张旗, 葛粲: SiO2=45%是否基性与超基性岩之间的界线?
发布人:administrator 发布时间:1/20/2020 3:29:57 PM  浏览次数:2035次
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(张旗: 中国科学院 地质与地球物理研究所, 北京 100029; 葛粲: 合肥工业大学 资源与环境工程学院, 安徽 合 肥 230009)


  我们在研究苦橄岩时发现, 苦橄岩的SiO2 含量变化很大, 似乎SiO2 =45%并不足以限制其变化。于是我们检查了全球数据库, 发现问题同样存在。TAS图中SiO2 =45%是苦橄质玄武岩与玄武岩的界线, 同时, IUGS(国际地质科学联合会)还规定这也是超基性岩与基性岩之间的界 线。可是, 从岩石学角度, 苦橄质玄武岩属于玄武岩类而非超基性岩, 苦橄岩才是超基性的火山岩, 这显然自相矛 盾(张旗等, 2019)。随后, 我们把各种超基性的火山岩和超基性的侵入岩全部检查一遍, 顺便把全部基性岩(火山岩 的和侵入岩的)也纳入进来, 做了一个图(图1)。
  从图1看, 如果以SiO2 =45%作为标志, 全球基性岩和超基性岩大体可以分为三类: 第一类SiO2 <45%, 主要有纯橄岩、方辉橄榄岩、橄榄岩、异剥橄榄岩等; 第二类SiO2 >45%, 主要为玄武岩类; 第三类属于过渡类型, 岩石密集在SiO2 =45%左右, 包括几乎所有的辉石岩以及科马提岩、苦橄岩、大洋岩等。
  图1还可以告诉我们下列几点认识:
  (1) 超基性侵入岩中, 仅纯橄岩(dunite)和方辉橄榄岩(harzburgite)的SiO2 含量基本上低于45%, 符合学术界通常的认识。而80%的橄榄岩(peridotite)、二辉橄榄岩(lherzolite)和异剥橄榄 岩(wherlite)的SiO2 含量的上限在47%~48%左右, SiO2 =45%不是橄榄岩的上限。如果把上述岩石统统包括在内, 大多数橄榄岩的SiO2 的上限大体在47%左右。
  辉石岩比较麻烦, 它是超镁铁岩, 但是, 从化学成分上它不属于超基性岩, 其SiO2 含量变化很大, 上限在SiO2 =54%左右, 基本上与玄武岩相当了。
  (2) 超基性火山岩主要有科马提岩和苦橄岩, 它们基本上与SiO2 =45%无关(图1)。例如, 橄榄质科马提岩SiO2 的上限是50%, 科马提岩是52%, 铁质苦橄岩50%, 苦橄岩51%。也就是说, 全球超基性火山岩没有任何一类是以SiO2 =45%作为界线的, 其实际的上限在SiO2 =50%左右(图1)。
  (3) 基性侵入岩中, 辉绿岩和粒玄岩(dolerite)的SiO2 含量可以以45%作为界线(二者既可以是侵入岩, 也可以是火山岩)。但是, 辉长岩就不行了, 无论角闪辉长岩、橄榄 辉长岩、苏长辉长岩还是辉长岩, 其下限都在SiO2 =40%左右, 有不少甚至低于40%(图1)。
  (4) 基性火山岩的数据最多, 数据库分类比较细致, 它们的SiO2 范围大体如下: 橄榄粒玄岩(absarokite)45%~53%, 富辉橄玄岩(ankaramite)40%~50%, 碱性玄武岩42%~50%, 碱性橄 榄玄武岩42%~52%, 玄武岩(碱质的)42%~51%, 普通辉石-橄榄石玄武岩47%~54%, 单斜辉石玄武岩47%~60%, 科马提质 玄武岩45%~55%, 橄榄石-普通辉石玄武岩42%~54%, 苦橄质玄武岩48%~54%, 斜长玄武岩45%~54%, 钾玄质玄武岩 48%~54%, 亚碱性玄武岩45%~54%, 拉斑玄武岩46%~54%, 过渡类型的玄武岩45%~52%, 玄武岩45%~54%, 夏威夷岩 40%~52%, 玄武岩(科马提质)45%~55%, 钾玄岩47%~60%, 橄榄钾玄岩46%~52%, 拉斑玄武岩46%~54%, 粗玄岩45%~54%( 以上见图1)。上述玄武岩中, 数据量较多的为碱性玄武岩, 拉斑玄武岩和玄武岩这几类, 他们的SiO2 的下限基本上在45%左右。看来, 对于基性火山岩的玄武岩来说, SiO2 >45%是合适的, 早先的TAS图的界线是可用的。




图1 全球基性-超基性火山岩和侵入岩的SiO2 分布图



  对于早先认定的作为超基性火山岩的代表的苦橄质玄武岩, SiO2 =45%也不是其与玄武岩的分界线, 而是与玄武岩重叠的(48%~54%)。从图1看, 恰恰在SiO2 =45%左右苦橄质玄武岩的数据量最多, 说明SiO2 =45%虽然可以作为玄武岩的下限, 但是, 并非超基性火山岩的上限。看来, TAS图不适合作为超基性火山岩与基性火 山岩的分类, TAS图不适合超基性岩。
  Le Bas et al. (1986)在提交给国际地科联火成岩分类学分委会关于火山岩分类命名的报告中确定了三条主要 界限: 超镁铁质岩与玄武岩的SiO2 为45%, 玄武岩与玄武安山岩的SiO2 为52%, 安山岩与英安岩SiO2 为63%(图2)。而本文统计的苦橄岩的SiO2 范围是比较宽的, 主要集中在43%~48%之间。因此, 早先的TAS图对苦橄岩的分类是不合适的, 45%不是二者的分界线 , 玄武岩与苦橄岩的区分主要不是依靠岩石的碱质或SiO2 含量, 而是依靠MgO的含量(图3), TAS图解不适合苦橄质玄武岩和苦橄岩(张旗等, 2019; 葛粲等, 2019)。




图2 TAS火山岩分类命名图


图3 全球玄武岩、苦橄质玄武岩和苦橄岩的TAS图(图a, b, c)和SiO2 -MgO图(图d, e, f)



  从上面的介绍可以得出下面几点认识:
  (1) 从全体侵入的超基性岩来看, SiO2 =45%显然不是侵入的超基性岩的上限, 其比较合适的上限在SiO2 =47%左右。而超基性的火山岩(全球80%的苦橄岩和科马提岩的数据)的上限大体在SiO2 =50%左右。全球超基性火山岩的上限比全球超基性侵入岩的上限要高。
  (2) 火山岩代表岩浆的原始性质, 应当更加具有代表性, 而侵入岩大多经历了结晶分异作用, 一般不代表原始 岩浆。对全球堆晶岩的研究表明, 堆晶岩主要是玄武质岩浆分离结晶形成的, 如果堆晶岩以橄榄石为主, 其总的化 学成分主要反映了橄榄岩的特征, 与地幔岩成分接近, 属于超基性岩; 如果辉石和长石成分增加, 就接近辉长岩的 特征了, 就不是超基性岩了。所以, 什么是超基性岩?回答是以橄榄石为主组成的岩石。超基性火山岩如科马提岩 、苦橄岩, 主要成分是玄武质成分的岩浆, 橄榄石是作为斑晶或骸晶(鬣刺状)出现, 并不是岩浆的主要成分。因此, 其MgO含量不如橄榄岩高, 其SiO2 含量当然也不可能与橄榄岩比肩了。
  (3) 图1说明, 侵入的或堆晶的或变质的橄榄岩(包括地幔岩和堆晶岩)才是真正的超基性岩(SiO2 <47%); 超基性的火山岩(如苦橄岩和科马提岩)并不是超基性的, 是超基性与基性之间过渡的。于是, 出现了一 个奇怪的现象: 全球有超基性的侵入岩, 没有超基性的火山岩。目前众所周知的超基性的火山岩其实并非真正意义 上的超基性岩!这是令笔者想不到的。而令人遗憾的是, SiO2 =45%这个基性与超基性岩的界线学术界使用多年了, 虽然没有什么证据, 却未见有人怀疑。可是这个界线却是经不 起全球数据检验的, 说明它(SiO2 =45%)不可靠。可惜它却误导了学术界几十上百年。更令人称奇的是, 超基性的火山岩甚至不是超基性的, 而是基性 与超基性之间的过渡类型。早先认为, 苦橄岩是超基性火山岩的代表, 对应的侵入岩是橄榄岩; 玄武岩是基性火山 岩的代表, 对应的侵入岩是辉长岩。本文的研究表明, 世界上有超基性的侵入岩(橄榄岩), 却没有超基性的火山岩 。看来, 基性-超基性的概念需要重新探讨, 教科书似乎也需重新编写了。

  后记: 一个小小的SiO2 =45%问题, 引发出一大堆问题。看来, 对于地质上的任何问题都可以问一个为什么。如果打破砂锅问到底, 你可能 会有许多新的发现, 甚至让人大跌眼镜!本文的问题还没有结束, 还有许多问题没有答案, 例如SiO2 =45%的出处?我们恳请有知道该出处的学者联系我们: 基性与超基性岩的界线是怎么确定的?SiO2 =45%的标志是怎么来的?是谁第一个提出来的?他的证据是什么?这也是笔者整理这个材料的初衷。



主要参考文献:
葛粲, 张旗, 李修钰, 孙贺, 顾海欧, 李伟伟, 袁峰. 2019. 一维到三维密度分布函数及其可视化在大数据分析中 的应用——以苦橄质玄武岩等为例. 地质通报, 38(12): 2043-2052.
张旗, 葛粲, 焦守涛, 袁峰, 张明明, 刘惠云. 2019. 在大数据背景下看TAS 分类的不足及可能的解决方案. 地质 通报, 38(12): 1943-1954.
Le bas M J, Le Maitre R W, Streckeisen A and Zanettin B. 1986. A chemical classification of volcanic rocks based on the total alkali-silica diagram. Journal of Petrology, 27: 745-750.