板内溢流玄武岩与岛弧玄武岩的判定方法研究

马 凯，高路恒

(西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室，陕西西安 710069)

随着地学的发展，地质学家对于板内溢流玄武岩与岛弧玄武岩的研究取得很大进展，同时也产生了很多问题，其中如何才能够有效地把陆壳或岩石圈混染效应加以剥离，避免将大陆玄武岩误判为岛弧玄武岩［1］，就成为大陆火山岩研究中一个十分重要的课题。要准确的划分大陆玄武岩和岛弧玄武岩就面临很大的问题，需要我们更全面的分析。笔者从大陆玄武岩和岛弧玄武岩的产出环境，地球化学特征等方面进一步分析的相似与不同之处，试图寻找一种其他可行的判别方法。

1 产出环境与岩石组合

1.1 大陆板内玄武岩岩石组合及其演化规律

大陆溢流玄武岩也称为板内玄武岩，大多集中于裂谷带上，保存于被动大陆边缘，部分与板内深大断裂有关。大陆板内的岩浆活动喷出岩以大陆溢流玄武岩、大陆拉斑玄武岩、碱性玄武岩或双峰式火山岩组合或者其中之一为特征。大陆溢流玄武岩以印度德干高原玄武岩［6］为例。双峰式火山岩组合以基性和酸性共生为特征，缺乏中性岩类，这种特征称为火山岩成分间断，即Daly间断。

一般裂谷前期或初期，以强碱性或碱性系列为主，分布于裂谷边部盆地;中期为碱性或拉斑系列—裂谷轴部，也有例外，如莱茵地堑，先为拉斑系列，后出现碱性系列。

(1)板内裂谷岩石组合特点:拉斑、碱性系列，少量超基性岩组成，并随裂解－扩张碱性降低;无论喷出或侵入，均以基性为主，可分异出少量酸性;为幔源。包括富集地幔和亏损地幔(残余地幔)，熔融程度愈低，愈碱性;愈高，愈向拉斑质转变。

(2)岩浆形成过程:大陆裂谷岩浆的化学组成取决于地幔源区特征、部分熔融深度、部分熔融程度、岩浆上升速度。自然界的岩浆形成过程通常是局部熔融过程，事实表明，地表分布最广的玄武岩类岩浆起源于上地幔橄榄岩，碱性玄武岩岩浆起源深度常大于拉斑玄武岩岩浆。地幔岩在不同深度不同温压条件下部分熔融，沿拉张断裂上升地表。热的地幔缓慢上升到一个中等或较浅的深度上(60 km)，部分熔融程度相应提高，随着深度和部分熔融程度不一，产生碱性橄榄玄武岩 (10%～15%)或苦橄岩浆 (20%)，这些岩浆一部分喷出地表形成溢流玄武岩(印度德干高原，峨嵋山玄武岩)，一部分聚集于地壳下部岩浆房中充分结晶分异，而后侵入形成层状基性侵入体和基性岩床、岩墙;分异后的岩浆喷出地表，形成双峰式火山岩。

上述为对大陆溢流玄武岩及其配套的一套岩石组合成因的基本认识，其特点可以归纳为源区与地幔物质有关，构造背景为伸展拉张背景，由于岩浆的演化，可能会产生双峰式火山岩等。

1.2 岛弧火山岩岩石组合及其演化规律

火山岛弧主要分为三个岩石系列组合:①岛弧拉斑玄武岩系列:岛弧拉斑玄武岩、岛弧安山岩和少量英安岩;②岛弧钙碱系列:安山岩、英安岩、高铝玄武岩和流纹岩;③岛弧碱性系列:碱性橄榄玄武岩、富橄玄武岩、钾玄岩、橄榄粗安岩、粗面岩、碱流岩等

岛弧岩浆系列的水平分带和成分极性:①分带性:随与海沟轴的距离和俯冲带深度的增加，岛弧火山岩成分组合具有分带性。②成分极性:岛弧火山岩的化学成分在空间上系统变化的规律称为成分极性。

将大陆板内岩浆活动与岛弧岩浆活动进行对比，最明显的特点就是玄武岩在两类不同的构造背景下均扮演了重要的角色。准确的区分两种背景下产出玄武岩对判别构造环境，推断构造演化具有重要意义。上面对两中不同背景下产出的岩石似乎很好的将两种玄武岩区分开来，但是，在实际工作中并非如此，我们在野外采样的时候不可能整套岩石都有出露。很多时候我们借用地球化学的方法来区别，但对两类玄武岩岩石利用地球化学判别是存在很多问题的。

2 微量元素分析

2.1 板内溢流玄武岩的 Nb、Ta、Ti值［5］

国际岩石学界多年的研究表明，没有受到岩石圈混染的由软流圈(或地幔柱)产生的大陆玄武岩通常具有平坦的REE分配型式或LREE富集的分配型式，并以缺乏Nb、Ta和Ti的负异常为特征。许多大陆玄武岩都记录了重要的来自地壳和壳下源的岩石圈卷入的信号。在大陆玄武岩中还有另外两个重要的组分能被识别出来，它们是岩石圈地幔组分和地壳组分。目前，有关岩石圈是以何种方式对大陆火山岩形成作出贡献的问题，仍然存在多种不同的认识:有的学者［4］，［5］认为:岩石圈源熔体对软流圈(或地幔柱)源岩浆发生混染，是岩石圈组分卷入大陆火山岩成因的主要方式;另一些学者［7］，［8］则认为大陆岩石圈地幔可以发生全部熔融，由岩石圈地幔部分熔融所产生的熔体在大陆火山岩浆中占优势比例，而软流圈(或地幔柱)源熔体数量很少，后者在很大程度上只是起着使岩石圈软化并进而发生部分熔融的热源作用;再有一些学者［10］则提出岩石圈组分之所以能卷入大陆火山岩成因，是由于软流圈(或地幔柱)源岩浆渗透进入岩石圈，从而导致软流圈(或地幔柱)源熔体与岩石圈围岩发生相互反应。总之，不管卷入的方式如何，在大陆玄武岩中确实能够明确无误地识别出岩石圈组分卷入的信号。地壳物质的卷入，必然使得板内玄武岩具有低Nb、Ta、Ti的特点。

2.2 岛弧玄武岩的 Nb、Ta、Ti值

随着ICP－AES和ICP－MS分析技术的发展，积累了大量有关火成岩的高场强元素 HFSE，特别是Nb、Ta等元素的资料，它们在岛弧系统岩浆岩中的含量较低，在以原始地幔标准化蛛网图中，相对于相邻元素 K、La和Eu、Dy呈现亏损。据此，Ti、Nb、Ta的亏损(TNT异常)成为岛弧构造环境的重要标志之一。通常认为:在一般条件下，岛弧岩浆是通过下述过程产生，即俯冲洋壳在一定深度发生脱水作用形成俯冲带流体，这种流体进入地幔楔使地幔岩石发生部分熔融形成岛弧岩浆，由于Nb、Ta、Ti等高场强元素在流体中溶解度很低，与此相关，当这种流体上升交代地幔楔时，角闪石发生沉淀，流体中的 Nb、Ta进入角闪石，使流体更亏损Nb、Ta，因而造成由此形成的岛弧岩浆贫 Nb、Ta、Ti。另一方面，实验资料表明，在80～100 km以上的的深度范围，地幔岩中的Ti、Nb、Ta的主要矿物相金红石是稳定的，因而在岛弧岩浆形成的温、压条件下 Nb、Ta、Ti保留在残余相金红石、榍石等矿物中，进入熔体很少，造成岛弧岩浆亏损 Nb、Ta、Ti。

3 其他地球化学指标

前人研究认为对于火山弧玄武岩，由于其形成过程中有大量流体的参与，它们富集了在流体中富集的元素，如K、Sr、Ba、Rb、Th 等，而高场强元素 Ti、Nb、Ta、Zr、Hf等相对亏损，因此，常用在流体中微量元素地球化学行为的差异来区分岛弧玄武岩和板内溢流玄武岩。例如，K和Ta在玄武岩中地球化学行为差异大，流体可以使K明显富集，由此，火山弧中K/Ta比值总是高于洋中脊玄武岩和板内玄武岩［3］。一些强相容元素如 Cr，是分离结晶作用的灵敏指标，它们在分离结晶过程中进入橄榄石、斜方辉石、单斜辉石和尖晶石中，由于地幔源区部分熔融程度或分离结晶历史不同，因而在火山弧玄武岩中含量明显低于洋中脊玄武岩和板内玄武岩，Y在火山弧玄武岩中相对于其它类型玄武岩也亏损，故可用Cr－Y图解区分。原始地幔La/Nb为0.98～1，岛弧岩浆 La/Nb＞1。

没有受到混染的软流圈(或地幔柱)源大陆玄武质岩石［7］通常是以(Th/Nb)N ＜ 1、Nb/La≥1、低87Sr/86Sr(t)比值、高εNd(t)值及La/Nb和La/Ba比值与洋岛玄武岩相似并以具有缺乏Nb、Ta、Ti负异常的“隆起”状多元素地幔标准化分配型式为特征。当在所研究的火山岩系中发现有未受到混染的软流圈(或地幔柱)源玄武质岩石存在，基本上就可以排除它们有属于岛弧或活动大陆边缘火山岩系的可能。对于那些具有消减带信号的基性熔岩，可以根据Zr含量和Zr/Y比值，或利用Zr/Y－Zr图解，判断它们是否真正是岛弧或活动大陆边缘玄武岩［1］。没有受到岩石圈混染的由软流圈(或地幔柱)产生的大陆玄武岩通常具有平坦的REE分配型式或LREE富集的分配型式，并以缺乏Nb、Ta和Ti的负异常为特征。它们全都具有小于1的原始地幔标准化Th/Nb比值。此外，高Nb/La比值［9］和具有与洋岛玄武岩相似的La/Nb和La/Ba比值也是没有受到岩石圈混染的软流圈(或地幔柱)源大陆玄武岩的鲜明特点。在同位素成分上，软流圈(或地幔柱)组分是以低87Sr/86Sr比值(＜0.705)和高εNd 值( ＞ +2)为特征［11］。

通常认为，具有略大于1的原始地幔标准化Th/Nb比值，是受到岩石圈地幔组分混染的大陆玄武岩的最醒目的标志。此外，Nb/La＜1、高La/Nb比值、中等—低 εNd值(＜+2)和中等87Sr/86Sr比值(0.704～0.707)，同样也是此类受到岩石圈地幔组分混染的大陆玄武岩的特征。对于较为年轻的大陆，由于其岩石圈地幔中保存有较早的消减事件影响的记录，也就是说其岩石圈地幔曾受到地质历史中较早消减事件的改造，因而年轻大陆上发育的玄武岩在受到岩石圈地幔组分混染的情况下，其同位素成分特征往往与消减带岩石中的有所相似，即出现岛弧型信号［11］。

4 讨论

两类玄武岩，都是壳幔混合的产物，都含有壳源和幔源的信息，所以同位素也不一定每次都能将两者很好的区分，例如壳源物质必然导致相对高锶初始比值。已给出的同位素比值参考值，很少是直接针对区分大陆玄武岩与岛弧玄武岩的，而是试图把岛弧与洋岛区分开来。很多所以，就是同位素的应用也应该是很谨慎的。

准确的区分大陆玄武岩和岛弧玄武岩具有非常重要的地质意义。但在针对实际样品时，不一定每一个指标都能很好的与前人的工作相吻合，这与地球的不均一性和地质的复杂性相关的。虽然引入很多地球化学元素来区分，但是，我们从来两类玄武岩的示意图中可以看出，两种玄武岩都同时具有幔源物质和壳源物质的混合，所以在球粒陨石标准化稀土模式配分图和原始地幔标准化图中几乎是相似的。

相对于大洋脊，大陆板内玄武岩富K，平均0.66%(大洋脊 ＜0.14%)，Ba、Sr、Rb、U 、Th 较高，Ta 、Ni、Zr、Ti、Hf较高，Rb/K、Rb/Sr较高，Sr87/Sr86较高，范围宽0.703 3 ～0.710 0，Ti高出两倍(大洋脊TiO2平均 0.8%)。大陆碱性系列:Ba、Sr、Rb含量更高，LREE更富集，Sr87/Sr86在0.703～0.707 5之间。大陆裂谷中相应元素的富集、轻稀土富集，锶初始比高，说明演化过程中受地壳混染及与围岩反应所致。

那么，怎样把两者有效的区分开，夏林圻等［1］提出可以根据Zr含量和Zr/Yb比值，或者利用Zr/Y－Zr图解，判别它们是否真是岛弧或者活动大陆边缘玄武岩。刘军峰等［2］研究秦岭四方台一套基性杂岩体时，强调壳源Nb是亏损的，而幔源Nb不亏损，四方台杂岩体的Nb/Ta比值为1～24，Nb从极度亏损到相对富集，显示具有混合的特征，一般岛弧岩浆岩具有典型的Nb、Ta亏损。由Nb具有混染的特征，作为判断四方台基性岩墙是板内岩浆的重要依据。我们明显感觉到，判定两类玄武岩的证据乏力和苍白的。

对判别两类玄武岩，做了一些思考(不一定对，仅是一些思考)。Yarmolyuk.(2013)就做了判别板内岩浆活动很好的工作，对很大范围内同一期的岩浆岩进行统计，发现具有非常明显的双峰式特点，作为判别这是一起板内岩浆活动的重要依据。毫无疑问，在这样大规模面状分布的，说玄武岩是与地幔有关的板内溢流玄武岩，是完全没有任何争议的。给我们的启示，紧密结合区域地质背景是地球化学的生命线所在。现在对岛弧岩浆的争议也越来越大，所以要准确的判别两类岩浆，必须充分的认识区域地质背景。

就具体认识区域地质背景，一方面认为板内玄武岩的产出，如果与地幔柱有关，可能会成面状分布(如峨眉山玄武岩)，如果与深大断裂有关的板内玄武岩，很可能是平行深大断裂产生的(如藏北地区新生代伴随康西瓦大断裂产出的玄武岩);岛弧玄武岩几乎不可能成大规模的面状产出，而更可能成线状产出，因为岛弧总体为挤压背景，不会伴随有深大断裂。另一方面认为变质作用的引入或许在两种岩石类型区分上会有所贡献，首先，明确无论是花岗岩还是玄武岩都不是随机产出的，必然对应一期地质事件，一期构造事件在岩浆、变质和沉积等各方面都会有响应的。在这笔者建议把变质，特别是超高压变质引入来判别这两种岩浆。超高压变质是国际地学界研究热点问题，引发了很多重大理论的提出，中国的超高压研究也走在世界前列［4］。刘军峰［2］在研究四方台基性岩墙群的时候，指出北秦岭在500 Ma的时候，已经发生了榴辉岩相超高压变质，就是说在500 Ma的时候陆壳已经发生深俯冲，该超高压的存在为其进一步说明四方台460 Ma左右的基性岩墙是一个板块裂解的产物的有力证据。综上，大的区域背景的正确认识是对两类玄武岩的判定乃至地球化学的有效应用的关键所在。

从源区的区别去讨论两类玄武岩，或许是可能的。虽然两者均表现出壳幔混合的信息。但是二者的源区确实是有区别的，认为最大的区别在于，岛弧岩浆是有大量流体的存在的，虽然流体的研究现在是个难点，但是可能会成为区分这两类玄武岩的一个切入点。

5 结语

(1)受地壳混染的板内玄武岩具有与俯冲消减带岛弧玄武岩相似的地球化学特征(明显的 Nb、Ta、Ti负异常)，且两者均具有壳幔混合的特点，同位素特征也很难将两者有效区分。在判别两类玄武岩时应慎用地球化学数据。

(2)区域地质背景在两类玄武岩的判别上可能具有重要的地位。在本文中笔者提出重视超高压变质对两者判别的作用;高压－超高压年限完全可以作为判别岛弧岩浆活动和板内岩浆活动非常有力的区域地质背景证据。

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