青藏高原东北缘白河碱性玄武岩地球化学及其源区性质探讨

李瑞璐，赖绍聪,崔源远, 刘 飞

(1.陕西国际商贸学院 珠宝学院，陕西 西安 712046;2.西北大学 地质学系,陕西 西安 710069;3.中国地质科学院 地质研究所,北京 100037)



·地球科学·

青藏高原东北缘白河碱性玄武岩地球化学及其源区性质探讨

李瑞璐1,2，赖绍聪2,崔源远2, 刘 飞3

(1.陕西国际商贸学院 珠宝学院，陕西 西安 712046;2.西北大学 地质学系,陕西 西安 710069;3.中国地质科学院 地质研究所,北京 100037)

运用地球化学及Sr-Nd-Pb同位素特征进行分析，研究出露在青藏高原东北缘甘肃礼县境内的白河碱性玄武岩的地球化学特征及其地质意义。研究后可知，白河玄武岩具有低 SiO2(38.94%～40.57%),极高TiO2(4.66%～4.97%),高的K2O(1.46%～2.02%)和 Na2O(2.08%～3.23%)含量,以及高Mg#(0.74～0.76)值等特征,具有富集地幔初始岩浆的性质,为典型的幔源钠质碱性玄武岩。微量和稀土元素具板内火山岩特征:Th，Rb，Sr，REE等大离子亲石元素和Ta，Nb，Ti，HREE等高场强元素明显富集,N-MORB标准化图解中没有Nb的负异常,轻/重稀土元素强烈分异,(Sm/Yb)N=10.53～11.20。初始87Sr/86Sr (0.703 948～0.704 294)略高于现代大洋MORB(0.702 29～0.703 34),143Nd/144Nd (0.512 782～0.512 847)则低于现代大洋MORB(0.512 99～0.513 3),具有亏损的εNd (t)值(+3.1～+4.3),指示具有亏损地幔的信息;初始206Pb/204Pb (19.016 729～19.076 653),207Pb/204Pb (15.619 237～15.623 632)和208Pb/204Pb(38.488 124～39.593 763)比值均高于现代大洋亏损地幔的组分,指示富集地幔的信息。研究后认为，白河碱性玄武质岩浆来源于多元混合地幔源区。

地球化学;Sr-Nd-Pb同位素;碱性玄武岩;青藏高原

西秦岭—松潘构造结是中国大陆重要的构造转换域，其为探讨不同陆块及古洋幔的构造归属提供了非常有利的条件[1-2]。青藏高原东北缘新生代火山岩零星分布,火山岩以钾质—超钾质系列为主体，学者普遍认为其来自岩石圈地幔或下地壳的部分熔融[3-5],钠质火山岩系列出露很少。前人对甘肃西秦岭礼县一带广泛分布的新生代超钾质火山岩的地球化学,以及其中地幔包体进行了详细的研究[6-7]。相比之下,青藏高原东北缘碱性火山岩的源区性质、岩浆演化和构造动力学背景等研究则相对薄弱。

本文对甘肃礼县境内白河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和Sr-Nd-Pb同位素的研究,探讨火山岩源区特征和新生代期间西秦岭的深部动力学背景。

1 区域地质背景

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,主要出露有竹林沟、柳坪、马泉、白河等岩体(见图1)[5,8]；以致密块状熔岩为主,气孔(杏仁)构造发育,可见含气孔的集块熔岩以及溢流作用形成的层状熔岩流；局部可见火山岩不整合覆盖于泥盆系炭质板岩、千枚岩、砂岩、碳酸盐岩,三叠系砂岩、板岩、石灰岩以及古近系红色砂岩、粉砂岩、页岩、黏土岩之上,并被第四系砂砾层、粉砂土、亚砂土不整合覆盖。本区新生代火山岩中金云母单矿物的40Ar/39Ar同位素年龄为23～22 Ma[9],为中新世。

2 岩石学及岩石化学特征

白河火山岩出露于白河镇吊桥北约50 m处(N33°51′,E104°51′)。火山岩被第四系黄土覆盖,其间可见石榴石、橄榄石捕掳体。岩石灰黑色,致密块状构造,斑状结构。斑晶面积约占30%,主要为粒状橄榄石,粒径小于1 mm。橄榄石斑晶为无色—淡黄色,弱多色性,正高突起,二级蓝干涉色,表面绿泥石化严重,个别颗粒表面可见绢云母化。基质面积约占70%,主要有板条状斜长石微晶、火山玻璃质、磁铁矿及少量橄榄石等。

本区火山岩主量元素、微量元素分析结果见表1。从表1可以看到,火山岩 SiO2含量较低,变化范围在38.94%～40.57%,平均39.62%;全碱(K2O+Na2O)含量较高,平均为4.37%;Na2O/K2O平均为1.49,为钠质火山岩;Al2O3含量较低,平均7.53%;铁、镁含量高,TFe2O3含量均在14%以上,最高可达15.22%,MgO含量为10.55%～11.65%。值得注意的是,火山岩Mg#值很高,为0.74～0.76,与初始岩浆的Mg#值范围一致;火山岩具有极高的TiO2含量(4.66%～4.97%,平均4.85),远高于洋岛玄武岩(OIB)的含量(2.87%)[10]。

在火山岩SiO2-(K2O+Na2O)系列划分图解(见图2)中,本区火山岩投影点均位于碱性火山岩区,总体属于富钠-偏钠质碱玄岩-似长岩。根据火山岩的K2O-Na2O系列划分图解(见图3),本区火山岩明显不同于钾质和超钾质火山岩系列,为偏钠质的碱性玄武岩类,这与主量元素Na2O>K2O的结果一致。总之,该套火山岩属于碱性系列钠质碱玄岩类。

图1 青藏高原东北缘白河地区地质简图Fig.1 Geologic sketch map of the Baihe area, northeastern margin of the Tibetan plateau

表1 白河火山岩常量元素(wt%)和微量元素(10-6)分析结果以及CIPW标准矿物计算结果Tab.1 Analytical results of major elements (wt%), trace elements (10-6) and CIPW features of the Baihe volcanic rocks

续表1

图2 火山岩的全碱(K2O+Na2O)-SiO2图(TAS)Fig.2 The (K2O+Na2O)-SiO2(TAS)

图3 R1-R2图解Fig.3 R1-R2 diagrams for the volcanic rocks

3 稀土和微量元素的地球化学特征

由表1可知,8个样品强烈富集稀土元素,稀土总量(∑REE)为(651.8～732.6)×10-6,平均值为694.3×10-6;球粒陨石标准化曲线与OIB相类似[10],但稀土元素总量更高(见图4);轻重稀土强烈分异,LREE/HREE平均值高达6.97, (La/Yb)N平均值40.55,(Ce/Yb)N平均值为29.58,呈明显的富集型稀土配分模式;δEu为0.91～0.93,显示微弱的铕负异常。上述特征表明,本区碱性玄武岩类显示稀土元素强烈富集以及轻重稀土强烈分异的特征,与板内碱性玄武岩基本一致[11-12]。本区岩石轻稀土的强烈富集以及重稀土的显著亏损暗示了岩浆来源于相对较深的石榴石相地幔橄榄岩,且源区可能有石榴石残留,岩浆可能来源于地幔橄榄岩较小程度的部分熔融。

在N-MORB标准化微量元素蛛网图(见图5)中,本区火山岩曲线呈“凸”字型隆起的配分型式,具有Sr和K的负异常,高场强元素Ta，Nb和Th强烈富集,而Nd，Hf，Y，Yb等富集度相对较低,这些地球化学特征与板内洋岛型玄武岩相似[11-12]。

图4 火山岩稀土元素球粒陨石标准化配分图解Fig.4 Chondrite-normalized rare earth element distributions

图5 火山岩不相容元素N-MORB标准化配分图解Fig.5 N-MORB normalized trace element distributions

4 同位素地球化学特征

白河碱性玄武岩4个样品的Sr-Nd-Pb同位素分析结果见表2。本区碱性玄武岩Sr含量较低,初始87Sr/86Sr比值为0.703 972～0.704 294,平均0.704 043;初始143Nd/144Nd 比值为0.512 792～0.512 847,平均0.512 803,εNd平均+3.5。根据143Nd/144Nd-87Sr/86Sr 相关图解(见图5),本区玄武岩位于地幔演化线上,指示了碱性玄武质岩浆的幔源属性。

初始206Pb/204Pb (19.016 729～19.076 653),207Pb/204Pb (15.619 237～15.623 632)和208Pb/204Pb (38.488 124～39.593 763) 比值均高于印度洋亏损地幔的初始Pb同位素比值(分别为17.31～18.50，15.43～15.56，37.1～38.7)[13-14],指示富集地幔的信息。在铅同位素组成图解上(见图6),投影点都处在北半球参考线(NHRL)以上位置,与EMI，EMII，BSE，PREMA等典型地幔源的同位素组成有明显区别,这表明本区玄武岩应是由两种或两种以上不同属性的地幔源经混合后再发生局部熔融的产物。

5 火山岩源区性质讨论

高场强元素(HFSE),如Nb，Ti，Th，Ta，Zr和Yb等,是判别不同大地构造环境下形成的玄武岩类最有效的判别因子[14-15]。此外,使用不相容元素比值可以鉴别地壳物质混染。如果有下部地壳物质的混入, 其Th/Ta值≈1,而La/Nb值则>1;如果混入上部地壳物质,这两个比值一般均大于2,尤其是Th/Ta值要高得多[14-15]。白河碱性玄武岩的Th/Ta值为0.99～1.06,平均1.04,而Th/Ta值为0.74～0.88,平均0.83,这暗示初始岩浆可能经历了下部地壳物质的混染,但没有上部地壳物质的参与。

表2 白河火山岩Sr-Nd-Pb同位素分析结果Tab.2 Sr-Nd-Pb isotopic analysis results of the Baihe volcanic rocks

续表2

图6 火山岩143Nd/144Nd-87Sr/86Sr图解Fig.6 The 143Nd/144Nd-87Sr/86Sr diagram of the volcanic rock

Nb，La，Ba，Th的比值同样可以反映岩浆源区的特征[16]。白河碱性玄武岩的各元素的平均比值为La/Nb(0.82)，Th/Nb(0.10)，Zr/Nb(3.73)，Ba/Nb(7.35)，Ba/Th(71.31)，Ba/La(9.05),明显低于地壳比值(分别为2.2，0.44，16.2，54，124，25),而与EMⅡ的比值非常接近(见表3),几乎没有上部地壳物质混染的痕迹。

白河碱性玄武岩的Mg#值为0.74～0.76,符合初始玄武质岩浆的范围(0.68～0.75)[17],这说明白河碱性玄武岩浆具有很好的原生性质,其地球化学和同位素地球化学资料能够对地幔岩浆源区性质作出有效约束。Mg#值高达0.75,代表初始岩浆;高CaO值,指示了源区存在石榴石的特征,也说明岩浆可能发源于较深的石榴石橄榄岩地幔。岩石低SiO2(平均39.62%)，贫Al2O3(7.53%),Na2O/K2O=1.49,尤其是高MgO(11.32%)，TiO2(4.85%)，Cr(234.13×10-6)，Co(65.99×10-6)，Ni(202.13×10-6)含量,充分表明其为一套典型的幔源钠质碱性玄武岩类[12]。 岩石初始87Sr/86Sr( 0.703 948～0.704 294 )略高于现代大洋MORB(0.702 29～0.703 34)[14],143Nd/144Nd (0.512 782～0.512 847)则低于现代大洋MORB(0.512 99～0.513 3)[14],具有亏损的εNd(t)值(+3.1～+4.3),指示具有亏损地幔的信息; 初始206Pb/204Pb(19.016 729～19.076 653),207Pb/204Pb (15.619 237～15.623 632)和208Pb/204Pb(38.488 124～39.593 763)比值均高于现代大洋亏损地幔的组分,指示富集地幔的信息。上述独特的同位素地球化学特征,充分表明白河碱性玄武质岩浆明显不同于单一地幔源局部熔融形成的玄武岩的同位素组成,本区玄武岩应具有其相对独立的地幔岩浆源区,是由两种或两种以上不同属性的地幔源经混合后形成的具有特殊混源特征地幔岩石再发生局部熔融的产物。同时,白河地区新生代钠质碱性岩类具有相对较高的Sm/Yb值,这说明其来源深度较大,应来源于软流圈地幔二辉橄榄岩的局部熔融。

图7 火山岩铅同位素组成图解Fig.7 Pb isotopic data for the volcanic rock

表3 不同地幔储库不相容元素的比值Tab.3 Incompatible trace element ratios in different mantle reservoirs

6 结 论

白河地区新生代碱性玄武岩出露在青藏高原东北缘的特殊构造部位,处于青藏高原、华北板块和扬子陆块3大构造域的交汇转换区域。岩石总体具有贫SiO2和Al2O3,富CaO，MgO，TiO2及K2O+Na2O的特征,为一套典型的幔源钠质碱性玄武岩类；岩石具有其相对独立的地幔岩浆源区,是由两种或两种以上不同属性的地幔源经混合后形成的具有特殊混源特征地幔岩石再发生局部熔融的产物。

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(编 辑雷雁林)

Geochemistry and feature of the magma source region of the alkaline basalts from the Baihe area, northeastern margin of the Tibetan Plateau

LI Rui-lu1,2, LAI Shao-cong2, CUI Yuan-yuan2, LIU Fei3

(1.Department of Jewelry, Shaanxi Institute of international Trade and Commerce, Xi′an 712046, China; 2.Department of Geology, Northwest University, Xi′an 710069, China; 3.Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037， China)

To trace the geochemical feature and Sr-Nd-Pb signature of the alkaline basalts from the Baihe area, northeastern margin of the Tibetan Plateau. The Baihe alkaline basalts show low SiO2(38.94% ～ 40.57%), high TiO2(4.66% ～ 4.97%), K2O(1.46% ～ 2.02%), Na2O(2.08% ～3.23%) and Mg#value (0.74 ～ 0.76), which reflect the original magma characteristics derived from an enriched mantle. The rocks exhibit intra-plate tectonic setting and are characterized by noticeable enrichment of large ionlithosphile elements (Th, Rb, Sr, REE) and high field strength elements (Ta, Nb, Ti, HREE), no Nb negative anomaly in the N-MORB normalized patterns, and a strong differentiation between LREE and HREE ((Sm/Yb)N=10.53 ～ 11.20). The initial143Nd/144Nd (0.512 782 ～ 0.512 847) ratio is lower than the modern ocean contents (0.512 99～0.513 3) and εNd (t)value=+3.1～+4.3, shows a depleted mantle information. However, the initial87Sr/86Sr (0.703 948～0.704 294),206Pb/204Pb (19.016 729 ～19.076 653),207Pb/204Pb (15.619 237 ～15.623 632) and208Pb/204Pb (38.488 124 ～39.593 763) ratios are higher than modern mid-oceanic ridge basalts, and probably originates from an enriched mantle source. In a word, the geochemical and isotopic compositions suggest that they derive from a mixed mantle reservoir.

Geochemistry; Sr-Nd-Pb isotope; alkaline basalt; Tebetan Plateau

2014-08-06

国家自然科学基金资助项目(41372067);国家自然科学基金重大计划基金资助项目(41190072);国家自然科学基金委创新群体基金资助项目(41421002);教育部创新团队基金资助项目(IRT 1281)

李瑞璐,女,河北衡水人,从事岩石地球化学研究。

赖绍聪,男,四川安岳人,西北大学教授，博士生导师,从事岩石地球化学研究。

P588.12

：ADOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2015-03-021