云南賓川地區(qū)晚二疊世玄武巖的地球化學(xué)類型

云南賓川地區(qū)晚二疊世玄武巖的地球化學(xué)類型

廣泛分布于四川、云南和貴州的晚二疊世靈山脈滑動區(qū)，被認為是世界上最大的武巖省份之一（maeheyandcoffin，1997；chungandjahn，1995；chungetal，1998；xuetal，2001；徐一剛等人，2001）。前人對峨眉山玄武巖的研究已積累了大量資料(林建英,1986;黃開年等,1988;張云湘等,1988;ChungandJahn,1995;Chungetal.,1998;徐義剛等,2001;Xuetal.,2001)。徐義剛等(2001)和Xuetal.(2001)將該套火山巖從地球化學(xué)角度分為低鈦和高鈦兩大類,并對其成因作了研究,對揭示地幔柱活動與峨眉山玄武巖的形成和時空演化意義重大。賓川地區(qū)的玄武巖在峨眉山大火成巖省中厚度最大(5384m,張云湘等,1988),巖性亦較為復(fù)雜(黃開年等,1988),是研究峨眉山火成巖巖漿活動的理想地區(qū)之一。本次工作系統(tǒng)采集了賓川地區(qū)玄武巖樣品,采樣剖面覆蓋了該地區(qū)約5000m厚的較為完整的玄武巖層。本文擬用這些樣品的主量及微量元素成份研究該區(qū)玄武巖的地球化學(xué)性質(zhì)、LT和HT玄武巖之間的成因聯(lián)系,并初步探討它們的源區(qū)特征以及兩者隨時間的演化特征。1采樣系統(tǒng)和采樣方法峨眉山火山巖省位于揚子克拉通西緣(圖1a),形成于晚二疊世。其下伏地層為下二疊統(tǒng)茅口組灰?guī)r(噴發(fā)不整合),上為下三疊統(tǒng)沉積巖不整合覆蓋(圖2)。與之伴生的還有高鎂苦橄巖和一些小的基性-超基性侵入巖,以及少量凝灰?guī)r、流紋巖等(黃開年等,1988;ChungandJahn,1995)。本次研究選擇云南賓川地區(qū)(圖1)進行了系統(tǒng)的巖石采樣。因受地理和交通條件的限制,整個采樣剖面由5個分剖面構(gòu)成(圖1)。為避免典型樣品的漏采,分剖面中相鄰巖性段間屬于同一巖性段的樣品可能有少量重復(fù)。根據(jù)最新的云南省1∶5萬區(qū)調(diào)成果(云南省地質(zhì)礦產(chǎn)局,內(nèi)部資料),將該套火山巖分為5個巖性段(圖1,圖2)。2分析結(jié)果表明，闡明了地球化學(xué)的特點對55件樣品進行了主量及微量元素分析,表1列出了23件代表性樣品的分析結(jié)果。2.1不同巖性巖石的地球化學(xué)特征賓川地區(qū)玄武巖有5個大的噴發(fā)旋回,形成5個巖石單元(巖性段,據(jù)1∶5萬地質(zhì)圖大營街幅及鳳儀鎮(zhèn)幅)。它們多為拉斑玄武巖,少量為堿性玄武巖(圖3)。在第三單元底部見一苦橄巖層,未見流紋巖等酸性巖石。巖石地球化學(xué)特征方面,根據(jù)Xuetal.(2001)的劃分方案,即根據(jù)巖石中TiO2的含量,尤其是Ti/Y比值將該區(qū)玄武巖劃分為高鈦(HT,Ti/Y>500;TiO2>4wt%)和低鈦(LT,Ti/Y<500;TiO2<2.5wt%)玄武巖兩大類。其中第一至第四單元為低鈦玄武巖,厚逾3000m。第五單元為高鈦玄武巖。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)LT玄武巖的分異指數(shù)和Th、U和Nb、Ta異常特征等,將其分為LT1和LT2兩個亞類。其中第一和第二單元屬于LT1,第三和第四單元屬于LT2玄武巖。LT1和LT2的顯著區(qū)別為,LT1表現(xiàn)為明顯的Th和U正異常,高Mg#(平均0.61)和低Nb/U比值等。它們的主要化學(xué)參數(shù)對比見表2。3類玄武巖在地球化學(xué)剖面上分野清晰(圖4)。本文的HT玄武巖與Xuetal.(2001)劃分方案中的HT1玄武巖相當(dāng)。2.2含礦巖石的份和含量LT1主要包括下部以塊狀無斑玄武巖和自碎無斑角礫熔巖為主的第一和第二單元。LT2為中部以斜斑玄武巖為主,夾少量無斑玄武巖的第三和第四單元。HT則由上部斜斑玄武巖和杏仁狀斜斑玄武巖組成。作為主要區(qū)分依據(jù)的斑晶礦物成份和含量在LT和HT玄武巖中亦差異明顯。LT1玄武巖普遍少斑或無斑。多為無斑隱晶或顯微斑狀玄武巖。斑晶成份為斜長石(<3%)、橄欖石(1%～3%)和單斜輝石(2%),偶見斜長石和單斜輝石平衡共生?；|(zhì)中以斜長石(30%～50%)和玄武玻璃(30%～45%)為主,有少量磁鐵礦。LT2玄武巖與LT1相比,含有相對較多的斜長石斑晶(2%～10%)。在該套巖石的下部斜斑玄武巖與無斑玄武巖相間出現(xiàn),并有斜長石聚斑出現(xiàn)在斜斑玄武巖中,這部分斜長石可能屬于堆晶斜長石?；|(zhì)成份總體與LT1相似。HT玄武巖以出現(xiàn)較多的斜長石斑晶(3%～13%)而區(qū)別于LT玄武巖,斜長石有的呈聚斑出現(xiàn)?；|(zhì)中斜長石占一半以上(50%～60%)。其它為磁鐵礦和火山玻璃。2.3mg#與ht玄武相關(guān)系數(shù)的演化賓川地區(qū)玄武巖的主量元素變化較大(表1)?？傮w來看,HT(Mg#=0.53～0.39)較LT(Mg#=0.67～0.48)演化程度高。LT玄武巖中,LT2(Mg#=0.54～0.48)又較LT1(Mg#=0.67～0.61)演化強。LT1從早到晚Mg#升高,演化程度降低;與之相反,LT2表現(xiàn)為Mg#降低的趨勢。Mg#與其它主量、微量元素之間亦存在一定的相關(guān)性(圖5)?？傮w來看,LT中Mg#與Al2O3、Fe2O3、TiO2和Na2O呈負相關(guān)。其中,LT1的Mg#與Al2O3、Fe2O3、TiO2和Na2O間的負相關(guān)性更明顯。HT玄武巖中,Mg#與Al2O3、TiO2和Na2O呈正相關(guān),與SiO2和CaO呈負相關(guān)。與LT相比,HT明顯高TiO2和Fe2O3,低CaO。微量元素與Mg#的對比(圖6)表明,HT玄武巖較LT玄武巖富V、Nb和Zr。LT1較LT2低Nb而高Cr和Ni。LT中Mg#與Ni和Cr正相關(guān),與Nb負相關(guān)。Mg#與Sr的相關(guān)性不明顯。2.4稀土元素地球化學(xué)特征HT與LT玄武巖相比富集Th、U、Hf以及REE(表1),且La-Zr和Nb-Zr呈較好的正相關(guān)關(guān)系。LT1和LT2玄武巖的La-Zr和Nb-Zr相關(guān)性較差,且LT1和LT2之間的La-Zr和Nb-Zr相關(guān)性也較差。稀土元素配分型式(圖7a,7b和7c)顯示HT較LT玄武巖∑REE高,且分異更強(HT:∑REE=(198～315)×10-6,(La/Yb)N=9～12;LT:∑REE=(62～102)×10-6,(La/Yb)N=3～6)。兩者的Eu異常均不明顯。其中,LT1和LT2玄武巖的稀土元素配分型式亦有差異,表現(xiàn)為LT2的配分曲線更為平坦,輕稀土富集程度低(LT1的(La/Yb)N=3～6,LT2的(La/Yb)N為3～4)。在用原始地幔成份標準化的蛛網(wǎng)圖中(圖7d,7e和7f),可以清楚地看出其總體特征明顯不同于MORB,而與OIB相似,但其差異亦很明顯:1)LT1玄武巖有明顯的Th和U正異常,相對虧損Nb、Ta和弱Sr、P負異?；驘o異常;2)LT2玄武巖無Th、U異常,有Sr、Rb和Ba正異常(WL-28除外);3)HT玄武巖與OIB十分相似,強烈富集不相容元素,但有明顯的Sr、P負異常,而無Eu異常。其不相容元素及LREE均較LT更富集且大多明顯虧損Rb和Ba。3巖漿形成的地球化學(xué)差異該區(qū)玄武巖的巖相學(xué)和地球化學(xué)特征表現(xiàn)出一定的復(fù)雜性和內(nèi)在差異。一般認為大陸背景下的玄武巖漿成份取決于地幔溫度、巖石圈厚度(及部分熔融程度)、源區(qū)成份以及在形成后上升過程中的結(jié)晶分異和地殼混染作用等因素(McKenzieandBickle,1988;ArndtandChristensen,1992;Sweeneyetal.,1994)。上述因素在特定的區(qū)域和時間對玄武巖漿的最終形成所起的作用是不同的。本區(qū)LT和HT兩類玄武巖表現(xiàn)出的一系列地球化學(xué)差異說明它們在形成過程中受到了不同因素的作用和影響。下面著重探討兩類玄武巖在成因和時間上的相互關(guān)系及動力學(xué)啟示。3.1巖石成因(1)蝕變作用可能導(dǎo)致巖石中主量元素流失由于本區(qū)大部分玄武巖均有不同程度的風(fēng)化和蝕變,盡管在采樣時力求新鮮,但分析結(jié)果中仍有部分樣品的燒失量(LOI)偏高(3%～5%)。風(fēng)化和蝕變作用可能導(dǎo)致了部分常量元素(如Mg和Fe、K)和微量元素(Rb、Sr和Ba)濃度的變化。用LOI與所有主量元素進行相關(guān)性分析后發(fā)現(xiàn),部分高LOI樣品的MgO偏高而Fe2O3降低,說明蝕變作用可能導(dǎo)致巖石中Mg增加和Fe流失。用不活動元素Th與其它元素的比值進行比較,發(fā)現(xiàn)部分樣品的比值異常。這些樣品的微量元素在蛛網(wǎng)圖中有很強的Rb、Sr和Ba異常?？紤]到這些樣品可能不能代表原巖成份,故不在后文的討論中述及。(2)斜長石成因LT和HT玄武巖不同的巖相學(xué)特征和化學(xué)組成反映其可能經(jīng)歷了不同的巖漿分異過程。LT1為少斑和無斑隱晶玄武巖,斑晶以單斜輝石和橄欖石為主,少量斜長石,指示其經(jīng)歷了單斜輝石和橄欖石的結(jié)晶分異。這一點得到其Mg#和Ni含量正相關(guān)(圖6),SiO2與Ni的負相關(guān)以及SiO2與Th的正相關(guān)關(guān)系的支持,也與巖石中Sm不隨Rb升高而變化相一致。另一方面,LT1玄武巖多無明顯的Sr異常(圖7的a和d),亦說明未有大量斜長石的結(jié)晶分異。少數(shù)樣品(WL-17,WL-18,SC-2,SC-8)的Sr正異常和其中有斜長石聚斑,說明有堆晶斜長石的加入。具Sr負異常的樣品同時伴隨弱Eu負異常。這類樣品往往見斜長石斑晶,說明有少量斜長石的結(jié)晶分異。上述現(xiàn)象說明LT1玄武巖以橄欖石和單斜輝石的結(jié)晶分異為主,斜長石的結(jié)晶分異為次,少數(shù)巖石中有外來斜長石堆晶的加入,但總體結(jié)晶分異程度較弱。LT2玄武巖中-上部(WL-22～WL-29)顯示無Sr異?；蛉跽惓?圖7的b和e)。下部巖石的Sr正、負異常相間出現(xiàn),可能說明Sr負異常者晶出斜長石,而正異常者獲得堆晶斜長石。這與巖相學(xué)觀察結(jié)果是一致的。這套巖石表現(xiàn)為斑狀玄武巖(斜長石斑晶+橄欖石+單斜輝石)與無斑玄武巖的互層產(chǎn)出,故后者表現(xiàn)為Sr負異?；驘o異常,前者為正異常。HT玄武巖與前兩者不同,巖石以顯著的斜長石斑狀結(jié)構(gòu)區(qū)別于LT玄武巖,在微量元素蛛網(wǎng)圖(圖7f)中表現(xiàn)為明顯的Sr負異常,Mg#與Sr負相關(guān),說明其經(jīng)歷了斜長石的分離結(jié)晶作用。巖石無明顯的Eu負異?？赡苁且驗樵紟r漿的Eu3+/Eu2+較高(Freyetal.,1993)。用主量元素判別(2(Fe+Mg)/P-Si/P圖解,Ernstetal.,1988)玄武巖結(jié)晶分異趨勢的結(jié)果來看,LT玄武巖經(jīng)歷了以單斜輝石為主的結(jié)晶分異,而HT玄武巖經(jīng)歷了以斜長石+單斜輝石為主的結(jié)晶分異作用,與前面的分析結(jié)果一致。(3)根據(jù)lt和ht玄武巖的形成條件分析1回歸計算其他氧化物如上所述,峨眉山玄武巖的母巖漿經(jīng)歷過一定程度的結(jié)晶分異作用(Mg#=0.39～0.67),從而引起主量元素的成份變化。為了消除這一影響,本文應(yīng)用KleinandLangmuir(1987)提出的方法,即將演化巖漿的成份用最小二乘法線性回歸,把MgO的含量返回到8%(表示為MgO8),然后將其它氧化物含量據(jù)MgO8重新計算。用于回歸計算的只限于MgO含量大于5%的樣品。由于LT和HT玄武巖形成于不同的源區(qū)(見后文對主量和微量元素等的討論),而LT1和LT2玄武巖可能是同一源區(qū)的產(chǎn)物,故在本節(jié)的討論中主要探討LT1和LT2玄武巖之間的相關(guān)性,以及HT玄武巖本身的特征?；貧w計算后的Mg8#對Si8(圖8a)相關(guān)性表明LT玄武巖中Mg8#的變化對Si8影響不大。在Fe8對Si8圖解(圖8b)中,LT1玄武巖具有明顯的低Fe8的特點。由于母巖漿中Fe8的豐度與熔體形成時的壓力呈正相關(guān)(HiroseandKushiro,1993),與受到地殼混染的程度呈負相關(guān)(Pengetal.,1994),故LT1玄武巖的低Fe8可能反映了其形成的深度較LT2玄武巖淺,或地殼混染的程度的升高降低了LT1玄武巖的Fe8。考慮到LT1玄武巖的Mg#較LT2玄武巖高,故不支持AFC過程導(dǎo)致了LT1玄武巖的低Fe8,而可能反映了兩者的形成深度不同。2巖石圈的劃分玄武巖中較低的Ce/Yb比值說明有較高的熔融程度或尖晶石為主要殘留相(薄巖石圈)。與之相反,較高的Ce/Yb比值說明有較低的熔融程度或石榴石為主要殘留相(厚巖石圈)。研究區(qū)兩類玄武巖的Ce/Yb比值相差懸殊,HT玄武巖的Ce/Yb比值為27～37,而LT玄武巖的Ce/Yb比值為7～18(其中LT1為14～18,LT2為7～12.5)。據(jù)此分析,LT玄武巖可能產(chǎn)生于較淺的尖晶石—石榴石穩(wěn)定區(qū)(<70km),而HT玄武巖形成的深度較大,可能為石榴石穩(wěn)定區(qū)(>80km)。這與主量元素分析的結(jié)論是一致的。(4)不同巖性對殼源物質(zhì)參與的模擬低鈦和高鈦玄武巖化學(xué)成份方面的差異可能有兩個主要原因,即來自不同的源區(qū),或同一源區(qū)的巖漿經(jīng)歷不同程度的演化。綜合前面的分析以及本區(qū)LT和HT玄武巖在分異指數(shù)(Mg#)相似的情況下,TiO2含量相差甚遠(圖5b)和兩者稀土元素配分型式(圖7a,7b和7c)來看,兩者不可能是同一母巖漿演化的產(chǎn)物。而低鈦玄武巖中LT1和LT2玄武巖的TiO2含量隨Mg#連續(xù)變化,暗示它們?yōu)橥荒笌r漿演化的產(chǎn)物。由3類玄武巖的微量元素原始地幔標準化后的蛛網(wǎng)圖(圖7的d,e和f)以及與主要殼幔端元的對比(表3)可見,它們總體上與OIB類似,而顯著不同于MORB和地殼端元。其主要不相容微量元素的比值(表3)與主要的玄武巖地球化學(xué)儲庫對比可見,LT1類似于陸殼與OIB的混合物,而LT2與HT玄武巖與EM1-OIB更為相似。其中HT玄武巖富集LILE和HFSE,La-Zr和Nb-Zr具有較好的線性相關(guān)性,與OIB具有極為相似的微量元素和稀土元素配分型式(圖7c,f)。Th/Yb-Ta/Yb(圖9a)和Ce/Yb-Th/Nb(圖9b)圖解均表明其成份更接近富集型地幔低程度部分熔融產(chǎn)生的母巖漿,而無明顯的后期混染。與之相比較,LT1表現(xiàn)出明顯的Th和U正異常,相對較低的微量元素富集程度。在圖9a和圖9b中可看出地殼和/或大陸邊緣物質(zhì)參與的明顯痕跡,暗示其可能是OIB受到了強烈的殼源物質(zhì)混染。LT2與LT1相比無Th和U正異常,其它元素豐度均與LT1相似,與上述推測它們?yōu)橥词且恢碌?只是它受到的地殼混染程度較低。3.2從巖石圈地表2到表21賓川地區(qū)3類玄武巖各自獨特的地球化學(xué)特征,并在綜合柱狀剖面圖上分野清晰,自下而上分別為LT1、LT2和HT玄武巖。它們的地球化學(xué)演化趨勢主要表現(xiàn)為從早到晚“殼源”組份的降低、熔融程度的降低和巖漿分異程度的增強。對于這一演化趨勢可能有兩種解釋。一是地幔柱提供熱源使大量的交代富集的巖石圈地幔發(fā)生熔融,形成富含殼源物質(zhì)的LT1,隨著熔融的不斷進行,造成LT2的源區(qū)“虧損”殼源物質(zhì),形成相對“干凈”的地幔源區(qū);其后形成主要由地幔柱提供的HT玄武巖巖漿。另一種解釋是LT和HT分別是不同成份的地幔柱源區(qū)所提供的,LT玄武巖中大量殼源物質(zhì)和低εNd(t)等是地殼或巖石圈地幔中富集組份加入的結(jié)果(Xuetal.,2001)。即:早期熱柱來源的LT巖漿在上升過程中導(dǎo)致了巖石圈地幔中富集組份的熔融,而使LT有大量“殼源”地球化學(xué)印記;隨著時間的推移,富集組份消耗殆盡,這使得來自地幔柱軸部的HT玄武巖漿顯示十分類似OIB的地球化學(xué)特征,而少“殼源”痕跡。對于第一種解釋,存在3個目前尚難以回答的問題:1)熱力學(xué)模擬結(jié)果認為地幔柱熱源只能使巖石圈地幔熔融形成少量的熔體(McKenzieandBickle,1988),而本區(qū)的LT玄武巖厚度超過3000m;2)LT1形成之后,何以使“干”的巖石圈地幔形成如此大量的LT2(厚度超過1000m);3)為什么代表主噴發(fā)期的LT巖漿來自巖