南海海盆巖石的巖石地球化學(xué)特征及其古擴(kuò)張脊的形成

南海海盆巖石的巖石地球化學(xué)特征及其古擴(kuò)張脊的形成

1南海海盆內(nèi)巖石地球化學(xué)特性南海是太平洋最大的海岸帶，位于亞洲、印度-澳大利亞和太平洋的交匯處。地理學(xué)領(lǐng)域最活躍的課題之一是南海的地質(zhì)特征、起源和發(fā)展。南海海盆里分布著一些近東西向、南北向和北東向的鏈狀海山(見圖1),其中15°N附近呈東西向展布的珍貝-黃巖海山被認(rèn)為是南海殘留擴(kuò)張中心,其巖石類型和地球化學(xué)特征對研究南海的地幔演化、殼幔相互作用以及制約南海擴(kuò)張和演化歷史具有重要意義。由于采樣困難,迄今為止在南海海盆內(nèi)僅在少數(shù)站位進(jìn)行了巖石采樣工作,樣品數(shù)量和類型有限。2005年“海洋四號”在執(zhí)行邊緣海調(diào)查時(shí),利用拖網(wǎng)在南海海盆黃巖海山首次獲取了粗面巖樣品(見圖1),在此之前,1979年國土資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局與美國拉蒙特-多爾蒂地質(zhì)研究所共同執(zhí)行的中美聯(lián)合調(diào)查曾在珍貝海山(14°48′N,116°30′E,水深3116m)獲取了一批玄武巖樣品(圖1),巖石類型包括橄欖拉斑玄武巖、石英拉斑玄武巖和粗面玄武巖。本文對粗面巖樣品進(jìn)行了詳細(xì)的巖石學(xué)、地球化學(xué)和年代學(xué)研究,探討其巖漿源區(qū)和性質(zhì),并且通過與在珍貝海山采獲的玄武巖的地球化學(xué)特征進(jìn)行對比,揭示這兩種火山巖類型之間的關(guān)系,為南海珍貝-黃巖古擴(kuò)張脊的巖漿活動及其演化提供新證據(jù)。2巖石礦物成分分析所研究的兩個(gè)巖石樣品采自南海黃巖海山,拖網(wǎng)著底位置為15°14.3′N,117°4.45′E,水深為3322m,離底位置為15°13.42′N,117°4.83′E,離底水深為3348m。巖石表面有一薄層黑色鐵錳結(jié)殼,新鮮切面呈淺灰綠色,樣品編號為9DG和9DG-2。把樣品清洗后首先對其原始特征進(jìn)行詳細(xì)的描述并照相,然后切割磨制巖石薄片,同時(shí)取巖石新鮮部位粉碎進(jìn)行礦物學(xué)、元素地球化學(xué)、同位素地球化學(xué)和年代學(xué)分析。在國家海洋局第二海洋研究所海底科學(xué)國家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用日本NIKONECLIPSEE600POL顯微鏡對巖石薄片進(jìn)行鑒定;分別在中國地質(zhì)大學(xué)(北京)和國土資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成樣品的X-熒光光譜分析(儀器型號分別為荷蘭帕納科公司制造的AXIOS-PW4400和日本島津制作所制造的XRF1500)和樣品的ICP-MS測定(儀器型號分別為美國ThermoelementalX7和德國FINNIANMAT雙聚焦ICP-MS),獲得樣品的主量元素、微量元素和稀土元素的含量。樣品的鍶、釹、鉛同位素測定在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所固體同位素地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成,測量儀器為德國Finnigan公司制造的MAT-262熱電離質(zhì)譜計(jì)。銣-鍶和釤-釹的全流程本底值分別為100和50pg左右,鍶、釹同位素含量比值分別采用鍶-86含量與鍶-88含量之比值0.1194和釹-146含量與釹-144含量之比值0.7219進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,標(biāo)樣NBS987的鍶和JMC的釹分析結(jié)果分別為0.710226±12(樣品數(shù)為8個(gè))和0.511937±7(樣品數(shù)為8個(gè))。鉛同位素的分離純化在裝有80μLAG1x8(100—200目)交換樹脂的特氟隆交換柱上進(jìn)行,采用0.6mol/dm3HBr和6mol/dm3HCl按照流程分離純化鉛樣品,全流程本底值小于50pg。樣品的鉀-氬法測年在北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成(質(zhì)譜儀為英國VSS公制造的RGA—10,火焰光度計(jì)型號為6400)。3結(jié)果3.1聚片石學(xué)特性樣品9DG為淺灰綠色粗面巖,具少斑、聚斑結(jié)構(gòu),基質(zhì)為交織結(jié)構(gòu)。斑晶含量約為2%,主要由透長石組成,偶見透輝石和黑云母,其中透長石斑晶呈自形板狀,正低突起,具細(xì)密聚片雙晶和簡單雙晶;透輝石較自形,單偏光下呈淡綠色,無多色性,消光角較大;斑晶黑云母呈棕褐色,正中突起,具有一組細(xì)密的解理,多色性較強(qiáng),平行消光。基質(zhì)由略呈定向排列的斜長石微晶和玻璃質(zhì)組成,未見蝕變現(xiàn)象。樣品9DG-2為淺灰綠色斑狀粗面巖,具少斑結(jié)構(gòu),斑晶含量約為2%,礦物成分為透長石,呈板狀,有兩組完全解理,解理交角為90°,大小一般為0.4mm×0.2mm?；|(zhì)為隱晶結(jié)構(gòu),含少量針狀斜長石微晶。3.2巖石地球化學(xué)特征樣品的主量元素含量分析和CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物計(jì)算結(jié)果見表1。樣品9DG和9DG-2中的SiO2含量分別為60.3%和63.6%,Al2O3含量分別為17.56%和17.55%,TiO2含量分別為0.48%和0.31%,K2O含量分別為5.13%和6.01%,Na2O含量分別為5.80%和5.52%,MgO含量分別為0.51和0.38%,具鎂鈦含量低、鋁含量高、富鈉鉀的特點(diǎn),CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物中出現(xiàn)石英,未出現(xiàn)霞石和橄欖石。根據(jù)巖石化學(xué)分類屬于粗面巖,與鏡下巖相學(xué)鑒定結(jié)果一致。在TAS分類及堿性-亞堿性系列劃分圖上投點(diǎn),樣品落在粗面巖和粗面英安巖區(qū)間內(nèi),屬于堿性系列。計(jì)算表明粗面巖以結(jié)晶指數(shù)值小(<10)、分異指數(shù)值大(>80)、Mg指數(shù)值小(28.2～28.9)、堿度率大(3.88～3.62)、鐵鎂含量值小(6.21～8.49)和硅鋁含量值大(93.60～90.72)為特征(表1),反映了粗面巖形成于鐵鎂質(zhì)巖漿演化晚期結(jié)晶分異作用的最后階段。續(xù)表1稀土和微量元素含量分析結(jié)果列于表2。樣品的稀土含量的總量[∑c(REE)]較大,分別為358.089×10-6和345.642×10-6,輕重稀土元素總量比[∑c(LREE)/∑c(HREE)]分別為17.22和12.12,球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化鑭鐿比(La/Yb)分別為17.31和27.23,稀土元素配分曲線呈輕稀土元素高度富集的右傾型(見圖3),與洋島玄武巖(OIB)的稀土元素配分曲線相似,但是略陡傾。其中9DG-2具有明顯的銪負(fù)異常(δEu=0.448),9DG有微小的銪負(fù)異常。樣品的不相容元素豐度較高,其微量元素蛛網(wǎng)圖也與OIB呈大體一致的右傾曲線,多數(shù)元素含量值高出原始地幔的10～200倍,鍶、磷、鈦元素含量值出現(xiàn)明顯的低谷(見圖4),這可能與斜長石、磷灰石以及鈦鐵氧化物的分異有關(guān)。3.3地禾演化趨勢線上的鉛-2-同位素組成對樣品9DG中的鍶、釹、鉛同位素進(jìn)行分析,結(jié)果表明,鍶-87與鍶-86的含量之比值為0.704183,釹-143與釹-144的含量之比值為0.512827,鉛-206與鉛-204含量之比值為18.68668,鉛-207與鉛-204含量之比值為15.67962,鉛-208與鉛-204含量之比值為39.00261(見表3)。將分析結(jié)果投在c(143Nd)/c(144Nd)-c(87Sr)/c(86Sr)關(guān)系圖解中,數(shù)據(jù)點(diǎn)位于地幔演化趨勢線上,與全球典型OIB具有相似的鍶-釹同位素組成(見圖5a)。鍶-87與鍶-86含量之比值-鉛-206與鉛-204含量之比值[c(87Sr)/c(86Sr)-c(206Pb)/c(204Pb)]和釹-143與釹-144含量之比值-鉛-206與鉛-204含量之比值[c(143Nd)/c(144Nd)-c(206Pb)/c(204Pb)]關(guān)系圖解進(jìn)一步說明巖漿源區(qū)具有MORB源區(qū)和OIB源區(qū)過渡的特點(diǎn)(見圖5b,c),與珍貝海山玄武巖具有相同的同位素組成,表明其相似的地幔源區(qū)。3.4巖石學(xué)和礦物學(xué)特征對樣品9DG-2用鉀-氬法測年(見表4)。該樣品的全巖表觀年齡為7.77Ma,表明其屬于晚中新世火山作用的產(chǎn)物。1979年中美聯(lián)合調(diào)查在南海珍貝海山上采獲的玄武巖巖石的形成年代為(9.1±1.29)～(10.0±1.80)Ma。兩者的年齡接近,基本上屬于晚中新世同一期火山活動的產(chǎn)物。4討論4.1珍貝海島與粗面巖地球化學(xué)特征南海在距今32～17Ma經(jīng)歷了南北擴(kuò)張,位于15°N附近的珍貝-黃巖海山被認(rèn)為是殘留擴(kuò)張軸。為了揭示珍貝海山和黃巖海山上火山巖類型之間的親緣關(guān)系,我們收集了王賢覺等和Tu等報(bào)道的關(guān)于珍貝海山玄武巖元素含量的數(shù)據(jù),兩者之間具有一些相似的地球化學(xué)特征。從圖3可見,所研究的黃巖海山的粗面巖與珍貝海山的基性玄武巖的稀土元素含量配分曲線非常相似,它們均富集輕稀土元素,具洋島型玄武巖(OIB)的稀土元素含量配分型式,指示其來自相對富集的地幔源區(qū)。從微量元素蛛網(wǎng)圖上可以看出(見圖4),黃巖海山粗面巖除了鍶、磷、鈦嚴(yán)重虧損和親石元素略富集外,與珍貝海山玄武巖微量元素含量蛛網(wǎng)圖具有平行的OIB型微量元素配分型式,同時(shí)兩者具有非常接近的鍶、釹、鉛同位素組成(見圖5),而且都落在OIB的范圍內(nèi),表明兩者的初始巖漿具有同源性。4.2異質(zhì)巖鐵鎂組巖進(jìn)行黃巖海山粗面巖與珍貝海山玄武巖地球化學(xué)特征的差異是巖漿演化的結(jié)果。巖漿演化包括結(jié)晶分異和同化混染兩種作用過程。上地幔未經(jīng)分異的原始玄武巖漿的固結(jié)指數(shù)為40左右,隨著結(jié)晶分異的進(jìn)行,鐵鎂組分首先從熔漿中分離,殘余巖漿向著貧MgO的方向演化,鐵鎂含量逐漸減小,硅鋁含量逐漸增大,固結(jié)指數(shù)迅速減小。圖6為珍貝-黃巖海山火山巖樣品的硅鋁質(zhì)礦物含量與鐵鎂質(zhì)礦物含量關(guān)系圖,由圖可見,所有樣品的硅鋁質(zhì)礦物含量與鐵鎂質(zhì)礦物含量呈協(xié)同變化關(guān)系,表明粗面巖和玄武巖有演化關(guān)系。進(jìn)一步分析兩類樣品中的各主要氧化物與固結(jié)指數(shù)的變異關(guān)系,發(fā)現(xiàn)隨著巖漿演化,CaO,MgO,Al2O3和Na2O+K2O也具有協(xié)同一致的衰減規(guī)律(圖7),說明兩者有演化關(guān)系,粗面巖由玄武質(zhì)巖漿演化而來。4.3巖漿結(jié)晶作用關(guān)于黃巖海山粗面巖的成因可以表述如下:原始巖漿在較深部巖漿房中經(jīng)歷分離結(jié)晶作用后形成以珍貝海山為代表的堿性玄武巖漿,再進(jìn)一步通過橄欖石、單斜輝石、斜長石、磷灰石和磁鈦鐵礦的結(jié)晶分異,形成高堿的粗面巖漿,最終沿?cái)嗔褔姲l(fā)形成粗面巖。粗面巖中的銪負(fù)異常及鍶、磷、鈦等元素的虧損就是由于熔體在結(jié)晶演化過程中透長石、斜長石、磷灰石和磁鈦鐵礦發(fā)生結(jié)晶分異的結(jié)果(見圖4)。因?yàn)殒J、磷為中等不相容元素,鈦為弱不相容元素,初始巖漿形成時(shí)它們較容易進(jìn)入熔體,在巖漿結(jié)晶作用的早期階段,它們主要以類質(zhì)同象的形式進(jìn)入斜長石、單斜輝石等礦物中,或者形成常見的副礦物鈦鐵礦、磁鐵礦、磷灰石等而發(fā)生分異,導(dǎo)致在巖漿演化后期形成的中性火山巖中出現(xiàn)虧損。在距今32～17Ma前南海被認(rèn)為處于擴(kuò)張時(shí)期,南海海盆中珍貝-黃巖海山被認(rèn)為是南海殘留擴(kuò)張中心,鑒于所研究的珍貝-黃巖海山上玄武巖和粗面巖的形成時(shí)代均為晚中新世,為擴(kuò)張期后板內(nèi)火山活動的產(chǎn)物,具有洋島型特征,表明其可能由地幔柱活動造成。Montelli等和Zhao研究認(rèn)為海南島附近可能有一個(gè)來自下地幔底部的地幔柱,它為本區(qū)火山活動提供了動力學(xué)機(jī)制和物質(zhì)來源的啟示,即地幔柱在為巖石圈地幔的部分熔融作用提供所需熱量的同時(shí)也為珍貝-黃巖海山的火山活動作出了物質(zhì)貢獻(xiàn)。5巖漿起源、演化與火山巖形成時(shí)代南海珍貝-黃巖海山被認(rèn)為是殘留擴(kuò)張軸,本文對采自南海黃巖海山上的火山巖樣品進(jìn)行了詳細(xì)的巖石學(xué)、地球化學(xué)和年代學(xué)研究,并且與珍貝海山上的玄武巖的地球化學(xué)特征和形成年代進(jìn)行了對比,探討了珍貝-黃巖海山在晚中新世發(fā)生的巖漿活動和演化,得出以下結(jié)論。(1)根據(jù)巖石學(xué)和巖石化學(xué)分類,所研究的黃巖海山火山巖樣品為中性的粗面巖,具有鋁含量高、鈦含量低、富鉀鈉的特點(diǎn),屬于堿性系列,而巖石的稀土和微量元素含量配分模式和鍶-釹-鉛同位素特征類似于洋島