橄榄岩是什么?关于橄榄岩的详细介绍

创闻科学2020-11-17 15:43:40

橄榄岩是一种粗粒超基性岩,主要由橄榄石和辉石组成,其SiO2的含量小于45%。除了极少数通过岩浆堆晶过程形成的橄榄岩之外,其余在地表发现的所有的橄榄岩都是从地幔带上来。金伯利岩和碱性玄武岩中的橄榄岩包体(xenolith)是被包括它的岩浆从地幔中带上来的,而那些地体橄榄岩(massif)则是通过剧烈的构造运动将地幔的一部分抬升并暴露到地表。因此橄榄岩通常从产装上被分为包体类型和地体类型。由于地幔橄榄岩是人类可以接触到的地幔的最主要的岩石类型(物质组成),又由于地幔橄榄岩经过部分熔融可以形成玄武岩的基性或者碱性岩类,因此地幔橄榄岩是研究地球深部的最佳样品,也是研究岩浆的形成过程的起始点。通过测定地幔橄榄岩的元素含量和同位素组成可以制约其源区的化学特征,以及地幔和地壳的相互作用;通过观察和定量化地幔橄榄岩中的显微构造特征,可以制约地幔抬升的动力机制。因此,地幔橄榄岩是研究地球和行星地质特征、动力学过程、化学组成甚至物理特性的最重要的岩石类型。

橄榄岩的分类

按照国际地质学会的建议方案,橄榄岩的分类主要依据依据橄榄岩中橄榄石、单斜辉石和斜方辉石的相对含量,其中橄榄石的含量都大于50%。从橄榄石的含量90%起,橄榄岩可以分为:

(1)纯橄岩(dunite),橄榄石占到90%以上,Mg/Fe=9:1。

(2)易剥辉石橄榄岩(wehrlite),主要由橄榄石和单斜辉石组成。

(3)方辉橄榄岩(harzburgite),主要由橄榄石和斜方辉石组成,经常会有少量的玄武质成分。主要依据德国Harzburg产的命名。

(4) 二辉橄榄岩(lherzolite),主要由橄榄石、单斜辉石和斜方辉石组成。主要依据法国的Lherz massif命名。

如果超基性岩中橄榄石含量小于50%,那么通称为辉石岩(pyroxenite),再进一步根据单斜辉石和斜方辉石的相对含量可以细分为:

(1)橄榄二辉石岩(olivine websterite):其中辉石的含量大于60%,橄榄石的含量在40%-10%之间。

(2)单斜辉石岩(clinopyroxenite),其中单斜辉石的含量超过90%,橄榄石和斜方辉石的总含量不超10%。

(3)斜方辉石岩(orthopyroxenite),其中斜方辉石的含量超过90%,橄榄石和单斜辉石的总含量不超10%。

在实际研究中,根据副矿物的含量,可以在上述基础上进一步命名,例如如果二辉橄榄岩中含有不超过5%的金云母,则命名为金云二辉橄榄岩。

橄榄岩的矿物特征

地幔橄榄岩中的矿物,正如在上述分类方案中所体现的那样,最主要的是橄榄石、单斜辉石和斜方辉石。但是,实际上除了上述名义上的无水硅酸盐矿物之外,还有一些氧化物和含水矿物。其中最主要的氧化物是尖晶石(spinel)和石榴石(garnet),而常见的含水矿物则包括金云母(phlogopite),角闪石(amphibole)。有时候也能见到一些斜长石(plagioclase)。上述这些矿物的出现,都指示了特殊的地质过程。例如,尖晶石多出现在上地幔浅部的橄榄岩中,而到了深部尖晶石则会相变为石榴石。又例如,金云母或角闪石的出现,表明橄榄岩受到了富水流体或者熔体的交代作用。再例如斜长石则是大型岩浆房中堆晶橄榄岩才有的特征。

橄榄岩的野外产状

橄榄岩包体或者地体通常为粗粒块状,由于堆晶作用形成的橄榄岩则为层状。

橄榄岩的结构与形变

在地体橄榄岩的构造抬升和就位过程中,橄榄岩经常会发生剧烈的变形,并伴随有富水矿物的形成与各类脉体的穿插。在这个过程中,地体橄榄岩遍布会发生糜棱岩化,形成双峰式结构:橄榄岩中的矿物颗粒要么很大,要么很小,缺少中间过渡。

下图就是一个典型的糜棱岩化的橄榄岩的显微镜下观察到的图像:

此外,橄榄岩的波状消光也是其受到应力作用影响而发生晶格位错的特征。

此外,一些次生矿物有规律的排列,也是橄榄岩受到构造作用影响的证据。

有些橄榄岩在显微镜下看起来很干净(既没有富水矿物的形成,有没有上述变形特征),但是这些岩石中的橄榄石还有可能含有极小的流体包裹体或者熔体包裹体。这些包裹体的存在证明了橄榄岩曾经历的构造-流体-熔体过程。

橄榄岩的地球化学特征

经历了部分熔融过程的橄榄岩

地幔橄榄岩通过部分熔融(partial melting),形成熔体。相容元素不断进入熔体,导致残留的地幔橄榄岩(residual peridotite)(方辉橄榄岩、苦橄岩)越来越亏损不相容元素,而越来越富集相容元素。下图中的MgO和FeO含量随着部分熔融的进行,在残留橄榄岩中越来越高,而Al2O3, Na2O等随着部分熔融的进行,在残留橄榄岩中的含量越来越低。

上述主量元素含量的变化与地幔橄榄岩中各种矿物的相对组成有关:

除了主量元素受部分熔融的影响之外,残留橄榄岩中的微量元素也受部分熔融程度的影响。

地幔橄榄岩的某些稳定同位素组成也受部分熔融程度的影响。

经历了熔体再富集的橄榄岩

地幔橄榄岩通过部分熔融形成的熔体,其中一部分喷出地表形成玄武岩等,一部分熔体还会和周围的地幔橄榄岩相互作用,使得原先亏损的地幔橄榄岩再富集起来。如下图中所示,黑色细线部分代表的样品轻稀土元素的含量竟然比重稀土元素还高,一定是熔体再富集的结果。

很多方辉橄榄岩的SiO2含量过高,而且轻稀土与重稀土的比值远远高于二辉橄榄岩,因此前人研究认为这是典型的熔体再富集的特征。

实际上,导致橄榄岩再富集的熔体不是橄榄岩自己部分熔融的产物的情况更为常见。

经历了流体交代的地幔橄榄岩

地幔橄榄岩的交代作用,通常上分为隐性交代和显性交代。隐性交代是指没有出现富水矿物,亦即上文提到的纯熔体交代。显性交代指的是形成了明显的含水矿物,如金云母和角闪石等。流体交代后的地幔橄榄岩一般富集不相容元素和流体活动性元素。如下图所示。

流体交代作用也会在地幔橄榄岩中留下同位素的信号。如下图所示,流体交代使得橄榄岩富集重的氧同位素。

需要指出的是,经过熔体、流体交代后的地幔橄榄岩,其物理化学性质会发生变化,使得其更加容易发生部分熔融,更富集某些元素,更容易为成矿提供物质来源。

利用橄榄岩制约地球的形成与演化

由于地幔橄榄岩所能承载的科学问题实在是太多了,只能择其要者来进行简单的介绍。

利用橄榄岩制约地球的平均组成

前人利用橄榄岩制约地球硅酸盐部分的元素含量,是进行地球和太阳系物质进行对比的第一步。这其中最关键的是,利用橄榄岩计算出全硅酸盐地球(BSE)的MgO的含量。

1966年,Ringwood通过混合一定量的方辉橄榄岩和玄武岩,构造出理论上的BSE,并计算出MgO的含量为38%。这一数值被后来的诸多工作所沿用。

1985年,Palme & Nickel通过仔细比较不同亏损程度的二辉橄榄岩中的主量元素和微量元素的含量与比值,及其与陨石之间的关系,认为BSE的MgO含量在35.5%。

2007年,Lyubetskaya & Korenaga通过系统的统计学手段,调研了迄今为止发表的所有的地幔橄榄岩的元素含量数据,认为BSE的MgO的含量在39.5±1.53%。这一数值实际上Ringwood最早的估计较为接近。

确定BSE的氧化镁的含量至关重要,这是计算BSE中其它元素含量的起点。正是在这样的基础上,人们不断获取了BSE中其它元素的含量,并通过这些数据进一步讨论地球增生的机制。BSE中元素的含量又被称之为元素的丰度。

最近有不少工作利用橄榄岩获得关键性元素的含量,进一步制约地球的晚期薄层增生过程。

需要特别指出的是,通过橄榄岩只能制约相对相容的那些元素的含量,极度不相容元素的含量只能通过玄武岩来制约。

通过橄榄岩的显微结构研究地幔底辟机制

地幔熔浆以及处于塑性状态的地幔物质是怎么上涌到地表的是地球科学关心的重要问题。阿曼蛇绿岩套中的Maqsad地幔底辟恰好提供了这样一个极好的机会。

结语

地幔橄榄岩的研究包罗万象,一个人实在是写不了地幔橄榄岩所有的方面,能力有限,请同行补充。