挪威奥斯陆裂谷晚古生代准铝质到过碱性正长岩与花岗岩的多压分异与堆积成因

《Geological Magazine》：Metaluminous to peralkaline syenites and granites in the late Palaeozoic Oslo Rift, Norway, formed by polybaric fractionation and accumulation processes

本刊推荐：为揭示挪威奥斯陆裂谷中准铝质至过碱性正长岩与花岗岩的成因，研究人员开展了系统的岩石学、全岩主微量元素分析及热力学模拟研究。结果表明，这些岩石并非原始熔体，而是由中下地壳（4.5-5.0 kbar）分异的过碱性熔体与其携带的碱性长石±石英堆晶混合而成的晶粥。该研究通过能量约束模拟（Rhyolite-MELTS）重现了从基性母岩浆（FCIM）到过碱性残余熔体的演化路径，强调了多压分异（polybaric fractionation）和晶体堆积（alkali feldspar cumulate）过程的关键作用，为全球类似构造背景下的长英质岩石成因提供了新模型。

　　

在大陆裂谷环境中，过碱性的长英质火山岩和侵入岩虽然通常只占碱性岩套的一小部分，但在东非裂谷和挪威晚古生代的奥斯陆裂谷等地区却十分突出。这些岩石的成因一直存在争议：它们究竟是地幔来源的基性母岩浆经过分离结晶作用的产物，还是需要地壳熔融、地壳混染或流体辅助元素迁移等过程的参与？甚至，有观点认为类似成分的熔体可以直接来自经过地幔交代作用的橄榄岩部分熔融。挪威东南部的奥斯陆裂谷，作为研究大陆裂谷岩浆作用的经典地区，其内部从基性到酸性的完整岩石序列，为检验这些假说提供了理想的天然实验室。特别是其中那些从准铝质到过碱性的正长岩（如nordmarkite）和花岗岩（如ekerite），其精确的成因机制及其与裂谷内大量中性岩（如larvikite）的演化关系，是理解整个裂谷岩浆系统的关键。

为了厘清这些问题，研究人员对奥斯陆裂谷中的正长岩和花岗岩进行了详细的岩石学和全岩地球化学分析，并首次将能量约束的热力学模拟（Rhyolite-MELTS）扩展到长英质成分范围，同时考虑了地壳混染的影响。研究表明，这些看似简单的岩石，其实多数并非纯粹的冷凝熔体，而是“晶粥”——即富含晶体（主要是碱性长石，有时是石英）的熔体混合物在上侵就位过程中继续堆积形成的。这些岩石的总体成分受到了晶体堆积过程的强烈改造，而真正代表高度演化熔体成分的，是区内一套被称为SLG的过碱性粗面质到流纹质（包括grorudite）的岩墙。

本研究主要运用了岩石薄片显微结构观察、全岩主微量元素分析、能量约束热力学模拟（Rhyolite-MELTS）等关键技术方法。研究样本来源于奥斯陆裂谷多个主要深成岩体（如Larvik, Siljan-Mykle, Eikeren-Skrim, Nordmarka-Hurdal complexes）以及相关的SLG岩墙，并结合了已发表的历史数据（包括W. C. Br?gger的经典湿化学分析数据）进行综合对比。

模态矿物学与结构

对岩石薄片的扫描观察揭示，这些正长岩和花岗岩普遍具有堆晶结构。例如，斑状正长岩中含有大量作为斑晶的灰色斜长石或歪长石，它们嵌布于由它形碱性长石和石英组成的细粒基质中。在非斑状岩石中，碱性长石晶体则形成相互接触的网络，即典型的中堆晶结构。在过碱性花岗岩（ekerite）中，可见早期被碱性长石包裹的石英（Q1）与后期填充于矿物间隙的石英（Q2），表明至少有两期石英结晶。钠质辉石和角闪石总是作为间隙矿物出现。这些结构证据表明，碱性长石（和石英）的堆积是这些岩石形成的普遍过程，它们是以晶体负载很高的晶浆形式就位的。

全岩主量元素数据

在主量元素分类图（如TAS图、R₁-R₂图）上，奥斯陆裂谷的正长岩和花岗岩显示了连续的成分变化。过碱性指数（A.I. = (Na₂O+K₂O)/Al₂O₃, 摩尔比）与SiO₂的关系图显示，与代表熔体成分的SLG岩墙相比，深成岩具有相近的SiO₂含量但明显更低的A.I.值。这种差异正是晶体堆积（贫Al的碱性长石）稀释熔体过碱性的结果。

微量元素分布

相对于上地壳，这些岩石普遍富集稀土元素、Zr和Hf。从二长岩到正长岩再到花岗岩，Sr、P、Ti等相容元素呈现逐渐亏损的趋势，而Ba的含量变化范围很大，且与SiO₂没有简单的负相关关系，这被解释为不同样品中碱性长石堆积程度不同所致。Cs的含量异常低，这与岩石来源于富集地壳物质的模型不符。

分离结晶趋势模拟

热力学模拟显示，一个适用于奥斯陆裂谷基性岩的轻度碱性母岩浆（FCIM），仅在很窄的压力范围内（4.5-5.0 kbar）且低水含量的条件下，通过分离结晶才能演化出接近硅饱和的过碱性正长质残余熔体。当这种熔体侵位到浅部地壳时，会沉积出成分为弱过碱性正长岩的碱性长石堆晶。进一步的模拟表明，过碱性花岗质残余熔体需要在该系统下于更低压（2-3 kbar）进一步分异才能形成。然而，模拟产生的残余熔体其过碱性程度远高于观察到的深成岩，但恰好与区内过碱性的SLG岩墙成分吻合。这再次证实，深成岩是堆晶矿物和残余熔体的混合物，而岩墙更能代表演化熔体的成分。

讨论与结论

本研究构建了一个修订的岩石成因模型：奥斯陆裂谷的过碱性正长岩和花岗岩，是统一的基性母岩浆（FCIM）在多阶段、不同压力下发生分离结晶和晶体堆积作用的产物。中下地壳（~5 kbar）的分异作用产生了过碱性的残余熔体。这些熔体在上侵到浅部地壳（2-3 kbar）时，因压力降低而发生碱性长石（和石英）的大量结晶和堆积，形成了我们所见到的以堆晶结构为主的深成岩体。真正高度演化的过碱性熔体则多以SLG岩墙的形式产出，或被圈闭在堆晶岩的间隙中形成特殊的间隙矿物组合（如钠铁闪石、霓石、星叶石等）。地壳混染对主量元素演化的影响相对较小。

这项研究的重要意义在于，它强调了对大陆裂谷环境中过碱性长英质岩石进行成因解释时，必须充分考虑晶体堆积过程的影响。将岩石全岩成分简单等同于熔体成分会导致对岩浆演化路径的误判。该研究为全球其他地区具有类似地球化学特征（如富集碱性长石但亏损某些名义上不相容元素）的正长质岩石的成因提供了新的解释框架。同时，研究结果也表明，对于像毛里求斯等地出现的过碱性粗面质-响岩质岩石，或许无需诉诸于它们是从地幔直接产生的原生熔体这一模型，多压分异模型同样值得深入探讨。