前寒武紀科馬提巖研究概況

胡 剛, 繆向亮, 聶曉亮, 李 牟, 劉 茜, 劉莉茗

(1.江西省地礦資源勘查開發中心,江西 南昌 330030; 2.湖北省國土資源廳,湖北 武漢 430071)

前寒武紀科馬提巖研究概況

胡 剛1, 繆向亮1, 聶曉亮1, 李 牟1, 劉 茜1, 劉莉茗2

(1.江西省地礦資源勘查開發中心,江西 南昌 330030; 2.湖北省國土資源廳,湖北 武漢 430071)

科馬提巖是前寒武紀綠巖的重要組成部分,對探討前寒武紀地球演化歷史、殼—幔演化及巖石成因等方面有著重要的意義。科馬提巖來源于地幔的鎂鐵質、超鎂鐵質火山熔巖,具有流動熔巖的結構構造,其化學成分表現為SiO246%～53%,MgO>9%,CaO/Al2O3>1,K2O<0.9%,TiO2<0.9%,F/F+M比值低,TiO2含量低,MgO、Ni、Cr含量高。且不同產地的科馬提巖具有不同的化學組成,主要分為貧鋁科馬提巖、富鋁科馬提巖、鈦富集型科馬提巖與鎂鐵質富鎂的科馬提巖。目前主流的成因模式為Jarvis G.T,Campbell I.H等先后提出的熱地幔柱模式,認為科馬提巖為地幔柱引起的高溫熔融形成的。

科馬提巖;化學特征;形成條件;熱地幔柱模式

隨著對前寒武紀綠巖帶研究的深入,作用于太古代綠巖帶重要組成部分的科馬提巖也引起了人們的廣泛關注。目前,科馬提巖的研究已經與地球起源、與地殼演化等重大地質問題聯系起來,在生產方面,科馬提巖的研究對于找尋鐵、銅、鎳、鉻、金和鈾礦,尤其是銅鎳硫化物礦床等具有重要的指導意義[1]。科馬提巖是一種來源于地幔的鎂鐵質、超鎂鐵質火山熔巖。科馬提巖這一術語是由M.J.維爾今(Viljaen)和R.P維爾喬林(Viljolen,1969)提出的,當時專指南非(阿扎尼亞)巴布爾頓地區科馬提的太古代橄欖巖和與之相關的鎂鐵質熔巖。中國對科馬提巖的研究可追索到上世紀70年代,肖慶輝(1978)、黃婉康(1979)、張貽俠(1980)先后對國外科馬提巖進行了介紹。迄今為止中國發現的科馬提巖產地有數十處,多分布于揚子地塊,主要形成于太古代、元古代和古生代。國外報道的科馬提巖多分布于太古代,加之科馬提巖形成的特殊地質環境,因此,對于中國形成于元古代與古生代的科馬提巖,國外學者大都持懷疑態度。本文重點就科馬提巖野外特征,巖石類型、巖石化學組合特征,形成的溫壓條件及前人提出的演化模式作一簡要介紹。

1 科馬提巖野外特征

N.T.Arndt等(1977),在研究了加拿大蒙羅的科馬提巖之后提出了判別科馬提巖的準則和定義[2]。科馬提巖包括兩套巖石類型:①非堆積巖類——從苦橄欖巖到玄武巖或安山巖;②堆積巖類——從純橄欖巖或橄欖巖到輝長巖。與普通的超鎂鐵巖不同,科馬提巖具有流動熔巖的結構構造,屬噴出成因。科馬提巖具有一些獨特的結構構造,通常這類巖石結晶都不完全,有時具斑狀結構,含大量火山玻璃,常含氣孔,在冷凝帶通常生成水平拉長的橄欖石晶粒,有些連生在一起構成鬣刺結構或呈現魚骨狀、羽毛狀或竹葉狀等結構。該套巖石是在特定的海相地質條件下形成的一種鎂鐵質—超鎂鐵質火山熔巖,常夾有含放射蟲及其它海相化石的燧石條帶,具枕狀和多邊形節理等構造,常與拉斑玄武巖共生,呈互層、夾層或過渡形式存在。科馬提巖是太古代綠巖帶的重要組成部分,且多位于綠巖帶的最下部。綠巖帶中部為鈣堿性火山巖系,上部為一套雙模式的火山巖系,表現為互層的英安巖、流紋巖或同成分的火山碎屑巖、基性熔巖。根據不同的結構、構造與礦物成分,可將科馬提巖分為三類:橄欖科馬提巖、輝石科馬提巖和玄武科馬提巖[3]。

橄欖科馬提巖呈暗灰綠色、黑色,礦物成分主要是結晶相的橄欖石及單斜輝石以及火山玻璃和少量的鉻尖晶石,鉻鐵礦等。橄欖石常被蛇紋石化、綠泥石化、滑石化,而保留橄欖石的假象;輝石科馬提巖呈灰綠色,結晶相礦物主要是單斜輝石,即易變輝石和普通輝石,次之為橄欖石,一般缺乏長石;玄武科馬提巖呈暗綠色,結晶相礦物為單斜輝石和斜長石,無或有少量的橄欖石,有時有角閃石、石英、鐵的氧化物等。單斜輝石和斜長石往往構成斑晶,基質由細粒的輝石、斜長石、火山玻璃組成,斜長石一般鈉長石化。橄欖科馬提巖、輝石科馬提巖具有典型的鬣刺結構。鬣刺結構的形成是巖漿在噴溢條件下,快速冷凝,巖流中的橄欖石或輝石斑晶朝底部一邊下沉,一邊生長,并與從熔漿中晶出的另一些橄欖石或輝石骸晶連接形成“鬣刺狀”的結構特征。

2 科馬提巖化學特征

目前大家常用的鑒別科馬提巖的化學準則是C Brooks和S R Hart(1974)提出的:SiO246%～53%,MgO>9%,CaO/Al2O3>1,K2O<0.9%,TiO2<0.9%,科馬提巖的特點是F/F+M比值低,TiO2含量低,MgO、Ni、Cr含量高。三種類型的科馬提巖巖石化學特征表現為:橄欖科馬提巖(MgO≈30%,SiO2=44%);輝石科馬提巖(MgO≈12%,SiO2=52%);玄武科馬提巖(MgO=8%,SiO2=52%)。并認為科馬提巖系列,從最低鎂鐵質到超鎂鐵質具有化學參數的連續性。科馬提巖具有很低的稀土含量(∑REE),一般在10×10-6～59×10-6之間,LREE/REE比值、(La/Lu)N比值在0.24～4.8之間。從超鎂鐵質、鎂鐵質科馬提巖到拉斑玄武巖,稀土總量和(La/Lu)N比值逐漸增加,MgO含量逐漸減少。科馬提巖具有Eu負異常,δEu為0.25～0.55。

關于科馬提巖的巖石化學特征,M.J和R.P.維爾喬最初強調的是CaO/Al2O3比值高,堿金屬含量低。在對加拿大、津巴布韋、芬蘭、澳大利亞等地橄欖科馬提巖的研究之后表明,最常見的科馬提巖CaO/Al2O3比值約在1左右,略大于球粒隕石(0.82)。而南非巴伯頓因Al2O3含量低,所以CaO/Al2O3比值較高,平均為1.59。為此,珀維斯把科馬提巖分為“貧鋁”和“不貧鋁”(大部分)兩種類型。貧鋁科馬提巖的巖石化學特征是:CaO/Al2O3比值高,Al2O3/TiO2比值低,貧Al,貧重稀土元素,貧V、SC。Smitn H S等(1982)認為這種鋁虧損科馬提巖的源區成分與一些典型的大洋中脊玄武巖相似,對應的是“貧鋁的玄武科馬提巖”[4]。富鋁的橄欖科馬提巖的巖石化學特征是:CaO/Al2O3比值約為1,Al2O3/TiO2比值約為20,接近球粒隕石,重稀土元素含量曲線平直,對應的是 “不貧鋁的玄武質科馬提巖”。目前這種富鋁的科馬提巖在實驗(Ohtani E et al,1989)和實踐中已經得到驗證[5]。不同產地的科馬提巖具有不同的地球化學特征。Barnes S J等(1990)提出了鈦富集型科馬提巖;Juteau M等(1988)發現了鎂鐵質富鎂的科馬提巖。

在實際工作中,由于科馬提巖鬣刺結構較少發育,且通常與低鉀富鐵的拉斑玄武巖共生,因此,在實際工作中通常使用巖石地球化學方法將科馬提巖與低鉀富鐵的拉斑玄武巖區分開來。區分二者的判別圖解很多,目前最常用的有Naldrett et al(1977)提出的MgO-TiO2圖解、MgO-CaO- Al2O3圖解與SiO2-TiO2圖解(圖1)等。

由于科馬提巖形成時間較早,通常發育在前寒武紀,多分布于太古代。因此,目前發現的科馬提巖多發生變質作用,從綠片巖相至麻粒巖相都有發育。對如何恢復原巖,是個值得關注的問題。Viswanathan(1974)認為麻粒巖相變質的科馬提巖與綠片巖相變質的科馬提巖化學成分上并無多大差別。J G Arth(1977)認為科馬提巖稀土元素分布特征取決于巖石的熔融程度,變質作用對其影響不大。因此,J G Arth認為,可以用巖石化學恢復原巖成分[6]。

圖1 MgO-TiO2圖解與MgO-CaO- Al2O3圖解[7]Fig.1 MgO-TiO2 diagram and MgO-CaO-Al2O3 diagram

3 科馬提巖形成條件

研究表明,科馬提巖形成條件十分苛刻。由于科馬提巖的液相線溫度比現代一般熔巖高250 ℃左右,因此過去一直認為科馬提巖巖漿是在高溫(>2 000 ℃源區)地溫條件下通過地幔部分熔融產生的[8]。但在近年來的研究表明在15 GPa壓力條件下,地幔橄欖巖的液相線與固相線相交,說明在足夠高的壓力條件下也能形成科馬提巖巖漿。關于科馬提巖形成的溫度,Bowen N.L等認為在MgO-SiO2-H2O體系中,蛇紋巖熔體在101 325 Pa壓力下,其液相線溫度為1 400～1 600 ℃。Green D.H認為MgO含量為32%的熔體溫度超過1 650 ℃[9]。Bickle M J(1978,1982)提出了無揮發分的科馬提巖和鎂鐵質玄武巖的液相線溫度與MgO含量關系圖(圖2)。在101 325 Pa壓力條件下,含30%MgO的科馬提巖的液相線溫度大約為1 600 ℃。由于熔點隨壓力增大而升高,即使1 600 ℃也只是一個最小值。在3 GPa壓力條件下,同樣含30%MgO的科馬提巖的液相溫度為1 800 ℃。因此初始科馬提巖的溫度不會低于1 600 ℃。

圖2 101 325 Pa和3 GPa壓力條件下鎂質玄武巖和科馬提巖液相線圖解[10]Fig.2 Liquidus diagram of magnesian basalt and komatiite under pressure conditions of 101 325 Pa and 3 GPa

4 科馬提巖成因模式

科馬提巖的成因模式存在干地幔熔融模式、濕地幔熔融模式、濕超鎂鐵質板塊俯沖模式以及熱地幔柱模式等幾種類型。由于干地幔熔融模式所要求的熔融溫度太高,加之太古代的地熱梯變高達44 ℃/km(以30 km厚度為計),并且干地幔熔融模式不能解釋科馬提巖的微量元素的地球化學特征[11-12]。濕地幔熔融模式又找不到太古代存在濕地幔的任何證據。基于科馬提巖形成時高溫的特點,以及現代大洋和大陸中局部高熱異常熱點的存在,Jarvis G.T,Campbell I.H等先后提出了熱地幔柱模式。

大部分太古代綠巖層序的下部主要由互層的拉斑玄武巖和科馬提巖流占絕對優勢,而且這兩類巖漿在巖石學和地球化學上表現出不同的特征。但它們都顯示出了緊密的空間與時間伴生關系。熱地幔柱模式認為地幔柱頭部的溫度比軸部低大約450 ℃,這正是科馬提巖與共生的拉斑玄武巖形成的溫度差,因此認為科馬提巖是由地幔柱軸部熔融形成的,而共生的拉斑玄武巖是由地幔柱頭部熔融形成的[12]。就目前研究程度來說,熱地幔柱模式比較成熟。

從板塊構造模式出發,目前存在科馬提巖形成于大洋盆地、俯沖環境和大陸裂谷環境的不同觀點。一些研究認為,科馬提巖及伴生玄武巖可能是陸殼下或洋殼下地幔熱柱演化的產物,即形成于熱點環境。多數研究認為科馬提巖的形成與地幔柱活動有關。因此,對科馬提巖的研究有助于了解太古宙地幔的組成。

5 結語

科馬提巖是前寒武紀綠巖帶的重要組成部分,對探討前寒武紀地質演化與成因巖石學等方面具有重要的理論意義,而且對鐵、銅、鉻、鎳、金、鈾等礦產,尤其是銅鎳硫化物礦床的找礦工作具有重要指導作用。所以,對科馬提巖研究是當前地質科學研究的重要課題之一,有助于中國對前寒武紀地質工作及找礦工作的理論研究。

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(責任編輯：于繼紅)

Research Survey of Precambrian Komatiite

HU Gang1, MIAO Xiangliang1, NIE Xiaoliang1, LI Mou1, LIU Xi1, LIU Liming2

(1.CenterofExplorationandDevelopmentofGeologyandMineralResourcesofJiangxiProvince,Nangchang,Jiangxi330030; 2.DepartmentofLandandResourcesofHubeiProvince,Wuhan,Hubei430071)

Komatiite is an important component of the Precambrian greenstone,that has important significance to explore the Precambrian earth evolution history,crust-mantle evolution and rock formation,etc.Komatiite is derived from the mantle mafic,super mafic volcanic lava,and has lava flow structure.The chemical composition expression SiO246%～53%,MgO>13 9%,CaO/Al2O3>1,K2O<0.9%,TiO2<0.9%,F/F+M ratio is low,low content of TiO2,high content of MgO style,Ni and Cr.Komatiite in different regions has different chemical composition,mainly divided into poor aluminum komatiite,rich aluminum komatiite,enrichment of titanium type komatiite and mafic rich magnesium komatiite.The cause mode of the current mainstream，is by Jarvis G.T,Campbell I.H successively put forward the hot mantle plume model,such as consider komatiite for mantle plume caused by high temperature melt.

Komatiite; chemical characteristics; forming condition; model of hot mantle plume

2015-02-05;改回日期:2015-03-23

胡剛(1989-),男,助理工程師,碩士研究生,地質學專業，從事地質勘查工作。E-mail:310973192@qq.com

P588.14+6

A

1671-1211(2015)03-0267-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201503005

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150422.1023.003.html 數字出版日期:2015-04-22 10:23