豆荚状铬铁矿与大洋上地幔动力学过程探讨——以河北遵化新太古代豆荚状铬铁矿为例

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豆荚状铬铁矿是蛇绿岩套地幔岩中特征的矿产,其形成演化与大洋地幔扩张中心活动过程密切相关,对研究古大洋构造环境、大洋岩石圈形成与增生过程、上地幔对流形式、上地幔内熔体岩石作用过程、大洋板块扩张速度具有重要意义。赋存在冀东遵化新太古代蛇绿混杂岩中的铬铁矿,其矿体形态不规则,具有纯橄岩包壳和豆状、空心豆状结构,是典型的豆荚状铬铁矿。它发育了极为丰富的结构构造类型,为研究豆荚状铬铁矿的形成机制、演化过程以及大洋上地幔动力学过程提供了重要的信息。通过2002年彭罗斯地质大会(北京),2003年Inter-Ridge会议(国际大洋中脊协会)对遵化蛇绿岩的实地考察,遵化豆荚状铬铁矿的科学价值得到了国际学术界的广泛认同,并开展了深入的讨论。 精细的野外采样和室内研究工作,把遵化豆荚状铬铁矿严格分成了两类结构构造类型(原生岩浆结构构造和高温变形结构构造)。通过对各类结构特点的铬铁矿矿石标本、薄片的观察研究,在Nicolas等人研究的基础上,本文提出豆荚状铬铁矿的两个演化序列:(1)原生演化序列,豆状铬铁矿的形成过程经历了浸染状—网脉状—反豆状—豆壳状—豆状结构4个阶段;(2)高温变形演化序列:豆荚状铬铁矿的高温变形过程经历了定向铬铁矿豆(壳)—铬铁矿豆(壳)体层间滑动结构—拉长网孔构造—面理化、条带状以及糜棱状结构—铬铁矿褶皱4个阶段。同时电子探针结果表明,两大类结构构造序列的铬铁矿成分没有明显的差异,说明遵化豆荚状铬铁矿在形成演化过程中,相对于其他矿物是比较稳定的,只发生形态结构上的变化。遵化豆荚状铬铁矿的最新Re-Os同位素年龄为2547±10Ma,而且其Os同位素组成具有球粒陨石特征,表明新太古代以来对流上地幔Os同位素组成的演化是球粒陨石型的。 本文借鉴现代洋中脊扩张模式,提出遵化豆荚状铬铁矿原生演化序列对应了大洋地幔的垂向流动过程,其高温变形演化序列对应了大洋地幔的侧向流动过程。通过对大洋地幔的垂向流动过程的研究,可以得出豆荚状铬铁矿是在“树枝状”分布的岩浆通道里结晶的,其成因模式是:在通道下部是初步结晶铬铁矿晶体,呈浸染状分布,随着岩浆的上涌,铬铁矿按照其演化序列发展,由下至上依次发育网脉状、反豆状和豆壳状结构,最后在通道变宽处形成豆状结构,并聚集成致密矿石。 在三个假设(①携带铬铁矿豆体的岩浆视为牛顿流体;②在铬铁矿豆体直径尺度上,岩浆可视为不可压缩的稳定流体,在豆体直径上无流速变化;③岩浆上升通道是垂直的)的基础上,通过岩浆流变学的模拟过程,本文可以初步推出:大洋上地幔携带遵化铬铁矿豆体的岩浆上涌最小速度为63.5cm/s~80.92cm/s。通过初步的应力模拟计算,可以推出:要促使豆状铬铁矿发生破裂乃至以后更强烈的变形作用,大洋地幔剪切应力至少为680MPa。 遵化豆荚状铬铁矿的形成演化过程及其相关的物理模型研究成果,为研究早期板块构造、大洋地幔动力学机制提供了新的思路,也为研究现代大洋地幔动力学过程提供了地质构造的约束条件。
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