西湾型埃达克岩的成因

该类埃达克岩最早是在赣东北报道的(李武显和李献华,2003),国外还很少有类似的报道。 据王一先和包志伟(1999)、李武显和李献华(2003)的研究,赣东北西湾蛇绿混杂岩由超基性-基性岩、变质火山岩和硅质岩组成,以地幔橄榄岩出露面积最大。 二辉岩纤闪石化强烈,辉长岩和辉绿岩规模较小。西湾地幔橄榄岩出露约0.73 km,主要由强烈蛇纹石化的方辉橄榄岩和纯橄岩组成,岩石普遍变形呈构造透镜体状。岩块中局部发育高压变质岩石,含蓝闪石(和/或青铝闪石)、硬柱石和硬玉,表明该蛇绿混杂岩在形成之后经历了高压变质作用(P=1.2 GPa,T=300℃～400℃)(周国庆,1997)。 西湾斜长花岗岩呈团块状分布,出露面积很小,已发现的10余个花岗质岩块呈构造透镜体被包裹在超基性岩块中,大小从一米到几十米不等。花岗岩具糜棱结构,主要由石英、钠长石和角闪石组成,有少量锆石、磷灰石和铁钛氧化物以及少量残留变质的硬玉、硬柱石和蓝闪石(或青铝闪石)等。

在内蒙古图林凯蛇绿岩中也发现了类似的现象(刘敦一等,2003;简平等,2003),埃达克岩包括呈透镜状和岩墙状产于变质橄榄岩中的石英闪长岩和斜长岩,呈团块或脉状产于辉长辉绿岩中的奥长花岗岩以及产于斜长角闪岩(原岩为辉长岩)中的斜长花岗岩。花岗岩体积很小,最大的不超过十几平方米。

上述岩石与Coleman and Peterman(1975)所定义的大洋斜长花岗岩类似。 早先认为,大洋斜长花岗岩是在板块增生带(扩张的洋脊处)由辉长岩在很浅的深度(2～5 km)和含水条件下部分熔融形成的,是蛇绿岩组成的一部分(Coleman and Peterman, 1975; Coleman, 1977; Gerlach et al., 1981;张旗等,1992,2006c;张旗和周国庆,2001)。 随着研究的深入,发现了产于不同洋壳阶段的斜长花岗岩,李武显和李献华(2003)将其归纳为4种类型。上述作者认为,西湾属于俯冲型斜长花岗岩,是年青的(热的)、细碧岩化的洋壳俯冲到一定深度(通常>60 km)在角闪石发生脱水之前洋壳发生小比例的部分熔融形成的,岩浆上侵到上覆的蛇纹石化地幔橄榄岩中并与之发生小比例的混合/混染、结晶。这种形成过程类似于现代环太平洋地区的埃达克岩,不同的是它在地幔橄榄岩中结晶而没有喷出地表。之后,随地幔橄榄岩一起仰冲就位在大陆边缘的陆壳之上(李武显和李献华,2003,2004)。

上述斜长花岗岩的野外产出不同于常见的埃达克岩。按照其在西湾和图林凯蛇绿岩中产出的情况,大致有以下几个共同特点:①斜长花岗岩与蛇绿岩伴生,可产于地幔橄榄岩中、辉长岩和辉绿岩中或变质的斜长角闪岩中(斜长角闪岩为蛇绿岩的成员,刘敦一等,2003;简平等,2003);②斜长花岗岩分布极少,规模极小,多呈脉状、岩墙状、囊状和透镜状产出,脉岩和岩墙的宽度从小于一米至几米,囊状和透镜状的规模仅几平方米或十几平方米,很少能达到几十平方米的;③斜长花岗岩往往与蓝片岩相高压变质作用伴生,斜长花岗岩本身也经历了变质作用(糜棱岩或片岩)。

根据上述特征,我们推测,该类埃达克岩可能产于俯冲大洋岩石圈的深部,而且,没有经过较长距离的迁移,是具有初始特征的埃达克岩。如图2.5所示,当板块俯冲到深部,随着深度的增加,大洋岩石圈(包括洋壳部分的沉积层、玄武岩、辉长岩以及地幔橄榄岩)将依次经历蓝片岩相、角闪岩相和榴辉岩相变质作用。 当达到角闪岩相和榴辉岩相过渡带时,如果有足够的热或有水的参与,玄武质洋壳在角闪石脱水熔融的情况下将产生具高Sr低Yb特征的(埃达克质)熔体(图2.5A)。根据实验研究,角闪岩相-榴辉岩相过渡带是形成埃达克岩的最佳位置,角闪石脱水熔融是埃达克岩最可能的形成方式,其深度大约在50km左右(熊小林等,2005)。野外观察和资料的统计表明,绝大多数蛇绿岩仅与蓝片岩相变质作用相伴,很少与榴辉岩相伴(张旗和周国庆,2001),也说明俯冲的大洋岩石圈如果要折返回来,俯冲的深度会受到一定的限制。如果俯冲的深度很深,蛇绿岩完全变为榴辉岩,将丧失折返回地表的机制。野外观察表明,地幔橄榄岩部分熔融形成的玄武质熔体常常有一些没有从橄榄岩中逸出,而是呈团块状被包裹在地幔橄榄岩中(图2.5B),这部分被地幔岩包裹的基性岩体(主要为辉长岩,部分可以有辉石岩,蚀变后往往变为异剥钙榴岩,张旗等,1992;张旗和周国庆,2001),在角闪岩相和榴辉岩相过渡条件下同样可以发生角闪石的脱水熔融,形成具有埃达克质成分的岩浆(图2.5B中的熔体A)。熔体A可能很难从橄榄岩中逸出,而被保留在其形成的位置上,或仅发生过距离很小的位移(熔体B)。在这种情况下,熔体可能没有经历明显的分异作用,因此特别富钠和具较高的Mg^#值,大体上保持了初始熔融的特征(熔体A和B)。 上述模式和斜长花岗岩的地球化学特征表明,该类斜长花岗岩很可能就是俯冲板片在角闪岩相-榴辉岩相条件下发生部分熔融形成的初始成分的埃达克质熔体。在上述过程中,大部分板片熔融的熔体将穿过地幔上升,其间不可避免的会与上覆地幔楔发生物质交换作用,形成富镁的埃达克岩,在这个过程中,随着岩浆的演化,Na降低了(与初始富钠的熔体比较),形成阿留申型埃达克岩(熔体C)。在随后的碰撞过程中,大洋岩石圈折返至地表,形成蛇绿岩,具有初始熔体特征的规模极小的西湾型埃达克岩(熔体A和B)被保存在蛇绿岩中(图2.5C,如图林凯蛇绿岩中的埃达克岩,刘敦一等,2003;简平等,2003);而阿留申型埃达克岩(熔体C)则位于岛弧地体中(图2.5D,如图林凯北部的白音宝力道埃达克岩,石玉若等,2005)。

图2.5 示意的西湾型埃达克岩和阿留申型埃达克岩形成模式图

在未达到榴辉岩相以前,板块俯冲大体上是一个被动过程,由地幔对流推动。 当达到榴辉岩相以后,不论其是否熔融形成了埃达克质熔体(但是,脱水是必须的过程,水进入地幔楔,将促使地幔楔发生部分熔融形成岛弧类型的岩浆岩),由于榴辉岩密度大而产生了一个向下的重力,板块将断离(撕裂)而拆沉进入地幔深部(沿图2.5A的深蓝和浅蓝色板片部分)。 因此,蛇绿岩很少与榴辉岩伴生,是有其动力学原因的。

熊小林等(2003)通过玄武岩部分熔融实验和比较全球新生代埃达克岩组成后发现,全球新生代埃达克岩的Na₂O含量低于5.8%,大约95%的埃达克岩样品Na₂O含量小于5.0%。然而,在埃达克岩产生的压力范围(1.5～3.0 GPa)实验的玄武岩部分熔体绝大部分Na₂O含量超过5.0%,最高达9.0%。 熊小林等(2003)称这种现象为埃达克岩的“Na亏损”现象,认为可能是岩浆上升与地幔和地壳发生相互作用的结果。 据Kepezhinskas et al. (1995)报道,在Kamchatka弧地幔捕虏体中有奥长花岗岩细脉产出,他们解释这种体积和数量极少的熔体可能不易穿过岩石圈而以细脉的形式被保存在地幔中(本书作者注:可能相当于西湾型埃达克岩)。 因此,熊小林等(2003)认为,并非所有的埃达克质岩浆都已侵位到浅部或喷发到地表,可能有一部分被保存在俯冲的大洋岩石圈中或地幔楔中(图2.5B)。 在随后的碰撞过程中,这些俯冲到深部的大洋岩石圈又被某种机制挤出到地表(图2.5C)。

实验研究表明,饱和水或角闪石脱水熔融可以产生埃达克质熔体(Castillo, 2006及其所附的参考文献)。 熊小林等(2005)的实验表明,只有当残留相含石榴石和金红石时,熔体相才具有埃达克岩的特征(见本书第3章)。鉴于玄武岩部分熔融过程中金红石1.5 GPa稳定压力下限,确定埃达克熔体产生在大约50km左右。

如果上述模式成立,给我们的启示是:

(1)西湾型埃达克岩强烈富钠,与初始熔融的实验资料一致,表明西湾型埃达克岩可能是板片熔融的初始熔体,阿留申型埃达克岩可能是西湾型埃达克岩演化来的,在演化的过程中经历了Na亏损作用。

(2)西湾型埃达克岩形成于角闪岩相-榴辉岩相的过渡带,实验研究表明,板片熔融的压力>1.5 GPa,暗示埃达克岩形成的深度可能在50km左右。在西湾地区,与西湾型埃达克岩伴生的高压变质岩是蓝片岩(硬柱石、青铝闪石、硬玉),变质的温压条件在300℃～350℃和1.2 GPa(周国庆,1997),约相当于40 km深度。考虑到西湾型埃达克岩有一段迁移的距离,结合新近的实验资料(例如熊小林等,2005;Xiong XL et al.,2006,2007),估计40 ～50km的深度范围内可能是比较合适的。早先Defant andDrummond (1990)推测的75～90 km深度(相应的压力在2.3～2.7 GPa)可能太深了,已经大大超出了实验所需要的压力。考虑到板块俯冲带是一个应力集中带,而实验得出的50km指的是静水压力,如果加上俯冲带的构造附加力(吕古贤等,2004),视构造附加力的大小,实际深度可能在40 km左右浮动(大约相当于蓝片岩相-角闪岩相之间的压力和深度)。板片俯冲如果太深则很难折返回来,这是一个不容忽视的问题。

(3)西湾型埃达克岩的时代推测可能接近或略早于蛇绿岩侵位的时代,至少不会比蛇绿岩侵位的时代早很多。 因为,带有熔体的俯冲板片如果不立即折返,将继续向下俯冲,一旦达到榴辉岩相阶段,由于密度增加,将由被动(向下)俯冲变为主动(向下)俯冲,将快速进入地幔循环圈。

(4)在洋盆扩张脊处形成的斜长花岗岩作为蛇绿岩的一员,通常是贫Sr富Yb的,具明显的负铕异常,其特征类似于南岭型花岗岩(见本书第4章),代表的是初生洋壳形成的时代。西湾型花岗岩也是斜长花岗岩,也与蛇绿岩相伴,却具有埃达克岩的特征,形成于板块消减带。 因此,蛇绿岩中的斜长花岗岩不止一类(见本书第4章),我们应当注意区分它们的成分和成因,因为它们分别具有不同的意义。

(5)西湾型埃达克岩对板块动力学的启示。俯冲的板片如何拆沉?板片如何折返?在什么条件下拆沉和折返?大陆能否深俯冲?是人们感兴趣的课题。西湾型埃达克岩的发现告诉我们:板片熔融可能与角闪岩相向榴辉岩相转变过程中的脱水作用有关,脱水熔融后的干的榴辉岩板片由于密度明显加大(由于有密度低的中酸性熔体移出)而产生一个向下的拉力,而角闪岩相板片由于密度低有一个向上的浮力,于是很可能在角闪岩相和榴辉岩相的板片之间出现断裂或撕裂。大洋岩石圈一旦被撕裂,榴辉岩由于卸载了向上的浮力而迅速下沉,而角闪岩相的板片由于失去了向下的动力将产生一个瞬间的反弹力,或许正是由于这个浮力使俯冲的板片迅速折返到地表。这个过程可能相当复杂,需要实验研究予以检验。