第17卷 第1期 世 界 地 质 1998年3月 中国地幔岩包体的研究现状及今后研究对策探讨倪志耀刘援朝(北京大学地质学系,北京100871)(成都理工大学地质学系,成都610059)摘要 在系统回顾地幔岩包体的研究简史及研究现状的基础上,对我国地幔岩包体今后的研究对策进行了探讨。
认为我国地幔岩包体今后的研究工作应重视地幔岩包体形成演化过程中压力(p)、温度(T)、环境(E)和时代(t)的综合制约作用,定量模拟地幔岩包体的形成过程,最终建立地幔岩包体形成演化的p T E t模式。
关键词 地幔岩包体 p T E t模式 深部地质作用0 前 言地幔岩包体是由岩浆作用携带到地表的上地幔物质,是人们能够直接观察到的一种上地幔样品。
通过对地幔岩包体的系统岩石学研究,并结合地球化学、地球物理、矿物物理、岩石物理化学及高温高压实验等研究成果,能够限定上地幔(软流圈)的物质组成(矿物、岩石及地球化学特征)、结构构造(岩石学结构)、物理化学状态(温度、压力及氧逸度)、物质运动信息(流变学和动力学特征)、上地幔在空间上的不均匀性及随时间演化发生在上地幔中的深部地质作用(地幔对流、相转变、交代作用、壳幔混合作用、岩浆的产生和地幔岩变质变形等),并进而为探索和解决全球构造及地质学中的某些基本问题、矿产资源及能源的寻找、减轻地质灾害和改善地质环境提供重要的科学依据。
1 研究简史及现状分析自W agner提出金伯利岩中的超镁铁岩包体是上地幔岩石的样品[1]及Ro ss等推论碱性玄武岩中的超镁铁岩包体是上地幔的衍生产物[2]以来,特别是60年代末板块构造学说的问世,使得人们对地幔的组成、结构、相转变、地幔动力学及壳幔相互作用等各种发生于地幔之中的深部地质作用产生了浓厚的兴趣,进而从岩石学、地球化学、同位素地质学及高温高压实验等多种领域对地幔岩包体进行了较为系统的研究。
在此期间,B ailey根据某些地幔岩包体中存在的与地幔主要矿物处于平衡状态的含水矿物,如金云母和角闪石等,首次提出了地幔交代作用的概念[3]。
R ingw ood在提出“地幔岩”术语[4]的基础上,根据实验岩石学的最新成果,结合地质、地球物理等方面的证据,系统地阐明了地幔的化学成分、矿物组成和结构特征,并探讨了地幔的演化与动力学问题[5]。
其他研究人员,如Chen[6]、H arris等[7]和第一作者简介 倪志耀 男 33岁 副教授 岩石学专业收稿日期 19971014Jagou tz等[8],也从岩石学和地球化学角度提出了各自的地幔成分模型,暗示了地幔化学成分(主要元素、微量元素及同位素组成等)的非均一性。
可以这样认为,地幔化学成分非均一性的发现和地幔交代作用的证实是70年代地幔岩包体研究的重大进展。
进入80年代,由于国际岩石圈计划的具体实施,地幔岩包体研究作为一项重要的研究课题得到了进一步的深入研究。
研究成果及研究文章层出不穷,新理论、新方法及新技术不断涌现。
在我国,有关地幔岩包体的研究工作起步较晚,80年代初才开始对中国东部新生代玄武岩中的地幔岩包体进行系统研究。
然而,通过我国地质工作人员的艰苦努力,已取得了令人瞩目的研究成果。
80年代是地幔岩包体研究发展最快的10年,研究成果主要体现在地幔岩包体的矿物学、岩石学、地球化学及同位素地质学的系统研究上,及由地幔岩包体的上述特征反演上地幔的成分和结构、物理和化学性质的非均一性,上地幔的部分熔融、交代作用和相转变,上地幔的流变学特征和热状态等。
国际岩石圈计划在90年代开始实施第三个五年计划,其研究目标仍然是获取地壳和地幔的物质组成、结构构造、物理化学状态和物质运动信息,建立全球动力学和大陆动力学理论[9,10]。
因此,地幔岩包体研究仍将围绕大陆动力学和全球动力学两大主题进行,通过地幔岩包体的研究来探索壳幔相互作用过程和岩石圈的形成与演化是目前乃至今后相当长的一段时期内普遍关注的研究热点。
90年代地幔岩包体研究的主要内容除上述一些基本问题外,已从两个新的研究方向上得到了进一步的拓宽。
一个是从宏观到微观,从固体岩石学研究到流体地球化学研究[11～13]。
从地幔岩包体中矿物所含流体2熔体包裹体的研究(含金刚石中P型和E型包体矿物及包体中自然元素的研究),揭示地幔中气体成分、流体的来源及演化、原生岩浆的形成与演化及发生在地幔中的还原反应和断键事件[14～16],最终提供古老地幔的成因信息。
另一个是地幔岩包体的高温高压变形实验、部分熔融实验和物理力学性质的研究[17～19]。
通过包体的高温高压变形实验,测定包体的显微构造特征、流变作用及物理化学性质(p、T、f O)对包体变形的影响。
在模拟地球内部(上地幔)温压条件下,测定地幔岩包体2的地球物理参数,如波速(v s和v p)、密度及电导率等,并结合地球物理研究成果再现上地幔的岩石学结构[20]。
2 研究对策及可行性分析综上分析可以明显看出,我国地幔岩包体研究确已取得了巨大成就,某些研究领域已处于领先地位,但其研究成果主要限于地幔岩包体的基本岩石学研究(包括矿物学、岩石学、地球化学及同位素地质学)及反映出的深部地质作用信息。
对于地幔岩包体本身的形成演化(诸如上地幔中的成岩作用和部分熔融、随寄主岩浆上升及最终定位于寄主岩石中等)这一过程中所发生的各种地质作用,基本上没有系统的研究成果。
对于制约地幔岩包体形成演化的四大因素[温度(T)、压力(p)、环境(E)及时代(t)]的研究也局限于地幔岩包体成岩温压的计算,诸如形成温压、反应温压及稳定温压没有涉及。
不同构造背景及岩浆体系中地幔岩包体的差异性及原因、随地幔演化形成地幔岩包体的可能性大小及地幔岩包体形成演化过程中p T E t的综合制约作用的研究更是一个空白领域,可望成为地幔岩包体研究这一领域新的突破口和生长点。
另外,我国地幔岩包体研究在地区上也不太均衡,有关的研究成果基本上是在中国东部新生代玄武岩中的地幔岩包体中取得的,涉及中国西部地幔岩包体的研究成果十分缺乏,仅有零星文章发表[21,22]。
因此,笔者建议有关中国地幔岩包体研究应重点解决以下几个关键问题:①大地构造背景与地幔岩包体的形成有何关系?中国东部与西部地幔岩包体为什么有明显的差异?原因何在?②不同岩浆体系(寄主岩)是如何制约地幔岩包体形成演化的?地幔岩包体的寄主岩石为什么仅为碱性玄武岩、金伯利岩及钾镁煌斑岩等几种?地幔岩包体随寄主岩浆演化而发生的反应、崩解及再平衡的机制如何?③地幔岩包体为什么多分布在时代较新(新生代以后)的寄主岩石之中?地幔岩包体的产生与地幔演化的关系如何?上述三个关键问题的解决具有十分重要的科学意义,可用于建立地幔岩包体形成演化的p T E t模式,应予以高度重视。
现就上述建议的可行性分析如下。
2.1 温度、压力及氧逸度演化研究地幔岩包体从其成岩、形成、随寄主岩浆上升并与熔浆发生反应到最终稳定存在于寄主岩石之中,严格受温度、压力及氧逸度的制约。
因此,p、T及f O2数据的获取是研究温度、压力及氧逸度演化的关键。
其中,地幔岩包体成岩时的温压及氧逸度代表当时上地幔的热状态和氧化态,可利用包体中的相关矿物组合,运用矿物温压计求取p和T,在获得p和T后可利用矿物平衡反应来求取f O2[23]。
地幔岩包体形成时的p、T及f O2,即为地幔岩发生部分熔融、形成原生岩浆时的温压条件和氧化态,可根据原生岩浆2难熔残余包体对进行熔浆2矿物平衡热力学计算得到温压条件[24,25]①,f O2的计算可用岩浆成分以及Fe2O3和FeO的偏摩尔体积计算相应温压下的f O2[26,27]。
地幔岩包体与寄主岩浆之间的反应贯穿于岩浆作用的整个过程之中,即从原生岩浆形成(源区)、上升到最终结晶成岩这一阶段随时都有可能发生反应。
因此,地幔岩包体的反应温压在寄主岩浆的不同演化阶段是不同的。
目前,有关地幔岩包体反应温压的估算尚无可靠的方法。
由于地幔岩包体与熔浆发生反应而引起的矿物再平衡现象多呈熔融反应边形式出现[28,29],且是包体中造岩矿物发生不一致熔融所致(常伴随有物质的交换),故可尝试利用熔融矿物与结晶矿物(含玻璃质)之间的近似反应式[28],根据已知的热力学数据来求取不同时段地幔岩包体的反应温压。
当然,该方法的前提是必须有深入细致的岩相学工作确定造岩矿物的熔融特征及新生结晶矿物的组合类型,并建立合适的近似矿物平衡反应式。
在获得T和p数据之后,可根据相应的lg f O22T图解确定f O2值。
地幔岩包体的最终稳定是在寄主岩浆全部结晶之后,因此地幔岩包体的稳定温压及氧逸度即为寄主岩浆最后结晶的p、T及f O2,可根据相应的温压计算来求取温度和压力,然后再计算对应温压下的氧逸度。
2.2 地幔岩包体形成与大地构造背景的关系在我国的地质发展历史中,新生代时期具有十分重要的意义。
当时,中国东部处于大陆裂解、地幔柱上升时期(岩石圈减薄);而中国西部则处于岩石圈会聚时期,再循环岩石圈导致形成一个向下的冷的地幔流(岩石圈增厚)[30]。
因此,中国东、西部地区在新生代时期,不仅岩浆作用的规模、性质及类型有明显的区别,而且其中的地幔岩包体也有明显的差异。
通过对比这两个地区地幔岩包体的成因特征,并结合现有的研究成果[31～33],可以解决地幔岩包体与构造环境的相互关系。
目前,在新疆巴楚—托运地区[22]、甘肃礼县-西和-宕县地区[21]和扬子地块西缘[34]均有地幔岩包体分布,为研究两者的相互关系提供了物质基础。
2.3 地幔岩包体形成与地幔演化的关系地幔岩包体是上地幔的组成成分,地幔演化所表现出的各种特征无疑要在地幔岩包体中打上烙印。
因此,通过对地幔岩包体的地球化学、同位素地球化学及同位素年代学的研究,不但可以获得地幔岩包体的成岩年龄[35],而且在借助于寄主岩年龄测定基础上,可以分析地幔演化过程中(从包体形成到随寄主岩浆一起喷发这段时期)所发生的各种地质作用及包体形成与地幔演化的相互关系。
2.4 高温高压实验研究地幔岩包体的高温高压实验研究已取得了很大的进展[17～19,36],积累了相应的研究手段、研究方法及资料解释途径,为地幔岩包体的高温高压实验研究创造了必要的条件。
2.5 地幔岩包体形成与寄主岩浆关系研究地幔岩包体的形成演化与寄主岩浆的性质密切相关[37],主要表现在三个方面:①寄主岩浆能否携带包体与其上升速度有关;②寄主岩浆能否携带包体还与包体的沉浮行为有关,而包体的沉浮行为与其在寄主岩浆内沉浮的有效半径(r3)有关(r3=15Ρ0 (4g・∃Θ),Ρ0为岩浆的屈服强度,g为重力加速度,∃Θ为包体与寄主岩浆的密度差);③与包体在寄主岩浆中的稳定性有关。
这三个因素最终均与寄主岩浆的物理性质有关。
因此,通过计算寄主岩浆的物理性质参数(聚合度、粘度、密度)及原始含水量,即可确定两者的相互关系。