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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)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(lái)確定大別玄武巖形成過(guò)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(jiǎn)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(guò)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(guò)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(guó)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(shuō)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(lái)解釋。Gaoetal.(1998)在研究中國(guó)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(guò)程。以下將通過(guò)微量元素對(duì)此問(wèn)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(guó)東部(華北和揚(yáng)子)虧損地幔特征相似。其次,由于中國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)東部虧損地?；旌隙?。在Th/U-Pb/U圖解上(圖6b),中國(guó)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(guó)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(guó)東部虧損地幔與榴輝巖的混合來(lái)獲得。從圖6b還可看出,上述3類(lèi)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(lèi)似的認(rèn)識(shí)。中國(guó)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(guó)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(guó)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(guò)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(guò)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(guó)東部虧損地幔與大別榴輝巖的混合來(lái)獲得,說(shuō)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(guò)程中元素的相容性順序,反映其