岩浆形成深部机制浅谈

岩浆作用深部过程及成因模式~

根据两个系列侵入岩及其包体的岩石化学、矿物化学和岩相学研究，结合橄榄安粗岩系列侵入岩中存在大量的堆积岩包体和高钾钙碱性系列侵入岩中存在大量的暗色微粒闪长质包体、镁铁质石英二长闪长质包体和富云母包体的事实，并通过岩浆动力学分析，我们认为，橄榄安粗岩系列侵入岩的形成以岩浆分异作用为主，而高钾钙碱性系列侵入岩的形成以岩浆混合作用为主。以辉长闪长质岩浆为母岩浆，以堆积岩包体为早期结晶的堆积相，按瑞利方程（Neumann et al.，1954）模拟计算，得出辉长闪长质岩浆通过53%～78%的分离结晶作用，可形成橄榄安粗岩系列岩浆（吴才来等，2003）。再以高钾钙碱性系列花岗闪长质岩浆为地壳部分熔融的岩浆，其中的富云母包体为残余相（Wu Cailai，et al.，2000），计算得出地壳部分熔融程度为63%～78%（吴才来等，2003）。花岗质侵入岩中暗色微粒闪长质包体被认为是基性岩浆注入酸性岩浆中的有力证据（Didier et al.，1991）。本区高钾钙碱性系列岩石中存在大量的微粒闪长质包体，同时存在大量的岩浆混合作用的岩相学及矿物学证据，表明该系列岩浆在形成过程中岩浆混合作用起了举足轻重的作用。选择分异的辉石二长闪长质岩浆作为岩浆混合的基性端员，以花岗闪长质岩浆作为岩浆混合的酸性端员，以石英二长闪长质岩浆作为混合后的岩浆，按质量平衡计算的方法（Ugidos et al.，1993），估算幔源岩浆约占60%，壳源岩浆约占40%，与邢凤鸣和徐祥（1996）根据同位素成分计算的结果类似。
矿物温压计计算结果表明，橄榄安粗岩系列岩浆的温度>1000℃，特别是形成堆积岩包体的岩浆温度高于1200℃，这样高的温度足以使上部的地壳发生部分熔融，Wiebe（2004）的实验也证明了这—点。因此，我们认为，幔源碱性玄武质岩浆在深度约60 km处聚集形成一个巨大的岩浆房，随着岩浆的分异，辉石先结晶，接着是角闪石结晶，岩浆房的热和结晶潜热引起中上地壳低熔点组分发生部分熔融，形成花岗闪长质浅位岩浆房，这里同时发生着同化混染和岩浆分异结晶作用。含有富云母包体的花岗闪长质岩浆首先侵位到上地壳，形成花岗闪长斑岩（侵位年龄约为147 Ma），接着是含有堆积岩包体的辉石二长闪长质岩浆上升侵位到上地壳（145 Ma），同时，部分辉石二长闪长质岩浆注入花岗闪长质浅位岩浆房，发生岩浆混合作用，形成石英二长闪长质岩浆，大约142 Ma，含有大量的暗色微粒闪长质包体的石英二长闪长质岩浆开始大规模地上升侵位（图9.6），形成本区岩浆活动的高峰，大规模的岩浆活动结束后，仍有少量的辉石二长闪长质岩浆上升侵位（137 Ma）。
本区的岩浆作用可以总结如下：来源于地幔的碱性玄武质岩浆上升到莫霍面附近的下地壳（深度约为46～78 km）形成深位岩浆房，并发生同化作用和分异结晶作用（大约53%～78%），同时，形成堆积岩包体。岩浆房中热量和结晶潜热引起中上地壳低熔点组分发生部分熔融（63% ～78%），形成具有残余体的花岗闪长质浅位岩浆房（深度约12～15 km）。伴随着断裂构造作用，浅位岩浆房中的花岗闪长质岩浆侵位。同时，含堆积岩的辉石二长闪长质岩浆从深位岩浆房上升，部分注入浅位岩浆房并与花岗闪长质岩浆混合，并形成暗色微粒闪长质包体，部分直接上升到地壳浅处形成辉石二长闪长岩侵入体。最后，混合的石英二长闪长质岩浆侵位。因此，橄榄安粗岩系列岩浆是一种被地壳混染的幔源基性岩浆分异的产物，而高钾钙碱性系列岩浆是由辉石二长闪长质岩浆（60%）和花岗闪长质岩浆（40%）混合后形成。岩浆作用的结果，最终导致本区深部莫霍面界线的消失（图9.6）。

图9.6 铜陵地区岩浆作用深部过程示意图

地壳都是由板块状构造构成的，在板块的边缘和内部由于受力（挤压或拉伸），使深部岩石受热融化而形成岩浆。地球越往内部越热，岩石圈深部在温压达到临界平衡状态时，即呈现熔融状态。但在板块的边部因挤压受力，在地壳浅部即可局部熔融形成岩浆；在板块内部因易形成穹窿，在穹窿的中心部位较容易形成岩浆；在洋壳中脊因板块拉张作用，使上地幔岩浆涌出。
地球深部温度高，压力高，温压平衡遭到打破时，岩浆出现，所以地球有层圈构造，其内部熔融层，也有固体层。

关于本区中、新生代岩浆形成的深部机制问题，我们主要以近代岩石圈构造热动力学过程为基础，以中生代构造-岩浆（岩）资料为依据，用分析、推理的方法，讨论岩浆形成的深部机制问题，因此我们的讨论只能是浅谈，仅供读者参考。

（一）岩石圈构造热动力学过程

通过G-SGT、D-DGT地学断面剖面研究得知，本区岩石圈厚度大约在60～120km之间，厚薄变化很大，M面的起伏变化与岩石圈厚度变化大体成正比，地壳厚度与M面起伏大体成反比关系。地壳普遍为3层结构，但M-SGT松辽平原段为两层结构。

地表热流密度值研究表明，M-SGT断面中的松辽盆地最高，为69.9mW/m²，其次为海拉尔盆地，为59.0mW/m²；在D-DGT剖面中热流密度值最高地段为海城一带，为104.3mW/m²，其次为下辽河盆地，为63.21mW/m²。在这些热流值高的地段，普遍发育有地震波的速度逆转层，表现出明显的密度变化和低阻高导层的存在等。这说明本区近代岩石圈构造及其热动力学过程正处于还没有达到平衡状态或向非平衡状态发展演化的阶段，我们认为这种非平衡状态只能通过构造-岩浆作用来完成。以深部物质的密度变化为例，海城一带高导低速层密度ρ=2.81g/cm³，推测为花岗质岩浆；义县—北票地区和松辽盆地ρ为2.84～2.86g/cm³，为安山质岩浆；林西、海拉尔一带ρ=2.88g/cm³，为玄武质岩浆等。它们主要分布在中地壳中，或上下地壳之间。说明近代岩石圈构造及其热动力学过程与构造-岩浆作用的关系是十分密切的。因此我们曾提到，如果将今论古能够说明问题的话，中生代某阶段岩浆作用及活动状态，可能大体也是如此。

近来，构造-岩石学家们通过天然地震的三维信息，特别是根据层析成像所揭示的深部地幔构造和热动力平衡关系，提出俯冲带大陆一侧岩石圈之下深部地幔的构造模式，如中国大陆东部圈层-板根-沉块模式（李兆鼐，1994），又如深部的太平洋滞留“冷”板片及“热”地幔羽、“冷”地幔羽模式（丸山茂德等，1993）等。这些模式不仅较圆满地解释了深部地幔热动力学过程以及由它引发的岩石圈构造和热动力过程的非平衡—岩浆作用，而且较充分地解释了中国大陆东部中—新生代构造-岩浆作用主要为太平洋构造域的属性问题。

需要指出的是，这些“板根”或滞留“冷”板片向大陆一侧伸展的距离问题。本区满洲里至延吉大约1200km，相当于延吉至日本东京湾的距离。如果扣除第三纪以来伸展的日本海裂谷宽度，那么从满洲里至日本东京湾的距离大约为1500km，因此我们认为，用上述模式来解释本区中生代构造-岩浆作用及岩石圈构造和热动力学过程的深部机制是完全可能的。当然，在这种情况下，对本区中地壳内可能现存的岩浆问题，最好解释为中生代残余岩浆就更好些。换句话说，日本海的扩展过程，是本区中生代深部地幔“板根”或滞留“冷”板片向太平洋方向推移的过程，这也正是本区自晚白垩世以来火山构造-岩浆作用由NW向SE方向迁移和穿时的过程，地壳拉张减薄。

本区在全区范围内新生代火山岩十分发育，区别于我国华东地区。我们认为这个特征很可能与日本海的扩张使本区上地幔受挤压上隆而对陆壳产生拉张断裂作用有关。

（二）构造-岩浆（岩）依据

当代地球科学把大陆动力学研究作为热点课题，从而把大陆演化-构造活动-岩浆作用作为统一的时间函数，紧紧联系在一起。

我们认为本区中生代以来的构造演化，正如前所述的那样，从南北亚构造域逐渐转为太平洋构造域的过程，而所谓太平洋构造域也经历了复杂的过程，加之近代日本海扩张对本区新生代深部机制的影响等。总之，本区从中生代以来，由于受边界应力场和深部地幔相变流变层的拆沉—沉块而形成热对流的影响，同时地壳发生NE—NNE向大型走滑断裂（如大兴安岭主脊和东缘断裂）及其反复多次的挤压、拉张，以及日本海洋壳的不断扩张致使本区处于拉张（裂谷）环境，喷溢出大量新生代碱性玄武岩至长白山双模式岩浆的喷出等。这是本区自中生代以来构造-岩浆作用形成和侵位的总概况。

在此我们仅举中生代以来本区构造、岩浆（岩）的主要依据，以探讨其成因机制问题。

1.构造依据

众所周知，本区中生代以来的主构造线方向为NNE—NE方向，与火山—侵入岩浆作用关系密切。西伯利亚板块与华北板块近SN向的超碰撞和洋板块对本区俯冲之联合作用，法拉隆、库拉及太平洋板块初期对本区NNW向斜向俯冲和后期太平洋板块对本区NW向正向俯冲，乃至新生代以来日本海NW—SE向扩张对本区的影响等等，这些边缘应力场条件是使本区产生NNE—NE向主构造线的主要因素。当然前中生代基底构造线方向对此也有影响。例如：大兴安岭火山-侵入岩带呈NNE向展布，但是由于受前中生代基底构造的影响，大兴安岭北段的根河盆地，南段的罕山盆地、呼日格盆地、天山盆地，甚至冀北的沽源盆地等，均为NE向盆地。大兴安岭中段由于受贺根山-突泉碰撞拼接带的影响，构造线方向不明显或NE向与EW向交叉出现。需要指出的是，这些NE向盆地构造被整个大兴安岭NNE向构造-岩浆带所连结，显然大兴安岭NNE向构造-岩浆带是反映本区构造-岩浆作用的深部机制，而NE向构造-岩浆岩盆地是反映基底构造继承性活动的（浅部）具体表现。大兴安岭北段大杨树NNE向构造-岩浆盆地是深部机制的直接反映。因此，我们认为，大兴安岭火山-侵入岩带的形成与大兴安岭主脊和东缘两条大型走滑断裂以及这两条走滑断裂之间的莫霍面斜坡带有关，其主要活动期为J₃—K₁期。

松辽盆地呈NNE向展布，位于地幔隆起带。北界为海拉尔-孙吴等EW向断裂，南邻赤峰-开原EW向断裂，这两条EW向断裂属于前中生代古老断裂。因此，松辽盆地的形成主要与该区NNE向走滑断裂的拉张作用有关，系断陷裂谷盆地，岩浆作用不明显，主活动期为K₂—E₁。

依兰-伊通断裂（盆地）、敦化-密山断裂（岩带）及鸭绿江-延吉断裂（雏形裂谷）等，均为NE向构造，与地幔隆起、拉张等作用有关，推测与日本海的NW-SE方向扩张的深部机制联系在一起，它们的主活动期依次为E₁—E₂、N₁—N₂、N₂—Q，主要表现为碱性玄武岩浆活动。

总之，我们认为本区中、新生代岩浆活动及侵位主要与NNE—NE向走滑断裂有关，早期主要表现为挤压，晚期为拉张，但在左旋挤压中也有拉张，右旋拉张中亦有挤压，反复多次。挤压作用有利于形成中下地壳中—酸性岩浆，拉张条件下可能有利于形成下地壳底部的中—基性岩浆。

2.岩浆（岩）依据

对本区中生代火成岩成因问题，正如我们在Pb、Sr、Nd、O同位素信息中提到的那样，看起来似乎矛盾的现象也很多，这些现象也表现在宏观地质、岩石矿物学及地球化学方面。说明形成机制是复杂的，因此对其成因的认识可能也不尽一致。

我们只根据本文研究的需要，仅仅列举几方面作为成因探讨的依据，并提出我们的认识。

a.K₂O-SiO₂（%）的变异特征常被用来分析岩浆性质及物质来源问题，如K.C.Condie（1976）用来计算地壳厚度等。

我们根据大兴安岭北段213个火山岩化学分析样品，分成17个不同岩石类型，进行统计并拟合直线方程，其结果与我国华南同熔型岩浆系列、澳大利亚科修斯克Ⅰ型系列十分类似，如：

w（K₂O）=-5.2635+0.1396·w（SiO₂）（蒋国源、权恒，1988）——大兴安岭北段火山岩（蒋国源，1988）

w（K₂O）=-5.6286+0.1486·w（SiO₂）（徐克勤等，1982）——华南同熔型岩浆（徐克勤，1984）

w（K₂O）=-5.3024+0.1169·w（SiO₂）（R.Hine,1978）——澳大利亚科修斯克I型岩浆（徐克勤等，1984）

b.本区中生代火成岩一般富K、Rb，但Na₂O的含量一般都大于3.2%。在中基性、中性甚至中酸性岩中N₂O/K₂O一般都大于1，富Na反映了其深源特征。

c.本区花岗岩类含铝指数ANKC集中分布在1～1.1之间，w（Fe³⁺）/w（Fe³⁺+Fe²⁺）比值多数大于0.3;CIPW标准矿物C含量小于1.0或不出现等，多反映出I型花岗岩特征，少数为S型花岗岩类，A型花岗岩也有出露。

d.∑REE值接近200×10^-6，∑Ce富集，∑Y相对亏损，多具Eu负异常等是本区中生代火成岩的稀土特征。本区花岗岩类ΣREE平均值约180×10^-6，低于世界花岗岩类（SiO₂＞60%,w（∑REE）=265×10^-6,Haskin等，1968）。说明本区火成岩的斜长石分离结晶作用明显，反映了深源和壳源特征的岩浆。它们在La/Sm-La变异图上集中落在部分熔融作用区（包括I、S型），但少数样品落在结晶分离作用区（A型）。

e.本区中生代中-基性火山岩浆以裂隙式喷溢为主，中—酸性多为中心式喷发，与地壳拉张环境关系密切；花岗岩多分布在挤压造山带中，多与围岩接触关系明显，冷凝边清楚，普遍含角闪石、黑云母等。说明本区大型走滑断裂在挤压-引张阶段主要与花岗岩类侵入作用关系密切，拉张阶段多与火山岩浆的喷发-溢流作用有关。如大兴安岭，J₂期主要表现为深部挤压环境，导致

普遍侵位，但火山熔岩很少；J₃—K₁期挤压-拉张交替出现，以拉张为主，因此该期侵入岩和火山岩都很发育，但以火山作用为主；K₂期只表现为拉张，部分地区发育火山岩，亦见少量小侵入体，主要是斑岩类。

f.新生代火山岩主要与断裂作用有关，包括高原玄武岩、河谷玄武岩及与裂谷作用有关的玄武岩等。主要表现为幔源和深熔特征。

从上述的同位素信息、深部动力学机制及构造-岩浆（岩）特征，我们不难看出：

本区中、新生代岩浆作用可能与深部地幔“板根”或滞留“冷”板片的相变流变层的拆沉作用发生沉块产生的热对流作用有关，主要表现为太平洋构造域的大陆钙碱性火成岩系列。

由于深部地幔物质-能量的非平衡至平衡作用直接影响本区上地幔与下地壳，使岩石圈发生部分熔融，因此形成壳幔混合型岩浆为主体。它们在上升侵位过程中，或可混熔大量壳源组分，表现出“壳源”岩浆或“S”型岩浆特征，或可产生结晶分离作用，表现出“碱性”系列或“A”型岩浆特点，但“壳源”和结晶分离作用岩浆不是本区岩浆岩的主体。至于中生代火山岩浆在深部的分异作用问题，我们还没有直接的资料来说明其是否。

岩浆活动与大型走滑断裂带频繁的挤压-拉张活动关系密切，挤压-拉张活动在不同地区不同时代表现得不同，主要与上地幔隆坳带的蠕动式迁移活动直接有关，从而表现出了构造-岩浆活动的迁移和穿时特征。

本区中生代岩浆作用的上述特征，与本区强烈的中生代岩浆热液型成矿作用也联系在一起，也就是说，本区“幔源”型Fe、Cu、Mo矿床，“壳源”型W、Sn、U矿床，“过渡”型Pb、Zn、Ag、Au等矿床及与碱性岩浆有关的稀土矿床等，均与本区中生代岩浆作用及其深部机制有关。新生代岩浆作用的深部机制问题还表现在石榴子石、刚玉、橄榄石等与地幔包体有关的宝石矿床方面。

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