太平洋洋中脊火山玻璃主量元素地球化学特征

吴伟男,刘希军,Paterno R.Castillo,李政林,梁琼丹,姚 野,廖 帅

(1.桂林理工大学 a.广西隐伏金属矿产勘查重点实验室; b.地球科学学院,广西 桂林 541004;2.Scripps Institution of Oceanography, UCSD, La Jolla, CA 92093, USA)

太平洋洋中脊火山玻璃主量元素地球化学特征

吴伟男1,刘希军1,Paterno R.Castillo2,李政林1,梁琼丹1,姚 野1,廖 帅1

(1.桂林理工大学 a.广西隐伏金属矿产勘查重点实验室; b.地球科学学院,广西 桂林 541004;2.Scripps Institution of Oceanography, UCSD, La Jolla, CA 92093, USA)

洋中脊火山玻璃代表地幔源区熔体成分，携带了岩浆作用和洋壳形成的大量信息。通过研究太平洋洋中脊火山玻璃的主量元素地球化学特征，探讨了岩浆作用过程的元素分配特征，结果表明：洋中脊火山玻璃的主量元素成分呈现规律性演化，从基性向中酸性演化过程中，Na2O的含量从2%逐渐升高至6%，K2O从<1%逐渐升高至5%； 而CaO含量从10%～13%逐渐降低至1%，FeO从9%～13%逐渐降低至3%，Al2O3从18%逐渐降低至13%。洋中脊火山玻璃中主量元素分配特征揭示了其分配的不均一性，这可能是受到宏观上地幔不均一性的影响；在同一洋中脊中的火山玻璃成分也存在不均一性，可能是岩浆作用过程中局部动力学机制差异引起的元素分配不均一。

火山玻璃;洋中脊；地球化学;主量元素；太平洋

0 引 言

全球洋中脊体系是板块构造的重要组成部分,洋中脊系统是地幔对流的动力学表现,强大的上升地幔流不断作用于岩石圈板块底部并使之继续离散而形成洋壳[1],通过海底打捞、深潜和钻进等方法采集的大洋洋壳样品是洋中脊岩浆作用的产物,为探讨洋中脊岩浆作用和洋壳形成等一系列过程奠定了基础,因此,洋中脊岩浆作用一直是国际海洋地质学界深海研究的重点。

理论研究表明, 洋中脊岩浆作用是软流圈地幔被动绝热上升, 发生减压熔融引起的[2]。 Jaques等[3]首次阐述了在地幔熔融条件和地幔组分变化时, 地幔熔体的全岩组分是如何发生系统性变化的,为了解洋中脊地幔熔融和洋中脊玄武岩(MORB)

成因的经验模型的建立打下了基础。Klein等[2]研究了全球范围内洋中脊玄武岩化学组成与洋脊轴部深度之间的关系。因此,MORB为发生在洋中脊下方的岩浆作用过程提供了重要的信息。然而,几乎所有的MORB都已受到了结晶分异作用的影响。相比之下,洋中脊岩浆在海底喷出后遇到海水快速冷却形成的火山玻璃比冷却速度相对较慢的大洋玄武岩受结晶分异作用的影响更小,更能反映洋中脊地幔源区熔体的成分[4-5]。因此,目前对洋中脊火山玻璃样品的地球化学特征研究已经是国际上认识洋中脊地球化学组成和演化的主要手段。本文通过对环太平洋板块边界区域洋中脊火山玻璃的主量元素地球化学特征进行研究,从而了解太平洋不同地区洋中脊火山玻璃的上地幔岩浆地球化学演化特征。

1 地质背景及分析方法

本研究使用的火山玻璃样品采自太平洋3个典型的洋中脊区域(图1), 包括： 西太平洋-欧亚板块俯冲体系中Perce Vela和菲律宾弧后盆地(a区); 东太平洋洋中脊的西南端区域(b区), 该区洋中脊跨度约1 500 km, 被6条右旋转换断层切割, 其中两条最长、 最靠近的转换断层的断裂带(Heezen和Tharp)被认为是同一洋中脊岩浆作用下形成的, 它们被合称为Eltanin转换断层断裂系统; 东太平洋中接近太平洋板块与美洲板块的俯冲体系的洋中脊区域(c区), 该区域向北美洲板块延伸至California海湾附近。

洋中脊火山玻璃主要由美国加州大学圣迭戈分校Scripps海洋研究所提供。样品制靶后在桂林理工大学的电子探针实验室采用JXA8230R电子探针仪测试,样品镀碳采用日本电子JEE-420系列真空喷镀仪完成,厚度控制采用灰度对比的方法。电子探针定量分析采用波谱仪(WDS),测试条件为加速电压15 kV,加速电流20 nA,束斑直径5 μm。 Na、 K、 Ca的元素峰值测试时间和背景值测试时间为10 s和5 s，其余元素的峰值测试时间和背景值测试时间为20 s和10 s。分析数据采用ZAF法校正(原子序数校正、 吸收效应校正、 荧光效应校正)。元素测试线系主要为α线,其中具有重叠峰的元素经过相应背景及峰位校正并使用相应β线系代替α线系校正。相应测试元素在标准样品中的检出限为(wB/10-6):Na 54,Mg 56,Al 56,Si 32,P 68,S 34,K 64,Ca 37,Ti 43,V 53,Cr 58,Mn 60,Fe 50,Co 58,Ni 60,Cu 95,Zn 78。

2 主量元素地球化学特征

本文选取10个火山玻璃样品进行了EPMA主量元素分析,结果见表1。主要探讨洋中脊岩浆作用过程中熔体的化学成分随着岩浆演化(从基性到中酸性岩浆)的特征,同时,进一步探讨了同一岩浆房中,由于岩浆的流变性质及化学不均一性引起的主量元素变化特征。

根据鲍文反应序列原理中矿物的共生关系,岩浆从基性(低SiO2)往酸性(高SiO2)演化过程中, Na2O、K2O含量逐渐升高,如Na2O从～2%逐渐升高至～6%、K2O从<1%逐渐升高至～5%;而CaO、FeO和Al2O3含量逐渐降低,如CaO从10%～13%逐渐降低至～1%、 FeO从9%～13%逐渐降低至～3%、 Al2O3从～18%逐渐降低至～13%。 本文研究的样品中, SiO2与其他主量元素的协变趋势总体上与上述演化一致。 然而, 同一地区, 甚至在同一岩浆房中(同一块玻璃样品)呈现出了与上述宏观演化趋势不一致的特征(图2)。

图1 全球板块构造单元纲要图及采样区域(据国际大洋学会(GEBBCO)深海地形图(2004版)修改简化)

表1 太平洋洋脊火山玻璃主量元素数据

Table 1 Major elements data of Pacific MORB glass

wB/%

续表1

续表1

续表1

续表1

注： B.d为低于检测限。

在SiO2-CaO协变体系(图2a)中,当SiO2含量在56%～70%时，CaO含量降低的速率加快,表明该阶段可能有大量含Ca的硅酸盐矿物(如长石等)结晶,即使在同一块样品(如RNDB15 13-2)中,其Ca含量也是随着SiO2含量的变化而变化。来自西太平洋俯冲体系中劳海盆弧后盆地洋中脊样品RNDB、PPTU的变化趋势和总体一致；而RNDB样品呈现出与总体趋势相反的变化趋势,在东太平洋洋中脊EPR样品中CaO的含量变化很小,说明在该阶段CaO几乎不受SiO2的控制,可能因为已接近岩浆演化的后期阶段。

在SiO2-Al2O3体系(图2b)中, SiO2与Al2O3呈正相关关系。 然而, RNDB15 13-2样品Al2O3的含量随着SiO2含量的增加而增加, 是与总体趋势相反的。 来自不同洋中脊的样品RNDB、 PPTU与EPR有着不同的岩浆演化规律, EPR样品中Al2O3含量分布相对分散,且与SiO2没有特别明显的相关关系,说明岩浆演化到高SiO2阶段时,Al2O3受SiO2控制的影响非常小。

在SiO2-FeO体系(图2c)中,FeO的含量先是随着SiO2含量的增加而增加,在SiO2含量达到61.5%之后,FeO的含量随着SiO2含量的增加而减少。这与正常的演化过程稍有不同。SiO2含量在44%～56%时,RNDB、PPTU样品中FeO含量的变化与理想的岩浆演化过程是相反的,EPR样品分布相对集中,与SiO2没有相关关系,说明此时FeO含量的变化受SiO2的影响非常小。

图2 SiO2与CaO、Al2O3、FeO和Na2O协变关系

在SiO2-Na2O协变体系(图2d)中, SiO2含量变化于42%～78%, 总体的演化趋势为正相关。然而, 来自西太平洋俯冲体系中劳海盆弧后盆地洋中脊的火山玻璃样品RNDB和PPTU中, 当SiO2含量在45%～54%变化时, Na2O的含量随着 SiO2的含量增高而逐渐降低,呈现负相关,它们的这种变化与总体趋势相反。

在SiO2-K2O协变体系(图3)中可见,从西太平洋到东太平洋洋中脊火山玻璃K2O与SiO2总体呈现正相关,特别是在SiO2含量>65%时,K2O含量迅速升高(图3a);然而SiO2含量在45%～65%时,K2O的含量变化不明显。将这一部分的区域放大(图3b),可以观察到两种不同的演化趋势,如从样品PPTU 19-1至PPTU 21-3,K2O含量几乎呈直线上升,RNDB样品K2O含量则增加平缓,从一条近水平演化到逐渐上升的曲线,与PPTU对比形成两种不同的演化趋势。

3 讨 论

洋中脊火山玻璃是地幔熔体通过岩浆作用喷发到海底遇冷迅速冷凝形成的, 最能体现洋中脊岩浆作用过程中熔体的变化特征[6-14]。根据岩浆作用的机制,理想情况下其化学成分应该是均一的,但是测试数据分析表明，不同火山玻璃的化学成分其实不均一,说明它可能受到了地幔不均一性的影响,这一影响除了表现在宏观上不同地幔源区之间的不均一性, 同时表现为小规模岩浆作用的不均一性,这种不均一性主要是岩浆动力学机制差异引起的元素分配不均一[11-12]。

图3 SiO2-K2O协变关系

在 SiO2-Na2O、SiO2-K2O体系中,部分洋中脊火山玻璃在基性岩浆(SiO2含量在45%～54%)中呈现负相关,说明有角闪石类或基性长石类矿物结晶出来,从而导致了Na2O、K2O含量的减少,这一特征与岩浆演化过程总趋势(Na2O、K2O随SiO2含量增加而增加)相反,也可能是由于受到熔融压力、熔融程度、温度、深度的影响不同,导致岩浆在基性阶段与中酸性阶段的演化差异,从而表现出反常的特征。对于单个洋中脊玻璃样品RNDB和PPTU表现出的相似的演化趋势,说明这些样品可能经历了相似的岩浆演化机制。岩浆演化至中酸性阶段,Na2O、K2O含量明显增加,反映了该阶段碱性元素的大量富集,此时岩浆中碱性矿物没有大量结晶,导致岩浆中Na2O、K2O主要聚集在熔体中。总体上,岩浆演化在基性阶段碱性元素变化较慢,演化至中酸性阶段时变化快,表明岩浆作用过程中温度和压力对熔体变化的影响差异,同时,因为元素在熔体中的均一性时间不同,如果岩浆作用缓慢,作用的时间较长,将会使得元素均一性较好,同时元素变化相对较小;反之,当岩浆演化到后期,岩浆演化经历的时间较短,结晶分异作用对熔体影响小,特别是碱性元素将更可能富集在熔体中。

CaO、Al2O3和FeO在岩浆中变化与辉石、长石、角闪石及云母等矿物的结晶分异有关,特别是岩浆演化至中酸性阶段,SiO2含量在56%～70%时，其含量在熔体中贫化加快,含有CaO、Al2O3、FeO的矿物迅速结晶出来,熔体受结晶分异作用的影响大;当岩浆演化到酸性阶段时(如EPR样品),这些元素的变化受结晶分异影响小。另一方面,FeO含量出现先增后减的趋势,这可能是因为岩浆在基性阶段,橄榄石及辉石等矿物的结晶主要影响MgO，而对FeO影响较小,致使岩浆开始阶段相对富集FeO；岩浆演化后期,如钛铁矿或者磁铁矿结晶,导致FeO迅速贫化。

总之,洋中脊火山玻璃的主量元素之间的协变关系,揭示了洋中脊岩浆作用的复杂性,不仅地幔不均一性能引起区域性岩浆的演化差异,即使同一岩浆源区,也表现出岩浆作用过程中元素分配的化学不均一性。

4 结 论

(1)洋中脊岩浆作用从基性至中酸性演化过程中,Na、K含量逐渐升高, Ca、Fe、Mg和Al逐渐降低,符合鲍温反应序列所呈现的熔体中元素分配特征。

(2)部分火山玻璃中微观上元素分配特征与宏观岩浆演化过程相反,其微观上岩浆演化过程中某些主量元素可能受到特征矿物结晶分异的影响,也可能受到熔融程度、压力、温度等因素影响。

(3)洋中脊火山玻璃中元素分配不均一,可能受到了宏观上地幔不均一性的影响；在同一洋中脊中的火山玻璃成分也存在不均一性，可能是由于岩浆作用过程中局部动力学机制差异引起的元素分配不均一所造成的。

[1]Chen Y, Morgan W J.A nonlinear rheology model for mid-ocean ridge axis topography[J]. Journal of Geophysical Research, 1990，95:17583-17604.

[2]Klein E M, Langmuir C H.Global corrclations of ocean ridge basalt chemistry with axial depth and crustal thickness[J].Journal of Geophysical Rescarch, 1987,92:8089-8115.

[3]Jaques A L,Green D H. Anhydrous melting of peridotite at 0-15 kb pressure and the genesis of tholeiitic basalts[J].Conttributions to Mineralogy and Petrology, 1980,73:287-310.

[4]Sinton J M, Detrick R S. Mid-ocean ridge magma chambers[J]. Journal of Geophysical Research, 1992, 97(B1): 197-216.

[5]Castillo P R, Natland J H, Niu Y, et al. Sr, Nd and Pb isotopic variation along the Pacific-Antarctic risecrest, 53°-57°S: Implications for the composition and dynamics of the South Pacific upper mantle[J].Earth and Planetary Science Letters,1998,154:109-125.

[6]赵慧静.东太平洋海隆13°N附近洋中脊玄武岩的研究[D].青岛:中国科学院海洋研究所,2013.

[7]张国良.东太平洋海隆 13°N附近玄武岩特征及其对岩浆作用的指示意义[D].青岛:中国科学院海洋研究所,2010.

[8]王妍.中国东部苏北合肥新生代大陆玄武岩地球化学研究[D].合肥:中国科学技术大学,2011

[9]赵明辉,丘学林,李家彪,等.慢速、超慢速扩张洋中脊三维地震结构研究进展与展望[J].热带海洋学报,2010,29(6):1-7.

[10]鄢全树, 石学法. 洋中脊与地幔柱热点相互作用研究进展[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2006, 26(5): 131-138.

[11]李三忠,侯方辉,吕海青,等.洋中脊-地幔柱、地幔柱-海沟与海沟-洋中脊相互作用,[J]海洋地质动态,2004,20(11):1-5.

[12]李三忠,郭晓玉,侯方辉,等.洋中脊分段性及其拓展和叠接机制[J].海洋地质动态,2004,20(11):19-28.

[13]李三忠,余珊,赵淑娟,等.东亚大陆边缘的板块重建与构造转换[J].海洋地质与第四纪地质,2013,33(3):65-94.

[14]索艳慧.印度洋构造-岩浆过程:剩余地幔布格重力异常证据[D].青岛:中国海洋大学,2014:9-11.

Geochemical characteristics of major elements in Pacific mid-ocean ridge volcanic glass

WU Wei-nan1, LIU Xi-jun1, Paterno R. Castillo2, LI Zheng-lin1,LIANG Qiong-dan1,YAO Ye1, LIAO Shuai1

(1.a.Guangxi Key Laboratory of Hidden Metallic Ore Deposits Exploration; b.College of Earth Sciences,Guilin University of Technology, Guilin 541004, China;2.Scripps Institution of Oceanography, UCSD, La Jolla, CA 92093, USA)

The mid-ocean ridge volcanic glass is of mantle partial melting carrying lots of information on formation of oceanic crust and its magmatism. The major element geochemical characteristics of mid-ocean ridge glass from Pacific mid-ocean ridge system is studied,and the element distribution characters of magma is discussed in this paper.Results indicate that the major element composition of glass displays normal evolution, with SiO2increasing, the Na2O increasing from 2% to 6%, K2O increasing from <1% to 5%, but CaO decreasing from 10%-13% to 1%,FeO decreasing from 9%-13% to 3%,and Al2O3decreasing from 18% to 13% when SiO2increasing.The distribution pattern of major elements suggests the heterogeneity of magma, which was likely caused by mantle heterogeneity. Moreover, the glass from same mid-ocean ridge system also shows the composition heterogeneity, which is probably due to the locality geodynamic difference(es) inducing from major element heterogeneous distribution.

volcanic glass; mid-ocean ridge;geochemistry; major element;Pacific Ocean

1674-9057(2015)04-0786-10

10.3969/j.issn.1674-9057.2015.04.017

2015-09-02

国家自然科学基金项目(41463002;41302041);广西自然科学基金项目(2014GXNSFBA118218；2014GXNSFBA 118220);广西科学研究与技术开发计划项目(桂科能1598025-14);同位素地球化学国家重点实验室(中国科学院广州地球化学研究所)开放基金项目(SKLIG-KF-14-04);广西“八桂学者”创新团队项目(2013,有色金属成矿理论与勘查技术);广西矿冶与环境科学实验中心项目

吴伟男(1989—),女,硕士研究生,研究方向:岩石地球化学,guilinligongwwn@163.com。

刘希军,博士,副教授, xijunliu@glut.edu.cn。

吴伟男,刘希军,Castillo P R,等.太平洋洋中脊火山玻璃主量元素地球化学特征[J].桂林理工大学学报，2015,35(4):786-795.

P736.3

A