加拿大Slave克拉通橄欖巖的平衡溫壓計(jì)算

陳 瑤，王 勤

內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023

1 引言

金伯利巖、玄武巖和鉀鎂煌斑巖攜帶的地幔捕虜體和捕虜晶提供了研究克拉通巖石圈地幔的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的窗口。幔源包體的平衡溫壓是建立克拉通巖石圈地幔熱結(jié)構(gòu)和流變結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，對(duì)研究上地幔的物理狀態(tài)和演化歷史具有重要意義。隨著深度增加，穩(wěn)定克拉通地區(qū)的巖石圈地幔橄欖巖依次由尖晶石相、尖晶石—石榴子石過渡相、石榴子石相到金剛石相。隨著高溫高壓礦物相平衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累和熱力學(xué)理論計(jì)算的發(fā)展，出現(xiàn)了眾多地幔礦物溫度計(jì)和壓力計(jì)，但是其精確度和準(zhǔn)確度差別很大。共存礦物中主量元素和微量元素的含量是一定溫度、壓力、氧逸度等條件下熱力學(xué)平衡的結(jié)果，如何把簡單實(shí)驗(yàn)體系獲得的礦物成分與溫度、壓力、氧逸度的關(guān)系運(yùn)用到復(fù)雜的天然體系是大家非常關(guān)注的問題。

對(duì)地幔橄欖巖捕虜體的統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)從太古宙克拉通、元古宙克拉通到顯生宙構(gòu)造域，橄欖石Fo值依次從92~94、90~92減小為＜91，表明克拉通巖石圈地幔經(jīng)歷了早期大規(guī)模部分熔融，并在后期通過地幔交代作用再次富集（Griffin et al.,1998, 1999）。Lee 和 Chin（2014）排除了受地幔交代作用影響再富集的橄欖巖，發(fā)現(xiàn)太古宙克拉通橄欖巖的原巖熔融溫壓條件為1~5 Ga（30~150 km）和1400~1750℃，而橄欖巖的亞固相平衡溫壓條件為3~7.5 GPa（90~200 km）和900~1300℃，表明克拉通巖石圈地幔形成時(shí)的地幔潛熱溫度比現(xiàn)在高200~300℃，上地幔在淺部發(fā)生高溫熔融形成了橄欖巖原巖，冷卻后經(jīng)歷了后期熱事件的改造。對(duì)于穩(wěn)定的克拉通，后期的地幔交代作用是否伴隨熱事件并影響礦物的平衡溫度目前尚不清楚。

前人對(duì)基于地幔礦物主量元素的壓力計(jì)（吳春明, 2009; Wu and Zhao, 2011）和溫度計(jì)（徐義剛,1993; Nimis and Grütter, 2010, 2012）進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)。此外，稀土元素（Rare Earth Elements，簡稱REE）在地幔礦物和玄武質(zhì)熔體中的分配系數(shù)受溫度、壓力、水逸度、氧逸度、礦物和熔體中主量元素含量、稀土元素離子半徑等因素的影響（Blundy and Wood, 2003; Lee et al., 2007; Sun and Liang, 2012,2013）。封閉溫度是冷卻過程中，某一元素與周圍介質(zhì)通過擴(kuò)散進(jìn)行有效交換的最低溫度。由于輝石和石榴子石中的REE擴(kuò)散速率比二價(jià)主量元素（例如：Ca2+、Mg2+、Fe2+）的擴(kuò)散速率慢2~3個(gè)數(shù)量級(jí)（Van Orman et al., 2002; Cherniak and Dimanov, 2010;Carlson, 2012），因此，石榴子石—單斜輝石REE溫度計(jì)可以保留早期的溫度信息。如果基性巖和超基性巖經(jīng)歷了冷卻，使用石榴子石—單斜輝石REE溫度計(jì)獲得的封閉溫度將高于通過礦物主量元素獲得的平衡溫度，可以為研究麻粒巖、榴輝巖和橄欖巖的熱歷史提供新的信息（Sun and Liang，2015; Pickles et al., 2016; Yang and Wei, 2017）。

Artemieva（2009）對(duì)比了全球大陸地幔的S波速度變化，發(fā)現(xiàn)在排除溫度效應(yīng)之后，克拉通巖石圈地幔較高的S波速度可以歸因于巖石圈地幔具有較高的橄欖石Fo值和斜方輝石含量，但是在金伯利巖區(qū)由成分導(dǎo)致的上地幔S波高速異常并不明顯，表明金伯利巖漿噴發(fā)的地方是地幔薄弱帶，可能與地幔交代作用有關(guān)。因此，金伯利巖筒攜帶的橄欖巖捕虜體不僅包括克拉通形成早期的難熔殘留體，還包括經(jīng)歷了后期改造再富集的橄欖巖。加拿大Slave克拉通是全球最古老的克拉通之一，有大量金伯利巖筒，至今仍保持穩(wěn)定，地震學(xué)揭示的巖石圈厚度達(dá)到200 km（Artemieva, 2009）。前人對(duì)Slave克拉通金伯利巖攜帶的橄欖巖包體開展了詳細(xì)的巖石學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)受地幔交代作用的影響，橄欖巖的化學(xué)成分隨深度發(fā)生顯著變化，但與上地幔熱演化歷史的關(guān)系還不清楚（Heaman et al.,2002; Heaman and Pearson, 2010; Aulbach et al., 2013;Kopylova et al., 2016）。

本文采集了來自加拿大Slave克拉通Jericho金伯利巖筒的橄欖巖包體，使用可靠的礦物主量元素溫壓計(jì)和最新的石榴子石—單斜輝石REE溫壓計(jì)，獲得橄欖巖包體的平衡溫度，探討將兩類溫壓計(jì)聯(lián)合起來追蹤大陸巖石圈地幔熱演化和交代作用的可行性。

2 地幔礦物溫壓計(jì)簡述

吳春明（2009）和Wu 和 Zhao （2011）將常見的地幔礦物壓力計(jì)應(yīng)用于巖石學(xué)相平衡實(shí)驗(yàn)，根據(jù)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間的標(biāo)準(zhǔn)差為±0.3 GPa檢驗(yàn)其精確度，再將它們應(yīng)用到天然橄欖巖包體檢驗(yàn)其準(zhǔn)確度。他們的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：對(duì)尖晶石相橄欖巖唯一適用的壓力計(jì)是橄欖石—單斜輝石壓力計(jì)，但是準(zhǔn)確度還太低，難以給出可靠的結(jié)果。最適合石榴子石相橄欖巖的壓力計(jì)是石榴子石—斜方輝石壓力計(jì)（Nickel and Green, 1985; Taylor, 1998; Brey et al.,2008）；對(duì)于尖晶石—石榴子石過渡相和石榴子石相橄欖巖，最好使用Taylor （1998）的石榴子石—斜方輝石壓力計(jì)和二輝石溫度計(jì)估計(jì)平衡的壓力和溫度（吳春明, 2009; Wu and Zhao, 2011）。由于Taylor （1998）的石榴子石—斜方輝石壓力計(jì)基于斜方輝石中Al2O3的含量，如果斜方輝石中Al2O3含量低于0.37 wt%，則壓力計(jì)算的誤差較大。此外，由于斜方輝石TiO2的含量會(huì)影響斜方輝石中契爾馬克分子的活度，對(duì)于貧鈦斜方輝石（Al/Ti＞12.0）應(yīng)使用Nickel 和 Green（1985）的石榴子石—斜方輝石壓力計(jì)（Wu and Zhao, 2012）。

尖晶石相橄欖巖的壓力計(jì)是一個(gè)長期困擾巖石學(xué)家的問題。在不同溫度和壓力下，由于橄欖石和單斜輝石中的Ca交換會(huì)導(dǎo)致顯著的摩爾體積變化，K?hler 和 Brey（1990）開發(fā)了基于Ca-inolivine的橄欖石—單斜輝石壓力計(jì)，對(duì)橄欖石、尖晶石、單斜輝石和斜方輝石共存體系的平衡壓力進(jìn)行估計(jì)。但是該方法需要先給出獨(dú)立的溫度估計(jì)，而Brey 和 K?hler（1990）二輝石溫度計(jì)又對(duì)壓力敏感，這導(dǎo)致計(jì)算過程中的不確定性很大。D’Souza等（2020）對(duì)尖晶石相橄欖巖在950~1250℃和1.5~2.4 GPa的最新實(shí)驗(yàn)表明，把橄欖石的Al和Ca相結(jié)合，先使用Al-in-olivine溫度計(jì)獲得平衡溫度，再使用K?hler 和 Brey（1990）的Ca-in-olivine橄欖石—單斜輝石壓力計(jì)，可以較好地估算尖晶石相橄欖巖的平衡溫壓。由于Ca和Al在橄欖石里的含量非常低，需要用激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（LA-ICP-MS）獲得橄欖石高精度的成分?jǐn)?shù)據(jù)，而且樣品沒有受到后期熱擾動(dòng)，才能保證該方法的可靠性。

Nimis 和 Grütter（2010, 2012）對(duì)大約1000個(gè)含石榴子石的二輝橄欖巖和輝石巖樣品進(jìn)行礦物溫壓計(jì)檢驗(yàn)，認(rèn)為Nickel 和Green（1985）的石榴子石—斜方輝石壓力計(jì)更適合石榴子石相橄欖巖的壓力估計(jì)，尤其對(duì)具有中等Na2O含量的斜方輝石，而Brey等（2008）石榴子石—斜方輝石壓力計(jì)在中等壓力范圍內(nèi)的精度較差。因此，Nimis 和Grütter（2010）使用Nickel 和Green（1985）的石榴子石—斜方輝石壓力計(jì)獲得金伯利巖筒攜帶的橄欖巖包體的平衡壓力，然后比較不同的地幔礦物溫度計(jì)。他們發(fā)現(xiàn)Taylor（1998）的二輝石溫度計(jì)和Nimis和 Taylor （2000）的單斜輝石溫度計(jì)獲得的石榴子石橄欖巖和輝石巖的平衡溫度誤差小于30℃，是最可靠的地幔礦物溫度計(jì)。對(duì)于廣泛使用的Brey和K?hler （1990）二輝石溫度計(jì)，由于單斜輝石中Na含量的增加會(huì)導(dǎo)致樣品溫度的過高估計(jì)，因此只適用于單斜輝石中Na:6O≈0.05的情況。

雖然Fe-Mg交換溫度計(jì)被廣泛應(yīng)用于麻粒巖、榴輝巖和橄欖巖的溫度估計(jì)，Nimis 和 Grütter（2010）發(fā)現(xiàn)石榴子石—單斜輝石Fe-Mg溫度計(jì)對(duì)Fe的氧化態(tài)非常敏感（Krogh, 1988; Ai, 1994;Ravna, 2000）。由于電子探針分析只給出全鐵作為Fe2+的含量，這導(dǎo)致石榴子石—單斜輝石Fe-Mg溫度計(jì)獲得的橄欖巖平衡溫度與Taylor（1998）二輝石溫度計(jì)的結(jié)果差異較大。Wu 和 Zhao （2007）橄欖石—石榴子石Fe-Mg溫度計(jì)精度最高，但是在溫度＜1200℃時(shí)，獲得的平衡溫度會(huì)比Taylor（1998）二輝石溫度計(jì)的結(jié)果略高。Nimis 等（2015）使用穆斯堡爾譜獲得橄欖巖包體的斜方輝石和石榴子石的Fe3+含量，發(fā)現(xiàn)Fe3+在斜方輝石和石榴子石的分配系數(shù)與溫度無關(guān)，隨著壓力降低和斜方輝石Na含量升高而升高。因此，斜方輝石—石榴子石Fe-Mg溫度計(jì)僅適用于非常還原的橄欖巖（Fe3+含量很低），而對(duì)氧化的橄欖巖溫度誤差可大于100℃。

根據(jù)礦物—熔體系統(tǒng)的晶格應(yīng)變模型（Blundy and Wood, 1994, 2003; Wood and Blundy, 1997; Sun and Liang, 2013）以及前人高溫高壓實(shí)驗(yàn)獲得的礦物-熔體中的REE分配系數(shù)，Sun 和 Liang （2015）提出了適合基性巖和超基性巖的石榴子石—單斜輝石REE溫壓計(jì)。通過對(duì)石榴子石—單斜輝石中REE分配系數(shù)的線性回歸，不僅可以獲得REE在礦物中的封閉溫度，還可以識(shí)別后期交代作用。但是，Pickles 等（2016）測量了在1.3~10 GPa和970~1400℃下共存的石榴子石和單斜輝石的主量元素和微量元素，發(fā)現(xiàn)壓力對(duì)石榴子石—單斜輝石體系中REE分配的影響并不明顯，因此石榴子石—單斜輝石稀土元素溫壓計(jì)難以給出可靠的平衡壓力。由于石榴子石中La和Ce的含量很低，而Tb、Dy和Ho在測量中常常被忽略，Pickles 等（2016）基于擴(kuò)展的晶格應(yīng)變模型（Lee et al., 2007），使用Y、 Nd、Sm、Eu、Gd、 Er、Yb、Lu這8個(gè) 微 量元素建立了石榴子石—單斜輝石微量元素溫度計(jì)，獲得的樣品封閉溫度與實(shí)驗(yàn)溫度的誤差不超過80℃。Abbott（2018）校正了Pickles 等 （2016）的石榴子石—單斜輝石微量元素溫度計(jì)程序，校正后獲得的封閉溫度比原來的計(jì)算值高30~50℃。

3 地質(zhì)背景

位于加拿大西北的Slave克拉通出露面積約19×104km2，保 留4.03~4.02 Ga的Acasta片麻巖（Bowring and Williams, 1998; Reimink et al.,2016），其主體部分為2.63~2.58 Ga花崗巖（van Breemen et al., 1992; Kusky, 1993; Percival et al.,2004; Helmstaedt, 2009）。如圖1所示，Slave克拉通的邊界為兩個(gè)古元古代造山帶：西邊Hottah地體與Slave克拉通發(fā)生弧—陸碰撞，形成1.88~1.84 Ga的 Wopmay造山帶（Hoffman, 1989; Hildebrand et al., 2010），東邊Slave克拉通與Buffalo Head地體和Rae克拉通碰撞形成2.0~1.9 Ga的Taltson-Thelon巖漿弧（Henderson and van Breemen, 1992; Card et al., 2014）。Kusky 等（2014）認(rèn)為Slave克拉通在新太古代經(jīng)歷了從大陸裂解、被動(dòng)陸緣形成、弧—陸碰撞到陸陸碰撞的威爾遜旋回，之后通過元古代的造山運(yùn)動(dòng)與勞倫大陸拼貼。

圖1 (a) Jericho金伯利巖區(qū)在加拿大Slave克拉通的位置（圖中紅色虛線部分為Lac de Gras金伯利巖區(qū)）和(b) Jericho金伯利巖區(qū)地質(zhì)簡圖(修改自Tappe et al., 2013; Newton et al., 2016)Fig. 1 (a) Location of the Jericho kimberlite cluster in the Slave Craton, and (b) simplified geological map of the Jericho kimberlite cluster

自1991年以來，在Slave克拉通發(fā)現(xiàn)了約350個(gè)金伯利巖筒，金伯利巖的噴發(fā)時(shí)間可分為六期：新元古代末期（613 Ma）、寒武紀(jì)（~530 Ma）、奧陶紀(jì)—志留紀(jì)（~450 Ma）、二疊紀(jì)（286~256 Ma）、侏羅紀(jì)（~170 Ma）、白堊紀(jì)—古新世（75~45 Ma）（e.g., Heaman et al., 2003; Helmstaedt, 2009）。這些金伯利巖攜帶的地幔包體具有一定的時(shí)空分布特征，Slave克拉通巖石圈地幔的主體形成峰期為2.75 Ga，而大多數(shù)榴輝巖形成于2.2~2.0 Ga，記錄了俯沖洋殼和基性—超基性巖漿的殘留（Heaman et al., 2002; Heaman and Pearson, 2010; Kopylova et al., 2016）。Aulbach等 （2013）分析了Slave克拉通中部Lac de Gras含金剛石金伯利巖攜帶的地幔包體中石榴子石和單斜輝石的微量元素和Sr-Nd-Hf同位素，發(fā)現(xiàn)以145 km為界，淺部＞3.3 Ga巖石圈地幔強(qiáng)烈虧損，受碳酸鹽熔體交代的影響；而深部~3.3 Ga巖石圈地幔的虧損程度較低，受金伯利巖熔體交代的影響。

Jericho金伯利巖筒（111°28.90′W, 65°28.19′N）位于Slave 克拉通北部Contwoyto湖的北緣，噴發(fā)于中侏羅世173.1±1.3 Ma，圍巖是新太古代花崗閃長巖 （圖1；Heaman et al., 2006）。Jericho金伯利巖筒主要由三個(gè)不同的相組成，各相之間可以從顏色、結(jié)構(gòu)、蛇紋石化程度、地幔包體和捕擄晶的成分、磁化率和密度來區(qū)分（Cookenboo, 1998），但都具有相似的微量元素，顯示其來源于同一個(gè)金伯利巖漿房（Kopylova et al., 1998）。Jericho地幔包體的來源深度范圍在60~200 km，可分為5種：粗粒橄欖巖、殘斑結(jié)構(gòu)（porphyroclastic）橄欖巖、巨晶輝石巖、鈦鐵礦—石榴子石異剝橄欖巖、單斜輝石巖（Kopylova et al., 1999）。與位于西南~15 km的Muskox金伯利巖筒攜帶的地幔包體（Newton et al.,2016）、Slave克拉通中部Lac de Gras的地幔包體相似（Aulbach et al., 2013），Jericho地幔包體揭示了Slave克拉通上地幔淺部強(qiáng)烈虧損，在160~200 km為富集橄欖巖，在200 km之下為經(jīng)歷了地幔交代作用和熱擾動(dòng)的巖石圈—軟流圈邊界（Kopylova et al., 1999）。

4 樣品描述

本文選取了Jericho金伯利巖筒攜帶的9塊橄欖巖包體，包括尖晶石橄欖巖、尖晶石—石榴子石橄欖巖和石榴子石橄欖巖，為對(duì)比溫壓計(jì)提供了很好的基礎(chǔ)（表1）。樣品新鮮，礦物無后期蝕變，僅在尖晶石二輝橄欖巖11-6、尖晶石—石榴子石二輝橄欖巖26-11、石榴二輝橄欖巖28-4、石榴異剝橄欖巖MX3-107、石榴方輝橄欖巖LOST-1的礦物邊緣及裂隙出現(xiàn)輕微蛇紋石化。

表1 Jericho金伯利巖筒中橄欖巖包體的礦物組成Table 1 Modal composition of peridotite xenoliths from the Jericho kimberlite pipe

尖晶石—石榴子石二輝橄欖巖樣品42-5具有殘斑結(jié)構(gòu)，其它樣品都具有粗粒變晶結(jié)構(gòu)（圖2）。粗粒變晶橄欖巖的橄欖石和輝石為自形—半自形粒狀，橄欖石出現(xiàn)肯克帶，單斜輝石出現(xiàn)波狀消光，發(fā)育雙晶并出熔斜方輝石（圖2a）。部分橄欖石大顆粒可見三聯(lián)點(diǎn)鑲嵌結(jié)構(gòu)，顆粒邊緣平直，反映了上地幔高溫低應(yīng)力條件下穩(wěn)態(tài)重結(jié)晶作用（圖2b）。尖晶石—石榴子石二輝橄欖巖10-12A中含少量韭閃石（圖2c-d）。殘斑結(jié)構(gòu)尖晶石—石榴子石二輝橄欖巖42-5的橄欖石和輝石殘斑可大于2 mm，在石榴子石邊緣形成了金云母，在金云母內(nèi)可見晶型較好的細(xì)粒尖晶石（圖2e-f）。

5 礦物主量和微量元素特征

5.1 實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)9個(gè)橄欖巖樣品中的橄欖石、斜方輝石、單斜輝石、石榴子石和尖晶石進(jìn)行了電子探針實(shí)驗(yàn)，分析其主量元素。使用JEOL JXA-8800M型電子探針，其加速電壓為15 Kv，束電流為20 nA，探測區(qū)域＜5 μm，檢測極限是0.01%，誤差范圍是加減1.5%。樣品中各礦物的化學(xué)成分為多個(gè)顆粒的平均值。此外，使用掃描電鏡Zeiss Supra 55，對(duì)殘斑結(jié)構(gòu)橄欖巖樣品42-5中的石榴子石及其周邊礦物進(jìn)行了X射線能譜實(shí)驗(yàn)，加速電壓為20 KV，計(jì)數(shù)頻率為2~3 kCPS，工作距離為10 mm，獲得面掃區(qū)域礦物的主要元素分布。上述實(shí)驗(yàn)在南京大學(xué)內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

由于尖晶石方輝橄欖巖10-456和石榴子石方輝橄欖巖LOST-1中單斜輝石顆粒太少，所以只測了其余7個(gè)樣品的單斜輝石成分，以及6個(gè)含石榴子石橄欖巖樣品中石榴子石的微量元素。在南京宏創(chuàng)地質(zhì)勘查技術(shù)服務(wù)有限公司使用Agilent 7700x電感耦合等離子質(zhì)譜儀（LA-ICP-MS），配合GeoLasPro 193nm ArF準(zhǔn)分子激光剝蝕系統(tǒng)進(jìn)行測試，能量密度為10 J/cm2，束斑直徑為44 μm，頻率為4 Hz，剝蝕時(shí)間為40秒，每個(gè)樣品的化學(xué)成分為4~5個(gè)礦物顆粒的平均值。

5.2 單礦物主量元素

表2列出了橄欖石、單斜輝石、斜方輝石、石榴子石和尖晶石的主量礦物含量，Mg# = Mg/(Mg+Fe)×100。9個(gè)橄欖巖樣品中的橄欖石Mg# 為91.09~93.19，尖晶石橄欖巖的橄欖石Mg#最高，為93.1~93.2，粗粒結(jié)構(gòu)尖晶石—石榴子石橄欖巖的橄欖石Mg#為91.9~92.4，石榴子石橄欖巖的橄欖石Mg#為91.1~91.7，而碎斑結(jié)構(gòu)尖晶石—石榴子石橄欖巖的橄欖石Mg# 為91.2，與石榴子石相橄欖巖更接近（圖3a）。與Kopylova等（1999）的結(jié)果對(duì)比，反映了Jericho上地幔淺部橄欖巖經(jīng)歷的部分熔融程度更高。斜方輝石為頑火輝石，Mg#在92.4~93.8之間，斜方輝石Mg#與橄欖石Mg#具有非常好的正相關(guān) （圖3a）。橄欖巖樣品中的單斜輝石為透輝石，Mg#的范圍在88.7~96.4之間，整體上單斜輝石的CaO越高，Cr2O3含量越低，但相關(guān)性不強(qiáng)(圖3b)。橄欖巖樣品中的石榴子石Mg#為78.6~83.9，均為鎂鋁榴石，與粗粒變晶橄欖巖相比，樣品42-5中的石榴子石更富Cr （圖3c）。

表2 Slave克拉通Jericho 橄欖巖包體中主要礦物的主量元素含量(wt%)Table 2 Major element abundances (wt%) in major minerals from the Jericho peridotite xenoliths in the Slave Craton

尖晶石的Cr# = Cr/(Cr+Al) ×100，主要為鉻尖晶石，MgO與Cr2O3含量為負(fù)相關(guān)（圖3d）。粗粒變晶橄欖巖中尖晶石的TiO2含量為0.01%~0.07%，但殘斑結(jié)構(gòu)尖晶石—石榴子石橄欖巖樣品42-5的尖晶石TiO2含量達(dá)到2.67% （表2）。根據(jù)薄片觀察，樣品42-5的尖晶石出現(xiàn)在圍繞石榴子石的后生金云母中 (圖2e-f)，石榴子石也比其它樣品更富Cr，表明尖晶石是后期富Ti、富Cr流體環(huán)境下的結(jié)晶產(chǎn)物。使用掃描電鏡對(duì)樣品42-5的石榴子石及其周邊礦物進(jìn)行了驗(yàn)證。如圖4所示，金云母圍繞石榴子石生長，富Si、O、Al、Mg和K，含有少量的Ti，幾乎不含Cr、Fe和Ca。蛇紋石出現(xiàn)在顆粒邊界的裂隙中，圍繞在金云母外面，在金云母和蛇紋石中含少量細(xì)粒的尖晶石。

圖3 Jericho橄欖巖包體的礦物成分關(guān)系圖Fig. 3 Relationships between major element concentrations in minerals from the Jericho peridotite xenoliths

圖4 殘斑結(jié)構(gòu)尖晶石—石榴子石二輝橄欖巖42-5的石榴子石及其周邊礦物的能譜面掃圖像和Cr、Mg、K元素分布圖Fig. 4 Element mapping of garnet and surrounding minerals from porphyroclastic spinel-garnet lherzolite sample 42-5

5.3 單斜輝石與石榴子石的微量元素

表3和表4分別列出了Jericho橄欖巖包體樣品中的單斜輝石和石榴子石微量元素含量。7個(gè)橄欖巖樣品的單斜輝石呈現(xiàn)相似的微量元素特征，從Gd到Lu為負(fù)斜率，出現(xiàn)Nb、Ta、Zr、Hf的負(fù)異常和Th、U、La、Sm、Ho的正異常，并且(Zr/Sm)N、(Hf/Sm)N值都小于1（圖5a）。在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化REE圖解上，單斜輝石都表現(xiàn)為輕稀土富集和重稀土虧損，但是石榴子石二輝橄欖巖28-4的單斜輝石重稀土含量明顯增加（圖5b）。

表3 Jericho橄欖巖包體中的單斜輝石微量元素含量(×10-6)Table 3 Trace element abundances (×10-6) in clinopyroxene from the Jericho peridotite xenoliths

表4 Jericho橄欖巖包體中的石榴子石微量元素含量(×10-6)Table 4 Trace element abundances (×10-6) in garnet from the Jericho peridotite xenoliths

6個(gè)橄欖巖樣品的石榴子石在微量元素蛛網(wǎng)圖上比較一致，表現(xiàn)為Ba、La、Pb、Sr、Hf的負(fù)異常和U、Ce、Pr、Nd、Sm的正異常（圖5c）。石榴子石的REE配分圖可分成兩類（圖5d）：石榴子石二輝橄欖巖28-4和石榴子石異剝橄欖巖MX3-107都具有輕稀土虧損的特征，從Sm到Lu略微增加，Smn/Ern≤1；而其它樣品的石榴子石顯示出輕稀土虧損、中稀土—重稀土含量變化的正弦態(tài)（sinusoidal）的曲線，Smn/Ern＞1。

圖5 Jericho橄欖巖包體的(a)單斜輝石微量元素蛛網(wǎng)圖和(b)稀土元素蛛網(wǎng)圖，(c)石榴子石微量元素蛛網(wǎng)圖和(d)稀土元素蛛網(wǎng)圖（微量元素和稀土元素分別使用原始地幔和球粒隕石成分進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化McDonough and Sun, 1995)Fig. 5 Patterns of trace elements and REEs in clinopyroxene (a-b) and garnet (c-d) from peridotite xenoliths in the Jericho kimberlite pipe (Concentrations of trace elements and REEs are normalized to primitive mantle and chondrite abundances,McDonough and Sun 1995, respectively)

6 橄欖巖包體的平衡溫壓估計(jì)

6.1 主量元素礦物溫壓計(jì)

根據(jù)前人對(duì)常用地幔礦物壓力計(jì)和溫度計(jì)的總結(jié)（吳春明, 2009; Wu and Zhao, 2011; Nimis and Grütter, 2010, 2012），本文使用的礦物壓力計(jì)和溫度計(jì)如表5所示。對(duì)于尖晶石相橄欖巖，本文使用K?hler 和 Brey（1990）橄欖石—單斜輝石壓力計(jì)和Brey 和 K?hler (1990)的二輝石溫度計(jì)。對(duì)于尖晶石—石榴子石過渡相和石榴子石相橄欖巖，先使用石榴子石—斜方輝石壓力計(jì)（Nickel and Green, 1985; Taylor, 1998）獲得平衡壓力，然后分別使用Taylor （1998）的二輝石溫度計(jì)、Nimis 和Taylor（2000）的單斜輝石溫度計(jì)、Ravna（2000）石榴子石—單斜輝石Fe-Mg溫度計(jì)估算平衡溫度。本文使用由Sergey K. Simakov和Dmitry V. Dolivo-Dobrovolsky開發(fā)的主量元素溫壓計(jì)程序PTQuick，獲得理論平衡壓力和平衡溫度兩條線的交點(diǎn)，因此每一組溫度計(jì)對(duì)應(yīng)的壓力值不同（表6）。由于Taylor（1998）只是對(duì)Nickel 和 Green（1985） 的石榴子石—斜方輝石壓力計(jì)進(jìn)行了校正，二者的壓力結(jié)果誤差小于5%，因此表6只列出了使用Nickel和 Green（1985）石榴子石—斜方輝石壓力計(jì)獲得的PNG85Grt-Opx結(jié)果。

表5 本文使用的地幔礦物溫度計(jì)和壓力計(jì)Table 5 Thermometry and barometry of mantle minerals used in this study

對(duì)于5個(gè)尖晶石—石榴子石橄欖巖和石榴子石橄欖巖樣品，使用Taylor（1998）二輝石溫度計(jì)獲得的平衡溫度為575~1109℃，比Nimis 和 Taylor（2000）單斜輝石溫度計(jì)的計(jì)算結(jié)果高16~25℃（表6），這與Nimis 和 Grütter（2010）對(duì)地幔橄欖巖溫度計(jì)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致，表明二者都是可靠的地幔礦物溫度計(jì)。而Ravna（2000）石榴子石—單斜輝石Fe-Mg溫度計(jì)高估了橄欖巖樣品的溫度，導(dǎo)致壓力PNG85Grt-Opx也顯著偏高，樣品28-4的TR00Grt-Cpx高達(dá)1512℃，比TT98Opx-Cpx高了669°C，也高出了上地幔橄欖巖的熔點(diǎn)，表明該溫度計(jì)的誤差較大。

表6 不同地質(zhì)溫壓計(jì)獲得的Jericho橄欖巖包體的平衡溫度和壓力Table 6 Equilibrium temperatures and pressures of the Jericho peridotite xenoliths calculated from different geothermometers and geobarometers

值得注意的是，殘斑結(jié)構(gòu)尖晶石—石榴子石橄欖巖42-5的壓力PNG85Grt-Opx達(dá)到5.0 GPa，溫度為1109℃，遠(yuǎn)高于其它樣品2.4~3.6 GPa和575~843℃的溫壓范圍。假定Slave克拉通的地殼厚度為40 km，地殼平均密度為2.85 g/cm3，上地幔平均密度是3.3 g/cm3，則根據(jù)PNG85Grt-Opx估算的樣品42-5的來源深度為156 km，而其它樣品的來源深度為78~116 km。

6.2 石榴子石—單斜輝石REE溫壓計(jì)

REE在石榴子石和單斜輝石中的分配系數(shù)DGrt/Cpx受溫度、壓力、礦物主量元素含量、稀土元素的離子半徑的影響（Sun and Liang, 2013; Pickles et al., 2016）。根據(jù)高溫高壓下石榴子石-熔體和單斜輝石—熔體中的REE分配系數(shù)實(shí)驗(yàn)，Sun和Liang（2014）校正了石榴子石和單斜輝石中REE分配模型。Sun和Liang（2015）提出石榴子石和單斜輝石中REE分配系數(shù)(DGrt/Cpx)與平衡溫度TREE和平衡壓力PREE的熱力學(xué)關(guān)系可用下式擬合：

其中A受控于石榴子石和單斜輝石的主量元素組成，B是礦物主量元素和稀土離子半徑的函數(shù)。以ln(D)-A對(duì)B/1000 進(jìn)行最小二乘法線性回歸，直線的斜率和截距可以分別確定平衡溫度TREE和f(PREE)。平衡壓力PREE從f(PREE)計(jì)算獲得：

本文使用Sun 和 Liang（2015）的石榴子石—單斜輝石REE溫壓計(jì)，估算了5個(gè)橄欖巖樣品的平衡溫壓。如圖6所示，所有樣品的石榴子石和單斜輝石中的REE都基本保持了平衡，ln(D)-A對(duì)B/1000的線性回歸擬合較好，REE在石榴子石和單斜輝石中保持了平衡。只有尖晶石—石榴子石二輝橄欖巖樣品10-12A的Er顯著偏離趨勢線，在線性回歸中Er的數(shù)據(jù)被排除，獲得平衡溫度TREE為941±38℃，平衡壓力為4.2±0.7 GPa（圖6a）。該異常是由于樣品42-5的單斜輝石中Er含量顯著降低（圖5a-b），從而導(dǎo)致Er在石榴子石—單斜輝石中的分配系數(shù)呈現(xiàn)出異常高值 （圖6f）。尖晶石—石榴子石二輝橄欖巖樣品10-12A和26-11的TREE都高于對(duì)應(yīng)的TT98Opx-Cpx，可能反映了巖石的逐漸冷卻。石榴二輝橄欖巖28-4和石榴異剝橄欖巖MX3-107的TREE近似，分別為779±21℃和759 ±24℃，而二者的TT98Opx-Cpx分別為843℃和676°C，暗示了Slave克拉通巖石圈地幔的復(fù)雜組成和熱演化歷史，可能局部有熱擾動(dòng)。對(duì)于殘斑結(jié)構(gòu)尖晶石—石榴子石二輝橄欖巖樣品42-5，TREE為1268±62℃，略高于TT98Opx-Cpx的1109℃，而PREE為2.8±0.7 GPa，顯著低于PNG85Grt-Opx的5.0 GPa。

圖6 (a-e) 使用石榴子石-單斜輝石REE溫壓計(jì)回歸獲得Jericho橄欖巖包體的平衡溫度和壓力，橘黃色圓點(diǎn)為排除在線性回歸的元素；(f) REE在石榴子石-單斜輝石中的分配系數(shù)Fig. 6 (a-e) Inversions of temperature and pressure of the Jericho peridotite xenoliths using the REE-in-Grt-Cpx thermobarometer,and (f) Partitioning coefficients of REEs between garnet and clinopyroxene

7 討論與結(jié)論

克拉通巖石圈地幔經(jīng)歷了從早期巖漿結(jié)晶、部分熔融到后期變質(zhì)平衡和熔流體交代，由于主量元素和稀土元素在地幔礦物中的擴(kuò)散速率不同，將不同溫壓計(jì)結(jié)合起來，可以為追溯巖石圈地幔的演化歷史提供重要約束。Slave克拉通Jericho金伯利巖攜帶的橄欖巖包體提供了檢驗(yàn)這一思路的機(jī)會(huì)。

前人研究表明Slave克拉通巖石圈地幔具有分層性，經(jīng)歷了顯著的地幔交代作用（Kopylova et al., 1998, 2009）。單斜輝石和石榴子石中不相容元素的富集提供了地幔交代作用的證據(jù)。以西伯利亞克拉通Udachnaya橄欖巖包體為例，單斜輝石中輕稀土富集，Ti/Eu高、石榴子石具有正弦態(tài)的REE配分型式（Smn/Ern＞1），指示了金伯利巖漿的交代作用（Howarth et al., 2014），而石榴子石表現(xiàn)為輕稀土虧損，Sm到Lu平坦的稀土配分型式（Smn/Ern＜1），指示了硅酸鹽熔體交代作用（Agashev et al., 2013）。在南非Kaapvaal克拉通金伯利巖攜帶的橄欖巖包體中，具有環(huán)帶的石榴子石從中心到邊緣就分別發(fā)育了這兩種石榴子石REE配分模式，反映了富流體的地幔交代作用（張宏福等, 1999）。本文選取的9個(gè)橄欖巖樣品中橄欖石的Mg#為91.09~93.19，從尖晶石橄欖巖、尖晶石—石榴子石橄欖巖到石榴子石橄欖巖依次降低，表明Slave克拉通巖石圈地幔淺部的部分熔融程度最高。橄欖巖樣品42-5和10-12A中的金云母和韭閃石是顯性地幔交代作用的標(biāo)志，單斜輝石輕稀土富集（圖5b）、石榴子石的兩類REE分配模式（圖5d），表明Slave克拉通巖石圈地幔經(jīng)歷了金伯利巖漿和硅酸鹽熔體的地幔交代作用。

Kopylova 等（1998）使用主量元素估算Jericho橄欖巖包體的平衡溫壓，發(fā)現(xiàn)巖石圈地幔相對(duì)較冷，但是在160~190 km深度溫度顯著升高，反映了短暫的巖漿事件的影響。本文沒有獲得尖晶石相橄欖巖的可靠溫壓條件，使用Taylor（1998）二輝石溫度計(jì)、Nimis和 Taylor（2000）單斜輝石溫度計(jì)獲得的含石榴子石粗粒橄欖巖的溫度為575~843℃，壓力為2.4~3.6 GPa，表明Slave克拉通巖石圈地幔溫度較低，是典型的克拉通巖石圈。但是，殘斑結(jié)構(gòu)尖晶石—石榴子石二輝橄欖巖樣品42-5具有較高的溫度和壓力（1109℃和5.0 GPa），石榴子石邊緣形成了金云母，在金云母內(nèi)可見晶型較好的細(xì)粒尖晶石（圖2e-f），表明它經(jīng)歷了顯性交代作用和兩階段折返歷史。使用石榴子石—單斜輝石REE溫壓計(jì)，樣品42-5的TREE為1268±62℃，略高于TT98Opx-Cpx的1109℃，而PREE為2.8±0.7 GPa。考慮到REE溫度計(jì)保留的是巖石早期熱歷史，而且石榴子石—單斜輝石REE溫壓計(jì)的壓力估計(jì)偏差較大（Pickles et al., 2016），因此，TREE可能記錄了經(jīng)歷了早期金伯利巖漿交代作用的石榴子石橄欖巖平衡溫度，該樣品被后期金伯利巖漿從~156 km攜帶到尖晶石—石榴子石相深度，形成了金云母和尖晶石，然后再被Jericho金伯利巖筒噴發(fā)攜帶到地表。這一結(jié)果與Slave克拉通多期金伯利巖漿活動(dòng)事件一致（Heaman et al., 2003; Helmstaedt, 2009）。

對(duì)Jericho橄欖巖包體的平衡溫度和壓力估算表明，在解釋主量元素溫度計(jì)和石榴子石—單斜輝石REE溫度計(jì)獲得的溫度差異時(shí)，除了考慮巖石熱演化的影響，首先需要確定數(shù)據(jù)質(zhì)量。大多數(shù)地質(zhì)溫度計(jì)都需要先給出一個(gè)平衡壓力，才能進(jìn)行計(jì)算。對(duì)同一個(gè)樣品，估算的平衡溫度不僅受主量元素溫度計(jì)本身的誤差影響，也與使用的平衡壓力有關(guān)。對(duì)于經(jīng)歷了多期巖漿—變質(zhì)事件的橄欖巖，需要留意礦物成分從核部到邊部的變化，以便分離主量元素在不同礦物對(duì)中的分配系數(shù)從平衡到非平衡態(tài)的P-T軌跡。

此外，等溫、等化學(xué)成分實(shí)驗(yàn)表明壓力對(duì)石榴子石—單斜輝石體系中REE分配的影響并不明顯（Pickles et al., 2016），因此，石榴子石—單斜輝石REE溫壓計(jì)（Sun and Liang, 2015）的壓力估算是否可靠，亟需更多的實(shí)驗(yàn)和天然樣品來進(jìn)行檢驗(yàn)。微量元素的測量精度對(duì)使用Kohler 和 Brey （1990）橄欖石—單斜輝石壓力計(jì)以及石榴子石—單斜輝石REE溫度計(jì)至關(guān)重要。把電子探針與LA ICP-MS相結(jié)合，獲得地幔礦物中主量元素和微量元素的可靠含量分布，可以為厘定巖石圈地幔的復(fù)雜演化歷史提供有效約束。

致謝：感謝加拿大Maya G. Kopylova教授提供橄欖巖樣品，Sergey K. Simakov提供PRQuick溫壓計(jì)程序，感謝吳春明研究員和張曉琪老師的寶貴意見。