巖石礦物學演化過程探索范文

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作者：張賀張招崇單位：中國地質大學地質過程與礦產資源國家重點實驗室

根據北塔山組火山巖的總體分布的規律，噴發旋回由下到上依次為苦橄巖、富輝橄玄巖、玄武巖、安山巖，是超基性-基性-中性的一套火山巖系列。本文所研究的富輝橄玄巖位于第一巖性段的頂部，其厚度為5～10m。富輝橄玄巖上覆第二巖性段的無斑玄武巖和輝斑玄武巖的互層，總厚度很大，是組成北塔山組的主要巖石類型。本文所研究的玄武巖是第二巖性段的輝斑玄武巖。

巖相學特征

富輝橄玄巖是一種富輝石斑晶的高鎂火山巖(MgO＞12%)，呈斑狀結構(圖3)，斑晶為單斜輝石和少量斜長石，1～2mm的斑晶約占總量的10%～20%，＜1mm的斑晶約占總量的15%～20%;基質主要由斜長石和輝石的微晶組成，約占總量的70%，基質均呈交織結構或拉斑玄武結構，有輕微的綠泥石化;基質中分布有少量橄欖石和金屬礦物。橄欖石質量分數約5%，呈半自形，近三角形或近四邊形，無扭折帶，粒徑1mm左右。

玄武巖呈斑狀結構(圖2)，其斑晶顆粒比富輝橄玄巖中礦物顆粒小很多，但基質的礦物顆粒則比富輝橄玄巖大。單斜輝石和斜長石大斑晶(粒徑0.3～0.7mm)約占總量的30%，小斑晶(粒徑＜0.3mm)約占總量的55%，單斜輝石和斜長石質量分數比例約為6∶4;基質主要由斜長石和輝石的微晶組成，約占總量的10%;基質中見少量橄欖石小顆粒，晶體形態不規則，無扭折帶，粒徑0.2mm左右。金屬礦物約占總量的5%，呈渾圓狀。

礦物的化學成分及特征

單斜輝石和橄欖石的電子探針分析在中國地質大學(北京)地學實驗中心EPMA-1600型電子探針儀上進行的，工作條件為加速電壓15kV、電流1×10-8A，束斑1μm，ZAF修正法。其中氧化物質量分數的單位為wB/%，“-”代表低于檢測限，陽離子的計算以6個氧原子的輝石和6個氧原子的橄欖石為基準。

1單斜輝石

富輝橄玄巖和玄武巖中的輝石均為單斜輝石，未見斜方輝石，其電子探針分析結果列于表1。富輝橄玄巖中單斜輝石表現出高Al2O3、MgO、Na2O和低CaO的特征，而玄武巖中單斜輝石則表現為高CaO和低Al2O3、MgO、Na2O。

根據Morimoto等提出的輝石分類命名方案對單斜輝石進行分類(圖4)，富輝橄玄巖中的單斜輝石除一個點落在頑火透輝石區，其它均為普通輝石和次鈣普通輝石;玄武巖中的單斜輝石除一個點落在頑火透輝石區，其它均為透輝石。根據其化學成分特征，本文將富輝橄玄巖中單斜輝石稱為高MgO輝石，玄武巖中單斜輝石稱為高CaO輝石。

2橄欖石

橄欖石主要呈斑晶產出，部分橄欖石斑晶從中心到邊緣的多個探針點，未發現明顯的環帶現象，分析討論主要用橄欖石核部數據(表2)。分析結果表明，玄武巖中的橄欖石比富輝橄玄巖相對富MgO，前者橄欖石Fo質量分數為85.4%～88.0%，而后者為79.2%～82.0%。但所有橄欖石的CaO質量分數均較低，為0.01%～0.21%。

討論

1單斜輝石結晶條件

在應用地質溫壓計時，不論是礦物-礦物溫壓計，還是礦物-熔體溫壓計，都要注意反應是否平衡的問題，因為地質溫壓計是建立在平衡反應的基礎上的，如果反應不平衡，則計算結果可能與真實值之間產生較大的偏差。單斜輝石形成時是否與熔體平衡是一個關鍵的問題。Irving等和Li-otard等認為，當KdFe-MgCpx-melt在0.2～0.4之間時，單斜輝石和熔體之間是平衡的。對富輝橄玄巖和玄武巖的單斜輝石-熔體的平衡常數計算結果表明，大部分單斜輝石-熔體平衡常數在0.2～0.4之間，這說明大部分單斜輝石形成時是與熔體平衡的。本文應用Putirka的單斜輝石-熔體平衡溫壓計計算單斜輝石的形成溫度和壓力。單斜輝石數據采用本文數據，全巖數據采用Zhangetal.的全巖數據。計算得到單斜輝石-熔體平衡溫度和壓力結果列于表3，并按108Pa=3.3km估算了單斜輝石的形成深度。除去平衡常數過高或過388低的數據，富輝橄玄巖中單斜輝石(1-1-1到1-3-4)的溫度范圍是1343～1457℃，壓力范圍是(8.4～15.6)×108Pa，深度范圍是28～51km;玄武巖中單斜輝石(4-2-1到4-2-5)的溫度范圍是1158～1183℃，壓力范圍是(9.8～12.6)×108Pa，深度范圍是32～42km。

2橄欖石的結晶溫度

計算得到橄欖石-熔體之間的Fe-Mg平衡常數KdFe-MgOl-melt在0.30～0.37之間，大部分在0.30～0.34的平衡范圍內，因此大部分橄欖石-熔體反應是平衡的。本文應用夏林圻的橄欖石地質溫度計，計算得到的橄欖石結晶溫度列于表4。公式為T=［11.253–ln(K1/K2)］×104/66.388。K1=Fo/Fa，K2=Mg2+/Fe2+，Fo、Fa、Mg2+、Fe2+均是橄欖石以四個氧原子為基準計算得到的。除去平衡常數過高的數據，富輝橄玄巖中橄欖石(1-1-4到1-3-11)的結晶溫度為1372～1384℃，玄武巖中橄欖石(3-1-1到4-4-2)的結晶溫度為1295～1320℃。

3單斜輝石的形成條件

玄武巖中單斜輝石的Al2O3質量分數范圍是1.35%～5.58%，屬于玄武巖單斜輝石的正常范圍(1%～5%)。而富輝橄玄巖中單斜輝石的Al2O3質量分數異常高，除一個點為2.37%，其它均高于5%，最高達11.23%。單斜輝石的Al2O3的質量分數與壓力的大小關系較為密切，Kushi-ro與Thompson的研究表明，在高壓條件下，Al易于以AlVI成Ca質契爾馬克分子進入單斜輝石中，在低壓條件下，Al易于以AlIV代替Si進入斜長石。作出AlVI-P(壓力)圖解(圖5)，富輝橄玄巖和玄武巖中單斜輝石中AlVI質量分數均與結晶壓力呈正相關，說明壓力確實是影響單斜輝石Al2O3質量分數的主要因素。

單斜輝石作為玄武質巖漿的產物，有2種情況可能造成高Al2O3:①深部結晶的高壓單斜輝石巨晶;②噴出地表過冷卻結晶的單斜輝石微晶。對于單斜輝石巨晶，由于高壓造成這種高Al2O3質量分數的現象稱為“Thompson效應”。

而對單斜輝石微晶而言，導致高Al2O3的原因是快速淬火造成的“假高壓效應”。顯然富輝橄玄巖中單斜輝石斑晶的高Al2O3不屬于第二種單斜輝石微晶的情況，結合富輝橄玄巖較高的結晶溫度和壓力(1343～1457℃，8.4×108Pa～15.6×108Pa)以及富TiO2貧CaO的特點，認為富輝橄玄巖中的高Al2O3單斜輝石來源于深部，但這些單斜輝石的粒徑(＜2mm)達不到巨晶的程度，對這一問題的解釋有2種可能:一是單斜輝石巨晶在巖漿上升過程中，隨著壓力減小溫度降低而發生破碎;二是巖漿在深部滯留時間較短，未能形成巨晶就隨巖漿一同上升。在鏡下觀察單斜輝石晶體具有較完整的晶型，沒有明顯的破碎現象，說明富輝橄玄巖中的單斜輝石可能屬于第二種情況，而且短期、快速的巖漿上升與富輝橄玄巖較薄的厚度也是相符合的。

單斜輝石的Na2O質量分數變化范圍很大，在0.1%～2.07%之間。Deer等綜合前人數據認為堿性系列玄武巖中單斜輝石斑晶Na2O質量分數平均為0.55%，拉斑玄武巖中單斜輝石斑晶Na2O質量分數平均為0.35%。本文玄武巖中單斜輝石的Na2O質量分數屬于平均水平，而富輝橄玄巖中單斜輝石Na2O質量分數均高于平均水平。有些學者認為單斜輝石高Na2O是因為經歷了多期交代作用，也有人認為高壓是造成單斜輝石高Na2O的原因。在Na2O-P(壓力)的圖解(圖6)中可以發現，單斜輝石的Na2O質量分數與壓力呈良好的正相關，富輝橄玄巖中單斜輝石的高Na2O可能與其高壓的形成環境有關。但是由于沒有單斜輝石高Na2O質量分數與壓力相關性的獨立實驗或巖石物理化學證據，所以并不能排除與壓力有函數關系的其它參數或巖漿成分對Na2O質量分數的影響。玄武巖中單斜輝石屬于典型玄武巖中單斜輝石斑晶(透輝石)，結合玄武巖中單斜輝石較低的結晶溫度和壓力(1158～1183℃，9.8×108～12.6×108Pa)，認為玄武巖中單斜輝石是在淺部巖漿房中的結晶產物。

4橄欖石的形成條件

Ca是橄欖石中一種比較重要的元素。一般認為CaO的質量分數可以作為判斷橄欖石是斑晶還是捕虜晶的依據，火山巖橄欖石斑晶CaO質量分數一般在0.1%以上，而地幔橄欖巖中橄欖石的CaO質量分數一般在0.1%以下。本文所研究的橄欖石的CaO質量分數范圍是0.01%～0.21%。橄欖石電子探針分析結果(表3)顯示，大部分橄欖石的CaO質量分數在0.1%以下，在23個樣品中有12個樣品的CaO低于檢測限。橄欖石的CaO在電子探針分析所取得數據的精度不足，用質子探針分析取得的數據才能滿足對Ca的精度要求。因此并不能簡單的以CaO質量分數來判斷橄欖石來源。

富輝橄玄巖和玄武巖中的橄欖石的結晶溫度相差不大，從表4中可見，橄欖石的結晶溫度在1295～1392℃之間，富輝橄玄巖中橄欖石的形成溫度略高于玄武巖中的，但溫差在100℃以內，二者均處于典型玄武巖橄欖石斑晶的結晶溫度范圍;鏡下觀察顯示，橄欖石顆粒較小(均＜1mm)，不存在扭折帶，且其形態為三角形、四邊形和不規則形;部分橄欖石從邊緣到核心的一系列探針數據并不存在明顯差異。根據以上三點依據，判斷橄欖石是斑晶，而非捕虜晶。在超基性-基性巖石的研究中，常以橄欖石的富鎂程度來推測巖石的基性程度。然而本文出現橄欖石w(Fo)大小與巖石基性程度相反的情況，富輝橄玄巖中w(Fo)為79.2%～82.0%，玄武巖中w(Fo)為85.4%～88.0%，富輝橄玄巖MgO質量分數為15.74%，玄武巖MgO質量分數為9.53%。前人曾對橄欖石-熔體的Fe-Mg分配做過深入的研究。這些研究表明在玄武質巖漿體系中，壓力對Kd的影響很小，Kd受溫度、SiO2活度的綜合影響，SiO2活度可以由SiO2/Al2O3定性的表示。在同等條件下，Kd與溫度正相關，與a(SiO2)正相關。因此，相同MgO質量分數的熔體中，Fo與溫度負相關，與SiO2活度負相關。而在相同溫度和SiO2活度條件下，熔體MgO質量分數越高，橄欖石Fo越高。而在巖漿結晶過程中，溫度、SiO2活度和熔體MgO質量分數都是動態變化的，各種因素可能疊加或抵消，因此巖石的基性程度與橄欖石的Fo并非簡單的正相關關系。

5巖漿的演化過程

5.1與橄欖石平衡的熔體

根據張招崇等［38］的研究，可以用橄欖石-熔體平衡計算出與橄欖石斑晶相平衡的早期巖漿成分。因為在橄欖石結晶之前，原始巖漿可能已經發生了演化(見后文討論)，計算得到的熔體成分暫且不稱之為原始巖漿，而稱之為早期巖漿。計算得到的早期巖漿成分和計算所選取的代表性全巖成分列于表5。

5.2礦物結晶順序

前人曾通過實驗巖石學方法對玄武質巖漿的成巖過程進行過研究［39-46］。實驗巖石學證據表明，玄武質巖漿的主要成分(SiO2、Al2O3、TFeO、MgO、CaO)的變化對巖漿演化的影響很大。例如在周珣若等的實驗研究中，高鎂玄武質巖漿隨著SiO2質量分數的上升，首先結晶的礦物從橄欖石變為單斜輝石;高鋁玄武質巖漿首先結晶的礦物為斜長石。因此在研究巖漿演化過程時，不能只根據物理化學條件(溫度、壓力、氧逸度等)代入某個實驗巖石學模型，還要考慮到巖漿成分的影響。前文根據橄欖石-熔體平衡計算出了與橄欖石斑晶相平衡的2種巖石的早期巖漿成分。隨著巖漿的演化，橄欖石的Fo逐漸降低，計算過程中所選取的橄欖石是Fo最高的橄欖石，這就保證了計算得到的熔體成分更接近橄欖石最早結晶時的熔體成分。以下對富輝橄玄巖和玄武巖的橄欖石和輝石的結晶過程進行詳細的討論。

富輝橄玄巖中橄欖石Fo最高為82，與之相平衡的熔體MgO質量分數為8.15%，而其全巖MgO質量分數為15.74%。如果與橄欖石平衡的熔體是原始巖漿，那么富輝橄玄巖的原始巖漿在橄欖石結晶后必然加入了另外的富MgO物質，否則全巖成分不可能比原始巖漿更富MgO。富輝橄玄巖加入的富MgO組分有2種推測:一是下部更基性的巖漿;二是上一期巖漿結晶分異的富MgO礦物。北塔山組火山巖由下而上依次為苦橄巖、富輝橄玄巖、玄武巖、安山巖，是超基性-基性-中性的一套火山巖系列，然而由于這些火山巖是溢流相，最下層的苦橄巖是最早噴發成巖的，依次類推。因此這一套火山巖系列對應的巖漿系列從早到晚是超基性-基性-中性，富輝橄玄巖下部不可能有更基性的巖漿，排除第一種推測。富輝橄玄巖中橄欖石與先期形成的苦橄巖中橄欖石成分非常相近，從這一點來看，苦橄巖中橄欖石加入富輝橄玄巖可以解釋MgO質量分數8.15%的原始巖漿形成MgO質量分數15.74%的富輝橄玄巖。然而由于富輝橄玄巖和玄武巖兩種巖石中橄欖石和單斜輝石截然不同的成分，說明富輝橄玄巖的原始巖漿結晶的礦物沒有參與玄武巖的成巖過程，玄武巖所代表的演化巖漿全部來源于原始巖漿結晶分異后所剩余的熔體相。也就是說，以MgO質量分數8.15%的熔體演化出MgO質量分數13.07%的熔體(與玄武巖中橄欖石平衡的熔體)，這顯然是無法實現的，這樣一來，第二種推測也無法成立。依據以上推理，與富輝橄玄巖中橄欖石平衡的熔體不是原始巖漿，富輝橄玄巖的原始巖漿在形成橄欖石之前發生了演化。

根據富輝橄玄巖中單斜輝石的結晶溫壓(1343～1457℃，8.4×108～15.6×108Pa)和橄欖石溫度范圍(1372～1384℃)，推測富輝橄玄巖在橄欖石結晶之前，已有大量單斜輝石結晶。大量單斜輝石的結晶使原始巖漿發生演化，熔體的MgO降低(8.15%)，2種巖石SiO2/Al2O3比較接近(3.5和3.3)，較高的溫度和較低的熔體MgO質量分數造成了富輝橄玄巖中橄欖石的Fo較低(＜82%)。前文提到苦橄巖結晶分異的橄欖石可能加入了富輝橄玄巖體系，在全巖成分確定的前提下，屬于苦橄巖體系的橄欖石的加入必然會導致原始巖漿MgO質量分數的計算值以富輝橄玄巖全巖的MgO質量分數(15.74%)為基礎降低，而原始巖漿的MgO質量分數不能低于演化巖漿的MgO質量分數(13.07%)，因此即使苦橄巖體系的橄欖石對富輝橄玄巖成巖有貢獻，也不可能太多。作為大體上獨立的體系，富輝橄玄巖可以代表原始巖漿的成分。

玄武巖中橄欖石Fo最高為88，與之相平衡的熔體MgO質量分數為13.07%，其全巖成分MgO質量分數為9.53%。玄武巖全巖成分比與橄欖石平衡的熔體貧MgO，玄武巖在橄欖石結晶后失去了富MgO組分。玄武巖的早期巖漿成分相當于原始巖漿在形成富輝橄玄巖后的演化巖漿，由于富輝橄玄巖消耗原始巖漿較少(富輝橄玄巖厚度較小)，原始巖漿發生演化的程度較低(MgO質量分數由15.74%演化為13.07%)。由于礦物成分的明顯差異，可知富輝橄玄巖體系中的礦物并未參與玄武巖的成巖過程，玄武巖的礦物來源于演化巖漿，在橄欖石結晶后，玄武巖體系失去的富MgO組分是演化巖漿分離結晶的橄欖石。根據質量平衡原理計算玄武巖分離結晶了約10%Fo為88.0的橄欖石。

根據玄武巖中單斜輝石的結晶溫壓(1158～1183℃，9.8×108～12.6×108Pa)，橄欖石溫度范圍(1295～1320℃)，判斷玄武巖中橄欖石優先于輝石晶出。玄武巖是演化巖漿的產物，與玄武巖中橄欖石平衡的熔體成分代表了演化巖漿的成分。

5.3PELE巖漿演化模擬

PELE是AlanE.Boudreau根據Ghiorso和Sack的模型和數據庫設計的巖漿結晶模擬軟件。本文對兩種巖石進行了巖漿演化模擬。由于本文重點在于橄欖石和輝石，模擬過程未涉及斜長石等其它礦物的結晶。單斜輝石(En)相當于富輝橄玄巖中的高MgO單斜輝石，單斜輝石(Di)相當于玄武巖中的高CaO單斜輝石。

在前文討論中，富輝橄玄巖中的富MgO單斜輝石可能早于橄欖石結晶。巖漿結晶模擬之前分別得到兩種巖石中橄欖石和輝石的液相親和度相等且為0的壓力，劃分出橄欖石和單斜輝石(En)首先結晶的區間。改變初始壓力p，利用“FindLiquidusT”選項計算液相線溫度和礦物的液相親和度(LiquidusAffinity，后文簡稱為LA)。壓力為11.2×108Pa時，富輝橄玄巖的液相線溫度是1530℃，橄欖石和單斜輝石(En)的LA為0。壓力大于11.2×108Pa時，橄欖石的LA大于單斜輝石(En);壓力小于11.2×108Pa時，橄欖石的LA小于單斜輝石(En)。壓力為15.1×108Pa時，玄武巖的液相線溫度是1510℃，橄欖石和單斜輝石(En)的LA為0。壓力大于15.1×108Pa時，橄欖石的LA大于單斜輝石(En);壓力小于15.1×108Pa時，橄欖石的LA小于單斜輝石(En)。富輝橄玄巖中橄欖石的首晶區低于11.2×108Pa，單斜輝石(En)的首晶區高于11.2×108Pa。玄武巖中橄欖石的首晶區低于15.1×108Pa，單斜輝石(En)的首晶區高于15.1×108Pa。在玄武巖的初始巖漿成分條件下，沒有找到單斜輝石(Di)的LA為0的溫度和壓力，也就是說玄武巖的初始巖漿成分不能結晶出單斜輝石(Di)。然而這只是在初始成分條件下液相線附近的首晶區，隨著巖漿成分的演化和物理化學條件的變化，礦物的LA和首晶區也隨之動態變化。

以富輝橄玄巖的全巖成分(即原始巖漿的成分)作為初始巖漿的成分，設置初始狀態為1450℃和15.6×108Pa，終止狀態為1350℃和8.4×108Pa，進行等容降溫降壓，模擬過程如下:(15.6～12.7)×108Pa:在單斜輝石(En)的首晶區，單斜輝石的LA為0，橄欖石的LA從1000開始逐漸減小。該階段結晶了大量的單斜輝石(En)。(12.7～8.4)×108Pa:由于巖漿成分發生演化，橄欖石和單斜輝石(En)的首晶區界限從11.2×108Pa移動到12.7×108Pa。12.7×108Pa時，橄欖石和單斜輝石(En)的LA相等且為0，之后二者與熔體保持動態平衡，其LA保持為0一直到8.4×108Pa。在這一階段同時結晶Fo小于82的橄欖石和單斜輝石(En)。

以與玄武巖中橄欖石平衡的熔體成分(即演化巖漿的成分)作為初始巖漿的成分，設置初始狀態為1350℃和12.6×108Pa，終止狀態為1150℃和9.8×108Pa，進行等容降溫降壓，模擬過程如下:(12.6～10.6)×108Pa:橄欖石的LA為0，單斜輝石(En)的LA為正，且不斷增大。該階段主要的結晶礦物是Fo在87左右的橄欖石。與此同時，單斜輝石(Di)的LA從5900逐漸下降至0。(10.6～9.8)×108Pa:橄欖石和單斜輝石(Di)的LA相等且為0，單斜輝石(Di)大量結晶，橄欖石結晶較少。

以上巖漿結晶模擬的結果與礦物結晶順序的討論(4.5.2)非常吻合。所以筆者對巖漿演化過程進行如下解釋:來源于上地幔拉斑玄武系列的原始巖漿(MgO質量分數15.74%)在上升至40～50km后，物理化學條件的改變導致高MgO單斜輝石大量結晶，并伴隨快速上升的巖漿進入巖漿房;由于先前高MgO單斜輝石的大量結晶，富輝橄玄巖體系的熔體成分發生變化，MgO質量分數降低(MgO質量分數8.15%)，在巖漿房中結晶了Fo為79.2～82.0的橄欖石和少量的斜長石斑晶;最終噴出地表形成了富輝橄玄巖。由于富輝橄玄巖中礦物成分具有連續變化的特點，結合富輝橄玄巖較小的厚度，富輝橄玄巖成巖反映的是少量巖漿自深部短期內快速上升的階段。

原始巖漿在形成富輝橄玄巖后，形成了輕度演化的巖漿(MgO質量分數13.07%)。演化巖漿相對于原始巖漿富Al2O3和全堿、輕微貧MgO，富輝橄玄巖相對玄武巖較小的厚度符合這種輕度演化的特點。玄武巖成巖階段，橄欖石作為首晶礦物優先從輕度演化的巖漿中結晶，其Fo為85.4～88.0;之后在巖漿房先后結晶了橄欖石、高CaO單斜輝石、斜長石斑晶;最終噴出地表形成了玄武巖。由于玄武巖中礦物成分集中的特征，結合玄武巖較大的厚度，玄武巖成巖反映的是大量巖漿在巖漿房滯留-分離結晶-溢流噴發的階段。

結論

(1)富輝橄玄巖代表了原始巖漿的成分，玄武巖是演化巖漿的產物。

(2)富輝橄玄巖中高壓單斜輝石早于橄欖石結晶，其結晶深度較深(40～50km)，其深度限定了巖漿源的深度大于50km。

(3)玄武巖形成深度較淺(30～40km)，其中的單斜輝石都是低壓單斜輝石，結晶晚于橄欖石。

(4)兩種巖石的橄欖石都是在30～40km的巖漿房結晶。