Question

俯冲带几种岩浆的形成

Answer 1

关于岛弧、大陆弧火山作用中钙碱性的玄武岩、安山岩和流纹岩等岩石的形成这里不进行讨论，在第二章已介绍过岛弧地区橄榄安粗岩系的成因，下面简述俯冲带构造-岩浆作用形成的几种特殊岩石的地球化学特征及有关的成岩模拟实验。

（一）埃达克岩（Adakite）

埃达克岩由中、酸性的角闪安山岩、英安岩、流纹岩等组成，其中没有玄武岩。它首先在阿留申群岛的 Adake岛被发现并命名（Martin，1999）。现代埃达克岩环太平洋周边分布，分布在智利南部、厄瓜多尔、巴拿马、哥斯达黎加、墨西哥、Cascade、阿留申、堪察加、日本、菲律宾、新几内亚等地。Martin（1999）、Rapp 等（1999）根据有关实验和地质地球化学特征来解释埃达克岩的成因。埃达克岩含SiO₂大于56%，在（Na₂O+K₂O）-SiO₂图（图7-16）上，它们位于钙碱性岩范围。但埃达克岩含高的 Na₂O（3.5%≤Na₂O≤7.5%），K₂O/Na₂O比低（～0.42），因此在K-Na-Ca三角上（图7-17 A），位于奥长花岗岩分异趋向上，而不在钙碱性岩趋向上。埃达克岩含高的 Al₂O₃，在 SiO₂=70%时，Al₂O₃＞15%；而（Fe₂O₃+MgO+MnO+TiO₂）含量中等（～7%），Mg^＃=0.51，在弧钙碱性火山岩中这两项分别为6%和0.36，因而有明显区别；它的Ni=24×10 ^-6，Cr=36×10 ^-6，在弧钙碱性英安岩中分别为8×10 ^-6和5×10 ^-6。Sr的丰度异常高是埃达克岩浆的典型特征。在大多数埃达克岩中，Sr为700×10 ^-6左右，高的可达到2000×10 ^-6。埃达克岩的REE配分曲线也是很典型的（图7-18），有Eu正异常，分馏明显[（La/Yb）_N＞10]，La_N为40～150。HREE很低，（Yb≤1.8×10 ^-6，Y≤18×10 ^-6）（图7-18 A）。钙碱性岩中HREE则较富集（HREE_N≥10；Yb≥2.5×10 ^-6，Y≥25×10 ^-6），因而REE分馏不明显[（La/Yb）_N＜10]（图7-18A），常有Eu负异常，与埃达克岩有明显区别。所有埃达克岩的原始地幔标准化曲线上有Sr正异常，说明没有斜长石的分离，并有明显Nb负异常，负的Zr、Ti异常不明显。典型钙碱性英安岩HREE较高，有Sr负异常，Nb 负异常更明显。从图7-20可以看出埃达克岩与岛弧钙碱性岩的区别。地球化学模型说明，埃达克岩的源区岩石不是超镁铁质的，而是玄武质的。埃达克岩的HREE含量低，可用源区部分熔化中残留“石榴子石+角闪石”来解释（钙碱性岩形成过程中这些矿物不是残留相）。在图7-21可以看出，低压下拉斑玄武岩（FSS）部分熔化形成的熔体的稀土配分曲线没有HREE亏损，高压下部分熔化形成的熔体则HREE亏损明显，说明高压下源区形成了石榴子石。1991年以来，在5～32 kbar下和700～1150℃温度区间对变质玄武岩做了大量无水熔化实验。熔化10%～40%时，形成的熔体的成分是埃达克质的。实验表明，在水饱和条件下不可能形成埃达克岩浆，只有脱水熔化（dehydration melting）能形成埃达克岩浆（Rapp et al.，1999）。图7-22表达了埃达克岩在上升过程中与地幔楔相互反应的结果。把天然的埃达克岩与玄武岩熔化实验产生的熔体的成分相比较，在CaO-SiO₂图上两者相当一致，但在MgO-SiO₂图上埃达克岩的MgO高于实验液体的MgO。因此认为，俯冲板片熔化产生的埃达克岩岩浆在上升过程中与上覆地幔楔之间发生了相互作用，这种相互作用导致埃达克岩浆富MgO、Ni和Cr。这与Rapp（1999）等对天然埃达克岩做的大量统计是完全一致的（Martin，1999）。

图7-16（Na₂O+K₂O）-SiO₂图

图7-17 K-Na-Ca三角形

图7-18 稀土配分曲线

图7-19 微量元素原始地幔标准化曲线

图7-20（La/Yb）_N-Yb_N与（Sr/Y）-Y图解

图7-21 拉斑玄武岩（FSS）部分熔化形成的熔体的稀土配分曲线

综合实验和地质资料，Martin（1999）给出了俯冲带形成埃达克岩、钙碱性岩浆以及太古宙TTG综合模型（图7-23）。图7-23 中的①是太古宙时期形成TTG的温度、压力条件，沿俯冲带的地热梯度很高，俯冲板片在很浅的深度就熔化，斜长石作为残留相，地幔楔厚度小、温度低，地幔-岩浆的作用有限或不存在。图7-23中②的地热梯度较低，但足以让板片熔化，熔化出现在较大深度，没有斜长石残留，残留体由角闪石和石榴子石组成，地幔楔较厚和较热，能出现地幔和岩浆之间的相互作用，形成埃达克岩浆。图7-23中的③表明沿俯冲带的地热梯度低，俯冲板片在开始熔化前就脱水，脱水作用释放的流体上升到地幔楔，发生交代作用，并使上地幔熔融，形成典型岛弧钙碱性岩浆，在现代俯冲带比较普遍出现这种情况（Martin，1999）。

图7-22 埃达克岩与玄武岩熔化形成的熔体成分比较

图7-23 俯冲带形成弧岩浆的p-t图解

（二）TTG

TTG是“英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩”（tonalite-trondhjemite-granodiorite）的缩写，它是许多太古宙“花岗岩-绿岩”地体的重要组成部分，构成地球上最老的地壳，在3.9～2.5Ga期间生成的太古宙地壳中>95%是由TTG构成的。Smithies（2000）认为，太古宙TTG与新生代埃达克岩并不相当。TTG在化学成分上的特征是SiO₂≈70%，Al₂O₃>15%，富Na₂O、贫K₂O，Na₂O平均为5%，K₂O/Na₂O低（<0.5）。TTG的富钠特性表现在K-Na-Ca三角中，都投影在奥长花岗岩分异线上（trondhjemitic differentiation line），远离钙碱性趋向（图7-17B）。TTG贫铁、镁（Fe₂O₃+MgO+MnO+TiO₂ ≤5%），较现代埃达克岩稍贫Ca。TTG的Sr、Ba都大于500×10^-6。太古宙TTG的另一个典型特征是REE强烈分馏，（La/Yb）_N比可达150，Yb低，Yb<1×10^-6，（0.3≤Yb_N≤8.5）。埃达克岩的（La/Yb）_N虽然也高，但不会超过100，表明TTG的源区有“石榴子石±角闪石”残留，高压下玄武岩的部分熔化形成了TTG。与埃达克岩相似，太古宙TTG具有Nb-Ta负异常，并伴有Ti的负异常（图7-19B）。另外，TTG没有Sr的正异常，表明斜长石在其形成中也是残留相。TTG的Mg^＃数以及Ni、Cr含量低于埃达克岩，这说明TTG岩浆在上升中与上覆地幔楔没有明显的相互作用。显生宙岩石的成分与TTG很少相似，说明太古宙与显生宙形成长英质岩浆的过程是有明显区别的（Smithies，2000），其形成的温度-压力条件如图7-23中的③所示。

（三）高镁安山岩

以前一般认为，安山质岩浆不是原始地幔熔体。Hirose（1997）用二辉橄榄岩KLB-1在1GPa压力、相对较低的温度950～1050℃、水过饱和与不饱和条件下进行熔化试验，所有的实验在活塞圆筒装置中进行，炉料中氧逸度控制在高于FMQ。他通过实验表明，对含水上地幔岩的部分熔化有可能形成原始安山质及高镁安山质熔体。

他的实验表明，当存在水蒸气时，在1GPa压力下，二辉橄榄岩的固相线温度在950～1000℃之间。以前的实验表明，含水<2.5%、温度>1200℃时形成的熔体与无水实验中部分熔化程度相同的熔体成分相似，都是玄武质的（图7-24）。在1050℃、含水1%～3%的实验中，部分熔化约16%和22%时，实验产物的淬火玻璃含SiO₂为54.4%～60.3%，这证明，安山质熔体可以通过含水地幔橄榄岩的部分熔化直接形成，但温度必须不高于1100℃。该实验获得的（包括1100℃时形成的）熔体含水>3%。含水低温安山质熔体与无水熔体比较，有较高的SiO₂、Al₂O₃，较低的FeO、MgO和CaO。熔体的SiO₂明显取决于形成的温度。形成高镁安山岩后的残留体成分相当于上地幔中异剥橄榄岩成分（wehrlitic）。如果把二辉橄榄岩（KLB-1）在1000～1350℃含水部分熔化所形成的熔体成分标绘在玄武岩四面体的“橄榄石-斜长石-石英”三元图上（图7-25），可以看出，1200℃以上形成的含水熔体接近干条件下的熔体成分趋向。在1100℃较低温度下形成的熔体较之无水条件下形成的熔体显然贫橄榄石组分，而多斜长石和石英组分。西南日本FeO^*/MgO<1的Setouchi高镁安山岩也标绘在该图上。与KLB-1在1GPa压力下部分熔化所产生的熔体比较，Setouchi高镁安山岩的成分与1000～1200℃温度区间熔化10%～20%所形成的熔体是一致的。因而该熔化实验表明，这种高镁安山岩是地幔橄榄岩在1GPa压力、水不饱和条件下部分熔化的产物（Hirose，1997）。

图7-24 KLB-1在1GPa压力下部分熔化形成的含水与不含水玻璃的主要氧化物含量

图7-25 含水熔体的标准矿物成分在Walker橄榄石-斜长石-石英三元图上的投影