华北克拉通东北缘龙马第四纪玄武岩地球化学特征

华北克拉通东北缘龙马第四纪玄武岩地球化学特征

1中国东部新生代玄武岩pb同位素组成从海南岛到黑龙江省，中国东部发育着大量的新生代玄武岩。古生代主要是拉柱玄武岩，伴有少量碱性玄武岩。新近纪以后,主要发育含有深源捕掳体和巨晶的碱性玄武岩,伴有少量的拉斑玄武岩。自上个世纪80年代以来,许多学者对其进行了广泛的岩石学、矿物学和地球化学研究(ZhouandArmstrong,1982;Pengetal.,1986;鄂莫岚和赵大升,1987;Songetal.,1990;FanandHooper,1991;Basuetal.,1991;Tuetal.,1991;Floweretal.,1992;Liuetal.,1994;Chungetal.,1995;Zhangal.,1995;杜乐天,1996;Xuetal.,1998,2000;Chung,1999;Zouetal.,2000;Hoetal.,2003;Zhangetal.,2005;Xuetal.,2005;Yingetal.,2006;Chenetal.,2006)。研究结果表明,新生代碱性玄武岩具有较为一致的、类似软流圈地幔的亏损Sr-Nd同位素组成(绝大多数样品的87Sr/86Sr=0.7032～0.7053,εNll=0～8),同时具有类似洋岛玄武岩(OIB)的轻稀土(LREE)富集的特征((La/Yb)N>8)。值得关注的是,这些玄武岩的Pb同位素组成较为特殊,一方面,中国东部新生代碱性玄武岩富集放射性成因Pb,具有Dupal异常,但Pb同位素组成的变化范围比Hart(1984)所定义的Dupal异常的范围更大(Chung,1999;Zouetal.,2000);另一方面,中国东部新生代碱性玄武岩的Pb同位素组成具有区域性差异,具体表现为以苏北盆地为界(华北地块和华南地块的深部缝合线位置),以北的玄武岩具有类似EMI的Pb同位素组成;以南的玄武岩具有类似EMII的Pb同位素组成(Chung,1999;Zouetal.,2000)。这种Pb同位素组成的区域性规律在朝鲜半岛的南部和北部(相当于华北和华南地块)的新生代玄武岩中也有确切的表现(Choietnl.,2006)。玄武岩这种地球化学特征的产生是岩石圈-软流圈相互作用的结果(Zouetal.,2000),还是岩浆源区-软流圈本身的特征(Choietal.,2005),目前还存有争议。虽然中国东部新生代玄武岩的研究程度较高,作为对地幔源区性质的制约,大多学者根据玄武岩亏损的Sr-Nd同位素组成认为其原始岩浆起源于软流圈地幔,对于该软流圈地幔的性质多以DM地幔端元加以类比,而对于玄武岩类似OIB的微量元素和Pb同位素特征的产生机制没有深入的解释。虽然前人对龙岗第四纪玄武岩有过许多研究(罗照华,1984;刘嘉麒,1987;刘祥和张成梁,1987;FanandHooper,1991;樊祺诚等,1999,2002;白志达等,2006),但系统的地球化学研究依然缺乏,对该地区玄武岩源区的性质和深部过程缺乏深入的认识。因此,本次工作选择华北地块东北缘的龙岗第四纪碱性玄武岩作为研究对象,通过系统的主量元素、微量元素和Sr-Nd-Pb同位素分析,以揭示地幔源区的性质,探讨不同组分端元在岩浆中的物质贡献。2玄武质火山渣岩长白山西麓的龙岗火山位于北北东向的龙岗山脉中段,地处华北克拉通东北缘,构造上位于NE向的敦化-密山断裂与图们江-鸭绿江断裂之间(图1)。第四纪火山主要分布在龙岗山脉以东到头道松花江之间东西长约70km、南北宽约20km的盆地内,火山岩不整合覆盖在太古宇鞍山群基底之上,分布面积约1700km2。龙岗第四纪火山活动造就了龙岗火山现代地貌和丰富多彩的火山景观,包括熔岩台地、河谷熔岩、火山渣锥、火山碎屑席和低平龙湾火山口等典型的火山地质体。龙岗第四纪火山活动可划分为喷发4个旋回(白志达等,2006),从早到晚依次为早更新世旋回,仅分布在四海参场北到梨树村一带,岩浆爆发产物为玄武质火山渣,火山渣均已遭受强烈的风化,呈灰黄、土黄色,其顶部已风化成黄土。溢流式火山喷发形成相对平缓的波状熔岩台地,分布面积约有1000km2,海拔高度在330～660m之间。中更新世包括三期爆发作用,早期三角龙湾期主要为射汽-岩浆爆发,爆发产物主要为火山砂和砂砾石,成分为玄武质和基底片麻岩碎屑,爆发强度较大,形成如三角龙湾、龙泉龙湾、四海龙湾和高丽房等火山;中期旱龙湾主要为射汽爆发,以旱龙湾底低平火山为代表;晚期金龙顶子火山发生强烈的岩浆爆发,构成金龙顶子早期火山渣锥和火山碎屑席,在爆发的晚期,有玄武质熔岩流覆盖在射汽-岩浆产物之上。晚更新世旋回表现为较强的岩浆爆发,形成金川东、龙泉龙王东南阳屯等火山,爆发产物为玄武质火山渣和火山灰。全新世旋回包括大瓮圈期、红旗林场期和金龙顶子晚期。大瓮圈期主要为射汽-岩浆爆发,形成大龙湾和大瓮圈等以火山砂和砂砾石为主的火山;红旗林场期和金龙顶子晚期为强烈的岩浆爆发,以灰黑色玄武质火山渣为主。溢流式玄武质熔岩表现为多期活动的性质,地貌上呈熔岩台地和河谷。在火山渣和熔岩中常见深源包体和巨晶,以尖晶石相二辉橄榄岩为主(Xuetal.,2003),在中晚更新世火山岩中最为发育。樊祺诚等(2002)根据火山岩的K-Ar年代学研究,把龙岗第四纪火山岩分为三期:小椅子山期(早更新世,2.15～0.75Ma)、龙岗期(中一晚更新世,0.68～0.05Ma)和金龙顶子期(全新世,1600～1500a.BP)。本次样品采自金龙顶子(金龙顶子期)和大椅子山(龙岗期)的玄武质河谷熔岩和火山渣(图1)。这些玄武岩含有大量的新鲜深源包体,主要为二辉橄榄岩和方辉橄榄岩,直径大者可达50cm。火山渣为炉渣状或蜂巢状,显微镜下分为气孔和玻璃质两部分,气孔一般占50%～60%,玻璃基质中见少量斜长石和辉石微斑晶。3分析过程及结果全岩样品用破碎机破碎到<1cm大小的碎块,挑出其中有风化面和裂隙的碎块,剩下的样品用5%HC1和10%H2O2溶液浸泡l0min,然后用水洗净,再用圆盘粉碎机细碎,细碎好的样品缩分出100～200g,用无污染球磨机磨至200目以下用来进行下一步的元素和同位素分析。全岩主化学成分在广州地球化学研究所中科院同位素年代学和地球化学重点实验室X-荧光光谱仪(XRF)进行分析,分析流程见GotoandTatsumi(1996)。微量元素和Sr-Nd-Pb同位素在澳大利亚昆士兰大学放射性同位素实验室进行。微量元素用FisonsPlasmaquadII型等离子体质谱(ICP-MS)分析,用6Li、61Ni、84Sr、115In、147Sm、169Tm、187Re和205T1作为内标控制漂移,分析方法和流程见NiuandBatiza(1997)。同位素质谱测定在VG54多接收质谱计(TIMS)上采用静态模式完成。在测试过程中,Sr、Sm和Nd同位素组成分别采用86Sr/88Sr=0.119400、149Sm/152Sm=0.516858、146Nd/144Nd=0.721900进行标准化,采用瑞利定律进行同位素质量分馏校正。Nd同位素质谱测定结果调整到LaJolla的143Nd/144Nd=0.511860。Pb同位素分析过程中,用标准样NBS-981控制质谱计中的质量分馏。全流程空白为60～100Pg,对于206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb的分析误差(2σ)分别为0.014、0.018和0.040。4分析的结果4.1粗面安山玄武岩岩型全岩主化学成分和微量元素分析结果列于表1。龙岗玄武岩的SiO2给出较大的变化范围(47.12%～52.21%),全碱含量(K2O+Na20)为5.25%～7.19%,在TAS图上投在碱性岩区域(图2),为粗面玄武岩和玄武质粗面安山岩。其MgO含量也有较大的变化范围,为4.98%～8.19%,Mg#值在51～63之间,表明岩浆经过一定程度的结晶分异。在MgO和其他组分的相关图上(图3),SiO2、A12O3、Na2O和K2O与MgO之间呈反相关关系,TiO2、Fe2O3*、CaO和P2O5与MgO之间呈正相关关系,表明岩浆房中橄榄岩、单斜辉石和钛-铁氧化物的结晶分异。4.2龙门山地区的pb同位素龙岗玄武岩Sr-Nd-Pb同位素分析结果列于表2。样品具有较为一致的Sr-Nd同位素变化范围,其87Sr/86Sr在0.7044～0.7048之间,εNd都为正值,在0.6～2.1之间,在Sr-Nd同位素相关图上(图5)落在亏损的第二象限,位于宽甸新生代碱性玄武岩范围的下部(Basuetal.,1991),具有轻微亏损的性质。济南辉长岩位于富集的第四象限靠近EMI地幔端元的位置(Zhangetal.,2004)。龙岗玄武岩样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相关图上(图6a),样品投在地球等时线(GEOCHRON)的右侧和北半球参考线(NHRL)的上方,具有比印度洋MORB(I-MORB)更高的207Pb/204Pb比值。与华北地块其他地区新生代玄武岩相比,龙岗玄武岩具有更高的Pb同位素组成,位于华北和华南新生代玄武岩之间的位置。在206Pb/204Pb-208Pb/204Pb相关图上(图6b),样品表现出类似的特征,具有较高的208b/204b比值,投在NHRL的上方。济南辉长岩具有低放射性成因Pb同位素组成,靠近EMI幔端元。5讨论5.1东南角玄武岩形成时代龙岗玄武岩样品SiO2、Al2O3、Na2O和K2O与MgO之间的反相关以及TiO2、Fe2O3*、CaO和P2O5与MgO之间的正相关(图3),表明岩浆房中橄榄岩、单斜辉石和钛-铁氧化物的结晶分异。Cr和Ni等相容性元素含量低于与地幔平衡的原始岩浆值,且MgO和Cr、Ni之间具有正相关关系,指示了至少10%橄榄石的结晶分异。同样的证据也表现在样品的Mg#值上。由于岩浆上升速度很快,结晶分异过程发生在岩浆房中,岩浆可能在岩石圈底部有一定时间的停留。Na/TiL比值和源区部分熔融时的压力密切相关(Putirka,1999),由于随着压力的增加而降低,而单斜辉石和石榴子石的基本不变(Kinzleretal.,1997;Putirka,1999),熔体的Na/Ti比值随着平均压力的增加而降低。龙岗玄武岩的Na/Ti比值在3.3～6.8之间,在MgO-Na/Ti相关图上(图7),除了样品LG-11以外,其他样品大致呈反相关排列,在趋向于高MgO时Na/Ti比值略高于汉诺坝和大同新生代碱性玄武岩(Zhietal.,1990;Xuetal.,2005),表明龙岗玄武岩的原始岩浆产生于比汉诺坝和大同玄武岩更低的压力条件下。HREE含量反映了源区矿物相的类型,含量高低与压力具有正相关关系。龙岗玄武岩的YbNS8.2～9.5,一方面反映其源区中石榴石为残留相,另一方面低于汉诺坝和大同碱性玄武岩(YbN>10,Zhietal.,1990;Xu6tal.,2005),同样表明比后者更浅的岩浆起源。研究表明,汉诺坝碱性玄武岩起源于l00km以下的深度(Zhietal.,1990),而大同碱性玄武岩起源于70km以下(Xuetal.,2005)。基于Na/Ti比值和YbN值的比较,推测龙岗碱性玄武岩起源于60～70km深处。龙岗碱性玄武岩具有Nb、Ta富集和Sr-Nd同位素组成亏损的特征,表明其原始岩浆起源于软流圈地幔,这种解释也被用于中国东部其他地区的新生代碱性玄武岩的岩浆起源上(Zhietal.,1990;Basuetal.,1991;Liuetal.,1994;Zouetal.,2000;Xuetal.,2005)。然而,龙岗玄武岩富集LREE(图4a),具有Dupal异常的Pb同位素组成(图6a,b),Sr-Nd同位素亏损程度低于MORB(图5),说明其具有与OIB更加类似的特征。阜新碱锅和胶州大西庄白垩纪玄武岩具有高度亏损的Sr-Nd同位素组成[(87Sr/86Sr)t=0.7033～0.7041,εNd(t)值为3.9～7.56)]和类似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-洋岛玄武岩,数据引自Zouetal.(2000)和BarryandKent(1998),DM、HIMU、EMI和EMU地幔端元引自ZindlerandHart(1986);地球等时线(GEOCHRON)和北半球参考线(NHRL)引自Hart(1984);华北和华南地块新生代玄武岩范围引自Chung(1999);宽甸玄武岩和济南辉长岩数据来源同图5组成[(206Pb/204Pb)t=17.005～18.241;(207Pb/204Pb)t=15.356～15.443;(208Pb/204Pb)t=37.464～37.956](张宏福和郑建平,2003;闫峻等,2005),代表无分异无混染软流圈性质(张宏福和郑建平,2003)。由于软流圈具有相对均一的性质,龙岗玄武岩和碱锅、大西庄玄武岩Sr-Nd同位素特征的差异表明,在龙岗玄武岩地幔源区中除了软流圈物质以外,还有富集组分的加入。一种可能的富集组分(EMI)是大陆岩石圈地幔(McKenzieandO’Nions,1983)。华北地块中部济南晚中生代辉长岩起源于富集的岩石圈地幔,表现为富集LREE、高Pb含量(5×10-6～11×10-6)、富集的Sr-Nd同位素组成(87Sr/86Sr)t=0.7046～0.7055,εNd(t)=-4.2～-7.6)和低放射性成因Pb同位素组成(206Pb/204Pb(t)=16.560～16.837;207Pb/204Pb(t)=15.216～15.283;208Pb/204Pb(t)=36.290～36.724)(Zhangetal.,2004),为典型的EMI特征,代表了华北地块东部减薄/置换以前的富集岩石圈地幔。该富集组分和软流圈的混合可以解释龙岗玄武岩的Sr-Nd同位素特征、类似OIB的稀土特征以及比MORB和OIB范围稍低(Ce/Pb=25±5,Hofmannetal.,1986)的Ce/Pb比值(16～19)。但是济南辉长岩和以碱锅和大西庄所代表的软流圈都具有比龙岗玄武岩更低的Pb同位素组成,显然,还应该存在一种具有更高Pb同位素组成物质的参与。具有高Pb同位素组成的地幔端元包括HIMU和EMII(ZindlerandHart,1986)。HIMU往往来自俯冲循环的洋壳,其出现在火山岩中往往与地幔柱活动有关(ZindlerandHart,1986)。而华北东部新生代时期缺乏地幔柱活动的证据。EMⅡ端元常和上地壳物质或岩石圈地幔有关,济南辉长岩具有EMI性质的同位素特征,可以排除该地区来源于岩石圈地幔的EMII端元。龙岗玄武岩在上升过程中没有地壳物质的混染,其他的可能性只有俯冲作用带入到地幔源区中EMII特征的组分。.太平洋板块的俯冲可以造成弧后地区的火山岩中具有高放射性成因Pb同位素组成,在日本海玄武岩中有确切的反映(TatsumotoandNakamura,1991;Cousensetal.,1994)。因此,来自太平洋俯冲板片的脱水作用释放的流体以及沉积物部分熔融的熔体可能影响到了龙岗地区的源区地幔。所以,在龙岗第四纪碱性玄武岩的地幔源区中可能存在三种端元组分:似MORB的软流圈、似EMI的岩石圈地幔以及似EMII的俯冲物质。5.2岩石圈地表资源整合过程以济南晚中生代辉长岩的地球化学特征所反映的岩石圈地幔,具有LREE富集、Sr-Nd同位素富集以及低放射性Pb同位素组成的特征。而龙岗第四纪碱性玄武岩中二辉橄榄岩和方辉橄榄岩的Sr-Nd同位素组成主要为亏损的(87Sr/86Sr=0.7022～0.7048,εNd=0.8～18.5)(Xuetal.,2003),显著不同于富集的岩石圈地幔,确切地指示了龙岗地区第四纪岩石圈地幔已经被置换。华北地块岩石圈下部的减薄/置换已经得到了广泛的认可(Menziesetal.,1993;Griffinetal.,1998),置换后岩石圈地幔的物理和化学性质发生了根本改变(Fanetal.,2000;Zhengetal.,2001;Rudnicketal.,2004;Zhang,2005;Yingetal.,2006)。目前,研究焦点之一集中在岩石圈减薄事件发生的深部过程上。主要有三种看法和模式:一种是对流软流圈物质长期(～l00Ma)对岩石圈底部的热、化学和机械侵蚀作用(Griffinetal.,1998;Xu,2001;Xuetal.,2004;Menziesetal.,2007)。另一种是快速的(≈5Ma)以拆沉作用(delamination)为主要方式的物理减薄(Yangetal.,2003;Gaoetal.,2004;Wuetal.,2005)。第三种是流体进入岩石圈下部使之软化,进而活化置换的模式(Niu,2005)。上述几种模式对应了新生代岩石圈地幔形成的不同方式,即是长期的自下而上(bottom-up)的方式,还是快速的自上而下(top-down)的方式(Menziesetal.,2007)。龙岗碱性玄武岩的地球化学研究揭示了富集的岩石圈地幔和俯冲流体/熔体参与了岩浆源区的物质贡献,岩石圈和软流圈发生了一定程度的相互作用。显然,无论是拆沉方式还是侵蚀方式,岩石圈-软流圈都可以发生相互作用。龙岗玄武岩源区中俯冲流体/熔体的贡献,暗示了流体进入岩石圈下部使之软化,进而活化置换的可能(Niu,2005)。因此,岩石圈的减薄/置换作用可能为多种因素综合作用的结果。其具体的过程还有待于深入研究。6岩石圈和地潭通过对龙岗第四纪玄武岩系统的地球化学研究,得到以下几点认识:(1)龙岗第四纪玄武岩为碱性玄武岩,具有类似OIB的LREE和Th、