板內(nèi)溢流玄武巖與島弧玄武巖的判定方法研究

馬 凱，高路恒

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

隨著地學(xué)的發(fā)展，地質(zhì)學(xué)家對(duì)于板內(nèi)溢流玄武巖與島弧玄武巖的研究取得很大進(jìn)展，同時(shí)也產(chǎn)生了很多問題，其中如何才能夠有效地把陸殼或巖石圈混染效應(yīng)加以剝離，避免將大陸玄武巖誤判為島弧玄武巖［1］，就成為大陸火山巖研究中一個(gè)十分重要的課題。要準(zhǔn)確的劃分大陸玄武巖和島弧玄武巖就面臨很大的問題，需要我們更全面的分析。筆者從大陸玄武巖和島弧玄武巖的產(chǎn)出環(huán)境，地球化學(xué)特征等方面進(jìn)一步分析的相似與不同之處，試圖尋找一種其他可行的判別方法。

1 產(chǎn)出環(huán)境與巖石組合

1.1 大陸板內(nèi)玄武巖巖石組合及其演化規(guī)律

大陸溢流玄武巖也稱為板內(nèi)玄武巖，大多集中于裂谷帶上，保存于被動(dòng)大陸邊緣，部分與板內(nèi)深大斷裂有關(guān)。大陸板內(nèi)的巖漿活動(dòng)噴出巖以大陸溢流玄武巖、大陸拉斑玄武巖、堿性玄武巖或雙峰式火山巖組合或者其中之一為特征。大陸溢流玄武巖以印度德干高原玄武巖［6］為例。雙峰式火山巖組合以基性和酸性共生為特征，缺乏中性巖類，這種特征稱為火山巖成分間斷，即Daly間斷。

一般裂谷前期或初期，以強(qiáng)堿性或堿性系列為主，分布于裂谷邊部盆地;中期為堿性或拉斑系列—裂谷軸部，也有例外，如萊茵地塹，先為拉斑系列，后出現(xiàn)堿性系列。

(1)板內(nèi)裂谷巖石組合特點(diǎn):拉斑、堿性系列，少量超基性巖組成，并隨裂解－擴(kuò)張堿性降低;無論噴出或侵入，均以基性為主，可分異出少量酸性;為幔源。包括富集地幔和虧損地幔(殘余地幔)，熔融程度愈低，愈堿性;愈高，愈向拉斑質(zhì)轉(zhuǎn)變。

(2)巖漿形成過程:大陸裂谷巖漿的化學(xué)組成取決于地幔源區(qū)特征、部分熔融深度、部分熔融程度、巖漿上升速度。自然界的巖漿形成過程通常是局部熔融過程，事實(shí)表明，地表分布最廣的玄武巖類巖漿起源于上地幔橄欖巖，堿性玄武巖巖漿起源深度常大于拉斑玄武巖巖漿。地幔巖在不同深度不同溫壓條件下部分熔融，沿拉張斷裂上升地表。熱的地幔緩慢上升到一個(gè)中等或較淺的深度上(60 km)，部分熔融程度相應(yīng)提高，隨著深度和部分熔融程度不一，產(chǎn)生堿性橄欖玄武巖 (10%～15%)或苦橄巖漿 (20%)，這些巖漿一部分噴出地表形成溢流玄武巖(印度德干高原，峨嵋山玄武巖)，一部分聚集于地殼下部巖漿房中充分結(jié)晶分異，而后侵入形成層狀基性侵入體和基性巖床、巖墻;分異后的巖漿噴出地表，形成雙峰式火山巖。

上述為對(duì)大陸溢流玄武巖及其配套的一套巖石組合成因的基本認(rèn)識(shí)，其特點(diǎn)可以歸納為源區(qū)與地幔物質(zhì)有關(guān)，構(gòu)造背景為伸展拉張背景，由于巖漿的演化，可能會(huì)產(chǎn)生雙峰式火山巖等。

1.2 島弧火山巖巖石組合及其演化規(guī)律

火山島弧主要分為三個(gè)巖石系列組合:①島弧拉斑玄武巖系列:島弧拉斑玄武巖、島弧安山巖和少量英安巖;②島弧鈣堿系列:安山巖、英安巖、高鋁玄武巖和流紋巖;③島弧堿性系列:堿性橄欖玄武巖、富橄玄武巖、鉀玄巖、橄欖粗安巖、粗面巖、堿流巖等

島弧巖漿系列的水平分帶和成分極性:①分帶性:隨與海溝軸的距離和俯沖帶深度的增加，島弧火山巖成分組合具有分帶性。②成分極性:島弧火山巖的化學(xué)成分在空間上系統(tǒng)變化的規(guī)律稱為成分極性。

將大陸板內(nèi)巖漿活動(dòng)與島弧巖漿活動(dòng)進(jìn)行對(duì)比，最明顯的特點(diǎn)就是玄武巖在兩類不同的構(gòu)造背景下均扮演了重要的角色。準(zhǔn)確的區(qū)分兩種背景下產(chǎn)出玄武巖對(duì)判別構(gòu)造環(huán)境，推斷構(gòu)造演化具有重要意義。上面對(duì)兩中不同背景下產(chǎn)出的巖石似乎很好的將兩種玄武巖區(qū)分開來，但是，在實(shí)際工作中并非如此，我們?cè)谝巴獠蓸拥臅r(shí)候不可能整套巖石都有出露。很多時(shí)候我們借用地球化學(xué)的方法來區(qū)別，但對(duì)兩類玄武巖巖石利用地球化學(xué)判別是存在很多問題的。

2 微量元素分析

2.1 板內(nèi)溢流玄武巖的 Nb、Ta、Ti值［5］

國(guó)際巖石學(xué)界多年的研究表明，沒有受到巖石圈混染的由軟流圈(或地幔柱)產(chǎn)生的大陸玄武巖通常具有平坦的REE分配型式或LREE富集的分配型式，并以缺乏Nb、Ta和Ti的負(fù)異常為特征。許多大陸玄武巖都記錄了重要的來自地殼和殼下源的巖石圈卷入的信號(hào)。在大陸玄武巖中還有另外兩個(gè)重要的組分能被識(shí)別出來，它們是巖石圈地幔組分和地殼組分。目前，有關(guān)巖石圈是以何種方式對(duì)大陸火山巖形成作出貢獻(xiàn)的問題，仍然存在多種不同的認(rèn)識(shí):有的學(xué)者［4］，［5］認(rèn)為:巖石圈源熔體對(duì)軟流圈(或地幔柱)源巖漿發(fā)生混染，是巖石圈組分卷入大陸火山巖成因的主要方式;另一些學(xué)者［7］，［8］則認(rèn)為大陸巖石圈地?？梢园l(fā)生全部熔融，由巖石圈地幔部分熔融所產(chǎn)生的熔體在大陸火山巖漿中占優(yōu)勢(shì)比例，而軟流圈(或地幔柱)源熔體數(shù)量很少，后者在很大程度上只是起著使巖石圈軟化并進(jìn)而發(fā)生部分熔融的熱源作用;再有一些學(xué)者［10］則提出巖石圈組分之所以能卷入大陸火山巖成因，是由于軟流圈(或地幔柱)源巖漿滲透進(jìn)入巖石圈，從而導(dǎo)致軟流圈(或地幔柱)源熔體與巖石圈圍巖發(fā)生相互反應(yīng)?？傊?，不管卷入的方式如何，在大陸玄武巖中確實(shí)能夠明確無誤地識(shí)別出巖石圈組分卷入的信號(hào)。地殼物質(zhì)的卷入，必然使得板內(nèi)玄武巖具有低Nb、Ta、Ti的特點(diǎn)。

2.2 島弧玄武巖的 Nb、Ta、Ti值

隨著ICP－AES和ICP－MS分析技術(shù)的發(fā)展，積累了大量有關(guān)火成巖的高場(chǎng)強(qiáng)元素 HFSE，特別是Nb、Ta等元素的資料，它們?cè)趰u弧系統(tǒng)巖漿巖中的含量較低，在以原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖中，相對(duì)于相鄰元素 K、La和Eu、Dy呈現(xiàn)虧損。據(jù)此，Ti、Nb、Ta的虧損(TNT異常)成為島弧構(gòu)造環(huán)境的重要標(biāo)志之一。通常認(rèn)為:在一般條件下，島弧巖漿是通過下述過程產(chǎn)生，即俯沖洋殼在一定深度發(fā)生脫水作用形成俯沖帶流體，這種流體進(jìn)入地幔楔使地幔巖石發(fā)生部分熔融形成島弧巖漿，由于Nb、Ta、Ti等高場(chǎng)強(qiáng)元素在流體中溶解度很低，與此相關(guān)，當(dāng)這種流體上升交代地幔楔時(shí)，角閃石發(fā)生沉淀，流體中的 Nb、Ta進(jìn)入角閃石，使流體更虧損Nb、Ta，因而造成由此形成的島弧巖漿貧 Nb、Ta、Ti。另一方面，實(shí)驗(yàn)資料表明，在80～100 km以上的的深度范圍，地幔巖中的Ti、Nb、Ta的主要礦物相金紅石是穩(wěn)定的，因而在島弧巖漿形成的溫、壓條件下 Nb、Ta、Ti保留在殘余相金紅石、榍石等礦物中，進(jìn)入熔體很少，造成島弧巖漿虧損 Nb、Ta、Ti。

3 其他地球化學(xué)指標(biāo)

前人研究認(rèn)為對(duì)于火山弧玄武巖，由于其形成過程中有大量流體的參與，它們富集了在流體中富集的元素，如K、Sr、Ba、Rb、Th 等，而高場(chǎng)強(qiáng)元素 Ti、Nb、Ta、Zr、Hf等相對(duì)虧損，因此，常用在流體中微量元素地球化學(xué)行為的差異來區(qū)分島弧玄武巖和板內(nèi)溢流玄武巖。例如，K和Ta在玄武巖中地球化學(xué)行為差異大，流體可以使K明顯富集，由此，火山弧中K/Ta比值總是高于洋中脊玄武巖和板內(nèi)玄武巖［3］。一些強(qiáng)相容元素如 Cr，是分離結(jié)晶作用的靈敏指標(biāo)，它們?cè)诜蛛x結(jié)晶過程中進(jìn)入橄欖石、斜方輝石、單斜輝石和尖晶石中，由于地幔源區(qū)部分熔融程度或分離結(jié)晶歷史不同，因而在火山弧玄武巖中含量明顯低于洋中脊玄武巖和板內(nèi)玄武巖，Y在火山弧玄武巖中相對(duì)于其它類型玄武巖也虧損，故可用Cr－Y圖解區(qū)分。原始地幔La/Nb為0.98～1，島弧巖漿 La/Nb＞1。

沒有受到混染的軟流圈(或地幔柱)源大陸玄武質(zhì)巖石［7］通常是以(Th/Nb)N ＜ 1、Nb/La≥1、低87Sr/86Sr(t)比值、高εNd(t)值及La/Nb和La/Ba比值與洋島玄武巖相似并以具有缺乏Nb、Ta、Ti負(fù)異常的“隆起”狀多元素地幔標(biāo)準(zhǔn)化分配型式為特征。當(dāng)在所研究的火山巖系中發(fā)現(xiàn)有未受到混染的軟流圈(或地幔柱)源玄武質(zhì)巖石存在，基本上就可以排除它們有屬于島弧或活動(dòng)大陸邊緣火山巖系的可能。對(duì)于那些具有消減帶信號(hào)的基性熔巖，可以根據(jù)Zr含量和Zr/Y比值，或利用Zr/Y－Zr圖解，判斷它們是否真正是島弧或活動(dòng)大陸邊緣玄武巖［1］。沒有受到巖石圈混染的由軟流圈(或地幔柱)產(chǎn)生的大陸玄武巖通常具有平坦的REE分配型式或LREE富集的分配型式，并以缺乏Nb、Ta和Ti的負(fù)異常為特征。它們?nèi)季哂行∮?的原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化Th/Nb比值。此外，高Nb/La比值［9］和具有與洋島玄武巖相似的La/Nb和La/Ba比值也是沒有受到巖石圈混染的軟流圈(或地幔柱)源大陸玄武巖的鮮明特點(diǎn)。在同位素成分上，軟流圈(或地幔柱)組分是以低87Sr/86Sr比值(＜0.705)和高εNd 值( ＞ +2)為特征［11］。

通常認(rèn)為，具有略大于1的原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化Th/Nb比值，是受到巖石圈地幔組分混染的大陸玄武巖的最醒目的標(biāo)志。此外，Nb/La＜1、高La/Nb比值、中等—低 εNd值(＜+2)和中等87Sr/86Sr比值(0.704～0.707)，同樣也是此類受到巖石圈地幔組分混染的大陸玄武巖的特征。對(duì)于較為年輕的大陸，由于其巖石圈地幔中保存有較早的消減事件影響的記錄，也就是說其巖石圈地幔曾受到地質(zhì)歷史中較早消減事件的改造，因而年輕大陸上發(fā)育的玄武巖在受到巖石圈地幔組分混染的情況下，其同位素成分特征往往與消減帶巖石中的有所相似，即出現(xiàn)島弧型信號(hào)［11］。

4 討論

兩類玄武巖，都是殼幔混合的產(chǎn)物，都含有殼源和幔源的信息，所以同位素也不一定每次都能將兩者很好的區(qū)分，例如殼源物質(zhì)必然導(dǎo)致相對(duì)高鍶初始比值。已給出的同位素比值參考值，很少是直接針對(duì)區(qū)分大陸玄武巖與島弧玄武巖的，而是試圖把島弧與洋島區(qū)分開來。很多所以，就是同位素的應(yīng)用也應(yīng)該是很謹(jǐn)慎的。

準(zhǔn)確的區(qū)分大陸玄武巖和島弧玄武巖具有非常重要的地質(zhì)意義。但在針對(duì)實(shí)際樣品時(shí)，不一定每一個(gè)指標(biāo)都能很好的與前人的工作相吻合，這與地球的不均一性和地質(zhì)的復(fù)雜性相關(guān)的。雖然引入很多地球化學(xué)元素來區(qū)分，但是，我們從來兩類玄武巖的示意圖中可以看出，兩種玄武巖都同時(shí)具有幔源物質(zhì)和殼源物質(zhì)的混合，所以在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土模式配分圖和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖中幾乎是相似的。

相對(duì)于大洋脊，大陸板內(nèi)玄武巖富K，平均0.66%(大洋脊 ＜0.14%)，Ba、Sr、Rb、U 、Th 較高，Ta 、Ni、Zr、Ti、Hf較高，Rb/K、Rb/Sr較高，Sr87/Sr86較高，范圍寬0.703 3 ～0.710 0，Ti高出兩倍(大洋脊TiO2平均 0.8%)。大陸堿性系列:Ba、Sr、Rb含量更高，LREE更富集，Sr87/Sr86在0.703～0.707 5之間。大陸裂谷中相應(yīng)元素的富集、輕稀土富集，鍶初始比高，說明演化過程中受地殼混染及與圍巖反應(yīng)所致。

那么，怎樣把兩者有效的區(qū)分開，夏林圻等［1］提出可以根據(jù)Zr含量和Zr/Yb比值，或者利用Zr/Y－Zr圖解，判別它們是否真是島弧或者活動(dòng)大陸邊緣玄武巖。劉軍峰等［2］研究秦嶺四方臺(tái)一套基性雜巖體時(shí)，強(qiáng)調(diào)殼源Nb是虧損的，而幔源Nb不虧損，四方臺(tái)雜巖體的Nb/Ta比值為1～24，Nb從極度虧損到相對(duì)富集，顯示具有混合的特征，一般島弧巖漿巖具有典型的Nb、Ta虧損。由Nb具有混染的特征，作為判斷四方臺(tái)基性巖墻是板內(nèi)巖漿的重要依據(jù)。我們明顯感覺到，判定兩類玄武巖的證據(jù)乏力和蒼白的。

對(duì)判別兩類玄武巖，做了一些思考(不一定對(duì)，僅是一些思考)。Yarmolyuk.(2013)就做了判別板內(nèi)巖漿活動(dòng)很好的工作，對(duì)很大范圍內(nèi)同一期的巖漿巖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)具有非常明顯的雙峰式特點(diǎn)，作為判別這是一起板內(nèi)巖漿活動(dòng)的重要依據(jù)。毫無疑問，在這樣大規(guī)模面狀分布的，說玄武巖是與地幔有關(guān)的板內(nèi)溢流玄武巖，是完全沒有任何爭(zhēng)議的。給我們的啟示，緊密結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景是地球化學(xué)的生命線所在?，F(xiàn)在對(duì)島弧巖漿的爭(zhēng)議也越來越大，所以要準(zhǔn)確的判別兩類巖漿，必須充分的認(rèn)識(shí)區(qū)域地質(zhì)背景。

就具體認(rèn)識(shí)區(qū)域地質(zhì)背景，一方面認(rèn)為板內(nèi)玄武巖的產(chǎn)出，如果與地幔柱有關(guān)，可能會(huì)成面狀分布(如峨眉山玄武巖)，如果與深大斷裂有關(guān)的板內(nèi)玄武巖，很可能是平行深大斷裂產(chǎn)生的(如藏北地區(qū)新生代伴隨康西瓦大斷裂產(chǎn)出的玄武巖);島弧玄武巖幾乎不可能成大規(guī)模的面狀產(chǎn)出，而更可能成線狀產(chǎn)出，因?yàn)閸u弧總體為擠壓背景，不會(huì)伴隨有深大斷裂。另一方面認(rèn)為變質(zhì)作用的引入或許在兩種巖石類型區(qū)分上會(huì)有所貢獻(xiàn)，首先，明確無論是花崗巖還是玄武巖都不是隨機(jī)產(chǎn)出的，必然對(duì)應(yīng)一期地質(zhì)事件，一期構(gòu)造事件在巖漿、變質(zhì)和沉積等各方面都會(huì)有響應(yīng)的。在這筆者建議把變質(zhì)，特別是超高壓變質(zhì)引入來判別這兩種巖漿。超高壓變質(zhì)是國(guó)際地學(xué)界研究熱點(diǎn)問題，引發(fā)了很多重大理論的提出，中國(guó)的超高壓研究也走在世界前列［4］。劉軍峰［2］在研究四方臺(tái)基性巖墻群的時(shí)候，指出北秦嶺在500 Ma的時(shí)候，已經(jīng)發(fā)生了榴輝巖相超高壓變質(zhì)，就是說在500 Ma的時(shí)候陸殼已經(jīng)發(fā)生深俯沖，該超高壓的存在為其進(jìn)一步說明四方臺(tái)460 Ma左右的基性巖墻是一個(gè)板塊裂解的產(chǎn)物的有力證據(jù)。綜上，大的區(qū)域背景的正確認(rèn)識(shí)是對(duì)兩類玄武巖的判定乃至地球化學(xué)的有效應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

從源區(qū)的區(qū)別去討論兩類玄武巖，或許是可能的。雖然兩者均表現(xiàn)出殼幔混合的信息。但是二者的源區(qū)確實(shí)是有區(qū)別的，認(rèn)為最大的區(qū)別在于，島弧巖漿是有大量流體的存在的，雖然流體的研究現(xiàn)在是個(gè)難點(diǎn)，但是可能會(huì)成為區(qū)分這兩類玄武巖的一個(gè)切入點(diǎn)。

5 結(jié)語

(1)受地殼混染的板內(nèi)玄武巖具有與俯沖消減帶島弧玄武巖相似的地球化學(xué)特征(明顯的 Nb、Ta、Ti負(fù)異常)，且兩者均具有殼?；旌系奶攸c(diǎn)，同位素特征也很難將兩者有效區(qū)分。在判別兩類玄武巖時(shí)應(yīng)慎用地球化學(xué)數(shù)據(jù)。

(2)區(qū)域地質(zhì)背景在兩類玄武巖的判別上可能具有重要的地位。在本文中筆者提出重視超高壓變質(zhì)對(duì)兩者判別的作用;高壓－超高壓年限完全可以作為判別島弧巖漿活動(dòng)和板內(nèi)巖漿活動(dòng)非常有力的區(qū)域地質(zhì)背景證據(jù)。

［1］夏林圻，夏祖春，徐學(xué)義，等.利用地球化學(xué)方法判別大陸玄武巖和島弧玄武巖 巖石礦物學(xué)雜志.2007，Vol.26 ，No.1.

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