科马提岩研究的回顾与展望.pdf

2023年6 月第43 卷第2 期四川地质学报Vol.43No.2Jun.,2023科马提岩研究的回顾与展望张茜，李壮，杨帆（中国石油大学（北京）地球科学学院，北京10 2 2 49）摘要：科马提岩是一种来源于地慢的镁铁质一超镁铁质火山熔岩，是早前寒武纪绿岩带的重要组成部分，其成分特征可以用来示踪太古宙地慢熔融的深度和温度并反演其形成过程，对研究岩石成因、解译地慢性质及探讨前寒武纪地球动力学背景等方面有着重要意义。本文对科马提岩的时空分布、岩石学和地球化学特征进行分析和总结，进一步厘清了科马提岩的形成时代及各类科马提岩的特征：科马提岩主要形成于太古宙克拉通内部，峰期为新太古代；各古老克拉通的科马提岩多见典型鬣刺结构，主要由辉石和橄榄石组成，部分遭受蛇纹石化过程中发生重结晶；根据地球化学特征的差异，主要分为ADK（贫铝型）和AUK（未贫铝型）型科马提岩；随着地质时代的变化，科马提岩的地球化学组成和地慢源区温度也有规律地变化；通过恢复科马提岩的原始岩浆成分计算得到的地慢潜能温度，指示异常高的地慢熔融温度。已报道科马提岩的形成时代、真实性、成因机制等，仍存在较多争议，需要后续更多的研究解译地球早期地慢性质和壳慢演化等问题。关键词：科马提岩；早前寒武纪；时空分布；岩石特征；地慢性质中图分类号：P588.14DOI:10.3969/j.issn.1006-0995.2023.02.003科马提岩最早由Viljoen兄弟（19 6 9）在南非卡普瓦尔克拉通巴伯顿绿岩带发现，以巴伯顿地区科马提河命名，形状如澳洲的鬣刺草（图1-a），具有典型的鬣刺结构，故又被称为“鬣刺岩”（Sossi et al.，2016；Lo w r e y e t a l，2 0 17；D i r k a n d T a i s i a，2 0 18）。鬣刺结构主要由橄榄石和辉石组成，属于喷出岩，具有流动熔岩的结构和构造，是岩浆喷出或溢出时快速冷凝的结果，故组成鬣刺结构的橄榄石或辉石常呈细长的锯齿状晶体或骸晶（图1-b）。此外，科马提岩的地球化学特征也十分显著，具有Mg018%，高Ni和Cr含量，低（FeO/FeO+MgO）值，低全碱含量（Na2O+K2O）的特征。不同产地科马提岩的地球化学特征总体一致，但具体特征稍有区别（雷国蓉，2 0 18；Arndtetal.,2008；H e r z b e r g，19 9 2；肖禧砥，19 8 3）。科马提岩的形成往往与太古宙绿岩带的成因和演化有关,绿岩通常是对由基性到中性的火山岩轻微变质形成的绿色变质岩的统称，一套绿岩带可能会有一层到多层基性火山-沉积变质岩。完整的绿岩带由早期喷发产生的火山岩和晚期浊流沉积为主的碎屑岩或火山碎屑岩组成，火山岩下部以超基性-基性岩为主，上部为钙碱性火山岩，下部通常出露一套科马提岩（LiandWei，2 0 17）。绿岩带底部的变质的镁铁质和超镁铁质火山岩为研究早前寒武纪地慢性质和演化、地壳生长以及相应的地球动力学机制提供了最直接的证据（李鹏涛，2 0 18）。由于古老的克拉通内部通常发育各种金属或者非金属矿产，其形成时代和空间分布均与绿岩发展紧密相关，所以作为绿岩标志层的科马提岩的研究意义不言而喻（肖禧，19 8 3）。1科马提岩时空分布1.1科马提岩空间分布科马提岩在世界上多个地区被识别，除南非巴伯顿、加拿大阿比提比、西澳、戈尔戈纳岛等著名的科马提岩出露区外，在巴西、哥伦比亚、芬兰、俄罗斯、津巴布韦等地区也有科马文献标识码：A文章编号：10 0 6-0 9 9 5（2 0 2 3）0 2-0 2 12-0 8图1科马提岩特征(a)鬣刺草；(b)鬣刺结构（正交光）收稿日期：2 0 2 2-0 5-12作者简介：张茜（2 0 0 2 一），女，河南周口市人，研究生，研究方向：岩石学与储层地质学通讯作者：李壮（19 8 9 一），男，吉林长春人，副教授，研究方向：前寒武纪地质学与岩石学212卡累利阿通古恰带阿尔丹科马提岩研究的回顾与展望提岩的报道（Sossi etal.，2 0 16；A r n d t e t a l.，2 0 0 8；H e r z b e r g，19 9 2）。太古宙（2.6 52.7 2 Ga）克拉通的绿岩带底部是科马提岩最广泛的发育层位，包括苏必利尔克拉通、伊尔加恩克拉通、波罗的海克拉通、圣弗朗西斯科克拉通、阿尔丹克拉通和卡普瓦尔克拉通（BarnesandArndt，2 0 19;图2）。格陵兰西部38 0 0 Ma伊苏瓦地区（Dymeketal.，19 8 8；Po l a t，2 0 0 2）和魁北克省努夫亚吉图克地区（0 Neiletal.，2 0 11）出现了缺乏火成结构的变质超镁铁质岩石，这些是否是真正的科马提岩还有待商榷。值得注意的是，显微鬣刺结构在许多地区均有报道，通常指在橄榄石斑晶间隙中的针状辉石，除科马提岩外还可以出现在其他岩石类型中，如科马提质玄武岩（Mobasherietal.，Pu c h t e l e t a l.，2 0 2 2），故显微鬣刺结构不应作为科马提岩的特征结构（Barnes and Arndt，2 0 19；卢君勇等，2 0 2 1；Naqvietal.，19 7 8）。具有典型鬣刺结构的后太古宙科马提岩仅在哥伦比亚海岸外的戈尔戈纳岛上被识别出来（Echeverria，19 8 2；Ec h e v e r r 1a，19 8 0）。迄今为止，其他地区（包括了我国多处地区（雷国蓉，2 0 18；肖禧砥，19 8 3；邓燕华等，19 8 9；胡道功等，2 0 0 1；Lietal.，2 0 2 0；Zu o e t a l.，2 0 2 1；梁新权等，2 0 2 0；田江涛等，2 0 2 1；秦宇龙等，2 0 17）所报道的科马提岩在岩石结构、化学成分和年代上还存在争议，故真实性有待进一步考证（雷国蓉，2 0 18；肖禧，19 8 3；Li et al.,2020；Zu o e t a l.,2 0 2 1；梁新权等，2 0 2 0;Spengler et al.，2 0 18；Be n j a mi n e t a l.,2017;Nesbitt et al.,1982;图 2)。一斯拉卡苏必利尔一戈尔戈纳岛华北辛格布姆德巴斯坪达尔瓦尔班达斯0亚马逊扎伊坦桑尼亚棋阿维斯培圣弗朗西斯科奥图津巴布韦卡普瓦尔马达加斯加皮尔巴拉哈里斯湖伊尔干高勤存在绿岩带的克拉通图2 科马提岩全球分布图（据BarnesandArndt,2019修改）1.2时间分布对全球科马(a)提岩的时空分布数据收集和整理(表1),科马提岩主要形成于太古宙，在元古宙略有分布，在显生宙极为罕见（图3-a)。科马提岩在太古宙的形成峰期为新太古代，古太古代科马提岩分布较少（图3-b）。目前在南非卡普瓦尔克拉通和澳大利亚皮尔巴拉克拉通中发现了最古老的科马提岩（3.50 3.46 Ga），被认为是地球最早的地慢柱活动的岩石记录（Arndt etal.，2 0 0 8；Ba r n e s a n d A r n d t，2 0 19；Sp e n g l e r e t a l.，2 0 18）。在研究过程中有以下值得深思的问题：科马提岩在显生宙是否基本存在（Zuo etal.，2 0 2 1；秦宇龙等，2 0 17）；测定形成时代为显生宙213确定存在的科马提岩(b)2%23%75%(a)全球科马提岩时代分布；(b)太古宙科马提岩时代分布存在争议的科马提岩19%显生由59%元古由太古由图3科马提岩的时代分布图古太古代22%都中大古代新太古代2023年6 月第43卷第2 期的超基性岩是否为科马提岩（雷国蓉，2 0 18；胡道功等,2 0 0 1;Zuo et al.,2021;秦宇龙等，2 0 17)。2岩石学特征南非地区多处发育科马提岩，可见典型鬣刺结构及枕状或者块状构造(Thompson et al.,2012;Groschand Slama,2021;图4），其主要矿物成分为橄榄石和辉石，也含有少量的铬尖晶石，其中橄榄石大多遭受蛇纹石化，也有部分遭受绿泥石化，部分科马提岩还遭受硅化和碳酸盐交代作用的影响(Sossi et al.,2016;Grosch and Slama,2021;Hoffmann and Wilson,2016;Boyet et al.,2021)。次生组合中含水矿物的存在表明其富含H20，含水环境也进一步促进了蛇纹石化古27(Grosch and Slama,2021;宙28Maier et al.,2016)。显29澳大利亚地区的科马生30宙提岩具有淬火结构和堆积结构，由橄榄石及其蚀变产物共同构成。微量硫化物（磁黄铁矿、黄铜矿、镍黄铁矿、黄铁矿、黄铁矿、聚辉铜矿、紫铀矿、黑钨矿）形成很小的单相（0.0 10.2 mm）浸染颗粒和较粗的分散颗粒，它们的分布在很大程度上反映了变质作用和蛇纹石化作用（Sossietal.，2 0 16；Ba r n e s e t a l.，19 8 8；H o a t s o n e t a l.，2 0 0 5；Gole and Barnes，2 0 2 0）。该地区的科马提岩包含了以变质橄榄石为主的角闪岩相变质矿物组合，主要矿物组成为橄榄石和斜方辉石，还含有少量铬铁矿、铬尖晶石、磁铁矿、钛铁矿和硫化物等（Touboul etal.，2012；Si g e l e t a l.，2 0 14），仍然保留典型的鬣刺结构。此外，部分科马提岩流呈现硫不饱和状态（Sigel et al.,2014;Hoatson etal.,2005;Gole and Barnes,2020;Vaillant et al.,2016)。加拿大地区发育有多种类型的科马提岩，拉斯韦尔地区出露细粒鬣刺结构的科马提岩，而瑞格地区的科马提岩则为橄榄石堆晶岩，其中的橄榄石普遍遭受蛇纹石化（Sossi etal.,2016;Sobolev et al.,214四川地质学报表1科马提岩的时空分布编号时代/Ga13.823.833.643.553.563.373.383.393.3103.3太11古12宙13141516171819202122232425元26500umVol.43No.2Jun.,2023地区参考文献IsuaDymek et al.,1998;Polat,2002Nuvvuagittuq0Neil et al.,2004Schapenburg,KaapvaalPuchtel et al.,2016E Pilbara CoonterunahSossi et al.,2016Barberton,Komati FmRobin-Popieul et al.,2012Barberton,WeltevredenConnolly,2011CommondaleWilson,2013Pioneer ComplexThompson et al.,2012Hooggenoeg FmRobin-Popieul et al.,2012Kelly belt,PilbaraPuchtel,20223.2Regal/Ruth Well,Pilbara2.9Forrestania,Yilgarn2.8Windarra2.8Kostomuksha,Karelian2.7Pyke Hill,Abitibi belt2.7Kambalda,Yilgarn2.7Murphy Well,Yilgarn2.7Perseverance,Yilgarn2.7AgneweWiluna,Yilgarn2.7Zvishavane,Belingwe2.7Western Shandong,China2.7Minnesota,Vermilion Belt2.7Boston Creek,Abitibi belt2.5Lake Harris,Gawler craton2.4Vetreny Belt,Karelian2.1Lapland1.9Gilmour Is,Canada1.9Winnipegosis,Superior0.2WesternSichuan,China0.09Gorgona komatite图4南非巴伯顿绿岩带科马提岩照片（据Sossietal.,2016修改）(a)正交光镜下针状橄榄石；(b)富含绿泥石基质的蛇纹石化橄榄石确定性不确定不确定确定确定确定确定确定确定确定确定Sossi et al.,2016确定Perring et al.,1996确定Wyche et al.,2012不确定Touboul et al.,2012确定Sobolev et al.,2012确定Lesher et al.,1995确定Siegel et al.,2014确定Barnes et al.,1998确定Barnes et al.,2012确定Shimizu et al.,2001确定Wan et al,2020确定Green et al.,2017确定Puchtel et al.,2018确定Hoatson et al.,2005不确定Puchtel et al.,2016不确定Hanski et al,2001确定Arndt et al.,1987确定Waterton et al.,2017确定秦宇龙等，2 0 17不确定Echeverri a,1980确定(b)1cm(b)科马提岩研究的回顾与展望2016；R e h m e t a l.，2 0 16）（图5）。科马提岩的主要矿物组成是橄榄石和辉石，渥太华群岛、贝尔彻群岛、史密斯角地带发育有科马提质玄武岩、橄榄质玄武岩（Arndt etal.，19 8 7；H i e b e r t e t a l.，2 0 16），该地区科马提岩的真实性需进一步研究证实（DirkandTaisia，2 0 18；O Ne i l e t a l.，2 0 11）。哥伦比亚的戈尔戈纳岛有着公认的具有典型的鬣刺结构的显生宙科马提岩，形成年代为白垩纪(Echeverr i a,1980;Kerr,2005;Gansser et al.,1979)。在野外可见科马提岩流与玄武岩流呈互层产出(Echeverr 1 a，19 8 0 ;Gansser et al.,1979),长约710cm的橄榄石晶体组成科马提岩的鬣刺结构，科马提岩的结晶序列为橄榄石-铬铁矿-辉石-斜长石(Aitken and Echeverr i a,1984），含有少量铬尖晶石。我们在南非科马提河沿岸采集了具有鬣刺结构的科马提岩样品（图6）。手标本呈浅绿色-墨绿色，风化较多的部分则呈灰黄绿色，可看到呈树枝状、定向排列的鬣刺结构（图6-a）。在单偏光镜下可见呈黄褐色的鬣刺结构，可能是含有较多细小的褐铁矿化铬铁矿导致的（图6-b）。此外，在手标本和薄片中少见橄榄石残留，主要是由于橄榄石多遭受蛇纹石化，样品中的鬣刺结构由强烈蛇纹石化的橄榄石组成。3地球化学特征3.1主量元素特征根据科马提岩地球化学特征（给定TiO2或MgO含量下的Al2O；含量差异），可以将其划分为ADK（贫铝型）和AUK（未贫铝型）型两个类型（Sossiet al.,2016;Barnes and Arndt,2019)，A D K 型科马提岩的Al0s/TiOz约为10，当Al0;含量为2 5%时,Mg0 的含量为 4%6%(Barnes and Arndt,2019)。ADK型（又称巴伯顿型）科马提岩在3.0 Ga以前的古老克拉通最为丰富（Trisrotaetal.，2 0 17），如南非巴伯顿绿岩带（Viljoen etal.，19 8 3），在较年轻的地层中ADK型科马提岩的数量相对较少。AUK型（又称门罗型）科马提岩在较年轻的地层中占主导地位(Boyet et al.,2021;Rehm et al.,2016;Adhikarietal.，2 0 2 1），A l2 0 3/T i0 2 在2 0 左右，当Al20;的含量为2 5%时，Mg0的含量在7%9%之间。对各地区科马提岩综合研究分析后发现，即使在巴伯顿地区215500um图5加拿大阿比提比地带科马提岩照片（据Sossietal.,2016修改）(a)单偏光；橄榄石骸晶；(b)针状蛇纹石化橄榄石图6 科马提岩鬣刺结构(a)手标本；(b)单偏光镜下T()1200130014001500160017000.00.51.01.52.02.5(edo)3.03.5P4.04.55.05.56.06.57.0图7 科马提岩与玄武岩的P-T-D对比图（据Leeand Luffi,1cmMORBHawaii1800Komatites2008修改）1900020406080Depth(km)1001201401601802002202023年6 月第43卷第2 期也存在ADK型和AUK型两种类型科马提岩。此外，还有一些罕见的科马提岩类型，如：富铝型（又称康芒代尔型）科马提岩，以斜方辉石大量存在，Al20s/Ti02在6 0 8 0 范围内，当Al203含量为2 5%时，Mg0的含量为10%13%为特征（Wilsonetal.，2 0 0 3）；富钛型（又称卡拉绍克型）科马提岩（Hanskietal.，2001）,主要存在于元古宙和一些太古宙地体中，当Mg0含量为2 5%时，Ti02含量为0.5%0.7%；Al20:/Ti02在6 8 之间（Barnes and Arndt，2 0 19)。科马提岩对地球早期的热状态提供了重要的限制（Sossi etal.,2016；邓燕华等，19 8 9;HoleandNatland，2020；Le e a n d Lu f f i，2 0 0 8；H e r z b e r g a n d 0 H a r a，2 0 0 2）。30 亿年前，地球上地慢的温度至少为17 0 0，比当今高出30 0 40 0（HoleandNatland，2 0 2 0；Le e a n d Lu f f i，2 0 0 8），如此高的温度也意味着熔融在较深的地方开始，科马提岩的源区温度和形成深度要高于显生宙大洋中脊玄武岩（MORB）和夏威夷玄武岩（图7），指示了异常高的源区熔融温度。一般用地慢潜能温度（即地慢温度梯度同深度=0（地表）交点处的温度）来指示源区温度。地慢潜能温度（Tp）有如下几种算法：(1)T(p)=916.45+13.68(Mg4Si20s)+4580/Si40:0.509(Hi60s)(Mg4Si20s)(Lee and Luffi,2008);(2)T(p)=1463+12.74Mg0 2924/Mg0（H e r z b e r g a n d 0 H a r a,2 0 0 2);(3)T(p)=1.049T,o各算法尽管优缺点略有不同，但均利用原始岩浆成分进行计算。然而，由慢源部分熔融形成的原始岩浆在向地壳运移的过程中会通过分离结晶、同化混染和岩浆混合而发生性质的改变，改变原始岩浆成分（Condieetal.，2 0 16）。对于地慢岩石学来说，如何获取原始岩浆成分是一项重大课题（Herzberg，19 9 2；Herzberg andAsimow，,2 0 15;Co n d i e e t a l.,2 0 16;G o r c z y k e t a l.,2 0 18)。H e r z b e r g 和 Asimow（2 0 15）提出可以用PRIMELT3软件通过在熔岩成分上加减橄榄石来重构原生岩浆成分。当流体成分与假定的橄榄石成分（Fo=90/91）达到平衡时，大多数岩石学模型不再添加橄榄石；相反，当在FeO-MgO图中投影部分得到唯一确定的熔体分数时，PRIMELT3将停止计算（HerzbergandAsimow，2 0 15）。研究发现，ADK型科马提岩在古太古代和中太古代占主导地位，但在2.9 Ga以后变得稀少；从中太古代到元古宙，AUK型科马提岩一直存在，而富铝型和富钛型科马提岩一直零星出现，科马提岩的化学成分随地质时代的推移而有规律的变化（BarnesandArndt，2 0 19；王潮等，2 0 2 1），这种变化与科马提岩的地慢源区温度的变化有关。学者们大多认为，科马提岩与地慢柱关系密切，其熔融温度远远高于环境地慢的温度（Sossi et al.，2 0 16;A r n d t e t a l.，2 0 0 8；Pu c h t e l e t a l.,2 0 16；H e r z b e r g a n d 0 H a r a，2 0 0 2)。以ADK型科马提岩为例，其具有高MgO含量、低Al/Ti和高Gd/Yb的特征，熔融区域应被限制在30 0 公里以上的深度（Puchtel et al.，2 0 2 2；Ne s b i t t e t a l.，19 8 2；R o b i n-Po p i e u l e t a l.，2 0 12），不相容元素含量适中，是部分熔融的重要标志（Sossi etal.，2 0 16；D i r k a n d T a i s i a，2 0 18；R o b i n-Po p i e u l e t a l.，2 0 12）。要满足以上条件，需要地慢柱具有非常高的温度，可能比当时的环境地慢温度高40 0 以上。正如Robin-Popieul（2 0 12）以及Schmeling和Arndt（2 0 17）所解释的那样，ADK型科马提岩是在熔体密度与环境地慢相似的条件下分步熔融的产物（Puchteletal.，2 0 16；王潮等，2 0 2 1）。3.2微量元素特征ADK型科马提岩具有近乎平坦或驼峰状的稀土元素（REE）模式，重稀土元素（HREE）中度亏损，与石榴石的熔融过程相一致（BarnesandArndt，2 0 19）。巴伯顿地区科马提河流域、拉斯韦尔、拉普兰等地区的ADK型科马提岩均有不同程度的HREE亏损（Sossi et al.，2 0 16；Ba r n e s a n d A r n d t，2 0 19；Robin-Popieul etal.，2 0 12；H a n s k i e t a l.，2 0 0 1）。西澳伊尔加恩、巴伯顿及加拿大门罗地区均有AUK型科马提岩报道（Sossi etal.，2 0 16；Pu c h t e l e t a l.，2 0 2 2；R o b i n-Po p i e u l e t a l.，2 0 12）。相对于原始地慢，AUK型科马提岩的HREE呈平坦型，轻稀土元素（LREE）呈中度至强烈的亏损，不相容元素较多。少量科马提岩呈现Nb负异常和Th强烈富集，可能是由于地壳污染、元素迁移或者是这些元素分析测试精度所造成的（Sossi et al.，2 0 16；R o b i n-Po p i e u l e t a l.，2 0 12；Le s h e r e t a l.，19 9 5）。A EK 型科马提岩的不相容元素呈现出从中度亏损（巴伯顿地区维特瑞登组的样品（Connolly，2 0 11）到极端亏损（南非康芒代尔地区的科马提岩（Wilson etal.，2 0 0 3）。部分样品存在正的Zr-Hf和Ti异常，可能是由于地慢源区亏损或慢源有石榴石残余（Sossi et al.，2 0 16；Ba r n e s a n d A r n d t，2 0 19；邓燕华等，19 8 9）。部分样品表现出REE的U型模式，即HREE富集较强、LREE富集较弱，可能是在蚀变过程中轻稀土元素加人所导致的(Barnes and Arndt,2019;Wilson et al.,2003)。216四川地质学报0.00019(T,o)2+1.487 10-(T,l)3(Herzberg andAsimow,2015)。Vol.43No.2Jun.,2023科马提岩研究的回顾与展望4存在问题较多地区报道的科马提岩的形成时代还存有争议，如温达拉地区的一套科马提岩，其年龄尚未准确测定，仅按照底层接触关系推测为2.8 Ga（W y c h e e t a l.，2 0 12），其形成时代仍需进一步探讨。部分地区科马提岩的真实性有待考证，如格陵兰西部伊苏瓦地区和魁北克省努夫亚吉图克地区（Dymek etal.，19 8 8；Polat，2 0 0 2；0 Ne i l e t a l，2 0 11）。富Ti科马提岩很罕见，在太古宙零星分布，Barnes和Arndt（2 0 19）认为是采样量不足的缘故，并且认为富钛型科马提岩在元古宙中应该异常丰富。若在元古宙中发现较多富钛型科马提岩，那么将进一步制约科马提岩形成环境及太古宙-古元古代壳慢演化。综上，科马提岩的成因机制还存有较多争议，需要后续更多的研究来进一步解译地慢性质。参考文献：Adhikari A,Mukherjee S,Vadlamani,2021.A plume-mantle interaction model for the petrogenesis of komatite-komatiiticbasalt-basalt-basaltic andesite volcanism from the Paleoarchean(3.57-3.31 Ga)Iron Ore Group greenstone belts,Singhbhum craton,India:Constraints from trace element geochemistry and Sm-Nd geochronologyJJ.Lithos,398-399.Aitken B G,Echeverr 1 a L M,1984.Petrology and geochemistry of komatites and tholeites from 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