華北克拉通東北緣龍馬第四紀(jì)玄武巖地球化學(xué)特征

華北克拉通東北緣龍馬第四紀(jì)玄武巖地球化學(xué)特征

1中國東部新生代玄武巖pb同位素組成從海南島到黑龍江省，中國東部發(fā)育著大量的新生代玄武巖。古生代主要是拉柱玄武巖，伴有少量堿性玄武巖。新近紀(jì)以后,主要發(fā)育含有深源捕擄體和巨晶的堿性玄武巖,伴有少量的拉斑玄武巖。自上個世紀(jì)80年代以來,許多學(xué)者對其進行了廣泛的巖石學(xué)、礦物學(xué)和地球化學(xué)研究(ZhouandArmstrong,1982;Pengetal.,1986;鄂莫嵐和趙大升,1987;Songetal.,1990;FanandHooper,1991;Basuetal.,1991;Tuetal.,1991;Floweretal.,1992;Liuetal.,1994;Chungetal.,1995;Zhangal.,1995;杜樂天,1996;Xuetal.,1998,2000;Chung,1999;Zouetal.,2000;Hoetal.,2003;Zhangetal.,2005;Xuetal.,2005;Yingetal.,2006;Chenetal.,2006)。研究結(jié)果表明,新生代堿性玄武巖具有較為一致的、類似軟流圈地幔的虧損Sr-Nd同位素組成(絕大多數(shù)樣品的87Sr/86Sr=0.7032～0.7053,εNll=0～8),同時具有類似洋島玄武巖(OIB)的輕稀土(LREE)富集的特征((La/Yb)N>8)。值得關(guān)注的是,這些玄武巖的Pb同位素組成較為特殊,一方面,中國東部新生代堿性玄武巖富集放射性成因Pb,具有Dupal異常,但Pb同位素組成的變化范圍比Hart(1984)所定義的Dupal異常的范圍更大(Chung,1999;Zouetal.,2000);另一方面,中國東部新生代堿性玄武巖的Pb同位素組成具有區(qū)域性差異,具體表現(xiàn)為以蘇北盆地為界(華北地塊和華南地塊的深部縫合線位置),以北的玄武巖具有類似EMI的Pb同位素組成;以南的玄武巖具有類似EMII的Pb同位素組成(Chung,1999;Zouetal.,2000)。這種Pb同位素組成的區(qū)域性規(guī)律在朝鮮半島的南部和北部(相當(dāng)于華北和華南地塊)的新生代玄武巖中也有確切的表現(xiàn)(Choietnl.,2006)。玄武巖這種地球化學(xué)特征的產(chǎn)生是巖石圈-軟流圈相互作用的結(jié)果(Zouetal.,2000),還是巖漿源區(qū)-軟流圈本身的特征(Choietal.,2005),目前還存有爭議。雖然中國東部新生代玄武巖的研究程度較高,作為對地幔源區(qū)性質(zhì)的制約,大多學(xué)者根據(jù)玄武巖虧損的Sr-Nd同位素組成認(rèn)為其原始巖漿起源于軟流圈地幔,對于該軟流圈地幔的性質(zhì)多以DM地幔端元加以類比,而對于玄武巖類似OIB的微量元素和Pb同位素特征的產(chǎn)生機制沒有深入的解釋。雖然前人對龍崗第四紀(jì)玄武巖有過許多研究(羅照華,1984;劉嘉麒,1987;劉祥和張成梁,1987;FanandHooper,1991;樊祺誠等,1999,2002;白志達(dá)等,2006),但系統(tǒng)的地球化學(xué)研究依然缺乏,對該地區(qū)玄武巖源區(qū)的性質(zhì)和深部過程缺乏深入的認(rèn)識。因此,本次工作選擇華北地塊東北緣的龍崗第四紀(jì)堿性玄武巖作為研究對象,通過系統(tǒng)的主量元素、微量元素和Sr-Nd-Pb同位素分析,以揭示地幔源區(qū)的性質(zhì),探討不同組分端元在巖漿中的物質(zhì)貢獻。2玄武質(zhì)火山渣巖長白山西麓的龍崗火山位于北北東向的龍崗山脈中段,地處華北克拉通東北緣,構(gòu)造上位于NE向的敦化-密山斷裂與圖們江-鴨綠江斷裂之間(圖1)。第四紀(jì)火山主要分布在龍崗山脈以東到頭道松花江之間東西長約70km、南北寬約20km的盆地內(nèi),火山巖不整合覆蓋在太古宇鞍山群基底之上,分布面積約1700km2。龍崗第四紀(jì)火山活動造就了龍崗火山現(xiàn)代地貌和豐富多彩的火山景觀,包括熔巖臺地、河谷熔巖、火山渣錐、火山碎屑席和低平龍灣火山口等典型的火山地質(zhì)體。龍崗第四紀(jì)火山活動可劃分為噴發(fā)4個旋回(白志達(dá)等,2006),從早到晚依次為早更新世旋回,僅分布在四海參場北到梨樹村一帶,巖漿爆發(fā)產(chǎn)物為玄武質(zhì)火山渣,火山渣均已遭受強烈的風(fēng)化,呈灰黃、土黃色,其頂部已風(fēng)化成黃土。溢流式火山噴發(fā)形成相對平緩的波狀熔巖臺地,分布面積約有1000km2,海拔高度在330～660m之間。中更新世包括三期爆發(fā)作用,早期三角龍灣期主要為射汽-巖漿爆發(fā),爆發(fā)產(chǎn)物主要為火山砂和砂礫石,成分為玄武質(zhì)和基底片麻巖碎屑,爆發(fā)強度較大,形成如三角龍灣、龍泉龍灣、四海龍灣和高麗房等火山;中期旱龍灣主要為射汽爆發(fā),以旱龍灣底低平火山為代表;晚期金龍頂子火山發(fā)生強烈的巖漿爆發(fā),構(gòu)成金龍頂子早期火山渣錐和火山碎屑席,在爆發(fā)的晚期,有玄武質(zhì)熔巖流覆蓋在射汽-巖漿產(chǎn)物之上。晚更新世旋回表現(xiàn)為較強的巖漿爆發(fā),形成金川東、龍泉龍王東南陽屯等火山,爆發(fā)產(chǎn)物為玄武質(zhì)火山渣和火山灰。全新世旋回包括大甕圈期、紅旗林場期和金龍頂子晚期。大甕圈期主要為射汽-巖漿爆發(fā),形成大龍灣和大甕圈等以火山砂和砂礫石為主的火山;紅旗林場期和金龍頂子晚期為強烈的巖漿爆發(fā),以灰黑色玄武質(zhì)火山渣為主。溢流式玄武質(zhì)熔巖表現(xiàn)為多期活動的性質(zhì),地貌上呈熔巖臺地和河谷。在火山渣和熔巖中常見深源包體和巨晶,以尖晶石相二輝橄欖巖為主(Xuetal.,2003),在中晚更新世火山巖中最為發(fā)育。樊祺誠等(2002)根據(jù)火山巖的K-Ar年代學(xué)研究,把龍崗第四紀(jì)火山巖分為三期:小椅子山期(早更新世,2.15～0.75Ma)、龍崗期(中一晚更新世,0.68～0.05Ma)和金龍頂子期(全新世,1600～1500a.BP)。本次樣品采自金龍頂子(金龍頂子期)和大椅子山(龍崗期)的玄武質(zhì)河谷熔巖和火山渣(圖1)。這些玄武巖含有大量的新鮮深源包體,主要為二輝橄欖巖和方輝橄欖巖,直徑大者可達(dá)50cm?；鹕皆鼮闋t渣狀或蜂巢狀,顯微鏡下分為氣孔和玻璃質(zhì)兩部分,氣孔一般占50%～60%,玻璃基質(zhì)中見少量斜長石和輝石微斑晶。3分析過程及結(jié)果全巖樣品用破碎機破碎到<1cm大小的碎塊,挑出其中有風(fēng)化面和裂隙的碎塊,剩下的樣品用5%HC1和10%H2O2溶液浸泡l0min,然后用水洗凈,再用圓盤粉碎機細(xì)碎,細(xì)碎好的樣品縮分出100～200g,用無污染球磨機磨至200目以下用來進行下一步的元素和同位素分析。全巖主化學(xué)成分在廣州地球化學(xué)研究所中科院同位素年代學(xué)和地球化學(xué)重點實驗室X-熒光光譜儀(XRF)進行分析,分析流程見GotoandTatsumi(1996)。微量元素和Sr-Nd-Pb同位素在澳大利亞昆士蘭大學(xué)放射性同位素實驗室進行。微量元素用FisonsPlasmaquadII型等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)分析,用6Li、61Ni、84Sr、115In、147Sm、169Tm、187Re和205T1作為內(nèi)標(biāo)控制漂移,分析方法和流程見NiuandBatiza(1997)。同位素質(zhì)譜測定在VG54多接收質(zhì)譜計(TIMS)上采用靜態(tài)模式完成。在測試過程中,Sr、Sm和Nd同位素組成分別采用86Sr/88Sr=0.119400、149Sm/152Sm=0.516858、146Nd/144Nd=0.721900進行標(biāo)準(zhǔn)化,采用瑞利定律進行同位素質(zhì)量分餾校正。Nd同位素質(zhì)譜測定結(jié)果調(diào)整到LaJolla的143Nd/144Nd=0.511860。Pb同位素分析過程中,用標(biāo)準(zhǔn)樣NBS-981控制質(zhì)譜計中的質(zhì)量分餾。全流程空白為60～100Pg,對于206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb的分析誤差(2σ)分別為0.014、0.018和0.040。4分析的結(jié)果4.1粗面安山玄武巖巖型全巖主化學(xué)成分和微量元素分析結(jié)果列于表1。龍崗玄武巖的SiO2給出較大的變化范圍(47.12%～52.21%),全堿含量(K2O+Na20)為5.25%～7.19%,在TAS圖上投在堿性巖區(qū)域(圖2),為粗面玄武巖和玄武質(zhì)粗面安山巖。其MgO含量也有較大的變化范圍,為4.98%～8.19%,Mg#值在51～63之間,表明巖漿經(jīng)過一定程度的結(jié)晶分異。在MgO和其他組分的相關(guān)圖上(圖3),SiO2、A12O3、Na2O和K2O與MgO之間呈反相關(guān)關(guān)系,TiO2、Fe2O3*、CaO和P2O5與MgO之間呈正相關(guān)關(guān)系,表明巖漿房中橄欖巖、單斜輝石和鈦-鐵氧化物的結(jié)晶分異。4.2龍門山地區(qū)的pb同位素龍崗玄武巖Sr-Nd-Pb同位素分析結(jié)果列于表2。樣品具有較為一致的Sr-Nd同位素變化范圍,其87Sr/86Sr在0.7044～0.7048之間,εNd都為正值,在0.6～2.1之間,在Sr-Nd同位素相關(guān)圖上(圖5)落在虧損的第二象限,位于寬甸新生代堿性玄武巖范圍的下部(Basuetal.,1991),具有輕微虧損的性質(zhì)。濟南輝長巖位于富集的第四象限靠近EMI地幔端元的位置(Zhangetal.,2004)。龍崗玄武巖樣品具有高放射性成因Pb同位素的特征(206Pb/204Pb=17.734～18.194;207Pb/204Pb=15.553～15.594;208Pb/204Pb=38.322～38.707),在206Pb/204Pb-207Pb/204Pb相關(guān)圖上(圖6a),樣品投在地球等時線(GEOCHRON)的右側(cè)和北半球參考線(NHRL)的上方,具有比印度洋MORB(I-MORB)更高的207Pb/204Pb比值。與華北地塊其他地區(qū)新生代玄武巖相比,龍崗玄武巖具有更高的Pb同位素組成,位于華北和華南新生代玄武巖之間的位置。在206Pb/204Pb-208Pb/204Pb相關(guān)圖上(圖6b),樣品表現(xiàn)出類似的特征,具有較高的208b/204b比值,投在NHRL的上方。濟南輝長巖具有低放射性成因Pb同位素組成,靠近EMI幔端元。5討論5.1東南角玄武巖形成時代龍崗玄武巖樣品SiO2、Al2O3、Na2O和K2O與MgO之間的反相關(guān)以及TiO2、Fe2O3*、CaO和P2O5與MgO之間的正相關(guān)(圖3),表明巖漿房中橄欖巖、單斜輝石和鈦-鐵氧化物的結(jié)晶分異。Cr和Ni等相容性元素含量低于與地幔平衡的原始巖漿值,且MgO和Cr、Ni之間具有正相關(guān)關(guān)系,指示了至少10%橄欖石的結(jié)晶分異。同樣的證據(jù)也表現(xiàn)在樣品的Mg#值上。由于巖漿上升速度很快,結(jié)晶分異過程發(fā)生在巖漿房中,巖漿可能在巖石圈底部有一定時間的停留。Na/TiL比值和源區(qū)部分熔融時的壓力密切相關(guān)(Putirka,1999),由于隨著壓力的增加而降低,而單斜輝石和石榴子石的基本不變(Kinzleretal.,1997;Putirka,1999),熔體的Na/Ti比值隨著平均壓力的增加而降低。龍崗玄武巖的Na/Ti比值在3.3～6.8之間,在MgO-Na/Ti相關(guān)圖上(圖7),除了樣品LG-11以外,其他樣品大致呈反相關(guān)排列,在趨向于高MgO時Na/Ti比值略高于漢諾壩和大同新生代堿性玄武巖(Zhietal.,1990;Xuetal.,2005),表明龍崗玄武巖的原始巖漿產(chǎn)生于比漢諾壩和大同玄武巖更低的壓力條件下。HREE含量反映了源區(qū)礦物相的類型,含量高低與壓力具有正相關(guān)關(guān)系。龍崗玄武巖的YbNS8.2～9.5,一方面反映其源區(qū)中石榴石為殘留相,另一方面低于漢諾壩和大同堿性玄武巖(YbN>10,Zhietal.,1990;Xu6tal.,2005),同樣表明比后者更淺的巖漿起源。研究表明,漢諾壩堿性玄武巖起源于l00km以下的深度(Zhietal.,1990),而大同堿性玄武巖起源于70km以下(Xuetal.,2005)?；贜a/Ti比值和YbN值的比較,推測龍崗堿性玄武巖起源于60～70km深處。龍崗堿性玄武巖具有Nb、Ta富集和Sr-Nd同位素組成虧損的特征,表明其原始巖漿起源于軟流圈地幔,這種解釋也被用于中國東部其他地區(qū)的新生代堿性玄武巖的巖漿起源上(Zhietal.,1990;Basuetal.,1991;Liuetal.,1994;Zouetal.,2000;Xuetal.,2005)。然而,龍崗玄武巖富集LREE(圖4a),具有Dupal異常的Pb同位素組成(圖6a,b),Sr-Nd同位素虧損程度低于MORB(圖5),說明其具有與OIB更加類似的特征。阜新堿鍋和膠州大西莊白堊紀(jì)玄武巖具有高度虧損的Sr-Nd同位素組成[(87Sr/86Sr)t=0.7033～0.7041,εNd(t)值為3.9～7.56)]和類似MORB的Pb同位素I-MORB-印度洋MORB,P&N-MORB-太平洋和北大西洋MORB,OIB-洋島玄武巖,數(shù)據(jù)引自Zouetal.(2000)和BarryandKent(1998),DM、HIMU、EMI和EMU地幔端元引自ZindlerandHart(1986);地球等時線(GEOCHRON)和北半球參考線(NHRL)引自Hart(1984);華北和華南地塊新生代玄武巖范圍引自Chung(1999);寬甸玄武巖和濟南輝長巖數(shù)據(jù)來源同圖5組成[(206Pb/204Pb)t=17.005～18.241;(207Pb/204Pb)t=15.356～15.443;(208Pb/204Pb)t=37.464～37.956](張宏福和鄭建平,2003;閆峻等,2005),代表無分異無混染軟流圈性質(zhì)(張宏福和鄭建平,2003)。由于軟流圈具有相對均一的性質(zhì),龍崗玄武巖和堿鍋、大西莊玄武巖Sr-Nd同位素特征的差異表明,在龍崗玄武巖地幔源區(qū)中除了軟流圈物質(zhì)以外,還有富集組分的加入。一種可能的富集組分(EMI)是大陸巖石圈地幔(McKenzieandO’Nions,1983)。華北地塊中部濟南晚中生代輝長巖起源于富集的巖石圈地幔,表現(xiàn)為富集LREE、高Pb含量(5×10-6～11×10-6)、富集的Sr-Nd同位素組成(87Sr/86Sr)t=0.7046～0.7055,εNd(t)=-4.2～-7.6)和低放射性成因Pb同位素組成(206Pb/204Pb(t)=16.560～16.837;207Pb/204Pb(t)=15.216～15.283;208Pb/204Pb(t)=36.290～36.724)(Zhangetal.,2004),為典型的EMI特征,代表了華北地塊東部減薄/置換以前的富集巖石圈地幔。該富集組分和軟流圈的混合可以解釋龍崗玄武巖的Sr-Nd同位素特征、類似OIB的稀土特征以及比MORB和OIB范圍稍低(Ce/Pb=25±5,Hofmannetal.,1986)的Ce/Pb比值(16～19)。但是濟南輝長巖和以堿鍋和大西莊所代表的軟流圈都具有比龍崗玄武巖更低的Pb同位素組成,顯然,還應(yīng)該存在一種具有更高Pb同位素組成物質(zhì)的參與。具有高Pb同位素組成的地幔端元包括HIMU和EMII(ZindlerandHart,1986)。HIMU往往來自俯沖循環(huán)的洋殼,其出現(xiàn)在火山巖中往往與地幔柱活動有關(guān)(ZindlerandHart,1986)。而華北東部新生代時期缺乏地幔柱活動的證據(jù)。EMⅡ端元常和上地殼物質(zhì)或巖石圈地幔有關(guān),濟南輝長巖具有EMI性質(zhì)的同位素特征,可以排除該地區(qū)來源于巖石圈地幔的EMII端元。龍崗玄武巖在上升過程中沒有地殼物質(zhì)的混染,其他的可能性只有俯沖作用帶入到地幔源區(qū)中EMII特征的組分。.太平洋板塊的俯沖可以造成弧后地區(qū)的火山巖中具有高放射性成因Pb同位素組成,在日本海玄武巖中有確切的反映(TatsumotoandNakamura,1991;Cousensetal.,1994)。因此,來自太平洋俯沖板片的脫水作用釋放的流體以及沉積物部分熔融的熔體可能影響到了龍崗地區(qū)的源區(qū)地幔。所以,在龍崗第四紀(jì)堿性玄武巖的地幔源區(qū)中可能存在三種端元組分:似MORB的軟流圈、似EMI的巖石圈地幔以及似EMII的俯沖物質(zhì)。5.2巖石圈地表資源整合過程以濟南晚中生代輝長巖的地球化學(xué)特征所反映的巖石圈地幔,具有LREE富集、Sr-Nd同位素富集以及低放射性Pb同位素組成的特征。而龍崗第四紀(jì)堿性玄武巖中二輝橄欖巖和方輝橄欖巖的Sr-Nd同位素組成主要為虧損的(87Sr/86Sr=0.7022～0.7048,εNd=0.8～18.5)(Xuetal.,2003),顯著不同于富集的巖石圈地幔,確切地指示了龍崗地區(qū)第四紀(jì)巖石圈地幔已經(jīng)被置換。華北地塊巖石圈下部的減薄/置換已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可(Menziesetal.,1993;Griffinetal.,1998),置換后巖石圈地幔的物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了根本改變(Fanetal.,2000;Zhengetal.,2001;Rudnicketal.,2004;Zhang,2005;Yingetal.,2006)。目前,研究焦點之一集中在巖石圈減薄事件發(fā)生的深部過程上。主要有三種看法和模式:一種是對流軟流圈物質(zhì)長期(～l00Ma)對巖石圈底部的熱、化學(xué)和機械侵蝕作用(Griffinetal.,1998;Xu,2001;Xuetal.,2004;Menziesetal.,2007)。另一種是快速的(≈5Ma)以拆沉作用(delamination)為主要方式的物理減薄(Yangetal.,2003;Gaoetal.,2004;Wuetal.,2005)。第三種是流體進入巖石圈下部使之軟化,進而活化置換的模式(Niu,2005)。上述幾種模式對應(yīng)了新生代巖石圈地幔形成的不同方式,即是長期的自下而上(bottom-up)的方式,還是快速的自上而下(top-down)的方式(Menziesetal.,2007)。龍崗堿性玄武巖的地球化學(xué)研究揭示了富集的巖石圈地幔和俯沖流體/熔體參與了巖漿源區(qū)的物質(zhì)貢獻,巖石圈和軟流圈發(fā)生了一定程度的相互作用。顯然,無論是拆沉方式還是侵蝕方式,巖石圈-軟流圈都可以發(fā)生相互作用。龍崗玄武巖源區(qū)中俯沖流體/熔體的貢獻,暗示了流體進入巖石圈下部使之軟化,進而活化置換的可能(Niu,2005)。因此,巖石圈的減薄/置換作用可能為多種因素綜合作用的結(jié)果。其具體的過程還有待于深入研究。6巖石圈和地潭通過對龍崗第四紀(jì)玄武巖系統(tǒng)的地球化學(xué)研究,得到以下幾點認(rèn)識:(1)龍崗第四紀(jì)玄武巖為堿性玄武巖,具有類似OIB的LREE和Th、