浙江玉環石峰山地區橄欖玄武巖中幔源包體的化學特征及其單斜輝石的“篩狀結構”

蘇昕瑤 ，厲子龍 ，2*

（1.浙江大學地球科學學院，浙江杭州310027；2.浙江大學海洋學院，浙江舟山316021）

0 引 言

我國東部地區新生代玄武巖的分布范圍廣泛，可分為3個區：松遼盆地以東的東北地區，山東到福建零星分布的華東地區以及位于海南島和雷州半島的雷瓊地區。東南沿海玄武巖以廣泛發育的堿性系列玄武巖為主，部分為拉斑玄武巖[1]。巖漿活動始于中新世（約20 Ma），沿NE-NNE斷裂分布[2]，主要形成于0.9～17.1 Ma。巖漿活動的成因有以下幾種觀點：（1）與南海中央海盆體系向北擴張有關[3]；（2）可能為洋中脊與地幔柱相互作用誘發的洋脊抽吸作用引起[4]；（3）為南海打開、菲律賓海板塊北漂旋轉和太平洋板片俯沖后撤共同作用的產物[1]。新生代堿性玄武巖地殼混染的特征不明顯，為板內裂谷構造背景下的堿性玄武巖，具有類似于OIB的特征，屬富集地幔與軟流圈虧損地幔的混合源區[5-7]。玄武巖中發現有大量幔源包體，多為尖晶石相，部分為石榴子石相，其成分多為二輝橄欖巖和斜方輝石橄欖巖。橄欖巖 Mg#值達到 87%～94%[8-10]，Al2O3和 CaO 含量較高，較飽滿，并伴有少量虧損捕虜體出現，說明華南地區巖石圈地幔有古老的虧損地幔物質存在，經過漫長的地質演化，被新生飽滿的地幔物質置換[11-13]。這些橄欖巖包體對研究中國東部新生代玄武巖的成因與大陸巖石圈地幔源區具有重要意義。

中國東部新生代玄武巖中富集組分來源于俯沖板塊中的再循環洋殼或者大洋沉積物[6-7,14-17],且中國東南部地區有富集的大陸巖石圈地幔存在[17-21]。

一般認為，地幔捕虜體在被巖漿捕獲、搬運至地表的過程中處于一個近似的封閉體系，其結構和成分幾乎未受到外界的交換或改造。而近年來，越來越多的地幔橄欖巖捕虜體中單斜輝石邊界常有新生自形微晶或微斑晶的泡沫狀玻璃斑點和細脈形成，發育“篩狀結構”[10,22-25]。這些“篩狀結構”的成因仍存在較大爭議，其形成過程與玄武巖中的富集組分是否有關也是當前研究的熱點。

研究區位于中國東南部的浙江省玉環縣本島南部石峰山地區。該地區主要出露地層由老到新為下白堊統高塢組（K1g）地層、下白堊統西山頭組地層（K1x）及全新統地層。區域上受北北東向溫州-鎮海斷裂帶控制。玉環石峰山火山（又名玉環小額火山通道）位于玉環縣小額附近，屬中心式噴發巖筒，長軸約800 m、短軸約510 m，平面上呈近圓錐形外貌。其通道內自邊緣至中心，為環狀粒玄巖、橄欖玄武巖。與圍巖（流紋質晶屑巖屑熔結凝灰巖）呈明顯的切割關系，接觸面產狀為 162°∠72°、35°∠84°（據浙江省908專項海島調查地質專題調查研究報告，2011）。野外調查發現，研究區火山通道保存完好，出露一套非常新鮮的新生代橄欖玄武巖，并含大量幔源包體，且在包體中的單斜輝石內有明顯的“篩狀結構”發育。本文將對其中新發現的橄欖玄武巖及其含大量二輝橄欖巖包體與單斜輝石捕虜晶的礦物化學特征和篩狀結構及其成因進行深入研究。

圖1 中國東部新生代玄武巖分布圖［7］Fig.1 Distribution of Cenozoic basalts in east China［7］

圖2 浙江新生代玄武巖分布圖［10］Fig.2 Distribution of Cenozoic basalts in Zhejiang province［10］

1 玄武巖與幔源包體的產狀及巖相學特征

橄欖玄武巖呈碎塊狀分布于山坡兩側，部分巖塊可見六邊形柱狀節理截面，南側可見平臥的柱狀節理分布（見圖3）。巖石呈斑狀結構，斑晶主要為橄欖石，粒徑在0.5 mm左右?；|為間粒結構，基性斜長石骨架當中填充有輝石和橄欖石（見圖 4 a）。

圖3 玉環石峰山玄武巖及捕虜晶產出的野外照片Fig.3 Field images of the distribution of basalts and xenocryst in the Shifeng Mountain

肉眼觀察到的幔源包體呈綠色，主要為尖晶石二輝橄欖巖（見圖4 b，c，e）。粒徑1～10 cm不等，粗粒結構，主要礦物為橄欖石（70%）、單斜輝石（10%）、斜方輝石（15%），次要礦物為尖晶石（5%）。橄欖石呈自形，部分被包裹在單斜輝石和尖晶石中，其粒度在1～5 mm。單斜輝石大多呈半自形，含橄欖石包體，粒徑0.5～4 mm不等，內部有冷凝的玻璃體出現，形成篩狀結構（見圖4 e）。斜方輝石呈自形，粒徑5～10 mm，較大，部分晶體內包裹有橄欖石。尖晶石多呈它形，分布在晶粒間，部分晶體內部包裹有橄欖石，粒徑0.5～1 mm。橄欖石間多呈120°礦物三聯點平衡結構。包體與玄武巖無反應邊，接觸面破碎嚴重。

圖4 石峰山玄武巖和捕虜晶的野外和顯微圖Fig.4 Field and microphoto of basalts and xenocryst in the Shifeng Mountain

另外，玄武巖中還出現了單斜輝石捕虜晶，捕虜晶粒徑可達2 cm，呈渾圓狀，可見與玄武巖接觸面有很好的反應邊結構，其內部也發育相似的篩狀結構（見圖4d）。

2 分析方法

本文對石峰山新生代玄武巖中橄欖巖包體中的主要礦物進行了電子探針分析，并在自然資源部第二海洋研究所國家海洋局海底科學重點實驗室完成測試。儀器型號為日本電子JEOL JXA-8100，配置有4道波譜儀（5B-92U）和1道能譜儀（Oxford INCA X-sight，5B-92U，能量分辨率133 eV@MnK）。加速電壓15 kV，束流20 nA，束斑大小為1～5 μm（對于析出熔體及單斜輝石使用1 μm光斑）。采用ZAF法對實驗數據進行定量分析。對其中橄欖石、單斜輝石、斜方輝石及尖晶石進行 Si、Ti、Al、Fe、Mn、Mg、Ca、Na、K、Cr、Ni共11種元素的成分分析。

3 分析結果及其指示意義

石峰山玄武巖包體中橄欖石各元素含量如表1所示，Mg#(Mg2+/(Mg2++Fe2+))在90%左右，屬于貴橄欖石-鎂橄欖石，與福建明溪、麒麟、安遠，浙江新昌等地橄欖巖包體[8-9]中橄欖石Mg#相近。但SFS062903樣品中部分橄欖石Mg#較低，為0.76～0.85。Mg-Fe在熔體與橄欖石礦物之間的分配系數小于1[26]。隨著地幔橄欖巖的不斷熔融，Mg-Fe較Mg，Fe更易進入熔體相，造成地幔橄欖巖Fe的虧損，殘余的難熔地幔橄欖巖富含Mg。長期穩定的巖石圈地幔，地幔橄欖巖經過長時間的部分熔融過程，Mg#通常較高。石峰山玄武巖中的橄欖巖包體Mg#值為90%左右，低于克拉通地區地幔橄欖巖的Mg#，為中等難熔程度的地幔，與長期穩定的克拉通地區巖石圈地幔不同。石峰山玄武巖的橄欖巖包體中有斜方輝石與單斜輝石兩種輝石存在（見表2）。石峰山玄武巖橄欖巖包體內的斜方輝石為頑火輝石-古銅輝石，單斜輝石為頑透輝石-普通輝石（見圖5）。2個樣品斜方輝石與單斜輝石的Mg#均在90%～91%，與新昌地區的尖晶石二輝橄欖巖相似[24]。而單斜輝石的 Al2O3含量（0.64～4.13），尤其是樣品SFS062903包體中單斜輝石的Al2O3含量（0.64～0.77），遠低于新昌地區（5.36～7.40），而Na2O 含 量（0.34～0.50）也 低 于 新 昌 地 區（1.09～1.96）[10]。

圖5 石峰山包體中輝石分類圖Fig.5 Classification of pyroxene in the xenoliths from Shifeng Mountain

表1 玉環石峰山尖晶石二輝橄欖巖包體中橄欖石成分表Table 1 Composition of olivine of xenolith in Shifeng Mountain w/%

石峰山橄欖巖包體中鉻尖晶石Cr#（Cr/(Cr+Al)）值在 0.101～0.104（見表 3），屬于富鋁尖晶石（Cr#在0.08～0.25）。其中Cr屬于相容元素，而Al為不相容元素。在部分熔融的過程中，Cr在殘余的地幔橄欖巖中分配系數更大，而Al更趨向于進入熔體[27]。因此，隨著部分熔融程度的增大，尖晶石二輝橄欖巖中尖晶石應更趨于富Cr。研究區尖晶石的Cr質量分數不高，與新昌地區尖晶石二輝橄欖巖的Cr#接近，低于新昌地區的方輝橄欖巖與石榴子石二輝橄欖巖，其部分熔融程度較低[10]。

表2 石峰山尖晶石二輝橄欖巖包體中輝石成分表Table 2 Composition of pyroxene of xenolith from Shifeng Mountain w/%

表3 石峰山尖晶石二輝橄欖巖包體中的尖晶石成分Table 3 Composition of spinel of xenolith from Shifeng Mountain w/%

單斜輝石捕虜晶，呈渾圓狀，粒徑約2 cm，主體為單斜輝石，化學組成與二輝橄欖巖中單斜輝石相近，屬于普通輝石-次透輝石（見圖5），并包裹有橄欖石與斜方輝石（見表4）。捕虜晶與玄武巖接觸面有明顯的接觸帶，遠離接觸帶位置單斜輝石成分變化不大。

二輝橄欖巖包體（見表5）與捕虜晶的單斜輝石（見表6）在背散射圖像中均具有明顯的篩狀結構，內部呈現大量灰色且其化學成分類似于長石玻璃體（見圖5，圖 6）。但其 TiO2（0.08%～0.40%）、FeO（0.17%～0.82%）、MgO（0.07%～0.71%）質量分數均高于一般的長石，部分位置K、Na質量分數很高（K2O可達11.15%，而Na2O達7.31%），且局部區域化學成分變化很快（見圖6 c，e）。由于單斜輝石中K、Na含量很低，堿性長石在單斜輝石中無法達到相平衡。

4 單斜輝石出熔部分的熔融現象

發現越來越多的地幔橄欖捕虜體中的單斜輝石邊界有新生自形微晶或微斑晶的泡沫狀玻璃斑點和細脈，發育形成“篩狀結構”[10,22-25,35]。

對于這些在單斜輝石中發育的篩狀結構的成因，有以下幾種看法：（1）與地幔交代反應[10,25,28-30,32]；（2）地幔流體參與的不一致熔融[22]；（3）巖漿與捕虜體的相互作用[23,34]；（4）減壓熔融[24,30,35]。

在尖晶石二輝橄欖巖以及單斜輝石捕虜晶內均發現了篩狀結構，出現大量微斑晶的泡沫狀玻璃斑點（見圖4 d，圖6）。尖晶石二輝橄欖巖與玄武巖邊界有明顯的破碎帶，反映其被捕獲時與玄武巖無明顯的相互作用，單斜輝石與其他礦物之間有明顯的邊界，熔體的形成與巖漿關系不大。單斜輝石巨晶呈渾圓狀，邊部到核部單斜輝石的化學成分變化明顯，說明其被捕獲上涌的過程中與玄武巖漿發生了少量物質交換（見圖7）。背散射圖像中單斜輝石出現的灰色部分其化學成分類似于長石中的玻璃質成分，但其Ti、Fe、Mg質量分數均高于一般的長石，部分位置K、Na質量分數很高，且局部區域化學成分變化很快（見圖7 c，e）。類似結構亦在我國東部其他地區的玄武巖地幔捕虜體中出現。LIU等[10]發現新昌地區尖晶石方輝橄欖巖中單斜輝石邊部具有篩狀環，其篩狀結構與石峰山玄武巖捕虜體、單斜輝石捕虜晶中的結構相似。單斜輝石的Na2O質量分數較低（約0.5%），而平滑的核部Na2O質量分數較高（約2%）。較于新昌地區，石峰山樣品中單斜輝石的Na2O質量分數均低于0.5%，而內部熔體成分Na2O質量分數較高（見圖8）。南京地區的低鈣堿性玄武巖的包體中也發育有篩狀結構的單斜輝石，部分發育為與新昌地區相似的篩狀環，部分與本研究類似，表現為整體的篩狀結構。同樣，在南京的樣品中，與平滑的單斜輝石相比，篩狀結構單斜輝石Na2O質量分數較低（0.5%～0.7%）。LIU等[10]認為其被巖漿捕獲，經歷了20%的部分熔融和硅酸鹽流體的交代作用。LU等[25]認為，二輝橄欖巖包體先后受到了富鉀和富鈉熔體的交代，并將這種流體的交代作用與中生代以來華南地區大陸巖石圈地幔的交代置換作用以及新生代玄武巖中的富集組分聯系起來。王永鋒等[32]認為，“篩狀結構”中的單斜輝石是由熔體直接交代斜方輝石形成，而橄欖石則由熔體結晶形成。SHAW等[23]則認為，斜方輝石的不一致熔解形成的富硅和富堿性熔體溶解單斜輝石和尖晶石直至飽和，并析出新的單斜輝石、尖晶石，形成篩狀結構。ZENG等[35]根據熔出體與單斜輝石截然不同的邊界、單斜輝石的地球化學特征以及富集的橄欖巖易于部分熔融的化學性質，認為熔體為單斜輝石減壓熔融形成，而非交代反應形成。

表4 石峰山捕虜晶中（樣號13YH10）的礦物成分Table 4 Minerals composition of the xenocryst（sample No.13YH10）of Shifeng Mountain

圖6 玉環石峰山尖晶石二輝橄欖巖單斜輝石中的篩狀結構Fig.6 Sieved-texture of clinopyroxene in Shifeng Mountain

表5 石峰山尖晶石二輝橄欖巖包體中單斜輝石內熔體的成分Table 5 Melt composition in clinopyroxene from lherzolite of Shifeng Mountain w/%

表6 石峰山捕虜晶中（樣號13YH10）的類似長石成分熔體Table 6 Composition of feldspar in the xenocrys（sample No.13YH10）of Shifeng Mountain w/%

對于石峰山地區的樣品，接觸邊界并無篩狀結構，說明樣品與玄武質巖漿的物質交換應發生于熔體形成之后，篩狀結構并非由巖漿與捕虜體的相互作用形成。石峰山玄武巖攜帶的包體中，“篩狀結構”僅在單斜輝石中出現，且斜方輝石與橄欖石自形較好，接觸邊界完整，未見溶解和與熔體交代反應現象，推測篩狀結構與上地幔熔體與橄欖巖的相互作用無關。

鈉元素通常在高壓狀態下進入單斜輝石晶格，在此環境下，富含Na元素的熔體與單斜輝石在邊部發生接觸交代反應，不應使未接觸熔體的單斜輝石核部較邊部更富集鈉等不相容元素。若石峰山樣品中的熔體為外來熔體，沿裂隙與單斜輝石發生接觸交代反應，則應在單斜輝石與熔體之間形成反應邊。因此，篩狀結構與地幔流體的交代作用無關。

超高壓條件下鈉質單斜輝石中可以固熔一定量的SiO2組分[36]，而過量的SiO2組分則可與硬玉組分結合，在減壓的過程中出溶單斜鈉長石[37]。

圖7 石峰山單斜輝石捕虜晶分析點及其礦物成分變化Fig.7 Analyzed points and the change of mineral compositions from clinopyroxene xenocryst of Shifeng Mountain

石峰山樣品中單斜輝石具有較低的Na/Ti值（0.3～2.6）與較高的 Ca/Al值（大于 6.9），與南京地區樣品相似[35]。若樣品中熔體為部分熔融形成，在部分熔融作用發生之前應與新昌、南京地區樣品不具有篩狀結構的單斜輝石核部接近，則Na2O質量分數應在2%左右。而當前樣品中，單斜輝石的Na2O質量分數不到0.5%，而熔體中Na2O質量分數平均值為5.17%，若熔體為單斜輝石部分熔融直接形成，則根據質量平衡原理，部分熔融程度應在5%左右。低程度的部分熔融過程中，熔體的各元素濃度（Cl）與巖石中對應組分的濃度（C0）、元素的分配系數（D）以及部分熔融程度（F）有關。若熔體由單斜輝石部分熔融直接產生，則可將單斜輝石成分作為C0，熔體成分作為Cl，估算分配系數：

式中，以新昌樣品無篩狀結構的核部為參考，對于Na2O組分，取C0為2%，以熔體中Na2O含量為Cl，并取部分熔融程度（F）為5%。若熔體為單斜輝石部分熔融直接形成，則可計算Na在單斜輝石中的分配系數為0.22～0.72。隨著壓力的增大，Na的分配系數可從 0.7左右（1 atm）減至 0.2（30 kbar）左右[36]，與計算數值吻合，則熔體可由單斜輝石直接熔融形成。熔體中未發現鎂鐵礦物微晶析出，且熔體未發生明顯的演化。巖漿上涌過程中，幔源包體中含K、Na較高的單斜輝石發生減壓熔融，有富含K、Na成分的熔體析出，伴隨著包裹體與捕虜晶快速冷卻，保存并記錄下來。而新昌的樣品中，單斜輝石邊部先發生反應，有富K、Na熔體析出，單斜輝石的Na2O含量降低。同時，核部還未達到平衡，Na2O質量分數高的單斜輝石被保存下來。

圖8 新昌玄武巖幔源包體中單斜輝石與石峰山單斜輝石捕虜晶的成分對比圖［10］Fig.8 Comparison of the composition change of the clinopyroxene in the xenolith of Xinchang and the xenocryst of Shifeng Moutain

在捕虜晶隨巖漿絕熱減壓上涌的過程中，輝石巨晶在被巖漿捕獲的過程中與巖漿發生交代反應，邊部出現了明顯的反應邊構造，而核部則記錄了該減壓過程中的熔融過程。

筆者認為，石峰山地區尖晶石二輝橄欖巖及單斜輝石捕虜晶的“篩狀結構”可由單斜輝石在絕熱減壓的條件下部分熔融形成，與外來熔體、流體是否有關目前無直接證據。并非所有地幔捕虜體中具有富集組分特征的流體存在，均可作為地幔交代的證據。

5 結 論

基于以上對在玉環石峰山地區新發現的橄欖玄武巖中含大量新鮮的二輝橄欖巖包體與單斜輝石捕虜晶的研究，認為：

5.1 這些幔源包體主要為尖晶石相，橄欖石Mg#在90%左右，輝石Mg#在90%～91%，尖晶石Cr#在0.1左右，與明溪、新昌等地相近，對應地幔源區部分熔融程度不高。

5.2 包體與捕虜晶的單斜輝石發育篩狀結構，有長英質熔體熔出現象，為原K、Na質量分數較高的單斜輝石在巖漿上涌過程中發生減壓，有富含K、Na成分的熔體析出，伴隨著包體與捕虜晶快速冷卻，保存并記錄下來。而非外來富Na、K熔體交代形成。5.3 單斜輝石巨晶在被巖漿捕獲的過程中與巖漿發生交代反應，邊部出現了明顯的反應邊構造，此過程在單斜輝石部分熔融之后發生。而單斜輝石核部則記錄了該減壓過程中的熔融過程。

5.4 并非所有地幔捕虜體中具有富集組分特征的流體存在，均可作為地幔交代的證據。

自然資源部第二海洋研究所朱繼浩博士在電子探針測試中提供了幫助，浙江省地質調查院提供了相關地質資料，河北地質大學鄒思遠博士和浙江省地質調查院余盛強高工等承擔了部分野外工作，在此一并致謝。