山西大同新生代玄武岩的岩石地球化学特征研究

李小琴，聂 鑫，白卓娜，刘鸿福，冯志强

(太原理工大学 矿业工程学院，太原 030024)

新生代从老到新依次可划分为古近纪、新近纪和第四纪，并且在这期间地壳发展由稳定转为活动，大陆表面出现了大量断陷，与此同时地幔深处的岩浆剧烈活动，喷出地表，因此这一时期形成了大量玄武岩[1]。玄武岩按矿物成分可分为碱性玄武岩、高铝玄武岩和拉斑玄武岩。碱性玄武岩的典型特征为碱性矿物含量较高，主要分布在大陆地区，多为地幔柱成因；拉斑玄武岩中的SiO2含量高，特征矿物为斜方辉石与易变辉石，是地幔深部橄榄岩受热熔融后冷却分离结晶的产物，即是由于岩石圈减薄，底部被溶蚀的物质与下部软流圈中上涌的物质混合后形成；高铝玄武岩则是介于碱性玄武岩与拉斑玄武岩的中间性质，多位于环太平洋地区的造山带附近[2]。

由于玄武岩作为地幔岩浆上涌冷却形成的一类岩石，其化学组成在一定程度上可反映地幔源区性质，且与其他岩浆岩相对比，玄武岩具有分布广与含量高的特点。大陆玄武岩通常比大洋玄武岩具有更广泛的成分多样性，在定义深部岩浆的组成成分和分析熔融程度上起着更为直观的作用。因此，学者们对全球新生代以来的玄武岩进行了广泛研究，目前而言，玄武岩研究的重点和热点主要包括：1) 岩浆运动过程，特别是地壳的同化和混染作用以及玄武岩浆在上升和喷发过程中的矿物分离、结晶和脱气作用；2) 深部地幔的化学性质，通过研究玄武岩冷却结晶后的岩石学性质和地球化学性质来推断出深部地幔的地球化学性质的过程。

近来对中国中-东部新生代玄武岩的研究中，都着重强调了软流圈与大陆岩石圈地幔相互作用在大陆板块内部玄武岩的发育过程中起着重要作用[3]。从新生代时期的玄武岩的空间分布可明显观测到，随着时间的推移，我国华北地区的玄武岩岩浆活动逐渐向东部移动。至第四纪时，由于受地壳表面巨大断裂活动的影响，其火山活动与分异后期产物也不断东移。通过对原岩进行主微量元素分析和稀土元素的测定来合理划分碱性玄武岩与拉斑玄武岩，此外，通过对地表玄武岩的岩石成分进行相关研究可间接获取岩浆深部演化的过程，进一步分析地幔处的源区特征。

1 区域地质概况

华北板块新生代玄武岩分布较为广泛，但又呈区域性集中，大致位于张家口—大同、东北的辽河平原以及渤海周边地区。从生成年代来看，本区玄武岩的生成时代大致可分为3个时期：古近纪、新近纪以及第四纪。图1为新生代时期华北地区玄武岩的分布状况。

图1 中国华北地区新生代时期的玄武岩分布图

华北大同地区玄武岩主要位于山西大同火山群，即山西地堑系北段的大同盆地中，根据史书记载，在第四纪时期火山曾多次喷发，并保留有火山锥体。依据该地玄武岩岩性的不同变化将大同地区玄武岩划分为东西两个岩区。大同火山群处于西部地区，大体分为13个火山锥。这些火山锥通常由火山砾石和火山渣形成，而锥底则由熔岩构成，东部地区由桑干河两岸的火山锥和玄武岩熔岩流组成，它们一般为拉斑玄武岩，具有清晰的空间分布特性。通过研究K-Ar同位素定年资料可以发现，东西两区的火山喷发时期有所不同，西区地区喷发时期要晚一些，多在早更新世的晚期(0.40 Ma)进行喷发；东部地区的喷发时期始于早更新世的早期(0.74 Ma)，并持续了一段时间，直至中更新世晚期(0.20 Ma).华北地区新生代以来的火山作用明显受大地构造作用的控制，如北东向断裂的太行山山前深断裂和北西向断裂的张家口—北京—宝坻深断裂。第四纪玄武岩仅散布在华北断裂带中，大部分位于平原周围的山区(见图2).

图2 山西大同地区新生代玄武岩分布图

2 实验方法

在该研究中，以山西大同新生代玄武岩样品作为研究对象，重点探讨了玄武岩的地球化学特征及地幔源区性质并对其岩石学特征加以考察。本次研究主要通过对玄武岩的主微量元素及Mg同位素进行分析，旨在探明玄武岩的岩石类型及特征。

Mg同位素分析在北京科荟测试技术有限公司的Neptune plus多接收等离子质谱仪(MC-ICP-MS)上完成，仪器采用低分辨模式，“湿法”进样，利用样品-标样交叉法校正仪器分馏和漂移。将每个样品溶液Mg质量比稀释到(1±0.1) μg/g，以匹配标准溶液中1.0 μg/g的Mg.在每组Mg同位素数据采集之前先进行40 s酸性空白溶液测定，Mg同位素比值分析的积分时间

JP2为200 s.在以上条件下，仪器对24Mg的分析灵敏度为12～20 μg/g，m(26Mg)/m(24Mg)比值内精度优于±0.04‰，m(25Mg)/m(24Mg)比值内精度优于±0.02‰.

3 分析结果与讨论

3.1 岩石学特性

新生代时期的岩浆岩主要为基性喷出岩-玄武岩。按地层时代分别为古近纪渐新世(繁峙玄武岩)，新近纪上新世(右玉、天镇、黄花岭、平定-昔阳、左权县黄泽关等玄武岩)，第四纪晚更新世(大同玄武岩)。山西新生代的火山活动多以玄武岩喷出的方式存在，大多位于天镇、大同等地，此外太行山区的昔阳-平定县中间地区和左权县东部也有少量出露，总面积约900 km2.在大同盆地中，第四纪的陆相沉积物和太古代时期的桑干群片麻岩是该时期的主要出露地层。依据在桑干河断陷处的钻井资料可以了解到，该地的地层除玄武岩外，大多为泥沙岩、中砂岩、粗粒岩等。颜色也多呈灰色或灰绿色，少量岩石因风化等原因呈黄绿色。玄武岩岩芯整体呈黑绿色，受环境影响，风化后显示出黄绿色或灰绿色的斑点，矿物成分多包括基性长石和辉石。偶有气孔构造，孔径1～10 mm，大多呈近圆形，少量呈椭圆形。大同盆地依据其岩性的变化大致可将其划分为东南区和西北区两大类。东南区的玄武岩多为深灰黑色或浅灰色，多为玄武熔岩，呈气孔状和细密块状，包含少量火山角砾岩和火山熔渣，并且岩性主要为拉斑性玄武岩。西北区主要分布碱性玄武岩，玄武岩多为孔隙或致密块状，大部分为紫色、灰色和黑色的火山角砾岩或火山渣形式。

大同玄武岩多位于由13座火山锥组成的大同火山群中，包括了金山、阁老山、昊天寺、狼窝山、昊天寺、老虎山以及桑干河两侧的玄武熔岩流。主要是黑色的火山角砾岩、气孔玄武岩、玄武质熔岩、溢流玄武岩等，而玄武质熔岩为火山弹和绳状形式，气孔构造发育[4]。

图3中，图(a)是斑状-基质间粒结构的蚀变气孔-杏仁状玄武岩；图(b)是少斑状-基质间粒结构的蚀变气孔状玄武岩；图(c)是间粒结构的蚀变气孔-杏仁状玄武岩；图(d)是斑状-基质间粒结构的蚀变橄榄玄武岩。

图3 玄武岩200倍镜下特征

据对玄武岩的镜下观察及对前人资料的总结，可大致得出大同地区玄武岩的岩相学特征：新鲜的岩石表面大多是深灰色的，在岩石中很少见到细小的裂纹。斑晶由暗色矿物假象组成，暗色矿物散布，其大小通常在0.4～3 mm之间，被皂石交代作用后表现假象，根据晶体形式可知主要部分类似于柱状辉石，而一些类似枣形橄榄石；基质多为斜长石及暗色矿物的假象，具有黏土化、表面脏的特性，缺少聚片双晶且无法测得其牌号；暗色矿物主要以它形填隙状分布，斜长石粒间构成间粒结构，蚀变特征同斑晶均呈假象。根据晶体形态，主要部分为辉石假象，气孔呈杏仁状，杂乱分布，大小0.3～4 mm不等，部分被黏土等充填呈杏仁状。玄武岩中多见橄榄石、辉石和斜长石。橄榄石可分为两个世代：显微斑晶和微晶橄榄石。

综上所述，可概括得出大同地区玄武岩有如下特征。

1) 地质特征：主要分布于恒山、五台山和左云县及怀仁县一带古生代地层中，部分侵入中生界白垩系中。代表性岩脉有左云县后寺沟橄榄斜长玄武岩脉、怀仁县刘家沟橄榄粗玄岩脉及五台县小柏里橄榄玄武岩脉等。岩脉长2～3 km，宽3 m.怀仁县刘家沟橄榄粗玄岩、五台县小柏里橄榄玄武岩的全岩K-Ar表面年龄值为41～46 Ma，其等时线年龄值为43 Ma，属于喜马拉雅早期。

2) 岩石性质：主要为橄榄粗玄岩和橄榄玄武岩。一般呈黑绿色，风化表面为棕黄色，中细粒粗玄结构、间粒结构，具气孔(杏仁状)构造。

3) 岩石化学：喜马拉雅期基性侵入岩化学成分和含量与中国玄武岩的平均化学成分相比：SiO2、Al2O3、K2O和Na2O含量较低，Fe2O3、FeO、MgO、CaO含量较高，显示该期岩脉为偏超基性的基性岩。

3.2 岩石的地球化学特征

大同玄武岩SiO2的质量分数在47.68%～50.98%之间，主要属于基性火山岩，全碱质量分数(K2O+Na2O)在1.92%～3.82%之间，Na2O质量分数大于K2O.CaO质量分数在2.82%～10.50%之间。TiO2质量分数达1.23%～1.88%.大同西部玄武岩均为碱性玄武岩，且集中分布在粗面玄武岩相中。大同东部玄武岩则均为拉斑玄武岩[5]。桑干河断陷处采集的玄武岩样品均落在拉斑玄武岩处。MgO的质量分数变化范围也较大，位于3.77%～8.17%之间，含量总体较低。拉斑玄武岩与碱性玄武岩相比，SiO2，CaO和MgO的质量分数较高，Fe2O3、TiO2、Al2O3、Na2O、K2O和P2O5的含量较低。

3.2.1主量元素组成

如图4所示，灰色图标分别为大同东西部玄武岩中的主量元素与MgO图解，红色图标为桑干河断陷处采样样本中的主量元素与MgO图解。二者没有呈现出明显的简单协变关系，但除少数样品外，在多数样品中SiO2、Al2O3和Na2O与MgO之间可看出一定程度的负相关关系，Fe2O3、CaO与MgO之间则可看到一定程度的正相关关系，这表明绝大多数岩石在化学演化过程中具有一定程度的连续性，说明在岩浆结晶分离过程中，各类矿物持续发生分离结晶作用。

3.2.2微量元素与稀土元素组成

如图5所示，图5(a)-(b)为稀土元素球粒化陨石标准分布图，图5(c)-(d)为微量元素原始地幔标准分布蛛网图。从微量元素的原始地幔标准分布蛛网图中可以看到，大同西部玄武岩中微量元素的含量总体高于大同东部玄武岩，各样品中同一元素的协和性也显著高于东南区玄武岩。此外，所有样品均表现出大离子亲石元素(LILE)的富集特征，并含有不同水平的Nb-Ta和Sr富集。在拉斑玄武岩中含量较低的不相容元素还表现有较弱的Zr-Hf亏损，而在碱性玄武岩中则大体上呈现平滑分布。强不相容元素质量的比值如m(Nb)/m(U)、m(La)/m(Ce)和m(Th)/m(Ta)等不随SiO2含量的变化而发生明显变化，并且不受岩浆发育过程中的结晶和部分熔化的影响，因此可以代表源区组分的性质。根据大同桑干河断陷处玄武岩微量元素和稀土元素测试结果，得出如下结论：大同西部玄武岩中微量元素含量整体明显高于大同东部玄武岩，两区域稀土元素丰度存在着显著差异，变化率和富集程度也有很大不同。其中，西北地区玄武岩的岩浆熔融程度较低，轻稀土元素相对丰富；东南部玄武岩的岩浆熔融程度较高，轻稀土元素含量较低。

3.2.3Mg同位素测试

Mg包括有3个稳定同位素，其相对丰度如下：24Mg为78.99%、25Mg为10.00%、26Mg为11.01%.三者的质量差高达4%～8%，是仅次于Li，相对质量差排第二的非传统稳定同位素[6]。目前已达到的科学技术手段是使用MC-ICP-MS同时检测24Mg、25Mg、26Mg信号，并获得更准确的Mg同位素比值。

在应用过程中，金属颗粒的大小具有差异性，会导致在这一标准下得出的同位素组成不均一。因此在最近几年的研究中DSM3标准逐步取代了过去的SRM980.且以SRM980为标样的数据与以DSM3为标样的数据间可以相互转换。样品中Mg同位素组成的精确测量是开展Mg同位素地球化学研究的基础和前提，而MC-ICP-MS技术的完善和发展，显著提高了对于Mg同位素的分析精度。这一技术已经用于研究地幔演化及分析源区特征当中，为Mg同位素在天然系统中的失踪作用提供了较为便利的条件。

图4 大同玄武岩中主量元素与MgO线性相关图

图5 大同新生代玄武岩中稀土元素与微量元素的分布模式图

依据大同新生代玄武岩中的Mg同位素组成表数据(如表1所示)并结合前人对MORB及OIB型玄武岩的研究可统计得到图6和图7并讨论得出如下结果。

如图6所示，红色点代表大同桑干河断陷处样品值，蓝色点代表全球新生代时期OIB类型玄武岩[7]。可观察到所有样品点均分布在斜率为0.515的一条直线上。

图6 大同玄武岩及全球新生代OIB型玄武岩δ26Mg-δ25Mg散点图

如图7所示，红色点代表大同桑干河断陷处样品值，蓝色点代表全球新生代时期MORB类型玄武岩。可观察到所有样品点均分布在斜率为0.515的一条直线上。在δ25Mg与δ26Mg的散点分布图中，大同玄武岩分别和MORB及OIB型玄武岩沿着陆地平衡质量分馏线下降，斜率约为0.515.且δ25Mg的质量分数在-0.36‰～-0.11‰之间，δ26Mg的质量分数在-0.69‰～-0.21‰之间，总体而言，大同新生代玄武岩具有高度可变但总体较轻的Mg同位素组成，明显轻于正常地幔。

图7 大同玄武岩及全球新生代MORB型玄武岩w(δ26Mg)与w(δ25Mg)散点图

图8中数据分别引用自：夏威夷玄武岩，中国东部玄武岩[8]。目前研究表明在地幔部分熔融和随后的玄武岩分异以及花岗岩分异的过程当中，没有出现明显的Mg同位素分馏现象，这意味着，如果没有不同组分的Mg同位素，则玄武岩和花岗岩理论上应当具有与地幔相同的Mg同位素组成。依据图8可知，与全球洋中脊玄武岩和洋岛型玄武岩相比，本研究中的玄武岩总体上具有更轻的Mg同位素组成，表明大同玄武岩的地幔源不是具有与MORB或OIB相同的平均Mg同位素组成的干石榴石橄榄岩。华北克拉通(NCC)和华南块体(SCB)的玄武岩的轻镁同位素组成(w(δ26Mg)=-0.60‰～-0.35‰)归因于地幔橄榄岩和俯冲太平洋板块的同位素轻碳酸盐熔体之间的相互作用。而五大连池玄武岩的高m(CaO)/m(Al2O3)以及低Hf/Hf*(标准化)比值(0.63～1.07)与华北克拉通和华南块体的低δ26Mg玄武岩相似。这些是碳酸盐交代作用的典型特征，因为碳酸盐岩富含Ba、Th和La，而Zr、Hf和Ti却很少。因此，大同玄武岩的地幔源来自于大陆玄武岩，并且由于深循环碳酸盐岩和碳酸盐榴辉岩具有轻Mg同位素组成，可推断得出大同新生代玄武岩地幔源已被同位素轻碳酸盐岩溶体交代。

图8 大同玄武岩δ26Mg与m(CaO)/m(Al2O3)、m(SiO2)、Hf/Hf*和m(Fe)/m(Mn)的线性关系图

4 结论

1) 大同新生代时期火山活动主要集中在第四纪，且根据其岩浆作用的不同，可将形成的玄武岩分为拉斑玄武岩与碱性玄武岩两大类。位于东南区的拉斑玄武岩多呈灰黑色，玄武熔岩是其主要成分，多以气孔状或细密块状产出；而位于西北区的碱性玄武岩多呈紫红色，并以夹层出露在地层当中，产出状态也多为火山角砾岩或火山熔渣。

2) 在大同西北区的碱性橄榄玄武岩主要结构为显微斑状结构，主要矿物组成为斜长石、辉石、贵橄榄石等，次要矿物组成为磁铁矿等，而显微斑晶多为贵橄榄石和钛辉石；在东南区的拉斑橄榄玄武岩中橄榄石的含量减少，辉石和斜长石的显微斑晶含量增加，辉绿结构和间粒结构占主导地位，除此之外，磁铁矿的含量也有显著性的减少。

3) 据K2O+Na2O-SiO2的关系图，可知大同东南区和西北区的玄武岩浆不是同源的，且东南区与西北区玄武岩的稀土元素与微量元素的丰度差别较大，变化率和富集程度也不同，东南区稀土元素分配曲线较缓，斜率较小，而西北区稀土元素分配曲线较陡，斜率较大，表明西北区的玄武岩岩浆熔融程度较低，东南区的玄武岩岩浆熔融程度较高。

4) 大同新生代Mg同位素特征表明该区域的Mg同位素含量明显偏低，δ25Mg质量分数在-0.36‰～-0.11‰之间，δ26Mg质量分数在-0.69‰～-0.21‰之间，轻于正常地幔标准，但仍然处于陆地平衡质量分馏线上，斜率为0.515.且在地幔部分熔融和随后的玄武岩分异以及花岗岩分异的过程当中，没有出现明显的Mg同位素分馏现象，结合前人的研究分析可得出大同新生代玄武岩地幔源已被同位素轻碳酸盐岩溶体所交代。