青藏高原东北缘马泉新生代碱性玄武岩地球化学及其成因探讨

崔源远， 赖绍聪， 耿 雯， 赵少伟， 朱韧之

(西北大学大陆动力学国家重点实验室，西北大学地质学系，陕西 西安 710069)

青藏高原东北缘新生代火山岩零星分布，已有较长的研究历史，火山岩以钾质-超钾质系列为主体，钠质火山岩系列出露很少。喻学惠等(2001，2003，2004，2005)、董昕等(2008)对礼县、宕昌一带广泛分布的新生代超钾质火山岩和火成碳酸岩及其中含有的地幔包体进行了详细的研究，通过Ar/Ar法比较准确地确定了该区新生代火山岩喷发时限主体集中在22～23 Ma之间，并对该区火山岩的分布、系列、岩石地球化学、矿物化学、同位素特征及其与高原隆升的关系作了大量的探讨和研究，提出了有益的见解。然而，相形之下，对东缘新生代碱性火山岩系列的源区性质、局部熔融机理及其岩浆演化等方面的研究却明显滞后，研究程度明显偏低。显然，上述问题至今仍然还是青藏高原东北缘独特构造环境下新生代岩浆作用尚未解决的重要科学难题。通过对该区新生代碱性玄武岩成因岩石学及岩石大地构造学的进一步深入研究，有可能找到解决上述关键科学问题的新途径。

本文对马泉地区出露的一套新生代火山岩进行了详细的岩石地球化学及成因岩石学研究，并探讨了其成因和形成大地构造环境。

1 区域地质概况

青藏高原东北缘新生代碱性火山岩主体分布于甘肃省礼县、宕昌等地，位于扬子古陆、松潘—甘孜褶皱带和祁连—秦岭褶皱带交汇的天水—礼县新生代断陷盆地中。在大地构造上该区属西秦岭礼县—祚水华力西褶皱带。是中国大陆与中、新生代以来强烈隆升的青藏高原之间的关键转换地带。

根据1∶20万区域地质图和新近国土资源大调查获得的礼县地区部分1∶5万地质填图，对青藏高原东北缘马泉地区新生代火山岩进行了详细的野外考察，并采集了相关的岩石地球化学样品(图1)。马泉火山岩出露于礼县以西约8 km处的马泉村北侧，由3个小规模的火山岩出露体构成，出露面积约2 km2。主要岩性有熔岩、角砾熔岩、火山集块岩等。

区内出露地层简单，主要有泥盆系、石炭系、古近系、新近系、第四系以及少量印支期似斑状黑云母花岗岩、中粗粒二长花岗岩等。泥盆系主要为一套钙质砂岩夹板岩及灰岩;石炭系主要为炭质粉砂岩夹灰色厚层灰岩，含燧石团块灰岩，炭质粉砂岩夹石英砂岩等;古近系主要为一套红色砂砾岩夹少量砂岩、砂质泥岩和少许钙质结核;新近系主要为红色泥岩夹砂砾岩;第四系为现代河床冲积层、残积坡积黄土及亚砂土/亚粘土等(图1)。

图1 马泉地区新生代火山岩地质分布简图Fig.1 Sketch geological map of the Cenozoic volcanic rock in Maquan area

2 岩相学及岩石化学特征

岩石呈暗黑色-黑灰色，致密块状构造，斑状结构，斑晶矿物为橄榄石，辉石，见少量金云母。橄榄石可见伊丁石化现象，辉石为碱性属种。基质部分为隐晶质结构-微晶结构。橄榄石和辉石斑晶大小在1～2 mm左右，橄榄石多为圆粒状，晶形不好，手标本上观察断口处玻璃光泽强，而辉石斑晶呈柱状，晶形发育较好，易于与橄榄石区别。金云母成片状晶。

本区火山岩化学成分、微量元素分析结果以及CIPW标准矿物计算结果列于表1中。从表中可以看到，火山岩SiO2含量不高，且较为稳定，变化范围为(40.40% ～41.84%)，平均为 41.07%;Al2O3含量低，且相对较稳定，大多在6.17% ～7.86%之间，8个火山岩样品的TFe2O3含量均在12%以上，而MgO含量最高可达13.05%;值得注意的是，本区火山岩K2O变化范围较宽，在0.37% ～3.24%之间，平均1.48%;而Na2O变化范围为(0.57% ～2.59%，平均 1.34%)，K2O/Na2O=0.46 ～ 1.92，平均1.01。同时，该组火山岩TiO2含量在3.73%～4.57%之间，平均为4.20%。

在火山岩系列划分图解中(图2)，火山岩投影点均位于碱性火山岩区内，总体属于碱性玄武岩类。这与CIPW标注矿物计算中多数样品均出现Ne(霞石)或Lc(白榴石)分子的结果完全一致。综上所述，马泉地区的新生代火山岩属于高钛-极高钛的大陆溢流碱性玄武岩类。

图2 火山岩TAS(a)及R1(4Si－11Na+K－2Fe+Ti)－R2(6Ca+2Mg+2Al)图解(b)Fig.2 TAS(a)and R1(4Si－11Na+K －2Fe+Ti)－R2(6Ca+2Mg+2Al)(b)diagram for the volcanic rocks

表1 马泉火山岩常量元素(wt%)和稀土及微量元素(10－6)分析结果Table1 Analytical results of major(%)and trace element(10－6)of the volcanic rocks from the Maquan area

续表1

3 稀土元素地球化学特征

8个火山岩样品的稀土总量在(584～707)×10－6之间(表 1)，平均为 656 × 10－6;∑LREE/∑HREE(6.89 ～8.06)，说明岩石富集稀土元素，且轻重稀土分异强烈;岩石 (La/Yb)N介于40.84～51.03之间，(Ce/Yb)N介于 29.37 ～35.82 之间。δEu十分稳定，变化不大，介于0.90～0.92之间，平均为0.91，表明本区火山岩基本无Eu的异常。在球粒陨石标准化稀土配分图上(图3)，显示为右倾负斜率轻稀土强烈富集型配分型式，Eu异常不明显，与典型的板内碱性玄武岩稀土元素地球化学特征完全一致。

图3 火山岩稀土元素球粒陨石标准化配分型式Fig.3 Chondrite-normalized rare earth element distribution patterns

4 微量元素地球化学特征

岩石微量元素配分图解(图4)表明，本区火山岩微量元素N-MORB标准化图谱整体呈驼峰状，Rb，Ba，Th，Ta，Nb 等元素呈明显富集状态，表明它们具有板内火山岩的地球化学特点。火山岩不相容元素地幔平均成分标准化蛛网图同样表明，火山岩总体具有富集大离子亲石元素的板内成因特点。

5 同位素地球化学特征

马泉新生代火山岩3个样品的Sr-Nd-Pb同位素分析结果列于表2中。从表2中可以看到，马泉碱性玄武岩总体具有中-低含量的Sr，以及相对低Nd的同位素地球化学特征。岩石87Sr/86Sr=0.704 090 ～0.704 668(平均 0.704 304)，εSr=+72.9 ～ +79.6(平均为 +76.0)，143Nd/144Nd=0.512 770 ～ 0.512 869，平均 0.512 829，εNd=+2.57 ～ +4.51(平均 +3.73)。根据143Nd/144Nd-87Sr/86Sr相关图解(图5)，本区火山岩的Sr-Nd同位素组成特征投影在非常接近PREMA(原始地幔)的位置。

图4 火山岩不相容元素原始地幔(a)和N型MORB(b)标准化配分型式Fig.4 Primitive mantle normalized(a)and N-MORB normalized trace element(b)distribution patterns

表2 火山岩Sr-Nd-Pb同位素分析结果Table2 Sr-Nd-Pb isotopic analysis results of the volcanic rocks from Maquan area

马泉碱性玄武岩206Pb/204Pb=18.363 698～18.866 220(平均 18.662 784)，207Pb/204Pb =15.495 292 ～ 15.602 144(平 均 15.564186)，208Pb/204Pb = 38.092 958 ～ 39.399 417(平均38.898 322)。在Pb同位素成分系统变化图中(图6)，本区火山岩样品无论是在207Pb/204Pb-206Pb/204Pb图解上，还是208Pb/204Pb-206Pb/204Pb图解上，均位于Th/U=4.0的北半球参考线(NHRL)之上，并在208Pb/204Pb-206Pb/204Pb图解上具有与BSE接近的同位素组成。而在Sr-Pb，Nd-Pb图(图7)上，本区火山岩同样显示了与PREMA十分接近的同位素组成。计算结果表明(表2)，马泉碱性玄武岩Δ8/4Pb为 26.4 ～96.3，△7/4Pb 较低，为 0.77 ～7.07。通常 DUPAL异常具有如下特征(Hart，1984):(1)高87Sr/86Sr(大于 0.705);(2)△8/4Pb大于60，△7/4Pb也偏高。从马泉玄武岩Pb同位素特征可以看到，其偏低的△7/4Pb和明显小于0.705的87Sr/86Sr值，未显示显著的DUPAL异常特征。

6 岩浆起源与演化

图5 火山岩143Nd/144Nd-87Sr/86Sr图解Fig.5 The143Nd/144Nd-87Sr/86Sr diagram of the volcanic rock

已有的研究资料表明，玄武质火山岩的地球化学和同位素地球化学资料，能对地幔岩浆源区性质作出有效约束(Wilson，1989;Lai et al.，2003，2007a，2007b，2008，2011，2012)。马泉碱性玄武岩具有清楚的化学成分变化范围，且具有均一的Sr，Nd和Pb同位素组成，并与PREMA(原始地幔)十分接近。这种具有原始地幔同位素组成并且具有极窄变化范围的Sr，Nd和Pb同位素系统有力地证明岩浆保持了较好的原生性(Wilson，1989;Lai et al.，2003，2007，2008，2011，2012)。此外，8 个样品均具有十分一致的稀土元素和微量元素配分型式。上述特征表明，马泉玄武岩应该起源于一个相对均一的地幔源区。因此，可以认为该套火山岩的地球化学和同位素地球化学能为其地幔源区性质提供有效约束。

岩浆在分离结晶作用中随着超亲岩浆元素的富集，亲岩浆元素丰度也几乎同步增长。因此，La/Sm基本保持为一常数。相反，在平衡部分熔融过程中，随着La的快速进入熔体，Sm也会在熔体中富集，但其增长的速度要慢。这是因为La在结晶相和熔体之间的分配系数比Sm小，即不相容性更强。因此，La-La/Sm图解可以很容易地判别一组相关岩石的成岩作用方式(Allegre et al.，1978)。从图8a中可以看到，本区火山岩随着La丰度的增高，La/Sm值呈逐渐增大的趋势，从而充分表明:马泉碱性玄武岩应为岩浆源区部分熔融的产物。Zr/Sm-Zr图解(图8b)也同样表明了这一规律。

Tegner等(1998)的研究认为，Sm/Yb比值和Yb含量的相关关系可有效判别地幔岩浆起源的相对深度和熔融程度，在地幔部分熔融作用中，熔体的Dy/Yb比值还随压力增大而增大。马泉玄武岩以较高的 Sm/Yb值(Sm/Yb=9.05 ～ 10.31)表明，它们的岩浆源区深度较大，应来源于软流圈地幔石榴石二辉橄榄岩的局部熔融。

图6 火山岩铅同位素组成图解Fig.6 Pb isotopic data for the volcanic rock

图7 火山岩87Sr/86Sr-206Pb/204Pb(a)和143Nd/144Nd-206Pb/204Pb(b)同位素组成图解Fig.7 The87Sr/86Sr-206Pb/204Pb(a)and143Nd/144Nd-206Pb/204Pb(b)diagrams

图8 火山岩的La－La/Sm(a)和Zr－Zr/Sm(b)图解Fig.8 The La －La/Sm(a)and Zr－Zr/Sm(b)diagrams

再结合马泉玄武岩的低SiO2(SiO2＜42%)，高 Mg(Mg#=60.7 ～65.9，平均64)，高 Sm/Yb 值，低的放射性同位素87Sr/86Sr = 0.704 090～0.704 668，208Pb/204Pb = 38.092 958 ～39.399 417，207Pb/204Pb = 15.495 292 ～15.602 144，206Pb/204Pb = 18.363 698 ～18.866 220，相对偏高的143Nd/144Nd=0.512 770～0.512 869，εNd 值(+2.57 ～ +4.51)等地球化学特征，可以认为该套岩石起源深度较大，应该来源于深部软流圈的原始地幔石榴石二辉橄榄岩的部分熔融。另外，该系列岩浆(Ce/Yb)N比值(29.37～35.82)应该在很大程度上反映了源区的特点，这意味着岩浆源区的轻稀土是相对富集的，且富集程度高。

7 结语

马泉新生代火山岩属于典型的高钛/极高钛型大陆溢流碱性玄武岩类，形成于新生代时期大陆板块内部构造环境。其来源深度较大，原始岩浆起源于一个富集轻稀土的软流圈地幔石榴石二辉橄榄岩的部分熔融。

相对于其它类型的岩浆岩，碱性岩是地壳中分布较为稀少和产出环境独特的一种岩石类型。一般认为，碱性岩形成于岩石圈拉张环境，其物质来源较深，主要源于上地幔。碱性岩具有特征地幔来源物质的稀有、微量元素含量和组合以及Sr，Nd，Pb，O等同位素组成，并常常由火山和浅成侵入体等构成线状延伸带，碱性岩这种深源浅成的属性带来了地球深部的物质组成、演化、地球动力学、构造和物理化学环境等重要信息。因此，通过碱性岩的研究来探索地球深部奥秘是一个重要的途径。

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