斑晶斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)及成因研究進(jìn)展

楊獻(xiàn)忠,周 延,孫建東,徐衍明,褚志遠(yuǎn)

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心,江蘇 南京 210016;2. 環(huán)太平洋戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源聯(lián)合研究中心,江蘇 南京 210016;3. 山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 臨沂 276006)

斜長石作為地殼中分布最廣的造巖礦物之一,已被廣泛應(yīng)用于巖漿動力學(xué)研究[1]。一塊巖石薄片上可觀察到數(shù)十個乃至上百個斜長石晶體,其中斑晶斜長石往往具有多種結(jié)構(gòu)特征和環(huán)帶模式[1-3],為礦物學(xué)及巖石學(xué)研究提供了豐富的資料和信息。斑晶斜長石環(huán)帶受其結(jié)晶時的溫度、壓力、揮發(fā)份和熔體成分控制。原始巖漿中結(jié)晶形成的早期斑晶斜長石,當(dāng)受到后期新巖漿注入并與原始巖漿發(fā)生混合作用而形成新熔體,早期斑晶斜長石會發(fā)生熔蝕,受新注入巖漿的溫壓條件及成分控制而形成不同的熔蝕型結(jié)構(gòu)。隨著新熔體逐步向平衡方向演化,在熔蝕后的斑晶斜長石外圍將進(jìn)一步形成不同類型的韻律型結(jié)構(gòu)。韻律型結(jié)構(gòu)包裹熔蝕型結(jié)構(gòu),構(gòu)成斑晶斜長石復(fù)雜的環(huán)帶結(jié)構(gòu)。這種環(huán)帶結(jié)構(gòu)一旦形成后,因?yàn)镹aSi-CaAl之間的相互擴(kuò)散速率較低,主要元素環(huán)帶結(jié)構(gòu)在很長時間內(nèi)不會因?yàn)閿U(kuò)散作用而改變,因而可以從高溫巖漿演化過程中保存下來[4-5]。結(jié)合斑晶斜長石的結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行綜合研究,可形成一張信息豐富的巖漿演化復(fù)合圖像[6]。因此,斜長石是研究巖漿演化特征,反演巖漿混合過程非常重要的指示礦物之一[7-11],為反演巖漿混合作用及巖漿演化歷程提供了直接證據(jù)[8,12],也為解決俯沖帶物質(zhì)循環(huán)過程中的諸多問題提供重要信息[13]。

為了便于今后討論和對比,本文論述了斑晶斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)類型,對熔蝕型環(huán)帶結(jié)構(gòu)核部的不同結(jié)構(gòu)類型和邊緣形態(tài)進(jìn)行了素描,歸納總結(jié)不同類型環(huán)帶結(jié)構(gòu)的成因和研究進(jìn)展。研究斑晶斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)及核部、幔部和邊部特征,對理解巖漿作用過程具有重要意義。

1 斑晶斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)類型

具有環(huán)帶結(jié)構(gòu)特征的斑晶斜長石,以中長石最發(fā)育,其次是更長石和拉長石。早期,斑晶斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)主要劃分為核部-邊部組合[2]和內(nèi)核-間環(huán)-邊環(huán)組合[14]兩類。目前,斑晶斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)劃分為核部-幔部-邊部組合[6,15]及(核部)-熔蝕面-內(nèi)環(huán)帶-正常環(huán)帶組合[16]。鑒于目前對斑晶斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)尤其是核部、幔部及核部-幔部特征的認(rèn)識有所不同,描述名稱也不統(tǒng)一,為了便于討論和對比,本文在綜合前人提出的斑晶斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)分類基礎(chǔ)上,提出如下建議:將斑晶斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)統(tǒng)一為“核部-幔部-邊部”組合,背散射圖(BSE)上可分出較典型環(huán)帶結(jié)構(gòu)的核部、幔部和邊部[6](圖1);將環(huán)帶類型分為簡單型環(huán)帶結(jié)構(gòu)、韻律型環(huán)帶結(jié)構(gòu)和熔蝕型環(huán)帶結(jié)構(gòu)3個類型(表1)。同時,為了便于直觀分析和對比參照,還繪制了部分核部熔蝕結(jié)構(gòu)和核部-幔部之間的接觸界面形態(tài)素描圖。

圖1 具有“核-幔-邊”結(jié)構(gòu)的斑晶斜長石背散射圖[6]Fig. 1 BSE images showing phenocrytic plagioclase with core-mantle-edge texture[6]

表1 斑晶斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)類型

多數(shù)情況下,巖石中斑晶斜長石的環(huán)帶結(jié)構(gòu)是由兩種或多種類型組合而成的[13],因而一般需同時開展“核-幔-邊”結(jié)構(gòu)研究。筆者認(rèn)為,對斑晶斜長石環(huán)帶核部的研究,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其形態(tài)和熔蝕結(jié)構(gòu)、與幔部的接觸方式和接觸界面的形態(tài)、整體成分和熔蝕部分成分(尤其是An值)的變化特征;對斑晶斜長石環(huán)帶邊部的研究,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其韻律間距和振幅大小、成分(尤其是An值)的變化規(guī)律、與幔部的接觸方式及接觸界面的形態(tài)特征;對斑晶斜長石環(huán)帶幔部的研究,需分別對內(nèi)側(cè)和外側(cè)進(jìn)行研究,內(nèi)側(cè)關(guān)注的重點(diǎn)與核部研究重點(diǎn)類似,外側(cè)關(guān)注的重點(diǎn)與邊部研究重點(diǎn)基本相同。

斑晶斜長石“核-幔-邊”組合有時也會出現(xiàn)一些特殊情況:在核部與幔部之間存在由熔體和(或)含水礦物組成的熔蝕帶[17];缺少幔部,取而代之的是熔蝕帶[13];熔蝕帶發(fā)育于幔部,但相對較狹窄[16]。此時,需要對熔蝕帶的特征進(jìn)行研究,重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容與核部研究的內(nèi)容基本一致。

2 斑晶斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)特征

2.1 簡單型環(huán)帶結(jié)構(gòu)

簡單型環(huán)帶結(jié)構(gòu)主要指斑晶斜長石“核-幔-邊”結(jié)構(gòu)清晰,從核部到邊部在成分上呈漸進(jìn)性的單一規(guī)律性變化。一般情況下,核部相對均勻且多呈卵形或較規(guī)則形態(tài),幔部一般較窄,核部與幔部的界線清晰,幔部沿斜長石核部四周呈線性延伸,與幔部相比,邊部在背散射圖上的顏色明顯變暗(深)[18]。

當(dāng)斑晶斜長石從核部到邊部逐漸由富Ca端元向富Na端元變化時,此時An值逐漸變小,該斑晶斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)稱為正環(huán)帶結(jié)構(gòu),反之稱為反環(huán)帶結(jié)構(gòu)。正環(huán)帶結(jié)構(gòu)、反環(huán)帶結(jié)構(gòu)的斑晶斜長石主要產(chǎn)于火成巖,也可見于變質(zhì)巖中①。

如果斑晶斜長石環(huán)帶邊緣較破碎且邊部存在多個孔隙(可充填熔體或礦物),則構(gòu)成多孔破碎邊緣結(jié)構(gòu)[19];如果斑晶斜長石環(huán)帶邊緣出現(xiàn)近等軸狀的麻點(diǎn)或麻點(diǎn)外形類似蠕蟲狀,則分別稱之為麻點(diǎn)狀邊環(huán)結(jié)構(gòu)或蠕蟲狀邊環(huán)結(jié)構(gòu)[14];如果在麻點(diǎn)狀邊環(huán)或蠕蟲狀邊環(huán)外側(cè)還有一圈較窄的亮邊,該亮邊沒有麻點(diǎn)狀或蠕蟲狀結(jié)構(gòu),則稱之為亮麻雙邊結(jié)構(gòu)[14],多見于巖漿演化晚期。

如果堿性長石斑晶外邊被斜長石包裹,則稱為環(huán)斑結(jié)構(gòu)[20];如果斑晶斜長石環(huán)帶邊部為堿性長石,則構(gòu)成反環(huán)斑結(jié)構(gòu)[21]。一般而言,前寒武紀(jì)后構(gòu)造花崗巖才具有環(huán)斑結(jié)構(gòu),其中正長石斑晶呈卵形,石英具有兩個世代的特征①。

2.2 韻律型環(huán)帶結(jié)構(gòu)

斑晶斜長石具有明顯的“核-幔-邊”結(jié)構(gòu),且在邊部及幔部成分、An值以及環(huán)帶數(shù)量、間距和振幅等方面具有明顯的周期性韻律變化規(guī)律。韻律型環(huán)帶一般只見于火山巖/淺成侵入巖,是巖漿起源的標(biāo)志①,透長石也常發(fā)育韻律型環(huán)帶結(jié)構(gòu)[14]。

根據(jù)斑晶斜長石韻律型環(huán)帶的環(huán)帶數(shù)量、間距和振幅(BSE圖像上表現(xiàn)為相鄰環(huán)帶之間的明暗差異)等發(fā)育程度,韻律環(huán)帶可分為兩種:短間距、小振幅的致密韻律環(huán)帶和長間距、大振幅的稀疏韻律環(huán)帶。斑晶斜長石韻律環(huán)帶多數(shù)存在于斑晶邊部,其次存在于幔部。與晶體內(nèi)部的韻律環(huán)帶相比,晶體邊部的韻律環(huán)帶層間距離更短、更密集[22]。

2.3 熔蝕型環(huán)帶結(jié)構(gòu)

斑晶斜長石熔蝕型環(huán)帶結(jié)構(gòu)指斑晶斜長石的核部、核部與幔部之間的接觸界面、幔部(主要是內(nèi)側(cè))出現(xiàn)不同程度的熔蝕特征,有時也包括核部與幔部之間出現(xiàn)的熔蝕帶特征[17]。這種結(jié)構(gòu)是斑晶斜長石在結(jié)晶過程中或在已有“核-幔-邊”環(huán)帶結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,因環(huán)境發(fā)生改變,至少一個晶層發(fā)生了熔蝕作用。成分上,斑晶斜長石從核部到邊部多表現(xiàn)為階梯式變化或峰式變化;結(jié)構(gòu)上,斑晶斜長石呈多層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。根據(jù)斑晶斜長石環(huán)帶不同部位的熔蝕特點(diǎn),可分成晶體內(nèi)部熔蝕結(jié)構(gòu)和層間晶面熔蝕結(jié)構(gòu)[13]。

(1)晶體內(nèi)部熔蝕結(jié)構(gòu)。主要指斑晶斜長石核部、幔部(多為內(nèi)側(cè))的內(nèi)部熔蝕特征,表現(xiàn)為密度和大小不等的多孔形態(tài)。隨著內(nèi)部熔蝕作用的變化,其中孔洞的大小、形狀也各不相同,可以觀察到孔洞微小、相互之間互不連通的輕度熔蝕結(jié)構(gòu),以及孔洞粗大、互相合并形成條狀或其他不規(guī)則形狀的強(qiáng)烈內(nèi)部熔蝕結(jié)構(gòu),主要有麻點(diǎn)狀[14](也稱多孔狀[23]、斑點(diǎn)狀或斑雜狀[18])(圖2(a)、圖3(a))、蠕蟲狀[24](圖2(b)、圖3(b))、補(bǔ)釘狀[18,25](也稱補(bǔ)片狀[9,22])(圖2(c)、圖3(c))、篩孔狀[21-22,26](也稱盒狀[16]、方塊蜂窩狀[27])(圖2(d)、圖3(d))等結(jié)構(gòu)類型。需要強(qiáng)調(diào)的是:麻點(diǎn)狀形態(tài)主要指圓形、近圓形的等軸狀麻點(diǎn);蠕蟲狀形態(tài)主要指麻點(diǎn)較大、外形類似長條狀的蠕蟲;補(bǔ)釘狀形態(tài)主要指麻點(diǎn)更大、外形呈近長方形;篩孔狀形態(tài)主要為兩組近似垂直的線型熔蝕帶之間構(gòu)成的篩孔。

(a).麻點(diǎn)狀;(b).蠕蟲狀;(c).補(bǔ)釘狀;(d).篩孔狀圖2 斑晶斜長石環(huán)帶核部熔蝕結(jié)構(gòu)素描圖Fig. 2 Sketch diagrams showing the erosion textures in the core of the phenocryst plagioclase zoning

(2)層間晶面熔蝕結(jié)構(gòu)。多數(shù)存在于斑晶斜長石不同環(huán)帶層之間的界面(主要指核部與幔部、少量幔部與邊部的接觸界面),表現(xiàn)為原先存在的自形晶外部邊緣發(fā)生部分熔融,使斑晶的棱角和邊緣變光滑,并與外層晶面不平行,且同一個晶體中可以存在多個熔蝕層,主要有光滑狀、港灣狀、鋸齒狀、不規(guī)則狀結(jié)構(gòu)等類型[25,29-30](圖4(a)、(b)、(c)、(d))。顯然,層間晶面熔蝕結(jié)構(gòu)出現(xiàn)上述熔蝕特征,界面之間的接觸關(guān)系多數(shù)屬于“不整合”接觸關(guān)系[31](圖4(e)、(f))。

(a).麻點(diǎn)狀[24];(b).蠕蟲狀[24];(c).補(bǔ)釘狀[6](Mt.磁鐵礦;Ml.熔體包裹體;Q.石英);(d).篩孔狀[28]圖3 斑晶斜長石環(huán)帶核部熔蝕結(jié)構(gòu)顯微照片F(xiàn)ig. 3 Microphotographs showing the erosion textures in the core of the phenocryst plagioclase zoning

(a).光滑狀;(b).港灣狀;(c).鋸齒狀;(d).不規(guī)則狀；(e).核部外側(cè)與幔部之間的非平行不整合接觸;(f).幔部環(huán)帶圓化到邊部環(huán)帶直角化[6]圖4 斑晶斜長石環(huán)帶核部熔蝕后的形態(tài)素描圖(a,b,c,d)及界面接觸關(guān)系BSE實(shí)例照片(e,f)Fig. 4 Morphological schematic diagrams (a,b,c,d) showing the eroded cores in the phenocryst plagioclase zoning and BSE images (e,f) showing the interface contact

3 斑晶斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)成因

上升的巖漿在地殼淺部形成巖漿房時,一般總是伴隨著新的巖漿不斷注入、聚集、混合,脈動式注入導(dǎo)致巖漿周期性的成分及環(huán)境發(fā)生變化,在已有斑晶斜長石環(huán)帶的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步發(fā)育形成新的環(huán)帶結(jié)構(gòu)[3]。巖漿混合導(dǎo)致巖漿發(fā)生不平衡結(jié)晶作用,此時具有熔蝕環(huán)帶結(jié)構(gòu)的斑晶斜長石也發(fā)生不平衡生長。因此,斑晶斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)成因已被廣泛用于研究巖漿混合作用過程和巖漿演化特征[21,30,32]。

3.1 簡單型環(huán)帶結(jié)構(gòu)成因

對于斑晶斜長石而言,隨著巖漿溫度的下降,不斷晶出的斜長石晶體來不及與巖漿充分反應(yīng),就會被后來晶出的斜長石晶體包裹。斑晶斜長石正環(huán)帶、反環(huán)帶和韻律環(huán)帶的形成,可能與巖漿結(jié)晶分異過程中的晶體與熔體之間的局部擾動、巖漿快速冷卻、快速減壓結(jié)晶有關(guān)[33]。當(dāng)發(fā)生巖漿混合作用時,在具熔蝕環(huán)帶結(jié)構(gòu)的斑晶斜長石邊部形成反環(huán)帶[6,34]。

(1)正環(huán)帶結(jié)構(gòu)。如果初始熔體的成分偏基性,則斜長石的核部以An組分為主;隨著結(jié)晶作用的發(fā)生,邊部將越來越富Ab組分,從而在斜長石中形成“核部基性,邊部酸性”的正環(huán)帶。正環(huán)帶反映了巖漿結(jié)晶的最后階段,由于巖漿溫度和壓力降低,導(dǎo)致巖漿結(jié)晶分異,使斜長石邊緣An值降低[13],斜長石核部至邊緣An含量差距可達(dá)60%[35]。成分上,從斑晶斜長石的核部到邊部,SiO2、Na2O、FeO和K2O含量增高,Al2O3和CaO含量明顯降低,MgO含量整體呈下降趨勢,但變化幅度較小[36]。

(2)反環(huán)帶結(jié)構(gòu)。如果初始熔體成分偏酸性,則斜長石的核部以Ab組分為主。隨著基性巖漿的加入并發(fā)生巖漿混合作用,斑晶斜長石繼續(xù)發(fā)生結(jié)晶作用,邊部越來越富An組分,從而在斜長石中形成“核部酸性,邊部基性”的反環(huán)帶。顯然,反環(huán)帶結(jié)構(gòu)的斑晶斜長石比正環(huán)帶結(jié)構(gòu)的斑晶斜長石具有更復(fù)雜的巖漿作用過程。目前,這種類型的環(huán)帶成因至少有兩種解釋:一種解釋認(rèn)為是熱的基性巖漿對較冷的已結(jié)晶出偏酸性斜長石的巖漿加熱,使偏酸性斜長石發(fā)生熔融,形成熔蝕結(jié)構(gòu),并與之混合,使巖漿基性程度增高,結(jié)晶出偏基性的斜長石;另一種解釋認(rèn)為巖漿房中溫度與壓力的迅速改變(同時伴有揮發(fā)份丟失)可以導(dǎo)致這種環(huán)帶的產(chǎn)生,且與溫度變化相比,壓力的變化可能更迅速,足以導(dǎo)致這種界線分明的不連續(xù)環(huán)帶的形成或者巖漿在上升過程中同化圍巖形成反環(huán)帶[37]。具有反環(huán)帶結(jié)構(gòu)的斑晶斜長石常見于島弧巖石中,通常是由于巖漿房內(nèi)部熔體的混合作用使成分再富集而引起的。如果巖漿反復(fù)充填并混合,可形成多次的正-反環(huán)帶交替[37-38]。從核部到邊緣,An值及微量元素(Fe、Sr、Ba等)反趨勢可用來判斷斑晶斜長石反環(huán)帶的形成機(jī)制[6],指示了原始酸性巖漿與基性巖漿的混合作用[39]:An值升高與Fe濃度增加之間的關(guān)系是富硅巖漿與富鈣巖漿混合的標(biāo)志;An值增加與斑晶斜長石原位87Sr/86Sr值變化的關(guān)系是巖漿混合的確鑿證據(jù)。

(3)環(huán)斑結(jié)構(gòu)與反環(huán)斑結(jié)構(gòu)。環(huán)斑結(jié)構(gòu)多數(shù)產(chǎn)于元古宙克拉通非造山期或后造山期花崗巖中,時空上與鎂鐵質(zhì)巖石共生,具有雙峰式特點(diǎn)[40]。環(huán)斑結(jié)構(gòu)有衍生作用、出熔作用、熔蝕作用和聚合作用4種成因①;反環(huán)斑結(jié)構(gòu)是富堿巖漿在巖漿混合作用下,在巖漿房內(nèi)的壓力急劇降低或過冷卻,溫壓條件達(dá)到鉀長石結(jié)晶區(qū)域,在斑晶斜長石外部形成鉀長石膜,從而構(gòu)成反環(huán)斑結(jié)構(gòu)[41]。

(4)成分突變環(huán)帶和邊部震蕩環(huán)帶。成分較均一的斜長石在酸性巖漿中結(jié)晶后,由于外來基性巖漿的加入及巖漿混合作用,使巖漿溫度升高。當(dāng)混合巖漿的溫度不足以使原先的斑晶斜長石發(fā)生熔融,只在斑晶周圍繼續(xù)結(jié)晶時,則形成An值高的突變環(huán)帶[25](圖5)。溫度升高、壓力降低只是一方面,不同物理性質(zhì)和化學(xué)成分的巖漿發(fā)生混合作用,也可形成突變環(huán)帶,是巖漿不平衡結(jié)構(gòu)在斑晶斜長石內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的具體體現(xiàn)[42-43]。當(dāng)巖漿房內(nèi)的巖漿排出或不再得到補(bǔ)給時,由于斑晶斜長石周圍熔體的成分相對穩(wěn)定,此時斑晶斜長石的生長受動力學(xué)機(jī)制(結(jié)晶速率)及周圍熔體CaO、FeO、MgO等擴(kuò)散作用(擴(kuò)散速率)的控制,快速結(jié)晶形成細(xì)密的、An值高低變化(An值一般10左右,有時可達(dá)20)的邊部震蕩環(huán)帶(圖6)[6,44]。從核部到邊部,斑晶斜長石包含多個正-反環(huán)帶的震蕩環(huán)帶,反映了巖漿房上覆圍巖破裂后在巖漿房中心和邊緣之間巖漿發(fā)生過多次降壓-等壓結(jié)晶,或多次周期性巖漿注入或巖漿房內(nèi)發(fā)生多次強(qiáng)對流作用[45-46]。

圖5 斑晶斜長石突變環(huán)帶背散射圖像(a)以及An成分變化剖面(b)[25]Fig. 5 BSE image of plagioclase with mutational zoning(a) and the profile showing An content variation(b)[25]

(a).振蕩環(huán)帶;(b).正成分環(huán)帶;(c).輸入偏基性熔體時;(d).輸入偏酸性熔體時圖6 斜長石晶體成分環(huán)帶生長機(jī)制[44]Fig. 6 Growth mechanism of compositional zoning in plagioclase crystals[44]

3.2 韻律型環(huán)帶結(jié)構(gòu)

韻律型環(huán)帶結(jié)構(gòu)是斑晶斜長石的典型結(jié)構(gòu)。巖漿分異和結(jié)晶過程將導(dǎo)致斜長石成分向著富Na的方向演化(An值降低),而富Ca熔體的填充和巖漿中含水量的增加會推動斜長石成分向著富Ca的方向演化(An值升高)[47-48]。研究[48-50]表明:“過飽和-成核-耗盡循環(huán)機(jī)制”適合于解釋致密韻律環(huán)帶的成因,而“晶粒成核-生長-置換和溶解機(jī)制”適合于解釋稀疏韻律環(huán)帶成因。

(1)致密韻律環(huán)帶。斑晶斜長石的生長速率由熔體中斜長石組分的過飽和程度和晶體-熔體界面的溫度決定[33]。當(dāng)溫度遠(yuǎn)低于晶體固相線時,斑晶斜長石迅速成核后快速生長,而NaSi-CaAl之間的相互擴(kuò)散速率相對較慢,導(dǎo)致斑晶外部形成了一個尚未與外部熔體達(dá)到化學(xué)平衡的表面熔體層[4]。這個表面熔體層使結(jié)晶出的斑晶外部成分發(fā)生細(xì)微變化,這種不平衡結(jié)晶過程導(dǎo)致的致密韻律環(huán)帶,形成于巖漿的整體物理化學(xué)性質(zhì)未發(fā)生改變的條件下[22]。

(2)稀疏韻律環(huán)帶。稀疏韻律環(huán)帶的形成過程可能反映了結(jié)晶環(huán)境中發(fā)生的溫壓變化,如填充作用或?qū)α骰顒覽23]。巖漿填充和巖漿房中物理化學(xué)性質(zhì)的不均一導(dǎo)致了巖漿的對流,其中斑晶斜長石隨之在巖漿房中運(yùn)移并在該過程中經(jīng)歷了不同的結(jié)晶環(huán)境,接觸了不同成分的熔體,使晶出的斜長石具有周期性的稀疏韻律環(huán)帶結(jié)構(gòu)[13,22]。

李原鴻等[13]對加勒比海地區(qū)海底火山玄武巖中的斜長石斑晶進(jìn)行了礦物形態(tài)和成分分析,總結(jié)了斑晶斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)、熔蝕結(jié)構(gòu)及其韻律結(jié)構(gòu)形成和生長過程(圖7),示蹤和制約了俯沖帶海底火山巖漿從源區(qū)上升到巖漿房再到噴發(fā)的復(fù)雜過程。

(a).早期結(jié)晶晶體;(b).層間晶面熔蝕結(jié)構(gòu)的形成;(c).稀疏韻律環(huán)帶形成過程;(e).部分熔蝕層形成過程;(d)、(f).致密韻律環(huán)帶邊緣形成過程圖7 斑晶斜長石不同環(huán)帶結(jié)構(gòu)形成及生長過程示意圖[13]Fig. 7 Schematic diagrams showing the formation and growth process of the plagioclase phenocryst with different zoning textures[13]

3.3 熔蝕型環(huán)帶結(jié)構(gòu)成因

如前文所述,斑晶斜長石熔蝕型環(huán)帶結(jié)構(gòu)是在已有環(huán)帶結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)育而成的,形成熔蝕型環(huán)帶結(jié)構(gòu)的原因有:① 降壓作用。巖漿攜帶斜長石晶體迅速上升至地殼淺部,壓力突然降低,導(dǎo)致巖漿中大量的水及揮發(fā)性組分逸出,斜長石的穩(wěn)定性顯著降低,使其溶解度增加,導(dǎo)致斜長石An值發(fā)生變化且具有疏松多孔的結(jié)構(gòu),但其微量元素含量并不會發(fā)生顯著變化[15,42];② 溫度變化可能是導(dǎo)致斜長石發(fā)生部分熔融的原因,使斜長石成分和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,但不會造成微量元素含量發(fā)生變化[13,15];③ 巖漿混合作用。熔體相與礦物相之間的化學(xué)平衡被打破,導(dǎo)致礦物和熔體直接發(fā)生反應(yīng),形成部分熔蝕結(jié)構(gòu),使斜長石的An值發(fā)生顯著變化并伴隨其他微量元素含量的變化[13,51]。顯然,壓力突然降低、溫度發(fā)生改變、揮發(fā)性組分(主要是H2O)或不同成分巖漿的加入是主要因素[12-13,23,25,27,52]。今后,應(yīng)加強(qiáng)不同因素控制下斑晶斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)的巖相學(xué)及地球化學(xué)研究。

3.3.1 晶體內(nèi)部熔蝕結(jié)構(gòu)

當(dāng)巖漿系統(tǒng)處于開放狀態(tài)時,會與外部環(huán)境發(fā)生物質(zhì)和能量的交換,導(dǎo)致巖漿成分及物理化學(xué)狀態(tài)不斷發(fā)生變化,使先形成的斑晶斜長石發(fā)生熔融,直到建立新的結(jié)晶平衡[53],且新生晶體與先存晶體在成分或結(jié)構(gòu)上存在著明顯差異。每次斑晶斜長石顆粒內(nèi)部成分-結(jié)構(gòu)的變化(含突變),均暗示巖漿的物理、化學(xué)狀態(tài)發(fā)生一次改變,是反演巖漿過程的重要線索[6]。

(1)麻點(diǎn)狀、蠕蟲狀、補(bǔ)釘(片)狀結(jié)構(gòu)。以前將斑晶斜長石內(nèi)核的麻點(diǎn)狀、蠕蟲狀、補(bǔ)釘(片)狀結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為麻點(diǎn)結(jié)構(gòu)[14]。為了更好地區(qū)分斑晶斜長石核部的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建議將這3種結(jié)構(gòu)區(qū)分開來。多種機(jī)制可以導(dǎo)致這3種結(jié)構(gòu)的形成:巖漿上升過程中水不飽和或水分壓力變化導(dǎo)致的重吸收作用[6,15]、巖漿混合過程中先存斑晶斜長石熔融-重結(jié)晶作用[53]、快速生長條件下骸晶斜長石重結(jié)晶作用[54]。早先形成的斑晶斜長石在上述機(jī)制作用下,斑晶斜長石遭受熔蝕,內(nèi)部較密集地分布著近等軸狀的細(xì)小麻點(diǎn)。麻點(diǎn)的成分多數(shù)為熔體(基質(zhì)玻璃或含雛晶、微晶的玻璃或脫?；[晶[14])或結(jié)晶的細(xì)小礦物顆粒[35]。巖漿多次注入混合或混合巖漿中熔體溫壓條件及成分發(fā)生多次變化,可形成多世代的麻點(diǎn)。麻點(diǎn)進(jìn)一步擴(kuò)大,局部相鄰麻點(diǎn)相連接形成蠕蟲狀結(jié)構(gòu)?；旌蠋r漿在熔蝕早期斑晶斜長石的過程中,由于受斑晶斜長石解理方向的限制,熔蝕的部分形成補(bǔ)釘狀或補(bǔ)片狀結(jié)構(gòu)[2]。

上述3種結(jié)構(gòu),可以存在于斑晶斜長石環(huán)帶的各個晶層內(nèi),但主要以核部、幔部(尤其是內(nèi)側(cè))為主。當(dāng)核部與幔部之間存在熔蝕帶時,也可存在于熔蝕帶中。補(bǔ)釘狀內(nèi)核比麻點(diǎn)狀內(nèi)核更常見[14]。

(2)篩孔狀結(jié)構(gòu)。成分較均一的斜長石在酸性巖漿中結(jié)晶后,由于外來基性巖漿的加入并發(fā)生巖漿混合作用,使巖漿溫度升高。溫度較高的混合巖漿與早期形成的斑晶斜長石發(fā)生反應(yīng),使早期斑晶斜長石的邊部發(fā)生熔融而產(chǎn)生不平衡的熔體,這種不平衡的熔體與已經(jīng)結(jié)晶的斑晶斜長石的成分梯度差異造成了成分?jǐn)U散及物質(zhì)交換[55],進(jìn)一步進(jìn)入斑晶斜長石核部并發(fā)生部分熔融,形成篩孔狀結(jié)構(gòu)。隨后,周圍的混合熔體繼續(xù)結(jié)晶,在核部周圍形成正常的斜長石環(huán)帶,并在擴(kuò)散過程中保留篩孔狀核部[21,56]。篩孔狀結(jié)構(gòu)多數(shù)存在于斑晶斜長石核部,少數(shù)存在于幔部內(nèi)側(cè)或核部與幔部的熔蝕帶中。

3.3.2 層間晶面熔蝕結(jié)構(gòu)

如上文所述,酸性斜長石在進(jìn)入周圍溫度較高的基性巖漿后,由于溫度差異,對早期形成的斑晶斜長石外部邊緣發(fā)生部分熔融,形成不同邊緣形態(tài)的熔蝕結(jié)構(gòu),主要有港灣狀、鋸齒狀、不規(guī)則狀以及少量卵形狀[25,30-31]。

3.4 斑晶斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)形成過程

國內(nèi)外眾多學(xué)者針對不同的研究對象,探討了斑晶斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)的形成過程[6,10-13,21,25,44,57-58]。本文對不同斑晶斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)的形成過程進(jìn)行簡單歸納,主要有以下幾種情況。

(1)原始中基性巖漿或混合巖漿,在巖漿正常演化過程中,將晶出具有正常環(huán)帶結(jié)構(gòu)的斑晶斜長石。巖漿演化晚期,如果熔體的溫壓條件、揮發(fā)份、成分等發(fā)生周期性微小改變,將形成韻律環(huán)帶結(jié)構(gòu)。酸性巖漿中晶出的斑晶鉀長石,后期被斜長石包裹,將形成環(huán)斑結(jié)構(gòu)。

(2)酸性巖漿中晶出的斑晶斜長石被混合巖漿捕獲并被混合巖漿晶出的斜長石所環(huán)繞,將形成具有反環(huán)帶結(jié)構(gòu)的斑晶斜長石。巖漿噴發(fā)并導(dǎo)致巖石溫度急劇下降,斑晶斜長石外邊被堿性長石環(huán)繞,從而形成具有反環(huán)斑結(jié)構(gòu)的斑晶斜長石。

(3)酸性巖漿中晶出的第一代斑晶斜長石與中基性巖漿混合,由于溫度差異,酸性斑晶斜長石將發(fā)生部分熔融,形成層內(nèi)不同熔蝕結(jié)構(gòu)的內(nèi)核,內(nèi)核邊部經(jīng)熔蝕后呈不同的外部形態(tài)。隨著巖漿進(jìn)一步演化,晶出的第二代斜長石成為斑晶斜長石的幔部并包裹第一代斑晶斜長石內(nèi)核,幔部與核部之間由于熔蝕作用而形成不同的層間熔蝕結(jié)構(gòu)。巖漿演化晚期,晶出的第三代斜長石進(jìn)一步包裹第一代、第二代斜長石而成為斑晶斜長石的外部。如果在第一代斑晶斜長石形成后熔蝕作用不斷持續(xù),幔部與核部之間將形成不同熔蝕結(jié)構(gòu)的熔蝕帶(熔蝕層)。如果巖漿發(fā)生多次混合,上述過程將重復(fù)多次,從而形成具有多個熔蝕帶(層)、多個幔部層的復(fù)雜環(huán)帶結(jié)構(gòu)。

(4)巖漿演化晚期,巖漿的整體物理化學(xué)性質(zhì)沒有發(fā)生改變,如果熔體中斜長石組分過飽和且晶體-熔體界面處的溫度低于晶體固相線,則多數(shù)形成致密韻律環(huán)帶結(jié)構(gòu)。巖漿填充和巖漿房中物理化學(xué)性質(zhì)的不均一導(dǎo)致了巖漿發(fā)生對流,其中斑晶斜長石在巖漿房中運(yùn)移并經(jīng)歷了不同的結(jié)晶環(huán)境、接觸了不同成分的熔體,斑晶斜長石將晶出稀疏環(huán)帶結(jié)構(gòu)。巖漿演化后期,若熔體對已形成的斑晶斜長石邊部進(jìn)一步發(fā)生部分熔蝕,將形成多孔破碎邊緣結(jié)構(gòu)。

總之,斜長石復(fù)雜環(huán)帶結(jié)構(gòu)的形成過程是巖漿混合作用、巖漿演化的重要證據(jù),也是可能誘發(fā)火山噴發(fā)的重要機(jī)制之一[59]。

3.5 斑晶斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)形成過程中Sr的分布

在斜長石和硅酸鹽熔體之間,Sr和Ba的分配依賴于斜長石中的鈣含量,對壓力變化并不敏感,受溫度的影響也不大[60]。因此,分析具環(huán)帶結(jié)構(gòu)的晶體微量元素變化特征,可以重建它們生長時的熔體成分和巖漿混合作用過程的階段[37]。

由于Sr在礦物和熔體中的分配系數(shù)與An值之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,斑晶斜長石一個環(huán)帶內(nèi)的Sr同位素組成(87Sr/86Sr)與Sr濃度之間也普遍呈負(fù)相關(guān)[60],所以Sr含量在斑晶斜長石邊緣韻律環(huán)帶部分表現(xiàn)出與An值呈相反的變化趨勢[13]。研究表明,斑晶斜長石從核部到邊部,Sr同位素變化存在以下3種不同的現(xiàn)象[61]。

(1)含一定放射性的基性巖漿一次注入到中酸性巖漿中,斑晶斜長石核部發(fā)生熔蝕,87Sr/86Sr值在熔蝕處突然增高,巖漿達(dá)到平衡后(混合作用結(jié)束后),87Sr/86Sr值維持在較高水平。Mg和Fe濃度、An值的變化與87Sr/86Sr值的變化一致,而Sr濃度的變化與87Sr/86Sr值的變化相反。

(2)無放射性的基性巖漿一次注入到中酸性巖漿中,斑晶斜長石發(fā)生熔蝕,87Sr/86Sr值在熔蝕處小幅下降后急速上升。Mg、Fe和Sr濃度總體呈緩慢下降趨勢，An值呈震蕩下降趨勢。

(3)基性巖漿多次注入到中酸性巖漿中,斑晶斜長石發(fā)生多次熔蝕,87Sr/86Sr值總體緩慢上升再緩慢下降,呈正態(tài)半圓形(圖8)。Sr濃度的變化與87Sr/86Sr值的變化相反,An值呈震蕩下降趨勢，Mg和Fe濃度呈震蕩上升趨勢。

(a).含放射性基性巖漿一次注入;(b).無放射性基性巖漿一次注入;(c).基性巖漿連續(xù)多次注入圖8 基性巖漿注入到中酸性巖漿后斑晶斜長石從核部到邊部87Sr/86Sr值、Sr濃度和An值變化圖[61]Fig. 8 Changes of 87Sr/86Sr ratio, Sr concentration and An value of phenocrytic plagioclase from core to rim after the injection of basic magma into intermediate acid magma

4 斑晶斜長石環(huán)帶研究方法

目前,對斑晶斜長石環(huán)帶成因的研究過程為:在光學(xué)顯微鏡下對巖石薄片開展詳細(xì)的巖相學(xué)研究,采用陰極發(fā)光技術(shù)(CL)發(fā)現(xiàn)具有環(huán)帶結(jié)構(gòu)的斑晶斜長石。一般斑晶斜長石具有以下陰極發(fā)光特征:CL圖像顏色普遍與An值呈較好的相關(guān)關(guān)系,呈藍(lán)色或藍(lán)綠色區(qū)域的An值普遍比呈暗紅色或暗灰色區(qū)域的An值高[62]?？梢?斜長石陰極發(fā)光圖像的顏色直接反映了礦物內(nèi)在成分和結(jié)構(gòu)的變化特征,可以提供巖漿成分演化和巖漿混合的重要信息[63]。

挑選較典型的具有環(huán)帶結(jié)構(gòu)的斑晶斜長石磨制電子探針片,采用電子探針或掃描電鏡背散射圖像可獲得更清晰的環(huán)帶結(jié)構(gòu)顯微圖像。選擇斑晶斜長石環(huán)帶典型剖面,采用電子探針分析技術(shù)測定其主量元素成分并計(jì)算每一個測點(diǎn)的An值,采用激光剝蝕-電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定其微量元素成分;沿剖面線,根據(jù)測定的成分來分析主量元素、微量元素及An值的變化規(guī)律。根據(jù)研究需要,還可對斑晶斜長石開展電子探針元素面掃描分析。根據(jù)所有測試結(jié)果繪制相關(guān)圖件,并對斑晶斜長石形成的地質(zhì)背景、溫壓條件、巖漿演化歷程、巖漿混合作用等進(jìn)行判別和討論,最終得出研究結(jié)論并盡可能繪制斑晶斜長石成因模型圖。

5 結(jié)論

(1)斑晶斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)類型主要分為簡單型環(huán)帶結(jié)構(gòu)、韻律型環(huán)帶結(jié)構(gòu)和熔蝕型環(huán)帶結(jié)構(gòu)。將熔蝕型環(huán)帶結(jié)構(gòu)又分成晶體內(nèi)部熔蝕結(jié)構(gòu)和層間晶面熔蝕結(jié)構(gòu)2個亞類。為了便于對比,繪制了部分核部熔蝕結(jié)構(gòu)和核部-幔部之間的接觸界面形態(tài)素描圖。

(2)總結(jié)了斑晶斜長石不同環(huán)帶結(jié)構(gòu)的成因研究進(jìn)展。建議進(jìn)一步加強(qiáng)對斑晶斜長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)及核部、幔部和邊部特征研究,這對分析巖漿作用過程具有重要意義。

致謝：本文在成文過程中,曾與中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心已故黃光昭研究員有過多次有益的交流,謹(jǐn)以此文悼念黃光昭先生。感謝評審專家對本文提出了中肯及有益的修改建議。

注釋

① 周新民.顯微鏡下長石及共生輝石、石英礦物學(xué)及其成巖意義.戰(zhàn)略性關(guān)鍵金屬科普平臺,2021-12-21.