洋底变质岩

（一）洋底变质岩的一般特点
早先通常认为大洋地壳主要由玄武岩、辉长岩、橄榄岩等火成岩和蛇纹岩组成。自从1966年从大西洋中脊打捞出第一批变质玄武岩以来，各种各样Z（沸石相）、P－P（葡萄石－绿纤石相）、GS（绿片岩相）和A（角闪岩相）变质岩从大西洋和印度洋洋中脊被打捞出来，这些岩石导源于玄武岩、粗玄岩（辉绿岩）和辉长岩，蛇纹岩则导源于橄榄岩。Miyashiro（1973）用术语 “洋底变质作用” 概括自洋中脊（MOR）打捞出的岩石碎块中观察到的变质作用。同时，人们逐渐认识到，在阿尔卑斯等造山带见到的蛇绿岩杂岩（ophiolite complexes）或蛇绿岩套可以与洋壳层序相对比，代表了构造侵位于造山带之中的古大洋地壳和地幔碎片（Coleman，1977）。因而，洋底变质作用可通过观察洋壳和蛇绿岩杂岩进行研究。从已取得的资料看，洋底变质岩有下列一般特点：
（1）广泛分布在大洋地壳及上地幔之中，古大洋地壳和地幔残片可在造山带以蛇绿岩杂岩形式保存下来。世界著名的蛇绿岩产地有塞浦路斯Troodos、阿曼Semail、意大利E.Liguria、挪威和芬兰Sulitjelma地区、美国俄勒冈峡谷山等。我国喜马拉雅山、秦岭、昆仑山、天山等造山带均发现有蛇绿岩。图27－1是西藏日喀则附近蛇绿岩露头照片，可看出那里的枕状熔岩和席状岩墙非常典型。
图27－1 西藏日喀则附近的枕状熔岩（a）和席状岩墙（b）露头（Mason摄于2007年夏）
（2）大洋地壳地震波速分层研究、海底岩石样品的打捞和钻探资料表明，与大陆地壳相比，洋底变质岩原岩类型要简单得多，大洋地壳主要是变质基性岩（玄武岩和辉长岩），其下为由橄榄岩组成的上地幔。分布在造山带的蛇绿岩的层序，即1926年A.Steinmann所归纳的蛇纹岩－细碧岩－放射虫硅质岩三位一体，可与洋壳层序相对比（图27－2）。
图27－2 地震法测定的大洋地壳和上地幔构造与阿曼Semail和塞浦路斯Troodos蛇绿岩对比柱状图（据Mason ＆ Sang，2007）
（3）变质因素以中低温（100～500℃）、低压（通常P＜0.3GPa）、流体（海水）十分活跃、P/T比很低为特点。变质相系列为Z→P－P→GS→A（见图23－11）。随着深度增加，变质级增加：上部枕状熔岩受到沸石相、葡萄石－绿纤石相、部分绿片岩相变质作用；往下席状岩墙杂岩通常遭受绿片岩相、部分角闪岩相变质作用。但往下的辉长岩和超镁铁质岩体一般未遭受变质作用，仅层状辉长岩顶部可发育角闪岩相变质。由于海水对洋壳的强烈交代作用，使得玄武质熔岩在遭受沸石相至绿片岩相变质同时伴随岩石化学成分的明显变化。因而洋底变质作用是发生在洋底的区域异化学变质作用。变质作用的起因是洋中脊附近由于地幔上涌导致的热流上升和海水沿新成地壳的对流循环产生的热液蚀变。产生的变质岩因洋底扩张而侧向移动，导致洋壳的形成。
（4）由于缺乏泥质变质岩，因而在矿物成分上，无红柱石、堇青石等低压指示矿物。其低压条件由含钠量低的阳起角闪石及斜长石＋阳起石组合所指示。矿物成分的另一个特点是在流体作用下，岩石发生十分迅速的热液蚀变。随着交代作用强度增加，岩石的矿物相数减少，直至强烈变化为单矿物岩石。
（5）由于偏应力较次要，洋底变质岩大多数是无片理或弱片理的，因而保留了原生火成结构和枕状构造、角砾状构造等原生构造。
（6）由于对流循环，流体携带了从热的洋壳淋滤出来的重金属在洋中脊附近逸出并沉淀，因而洋底变质作用与成矿作用关系密切。世界著名的与蛇绿岩杂岩伴生的块状硫化物矿床有塞浦路斯Troodos、土耳其Kure和Ergani－Maden等。这些含铜硫化物矿床由海底喷气孔的喷气作用形成。
早在1977年，载人的潜水器Alvin号就在南美Galapagos洋脊海底发现了温泉，以后在东太平洋海岭也发现有高温流体排出。这种富金属的热卤水排出时温度高达350～400℃，当遇到冷海水时即凝结沉淀出硫化物和氧化物，产生特征的硫化物质点组成的黑烟囱（black smoker）。这种硫化物集结而成的烟囱状或石笋状构造，高可达10m。该热水供养了非常独特的细菌、蠕虫、蛤和蟹的群体，并使得海底沉积物的重金属（V、Co、Ni、Cu）含量在大洋脊峰附近惊人地增加（Mason，1999）。上述发现不仅极大地促进了人们对块状硫化物矿床成因和形成过程的认识，更重要的是从根本上改变了人们对生命起源的理解。
（二）洋底变质岩主要岩石类型
1.变质玄武岩
洋底变质玄武岩是无片理或弱面理的，变质作用从沸石相到角闪岩相。在沸石相和葡萄石－绿纤石相，重结晶不完全，斑状结构等原生火成结构、枕状和角砾状等原生构造保留完好，斑晶和基质都可能被置换，如在沸石相，斜长石为方沸石代替，基质为其他沸石代替。常见的变质玄武岩属绿片岩相。具绿片岩相矿物组合的变质玄武岩由于定向构造不发育而称为绿岩（图27－3a），其矿物组合与变质作用过程中单位体积岩石流出的水的体积（水－岩比）密切相关。随着水－岩比增大，绿岩矿物组合可从Chl＋Ep＋Ab＋Act＋Q，经Chl＋Ab＋Q变化到Chl＋Q，其中火成结构可被保留。到角闪岩相，出现Pl＋Q＋Hb＋Di组合（角闪岩），火成结构通常消失，也没有任何残留矿物。
图27－3 蛇绿岩杂岩中的绿岩（a）和角闪岩（b）（据Mason＆ Sang，2007）
2.变质辉绿岩和辉长岩
大多数海底变质辉绿岩席状岩墙变质作用从绿片岩相到角闪岩相，典型岩石为绿岩和角闪岩。辉长岩侵入体变质作用主要为角闪岩相，顶部局部为绿片岩相，典型岩石为角闪岩。这些岩石保存了它们的原生结构。少数可遭受沸石相的退变质。图27－3b为取自塞浦路斯Troodos蛇绿岩中辉绿岩席状岩墙杂岩下部的薄片素描，可看出辉绿岩已变质为角闪岩，具有明显的变余辉绿结构。
3.细碧岩和绿帘石岩
在海底岩石被冷海水渗透地段，低级变质作用伴随强烈交代，形成一些化学成分特殊的岩石，其中代表性的有细碧岩和绿帘石岩。
◎细碧岩（spilite）：是含钠长石及代替玻璃和原生相的次生含水相（如钙质沸石、绿帘石、葡萄石－绿泥石和碳酸盐）的枕状玄武岩，手标本和薄片均显示火成结构。其成因长期有争论。由于钠长石形成近乎完美的取代斜长石的假象，很多人认为它在成因上是原生的，形成于一种含水钠质岩浆，这种岩浆在当代火山作用中不发生。但到1965年即已证明至少一些细碧岩是通过交代作用形成。几年以后，Cann在洋底打捞出的岩石中找到细碧岩，从而说明这种细碧岩形成年代比推测的要新。实际上它只是在海水通道附近蚀变形成的很低级变质玄武岩。由于海水含大量溶解的钠、氯化物、硫酸盐和碳酸盐离子，因此毫不奇怪，当海水与玄武岩反应时，钠添加到岩石中。在添加过程中，水可充分移出CaO和SiO2以及其他流体中相对于玄武岩不饱和的组分（Mason，1999）。
◎ 绿帘石岩（epidosite）：是一种由绿帘石组成的岩石，呈几毫米到几米厚的透镜体或层状出现在与细碧岩的组合之中。在Troodos，绿帘石岩被解释为通过已遭受低温热液变质主岩的上涌热流体作用的最终产物，代表了一个晚期独立事件。形成过程是：断裂的角砾状岩石被流体淋滤，留下石英和绿帘石粒状镶嵌体即为绿帘石岩。其化学特点是富Ca、贫Mg，相对氧化。在这些岩墙中Cu的丰度为5×10－9，而正常岩墙中Cu的丰度为100×10－9，说明Cu可能已从其中被淋漓出来。
细碧岩富钠，绿帘石岩富钙，二者常常共生。早在1948年Turner就指出 “与细碧岩伴生的绿帘石化是尽人皆知的，且有与细碧岩化同时生成之势”。王仁民和陈珍珍（1980）通过对我国河南桐柏地区认真细致的野外工作发现，钠化的、钙化的和正常的玄武岩在空间上呈极不规则的分布，像迷彩服上的花纹一样。钙化与钠化互为消长、互为因果。据此提出了一个 “双交代和再分配的假说”，并且作出了μNa－μCa图解（图27－4），很好地解释了该区钠化、钙化与矿物共生关系。
（三）洋底变质的对流体模式
如图27－5所示，该模式认为洋中脊附近喷出黑烟的喷发口代表了对流体（convectioncell）的出口。对流体的产生是由于冷海水向下吸入并通过热的新成地壳的裂隙和裂缝。深海钻探和Alvin等潜水器的探查表明，洋中脊及其周围广泛发育破裂系统，其规模可从1cm宽的裂隙直至1km间隙的巨型断裂。这使海水可被动向下渗透达数千米。
这个初始冷水被其所流过的热岩石通道加热，最后导致岩石自身的大规模蚀变和流体成分的变化。在向下通过岩石过程中，枕状熔岩、席状侵入杂岩和高层位辉长岩发生从沸石相经绿片岩相至角闪岩相的递增热液变质作用。最初，海水是高氧化的，伴随O2－、Cl－、 相对大量聚集。在往相对还原的岩浆岩渗透对流过程中，发生化学反应：
图27－4 河南桐柏变质海相火山岩系的钠化和钙化矿物共生的μNa－μCa图解（据王仁民和陈珍珍，1980）
图27－5 洋中脊附近海水的热液循环模式（据Grass ＆ Smewing，1981；转引自Mason ＆ Sang，2007）
在循环系统底部，一些循环卤水与岩浆接触，流体为辉长岩浆加热，当返回地表时，沿断裂面开辟通道。在循环通过热地壳过程中，海水中止氧化，然后对流流体从岩石中滤取金属Fe、Mn、Zn、Pb、Ni、Co、Ag和Au，并使氧化硅再分配。