岩石学教程_13.ppt
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1、岩浆岩岩石学西北大学地质系赖绍聪2005年4月,第十三章 岩浆岩的共生组合及其形成大地构造环境,1.概述 二十世纪初期,岩石学家开始注意到不同类型的火成岩具有显著的地域分布规律。 A.哈克提出大西洋和太平洋岩域(Province)的概念 冯.沃尔夫根据大陆玄武岩分布,增加了北极岩套(Arctic Suite)的概念 1921年尼格里根据含钾岩流,又提出了地中海岩套的概念。然而,这些单纯的地理性区域概念尚未明确地涉及构造背景。 二十世纪六十年代,随着板块学说的建立,岩浆成因和火成岩成分变化规律被赋予了全新的地质构造含义。不同火成岩岩石系列与全球构造的关系,也即火成岩组合在不同地区重复出现,成分变
2、化和分布规律与构造背景的关系引起了地学界的广泛重视。 目前,人们已经识别出地球上有三种主要的岩浆系列。即拉斑玄武质、钙碱质及碱质系列,每个系列都由侵位于地壳中或喷出于其上的一组紧密相关的岩浆岩石组合组成。当用板块构造理论考虑问题时,人们进一步认识到这三种岩浆系列以及火成岩石的共生组合有着完全不同的分布特点。, Ringwood(1969)提出了按板块构造环境分类岩浆的意见,以及岩浆产生与板块构造相互关系的示意图(图1)。 Dikinson(1971)首次提出了“岩石构造组合”(Petrotectonic assembleges)的概念。 Condie(1976)按照板块构造模式将岩石构造组合的
3、概念系统化,讨论了其成因,并提出了生成环境可分为板块边缘和板块内部两大类,多数岩浆都是在板块边缘生成的。它们可以进一步细分为汇聚边缘,离散边缘,边缘盆地,大洋盆地,裂谷系,克拉通和碰撞带等不同环境及其相应的岩石构造组合(表1)。 80年代以来,把火成岩岩石学与大地构造学密切结合的研究有了更大的发展,人们系统地总结了不同的岩浆系列以及板内,边缘盆地,岛孤等各种构造环境的岩浆作用、火成岩组合以及岩浆成因机制,从而使得火成岩大地构造学作为一门新的地质学科日趋完善。,1、板内岩浆活动1.1大陆克拉通区在大陆克拉通地区火成岩并不十分发育。大陆克拉通区发现的火成岩大多呈小型的侵入杂岩体、岩墙、岩床、火山颈
4、、岩管或(少数情况下)呈小的火山区出现。 火成岩成分变化比洋壳区要复杂得多。一般认为,大陆克拉通火成岩可能与某种板内拉张性构造环境有关,但事实上很多地区尚不能认定它们与构造之间的确切关系。有些没有明显构造痕迹的地区,岩浆活动往往归因于和地下的热点或地幔上升的热柱有关。大陆板块内火成岩主要有:金伯利岩、碱性岩(高钾岩系)、高原溢流玄武岩以及火成碳酸盐四种组合类型。,金伯利岩最集中的地区是西伯利亚和南非。由于定位快,它们一般没有经过结晶分异作用,不能形成岩系。但南非曾有过分异金伯利岩的报导。至今还未发现过喷发的金伯利岩,但坦桑尼亚有类似于金伯利岩的熔岩。与金伯利岩有关的碳酸岩则常呈熔岩或凝灰岩喷出
5、。过去认为和金伯利岩有关的碳酸岩和蛇纹岩是后期蚀变结果 ,现在认为至少有一部分是由于高碱岩浆富含CO2及H2O流体的不混熔分离产物。有时由于压力变化,金伯利岩岩浆中释放出部分CO2及CaO,可以形成一套黄长玄武岩及含钙镁橄榄石的岩石,有时有黄长煌斑岩。碳酸岩常常与碱性岩如磷霞岩、霓霞岩、霓霞钠辉岩、钛铁霞辉岩等共生,但并非所有碱性岩都伴有碳酸岩。金伯利岩和碳酸岩多集中于裂谷附近或裂谷系中,有的在破裂的陆缘,如东非裂谷、贝加尔裂谷、阿尔丹穹曲、莱茵地堑、巴西海岸等地。,大陆区的高钾岩系很难说和什么构造环境有关(Kent等,1992)。西澳大利亚的金云白榴岩过去归之为白榴石玄武岩或金伯利岩一类。东
6、非裂谷西部的高碱岩系是高钾熔岩最集中地区,岩石包括暗橄白榴岩、白橄 黄长岩、局部也有碳酸岩熔岩和凝灰岩。意大利罗曼省和西班牙南部的高钾岩系在构造位置上属于聚敛板块边缘,位于本尼奥夫带上。在东非裂谷通过肯尼亚穹隆地带,早中新世开始有大的中心式喷发,喷发产物有霞石岩、暗霞石岩熔岩、火山碎屑岩加少量碧玄岩、玄武岩、响岩和粗面岩。,大陆上的高原玄武岩或洪流玄武岩属拉斑玄武岩系,有的含有大量流纹岩夹层(如印度德干)。高原玄武岩与构造的关系看来并不一律南非卡罗、印度德干可能与显生宙板块分离有关,也可能和热柱活动有关。最老的基维诺玄武岩的构造背景至今还无法弄清。,新近的研究结果表明,在全球范围内尽管各地质历
7、史时期都有大陆板内岩浆活动,但大部分岩浆活动发生在元古代、中、新生代三个时期。为什么大陆板内岩浆活动主要集中在中元古代和中、新生代呢? 根据杜乐天(1990)提出的幔汁说和国外学者提出的地幔热流体说认为,幔汁或地幔热流体是全球地质运动的总根源。在地球演化历史中,幔汁或热流体既有聚积期又有发散期,即具有聚积和发散交替出现的规律。当幔汁或地幔热流体缓慢聚积时拉张性岩浆作用就很少;当幔汁或热流体聚积到一定程度,即由量变发展到质变时,则以地幔柱、热羽、热点的形式从地幔或核幔边界大规模上涌发散,引起地幔物质上隆、岩石圈破裂,沿破裂带形成大量的拉张性板内克拉通岩浆岩岩石组合 。,1.2 大洋板块从板块构造
8、的角度来考察火成岩组合与构造背景的关系,大洋地区似乎比大陆地区更显出规律性。大洋壳范围内的岩浆喷发是少量的,这种喷发由火山岛和洋底火山显示出来它们有两种基本产状,火山岛链和孤立火山。夏威夷群岛、澳特腊尔马绍尔吉尔伯特群岛是典型的火山岛链。火山链可能是当大洋岩石圈在地幔柱(热点)上运移时,由地幔柱(热点)产生的,地幔柱内或地幔柱上面产生的岩浆喷发出来形成了海山和岛链(图2)。,上地幔柱(热点)形成的玄武质原始岩浆,其化学成分主要取决于以下因素: a.地幔源区的物质组成和矿物组合; b.源区物质部分熔融的程度和部分熔融的机理; c.岩浆分异的深度。其形成过程可用双层地幔的简要模式来加以概括(图3)
9、。该模式展示一种双层地幔结构。洋岛玄武岩原始岩浆起源于下层地幔,下层地幔由再循环俯冲洋壳和近原始地幔混合而成;上层地幔为亏损的软流圈地幔,它是洋中脊拉斑玄武岩原始岩浆的起源区;底劈上隆由上下地幔层的边界附近开始产生,部分熔融作用也同时发生。而上隆体附近的亏损地幔也将产生部分熔融,这两种部分熔融的产物可能发生岩浆混合作用,最后岩浆喷出形成洋岛(海山)火山岩,在中脊区则形成洋脊拉斑玄武岩。不同的是,在中脊区,亏损地幔熔融物占有更为重要的地位。,洋岛(海山)火山岩主要是拉斑玄武岩岩浆的产物,它是由大量拉斑玄武岩和较少的碱性岩组成。夏威夷群岛的火山岩中,拉斑玄武岩占85%,其它为中性及酸性岩、碱性玄武
10、岩和更少的更为碱性的基性岩。冰岛的火山岩也属拉斑玄武岩系,但分异产物比夏威夷的多,这里还有流纹岩及火山碎屑岩,同时还有碱性玄武岩。洋岛玄武岩含K2O、TiO2、P2O5高,大离子半径的不相容元素包括轻稀土元素在内都比洋中脊玄武岩高。,大洋板内火山岛链往往显示出有规律的演化历史,夏威夷群岛就是一个实例。在该地区,一个特定火山的最老的岩石均为橄榄拉斑玄武岩,随后富铁石英拉斑玄武岩的丰度增大,最后是少量的碱性玄武岩(及其分异物)。这种事件顺序用热点模式最容易解释。在热点模式中,认为那些早期的岩浆活动反映了在地幔热柱中或其上面的广泛熔融作用。随着火山在热点上的运动,少量岩浆到达地表,以及浅处,分离结晶
11、作用变得更占优势,产生较多的石英拉斑玄武岩。随着火山趋近地幔柱的边缘,等温线下降,熔融作用的深度及程度减小,结果产生小体积的碱性玄武岩。,2 离散型板块边缘岩浆活动2.1 大洋中脊岩浆活动大洋中脊是最重要的离散型板块边缘,是大洋区中最大量的火成岩产生地,也是洋壳产生的地方,洋底不断在中脊处形成,而后运移到大洋各外。大洋中脊以产生拉斑玄武岩和缺乏安山岩为特征,这种拉斑玄武岩,通常称为洋脊拉斑玄武岩(MORBmid ocean ridge basalt)。板块扩张引起的压力释放将产生岩浆,沿洋中脊,地震活动产生于较浅的深度上,而观察到的热流却很高,说明该区贫碱的拉斑质玄武岩浆产生于较浅的深度位置上
12、(Jokat等,1992)。,洋中脊缺乏安山岩的原因可归结如下:(1)没有俯冲作用发生,因此也没有水份带入上地幔。(2)由于地壳较薄,沿中脊的一些扩张裂隙不能阻止水份的散失,因而水压很低,不足以产生安山质岩浆。洋脊岩石中Fe3+/Fe2+低的原因可能正在于此即低水压造成低氧逸度。因此,围绕洋脊产生的岩浆活动是无水的。 Nicholls和Ringwood还认为大洋拉斑玄武岩相当于岛弧拉斑玄武岩的无水等效物。,洋脊拉斑玄武岩主要有以下特征:(1)斑晶或为橄榄石或为斜长石,或二者兼而有之。基质矿物是橄榄石、斜长石、单斜辉石和铁矿物,常含有玻璃质及结晶的矿物雏晶。(2)低钾(K2O0.4%)高钛(Ti
13、O2为0.7-2.3%)P2O5含量低(5%);K2O/Na2O高,当SiO2约50%时,0.6;SiO2约55%时,1.0。在SiO2-K2O图上,低SiO2部分有陡的正倾(当SiO2=45-57%时,斜率57%时,斜率为0或负值)。富集P、Rb、Sr、Ba、Pb和轻稀土(与K的富集吻合),低TiO2(0.5)。,岛弧火山岩以爆发相为特征,火山碎屑物质体积可占整个火山岩体积的80%以上,而洋中脊和大洋岛则要低得多。另处,由火山岩屑、侵入岩及变质岩屑构成的砂岩、泥岩经常与火山岩互层,这种互层系是识别岛弧火山岩系重要标志之一。俯冲带的岩浆岩,自海沟向大陆方向,常常具有明显的水平分带性(图9)。一
14、般均随与海沟轴距离的增加,依次分布为拉斑系列、钙碱系列和碱性系列。这种随着与海沟轴的距离和俯冲带深度的增加,火山岩成分有规律的变化叫做成分的极性,它可指示俯冲带倾斜的方向。在火山岩成分极性中,最有指示意义的是当SiO2含量一定时,K2O随俯冲带深度(h)的增大而增加,Kh成线性正相关关系。当SiO2为60%时,这种关系可表示为(Condie,1973): h=89.3(K2O)-14.3式中K2O为百分含量,h的单位为公里。据此式可估算火山岩对应的俯冲带深度。计算得到拉斑系列对应的俯冲带深度200公里。,岛弧火山岩成分变化与地壳厚度的变化也有对应关系。据统计,当SiO2量固定时,安山岩的K2O
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