大別造山帶南坡晚白堊世玄武巖成因及形成環(huán)境分析

大別造山帶南坡晚白堊世玄武巖成因及形成環(huán)境分析

在印支期，大別造山帶發(fā)生了大規(guī)模的陸-陸碰撞。經(jīng)過破壞，該區(qū)地殼和地幔的組成發(fā)生變化。地殼幔的調(diào)整應(yīng)不可避免地導(dǎo)致地幔組成（例如養(yǎng)分和同位素）的變化。本文試圖從大別造山帶產(chǎn)出的幔源巖石——晚白堊世玄武巖的地球化學(xué)特征出發(fā),來探討大別造山帶陸內(nèi)造山作用對(duì)本區(qū)地幔成分改造的影響。1順層玄武巖k-ar在大別造山帶南坡,從大悟劉三灣,向東經(jīng)黃陂李集、新集,新洲王家崗、走馬胡、江磴、李店,麻城袁家畈、胡家崗,到黃石段家灣、三家店,有大量玄武巖出露,順層產(chǎn)于白堊紀(jì)東湖群紅色砂巖和砂礫巖中,其K-Ar年齡為81.3Ma(靳宗飛,1991),屬晚中生代巖漿活動(dòng)產(chǎn)物。據(jù)常量元素、微量元素和Sr-Nd同位素等系統(tǒng)的地球化學(xué)研究確定,這些玄武巖為大陸堿性玄武巖系,巖漿在上升、冷卻過程中結(jié)晶分異和陸殼混染的影響微弱,巖漿的進(jìn)化程度很低,其化學(xué)成分(表1)能近似代表本區(qū)原生玄武巖漿性質(zhì)(匡少平,2000)。2玄武巖源區(qū)的地幔特征2.1強(qiáng)相對(duì)穩(wěn)定作用的玄武巖石化工藝-熱相容元素模型大別造山帶南坡玄武巖的稀土元素組成模式相似,除孝昌劉三灣、麻城市東北的輕稀土元素含量略偏高外,其它地區(qū)稀土元素之間的分異接近,且集中在一個(gè)狹小的區(qū)域內(nèi)(圖1),反映它們具有相同或相似的源區(qū)性質(zhì)。在高度不相容元素與強(qiáng)相容元素La-Cr、Co對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖解上(圖2),樣品點(diǎn)分布于一條平行于水平軸的直線附近,反映這些玄武巖基本屬平衡部分熔融作用的產(chǎn)物(Cocherine,1986)。在Th-Th/REE圖解上(圖3),樣品點(diǎn)形成一條擬合極好的直線,反映上述平衡部分的熔融作用可用批次平衡部分熔融(MinsterandAllegre,1978)來模擬。2.2元素相似性順序由于本區(qū)玄武巖屬平衡批次部分熔融的產(chǎn)物,因此我們可以利用分配系數(shù)理論來確定大別玄武巖形成過程中元素不相容性的具體順序,并以此揭示玄武巖源區(qū)地幔的某些特征。根據(jù)MinisterandAllegre(1978)導(dǎo)出的熔體中兩種元素含量的關(guān)系式:可知,若P不變,則在(1/C對(duì)于高度不相容元素(H)和中等不相容元素(M)而言,其D值小,P值的變化也很小,可忽略不計(jì)。故(1)式可簡化為線性方程:在(1/C若j元素為高度不相容(H)元素,則D由公式(3)可得:由于局域地幔成分可視為是相對(duì)均一的,因而D由表2可知:1)所有元素在Th/Trace-Th關(guān)系上大約為一條直線,均遵循批次平衡部分熔融模式;2)Cs、Nb兩元素A<0,由公式(4),它們既有PHoffmann(1988)曾提出了殼幔分異過程中元素相容性順序是:Rb、Pb、U、Th、Ba、K、La、Ce、Nb、Pr、Sr、Nd、Zr、Na、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Yb、Er、Y、Tm、Ti、Lu、Cu、Sc。將表2計(jì)算的元素相容性順序與之比較發(fā)現(xiàn),兩者順序基本一致,特別是弱不相容元素;高度不相容元素的順序存在一定的差別,Rb、Pb、U、K在Hoffmann(1988)的排序中為高度不相容元素,但在本文的排序中其相容性明顯大于Nb、Ta、Zr、Hf、P等高場(chǎng)強(qiáng)元素。由于元素相容性的實(shí)質(zhì)是其總分配系數(shù)大小的順序,而分配系數(shù)又受體系成分、溫度和壓力等因素的影響,因此,在不同地質(zhì)條件下的部分熔融過程中,元素的相容性順序會(huì)發(fā)生改變。以元素B/A值大小重新確定的元素相容性順序作原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化元素豐度模式圖(圖4)。若源區(qū)地幔相對(duì)原始地幔所有元素不發(fā)生虧損和富集,則其組成模式應(yīng)為一條平滑右傾的斜線,相當(dāng)于圖4的虛線。根據(jù)元素與相對(duì)該斜線的偏離情況,我們可推測(cè)地幔的各元素富集與虧損程度。由圖4揭示,本區(qū)玄武巖源區(qū)相對(duì)原始地幔,Pb、K、Rb、Ba等顯著富集,而Sc、V、Zn、Cu、Ga等強(qiáng)烈虧損,高場(chǎng)強(qiáng)元素Hf中度虧損,P、Nb微弱虧損,Th等元素基本未發(fā)生明顯富集或虧損。巖石中元素的富集和虧損特征為揭示其源區(qū)地幔特征提供了信息。如高場(chǎng)強(qiáng)元素的虧損多為島弧火山巖的特征(Gill,1981),陸殼物質(zhì)對(duì)地幔的改造也是造成高場(chǎng)強(qiáng)元素虧損的重要原因之一(Dunganetal.,1986),結(jié)合本區(qū)巖石具有地殼中富集的Pb、K、Rb、Ba等高度不相容元素正異常,我們認(rèn)為本區(qū)玄武巖漿源區(qū)地幔曾經(jīng)受到陸殼物質(zhì)的改造。2.3大別造山帶南部玄武巖源區(qū)地幔端元測(cè)定大別造山帶南部玄武巖Pb同位素組成特征(匡少平,2000)為3不同巖性對(duì)中國東部虧地表土性質(zhì)的認(rèn)識(shí)如前所述,Sr-Nd-Pb同位素特征表明,大別南部中生代玄武巖源區(qū)具有DM與EMⅠ、EMⅡ3地幔端元混合的性質(zhì)。而巖石中高場(chǎng)強(qiáng)元素的明顯虧損和Pb、K、Rb、Ba正異常表明,玄武巖源區(qū)具有陸源物質(zhì)改造的特點(diǎn),這說明地幔的富集作用可能與陸殼物質(zhì)的加入有關(guān)。李曙光等(1997)對(duì)蘇、魯、皖等地區(qū)第三紀(jì)玄武巖的同位素地球化學(xué)研究發(fā)現(xiàn),郯廬斷裂帶附近的嘉山玄武巖源區(qū)地幔顯示具有EMⅠ型端元組分的特征,并用榴輝巖和虧損地幔的混合來解釋。Gaoetal.(1998)在研究中國東部大陸地殼組成時(shí)發(fā)現(xiàn),地殼總體組成偏中性,并將此歸因于下地殼(殼幔邊界)基性榴輝巖的拆沉作用。大別出露多種榴輝巖,如果它們確與地幔發(fā)生混合,派生的玄武巖的組成特征將反映這一過程。以下將通過微量元素對(duì)此問題作一討論。首先,若本區(qū)地幔不發(fā)生富集作用,那么本區(qū)地幔應(yīng)與中國東部(華北和揚(yáng)子)虧損地幔特征相似。其次,由于中國東部新生代玄武巖具有原生玄武巖漿的性質(zhì)(鄧晉福,1996),因此,玄武巖的高度不相容元素比值基本可代表中國東部虧損地幔的特征。在Nb/U-Ta/U圖解上(圖6a),大別榴輝巖分布于低Nb/U、Ta/U比值區(qū),中國東部虧損地幔位于高Nb/U、Ta/U區(qū),而大別南部玄武巖近似位于這兩個(gè)區(qū)域的連線上,這一特點(diǎn)揭示,大別玄武巖的地幔源區(qū)可能由大別榴輝巖與中國東部虧損地?；旌隙?。在Th/U-Pb/U圖解上(圖6b),中國東部地幔、大別榴輝巖和大別玄武巖的Pb/U比值的低限都差不多,但變化范圍不同,顯示出3者完全不同的特征。對(duì)中國東部地幔而言,其Pb/U比值很低,一般小于是15,明顯虧損Pb;而大別南部玄武巖的Pb/U比值明顯偏高,其Pb/U比值的上限可達(dá)40;榴輝巖的Pb/U比值具有極寬的變化范圍,最高可達(dá)180。很顯然,大別南部玄武巖正Pb異常的存在也完全可以用中國東部虧損地幔與榴輝巖的混合來獲得。從圖6b還可看出,上述3類巖石Th/U比值均具有很寬的變化,且范圍基本一致;因此,即使發(fā)生榴輝巖的混合作用,也不會(huì)明顯改變地幔的Th/U比值。這與圖4所顯示的大別南坡玄武巖基本不具Th異常相吻合。此外,上述玄武巖在Yb/Hf-P/Yb圖解上(圖6c)的分布同樣可以得出類似的認(rèn)識(shí)。中國東部虧損地幔源區(qū)具有較高的P/Yb比值和較低的Yb/Hf比值,反映高場(chǎng)強(qiáng)元素P、Hf的相對(duì)富集(至少不會(huì)貧乏這些元素)。大別榴輝巖的成分變化范圍很寬,其特征與中國東部地幔恰好相反,P/Yb比值相對(duì)較低,而Yb/Hf比值較高,顯然具有虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素P、Hf的性質(zhì)。大別南部玄武巖位于中國東部地幔和大別榴輝巖分布區(qū)域之間的連線上,其成分變化明顯受兩端元組分控制,這再次揭示大別南部玄武巖源區(qū)地幔曾經(jīng)受到過榴輝巖的混合作用,即大別玄武巖原始地幔顯示出的明顯的P、Hf負(fù)異常(圖4),主要由該區(qū)貧P、Hf的榴輝巖對(duì)地幔的混染造成。根據(jù)以上研究,我們認(rèn)為大別地區(qū)在晚白堊世前發(fā)生過榴輝巖的拆沉作用,因?yàn)樵撛焐綆戆讏资佬鋷r的高場(chǎng)強(qiáng)元素的虧損和Pb等元素的富集完全可以由中國東部虧損地幔與大別榴輝巖的混合來獲得,說明大別榴輝巖是造成大別玄武巖源區(qū)地幔成分變化的主要原因,我們也據(jù)此認(rèn)為榴輝巖的拆沉和對(duì)地幔的改造以及殼幔成分的重新調(diào)整是造成地幔富集的主要原因。其次,用元素B/A的大小確定的大別南部玄武巖形成過程中元素的相容性順序,反映其