漿演化過(guò)程研究很少。前人利用Fe/Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值和FC3MS(FeOT/CaO－3×MgO/SiO2)等參數(shù)來(lái)揭示源區(qū)的巖性[43,46-48]。本研究的全巖組成表明:①索羅爾海槽基底玄武巖Fe/Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值大約為40,在Mn O-Fe/Mn圖中的投點(diǎn)落在無(wú)水橄欖巖部分熔融產(chǎn)生的熔體區(qū)域一側(cè)(圖8a)；②這些玄武巖的FC3MS值為0.25,在Mg O-FC3MS圖中數(shù)據(jù)落在橄欖巖源區(qū)部分熔融產(chǎn)生的熔體區(qū)域一側(cè)(圖8b)。因此,索羅爾海槽俯沖前緣基底巖石的源區(qū)巖性為橄欖巖。

前人研究表明,利用橄欖石的微量元素?cái)?shù)據(jù)可判斷其寄主巖石的地幔源區(qū)巖性。我們利用LA-ICP-MS分析了索羅爾海槽俯沖前緣基底玄武巖中橄欖石的微量元素,根據(jù)橄欖石單礦物的微量元素之間與橄欖石熔體和輝石熔體平衡區(qū)域之間的關(guān)系[44]分析可知,在Mn/Zn-Ni圖中全部樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)都落在橄欖巖源區(qū)(圖8c)。富鎂富鎳橄欖石的100Mn/Fe值為1.8～1.9,而富鐵橄欖石的100Mn/Fe值有降低的趨勢(shì),為1.6～1.7。在Ni-100Mn/Fe圖中全部分布在橄欖巖源區(qū)內(nèi)或周邊位置(圖8d)。

圖8 索羅爾海槽基底玄武巖地幔源區(qū)巖性判別Fig.8 Discrimination diagrams of the source lithology for basement basalts from the Sorol trough

此外,Sobolev等[45]通過(guò)代表不同地球動(dòng)力學(xué)背景下的橄欖石和輝石數(shù)據(jù),估算出了2個(gè)端元的熔體混合比例,結(jié)合輝石巖和橄欖巖熔融實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出端部成員熔體組成。Mn/Fe是對(duì)橄欖石分餾影響最小的參數(shù)(圖8e和8f中的模型分餾曲線所示),因此,它可以作為母巖漿組成差異的識(shí)別標(biāo)志。為了盡量減小橄欖石分餾的影響,Sobolev等在圖中顯示了參數(shù)Ni/Mg和Ni/(Mg/Fe)。此過(guò)程還顯著減少了縱坐標(biāo)上的散點(diǎn),從而突出了地球動(dòng)力學(xué)設(shè)置之間的差異[45]。因此,我們將Sobolev等[45]計(jì)算的低壓下的平衡橄欖石熔體組分與索羅爾海槽基底玄武巖中橄欖石數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可知,本研究樣品幾乎全部落在橄欖巖源區(qū)(圖8e和圖8f)。綜上,根據(jù)以上結(jié)果我們推斷索羅爾海槽俯沖前緣基底玄武巖的地幔源區(qū)巖性為橄欖巖。

5.2 原始熔體組分及地幔潛在溫度

原始巖漿組分被廣泛地應(yīng)用于估算地幔源區(qū)的熱力學(xué)狀態(tài)[48-52]。原始巖漿的恢復(fù)是通過(guò)多次向熔體中加入一定比例(熔體和橄欖石質(zhì)量比為99∶1)的橄欖石(Fo值為90.1),直到計(jì)算出的橄欖石具有地幔橄欖石的特征為止,假定熔體與橄欖石之間的Fe-Mg配分系數(shù)KD＝0.31,Fe2＋/(Fe2＋＋Fe3＋)＝0.9,Fe2O3/TiO2＝0.5[51,53]。通過(guò)選取具最大MgO含量的樣品,計(jì)算出了索羅爾海槽基底玄武巖樣品的原始巖漿組分(表1)。然后,利用原始巖漿中的SiO2含量,根據(jù)Albarede[54]和Haase[55]中的公式計(jì)算出了CJ09-82-2樣品的熔融壓力；利用原始巖漿的MgO含量,根據(jù)Albarede[54]和Putirka[56]中的公式和方法計(jì)算出巖石的熔融溫度；根據(jù)Lee等[57]中的公式和方法計(jì)算出CJ09-82-2站位中的巖石熔融壓力和溫度。通過(guò)與洋中脊及周邊弧后盆地的源區(qū)地幔的熔融溫度進(jìn)行比較(表5),索羅爾海槽基底玄武巖的源區(qū)地幔不存在熱異常。計(jì)算得到的壓力為1.52～1.64 GPa,所以認(rèn)為其熔融深度約為50 km,為尖晶石穩(wěn)定域。

表5 索羅爾海槽基底玄武巖地幔潛在溫度及熔融條件的估算Table 5 Mantle potential temperatures and melting conditions for basement basalts from the Sorol trough

5.3 部分熔融程度

玄武巖微量元素的比值可以用來(lái)判別其地幔源區(qū)巖性以及用來(lái)計(jì)算其部分熔融程度。Zhang等[19]根據(jù)Sun和McDonough[38]的研究,模擬了La＝2.5×10－6、Sm＝2.5×10－6和Yb＝3×10－6的地幔源區(qū),以不同熔融程度和礦物成分(單斜輝石、斜方輝石和石榴石)進(jìn)行平衡部分熔融,La:Sm:Yb的比值與虧損上地幔橄欖巖相似。本文研究的索羅爾海槽基底玄武巖相對(duì)較低的Sm/Yb比值表明其在似海脊環(huán)境中熔融,同時(shí)也反映了較低的熔融壓力[19]。索羅爾海槽基底玄武巖的Sm/Yb比值略高于全球MORB,低于大多數(shù)夏威夷玄武巖。根據(jù)數(shù)據(jù)投點(diǎn)顯示,索羅爾海槽基底玄武巖是由地幔尖晶石二輝橄欖巖經(jīng)過(guò)部分(2%～5%)熔融形成的(圖9)。

圖9 索羅爾海槽基底玄武巖La/Sm-Sm/Yb部分熔融模擬圖Fig.9 Plot of La/Sm-Sm/Yb for basement basalts from the Sorol trough

綜上所述,卡羅琳脊在晚中新世期間(17～7 Ma)發(fā)生裂解作用而形成索羅爾海槽[15,29-30]。由于本研究推斷該區(qū)并不存在熱量異常,所以它可能并非是地幔柱熱點(diǎn)的產(chǎn)物。因此,索羅爾海槽可能類似于許多洋中脊背景下的軸旁遺跡擴(kuò)張中心[63],推斷包括索羅爾海槽在內(nèi)的這些遺跡擴(kuò)張中心之下的地幔源區(qū)是不均一的,地幔源區(qū)內(nèi)存在大量嵌入于虧損的二輝橄欖巖基質(zhì)中、各種尺度和數(shù)量的更易熔融、地球化學(xué)上富集的組分組成。結(jié)合全巖主微量元素特點(diǎn)(表2),推斷索羅爾海槽基底玄武巖是由卡羅琳海脊裂解形成索羅爾海槽期間被動(dòng)上涌、相對(duì)富集的地幔巖石組分低程度部分熔融所形成的。

6 結(jié)論

本文對(duì)雅浦海溝處正在俯沖索羅爾海槽片段的基底玄武巖樣品進(jìn)行了詳細(xì)的巖石學(xué)和礦物學(xué)研究,推斷了地幔源區(qū)巖性、原始熔體組分和熔融溫度以及巖漿過(guò)程的研究,獲得以下主要認(rèn)識(shí):

①玄武巖全巖主微量元素特征顯示索羅爾海槽基底玄武巖屬于堿性玄武巖系列,具有似洋島玄武巖的微量元素地球化學(xué)特征。

②通過(guò)恢復(fù)原始巖漿成分所計(jì)算出的索羅爾海槽基底玄武巖熔融溫度范圍為1 331～1 393 ℃,熔融壓力范圍為1.52～1.64 GPa,表明索羅爾海槽基底玄武巖的源區(qū)地幔不存在熱異常。

③索羅爾海槽基底玄武巖地幔源區(qū)是不均一的,這些玄武巖可能是卡羅琳海脊裂解形成期間被動(dòng)上涌、相對(duì)富集的地幔巖石組分低程度部分熔融所形成的。