玄武岩构造背景判别Pearce.doc

利用基本火山岩的微量元素判断构造环境J.A. PEARCE and J.R. CANN摘要 我们对200个玄武质岩石进行了Ti, Zr, Y, Nb and Sr分析，他们分别来自不同的构造背景并且其背景已经得到确认。板内喷发的玄武岩（洋岛和大陆玄武岩）可以利用Ti-Zr-Y来判别，洋底玄武岩和低钾的拉斑玄武岩以及岛弧钙碱性玄武岩可以利用Ti-Zr（蚀变样品）图解和Ti-Zr-Sr图解来判别（新鲜样品），Y/Nb可以作为判断玄武岩是拉斑玄武岩还是碱性性质的参数。Troodos Massif of Cyprus的岩脉和枕状容颜投在了拉斑玄武岩洋底岩石区域。前言近些年里，许多人对地球化学来判别构造环境有着很大的兴趣，尤其是地质无法判断的背景。这些模型的原则就是利用未知岩石来与已知构造背景的岩石微量元素方面进行比较。我们所运用的方法就是利用Ti，Zr和Y元素含量来直观地，统计地来对蛇绿岩套熔岩进行分类【1】。这种原则也被运用到太古代洋壳的判断上，例如澳大利亚西部，大不列颠古生代和阿尔卑斯山中生代。本文在这个方向上进行了更深入的研究，尤其是在判别岩浆与不同构造环境的关系上，并且为此我们采集了很多样品。我们的数据直观地分成两组。第一组使用活动性差的元素，Ti，Zr和Y，这与之前的文章是相同的【1】。第二组是附加元素，Sr，它可以做出更好的判断，但是仅仅对于新鲜或者轻微蚀变的岩石。并且，我们还制作了Y和Nb的图解，可以用来判断拉斑玄武岩和碱性系列，可以用于蚀变岩石。本文的结构如下：1、 根据构造位置将现今火山岩进行分类2、 选择标准化的样品3、 选择合适的元素4、 做出合适的图解5、 碱性和拉斑玄武岩的区别6、 运用实例岩浆类型划分对于火山岩最有意义的分类莫过于根据其喷发的构造环境进行分类。我们的分类见图1. 第一个分类就是根据最主要的板块运动，分为板块边缘和板内。接下来分为四组：洋底玄武岩（扩散板块边缘）；火山弧玄武岩（汇聚板块边缘）；洋岛玄武岩（板内洋壳）；大陆玄武岩（板内陆壳）。这四种类型在现在都能很清楚的辨别出来。下面我们对他们分别讨论。2.1 洋底玄武岩我们通过对洋底火山岩的分析证明，它们是一种很均一的岩石类型【7】。主要是玄武岩，其他的一些玄武岩-安山岩-流纹岩的岩石虽然有，但是特别少。这些岩石基本都是拉板玄武质的，仅有少数地区由于变迁会成为碱性，例如45N大西洋中脊【10】。目前有人在观察扩张速度在1 cm/yr到10 cm/yr的洋底，他们发现岩石的不同组成可能与洋底扩张速率有关。Karig研究发现，扩散板块边缘不仅发生在大洋盆地中，也发生在岛弧后的小的海洋盆地。这些盆地被认为是蛇绿岩套的起源【12】。然而，目前为止证据表明，这些小的海洋盆地和大洋盆地在化学方面几乎没有差别。所以，洋底玄武岩代表了一种变化范围很小的岩浆类型。2.2火山弧玄武岩研究证明，火山弧的火山作用产物的差异有两种情况有关，一是弧的演化阶段【14】、；二是贝尼奥夫带以上的火山喷发的垂直高度【15】。这种差异可以产生复杂的化学变化，根据经验可以分为三种岩石系列：低钾拉斑玄武岩系列，钙碱性系列和钾玄质系列，这种分类可以见图1.目前的观点认为，无论在时间和空间上，这种系列都是低钾拉板玄武质系列-钙碱性-钾玄质系列逐渐变化的。Jakes和White对火山弧岩石的化学性质进行了总结【17】，可以看出它比洋底玄武岩要复杂的多。并且发生分离的岩石比例要大得多，尤其是在安山岩为主的钙碱性系列中。本文中的火山弧玄武岩样品是根据Jakes和White推荐的主量元素【18】进行细分的。根据K2O相对于SiO2和Na2O的含量，将不同地区的玄武岩分为低钾拉斑玄武岩系列和钙碱性系列，由于数据缺乏，钾玄质并没有出现在表中。2.3洋岛玄武岩洋岛玄武岩在地球化学方面变化范围很大，有拉板玄武质系列，也有中等碱性，也有很强的碱性系列。分离结晶的产物很普通，研究表明其岩石类型具有双峰式特征，玄武岩一个峰，粗面岩和响岩另一个【20】峰。在这里我们将这种玄武岩作为单独的一组，尽管他们与断裂带和热点的关系可以将其进一步细分。2.4 大陆玄武岩这种岩浆目前很受到限制，最主要的例子就是非洲裂谷。但是这并没有影响到它在过去的重要性。目前被忽视的这种岩石类型曾经是巨大的溢流玄武岩，并且在大陆破裂以及板块边缘扩张之前发生（Cox for Gondwanaland）【24】。尽管我们取了很多这种样品，但是经过分析还是没能够了解它的构造体系。实际上，我们几乎不可能从化学方面区分洋岛和大陆玄武岩，所以这里我们统一叫做板内玄武岩，这样能更好的进行分类。拉斑玄武岩和碱性系列在岩石学上的差别是很重要的，但是与构造背景没有很大关系，所以我们没有使用。例如板内玄武岩既可以是拉斑玄武岩系列也可以使碱性系列。这种区别我们将在后文提到。3、 样品选择样品的选择要有代表性，随机性，并且要有足够的数量。尽管目前通过系统采样能够满足这种要求，但是不可能所有样品都是这样的。样品需要有以下特点：（1） 样品位置要典型（2） 样品必须新鲜，不过洋底一些样品轻微蚀变，并没有测试其Sr的含量。（3） 分析测试手段要相似，不能有大的误差（4） 玄武岩样品要求20% CaO + MgO12%本文中的分析数据见表1.元素选择对于元素以及元素组合的选择要具有以下特点：（1） 不同类型样品的元素要有较大变化，同类型样品的这种元素变化较小（2） 对风化和变质作用不敏感（3） 衡量效果要好本文使用了以下五种元素Ti, Zr, Y, Nb,Sr。Ti, Zr, Y, Nb对蚀变不敏感。Sr在未风化的绿片岩相中较稳定，但是会由于其他变质作用发生较大变化。不过它在研究新鲜和轻微蚀变岩石时在不同类型中变化较大，有很好的指示意义。其他有用的元素也有一些，例如Cr，Ni和Ba。Cr和Ni在火山弧玄武岩中比洋底含量较低。他们对橄榄石和辉石结晶分离是很敏感的，它可以在分离早期有很大的变化。这两种元素中Cr在蚀变时相对更稳定一些。Ba在洋底玄武岩中要比火山弧玄武岩中的含量低很多。但是在风化和变质作用中它会发生较大变化，甚至比Sr的影响大得多。岩浆类型区别早期定义的四种岩浆类型（低钾拉斑玄武岩系列、钙碱性玄武岩，洋底玄武岩和板内玄武岩）的区别可以利用一下图解表示：(1) Ti-Zr fig. 2. (2) Ti(X 10-2)-Zr-Y(X 3) fig. 3. (3) Ti(X 10 -2) -Zr- Sr(X 0.5) fig. 4.三角图解中的比例系数在没有改变相对位置的情况下都会投到三角形中间。三角图解的使用决定于样品的新鲜程度，如果是新鲜的可以利用图解4，如果样品蚀变或者发生变质作用，那么图解4则不能使用，除非可以证明Sr并没有发生变化（岩石贫钙或者没有碳酸盐化。碳酸盐化能够影响Sr）。对于新鲜样品，图解3和4都能使用。第一步要投图解3.图解3中板内玄武岩WPB最准确（洋岛和大陆玄武岩）是比较显著的，95%以上的板内样品都落到了这个区域D。其他的类型最好用图解4来区别。A区是低钾拉斑玄武岩系列，C区洋底玄武岩，B钙碱性玄武岩。蚀变样品可以用于图解2和3中，板内玄武岩要先利用图解3来区别。其他类型可以利用图解2来区别，它没有新鲜样品那么准确，但是对于大部分情况还是可以做出判断的。图2费城四个区域，ABCD。洋底玄武岩OFB投在B和D区域，低钾拉斑玄武岩系列LKT投在A和B，钙碱性玄武岩投在B和C。B区是三种类型的重叠部分。对于B内的样品有待于进一步发现区别。 这些图解使用的前提是假设岩石中只有少量的晶体结晶。然而在早期岩浆演化阶段，玄武岩中可能有大量的橄榄石晶体，这会减少Ti, Zr, Y, Nb and Sr的绝对含量。这种情况下，蚀变岩石会具有高异常的MgO，Cr或者Ti，这时图解2禁止使用，但是图解3和4因为利用的是相对含量，所以可以继续使用。小结：蚀变样品2和3，新鲜样品3和4.图解3主要是判断板内玄武岩效果好，其他的类型新鲜样品用图解4判断效果好，蚀变样品用图2 。然而当蚀变岩石中有大量橄榄石晶体时，图解2也不能使用。从图解中我们可以看出，仅仅一个未知样品不可能判断出其构造背景，所以我们要利用有代表性的一系列样品来进行分析投图。另一个造成判断错误的原因就是，岩石可以是多种成因的，可能包含不止一种类型。这种情况一般是洋底玄武岩和洋岛火山岩重叠，或者是火山弧系列中具有低钾拉斑玄武岩和钾玄质系列。碱性和拉斑玄武岩尽管我不知道这两种玄武岩在构造背景方面是否重要，但是在岩石学方面还是很有用处的，所以我们把它们包括在这里。传统定义的碱性玄武岩是指橄榄石没有参与反应系列【33】，具有较高的(Na2O+K2O）/SiO 2比值，或者橄榄石在成分上起到很大作用【34】。从表1中的岩石我们可以注意到，碱性岩石的Nb相对Zr或者Y的比值要比拉斑玄武岩岩石高很多。这种碱性岩石Y/Nb降低的特征在图解5中有所体现。板内碱性岩石Y/Nb比例小于1，洋底碱性岩石Y/Nb比例小于2.当然我们要强调的是，这种方法不能替代原先的方法，但是当岩石发生较大蚀变时，这种方法可以作为岩石类型的一种预测。未知岩石判别方法图6是判别玄武岩的流程图。 我们所举得例子是Troodos Massif of Cyprus的枕状玄武岩和岩墙样品。因为这个地区是个较好的蛇绿岩套，并且地质和地球化学结果已经证明它属于洋底玄武岩。我们的分析见图7、8、9.按照图6的流程，我们可以判断：1、 Y/Nb比值高，大于8，指示岩石是拉斑玄武岩系列。2、 图8 Ti-Zr-Y图解中样品投在B区域。所以洋岛，大陆玄武岩和钙碱性玄武岩可以被排除。3、 岩石有新鲜的，也有绿片岩相变质的，也有风化的。因此样品要在图7，Ti-Zr图解进行投图。样品投在了B和D区域，因此有可能是洋底玄武岩。4、 样品在Ti-Zr-Sr图解中投在洋底玄武岩区域。但是有两点值得注意，Sr在蚀变岩石中的变化，一些具有较高的Sr（通常也具有高Rb和K）预示Sr是可以使用的，一些具有低Sr（低CaO，强烈钠长石化）。 综合证明，样品属于洋底玄武岩。结论我们已经证明Ti，Zr，Y，Nb和Sr可以用来判别玄武岩构造背景。这种方法判别未知火山岩构造背景也很有效。首先要考虑的就是风化和变质作用对元素含量的影响。尤其考虑的就是Sr。Ti，Zr，Y和Nb在沸石化和绿片岩相变质中还是很稳定的。这些元素在其他变质相中也证明较稳定。然而金红石和榍石对Ti还是有一定影响的。另一个需要注意的就是岩石中橄榄石晶体，它会影响微量元素的含量。在新鲜样品中很容易发现这些晶体，在蚀变岩石中可以通过较高异常的MgO, Ni o和Cr来判断。 目前还没有确定的是，这些图解是否能够用于古老岩石，前寒武纪岩石。然而我们发现随着时间变化现在的岩浆正在发生变化。例如前寒武纪地幔经历较微弱的熔融作用，因此富集不相容元素；前寒武纪较高的热流导致的部分熔融并没有现代明显。References1 J.A. 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