玄武巖類形成的大地構(gòu)造環(huán)境Ta、Hf、Th、La、Zr、Nb比值對比判別

李永軍李甘雨佟麗莉楊高學(xué)王冉

摘要：玄武質(zhì)巖漿見于板塊構(gòu)造演化的全過程和各個重要階段，是所有火成巖中最主要的構(gòu)造地球化學(xué)指示劑，因此，玄武巖類相關(guān)元素圖解和比值成為研究火成巖成巖作用和形成構(gòu)造環(huán)境判別的首選對象。Ta、Hf、Th、La、Zr、Nb都是高場強元素和較強不相容元素，由于地球化學(xué)性質(zhì)的相似性和在玄武巖類成巖過程中的規(guī)律性變化，所以它們是玄武巖類成因研究和構(gòu)造環(huán)境判別圖解中使用頻率最高的元素，而且兩兩元素含量之間的比值能較好地區(qū)分其形成時的構(gòu)造環(huán)境。在前人發(fā)明的玄武巖類Th/HfTa/Hf、Th/ZrNb/Zr及La/ZrNb/Zr雙對數(shù)判別圖解基礎(chǔ)上，運用這6個元素兩兩組對的Ta/Hf、Th/Ta、Th/Hf、Nb/Zr、Th/Nb、La/Nb值，建立比值判別表，極好地區(qū)分了幾乎最常見的各種構(gòu)造環(huán)境中有關(guān)的玄武巖類。該比值判別表是對雙對數(shù)判別圖解的極好補充。

關(guān)鍵詞：玄武巖；Ta/Hf；Th/Ta；Th/Hf；Nb/Zr；Th/Nb；La/Nb；比值判別；構(gòu)造環(huán)境

中圖分類號：P595文獻標0引言

玄武巖在全球分布十分廣泛，其巖漿的形成與全球構(gòu)造（如裂谷擴張、板塊俯沖消減、地幔的深部作用等過程）最為密切[12]，因而產(chǎn)出于多種板塊構(gòu)造演化環(huán)境中，并且不同大地構(gòu)造環(huán)境一般具有較為特定的巖石組合、鉀質(zhì)或鈉質(zhì)類型以及基本固定的建造系列。同時，大量高溫高壓試驗成果和地質(zhì)、巖相及巖石化學(xué)資料已經(jīng)證實，玄武質(zhì)巖漿是由地幔橄欖巖部分熔融形成的[37]，因而幾乎所有的玄武巖源區(qū)直接源于上地幔，因此，研究玄武巖對于反演地幔物質(zhì)成分，分析構(gòu)造環(huán)境和地球的深部動力學(xué)均具重要意義[810]。

與中酸性巖漿顯著不同的是，玄武質(zhì)巖漿類型復(fù)雜多樣，并且見于板塊構(gòu)造演化的全過程和各個重要階段，自然成為研究構(gòu)造地球化學(xué)的主要指示劑。玄武質(zhì)巖漿的主要源區(qū)包括巖石圈地幔、地幔熱柱、軟流圈和地殼四大端元[1112]。迄今為止，洋中脊玄武巖（MORB）型巖漿還未見于大陸構(gòu)造環(huán)境，并且大陸玄武巖的地球化學(xué)性質(zhì)有別于大洋玄武巖；其差異表明，大陸玄武質(zhì)巖漿的形成除軟流圈[13]、地幔熱柱[1416]外，一定有其他源的參與（如巖漿混合、巖漿混染）[1617]。由于不同端元組分對巖漿生成的相對貢獻量不同，使得大陸玄武巖的地球化學(xué)性質(zhì)更為復(fù)雜和具有多樣性[18]，所以識別和區(qū)分不同大地構(gòu)造環(huán)境中的玄武巖類，成為地球化學(xué)家關(guān)注的主要研究內(nèi)容[1922]，從而運用玄武巖的相關(guān)元素進行圖解和相關(guān)比值判別大地構(gòu)造環(huán)境，成為所有火成巖類的首選研究對象。

從20世紀80年代開始，地質(zhì)學(xué)家利用微量元素地球化學(xué)特征判別巖漿形成的大地構(gòu)造環(huán)境和示蹤巖漿源區(qū)的化學(xué)性質(zhì)，誕生了許多判別方法，尤其是發(fā)明了眾多的地球化學(xué)判別圖解[2326]。在所有巖石類型的構(gòu)造環(huán)境判別圖解中，玄武巖類的圖解判別最多。經(jīng)典的圖解主要有ThHf/3Ta三角圖解[圖1（a）][27]、Ti/1003YZr三角圖解[圖1（b）][28]、3TbTh2Ta三角圖解[圖1（c）][29]、Nb/ThNb圖解[圖1（d）][30]、Th/YbTa/Yb圖解[圖1（e）][31]和Th/LaTa/La圖解[圖1（f）][32]等。

通過大量精細對比研究發(fā)現(xiàn)，多元素圖解、元素與同位素配套的圖解等相對量少的元素（包括氧化物）圖解可信度更高，從而能更精細地區(qū)分不同大洋環(huán)境的玄武巖類，其中最有效的多元素圖解以稀土元素配分模式[圖2（a）][33]和大離子親石元素蛛網(wǎng)圖[圖2（b）～（d）][31]為代表。

對比上述各經(jīng)典圖解不難看出，在進行玄武巖類構(gòu)造環(huán)境判別中，Ta、Hf、Th、La、Zr、Nb這6個元素是地球化學(xué)研究和成因判別圖解中使用率最高的元素。

綜合分析前人研究成果發(fā)現(xiàn)，圖解判別是當(dāng)前大多數(shù)學(xué)者最易接受和最常使用的方法，而運用比值和對比表進行判別分析的可借鑒資料較少。通常情況下，拿到一批分析數(shù)據(jù)后，需先選擇某些圖解模版進行圖解，并經(jīng)綜合讀圖分析后凝練出構(gòu)造環(huán)境信息。當(dāng)分析數(shù)據(jù)在多個數(shù)量級區(qū)間變化時，還要使用對數(shù)坐標進行成圖。很多圖解首先要借助Excel等軟件進行成圖，之后通過Coreldraw等軟件將Excel軟件成圖與已有的構(gòu)造環(huán)境模版圖套合（因為大多數(shù)成圖軟件中無現(xiàn)成的構(gòu)造環(huán)境等模版圖，所以只有套合才能將Excel軟件成圖與模版圖上的構(gòu)造環(huán)境信息有機聯(lián)合），從而獲得其構(gòu)造環(huán)境信息。這一過程相對繁瑣和復(fù)雜。對于某個或多個具體數(shù)據(jù)而言，只需經(jīng)過簡單計算（有時可進行心算估計），借助比值判別表速查可粗判該數(shù)據(jù)的構(gòu)造環(huán)境信息，有用時再進行精細計算、成圖、圖解套合，無用時或數(shù)據(jù)的比值不在關(guān)注的構(gòu)造環(huán)境信息范圍之內(nèi)時則棄之（無需精細計算、成圖、圖解套合）。這一過程中，簡化的比值判別表較之精細的圖解及套合圖解過程則快速有效，實用性更強，因此，設(shè)計出有效的比值判別表對地球化學(xué)研究有極好的實用性和推廣性。

NMORB為正常型洋中脊玄武巖；EMORB為異常型洋中脊玄武巖；OIB為洋島玄武巖；SHO為鉀玄巖；CAB為鈣堿性玄武巖；TH為大洋拉斑玄武巖；DM為虧損地幔；PM為原始地幔；CC為大陸地殼；圖（f）中百分比為部分熔融程度

圖1玄武巖類大地構(gòu)造環(huán)境主要判別及部分熔融圖解

Fig.1Partial Melting Diagram and Mainly Discrimination for Tectonic Settings in Basalts

ws為樣品含量；wc為球粒隕石含量；wMORB為MORB含量；圖（a）引自文獻[20]；圖（b）～（d）引自文獻[18]

圖2各典型構(gòu)造環(huán)境中玄武巖球粒隕石標準化稀土元素配分模式及MORB標準化大離子親石元素蛛網(wǎng)圖

Fig.2Chondritenormalized REE Pattern and MORBnormalized Trace Element Spider Diagrams of Basalts from Various Typical Tectonic Settings

考慮到前人已有的Th/HfTa/Hf、Th/ZrNb/Zr及La/ZrNb/Zr雙對數(shù)判別圖解是運用大量數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計與檢驗確認有效這一事實，本文綜合分析并提取了Ta/Hf、Th/Ta、Th/Hf、Nb/Zr、Th/Nb、La/Nb值共6組比值信息，建立比值判別對比表，極好地區(qū)分了幾乎最常見的各種構(gòu)造環(huán)境中有關(guān)的玄武巖類。

1Ta、Hf、Th、La、Zr、Nb的地球化學(xué)性質(zhì)

Ta、Hf、Th、La、Zr、Nb都是高場強元素。由于這6個元素都是不相容元素（Th、Ta、La、Nb強不相容，Zr、Hf弱不相容），在分離結(jié)晶過程中含量都在同步增加，所以兩兩元素含量之間的比值顯示有規(guī)律性的變化。這一特征使得在研究中對于玄武巖成分是否接近原始巖漿成分的要求大為放寬，即Ta、Hf、Th、La、Zr、Nb的數(shù)據(jù)能夠加以利用的巖石除原生巖漿巖外，一些分離結(jié)晶程度較低的巖石也可以使用。

Nb是強不相容元素，在地幔巖漿間的總分配系數(shù)最小，故低度部分熔融易進入熔體，而分離結(jié)晶時會一直保存在殘余熔體中。研究表明：富集型洋中脊玄武巖（PMORB）地幔源中Nb含量高于NMORB地幔源，因此，Nb又是地幔不均一性的指示劑[34]；Nb虧損可提供有關(guān)地殼性質(zhì)和玄武質(zhì)巖石受其混染的信息。

Zr是惰性元素?；『笈璧匦鋷r漿的源可能有活動性元素的富集，它們隨含水流體相進入其中，故Zr含量的標準化可以充分表現(xiàn)從Zr發(fā)端的活動性元素富集的程度[34]。

Ta和Hf是耐熔的高場強元素，Th是耐熔大離子親石元素。在深部作用過程（如地幔分離、地幔部分熔融、巖漿分離結(jié)晶、地殼混染等）中，在巖漿相、流體相或地幔分離后的活動分離相，這些元素含量有時會發(fā)生幾個數(shù)量級的變化，用其絕對含量恢復(fù)所研究巖石玄武巖類巖漿源區(qū)成分從而判別其大地構(gòu)造環(huán)境顯然是困難的，但由于不相容性，其親巖漿性的變化是同步的，兩兩元素含量之間的比值在地幔部分熔融過程中只有很小的變化，在巖漿分離結(jié)晶過程中基本不變。相對原始巖漿而言，Ta/Hf值和Th/Hf值差異大被解釋為源區(qū)成分不同引起的[35]。

La為強不相容元素，易溶于水，地球化學(xué)性質(zhì)活潑，在巖石中的原始豐度、分布形式、分散或富集規(guī)律、遷移特性等行為很獨特[36]。

La、Nb、Zr是一組耐熔強親巖漿元素，其含量相互之間的比值關(guān)系可用來恢復(fù)深部作用的地球化學(xué)過程[36]。

上述6個元素地球化學(xué)性質(zhì)相似，在巖漿演化過程中含量變化基本同步，元素含量之間的比值在地幔部分熔融過程中只有很小的變化，在巖漿分離結(jié)晶過程中基本不變，因此，它們可用來恢復(fù)巖漿源區(qū)成分，進而判別巖石形成的大地構(gòu)造環(huán)境。

2Ta、Hf、Th、La、Zr、Nb含量的比值對比判別

依據(jù)上述地球化學(xué)特性，汪云亮等根據(jù)世界典型大地構(gòu)造環(huán)境區(qū)玄武巖類的Th、Ta、Hf最新數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，原生巖漿巖的Ta/Hf值和Th/Hf值直接反映的是其源區(qū)的Th、Ta、Hf分異特征，且大體等于其源區(qū)的值；在此基礎(chǔ)上，又提出了玄武巖類形成的大地構(gòu)造環(huán)境Th/HfTa/Hf雙對數(shù)判別圖解[圖3（a）][37]。

此后，孫書勤等進一步提出了Th/ZrNb/Zr雙對數(shù)判別圖解，這一圖解與之前的Th/HfTa/Hf雙對數(shù)判別圖解相互彌補與驗證，為玄武質(zhì)巖石的構(gòu)造環(huán)境判別增加了新的圖解方法[圖3（b）][38]。武莉娜等用同樣的研究思路和方法提出了玄武巖大地構(gòu)造環(huán)境La/ZrNb/Zr雙對數(shù)判別圖解[圖3（c）][36]。隨后，孫書勤等對板塊匯聚邊緣玄武巖的判別方法及其演化趨勢進一步討論，使得上述判別圖解在具體應(yīng)用中的結(jié)果更加精準[39]。

Ⅰ為板塊發(fā)散邊緣NMORB區(qū)；Ⅱ為板塊匯聚邊緣，其中Ⅱ1為大洋島弧玄武巖區(qū)，Ⅱ2為陸緣島弧及陸緣火山弧玄武巖區(qū)；Ⅲ為大洋板

內(nèi)洋島、海山玄武巖區(qū)及TMORB、EMORB區(qū)；Ⅳ為大陸板內(nèi)，其中Ⅳ1為陸內(nèi)裂谷及陸緣裂谷拉斑玄武巖區(qū)，Ⅳ2為陸內(nèi)裂谷堿性玄武巖

區(qū)，Ⅳ3為大陸拉張帶（或初始裂谷）玄武巖區(qū)；Ⅴ為地幔熱柱玄武巖區(qū)；圖（a）引自文獻[37]；圖（b）引自文獻[38]；圖（c）引自文獻[36]

圖3玄武巖類大地構(gòu)造環(huán)境的Th/HfTa/Hf、Th/ZrNb/Zr及La/ZrNb/Zr雙對數(shù)判別圖解

Fig.3Doublelog Discrimination Diagrams of Th/HfTa/Hf， Th/ZrNb/Zr and La/ZrNb/Zr for Tectonic Settings in Basalts

遺憾的是，當(dāng)使用這些圖解時，必須進行精確投圖才能確認樣品的投點區(qū)，特別麻煩的是兩圖均是對數(shù)坐標，而且坐標值又是兩兩元素含量的對數(shù)比值，大大影響了直觀判別特性，不能達到直觀、快速判別這一目的。本文在認真分析和研究原作者發(fā)明雙對數(shù)判別圖解的基本原理基礎(chǔ)之上，重新整理了相關(guān)數(shù)據(jù)與比值，新提出了綜合對比表（表1），從而使應(yīng)用者無須進行較為麻煩的精確投圖過程，而是通過簡單的速查和對比淘汰方法，運用表1功能獲得某樣品可靠的構(gòu)造環(huán)境信息。

表1玄武巖類大地構(gòu)造環(huán)境的Ta、Hf、Th、La、Zr、Nb比值判別

Tab.1Discrimination of Ratios of Ta， Hf， Th， La， Zr and Nb for Tectonic Settings in Basalts

構(gòu)造環(huán)境主要玄武巖類型Ta/Hf值Th/Ta值Th/Hf值Nb/Zr值Th/Nb值La/Nb值

板塊發(fā)散邊緣NMORB<0.1

EMORB、TMORB、OIB0.1～0.3<1.6<0.2<0.04<0.11<2

大洋板內(nèi)大洋拉斑

大洋堿性>0.10.1～0.3

>0.3<1.6>0.040.04～0.15

>0.15<0.11<1.11

板塊匯聚邊緣大洋島弧

陸緣島弧陸緣火山弧<0.1>1.6<0.1Th×Ta/Hf2值小于0.035

Th×Ta/Hf2值大于0.035<0.04>0.11Th×Ta/Zr2值小于0.000 5

Th×Ta/Zr2值大于0.000 5>2La×Nb/Zr2值小于0.02La×Nb/Zr2值大于0.02

大陸板內(nèi)大陸拉斑

大陸堿性

陸陸碰撞帶>0.10.1～0.3

>0.3相似于大陸裂谷>1.6

一般大于10>0.040.04～0.15

>0.15

>0.04>0.11（但小于0.67）>1.11>1.11

>2

大陸裂谷典型裂谷

陸內(nèi)裂谷或初始裂谷>0.11.6～4

>4（范圍為4～10）>0.040.11～0.27

>0.27，且小于0.671.11～2

地幔熱柱堿性>0.3變化大>0.15<0.11<1.11

注：Ta/Hf值表示w（Ta）/w（Hf）， Th/Ta值、Th/Hf值、Nb/Zr值、Th/Nb值、La/Nb值依此類推；Th×Ta/Hf2值表示w（Th）w（Ta）/w2（Hf）；La×Nb/Zr2值表示w（La）w（Nb）/w2（Zr）。

本文用表格化表達這一分類的相關(guān)比值與Th/HfTa/Hf雙對數(shù)判別圖解互補，更便于讀者使用。需要說明的是，汪云亮等在提出Th/HfTa/Hf雙對數(shù)判別圖解時，認為成圖數(shù)據(jù)必須滿足3個條件[37]：①巖石類型為玄武巖及玄武安山巖（w（SiO2）≤56%）；②w（MgO）≥8%；③w（Cr）≥200×10-6。而筆者在應(yīng)用此圖進行新疆西天山、西準噶爾地區(qū)近300個玄武巖和玄武安山巖（w（SiO2）≤56%）樣品進行圖解與構(gòu)造環(huán)境判別時，發(fā)現(xiàn)樣品只要符合汪云亮等提出的玄武巖和玄武安山巖w（SiO2）≤56%[37]，MgO、Cr含量無需受前述條件限定，所獲得的構(gòu)造環(huán)境信息就與其他方法獲得的綜合判別相印證。其中，w（·）為元素或化合物含量（質(zhì)量分數(shù)，下同）。

由表1看出：Th/Ta值在區(qū)分大洋與大陸構(gòu)造演化中有極好的顯示，與大洋演化密切相關(guān)的玄武巖類（板塊發(fā)散邊緣和大洋板內(nèi)）Th/Ta值小于11，而所有弧構(gòu)造及陸內(nèi)和地幔熱柱有關(guān)的玄武巖類Th/Ta值大于11；Th/Nb值也對各類玄武巖有較好的區(qū)分性，板塊離散邊緣、大洋板內(nèi)和地幔熱柱有關(guān)的玄武巖類Th/Nb值小于011，而所有弧構(gòu)造及陸內(nèi)有關(guān)的玄武巖類Th/Nb值大于011；板塊離散邊緣、板塊匯聚邊緣的Nb/Zr值小于004，而其余構(gòu)造環(huán)境中有關(guān)的玄武巖類Nb/Zr值大于004。這6個元素兩兩組對的Ta/Hf、Th/Ta、Th/Hf、Nb/Zr、Th/Nb、La/Nb值極好地區(qū)分了幾乎最常見的各種構(gòu)造環(huán)境中有關(guān)的玄武巖類，且比值較之相對復(fù)雜的雙對數(shù)判別圖解更易查找和對比操作，因而是對Th/HfTa/Hf、Th/ZrNb/Zr及La/ZrNb/Zr雙對數(shù)判別圖解的極好補充。

只需對上述6組比值數(shù)據(jù)進行簡單計算，采用對比和排除法查表1，即可獲得所研究樣品的構(gòu)造判別信息。同時，對前人沒有進行相應(yīng)雙對數(shù)判別圖解的成果，也能通過本文設(shè)計的比值對比表（表1），查找并提取構(gòu)造環(huán)境信息。

Th/ZrNb/Zr、Th/HfTa/Hf和La/ZrNb/Zr雙對數(shù)判別圖解分別是武莉娜等、汪云亮等、孫書勤等統(tǒng)計了馬尼安納島玄武巖玄武質(zhì)安山巖，智利南安底斯山玄武巖、玄武質(zhì)安山巖，日本硫球島弧玄武巖，哥倫比亞Gorgona島科馬提質(zhì)玄武巖、苦橄巖，澳大利亞昆士蘭省沿海地區(qū)中部巖墻群玄武巖、玄武質(zhì)安山巖，北大西洋和東太平洋科科斯洋脊玄武巖，北大西洋中脊EMORB，原始地幔等約10 000組世界上未受混染的玄武巖類的數(shù)據(jù)而成圖的[3639]，因而是建立在大量準確分析數(shù)據(jù)、有代表性構(gòu)造環(huán)境、元素地球化學(xué)行為被充分了解這一基礎(chǔ)上獲得的圖解。本文據(jù)此提取的比值對比數(shù)據(jù)表（表1）可靠性也是可以肯定的。

更為重要的是，Th/ZrNb/Zr、Th/HfTa/Hf和La/ZrNb/Zr雙對數(shù)判別圖解都是3個元素構(gòu)成的，而本文建立的比值對比表綜合了這6個元素的兩兩元素或兩個以上元素含量比值，要比其中單一的一個3元素圖解獲得的構(gòu)造環(huán)境信息更可信。當(dāng)某個投點落入圖解分界線上或是兩個構(gòu)造環(huán)境的重疊區(qū)時，運用比值對比表可更有效地加以區(qū)分和判別。

3結(jié)語

（1）Th/ZrNb/Zr、Th/HfTa/Hf和La/ZrNb/Zr雙對數(shù)判別圖解是建立在準確分析數(shù)據(jù)、有代表性構(gòu)造環(huán)境的約10 000組世界典型地區(qū)未受混染的玄武巖類構(gòu)造信息提取基礎(chǔ)上研制的圖解。據(jù)此獲得的6組Ta/Hf、Th/Ta、Th/Hf、Nb/Zr、Th/Nb、La/Nb值極好地區(qū)分了幾乎最常見的各種構(gòu)造環(huán)境中有關(guān)的玄武巖類。

（2）6組比值判別對比表較之相對復(fù)雜的雙對數(shù)判別圖解更易查找判別和對比操作，因而是對Th/HfTa/Hf、Th/ZrNb/Zr及La/ZrNb/Zr雙對數(shù)判別圖解的極好補充。尤其當(dāng)某個投點落入圖解的分界線上或是兩個構(gòu)造環(huán)境的重疊區(qū)時，運用比值判別對比表可更有效地加以區(qū)分和判別。6組比值判別對比表實用性強，可操作性簡易，尤其在初步篩選數(shù)據(jù)和粗判其構(gòu)造環(huán)境信息時快速有效，是對已有對數(shù)判別圖解的極好補充。

（3）前人提出的3個雙對數(shù)判別圖解玄武巖數(shù)據(jù)必須滿足w（MgO）≥8%和w（Cr）≥200×10-6，但本文提出的6組比值判別對比表可能不受此條件限制。目前為止，將近年來在西天山、西準噶爾地區(qū)調(diào)研所分析的全部玄武巖數(shù)據(jù)（約2 000組）進行檢驗，未發(fā)現(xiàn)例外情況，即運用6組比值判別對比表檢驗約2 000組玄武巖數(shù)據(jù)，其構(gòu)造環(huán)境信息與3個雙對數(shù)判別圖解獲得的構(gòu)造環(huán)境信息相吻合，但有約300組MgO、Cr含量并不滿足前人條件。因此，是否必須滿足w（MgO）≥8%和w（Cr）≥200×10-6，有待更多數(shù)據(jù)進行檢驗，這也是本文存在的問題之一。

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