2013, Vol. 29
2. 山东省地矿局第七地质勘查院, 临沂 276006
2. 7th Geological Prospecting Institute, Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources, Linyi 276006, China
中国新疆西南天山为西起乌兹别克斯坦，塔吉克斯坦，吉尔吉斯坦诸国的南天山在中国境内的东延部分，东西延长超过200km，其中出露一套与Makbal的榴辉岩-蓝片岩带相接的榴辉岩、蓝片岩为代表的HP-UHP变质岩系(Zhang et al., 2007；李旭平等，2008；Tagiri et al., 1995)。前人认为新疆西南天山高压-超高压变质带是NEE-SSW向延伸的古俯冲增生杂岩体(艾永亮等，2005)，是南天山古洋盆在古生代由塔里木板块向伊犁-中天山板块俯冲拼贴发生高压变质作用形成的(Gao et al., 1999; Zhang et al., 2007)，有些学者认为天山蛇绿岩大体沿南天山主脊断裂延伸，蛇绿混杂岩带与高压变质带共同构成了伊犁-中天山板块南缘的增生楔(张旗和周国庆，2001)。
研究区位于中国新疆西南天山伊犁-中天山板块和塔里木板块之间造山带的北缘。在俯冲变质带中，前人发现的超基性岩已经完全的蛇纹岩化, 其原岩为方辉橄榄岩(李旭平等, 2003, 2008)。本次研究在昭苏县南部夏塔乡东德沟发现较新鲜的橄榄岩(图 1)。橄榄岩主要矿物为橄榄石、斜方辉石，含数量不等、形态各异、成因复杂的尖晶石，且原生尖晶石显示SSZ环境橄榄岩的特征，指示其寄主岩石可能是俯冲带地幔楔岛弧环境橄榄岩残片(孔凡梅等，2011)。
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图 1 研究区地质简图(a, 据Gao et al., 1999)及采样点图(b) Fig. 1 Schematic geological map (a, after Gao et al., 1999) and sampling localities (b) of study area |
本区橄榄岩呈现不同程度的蛇纹石化、绿泥石化及碳酸盐化，普遍可见角闪石、金云母等含水矿物(孔凡梅等, 2011, 2012)，每件样品中均可观察到数量不等的角闪石，部分样品的角闪石含量可达18%~23%，含水矿物的出现指示橄榄岩普遍经历了含水流体(熔体)的渗透交代作用，该特征与前人发现西南天山俯冲变质带发育有广泛的流体作用相一致(Li et al., 2007, 2010)。本文对该区橄榄岩做了较为详细的岩石学、矿物学的研究，以揭示橄榄岩在SSZ环境中的演化过程与特征，从而为俯冲带上板片在碰撞造山带的演化过程和动力学机制探究提供依据。
2 研究方法岩石结构构造、矿物组合和矿物化学的研究结合野外露头、手标本和偏光显微镜的综合观察研究。矿物化学成份测试在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室JXA-8100型电子探针上进行。分析条件：加速电压15kV；束流1×10-8A；束斑1μm；标准样品用美国SPI公司的天然矿物，数据通过PHRZ程序校正。东德沟橄榄岩中尖晶石、角闪石、蛇纹石和绿泥石的矿物分子式采用AX软件计算，橄榄石、斜方辉石、单斜辉石和金云母矿物分子式使用GeoKit (路远发，2004)软件计算，橄榄岩中各矿物化学成分列在表 1-表 5中。矿物代号均采用沈其韩(2009)的标准。
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表 1 东德沟橄榄岩中橄榄石探针分析数据(wt%) Table 1 Electron-microprobe analyses of olivines in peridotites from Dongdegou (wt%) |
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表 2 东德沟橄榄岩中辉石探针分析数据(wt%) Table 2 Electron-microprobe analyses of pyroxenes in peridotites from Dongdegou (wt%) |
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表 3 东德沟橄榄岩中金云母探针分析数据(wt%) Table 3 Electron-microprobe analyses of phlogopites in peridotites from Dongdegou (wt%) |
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表 4 东德沟橄榄岩中角闪石、蛇纹石和绿泥石探针分析数据(wt%) Table 4 Electron-microprobe analyses of amphiboles, serpentinites and chlorites in peridotites from Dongdegou (wt%) |
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表 5 东德沟橄榄岩中尖晶石矿物化学成分分析(wt%) Table 5 Electron-microprobe analyses of spinels in peridotites from Dongdegou (wt%) |
本区橄榄岩主要矿物为橄榄石、斜方辉石、角闪石、尖晶石、蛇纹石、斜绿泥石、单斜辉石、金云母，次要矿物为：钛铁矿、磁铁矿、菱镁矿、方解石、滑石等，副矿物可见金红石和锆石等。根据橄榄石、斜方辉石、尖晶石、单斜辉石和角闪石的共生晶型特征，矿物转变结构和矿物成分等方面的系统研究，把本区超镁铁质岩形成以后的矿物演化分为3个阶段，早期地幔交代阶段(S1)、中期角闪相-麻粒岩相退变质阶段(S2)和晚期蛇纹石化阶段(S3)。由于俯冲带较快的构造抬升作用，本区橄榄岩退变质阶段作用表现变质作用程度极不均一，变质矿物分布不均匀，一些变质矿物并非普遍存在于大多数样品中，而是只见于部分样品或个别样品。如单斜辉石只见于含尖晶石单斜辉石橄榄岩，且样品数量极少；绿色尖晶石存在于尖晶石角闪橄榄岩中，该矿物形态、颜色和成份均变化较大，样品数量也较多。
橄榄岩保存的地幔岩矿物组合为：橄榄石(Ol)+斜方辉石(OpxⅠ)+尖晶石(SplⅠ)，不含单斜辉石(图 2、图 3)。早期残留的尖晶石(SplⅠ)一般呈自形-半自形或浑圆状，与大颗粒的橄榄石(Ol)、斜方辉石(OpxⅠ)共生，或以后期形成的角闪石、金云母的包裹体的形式出现(图 2a、图 3e)。全文矿物代号根据沈其韩(2009)。
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图 2 东德沟橄榄岩矿物的交代结构 Fig. 2 Metasomatized structure of peridotite in Dongdougou |
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图 3 东德沟橄榄岩的显微特征 (a, e-h)-单偏光照片；(b-d)-正交偏光照片 Fig. 3 Micrographs of peridotite in Dongdegou (a, e-h)-single polarized light; (b-d)-cross polarized light |
早期地幔交代阶段(S1)：东德沟地幔橄榄岩形成以后，在地幔环境，受到含水流体/熔体的交代作用，转变为含尖晶石角闪方辉橄榄岩，又可分为两个亚阶段，S1a和S1b阶段，S1a阶段的典型矿物组合为：橄榄石+镁角闪石/直闪石(AmⅠ)+斜方辉石(OpxⅠ)+尖晶石(SplⅠ)±金云母(Phl)；S1b阶段的典型矿物组合为：橄榄石+镁角闪石/直闪石(AmⅠ)+斜方辉石(OpxⅠ)+斜方辉石(OpxⅡ)+尖晶石(Spl1)±金云母(Phl)。矿物相形成过程可能存在下列转变：(1) S1a阶段：橄榄石(Ol)+斜方辉石(OpxⅠ)+尖晶石(SplⅠ)+流体/熔体(含水)→橄榄石(Ol)+镁角闪石/直闪石(AmⅠ)+斜方辉石(OpxⅠ)+尖晶石(SplⅠ)±金云母(Phl)；(2) S1b阶段：橄榄石(Ol)+镁角闪石/直闪石(AmⅠ)+斜方辉石(OpxⅠ)+尖晶石(SplⅠ)±金云母(Phl)+流体/熔体→橄榄石(Ol)+镁角闪石/直闪石(AmⅠ)+斜方辉石(OpxⅠ)+斜方辉石(OpxⅡ)+尖晶石(SplⅠ)±金云母(Phl)，斜方辉石(OpxⅡ)交代镁角闪石或直闪石(AmⅠ)明显具熔体交代特征(图 2a)。
中期角闪岩相-麻粒岩相退变质阶段(S2)：该阶段形成粒状透辉石、绿色尖晶石和无色角闪石(AmphⅡ)，无色角闪石交代橄榄石和斜方辉石(图 2b, d、图 3b-d)，或与粒状透辉石(Di)紧密共生(图 2c)，透辉石具有明显的粒状变晶结构。含尖晶石透辉石橄榄岩可能有如下形成过程：橄榄石(Ol)+斜方辉石(OpxⅠ)+斜方辉石(OpxⅡ)+流体→橄榄石(Ol)+透辉石(Di)+角闪石(AmⅡ)+富Cr磁铁矿+斜绿泥石(Chl)+流体。韭闪石+尖晶石+绿泥石组合意味着经历了麻粒岩相变质作用(Spear, 1993; Bellot et al., 2010)，东德沟尖晶石角闪橄榄岩中少量韭闪石与绿色尖晶石及绿泥石的共生指示该区橄榄岩经历了麻粒岩相的退变质作用阶段。
Bach et al. (2004)认为滑石交代辉石的变质作用可发生在350~400°C以上，该温度下橄榄石依然稳定存在，原生铬尖晶石被包以Cr-绿泥石的薄边(图 2c、图 3a)，滑石、绿泥石的交代作用发生；东德沟尖晶石角闪橄榄岩中，大量透闪石与褐绿色或绿色富铝尖晶石紧密共生的岩相学特征又显示它们经历了角闪岩相的退变质作用过程，该过程中可能发生了如下变质反应：Ol+AmⅠ+流体→ Srp+Al-Spl+AmⅡ±Mgt；另外，样品观察中发现橄榄石与前面变质阶段形成的绿泥石发生下列变质反应：Ol+Chl → Srp+Al-Spl±Mgt；以上研究表明，含尖晶石单斜辉石橄榄岩和尖晶石角闪橄榄岩是东德沟地幔橄榄岩经历角闪岩相-麻粒岩相退变质作用后的产物。
蛇纹石化阶段(S4)：温度压力下降到最低值，由于俯冲带大量的富水流体活动，该阶段发生了程度不均一的蛇纹岩化作用及碳酸盐化等蚀变作用，蛇纹石类矿物形成，本区三类橄榄岩在该阶段形成含水环境下的最终的矿物组合。
4 橄榄岩的矿物学、岩石学研究本区所采橄榄岩样品，依据矿物组合变化可细分为以下几种岩石类型：(一)含尖晶石角闪方辉橄榄岩，矿物组合为：橄榄石+斜方辉石+角闪石+(褐色原生铬)尖晶石+蛇纹石+绿泥石+磁铁矿±金云母±滑石±菱镁矿；主要矿物含量：橄榄石+蛇纹石为55%~65%，斜方辉石为10%~15%，角闪石为10%~15%，绿泥石约4%~7%，尖晶石为3%~5%。(二)尖晶石角闪橄榄岩，矿物组合为：橄榄石+角闪石+(绿色次生铝)尖晶石+蛇纹石+绿泥石+磁铁矿；主要矿物含量：橄榄石+蛇纹石为50%~58%，角闪石约为20%~30%，绿泥石约6%~8%，尖晶石为10%~15%。(三)含尖晶石透辉石橄榄岩，矿物组合为：橄榄石+透辉石+角闪石+(褐色原生铬)尖晶石+蛇纹石+绿泥石+磁铁矿±方解石。主要矿物含量：橄榄石+蛇纹石为50%，透辉石30%~35%，角闪石5%~10%，绿泥石约6%~8%，尖晶石3%~5%。含尖晶石角闪方辉橄榄岩具网状结构、交代残余结构和不等粒似斑状构造，残斑橄榄石和斜方辉石粗晶粒大约为1~1.25cm左右。其他两种岩石类型为不等粒变晶结构和交代结构，矿物粒度相对较小。
4.1 橄榄石无色的橄榄石呈孤岛状，交代残余状或残斑状，蛇纹石化程度极不均匀。橄榄石粒度不等，主要呈两种结构，含量较多的一种粒度较粗，与斜方辉石组成镶嵌结构(图 3d)；含量较少的一种则呈圆粒状，与半自形的角闪石或单斜辉石紧密伴生，两种橄榄石成份差别不大。东德沟橄榄岩中，与原生铬尖晶石共生的橄榄石，同与次生绿色尖晶石共生的橄榄石相比，FeO和MnO的含量比后者稍低，而MgO比后者略高(表 1)。与原生铬尖晶石共生橄榄石Fo为90.72~93.54，平均为91.76，属于上地幔的方辉橄榄岩Fo值(88~93) (Vance and Dungan, 1977)，较窄的Fo值范围显示典型的残余橄榄岩特征(Coish and Gardner, 2004)，Mg#为90.7~93.7, NiO和MnO分别为0.11%~0.49%和0.1%~0.24%，与Bibong超镁铁岩橄榄石较为接近(Oh et al., 2010)；MgO为48.79%~52.95%，SiO2为40.4%~41.46%，FeO变化较大，为6.2%~10.42%，Al2O3、TiO2和CaO含量均较低(表 1)，与南马里亚纳弧前I型、H型橄榄岩中橄榄石和Happo-O′ne透闪石带中地幔楔橄榄岩橄榄石成份相近(Ohara and Ishii, 1998; Khedr and Arai, 2010)，也与我国中新生代玄武岩中研究发现的尖晶石相地幔岩捕掳体中橄榄石化学成分相似，属于稳定于尖晶石相P-T范围的镁橄榄石(Yang et al., 2008; Zheng et al., 2007)。
4.2 斜方辉石无色的斜方辉呈粗粒镶嵌结构或交代残余结构(图 3c，d)，部分颗粒解理弯曲、波状消光，显示出的塑性变形特征。从斜方辉石矿物转变结构和矿物成分特征分析，东德沟含尖晶石角闪方辉橄榄岩中的斜方辉石表现为两种类型，一类是地幔原生斜方辉石(OpxⅠ), 另一类是地幔交代生成的斜方辉石(OpxⅡ)，斜方辉石(OpxⅡ)常交代镁角闪石或直闪石(图 2a)，常在解理缝、裂纹较多的部位发育(图 2d)。相比之下，地幔原生斜方辉石(OpxⅠ) Al2O3成份略高些(表 2)，可能由于地幔交代成因，该区斜方辉石在Cr2O3-Al2O3和CaO-Al2O3关系图解中(图 4)，呈现变质斜方辉石特征。东德沟橄榄岩中斜方辉石Mg#值变化于0.935~0.964，平均0.944，其化学成分均属于顽火辉石。斜方辉石的Al2O3、Cr2O3和TiO2含量较低，分别为0.12%~1.22%、0~0.19%和为0~0.11%(表 2)，与Happo-O′ne透闪石带地幔楔橄榄岩中斜方辉石成份相近(Khedr and Arai, 2010)；与源于ìzmir-Ankara-Erzincan缝合带SSZ蛇绿岩的方辉橄榄岩中斜方辉石比较(Sarifakioglua et al., 2010)，MgO为36.6%~35.48%，比之含量略高一点；CaO为0.07%~0.19%，明显较低，其余成份类似。斜方辉石中Al的组分随部分熔融程度增加而降低(Ohara and Ishii, 1998)，该区斜方辉石低Al的原因可能与较高的部分熔融程度有关，也可能与较低的平衡温度有关(Khedr and Arai, 2010)。
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图 4 东德沟斜方辉石Cr2O3-Al2O3和CaO-Al2O3关系图解(据Khedr and Arai, 2010) Fig. 4 The relation of Cr2O3-Al2O3(a) and CaO-Al2O3(b) for orthopyroxene in Dongdegou (after Khedr and Arai, 2010) |
他形粒状变晶结构，仅见于一件样品中，与后期流体交代他形细粒的角闪石紧密共生，可见部分颗粒接触边缘较平直，相互交角近120°，呈现三边平衡结构的变晶结构特征。Al2O3(0.78%), Cr2O3 (0.16%), TiO2 (0.02%)和Na2O (0.20%)(表 2)，Mg#值范围较窄，平均约为0.99，明显高于共生的橄榄石(0.918)，而与该区角闪石一致，这种单斜辉石晶体形态和低Al、Cr和Na的特征显示其形成于后期退变质过程(Nozaka, 2005; Khedr and Arai, 2010)，东德沟橄榄岩中单斜辉石成分区均落在在透辉石区(Deer et al., 1997)。
4.4 金云母呈完整自形晶体，产于粒间，常包裹黑褐色铬尖晶石，显示其可能形成于尖晶石之后的交代成因特征。Horoman地区橄榄岩中的金云母Mg/(Mg+FeT)比值在0.84~0.95之间(Arai and Takahashi, 1989)，东德沟金云母Mg/(Mg+FeT)比值集中于0.94~0.95之间(表 3)。
该区金云母比洪古勒楞超镁铁岩铬铁矿中金云母Cr2O3、TiO2的含量明显低一些，Al2O3稍低些，FeO略高些，而K2O明显高(任有祥和白文吉，1986)；比Horoman地区金云母SiO2和MgO含量高，Cr2O3和Al2O3含量低(Arai and Takahashi, 1989)。东德沟金云母K/(K+Na)比值为0.82~0.90，低于0.95(表 3)，为尖晶石相金云母特征(Arai and Takahashi, 1986; 1989)，且Al/Si原子比略微低于Horoman地区金云母，显示形成于上地幔尖晶石相橄榄岩晚期地幔交代阶段(Arai and Takahashi, 1989)。该区金云母Si原子数平均为5.79(5.7057~5.8703)，在四面体位置中所占部分平均为0.724(0.713~0.734) (表 3)，比洪古勒楞超镁铁岩铬铁矿中金云母高，因而形成压力比其略高(任有祥和白文吉，1986)；因尖晶石与石榴石相区的转换温压约为2.0GPa、1050℃(Fumagallip and Poli, 2005)，本区橄榄岩所有样品中均未见石榴石颗粒，综合考虑本文所得数据及前人研究成果，在临界组合内人造金云母Si成份温度一压力图解投影图上(Arai, 1984)，估算出东德沟金云母形成于压力约为14~19kbar，温度为970~680℃的环境(图 5)。
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图 5 临界组合内人造金云母的XtetSi图(据Arai, 1984) Fig. 5 XtetSiof synthetic phlogopites within the critical assemblage (after Arai, 1984) |
呈多种产状，他形粒状变晶交代斜方辉石或橄榄石，或沿橄榄石和斜方辉石边缘及斜方辉石解理分布。研究样品中角闪石单偏光下无色，Mg/Mg+Fe比值平均为0.931，Ti平均远远低于0.2，Na2O (平均0.10%), K2O (平均0.60%), SiO2(平均52.80%)和Al2O3(平均6.00%)，东德沟角闪石化学成份与Coltorti et al. (2007)讨论的S-amph较接近，但SiO2和MgO比其略高，Al2O3、Na2O和K2O比其稍低些。研究发现最初地幔交代形成的闪石Al2O3、Na2O组份含量略高于后期流体交代的闪石，而SiO2和MgO组份却表现出相反的特征(表 4)，并且，地幔成因的角闪石中含一定量的Cr2O3，平均为0.56%(表 4)，后期流体交代成因闪石Cr2O3定量极低，平均仅为0.01%。依据Leak et al. (1997)分类，本区地幔型角闪石为镁角闪石或直闪石，交代型闪石为透闪石，另外还有少量韭闪石。角闪石成份与南马里亚纳弧前含水的H-型(hydrous H-type)和过渡的I-型(intermediate I-type)橄榄岩中的角闪石也较为接近(Ohara and Ishii, 1998)，比较而言，东德沟地幔型角闪石Al2O3成份稍高于南马里亚纳弧前橄榄岩角闪石，而SiO2成份较其略低些。
4.6 蛇纹石东德沟橄榄岩中的蛇纹石含Fe较高，Fe2O3含量为3.24~9.48，拉曼测试分析显示主要为利蛇纹石，还含有少量纤蛇纹石，所有样品中未见叶蛇纹石。东德沟利蛇纹石平均SiO2为39.08%，MgO为40.74%，Al2O3含量较少，平均为1.075%(表 4)，O’Hanley et al. (1989)研究发现，利蛇纹石中Al2O3组份与其形成压力呈正相关性，Al2O3约3%时压力约为5kbar (O’Hanley et al., 1989)，东德沟利蛇纹石较低的Al2O3含量显示其形成于低压环境，是晚期低温低压蛇纹石化的产物。
4.7 绿泥石东德沟橄榄岩中绿泥石无论是粗大的板状晶形还是他形细小鳞片状晶形，单偏光下都无色，聚片双晶发育，具一组极完全解理，近平行消光，解理纹平行于光率体短半径，为富镁的斜绿泥石的光性特征，电子探针分析显示其为富镁贫铁类绿泥石。绿泥石Fe2O3含量较稳定，为2.66~3.02之间，而与铬尖晶石相邻的绿泥石也表现略富铬，Cr2O3含量可达1.17%~1.95% (表 4)。
4.8 尖晶石该区尖晶石形态、颜色、种类、成因尤其复杂，主要有自形-半自形原生红褐色-黄褐色铬尖晶石，半自形-他形次生绿色尖晶石及自形-半自形的蚀变尖晶石(孔凡梅等，2011)。原生红褐色-黄褐色铬尖晶石Cr#为0.41~0.87，Mg#为0.21~0.61(表 5)，且成分变化大，显示其可能具多期熔融的复杂成因(孔凡梅等，2011)，在铬尖晶石Mg#-Cr#图解上(图 6a)，东德沟橄榄岩中原生铬尖晶石成分区较集中，落入弧前橄榄岩尖晶石区(Guillot et al., 2001)或SSZ环境蛇绿岩区(Bridge et al., 1995)，但次生富铝尖晶石成分区分散，不落入任何区域内或其边缘；在橄榄石Mg#和尖晶石Cr#图解(图 6b)上，原生铬尖晶石全部落入橄榄石-尖晶石地幔阵列(OSMA)中，指示橄榄石与该类铬尖晶石在地幔环境中达到平衡，相当于MORB地幔经20%~45%部分熔融而成，显然次生富铝尖晶石不落入橄榄石-尖晶石地幔阵列。上述情况表明次生富铝尖晶石具有与原生铬尖晶石不同的成因特性(图 6)，东德沟橄榄岩中原生铬尖晶石具有俯冲带岛弧地幔残余尖晶石的特征(Cr#=0.2~0.9, 范围相对宽泛，YFe比值一般 < 0.3)(Arai et al., 2011)。
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图 6 东德沟橄榄岩尖晶石Cr#-Mg#和橄榄石Mg# -铬尖晶石Cr#判别图解 弧前环境区间据Guillot et al., 2001；SSZ类蛇绿岩、玻安岩和原始弧熔浆区间据Bridge et al., 1995；橄榄石/尖晶石地幔排列(OSMA)据Arai, 1994；深海橄榄岩域据Dick and Bullen, 1984；SSZ橄榄岩和被动边缘橄榄岩域据Pearce et al., 2000 Fig. 6 Diagram for Cr#-Mg# of chromite spinel and spinel Cr# vs. olivine Mg# of peridotites from Dongdegou Field for fore-arc-environment after Guillot et al., 2001; for SSZ ophiolite boninite and primitive arc lava after Bridge et al., 1995; for olivine-spinel mantle array after Arai, 1994; for abyssal peridotites after Dick and Bullen, 1984; SSZ and passive margin peridotites after Pearce et al., 2000 |
在对Rayat地区方辉橄榄岩研究时，Arai et al. (2006)提出：交代变质过程中，橄榄岩中橄榄石的Fo约为90的情况下，由于有大量磁铁矿存在，原生铬尖晶石的Cr#和磁铁矿物组份(Fe2+和Fe3+)会增加，而蚀变成高铁铬尖晶石(Arai et al., 2006)，研究发现东德沟铬尖晶石同样存在后期发生铬铁矿化，蚀变成高铁铬尖晶石的交代作用(图 7a)。东德沟次生绿色尖晶石至少形成于两个期次的变质作用或流体交代过程(孔凡梅等，2011)，Mg#与Cr#呈明显负相关性(图 7b), 与Maures地块方辉橄榄岩中绿色尖晶石特征相似(Bellot et al., 2010)，但Mg#范围(0.66~0.82)比其更宽泛，而Romanche断裂带含斜长石地幔橄榄岩中绿色的尖晶石成份介于东德沟深绿色和绿色尖晶之间(Tartarotti et al., 2002)。次生绿色的尖晶石形态不一、成分相对有较大变化(表 5、图 6)，从矿物组合共生晶型特征来看，粗粒褐绿色尖晶石可能与角闪石同期形成，细粒的绿色尖晶石则应结晶于角闪石之后(图 2g，h)。
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图 7 东德沟尖晶石三价离子三角投图(a)和绿色尖晶石Mg#-Cr#图解(b)(地幔尖晶石据Arai and Yurimoto, 1994) Fig. 7 Trivalent cation ratios of spinel (a) and Mg#-Cr# relationship of green spinel (b) in Dongdegou (The region for mantle chromitite is after Arai and Yurimoto, 1994) |
由前面论述可知，东德沟橄榄岩形成以后，经历了地幔交代、流体交代及抬升阶段的麻粒岩相-角闪相退变质和蛇纹石化等复杂的变质作用过程。研究发现，东德沟三类橄榄岩有明显不同的矿物组合特征：(一)含尖晶石角闪方辉橄榄岩中，尖晶石多为为黄褐色-深褐色原生铬尖晶石，少见次生绿色尖晶石；(二)尖晶石角闪橄榄岩中，尖晶石则是次生浅绿色-深绿色富铝尖晶石，少见原生铬尖晶石和斜方辉石；(三)含尖晶石透辉石橄榄岩，样品数量最少，尖晶石为褐色原生铬尖晶石，不见斜方辉石和次生绿色尖晶石。
东德沟橄榄岩最初为无水的地幔方辉橄榄岩，不含单斜辉石。因适用于尖晶石相地幔岩石的压力计目前精确度和准确度都还太低(吴春明，2009)，所以最初的东德沟地幔方辉橄榄岩形成压力难以较准确估算。与橄榄石共生的尖晶石的Mg#与其亚固相的平衡温度密切相关(Dick and Bullen, 1984)，东德沟方辉橄榄岩尖晶石Mg#为21~66，比Hahajima弧前方辉橄榄岩尖晶石(Mg#为34~60)变化范围稍宽些更宽泛(Okamura et al., 2006)，说明该区橄榄岩形成的温度区域可能要比Hahajima弧前方辉橄榄岩(921℃)变化范围略宽些。Fabriès (1979)的方法计算原生铬尖晶石结晶温度公式为T=(4250YCrsp+1343)/(lnKD0+1.825YCrsp+0.571), Mysen and Boettcher (1975)实验研究发现橄榄岩的平衡温度约为900℃左右，所以据Fabriès (1979)描述900℃的条件，调整lnKD0=0.622+1.524YCrsp，计算出东德沟橄榄岩原生铬尖晶石结晶温度为915~961℃，指示最初的东德沟地幔方辉橄榄岩可能形成于温度约为915~961℃的地幔环境。
随着板块俯冲作用的进行，俯冲板片脱水而释放出大量的富水流体/熔体，东德沟橄榄岩经历了地幔环境的交代作用，形成镁角闪石(或直闪石)和金云母。地幔环境角闪石交代可能代表了一个较高的交代温度>700℃，可能是无水的地幔橄榄岩在~770℃由流体交代的产物(Ohara and Ishii, 1998)；Fumagallip and Poli (2005)实验发现，在流体饱和的情况下，方辉橄榄岩在压力~1.0Gpa，温度660~780℃范围内，可出现角闪石和绿泥石；综合上述情况，依据该环境下生成的金云母四面体位置中Si原子所占部分，结合前人对地幔交代角闪石和金云母的研究(Arai, 1984; Arai and Takahashi, 1989; Ohara and Ishii, 1998; Okamura et al., 2006)，认为东德沟橄榄岩地幔交代温压条件约为770~900℃，10~18kbar。该演化阶段形成了含尖晶石角闪方辉橄榄岩。
东德沟橄榄岩闪石分别出现地幔高温的镁角闪石(或直闪石)和后期低温的透闪石，与Hahajima弧前方辉橄榄岩一样，显然是在含水环境下的冷却过程(Okamura et al., 2006)。本区研究样品中未发现叶蛇纹石，只见利蛇纹石和少量纤蛇纹石，这一现象也与Hahajima弧前方辉橄榄岩完全一致，也就表明东德沟橄榄岩与Hahajima弧前方辉橄榄岩可能有相似的演化经历，简言之，这两个地区的橄榄岩蛇纹石化之前的最高温度(极限温度)要远远高于550℃(叶蛇纹石稳定区)，属于透闪石稳定区域内(低于800℃)，而在冷却到透闪石稳定区域内以后，突然迅速冷却至利蛇纹石稳定区(~350℃) (Okamura et al., 2006)，分析认为，产生该现象的原因是由于俯冲板片的大量脱水，引起随之而来的地幔楔上部的含水交代和迅速冷却，该演化现象与南马里亚纳弧前橄榄岩经历的含水交代和快速冷却也是一致的(Ohara and Ishii, 1998; Okamura et al., 2006)。
由于构造抬升作用，地幔楔位置的东德沟橄榄岩向上抬升，温度压力下降，伴随俯冲带流体的交代作用，东德沟橄榄岩又经历了中期角闪相-麻粒岩相退变质作用，该阶段形成无色角闪石(AmⅡ)、透辉石、绿色尖晶石及绿泥石。研究样品薄片观察中发现，尖晶石角闪橄榄岩局部可见少量褐绿色尖晶石包裹着深色尖晶石的现象，前人认为，在橄榄岩经历减压过程中，普遍可见尖晶石从棕色变为绿色的重结晶作用(O’Neill 1981; Bellot et al., 2010)；Bellot et al. (2010)认为在方辉橄榄岩中，透闪石+尖晶石+绿泥石的出现，及透闪石完全交代斜方辉石，绿泥石晶体围绕不透明铬尖晶石形成环边的特征，常指示约为~600℃温度(Bellot et al., 2010)；含水环境下，700~750℃，6~7kbars时，橄榄石冠状部形成了绿色尖晶石(Candia and Gaspar, 1997)，上述研究表明东德沟橄榄岩发生角闪相-麻粒岩相退变质作用可能的温压范围是温度约600~750℃，压力约6~10kbar的条件，含尖晶石透辉石橄榄岩和尖晶石角闪橄榄岩形成于此演化阶段。前人在其他弧前橄榄岩的研究中也发现这类较高温的退变质作用(Parkinson et al. 1992; Bellot et al., 2010)。
橄榄石分解为蛇纹石和磁铁矿的反应发生在250℃以下(Mohammad, 2011)，本区利蛇纹石Al2O3组份多远远低于3%，预示其形成压力低于5kbar (O’Hanley et al., 1989)，且利蛇纹石可稳定于0~350℃，1kbar的流体蛇纹石化过程(Evans, 2004)。这些情况表明蛇纹石化阶段约发生在约350℃以下，5~1kbar的环境(O’Hanley et al., 1989; Evans, 2004; Mohammad, 2011)，东德沟橄榄岩在该演化阶段经历蛇纹石化及碳酸盐化等次生蚀变。
6 讨论与结论显然，东德沟橄榄岩中金云母、镁角闪石或直闪石、菱镁矿的形成暗示交代作用引起了Al、Ca、Fe、Mg、K、Na和C的迁移，前人认为地幔中的水与地幔脱出的气体汇合溶解地幔中的碳，并携带俯冲带物质，溶解Si、Ca、Fe、Mg、A1、K、Na等成分，形成高温硅碱质超临界流体(Bell et al., 2005; 于慧敏等，2005)。东德沟角闪石成份与南马里亚纳弧前含水的H-型(hydrous H-type)和过渡的I-型(intermediate I-type)橄榄岩中的角闪石成份较为接近的特征，预示本区地幔交代介质与Lihir弧下地幔楔中的交代介质类似，可能也是一种高密度的含水熔体(Ohara and Ishii, 1998)。
东德沟橄榄岩有如下特征：(1)角闪石为岩石主要的成分之一，岩石既含有地幔交代镁角闪石或直闪石，又含有流体交代透闪石；(2)原生铬尖晶石较富Al，次生和蚀变尖晶石向富Al和富Fe3+方向变化；(3)未发现斜长石。前两个特征指示东德沟橄榄岩最终形成于含水的环境，镁角闪石或直闪石代表了最初阶段相对高温含水交代变质作用(>700℃)，没有斜长石则表明该区橄榄岩亚固相平衡时压力较高(Dick and Bullen, 1984; Ohara and Ishii, 1998)。
东德沟橄榄岩橄榄石的Fo值与斜方辉石的En值接近一致，与SSZ地幔橄榄岩中矿物特征一致(Sarifakioglua et al., 2010)，且尖晶石具高的Cr#，斜方辉石具低的Al2O3(0.35%~1.22%)和低的CaO ( < 1.%)含量，表明东德沟橄榄岩与Maures地块方辉橄榄岩一致，也是来自于SSZ俯冲带的岩石(Bellot et al., 2010)。
尖晶石中Al成份变化广泛，可能反映了熔体空间或时间的变化，这一现象常出现在SSZ环境的俯冲岛弧地幔(Hamdy and Lebda, 2011)；岛弧岩浆中TiO2含量最低(Arai, 1992; Beccaluva et al., 1983)，Jan and Windly (1990)研究发现源于岛弧较深部的阿拉斯加镁铁-超镁铁岩一般TiO2>0.3%，而东德沟橄榄岩全岩TiO2一般 < 0.3%，尖晶石中TiO2 < 0.3%，显示其与Bibong超镁铁岩相似，可能形成于岛弧环境的浅部环境(Oh et al., 2010)；而无叶蛇纹石的矿物组合特征，显示出含水环境下的快速冷却过程，则进一步证明该区橄榄岩可能形成于SSZ俯冲带的岛弧或地幔楔环境(Ohara and Ishii, 1998; Okamura et al., 2006)；在对东德沟橄榄岩地球化学系统研究后，发现其是经历部分熔融的楔形地幔残余，微量元素呈现出受到俯冲板块析出熔体/流体交代的特征(孔凡梅等，2012)。简言之，该区橄榄岩具有浅部俯冲带环境地幔楔橄榄岩特征，显示其极有可能来源于俯冲上板片地幔楔岛弧环境橄榄岩残片。
致谢 本文野外工作得到申婷婷、苟龙龙、吴苏的帮助；矿物主量元素分析由北京大学电子探针实验室舒桂明高工帮助完成；审稿人和编辑的修改意见，使文章的质量进一步提高；在此一并致谢！| [] | Ai YL, Zhang LF, Li XP, Qu JF. 2005. Geochemical characteristics of HP-UHP eclogites and blueschists, and tectonic implications in southwestern Tianshan. China. Progress of Natural Science, 15(11): 1346–1356. |
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