山東昌樂地區(qū)王家大山玄武巖成因研究

張銀慧, 任鐘元, 洪路兵, 張?樂, 黃小龍, 陳林麗

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山東昌樂地區(qū)王家大山玄武巖成因研究

張銀慧1,2, 任鐘元1*, 洪路兵1,3, 張?樂1, 黃小龍1, 陳林麗1

(1. 中國科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所 同位素地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州?510640, 2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京?100049, 3. 中國科學(xué)院 南海海洋研究所 邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州?510301)

報(bào)道了山東昌樂地區(qū)新生代王家大山玄武巖的全巖主元素、微量元素, 橄欖石斑晶及被其捕獲的熔體包裹體主元素和鉛同位素組成。王家大山玄武巖為弱堿性-拉斑玄武巖。全巖主元素成分和熔體包裹體的SiO2、TiO2、Al2O3、CaO、Na2O、K2O和P2O5含量均與MgO含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, CaO/Al2O3值基本不變; 在微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖上與EMI洋島玄武巖(OIB)相似, 表現(xiàn)為明顯的Ba、K和Sr正異常, Th和Pb負(fù)異常, 無Nb-Ta和Ti異常。熔體包裹體鉛同位素組成為208Pb/206Pb=2.091~2.166和207Pb/206Pb= 0.846~0.899, 其變化范圍覆蓋了山東地區(qū)新生代強(qiáng)堿性玄武巖到弱堿性-拉斑玄武巖的鉛同位素范圍; 根據(jù)鉛同位素組成, 熔體包裹體可以分為低鉛同位素組(207Pb/206Pb<0.86)和高Pb同位素組(207Pb/206Pb>0.87)。橄欖石斑晶Ni、Fe/Mn和Ca分別為1312~2417 μg/g、71~92和745~2068 μg/g, 與典型輝石巖熔體結(jié)晶的橄欖石斑晶成分相當(dāng), 但是, 比橄欖巖熔體結(jié)晶的橄欖石成分高Ni和Fe/Mn, 低Ca。全巖和熔體包裹體主元素的成分變化, 結(jié)合巖相學(xué)和MELTS軟件模擬結(jié)果, 指示王家大山玄武巖主要經(jīng)歷了橄欖石結(jié)晶分離作用。橄欖石斑晶高Ni和Fe/Mn, 低Ca, 結(jié)合全巖高Fe/MnO值和低CaO, 說明其源區(qū)巖石為輝石巖。全巖微量元素和熔體包裹體鉛同位素指示源區(qū)有EMI組分, 可能和再循環(huán)洋殼輝長巖有關(guān)。熔體包裹體兩組鉛同位素組成指示王家大山玄武巖源區(qū)是不均一的, 暗示山東地區(qū)新生代玄武巖的源區(qū)是高度不均一的。

玄武巖; 橄欖石; 輝石巖; 熔體包裹體; 地幔不均一性; 山東省

0?引?言

分布于山東地區(qū)的新生代玄武巖, 是研究該地區(qū)深部地幔物質(zhì)組成, 熱狀態(tài)和巖石圈演化的重要巖石探針, 多年來一直備受關(guān)注[1?14]。已有的研究表明, 山東地區(qū)新生代玄武巖的源區(qū)巖石主要為輝石巖, 源區(qū)中有EMI組分[10,11,15]。然而, 關(guān)于源區(qū)EMI的成因, 卻存在著爭議：部分學(xué)者根據(jù)山東及其鄰區(qū)新生代玄武巖的Sr-Nd-Pb同位素具有大陸下地殼的屬性, 認(rèn)為再循環(huán)大陸下地殼是源區(qū)EMI組分的來源[10,16,17]; 另外一部分學(xué)者則對山東及其鄰區(qū)新生代玄武巖的橄欖石斑晶進(jìn)行了氧同位素研究, 發(fā)現(xiàn)異常低18O的橄欖石斑晶(18O<5.0‰; 正常地幔18O=(5.2±0.2)‰[18]), 結(jié)合總體虧損的Sr-Nd-Pb同位素和微量元素?zé)oNb-Ta等高場強(qiáng)元素虧損, 認(rèn)為源區(qū)的富集組分與再循環(huán)洋殼及其沉積物有關(guān), 其源區(qū)輝石巖是來自再循環(huán)洋殼及其沉積物的熔體交代巖石圈地幔的結(jié)果[11,19,20]。另外, 前人對山東地區(qū)新生代玄武巖的研究還表明山東地區(qū)新生代玄武巖的源區(qū)在大尺度上是非常不均一的: 強(qiáng)堿性玄武巖顯示HIMU-洋島玄武巖(OIB)的微量元素特征和總體虧損Sr-Nd-Pb同位素, 源區(qū)含有碳酸鹽; 弱堿性-拉斑玄武巖則具有EMI-OIB的微量元素特征和總體更富集Sr-Nd-Pb同位素[9?11,15]。然而, 這種現(xiàn)象是否也出現(xiàn)在單一的玄武質(zhì)巖漿的源區(qū)中, 還不是很清楚。值得提出的是, 目前國內(nèi)外對火山巖成因方面的研究主要是利用火山巖的全巖地球化學(xué)分析手段, 火山巖的全巖成分反映的不僅是原生巖漿的成分, 還反映了巖漿形成到噴發(fā)過程中的一系列巖漿后期作用的影響, 如不同來源巖漿的混合、結(jié)晶分異及同化混染等作用對巖漿成分的影響, 致使原生巖漿成分及其演化、源區(qū)母巖方面的重要信息等變得模糊或消失, 這給巖石學(xué)成因方面的研究帶來了較大的困難。熔體包裹體是巖漿結(jié)晶礦物捕獲的熔體液滴, 記錄捕獲時(shí)的熔體組分[21?22]。因此, 與全巖成分不同, 巖漿中較早結(jié)晶的橄欖石中的熔融包裹體能較好地記錄原生巖漿的成分及巖漿來源方面的重要信息, 而晚期結(jié)晶的橄欖石中的熔體包裹體則可以記錄巖漿演化過程的重要信息[23?27]。

本研究擬以山東昌樂地區(qū)的王家大山玄武巖為研究目標(biāo)(圖1), 利用橄欖石及其被捕獲的熔體包裹體, 結(jié)合全巖組成, 探討其源區(qū)巖性, 并利用熔體包裹體成分揭示其地幔源區(qū)不均一性。

1?地質(zhì)背景及樣品特征

研究區(qū)位于山東省郯廬斷裂帶中段, 其北部被大面積的第四系沉積物覆蓋, 南部出露的地層有太古代泰山群片麻巖、混合巖和侵入巖基底; 震旦系石英巖和頁巖, 古生代寒武系饅頭組、張夏組頁巖和徐莊組的砂巖, 頁巖泥灰?guī)r和灰?guī)r等; 中生代侏羅系汶南組礫巖、石英砂巖, 白堊系青山組的雜色安山巖及王氏組砂頁巖、砂巖; 新生代古近系五圖組砂巖、頁巖和礫巖。研究區(qū)新生代巖漿活動(dòng)比較廣泛, 在沂水、臨朐以及昌樂地區(qū)均有大面積的中新世玄武巖出露, 它們與太古代, 古生代和中生代地層呈不整合接觸產(chǎn)出(圖1b)。王家大山玄武巖位于山東省昌樂市郊區(qū), 為早-中中新世玄武巖(圖1b)。玄武巖為黑色, 斑狀結(jié)構(gòu), 塊狀構(gòu)造。斑晶主要為橄欖石, 體積約占6%~8%, 偶見輝石斑晶, 未發(fā)現(xiàn)斜長石斑晶; 基質(zhì)為間粒結(jié)構(gòu), 主要是輝石、斜長石和橄欖石, 可見磁鐵礦富礦物。橄欖石斑晶多呈自形到半自形, 邊部輕微蝕變, 大小以0.5~2 mm為主。大部分橄欖石斑晶中含有熔體包裹體(圖2), 20~150 μm; 有些橄欖石有尖晶石包裹體。

2?分析方法

本研究分析所涉及的前處理工作, 全巖主元素、微量元素分析, 橄欖石斑晶和熔體包裹體電子探針(EPMA)分析以及熔體包裹體鉛同位素分析都在中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

2.1?全巖樣品分析方法

將巖石碎成小塊, 挑出最新鮮的, 用去離子水沖洗, 并超聲震蕩20 min, 反復(fù)3次后烘干, 磨成200目粉末, 用于主元素、微量元素分析。碎樣的剩余部分, 用于挑選橄欖石單礦物。

稱取約1.3 g 200目的巖石粉末樣品, 在920 ℃下灼燒3 h之后, 制成玻璃餅, 然后上機(jī)測定, 詳細(xì)方法見文獻(xiàn)[29]。主元素分析的儀器是Rigaku ZSX-100e型X熒光光譜儀(XRF), 所有主元素的分析精度優(yōu)于5%。微量元素分析采用酸溶法, 分析儀器是PE Elan 6000型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS), 過程詳見[30], 大部分微量元素的分析精度優(yōu)于5%。

圖1?王家大山地質(zhì)圖(底圖引自文獻(xiàn)[28])

圖2?王家大山玄武巖橄欖石中的熔體包裹體照片

(a) 單偏光下, 巖石薄片中未均一化的橄欖石熔體包裹體, 其表面比較渾濁, 可能是由于包裹體在捕獲后, 子礦物的結(jié)晶造成的。(b) 反光鏡下, 環(huán)氧樹脂靶中均一化之后的包裹體, 該包裹體由均一的玻璃和氣泡組成

(a) A melt inclusion hosted by an olivine in thin sections without homogenization, plane light. Note that the melt inclusion is not clean, suggesting the presence of daughter minerals crystallized after Being trapped. (b) A melt inclusion hosted in an olivine after homogenization in epoxy resin target, with a rounded shape and a shrinkage void, reflected light

2.2?橄欖石及熔體包裹體EPMA分析方法

將挑選出來的橄欖石在通有混合氣體H2-CO2的加熱爐中加熱, 使熔體包裹體均一化, 氧逸度和加熱溫度分別為石英-鐵橄欖石-磁鐵礦(QFM)和1250 ℃, 詳細(xì)過程見[25]。將加熱過的橄欖石制靶, 拋磨至熔體包裹體露出表面。

橄欖石和熔體包裹體的化學(xué)組成用JEOL JXA-8100 EPMA測定。橄欖石的分析條件為: 電壓20 kV, 束斑直徑2 μm, 電流強(qiáng)度3.0×10?7A, 分析方法見[31]。分析過程中, 選用漢諾壩橄欖巖包體的橄欖石作為監(jiān)控標(biāo)樣, 監(jiān)測儀器的穩(wěn)定性, 監(jiān)測標(biāo)樣的標(biāo)準(zhǔn)偏差(2,=30): SiO2、MgO、FeO、CaO、NiO和MnO分析精度分別優(yōu)于0.1%、0.24%、0.13%、0.004%、0.017%和0.005%。熔體包裹體的分析條件: 電壓15 kV, 束斑直徑3 μm, 電流2.0×10?8A, 分析方法與[32]相似, 分析過程中, 選用JB-2玄武巖玻璃標(biāo)樣作為監(jiān)控標(biāo)樣, 監(jiān)測儀器的穩(wěn)定性, 監(jiān)測標(biāo)樣的標(biāo)準(zhǔn)偏差(2,=30): SiO2、TiO2、Al2O3、FeO、MgO、MnO、CaO、Na2O、K2O和P2O5分析精度分別優(yōu)于0.1%、0.24%、0.13%、0.004% (Ca: 27 μg/g), 0.017% (Ni: 137 μg/g)和0.005% (Mn: 39 μg/g)。

2.3?熔體包裹體鉛同位素分析方法

用激光剝蝕-多接收等離子體質(zhì)譜儀(LA-MC- ICPMS)測定熔體包裹體的原位鉛同位素。分析條件: 能量80 mJ, 能量衰減值為25%, 束斑大小45 μm, 激光頻率3 Hz, 積分時(shí)間0.262 s, 混合氣體為 800 mL/min He和2 mL/min N2。測定過程中, 選用錐組合JET樣品錐(sample cone)+X截取錐(skimmer cone)增強(qiáng)208Pb的信號強(qiáng)度, 提高鉛同位素組成的精度, 具體方法見[33]。玻璃標(biāo)樣(BHVO-2G)的分析準(zhǔn)確度(2,=75)分別為:208Pb/206Pb優(yōu)于0.15%,207Pb/206Pb優(yōu)于–0.20%; 相對分析精度(2,=75):208Pb/206Pb優(yōu)于0.25%,207Pb/206Pb優(yōu)于0.29%。

3?結(jié)?果

3.1?全巖地球化學(xué)組成

王家大山玄武巖的全巖主元素和微量元素化學(xué)組成見表1。SiO2和全堿(Na2O+K2O)含量分別為46.8%~47.7%和3.4%~4.6%, 在TAS圖解中顯示弱堿性-拉斑玄武巖(圖3)。王家大山玄武巖的MgO為7.7%~10.5%(表1), 隨著MgO降低, 其他氧化物(SiO2、TiO2、Al2O3、CaO、Na2O、K2O和P2O5)均增加, 而CaO/Al2O3值基本不變(圖4)。在微量元素蛛網(wǎng)圖上, 王家大山玄武巖的微量元素組成與典型的EMI-OIB(Gough)相似, 富集大離子親石元素, 具有明顯的Ba、K和Sr正異常, Th和Pb負(fù)異常, 無高場強(qiáng)元素(Nb-Ta、Zr-Hf)異常(圖5)。這些特征與下地殼存在明顯差別(圖5)。

圖3?王家大山玄武巖的全巖和熔體包裹體TAS圖解(底圖引自文獻(xiàn)[34])

圖中, 4、10和11分別代表樣品DSW09-4、DSW09-10和DSW09-11

4, 10, and 11 represent samples DSW09-4, DSW09-10, and DSW09-11, respectively

3.2?橄欖石斑晶成分

本次工作分析了108顆橄欖石的化學(xué)組成, 分析結(jié)果見表2和圖6。橄欖石的Fo為80~85。橄欖石的Ca含量745~2068 μg/g, 高于典型的地幔捕擄晶(CaO<0.1%[40?43]), 說明它們均是從巖漿中結(jié)晶的; 橄欖石的Ni含量和Fe/Mn值分別為1312~2417 μg/g和71.2~91.8。王家大山玄武巖的橄欖石斑晶成分落在典型輝石巖熔體(如Koolau和EI Herrio)[38]結(jié)晶的橄欖石斑晶成分演化趨勢上; 在相同橄欖石Fo時(shí), 它們比典型的橄欖巖熔體(如MORB和古老的科馬提巖)[38]結(jié)晶的橄欖石斑晶高Ni、Fe/Mn和低Ca。

3.3?熔體包裹體主元素

熔體包裹體在巖漿房或巖漿通道中被橄欖石捕獲后, 可能經(jīng)歷結(jié)晶作用以及與寄主橄欖石發(fā)生Fe-Mg交換再平衡過程[44], 因此, 需要對熔體包裹體成分進(jìn)行恢復(fù)?；謴?fù)熔體包裹體組成可以用軟件PROGRAM FEO_EQ2 V.3.2[44]實(shí)現(xiàn); 恢復(fù)熔體包裹體組成的參數(shù)為: Ford.[45]的熔體與橄欖石平衡模型, 氧逸度為Fe2+/FeT=0.9 (FeT為全Fe), 以及FeOT=11.4%(高M(jìn)gO玄武巖(MgO>8)的全巖平均FeOT含量)。

本次工作分析了3個(gè)王家大山玄武巖的112個(gè)熔體包裹體的主元素, 恢復(fù)的熔體包裹體組成見表3。熔體包裹體的MgO為6.9%~10%, 總體上比全巖略低, 但是比全巖具有更寬的范圍, 這可能與全巖中橄欖石的堆晶作用有關(guān), 或者是沒有找到被更高Fo橄欖石熔體包裹體。在TAS圖解中(圖3), 熔體包裹體的成分落在堿性-拉斑玄武巖的分界線上, 指示弱堿性-拉斑玄武質(zhì)成分; 與全巖相比, 熔體包裹體的全堿含量總體上偏高, 這與熔體包裹體普遍具有更高的Na2O有關(guān)(圖4f), 可能是全巖在地表發(fā)生輕微蝕變作用的結(jié)果。圖4中, 熔體包裹體的成分變化趨勢與全巖基本相似, MgO與其他氧化物(SiO2、TiO2、Al2O3、CaO、Na2O、K2O和P2O5)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 而CaO/Al2O3值與MgO的關(guān)系基本不變。

圖4?王家大山玄武巖全巖和熔體包裹體MgO與其他主元素相關(guān)圖

圖中, 4、10和11分別代表樣品DSW09-4、DSW09-10和DSW09-11

4, 10, and 11 represent samples DSW09-4, DSW09-10, and DSW09-11, respectively

表1?王家大山玄武巖主元素(%)和微量元素(μg/g)分析結(jié)果

(續(xù)表1)

圖5?王家大山玄武巖微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖

圖中, 4、10和11分別代表樣品DSW09-4、DSW09-10和DSW09-11。原始地幔數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[35]; EMI(Gough)數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)http://georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc/Start.asp; 下地殼數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[36]; 輝石巖數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[37]。其中, 輝石巖包體的原巖為再循環(huán)下洋殼輝長巖[37]

4, 10, and 11 represent samples DSW09-4, DSW09-10, and DSW09-11, respectively. Data source: Primitive mantle compositions?[35]; EMI (Gough)?http://georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc/Start.asp; Lower crust?[36]; Pyroxenite?[37]. The protolith of the pyroxenite xenolith is the gabbro of recycled lower oceanic crust[37]

3.4?熔體包裹體的原位鉛同位素成分

本次工作共測定了56個(gè)熔體包裹體的原位鉛同位素組成, 結(jié)果見表4。熔體包裹體的208Pb/206Pb和207Pb/206Pb值變化分別為2.091~2.166和0.846~ 0.889(表4、圖7a), 它們落在EMI、EMII、DMM之間, 部分樣品的鉛同位素組成與EMI相當(dāng)(圖7a)。與山東其他地區(qū)新生代玄武巖的鉛同位素相比, 王家大山玄武巖的熔體包裹體鉛同位素組成覆蓋了強(qiáng)堿性和弱堿性-拉斑玄武巖的鉛同位素范圍, 但是比魯西地區(qū)周村玄武巖的鉛同位素組成低。在207Pb/206Pb-SiO2(MgO)圖解中, 熔體包裹體的鉛同位素組成可以劃分為兩組: 低207Pb/206Pb(<0.86)熔體包裹體和高207Pb/206Pb(>0.87)熔體包裹體, 落在中間的樣品很少(圖7b、圖7c)。這兩組熔體包裹體鉛同位素組成(207Pb/206Pb)不隨SiO2(MgO)變化而變化。

表2?王家大山玄武巖的橄欖石電子探針分析結(jié)果

(續(xù)表2)

(續(xù)表2)

圖6?王家大山玄武巖橄欖石斑晶的成分圖(底圖引自文獻(xiàn)[38])

Koolau、Loihi、Indian MORB、EPR MORB和古老的科馬提巖(2.7Ga)的數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[31]); Mangaia的數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[38]; EI Hierro的數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[39]

The data source: Koolau, Loihi, Indian MORB, EPR MORB and old Komatiites (2.7Ga)?[31]; Mangaia?[38]; EI Hierro?[39]

4?討?論

4.1?地殼混染和結(jié)晶分離

由于巖漿在通過巖漿通道上升過程或在巖漿房中, 可能會(huì)經(jīng)歷分離結(jié)晶和地殼混染, 因此, 需要對這些過程進(jìn)行評估。

在微量元素蛛網(wǎng)圖上, 王家大山玄武巖顯示無Nb-Ta異常和Pb負(fù)異常(圖5), 這和大陸地殼普遍存在的Nb-Ta負(fù)異常和Pb正異常有明顯區(qū)別[36], 暗示王家大山玄武巖可能沒有經(jīng)歷明顯的地殼混染。王家大山玄武巖Ba/Nb值為11.3~12.4, 遠(yuǎn)低于地殼(圖8a); Nb/La和Nb/U值分別為1.27~1.32和39.7~47.3, 均落在EMI-OIB范圍[48]內(nèi), 且顯著高于地殼(圖8b、圖8c); 這些比值與MgO沒有明顯相關(guān)關(guān)系, 也支持王家大山玄武巖無明顯地殼混染的觀點(diǎn)。然而, 上述觀點(diǎn)似乎和Ce/Pb值相矛盾: Ce/Pb值為15.1~25.7, 盡管也落在EMI-OIB范圍[48]內(nèi), 但是, Ce/Pb與MgO弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖8d), 暗示部分樣品(低Ce/Pb值樣品)可能經(jīng)歷地殼混染; 這也和簡單混合模擬計(jì)算結(jié)果相吻合(低Ce/Pb值樣品剛好落在與下地殼的混合線上, 圖9)。由于Pb在地殼中的含量非常高, Ce/Pb值示蹤地殼混染比其他元素比值更敏感, 上述看似矛盾的現(xiàn)象, 可以解釋為: 王家大山玄武巖經(jīng)歷了輕微地殼混染, 但是, 由于樣品數(shù)量有限, 該過程除Ce/Pb外, 沒有在其他元素比值上表現(xiàn)出來。然而, 地殼混染模擬結(jié)果需要高達(dá)30%下地殼組分加入, 而不是少量地殼組分, 這可能與下地殼組分非常復(fù)雜, 而我們選取的是全球平均下地殼組分作為端元有關(guān)。為了減少地殼混染的影響, 在接下來的討論中, 將不再討論樣品DSW09-4、DSW09-10和DSW09-11。

表3?王家大山玄武巖熔體包裹體電子探針分析結(jié)果(%)

(續(xù)表3)

(續(xù)表3)

(續(xù)表3)

注: Fo_Host代表熔體包裹體寄主橄欖石的Fo

表4?王家大山玄武巖的熔體包裹體原位鉛同位素組成

注: Stderr為標(biāo)準(zhǔn)誤差

隨著SiO2增加(MgO降低), 王家大山玄武巖的熔體包裹體鉛同位素組成基本不發(fā)生變化(圖7b、圖7c), 說明被橄欖石捕獲的熔體包裹體經(jīng)歷的地殼混染程度不明顯。考慮到王家大山玄武巖部分樣品經(jīng)歷了輕微的地殼混染, 我們認(rèn)為可能是由于橄欖石結(jié)晶較早, 捕獲的熔體包裹體代表巖漿較早期的成分, 而地殼混染發(fā)生在巖漿晚期, 因而沒有被熔體包裹體所記錄。因此, 為了盡可能減低地殼混染的影響, 在接下來的討論中, 也將不再討論樣品DSW09-10的熔體包裹體。

圖7?王家大山玄武巖熔體包裹體鉛同位素組成圖

無棣大山玄武巖的數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[2]; 強(qiáng)堿性和弱堿性-拉斑玄武巖數(shù)據(jù)分別引自文獻(xiàn)[2,11]和[11]; EMI、EMII、DMM和HIMU端元組分引自文獻(xiàn)[46]; 周村玄武巖熔體包裹體數(shù)據(jù)來自[47]。二元混合計(jì)算時(shí), 強(qiáng)堿性玄武巖端元來自無棣大山玄武巖(207Pb/206Pb=0.843和208Pb/206Pb=2.067[2]; 平均Pb=5.59 μg/g[9]); 弱堿性-拉斑玄武巖端元來自昌樂玄武巖(207Pb/206Pb=0.890和208Pb/206Pb=2.174; Pb= 2.3 μg/g)[11]

Data source: Wudi – [2]; The strongly alkaline basalts (light dark area) and the weakly alkaline-theloiitic (dark grey area) basalts–[2, 11] and [11], respectively; mantle endmembers EMI, EMII, DMM and HIMU– [46]; The data of Pb isotope of melt inclusion for Zhoucun basalts–[47]. Note in mixing calculation we use data for basalts from Wudidashan (207Pb/206Pb=0.843,208Pb/206Pb=2.067[2]and average Pb=5.59 μg/g[9]) and from Changle (207Pb/206Pb=0.890 and208Pb/206Pb=2.174, Pb= 2.3 μg/g)[11]as the endmembers for strongly alkaline basalts and weakly alkaline-theloiitic basalts, respectively

玄武巖在巖漿房或者巖漿通道中結(jié)晶的礦物主要為橄欖石、輝石和斜長石。薄片中, 王家大山玄武巖的斑晶主要為橄欖石, 偶見單斜輝石, 幾乎沒有斜長石斑晶, 初步說明王家大山玄武巖主要經(jīng)歷了橄欖石的分離結(jié)晶。玄武質(zhì)巖漿的主元素成分變化可以示蹤巖漿的結(jié)晶分離過程, 一般地, 輝石結(jié)晶導(dǎo)致殘留熔體SiO2、CaO和CaO/Al2O3值突然下降; 斜長石結(jié)晶導(dǎo)致殘留熔體Al2O3下降和CaO/Al2O3值快速增加; 而橄欖石結(jié)晶導(dǎo)致除MgO和FeO外的其他各氧化物緩慢增加, CaO/Al2O3值基本不變。在MgO與其他氧化物相關(guān)性圖解(圖4)中, 全巖和熔體包裹體的各氧化物均與MgO呈反相關(guān)關(guān)系, 而CaO/Al2O3不隨MgO變化(圖4), 說明王家大山玄武巖的主元素成分主要受控于橄欖石結(jié)晶分離作用。最后, 我們用MELTS軟件[49]模擬了王家大山玄武巖的結(jié)晶分離過程, 選取MgO含量最高的熔體包裹體DSW09-7(2)-5(MgO約10.0%, 表3)作為母巖漿, 氧逸度為QFM, 壓力0.1~0.5 GPa, 溫度為1400~1000 ℃, H2O=0% (嘗試了含水量0%~0.5%范圍的模擬, 由于水對熔體中只有橄欖石分離結(jié)晶期間的影響不大, 文中沒有給出)。模擬結(jié)果(圖10)表明, 王家大山玄武巖的成分和只經(jīng)歷橄欖石結(jié)晶分離趨勢最吻合。因此, 本文認(rèn)為王家大山玄武巖主要經(jīng)歷了橄欖石結(jié)晶分離過程。

4.2?源區(qū)輝石巖及其形成機(jī)制

最近的研究表明, 地幔中的橄欖巖和輝石巖, 都可以是玄武巖的源區(qū)巖石[25,31,50?54], 因此, 需要對玄武巖的源區(qū)巖性進(jìn)行甄別。到目前為止, 有效識(shí)別玄武巖源區(qū)巖性是橄欖巖還是輝石巖, 主要有三種指標(biāo): 全巖FeO/MnO值、全巖CaO和橄欖石組成。這是因?yàn)榈蒯Ｖ械牡V物主要為橄欖石、輝石和石榴子石, 其中, 橄欖石和輝石分別是Ni和Ca的主要載體, 同時(shí), 橄欖石的Fe-Mn分配系數(shù)(Fe/Mn)>1, 而輝石和石榴子石的Fe/Mn均小于1[55]。因此, 貧橄欖石的輝石巖, 與橄欖巖相比, 具有較低的Ni和Fe/Mn, 較高的Ca, 相應(yīng)地, 部分熔融形成的輝石巖熔體具有高Ni和高FeO/MnO值, 低CaO[31,53,54]。作為玄武巖巖漿中結(jié)晶最早的礦物, 橄欖石會(huì)記錄巖漿的這些特征, 即輝石巖熔體結(jié)晶的橄欖石, 與橄欖巖熔體相比, 具有更高的Ni和FeO/MnO值, 更低的CaO[31,52,54]。王家大山玄武巖全巖和熔體包裹體的CaO較低, 在CaO-MgO圖中, 落在輝石巖熔體的范圍內(nèi)(圖11a), 暗示其源區(qū)巖性為輝石巖。同時(shí), 王家大山玄武巖的FeO/MnO=69~74, 高于正常的橄欖巖熔體FeO/MnO值(小于60; 圖11b)[56], 進(jìn)一步指示王家大山玄武巖的源區(qū)可能為輝石巖。最后, 相對于典型的橄欖巖熔體結(jié)晶的橄欖石(如科馬提巖熔巖、MORB)[38], 王家大山玄武巖的橄欖石斑晶具有高Ni、Fe/Mn值, 低Ca含量, 它們與典型輝石巖熔體結(jié)晶的橄欖石成分相當(dāng)(圖6a、圖6b、圖6c)。盡管被硅過飽和熔體交代形成的再飽滿橄欖巖(refertilized peridotite)熔體, 如Mangaia和Loihi (圖6d、圖6e、圖6f), 也可以結(jié)晶高Ni橄欖石[38], 但是, 這些橄欖石一般具有高Ca和較低的Fe/Mn值 (圖6d、圖6e、圖6f), 它們和典型輝石巖熔體結(jié)晶的橄欖石有明顯差別[38]。因此, 本文認(rèn)為王家大山玄武巖的源區(qū)巖石為輝石巖。

圖8?王家大山玄武巖的Ba/Nb、Nb/La和Nb/U與MgO關(guān)系圖解

圖中, 4, 10和11分別指樣品DSW09-4, DSW09-10和DSW09-11。上地殼、下地殼和地殼的成分引自文獻(xiàn)[36], EMI-OIB范圍引自文獻(xiàn)[48]

4, 10, and 11 represent samples DSW09-4, DSW09-10, and DSW09-11, respectively. The compositions of upper crust, lower crust and bulk crust are from [36], The ranges of EMI-OIBs are after [48]

圖9?王家大山玄武巖地殼混染模擬圖解

圖中, 4, 10, 和11分別指樣品DSW09-4, DSW09-10, 和DSW09-11。地殼數(shù)據(jù)(上地殼, 下地殼和全地殼)引自文獻(xiàn)[36]

4, 10, and 11 represent samples DSW09-4, DSW09-10, and DSW09-11, respectively.Crustdataforthelower,upperandbulkcrustare from [36]

滿足玄武質(zhì)熔體結(jié)晶高Ni橄欖石的源區(qū)輝石巖必然是由橄欖巖經(jīng)歷富硅熔體交代反應(yīng)形成的[31,52,54,58]。這類輝石巖有兩種方式：在島弧地區(qū), 俯沖板片釋放富SiO2熔體/流體, 它們與地幔楔橄欖巖反應(yīng), 形成富斜方輝石(Opx)輝石巖[58]。由于俯沖板片釋放的富SiO2熔體/流體虧損Nb-Ta等高場強(qiáng)元素, 反應(yīng)形成的富Opx輝石巖以及由它為源區(qū), 熔融形成的玄武質(zhì)熔體均應(yīng)當(dāng)虧損Nb-Ta等高場強(qiáng)元素[58]。然而, 王家大山玄武巖的全巖微量元素并未顯示Nb-Ta等高場強(qiáng)元素虧損特征(圖5), 說明該方式不適合王家大山玄武巖的源區(qū)輝石巖, 可以排除。我們傾向于第二種方式：對流地幔中的再循環(huán)地殼組分, 它們可能是經(jīng)歷俯沖脫水的洋殼(再循環(huán)洋殼), 也可能是在洋殼俯沖過程中帶入地?；蛘叽箨憥r石圈拆沉進(jìn)入地幔的大陸下地殼(再循環(huán)大陸下地殼), 被上升地幔流(如地幔柱)攜帶至地幔淺部的過程中, 由于它們具有比橄欖巖更低的固相線, 優(yōu)先發(fā)生熔融形成SiO2過飽和熔體, 并快速與周圍橄欖巖反應(yīng), 生成輝石巖[50?52]。

圖10?MELTS分離結(jié)晶模擬結(jié)果與王家大山玄武巖和熔體包裹體成分對比圖

粗虛線和粗實(shí)線分別代表斜長石(Pl)和單斜輝石(Cpx)開始結(jié)晶

Note that the thick dotted and solid lines represent the beginning of crystallization of plagioclase (Pl) and clinopyroxene (Cpx), respectively

圖11?王家大山玄武巖全巖和熔體包裹體的Ca和FeO/MnO與MgO關(guān)系圖解

圖中FeO為全鐵。圖11a底圖引自文獻(xiàn)[56]。圖1s1b橄欖巖部分熔融熔體的成分引自文獻(xiàn)[54]。橄欖巖熔體和輝石巖熔體的分界線FeO/MnO = 60(虛線)引自文獻(xiàn)[57]

FeO data is normalized total Fe. (a) The range of CaO contents for the peridotite partial melts is after [56]. (b) FeO/MnO ratios of the peridotite partial melts are after [54]. The boundary of FeO/MnO=60 between peridotite- and pyroxenite- partial melts (the dashed line) is after [57]

4.3?源區(qū)EMI組分

山東地區(qū)新生代玄武巖的微量元素和同位素組成顯示源區(qū)存在EMI組分[10?11]。然而, 關(guān)于EMI組分來自再循環(huán)大陸下地殼還是再循環(huán)洋殼, 卻存在爭議[10?11]。王家大山玄武巖的全巖微量元素和熔體包裹體鉛同位素組成均顯示源區(qū)中有EMI組分的貢獻(xiàn)(圖5、圖7a), 因而可以為山東地區(qū)新生代玄武巖的源區(qū)EMI組分提供約束?？偟膩碚f, 地幔EMI組分有三種可能成因: 再循環(huán)大陸下地殼, 再循環(huán)遠(yuǎn)洋沉積物和再循環(huán)洋殼輝長巖[59]。盡管再循環(huán)大陸下地殼也具有Ba、K和Sr正異常, 但是, 其明顯的Nb-Ta負(fù)異常和Pb正異常有別于王家大山玄武巖(圖5), 可以排除。橄欖石斑晶的氧同位素可以很好區(qū)分EMI組分是再循環(huán)遠(yuǎn)洋沉積物還是洋殼輝石巖。一般地, 遠(yuǎn)洋沉積物由于在洋殼表面經(jīng)歷低溫?zé)嵋何g變作用, 往往具有比正常地幔高的18O值, 而洋殼輝石巖則在洋殼深部經(jīng)歷高溫?zé)嵋何g變作用, 具有比正常地幔低的18O值[18,60]。盡管本文沒有分析王家大山玄武巖橄欖石斑晶的氧同位素組成, 但是, Xu.[11]報(bào)道了研究區(qū)內(nèi)同期的昌樂玄武巖的橄欖石斑晶具有異常低的氧同位素組成(18O低至4.09‰); 另外, 王家大山玄武巖全巖的微量元素組成蛛網(wǎng)圖分布模式基本和典型的再循環(huán)洋殼輝長巖非常相似(圖5), 這些特征都和洋殼輝長巖吻合。因此, 本文認(rèn)為王家大山玄武巖的源區(qū)EMI組分和含輝長巖的再循環(huán)洋殼有關(guān)。

4.4?源區(qū)不均一性

已有的研究表明, 山東地區(qū)新生代玄武巖的源區(qū)是非常不均一的[9?11,15], 這種現(xiàn)象也出現(xiàn)在王家大山玄武巖中。王家大山玄武巖的熔體包裹體鉛同位素組成從強(qiáng)堿性玄武巖區(qū)域逐漸變化到弱堿性-拉斑玄武巖區(qū)域(圖7a); 同時(shí), 熔體包裹體鉛同位素組成顯示王家大山玄武巖存在兩組熔體包裹體(低207Pb/206Pb和高207Pb/206Pb, 圖7b、圖7c), 這些特征說明王家大山玄武巖的源區(qū)是非常不均一的, 存在堿性玄武巖的源區(qū)端元和弱堿性-拉斑玄武巖源區(qū)端元。鉛同位素的二元混合計(jì)算結(jié)果表明 (圖7a), 王家大山玄武巖高鉛同位素熔體包裹體以弱堿性-拉斑玄武巖源區(qū)端元為主, 強(qiáng)堿性玄武巖源區(qū)源區(qū)端元小于20%, 而低鉛同位素熔體包裹體含更高比例的強(qiáng)堿性玄武巖源區(qū)端元, 強(qiáng)堿性玄武巖源區(qū)端元可達(dá)60%。

然而, 必須注意到王家大山玄武巖的熔體包裹體組分均為弱堿性-拉斑玄武質(zhì), 沒有強(qiáng)堿性玄武質(zhì)成分, 這似乎和源區(qū)中有強(qiáng)堿性玄武巖源區(qū)端元相矛盾。這種現(xiàn)象可以用Ol-CaTs-Qz相圖來解釋。含CO2橄欖巖和輝石巖的熔融實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 低程度熔融形成強(qiáng)堿性熔體, 落在Ol-CaTs的左側(cè); 隨著熔融程度增加, 熔體堿性減弱, 在相圖上逐漸往右側(cè)移動(dòng); 最終落在Ol-CaTs的右側(cè)(圖12a)。山東地區(qū)強(qiáng)堿性玄武巖的源區(qū)有CO2[9,15], 它們落在Ol-CaTs的左側(cè)(圖12b), 說明可能經(jīng)歷低程度的部分熔融; 所有王家大山玄武巖的熔體包裹體組分落在Ol-CaTs右側(cè)(圖12b), 可能經(jīng)歷了更高程度的部分熔融。因此, 本文認(rèn)為王家大山玄武巖中強(qiáng)堿性玄武巖源區(qū)產(chǎn)生弱堿性-拉斑玄武質(zhì)熔體可能是高程度部分熔融的結(jié)果。

圖12?從透輝石[Di]投影的橄欖石(Ol)-Ca-Tschermaks(CaTs)-石英(Qz)相圖(底圖引自文獻(xiàn)[53])

(a)實(shí)驗(yàn)熔體; (b) 山東地區(qū)新生代玄武巖和王家大山玄武巖熔體包裹體(本研究)。山東地區(qū)新生代玄武巖均為只經(jīng)歷橄欖石結(jié)晶分離作用, 并通過加減平衡橄欖石校正到與Fo=90橄欖石平衡。實(shí)驗(yàn)熔體數(shù)據(jù)來源：橄欖巖+CO2引自文獻(xiàn)[61?62]; 硅不飽和輝石巖+CO2引自文獻(xiàn)[63]; MORB-like輝石巖+CO2引自文獻(xiàn)[64?65]。山東地區(qū)新生代玄武巖強(qiáng)堿性玄武巖和弱堿性-拉斑玄武巖的數(shù)據(jù)分別引自文獻(xiàn)[9,57,66,67]和[10,11,66]

(a): high pressure experiments; (b) the compositions of Cenozoic basalts in Shandong Province and melt inclusions of Wangjiadashan basalts (this study). All Cenozoic basalts in Shandong Province are olivine-controlled, and corrected to in equilibration witholivine Fo=90 by adding/subtracting the equilibrated olivine. Data source for experimental partial melts: peridotite+CO2-[61?62]; SiO2-undersaturated pyroxenite+CO2-[63]; and SiO2-oversaturated pyroxenite +CO2-[64?65]. Data source for the strongly alkaline basalts and weakly alkaline-theloiitic basalts of Cenozoic basalts in Shandong is from [9,57,66,67] and [10,11,66], respectively

5?結(jié)?論

(1) 山東昌樂地區(qū)王家大山玄武巖為弱堿性-拉斑玄武巖, 主要經(jīng)歷橄欖石結(jié)晶分離作用。

(2) 根據(jù)橄欖石斑晶成分, 結(jié)合全巖FeO/MnO值和CaO, 指示源區(qū)巖性為輝石巖。

(3) 王家大山玄武巖的全巖微量元素和熔體包裹體鉛同位素組成, 指示源區(qū)有EMI組分, 它可能和再循環(huán)洋殼輝長巖有關(guān)。

(4) 王家大山玄武巖的熔體包裹體鉛同位素組成指示其源區(qū)是不均一的。

感謝中國科學(xué)院廣州地球?qū)W研究所劉穎工程師、涂湘林工程師和胡光黔工程師以及吳蕾研究員助理在全巖主元素以及熔體包裹體樣品制作和電子探針分析工作中的幫助。感謝兩位匿名審稿人提出的寶貴意見。

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Petrogenesis of Cenozoic Wangjiadashan basalts in Changle area, Shandong Province

ZHANG Yin-hui1,2, REN Zhong-yuan1*, HONG Lu-bing1,3, ZHANG Le1,HUANG Xiao-long1and CHEN Lin-li1

1. State Key Laboratory of Isotope Geochemistry, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou?510640, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing?100049, China; 3. Key Laboratory of Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou?510301, China

This study reported major and trace element compositions of bulk rocks, major element andPb isotope compositions of melt inclusions and chemistry of their host olivine in Wangjiadashan basalts, Changle area, Shandong Province to constrain their petrogenesis. The results show that the Wangjiadashan basalts are weakly alkaline to tholeiitic. The major element compositions of the bulk rocks of the Wangjiadashan basalts are similar to those of the melt inclusions there, both showing negative correlation between MgO and other oxides, such as SiO2, TiO2, Al2O3, CaO, Na2O, K2O and P2O5, and relative constant CaO/Al2O3ratios. However, the trace element compositions exhibit EMI-oceanic island basalts’ flavor, characterized by significant positive anomalies of Ba, K and Sr, negative anomalies of Th and Pb, but no anomalies of Nb-Ta and Ti. Pb isotope compositions of the melt inclusions in the Wangjiadashan basalts range from 2.091 ? 2.166 for208Pb/206Pb and 0.846 ? 0.899 for207Pb/206Pb, overlapping the Pb isotope range for the strongly alkaline basalts and weakly alkaline-tholeiitic basalts in Shandong Province. On the basis of Pb isotope compositions, melt inclusions can be classified into two groups: low and high Pb isotope group (207Pb/206Pb<0.86 and207Pb/206Pb>0.87, respectively). Olivine phenocrysts in the Wangjiadashan basalts show Ni 1312 ? 2417 μg/g, Fe/Mn ratios 71 ? 92, Ca 745 ? 2068 μg/g, which are comparable to those from the typical pyroxenitic melts. In contrast to the peridotitic melts-derived olivines, they generally exhibit higher Ni and Fe/Mn, lower Ca at given Fo values. The major element compositions of the bulk rocks and the melt inclusions, together with the petrography and MELTS modeling results, suggest that the Wangjiadashan basalts mainly underwent olivine-controlled fractionation. High Ni and Fe/Mn, low Ca of olivine compositions, combined with low CaO and high FeO/MnO of the bulk rocks, all argue for pyroxenite as the source lithology for the Wangjiadashan basalts. Both the trace element compositions of bulk rocks and the Pb isotope compositions of melt inclusions point to the recycled oceanic gabbro-associated EMI component present in the source. Low and high Pb isotope groups of the melt inclusions indicate the heterogeneous nature of sources for the Wangjiadashan basalts, thus highlighting the highly mantle heterogeneity in Shandong Province.

basalt; olivine; pyroxenite; melt inclusion; mantle heterogeneity; Shandong Province

P581; P597

A

0379-1726(2016)01-0001-23

2015-02-10;

2015-04-03;

2015-04-24

國家自然科學(xué)基金(91214202)

張銀慧(1985–), 女, 博士, 巖石地球化學(xué)專業(yè)。E-mail: jiangno.1@163.com

REN Zhong-yuan, E-mail: zyren@gig.ac.cn; Tel: +86-20-85292969