岩石矿物学演化过程探索范文

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作者：张贺张招崇单位：中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室

根据北塔山组火山岩的总体分布的规律，喷发旋回由下到上依次为苦橄岩、富辉橄玄岩、玄武岩、安山岩，是超基性-基性-中性的一套火山岩系列。本文所研究的富辉橄玄岩位于第一岩性段的顶部，其厚度为5～10m。富辉橄玄岩上覆第二岩性段的无斑玄武岩和辉斑玄武岩的互层，总厚度很大，是组成北塔山组的主要岩石类型。本文所研究的玄武岩是第二岩性段的辉斑玄武岩。

岩相学特征

富辉橄玄岩是一种富辉石斑晶的高镁火山岩(MgO＞12%)，呈斑状结构(图3)，斑晶为单斜辉石和少量斜长石，1～2mm的斑晶约占总量的10%～20%，＜1mm的斑晶约占总量的15%～20%;基质主要由斜长石和辉石的微晶组成，约占总量的70%，基质均呈交织结构或拉斑玄武结构，有轻微的绿泥石化;基质中分布有少量橄榄石和金属矿物。橄榄石质量分数约5%，呈半自形，近三角形或近四边形，无扭折带，粒径1mm左右。

玄武岩呈斑状结构(图2)，其斑晶颗粒比富辉橄玄岩中矿物颗粒小很多，但基质的矿物颗粒则比富辉橄玄岩大。单斜辉石和斜长石大斑晶(粒径0.3～0.7mm)约占总量的30%，小斑晶(粒径＜0.3mm)约占总量的55%，单斜辉石和斜长石质量分数比例约为6∶4;基质主要由斜长石和辉石的微晶组成，约占总量的10%;基质中见少量橄榄石小颗粒，晶体形态不规则，无扭折带，粒径0.2mm左右。金属矿物约占总量的5%，呈浑圆状。

矿物的化学成分及特征

单斜辉石和橄榄石的电子探针分析在中国地质大学(北京)地学实验中心EPMA-1600型电子探针仪上进行的，工作条件为加速电压15kV、电流1×10-8A，束斑1μm，ZAF修正法。其中氧化物质量分数的单位为wB/%，“-”代表低于检测限，阳离子的计算以6个氧原子的辉石和6个氧原子的橄榄石为基准。

1单斜辉石

富辉橄玄岩和玄武岩中的辉石均为单斜辉石，未见斜方辉石，其电子探针分析结果列于表1。富辉橄玄岩中单斜辉石表现出高Al2O3、MgO、Na2O和低CaO的特征，而玄武岩中单斜辉石则表现为高CaO和低Al2O3、MgO、Na2O。

根据Morimoto等提出的辉石分类命名方案对单斜辉石进行分类(图4)，富辉橄玄岩中的单斜辉石除一个点落在顽火透辉石区，其它均为普通辉石和次钙普通辉石;玄武岩中的单斜辉石除一个点落在顽火透辉石区，其它均为透辉石。根据其化学成分特征，本文将富辉橄玄岩中单斜辉石称为高MgO辉石，玄武岩中单斜辉石称为高CaO辉石。

2橄榄石

橄榄石主要呈斑晶产出，部分橄榄石斑晶从中心到边缘的多个探针点，未发现明显的环带现象，分析讨论主要用橄榄石核部数据(表2)。分析结果表明，玄武岩中的橄榄石比富辉橄玄岩相对富MgO，前者橄榄石Fo质量分数为85.4%～88.0%，而后者为79.2%～82.0%。但所有橄榄石的CaO质量分数均较低，为0.01%～0.21%。

讨论

1单斜辉石结晶条件

在应用地质温压计时，不论是矿物-矿物温压计，还是矿物-熔体温压计，都要注意反应是否平衡的问题，因为地质温压计是建立在平衡反应的基础上的，如果反应不平衡，则计算结果可能与真实值之间产生较大的偏差。单斜辉石形成时是否与熔体平衡是一个关键的问题。Irving等和Li-otard等认为，当KdFe-MgCpx-melt在0.2～0.4之间时，单斜辉石和熔体之间是平衡的。对富辉橄玄岩和玄武岩的单斜辉石-熔体的平衡常数计算结果表明，大部分单斜辉石-熔体平衡常数在0.2～0.4之间，这说明大部分单斜辉石形成时是与熔体平衡的。本文应用Putirka的单斜辉石-熔体平衡温压计计算单斜辉石的形成温度和压力。单斜辉石数据采用本文数据，全岩数据采用Zhangetal.的全岩数据。计算得到单斜辉石-熔体平衡温度和压力结果列于表3，并按108Pa=3.3km估算了单斜辉石的形成深度。除去平衡常数过高或过388低的数据，富辉橄玄岩中单斜辉石(1-1-1到1-3-4)的温度范围是1343～1457℃，压力范围是(8.4～15.6)×108Pa，深度范围是28～51km;玄武岩中单斜辉石(4-2-1到4-2-5)的温度范围是1158～1183℃，压力范围是(9.8～12.6)×108Pa，深度范围是32～42km。

2橄榄石的结晶温度

计算得到橄榄石-熔体之间的Fe-Mg平衡常数KdFe-MgOl-melt在0.30～0.37之间，大部分在0.30～0.34的平衡范围内，因此大部分橄榄石-熔体反应是平衡的。本文应用夏林圻的橄榄石地质温度计，计算得到的橄榄石结晶温度列于表4。公式为T=［11.253–ln(K1/K2)］×104/66.388。K1=Fo/Fa，K2=Mg2+/Fe2+，Fo、Fa、Mg2+、Fe2+均是橄榄石以四个氧原子为基准计算得到的。除去平衡常数过高的数据，富辉橄玄岩中橄榄石(1-1-4到1-3-11)的结晶温度为1372～1384℃，玄武岩中橄榄石(3-1-1到4-4-2)的结晶温度为1295～1320℃。

3单斜辉石的形成条件

玄武岩中单斜辉石的Al2O3质量分数范围是1.35%～5.58%，属于玄武岩单斜辉石的正常范围(1%～5%)。而富辉橄玄岩中单斜辉石的Al2O3质量分数异常高，除一个点为2.37%，其它均高于5%，最高达11.23%。单斜辉石的Al2O3的质量分数与压力的大小关系较为密切，Kushi-ro与Thompson的研究表明，在高压条件下，Al易于以AlVI成Ca质契尔马克分子进入单斜辉石中，在低压条件下，Al易于以AlIV代替Si进入斜长石。作出AlVI-P(压力)图解(图5)，富辉橄玄岩和玄武岩中单斜辉石中AlVI质量分数均与结晶压力呈正相关，说明压力确实是影响单斜辉石Al2O3质量分数的主要因素。

单斜辉石作为玄武质岩浆的产物，有2种情况可能造成高Al2O3:①深部结晶的高压单斜辉石巨晶;②喷出地表过冷却结晶的单斜辉石微晶。对于单斜辉石巨晶，由于高压造成这种高Al2O3质量分数的现象称为“Thompson效应”。

而对单斜辉石微晶而言，导致高Al2O3的原因是快速淬火造成的“假高压效应”。显然富辉橄玄岩中单斜辉石斑晶的高Al2O3不属于第二种单斜辉石微晶的情况，结合富辉橄玄岩较高的结晶温度和压力(1343～1457℃，8.4×108Pa～15.6×108Pa)以及富TiO2贫CaO的特点，认为富辉橄玄岩中的高Al2O3单斜辉石来源于深部，但这些单斜辉石的粒径(＜2mm)达不到巨晶的程度，对这一问题的解释有2种可能:一是单斜辉石巨晶在岩浆上升过程中，随着压力减小温度降低而发生破碎;二是岩浆在深部滞留时间较短，未能形成巨晶就随岩浆一同上升。在镜下观察单斜辉石晶体具有较完整的晶型，没有明显的破碎现象，说明富辉橄玄岩中的单斜辉石可能属于第二种情况，而且短期、快速的岩浆上升与富辉橄玄岩较薄的厚度也是相符合的。

单斜辉石的Na2O质量分数变化范围很大，在0.1%～2.07%之间。Deer等综合前人数据认为碱性系列玄武岩中单斜辉石斑晶Na2O质量分数平均为0.55%，拉斑玄武岩中单斜辉石斑晶Na2O质量分数平均为0.35%。本文玄武岩中单斜辉石的Na2O质量分数属于平均水平，而富辉橄玄岩中单斜辉石Na2O质量分数均高于平均水平。有些学者认为单斜辉石高Na2O是因为经历了多期交代作用，也有人认为高压是造成单斜辉石高Na2O的原因。在Na2O-P(压力)的图解(图6)中可以发现，单斜辉石的Na2O质量分数与压力呈良好的正相关，富辉橄玄岩中单斜辉石的高Na2O可能与其高压的形成环境有关。但是由于没有单斜辉石高Na2O质量分数与压力相关性的独立实验或岩石物理化学证据，所以并不能排除与压力有函数关系的其它参数或岩浆成分对Na2O质量分数的影响。玄武岩中单斜辉石属于典型玄武岩中单斜辉石斑晶(透辉石)，结合玄武岩中单斜辉石较低的结晶温度和压力(1158～1183℃，9.8×108～12.6×108Pa)，认为玄武岩中单斜辉石是在浅部岩浆房中的结晶产物。

4橄榄石的形成条件

Ca是橄榄石中一种比较重要的元素。一般认为CaO的质量分数可以作为判断橄榄石是斑晶还是捕虏晶的依据，火山岩橄榄石斑晶CaO质量分数一般在0.1%以上，而地幔橄榄岩中橄榄石的CaO质量分数一般在0.1%以下。本文所研究的橄榄石的CaO质量分数范围是0.01%～0.21%。橄榄石电子探针分析结果(表3)显示，大部分橄榄石的CaO质量分数在0.1%以下，在23个样品中有12个样品的CaO低于检测限。橄榄石的CaO在电子探针分析所取得数据的精度不足，用质子探针分析取得的数据才能满足对Ca的精度要求。因此并不能简单的以CaO质量分数来判断橄榄石来源。

富辉橄玄岩和玄武岩中的橄榄石的结晶温度相差不大，从表4中可见，橄榄石的结晶温度在1295～1392℃之间，富辉橄玄岩中橄榄石的形成温度略高于玄武岩中的，但温差在100℃以内，二者均处于典型玄武岩橄榄石斑晶的结晶温度范围;镜下观察显示，橄榄石颗粒较小(均＜1mm)，不存在扭折带，且其形态为三角形、四边形和不规则形;部分橄榄石从边缘到核心的一系列探针数据并不存在明显差异。根据以上三点依据，判断橄榄石是斑晶，而非捕虏晶。在超基性-基性岩石的研究中，常以橄榄石的富镁程度来推测岩石的基性程度。然而本文出现橄榄石w(Fo)大小与岩石基性程度相反的情况，富辉橄玄岩中w(Fo)为79.2%～82.0%，玄武岩中w(Fo)为85.4%～88.0%，富辉橄玄岩MgO质量分数为15.74%，玄武岩MgO质量分数为9.53%。前人曾对橄榄石-熔体的Fe-Mg分配做过深入的研究。这些研究表明在玄武质岩浆体系中，压力对Kd的影响很小，Kd受温度、SiO2活度的综合影响，SiO2活度可以由SiO2/Al2O3定性的表示。在同等条件下，Kd与温度正相关，与a(SiO2)正相关。因此，相同MgO质量分数的熔体中，Fo与温度负相关，与SiO2活度负相关。而在相同温度和SiO2活度条件下，熔体MgO质量分数越高，橄榄石Fo越高。而在岩浆结晶过程中，温度、SiO2活度和熔体MgO质量分数都是动态变化的，各种因素可能叠加或抵消，因此岩石的基性程度与橄榄石的Fo并非简单的正相关关系。

5岩浆的演化过程

5.1与橄榄石平衡的熔体

根据张招崇等［38］的研究，可以用橄榄石-熔体平衡计算出与橄榄石斑晶相平衡的早期岩浆成分。因为在橄榄石结晶之前，原始岩浆可能已经发生了演化(见后文讨论)，计算得到的熔体成分暂且不称之为原始岩浆，而称之为早期岩浆。计算得到的早期岩浆成分和计算所选取的代表性全岩成分列于表5。

5.2矿物结晶顺序

前人曾通过实验岩石学方法对玄武质岩浆的成岩过程进行过研究［39-46］。实验岩石学证据表明，玄武质岩浆的主要成分(SiO2、Al2O3、TFeO、MgO、CaO)的变化对岩浆演化的影响很大。例如在周珣若等的实验研究中，高镁玄武质岩浆随着SiO2质量分数的上升，首先结晶的矿物从橄榄石变为单斜辉石;高铝玄武质岩浆首先结晶的矿物为斜长石。因此在研究岩浆演化过程时，不能只根据物理化学条件(温度、压力、氧逸度等)代入某个实验岩石学模型，还要考虑到岩浆成分的影响。前文根据橄榄石-熔体平衡计算出了与橄榄石斑晶相平衡的2种岩石的早期岩浆成分。随着岩浆的演化，橄榄石的Fo逐渐降低，计算过程中所选取的橄榄石是Fo最高的橄榄石，这就保证了计算得到的熔体成分更接近橄榄石最早结晶时的熔体成分。以下对富辉橄玄岩和玄武岩的橄榄石和辉石的结晶过程进行详细的讨论。

富辉橄玄岩中橄榄石Fo最高为82，与之相平衡的熔体MgO质量分数为8.15%，而其全岩MgO质量分数为15.74%。如果与橄榄石平衡的熔体是原始岩浆，那么富辉橄玄岩的原始岩浆在橄榄石结晶后必然加入了另外的富MgO物质，否则全岩成分不可能比原始岩浆更富MgO。富辉橄玄岩加入的富MgO组分有2种推测:一是下部更基性的岩浆;二是上一期岩浆结晶分异的富MgO矿物。北塔山组火山岩由下而上依次为苦橄岩、富辉橄玄岩、玄武岩、安山岩，是超基性-基性-中性的一套火山岩系列，然而由于这些火山岩是溢流相，最下层的苦橄岩是最早喷发成岩的，依次类推。因此这一套火山岩系列对应的岩浆系列从早到晚是超基性-基性-中性，富辉橄玄岩下部不可能有更基性的岩浆，排除第一种推测。富辉橄玄岩中橄榄石与先期形成的苦橄岩中橄榄石成分非常相近，从这一点来看，苦橄岩中橄榄石加入富辉橄玄岩可以解释MgO质量分数8.15%的原始岩浆形成MgO质量分数15.74%的富辉橄玄岩。然而由于富辉橄玄岩和玄武岩两种岩石中橄榄石和单斜辉石截然不同的成分，说明富辉橄玄岩的原始岩浆结晶的矿物没有参与玄武岩的成岩过程，玄武岩所代表的演化岩浆全部来源于原始岩浆结晶分异后所剩余的熔体相。也就是说，以MgO质量分数8.15%的熔体演化出MgO质量分数13.07%的熔体(与玄武岩中橄榄石平衡的熔体)，这显然是无法实现的，这样一来，第二种推测也无法成立。依据以上推理，与富辉橄玄岩中橄榄石平衡的熔体不是原始岩浆，富辉橄玄岩的原始岩浆在形成橄榄石之前发生了演化。

根据富辉橄玄岩中单斜辉石的结晶温压(1343～1457℃，8.4×108～15.6×108Pa)和橄榄石温度范围(1372～1384℃)，推测富辉橄玄岩在橄榄石结晶之前，已有大量单斜辉石结晶。大量单斜辉石的结晶使原始岩浆发生演化，熔体的MgO降低(8.15%)，2种岩石SiO2/Al2O3比较接近(3.5和3.3)，较高的温度和较低的熔体MgO质量分数造成了富辉橄玄岩中橄榄石的Fo较低(＜82%)。前文提到苦橄岩结晶分异的橄榄石可能加入了富辉橄玄岩体系，在全岩成分确定的前提下，属于苦橄岩体系的橄榄石的加入必然会导致原始岩浆MgO质量分数的计算值以富辉橄玄岩全岩的MgO质量分数(15.74%)为基础降低，而原始岩浆的MgO质量分数不能低于演化岩浆的MgO质量分数(13.07%)，因此即使苦橄岩体系的橄榄石对富辉橄玄岩成岩有贡献，也不可能太多。作为大体上独立的体系，富辉橄玄岩可以代表原始岩浆的成分。

玄武岩中橄榄石Fo最高为88，与之相平衡的熔体MgO质量分数为13.07%，其全岩成分MgO质量分数为9.53%。玄武岩全岩成分比与橄榄石平衡的熔体贫MgO，玄武岩在橄榄石结晶后失去了富MgO组分。玄武岩的早期岩浆成分相当于原始岩浆在形成富辉橄玄岩后的演化岩浆，由于富辉橄玄岩消耗原始岩浆较少(富辉橄玄岩厚度较小)，原始岩浆发生演化的程度较低(MgO质量分数由15.74%演化为13.07%)。由于矿物成分的明显差异，可知富辉橄玄岩体系中的矿物并未参与玄武岩的成岩过程，玄武岩的矿物来源于演化岩浆，在橄榄石结晶后，玄武岩体系失去的富MgO组分是演化岩浆分离结晶的橄榄石。根据质量平衡原理计算玄武岩分离结晶了约10%Fo为88.0的橄榄石。

根据玄武岩中单斜辉石的结晶温压(1158～1183℃，9.8×108～12.6×108Pa)，橄榄石温度范围(1295～1320℃)，判断玄武岩中橄榄石优先于辉石晶出。玄武岩是演化岩浆的产物，与玄武岩中橄榄石平衡的熔体成分代表了演化岩浆的成分。

5.3PELE岩浆演化模拟

PELE是AlanE.Boudreau根据Ghiorso和Sack的模型和数据库设计的岩浆结晶模拟软件。本文对两种岩石进行了岩浆演化模拟。由于本文重点在于橄榄石和辉石，模拟过程未涉及斜长石等其它矿物的结晶。单斜辉石(En)相当于富辉橄玄岩中的高MgO单斜辉石，单斜辉石(Di)相当于玄武岩中的高CaO单斜辉石。

在前文讨论中，富辉橄玄岩中的富MgO单斜辉石可能早于橄榄石结晶。岩浆结晶模拟之前分别得到两种岩石中橄榄石和辉石的液相亲和度相等且为0的压力，划分出橄榄石和单斜辉石(En)首先结晶的区间。改变初始压力p，利用“FindLiquidusT”选项计算液相线温度和矿物的液相亲和度(LiquidusAffinity，后文简称为LA)。压力为11.2×108Pa时，富辉橄玄岩的液相线温度是1530℃，橄榄石和单斜辉石(En)的LA为0。压力大于11.2×108Pa时，橄榄石的LA大于单斜辉石(En);压力小于11.2×108Pa时，橄榄石的LA小于单斜辉石(En)。压力为15.1×108Pa时，玄武岩的液相线温度是1510℃，橄榄石和单斜辉石(En)的LA为0。压力大于15.1×108Pa时，橄榄石的LA大于单斜辉石(En);压力小于15.1×108Pa时，橄榄石的LA小于单斜辉石(En)。富辉橄玄岩中橄榄石的首晶区低于11.2×108Pa，单斜辉石(En)的首晶区高于11.2×108Pa。玄武岩中橄榄石的首晶区低于15.1×108Pa，单斜辉石(En)的首晶区高于15.1×108Pa。在玄武岩的初始岩浆成分条件下，没有找到单斜辉石(Di)的LA为0的温度和压力，也就是说玄武岩的初始岩浆成分不能结晶出单斜辉石(Di)。然而这只是在初始成分条件下液相线附近的首晶区，随着岩浆成分的演化和物理化学条件的变化，矿物的LA和首晶区也随之动态变化。

以富辉橄玄岩的全岩成分(即原始岩浆的成分)作为初始岩浆的成分，设置初始状态为1450℃和15.6×108Pa，终止状态为1350℃和8.4×108Pa，进行等容降温降压，模拟过程如下:(15.6～12.7)×108Pa:在单斜辉石(En)的首晶区，单斜辉石的LA为0，橄榄石的LA从1000开始逐渐减小。该阶段结晶了大量的单斜辉石(En)。(12.7～8.4)×108Pa:由于岩浆成分发生演化，橄榄石和单斜辉石(En)的首晶区界限从11.2×108Pa移动到12.7×108Pa。12.7×108Pa时，橄榄石和单斜辉石(En)的LA相等且为0，之后二者与熔体保持动态平衡，其LA保持为0一直到8.4×108Pa。在这一阶段同时结晶Fo小于82的橄榄石和单斜辉石(En)。

以与玄武岩中橄榄石平衡的熔体成分(即演化岩浆的成分)作为初始岩浆的成分，设置初始状态为1350℃和12.6×108Pa，终止状态为1150℃和9.8×108Pa，进行等容降温降压，模拟过程如下:(12.6～10.6)×108Pa:橄榄石的LA为0，单斜辉石(En)的LA为正，且不断增大。该阶段主要的结晶矿物是Fo在87左右的橄榄石。与此同时，单斜辉石(Di)的LA从5900逐渐下降至0。(10.6～9.8)×108Pa:橄榄石和单斜辉石(Di)的LA相等且为0，单斜辉石(Di)大量结晶，橄榄石结晶较少。

以上岩浆结晶模拟的结果与矿物结晶顺序的讨论(4.5.2)非常吻合。所以笔者对岩浆演化过程进行如下解释:来源于上地幔拉斑玄武系列的原始岩浆(MgO质量分数15.74%)在上升至40～50km后，物理化学条件的改变导致高MgO单斜辉石大量结晶，并伴随快速上升的岩浆进入岩浆房;由于先前高MgO单斜辉石的大量结晶，富辉橄玄岩体系的熔体成分发生变化，MgO质量分数降低(MgO质量分数8.15%)，在岩浆房中结晶了Fo为79.2～82.0的橄榄石和少量的斜长石斑晶;最终喷出地表形成了富辉橄玄岩。由于富辉橄玄岩中矿物成分具有连续变化的特点，结合富辉橄玄岩较小的厚度，富辉橄玄岩成岩反映的是少量岩浆自深部短期内快速上升的阶段。

原始岩浆在形成富辉橄玄岩后，形成了轻度演化的岩浆(MgO质量分数13.07%)。演化岩浆相对于原始岩浆富Al2O3和全碱、轻微贫MgO，富辉橄玄岩相对玄武岩较小的厚度符合这种轻度演化的特点。玄武岩成岩阶段，橄榄石作为首晶矿物优先从轻度演化的岩浆中结晶，其Fo为85.4～88.0;之后在岩浆房先后结晶了橄榄石、高CaO单斜辉石、斜长石斑晶;最终喷出地表形成了玄武岩。由于玄武岩中矿物成分集中的特征，结合玄武岩较大的厚度，玄武岩成岩反映的是大量岩浆在岩浆房滞留-分离结晶-溢流喷发的阶段。

结论

(1)富辉橄玄岩代表了原始岩浆的成分，玄武岩是演化岩浆的产物。

(2)富辉橄玄岩中高压单斜辉石早于橄榄石结晶，其结晶深度较深(40～50km)，其深度限定了岩浆源的深度大于50km。

(3)玄武岩形成深度较浅(30～40km)，其中的单斜辉石都是低压单斜辉石，结晶晚于橄榄石。

(4)两种岩石的橄榄石都是在30～40km的岩浆房结晶。