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牟嘉乐,April 29, 2022
捕虏体榴辉岩二次矿物成因
——来自ROV I型榴辉岩单矿物δ26Mg和87/86Sr的制约
克拉通榴辉岩通过金伯利岩带出，因其特殊的岩性和特殊的位置（古大陆克拉通下残留的次大陆岩石圈地幔），可以为研究大陆克拉通的成因和大洋地壳俯冲到地幔深部的循环和保存提供关键信息，但至今仍存在再循环洋壳和地幔高压堆晶两种成因争议。
位于南非 Kaapvaal Craton的ROV是目前发现具有最丰富的包体榴辉岩典型研究区，以往的研究将该地的榴辉岩分成两类，其中II型榴辉岩是确定该区域榴辉岩成因的关键样品，而I型榴辉岩因为被存在交代而少有研究。Huang et al. (2012) 认为I型榴辉岩受到外来组分（碳酸盐、金伯利岩）的交代影响，已经不能提供榴辉岩成因信息。但是近年来，越来越多的研究表明，深入研究I型榴辉岩经历的“地幔交代”过程，对于揭示ROV榴辉岩成因具有重要意义。Kiseeva et al. (2017)对具体典型过渡特征的I 型样品SS2进行研究，提出“原位部分熔融”成因。Radu et al. (2019) 和Aulbach et al. (2020)也因为缺乏典型的地幔交代作用指标对“渐进交代成因”提出质疑。
I型榴辉岩的二次矿物是对地幔交代过程最直接的研究对象。根据Kiseeva et al. (2017)的研究，镜下观察到SS2原生矿物与原生矿物之间充满次生矿物、原生矿物颗粒内部充满次生矿物、横切原生矿物的脉体充满次生矿物、原生矿物内部及脉体中的熔体池充满次生矿物、上述4种次生矿物组合均一致（图1），该文章还进行了微量元素的计算，认为单独进行原位熔融可以产生高度不相容的元素富集的熔体，说明SS2样品是封闭体系下原生矿物的原位初始熔融产物，记录了“封闭体系下的原生矿物-次生矿物演化过程”。δ26Mg受地幔交代的影响并不大，且对受壳源组分更敏感，87/86Sr可以有效指示交代组分来源，δ26Mg 和87/86Sr 的联用可以更好的制约交代过程以及交代源区，因此本次工作计划对SS2样品的原生矿物和二次矿物展开δ26Mg和87/86Sr的研究。
图1 SS2岩相学特征
本次工作首先重复了Kiseeva et al. (2017)的工作，得到二次矿物种类基本一致（Amp、Phl、Pl、Zeo、Cal、K-Fspar等），观察重点的结构特征基本一致（出溶结构、重结晶特征、硫化物及脉体），Cpx、secondary I和II呈现过渡的变化，与岩相学观察一致，原生矿物的主量元素和微量元素一致，证明原生矿物是足够干净的。
图 2 Mg同位素和Sr同位素结果
图3矿物间的平衡分馏
接着本次工作测量了SS2样品的δ26Mg 和87/86Sr。结果如图2。δ26Mg 和87/86Sr，δ26Mg 和Sr含量，87/86Sr和Sr含量都有良好的相关性。原生单斜辉石和原生石榴石的Mg同位素处于矿物间平衡分馏状态（图3）。但海绵状单斜辉石和次生矿物(I & II)中Mg同位素组成变化较大。
为了探讨SS2是否为封闭体系，我们首先假设SS2样品可能存在于开放体系中，有三种过程对其产生影响。第一是喷发后地表蚀变：在地表二次过程(主要是风化过程)中，蚀变残相富集重Mg同位素，流体相富集轻Mg同位素(如Wimpenny, 2010, 2014)，这与本工作不一致。第二是捕获过程中受到金伯利岩的交代：还没有金伯利岩的镁同位素被分析过；金伯利岩岩浆主要来源于华南成岩区橄榄岩，δ26Mg值可能为地幔值或稍轻，因为这些橄榄岩是由俯冲相关流体交代的，轻Mg同位素来自碳酸盐岩(Becker和le Roex, 2006)，但是金伯利岩的Mg同位素含量并不像本研究中观察到的那么低，质量平衡计算也证明了这一点；此外，由于金伯利岩的快速喷发，难以影响榴辉岩矿物的Mg同位素。第三是深部地幔的交代：在晶界上、沿着横切包体的脉和石榴石晶体内的熔体袋中发育的次生矿物，具有相同的矿物组合和化学成分，如果有流体渗透到榴辉岩中，它将沿着脉和裂缝传递，结晶的次生相将与未受流体影响的变质部位不同；在次大陆岩石圈地幔中，同时具有低δ26Mg 和高87/86Sr特征的岩性少见。综上所述我们认为SS2不太可能是一个开放体系。
接着我们假设SS2是封闭体系，推测其从原生矿物到次生矿物的演化过程。
图四为Matthew et al., 2021统计的所有发布的ROV数据的微量元素数据，其中浅灰色是Ⅰ型榴辉岩的范围，Matthew et al., 2021解释这是MORB并用岩浆演化过程证明。本次研究得到的数据按照单斜辉石和石榴石模式丰度在30%到70%之间计算，得到结果在此范围之内。计算得到的Mg同位素组成低于地幔值(-0.25±0.07‰，Teng等人，2010)，更接近碳酸化蚀变洋壳的范围 (Wang at al.， 2015)。87/86Sr与地幔值(~0.702)有显著差异。考虑到SS2位于海底，且海洋沉积物具有高87/86Sr特征的，其原岩可能为海洋地壳。岩石学证据和主微量元素证据也表明，SS2的交代作用以封闭体系中早期部分熔融为主，原岩更可能为洋壳(Kiseeva et al.，2017)。高87/86Sr还可能来自于小比例熔融提取，考虑到样品的Rb/Sr并不是非常高，Sm/Nd年龄也不支持有足够长的时间，样品难以从0.7066衰变到0.710 （但仍不排除有衰变的积累）。
我们现在认为SS2的形成过程是：在洋壳俯冲时，AOC或者MORB就把地表的富集组分和轻Mg同位素组分带入地幔中，形成一个三元封闭体系（单斜辉石，石榴石，碳酸盐岩），并且会很容易发生部分熔融，作为产生地幔交代剂的可能的源区，产生富集特征的熔体。具体过程是：首先发生较低程度的熔体提取，富集87/86Sr、同时轻δ26Mg的组分被提取出来，但由于提取的体量不大，因此造成次生相轻微的87/86Sr、δ26Mg变化，然后原生相继续发生较低程度的熔体提取，次生相也被继续提取，富集87/86Sr、同时轻δ26Mg的组分再次被提取出来，因此造成后面的次生相继续发生的87/86Sr、δ26Mg变化，同时次生相的种类也更加复杂。部分熔融过程中，碳酸盐组分更容易被提取，因此造成次生相具有轻δ26Mg、高87/86Sr的特征。EDS识别出一些富Mg、Fe的Al硅酸盐，局部见grt的反应残骸(疑似)， 87/86Sr变化很大，推测grt参与了部分熔融。grt参与部分熔融时，会产生较全岩更低的轻δ26Mg熔体，这样的熔体与原生单斜辉石和碳酸盐的熔体进行混合，更可能解释Secondary II 的轻δ26Mg以及变化程度更大的87/86Sr特征。整个过程发生的反应如图8所示。
图5榴辉岩成因示意图
图6
图 7从左到右为交代过程
图 8 原生矿物到次生矿物演变过程及反应
综上所述，通过对SS2中原生矿物和二次矿物的详细研究，发现二次矿物与原生矿物之间的δ26Mg和87/86Sr呈现过渡的变化：δ26Mg和87/86Sr呈较强的负相关，δ26Mg和87/86Sr均与地幔交代指标呈较强相关性，也与二次矿物形成过程的典型指示指标呈较强相关性。说明δ26Mg的变化与87/86Sr的变化，以及与二次矿物形成过程很可能是同一个过程（封闭体系演化）。通过分析，尽可能排除了常见的开放体系过程的影响，提出SS2原岩是洋壳，并且含有碳酸盐组分，并且通过初始部分熔融过程进一步解释了原生矿物的二次矿物的上述变化。SS2的二次矿物形成可以通过初始部分熔融过程形成，而不需要前人所提出的开放体系下的地幔交代过程。具有上述特征，要求SS2的原岩是“洋壳+碳酸盐”机械混合，或者是“碳酸盐化洋壳”，进而证明SS2是壳源成因。
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