青藏高原東北緣馬泉新生代堿性玄武巖地球化學(xué)及其成因探討

崔源遠(yuǎn)， 賴紹聰， 耿 雯， 趙少偉， 朱韌之

(西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

青藏高原東北緣新生代火山巖零星分布，已有較長(zhǎng)的研究歷史，火山巖以鉀質(zhì)-超鉀質(zhì)系列為主體，鈉質(zhì)火山巖系列出露很少。喻學(xué)惠等(2001，2003，2004，2005)、董昕等(2008)對(duì)禮縣、宕昌一帶廣泛分布的新生代超鉀質(zhì)火山巖和火成碳酸巖及其中含有的地幔包體進(jìn)行了詳細(xì)的研究，通過(guò)Ar/Ar法比較準(zhǔn)確地確定了該區(qū)新生代火山巖噴發(fā)時(shí)限主體集中在22～23 Ma之間，并對(duì)該區(qū)火山巖的分布、系列、巖石地球化學(xué)、礦物化學(xué)、同位素特征及其與高原隆升的關(guān)系作了大量的探討和研究，提出了有益的見解。然而，相形之下，對(duì)東緣新生代堿性火山巖系列的源區(qū)性質(zhì)、局部熔融機(jī)理及其巖漿演化等方面的研究卻明顯滯后，研究程度明顯偏低。顯然，上述問(wèn)題至今仍然還是青藏高原東北緣獨(dú)特構(gòu)造環(huán)境下新生代巖漿作用尚未解決的重要科學(xué)難題。通過(guò)對(duì)該區(qū)新生代堿性玄武巖成因巖石學(xué)及巖石大地構(gòu)造學(xué)的進(jìn)一步深入研究，有可能找到解決上述關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的新途徑。

本文對(duì)馬泉地區(qū)出露的一套新生代火山巖進(jìn)行了詳細(xì)的巖石地球化學(xué)及成因巖石學(xué)研究，并探討了其成因和形成大地構(gòu)造環(huán)境。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

青藏高原東北緣新生代堿性火山巖主體分布于甘肅省禮縣、宕昌等地，位于揚(yáng)子古陸、松潘—甘孜褶皺帶和祁連—秦嶺褶皺帶交匯的天水—禮縣新生代斷陷盆地中。在大地構(gòu)造上該區(qū)屬西秦嶺禮縣—祚水華力西褶皺帶。是中國(guó)大陸與中、新生代以來(lái)強(qiáng)烈隆升的青藏高原之間的關(guān)鍵轉(zhuǎn)換地帶。

根據(jù)1∶20萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)圖和新近國(guó)土資源大調(diào)查獲得的禮縣地區(qū)部分1∶5萬(wàn)地質(zhì)填圖，對(duì)青藏高原東北緣馬泉地區(qū)新生代火山巖進(jìn)行了詳細(xì)的野外考察，并采集了相關(guān)的巖石地球化學(xué)樣品(圖1)。馬泉火山巖出露于禮縣以西約8 km處的馬泉村北側(cè)，由3個(gè)小規(guī)模的火山巖出露體構(gòu)成，出露面積約2 km2。主要巖性有熔巖、角礫熔巖、火山集塊巖等。

區(qū)內(nèi)出露地層簡(jiǎn)單，主要有泥盆系、石炭系、古近系、新近系、第四系以及少量印支期似斑狀黑云母花崗巖、中粗粒二長(zhǎng)花崗巖等。泥盆系主要為一套鈣質(zhì)砂巖夾板巖及灰?guī)r;石炭系主要為炭質(zhì)粉砂巖夾灰色厚層灰?guī)r，含燧石團(tuán)塊灰?guī)r，炭質(zhì)粉砂巖夾石英砂巖等;古近系主要為一套紅色砂礫巖夾少量砂巖、砂質(zhì)泥巖和少許鈣質(zhì)結(jié)核;新近系主要為紅色泥巖夾砂礫巖;第四系為現(xiàn)代河床沖積層、殘積坡積黃土及亞砂土/亞粘土等(圖1)。

圖1 馬泉地區(qū)新生代火山巖地質(zhì)分布簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch geological map of the Cenozoic volcanic rock in Maquan area

2 巖相學(xué)及巖石化學(xué)特征

巖石呈暗黑色-黑灰色，致密塊狀構(gòu)造，斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶礦物為橄欖石，輝石，見少量金云母。橄欖石可見伊丁石化現(xiàn)象，輝石為堿性屬種?；|(zhì)部分為隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)-微晶結(jié)構(gòu)。橄欖石和輝石斑晶大小在1～2 mm左右，橄欖石多為圓粒狀，晶形不好，手標(biāo)本上觀察斷口處玻璃光澤強(qiáng)，而輝石斑晶呈柱狀，晶形發(fā)育較好，易于與橄欖石區(qū)別。金云母成片狀晶。

本區(qū)火山巖化學(xué)成分、微量元素分析結(jié)果以及CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物計(jì)算結(jié)果列于表1中。從表中可以看到，火山巖SiO2含量不高，且較為穩(wěn)定，變化范圍為(40.40% ～41.84%)，平均為 41.07%;Al2O3含量低，且相對(duì)較穩(wěn)定，大多在6.17% ～7.86%之間，8個(gè)火山巖樣品的TFe2O3含量均在12%以上，而MgO含量最高可達(dá)13.05%;值得注意的是，本區(qū)火山巖K2O變化范圍較寬，在0.37% ～3.24%之間，平均1.48%;而Na2O變化范圍為(0.57% ～2.59%，平均 1.34%)，K2O/Na2O=0.46 ～ 1.92，平均1.01。同時(shí)，該組火山巖TiO2含量在3.73%～4.57%之間，平均為4.20%。

在火山巖系列劃分圖解中(圖2)，火山巖投影點(diǎn)均位于堿性火山巖區(qū)內(nèi)，總體屬于堿性玄武巖類。這與CIPW標(biāo)注礦物計(jì)算中多數(shù)樣品均出現(xiàn)Ne(霞石)或Lc(白榴石)分子的結(jié)果完全一致。綜上所述，馬泉地區(qū)的新生代火山巖屬于高鈦-極高鈦的大陸溢流堿性玄武巖類。

圖2 火山巖TAS(a)及R1(4Si－11Na+K－2Fe+Ti)－R2(6Ca+2Mg+2Al)圖解(b)Fig.2 TAS(a)and R1(4Si－11Na+K －2Fe+Ti)－R2(6Ca+2Mg+2Al)(b)diagram for the volcanic rocks

表1 馬泉火山巖常量元素(wt%)和稀土及微量元素(10－6)分析結(jié)果Table1 Analytical results of major(%)and trace element(10－6)of the volcanic rocks from the Maquan area

續(xù)表1

3 稀土元素地球化學(xué)特征

8個(gè)火山巖樣品的稀土總量在(584～707)×10－6之間(表 1)，平均為 656 × 10－6;∑LREE/∑HREE(6.89 ～8.06)，說(shuō)明巖石富集稀土元素，且輕重稀土分異強(qiáng)烈;巖石 (La/Yb)N介于40.84～51.03之間，(Ce/Yb)N介于 29.37 ～35.82 之間。δEu十分穩(wěn)定，變化不大，介于0.90～0.92之間，平均為0.91，表明本區(qū)火山巖基本無(wú)Eu的異常。在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土配分圖上(圖3)，顯示為右傾負(fù)斜率輕稀土強(qiáng)烈富集型配分型式，Eu異常不明顯，與典型的板內(nèi)堿性玄武巖稀土元素地球化學(xué)特征完全一致。

圖3 火山巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分型式Fig.3 Chondrite-normalized rare earth element distribution patterns

4 微量元素地球化學(xué)特征

巖石微量元素配分圖解(圖4)表明，本區(qū)火山巖微量元素N-MORB標(biāo)準(zhǔn)化圖譜整體呈駝峰狀，Rb，Ba，Th，Ta，Nb 等元素呈明顯富集狀態(tài)，表明它們具有板內(nèi)火山巖的地球化學(xué)特點(diǎn)?；鹕綆r不相容元素地幔平均成分標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖同樣表明，火山巖總體具有富集大離子親石元素的板內(nèi)成因特點(diǎn)。

5 同位素地球化學(xué)特征

馬泉新生代火山巖3個(gè)樣品的Sr-Nd-Pb同位素分析結(jié)果列于表2中。從表2中可以看到，馬泉堿性玄武巖總體具有中-低含量的Sr，以及相對(duì)低Nd的同位素地球化學(xué)特征。巖石87Sr/86Sr=0.704 090 ～0.704 668(平均 0.704 304)，εSr=+72.9 ～ +79.6(平均為 +76.0)，143Nd/144Nd=0.512 770 ～ 0.512 869，平均 0.512 829，εNd=+2.57 ～ +4.51(平均 +3.73)。根據(jù)143Nd/144Nd-87Sr/86Sr相關(guān)圖解(圖5)，本區(qū)火山巖的Sr-Nd同位素組成特征投影在非常接近PREMA(原始地幔)的位置。

圖4 火山巖不相容元素原始地幔(a)和N型MORB(b)標(biāo)準(zhǔn)化配分型式Fig.4 Primitive mantle normalized(a)and N-MORB normalized trace element(b)distribution patterns

表2 火山巖Sr-Nd-Pb同位素分析結(jié)果Table2 Sr-Nd-Pb isotopic analysis results of the volcanic rocks from Maquan area

馬泉堿性玄武巖206Pb/204Pb=18.363 698～18.866 220(平均 18.662 784)，207Pb/204Pb =15.495 292 ～ 15.602 144(平 均 15.564186)，208Pb/204Pb = 38.092 958 ～ 39.399 417(平均38.898 322)。在Pb同位素成分系統(tǒng)變化圖中(圖6)，本區(qū)火山巖樣品無(wú)論是在207Pb/204Pb-206Pb/204Pb圖解上，還是208Pb/204Pb-206Pb/204Pb圖解上，均位于Th/U=4.0的北半球參考線(NHRL)之上，并在208Pb/204Pb-206Pb/204Pb圖解上具有與BSE接近的同位素組成。而在Sr-Pb，Nd-Pb圖(圖7)上，本區(qū)火山巖同樣顯示了與PREMA十分接近的同位素組成。計(jì)算結(jié)果表明(表2)，馬泉堿性玄武巖Δ8/4Pb為 26.4 ～96.3，△7/4Pb 較低，為 0.77 ～7.07。通常 DUPAL異常具有如下特征(Hart，1984):(1)高87Sr/86Sr(大于 0.705);(2)△8/4Pb大于60，△7/4Pb也偏高。從馬泉玄武巖Pb同位素特征可以看到，其偏低的△7/4Pb和明顯小于0.705的87Sr/86Sr值，未顯示顯著的DUPAL異常特征。

6 巖漿起源與演化

圖5 火山巖143Nd/144Nd-87Sr/86Sr圖解Fig.5 The143Nd/144Nd-87Sr/86Sr diagram of the volcanic rock

已有的研究資料表明，玄武質(zhì)火山巖的地球化學(xué)和同位素地球化學(xué)資料，能對(duì)地幔巖漿源區(qū)性質(zhì)作出有效約束(Wilson，1989;Lai et al.，2003，2007a，2007b，2008，2011，2012)。馬泉堿性玄武巖具有清楚的化學(xué)成分變化范圍，且具有均一的Sr，Nd和Pb同位素組成，并與PREMA(原始地幔)十分接近。這種具有原始地幔同位素組成并且具有極窄變化范圍的Sr，Nd和Pb同位素系統(tǒng)有力地證明巖漿保持了較好的原生性(Wilson，1989;Lai et al.，2003，2007，2008，2011，2012)。此外，8 個(gè)樣品均具有十分一致的稀土元素和微量元素配分型式。上述特征表明，馬泉玄武巖應(yīng)該起源于一個(gè)相對(duì)均一的地幔源區(qū)。因此，可以認(rèn)為該套火山巖的地球化學(xué)和同位素地球化學(xué)能為其地幔源區(qū)性質(zhì)提供有效約束。

巖漿在分離結(jié)晶作用中隨著超親巖漿元素的富集，親巖漿元素豐度也幾乎同步增長(zhǎng)。因此，La/Sm基本保持為一常數(shù)。相反，在平衡部分熔融過(guò)程中，隨著La的快速進(jìn)入熔體，Sm也會(huì)在熔體中富集，但其增長(zhǎng)的速度要慢。這是因?yàn)長(zhǎng)a在結(jié)晶相和熔體之間的分配系數(shù)比Sm小，即不相容性更強(qiáng)。因此，La-La/Sm圖解可以很容易地判別一組相關(guān)巖石的成巖作用方式(Allegre et al.，1978)。從圖8a中可以看到，本區(qū)火山巖隨著La豐度的增高，La/Sm值呈逐漸增大的趨勢(shì)，從而充分表明:馬泉堿性玄武巖應(yīng)為巖漿源區(qū)部分熔融的產(chǎn)物。Zr/Sm-Zr圖解(圖8b)也同樣表明了這一規(guī)律。

Tegner等(1998)的研究認(rèn)為，Sm/Yb比值和Yb含量的相關(guān)關(guān)系可有效判別地幔巖漿起源的相對(duì)深度和熔融程度，在地幔部分熔融作用中，熔體的Dy/Yb比值還隨壓力增大而增大。馬泉玄武巖以較高的 Sm/Yb值(Sm/Yb=9.05 ～ 10.31)表明，它們的巖漿源區(qū)深度較大，應(yīng)來(lái)源于軟流圈地幔石榴石二輝橄欖巖的局部熔融。

圖6 火山巖鉛同位素組成圖解Fig.6 Pb isotopic data for the volcanic rock

圖7 火山巖87Sr/86Sr-206Pb/204Pb(a)和143Nd/144Nd-206Pb/204Pb(b)同位素組成圖解Fig.7 The87Sr/86Sr-206Pb/204Pb(a)and143Nd/144Nd-206Pb/204Pb(b)diagrams

圖8 火山巖的La－La/Sm(a)和Zr－Zr/Sm(b)圖解Fig.8 The La －La/Sm(a)and Zr－Zr/Sm(b)diagrams

再結(jié)合馬泉玄武巖的低SiO2(SiO2＜42%)，高 Mg(Mg#=60.7 ～65.9，平均64)，高 Sm/Yb 值，低的放射性同位素87Sr/86Sr = 0.704 090～0.704 668，208Pb/204Pb = 38.092 958 ～39.399 417，207Pb/204Pb = 15.495 292 ～15.602 144，206Pb/204Pb = 18.363 698 ～18.866 220，相對(duì)偏高的143Nd/144Nd=0.512 770～0.512 869，εNd 值(+2.57 ～ +4.51)等地球化學(xué)特征，可以認(rèn)為該套巖石起源深度較大，應(yīng)該來(lái)源于深部軟流圈的原始地幔石榴石二輝橄欖巖的部分熔融。另外，該系列巖漿(Ce/Yb)N比值(29.37～35.82)應(yīng)該在很大程度上反映了源區(qū)的特點(diǎn)，這意味著巖漿源區(qū)的輕稀土是相對(duì)富集的，且富集程度高。

7 結(jié)語(yǔ)

馬泉新生代火山巖屬于典型的高鈦/極高鈦型大陸溢流堿性玄武巖類，形成于新生代時(shí)期大陸板塊內(nèi)部構(gòu)造環(huán)境。其來(lái)源深度較大，原始巖漿起源于一個(gè)富集輕稀土的軟流圈地幔石榴石二輝橄欖巖的部分熔融。

相對(duì)于其它類型的巖漿巖，堿性巖是地殼中分布較為稀少和產(chǎn)出環(huán)境獨(dú)特的一種巖石類型。一般認(rèn)為，堿性巖形成于巖石圈拉張環(huán)境，其物質(zhì)來(lái)源較深，主要源于上地幔。堿性巖具有特征地幔來(lái)源物質(zhì)的稀有、微量元素含量和組合以及Sr，Nd，Pb，O等同位素組成，并常常由火山和淺成侵入體等構(gòu)成線狀延伸帶，堿性巖這種深源淺成的屬性帶來(lái)了地球深部的物質(zhì)組成、演化、地球動(dòng)力學(xué)、構(gòu)造和物理化學(xué)環(huán)境等重要信息。因此，通過(guò)堿性巖的研究來(lái)探索地球深部奧秘是一個(gè)重要的途徑。

董昕，趙志丹，莫宣學(xué)，等.2008.西秦嶺新生代鉀霞橄黃長(zhǎng)巖的地球化學(xué)及其巖漿源區(qū)性質(zhì)[J].巖石學(xué)報(bào)，24(2):238-248.

喻學(xué)惠，莫宣學(xué)，Martin F，等.2001.甘肅西秦嶺新生代鉀霞橄黃長(zhǎng)巖火山作用及其構(gòu)造含義[J].巖石學(xué)報(bào)，17(3):366-377.

喻學(xué)惠，莫宣學(xué)，蘇尚國(guó)，等.2003.甘肅禮縣新生代火山噴發(fā)碳酸巖的發(fā)現(xiàn)及意義[J].巖石學(xué)報(bào)，19:105-112.

喻學(xué)惠，趙志丹，莫宣學(xué)，等.2004.甘肅西秦嶺新生代鉀霞橄黃長(zhǎng)巖和碳酸巖的微量、稀土和Pb-Sr-Nd同位素地球化學(xué):地幔柱一巖石圈交換的證據(jù)[J].巖石學(xué)報(bào)，20(3):483-494.

喻學(xué)惠，趙志丹，莫宣學(xué)，等.2005.甘肅西秦嶺新生代鉀霞橄黃長(zhǎng)巖的40Ar/39Ar同位素定年及其地質(zhì)意義[J].科學(xué)通報(bào)，50(23):2638-2643.

Allegre C J，Minster J F.1978.Quantitative method of trace element behavior in magmatic processes[J].Earth Planet Sci.Lett，38:1-25.

Hart S R.1984.A large-scale isotope anomaly in the Southern Hemisphere mantle[J].Nature，309:753-757.

Lai S C，Liu C Y，Yi H S.2003.Geochemistry and Petrogenesis of Cenozoic Andesite-dacite Associations from the Hoh Xil Region，Tibetan Plateau[J].International Geology Review，45(11):998-1019.

Lai S C，Qin J F，Li Y F.2007.Partial melting of thickened Tibetan crust:geochemical evidence from Cenozoic adakitic volcanic rocks[J].International Geology Review，49(4):357-373.

Lai S C.2007.Geochemistry and Tectonic Significance of the Ophiolite and associated volcanics in the Mianlue Suture，Qinling Orogenic Belt[J].Journal of the Geological Society of India，70(2):217-234.

Lai S C，Qin J F，Chen L，et al.2008.Geochemistry of ophiolites from the Mian-Lue suture zone:implications for the tectonic evolution of the Qinling orogen，central China[J].International Geology Review，50(7):650-664.

Lai S C，Qin J F，Grapes R.2011.Petrochemistry of granulite xenoliths from the Cenozoic Qiangtang volcanic field，northern Tibetan plateau:Implications for lower crust composition and genesis of the volcanism[J].International Geology Review，53(8):926-945.

Lai S C，Qin J F，Li Y F，et al.2012.Permian high Ti/Y basalts from the eastern part of the Emeishan Large Igneous Province，southwestern China:Petrogenesis and tectonic implications[J].Journal of Asian Earth Sciences，47:216-230.

Pearce J A.1983.The role of sub-continental lithosphere in magma genesis at destructive plate margins[M]//Hawkesworth.Continental Basalts and Mantle Xenoliths，Nantwich Shiva.，230-249.

Sun S S，McDonough W F.1989.Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts:implications for mantle composition and processes[J]//Saunders A D，Norry M J.Magmatism in the Ocean Basin，Geol.Soc.Special Publ.，313-345.

Tegner C，Lesher C E，Larsen L M，et al.1998.Evidence from the rare-earthelement record of mantle melting for cooling of the Tertiary Iceland plume[J].Nature，395:591-594.

Wilson M.1989.Igneous petrogenesis[M].London:Unwin Hyman Press，295-323.