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1 2009 年 6 月, 第 15 卷, 第 2 期, 页 June 2009,Vol. 15, No.2, p 高校地质学报 Geological Journal of China Universities 河北阳原新生代玄武岩中橄榄岩捕虏体的含水量研究 朱蓓蓓 1, 王勤 1,*, 王良书 1, 陈立辉 1, 张宏福 2 (1. 南京大学地球科学与工程学院, 南京 ;2. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 ) 摘要 : 为约束华北克拉通岩石圈的流变机制, 使用傅立叶变换显微红外光谱仪 (FTIR) 测量了阳原玄武岩中尖晶石橄榄岩 捕虏体的矿物含水量 FTIR 光谱结果表明阳原橄榄岩捕虏体的橄榄石 斜方辉石和单斜辉石都有特征的 OH 吸收峰 橄榄 石含有微量的水 ( ~ H 2 O), 斜方辉石含水量为 (105~201) 10-6, 单斜辉石含水量为 (260~440) 10-6, 计算得出的全岩含水量为 (49~75) 10-6 值得注意的是, 富流体交代以及后期蚀变作用使得含角闪石的方辉橄榄岩样品中 单斜辉石的含水量显著增加 阳原橄榄岩中单斜辉石与斜方辉石的含水量存在明显的正相关关系, 水在单斜辉石和斜方辉石中的分配系数 D cpx/opx OH =2.4±0.9, 与全球橄榄岩样品的平均值基本一致 (D cpx/opx OH = 2.2±0.1) 与汉诺坝的橄榄岩捕虏体相比, 阳原捕虏体中橄榄石和辉石的结构水含量都明显较高, 这可能与阳原橄榄岩经历的上地幔交代作用有关 统计表明全 球克拉通玄武岩携带的尖晶石橄榄岩捕虏体中橄榄石的含水量普遍较低 (0~ ), 而斜方辉石和单斜辉石的含水量 则存在明显的不均一性 金伯利岩携带的石榴石橄榄岩中橄榄石 斜方辉石和单斜辉石的含水量都明显高于玄武岩携带的 尖晶石橄榄岩中相应矿物的含水量, 这可能与金伯利岩来源深 富流体 上升快的性质相关 关键词 : 橄榄岩捕虏体 ; 含水量 ;FTIR; 华北克拉通 ; 阳原 中图分类号 :P584,P591 文献标识码 :A 文章编号 : (2009) Water Content of Peridotite Xenoliths from Cenozoic Basalt in Yangyuan, Hebei Province ZHU Bei-bei 1, WANG Qin 1,*, WANG Liang-shu 1, CHEN Li-hui 1, ZHANG Hong-fu 2 ( 1. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing , China; 2. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing , China ) Abstract: Water in the upper mantle plays a critical role in the strength and partial melting of lithosphere. Investigation on water contents of peridotite xenoliths from the North China Craton (NCC) gives important constraints on mechanism for its lithospheric thinning since the Mesozoic. Spinel peridotite xenoliths were collected from Cenozoic basalt in Yangyuan, Hebei province, to study the water contents of the lithospheric mantle in the northern Trans-North China Orogen of NCC. Using microscopic Fourier transform infrared spectrometry (FTIR), we measured the water contents of major minerals in five samples. All olivine, orthopyroxene and clinopyroxene grains exhibit characteristic hydroxyl absorption peaks in FTIR spectra. Olivine has relatively low amount of water ( ~ ), while orthopyroxene and clinopyroxene have (105~201) 10-6 and (260~440) 10-6, respectively. Based on the modal composition, the water contents of bulk samples are estimated to be (49~75) It is worthy to note that metasomatism and late alteration significantly increase the water contents of clinopyroxene in our amphibole-bearing harzburgite sample. Water contents in clinopyroxene and orthopyroxene from Yangyuan peridotite xenoliths display positive correlation with the water partition coefficient D cpx/opx OH =2.4±0.9, which is consistent with the average value (D cpx/opx OH =2.2±0.1) for 收稿日期 : ; 修回日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金委重点项目 ( ); 面上项目 ( ) 共同资助 作者简介 : 朱蓓蓓, 女, 硕士研究生, 固体地球物理专业 ; peipei.zh@gmail.com; * 通讯作者 : 王勤, 女, 副教授, 主要从事岩石物理 显微构造研究 ; qwang@nju.edu.cn

2 264 高校地质学报 1 5 卷 2 期 the global peridotite xenoliths. Olivine, orthopyroxene and clinopyroxene in Yangyuan peridotite xenoliths contain much more hydroxyl than those from Hannuoba, which may be caused by fluid-rich metasomatism in the upper mantle beneath Yangyuan. Statistical analysis of available water measurements on natural peridotites shows that olivine from basalt-borne spinel peridotites is relatively dry with water contents of 0~ In contrast, variable water contents in orthopyroxene and clinopyroxene from basalt-borne spinel peridotites reflect heterogeneous water distribution in the upper mantle. Olivine, orthopyroxene and clinopyroxene from kimberlite-borne garnet peridotites contain much more water than those from basalt-borne spinel peridotites. This is probably because kimberlite is characterized by greater depth of origin, more fluids and faster ascending rate than basalt. Key words: peridotite xenolith; water content; FTIR; North China Craton; Yangyuan 橄榄岩捕虏体是被玄武岩或金伯利携带至地表的上地幔岩石碎块, 对其物理化学性质的研究是了解上地幔物质组成和动力学过程的窗口 橄榄岩中的名义上无水矿物 (nominally anhydrous minerals, NAMS), 如橄榄石 单斜辉石 斜方辉石 石榴石等, 都含有微量的以 OH 形式存在的结构水 (Bell and Rossman, 1992) 水可以显著提高橄榄岩的塑性变形速率, 降低岩石圈的流变强度并影响上地幔部分熔融 (Hirth and Kohlstedt, 1996; Mei and Kohlstedt, 2000; Grove et al, 2006) 对华北克拉通上地幔橄榄岩捕虏体含水量的研究有助于了解水在上地幔中的分布及其运移过程对岩石圈流变性质的影响, 为探讨华北克拉通中生代岩石圈减薄的机制提供约束 目前国内仅对汉诺坝和女山的橄榄岩及麻粒岩捕虏体的含水量进行了研究, 两处含水量差异较大 ( 郭立鹤等,1998; 夏群科等,2000; 郝艳涛等,2006,2007) 因此, 有必要测量华北克拉通其它地区橄榄岩捕虏体的含水量, 以确定上地幔含水量时空分布的不均一性 1 研究区地质概况 华北克拉通位于中国东部, 其北部是中亚造山带, 南部为秦岭 大别 苏鲁造山带 根据华北克拉通的基底岩石组成 P-T 轨迹和地球化学性质,Zhao 等 (2000) 将华北克拉通划分为三个部分 : 东部块体, 西部块体, 以及由二者在 ~1 800 Ma 碰撞形成的中部造山带 ( 图 1) 以 NNE 走向的南北重力梯度带为界, 华北克拉通岩石圈的厚度和成分表现出明显的差异 : 梯度带西侧的岩石圈厚度为 100~150 km, 保存了太古代原始地幔主量元素亏损 微量元素富集的特征 ; 而东部岩石圈 厚度仅 50~100 km, 表现为新生代地幔主量元素富集 微量元素亏损的特征, 但尚残留古老岩石圈地幔 ( 张宏福等,2006;Menzies et al,2007) 而对山东蒙阴 复县含金刚石金伯利岩的研究表明, 在 460 Ma 华北克拉通东部岩石圈厚度达到 200 km(menzies et al,1993), 因此约 100 km 厚的华北东部岩石圈被减薄了 岩石圈减薄的机制目前仍存在很大争议, 如拆沉作用 ( 吴福元等, 2003;Gao et al,2004), 热侵蚀及化学侵蚀作用 (Xu,2001;Zhang et al,2003), 加水软化 ( 牛耀龄,2005) 等 阳原位于南北重力梯度带以西的冀北地区, 属于华北克拉通中部造山带 第三纪 (29.3~32.2 Ma) 喷发的碱性玄武岩 ( 王慧芬等,1988) 携带了大量上地幔捕虏体, 捕虏体以尖晶石二辉橄榄岩为主, 含少量的尖晶石方辉橄榄岩和尖晶石辉石岩 与华北东部典型的新生大洋型亏损地幔不同, 阳原上地幔属于经历了多期地幔交代作用的古老富集型地幔 ( 马金龙和徐义刚,2006) 2 样品描述及主量元素分析 2.1 样品描述本文采集了阳原碱性玄武岩中 5 块新鲜的橄榄岩捕虏体, 采样点经纬度为 "N, "E 使用数点法 (point counting) 统计了矿物的体积分数 ( 表 1) 其中 4 块尖晶石二辉橄榄岩含橄榄石 66.6%~72.5%, 斜方辉石 18.6%~25.7%, 单斜辉石 6.0%~9.6%, 尖晶石 0.8%~1.8%; 样品 YY12 为尖晶石方辉橄榄岩, 含橄榄石 70.2%, 斜方辉石 24.6%, 单斜辉石 2.6%, 角闪石 2.1%, 尖晶石 0.5% 样品均为粗粒结构或残斑结构, 矿物颗粒大小为 0.5~7 mm, 未见明显的定向排列 ( 图 2)

3 2 期 朱蓓蓓等 : 河北阳原新生代玄武岩中橄榄岩捕虏体的含水量研究 265 图 1 华北克拉通构造简图 ( 据 Zhao et al, 2000) Fig. 1 Simplified tectonic map of the North China Craton (a) 尖晶石二辉橄榄岩 YY1 (spinel lherzolite YY1);(b) 尖晶石方辉橄榄岩 YY12 (spinel harzburgite YY12) Ol- 橄榄石 (olivine),opx- 斜方辉石 (orthopyroxene),cpx- 单斜辉石 (clinopyroxene),sp- 尖晶石 (spirnel) 图 2 阳原橄榄岩捕虏体的典型结构 ( 正交偏光 ) Fig. 2 Microphotographs of representative textures in Yangyuan peridotite xenoliths (cross polarized light) 2.2 主量元素分析在南京大学内生金属矿床成矿机制国家重点实验室使用电子探针 (JEOL JXA-8800M) 分析了矿物的主量元素, 结果见表 2 橄榄石的 Mg # 为 90.4~91.3,CaO 含量为 0.03%~0.09%,MnO 含量 0.09%~0.13% 斜方辉石的 Mg # 为 90.7~91.6, 并且 CaO 和 SiO 2 的含量呈负相关 ( 图 3a) 单斜辉石的 Mg # 为 90.0~91.9, 其中 Cr 2 O 3 和 CaO 均与 Mg # 正相关 ( 图 3b,c) 使用 Ca-in-Opx 地质温度计 (Brey and Kohler,1990), 估算出阳原橄榄岩捕虏体 的平衡温度为 920~1017, 与马金龙和徐义刚 (2006) 的结果基本一致

4 266 高校地质学报 1 5 卷 2 期 表 1 阳原橄榄岩捕虏体的岩性及矿物组成 Table 1 Sample lithology, texture and modal composition of Yangyuan peridotite xenoliths 样品号岩性结构 矿物组成 (φ B,%) 橄榄石斜方辉石单斜辉石尖晶石角闪石 YY-1 尖晶石二辉橄榄岩斑状结构 YY-12 尖晶石斜方辉橄岩斑状结构 YY-13 尖晶石二辉橄榄岩粗粒结构 YY-14 尖晶石二辉橄榄岩粗粒结构 YY-16 尖晶石二辉橄榄岩斑状结构 表 2 阳原橄榄岩捕虏体中矿物的化学成分 (W B,%) Table 2 Chemical compositions of minerals in Yangyuan peridotite xenoliths 样品号矿物探针点数 SiO 2 TiO 2 Al 2 O 3 Cr 2 O 3 FeO MnO MgO CaO Na 2 O K 2 O Total Mg # YY-1 Ol YY-1 Opx YY-1 Cpx YY-12 Ol YY-12 Opx YY-12 Cpx YY-12 Amp YY-13 Ol YY-13 Opx YY-13 Cpx YY-14 Ol YY-14 Opx YY-14 Cpx YY-16 Ol YY-16 Opx YY-16 Cpx 红外光谱含水量研究 3.1 红外光谱测试方法在中国科学技术大学壳幔物质与环境重点实验室采用 Nicolet 5700 红外光谱仪测量了橄榄石 斜方辉石和单斜辉石的傅立叶变换红外光谱 (Fourier transform infrared, 简称 FTIR) 每块样品磨制成 ~0.3 mm 的薄片, 放入酒精中浸泡 30 min 以溶解薄片表面残余的树脂胶, 浸泡过的样品置于 110 的烘箱中干燥 5h, 以去除表面和裂隙中吸附的分子水 在显微镜下对烘干的样品选取均一 无杂质的矿物颗粒进行红外光谱分析, 采用非偏振光源, 分辨率为 4 cm -1, 扫描 128 次, 光谱采集的波数范围为 1250~5 000 cm -1 红外光谱数据处理的波数范围分别是 : 橄榄石 3 100~3 750 cm -1, 斜方辉石 2 800~3 750 cm -1, 单 斜辉石 3 000~3 800 cm -1 采集到的光谱归一化到厚 度 1 cm 并做基线校正 3.2 红外光谱测试结果 图 4 为阳原橄榄岩捕虏体中矿物的特征红外光 谱 橄榄石中结构水的吸收峰一般分为两组, 一组 出现在 3 200~3 450 cm -1, 另一组在 3 450~3 650 cm -1 (Bai and Kohlstedt,1993) 阳原橄榄石的第 1 组 OH 吸收峰位于 cm -1,3 328 cm -1 和 cm -1 附近 ; 第 2 组峰在 cm -1 和 cm -1 附近 部 分橄榄石样品在 3 650~3 750 cm -1 波数段出现明显 的吸收峰, 这些吸收峰不是结构水引起的, 而可 能与矿物中的蛇纹石或滑石有关 (Khisina et al, 2001;Bell et al,2003) 阳原的斜方辉石出现 4 组 O H 吸收峰 : 3 410~3 430 cm -1,3 515~3 520 cm -1,3 590~3 600

5 2 期 朱蓓蓓等 : 河北阳原新生代玄武岩中橄榄岩捕虏体的含水量研究 267 图 4 阳原橄榄岩中橄榄石 斜方辉石和单斜辉石的 FTIR 特征谱 Fig. 4 Characteristic FTIR spectra of olivine, orthopyroxene and clinopyroxene from Yangyuan peridotites (a) 斜方辉石中的 SiO 2 和 CaO, (b) 单斜辉石中的 Mg # 和 Cr 2 O 3, (c) 单斜辉石中的 Mg # 和 CaO (a) SiO 2 vs. CaO plot for orthopyroxene, (b) Mg # vs. Cr 2 O 3 plot for clinopyroxene, (c) Mg # vs. CaO plot for clinopyroxene 图 3 阳原橄榄岩捕虏体中斜方辉石与单斜辉石中矿物成分的相关图 Fig. 3 Relationships between major oxides and Mg # in orthopyroxene and clinopyroxene from Yangyuan peridotite xenoliths cm -1, 以及少数颗粒中出现的 3 060~3 080 cm -1 吸收 峰 单斜辉石的吸收峰有 3 组 :3 450~3 470 cm -1, 3 530~3 535 cm -1 和 3 625~3 635 cm -1, 其中以 3 625~3 635 cm -1 的峰最强, 常常表现为单峰形式 ( 图 4) 阳原辉石中 OH 吸收峰的位置与前人的研 究一致 (Skogby et al,1990;bell and Rossman,1992; 郭立鹤等,1998;Peslier et al,2002;bell et al,2004; 郝艳涛等,2006,2007;Grant et al,2007) 矿物含水量的计算采用 Beer-Lambert 公式 : Δ= I c t γ 式中 Δ 是吸收强度, 用 OH 吸收峰的积分面积 (cm -1 ) 表示,I 是矿物的吸收系数,c 是矿物的含水量 ( 10-6 H 2 O),t 代表薄片中的颗粒厚度 (cm),γ 是 Paterson(1982) 引入的各向异性因子 由于矿物不同方向的吸收强度不同, 因此引入 γ 以便从沿某一方向的 OH 吸收强度近似得到三维的 OH 吸收强度, 对于颗粒未定向和非偏振光的情况,γ=1/3 为了减小误差, 样品中每种矿物至少测量了 25 个颗粒, 取所有颗粒积分面积的平均值作为该矿物的吸收强度 矿物的吸收系数 I 分别为 : 橄榄石 cm -2 (Bell et al,2003), 斜方辉石 cm -2, 单斜辉石 cm -2 (Bell et al,1995) 虽然上述矿物的吸收系数是基于极化光下对定向矿物的含水量测量结果, 但 Kovacs et al(2008) 的研究表明当矿物颗粒随机定向时, 非极化光下测量多个颗粒 (>10) 取平均的方法可以代表矿物的平均含水量 含水量测量和计算的总误差小于 30%, 主要来自于非极化光的使用, 基线校正的误差, 样品厚度测量的误差, 以及样品化学成分与 Bell et al(1995,2003) 所用样品的差异等 (Yang et al,2008) 阳原橄榄岩主要矿物的含水量结果见表 3 整体上, 橄榄石含有微量的水 ( ~ ), 斜方辉石含水量较高 ( ~ ),

6 268 高校地质学报 1 5 卷 2 期 单斜辉石富水且含水量变化大 ( ~ ) 结合全岩的矿物体积百分含量, 计算出 阳原橄榄岩的全岩含水量为 (49~75) 10-6 ( 表 3) 需要注意的是, 含角闪石的斜方辉橄岩 YY12 样品中多数单斜辉石在 3 690~3 710 cm -1 出现较弱的 峰, 对应于蛇纹石引起的吸收峰 (Miller et al,1987, Grant et al,2007), 暗示这些颗粒经历了强烈的蛇纹 石化 ( 图 5a), 因此没有计算含水量 此外,YY12 中部 分单斜辉石颗粒的 FTIR 光谱虽然没有在 3 690~3 710 cm -1 出现吸收峰, 但出现在 cm -1 和 cm -1 处 的两个 OH 吸收峰常常宽缓相连 ( 图 5b) 计算结 果表明具有这种特征光谱的单斜辉石含水量变化 很大 ( ~ ), 其平均含水量达 到 (858±326) 10-6, 明显高于其它样品, 反映 该样品受到后期蚀变的影响 因此,YY12 中单斜 辉石的含水量不能代表其原位结构水含量, 在计 算全岩含水量 ( 表 3) 以及全球对比时未予统计 表 3 阳原橄榄岩捕虏体中主要矿物及全岩的含水量 ( 10-6 ) Table 3 Water contents of minerals and bulk samples in Yangyuan peridotite xenoliths 样品号橄榄石斜方辉石单斜辉石全岩 YY YY * -- YY YY YY * YY-12 中的单斜辉石可能受后期蚀变影响, 含水量显著增高, 因此未计算全岩含水量 4 讨论 4.1 上地幔单斜辉石与斜方辉石中水的平衡分配 橄榄岩捕虏体上升的过程中, 快速的氢扩散可 能改变矿物中结构水的分布 研究表明氢扩散可导 致捕虏体中橄榄石的含水量明显改变 (Demouchy et al, 2006;Peslier and Luhr,2006), 但对斜方辉石 和单斜辉石影响较小 (Peslier et al,2002; Bell et al, 2004; Yang et al, 2008), 因此辉石可以有效地保存 源区的含水量信息 岩石圈地幔的高温以及辉石中 氢的快速扩散有助于橄榄岩中的两种辉石都达到 水的平衡 如图 6 所示, 阳原橄榄岩中单斜辉石与斜 (a) 3 690~3 710 cm -1 吸收峰指示颗粒经历了明显的蛇纹石化 ; (b) cm -1 和 cm -1 两个 OH 吸收峰宽缓相连可能受后期蚀变影响 (a) Absorption bands at 3 690~3 710 cm -1 is due to serpentine; (b) The broad and continuous absorption bands between 3 635~3 460 cm -1 may reflect the late alteration 图 5 含角闪石的斜方辉橄榄岩 YY-12 中的单斜辉石 FTIR 特征谱 Fig. 5 FTIR spectra of clinopyroxene from amphibolebearing harzburgite YY-12 方辉石的含水量存在明显的正相关关系, 采用最小 方差回归得到单斜辉石与斜方辉石之间水的平衡分 配系数 D cpx/opx OH =2.4±0.9, 暗示两种辉石都达到了水的平衡 汉诺坝 ( 郝艳涛等,2007) 和女山 ( 郝艳涛等, 2006) 的单斜辉石与斜方辉石的含水量也表现出良 好的相关性,D cpx/opx OH =2.1±0.4( 汉诺坝 ),D cpx/opx OH =2.4 ±0.2( 女山 ) 统计全球 55 个橄榄岩中单斜辉石和 斜方辉石的含水量数据 (Bell and Rossman,1992; Peslier et al,2002; 郝艳涛等,2006,2007;Grant et al,2007; 本文 ), 二者的含水量之比 D cpx/opx OH =2.2±0.1 ( 图 6), 与郝艳涛等 (2007) 对全球 44 个橄榄岩的统 计结果基本一致, 暗示了上地幔橄榄岩中水在单斜 辉石和斜方辉石之间具有相对固定的分配系数 Aubaud 等 (2004) 在 1~2 GPa 和 1 230~1 380 下

7 2 期 朱蓓蓓等 : 河北阳原新生代玄武岩中橄榄岩捕虏体的含水量研究 269 数据来自阳原 ( 本文 ), 汉诺坝 ( 郝艳涛等,2006), 女山 ( 郝艳涛等,2007), 其他地区 (Bell and Rossman, 1992; Peslier et al, 2002; Grant et al, 2007);n 是样品数,y 是含水量,R 2 是拟合度 The samples are from Yangyuan (this study), Hannuoba (Hao et al, 2007), Nushan (Hao et al, 2006) and other regions (Bell and Rossman, 1992; Peslier et al, 2002; Grant et al, 2007); n is the sample number, R 2 is the goodness-of-fit. 图 6 橄榄岩捕虏体中单斜辉石和斜方辉石的含水量 Fig. 6 Water contents of clinopyroxene and orthopyroxene from peridotite xenoliths 测量水在上地幔名义上无水矿物和玄武岩熔体间的 分配系数时, 得到 D cpx/opx OH =1.4 在 3~5 GPa 和 1 350~1 440 下,D cpx/opx OH =1.2~2(Tenner et al,2009) 二者的结果都低于天然橄榄岩样品中计算出的 D cpx/opx OH 值得注意的是,Grant 等 (2007) 在计算橄榄岩捕虏体 中的 D cpx/opx OH 时, 采用每个样品的单斜辉石与斜方辉石含水量之比的算术平均值作为 D cpx/opx OH, 并得到 D cpx/opx OH =2.1±0.1 如图 7 所示,Grant 等 (2007) 样品中实际 的 D cpx/opx OH =1.5±0.7,R 2 =0.47, 数据的相关性很差而且 D cpx/opx OH 远低于全球天然橄榄岩的 D cpx/opx OH 4.2 上地幔含水量的不均一性 为了探讨上地幔含水量的分布, 我们统计 了全球不同地区橄榄岩捕虏体的矿物含水量 ( 图 8) 汉诺坝与女山地区的橄榄石均未测量到 OH 吸收峰 ( 郭立鹤等,1998; 郝艳涛等,2006, 2007), 阳原橄榄石测量到 OH 吸收峰且含水量 为 (4~9) 10-6, 反映了华北克拉通上地幔橄榄 石含水量的横向不均一性 世界其它克拉通地区 玄武岩携带的尖晶石橄榄岩中橄榄石的含水量都 在 (0~10) 10-6 (Miller et al,1987), 这反映 了克拉通上地幔顶部橄榄石普遍贫水的特征 而 来自克拉通金伯利岩中的橄榄石巨晶的含水量则 明显较高 ( 图 8a), 甚至超过 (Miller et al,1987;bell and Rossman,1992;Kurosawa et 图 7 Grant et al(2007) 橄榄岩捕虏体样品中单斜辉石和斜方辉石的含水量 Fig. 7 Water contents of clinopyroxene and orthopyroxene from peridotite xenoliths in Grant et al (2007) al,1997;bell et al,2003,2004;matsyuk and Langer,2004;Koch-Müller et al,2006) 金伯利 岩的来源深度为 250~350 km, 由于橄榄石中氢的 溶解度随压力增加而上升 (Kohlstedt et al,1996) 并且金伯利岩的岩浆更富流体 (Winter,2001), 因此金伯利岩中橄榄石巨晶的原位含水量可能比 玄武岩携带的尖晶石橄榄岩 ( 来源深度 <80 km) 中橄榄石的原位含水量高, 而且金伯利岩快速的 上升速率 (10~30 m/s,spera,1984) 限制了捕虏 体迁移过程中氢扩散的影响 汉诺坝橄榄岩捕虏体中的斜方辉石含水量为 (20~55) 10-6, 单斜辉石为 (48~152) 10-6 ( 郝艳 涛等,2007) 女山橄榄岩捕虏体中的斜方辉石含水 量为 (6~139) 10-6, 单斜辉石为 (6~356) 10-6 ( 郝 艳涛等,2006) 本研究表明阳原橄榄岩捕虏体中 斜方辉石 ( ~ ) 和单斜辉石 ( ~ ) 的含水量明显高于汉诺坝和女山地 区 与世界上其他地区相比, 美国西部的 Simcoe 和 Mexico 地区 ( 斜方辉石 ~ , 单斜辉石 ~ ,Peslier et al,2002), 以及加拿 大西部 British Columbia 地区 ( 斜方辉石 ~ , 单斜辉石 ~ ,Bell and Rossman,1992) 斜方辉石和单斜辉石的含水量都远 大于汉诺坝和女山地区, 但与阳原较接近 这种地区 间的差异暗示了上地幔尖晶石橄榄岩中辉石含水量 的横向不均一性 同时, 与橄榄石相似, 克拉通金伯 利岩携带的石榴石橄榄岩中辉石的含水量也明显高

8 270 高校地质学报 1 5 卷 2 期 (a) 来自克拉通的橄榄石,(b) 斜方辉石,(c) 单斜辉石. n- 样品数 ; 数据来自 Miller et al (1987), Skogby et al (1990), Bell and Rossman (1992), Kurosawa et al (1997), 郭立鹤等 (1998), Peslier et al (2002), Bell et al (2003, 2004), Matsyuk and Langer (2004), Koch-Müller et al (2006), 郝艳涛等 (2006, 2007), 以及本研究 (a) olivine from cratons, (b) orthopyroxene, and (c) clinopyroxene. n is sample number. Data are after Miller et al (1987), Skogby et al (1990), Bell and Rossman (1992), Kurosawa et al (1997), Guo et al (1998), Peslier et al (2002), Bell et al (2003, 2004), Matsyuk and Langer (2004), Koch-Müller et al (2006), Hao et al (2006, 2007), and this study 图 8 上地幔橄榄岩中主要矿物的含水量统计结果 Fig. 8 Statistical analysis of water contents in major minerals of peridotite 于尖晶石橄榄岩中的辉石含水量 ( 图 8b-c)(Skogby et al,1990;bell and Rossman,1992;Peslier et al, 2002;Bell et al,2004; 郝艳涛等,2006,2007), 暗示了上地幔不同深度上含水量的差异 矿物含水量的差异可能由多种原因造成 : 岩浆分异程度的差别, 构造环境的差异, 以及富流体的交代作用等 近年来对华北克拉通橄榄岩的岩石学研究揭示了岩石圈地幔成分上的不均一性 : 橄榄石 Mg # 介于 90~92 的捕虏体为过渡型地幔, 即界于古老的难熔地幔 (Mg # >92, 如鹤壁地区 ) 与新生代饱满地幔 (Mg # <90, 如山旺和女山地区 ) 之间 ( 张宏福等, 2006; 郑建平等,2007) 阳原在汉诺坝西南约 120 km, 阳原橄榄石的 Mg # 为 90.4~91.3( 表 2), 汉诺坝橄榄石的 Mg # 为 89.5~91.6(Rudnick et al,2004), 二者产出的橄榄岩捕虏体成分和结构近似, 均属于过渡型岩石圈地幔 马金龙和徐义刚 (2006) 根据阳原橄榄石的 Sr-Nd 同位素发现阳原橄榄岩经历了多期地幔交代作用 在我们的斜方辉橄岩样品 YY12 中出现了角闪石, 也指示了富流体的地幔交代作用, 这可能导致阳原橄榄石和辉石的含水量高于汉诺坝地区 阳原和汉诺坝的玄武岩喷发时间分别为 29.3 Ma( 王慧芬等,1988) 和 10~22 Ma( 朱柄泉,1998) 目前在阳原玄武岩携带的上地幔捕虏体中只发现了尖晶石橄榄岩和尖晶石辉石岩, 而汉诺坝的上地幔捕虏体中同时有尖晶石橄榄岩 尖晶石辉石岩 石榴石橄榄岩和石榴石辉石岩 (Rudnick et al,2005), 暗示了至少在渐新世 中新世这两个地区的上地幔存在含水量和岩石圈厚度的差异 根据大地热流计算的现今岩石圈厚度, 汉诺坝也略高于阳原 (Menzies et al, 2007) 值得注意的是, 女山尖晶石橄榄岩的橄榄石 Mg # 多为 89~90(Xu et al,2000), 女山橄榄岩中辉石高度不均一的含水量 ( 郝艳涛等,2006) 可能与其所处的构造位置相关 它既处于华北板块和扬子板块的碰撞边界, 又紧邻郯庐断裂带, 其含水量可能受到扬子板块俯冲的影响, 而郯庐断裂带也为流体活动提供了通道 含水量的增加可以显著降低岩石圈的强度和部分熔融的温度 (Hirth and Kohlstedt, 1996;Mei and Kohlstedt,2000;Grove et al,2006), 从而导致岩石圈减薄 因此, 目前急需对华北克拉通其它地区, 尤其是蒙阴 复县奥陶纪金伯利岩携带

9 2 期 朱蓓蓓等 : 河北阳原新生代玄武岩中橄榄岩捕虏体的含水量研究 271 的上地幔橄榄岩捕虏体进行含水量研究, 以确定上 地幔含水量的差异对华北克拉通岩石圈减薄时空不 均一的影响 5 结论 1) 阳原橄榄岩捕虏体普遍含有微量的以 OH 形 式存在的结构水, 赋存在橄榄石 斜方辉石和单 斜辉石之中 其中, 橄榄石含少量的水 ( ~ ), 斜方辉石含水量为 (105~201) 10-6, 单斜辉 石富水且变化范围大 ( ~ ) 由此 计算出的橄榄岩全岩含水量为 (49~75) 10-6 阳原 橄榄石和辉石的含水量均高于汉诺坝, 这可能与阳 原经历的上地幔交代作用有关 2) 阳原橄榄岩中单斜辉石与斜方辉石的含水量存在明显的正相关关系, 水在单斜辉石和斜方 辉石中的分配系数 D cpx/opx OH =2.4±0.9, 对全球橄榄岩样品的数据统计结果显示岩石圈地幔中的 D cpx/opx OH = 2.2±0.1, 二者基本一致 3) 上地幔橄榄石和辉石的含水量存在明显的 不均一性, 来自克拉通的尖晶石橄榄岩中的橄榄 石普遍贫水, 而且玄武岩携带的尖晶石橄榄岩中 橄榄石和辉石的含水量普遍低于金伯利岩携带的 石榴石橄榄岩 致谢 : 感谢夏群科教授宝贵的审稿意见和对含水 量测量的大力帮助, 以及郭立鹤研究员和季峻峰 教授对前期红外光谱含水量研究的支持 References: Auba ud C, Hauri E H, Hirschmann M M, et al Hydrogen partitioning between melt, clinopyroxene, and garnet at 3 GPa in a hydrous MORB with 6 wt.% H 2 O [J]. Geophysical Research Letters, 31 (20): L Bai Q and Kohostedt D L Effects of chemical environment on the solubility and incorporation mechanism for hydrogen in olivine [J]. Physics and Chemistry of Minerals, 19: Bell D R and Rossman G R Water in earth's mantle: The role of nominally anhydrous minerals [J]. Science, 255: Bell D R, Ihinger P D and Rossmnan G R Quantitative analysis of trace OH in garnet and pyroxene [J]. American Mineralogist, 80: Bell D R, Rossman G R, Maldener J, et al Hydroxide in olivine: A quantitative determination of the absolute amount and calibration of the IR spectrum [J/OL]. Journal of Geophysical Research, 108, doi: /2001JB Bell D R, Rossman G R and Moore R O Abundance and partitioning of OH in a high-pressure magmatic system: Megacrysts from the Monastery kimberlite, South Africa [J]. Journal of Petrology, 45: Brey G P and Kohler T Geothermobarometry in four-phase lherzolites: II. New thermobarometers and practical assessment of existing themobarometers [J]. Journal of Petrology, 31 (6): l353-l378. Demo uchy S, Jacobsen S D, Gaillard F, et al Rapid magma ascent recorded by water diffusion profiles in mantle olivine [J]. Geology, 34: Gao S, Rudnick R L, Yuan H L, et al Recycling lower continental crust in the North China craton [J]. Nature, 2004, 432: Grant K J, Ingrin J, Lorand J P, et al Water partitioning between mantle minerals from peridotite xenoliths [J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 154: Grove T L, Chatterjee N, Parman S W, et al The influence of H 2 O on mantle wedge melting [J]. Earth and Planetary Science Letters, 249: Guo Lihe, Lin Xingyuan, Xie Manze, et al Water in mantle-derived xenoliths from the Hannuoba basalt [J]. Acta Geologica Sinica, 72 (2): (in Chinese with English abstract) Hao Y antao, Xia Qunke, Yang Xiaozhi, et al Water in minerals of peridotite xenoliths from Cenozoic basalts in Nushan volcano, SE China [J]. Acta Petrologica Sinica, 22 (6): (in Chinese with English abstract) Hao Y antao, Xia Qunke and Yang Xiaozhi Water in minerals from peridotite xenoliths of Hannuoba basalts, Hebei, China: micro-ftir results [J]. Acta Petrologica et Mineralogica, 26 (2): (in Chinese with English abstract) Hirth G and Kohlstedt D L Water in the oceanic upper mantle: implications for rheology, melt extraction and the evolution of the lithosphere [J]. Earth and Planetary Science Letters, 144: Khisi na N R, Wirth R, Andrut M, et al Extrinsic and intrinsic modes of hydrogen occurrence in natural olivine: FTIR and TEM investigation [J]. Physics and Chemistry of Minerals, 28: Koch -Müller M, Matsyuk S S, Bhede D, et al Hydroxyl in mantle olivine xenocrysts from the Udachnaya kimberlite pipe [J]. Physics and Chemistry of Minerals, doi: /s Kohls tedt D L, Keppler H and Rubie D C Solubility of water in the phases of (Mg, Fe) 2 SiO 4 [J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 123: Kovac s I, Hermann J, O, Neill H S C, et al Quantitative absorbance spectroscopy with unpolarized light: Part II. Experimental evaluation and development of a protocol for quantitative analysis of mineral IR spectra [J]. American Mineralogist, 93: Kuros awa M, Yurimoto H and Sueno S Patterns in the hydrogen and trace element compositions of mantle olivines [J]. Physics and Chemistry of Minerals, 24: Ma Ji nlong and Xu Yigang Old EMI-type enriched mantle under the middle North China Craton as indicated by Sr and Nd isotopes of mantle xenoliths from Yangyuan, Hebei Province [J]. Chinese Science Bulletin, 51 (10): (in Chinese) Mats yuk S S and Langer K Hydroxyl in olivines from mantle xenoliths in kimberlites of the Siberian platform [J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 147: Mei S and Kohlstedt D L Influence of water on plastic deformation of olivine aggregates (2): Dislocation creep regime [J]. Journal of Geophysical Research, 105:

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