在板块构造环境中形成的岩石组合被称为岩石大地构造组合。这样的组合包括表壳岩和侵入的火成岩。表壳岩是形成于地球表面或附近的沉积物和火山岩,由于经历了变质作用和变形作用,而失去了许多主要的特征。研究现代板块构造,可以获取识别古代岩石构造背景的更多信息或至少限制它们所处的构造环境。

岩浆岩的基本理论主要是20世纪20～60年代在全球基性岩研究成果的基础上建立起来的。20世纪60～80年代,由于海洋地质学取得的进展及深海钻探项目的实施,特别是板块构造理论的建立和不断完善,使岩浆岩岩石学,尤其是玄武岩理论得到飞速发展。基性岩作为幔源岩浆部分熔融的代表产物,备受地质学家青睐。因此,它是岩浆岩岩石学中研究得最详细的岩石类型,积累的数据最多,质量最好,为玄武岩构造环境的判别方法和标准奠定了理论基础,推动了岩石大地构造及地球动力学研究的发展。以Pearce为首的一批学者致力于构建玄武岩构造判别图,为板块构造和大陆造山带研究开辟了新的途径,极大地丰富了玄武岩的研究内容,并将玄武岩构造环境研究推向高峰。国内以李曙光(1993)发表的Ba-Th-Nb-La蛇绿岩判别图最具影响力。

进入21世纪,Vermeesch et al.(2006a,2006b)使用分类回归法分析了岛弧玄武岩、大洋中脊玄武岩和洋岛玄武岩的地球化学特征,采用分类树方法对岩石构造背景进行判别,获得较好的判别效果。Snow(2006)利用GEOROC和PetDB数据库对现有的的玄武岩构造环境判别图的判别率做了评价,指出目前的判别图判别率较低,一般不超过60%。他用多维数据并采用置信区间的方法建立了新的判别模式,获得的判别结果可达到83%(对于岛弧玄武岩)、75%(洋岛玄武岩)和76%(洋脊玄武岩)。Petrelli and Perugini(2016)使用支持向量计算法(SVM)对GEOROC和PetDB数据库中筛选出的一组火山岩进行了构造环境上的判别,并指出在同时考虑主量元素、微量元素和同位素的情况下,三种构造环境的判别准确率可以达到93%。在此基础上,Ueki et al.(2018)进一步使用随机森林算法和稀疏多项式回归算法进行分析,同时将三大类构造环境进一步细分为弧后盆地、洋底高原等8种,最终结果表明,三个算法对弧后盆地的判别效果较差,但对另外7种构造环境的判别效果均在70%以上。Li et al.(2015)利用GEOROC和PetDB数据库资料检查了不同构造环境玄武岩(大陆溢流玄武岩、洋中脊玄武岩、洋岛玄武岩、大洋高原玄武岩、弧后盆地玄武岩及各种类型的弧玄武岩)的Zr、Ti、V、Y、Th、Hf、Nb、Ta、Sm和Sc判别图,发现不同类型的玄武岩之间的重叠区域太大,认为只有洋岛玄武岩和一些洋中脊玄武岩在图中显示是有区别的。邓晋福等(2015)也对多个判别图解进行评价,指出部分判别图具有多解性,有些判别图需要结合岩石矿物含量进行解释。

长期的理论与实践的检验表明,早先的判别图由于数据质量及数量、研究区域、研究思路以及研究手段和分析技术的限制,存在明显的缺陷。鉴于此,有必要对判别图进行重新评价,建立新的玄武岩构造判别图,进一步促进岩石大地构造学、岩石地球化学及板块构造理论的发展。

近年来,我们利用GEOROC和PetDB数据库,对不同构造背景玄武岩开展了数据挖掘的尝试性研究,取得了一系列意想不到的结果(王金荣等,2016,2017;杨婧等,2016a,2016b;陈万峰等,2017;Jiao et al.,2018;Liu et al.,2017),发现不同构造环境的样品,包括初始岩浆以及经过演化的岩浆及其堆晶岩、矿物,均保留了原构造环境的某些信息(韩帅等,2018;杜雪亮等,2018;李玉琼等,2018;焦守涛等,2018),这些信息可能具有某种“基因”的性质,这些“基因”是某种构造环境所固有的,无论岩浆发生什么变化,这个“基因”保持不变。如果我们能够查明上述不同构造环境的“基因”,是否能以此判别不同的构造环境？这个想法很有吸引力,但是,这个想法是否正确,需要做大量的深入研究。

1、不同构造环境判别理论的“基因”说

按照大数据研究的思路,采用全数据模式,我们对全球全体洋中脊、洋岛、岛弧数据进行研究,取得许多新的认识,获得一些新的效果更好的判别图(王金荣等,2017;陈万峰等,2017;Jiao et al.,2018;Liu et al.,2018)。研究表明,早先的判别图理论基本上是对的。Pearce et al.(1984)认为不同构造环境的玄武岩其地球化学组成不同,主要原因是源区差异造成的。例如,MORB主要来源于亏损地幔的部分熔融;OIB来自富集地幔的部分熔融;而IAB则是强烈亏损地幔加水部分熔融的产物(图1)。

形成于不同构造背景的玄武岩地幔源区不同,其部分熔融形成的玄武岩成分也不同。Pearce et al.(1984)研究认为,岩浆发生分离结晶作用,会导致成分变化,成分变化即影响判别的效果。因此,早先认为,玄武岩判别图不适合于辉长岩、堆晶岩、安山岩、苦橄岩等。这些岩石无法用判别图来判别构造环境,是判别图研究的禁区。而我们的研究突破了上述禁区,在安山岩、辉长岩、苦橄岩甚至橄榄石中均取得了很好的判别效果,虽然有些结果并不满意(刘欣雨等,2017;焦守涛等,2018;袁方林,2018;李玉琼等,2018)。但是,上述研究告诉我们一个结果,岩浆分离结晶后,其所形成的侵入岩、堆晶岩以及演化后留下来的残余岩浆(演化的玄武岩,玄武岩分离结晶形成的安山岩等)也应当继承了源区的不同,不同构造背景的所有岩石(火山岩、侵入岩、堆晶岩、矿物等)均应当保留它们源区的特征,这个特征可能即是它们具有不同“基因”的结果(图2)。

图1三种不同构造背景地幔源区

图2不同构造背景的岩浆岩“基因”不同

早先的判别图,采用的是抽样的数据、宏观的研究方法,使其效果受到限制。由于岩浆演化的复杂性,如果岩浆经历了混合、混染作用,早先的“基因”信息则容易被模糊了,于是,根据抽样、典型地区研究得出的结果也就被模糊了,使判别图研究的效果受到怀疑(图3a)。我们认为,岩浆虽然经历了各种混合,但是,原先的“基因”应当保留下来,如果能够找到这个“基因”,不是仍然能够判别环境吗？如何找到原先的“基因”呢？我们考虑,如果把不同的“基因”表述为不同的粒子,不同粒子的混合以及混合程度的不同,从宏观上来说,我们只能看到宏观的现象,这就是早先的判别图的结果。但是,从粒子的角度看,如果能够识别混合后的不同粒子,则仍然能够恢复原先的源区特征(图3b),这种想法类似于物质在微观上具有波粒二象性的原理。就如同光一样,光具有波动性,同时也具有粒子性。我们猜想,大数据能否完成这个任务？早先的研究重视的是因果关系,而大数据重视相关关系,大数据如果能够从千千万万个相关关系中发现源区(被掩盖了的)不同的“基因”粒子的信息,则判别不同环境即成为可能。

研究表明,不同构造环境都有一个基本上不同于其他环境的本质特征(图2),这个本质特征即是源区的不同,不同源区可能归结为不同的“基因”。无论岩浆经历了什么变化,其“基因”粒子仍然是可以保留下来的,如果我们能够揭示这个“基因”,判别构造环境就不是一件困难的事情。目前的问题是,上述不同岩石、不同矿物虽然能够判别环境,但是,判别的标志各不相同,没有一个统一的标志。因此,不同的“基因”,其内在标志究竟是什么仍然不清楚。

图3判别图识别不同模式

不同构造背景岩浆“基因”不同的“基因”(包括陆壳和蚀变也有各自不同的“基因”),宏观是样品的地球化学分析所得到的结果,自然模糊不清,而其内核的“基因”是不变的,查明它们的“基因”即可恢复其原始的状态。

2、讨论

Condie(2015)指出,应用地球化学判别图方法恢复古构造环境存在许多问题,包括:(1)地幔源岩不是某一个构造背景固有的,一种类型的地幔源区可以出现在多种构造环境;(2)部分熔融和岩浆混合程度不同影响派生岩浆不相容元素的分布;(3)蚀变和变质可导致相容元素的再分配;(4)玄武岩与陆壳的混染可改变地幔的地球化学特征;(5)冥古宙和太古宙的一些构造环境可能没有出现在今天的地球上。

目前绝大部分学者都意识到判别图并不是万能的,在岩浆岩中,只有玄武岩的判别效果比较好,而且限于近原始岩浆的玄武岩,分离结晶的堆晶岩不能应用于判别环境。随着玄武岩数据的不断积累,发现越来越多的情况不适用于早先的判别图,判别图明显没落了。

由于现有的判别图存在这样那样的问题(Condie,2015),因此我们按照全数据模式构建的新的判别图避免了其局限性。此外,我们的研究发现,不仅玄武岩可以判别构造环境,学术界早先认为不可能判断环境的堆晶岩、安山岩、苦橄岩也可以判别构造环境,甚至早先许多学者尝试过但是效果不是特别好的矿物学判别图,我们也获得了很好的结果,例如用辉长岩和超镁铁岩(包括地幔岩)的单斜辉石以及橄榄石来判别(焦守涛等,2018;杜雪亮等,2018)。现在的情况是,几乎各种岩浆岩,不论喷出的、侵入的、堆晶的、甚至地幔的,而且其组成矿物,都可以判别构造环境。这就说明,一个构造背景的岩浆岩可能具有独特的“基因”,无论岩浆如何演化,部分熔融程度多少,受混合、混染的程度如何,这个构造背景的“基因”是一直被保留的。玄武岩演化的安山岩,分离结晶形成的辉长岩,辉石岩和超镁铁岩,结晶出的橄榄石、辉石,均保留了其原始的“基因”。不论岩浆形成以后发生了什么,这个“基因”是不会消失的。但是,这个“基因”密码到底是什么？目前还不清楚,需要进一步研究。正如人类的遗传学一样,人类的基因是可以遗传的,不论你是否同族结婚或与异族结婚,生下的孩子均保留了父辈的基因,跨国婚姻也无法改变这个基因密码。岩石“基因”的发现,扩展了判别图的使用范围,使判别图理论起死回生,让岩石大地构造学理论焕发光辉。

地球上有三个基本的构造环境:大洋中脊、洋岛和岛弧(图1)。三大构造背景之所以不同,原因主要在于地幔源区组成不同,早先的成功研究显示在Th和Ta的关系上:(1)大洋中脊源区来自亏损地幔,亏损Th和Ta,两种元素的含量基本相同(Th=Ta≈0.2μg/g)。这样的地幔部分熔融形成的玄武岩Th、Ta含量大体在0.2μg/g。MORB分离结晶形成的堆晶岩,演化的玄武岩,仍然保留Th=Ta的特点;(2)洋岛玄武岩的源区来自富集地幔,何谓富集？反映在Th-Ta关系上,表现为Th和Ta含量的基本上相当且增加。例如,许多OIB的Th=Ta≈0.8μg/g(Th/Ta=1～3,基本上不会超过这个范围);(3)岛弧玄武岩的地幔源区是强烈亏损的,它来自经历了一次或数次部分熔融形成MORB之后留下的地幔,其特征是Th和Ta含量急剧降低。这样的地幔如果再次发生部分熔融,需要很高的温度或有水的加入。这时,板块消减带带来的水即有利于强烈亏损地幔的部分熔融,由于有水的加入,使该构造背景的源区具有富水和强烈亏损地幔的特征。这个特征既不同于大洋中脊,也不同于洋岛,是汇聚板块边缘特有的,也成为一个独特的地幔源区。由这样的源区部分熔融形成的岛弧玄武岩,Th含量明显增加且是变化的(代表水加入多少的情况),而Ta明显亏损,反映的关系是:Ta=0.1μg/g左右,Th/Ta>10(至少>5)。强烈亏损反映在Ta元素上,消减带物质加入反映在Th含量上。前人对玄武岩构造背景的基本理论是正确的,前人总结的Th-Ta关系是精辟的。

因此,这三个源区可能是地球上基本的地幔源区,许多其他构造背景以及岩浆成分的变化,均可用这三个源区的关系来解释。例如三个不同背景的岩浆发生混合,会产生不同的玄武岩:MORB与OIB混合,如果OIB的量少,得到的大体是E-MORB;如果OIB数量多,大体相当于洋底高原玄武岩(OPB);MORB+IAB,是弧后盆地玄武岩的特征(图3)。又如岩浆与陆壳物质混染,如果是OIB穿过陆壳,则有裂谷玄武岩(CRB),大陆溢流玄武岩(CFB)和陆内玄武岩之分(ICB);如果是IAB穿过陆壳,则形成大陆弧玄武岩(CAB)(图3)。

之所以可以这样解释,原因是三个构造背景具有基本上不同的岩浆成因的“基因”,这些“基因”表现为不同的粒子。这个“基因”是不受岩浆过程干扰的,不论岩浆发生了什么,如分离结晶、部分熔融、混合混染、蚀变,它的“基因”是多多少少被保留下来的(图2)。例如,大洋中脊岩浆来自亏损的地幔,由这个地幔部分熔融形成的玄武岩即MORB,MORB结晶分离形成堆晶岩,堆晶岩的组成矿物是橄榄石、辉石、长石等,分离出堆晶岩之后的残余岩浆,均保持了其大洋中脊的“基因”(MORB)。堆晶岩如辉长岩,是由辉石加斜长石和少量橄榄岩(可有可无)组成的,橄榄石、辉石、斜长石从MORB结晶出来时就带有MORB的“基因”,故辉长岩也带有MORB的“基因”。大洋中脊如此,岛弧和洋岛也如此。

岛弧地幔源岩来自大洋中脊部分熔融熔出MORB之后留下的地幔,这个地幔必定更加亏损,这样的地幔遇到来自俯冲带加入的水,就组成了一个含水的强烈亏损地幔,这是一个新的地幔(岛弧地幔,特征是含水的强烈亏损地幔),不同于大洋中脊地幔(干的亏损地幔)。岛弧地幔也可以重新部分熔融,这时形成的就是具有岛弧特征的各种岩浆岩,包括玻安岩和赞岐岩,如图2和图3所示。最近还发现了一类前弧玄武岩,是一类在地球化学上类似MORB,但是比MORB更加亏损的玄武岩(REE总量低,Th=Ta,没有Nb-Ta负异常),推测可能是残留的强烈亏损的地幔源岩在高热条件下部分熔融形成的(图4的粉红色表示的岩浆)。

图4消减带之上地幔源区形成及岩浆演化示意图

怎么理解上述现象呢？从图3看,一个构造背景的“基因”隐含在岩浆中,现在的地球化学分析所得到的是全部岩浆的宏观的面貌,这个面貌包含了来自不同背景的岩浆,必然模糊不清,这就是早先的判别图的局限性了。而仔细分析,这个宏观的面貌可能是由一个一个的“基因”粒子组成,大洋中脊、岛弧、洋岛岩浆有不同的“基因”粒子,陆壳、蚀变也有各自不同的基因粒子,岩浆混合、混染、蚀变,只是不同“基因”粒子之间不同比例的组合而已。这时,如果我们把研究的精力聚焦到不同的“基因”粒子上,则可对岩浆的原始状态有更加深入的认识。由于粒子具有不可灭性,它多多少少总是存在的。因此,鉴别出不同构造背景的“基因”,即可恢复其原始的构造背景。传统的方法很难识别这样的“基因”,而大数据则可识别它,这就是大数据的优势。这就给岩石大地构造学理论增加了新的方法和思路,也推动岩石大地构造理论的进步。原来的大地构造理论基本上是对的,大数据只是挖掘了该理论所蕴含的内核而已。

3、 结论

研究表明,Pearce等在20世纪七八十年代创立的岩石大地构造学说的理论基本上是正确,也就是说,洋中脊、洋岛和岛弧三大构造背景的源区是不同的,这是玄武岩判别图的理论基础。只是情况更加复杂一些而已。例如,洋中脊相对于洋岛大体是亏损的,但是,也有比较富集的;洋岛地幔富集,也有略亏损的;岛弧以水的加入为特征,源区相对亏损,但是,亏损程度可以有较大的差异。

由于不同构造环境之间源区差异的缩小,早先的研究采用的是抽样数据、典型地区,精确数据,显然不适合全球样品的情况,遂使玄武岩判别图遇到了瓶颈。

我们的研究发现,不同构造背景的所有岩石、矿物(包括玄武岩、苦橄岩、辉长岩、堆晶岩、橄榄石、单斜辉石等)几乎都保留了不同构造背景的“基因”,并且大多可以采用大数据方法予以识别,使岩石大地构造学说焕发青春。虽然我们的研究是初步的,可以判别不同的构造环境,但是,这个“基因”究竟是什么仍然不清楚。此外,上述“基因”假说的理论解释还非常不足,需要今后进一步的探讨。

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基金:中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室项目(81300001);国家重点研发计划项目(2016YFC0600510､2018YFC1505501)联合资助.