埃達克巖的成因及應用

埃達克巖的成因及應用

自《亞德紀律》一書出版以來，世界上發(fā)現(xiàn)了許多不同時代的巖石。最最新的是20世紀90年代出版的皮納圖胡火山，最古老的是唐朝的ttg。研究表明，許多埃達克巖具有不同的特征，來自不同的源巖，產(chǎn)于不同的環(huán)境，具有不同的成因，顯示出多樣性。探討埃達克巖的多樣性，了解其形成的構(gòu)造背景及成因，是人們感興趣的問題。1多金巖的多樣性據(jù)作者的初步認識，埃達克巖大體可分為下列幾種。(1）德國聯(lián)邦聯(lián)克國里克氏原螯蝦的區(qū)例如阿留申群島的埃達克巖，是由俯沖的板片熔融形成的。與島弧正常的鈣堿性巖相比，這類埃達克巖具高鋁（Al2O3>15%）、高鈉（>3.5%，K2O/Na2O<0.5）、高鍶（Sr>400×10-6）、貧重稀土元素和Y(Yb<1.9×10-6,Y<18×10-6）、無明顯的負銪異常的特點（表1）。上述地球化學特征表明它們可能來源于消減板片MORB的部分熔融。通常解釋為年輕的（<25Ma）熱洋殼消減至70～90km的深度時發(fā)生部分熔融形成的，留下的殘留物為含石榴子石角閃巖或榴輝巖。然而，在環(huán)太平洋地區(qū)目前已發(fā)現(xiàn)的埃達克巖中，除了Cook島、CerraPampa、美國的St.Helens山和巴拿馬的ElValle等少數(shù)實例外，絕大多數(shù)埃達克巖處于老（冷）的（10～50Ma）消減帶之上。于是相繼提出了“冷板片緩消減地幔加熱熔融”模型、“撕裂板塊邊緣熔融”模型等。實際上，典型的埃達克巖并非僅限于板塊俯沖帶環(huán)境，野外考察和實驗研究表明，只要原巖是貧K的拉斑玄武巖，在足夠大的壓力條件下，即可產(chǎn)生具有上述地球化學特征的巖石，詳見后述。(2）埃達克巖me與正常的島弧安山巖和埃達克巖相比，高鎂埃達克巖以富Mg#（Mg/〈Mg+Fe〉>0.5）和Cr、Ni為特征。高鎂埃達克巖有2種成因：(1)高溫富水條件下虧損地幔巖的部分熔融；(2)板片熔融的（埃達克質(zhì)）熔體與上覆地幔楔發(fā)生交換作用。前者類似玻安巖（boninite）或贊岐巖（sanukite）的特征，MgO含量較高（贊岐巖MgO含量為5%～12%；玻安巖MgO含量更高，達9%～25%），而后者更接近埃達克巖的地球化學特征。雖然前者在總的地球化學特征上也類似埃達克巖，如富集LILE(Sr、Ba、Th、P等），虧損HREE,La/Yb、Sr/Rb和Sr/Y比值較高，但不同的是，埃達克巖通常是低Mg的（MgO<3%，通常不大于6%），而高鎂安山巖富MgO，通常具有原始巖漿的性質(zhì)。典型MORB的Mg#約為60，它所產(chǎn)生的巖漿的Mg#應遠低于60。實驗巖石學證明，玄武巖部分熔融產(chǎn)生的熔體的Mg#小于45。因此，一些新生代與俯沖有關(guān)的具有低SiO2（<65%）和高Mg#（>47～70）的埃達克巖（高鎂安山巖）即被解釋為板片熔體被地幔橄欖巖混染的結(jié)果。Yogodzinski等在阿留申群島的中新世—晚更新世島弧火山巖中鑒別出2種類型的高鎂安山巖，分別稱為埃達克型高鎂安山巖（AdaktypeHMA）和皮普型高鎂安山巖（Piip-typeHMA）。與正常的埃達克巖相比，上述2類高鎂安山巖（埃達克巖）的共同特點是富MgO、Cr和Ni，因而其Mg#值也高。埃達克型高鎂安山巖含單斜輝石斑晶（無橄欖石斑晶），巖石具高La/Yb比值及異常高的Sr含量，但HFSE豐度很低，其Sr-Nd同位素組成與MORB相似。Yogodzinski等認為，埃達克型高鎂安山巖可能是初始板片熔體受地幔橄欖巖混染或同化作用形成的。與埃達克型高鎂安山巖相比，皮普型高鎂安山巖含橄欖石斑晶，MgO、Cr、Ni、Co含量和Mg#值更高，而K和LILE含量較低，尤其是La/Yb比值和Sr含量比埃達克型低得多。推測有可能是板片熔體交代地幔橄欖巖形成的，也可能是與地幔楔混染的埃達克質(zhì)熔體與正常島弧玄武巖混合的產(chǎn)物。Xu等解釋出露在勉略蛇綠巖帶中的三岔子高鎂埃達克巖是板片熔融的熔體與上覆地幔楔交換作用的產(chǎn)物。Rapp等[的高壓實驗也證實，埃達克質(zhì)熔體與地幔橄欖巖反應可以使埃達克質(zhì)巖漿中的Mg、Ni和Cr含量明顯增加，Mg#增大。Stern等的研究表明，Cook島高鎂埃達克巖（Mg#=68）僅需要10%～20%地幔橄欖巖的加入。Rapp等的實驗巖石學研究認為，添加10%的橄欖巖即可使Mg#從44升高到55。因此，板片熔融的埃達克巖與地幔混合產(chǎn)生高鎂埃達克巖已經(jīng)成為眾多研究者的共識。產(chǎn)于板塊消減帶的埃達克質(zhì)熔體由于在其上升過程中不可避免地與上覆地幔楔發(fā)生物質(zhì)交換作用，因此，上述2類埃達克巖往往密切伴生，如Adak島、Cook島和CerraPampa等的實例。(3)高鋁ttg與太古考慮TTG是一套由奧長花崗巖-英云閃長巖-花崗閃長巖組成的巖石組合，根據(jù)Al2O3含量可分為低鋁TTG和高鋁TTG兩類（以SiO2=70%時，Al2O3<15%或>15%為標志）。高鋁TTG的主要地球化學特征為SiO2≈70%，Al2O3>15%，Yb<1×10-6,LaN/YbN多數(shù)大于30,Na2O/K2O>1,Sr和Ba>500×10-6。因此，高鋁TTG的地球化學特征與埃達克巖大體類似。實驗研究表明，只有在高壓（>1.6GPa）下玄武巖的部分熔融可以形成類似高鋁TTG的巖石。因此，許多人認為，高鋁TTG是太古宙拉斑玄武巖向含石榴子石角閃巖或榴輝巖轉(zhuǎn)變時部分熔融形成的[2,6,23,26,27,28,29]。Martin強調(diào)太古宙高鋁TTG與新生代板片熔融形成埃達克巖的相似性，認為太古宙TTG產(chǎn)于與現(xiàn)代埃達克巖相似的板塊俯沖環(huán)境。他將TTG中普遍低Mg和Ni、Cr的現(xiàn)象解釋為地幔物質(zhì)貢獻小的原因（板片熔融的深度?。Ｅc之相反，Smithies認為太古宙高鋁TTG可能是古老的厚的下地殼部分熔融形成的。與典型的adakite相比，TTG更富Si和貧Mg（表1）。因此，太古宙TTG與現(xiàn)代埃達克巖的形成環(huán)境明顯不同，前者是增厚的含水玄武質(zhì)巖石部分熔融的產(chǎn)物，而后者是俯沖板片熔融形成的。在2002年北京彭羅斯會議上，K.Conrie認為，絕大多數(shù)太古宙TTG不是埃達克巖，大多數(shù)TTG和綠巖形成于大洋高原環(huán)境而非傳統(tǒng)上認為的島弧環(huán)境。新的研究表明，古中太古代（3.0～3.8Ga）花崗巖的Mg#較低（Mg#<0.50），而新太古代花崗巖（2.5～3.0Ga），包括TTG，具有較高的Mg#以及更加初始的化學成分特征，如較高的Ni和Cr含量，更接近典型埃達克巖的特征，通常稱為sanukitoid（贊岐巖類）。對于新太古代sanukite的成因有不同的認識，但多數(shù)人認為與板塊消減帶的活動有關(guān)，貧Mg的sanukite可能是板片熔融的巖漿與上覆地幔楔混合產(chǎn)生的，與高Mg埃達克巖的成因類似；富Mg的sanukite則可能是富水的地幔楔在高溫條件下部分熔融形成的（張旗等，未刊）。(4）中國東部富鉀埃達克巖該類埃達克巖最早是Atherton等報道的富Na質(zhì)的秘魯安第斯帶CordilleraBlanca巖基（平均的Na2O/K2O=1.3），他們認為該巖基并非板片熔融的產(chǎn)物，而是在地殼加厚及伸展的背景下由新近底侵至下地殼底部的玄武巖在高壓下（>1.5～2.0GPa）部分熔融形成的。類似的解釋包括北美Cascade地區(qū)的St.Helens山、新西蘭南島、南極半島和Klamath山。中國東部晚侏羅世—早白堊世的許多火山巖和侵入巖具有埃達克巖的地球化學屬性[34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46]，如高SiO2和Al2O3含量，高La/Yb和Sr/Y比值，富集LREE，虧損HREE、Y和HFSE。然而中國東部的許多埃達克巖較與俯沖有關(guān)的富鈉埃達克巖更富鉀，其Na2O/K2O比值接近1，屬于高鉀鈣堿性系列。此外，與典型的埃達克巖相比，中國東部埃達克巖的相容元素Mg、Cr和Ni含量較低，HREE部分（Ho—Lu）通常顯示較為平坦的分布，通常有弱的負Eu異常，表明殘留物中可能有角閃石（±斜長石）存在，或有斜長石分離結(jié)晶作用的影響。推測是加厚的下地殼部分熔融形成的，但是，其厚度可能不太大。這些“埃達克質(zhì)”花崗巖被稱為“大陸型”或“C型”埃達克巖，不同于與俯沖有關(guān)的富鈉的“大洋型”或“O型”埃達克巖（Na2O/K2O>2.0）。如果中國東部富鉀埃達克巖也來自含石榴子石、含水基性源區(qū)的部分熔融，那么它們在成分上有別于埃達克巖的原因可能是源區(qū)的不同，或者是巖漿結(jié)晶分異和同化混染過程（AFC）的不同。對于高鉀鈣堿性埃達克巖的形成有下列3種模型：(1)底侵至下地殼底部的玄武質(zhì)巖漿的部分熔融；(2)加厚的下地殼底部基性巖的部分熔融；(3)拆沉的下地殼沉入地幔，受到下部軟流圈地幔的加熱,導致部分熔融形成埃達克質(zhì)巖漿。增厚下地殼的熔融已獲得許多實驗巖石學資料的證實，許多研究者分別在不同壓力條件下對變玄武巖、高Al玄武巖、天然低K鈣質(zhì)角閃巖、角閃巖等進行了高壓熔融實驗。結(jié)果表明，高壓（>1GPa）條件下當石榴子石為殘留相時，熔體出現(xiàn)強烈的重稀土虧損和諸多類似埃達克巖的地球化學特征。中國東部類似巖石的高K2O特點可能是源區(qū)成分的差異、富鉀幔源熔體的大量參與和殼源物質(zhì)混染造成的。續(xù)海今等認為，中國東部高鉀埃達克巖可能形成于1.0～1.6GPa和800～1125℃條件下，源巖為偏堿性的玄武巖。肖龍指出，中國東部大范圍高鉀鈣堿性埃達克巖的形成可能起源于被小比例軟流圈熔體交代富集的底侵增厚的下地殼層，其巖漿事件與地幔柱上涌導致的區(qū)域巖石圈減薄、燕山期巖漿大爆發(fā)和深部構(gòu)造體制的轉(zhuǎn)換密切相關(guān)。(5）下地殼氧逸度調(diào)整該類埃達克巖由于富MgO、Ni、Cr和Mg#（表1），可與前述的高鎂安山巖（HMA）對比，但由于其明顯富K而區(qū)別于前述高鎂安山巖。其富Mg是與第(4)類比較而言的，帶有明顯的地幔印記。有人解釋為拆沉的下地殼被地幔加熱后的再熔融形成的，本文認為可能為玄武質(zhì)成分的下地殼在高溫和高度富水的條件下部分熔融形成的。Kay等提出，當?shù)貧ず穸茸銐虼髸r，下地殼巖石將向榴輝巖轉(zhuǎn)變，由于榴輝巖的密度大于地幔巖，榴輝巖即可能與巖石圈地幔一道因重力差異脫離地殼而沉入軟流圈地幔中（拆沉作用）。拆沉的榴輝巖相下地殼在熱的地幔物質(zhì)作用下可能發(fā)生部分熔融，產(chǎn)生埃達克巖，熔出的埃達克質(zhì)巖漿上升時與地幔橄欖巖發(fā)生交代混染，從而產(chǎn)生與俯沖板片熔融更為接近的巖漿，即高K、Mg和低Si的安山巖。Xu等、許繼峰等、Gao等和王強等也嘗試用拆沉的模式解釋江蘇安基山（Mg#=0.37～0.58）、西藏羌塘新生代火山巖（Mg#=64～68）、遼西火山巖（Mg#=53～65）和湖北銅山口（Mg#=0.48～0.50）的高鉀和鎂的埃達克巖。Xu等和許繼峰等強調(diào)是下地殼單獨拆沉到下伏地幔中。賴紹聰認為，青藏高原埃達克質(zhì)巖的高鎂特征可能與高原地區(qū)廣泛發(fā)育的新生代幔源鉀質(zhì)和超鉀質(zhì)巖漿活動及其在加厚陸殼底部的底侵作用有關(guān)。作者認為，關(guān)于高鉀鎂埃達克巖的成因，可以借鑒玻安巖形成的機制加以解釋。玻安巖是在高溫低壓富水和高程度部分熔融條件下產(chǎn)生的，其MgO含量可達9%～25%，Mg#可達0.8。推測高鉀和鎂的埃達克巖是否也可能在高溫、高氧逸度和富水的條件下由基性的下地殼經(jīng)較高程度部分熔融而形成。這個假設能否成立尚需要實驗巖石學資料的證實。氧逸度的高低能改變變價元素以何種狀態(tài)存在，例如鐵。巖石中Fe+3與Fe2+的相對比例取決于結(jié)晶后形成的礦物相，因此，也會在一定程度上影響Mg#。對于噴出巖，通常有鈦鐵氧化物出現(xiàn)，其成分隨氧逸度升高分別形成FeO(Fe3O4、Fe2TiO4、FeTiO3、FeTi2O5、Fe2TiO5）、Fe2O3或TiO2等，通常以固熔體形式存在。對于侵入巖，上述礦物將出現(xiàn)在副礦物相中，而含鐵的主要礦物相中，黑云母的成分較角閃石更能反映氧逸度的變化。因此，氧逸度的升高肯定會影響Mg#，至于是何種因素導致氧逸度升高，目前了解還不夠。洋殼玄武巖在蝕變過程中發(fā)生氧化會提高巖石的氧逸度；而下地殼底侵玄武巖的熔融是如何產(chǎn)生高氧逸度巖漿的，其機制尚不清楚，在非常還原的源巖組合（H2-H2O氧化緩沖線以下）中，也許富水和高溫是導致氧逸度升高的主要因素（肖龍等，未刊）。(6）富堿斑巖sio和ko含量分布例如新生代可可西里埃達克巖的K/Na>1（表1），部分K含量高的埃達克巖甚至落入shoshonite的范圍，其成因是最不清楚的?？煽晌骼镄律鹕綆r的K2O含量平均為3.75%，Na2O/K2O=1.0(SiO2平均為61.5%），而滇西北的富堿斑巖，據(jù)謝應雯等和鄧萬明等的報道，其K2O含量高達5%～6%（Si2O為60%左右）。據(jù)高建國等的統(tǒng)計，滇西北199件新生代富堿斑巖樣品的SiO2=66.22%，K2O=5.85%。而據(jù)薛步高的資料，云南賓川小龍?zhí)?3件石英二長斑巖樣品的SiO2=64.05%，K2O含量高達6.28%。當然，含礦斑巖的蝕變作用普遍，通常有比較強烈的硅化和鉀化，使SiO2和K2O含量不同程度地增加，并非原始巖漿之所為。實驗研究表明，在非常高的壓力和非常低程度的部分熔融時，源區(qū)強烈富水和富LILE（包括K），可以形成高度富鉀的埃達克巖。2討論(1)埃達克與地殼下地殼熔融張旗等曾經(jīng)按照埃達克巖的Na2O/K2O比值、Sr-Nd同位素特征和產(chǎn)出位置把埃達克巖分為O型（Na2O/K2O>2，產(chǎn)于洋內(nèi)，取了ocean這一詞的詞頭）和C型（Na2O/K2O≈1或>1，產(chǎn)于陸內(nèi)，取了continent這一詞的詞頭）2類，似乎O型代表典型的與板片俯沖有關(guān)的埃達克巖，而C型為大陸下地殼熔融形成的。按照本文的劃分，上述（1）～（3）類屬于O型埃達克巖，（4）～（6）類為C型埃達克巖。C型埃達克巖產(chǎn)于加厚陸殼的底部，而O型埃達克巖并非統(tǒng)統(tǒng)產(chǎn)于板塊消減帶環(huán)境，典型的埃達克巖（第1類）和高鎂埃達克巖（第2類）與板塊俯沖有關(guān)，但TTG（第3類）則不然，TTG是O型的，它很可能是加厚下地殼部分熔融形成的。同樣，顯生宙產(chǎn)于陸殼底部的埃達克巖也可以具有O型埃達克巖的地球化學特征，如西天山阿吾拉勒、遼西以及安徽沙溪的埃達克巖。看來，O型和C型埃達克巖并沒有固定的構(gòu)造含義，而主要受源區(qū)物質(zhì)組成的制約，只要源巖為低鉀拉斑玄武巖，所熔出的巖漿即具有明顯低鉀富鈉的特征。(2）源區(qū)中不同作用的原因埃達克巖的成因主要考慮基性源巖（大洋巖石圈或基性下地殼）、較高的壓力（1.2～4GPa）、熱源以及區(qū)域地球動力學背景等因素。其中，熱源和區(qū)域地球動力學背景是誘發(fā)源區(qū)熔融的動因，但不同地區(qū)其作用的方式可能會有很大差別。只有源巖和源區(qū)壓力才是決定埃達克巖地球化學特殊性的基本控制因素，不論是熱洋殼還是冷洋殼的熔融，或是加厚陸殼的基性下地殼熔融，只要源區(qū)壓力足夠大，使得源巖中大部分斜長石和一定量角閃石發(fā)生分解，石榴子石在殘余固相中占有較大的比例（含角閃石的榴輝巖和/或無斜長石的石榴子石角閃巖、麻粒巖或榴輝巖），通過脫水熔融即可形成具有埃達克巖地球化學特征的巖石[5,26,43,63,64,65,66]。(3）高鎂埃達克巖的構(gòu)造環(huán)境不同的埃達克巖形成于不同的構(gòu)造背景，同樣的埃達克巖也可以形成于不同的背景，關(guān)鍵在于原巖性質(zhì)。(1)典型的埃達克巖（adakite）主要產(chǎn)于板塊消減帶環(huán)境，也可以產(chǎn)于大陸內(nèi)部，如果板塊內(nèi)部加厚下地殼底部的原巖明顯貧K，其部分熔融形成的巖漿也可以具有典型埃達克巖的特征。(2)高鎂埃達克巖（HMA）通常解釋為俯沖板片熔融的產(chǎn)物，當其上升與地幔發(fā)生混合時，即產(chǎn)生富Mg、Cr、Ni和貧S的高Mg埃達克巖。(3)太古宙（主要指古中太古代）的TTG比典型的埃達克巖更加富Si和貧Mg，可能來自加厚的下地殼底部，并非板塊消減作用的產(chǎn)物；而部分新太古代（<3.0Ga）的TTG較富Mg和貧Si，相當于sanukite，則可能產(chǎn)于板塊消減帶環(huán)境。(4)高鉀鈣堿性埃達克巖（HKCAA）產(chǎn)于大陸內(nèi)部，為加厚下地殼底部部分熔融的產(chǎn)物，表明源區(qū)基性巖和/或中酸性巖的K2O含量較高或部分熔融程度較低或壓力較大。(5)高鉀和鎂的埃達克巖（HKMA）指的是富Mg、Cr、Ni和貧Si的高鉀鈣堿性埃達克巖，也形成于板塊內(nèi)部環(huán)境，暗示可能與地幔發(fā)生過物質(zhì)交換作用。(6)鉀質(zhì)埃達克巖（SKA）也產(chǎn)于大陸內(nèi)部，可能是富K質(zhì)的原巖在更高的壓力和更低的部分熔融程度下形成的，主要出露在青藏高原。3德國克氏巖的分類(1）埃達克巖具有多樣性，大體可分為下列幾種：(1)典型的埃達克巖（adakite），源于貧K的拉斑玄武巖，大多是由俯沖的板片熔融形成的；(2)高鎂埃達克巖