南海海盆岩石的岩石地球化学特征及其古扩张脊的形成

南海海盆岩石的岩石地球化学特征及其古扩张脊的形成

1南海海盆内岩石地球化学特性南海是太平洋最大的海岸带，位于亚洲、印度-澳大利亚和太平洋的交汇处。地理学领域最活跃的课题之一是南海的地质特征、起源和发展。南海海盆里分布着一些近东西向、南北向和北东向的链状海山(见图1),其中15°N附近呈东西向展布的珍贝-黄岩海山被认为是南海残留扩张中心,其岩石类型和地球化学特征对研究南海的地幔演化、壳幔相互作用以及制约南海扩张和演化历史具有重要意义。由于采样困难,迄今为止在南海海盆内仅在少数站位进行了岩石采样工作,样品数量和类型有限。2005年“海洋四号”在执行边缘海调查时,利用拖网在南海海盆黄岩海山首次获取了粗面岩样品(见图1),在此之前,1979年国土资源部广州海洋地质调查局与美国拉蒙特-多尔蒂地质研究所共同执行的中美联合调查曾在珍贝海山(14°48′N,116°30′E,水深3116m)获取了一批玄武岩样品(图1),岩石类型包括橄榄拉斑玄武岩、石英拉斑玄武岩和粗面玄武岩。本文对粗面岩样品进行了详细的岩石学、地球化学和年代学研究,探讨其岩浆源区和性质,并且通过与在珍贝海山采获的玄武岩的地球化学特征进行对比,揭示这两种火山岩类型之间的关系,为南海珍贝-黄岩古扩张脊的岩浆活动及其演化提供新证据。2岩石矿物成分分析所研究的两个岩石样品采自南海黄岩海山,拖网着底位置为15°14.3′N,117°4.45′E,水深为3322m,离底位置为15°13.42′N,117°4.83′E,离底水深为3348m。岩石表面有一薄层黑色铁锰结壳,新鲜切面呈浅灰绿色,样品编号为9DG和9DG-2。把样品清洗后首先对其原始特征进行详细的描述并照相,然后切割磨制岩石薄片,同时取岩石新鲜部位粉碎进行矿物学、元素地球化学、同位素地球化学和年代学分析。在国家海洋局第二海洋研究所海底科学国家海洋局重点实验室利用日本NIKONECLIPSEE600POL显微镜对岩石薄片进行鉴定;分别在中国地质大学(北京)和国土资源部武汉矿产资源监督检测中心完成样品的X-荧光光谱分析(仪器型号分别为荷兰帕纳科公司制造的AXIOS-PW4400和日本岛津制作所制造的XRF1500)和样品的ICP-MS测定(仪器型号分别为美国ThermoelementalX7和德国FINNIANMAT双聚焦ICP-MS),获得样品的主量元素、微量元素和稀土元素的含量。样品的锶、钕、铅同位素测定在中国科学院地质与地球物理研究所固体同位素地球化学实验室完成,测量仪器为德国Finnigan公司制造的MAT-262热电离质谱计。铷-锶和钐-钕的全流程本底值分别为100和50pg左右,锶、钕同位素含量比值分别采用锶-86含量与锶-88含量之比值0.1194和钕-146含量与钕-144含量之比值0.7219进行标准化,标样NBS987的锶和JMC的钕分析结果分别为0.710226±12(样品数为8个)和0.511937±7(样品数为8个)。铅同位素的分离纯化在装有80μLAG1x8(100—200目)交换树脂的特氟隆交换柱上进行,采用0.6mol/dm3HBr和6mol/dm3HCl按照流程分离纯化铅样品,全流程本底值小于50pg。样品的钾-氩法测年在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室完成(质谱仪为英国VSS公制造的RGA—10,火焰光度计型号为6400)。3结果3.1聚片石学特性样品9DG为浅灰绿色粗面岩,具少斑、聚斑结构,基质为交织结构。斑晶含量约为2%,主要由透长石组成,偶见透辉石和黑云母,其中透长石斑晶呈自形板状,正低突起,具细密聚片双晶和简单双晶;透辉石较自形,单偏光下呈淡绿色,无多色性,消光角较大;斑晶黑云母呈棕褐色,正中突起,具有一组细密的解理,多色性较强,平行消光。基质由略呈定向排列的斜长石微晶和玻璃质组成,未见蚀变现象。样品9DG-2为浅灰绿色斑状粗面岩,具少斑结构,斑晶含量约为2%,矿物成分为透长石,呈板状,有两组完全解理,解理交角为90°,大小一般为0.4mm×0.2mm。基质为隐晶结构,含少量针状斜长石微晶。3.2岩石地球化学特征样品的主量元素含量分析和CIPW标准矿物计算结果见表1。样品9DG和9DG-2中的SiO2含量分别为60.3%和63.6%,Al2O3含量分别为17.56%和17.55%,TiO2含量分别为0.48%和0.31%,K2O含量分别为5.13%和6.01%,Na2O含量分别为5.80%和5.52%,MgO含量分别为0.51和0.38%,具镁钛含量低、铝含量高、富钠钾的特点,CIPW标准矿物中出现石英,未出现霞石和橄榄石。根据岩石化学分类属于粗面岩,与镜下岩相学鉴定结果一致。在TAS分类及碱性-亚碱性系列划分图上投点,样品落在粗面岩和粗面英安岩区间内,属于碱性系列。计算表明粗面岩以结晶指数值小(<10)、分异指数值大(>80)、Mg指数值小(28.2～28.9)、碱度率大(3.88～3.62)、铁镁含量值小(6.21～8.49)和硅铝含量值大(93.60～90.72)为特征(表1),反映了粗面岩形成于铁镁质岩浆演化晚期结晶分异作用的最后阶段。续表1稀土和微量元素含量分析结果列于表2。样品的稀土含量的总量[∑c(REE)]较大,分别为358.089×10-6和345.642×10-6,轻重稀土元素总量比[∑c(LREE)/∑c(HREE)]分别为17.22和12.12,球粒陨石标准化镧镱比(La/Yb)分别为17.31和27.23,稀土元素配分曲线呈轻稀土元素高度富集的右倾型(见图3),与洋岛玄武岩(OIB)的稀土元素配分曲线相似,但是略陡倾。其中9DG-2具有明显的铕负异常(δEu=0.448),9DG有微小的铕负异常。样品的不相容元素丰度较高,其微量元素蛛网图也与OIB呈大体一致的右倾曲线,多数元素含量值高出原始地幔的10～200倍,锶、磷、钛元素含量值出现明显的低谷(见图4),这可能与斜长石、磷灰石以及钛铁氧化物的分异有关。3.3地禾演化趋势线上的铅-2-同位素组成对样品9DG中的锶、钕、铅同位素进行分析,结果表明,锶-87与锶-86的含量之比值为0.704183,钕-143与钕-144的含量之比值为0.512827,铅-206与铅-204含量之比值为18.68668,铅-207与铅-204含量之比值为15.67962,铅-208与铅-204含量之比值为39.00261(见表3)。将分析结果投在c(143Nd)/c(144Nd)-c(87Sr)/c(86Sr)关系图解中,数据点位于地幔演化趋势线上,与全球典型OIB具有相似的锶-钕同位素组成(见图5a)。锶-87与锶-86含量之比值-铅-206与铅-204含量之比值[c(87Sr)/c(86Sr)-c(206Pb)/c(204Pb)]和钕-143与钕-144含量之比值-铅-206与铅-204含量之比值[c(143Nd)/c(144Nd)-c(206Pb)/c(204Pb)]关系图解进一步说明岩浆源区具有MORB源区和OIB源区过渡的特点(见图5b,c),与珍贝海山玄武岩具有相同的同位素组成,表明其相似的地幔源区。3.4岩石学和矿物学特征对样品9DG-2用钾-氩法测年(见表4)。该样品的全岩表观年龄为7.77Ma,表明其属于晚中新世火山作用的产物。1979年中美联合调查在南海珍贝海山上采获的玄武岩岩石的形成年代为(9.1±1.29)～(10.0±1.80)Ma。两者的年龄接近,基本上属于晚中新世同一期火山活动的产物。4讨论4.1珍贝海岛与粗面岩地球化学特征南海在距今32～17Ma经历了南北扩张,位于15°N附近的珍贝-黄岩海山被认为是残留扩张轴。为了揭示珍贝海山和黄岩海山上火山岩类型之间的亲缘关系,我们收集了王贤觉等和Tu等报道的关于珍贝海山玄武岩元素含量的数据,两者之间具有一些相似的地球化学特征。从图3可见,所研究的黄岩海山的粗面岩与珍贝海山的基性玄武岩的稀土元素含量配分曲线非常相似,它们均富集轻稀土元素,具洋岛型玄武岩(OIB)的稀土元素含量配分型式,指示其来自相对富集的地幔源区。从微量元素蛛网图上可以看出(见图4),黄岩海山粗面岩除了锶、磷、钛严重亏损和亲石元素略富集外,与珍贝海山玄武岩微量元素含量蛛网图具有平行的OIB型微量元素配分型式,同时两者具有非常接近的锶、钕、铅同位素组成(见图5),而且都落在OIB的范围内,表明两者的初始岩浆具有同源性。4.2异质岩铁镁组岩进行黄岩海山粗面岩与珍贝海山玄武岩地球化学特征的差异是岩浆演化的结果。岩浆演化包括结晶分异和同化混染两种作用过程。上地幔未经分异的原始玄武岩浆的固结指数为40左右,随着结晶分异的进行,铁镁组分首先从熔浆中分离,残余岩浆向着贫MgO的方向演化,铁镁含量逐渐减小,硅铝含量逐渐增大,固结指数迅速减小。图6为珍贝-黄岩海山火山岩样品的硅铝质矿物含量与铁镁质矿物含量关系图,由图可见,所有样品的硅铝质矿物含量与铁镁质矿物含量呈协同变化关系,表明粗面岩和玄武岩有演化关系。进一步分析两类样品中的各主要氧化物与固结指数的变异关系,发现随着岩浆演化,CaO,MgO,Al2O3和Na2O+K2O也具有协同一致的衰减规律(图7),说明两者有演化关系,粗面岩由玄武质岩浆演化而来。4.3岩浆结晶作用关于黄岩海山粗面岩的成因可以表述如下:原始岩浆在较深部岩浆房中经历分离结晶作用后形成以珍贝海山为代表的碱性玄武岩浆,再进一步通过橄榄石、单斜辉石、斜长石、磷灰石和磁钛铁矿的结晶分异,形成高碱的粗面岩浆,最终沿断裂喷发形成粗面岩。粗面岩中的铕负异常及锶、磷、钛等元素的亏损就是由于熔体在结晶演化过程中透长石、斜长石、磷灰石和磁钛铁矿发生结晶分异的结果(见图4)。因为锶、磷为中等不相容元素,钛为弱不相容元素,初始岩浆形成时它们较容易进入熔体,在岩浆结晶作用的早期阶段,它们主要以类质同象的形式进入斜长石、单斜辉石等矿物中,或者形成常见的副矿物钛铁矿、磁铁矿、磷灰石等而发生分异,导致在岩浆演化后期形成的中性火山岩中出现亏损。在距今32～17Ma前南海被认为处于扩张时期,南海海盆中珍贝-黄岩海山被认为是南海残留扩张中心,鉴于所研究的珍贝-黄岩海山上玄武岩和粗面岩的形成时代均为晚中新世,为扩张期后板内火山活动的产物,具有洋岛型特征,表明其可能由地幔柱活动造成。Montelli等和Zhao研究认为海南岛附近可能有一个来自下地幔底部的地幔柱,它为本区火山活动提供了动力学机制和物质来源的启示,即地幔柱在为岩石圈地幔的部分熔融作用提供所需热量的同时也为珍贝-黄岩海山的火山活动作出了物质贡献。5岩浆起源、演化与火山岩形成时代南海珍贝-黄岩海山被认为是残留扩张轴,本文对采自南海黄岩海山上的火山岩样品进行了详细的岩石学、地球化学和年代学研究,并且与珍贝海山上的玄武岩的地球化学特征和形成年代进行了对比,探讨了珍贝-黄岩海山在晚中新世发生的岩浆活动和演化,得出以下结论。(1)根据岩石学和岩石化学分类,所研究的黄岩海山火山岩样品为中性的粗面岩,具有铝含量高、钛含量低、富钾钠的特点,属于碱性系列,而岩石的稀土和微量元素含量配分模式和锶-钕-铅同位素特征类似于洋岛