隋建立 樊祺誠 李 霓 趙勇偉 杜星星

1)中國地震局地質(zhì)研究所，活動(dòng)構(gòu)造與火山重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2)中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081

0 引言

地幔流變(唐戶俊一郎等，2005;Karato，2010)旨在研究固體地球巖石圈地幔的塑性形變問題，是板塊構(gòu)造、大陸漂移、地殼俯沖和地幔柱上升的地球動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)。通常而言，地幔流變特指橄欖石礦物地幔流變，因?yàn)殚蠙焓巧系蒯Ｗ钪匾慕M成礦物，占體積份數(shù)＞60%，直到410km地幔過渡帶橄欖石轉(zhuǎn)變?yōu)榧饩癁橹?Ringwood，1966;Irifune et al.，1998);并且橄欖石是地幔最“軟”的礦物，最容易發(fā)生塑性形變(Karato，1990;Karato et al.，1993;Ando et al.，2001)。橄欖石地幔流變形成復(fù)雜的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)和多種晶體組構(gòu)，位錯(cuò)的密度可以定量反演地幔應(yīng)力狀態(tài)和黏度系數(shù)(Kohlstedt et al.，1976;Karato，1987;Korenaga et al.，2008);橄欖石晶格優(yōu)選方位(LPO)和組構(gòu)，則可以定性反映地幔應(yīng)力狀態(tài)與揮發(fā)份含量。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)5種不同的橄欖石組構(gòu)類型，分別用字母ACDEF順序表示，分別代表了俯沖帶、造山帶、大陸裂谷等不同的大地構(gòu)造背景 (Fabriès，1979;Isma?l et al.，1998;Mizukami et al.，2004;Kneller et al.，2007)。

橄欖石地幔流變同時(shí)包含礦物物理變化和化學(xué)變化。早在20世紀(jì)70年代，人們就發(fā)現(xiàn)橄欖石位錯(cuò)結(jié)構(gòu)相對(duì)富鐵，并用高溫氧化綴飾的方法觀察橄欖石位錯(cuò)結(jié)構(gòu)(Kohlstedt et al.，1976);同時(shí)少量橄欖石樣品，在巖漿上升過程中形成天然氧化綴飾的效果(圖1a)。80年代之后，掃描電鏡技術(shù)的興起，逐步替代光學(xué)顯微鏡，成為現(xiàn)代地幔流變研究的通用工具(Karato，1987;金振民等，1991)。在掃描電鏡BSE圖像中，相對(duì)于橄欖石主晶，富Fe條帶顯示高亮特征(圖1 b，c)，作為橄欖石位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的識(shí)別特征。

圖1 地幔橄欖石位錯(cuò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Dislocation structures in mantle olivine.

盡管橄欖石位錯(cuò)的礦物化學(xué)變化很明顯，但是定量分析研究并不容易，因?yàn)椴还苁翘烊婚蠙焓瘶悠?圖1 b)還是人工實(shí)驗(yàn)橄欖石(圖1 c)，常見的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)都＜0.1μm，而電子探針分析的束斑直徑＞1μm，所以很難獲得位錯(cuò)的準(zhǔn)確成分。早期研究根據(jù)透射電鏡定性分析，推測(cè)橄欖石位錯(cuò)成分是一種富鐵的細(xì)?；旌舷啵ù盆F礦、赤鐵礦、富硅相等成分，粒度＜0.1μm(Kohlstedt et al.，1975;Karato，1987)。

地幔橄欖石位錯(cuò)結(jié)構(gòu)礦物化學(xué)研究的重大轉(zhuǎn)折發(fā)生在90年代中期，Petaev等(1994)在《Science》上撰文報(bào)道，Devone隕石中發(fā)現(xiàn)μm到亞mm尺度位錯(cuò)帶(微頁理結(jié)構(gòu))，用透射電鏡做了位錯(cuò)結(jié)構(gòu)分析、用電子探針做主量元素成分分析，研究表明這些位錯(cuò)結(jié)構(gòu)是相對(duì)富鐵的橄欖石，而不是早期Kohlstedt等(1975)推測(cè)的混合相;但是他們提出的Fe-Mg橄欖石出溶機(jī)制遭到固溶體熱力學(xué)研究的強(qiáng)烈反對(duì)(Berman et al.，1996)。此后又提出2種成因機(jī)制，包括元素偏析的柯氏氣團(tuán)效應(yīng)(Ando et al.，2001)和蛇紋石化蝕變反應(yīng)(Murata et al.，2009)。總之，《Science》和《Nature》期刊的報(bào)道顯示了橄欖石位錯(cuò)礦物化學(xué)研究具有重要意義，但是20多年來只有數(shù)篇文獻(xiàn)，也顯示了這個(gè)問題的難度。我們?cè)诖笈d安嶺第四紀(jì)堿性火山巖攜帶的地幔捕虜體中發(fā)現(xiàn)2例橄欖石微頁理結(jié)構(gòu)。本文綜述橄欖石地幔流變的發(fā)展，并根據(jù)電子探針主量元素分析結(jié)果，探討橄欖石微頁理結(jié)構(gòu)的成因機(jī)制。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

橄欖石地幔流變相關(guān)的位錯(cuò)理論起源于金相學(xué)(郭可信，2000;王亞南，2007)研究，并與其發(fā)展息息相關(guān)。19世紀(jì)初，Widmanstabtten用硝酸水溶液處理鐵隕石切片(浸蝕法)，觀察到片狀Fe-Ni奧氏體的規(guī)則分布(魏氏組織)，開創(chuàng)了金相學(xué)研究的先河。100多年之后，20世紀(jì)70年代，Kohlstedt等(1976)提出高溫氧化綴飾法觀察橄欖石晶體位錯(cuò)結(jié)構(gòu)形態(tài)和密度分布，橄欖石地幔流變研究開始盛行。直到今天，盡管掃描電鏡已經(jīng)成為地幔流變研究的通用方法，氧化綴飾仍不失為一種方便有效的觀察方法。

位錯(cuò)概念最早是在1905年由意大利物理學(xué)家伏爾特拉(Vito Volterra)提出的，用來描述晶體中的線缺陷;還有觀點(diǎn)認(rèn)為，在1934年Taylor，Polanyi，Orowan 3人幾乎同時(shí)提出位錯(cuò)概念;尤為重要的是Taylor提出了位錯(cuò)攀移理論，成功解釋了金屬實(shí)際強(qiáng)度比理論值小1 000倍以上的原因(郭可信，2000)。地質(zhì)上借用位錯(cuò)理論(Karato，1987，2010)以及晶體組構(gòu)、晶格優(yōu)選方位(Isma?l et al.，1998;Katayama et al.，2004)解釋橄欖石地幔流變行為，是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和固體地球動(dòng)力學(xué)的重要基礎(chǔ)。

現(xiàn)代位錯(cuò)研究不僅局限于晶體物理變化，而是拓展到晶體化學(xué)研究。1949年，柯垂耳(Cottrell)利用溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的交互作用，成功地解釋了低碳鋼的屈服現(xiàn)象(Cottrell et al.，1949)。根據(jù)能量最低原理，溶質(zhì)原子在位錯(cuò)附近富集、偏析，其中位錯(cuò)壓縮區(qū)將吸引比溶質(zhì)原子尺寸小的溶質(zhì)原子，而位錯(cuò)受膨脹區(qū)則吸引半徑大的置換溶質(zhì)原子，這種現(xiàn)象被稱為柯氏氣團(tuán)(Cottrell cloud)。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)必須擺脫氣團(tuán)或者拖著氣團(tuán)一起運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效應(yīng)。后來又提出了史氏(Snoek)氣團(tuán)、鈴木(Suzuki)氣團(tuán)等理論，發(fā)展了2維和3維原子探針(Blavette et al.，1999)等手段觀察金屬材料位錯(cuò)的雜質(zhì)元素氣團(tuán)分布，并用超級(jí)計(jì)算機(jī)從量子力學(xué)角度模擬位錯(cuò)氣團(tuán)的分布和運(yùn)動(dòng)。對(duì)于地學(xué)研究，地幔流變研究的橄欖石是硅酸巖礦物，其晶體結(jié)構(gòu)比金屬復(fù)雜得多，但是相關(guān)研究極少。Ando(2001)用電子探針測(cè)定了橄欖石位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的成分，首次把柯氏氣團(tuán)理論引入橄欖石位錯(cuò)結(jié)構(gòu)研究。

位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的觀察手段包括顯微鏡、掃描電鏡、投射電鏡、原子探針等。橄欖石位錯(cuò)研究，早期(20世紀(jì)70年代)采用光學(xué)顯微鏡觀察，分辨率有限，可能會(huì)漏掉很多細(xì)節(jié)，例如從圖5a可以看出，除了一組明顯粗大的平行位錯(cuò)，還有大量更加纖細(xì)的毛發(fā)狀位錯(cuò)。80年代，掃描電鏡的應(yīng)用，分辨率達(dá)到0.1μm，觀測(cè)到的位錯(cuò)密度比光學(xué)顯微鏡提高了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。在掃描電鏡BSE圖像中，天然樣品(圖1 b)、人工實(shí)驗(yàn)的樣品(圖1 c)，都可以清晰地觀測(cè)到大量亞微米(sub-μm)級(jí)別的位錯(cuò)線。如果采用分辨率更高的透射電鏡(TEM)，則可以發(fā)現(xiàn)圖1a中每一條平行位錯(cuò)，都是由一束更細(xì)的、納米級(jí)別的位錯(cuò)組成(Kohlstedt et al.，1975;Jin et al.，1994;Petaev et al.，1994;Ando et al.，2001;韓勇等，2009)。實(shí)際上，位錯(cuò)線是一條原子級(jí)別的晶格缺陷，但是根據(jù)量子物理，位錯(cuò)缺陷的影響范圍是一個(gè)衰變場(chǎng)，雜質(zhì)密度分布隨著距離衰減。3D原子探針(Blavette et al.，1999)研究的目的，就是要確定位錯(cuò)化學(xué)變化影響的范圍究竟是多大，10個(gè)原子還是100個(gè)原子區(qū)域;影響程度有多大，10倍還是100倍富集;位錯(cuò)中哪些元素發(fā)生偏析富集等。很遺憾，3D原子探針發(fā)展了10多年，還沒有與橄欖石位錯(cuò)相關(guān)的3D原子探針研究報(bào)道。

中、新生代以來中國東部大陸巖石圈動(dòng)力學(xué)演化，是國內(nèi)外學(xué)者長期關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一，從20世紀(jì)80年代以來，地幔流變學(xué)研究為中國東部巖石圈地幔動(dòng)力學(xué)演化研究提供了大量重要證據(jù)(金振民等，1991;Jin et al.，1994;Lin et al.，1998)，但是對(duì)于橄欖石位錯(cuò)相關(guān)的礦物化學(xué)研究幾乎空白。此前我們報(bào)道了龍崗火山橄欖石捕虜晶位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的礦物化學(xué)研究，本文介紹大興安嶺中部哈拉哈河—綽爾河第四紀(jì)火山區(qū)發(fā)現(xiàn)的地幔橄欖石微頁理結(jié)構(gòu)電子探針研究結(jié)果。

2 樣品和分析

大興安嶺中部哈拉哈河—綽爾河地區(qū)，發(fā)育大面積新生代火山巖(劉嘉麒，1999);最新研究表明其中第四紀(jì)火山熔巖流分布面積約400km2，火山錐30多座，K-Ar年齡范圍為2.3～0.128Ma(樊祺誠等，2011);其中焰山、高山2座火山錐被認(rèn)為是最新的火山噴發(fā)產(chǎn)物，炭化木年齡顯示(1990±100)a BP和(1900±70)a BP(白志達(dá)等，2005)。這些火山總體呈NE向帶狀分布，巖性特征上新世主要為拉斑玄武巖(白志達(dá)等，2005)、第四紀(jì)為堿性橄欖玄武巖(趙勇偉等，2012)。

哈拉哈河—綽爾河第四紀(jì)堿性玄武巖普遍含地幔橄欖石捕虜晶和細(xì)小的地幔巖捕虜體，5～10cm以上中等大小的地幔巖分布有限，主要分布在臥牛泡、駝峰嶺和1104高地等火山渣錐中，以及綽爾河、德勒河局部地區(qū)的熔巖流巖中，巖石類型中尖晶石方輝橄欖巖略多于尖晶石二輝橄欖巖(趙勇偉等，2011)，并有少量石榴石二輝橄欖巖(樊祺誠等，2008)。

少量地幔捕虜體含有地幔流變特征的橄欖石(圖1 a，b)，在這些橄欖石中發(fā)現(xiàn)2例比較典型的微頁理解構(gòu):07WNP01和07DLH05(圖2)。其中，07WNP01采自臥牛泡火山渣中，07DLH05采于德勒河熔巖流中，而這均為高溫的尖晶石二輝橄欖巖樣品(詳細(xì)描述見趙勇偉等，2011)。07WNP01橄欖石在光學(xué)顯微鏡下具有波狀消光的特點(diǎn)，與Ando(2001)報(bào)道的橄欖石比較類似。BSE圖像顯示1組連續(xù)變化的微頁理，寬度從100μm到幾千μm連續(xù)變化。07DLH05樣品具有2組平行的微頁理，夾角20°～30°，可能與地幔主應(yīng)力方向變化有關(guān);頁理的寬度比07WNP01更窄，大約只有1μm左右。

圖2 橄欖石微頁理結(jié)構(gòu)Fig.2 Lamella structures in olivine.

對(duì)這2個(gè)樣品，分別作了單點(diǎn)電子探針分析和線掃描分析，主量元素分析結(jié)果見表1，2。如圖2(上)所示，單點(diǎn)分析選擇條帶分明、顏色最明亮的區(qū)域，成分與主晶有明顯區(qū)別。其中07WNP01單點(diǎn)分析獲得橄欖石微頁理最富鐵的成分為Fo83.17(SiO240.98%，MgO 9.6%，F(xiàn)eO 48.81%)，對(duì)比主晶成分為Fo90.47(SiO240.08%，MgO 15.52%，F(xiàn)eO 43.02%)。選擇微頁理比較密集的區(qū)域，以1.5μm的步距做了1條測(cè)線AA′，把各點(diǎn)數(shù)據(jù)投圖，獲得Fo-距離分布曲線(圖2下)，可以看到橄欖石 Fe含量有微弱的變化，從 Fo89.78到 Fo90.67。對(duì)于07WNP01，以4μm步距做了1條測(cè)線BB′，從Fo89.78到Fo90.67(圖2下)。

用鐵橄欖石端元組分的摩爾百分比Fa(Fayalite，F(xiàn)a=100-fo)表示微頁理結(jié)構(gòu)相對(duì)于橄欖石主晶的鐵富集程度，從表1數(shù)據(jù)可以看出樣品07WNP01一般變化范圍是 Fa0.3—Fa0.8，最高可達(dá)Fa7;對(duì)于07DLH05，數(shù)據(jù)顯示橄欖石Fe含量變化的幅度不超過Fa0.3。對(duì)比Ando等(2001)報(bào)道的橄欖石微頁理成分鐵富集程度為Fa1—Fa1.5;而在隕石中，橄欖石微頁理Fe的富集程度為Fa6和Fa1—Fa4(Petaev，et al.，1994)，在一些玄武巖捕虜晶中可以達(dá)到Fa20(Petaev，1996);我們也曾在東北龍崗玄武巖捕虜晶中發(fā)現(xiàn)橄欖石位錯(cuò)壁Fe富集達(dá)到Fa20(圖3)(未發(fā)表的數(shù)據(jù))。

上述研究顯示出2個(gè)重要信息:橄欖石微頁理Fe，Mg相對(duì)含量發(fā)生顯著變化，而其他微量元素沒有明顯富集、虧損變化，如 Ca，Mn，Ni，Ti等;微頁理成分還是橄欖石，而不是混合相(Kohlstedt et al.，1975;Karato，1987)。

3 討論

3.1 蛇紋石化蝕變

?

?

圖3 Fe-Mg橄欖石固溶體出溶曲線Fig.3 Solvus of fayalite-forsterite(Fe2SiO4-Mg2SiO4)system.

橄欖石微頁理結(jié)構(gòu)成因機(jī)制的爭(zhēng)議很大，主要有3種解釋:Fe-Mg橄欖石出溶(Petaev et al.，1994);地幔流變(Ando et al.，2001);蛇紋石化蝕變(Murata et al.，2009)。首先，電子探針主量元素地球化學(xué)分析結(jié)果看，礦物成分主要是 SiO2，MgO，F(xiàn)eO成分，和極少量CaO，NiO(＜1wt%)，符合地幔橄欖石特點(diǎn)，分析總量普遍為99%～101%，沒有明顯的揮發(fā)份;按照4個(gè)氧原子標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算各原子數(shù)，得到Si集中在1.00～1.01，總原子個(gè)數(shù)在1.98～2.00，嚴(yán)格符合橄欖石成分。因此，Murata等(2009)的蝕變假說有2個(gè)缺陷:1)礦物化學(xué)上，本文和其他學(xué)者發(fā)表的數(shù)據(jù)(Petaev et al.，1994;Petaev，1996;Ando et al.，2001)表明，富鐵條帶都非常符合橄欖石礦物成分，而沒有蝕變出現(xiàn)的礦物化學(xué)不平衡現(xiàn)象;2)從地質(zhì)現(xiàn)象看，大量天然和人工實(shí)驗(yàn)的地幔流變橄欖石位錯(cuò)結(jié)構(gòu)具有富鐵特征，與蝕變無關(guān)。因此，我們認(rèn)為蝕變假說不具有普遍意義。與后期蝕變類似的是地幔流體/熔體交代或者巖漿-礦物反應(yīng)，橄欖石除了Fe，Mg相對(duì)含量變化，Ca，Mn，Ni，Ti等元素也出現(xiàn)系統(tǒng)變化(Krivolutskaya et al.，2009;Qian et al.，2010;Zhang，2005)，但是在橄欖石微頁理結(jié)構(gòu)中其他元素沒有系統(tǒng)變化，不具有反應(yīng)擴(kuò)散平衡特征。

表2 橄欖石微頁理結(jié)構(gòu)主量元素電子探針分析，07DLH05(wt%)Table 2 Electron microprobe analysis of a lamella olivine，07DLH05(wt%)

3.2 Fe－Mg橄欖石出溶

Fe-Mg橄欖石出溶假說是Peteav等(1994)提出的，他們?cè)谇蛄ｋE石中發(fā)現(xiàn)1～5μm尺度的橄欖石微頁理結(jié)構(gòu)，電子探針主量分析顯示微頁理是相對(duì)富鐵的橄欖石，認(rèn)為是Fe-Mg橄欖石固溶體低溫出溶的結(jié)果。但是這個(gè)解釋與橄欖石固溶體實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果相互矛盾，Berman等(1995)指出:Peteav等(1994)根據(jù)Sack等(1989)的熱力學(xué)參數(shù)推測(cè)出溶溫度為340～420℃，但是更新的吉布斯自由能計(jì)算顯示Fe-Mg橄欖石固溶體出溶的溫度更低(＜150℃，圖3)(Wiser et al.，1991;Seckendorff et al.，1993)，因此幾乎不可能發(fā)生出溶;另外，僅在Divno隕石發(fā)現(xiàn)Fe-Mg橄欖石出溶，在其他緩慢冷卻的隕石或者玄武巖中，沒有找到更多的證據(jù)(Berman et al.，1996)。在后續(xù)研究中，Peteav(1996)又提供了幾例橄欖石微頁理結(jié)構(gòu)的證據(jù)，我們?cè)诩质↓垗徎鹕降蒯２短斁е幸矆?bào)道過類似的“出溶現(xiàn)象”(圖3)，但是這些地質(zhì)證據(jù)無法回答與出溶理論的矛盾。

3.3 柯氏氣團(tuán)和位錯(cuò)元素偏析

盡管Peteav等(1994)的出溶解釋沒有獲得廣泛認(rèn)可，但是客觀上他們發(fā)現(xiàn)了大量位錯(cuò)(透射電鏡)的橄欖石微頁理結(jié)構(gòu)，并率先獲得橄欖石位錯(cuò)的定量化學(xué)分析(電子探針)，這是值得肯定的貢獻(xiàn)。

Ando等(2001)在發(fā)生地幔形變的橄欖石中，發(fā)現(xiàn)紋層間距約2～l0μm的微頁理結(jié)構(gòu)(圖4)，并做了透射電鏡和電子探針分析研究，提出柯氏氣團(tuán)效應(yīng)的解釋。他們討論并排除了地幔交代作用和橄欖石-輝石反應(yīng)的影響，認(rèn)為微頁理中具有大量位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，其Fe元素的相對(duì)富集可以用金相學(xué)的柯氏氣團(tuán)效應(yīng)解釋?？率蠚鈭F(tuán)理論認(rèn)為，位錯(cuò)引起的晶格畸變效應(yīng)和溶質(zhì)原子引起的晶格畸變相互作用，能夠降低總體勢(shì)能、獲得更加穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，因此溶質(zhì)原子在位錯(cuò)附近區(qū)域偏析、富集(Cottrell et al.，1949)。

圖4 橄欖石微頁理結(jié)構(gòu):“富鐵條帶”(據(jù)Ando et al.，2001)Fig.4 Striped iron zoning in olivine(after Ando et al.，2001).

3.4 存在的問題

柯氏氣團(tuán)理論對(duì)橄欖石位錯(cuò)的礦物化學(xué)變化提出了更加合理的解釋，但是并不完善，還有一些問題需要解決。首先是理論問題，氣團(tuán)理論是在金屬晶體的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，而橄欖石(圖5左)是硅酸鹽晶體，二者有根本區(qū)別。其中硅酸鹽結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比金屬晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且包含共價(jià)鍵、離子鍵2種分子鍵，因此柯氏氣團(tuán)理論能否簡(jiǎn)單地從金屬應(yīng)用于地幔橄欖石需要進(jìn)一步探討。就現(xiàn)代金屬氣團(tuán)理論發(fā)展而言，除了柯氏氣團(tuán)，人們相繼提出史氏(Snoek)氣團(tuán)、鈴木(Suzuki)氣團(tuán)等，并把位錯(cuò)晶格畸變和溶質(zhì)元素的相互作用細(xì)分為:彈性交互作用、化學(xué)交互作用、電學(xué)交互作用和幾何交互作用(王亞南等，2007)，而所有這些研究，在橄欖石中幾乎空白。

圖5 a橄欖石礦物晶體結(jié)構(gòu)示意圖(據(jù)Deer et al.，1992);b橄欖石礦物不同端元組分的金屬-氧鍵長(據(jù)Liu et al.，2006)Fig.5 Idealized atomic structure of olivine(after Deer et al.，1992)(a)and Metal-O bond length variation in olivine group(after Liu et al.，2006)(b).

其次是氣團(tuán)元素的類型和濃度也是一個(gè)問題。前文提到，所有研究中只有Fe相對(duì)于Mg富集，而其他元素沒有系統(tǒng)變化。在地幔橄欖石晶體中，等效占位的二價(jià)離子包括Mg，F(xiàn)e，Ca，Ti，Mn，Ni等，其中Mg離子百分含量最高(通常Fo＞89)，可以看作是溶劑;其他二價(jià)離子是都是溶質(zhì)，只有Fe元素在位錯(cuò)結(jié)構(gòu)形成富集氣團(tuán)。固溶體遵循相似相容原理，離子半徑相近(完全固溶體相差＜15%)的離子容易形成固溶體;而柯氏氣團(tuán)效應(yīng)正好相反，離子半徑差異越大越容易。例如，F(xiàn)eAl合金中摻雜400ppm的B離子，B離子富集形成柯氏氣團(tuán)效應(yīng)，而不是Fe或者Al離子(Blavette et al.，1999)。從離子半徑(表3)看，F(xiàn)e2+(0.89 ?)最接近 Mg2+(0.78?)，Ca2+(1.00 ?)差異最大，金屬-氧鍵長對(duì)比(圖5右)也顯示了相同的規(guī)律。因此，僅從位錯(cuò)的柯氏氣團(tuán)效應(yīng)看，不能說明為什么僅僅是Fe富集而不是其他金屬元素。當(dāng)然，這些元素的活動(dòng)性、擴(kuò)散性是毋庸置疑的，大量研究表明在橄欖石反應(yīng)邊中，上述元素均可發(fā)生擴(kuò)散變化(Zhang et al.，2006;Krivolutskaya et al.，2009;Qian et al.，2010)。

總之，橄欖石地幔流變形成的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，發(fā)生了明顯的Fe元素富集現(xiàn)象，迄今為止對(duì)于這種現(xiàn)象的礦物化學(xué)研究還很少，解釋也很粗糙，這可能會(huì)限制甚至誤導(dǎo)了我們對(duì)地幔流變的某些認(rèn)識(shí)。對(duì)于下一步研究的建議，一方面要尋找更多的地質(zhì)樣品，尤其是微頁理結(jié)構(gòu)清晰、適合電子探針分析的樣品;另一方面，也可以考慮引進(jìn)新技術(shù)，例如3D原子探針觀測(cè)和分析技術(shù)(Blavette et al.，1999)，可以從3D的角度觀察位錯(cuò)的形態(tài)和每種元素的分布(圖6)。

表3 橄欖石族各端元組分二價(jià)金屬離子半徑比較Table 3 Radius of M2+in the end members of olivine group

4 結(jié)論

從20世紀(jì)70年代Kohlstedt等(1976)提出橄欖石位錯(cuò)的礦物化學(xué)成分研究，經(jīng)過了20多年發(fā)展，至今仍然面臨巨大爭(zhēng)議。通過本文研究，我們提出如下認(rèn)識(shí):

(1)微區(qū)礦物化學(xué)研究表明，橄欖石微頁理結(jié)構(gòu)的成分是相對(duì)富鐵的橄欖石，而不是混合相或者含水的蝕變礦物;對(duì)其成因機(jī)制，柯氏氣團(tuán)理論提供了比較好的解釋，而固溶體出溶假說與鐵橄欖石-鎂橄欖石熱力學(xué)理論研究相悖。

(2)柯氏氣團(tuán)理論認(rèn)為位錯(cuò)引起礦物晶格畸變，從而導(dǎo)致元素選擇性富集在位錯(cuò)線附近，大興安嶺橄欖石位錯(cuò)帶Fe元素相對(duì)富集程度一般為Fa0-0.8，最高為Fa7;Fe取代Mg的晶格位置，因此對(duì)應(yīng)Mg元素虧損，而其他元素基本保持不變，柯氏氣團(tuán)的元素偏析與礦物反應(yīng)邊或者蝕變邊的礦物化學(xué)特征明顯不同。

圖6 鐵鋁合金位錯(cuò)(鼠籠結(jié)構(gòu))柯氏氣團(tuán)的3D原子探針圖像(據(jù)Blavette et al.，1999)Fig.6 3D atom probe image of B-enriched Cotrell cloud in FeAl alloy(after Blavette et al.，1999).

白志達(dá)，田明中，武法東，等.2005.焰山、高山:內(nèi)蒙古阿爾山火山群中的兩座活火山［J］.中國地震，21:113—117.

BAI Zhi-da，TIAN Ming-zhong，WU Fa-dong，et al.2005.Yanshan and Gaoshan—Two active volcanoes of the volcanic cluster of Arshan，Inner Mongolian［J］.Earthquake Research in China，21:113—117(in Chinese).

樊祺誠，隋建立，趙勇偉，等.2008.大興安嶺中部第四紀(jì)火山巖中石榴石橄欖巖捕虜體的初步研究［J］.巖石學(xué)報(bào)，24(11):2563—2568.

FAN Qi-cheng，SUI Jian-li，ZHAO Yong-wei，et al.2008.Preliminary study on garnet peridotite xenolith of Quaternary volcanic rocks in middle Daxing′an Mountain Range［J］.Acta Petrologica Sinica，24(11):2563—2568(in Chinese).

郭可信.2000.金相學(xué)史話(1):金相學(xué)的興起［J］.材料科學(xué)與工程，18(4):2—9.

GUO Ke-xin.2000.A brief history of metallographyⅠ:The beginning［J］.Journal of Materials Science＆ Engineering，18(4):2—9(in Chinese).

韓勇，路鳳香，楊善武.2009.大別山碧溪嶺及南山嶺兩巖體中橄欖石的顯微構(gòu)造特征［J］.電子顯微學(xué)報(bào)，28(4):371—379.

HAN Yong，LU Feng-xiang，YANG Shan-wu.2009.Microstructure characteristics of olivines from Nushanling peridotite and Bixiling peridotite，Dabieshan ［J］.Journal of Chinese Electron Microscopy Society，28(4):371—379(in Chinese).

劉嘉麒.1999.中國火山［M］.北京:科學(xué)出版社.13—28.

LIU Jia-qi.1999.Volcanoes of China［M］.Science Press，Beijing.13—28(in Chinese).

金振民，Green H W，Chen X H.1991.橄欖石位錯(cuò)構(gòu)造的掃描電子顯微鏡研究［J］.巖石礦物學(xué)雜志，10(1):43—48.

JIN Zhen-min，Green H W，Chen X H.1991.A study of dislocation in olivine using a scanning electron microscope［J］.Acta Petrologica et Mineralogica，10(1):43—48(in Chinese).

唐戶俊一郎著.2005.流變與地球動(dòng)力學(xué)［M］.何昌榮，齊慶新，喬春生譯.北京:地震出版社.

Karato.2005.Rheology and Geodynamics［M］.Translated into Chinese by HE Chang-rong，QI Qing-xin，QIAO Chunsheng.Seismological Press，Beijing(in Chinese).

趙勇偉，樊祺誠.2011.大興安嶺巖石圈地幔特征:哈拉哈河—綽爾河橄欖巖捕虜體的證據(jù)［J］.巖石學(xué)報(bào)，27(10):2833—2841.

ZHAO Yong-wei，F(xiàn)AN Qi-cheng.2011.Characteristics of lithospheric mantle beneath the Great Xing′an Range:Evidence from spinel peridotite xenoliths in the Halaha River and Chaoer River area［J］.Acta Petrologica Sinica，27(10):2833—2841(in Chinese).

趙勇偉，樊祺誠.2012.大興安嶺哈拉哈河—綽爾河第四紀(jì)火山巖地幔源區(qū)與巖漿成因［J］.巖石學(xué)報(bào)，28(4):1119—1129.

ZHAO Yong-wei，F(xiàn)AN Qi-cheng.2012.Mantle sources and magma genesis of Quaternary volcanic rocks in the Halaha River and Chaoer River area in Daxing′an Mountain Range［J］.Acta Petrologica Sinica，28(4):1119—1129(in Chinese).

Ando J，Shibata Y，Okajima Y，et al.2001.Striped iron zoning of olivine induced by dislocation creep in deformed peridotites［J］.Nature，414(6866):893—895.

Berman R G，Aranovich L Y.1996.Optimized standard state and solution properties of minerals［J］.Contributions to Mineralogy and Petrology，126(1):1—24.

Berman R，Aranovich L Y，Pattison D.1995.Reassessment of the garnet-clinopyroxene Fe-Mg exchange thermometerⅡ:Thermodynamic analysis［J］.Contributions to Mineralogy and Petrology，119(1):30—42.

Blavette D，Cadel E，F(xiàn)raczkiewicz A，et al.1999.Three-dimensional atomic-scale imaging of impurity segregation to line defects［J］.Science，286(5448):2317—2319.

Cottrell A H，Bilby B A.1949.Dislocation theory of yielding and strain aging of iron［J］.Proceedings of the Physical Society(Section A)，62(1):49.

Fabriès J.1979.Spinel-olivine geothermometry in peridotites from ultramafic complexes［J］.Contributions to Mineralogy and Petrology，69(4):329—336.

Irifune T，Isshiki M.1998.Iron partitioning in a pyrolite mantle and the nature of the 410km seismic discontinuity［J］.Nature，392(6677):702—705.

Isma?l W B，Mainprice D.1998.An olivine fabric database:An overview of upper mantle fabrics and seismic anisotropy［J］.Tectonophysics，296(1-2):145—157.

Jin Z M，Green H W，Zhou Y.1994.Melt topology in partially molten mantle peridotite during ductile deformation［J］.Nature，372(6502):164—167.

Karato S I.2010.Rheology of the Earth′s mantle:A historical review ［J］.Gondwana Research，18(1):17—45.

Karato S.1987.Scanning electron microscope observation of dislocations in olivine［J］.Physics and Chemistry of Minerals，14(3):245—248.

Karato S I，Wu P.1993.Rheology of the upper mantle:A synthesis［J］.Science，260(5109):771—778.

Karato S.1990.The role of hydrogen in the electrical conductivity of the upper mantle［J］.Nature，347(6290):272—273.

Katayama I，Jung H，Karato S I.2004.New type of olivine fabric from deformation experiments at modest water content and low stress［J］.Geology，32(12):1045—1048.

Kneller E A，van Keken P E，Katayama I，et al.2007.Stress，strain，and B-type olivine fabric in the fore-arc mantle:Sensitivity tests using high-resolution steady-state subduction zone models［J］.J Geophys Res，112.

Kohlstedt D L，Goetze C，Durham W B，et al.1976.New technique for decorating dislocations in olivine［J］.Science，191(4231):1045—1046.

Kohlstedt D L，Vander S J B.1975.An electron microscopy study of naturally occurring oxidation produced precipitates in iron-bearing olivines［J］.Contributions to Mineralogy and Petrology，53(1):13—24.

Korenaga J，Karato S I.2008.A new analysis of experimental data on olivine rheology ［J］.J Geophys Res，113(B2):B02403.

Krivolutskaya N，Sobolev A，Kuzmin D，et al.2009.Unique zoned olivines from an ultrabasic-basic massif in the Noril′sk disitrict［J］.Doklady Earth Sciences，429(2):1496—1500.

Lin C，Shi L，Han X，et al.1998.Thermal structure and rheology of upper mantle beneath Zhejiang Province，China［J］.Science in China(Ser D)，41(2):171—178.

Mizukami T，Wallis S R，Yamamoto J.2004.Natural examples of olivine lattice preferred orientation patterns with a flow-normal a-axis maximum［J］.Nature，427(6973):432—436.

Murata K，Maekawa H，Ishii K，et al.2009.Iron-rich stripe patterns in olivines of serpentinized peridotites from Mariana forearc seamounts，western Pacific［J］.Journal of Mineralogical and Petrological Sciences，104(3):199—203.

Petaev M I.1996.The search for exsolved ferromagnesian olivines:A meteoritic survey［J］.Meteoritics＆ Planetary Science，31:807—816.

Petaev M I，Brearley A J.1994.Exsolution in ferromagnesian olivine of the divnoe meteorite［J］.Science，266(5190):1545—1547.

Qian Q，O′Neill H S C，Hermann J.2010.Comparative diffusion coefficients of major and trace elements in olivine at～950℃ from a xenocryst included in dioritic magma［J］.Geology，38(4):331—334.

Ringwood A E.1966.Mineralogy of the mantle［A］.In:Hurley P M(ed).Advances in Earth Science.MIT Press，Cambridge.287—356.

Sack R O，Ghiorso M S.1989.Importance of considerations of mixing properties in establishing an internally consistant thermodynamic database:thermochemistry of minerals in the system［J］.Contributions to Mineralogy and Petrology，102(1):41—68.

Seckendorff V，O′Neill H S C.1993.An experimental study of Fe-Mg partitioning between olivine and orthopyroxene at 1173，1273 and 1423 K and 1.6GPa［J］.Contributions to Mineralogy and Petrology，113(2):196—207.

Sui J，F(xiàn)an Q.2008.Exsolution of Fe-Mg olivine in Longang basalt，NE China［J］.Geochimica et Cosmochimica Acta，72(12):A912.

Wiser N，Wood B.1991.Experimental determination of activities in Fe-Mg olivine at 1400 K ［J］.Contributions to Mineralogy and Petrology，108(1):146—153.

Zhang H F.2005.Transformation of lithospheric mantle through peridotite-melt reaction:A case of Sino-Korean craton［J］.Earth and Planetary Science Letters，237(3-4):768—780.