幾類常見的超鉀質火成巖的特征及成因分析

董昭

摘要：指出了Foley等在20世紀80年代末，在對全巖地球化學特征進行研究分析后，總結并提出了超鉀質巖石的概念，其界定條件為：K2O的百分含量大于3%，MgO的百分含量大于3%，K2O/Na2O百分含量之比大于2。并分析了一些諸如CaO、K2O、Al2O3等主量元素的含量及K2O/Na2O比值的特征，將超鉀質巖石進一步分為鉀鎂煌斑巖類、鉀霞橄黃長巖類、斜長白榴巖類等類別，它們彼此間存在顯著的成分區別，并且各自對應著不同的源區環境，有著不同的成因。

關鍵詞：超鉀質火成巖；地球化學特征；成因

中圖分類號：P588.1

文獻標識碼：A文章編號：1674-9944（2016）22-0138-03

1引言

鉀質火成巖（亦稱作鉀質巖）一般來說，屬于強堿性巖，其K2O/Na2O含量>1%。Foley等在20世紀80年代末又進一步劃分出了超鉀質巖，與鉀質巖石有些不同，主要體現地球化學成分上，全巖地球化學成分K2O>3%，MgO>3%和K2O/Na2O>2%。在地球化學成分上，鉀質火山巖和超鉀質火山巖的范圍較廣，從鉀玄質成分的巖漿到超鉀質的鉀鎂煌斑巖類、鉀霞橄黃長巖類和斜長白榴巖類，均可包含其中。這些類別的巖石有很多產自島弧中，并且與鈣堿性火山巖共生。因為金伯利巖的K2O/Na2O常常極高（>3%），有時也把其劃歸于此類，特別是含云母的第Ⅱ組金伯利巖[1]。

2分類及特征

Foley等根據全巖地球化學成分，進一步將超鉀質巖劃分為四類[2]，分別是鉀鎂煌斑巖類、鉀霞橄黃長巖、斜長白榴巖類及鉀鎂煌斑巖與斜長白榴巖的過渡類型。下面依次介紹幾類超鉀質巖。

2.1鉀鎂煌斑巖類

在世界范圍內，比較認可的產地是金伯利西部、高斯伯格等地，形成于高鈦的穩定陸臺環境和碰撞造山帶。這類巖石的特征是，含低的主量元素如SiO2、CaO、Al2O3、Na2O，通常含有較高（大于0.6）的K2O/Al2O3比值和Mg#值（Mg#=Mg2+/（Mg2++Fe2+）），多數情況下含方輝橄欖巖和純橄欖巖，有時含少量的捕獲的云母或單斜輝石。形成于還原條件，該條件下貧CO2，富H2O、HF，有時也被認為是地幔源區的再次富集，因為地幔CaO、AI2O3、Na2O的含量較低。在礦物成分方面，含深色礦物較多，不少于整個巖石中礦物含量的1/3。另外，鉀鎂煌斑巖具有獨特的結構，即斑晶自形度極好，基質中的鐵鎂礦物自形度亦良好。

如產于塔里木地臺的鉀鎂煌斑巖，其巖石地球化學成分與亞洲板塊其他地區的巖石地球化學成分也十分相近，一些主量元素如SiO2、FeO、CaO、K2O、Na2O、CO2與含金剛石的鉀鎂煌斑巖相似，TiO2、MgO偏低，而Al2O3偏高。該區鉀鎂煌斑巖化學特征與國內外鉀鎂煌斑巖相一致，不論是在稀土（REE）總量、稀土元素配分模式，還是在Eu負異常等特征上。另外結合其相對貧鈦的特征，其源區地幔富集程度較低[4]。該區K、Ba、La、Ce等不相容元素顯示正異常，而Sr、Ti、Nb、Ta相對顯示負異常，這與鉀鎂煌斑巖的特征相一致。

又如山西大同飲牛溝鉀鎂煌斑巖巖體，其地化特點以超鉀質屬性K2O/Na2O>3%和近似鉀過飽和的K2O/Al2O3≥0.9%為特征。該區鉀鎂煌斑巖中鈦含量顯示為較低水平，為0.98%～1.29%（平均為1.12%），哈克圖解顯示，SiO2含量與TiO2含量的變化并不具有相關性，這恰恰顯示出了TiO2來自于不飽和甚至是極度不飽和的巖漿。

2.2鉀霞橄黃長巖類

該類巖石的全巖地球化學特征是，硅含量低（一般SiO2<40%），而鈣含量較高（一般CaO>10%）。形成條件最優越且具有代表性的產地為東非裂谷（典型的大陸裂谷環境），其特點是CaO的百分含量較高，并且Sr、Nb、Ta等呈現正異常，但是SiO2、Al2O3、Na2O、MgO百分含量卻很低。有時會含捕獲的云母，并且單斜輝石發育，形成于富含CO2、貧H2O的氧化條件，被認為是虧損地幔（高鈣、低鋁、鈉）的再度富集[5]。該類巖石既可以產在大陸型地殼構造環境產出，也可以產自大洋型地殼構造環境，但以大陸裂谷最為常見，因此鉀霞橄黃長巖類的構造背景較為復雜多變。

在我國，鉀霞橄黃長巖類的代表性的產地位于甘肅西秦嶺一帶。該區全巖地球化學成分貧硅、鋁，高鎂、鈣、鈦和全堿（K2O+Na2O），但K2O/Na2O比值低。另外Mg#值較高（0.70%～0.84%，平均值為0.81%）。微量元素地球化學特征顯示，西秦嶺地區輕稀土元素富集較為明顯，另外在球粒隕石標準化分布配分模式曲線中明顯呈現右傾趨勢，Eu負異常不明顯。據董昕等（2008）實驗，反映輕稀土（LREE）富集程度的La/Yb之比在21.96%～43.92%之間，平均值為34.87%，總體來說巖石的LREE強烈富集[3]。該區巖石鋇正異常明顯，鉛負異常不明顯和較弱的鈦負異常，大離子親石元素（如Rb、Ba）和高場強元素（如Nd、Th、Ta、Zr、Hf等）富集，且元素不相容性與元素的富集程度呈現正相關關系。該區的Nb異常高，且明顯高于正常的OIB（具有EMI型富集端元的OIB），暗示巖漿源區特殊的地球化學屬性。

2.3斜長白榴巖類

一般說來，因為分布范圍較小，該類超鉀質巖石不常見到，多產于陸殼俯沖帶或碰撞造山帶，從世界范圍內來看，主要分布在歐洲西部陸殼與洋殼的接觸帶上，含白榴超鉀質巖代表性產地在意大利，產出自與俯沖大陸相關的活動造山帶，其巖石地球化學特點是，主量元素鈣、鋁、硅的含量較高，而Mg#值較低，Ba、Nb、Ta、Zr、Ti負異常，含單斜輝石捕虜體。形成于H2O>CO2的氧化條件，被認為是富集地幔源區[2]。

在我國，新疆西天山地區也有相關的研究。該區斜長白榴巖Si含量的變化與后期形成的鈉長石的多少有關，因此SiO2含量變化范圍較大，TiO2及Al2O3的含量與土耳其和意大利等地含白榴巖超鉀質巖石的TiO2和Al2O3含量相當，并且含量相對穩定。Fe2O3和MnO含量較高，MgO含量正常，K2O和Na2O含量正常，但是K2O含量較低，而Na2O含量稍高。根據巖相學的資料，該區超鉀質巖漿與土耳其地區的一樣，白榴石、鉀長石等富鉀礦物蝕變強烈，最終導致巖石中偏低的K2O含量值，但是Na2O含量的明顯升高是由于后期的鈉長石化導致的，因此才顯現出其K2O/Na2O比值波動狀況。這說明，一旦超鉀質巖后期發生蝕變，就很難再保持其特有的地球化學特征（如高鉀和高K2O/Na2O比值）[6]。另外，其微量元素特征是，球粒隕石標準化分布配分模式曲線為右傾曲線，大離子親石元素（如Rb、Ba、Sr）低于其他地區的地球化學指標。且該區含白榴石超鉀質巖石獨特于其他地區的是，超鉀質巖漿不僅稀土元素（REE）總的含量低于平均水平，并且La/Sm和La/Yb比值也低于平均水平。總的說來，該區巖石成因是造山帶巖漿巖，因為其微量元素Pb的正異常的特征及Zr-Hf值和Nb-Ta值的負異常的特征。

而在西藏羊八井地區的白榴斑巖也有相關的研究，其地化特征是富鉀和鈉且含量較高，而鎂的含量較低。另外巖石硅含量較高，幾乎和基性巖硅含量相當，巖石明顯呈現鉀富集，ACKN>1.1%，呈準鋁質-弱過鋁的特征，該區δEu平均值為0.6%，Eu負異常不強烈。與其他地區的含白榴超鉀質巖相比，在其礦物組合上，特征為明顯的硅不飽和，白榴石是其斑晶的主要組成部分，基質以鉀長石、斜長石及云母等為主，有時也含少量方輝石。巖石的MgO、FeOT、CaO與SiO2之間存在明顯負相關關系，表明巖漿的演化過程中可能存在強烈的橄欖石、輝石和鈦鐵礦等礦物的結晶分異作用[7]，在這之后才演化成為到一個十分貧鎂和其他相容元素的巖漿，由于分離結晶的不是斜長石，因此巖石沒有出現明顯大規模的Eu的負異常。

3超鉀質巖類的成因模式

鉀鎂煌斑巖、鉀霞橄黃長巖及斜長白榴巖這三類超鉀質巖具有特征的大地構造背景[2]，即鉀鎂煌斑巖位于大陸穩定區（如澳大利亞西部），鉀霞橄黃長巖位于大陸裂谷（如東非裂谷），而斜長白榴巖位于消減俯沖帶或碰撞造山帶的共生組合中（如意大利、土耳其）。然而，對于超鉀質巖形成的原因，因其成因復雜，尤其是鉀來源多樣，學術界至今未有確切的超鉀質巖的成因模式。

以青藏高原為例，目前對青藏高原鉀質-超鉀質巖石的成因解釋主要有2種模式[7]：①巖石圈地幔對流減薄模式，青藏高原北部超鉀質巖的成因可用此模式解釋。該模式認為，大陸巖石圈地幔在青藏高原地區由于新生代縮短地殼均勻增厚導致重力不穩，部分大陸巖石圈地幔快速分離并被上涌熱的軟流圈替換，從而導致殘留的大陸下部巖石圈地幔發生部分熔融，并伴隨明顯的地表隆升[8]。②拉張分異模式，于麗芳等認為，自中新世開始，東西向的拉張作用力就作用在了青藏高原所在的巖石圈上。其巖石圈地幔在拉張作用力下發生破裂，由于青藏高源巖石圈的密度較軟流圈更大，因而會下沉，而與此同時軟流圈會上浮。由于在上浮過程中溫度和壓力會降低而釋放熱量，致使巖石圈底部與軟流圈交界部分會發生部分熔融。在初期拉張的時候，釋放的熱量較少，巖石圈底部巖石熔融程度低，與軟流圈進行物質交換的程度及規模均較小，熔融巖漿也較少，造成了超鉀質巖石規模較小；而在晚中新世，亦即拉張中后期，由于熱量的進一步釋放，巖石圈巖石熔融的程度和規模進一步擴大，因而該年代學的超鉀質巖分布較初期更為廣泛。例如在西藏查孜地區，證明超鉀質巖形成于拉張模式就是中新世超鉀質巖。該超鉀質巖形成的構造環境為，一個東西拉張形成的地塹，因此猜測該中新世地塹形成于東西向的拉張作用力。另外，查孜地區也發現了一些富鉀的流紋巖，可能是拉薩地塊中上地殼因減壓而發生部分熔融的產物[9]。

4結論

超鉀質巖石的成因是極其復雜多變的，不論從其形成原因或是地質構造背景，從以上幾類超鉀質巖的成因的分析結果就可以看得出來。這樣成因上的復雜多變甚至體現在相同地區的超鉀質巖石之間，在同一地區，不同世代的超鉀質巖之間在成分上可能明顯不同。而這些超鉀質巖之間的區別不能用簡單的成因模式來進行解釋。除了石榴石二輝橄欖巖源巖外，還有：①鉀鎂煌斑巖巖漿形成于地幔虧損而又被再次強烈交代的富集型云母方輝橄欖巖源區[5]，由于源區H2O、CO2等含量較高，屬于強還原環境，而Si的含量由于熔融的位置不同而不一致（因為不同深度的熔融程度不同）。這樣說來，鉀鎂煌斑巖的源巖位置最深，因為其含有金剛石，而金剛石形成于溫度和壓力較大的深部。②鉀霞橄黃長巖由于有時會含云母，因此判斷其源區富含云母，并且根據產區特點，源區應該賦存H2O、CO2等揮發分，另外其氧化環境極佳。③斜長白榴巖由于富含白榴石，并根據其特點，猜測源區應該富含單斜輝石和云母。李天福等的實驗表明，近固相線的礦物組合更能代表源區的組合[5]。一般認為，超鉀質巖大部分形成于上地幔，形成的深度大于100km，這樣的深度金剛石也可以穩定賦存。而與超鉀質巖形成有關的地幔交代介質是地質流體和熔融體，交代反應需要的條件較為寬松，但是H2O、CO2等揮發分對礦物組合影響很大。這種交代作用可能是定期循環發生的，并且有一定的偶然性。在巖漿上涌結晶分異的過程中，溫度和壓力也會造成一定的影響，因為溫壓的不同會影響礦物組合的穩定性，進而影響超鉀質巖熔融體的成分。

參考文獻：

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