俯沖帶鎂鐵質(zhì)堆晶巖的母巖漿恢復(fù)：方法與實(shí)例*

郭鋒

俯沖帶是匯聚板塊邊界發(fā)生相互作用的地帶，也是地震、構(gòu)造、巖漿及成礦作用較為發(fā)育的區(qū)域，表現(xiàn)為一個(gè)板塊向相鄰板塊之下的下降潛伏過程(Tatsumi and Eggins, 1995; Stern, 2002)。俯沖帶主要由俯沖的大洋巖石圈、地幔楔、上覆板片以及溝-弧體系等多個(gè)部分組成。在俯沖帶有大量的弧巖漿作用發(fā)育，開展弧火成巖尤其是鎂鐵質(zhì)火成巖的研究，可以很好地認(rèn)知俯沖帶地幔楔的改造過程和演化歷史(McCulloch and Gamble, 1991)。

圖1 中國東部古俯沖帶典型鎂鐵質(zhì)侵入巖(具堆晶結(jié)構(gòu))的正交偏光顯微照片(a)橄欖輝長巖(延邊地區(qū)侏羅紀(jì)圖門巖體，Guo et al., 2015)；(b)白堊紀(jì)角閃輝長巖(福建泉州，Zhang et al., 2019)Fig.1 Microphotos of typical mafic intrusions (accumulation texture) from the paleo-subduction zones in eastern China(a) an olivine gabbro from the Jurassic Tumen intrusive complex in NE China (Guo et al., 2015); (b) a hornblende gabbro from the Cretaceous Quanzhou intrusion in SE China (Zhang et al., 2019)

關(guān)于俯沖帶巖漿作用的研究，前人已經(jīng)開展了大量的工作，總結(jié)起來，取得的進(jìn)展包括以下幾個(gè)共識(shí)：(1)俯沖帶巖漿具有富水的特征，其初始巖漿的水含量在4%左右(Planketal., 2013)，與俯沖板片脫水過程密切相關(guān)(Groveetal., 2006; Zack and John, 2007; Shawetal., 2008)；(2)巖石主要為拉斑-鈣堿性系列，并在微量元素組成上顯示出虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素和富集大離子親石元素的特征，在同位素組成上相對(duì)洋中脊玄武巖更為富集(Davies and Stevenson, 1992; Tatsumi and Eggins, 1995; Macdonaldetal., 2000)；(3)俯沖帶地幔楔交代介質(zhì)來自俯沖板片，包括洋殼和上覆沉積物的熔體和流體(von Huene and Scholl, 1991; Nicholsetal., 1994; Stolzetal., 1996)，并根據(jù)沉積物的差異，可以分為洋內(nèi)弧和大陸弧(Plank and Langmuir, 1998; Tollstrup and Gill, 2005; Zhaoetal., 2019)。

相對(duì)于現(xiàn)今的俯沖帶發(fā)育有較為完整的巖漿作用記錄，古俯沖帶距今時(shí)間較為久遠(yuǎn)，因此容易受到地殼隆升剝蝕或構(gòu)造活動(dòng)的改造，弧火山巖難以保存下來，通常被保留下來的是鎂鐵質(zhì)堆晶巖或者巖體的根部。從嚴(yán)格意義來說，鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)堆晶巖是由主要造巖礦物、副礦物和粒間熔體的集合體(圖1)，其全巖組成不能代表與礦物之間平衡的母巖漿成分(Bédard, 1994)，因此利用傳統(tǒng)的地球化學(xué)方法進(jìn)行成因研究和古俯沖帶再循環(huán)組分的識(shí)別存在諸多不確定性。如何恢復(fù)與這些鎂鐵質(zhì)堆晶巖之間平衡的母巖漿成分是開展古俯沖帶/造山帶巖漿成因研究的難題之一。

Bédard (1994, 2001)基于質(zhì)量平衡方程和單斜輝石分配系數(shù)，率先提出了運(yùn)用礦物-熔體之間的平衡配分關(guān)系(equilibrium distribution method, EDM)來計(jì)算與堆晶礦物組合平衡的熔體成分。作者團(tuán)隊(duì)以及其他單位研究人員在開展東北吉黑地區(qū)早侏羅世古太平洋俯沖帶基性巖漿成因的研究中發(fā)現(xiàn)了多處零星出露的鎂鐵質(zhì)侵入雜巖(圖1a，Yuetal., 2012；Guoetal., 2015)，采納該方法來恢復(fù)區(qū)域輝長巖的母巖漿成分。在后續(xù)的研究中發(fā)現(xiàn)古俯沖帶中的一部分鎂鐵質(zhì)侵入雜巖的主要暗色礦物為角閃石(圖1b，Guoetal., 2016; Zhangetal., 2019)，輝石和橄欖石少見，反映巖漿極為富水的特點(diǎn)(Ridolfi and Renzulli, 2012)。為此我們?cè)谇叭说幕A(chǔ)上拓展出基于角閃石分配系數(shù)的母巖漿成分計(jì)算方法。由于在鎂鐵質(zhì)堆晶巖中除了常見的斜長石、暗色礦物如橄欖石、輝石和角閃石堆晶作用外，也存在一些副礦物如榍石、磷灰石、鋯石、磁鐵礦和鉻鐵礦等的影響，從而導(dǎo)致這類堆晶巖在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化不相容元素蛛網(wǎng)圖上除了表現(xiàn)出常見的Sr-Eu正異常外，還會(huì)出現(xiàn)Ti、Zr-Hf、Th-U以及P的異常。通過特定副礦物的增減可以消除這些異常，從而得到更真實(shí)的堆晶巖母巖漿成分。這兩種計(jì)算方法已經(jīng)陸續(xù)被國內(nèi)外學(xué)者用于恢復(fù)相關(guān)鎂鐵質(zhì)堆晶巖的母巖漿成分。由于以前的相關(guān)文章都發(fā)表在英文雜志上，受眾范圍相對(duì)較窄；為了方便廣大國內(nèi)地質(zhì)工作者參考，本文將簡(jiǎn)明扼要地進(jìn)行方法原理和研究實(shí)例的介紹，并附錄Excel表(見期刊官網(wǎng)附件1)來演示如何計(jì)算，為其后續(xù)應(yīng)用提供方便。最后我們通過計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比來討論運(yùn)用鎂鐵質(zhì)堆晶巖地球化學(xué)來示蹤俯沖帶演化的適用性。

1 平衡配分方法

基于質(zhì)量平衡方程，假設(shè)巖漿體系為封閉系統(tǒng)，熔體發(fā)生固結(jié)形成了礦物堆晶+粒間熔體(trapped melt, 簡(jiǎn)寫為TM)的集合體(Bédard, 1994)。進(jìn)行平衡配分法需滿足以下前提：(1)礦物之間達(dá)到平衡；(2)在接近巖漿固相線的溫度下，粒間熔體迅速被包裹在原位結(jié)晶礦物格架的孔隙中；(3)巖漿固結(jié)后沒有經(jīng)歷后期的流體/熔體交代或滲濾作用。此時(shí)粒間熔體成分代表了平衡的“固相線”熔體成分。為了方便表達(dá)，本文將計(jì)算獲得的粒間熔體成分視作代表與礦物集合體平衡的母巖漿成分。這種方法成功用于加拿大拉布拉多元古代斜長巖和鎂鐵質(zhì)堆晶巖以及太古代Albitibi綠巖帶中鎂鐵質(zhì)堆晶巖的成分恢復(fù)(Bédard, 2001; Bédardetal., 2009)。

圖2 基于單斜輝石平衡配分法和非實(shí)比熔融反演獲得的母巖漿成分以晚古生代延邊地區(qū)清溝山輝長巖樣品06HCH-1為例計(jì)算獲得了不同粒間熔體比例(TMF)對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果(Guo et al., 2016)；隨著TMF的增加，對(duì)應(yīng)的礦物組成和含量變化情況見表1；當(dāng)單斜輝石停止熔融后(TMF≥9.0%，TMF為粒間熔體百分含量)，所恢復(fù)的母巖漿成分在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化不相容元素蛛網(wǎng)圖上呈現(xiàn)出相對(duì)一致的配分曲線；通過在副礦物中設(shè)置一定的磷灰石含量，可以有效地去除全巖樣品在元素P的負(fù)異常. 原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化值參考Sun and McDonough (1989)，后圖同F(xiàn)ig.2 The estimated parent magma composition based on equilibrium distribution method of clinopyroxene and non-modal melting backstripping procedureA Late Paleozoic gabbro (06HCH-1) at Qinggoushan from Yanbian area in NE China to show the calculation results of different trapped melt fractions (TMF, Guo et al., 2016). Following an increase of TMF, the corresponding variations in mineral assemblage and modal composition are listed in Table 1. When the clinopyroxene is exhausted and the TMF exceeds 9%, the calculated parent magma compositions show consistent primitive mantle-normalized trace element spidergrams regardless of TMF. We also set up a little apatite in the modal mineral composition to effectively eliminate the negative P anomaly observed in the whole-rock sample. The trace element values of primitive mantle (PM) refer to Sun and McDonough (1989) and hereafter

假設(shè)某輝長巖/橄長巖/蘇長巖的全巖成分為不同礦物與粒間熔體的加權(quán)總和，那么其全巖成分可以表達(dá)為：

(1)

Ci為某元素在全巖、單礦物和粒間熔體的含量，φ代表了單礦物和粒間熔體的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。在輝長巖中主要造巖礦物為橄欖石(Ol)、斜方輝石(Opx)、單斜輝石(Cpx)和斜長石(Pl)，部分巖石含有角閃石(Hb)。副礦物包括鐵鈦氧化物如磁鐵礦(Mt)、鈦鐵礦(Il)、鉻鐵礦(Chr)，磷灰石(Ap)、榍石(Ttn)、鋯石(Zr)/斜鋯石(Bed)等。各種造巖礦物和副礦物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)可以通過標(biāo)準(zhǔn)礦物CIPW計(jì)算或?qū)嶋H巖相學(xué)觀察獲得?；诘V物/熔體之間平衡與分配系數(shù)(Di)的關(guān)系，可以獲得單斜輝石某元素的含量：

(2)

把等式(2)并入到等式 (1)進(jìn)行簡(jiǎn)單變換，可以獲得單斜輝石某元素的含量：

φOl×Ol/熔體Di/Cpx/熔體Di+φPl×Pl/熔體Di/Cpx/熔體Di+

φ副礦物×副礦物/熔體Di/Cpx/熔體Di+φTM×Cpx/熔體Di)

(3)

圖3 基于角閃石平衡配分法和非實(shí)比熔融反演獲得的母巖漿成分以琿春曙光角閃輝長巖樣品09HCH-21為例計(jì)算獲得了不同粒間熔體比例對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果(Guo et al., 2016). 隨著TMF的增加，對(duì)應(yīng)的礦物組成和含量變化情況見表2. 當(dāng)副礦物停止熔融和TMF≥9%后，恢復(fù)的母巖漿成分在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化不相容元素蛛網(wǎng)圖上呈現(xiàn)出相對(duì)一致的配分曲線；當(dāng)TMF=15%時(shí)，所獲得的母巖漿沒有Sr-Eu異常. 全巖中的Zr異常通過增加微量的鋯石 (0.01%)予以有效去除. 一旦TMF=50%，全巖測(cè)試成分和計(jì)算獲得的母巖漿成分在不相容元素蛛網(wǎng)圖上配分曲線形態(tài)基本一致Fig.3 The estimated parent magma composition based on equilibrium distribution method of hornblende and non-modal melting backstripping procedureA Late Paleozoic hornblende gabbro (09HCH-21) at Shuguang from Yanbian area to show the calculation results of different TMF (Guo et al., 2016). Following an increase of TMF, the corresponding variations in mineral assemblage and modal composition are listed in Table 2. When the accessory minerals are exhausted and the TMF exceeds 9%, the calculated parent magma compositions show consistent primitive mantle-normalized trace element spidergrams regardless of TMF. The positive Sr-Eu anomalies disappear when the TMF ≥15%. The bulk-rock negative Zr anomaly is effectively eliminated by setup of a little zircon in the modal mineral compositions. When the TMF >50%, the calculated melt composition is quite similar to the bulk rock

類似地，俯沖帶的鎂鐵質(zhì)巖漿顯示出富水特征(Planketal., 2013)，因此出露更多以角閃石為主的超基性-基性侵入巖，我們根據(jù)其各類礦物組合、成分和全巖SiO2含量可以劃分為角閃石巖、角閃輝石巖、角閃輝長巖或輝石閃長巖。其礦物組合通常為角閃石+/-單斜輝石+斜長石+副礦物，橄欖石和斜方輝石少見。在計(jì)算這類巖石的母巖漿成分時(shí)，我們將角閃石當(dāng)作是未知量，通過計(jì)算角閃石中元素的含量來獲得平衡粒間熔體的目標(biāo)元素含量。

(4)

φ代表了各種礦物或粒間熔體的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。副礦物主要考慮鐵鈦氧化物如磁鐵礦、鈦鐵礦、鉻鐵礦等，其它副礦物有鋯石/斜鋯石、榍石、磷灰石等。

(5)

同樣地，我們將等式(5)代入到等式(4)，此時(shí)也只有φTM是一個(gè)未知數(shù)，只要設(shè)定不同的φTM，就可以獲得角閃石的某元素含量：

φPl×Pl/熔體Di/Hb/熔體Di+φMt×Mt/熔體Di/Hb/熔體Di+

φIl×Il/熔體Di/Hb/熔體Di+φAp×Ap/熔體Di/Hb/熔體Di+

φTtn×Ttn/熔體Di/Hb/熔體Di+φZr×Zr/熔體Di/Hb/熔體Di+

φTM×Hb/熔體Di)

(6)

在實(shí)際計(jì)算過程中，各種礦物的分配系數(shù)對(duì)于最終結(jié)果起到非常重要的作用，因此我們?cè)诜峙湎禂?shù)的選擇上需要非常謹(jǐn)慎。在玄武巖體系中，不同成分對(duì)應(yīng)的鎂鐵質(zhì)造巖礦物和副礦物的分配系數(shù)變化非常大，因此我們?cè)谶x擇分配系數(shù)時(shí)要確保一致性和適用性 (Rollinson, 1993)。如在堿性玄武巖和拉斑玄武巖體系中，單斜輝石的REE和Sr分配系數(shù)就變化非常大。此外，由于以前用火山巖中的斑晶/基質(zhì)含量比值獲得的分配系數(shù)沒有確保二者之間的平衡，因此很多分配系數(shù)都存在問題，我們盡可能選擇近年來通過實(shí)驗(yàn)方法獲得的礦物/玄武巖分配系數(shù)。在部分礦物/熔體分配系數(shù)無法獲得的情況下，比如一些副礦物的分配系數(shù)還較為缺乏，也可以根據(jù)元素在礦物中的相容性進(jìn)行合理的假設(shè)。由

表1 非實(shí)比熔融下礦物相變的反剝離計(jì)算流程 (適用于橄欖輝長巖或蘇長巖)

圖4 運(yùn)用非實(shí)比與實(shí)比熔融反演獲得的母巖漿成分對(duì)比(a) 樣品06TM-2的非實(shí)比熔融反演結(jié)果，當(dāng)TMF變化在10%～15%時(shí)，Sr-Eu正異常消失，P的負(fù)異常也表現(xiàn)不明顯(Guo et al., 2015)；(b) 06TM-2的實(shí)比熔融反演結(jié)果，Sr-Eu正異常被一致保留，且P負(fù)異常明顯Fig.4 Compositional comparison of parent magmas calculated by non-modal and modal melting back stripping procedures(a) results of varying TMFs through a non-modal melting back stripping procedure show that the positive Sr-Eu anomalies and negative P anomaly in whole rock Sample 06TM-2 can be effectively eliminated with a TMF range of 10%～15% (Guo et al., 2015); (b) the positive Sr-Eu anomalies and negative P anomaly in whole-rock Sample 06TM-2 remains clear when a modal melting back stripping procedure is applied

于我們的方法主要建立在單斜輝石和角閃石的分配系數(shù)基礎(chǔ)上，因此這兩種礦物在不同性質(zhì)熔體中的分配系數(shù)選擇就顯得格外重要，直接影響最終的計(jì)算結(jié)果。各種礦物的分配系數(shù)可以瀏覽網(wǎng)站：https://earthref.org/KDD-old/。

2 非實(shí)比熔融的反剝離計(jì)算流程

為了獲得粒間熔體的成分，我們采取反剝離方法來開展計(jì)算。首先將粒間熔體當(dāng)作非實(shí)比熔融作用(non-modal melting)的產(chǎn)物(Zouetal., 2000)，即部分熔融過程中，殘留相中各種礦物的比例會(huì)不斷發(fā)生變化(圖2、圖3)。如副礦物由于其熔點(diǎn)低，優(yōu)先進(jìn)入熔體，其次是單斜輝石和斜長石，再次為斜方輝石，最后是橄欖石發(fā)生熔融。不同熔融階段的具體礦物相變化見表1 (Bédard, 2001)。我們選擇一件輝長巖樣品進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算(圖4)，發(fā)現(xiàn)通過非實(shí)比熔融反演的結(jié)果更加接近其真實(shí)成分。

當(dāng)我們選擇角閃石為未知變量時(shí)，同樣也要考慮非實(shí)比熔融過程，其礦物相變過程見表2。

表2 非實(shí)比熔融下礦物相變的反剝離流程(適用于角閃輝長巖)

為了驗(yàn)證方法的正確性，我們假設(shè)一系列不同的TMF值。比如說在輝長巖體系的計(jì)算中， TMF越小， 對(duì)應(yīng)粒間熔體的某元素含量越高，一旦TMF達(dá)到某一變化區(qū)間時(shí)，獲得的微量元素蛛網(wǎng)圖的配分模式將一致保持不變，而一旦TMF>50%，獲得的熔體組分已經(jīng)非常接近全巖成分，當(dāng)TMF=90%，計(jì)算獲得的粒間熔體成分與全巖的測(cè)試成分幾乎一致。

歸結(jié)起來，鎂鐵質(zhì)堆晶巖的計(jì)算過程包括以下六個(gè)步驟：(1)通過化學(xué)方法分析測(cè)試獲取鎂鐵質(zhì)堆晶巖的化學(xué)成分，包括主要氧化物和微量元素含量；(2)實(shí)際觀測(cè)或者通過CIPW獲得各主要造巖礦物和副礦物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；(3)選擇合適的分配系數(shù)，并計(jì)算體系的總體分配系數(shù)；(4)計(jì)算非實(shí)比熔融過程中礦物比例的變化；(5)通過公式第二部分中等式 (3)和(6)獲取單斜輝石和角閃石在不同TMF的元素含量；(6)最后獲得不同TMF的各目標(biāo)元素含量。

3 應(yīng)用實(shí)例

前面已經(jīng)介紹了平衡配分法的原理和計(jì)算過程，接下來介紹一些研究實(shí)例來說明平衡配分方法在鎂鐵質(zhì)堆晶巖母巖漿恢復(fù)中的實(shí)效性。

3.1 東北早中生代古太平洋板塊俯沖帶超鎂鐵質(zhì)-鎂鐵質(zhì)侵入雜巖

我國東北吉林-黑龍江東部地區(qū)呈北東向發(fā)育了一系列早侏羅世超鎂鐵質(zhì)-鎂鐵質(zhì)侵入雜巖，從小興安嶺一直延續(xù)到長白山，其巖石類型包括橄欖輝長巖、角閃輝長巖、輝石閃長巖和角閃石巖等(Yuetal., 2012; Guoetal., 2015; Zhangetal., 2016; Yangetal., 2018; ; Geetal., 2019; Zhaoetal., 2019)。部分巖石表現(xiàn)出一定程度的斜長石堆晶結(jié)構(gòu)，在微量元素地球化學(xué)特征上為Sr-Eu正異常，甚至很多巖石的REE配分模式顯示出明顯的MREE富集，顯然受到了單斜輝石和/或角閃石的控制(Yuetal., 2012; Guoetal., 2015; Zhangetal., 2016)。對(duì)于這些鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖石成因的認(rèn)識(shí)也存在分歧，或認(rèn)為是古太平洋板塊俯沖成因，或認(rèn)為是弧后盆地拉張作用的結(jié)果。我們?cè)谘芯繄D門超鎂鐵質(zhì)-鎂鐵質(zhì)侵入雜巖時(shí)對(duì)典型樣品進(jìn)行了母巖漿恢復(fù)(Guoetal., 2015)，發(fā)現(xiàn)這些不同類型巖石的母巖漿組成非常接近，均屬于鈣堿性玄武巖/玄武安山巖，并具有典型的弧巖漿微量元素地球化學(xué)特征(圖5)，如富集大離子親石元素和輕稀土元素，虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素，為此我們提出古太平洋板塊向東亞大陸邊緣俯沖的起始時(shí)間為早侏羅世，并進(jìn)一步根據(jù)南北兩段之間的元素-同位素組成差異，提出了北段的小興安嶺地區(qū)為大洋弧，而南段的張廣才嶺-延邊地區(qū)為大陸弧(Guoetal., 2015; Zhaoetal., 2019)。Zhangetal. (2016)根據(jù)我們提供的方法對(duì)東北地區(qū)如遼寧北部和吉林中部的早-中侏羅世鎂鐵質(zhì)堆晶巖進(jìn)行了類似的母巖漿成分計(jì)算，獲得了相似的研究結(jié)果，認(rèn)為這些鎂鐵質(zhì)堆晶巖是古太平洋板塊俯沖作用的產(chǎn)物。

圖5 中國東北吉黑地區(qū)早侏羅世鎂鐵質(zhì)堆晶巖的母巖漿成分計(jì)算結(jié)果(a)延邊地區(qū)圖門超鎂鐵質(zhì)-鎂鐵質(zhì)侵入雜巖體，06TM-2和-8均為橄欖輝長巖(Guo et al., 2015)；(b)小興安嶺新村輝長巖侵入體，全巖原始數(shù)據(jù)來自Yu et al. (2012)；樣品號(hào)后面帶星號(hào)為計(jì)算結(jié)果,后同F(xiàn)ig.5 Calculated parental magma compositions of the Jurassic mafic cumulates in Jilin-Heilongjiang area of NE China(a) olivine gabbros (06TM-2 and -8) from the Tumen mafic intrusive complex (Guo et al., 2015); (b) gabbros from the Xincun mafic intrusion (Yu et al., 2012). The sample names with stars denote the estimated parent magma compositions in equilibrium with the mineral assemblage and hereafter

3.2 延邊地區(qū)晚古生代古亞洲洋俯沖帶超鎂鐵質(zhì)-鎂鐵質(zhì)侵入雜巖

在吉林省東部的延邊地區(qū)，廣泛發(fā)育了二疊紀(jì)超鎂鐵質(zhì)-鎂鐵質(zhì)侵入雜巖，巖石類型與早中生代東北地區(qū)類似，包括橄欖輝長巖、蘇長巖、角閃輝長巖和輝石閃長巖等(李紅霞等, 2010; Caoetal., 2013; Zhouetal., 2014; Sunetal., 2015; Guoetal., 2016; 馮光英等, 2018; Yangetal., 2019)。在REE配分模式和微量元素蛛網(wǎng)圖上，存在多種類型，比如曙光角閃石輝長巖強(qiáng)烈虧損Th和Zr，來自汪清的部分輝長閃長巖樣品存在P正異常，少量來自前山的輝長巖顯示出明顯的Th-U正異常，這些都是堆晶作用的結(jié)果(Guoetal., 2016)。面對(duì)如此復(fù)雜的巖石組合，只有通過母巖漿成分恢復(fù)才可能進(jìn)行對(duì)比。為此，我們分別用單斜輝石和角閃石來開展這些堆晶巖的母巖漿成分。

清溝山輝長巖的計(jì)算結(jié)果顯示其母巖漿為鈣堿性玄武巖，除了Ba與Nb-Ta相對(duì)虧損外，總體上具有相對(duì)平滑的不相容元素蛛網(wǎng)圖(圖6a)。而曙光角閃輝長巖的全巖成分變化起伏非常大，出現(xiàn)明顯的Rb、Th-U、Nb-Ta、P和Zr負(fù)異常(圖6b)。運(yùn)用平衡計(jì)算方法獲得的母巖漿成分屬于拉斑質(zhì)玄武巖，其虧損Nb-Ta和低Rb的特征與其極為虧損的Nd-Hf同位素組成相對(duì)應(yīng)(Guoetal., 2016)，反映其交代介質(zhì)主要為板片流體。

圖6 延邊地區(qū)晚古生代鎂鐵質(zhì)侵入巖的母巖漿成分計(jì)算結(jié)果(據(jù)Guo et al., 2016)Fig.6 Calculated parental magma compositions of the Late Paleozoic mafic intrusions in NE China (after Guo et al., 2016)

圖7 東南沿海地區(qū)早白堊世鎂鐵質(zhì)侵入巖的母巖漿成分計(jì)算結(jié)果(據(jù)Zhang et al., 2019)Fig.7 Calculated parental magma compositions of the Early Cretaceous hornblende gabbros in the coastal region of SE China (after Zhang et al., 2019)

3.3 東南沿海地區(qū)早白堊世超基性-基性侵入雜巖

在東南沿海地區(qū)發(fā)育了早白堊世超基性-基性侵入雜巖，如在福建省從平潭、泉州到漳州沿北東向分布了多個(gè)角閃石輝長巖體(董傳萬等, 1997; Xuetal., 1999; Zhou and Li, 2000; Lietal., 2012; Chenetal., 2013; Zhangetal., 2019; Guoetal., 2021)，這些巖石不僅具有明顯的Sr-Eu正異常，同時(shí)由于角閃石堆晶作用或者是榍石/鈦鐵礦的存在，不同程度地顯示出Ti正異常。盡管前人對(duì)這些侵入巖開展了大量的研究，認(rèn)為其巖石成因與古太平洋俯沖作用相關(guān)，但是關(guān)于其形成環(huán)境和巖漿演化也存在爭(zhēng)議。比如這些侵入巖都顯示出相對(duì)富集的同位素組成，被認(rèn)為可能與地殼混染或AFC過程有關(guān)；另外，根據(jù)傳統(tǒng)的地球化學(xué)判別方法，這些富Ti的基性巖可能形成于弧后伸展環(huán)境。為此我們開展了母巖漿的恢復(fù)計(jì)算，其結(jié)果顯示，平潭、岱前山和泉州三個(gè)巖體的母巖漿成分具有完全一致的微量元素蛛網(wǎng)圖樣式(圖7)，虧損HFSE和富集LILE與LREE，與典型的俯沖帶鈣堿性玄武巖相似(Zhangetal., 2019)。富Ti特征主要是由于存在較多的榍石與鈦鐵礦所致。我們的研究結(jié)果確定了東南沿海早白堊世超基性-基性侵入雜巖與古太平洋板塊俯沖之間的內(nèi)在聯(lián)系，大量的俯沖沉積物熔體改造的地幔楔熔融形成了這些具有Sr-Nd-Pb-Hf同位素富集的鎂鐵質(zhì)巖漿，并提出當(dāng)時(shí)為相對(duì)較熱的俯沖帶，類似于新生代的日本西南和現(xiàn)代小安德烈斯俯沖帶(Shimodaetal., 1998; Carpentieretal., 2009; Labaniehetal., 2010)。

3.4 華南云開地區(qū)古生代鎂鐵質(zhì)堆晶巖

華南云開地區(qū)古生代是否受到來自古特提斯洋的俯沖作用，目前仍存在認(rèn)識(shí)上的分歧(Wangetal., 2007, 2013; Qinetal., 2012; Metcalfe, 2013; Xuetal., 2018; Shuetal., 2021)。我們初步開展了區(qū)域古生代鎂鐵質(zhì)侵入巖的研究，發(fā)現(xiàn)存在多種巖石類型，包括富鐵侵入雜巖體、富鎂橄欖輝長巖、富鈣鋁輝長巖和輝綠巖等，同時(shí)還有一些中酸性的富堿侵入巖和花崗巖等。尤其是富鎂和鈣鋁的輝長巖都包含鈣長石，初步結(jié)果顯示其An牌號(hào)甚至大于95，反映斜長石為早期富水巖漿的結(jié)晶產(chǎn)物(Panjasawatwongetal., 1995)，與中國東北地區(qū)早侏羅世橄欖輝長巖和東南沿海地區(qū)早白堊世角閃輝長巖相似(Guoetal., 2015; Zhangetal., 2019)，而與典型的陸內(nèi)環(huán)境形成的輝長巖(如濟(jì)南橄欖輝長巖)主要出現(xiàn)拉長石存在明顯差異(Guoetal., 2013)。

與此同時(shí)，我們針對(duì)具有明顯斜長石堆晶結(jié)構(gòu)的富鈣鋁和富鎂輝長巖分別進(jìn)行了母巖漿成分恢復(fù)(圖8)，結(jié)果顯示這些鎂鐵質(zhì)侵入巖具有島弧型微量元素地球化學(xué)特征，結(jié)合其富鈣斜長石指示初始巖漿富水特點(diǎn)，我們認(rèn)為它們形成于古特提斯洋的俯沖帶環(huán)境。

圖8 華南云開地區(qū)古生代鎂鐵質(zhì)侵入巖的母巖漿恢復(fù)結(jié)果(a)富鈣鋁輝長巖；(b)富鎂輝長巖. 計(jì)算結(jié)果顯示兩類鎂鐵質(zhì)侵入巖的母巖漿都具有典型島弧型玄武巖的微量元素地球化學(xué)特征Fig.8 Calculated parent magma compositions of Paleozoic mafic intrusions in the Yunkai Massif(a) the Al-rich gabbro; (b) the Ca-rich gabbro. The recalculation results demonstrate that the parent magmas of both mafic rock types have typical arc-type trace element features

圖9 中國東部古生代-中生代鎂鐵質(zhì)堆晶巖的微量元素比值的實(shí)測(cè)與反演計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of measured and calculated trace elemental ratios of Paleozoic-Mesozoic mafic intrusions in eastern China

我們將平衡配分法計(jì)算獲得的母巖漿成分與實(shí)測(cè)的鎂鐵質(zhì)堆晶巖全巖成分進(jìn)行對(duì)比(Guoetal., 2016)，重點(diǎn)考察常用于示蹤俯沖帶地幔楔改造作用的微量元素比值，比如Ba/REE和Ba/HFSE可以較好地示蹤地幔楔是否受到了流體改造，而Th/REE則是地幔楔中是否存在俯沖沉積物貢獻(xiàn)的地球化學(xué)指標(biāo)(Woodheadetal., 2001)。對(duì)比結(jié)果顯示(圖9)，計(jì)算獲得的母巖漿Th/La比值與全巖實(shí)測(cè)結(jié)果吻合最好(圖9a)，而Th/Yb計(jì)算比值則明顯偏高(圖9b)， 計(jì)算的Ba/La與Ba/Nb比值與實(shí)測(cè)結(jié)果相似(圖9c, d)。因此鎂鐵質(zhì)堆晶巖全巖的Th/La、Ba/REE和Ba/HFSE比值適合用于開展俯沖帶的深部動(dòng)力學(xué)過程研究。

3.5 其它研究實(shí)例

根據(jù)我們提供的計(jì)算方法，Dongetal. (2018)開展了內(nèi)蒙古柯丹山阿拉斯加型超鎂鐵質(zhì)-鎂鐵質(zhì)堆晶巖的母巖漿恢復(fù)，認(rèn)為該巖體的母巖漿具有典型的弧巖漿成分特點(diǎn)。Wangetal. (2018)和Wang and Wang (2020)對(duì)揚(yáng)子陸塊北緣隨州-棗陽地區(qū)震旦紀(jì)輝長巖和橄長巖進(jìn)行了母巖漿成分計(jì)算，其結(jié)果指示這些超鎂鐵質(zhì)堆晶巖的母巖漿具有相對(duì)富集LREE和弱虧損HFSE的地球化學(xué)特征，結(jié)合其負(fù)εNd(t)和高放射成因Os的同位素組成特點(diǎn)，認(rèn)為其來源于交代巖石圈地幔。

Wangetal. (2019)對(duì)華南雪峰山隘口和新余地區(qū)晚元古代板內(nèi)鎂鐵質(zhì)堆晶巖 (輝石巖)開展了母巖漿恢復(fù)，其結(jié)果指示這些超鎂鐵質(zhì)堆晶巖的母巖漿具有類似洋島玄武巖的微量元素地球化學(xué)特征，反映其形成于板內(nèi)伸展背景，為新元古代羅迪尼亞超大陸裂解過程的產(chǎn)物。

平衡配分方法也可以用于月球斜長巖與鎂質(zhì)巖套、蛇綠巖套中超鎂鐵質(zhì)-鎂鐵質(zhì)堆晶巖、下部洋殼輝長巖和輝石巖等的母巖漿成分恢復(fù)。

4 結(jié)語

超鎂鐵-鎂鐵質(zhì)火成巖的母巖漿恢復(fù)方法眾多，比如橄欖石熔體包裹體方法、礦物-熔體平衡配分法等等。但是這些方法主要用于噴出巖，如橄欖石中熔體包裹體成分可以有效記錄橄欖石晶體生長過程中平衡的巖漿成分(Renetal., 2005)；礦物的成分環(huán)帶可以記錄巖漿分異、地殼混染和巖漿混合作用等演化過程(Guoetal., 2007)。通過LA-ICP-MS直接分析單斜輝石和角閃石斑晶的微量元素含量，然后運(yùn)用礦物/熔體分配系數(shù)來計(jì)算與單斜輝石或角閃石平衡的熔體成分。然而，超鎂鐵-鎂鐵質(zhì)侵入巖在地殼巖漿房經(jīng)歷了相對(duì)緩慢的冷卻、熔離和堆晶作用，以及巖漿固結(jié)后因物理化學(xué)條件改變而發(fā)生的成分出溶與擴(kuò)散過程等等，致使其母巖漿成分的恢復(fù)變得非常困難。在這些侵入巖中，單礦物內(nèi)部和不同顆粒之間的微量元素含量存在顯著變化，因此選擇單礦物的哪類數(shù)據(jù) (平均含量、中位數(shù)還是其它數(shù)據(jù)比如高M(jìn)g#部分)來進(jìn)行計(jì)算帶來了諸多不確定性。此外，目前開展礦物/熔體分配系數(shù)研究的巖漿體系比實(shí)際觀察到的超鎂鐵質(zhì)-鎂鐵質(zhì)侵入巖的組成要簡(jiǎn)單得多，如何確定單斜輝石/角閃石在鎂鐵質(zhì)巖漿逐漸冷卻過程的分配系數(shù)變化也非常困難。本文的計(jì)算方法是基于巖相學(xué)觀察到的礦物組合進(jìn)行加權(quán)平均，獲得的結(jié)果對(duì)應(yīng)了與堆晶礦物組合平衡的母巖漿成分，相對(duì)于單礦物-熔體平衡分配的計(jì)算結(jié)果應(yīng)該更加令人信服。

盡管我們建立的鎂鐵質(zhì)堆晶巖母巖漿恢復(fù)方法為應(yīng)用他們的地球化學(xué)特征來示蹤古俯沖帶/造山帶演化提供了可能，但是在實(shí)際運(yùn)用中仍然存在一定的不確定性：(1)部分鎂鐵質(zhì)堆晶巖具有異常低的Th-U和Zr-Hf含量，有可能因?yàn)闃悠贩治鲞^程中鋯石/斜鋯石沒有完全溶解造成的，因此這類樣品不適合開展其母巖漿成分的恢復(fù)計(jì)算。在開展母巖漿成分計(jì)算中首先要對(duì)分析數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行甄別。(2)鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)堆晶巖的母巖漿成分恢復(fù)主要基于礦物與粒間熔體之間的平衡關(guān)系，如果巖石固結(jié)后明顯受到了后期流體/熔體的改造，或者在巖漿上升過程中存在明顯的地殼混染或AFC過程影響。這類樣品也不適合開展母巖漿的成分恢復(fù)。(3)在母巖漿成分計(jì)算過程中可以通過增減副礦物如磷灰石、鐵鈦氧化物、榍石、鋯石/斜鋯石來解決一些鎂鐵質(zhì)堆晶巖中除了顯示出明顯的Sr-Eu正異常外，還存在P、Ti、Th-U和Zr-Hf等元素的異常。具體增減的副礦物種類與成分應(yīng)該遵循巖相學(xué)的觀察結(jié)果。(4)在古老俯沖帶重建和恢復(fù)中，盡可能采用玄武巖或者基性巖脈如輝綠巖和熔體包裹體的化學(xué)和同位素組成來示蹤巖漿演化和地幔楔富集改造過程。在上述巖石類型缺乏的情況下，開展鎂鐵質(zhì)堆晶巖的母巖漿計(jì)算方法也可以獲得相應(yīng)不錯(cuò)的結(jié)果。(5)對(duì)比鎂鐵質(zhì)堆晶巖的全巖實(shí)測(cè)成分和計(jì)算的母巖漿微量元素組成，我們認(rèn)為利用這類巖石的Th/La、Ba/REE和Ba/HFSE比值可以用來示蹤地幔楔的改造作用，而實(shí)測(cè)的Th/Yb比值相較計(jì)算值顯著偏低，該比值不適用討論俯沖帶中沉積物的貢獻(xiàn)。

謹(jǐn)以此文慶祝周新華老師八十華誕。我與周老師相識(shí)多年，他為人師表，待人和藹，亦師亦友，不斷鼓勵(lì)我們年輕人積極投身祖國的地質(zhì)科研中。我曾經(jīng)陪同周老師到我國東北地區(qū)和蒙古國中東部地區(qū)開展了多次野外考察，得到了周老師很多學(xué)術(shù)上的幫助和人生教誨，讓我受益匪淺，終身難忘。

致謝本文的最終成文受益于兩位審稿專家的意見，在此深表感謝！