山西新生代汉诺坝玄武岩成因探讨

张玉生

(山西省地质调查院，太原 030001)

0 引言

山西汉诺坝玄武岩分布于华北陆块区中北部晋冀蒙交界处，中国东部中新生代滨太平洋构造岩浆岩带，为内蒙古和林格尔—凉城—岱海玄武岩的南延部分。前人对该玄武岩进行了详细研究，认为碱性玄武岩是地幔柱成因，拉斑玄武岩是地幔橄榄岩部分熔融和分离结晶的结果[1]，是岩石圈减薄、底蚀的熔融物质与少量上涌的软流圈物质混合后的产物[2-3]。本文除重点论述山西汉诺坝玄武岩地质特征外，还引用了内蒙古丰镇和河北阳原汉诺坝玄武岩的部分资料，运用板块俯冲作用诱发形成地幔柱，二者熔浆相互混合的理论，探讨山西汉诺坝玄武岩的成因。

1 地质特征和形成时代

1.1 地质特征

山西汉诺坝玄武岩主要分布于左云—右玉、大同镇川堡、天镇和广灵地区(图1)。右玉玄武岩出露面积最大，约380 km2，可划分为4个火山洼地。玄武岩与下伏前寒武系、蓟县系、白垩系呈角度不整合接触，局部与始新统蔚县组、中新统保德组呈平行不整合接触，上覆地层最老为上新统静乐组，部分为更新统离石组和马兰组。右玉玄武岩沉积夹层为中新统保德组紫红色黏土和砂(砾)层； 镇川堡玄武岩夹层为红、黄色黏土交互； 天镇玄武岩夹层为始新统蔚县组灰(绿)色黏土，夹少量紫色含砂黏土[4-6]。表明火山喷发层位由东向西逐渐抬升，与河北张家口汉诺坝玄武岩对比，确定为汉诺坝玄武岩。

1.汉诺坝玄武岩； 2.阁老山玄武岩; 3.册田玄武岩; 4.省会城市; 5.地级市; 6.县城; 7.乡镇; 8.省界

图1新生代汉诺坝玄武岩分布简图(据1∶250万华北地质图改编)

Fig.1SchematicmapofthedistributionofCenozoicHannuobabasalts(basedon1∶2500000NorthChinageologicalmap)

玄武岩剖面主要有7条，分别为广灵县凤凰山、天镇县吉地山、天镇县孤峰山、大同市西寺村、左云县双山峡、左云县汉圪瘩和右玉县狼窝沟。其厚度分别为19.51 m、12.06 m、30.78 m、51.42 m、100 m、330 m和197 m，揭示由东向西，火山岩层逐渐增厚，火山活动逐渐增强。

1.2 形成时代

张文慧等[7]对内蒙古丰镇地区4条新生代玄武岩剖面进行了K-Ar法年代学研究，将玄武岩分为3个喷发旋回： 约33 Ma(东部白音乡)，22.8～22.1 Ma和12.2～9.4 Ma； 王慧芬等[8]测得河北阳原新生代玄武岩K-Ar法年龄为29.3～32.2 Ma，说明汉诺坝玄武岩喷发于渐新世—中新世。区域上，右玉和镇川堡玄武岩与内蒙古丰镇玄武岩相连，天镇和阳原玄武岩实为同一火山洼地，结合沉积夹层特征，由东向西，汉诺坝玄武岩喷发时代可能由早到晚。

2 岩石学及岩石地球化学特征

2.1 岩石学特征

山西汉诺坝玄武岩以灰色-灰黑色气孔状、致密块状熔岩和火山角砾岩为主，主要岩石类型如下。

(1)气孔状玄武岩。玻晶交织结构，气孔构造，主要由玻屑、晶屑、玻璃质、气孔和杏仁体组成。晶屑大小为0.05 mm×0.2 mm～1.5 mm×3 mm，成分为橄榄石、辉石和斜长石。玻屑呈棱角状和不规则状，大小为0.5～3 mm。玻璃质气孔丰富，呈圆状和次圆状，大小为0.05～0.75 mm，多数为0.1～0.5 mm。

(2)杏仁状玄武岩。灰黑色，斑状结构，块状构造。斑晶为斜长石及少量辉石，基质由火山玻璃组成，均质全消光。杏仁含量约15%，多呈不规则状及近圆粒状，充填方解石，杏仁体互不相联，粒径为0.1～1 mm。

(3)玻璃质橄榄玄武岩。灰黑色，斑状结构，块状构造。斑晶以橄榄石为主，含量约10%，橄榄石呈粒状，粒径为0.1～1 mm，可见少量斜长石。基质含量为80%～90%，以火山玻璃和斜长石为主。斜长石多构成不规则格架，部分呈束状或放射状杂乱分布，空隙被辉石和玻璃质充填。

(4)气孔状橄榄玄武岩。褐色，斑状结构，基质为间粒-间隐结构，气孔构造。气孔含量为10%～80%，多数呈不规则状，部分呈近圆粒状，大小为0.5～7 mm，被方解石和沸石充填，称为气孔杏仁状橄榄玄武岩。斑晶含量为5%～15%，以橄榄石为主，粒状，可见不完整的六边形断面，部分橄榄石边部具伊丁石化，其次为斜长石，呈板状。基质含量为50%～85%，主要成分为长条状微晶斜长石和玻璃质，斜长石构成不规则格架，空隙充填黑褐色火山玻璃、辉石、磁铁矿和伊丁石等。

(5)伊丁石化辉石橄榄玄武岩。斑状结构，基质为辉绿结构、间粒结构，块状构造。斑晶由橄榄石和斜长石组成，半自形晶，大小为0.3～5 mm，多数为0.25～1 mm，均匀分布在基质中，含量为5%～10%。基质由细板条状自形斜长石和微细粒橄榄石、(含钛)辉石和金属矿物组成，大小为0.05～0.1 mm。伊丁石化橄榄石呈半自形-自形晶，褐红色，内部残留少量无色橄榄石。

(6)橄榄粗玄岩。斑状结构，基质为粗玄结构，杏仁构造。斑晶主要为橄榄石和少量辉石，偶见斜长石。基质为细晶粗玄结构，由板条状斜长石构成交错状三角形格架，三角空隙充填辉石、橄榄石和金属矿物，属拉斑玄武岩系列。

(7)浮岩。灰色、紫红色，气孔构造，气孔多呈椭圆形-近圆形，孔径1～3 mm，含量约80%。浮岩与火山弹混杂堆积于火山口附近。

2.2 岩石地球化学特征

2.2.1 主量元素

山西汉诺坝玄武岩主量元素含量见表1。SiO2含量为43.24%～51.22%，属超基性-基性岩类。在玄武岩TAS分类命名图解(图2)中，广灵、天镇和镇川堡玄武岩均落入玄武岩区，右玉玄武岩落入玄武岩和粗面玄武岩区。粗面玄武岩有4个夏威夷岩和2个钾质粗面玄武岩，除广灵玄武岩均为亚碱性玄武岩外，其他各火山洼地的玄武岩分属亚碱性与碱性玄武岩系列。

Pc.苦橄玄武岩； B.玄武岩； O1.玄武安山岩； O2.安山岩； O3.英安岩； R.流纹岩； T.粗面岩(粗面英安岩)； S1.粗面玄武岩； S2.玄武粗安岩； S3.粗安岩； U1.碱玄岩(碧玄岩)； U2.响岩质碱玄岩； U3.碱玄质响岩； Ph.响岩； F.副长石岩； Ir..Irvine分界线，上方为碱性系列，下方为亚碱性系列

图2玄武岩TAS分类命名图解[9]

Fig.2ClassificationdiagramofTASofbasalts[9]

根据图3,除镇川堡1个点投影在拉斑玄武岩区，右玉玄武岩1个点投影在碱性玄武岩和拉斑玄武岩分界线上，其余各点均投影在碱性玄武岩区(本文碱性和亚碱性系列划分，对无微量元素分析结果的样品以图2为准，对有微量元素分析结果的样品以图3为准)。由东向西，广灵—天镇—镇川堡—右玉碱性玄武岩的样品数量逐渐增加，亚碱性玄武岩的样品数量逐渐减少。

图3 玄武岩Nb/Y-Zr/P2O5判别图解[10]

在碱性玄武岩Ab′-An-Or判别图解(图4)中，东部天镇、广灵和右玉碱性(粗面)玄武岩均为钾质系列，镇川堡碱性玄武岩分属钠质和钾质系列，而右玉玄武岩分布于钠质和钾质系列两侧，说明由东向西，玄武岩由钾质向钠质演化。

Ab′=Ab+5/3×Ne

在亚碱性玄武岩FAM分类图解(图5)中，亚碱性玄武岩具有富铁的演化趋势，从天镇—镇川堡—右玉，玄武岩向富铁镁演化。根据火山喷发旋回及韵律，每一期初始喷发的玄武岩均为拉斑玄武岩，后期转变为碱性玄武岩。

TH.拉斑玄武岩系列； CA.钙碱性玄武岩系列

根据碱性玄武岩FeO(T)/MgO、SiO2对标准矿物石英及霞石变异图(图6)，随分异作用的进行，山西汉诺坝碱性玄武岩标准矿物石英无明显增加，但标准矿物霞石明显减少。结合内蒙古丰镇汉诺坝玄武岩数据，研究显示由东向西标准矿物石英明显增加，具有跨越(Straddle)BⅠ型演化趋势。

图6碱性玄武岩FeO(T)/MgO、SiO2对标准矿物石英及霞石变异图[9]

Fig.6CompositionsofFeO(T)/MgOandSiO2vs.Ne-normandQ-normofalkalinebasalts[9]

2.2.2 微量元素

在亚碱性玄武岩原始地幔标准化微量元素蛛网图(图7(a))中，镇川堡拉斑玄武岩具Nb、Ta负异常(槽)，与右玉钙碱性玄武岩呈双峰式，均显示Ba、Nd正异常和Rb、Th负异常； 而右玉钙碱性玄武岩Ta呈正异常，可能受碱性玄武岩混染，岩石具有岛弧玄武岩的特征。在碱性玄武岩原始地幔标准化微量元素蛛网图(图7(b))中，曲线呈“隆起”状，右玉夏威夷岩的丰度比其他碱性玄武岩的丰度略高，各类曲线近于平行，Ba、Sr、Ta和Zr、Hf呈正异常，Rb、Th、Ce和Tm呈负异常，Nb、Ti异常不明显，类似洋岛玄武岩(OIB)的地球化学特征。

(a) 亚碱性玄武岩 (b) 碱性玄武岩

图7山西汉诺坝玄武岩原始地幔标准化微量元素蛛网图

Fib.7Primitive-mantlenormalizedspiderdiagramoftraceelementsinHannuobabasaltsofShanxi

山西汉诺坝玄武岩微量元素含量见表2。广灵碱性玄武岩Nb/La值为1.32～1.33，La/Ce值为0.53～0.56； 镇川堡碱性玄武岩Nb/La值为0.72，La/Ce值为0.57； 镇川堡拉斑玄武岩Nb/La值为0.52，La/Ce值为0.50； 右玉碱性玄武岩Nb/La值为1.13～1.50，La/Ce值为0.50～0.53； 右玉钙碱性玄武岩Nb/La值为1.12，La/Ce值为0.50。由此可知，相对于亚碱性玄武岩，碱性玄武岩Nb/La值和La/Ce值偏高，且比值变化不大，表明这些强不相容元素比值在玄武岩岩浆演化中不受部分熔融和结晶分异的影响。相对于亚碱性玄武岩，碱性玄武岩Zr、Th和Nb丰度高，说明碱性玄武岩浆与亚碱性玄武岩浆的性质存在差异，可能代表源区组成的不同。

2.2.3 稀土元素

山西汉诺坝玄武岩稀土元素含量见表2。广灵玄武岩稀土元素(不含Y)总量(ΣREE含量)为(77.79～83.11)×10-6，镇川堡玄武岩稀土元素总量为(175.27～177.03)×10-6，右玉玄武岩稀土元素总量为(90.02～169.29)×10-6。由此可知，同一火山洼地玄武岩的稀土元素总量接近，不同火山洼地玄武岩稀土元素总量存在差异。山西汉诺坝玄武岩球粒陨石标准化稀土元素配分曲线(图8)均向右缓倾，轻稀土元素富集程度为中等—较高，重稀土元素分馏程度偏低，轻、重稀土元素分馏程度中等，Eu异常不明显。亚碱性玄武岩重稀土元素比碱性玄武岩较平坦，说明2种玄武岩源区不同。碱性玄武岩稀土元素配分曲线近于平行，夏威夷岩比其他碱性玄武岩丰度略高，与洋岛玄武岩(OIB)相似。右玉和广灵玄武岩稀土元素配分曲线略具扇形。

(a) 亚碱性玄武岩 (b) 碱性玄武岩

图8山西汉诺坝玄武岩球粒陨石标准化稀土元素配分曲线

Fig.8ChondritenormalizedREEpatternsofHannuobabasaltsinShanxi

碱性玄武岩和亚碱性玄武岩均富集大离子亲石元素和轻稀土元素，亏损高场强元素和重稀土元素。由东向西，亚碱性玄武岩的稀土和微量元素丰度降低，碱性玄武岩的稀土和微量元素丰度升高。

3 岩浆演化及岩石成因探讨

3.1 山西汉诺坝玄武岩原生岩浆存在的可能性

邓晋福等[11]综合已有成果，确定原生玄武岩岩浆的3个标志为： ①含有橄榄岩包体； ② Mg/(Mg+Fe2+)=0.68(0.62)～0.72； ③w(NiO)>0.03%。山西汉诺坝玄武岩47个样品中，Mg/(Mg+Fe2+)≥0.68的样品有14个，Mg/(Mg+Fe2+)≥0.62的样品有34个。马金龙等[3]研究认为阳原玄武岩含大量橄榄岩和辉石岩包体。邓晋福等[11]认为中国东部许多新生代玄武岩，包括碱性橄榄玄武岩、碧玄岩、霞石岩、白榴石玄武岩、橄榄拉斑玄武岩和苦橄质玄武岩等，均为原生玄武质岩浆。由此推断，山西汉诺坝部分玄武岩为原生岩浆。

3.2 岩浆结晶分离和混合作用

邓晋福等[11]认为具有岩浆包体与不平衡斑晶组合，岩石化学成分变异呈直线趋势，稀土元素配分曲线呈扇形，是岩浆混合作用的反映，含高压巨晶的玄武岩为岩浆结晶分离作用的体现。汉诺坝玄武岩含单斜辉石和橄榄石斑晶，随MgO含量降低，Ni含量明显下降 (图9)。玄武岩随CaO含量降低，CaO/Al2O3值逐渐减小(图10)，显示有岩浆混合作用和岩浆结晶分离作用发生。右玉和广灵碱性玄武岩球粒陨石标准化稀土元素配分曲线略具扇形，也表明山西汉诺坝玄武岩形成时存在岩浆混合作用。

图9 玄武岩Ni-MgO相关图解

图10 玄武岩CaO-CaO/Al2O3相关图解

3.3 地壳混染

与大洋相比，大陆玄武岩浆向地表运移过程中，必然会经历巨厚的地壳，可能受到地壳物质不同程度的混染，因此具有比大洋玄武岩更复杂的地球化学特征。大量证据表明，山西汉诺坝玄武岩基本未受或轻微受地壳物质的混染。由汉诺坝玄武岩极低的Rb/Ba值(0.04)、Rb/Sr值(0.03)和较高的Ti/Y值(568)可知，山西汉诺坝玄武岩在喷发过程中未受到地壳物质的混染[5]。汉诺坝玄武岩La/Nb值(除镇川堡2件样品La/Nb值分别为1.38和1.94外)为0.67～0.89，平均值为0.77，明显低于中国东部大陆地壳的La/Nb平均值[5]，也表明玄武岩浆未受地壳物质的混染。微量元素和同位素特征类似于花岗岩类和沉积岩。因此，如果大陆玄武岩受到地壳物质的混染，则岩石地球化学和同位素特征应该相似或趋向一致，但这些特征并不明显。上、下地壳的微量元素(表3)配分模式类似，除Ba、Sr外，微量元素丰度太低，显然无法提供形成大陆玄武岩所需的物质[12]。由于Nd同位素受地壳混染影响较大，如果发生地壳物质混染，玄武岩应与地壳高丰度元素(Ba、Th、SiO2)呈正相关，但山西汉诺坝玄武岩该类元素丰度均较低。如果地壳混染造成玄武岩稀土元素及同位素富集，则汉诺坝玄武岩的岩石化学成分不会仅局限在玄武岩范围，而应表现出更广泛的成分范围，如安山岩等。

表3 地壳中微量元素丰度[10]

因此，研究区同位素与微量元素的相关性及主量元素成分特征基本排除了汉诺坝玄武岩受地壳混染的可能性，至少大规模快速喷发的大陆玄武岩主体未受到地壳物质的强烈混染。

3.4 岩石成因

在干(无水)或含不饱和水的条件下，地幔橄榄岩压力1～2 GPa(深度相当于35～70 km)，2%～10%熔融程度，可形成碱性玄武岩； 在过量(饱和)水条件下，熔融程度较高，形成橄榄拉斑玄武岩[11]。综合质量平衡计算结果表明，原生夏威夷玄武岩岩浆代表约4%熔融程度，原生碱性玄武岩岩浆代表7%～8%熔融程度，原生苦橄(拉斑)玄武岩岩浆代表约20%熔融程度[11]。

研究表明，没有受到地壳物质混染的由地幔柱产生的玄武质岩石，具有平坦的稀土元素配分型式，或轻稀土元素富集，缺乏Nb、Ta和Ti负异常，这些玄武岩在微量元素配分模式和微量元素浓度方面与洋岛玄武岩(OIB)接近，是板内环境下软流圈地幔产生熔体的典型特征。然而，具有相当均一成分(低87Sr/86Sr，高εNd)的软流圈不可能演绎出如此复杂的大陆溢流玄武岩，依赖于构造条件的地幔柱玄武岩必然受到地幔岩石圈和板块俯冲作用的影响。

地幔柱为干(无水)或含不饱和水的环境，热力学计算结果表明，发生跨越BⅠ型演化趋势的岩浆房位于莫霍面附近(25～40 km)[11]，这与邢作云等[13]的认识一致。结合玄武岩原始地幔标准化微量元素蛛网图(图7)和球粒陨石标准化稀土元素配分曲线(图8)，山西汉诺坝碱性玄武岩以地幔柱成因为主，而板块俯冲富水和富含挥发分可使地幔岩石圈熔融形成拉斑玄武岩。

4 大地构造背景探讨

在玄武岩Zr/Y-Nb/Y构造环境判别图解(图11)中，碱性玄武岩主要落入地幔柱源OIB区，右玉钙碱性玄武岩落入大洋高μ(U/Pb)源玄武岩区，镇川堡拉斑玄武岩落入非地幔柱源玄武岩区。在玄武岩Ta/Hf-Th/Hf构造环境判别图解(图12)中，大部分玄武岩样品落入地幔热柱玄武岩区，但镇川堡拉斑玄武岩落入陆内裂谷及陆缘裂谷拉斑玄武岩区，广灵碱性玄武岩落入陆内裂谷碱性玄武岩区，表明由东向西，构造环境由非地幔热柱的陆(内)缘裂谷向地幔热柱转化，即由板块俯冲向地幔柱转变。

DEP.深部亏损地幔； PM.原始地幔； DM.浅部亏损地幔； N-MORB.正常洋脊玄武岩； EN.富集组分； UC.上部地壳； REC.再循环组分； HIMU.高μ(U/Pb)源； EM1、EM2.富集地幔源； OIB.洋岛玄武岩； CB.与大陆岩石圈相互作用的非地幔柱源玄武岩； ΔNb线.地幔柱源与非地幔柱源分界线

图11玄武岩Zr/Y-Nb/Y构造环境判别图解[14]

Fig.11Zr/Y-Nb/Yidentificationdiagramoftectonicsettingofbasalts[14]

Ⅰ.大洋板块发散边缘N-MORB 区； Ⅱ.板块汇聚边缘(Ⅱ1.大洋岛弧玄武岩区； Ⅱ2.陆缘岛弧及陆缘火山弧玄武岩区)； Ⅲ.大洋板内洋岛、海山玄武岩区及T-MORB、E-MORB区； Ⅳ.大陆板内(Ⅳ1.陆内裂谷及陆缘裂谷拉斑玄武岩区； Ⅳ2.陆内裂谷碱性玄武岩区； Ⅳ3.大陆拉张带(初始裂谷)玄武岩区)； Ⅴ.地幔热柱玄武岩区

图12玄武岩Ta/Hf-Th/Hf构造环境判别图解[15]

Fig.12Ta/Hf-Th/Hfidentificationdiagramoftectonicsettingofbasalts[15]

邢作云等[13]认为大同地区(大同—繁峙)存在一个软流圈上涌的地幔柱，其浅表涵盖恒山—大同及其以北地区，该处莫霍面深40～42 km； 张旗等[16]认为43 Ma以后存在太平洋板块对华北板块的俯冲作用。因此，山西汉诺坝玄武岩应与太平洋板块对华北板块的俯冲有关。可见，山西汉诺坝碱性玄武岩大多数为地幔柱成因，镇川堡拉斑玄武岩和右玉钙碱性玄武岩为板块俯冲的岛弧玄武岩。

在板块俯冲作用下，岩石圈地幔熔融形成富大离子亲石元素及轻稀土元素的EM1地幔熔浆，即拉斑玄武岩。随着板块俯冲深度逐渐增加，压力增强，熔融程度降低，此时岩石圈地幔可能生成更加富铁镁的熔浆，与地幔柱混合形成向富铁镁演化的亚碱性玄武岩。随岩浆结晶分异作用的进行，拉斑玄武岩SiO2含量几乎不变，而FeO含量逐渐增加，称为芬纳趋势[9]。板块俯冲诱发软流圈地幔上涌，形成地幔柱并与少量岩石圈地幔熔浆混合，形成大量钾质碱性玄武岩。随着地幔柱的上升，压力逐渐减小，熔融分离程度提高而生成钠质碱性玄武岩。

5 结论

(1)自东向西，山西新生代汉诺坝玄武岩，在火山喷发时代和规模、火山韵律和旋回、岩石地球化学及构造环境等方面均显示规律性演化特征，具有板块俯冲造山带火山火成岩系列的发育和演化的极性。

(2)汉诺坝玄武岩富集大离子亲石元素和轻稀土元素。亚碱性玄武岩具岛弧玄武岩特征，与板块俯冲作用有关； 碱性玄武岩类似于洋岛玄武岩，由地幔柱和岩石圈地幔熔浆混合形成，是板块俯冲作用诱发形成地幔柱。

(3)亚碱性玄武岩向碱性玄武岩的转变，可能代表玄武岩以板块俯冲成因为主向地幔柱成因为主的转换。碱性玄武岩由钾质向钠质变化，反映地幔柱向浅的过程； 亚碱性玄武岩向富铁镁演化，反映板块俯冲向深的过程。

致谢： 本文撰写中，与王权教授级高级工程师、孙点亮教授级高级工程师、魏荣珠教授级高级工程师、李建荣高级工程师、米广尧高级工程师进行有益讨论，赵祯祥高级工程师审阅了全文，山西省地质调查院基础调查研究中心提供了丰富的地质资料，审稿专家和谭桂丽、刘丹编辑提出了宝贵的修改意见，在此一并表示衷心感谢。