青藏高原東北緣白河堿性玄武巖地球化學(xué)及其源區(qū)性質(zhì)探討

李瑞璐，賴紹聰,崔源遠(yuǎn), 劉 飛

(1.陜西國際商貿(mào)學(xué)院 珠寶學(xué)院，陜西 西安 712046;2.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系,陜西 西安 710069;3.中國地質(zhì)科學(xué)院 地質(zhì)研究所,北京 100037)

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·地球科學(xué)·

青藏高原東北緣白河堿性玄武巖地球化學(xué)及其源區(qū)性質(zhì)探討

李瑞璐1,2，賴紹聰2,崔源遠(yuǎn)2, 劉 飛3

(1.陜西國際商貿(mào)學(xué)院 珠寶學(xué)院，陜西 西安 712046;2.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系,陜西 西安 710069;3.中國地質(zhì)科學(xué)院 地質(zhì)研究所,北京 100037)

運(yùn)用地球化學(xué)及Sr-Nd-Pb同位素特征進(jìn)行分析，研究出露在青藏高原東北緣甘肅禮縣境內(nèi)的白河堿性玄武巖的地球化學(xué)特征及其地質(zhì)意義。研究后可知，白河玄武巖具有低 SiO2(38.94%～40.57%),極高TiO2(4.66%～4.97%),高的K2O(1.46%～2.02%)和 Na2O(2.08%～3.23%)含量,以及高M(jìn)g#(0.74～0.76)值等特征,具有富集地幔初始巖漿的性質(zhì),為典型的幔源鈉質(zhì)堿性玄武巖。微量和稀土元素具板內(nèi)火山巖特征:Th，Rb，Sr，REE等大離子親石元素和Ta，Nb，Ti，HREE等高場(chǎng)強(qiáng)元素明顯富集,N-MORB標(biāo)準(zhǔn)化圖解中沒有Nb的負(fù)異常,輕/重稀土元素強(qiáng)烈分異,(Sm/Yb)N=10.53～11.20。初始87Sr/86Sr (0.703 948～0.704 294)略高于現(xiàn)代大洋MORB(0.702 29～0.703 34),143Nd/144Nd (0.512 782～0.512 847)則低于現(xiàn)代大洋MORB(0.512 99～0.513 3),具有虧損的εNd (t)值(+3.1～+4.3),指示具有虧損地幔的信息;初始206Pb/204Pb (19.016 729～19.076 653),207Pb/204Pb (15.619 237～15.623 632)和208Pb/204Pb(38.488 124～39.593 763)比值均高于現(xiàn)代大洋虧損地幔的組分,指示富集地幔的信息。研究后認(rèn)為，白河堿性玄武質(zhì)巖漿來源于多元混合地幔源區(qū)。

地球化學(xué);Sr-Nd-Pb同位素;堿性玄武巖;青藏高原

西秦嶺—松潘構(gòu)造結(jié)是中國大陸重要的構(gòu)造轉(zhuǎn)換域，其為探討不同陸塊及古洋幔的構(gòu)造歸屬提供了非常有利的條件[1-2]。青藏高原東北緣新生代火山巖零星分布,火山巖以鉀質(zhì)—超鉀質(zhì)系列為主體，學(xué)者普遍認(rèn)為其來自巖石圈地幔或下地殼的部分熔融[3-5],鈉質(zhì)火山巖系列出露很少。前人對(duì)甘肅西秦嶺禮縣一帶廣泛分布的新生代超鉀質(zhì)火山巖的地球化學(xué),以及其中地幔包體進(jìn)行了詳細(xì)的研究[6-7]。相比之下,青藏高原東北緣堿性火山巖的源區(qū)性質(zhì)、巖漿演化和構(gòu)造動(dòng)力學(xué)背景等研究則相對(duì)薄弱。

本文對(duì)甘肅禮縣境內(nèi)白河地區(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)和Sr-Nd-Pb同位素的研究,探討火山巖源區(qū)特征和新生代期間西秦嶺的深部動(dòng)力學(xué)背景。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

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,主要出露有竹林溝、柳坪、馬泉、白河等巖體(見圖1)[5,8]；以致密塊狀熔巖為主,氣孔(杏仁)構(gòu)造發(fā)育,可見含氣孔的集塊熔巖以及溢流作用形成的層狀熔巖流；局部可見火山巖不整合覆蓋于泥盆系炭質(zhì)板巖、千枚巖、砂巖、碳酸鹽巖,三疊系砂巖、板巖、石灰?guī)r以及古近系紅色砂巖、粉砂巖、頁巖、黏土巖之上,并被第四系砂礫層、粉砂土、亞砂土不整合覆蓋。本區(qū)新生代火山巖中金云母單礦物的40Ar/39Ar同位素年齡為23～22 Ma[9],為中新世。

2 巖石學(xué)及巖石化學(xué)特征

白河火山巖出露于白河鎮(zhèn)吊橋北約50 m處(N33°51′,E104°51′)?；鹕綆r被第四系黃土覆蓋,其間可見石榴石、橄欖石捕擄體。巖石灰黑色,致密塊狀構(gòu)造,斑狀結(jié)構(gòu)。斑晶面積約占30%,主要為粒狀橄欖石,粒徑小于1 mm。橄欖石斑晶為無色—淡黃色,弱多色性,正高突起,二級(jí)藍(lán)干涉色,表面綠泥石化嚴(yán)重,個(gè)別顆粒表面可見絹云母化?；|(zhì)面積約占70%,主要有板條狀斜長(zhǎng)石微晶、火山玻璃質(zhì)、磁鐵礦及少量橄欖石等。

本區(qū)火山巖主量元素、微量元素分析結(jié)果見表1。從表1可以看到,火山巖 SiO2含量較低,變化范圍在38.94%～40.57%,平均39.62%;全堿(K2O+Na2O)含量較高,平均為4.37%;Na2O/K2O平均為1.49,為鈉質(zhì)火山巖;Al2O3含量較低,平均7.53%;鐵、鎂含量高,TFe2O3含量均在14%以上,最高可達(dá)15.22%,MgO含量為10.55%～11.65%。值得注意的是,火山巖Mg#值很高,為0.74～0.76,與初始巖漿的Mg#值范圍一致;火山巖具有極高的TiO2含量(4.66%～4.97%,平均4.85),遠(yuǎn)高于洋島玄武巖(OIB)的含量(2.87%)[10]。

在火山巖SiO2-(K2O+Na2O)系列劃分圖解(見圖2)中,本區(qū)火山巖投影點(diǎn)均位于堿性火山巖區(qū),總體屬于富鈉-偏鈉質(zhì)堿玄巖-似長(zhǎng)巖。根據(jù)火山巖的K2O-Na2O系列劃分圖解(見圖3),本區(qū)火山巖明顯不同于鉀質(zhì)和超鉀質(zhì)火山巖系列,為偏鈉質(zhì)的堿性玄武巖類,這與主量元素Na2O>K2O的結(jié)果一致?？傊?該套火山巖屬于堿性系列鈉質(zhì)堿玄巖類。

圖1 青藏高原東北緣白河地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geologic sketch map of the Baihe area, northeastern margin of the Tibetan plateau

表1 白河火山巖常量元素(wt%)和微量元素(10-6)分析結(jié)果以及CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物計(jì)算結(jié)果Tab.1 Analytical results of major elements (wt%), trace elements (10-6) and CIPW features of the Baihe volcanic rocks

續(xù)表1

圖2 火山巖的全堿(K2O+Na2O)-SiO2圖(TAS)Fig.2 The (K2O+Na2O)-SiO2(TAS)

圖3 R1-R2圖解Fig.3 R1-R2 diagrams for the volcanic rocks

3 稀土和微量元素的地球化學(xué)特征

由表1可知,8個(gè)樣品強(qiáng)烈富集稀土元素,稀土總量(∑REE)為(651.8～732.6)×10-6,平均值為694.3×10-6;球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化曲線與OIB相類似[10],但稀土元素總量更高(見圖4);輕重稀土強(qiáng)烈分異,LREE/HREE平均值高達(dá)6.97, (La/Yb)N平均值40.55,(Ce/Yb)N平均值為29.58,呈明顯的富集型稀土配分模式;δEu為0.91～0.93,顯示微弱的銪負(fù)異常。上述特征表明,本區(qū)堿性玄武巖類顯示稀土元素強(qiáng)烈富集以及輕重稀土強(qiáng)烈分異的特征,與板內(nèi)堿性玄武巖基本一致[11-12]。本區(qū)巖石輕稀土的強(qiáng)烈富集以及重稀土的顯著虧損暗示了巖漿來源于相對(duì)較深的石榴石相地幔橄欖巖,且源區(qū)可能有石榴石殘留,巖漿可能來源于地幔橄欖巖較小程度的部分熔融。

在N-MORB標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(見圖5)中,本區(qū)火山巖曲線呈“凸”字型隆起的配分型式,具有Sr和K的負(fù)異常,高場(chǎng)強(qiáng)元素Ta，Nb和Th強(qiáng)烈富集,而Nd，Hf，Y，Yb等富集度相對(duì)較低,這些地球化學(xué)特征與板內(nèi)洋島型玄武巖相似[11-12]。

圖4 火山巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分圖解Fig.4 Chondrite-normalized rare earth element distributions

圖5 火山巖不相容元素N-MORB標(biāo)準(zhǔn)化配分圖解Fig.5 N-MORB normalized trace element distributions

4 同位素地球化學(xué)特征

白河堿性玄武巖4個(gè)樣品的Sr-Nd-Pb同位素分析結(jié)果見表2。本區(qū)堿性玄武巖Sr含量較低,初始87Sr/86Sr比值為0.703 972～0.704 294,平均0.704 043;初始143Nd/144Nd 比值為0.512 792～0.512 847,平均0.512 803,εNd平均+3.5。根據(jù)143Nd/144Nd-87Sr/86Sr 相關(guān)圖解(見圖5),本區(qū)玄武巖位于地幔演化線上,指示了堿性玄武質(zhì)巖漿的幔源屬性。

初始206Pb/204Pb (19.016 729～19.076 653),207Pb/204Pb (15.619 237～15.623 632)和208Pb/204Pb (38.488 124～39.593 763) 比值均高于印度洋虧損地幔的初始Pb同位素比值(分別為17.31～18.50，15.43～15.56，37.1～38.7)[13-14],指示富集地幔的信息。在鉛同位素組成圖解上(見圖6),投影點(diǎn)都處在北半球參考線(NHRL)以上位置,與EMI，EMII，BSE，PREMA等典型地幔源的同位素組成有明顯區(qū)別,這表明本區(qū)玄武巖應(yīng)是由兩種或兩種以上不同屬性的地幔源經(jīng)混合后再發(fā)生局部熔融的產(chǎn)物。

5 火山巖源區(qū)性質(zhì)討論

高場(chǎng)強(qiáng)元素(HFSE),如Nb，Ti，Th，Ta，Zr和Yb等,是判別不同大地構(gòu)造環(huán)境下形成的玄武巖類最有效的判別因子[14-15]。此外,使用不相容元素比值可以鑒別地殼物質(zhì)混染。如果有下部地殼物質(zhì)的混入, 其Th/Ta值≈1,而La/Nb值則>1;如果混入上部地殼物質(zhì),這兩個(gè)比值一般均大于2,尤其是Th/Ta值要高得多[14-15]。白河堿性玄武巖的Th/Ta值為0.99～1.06,平均1.04,而Th/Ta值為0.74～0.88,平均0.83,這暗示初始巖漿可能經(jīng)歷了下部地殼物質(zhì)的混染,但沒有上部地殼物質(zhì)的參與。

表2 白河火山巖Sr-Nd-Pb同位素分析結(jié)果Tab.2 Sr-Nd-Pb isotopic analysis results of the Baihe volcanic rocks

續(xù)表2

圖6 火山巖143Nd/144Nd-87Sr/86Sr圖解Fig.6 The 143Nd/144Nd-87Sr/86Sr diagram of the volcanic rock

Nb，La，Ba，Th的比值同樣可以反映巖漿源區(qū)的特征[16]。白河堿性玄武巖的各元素的平均比值為L(zhǎng)a/Nb(0.82)，Th/Nb(0.10)，Zr/Nb(3.73)，Ba/Nb(7.35)，Ba/Th(71.31)，Ba/La(9.05),明顯低于地殼比值(分別為2.2，0.44，16.2，54，124，25),而與EMⅡ的比值非常接近(見表3),幾乎沒有上部地殼物質(zhì)混染的痕跡。

白河堿性玄武巖的Mg#值為0.74～0.76,符合初始玄武質(zhì)巖漿的范圍(0.68～0.75)[17],這說明白河堿性玄武巖漿具有很好的原生性質(zhì),其地球化學(xué)和同位素地球化學(xué)資料能夠?qū)Φ蒯r漿源區(qū)性質(zhì)作出有效約束。Mg#值高達(dá)0.75,代表初始巖漿;高CaO值,指示了源區(qū)存在石榴石的特征,也說明巖漿可能發(fā)源于較深的石榴石橄欖巖地幔。巖石低SiO2(平均39.62%)，貧Al2O3(7.53%),Na2O/K2O=1.49,尤其是高M(jìn)gO(11.32%)，TiO2(4.85%)，Cr(234.13×10-6)，Co(65.99×10-6)，Ni(202.13×10-6)含量,充分表明其為一套典型的幔源鈉質(zhì)堿性玄武巖類[12]。 巖石初始87Sr/86Sr( 0.703 948～0.704 294 )略高于現(xiàn)代大洋MORB(0.702 29～0.703 34)[14],143Nd/144Nd (0.512 782～0.512 847)則低于現(xiàn)代大洋MORB(0.512 99～0.513 3)[14],具有虧損的εNd(t)值(+3.1～+4.3),指示具有虧損地幔的信息; 初始206Pb/204Pb(19.016 729～19.076 653),207Pb/204Pb (15.619 237～15.623 632)和208Pb/204Pb(38.488 124～39.593 763)比值均高于現(xiàn)代大洋虧損地幔的組分,指示富集地幔的信息。上述獨(dú)特的同位素地球化學(xué)特征,充分表明白河堿性玄武質(zhì)巖漿明顯不同于單一地幔源局部熔融形成的玄武巖的同位素組成,本區(qū)玄武巖應(yīng)具有其相對(duì)獨(dú)立的地幔巖漿源區(qū),是由兩種或兩種以上不同屬性的地幔源經(jīng)混合后形成的具有特殊混源特征地幔巖石再發(fā)生局部熔融的產(chǎn)物。同時(shí),白河地區(qū)新生代鈉質(zhì)堿性巖類具有相對(duì)較高的Sm/Yb值,這說明其來源深度較大,應(yīng)來源于軟流圈地幔二輝橄欖巖的局部熔融。

圖7 火山巖鉛同位素組成圖解Fig.7 Pb isotopic data for the volcanic rock

表3 不同地幔儲(chǔ)庫不相容元素的比值Tab.3 Incompatible trace element ratios in different mantle reservoirs

6 結(jié) 論

白河地區(qū)新生代堿性玄武巖出露在青藏高原東北緣的特殊構(gòu)造部位,處于青藏高原、華北板塊和揚(yáng)子陸塊3大構(gòu)造域的交匯轉(zhuǎn)換區(qū)域。巖石總體具有貧SiO2和Al2O3,富CaO，MgO，TiO2及K2O+Na2O的特征,為一套典型的幔源鈉質(zhì)堿性玄武巖類；巖石具有其相對(duì)獨(dú)立的地幔巖漿源區(qū),是由兩種或兩種以上不同屬性的地幔源經(jīng)混合后形成的具有特殊混源特征地幔巖石再發(fā)生局部熔融的產(chǎn)物。

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(編 輯雷雁林)

Geochemistry and feature of the magma source region of the alkaline basalts from the Baihe area, northeastern margin of the Tibetan Plateau

LI Rui-lu1,2, LAI Shao-cong2, CUI Yuan-yuan2, LIU Fei3

(1.Department of Jewelry, Shaanxi Institute of international Trade and Commerce, Xi′an 712046, China; 2.Department of Geology, Northwest University, Xi′an 710069, China; 3.Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037， China)

To trace the geochemical feature and Sr-Nd-Pb signature of the alkaline basalts from the Baihe area, northeastern margin of the Tibetan Plateau. The Baihe alkaline basalts show low SiO2(38.94% ～ 40.57%), high TiO2(4.66% ～ 4.97%), K2O(1.46% ～ 2.02%), Na2O(2.08% ～3.23%) and Mg#value (0.74 ～ 0.76), which reflect the original magma characteristics derived from an enriched mantle. The rocks exhibit intra-plate tectonic setting and are characterized by noticeable enrichment of large ionlithosphile elements (Th, Rb, Sr, REE) and high field strength elements (Ta, Nb, Ti, HREE), no Nb negative anomaly in the N-MORB normalized patterns, and a strong differentiation between LREE and HREE ((Sm/Yb)N=10.53 ～ 11.20). The initial143Nd/144Nd (0.512 782 ～ 0.512 847) ratio is lower than the modern ocean contents (0.512 99～0.513 3) and εNd (t)value=+3.1～+4.3, shows a depleted mantle information. However, the initial87Sr/86Sr (0.703 948～0.704 294),206Pb/204Pb (19.016 729 ～19.076 653),207Pb/204Pb (15.619 237 ～15.623 632) and208Pb/204Pb (38.488 124 ～39.593 763) ratios are higher than modern mid-oceanic ridge basalts, and probably originates from an enriched mantle source. In a word, the geochemical and isotopic compositions suggest that they derive from a mixed mantle reservoir.

Geochemistry; Sr-Nd-Pb isotope; alkaline basalt; Tebetan Plateau

2014-08-06

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41372067);國家自然科學(xué)基金重大計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(41190072);國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新群體基金資助項(xiàng)目(41421002);教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基金資助項(xiàng)目(IRT 1281)

李瑞璐,女,河北衡水人,從事巖石地球化學(xué)研究。

賴紹聰,男,四川安岳人,西北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師,從事巖石地球化學(xué)研究。

P588.12

：ADOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2015-03-021