1.   芝麻坊橄榄岩体的产出

秦岭-大别-苏鲁造山带延伸超过1 000 km, 宽200 km, 呈东西向穿越中国东中部地区, 分割了其南部的扬子地块和北部的中朝地块(图 1).郯庐断裂将秦岭-大别-苏鲁造山带切为2部分: 大别造山带在西部, 苏鲁造山带在东部.每个造山带包括3个构造单元: 北部的高级变质混合岩区, 中部的超高压变质岩区和南部的高压变质岩区(Xu et al., 1998).东海地区(东海是江苏省一县名)位于苏鲁造山带中部的超高压变质岩区(图 1a).

图  1  南苏鲁地区简化地质图(a); 芝麻坊超镁铁岩体和中国大陆科学钻探CCSD-PP1钻孔位置(b); PP1钻孔主要岩性单元的简化柱状图(c); 石榴石橄榄岩的岩心照片(d)

Fig.  1.  A simplified geological map of the southern Sulu region(a); profile of the Zhimafang ultramafic body and location of the PP1 drillhole of the Chinese Continental Scientific Drilling(CCSD)(b); a simplified column of the main li- thological units of the PP1(c); and a photograph of the garnet peridotite core(d)

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东海地区虽然有十余个超镁铁岩体出露, 但由于露头不好和风化严重, 均缺乏系统研究.芝麻坊超镁铁岩是一个较大的岩块, 位于东海县城向东约30 km. 超镁铁岩体呈透镜状产出, 长约1 000 m, 宽60~ 180 m, 厚度约50~100 m, 其围岩为片麻岩(图 1b). 中国大陆科学钻探项目工程的先导孔(CCSD-PP1)以及其他的几个先导孔的岩心, 提供了一个十分难得的研究石榴石橄榄岩体连续剖面的机会.

超镁铁岩体与其围岩通常呈明显的构造接触, 围岩多为花岗片麻岩, 少量其他的片麻岩、硬玉石英岩和大理石.超高压变质带中的一些片麻岩也已经历了超高压变质作用(Wang and Liou, 1991; Okay et al., 1992; Liu et al., 2002).超镁铁岩在不同的地区有产状和岩性上的明显区别, 但本地区主要存在2种类型的超镁铁岩: 一类是由单一的超镁铁岩组成; 另一类是由镁铁岩和超镁铁岩组成的杂岩体.主要的岩石类型有方辉橄榄岩、二辉橄榄岩、异剥橄榄岩和辉石岩.石榴石和金云母在超镁铁岩中普遍存在, 但也有含石榴石和不含石榴石的2种橄榄岩存在.

中国大陆科学钻探先导孔(PP1)深度为432 m, 岩心的回收率达80%以上.根据岩性, 可将岩心分为3段: 上部为片麻岩、中部为超镁铁岩、下部为片麻岩(图 2a).上部层序主要由角闪斜长片麻岩、角闪二长片麻岩和黑云母斜长片麻岩组成.在上部层序的片麻岩中有一个3 m厚的榴辉岩体, 在下部层序的片麻岩中有一个5 m厚的榴辉岩体.2个榴辉岩体与其围岩均呈渐变过渡接触.榴辉岩主要含有石榴石-绿辉石-多硅白云母-金红石-石英, 在石榴石中发现柯石英包体(未发表资料).在片麻岩中还有一些薄层(0.5~1 m)片岩, 与片麻岩呈整合接触关系.这些片岩为多硅白云母石英片岩和绿帘石角闪石片岩, 其中蓝晶石也较常见.

图  2  PP1钻孔超镁铁岩石柱状图(a); 成分剖面中SiO₂、Al₂O₃、CaO和K₂O含量随岩石类型的变化(b—e)

Fig.  2.  Column of the ultramafic section in the PP1 drill hole(a); SiO₂, Al₂O₃, CaO and K₂O content variation with rock types in compositional profiles(b-e)

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中段的超镁铁岩体出露在深度137. 82~ 256.37 m之间, 总厚度118.55 m, 其中包括7 m厚的片麻岩层.岩心提供了超镁铁岩体的几乎连续的层序剖面, 并保存了不同岩性的接触带.超镁铁岩体上部与片麻岩之间为断层接触, 接触带附近的岩石也遭受了强烈的剪切和形变.虽然超镁铁岩体沿接触带有强烈的蛇纹石化, 但往超镁铁岩体内部, 岩石则逐渐新鲜.在超镁铁岩体底部靠近边界有5 m厚的片麻岩和2 m厚的金云母岩脉.与超镁铁岩体的上部接触带相似, 超镁铁岩体的下部与片麻岩也是断层接触, 但有可能在构造侵位期间或之后受到影响使得接触界线变得不清楚.

超镁铁岩体可以进一步分为石榴石(Grt)橄榄岩(矿物符号采用Kretz, 1983)和不含石榴石(GF) 橄榄岩.2种不同类型的超镁铁岩呈互层状产出, 层之间为渐变关系.超镁铁岩岩石显示微弱的蛇纹石化现象, 石榴石橄榄岩和不含石榴石的橄榄岩之间的渐变关系保存良好, 通常过渡带的宽度为几cm. 每一单层岩性描述见表 1.

表  1  CCSD-PP1钻孔岩心的岩性单元

Table  Supplementary Table   Lithological units in the PP1 drill hole

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2.   岩相学特征

不同类型的石榴石橄榄岩和不含石榴石橄榄岩的区别主要是根据其矿物学, 尤其是根据单斜辉石和斜方辉石的相对丰度.本文中的岩石名称我们采用了Streckeisen(1976)的命名法.岩石超过90%的蛇纹石化命名为蛇纹岩.

2.1   石榴石橄榄岩

石榴石橄榄岩包括石榴石方辉橄榄岩和石榴石二辉橄榄岩, 由不同数量的橄榄石、顽火辉石、透辉石、石榴石和金云母组成.一些层中产有少量的钛斜硅镁石(Ti-Chu)、铬铁矿、碳酸岩和磷灰石.岩石有不同程度叶理化, 一些矿物尤其是金云母, 具有清楚的定向构造, 但岩石变形的程度随岩石不同而不同.

石榴石二辉橄榄岩和石榴石方辉橄榄岩(例如: C24-141-59, C25-143-61, C28-145-65, C47-165-92, C21-134-55, C25-141-60, C27-144-63, C34-151-74) 通常具有变斑晶、等粒结构和镶嵌结构, 颗粒之间具有典型的三联点(120°)结构(图 3a).岩石由5%~ 15%的石榴石、70%~80%的橄榄石、5%~8%的斜方辉石、2%~6%的单斜辉石、3%~5%的金云母和1%~2%的铬铁矿组成.

图  3  石榴石橄榄岩和不含石榴石橄榄岩的显微照片

a.石榴石方辉橄榄岩(C21-134-55):等粒结构, 石榴石在空间上与Opx伴生, 甚至很小的颗粒(见箭头); b.石榴石方辉橄榄岩(C34-151- 74): 石榴石变斑晶中橄榄石包体; c.石榴石方辉橄榄岩(C27-144-63): 小颗粒的Grt、Opx和Ol作为粗粒Ol之间的空隙充填物; d.石榴石方辉橄榄岩(C25-141-60): 空间伴生的Grt、Opx和铬铁矿; e.纯橄岩(C31-147-68): 无形变的等粒结构; f.方辉橄榄岩(C37-154-78): 粗粒Ol和Opx的嵌晶结构和弱定向; g.纯橄岩(C36-153-77): 粗粒Ol间充填的小Ol; h.石榴石金云母脉(C28-145-65): 变斑晶石榴石和金云母片是岩石中仅有的矿物, 石榴石有蚀变边

Fig.  3.  Microphotographs of garnet peridotite and garnet-free peridotite

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石榴石变斑晶占这些岩石体积的5%~10%, 虽然斑晶直径大多小于10 mm, 但大的斑晶直径可达20 mm.石榴石变斑晶产在相对细粒(< 2 mm)的由橄榄石(Ol)、顽火辉石(En)、透辉石(Di)、石榴石(Grt)和金云母(Phl)组成的基质中.单个晶体通常呈半自形, 其边部常呈弯曲和不规则状(图 3b).很多石榴石含有矿物包裹体, 如橄榄石和斜方辉石, 或它们的蚀变产物, 表明这些变斑晶晚于这些基质矿物.石榴石变斑晶具边缘环带, 环带由角闪石+铬尖晶石(或富铬磁铁矿)、含金云母或不含金云母组成. 一些颗粒则完全被绿泥石±方解石或绿泥石、云母和不透明微粒(铬磁铁矿)所替代.

小颗粒的石榴石(~1 mm)在基质中也很常见, 但含量少于橄榄石和辉石.基质中的石榴石几乎均呈自形至圆粒状散布于岩石中.一个重要的现象是这些小颗粒的石榴石总是与顽火辉石伴生, 甚至很小的颗粒也不例外(图 3a, 3c).类似于变斑晶, 基质中的石榴石也包含顽火辉石、橄榄石和铬铁矿矿物包裹体(图 3d), 有时其周围伴随一些含水矿物, 如角闪石和金云母.小石榴石与Ol和Opx有时有微弱定向排列, 表明它们产于一个高应力的生成环境.

这些超镁铁岩的主要矿物橄榄石多呈粒状至板状, 1~2 mm大小, 与共生的顽火辉石或有时与基质中的石榴石呈平衡结构.橄榄石中含有一些典型的钛铁矿出溶晶片, 一些橄榄石呈包裹体产在石榴石中.一些小蛇纹石充填于橄榄石的微小裂隙中.

顽火辉石和透辉石的直径为0.3~1.5 mm, 多数小于1 mm.标本中的新鲜透辉石呈浅绿色, 在退变质和受交代作用下成透闪石和铬铁矿.透辉石中常见钛斜硅镁石、钛粒硅镁石(许志琴等, 2003)和金云母的出溶片晶.顽火辉石十分新鲜, 或部分被滑石交代.一些顽火辉石颗粒包含透辉石和铬铁矿的出溶片晶. 金云母呈小片产出, 大小(0.1~0.2)mm× (0.5~1)mm.细小的钛斜硅镁石(0.1~0.2 mm)局部包含在橄榄石和辉石晶体中.菱镁矿或白云石的小集合体产于基质中.铬铁矿的微小晶体作为包体存在于石榴石和基质中.也可见一些相对大的透辉石晶体, 通常含有顽火辉石的出溶晶片.

一般来讲, 方辉橄榄岩、异剥橄榄岩和纯橄岩与石榴石二辉橄榄岩在结构上相似, 但在矿物成分比例上不同.方辉橄榄岩含有 < 5%的透辉石, 纯橄岩则由橄榄石和小于 < 10%的金云母、石榴石和辉石组成. 在一些叶理化的方辉橄榄岩和异剥橄榄岩中, 所有的矿物, 包括橄榄石、透辉石、顽火辉石和金云母, 都有拉伸和定向的现象, 矿物颗粒长宽比为2∶1~6∶1.

2.2   不含石榴石橄榄岩

不含石榴石橄榄岩(例如: C38-156-79, C45-163- 86, C50-166-93)有方辉橄榄岩、纯橄岩和异剥橄榄岩, 它们均含有较高的含量不等的铬铁矿.岩石的特征为典型的等粒状结构, 少有叶理状构造, 无斑状变晶和蛇纹石化较弱(图 3e—3h).岩石含有橄榄石80%~ 90%、斜方辉石10%~20%、单斜辉石1%~3%、金云母3%~5%和铬铁矿2%~3%.橄榄石颗粒为1~ 2 mm大小, 具典型的三联点(120°)结构.

方辉橄榄岩含有平均10%的斜方辉石和1%~ 3%的透辉石.斜方辉石以与橄榄石粗晶平衡的大颗粒产出, 或以细粒状与小颗粒的橄榄石和透辉石伴生充填在大晶体之间(图 3f).多数透辉石呈小颗粒充填状产出, 但也有少数大晶体并有顽火辉石的出溶晶片.未见斜方辉石中有透辉石的出溶晶片.多数透辉石具有相同的成分, 平均Wo= 47~48, En= 50~51, Fs= 1.5~2.7, 但也观察到不同的成分(见下文矿物化学节).金云母在岩石中也有不同的颗粒大小.小颗粒的金云母与其他矿物保持均衡, 而大颗粒(直径达10 mm)金云母则常常切穿其他矿物或呈假斑晶产出.结构关系表明至少有2期的金云母产出, 早期的金云母伴随Ol+Opx+Cpx结晶, 晚期的金云母伴随含水矿物结晶, 可能与地幔中的交代作用有关.小颗粒的铬铁矿(< 0.5 mm)呈自形晶普遍存在, 或充填在其他矿物之间, 或作为包裹体存在于橄榄石和斜方辉石中.

新鲜的纯橄岩(例如: 样品C31-147-68, C36- 153-77, C45-163-86)含有橄榄石> 90%、金云母~5%和铬铁矿~3%, 呈等粒结构.橄榄石和金云母的粒度为1.3~4 mm.铬铁矿粒度较小, 0.1~ 0.6 mm, 作为橄榄石中的包裹体或粒间充填物.样品C45-163-86仅含有~1%的铬铁矿, 极少量的透辉石和少量次生碳酸岩.样品C38-156-79为不含石榴石的方辉橄榄岩, 含有橄榄石、顽火辉石、透辉石和金云母、少量菱镁矿和一些钛斜硅镁石及小颗粒(0.1~0.2 mm)的铬铁矿.

2.3   含菱镁矿和钛斜硅镁石的橄榄岩

含菱镁矿的橄榄岩(C41-159-83, C49-166-92) 中的菱镁矿可达~5%, 并含少量金云母(3%~ 10%).菱镁矿在岩石中或呈大斑晶(3.5~15 mm) 或作为基质的小颗粒(< 1 mm)存在.局部见有菱镁矿细脉存在.大多数的菱镁矿颗粒边缘有细粒的白云石±方解石集合体的环带.钛斜硅镁石作为包裹体存在于橄榄石和辉石中的少见, 多数存在于基质中.

在芝麻坊橄榄岩体中, 大多数钛斜硅镁石作为包裹体存在于橄榄石和辉石中, 但也有一些大晶体出现, 例如: C49-166-92, 该样品包含Ol、Di、En和钛斜硅镁石.另外, 少量的钛斜硅镁石也出现在一条主要含Mgs+Phl的脉岩中.样品中的钛斜硅镁石大多数颗粒在0.2~1.5 mm之间, 但粗粒的钛斜硅镁石伴随绿泥石出现在脉岩中.没有见到石榴石残留体, 圆形集合体的绿泥石有可能是石榴石假象.

3.   全岩地球化学成分

对25个样品的石榴石橄榄岩和16个不含石榴石橄榄岩进行了全岩地球化学分析(李天福等, 2006).它们的主要特点如下:

石榴石橄榄岩和不含石榴石橄榄岩都是镁质超镁铁岩, 它们有相同的镁值Mg^#=[100 Mg/(Mg+Fe)], 多数90~92, 平均91.主元素显示规律性变化, 尤其是Al₂O₃、CaO、SiO₂和MgO(图 4).在Al₂O₃、CaO和SiO₂与MgO+< FeO>的变异图及与Cr₂O₃的变异图中2种岩石显示负相关变化趋势, NiO和< FeO>变化区间很小, 但K₂O显示随机和较宽范围的变化.

图  4  K₂O、Al₂O₃、MgO、NiO、FeO、Cr₂O₃、SiO₂与MgO+< FeO>的变异图(a—h), 石榴石橄榄岩较不含石榴石橄榄岩有相对高的Al₂O₃、CaO、SiO₂和低的MgO以及含量相同的Cr₂O₃和NiO; 2种岩石均显示球粒状陨石标准化LREE富集模式, 但石榴石橄榄岩的REE丰度要高于不含石榴石橄榄岩(i, j)

Fig.  4.  K₂O, Al₂O₃, MgO, NiO, FeO, Cr₂O₃, SiO₂vs. MgO+< FeO> diagrams(a-h)clearly separate Grt-peridotite from GF-peridotite by higher Al₂O₃, CaO and SiO₂, and lower MgO, and similar contents of Cr₂O₃and NiO; both show chondrite-normalized LREE enriched patterns, but the REE abundance of Grt-peridotite are higher than that of GF-peridotite(i, j)

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虽然2种类型的岩石主元素成分的变化在图 4中有明显的重叠, 但石榴石橄榄岩比不含石榴石橄榄岩具有较高的Al₂O₃(多数> 1%)、CaO(多数0. 6%~1.6%)、SiO₂和较低的MgO(40%~45%), 而不含石榴石的橄榄岩则Al₂O₃ < 1%, CaO < 0.4%和MgO 45%~47%(图 4).另外, 尽管石榴石橄榄岩和不含石榴石橄榄有相同丰度的Cr、Ni和Ti, 但石榴石橄榄岩比不含石榴石橄榄岩有较高丰度的Sc、Ba、Sr和V.石榴石橄榄岩中Mg^#值(90.3~92.2)稍低于不含石榴石橄榄岩(91.2~ 92.7), 但两者均属于亏损型上地幔.

石榴石橄榄岩和不含石榴石橄榄岩具有相同的球粒陨石标准化REE模式, 表现为LREE轻微富集(图 4i, 4j).石榴石橄榄岩的[La/Yb]_N球粒陨石标准化比值为2.8~8.9(平均7.0), 与不含石榴石橄榄岩的比值区间(2.8~10.9, 平均7.1)相似.两者的[Tb/Yb]N比值都大于1, 石榴石橄榄岩的平均值为2.23, 不含石榴石橄榄岩的平均值为1.79, 表明石榴石不是残余相.实验数据表明高温的Al₂O₃在斜方辉石中稳定, 随着温度的降低, 将出溶石榴石而产生新的相.南非的高温方辉橄榄岩中已经观察到斜方辉石和石榴石从斜方辉石中出溶的现象(Cox et al., 1987).在其他造山带中也观察到此种现象(Obata and Morten, 1987).在芝麻坊橄榄岩体的斜方辉石中, 低含量的Al₂O₃(< 0.3%)、CaO(< 0.15%)和高组分的En(达96)很可能反映石榴石和单斜辉石从早期的高温斜方辉石中出熔. 未在这些矿物中见到出溶结构, 可能被后期重结晶作用、变质作用和变形作用叠加所致.岩石地球化学成分和矿物学特征表明, 芝麻坊橄榄岩代表了一种方辉橄榄岩型的亏损地幔岩块, 即斜方辉石和橄榄石曾经是岩石中仅有的原生硅酸岩矿物.随机和高含量的K₂O和LREE富集的特征与亏损地幔特征的不一致, 则可能与地幔交代作用有关(李天福等, 2006).

4.   矿物成分

上述芝麻坊橄榄岩中矿物学和结构特征表明该岩石有一个复杂的成岩历史, 矿物的生长至少经历了3个阶段: (Ⅰ)大多数等粒状的矿物, 如Ol、Opx、Cpx和Grt, 和(或)斑晶状Grt; (Ⅱ)角闪岩相的退变质矿物; (Ⅲ)绿泥石相的叠加矿物.另外有一些橄榄石和铬铁矿包裹体出现在其他矿物中证明有更早期的矿物生成, 而一些细粒的金云母则说明有早期的地幔交代作用.

矿物成分分析主要用斯坦福大学JEOL super- probe733电子探针完成, 部分分析在中国科学院地质和地球物理研究所完成.全铁写作FeO, 角闪石中Fe³⁺含量估算方法是根据Schumacher(1991), 在铬铁矿中的计算方法是用电价平衡法, 假设正离子= 3.芝麻坊橄榄岩体中代表性矿物成分组合见表 2—表 5.

表  2  芝麻坊橄榄岩中橄榄石的代表性化学成分

Table  Supplementary Table   Representatives of olivine in the Zhimafang peridotite

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表  3  芝麻坊超镁铁岩体中石榴石橄榄岩和不含石榴石橄榄岩中代表性的辉石化学成分

Table  Supplementary Table   Representatives of pyroxenes in Grt- and GF peridotite from the Zhimafang ultramafic body

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表  4  芝麻坊石榴石橄榄岩中代表性石榴石的化学成分

Table  Supplementary Table   Representatives of garnet composition from the garnet peridotite in Zhimafang

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表  5  芝麻坊橄榄岩中代表性铬铁矿成分分析

Table  Supplementary Table   Chromite compositions in the Zhimafang peridotite

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4.1   橄榄石

石榴石橄榄岩中的33个橄榄石样品和不含石榴石橄榄岩中的8个橄榄石样品的分析结果见表 2.橄榄石中总的Fo端元成分从89~93(多数91~93);相对说来, 不含石榴石橄榄岩中的Fo含量较高(92~ 93), 但其SiO₂含量较低(< 41%); 石榴石橄榄岩中Fo的含量(91~93)(图 5).大多数颗粒成分均匀, 橄榄石通常具有较窄的Fo端元成分区间(Fo91.4~ 91.9).一些不含石榴石橄榄岩显示轻微的反环带(例如样品C21-147-68-1)颗粒核心Fo成分为Fo92.2, 边部为Fo92.8;样品C21-147-68-4颗粒核心Fo成分为Fo92.5, 边部为Fo92.7(表 2).这些变化可能与地幔中的交代作用有关.2种橄榄岩的橄榄石中钛铁矿的出溶片晶表明原生橄榄石含少量TiO₂, 0.01%~ 0.09%.不含石榴石橄榄岩中的次生橄榄石产在钛斜硅镁石的边部, 比原生橄榄石含有较多的铁(Fo89). 许多橄榄石颗粒含有NiO0.3%~0.4%, 高可达0.6%.矿物成分变化可能与其不同生长阶段的重结晶作用叠加有关, 而原生矿物成分也许并没有不同.

图  5  石榴石橄榄岩中的橄榄石比不含石榴石橄榄岩显示较宽区域的Fo和较高的SiO₂含量

Fig.  5.  Olivine in Grt-peridotite shows wider range of Fo and higher SiO₂contents than GF-peridotite

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4.2   辉石

2种橄榄岩均含有丰度较高的顽火辉石(平均10%), 透辉石的丰度体积分数为(1%~5%).从石榴石橄榄岩中获得26个透辉石(Cpx)分析, 55个顽火辉石(Opx)分析; 从不含石榴石橄榄岩中获得5个Cpx和9个Opx.分析结果见表 3.

石榴石橄榄岩中的透辉石含有较高的Mg^#= (Mg/(Mg+Fe)), 0.93~0.95, 相当数量的Cr₂O₃ (0.38%~2.09%, 多数1%~2%)和变化的Al₂O₃ (0.2%~2.3%), Na₂O(0.5%~2.5%).由于Na₂O含量在Cpx中是压力敏感参数, 用其和其他重要元素进行对比作图(图 6).图中显示Na₂O含量与Al₂O₃和Cr₂O₃呈正相关, 而与CaO和MgO的含量呈负相关, 与SiO₂没有线性相关关系.在Cpx中, 区分出2组数据: (1)Na₂O> 1.5%;(2)Na₂O < 1%. 高Na₂O的Cpx也含有高Al₂O₃(1%~2.3%)和Cr₂O₃(多数> 1.2), 但具有低含量的MgO(11~16.5) 和CaO(20~22.5).这种Cpx在橄榄石中形成较粗的颗粒, 也有小颗粒的Cpx作为包裹体存在于橄榄石中.一些Cpx颗粒从核心到边缘显示环带状的成分特征, 例如样品C30-164-87-7, Na₂O的含量变化从2.42%~2.32%;Al₂O₃的含量变化从2.29%~ 2.18%;Cr₂O₃的含量变化从1.80%~1.88%;SiO₂的含量变化从53.95%~51.66%, 表明压力递减的变化趋势.

图  6  石榴石橄榄岩和不含石榴石橄榄岩中透辉石和顽火辉石显示相同的宽度大的成分区间; Na₂O、Al₂O₃和Cr₂O₃呈正相关, 但与MgO和CaO呈负相关

Fig.  6.  Diopsite and enstatite in Grt-and GF-peridotite show a similar and wide range in composition; Na₂O shows a posi- tive relation to Al₂O₃, Cr₂O₃and a negative relation to MgO and CaO

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Na₂O含量低的Cpx以低Al₂O₃(0. 2%~ 0.8%)、低Cr₂O₃(0.3%~0.7%)、高MgO(17%~ 17.8%)和高CaO(23.7%~24.6%)为特征(图 6).这些变化见于在低温条件下重结晶的小充填颗粒.斜方辉石都属于顽火辉石(En92~93), 但具有不同含量的MgO(33.3%~37.5%)和SiO₂(56.7%~60.2%). 它们仅含有痕量的Cr₂O₃(0%~0.1%, 仅有一例达到0.3%)和Al₂O₃(0%~0.3%).一些顽火辉石颗粒从核部到边部有微弱的成分环带, 例如样品C30-164- 87-6, 具有SiO₂从57.7%~58.4%, Al₂O₃从0.1%~ 0.19%, Cr₂O₃从0.07%~0.13%.橄榄岩中的Opx具有低含量的Al₂O₃被认为是形成于高压条件下.虽然测试的样品有限, 但顽火辉石在2种橄榄岩中成分变化的区间是相同的.

4.3   石榴石

分析了73个石榴石样品, 其成分变化见表 4, 所有成分的变异图见图 7.端元组分的计算顺序为钙铬榴石、钙铁榴石、钙铝榴石、镁铝榴石、锰铝榴石和铁铝榴石.石榴石在异剥橄榄岩和方辉橄榄岩均为含铬镁铝榴石(Ura_4-12Prp_62-73Alm_14-24Grs_1-10 Sps_0-2).石榴石中Cr₂O₃含量(1.28%~4.23%), 因样品而变化.与岩相学特征相一致, 石榴石可分为2个成分组.早期形成的石榴石主要是等粒状和大颗粒的核部, Cr₂O₃含量较高, 可达~4%.变斑晶的石榴石主要含Cr₂O₃较低, 最大值仅有2%, 但Al₂O₃(21~24)、SiO₂(42~43)和MgO(19~21)的含量都高于早期的石榴石(图 7).等粒状石榴石有成分环带, 从核心到边缘, 铁铝榴石增加而镁铝榴石减少(图 4).一些变斑晶石榴石也具有环带结构, Cr₂O₃的含量从核部到边缘递减.成分的环带结构在等粒石榴石中保存完好, 例: Cr₂O₃、MgO和Al₂O₃的含量在等粒石榴石中从中心到边缘分别为3.4%~ 4.2%, 18.4%~17.5%和21.1%~20.1%.金云母岩脉中的石榴石(样品C28-145-65)含有较高的镁铝榴石(Ura₁Prp₇₄Alm₁₄Grs₁₀Sps₁)和较低的钙铬榴石.在所有的石榴石中, 氧化钛的含量都很低, 多数小于0.05%.低含量的TiO₂被认为是低温石榴石橄榄岩(< 1 100℃)的特征之一(Boyd, 1989).

图  7  铬铁矿在2种橄榄岩中均显示高100 Cr/(Cr+Al), 石榴石橄榄岩比不含石榴石橄榄岩有相对高的100 Mg/(Mg+Fe²⁺), 但两者都落在已知构造区外

Fig.  7.  Chromite in both Grt- and GF-peridotite shows high 100 Cr/(Cr+Al), the former has relatively high 100 Mg/ (Mg+Fe²⁺)than the latter, and both are plotted away from tectonically known region

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4.4   铬铁矿和铬尖晶石

铬铁矿或铬尖晶石在2种橄榄岩中都是重要的伴生矿物.它们通常以包裹体的形式出现在Ol、Opx、Cpx和Grt中.铬铁矿的分析数据见表 5.铬铁矿的分子式计算是按照3个阳离子, 它们需要相当数量的3价铁离子来保持电价平衡.

铬铁矿是以高含量的Cr₂O₃和FeO为特征.石榴石橄榄岩中的铬铁矿含Cr₂O₃49%~58%, FeO 33%~43%;不含石榴石橄榄岩中铬铁矿的Cr₂O₃49%~52%, FeO 24%~26%.2种橄榄岩中铬铁矿的Al₂O₃含量都很低, 分别是3%~9%和2%~4%.铬铁矿也有较高的Cr× 100/(Al+Cr)比值(76~99)和较低的Mg^#(0.21~0.35), 主要由4种组分组成: FeCr₂O₄、MgCr₂O₄、Fe₃O₄、MgAl2O4. 也有一些(FeMg)Cr₂O₄和Fe₃O₄之间的过渡组分, 其中磁铁矿的含量变化区间为40%~60%.这些都是次生相, 主要产在被金云母和绿泥石交代的石榴石中.在100 Mg/(Mg+Fe²⁺)和100 Cr/(Cr+Al) 比值的变异图中, 2种类型橄榄岩的铬铁矿数据的投影点都远离蛇绿岩超镁铁岩区, 而靠近富铁的Alpine型橄榄岩(图 8).铬铁矿的颗粒在2种橄榄岩中都未见到成分的环带现象.

图  8  石榴石橄榄岩中变斑晶石榴石(Lg-Grt)和等粒石榴石(Sm-Grt)的组分是变化的, Sm-Grt比Lg-Grt有相对高的Cr₂O₃和相对低的Al₂O₃、MgO、SiO₂含量

Fig.  8.  Compositions of porphyroblastic garnet(Lg-Grt) and equigranular garnet(Sm-Grt)in Grt-peridotite are varied, the Sm-Grt have relatively higher contents of Cr₂O₃and lower contents of Al₂O₃, MgO and SiO₂than Lg-Grt

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4.5   含水相矿物和碳酸岩

在芝麻坊橄榄岩体中, 金云母是主要含水矿物. 其特征是高MgO(24.95%~26.15%;Mg/(Fe+Mg)= 0. 95), 低FeO(2. 02%~2. 66%)和TiO₂(0.04%~0.12%).在石榴石-金云母-角闪石岩脉中的金云母与橄榄岩中的金云母相同, 但岩脉中的金云母有稍高一些的FeO(3.04%)和低比值的Mg/(Mg+Fe)(0.94).

钛斜硅镁石在地幔中是一种密集的含水镁硅酸岩(Thompson, 1992), 它在深度150~300 km(5~ 10 GPa)和温度在700~1 100℃(Ahrens, 1989)时稳定.橄榄岩中钛斜硅镁石中TiO₂的含量变化于1.96%~3.58%之间, 其中TiO₂的含量最高的钛斜硅镁石(4. 82%~7. 19%)和钛粒斜硅镁石(7.57%~8.62%)是作为出溶晶片产出在粗粒石榴石的一个透辉石包裹体中(许志琴等, 2003).钛斜硅镁石的(Mg+Fe+Ti)/Si比值是2.22, 略低于典型钛斜硅镁石的统计数据, 矿物中没有测到F成分.

4.6   菱镁矿

菱镁矿作为大斑晶或细小基质存在于数个橄榄石的样品中.很多大斑晶中通常含有金云母包裹体, 少数含有钛斜硅镁石包裹体.菱镁矿中几乎不含钙(CaO 0.06%~0.23%), 但有较高的Mg/(Mg+Fe)比值(0.93~0.95).矿物的边缘由白云石±方解石的集合体组成, 可能由减压作用形成.退变白云石含有0.76%~0.89%的FeO, 方解石含有少量的MnO(1.25%)和MgO(1.61%).

4.7   退变角闪石

替代石榴石的退变角闪石成分与替代透辉石的退变角闪石成分不同.石榴石的次变边含有的角闪石具有较高的Mg/(Mg+Fe)比值(0.91~0.95), Ca的含量小于1.5.替代透辉石的是透闪石, 其中FeO和Na₂O含量很小(< 0.3%).替代石榴石的次生绿泥石含有少量Cr₂O₃, 有时达2.0%(样品C34-151-74).

5.   计算岩石生成的温压(p-T)条件

确定橄榄岩的p-T峰值条件是一件困难的事情, 因为矿物的组分在退化变质过程中被改变.我们用来做分析的许多岩心样品都较新鲜, 它们的原生矿物成分组合可能被保存或仅有轻微改变.这给我们提供了用Grt-Cpx地质温度计(Powell, 1985; Ravna, 2000)、Grt-Opx地质温度计(Harley, 1984)、Grt-Ol地质温度计(O'Neill and Wood, 1979)和Al-in orthopyroxene地质温度计(Nickel and Green, 1985; Brey and Köhler, 1990)来重建p-T峰值条件的机会.以此为目的, 我们假设所有在Ol、Grt、Opx和Cpx的Fe都是Fe²⁺.因为Fe³⁺的含量在橄榄岩中可以忽略不计.斜方辉石在M1 and M2位置的所有阳离子被标准化到1.温度和压力计算分别采用压力3、4、5和6 GPa, 温度700、800、900和1 000℃, 数据见p-T直方图(表 6, 图 9).

表  6  CCSD-PP1石榴石橄榄岩的变质温压条件计算

Table  Supplementary Table   Metamorphic p-T conditions of PP1 garnet peridotites

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图  9  芝麻坊超镁铁岩体中石榴石橄榄岩和不含石榴石橄榄岩的p-T条件计算

左上角字母是参考文献中作者; 数字分别是获得的温度(℃)和压力(105 kPa); 详细计算结果参见表 6

Fig.  9.  Calculated p-T condition for Grt-and GF-peridotite from the Zhimafang ultramafic body

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根据Grt-Cpx温度计, 当压力在4 GPa时计算出岩心的平衡温度为835~920℃(Powell, 1985) 和850~980℃(Ravna, 2000).去掉其最高值和最低值, 单一样品颗粒边部较核部温度低20~30℃. 但这些数据高于用Grt-Opx(Harley, 1984)和Grt-Ol(O'Neill and Wood, 1979)地温计测得的数据, 它们分别是715~870℃和612~840℃.增加压力使得温度随之上升, 根据不同地温计的使用, 其上升率为~30~60℃ /1 GPa(图 8).

为了获得岩心的平均压力和温度, 数据中最高值和最低值被排除.平均压力值是采用Nickel and Green(1985)以及Brey and Köhler(1990)的方法获得. 应用Harley(1984)地温计和上述压力平均值, 获得矿物核部的温度为860~920℃, 压力6.5~7.5 GPa, 边部温度645~785℃, 压力3.0~4.9 GPa; 应用Powell (1985)地温计p-T条件估算的核部温度900~ 970℃, 压力5.8~7.1 GPa, 边部温度810~865℃, 压力4.2~5.6 GPa.用O'Neill and Wood(1979)地温计获得的结果相似, 核部温度750~1 060℃, 压力8.1 GPa, 边部温度650~780℃, 压力4.0~4.9 GPa. 根据所有数据的平均值, 我们对p-T峰值条件的最好估算为温度850~1 000℃, 压力6.0~7.5 GPa, 证明芝麻坊橄榄岩体的重结晶是在地热梯度很低(≤ 5℃ /km)的俯冲带.

6.   讨论

根据以上研究, 芝麻坊超镁铁岩体由互层状的石榴石橄榄岩和不含石榴石橄榄岩组成.它们属于亏损地幔岩石, 主元素Mg^#为0.91~0.92, REE和LILE富集.岩石经历了几次地质事件, 在p-T条件的计算中没有见到进变质现象, 获得压力达到5~7 GPa.在本节中我们将讨论在文章开始时提出的2个基本问题: (1)芝麻坊超镁铁岩体最初从哪里来？(2)这个超镁铁岩体与中生代时期扬子板块和北中国板块的俯冲有没有成因关系？

6.1   芝麻坊超镁铁岩体的来源

Zhang R Y et al.(2005)报道来自芝麻坊超镁铁岩体中锆石220 Ma的U-Pb年龄数据, 代表UH- PM的变质峰期, 此年龄数据可与来自威海橄榄岩中含柯石英的锆石的UHP变质峰期的年龄(221 Ma)对比(Yang et al., 2003).但是, 芝麻坊橄榄岩中新获得的锆石的Hf同位素成分表明石榴石橄榄岩的原岩的年龄至少在中元古代(TDM模式年龄1.4 Ga)(Zheng et al., 个人通讯).这一解释得到了橄榄岩中Os同位素数据的支持, 进一步证实该橄榄岩属于一个古地幔(> 1 Ga), 岩石的同位素特征表明这些岩石代表大陆地幔楔而不是与俯冲的海洋岩石圈伴随的地幔(Widom, 个人通讯).

根据全岩MgO-FeO成分(去除挥发分, 将FeO作为全铁), 芝麻坊石榴石橄榄岩可能经历了20%~ 30%部分熔融, 而不含石榴石橄榄岩经历了35%~ 45%部分熔融(Boyd and Kohler, 1990)(图 10), 说明2种岩石各自经历了不同程度的部分熔融.我们注意到石榴石橄榄岩和不含石榴石橄榄岩具有相同的大于5 GPa的熔融压力(或深度), 与根据平衡矿物组合p-T条件计算获取的UHP变质峰期压力5~7 GPa(Zhang et al., 2000)以及本文的计算可以对比.然而, 我们认为这一压力数据仅代表了岩石所达到的深度, 不一定代表UHP变质峰期的p-T条件, 因为在这些岩石中还没有发现UHP变质的直接证据, 相反, 由于所记录的压力数据是来自部分熔融, 它可能代表俯冲板片折返时的下降压力.

图  10  芝麻坊橄榄岩全岩MgO-FeO关系(Boyd et al., 2004)

熔融曲线表示在不同压力下被熔融成分的百分比(10%的间隔), 以GPa为单位(从1~7 GPa; Walter, 1998)

Fig.  10.  Bulk rock MgO-FeO relations for the Zhimafang peridotite

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6.2   互层状的石榴石橄榄岩和不含石榴石橄榄岩是如何形成的？

石榴石橄榄岩和不含石榴石橄榄岩2种岩石在化学成分上显示了规律性变化.石榴石橄榄岩比不含石榴石橄榄岩有明显的高Al₂O₃(> 1%)和CaO (0.6%~1.6%)含量、较高的SiO₂和较低的MgO (40%~45%).另外, 石榴石橄榄岩有较高丰度的Sc、Ba、Sr和V, 但2种岩石具有相同丰度的Cr、Ni、和Ti.它们也具有非常相同的球粒陨石标准化REE模式、LREE轻微富集和相同的REE含量总和.2种橄榄岩的[Tb/Yb]N比值都大于1, 不含石榴石橄榄岩的平均比值为2.23;而石榴石橄榄岩为1.79, 通常表明石榴石不属于残留相(Yang et al., 1998).

实验数据表明在高温下Al₂O₃将保留在斜方辉石岩中, 随着温度降低, Al₂O₃将出溶而形成石榴石和单斜辉石.这种从斜方辉石中出溶石榴石和斜方辉石在南非的高温方辉橄榄岩中(Cox et al., 1987)和其他造山带中被证实(Obata and Morten, 1987).由于粒状石榴石仅与顽火辉石而不是Cpx相伴生, 我们提出芝麻坊橄榄岩中斜方辉石的高En和低含量的Al₂O₃和CaO反映石榴石从原高温斜方辉石中出溶.这种出溶可能源于无水橄榄岩固结线区, 压力大约在40× 10⁵~80× 10⁵ kPa(Yamada and Takahashi, 1984).在靠近无水橄榄岩固结线或其上的高温区是一个合适的p-T区间, 该区间是石榴石橄榄岩之前的方辉橄榄岩源区, 而且该区间的压力被认为与石榴石橄榄岩形成的压力是可对比的(Cox, 1987).重结晶、变质和变形作用可能掩盖了出溶结构, 但芝麻坊橄榄岩的矿物和岩石组合表明它是方辉橄榄岩型亏损地幔原始组合, 即在岩石中斜方辉石和橄榄石是仅有的原生矿物.

石榴石橄榄岩和不含石榴石橄榄岩有不同的化学成分和矿物组合, 但形成的p-T条件基本相同. 因此, 我们认为呈互层状2种类型的橄榄岩是由于原始方辉橄榄岩部分熔融的结果.

6.3   理论上的原始斜方辉石

表 7给出了原生方辉橄榄岩中理论斜方辉石的成分, 该成分得自石榴石橄榄岩中斜方辉石岩的粒状石榴石.这里采用了石榴石橄榄岩中的22个Opx和42个石榴石分析数据的平均值, 来计算位于无水橄榄岩固结线附近方辉橄榄岩源区中的理论斜方辉石.在表 7中, 黑体6.00和7.00表示6份Opx和1份石榴石中能够产生理论柱3的Opx, 7份Opx和1份石榴石中能够产生理论柱4的Opx, 认为理论柱3和4的Opx有可能代表先于石榴石二辉橄榄岩相的斜方辉石.

表  7  计算得出的理论上斜方辉石的成分

Table  Supplementary Table   Weight percent analyses of theoretical orthopyroxenes

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6.4   芝麻坊超镁铁岩体和中生代俯冲作用的关系

石榴石橄榄岩和不含石榴石橄榄岩中矿物的氧同位素数据证明芝麻坊超镁铁岩体是一地幔岩块, 没有地壳岩石混染(Zhang Z M et al., 2005).15个样品分析, 包括Grt、Opx、Cpx和Ol分离矿物, 获得δ¹⁸O‰平均值为5.75‰, 标准误差为0.3‰.这些数值与地幔包体和巨晶没有区分, 说明石榴石橄榄岩可能来源于克拉通岩石圈下的富集地幔源, 而非对流地幔.

然而, 芝麻坊石榴石橄榄岩锆石年龄的重要意义还不确定, 尽管该年龄受苏鲁地区超高压变质带中变质作用的影响.芝麻坊岩体中的锆石记录了这一事件, 但不同于威海超镁铁岩体中的超高压变质锆石, 这些锆石的变质边缘中含有柯石英和绿辉石包体, 其年龄数据在220 Ma(Yang et al., 2003), Th/U小于0.1, 表明与俯冲作用相关的流体参与到岩石中. 芝麻坊超镁铁岩体中的锆石含有Ol、Opx、Cpx、Ti- Chu和Apt包体, 与橄榄岩中的矿物相同, 通常具有高Th/U比值0.2~0.8, 这在变质锆石中不常见(Katayama et al., 2001; Liu et al., 2004).因此, 我们认为这些锆石在不同于威海超镁铁岩体的生成条件下形成, 即岩石中没有俯冲流体加入, 而是在高温条件下的板块俯冲和碰撞环境中形成.另外, 它们可能是古的继承性锆石, 正如同位素数据和CL影像所显示环带构造那样(Zhang R Y et al., 2005).

7.   结论

苏鲁UHP超高压变质带中的芝麻坊超镁铁岩体是一个不寻常的地幔块, 由高度亏损的橄榄岩组成, 但因地幔交代作用而富集REE和LILE.岩体由交替出现的石榴石橄榄岩和不含石榴石橄榄岩层组成, 2种类型的岩石形成的p-T条件相同.2种岩性分层现象可能反映发生在中元古代部分熔融的差异.橄榄岩中锆石220 Ma的U-Pb同位素年龄记录了扬子板块和北中国板块碰撞, 但此年龄也许并不代表岩石UHP变质峰期的年龄, 而可能记录了俯冲带中地幔楔的碎块从深部折返时的年龄.我们认为石榴石的形成可能不是由于俯冲变质作用, 有可能当岩石从地幔深部上升过程中从斜方辉石中出溶石榴石.因此, 它可能记录了岩石演化过程中的一个单独阶段.