第五章-板块与岩浆

第五章板块构造与岩浆活动名词解释1.岩浆岩的系列划分2.洋壳层序3.双峰式火山岩4.花岗岩的构造环境分类第五章板块构造与岩浆活动一、岩浆系列及其分布二、板块扩张带的岩浆活动与洋壳的形成三、板块俯冲带的岩浆活动与陆壳的增长四、大陆裂谷带及大陆板块内岩浆活动五、花岗岩与板块构造六、蛇绿岩套各类岩浆岩的分布是有规律的，20世纪50年代，人们进一步把各类岩浆岩的形成和分布同区域大地构造的演化联系起来，应用传统的地槽学说把各类岩浆岩划分为地槽早期、造山期和造山期后三大共生组合，它代表了20世纪中期大地构造学和岩石学的重要进展，触及了岩浆岩分布的一些实质问题，但仍不能全面解释产出规律性。20世纪60年代板块学说兴起后，对岩浆岩和板块构造研究成果表明，岩浆岩的形成和分布主要受板块构造控制。即在不同的板块边界和部位，形成不同的岩浆岩共生组合。岩浆岩-构造组合与板块构造的时空关系@一、岩浆系列及其分布根据岩浆岩的地球化学指标，可以将其划分为三个系列：①拉斑玄武岩系列②钙碱性系列③碱性系列每个系列都由一组具有共同母源物质的、彼此密切相关的不同岩浆类型组成，而且其分布受板块构造环境控制。1、拉斑玄武岩系列（TH）本系列包括大量基性（拉斑玄武岩）少量中性岩（冰岛岩，富Fe,低K,低Al）和更少量的酸性岩（铁质英安岩、流纹岩）。化学成分：SiO2：48-63%；低钾：K2O1%；TiO2含量低，NaO/K2O高达5-40%,Rb、Sr、Ba、Th、U、等离子亲石元素含量很低（Rb=1-30ppm）,Sr=100-300ppm，Ba=10-100ppm矿物成分：主要暗色矿物：辉石、含少量或不含橄榄石，基本不含角闪石、黑云母浅色矿物：斜长石（斑晶为钙长石-培长石、基质为拉长石）拉斑玄武岩含少量或不含橄榄石，形成于拉张和弱挤压应力状态下，其分布极广，按形成环境不同分为：（1）大洋中脊拉斑玄武岩（2）岛弧拉斑玄武岩（3）大洋岛拉斑玄武岩（4）大陆（裂谷）拉斑玄武岩2、钙碱性系列（CA）通常称为正常系列，喷出岩以安山岩为主，侵入岩以花岗闪长岩为主，本系列包括高铝玄武岩（SiO253%）、安山岩（53-63%）、英安岩（63-68%）及流纹岩（SiO268%），其中以安山岩最常见，其次是英安岩、流纹岩、橄榄安粗岩。化学成分：SiO2弱饱和、K2O、TiO2及大离子亲石元素含量均较拉斑玄武岩系列高。如：Rb：10-90ppm；Sr、Ba含量为200-400ppm。Al2O3含量高，在安山岩为16-18%，轻稀土元素富集LREE升高。矿物成分:普遍含有角闪石和黑云母本系列火山岩可与辉长岩-闪长岩-花岗闪长岩-花岗岩等深成岩相伴生。形成环境:陆缘或岛弧区板块俯冲带及碰撞带，挤压应力为主的地区，为岛弧的标志性岩石，对恢复古构造环境（古岛弧）很有意义。3、碱性系列（A）本系列包括：碱性玄武岩、霞石岩、粗面岩、安粗岩、响岩（夏威夷岩：含碱性长石的中性岩类）等。化学成分：SiO2不饱和，富碱质≥5-7%，富钾K2O，为2-4%；大离子亲石元素含量高，Rb达75-120ppm，Sr、Ba含量分别为700-1000ppm；具富集型稀土元素分配型式，LREE含量高。矿物成分：斜长石以中长石常见，含碱性长石和似长石。上述三种岩浆岩系列的分布与板块构造密切相关，据K.C.Condie(1982)研究它们与板块构造关系如表所示。由上表可以看出：不同系列岩浆岩的分布与地表和上地幔所处的构造应力条件有关，在拉张应力环境下以出现TH为特点，在挤压应力环境下则主要为CA，在应力作用微弱的地区，如大型海洋盆地和大陆克拉通区，则常出现A或TH。第五章板块构造与岩浆活动一、岩浆系列及其分布二、板块扩张带的岩浆活动与洋壳的形成三、板块俯冲带的岩浆活动与陆壳的增长四、大陆裂谷带及大陆板块内岩浆活动五、花岗岩与板块构造六、蛇绿岩套二、板块扩张带的岩浆活动与洋壳的形成大洋地壳形成于洋中脊轴部，这里有着极其活跃的岩浆活动和大规模的裂隙式火山喷溢，长6万公里的大洋中脊实际上是全球最大的火山活动带。据梅纳德（H.W.Menard）估计，每年从中脊轴部喷出的火山物质约有4立方公里，大大超过了全球所有其它地区喷出的火山物质总量。由于在洋底深处，静水压力超过岩浆中水蒸气的压力，故火山活动不可能有爆发性，而是熔岩沿裂隙平静的溢出。@板块扩张带的岩浆活动与洋壳的形成中脊岩浆活动的源地位于轴带下的软流圈中。由于中脊轴部的拉张作用，导致其下压力降低，从而使物质熔点降低，超基性的软流圈物质(橄榄岩)可以分熔出更多的玄武岩浆(主要为TH)。在压力梯度驱动下，TH岩浆乘隙上涌。一部分岩浆溢出海底，形成枕状熔岩，构成洋壳第二层的上部（TH）。另一部分岩浆未喷出地表，呈辉绿岩岩墙形式，构成洋壳第三层的上部，或冷凝成辉长岩成为洋壳第三层的组成部分。板块扩张带的岩浆活动与洋壳的形成在大洋壳的基岩剖面上，随着深度增大，拉斑玄武岩向下过渡为辉绿岩，辉绿-辉长岩、辉长岩，从喷出相到侵入相呈逐渐过渡关系，其Sr同位素Sr87/Sr86比值十分相近，反映它们是同源岩浆的产物。据推测在中脊轴带以下的异常地幔中，存在着巨大的岩浆房，其中发生着结晶分异作用。先结晶的较重的橄榄石和辉石等沉落于岩浆房下部，形成晶体堆积体，冷凝构成洋壳第三层底部的“堆积杂岩”,而玄武岩浆分熔出去后残留下来的难熔的地幔物质，也可以通过蛇纹石化和构造作用呈塑性固定状态被推挤上来，成为洋壳或洋壳以下的橄榄岩。板块扩张带的岩浆活动与洋壳的形成中脊轴部的岩石圈厚度最小，它形成不久，尚未充分地冷却固结，是最为薄弱的地方，因此，当岩浆源源不绝地沿中脊轴部上涌形成新的洋壳，并推动先成的洋壳向两侧扩展，这样整个大洋地壳实际上都源于扩张中心，这一模式解释洋底基岩的岩石组成上具有较明显的均一性。由于大洋岩石圈厚度小，年代新，岩浆分异作用很不完全，致使组成洋壳的岩浆岩以基性、超基性成分占绝对优势，在成分上具有较大的一致性，这也是其和大陆裂谷带岩浆活动特性截然不同的原因所在。第五章板块构造与岩浆活动一、岩浆系列及其分布二、板块扩张带的岩浆活动与洋壳的形成三、板块俯冲带的岩浆活动与陆壳的增长四、大陆裂谷带及大陆板块内岩浆活动五、花岗岩与板块构造六、蛇绿岩套三、板块俯冲带的岩浆活动与陆壳的增长1、岩石类型及地质特征2、岩浆系列的水平分带和成份极性3、俯冲带岩浆岩成分与板块构造关系1）火山岩成分变化与俯冲带深度变化的关系2）火山岩成分变化与地壳厚度变化和岛弧演化的关系3）敛合速率对岩浆成分的影响4、俯冲带的岩浆起源三、板块俯冲带的岩浆活动与陆壳的增生板块俯冲带的岩浆活动主要发生在岩浆弧范围内，距海沟轴部150-300km，平行于海沟成弧形展布。岛弧与陆缘火山弧是强烈的火山活动区，其火山活动以中酸性，特别是安山岩为主，因富含气体，常表现出强烈喷发性质，火山喷发物中常以火山碎屑物质占优势。@@1、岩石类型及地质特征在一个发育成熟的岛弧中，前述三种火山岩系列都可能出现。（1）岛弧拉斑玄武岩系列：主要有岛弧拉斑玄武岩、岛弧安山岩和少量英安岩。与洋中脊TH主要区别是：氧化物成分变化范围较宽，Fe/Mg比较高。SiO2较高（众数53%），K、Rb、Sr、Ba较高；Ni、Cr稀土丰度偏低；Sr87/Sr86较高（0.7035-0.7060）.（2）钙碱系列：主要有安山岩、英安岩、高铝玄武岩、流纹岩等，与岛弧TH相比，很少有Fe富集，SiO2较高（众数59%），明显地富集大离子亲石元素，略富集轻稀土元素，Sr87/Sr86略高（低钾组：0.703-0.707；高钾组:0.704-0.710）。（3）岛弧碱性系列：以玄武岩、安山岩为主，包括碱性橄榄玄武岩、粗面岩、碱流岩、安粗岩等。碱元素含量高，K2O随SiO2增加急剧增长。岩浆弧火山岩的特征1）岩浆弧的火山活动以爆裂喷发为主(和大洋中脊喷溢为主不同)，火山碎屑物质体积占整个火山岩体积的80%以上，以此和其它构造环境火山岩的主要区别：构造环境陆缘弧岛弧洋中脊大洋岛火山碎屑物（体积）90-99%83-98%3-6%1-39%2）另外，由火山岩屑、侵入岩及变质岩屑构成的厚层杂砂岩、泥岩经常与火山岩互层，这种关系是识别岩浆弧火山岩系的重要标志之一。3）在岩浆弧区，与火山岩共生的还有大量中酸性深成岩，侵入到火山岩和沉积岩中。2、岩浆系列的水平分带和成分极性俯冲带的岩浆岩自海沟向陆方向，喷出体积和岩浆活动的强度减小，且成岩石成份有规律的变化，表现出明显的水平分带性。从空间上看，随着与海沟轴部距离的增加，依次分布TH、CA、A或钾玄岩质。从时间上看，从早期开始TH就发育，而CA主要出现在中期，A或钾玄岩质出现于晚期。2、岩浆系列的水平分带和成分极性吉尔（Gill，1974）总结了岛弧火山岩的化学成分在空间上的系统变化，指出：从岛弧的大洋侧到大陆侧：Fe、HREE、Na/K减少；K、Rb、Ba、Cs、Pb、U、Th、LREE、Th/U、Rb/Sr、La/Yb、Sr87/Sr86逐渐增加。这种随着与海沟轴的距离和俯冲带的深度的增加，火山岩成分有规律变化的现象叫做成分极性，因为它可以指示俯冲带倾斜的方向。3、俯冲带岩浆岩成分与板块构造关系1）火山岩成分变化与俯冲带深度的关系当SiO2含量一定时，K2O随俯冲带深度h的增大而增加，当SiO2为60%时，这种关系可表示火山岩对应的俯冲带深度，计算结果：TH对应的俯冲带深度≤150km，CA：100-200km；A：200km；另外，俯冲带火山岩的Rb、Sr分布对地壳厚度的反映也是灵敏的。岛弧、活动陆缘的岩浆来源于消减带，岩浆来源深度也就是地表距消减带深度，它与火山岩中的K2O成正相关（即：SiO2固定，H增加，K2O增加）与SiO2成反相关（即：K2O固定，H增加，SiO2下降）。3、俯冲带岩浆岩成分与板块构造关系2）火山岩成分变化与地壳厚度变化和岛弧演化的关系当SiO2量固定时，安山岩的K2O百分量与地壳厚度变化和岛弧演化的关系：当SiO2为60%时，可表示为（Condie，1973）C=18.2（K2O）+0.45（K2O为百分量，C为地壳厚度km）据此得出各系列对应的地壳厚度是：TH≤20km，CA：20-30km，A≥25km消减带岩浆来源深度、大陆壳厚度的确定岩浆弧火山岩中CA比例的增加与岩浆弧地壳由薄到厚，由洋壳到陆壳，弧体积由小到大的演化方向相一致，CA的比例反映了岩浆弧演化的成熟度，按演化序列，分为四类岩浆弧：岩浆弧类型地壳厚度地壳类型CA系列比例初始水下弧12km洋壳0%,全为TH未成熟岛弧12-17km洋壳、准洋壳10-32%+TH成熟岛弧18-30km陆壳、准陆壳50%+TH陆缘弧30-70km陆壳82-95%+TH+A3）敛合速率对岩浆成分的影响敛合速率慢，愈偏碱性，据都城秋穗（1975）统计：敛合速率大，8-9cm/y，主要为TH或TH+CA，如汤加、千岛等岛弧；敛合速率中等，3-6cm/y，CA或TH+CA，如安底斯，克马德克；敛合速率小，2cm/y，以A为主，如：意大利西西里的卡拉布里亚，澳大利亚东南的马阔里。4、俯冲带的岩浆起源俯冲带岩浆活动的上述特征，表明岩浆的起源与大洋岩石圈板块的俯冲消亡作用密切相关，俯冲带和洋中脊裂谷带岩浆活动的重要区别在于CA岩浆的存在和岩石成分的水平分带，往往岩浆起源假说都必须解释这种特有的现象。林伍德（Ringwood，1974，1981）总结了俯冲带岩浆演化的两阶段模式，用以解释拉斑玄武岩系列和钙碱性系列岩浆的形成。俯冲带的岩浆起源第一阶段当大洋板块俯冲到80-100km深处（T：650°C，P：30-40kb）洋壳中玄武岩、钾长岩、角闪岩脱水，转变为石英榴辉岩。释放出的水导致上覆板块的上地幔岩石局部熔融，分熔出的岩浆上涌，橄榄石结晶出来,随着岩浆分异，可生成TH岩浆，在岛弧的前锋附近喷出地表。俯冲带的岩浆起源第二阶段：当大洋板块俯冲至更深处100-150km（或200km）T为700-900°,洋壳中滑石、流纹石、水镁石不稳定而脱水，使已成为石英榴辉岩的洋壳