白頭山火山巖中的元素地球化學(xué)特征

白頭山火山巖中的元素地球化學(xué)特征

白頭山火山巖位于吉林省東部。這是中國東部最年輕的火山巖之一。巖石主要由粗堿性酸巖組成。一些研究者曾對其進行了火山巖地質(zhì)、巖石學(xué)等方面的研究,但微量元素方面的工作涉及較少。本文將著重討論白頭山火山巖的微量元素特征,并對它的成因及其演化作一些探討。一、白頭山火山巖巖石學(xué)、礦物學(xué)及巖石化學(xué)特征長白山地區(qū)廣泛分布著年齡為19.9—1.48Ma(劉嘉麒,1983)的新生代玄武巖。它構(gòu)成了一個以白頭山為中心,面積約10,000km2的玄武巖臺地。白頭山火山就是建筑在這樣一個基礎(chǔ)之上的新生代晚期的火山錐體(年齡為0.611—0.001050Ma,劉嘉麒,1983),面積約為160km2。筆者在前人工作(方文昌,1976,劉嘉麒,1983,鄭祥身,1983等)的基礎(chǔ)上,根據(jù)火山巖的野外關(guān)系、同位素年齡和巖性特征等將白頭山火山巖地層劃分為白頭山組和白云峰組二大單元。其中白頭山組由四段組成:第一段()為灰綠色粗面巖;第二段()由一套灰綠色、墨綠色的石英粗面巖、火山角礫巖及熔接凝灰?guī)r組成;第三段()包括藍綠色、肉紅色的鈉閃堿流巖、火山角礫巖、集塊巖等;第四段()為一套綠黑色鈉閃堿流巖、火山角礫巖等。白云峰組分為上下兩段:下段()主要為黃白色的浮巖;上段()則由一套灰黑色的鈉閃堿流巖質(zhì)黑曜巖、火山角礫巖、熔接凝灰?guī)r及凝灰?guī)r組成。作者曾對白頭山火山巖的巖石學(xué)、礦物學(xué)及巖石化學(xué)進行了較為詳細的研究1。將白頭山火山巖主要分為二類:早期為非過堿性的中酸性巖(粗面巖、石英粗面巖),晚期過渡為過堿性的酸性巖(鈉閃堿流巖等),它們與下伏的長白山玄武巖構(gòu)成一個玄武巖—粗面巖—石英粗面巖—鈉閃堿流巖的巖石系列。但二者之間在主要元素成分上存在一定的間斷。白頭山火山巖大都具有斑狀結(jié)構(gòu),斑晶以堿性長石為主,還含少量單斜輝石、鐵橄欖石、鐵鈦氧化物等。早期的粗面巖中有少量斜長石,鈉閃堿流巖中見鈉鐵閃石斑晶,而在末期的黑曜巖中含有一些石英斑晶。二、含量特征用等離子光譜對白頭山火山巖的全巖樣品作了微量元素分析,其結(jié)果見表1。1.白頭山火山巖及北平玄武巖地球化學(xué)特征在白頭山火山巖中,除Eu以外的稀土元素都強烈地富集,且從下到上富集程度逐漸增大。在晚期的鈉閃堿流巖中含量最高,這一點以輕稀土表現(xiàn)最為明顯。和球粒隕石比較,La和Ce分別富集了500和400倍。與下伏的長白山玄武巖比較,這二個元素亦都富集了30多倍。圖1為白頭山火山巖及長白山玄武巖的稀土元素球粒隕石標準化配分型式。圖中白頭山火山巖稀土元素配分曲線總體表現(xiàn)為向右傾斜,具有明顯的Eu負異常。此外,從玄武巖到鈉閃堿流巖曲線位置逐漸升高,斜率逐步增大。Zr、Th、Nb、Y等具有與稀土元素相近的性質(zhì),在白頭山火山巖中它們的含量都很高。其中以Zr最為突出,最高含量可達1846ppm。這些不相容元素的另一個特點是元素之間存在良好的線性關(guān)系(圖2)。筆者用白頭山火山巖的各成分點計算了一些元素對之間的回歸直線,并繪于圖4中。同時還在圖上標出了若干長白山玄武巖的成分點。值得注意的是,這些回歸直線大都通過或接近通過坐標原點。2.火山巖巖石組構(gòu)與聚這些元素,尤其是Zn,在白頭山火山巖中含量亦較高,在長白山玄武巖—白頭山火山巖的巖石系列中表現(xiàn)為有規(guī)律地不斷富集。但元素間不存在線性關(guān)系(圖3)。3.白頭山火山巖過渡元素地球化學(xué)特征這些元素在白頭山火山巖中含量較低,變化不大,而在長白山玄武巖中含量較高。從長白山玄武巖到白頭山粗面巖其含量急劇降低(圖3)。圖4表示了白頭山火山巖的過渡元素經(jīng)長白山玄武巖樣品標準化后的配分型式。一個晚期長白山玄武巖樣品的過渡元素配分型式表現(xiàn)為Cr、Ni的負異常和Ti的正異常。從玄武巖向粗面巖演化的階段,除上述異常的加大外,突出表現(xiàn)為Ti和V的降低。鈉閃堿流巖的配分型式與粗面巖沒有明顯的差別,只是使原有的異常稍稍加大。4.內(nèi)部元素分布的不均勻性Ba、Sr在白頭山火山巖中極其貧化。在長白山玄武巖中表現(xiàn)為逐漸富集。到了粗面巖其含量便急劇降低。從粗面巖到鈉閃堿流巖仍然趨于貧化。在白頭山火山巖中REE、Zr等不相容元素含量極高,而Ba、Sr等相容元素含量極低。這種元素分布的不均勻性在白頭山火山巖的主要成分中也有所表現(xiàn)。如有的鈉閃堿流巖中MgO的含量幾乎為零2。三、分離結(jié)晶作用微量元素作為巖石學(xué)研究的一個工具已得到日益廣泛的應(yīng)用。筆者試圖根據(jù)白頭山火山巖微量元素的上述特點,對其成因等問題作一些探討。1.弄清白頭山火山巖與長白山玄武巖之間的關(guān)系是探討白頭山火山巖的成因及其演化的關(guān)鍵問題之一。對它們之間的野外關(guān)系,造巖礦物及主要元素的研究說明二者之間有著密切的成因聯(lián)系3.微量元素的研究也為此提供了證據(jù)。圖1中,玄武巖及白頭山火山巖REE配分曲線的變化趨勢不僅說明了從下到上各期火山巖中REE含量不斷增高的特點,而且清楚地反映出白頭山火山巖的REE繼承了玄武巖中輕稀土較重稀土逐步富集的特征。這揭示了二者之間存在著某種內(nèi)在聯(lián)系。頗有意義的是,圖2中雖然所有回歸直線都是用白頭山火山巖的成分點計算的,但長白山玄武巖的成分點也都落在該直線的附近。Ferrar和Treuil(1974)指出,一個巖漿系列中濕親巖漿元素(D<0.01,如La、Ce、Nb等)與親巖漿元素(0.01<D<1,如Sm、Tb、Zr)之間存在的這種線性關(guān)系可以作為判別分離結(jié)晶作用的一個主要條件。從描述各種巖漿過程中微量元素行為的數(shù)學(xué)模式出發(fā),可以證明,只有分離結(jié)晶作用才可能造成這兩類微量元素之間的這種回歸直線通過坐標原點的線性關(guān)系。而其他巖漿過程,如部分熔融、混合作用等一般不能產(chǎn)生這樣的結(jié)果,除非二元素的分配系數(shù)十分接近或混合的兩個相中二元素的比值相等。因此,圖2不僅說明了白頭山火山巖與長白山玄武巖之間有著密切的成因聯(lián)系,而且其中的大部分圖解還表明分離結(jié)晶作用可能是控制從玄武巖—鈉閃堿流巖整個巖石系列巖漿演化的主要機理。2.關(guān)于過堿性酸性巖的成因假說除了分離結(jié)晶作用外,部分熔融也是其中主要的一種。發(fā)生部分熔融的源區(qū)物質(zhì)可以是玄武巖,也可以是地殼的硅鋁質(zhì)物質(zhì)。白頭山過堿性酸性巖中元素含量不均勻的特點對后者作了否定的判斷。為了了解白頭山火山巖可能經(jīng)歷的形成和演化過程,筆者用微量元素的分離結(jié)晶模式和平衡部分熔融模式(Allgreetal.,1978)半定量地計算了La和Sr在這二個過程中的含量變化。計算中,根據(jù)長白山玄武巖中La和Sr的含量,它們的分別取30ppm和400ppm。La的D一般很小,故令DLa=0。同時,參考了各礦物Sr的分配系數(shù),令DSr=3。當取不同的F值時,計算結(jié)果見圖5。圖中可見,即使初始成分完全相同,分離結(jié)晶和部分熔融所產(chǎn)生的結(jié)果是截然不同的。對D>1的Sr來說,即使在部分熔融程度很低的情況下,也無法產(chǎn)生出Sr含量很低的巖漿,而分離結(jié)晶作用可在殘余巖漿中造成Sr極其貧化的結(jié)果。白頭山粗面巖與鈉閃堿流巖的La—Sr實際成分點都接近于分離結(jié)晶的曲線(圖5),并分別相當于長白山玄武巖漿70%和84%的分離結(jié)晶。前者與玄武巖一粗面巖演化階段主要元素的分離結(jié)晶混合計算中得出的總扣除量為68%的結(jié)果(表2)相近。因此,上述計算清楚地告訴我們,類似長白山玄武巖這種源巖的部分熔融不能解釋白頭山火山巖的成因?；◢徺|(zhì)的巖石一般含有更多的Sr、Ba等微量元素,它們的部分熔融更難以造成Sr、Ba等含量如此之低的結(jié)果。3.如果長白山玄武巖—白頭山火山巖這一巖石系列確實主要與分離結(jié)晶作用相聯(lián)系,那么在演化的各階段有哪些礦物相參與了這一作用呢?一般認為,Cr的貧化主要與單斜輝石的分離結(jié)晶有關(guān);Co和Ni趨向于聚集在橄欖石中;鐵鈦氧化物則是V的主要賦存礦物;而Sr、Ba的貧化和Eu異常的出現(xiàn)主要與斜長石和堿性長石的分離有關(guān)。因此根據(jù)圖1—圖5中這些元素的變化特點可以推論,玄武巖的分異可能主要與橄欖石和輝石有關(guān)。而在玄武巖向粗面巖演化的階段,除橄欖石和輝石外,突出表現(xiàn)為斜長石以及鐵鈦氧化物的分離結(jié)晶。在白頭山火山巖中,暗色礦物的影響不大,主要以堿性長石的分離結(jié)晶為主。這一推論由該系列巖石的巖相學(xué)、礦物學(xué)、主要元素化學(xué)等實際資料所證實4;根據(jù)最小二乘法原理對巖石的主要氧化物進行分離結(jié)晶定量計算的結(jié)果(表2)4進一步證實了這一點。在此基礎(chǔ)上進行的REE分離結(jié)晶定量計算也得到較滿意的結(jié)果。具體算法是,從表2中取得不同階段分離結(jié)晶礦物的比例(Xj)和殘余巖漿份數(shù)F。再根據(jù)各礦物的分配系數(shù)(Di)資料,求得固相的總分配系數(shù)D=∑XjDi。將F及各階段初始巖漿的REE含量代入公式,便可求得演化巖漿中各REE的含量。粗面巖—鈉閃堿流巖和鈉閃堿流巖階段的計算結(jié)果表示于圖1中。需要指出的是,考慮到巖漿成分等因素對D有較大的影響,筆者在計算中對非過堿性巖和過堿性巖分別選用了不同的分配系數(shù)。另外,對每個分配系數(shù)都根據(jù)收集到的資料選取一定的數(shù)值范圍,而不是單值。因而得到的結(jié)果也是一個含量區(qū)間(圖1中的劃線區(qū))。將它們與實際巖石中的REE含量比較可見,尤其對含量較高的輕稀土元素來說,二者之間的吻合還是較好的。四、巖石學(xué)和微量元素1.白頭山火山巖中許多不相容元素強烈地富集,其中有些元素之間在長白山玄武巖—白頭山火山巖的整個巖石系列中表現(xiàn)出很好的線性關(guān)系。與此相反,一些相容元素則