華南中生代玄武巖地球化學(xué)特征及其地球動力學(xué)意義

李 賽，段先哲,2，牛蘇娟，李 南，孫浩然，吳 鵬，戴浩橦，郭 聰，丁心科

(1.南華大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南衡陽 421001；2.稀有金屬礦產(chǎn)開發(fā)與廢物地質(zhì)處置技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南衡陽 421001；3.南華大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南衡陽 421001；4.浙江省核工業(yè)二六二大隊，浙江湖州 313000)

1 引言

玄武巖是廣泛分布于地球上的基性巖漿巖。由于玄武巖能夠很好地反映地幔物質(zhì)組成，且對于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境以及地球動力學(xué)的研究有重要意義(White，1985；Zhang et al.，2002；張樹明和王方正，2002)，因此受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，一直是地球科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(White，1985；Zhang et al.，2002；Wang et al.，2004，2008；Chen et al.，2008；吳揚名，2019)。

玄武巖分為大洋玄武巖和大陸玄武巖兩種類型。由于大洋玄武巖易于反映源區(qū)性質(zhì)，且基本沒有受到巖石圈的混染，所以，早期的研究工作更多聚焦于大洋玄武巖(Fitton and Dunlop，1985；White，1985)。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和新方法的應(yīng)用，對地球化學(xué)特征更為復(fù)雜的大陸玄武巖的研究也越來越普遍(Zhang et al.，2002；張樹明和王方正，2002；Chen et al.，2008；Wang et al.，2004，2008；Zeng et al.，2017；Duan et al.，2020)。大陸玄武巖成分與裂谷擴張、板塊俯沖、地幔深部過程等區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)，因而在大陸巖石圈演化的研究中發(fā)揮著重要作用。當前大陸玄武巖的研究更是與地球物理、數(shù)值模擬、大數(shù)據(jù)等方法相結(jié)合，不斷朝著更加深入、深遠的方向發(fā)展。

華南板塊作為中國東部巖石圈的重要組成部分，對于重建全球大陸巖石圈演化歷史具有重要的地位。中生代時期，華南板塊發(fā)生了大規(guī)模的巖漿活動(徐夕生和謝昕，2005；張達等，2021；郭小飛等，2022；孫建東等，2022)，產(chǎn)生了大量的玄武巖。這些玄武巖主要分布在湖南、江西、浙江和福建等地，為研究華南巖石圈演化提供了重要的窗口。雖然前人對華南中生代玄武巖開展了大量的研究(如郭鋒等，1998；趙振華等，1998；周金城和陳榮，2001；Wang et al.，2003；Wang et al.，2003；Chen et al.，2008；Jiang et al.，2009；楊金豹等，2015；Duan et al.，2020)，但是對于玄武巖的源區(qū)性質(zhì)和構(gòu)造環(huán)境等認識存在著較大爭議。例如，關(guān)于玄武巖的源區(qū)性質(zhì)主要有以下三個觀點：(1)一種觀點認為該區(qū)玄武巖具有富集地幔屬性特征(趙振華等，1998；賈大成等，2000；章邦桐等，2002；Wang et al.，2003,2008；Li et al.，2004；謝昕等，2005；Chen et al.，2008；劉勇等，2010；楊金豹等，2015)；(2)再一種觀點認為玄武巖具有虧損地幔源屬性特征，但后期受到陸殼的混染作用(黃國祥，1989；王京彬，1991；郭鋒等，1998；李昌年等，2001)；(3)另一種觀點認為玄武巖源區(qū)具有EMⅡ富集地幔及虧損地?；旌咸卣?章邦桐等，2002)。關(guān)于玄武巖的構(gòu)造環(huán)境，前人提出了三種不同的觀點：(1)一種觀點認為華南中生代玄武巖主要形成于大陸裂谷構(gòu)造環(huán)境(王京彬，1991；陳必河，1994；吳有林和林舸，1996；戴寶章等，2005)；(2)一種觀點認為華南中生代玄武巖地球化學(xué)特征與Condie(1989)提出的世界上大陸裂谷玄武巖典型特征不一致，因而認為該區(qū)玄武巖形成的構(gòu)造環(huán)境不是大陸裂谷環(huán)境而是大陸板內(nèi)構(gòu)造環(huán)境(許美輝，1992；毛建仁，1994；趙振華等，1998；賈大成等，2002；章邦桐等，2002；戴寶章等，2005；謝昕等，2005；馬鐵球等，2012；王峰，2021)；(3)另一種觀點認為華南中生代玄武巖形成環(huán)境為大陸板內(nèi)環(huán)境，但是受到古太平洋俯沖板塊不同程度的影響(Jiang et al.，2009；楊金豹等，2015；Duan et al.，2020)。本文系統(tǒng)性地分析了華南中生代玄武巖地球化學(xué)特征，深入探討玄武巖源區(qū)性質(zhì)、構(gòu)造環(huán)境及其地球動力學(xué)意義，以期為華南有色金屬、稀有金屬等多金屬礦產(chǎn)的勘探與開發(fā)提供參考和依據(jù)。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

華南板塊形成于新元古代時期華夏地塊和揚子地塊的碰撞拼合，位于亞歐大陸東部地區(qū)的南端，東部與太平洋相鄰，西臨攀西構(gòu)造帶，北部連接秦嶺-大別造山帶，南瀕海南(陳衛(wèi)鋒等，2005；李獻華等，2008；劉成林等，2016)(圖1)。

圖1 華南構(gòu)造地質(zhì)簡圖(據(jù)Jiang et al.，2009)

中生代時期，華南板塊大地構(gòu)造發(fā)生劇烈變動(任紀舜，1984；趙越等，2004)，受到印支運動和燕山運動的強烈影響，巖漿活動廣泛，出露大面積火成巖(任紀舜，1984；黃國祥，1989)，總出露面積約為22,000 km2，約占華南地表的28.3%?；鸪蓭r以流紋巖和花崗巖為主，玄武巖分布相對較少(不足10%)(Qin et al.，2020)。華南中生代玄武巖主要有兩個分布帶，一個是包括湘南、贛南和閩西南的近 EW走向的巖帶，另一個是包括浙江及福建兩省和江西及湖南的部分地區(qū)在內(nèi)的更臨近太平洋的東南沿海帶(圖1)(戴寶章等，2005)。玄武巖主要以雙峰式火山錐的形式出現(xiàn)，以斑狀結(jié)構(gòu)和塊狀構(gòu)造為主，含有豐富的深源包體，主要包括輝長巖、片麻巖、橄欖巖和麻粒巖等。與板塊俯沖有關(guān)的伸展構(gòu)造環(huán)境可能對華南中生代玄武巖的形成發(fā)揮著重要作用(徐夕生和謝昕，2005；Duan et al.，2020)。

華南玄武巖中含有不同種類的地幔捕虜體(如二輝橄欖巖、輝石巖和輝長巖)(趙振華等，1998；李昌年等，2001；Liu et al.，2012；楊金豹等，2015；Duan et al.，2020；Wang et al.，2022)。這些捕擄體作為巖石成因指標，對于揭示大陸巖石圈地幔的形成與演化具有重要意義。

對華南中生代玄武巖的年齡測定，主要包括K-Ar定年法、鋯石 LA-ICP-MS U-Pb定年法、Ar-Ar法以及同位素定年法等方法。其中，最常見的是K-Ar定年法和鋯石 LA-ICP-MS U-Pb定年法(表1)。從表1可知，華南中生代玄武巖的形成時代主要是侏羅世和早白堊世(徐夕生和謝昕，2005)。

表1 華南中生代玄武巖年齡數(shù)據(jù)

續(xù)表1

3 華南中生代玄武巖地球化學(xué)特征

3.1 主、微量元素特征

3.1.1 主量元素特征

本研究分析了寧遠、道縣、長城嶺、白面山、汝城五個地區(qū)中生代玄武巖地球化學(xué)數(shù)據(jù)，如表2所示。由表2可知，這些地區(qū)玄武巖總體SiO2含量為42.57 wt%～55.54 wt%(大部分位于50 wt%左右)，全堿(Na2O+K2O)含量為1.6 wt%～5.97 wt%(平均3.17 wt%)。從圖2a可以看出，長城嶺、白面山和汝城地區(qū)的玄武巖含硅量最高，道縣地區(qū)次之，寧遠地區(qū)最低。道縣和寧遠玄武巖SiO2含量為42.57 wt%～48.99 wt%，Na2O+K2O含量為2.25 wt%～5.97 wt%，位于堿性玄武巖范圍(SiO2<45 wt%，Na2O+K2O>4 wt%)，而長城嶺、白面山、汝城地區(qū)玄武巖SiO2和Na2O+K2O含量落在亞堿性玄武巖范圍(SiO2=45 wt%～55 wt%，Na2O+K2O≤4 wt%)之內(nèi)，表明道縣和寧遠地區(qū)主要為堿性玄武巖，而長城嶺、白面山、汝城地區(qū)主要為亞堿性玄武巖。長城嶺、白面山以及汝城地區(qū)玄武巖Na2O>K2O，屬于鈉質(zhì)玄武巖，而道縣玄武巖含鈉量相對較少，含鉀量較高(圖2c、d)，表明該地區(qū)主要為鉀質(zhì)玄武巖。此外，相比其他地區(qū)，道縣玄武巖TiO2和Al2O3含量較低，而CaO相對較高(圖2b、e、f)。

表2 華南中生代玄武巖主微量元素含量數(shù)據(jù)

續(xù)表2

圖2 MgO與其他主量元素關(guān)系圖解

從SiO2-Na2O+K2O圖解可以看出(圖3)，研究區(qū)樣品大多數(shù)落入玄武巖范圍。道縣和寧遠玄武巖大多數(shù)落入Ir-Irvine分界線以上，而長城嶺、白面山、汝城地區(qū)玄武巖均落入Ir-Irvine分界線以下，表明道縣和寧遠地區(qū)的玄武巖相比其他地區(qū)更偏堿性。

圖3 華南中生代玄武巖SiO2-Na2O+K2O圖解(圖中虛線為Ir-Irvine分界線，上方為堿性，下方為亞堿性)(據(jù)

3.1.2 微量元素特征

從微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖可知(圖4a)，研究區(qū)樣品微量元素配分曲線整體上有向右傾斜的趨勢，但不同地區(qū)玄武巖的大離子親石元素(LILEs)和高場強元素(HILEs)含量存在一定的差異。例如，道縣、長城嶺、白面山及汝城中生代玄武巖相對富集大離子親石元素(LILEs)(如Rb、Sr、Ba)，虧損高場強元素(HILEs)(Nb、Ta、Zr、Hf、P、Ti)，與島弧玄武巖(IABs)以及華北克拉通中生代玄武巖微量元素配分型式相似，其中道縣玄武巖LILEs富集和HILEs虧損最為明顯。而寧遠玄武巖LILEs富集不明顯，HILEs未發(fā)生虧損，其微量元素分配型式與洋島玄武巖(OIB)相似。所有樣品的Nb/Ta比值(Nb/Ta=14.5～18.83)與原始地幔值(17.5)接近，暗示玄武巖的地幔源區(qū)。

3.1.3 稀土元素特征

從稀土元素球粒隕石標準化配分曲線圖可知(圖4b)，研究區(qū)樣品的輕稀土元素相對富集(∑LREE=61.69～242.76 ×10-6)，重稀土元素相對虧損(∑HREE=12.71～51.86 ×10-6)，具有向右傾斜的稀土分布模式，且向右逐漸收斂，無明顯Eu異常。相比華北中生代玄武巖，研究區(qū)樣品的輕稀土元素富集程度相對較低。各個地區(qū)玄武巖之間的稀土元素總體含量(∑REE)存在著較大差異，道縣地區(qū)最高(∑REE=192.8～263.99×10-6)，其次是寧遠(∑REE=155.71～229.73×10-6)、白面山(∑REE=104.89～236.23×10-6)和長城嶺(∑REE=92.77～121.63 ×10-6)，汝城最低(∑REE=75～103.92 ×10-6)。輕稀土元素相對富集表明華南中生代玄武巖可能形成于富集地幔較低程度的部分熔融。所有樣品具有向右傾斜的稀土分布模式，說明該區(qū)玄武巖具有相似的巖漿來源。無明顯Eu異常表明玄武巖地幔源區(qū)中斜長石含量較低或者無明顯的斜長石分離結(jié)晶。

圖4 華南中生代玄武巖微量元素標準化圖(a,微量元素原始地幔標準化圖;b,稀土元素球粒隕石標準化圖)

3.2 Sr-Nd-Pb 同位素特征

表3和圖5為研究區(qū)中生代玄武巖Sr-Nd-Pb同位素特征。從表3中可以看出，玄武巖Sr、Nd和Pb同位素值變化范圍較大，表現(xiàn)為87Sr/86Sr=0.703742～0.710969，143Nd/144Nd=0.512431～0.512904，εNd(t)=-3.8～9.5，206Pb/204Pb=18.454～19.7926，207Pb/204Pb=15.5761～15.803，208Pb/204Pb=38.539～39.8783。相對其他地區(qū)的玄武巖，寧遠玄武巖的87Sr/86Sr值最低而143Nd/144Nd值最高，206Pb/204Pb和208Pb/204Pb值最高，207Pb/204Pb值最低。道縣玄武巖的143Nd/144Nd和208Pb/204Pb值最低，白面山玄武巖的87Sr/86Sr和207Pb/204Pb最高。

表3 華南地區(qū)中生代玄武巖Sr-Nd-Pb同位素成分數(shù)據(jù)

圖5 Sr-Nd-Pb關(guān)系圖解(a，143Nd/144Nd-87Sr/86Sr；b，207Pb/204Pb-206Pb/204Pb；c，208Pb/204Pb-206Pb/204Pb)

4 討論

4.1 地殼混染

玄武質(zhì)巖漿在上升過程中會經(jīng)過一定厚度的地殼層，且通過地殼需要一些時間，還有可能會停留。因此，一些研究認為華南中生代玄武巖可能會受到地殼物質(zhì)的同化混染作用(郭鋒等，1998；張樹明和王方正，2002；謝昕等，2005)。但更多研究認為該區(qū)中生代玄武巖中地幔包體的捕獲(趙振華等，1998；李昌年等，2001；Liu et al.，2012；楊金豹等，2015；Duan et al.，2020；Wang et al.，2022)，表明巖漿上升較快，與地殼巖石沒有明顯的混染。這也可由本研究中生代玄武巖的微量元素特征所支持。微量元素方面，研究區(qū)玄武巖的Nb/Ta=14.5～18.83，與原始地幔值(Nb/Ta=17.5)相當，遠離地殼值(Nb/Ta=10.9)；Zr/Hf的平均值為39.6，與原始地幔47±10接近；Rb/Ba值非常低(平均值為0.16)。因此，以上證據(jù)可以排除華南中生代玄武巖遭受了地殼混染作用。

4.2 部分熔融和分離結(jié)晶

前人研究認為華南中生代玄武質(zhì)巖漿是巖石圈地幔部分熔融的產(chǎn)物(郭鋒等，1998；李昌年等，2001；賈大成等，2002；謝昕等，2005；Duan et al.，2020)，在形成之后經(jīng)歷了不同程度的分離結(jié)晶作用(黃國祥，1989；盧清地等，2000；李昌年等，2001；謝昕等，2005；楊金豹等，2015；楊帆等，2018；Duan et al.，2020)，這可由本研究中玄武巖的主量元素數(shù)據(jù)所支持(圖2)。由于單斜輝石結(jié)晶會降低玄武巖中Cr、MgO和CaO的含量，因而玄武巖的CaO/Al2O3-CaO(圖6b)和Cr-MgO(圖6c)正相關(guān)性，表明該區(qū)中生代玄武質(zhì)巖漿經(jīng)歷了單斜輝石結(jié)晶。寧遠、白面山和汝城玄武巖Ni-MgO 正相關(guān)(圖6c)，表明該區(qū)中生代玄武質(zhì)巖漿可能經(jīng)歷了橄欖石結(jié)晶，因為橄欖石的分離結(jié)晶降低MgO和Ni的含量。Eu無明顯負異常，表明沒有明顯的斜長石結(jié)晶。因此，玄武巖在演化過程中經(jīng)歷了橄欖石和單斜輝石的分離結(jié)晶，并沒有發(fā)生明顯的斜長石結(jié)晶。

圖6 La-La/Sm圖(a)，CaO/Al2O3-CaO圖(b)，MgO-Ni圖(c)，MgO-Cr圖(d)

另一方面，玄武巖樣品的La/Sm-La關(guān)系圖顯示出La/Sm與La之間的正相關(guān)關(guān)系(圖6a)，說明華南中生代玄武巖的形成主要受控于部分熔融。

4.3 源區(qū)屬性特征

從圖5a可以看出，本研究玄武巖樣品遠離虧損地幔端元(DM)，排除了玄武巖虧損地幔源區(qū)。研究區(qū)大部分地區(qū)的中生代玄武巖Sr-Nd-Pb同位素數(shù)據(jù)位于EMII范圍內(nèi)或附近，表明這些地區(qū)的玄武巖來自于EMII富集地幔源區(qū)，源區(qū)可能有洋殼沉積物的參與。然而，寧遠玄武巖有較高的143Nd/144Nd(0.51258～0.512904)值和較低的87Sr/86Sr(0.703977～0.70957)值，投點均位于洋島玄武巖(OIB)范圍內(nèi)，暗示與OIB相似的源區(qū)屬性。OIB被認為形成于軟流圈地幔源區(qū)(Hofmann，1997)，表明寧遠玄武巖源區(qū)可能有軟流圈地幔物質(zhì)的參與。上述特征表明華南巖石圈地幔源區(qū)的不均一性。

4.4 構(gòu)造環(huán)境及動力學(xué)意義

由于不同構(gòu)造背景下玄武巖的地球化學(xué)特征存在著差異(張樹明和王方正，2002)，因而可以通過玄武巖的地球化學(xué)特征判別華南中生代玄武巖的構(gòu)造環(huán)境(表4)。從表4可以看出，玄武巖形成的構(gòu)造環(huán)境判別方法包括Zr/Y-Zr、Rb/Y-Nb/Y、Th/Hf-Ta/Hf、Nb/Y-Zr/Y、Rb-Y+Nb、100*Th/Zr-100*Nb/Zr、Hf-Th-Nb/2、Nb-Y 、TiO2*10-K2O*10和Th-Hf/Ta/3等圖解法。這些方法中，目前普遍采用Th/Hf-Ta/Hf、Zr/Y-Zr、TiO2*10-K2O*10和Th-Hf/Ta/3等圖解法。

表4 構(gòu)造環(huán)境判別方法

在Th /Hf-Ta /Hf圖上(圖7a)，道縣和白面山玄武巖投點在大陸張性(初始裂谷)玄武巖區(qū)，具有較高的Th/Hf和Ta/Hf比值，寧遠玄武巖主要位于陸內(nèi)裂谷堿性玄武巖區(qū)，與洋島玄武巖(OIB)接近，而長城嶺、汝城玄武巖主要位于陸內(nèi)裂谷和陸緣裂谷拉斑玄武巖區(qū)，反應(yīng)了華南中生代玄武巖主要形成于板內(nèi)伸展/裂谷構(gòu)造背景。在Zr /Y-Zr圖解(圖7b)中，幾乎所有樣品都落在板內(nèi)玄武巖區(qū)；在Al2O3-TiO2-K2O(圖7c)和Th-Hf/3-Ta(圖7d)圖解中，道縣和汝城玄武巖落在島弧玄武巖范圍，表明華南中生代玄武巖的形成可能與大洋板塊俯沖有關(guān)。

圖7 華南中生代玄武巖構(gòu)造環(huán)境判別圖

華南巖石圈自古生代以來發(fā)生了強烈改造，即下伏地幔從厚的、冷的、難熔型的古老(太古代或元古代)地幔轉(zhuǎn)變?yōu)楸〉摹岬?、飽滿型的新生地幔，可能誘發(fā)了華南廣泛的多金屬礦化(Qi et al.，1995；Griffin et al.，1998；Fan et al.，2000；Xu et al.，2000；Xu et al.，2003；Zheng et al.，2004；Liu et al.，2012；Liu et al.，2012；Duan et al.，2020；Guo et al.，2021；趙亮亮等，2021；Wang et al.，2022)。然而，對于華南巖石圈的改造機制依然尚不清楚。本研究中的華南中生代玄武巖地球化學(xué)特征表明玄武巖的EMII富集地幔源區(qū)，后者被認為與大洋板塊俯沖有關(guān)。最近的構(gòu)造和地震層析研究表明，自燕山期以來，太平洋板塊向西俯沖在中國東部(可能達到湘南)之下(Zhao et al.，2004；Huang and Xu，2010)。因此，筆者認為華南巖石圈改造與中生代古太平洋俯沖板塊的交代作用有關(guān)；古太平洋俯沖板塊所釋放的酸性熔體/流體與地幔橄欖巖相互作用，最終造成了華南巖石圈地幔物理化學(xué)性質(zhì)的強烈改變。

4.5 對湘南稀有金屬成礦作用的啟示

華南分布著許多大型有色金屬、稀有金屬等多金屬礦床，包括大坳鎢錫礦、柿竹園鎢、錫、鉍、鉬等稀有金屬礦床和黃沙坪鉛鋅礦床等(趙振華等，1998；賈大成等，2002；Liu et al.，2007)。這些礦床大部分形成于晚侏羅世，與道縣玄武巖的形成時間相同(趙振華等，1998；賈大成等，2002)。研究表明，鎢、錫、銻、鉍、鉛、鈾、銅等元素相對原始地幔幾倍至幾十倍富集特征可能與地幔交代作用和含水熔體/流體參與有關(guān)(王京彬等，1991；趙振華等，1998)。如上文所述，華南中生代玄武巖地幔源區(qū)可能有古太平洋俯沖板塊物質(zhì)的貢獻。因此，我們認為古太平洋俯沖板塊物質(zhì)在華南多金屬成礦作用中扮演了重要角色，其釋放的熔體或流體為礦石活化和遷移提供了重要的驅(qū)動力。

5 結(jié)論

本文系統(tǒng)研究了華南寧遠、道縣、長城嶺、白面山、汝城地區(qū)中生代玄武巖的主微量元素及Sr-Nd-Pb同位素組成，得出如下結(jié)論：

(1)華南中生代玄武巖主要由堿性和亞堿性玄武巖組成。除了寧遠玄武巖具有OIB型微量元素特征，華南中生代玄武巖具有島弧玄武巖相似的微量元素配分型式。

(2)Sr-Nd-Pb同位素特征表明華南中生代玄武巖為EMⅡ地幔源區(qū)，其源區(qū)可能有洋殼沉積物質(zhì)的參與。

(3)華南中生代玄武巖的形成主要受控于部分熔融，且在巖漿演化過程中經(jīng)歷過不同程度的分離結(jié)晶作用，未遭受明顯的地殼混染作用。

(4)華南中生代玄武巖可能形成于與古太平洋板塊俯沖相關(guān)的大陸板內(nèi)環(huán)境。

(5)華南巖石圈改造可能與中生代古太平洋俯沖板塊的交代作用有關(guān)，后者所釋放的酸性熔體/流體與地幔橄欖巖相互作用，最終造成了華南巖石圈物理化學(xué)性質(zhì)的強烈改變。

(6)古太平洋俯沖板塊可能對華南有色金屬、稀有金屬等多金屬成礦發(fā)揮著重要作用，其釋放的熔體或流體是礦石活化和遷移重要的驅(qū)動力。