不同构造环境中双峰式火山岩的主要特征

不同构造环境中双峰式火山岩的主要特征王焰1, 2钱青2刘良1张旗21.1.2.西北大学地质系, 西安 710069;2. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029.D ep a r tm en t of G eology , N or thw est U n iv ersity , X ian 710069, C h ina;I nstitu te of G eology and G eop hy sics, C h inese A cad em y of S ciences, B eij ing 100029, C h ina.1999202208 收稿, 1999208206 改回.W an g Yan , Q ian Q in g, L iu L ian g an d Zhan g Q .i2000.M a jor geochem ica l charac ter ist ic s of b im oda l vo lcan ic rock s in d if -f eren t geochem ica l en v ironm en ts. A c ta P e t ro log ica S in ica ,16 (2) : 169 173T h e la te st ach ievem en t s o n b im o da l vo lcan ic ro ck s a re rev iew ed in th is p ap e r. It is sugge sted th a t b im o da l vo l2A bstrac tcan ic ro ck s can o ccu r in h igh ly co n t ra st ing geo dynam ic env iro nm en t s, such a s co n t inen ta l r if t s, o cean ic island s, co n t inen ta l2 b reak up se t t ing, inc ip ien t back 2a rc sp read ing, po st2o ro gen ic ex ten sio na l se t t ing, in t ra2o cean ic a rc s and m a tu re island sac t ive co n t inen ta l m a rg in s, e tc. R h yo lite s can be m a in ly gene ra ted in tw o w ay s. F ir st, co eva l ba sa lt s and rh yo lite s m ay sh a re a com 2 m o n m an t le2de r ived p a ren t, w h ile th e rh yo lite s a re evo lved f rom ba sa lt ic m agm a s w ith a sm a ll rh yo liteba sa lt vo lum e ra t io , and bo th o f th em h ave sim ila r geo ch em ica l ch a rac te r ist ic s. A lte rna t ive ly, rh yo lite s and ba sa lt s m ay h ave to ta lly un re la ted so u rce s, th e rh yo lite a re de r ived f rom ana tex is o f th e c ru st. T h e expo sed rh yo lite is p redom inan t re la t ive to ba sa lt and th e rh yo lite and ba sa lt o f ten h ave d in st inc t ive geo ch em ica l ch a rac te r ist ic s.Key wordsB im o da l vo lcan ic ro ck s, Geo dynam ic env iro nm en t s, Geo ch em ica l ch a rac te r ist ic s摘 要总结了双峰式火山岩研究的最新进展。 研究表明, 双峰式火山岩可以出现在多种大地构造背景中, 如大陆裂谷、洋岛、大陆拉张减薄、弧后扩张、造山后、洋内岛弧和成熟岛弧活动陆缘等。 流纹岩主要有两种成因, 一种流纹岩与玄武岩来自同一源区, 流纹岩通常是玄武岩浆演化的产物, 出露面积相对很少, 并与玄武岩具有类似的地球化学特征; 另一种流纹岩与玄 武岩不同源, 流纹岩是地壳深熔作用形成的, 流纹岩相比玄武岩常常是占优势的, 并且显示与玄武岩不同的地球化学特征。关键词双峰式火山岩; 大地构造背景; 地球化学特征中图法分类号P 588. 14双峰式火山岩通常被认为是在大陆裂谷中形成的。近来的研究发现, 双峰式火山岩也可形成在其它一些构造背景 中, 如洋岛 (Ge ist e t a l. , 1995)、大陆拉张减薄环境 (D uncan山岩的形成机制和产出环境, 不仅对恢复造山带大地构造格局有意义, 而且对于探查与双峰式火山岩有关的矿产资源也 是有启发的。双峰式火山岩的成分间断通常被称为 D a ly 间断 (D a ly,1925) , 这种成分间断实际上可以发生在任一 S iO 2 含量区间 内, 既可以是通常认为的流纹岩2玄武岩组合, 也可以是中性1993)、洋内e t a l. ,1984;Ga r land e t a l. ,1995;P in e t a l. ,岛弧 (B ro uxe l e t a l. , 1987)、弧后盆地 (H o ch staed te r e t a l. ,1990a, b ) ; 成熟岛弧 ( F rey e t a l. , 1984; P in e t a l. , 1997)以及造山后拉张环境 (Co u lo n e t a l. ,1986) 等。 对于双峰式岩-玄武岩组合或流纹岩2中性岩组合 (H ild re th ,1981)。 因火山岩的成因以及流纹岩与玄武岩的关系也有不同的认识。实 际 上, 流 纹 岩 和 玄 武 岩 既 可 以 是 同 源 的 ( G ro ve e t a l. ,1986; B rop h y, 1991; Ge ist e t a l. , 1995) , 也可以是不同源此, 一组时空上紧密伴生的、S iO 2 含量集中分布在两个区间、其间存在一定成分间断的火山岩系就构成一套双峰式火山 岩组合 (图 1)。的 (D o e e t a l. , 1982; H upp e r t e t a l. ,1988)。探讨双峰式火 国家自然科学基金资助项目 ( 49672141) 的成果.第一作者简介: 王焰, 女, 1968 年 12 月生, 讲师, 岩石学和矿物学专业.图 1双峰式火山岩的成分间断 (据 B rop h y,1991)直线表示火山熔岩和或火山碎屑岩的 S iO 2 含量分布范围, 虚线表示中间组分的火山熔岩和或火山碎屑岩, 图中火山口以成分间断下限S iO 2 含量升高的顺序排列F ig 1 T h e com po sit io n gap s o f b im o da l vo lcan ic ro ck s (af te r B rop h y, 1991)双峰式火山岩可以在不同的构造背景下形成, 据我们研究,可以初步概括为下述 7 种: 大陆裂谷、洋岛、大陆拉张减薄、 弧后扩张、造山后、洋内岛弧和成熟岛弧环境。露面积小于 2% (据D av ie s e t a l. , 1987)。酸性岩一般为陆壳重熔的产物 (W ilso n,1989)。2洋岛环境的双峰式特征尽管绝大多数洋岛均以玄武岩为主, 但偶尔也有流纹岩1大陆裂谷环境的双峰式的特征大陆裂谷 (以东非裂谷为例) 双峰式火山岩的基性岩主喷发, 但流纹岩所占的比例很低, 如冰岛 A lcedo 火山, 其流纹 岩玄 武 岩 出 露 的 体 积 比 大 致 为 1 150 ( Ge ist e t a l. ,1995)。玄武岩为拉斑质, 富 F e、T i 和 P , L R E E H R E E 为明 显 分离型式。 流纹岩与玄武岩的地球化学特征 类 似, 富 集L IL E 和 L R E E , 具明显负 E u 异常, 但其 R E E 和不相容元素(R b , T h , U ) 的含量要比玄武岩大好几倍。二者的 S r、N d 同要 是 富 碱 质 的, 可 以 从 正 常 的 拉 斑 玄 武 岩 至 碱 性 玄 武 岩、S iO 2 不饱和的碧玄岩、霞石岩和超钾质的白榴岩以及碳酸岩 等, 中酸性岩也是偏碱质的, 如粗面岩、响岩和碱性流纹岩等(W ilso n, 1989)。 该类玄武岩富 L IL E、T h 和 H F SE , Z rN b比值低 (310) , L R E E H R E E 为明显分离的型式, L R E E 丰度 高 (L a 为球粒陨石的 50 500 倍)。 酸性岩明显富集 L R E E和 H F SE , T h 含 量 较 高 ( 如 38. 8gg, 据 D av ie s e t a l. ,1987)。通常玄武岩与流纹岩不同源, 玄武岩的出露面积常常 很小, 如肯尼亚中部 N a iva sh a 双峰式火山岩中玄武岩的出位素值非常接近 (87S r86 S r= 0. 7030 0. 7033,143N d144N d=0. 5129 0. 5130)。岩相学资料和同位素数据表明, 玄武岩来源于与地幔柱有关的岩浆活动; 流纹岩则是玄武质岩浆经分 离结晶作用形成的 (Ge ist e t a l. , 1995)。式火山岩组合, 如西藏德庆地区 (Co u lo n e t a l. , 1986)。其成分与拉张环境中的火山岩很相似, 岩石既有碱性的、也有非 碱 性 的。 玄 武 岩 相 对 富 集 H F SE 和 L R E E , T h T a 比 值 大( 5) , 具轻微 N b、T i 负异常, N d ( t) 值为较低, 87 S r86 S r 初始 值较高且变化较大, 反映出玄武岩受到了不同程度陆壳混染3大陆拉张减薄环境的双峰式特征这 类 环 境 通 常 在 时 空 上 位 于 陆 壳 和 洋 壳 的 过 渡 带(Fo de r e t a l. ,1984)。岩浆活动与地幔柱活动导致的地壳减的影 响。 流 纹 岩 K 2O含 量 很 高, 主 体 属 碱 性 系 列, 富 集薄和大陆伸展作用有关 (P in e t a l. ,1993)。火山岩的分布范H F SE、T h 和 L R E E , 与 A 2型 花 岗 岩 的 特 征 相 似 ( T u rne r e t围通常很大 (Fo de r e t a l. , 1984; M a r sh , 1987; L igh tfoo t e ta l. ,1992)。1990) , 但通常情况下为流纹岩a l. , 1988; C am p be ll e t a l. ,少、玄武岩多, 例如, 巴西 P a rana 流纹岩的分布范围不到 5%(Ga r land e t a l. , 1995) ; 南非 Ka roo 流纹岩占火山岩总体分 布的 10% 30% (D uncan e t a l. , 1984) ; 德干高原出露的流纹岩玄武岩比例为 1300 (L igh tfoo t e t a l. , 1987)。 玄武岩 的成分变化较大, 这主要是由于地幔柱头部的搅动造成地幔6洋内岛弧中的双峰式特征洋内岛弧双峰式火山岩两端元的相对比例变化较大, 有的 流纹岩较少如斐济岛, (G ill e t a l. ,1978) , 而有的流纹岩不 均 一 性 ( G r iff ith se t a l. , 1990 )、致 使 N 2M O RB 和则很多如东加勒比弧, (D o nne lly e t a l. , 1980)。 以加利福尼亚 Cop ley2B lak la la 双 峰 式 火 山 岩 为 例 (B ro uxe l e t a l. ,1987) , 拉斑玄武岩低 K 和 T i, L R E E 从强烈亏损至轻微富 集, 相比M O RB , 富集L IL E , 亏损 H F SE , 表现为岛弧拉斑玄P 2M O RB 物质以不同比例混合造成的 (D uncan e t a l. , 1984;Fo de r e t a l. , 1984; P in e t a l. , 1993)。Fo de r e t a l. (1984) 根 据 K , P , R b , S r 和 L R E E 的特征将玄武岩分为三种: 即富集型 (具 P 2M O RB 和 T 2M O RB 特征, 成分与 C FB 类似, 富集K , R b , Z r 和 L R E E , Z rN b = 4 25, Z rY = 4 5) ; 过渡型( 具 T 2M O RB 特征, 类似北大西洋中脊和 FAM OU S 玄武岩 特征, K 2O 30, N b + 6, N b 具不同程度的亏损。 流纹岩根据其成因可以分为两种, 一种由地壳深熔作用形成 (Co x ,1972) , 这种流纹岩7成熟岛弧中的双峰式特征在以安山岩为主的成熟岛弧活动陆缘环境中, 也发现富 A l、T h 和 L R E E , 强烈亏损 N b , N d ( t) 为负值; 另一种是由玄武岩浆演化而来的 (C leve r ly e t a l. , 1984) , 流纹岩富 Z r, N b (P in e t a l. , 1993) , N d ( t) 与伴生的玄武岩类似。有双峰式火山岩出露, 如智利中部的 L aguna de l M au le 火山岩 ( F rey e t a l. , 1984 ) 和 法 国 M a ssif C en t ra l 地 体 中 的B revenne 火山岩 (P in e t a l. , 1997)。其基性端元的 S i 含量较 高, 通常为安山玄武岩或安山岩, 富集 L IL E、T h 和 L R E E ,4初始弧后盆地环境中的双峰式特征以 日 本 Izu 弧 中 部 Sum isu 裂 谷 双 峰 式 火 山 岩亏损 N b , N d ( t) 为正值 (+ 5 + 8, 据 P in e t a l. ,1997) ; 长英质端元的特征与基性端元类似, 富集 T h , 亏损 N b , L R E E 富集型, 具明显负 E u 异常, N d ( t) 为正值, 但略低于玄武岩的相(H o ch staed te r e t a l. , 1990a, b ) 为例, 玄武岩具 BA BB ( 弧后盆 地玄武岩) 的特征, 相比 N 2M O RB , 富集碱金属和碱土金 属, 轻 微 亏 损 H F SE 和 R E E , 其 B aZ r ( 0. 7 )、B aC e ( 4 ) 和Z rC e (6) 比值接近 E 2M O RB 的相应比值 ( 分别为 0. 1, 1 和9) , 87S r86 S r 比值在 0. 703, N d ( t) 为正值 ( 6. 2 9. 4) , 暗示玄 武岩应来源于 E 2M O RB , 并有中等程度消减带物质的印记 (H o ch staed te r e t a l. , 1990a)。流纹岩的微量元素特征、R E E 型式与 BA BB 类似, 但 R E E 总量相对较高并具负 E u 异常,B aZ r、Y Z r 比值较低。 流纹岩与玄武岩的 N d、S r 同位素组 成相似, 87 S r86S r 比值也在 0. 703, N d ( t) 值为 8. 6 8. 9, 说 明流纹岩可能是玄武岩浆演化的产物。应值 (+ 4. 7 + 6. 8,1997)。玄武岩被认为是据 P in e t a l. ,类似M O RB 的玄武岩浆和具消减带物质的岛弧岩浆物质混合的结果, 流纹岩一般是玄武岩浆经分离结晶作用、再加上 轻微同化作用形成的 (P in e t a l. , 1997)。8双峰式中流纹岩的成因双峰式火山岩的玄武岩源于地幔岩的部分熔融, 对这一点一般争议不大。 因此, 双峰式火山岩成因的关键实际上是流纹岩的成因。通常认为, 流纹岩的成因有两种。一种流纹岩 和玄武岩可分别来自不同的母岩浆, 二者在空间上的共生可 能仅仅与一次热事件有关。 例如, 由地幔部分熔融形成的热的基性岩浆侵入到冷的地壳岩石中, 使地壳岩石发生部分熔5造山后拉张环境中的双峰式特征造山带中经常发育一套与变形后拉张作用有关的双峰形成双峰式火山岩 (H o lm s,1931;S igu rd sso n, 1977; C h r is2特征; 另一类流纹岩与玄武岩来自不同的源区, 流纹岩是地壳深熔作用形成的, 这时, 流纹岩的比例较大, 而且常常是占 优势的, 流纹岩与玄武岩通常具有不同的地球化学特征。t ian sen , 1984)。这种流纹岩的出露面积一般相比玄武岩要大得 多 (H ild re th , 1981; D o e e t a l. , 1982; D av ie s e t a l. ,1987; H upp e r t e t a l. , 1988; C u ll e t a l. , 1991)。由于这种基 性岩浆和酸性岩浆来源不同, 生成的玄武岩和流纹岩在微量元 素 和 S r、N d、P b 同 位 素 组 成 上 就 有 很 大 的 差 异 (D o e e t a l. , 1982; D av ie s e t a l. , 1987)。 另一种流纹岩和玄武岩可以具有共同的幔源母岩浆, 流纹岩是经玄武岩浆分离结晶作用形成的, 其中只有微量或根本没有陆壳物质的加入 (G ro vee t a l. , 1986; M acD o na ld e t a l. , 1987; B aco n e t a l. , 1988)。 一般都认为, 岩浆的分离结晶作用只产生成分连续变化的岩浆系列, 但在某些情况下, 分离结晶作用也可以产生双峰式火 山岩组合。 例如, 低压下 (0. 1 0. 2GP a) 钙碱性系列岩浆 的分离结晶作用, 由于岩浆房中普通辉石+ 斜方辉石的大量沉淀, 引起残留岩浆中 S iO 2 含量、挥发份和其它因素的迅速 变化, 可导致流纹质残余熔体的形成, 从而形成双峰式组合(G ro ve e t a l. , 1986; B rop h y, 1991)。 这种来源相同的玄武 岩 和 流 纹 岩 一 般 具 有 相 似 的 微 量 元 素 和 N d 同 位 素 特 征(B ro uxe l e t a l. , 1987; H o ch staed te r e t a l. , 1990b; Ge ist e t a l. , 1995)。 但生成的流纹岩相比玄武岩要少得多, 如: 南非 Ka roo 的流纹岩玄武岩体积比大致为 15 (D uncan e t a l. ,Ref eren ce sB aco n C R and D ru it T H.1988.Com po sit io na l evo lu t io n o f th ezo ned ca lc2a lk a line m agm a ch am be r o f M o un t M azam a, C ra te rL ak e, O rego n. 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N a t io na lA cadem y P re ss, W a sh ing to n D C , 84 951984 )、巴西 P a rana 高原为 140 (Ga r land e t a l. ,1995)、德干高原为 1300 (L igh tfoo t e t a l. ,1987)、冰岛 A lcedo 火山C leve r ly R W , B e t to n P J and B r istow J W .1984.Geo ch em ist ry and为 1150 (Ge ist e t a l. ,1995)。p e t ro gene sis o f th e L ebom bo rh yo lite s. Sp ec. P ub l. Geo l. So c. S. A f r. , 13: 171 194Co u lo n C , M a lu sk i H , Bo llinge r C and W ang S. 1986. M e so zo ic andC eno zo ic vo lcan ic ro ck s f rom cen t ra l and so u th e rn T ibe t:39A r240A r da t ing, p e t ro lo g ica l ch a rac te r ist ic s and geo dynam ic sign if icance. E a r th P lane t. Sc i. L e t t. , 79: 281 3029结语综上所述, 双峰式火山岩可以出现 在 不 同 的 构 造 环 境中, 如大陆裂谷、洋岛、大陆拉张减薄、造山后、弧后拉张、洋内岛弧和成熟岛弧等。各种环境的玄武岩具有不同的地球化 学特征。 例如, 大陆裂谷玄武岩主要是富碱质的, 富集 L IL E和 H F SE , L R E E H R E E 分离型式。 洋岛玄武岩为拉斑质或 碱质的, L R E E H R E E 亦为分离的型式。 大陆拉张减薄环境的玄武岩主要是拉斑质的, L R E E 分布可以从富集、略富集 至亏损, 与 E 2M O RB , N 2M O RB 相似。造山后拉张背景下形成的双峰式火山岩, 与大陆裂谷和大陆减薄环境的火山岩具有大体相似的特征、或为二者的过渡类型, 玄武岩既有碱性 的, 也有非碱性的, L R E E 富集, 并因陆壳混染的影响, 常表现 为 T h T a 和 轻 微 的 N b、T i 负 异 常。 弧 后 盆 地 玄 武 岩(BA BB ) 相比 N 2M O RB , 富集碱金属和碱土金属, 轻微亏损H F SE 和 R E E。 洋 内 岛 弧 玄 武 岩 为 拉 斑 质 的, 富 集 L IL E、T h , 亏损 H F SE , L R E E 从强烈亏损至轻微富集。 成熟岛弧 的 基 性 岩 主 要 是 钙 碱 性 的, 富 集 L IL E、T h 和 L R E E , 亏 损N b。双峰式火山岩的流纹岩大致可分为二类: 一类流纹岩与 玄武岩来自同一源区, 流纹岩是玄武岩浆演化的产物, 这时,Co x K G.1972.T h e Ka roo vo lcan ic cyc le. J. Geo l. So c. L o nd. ,128: 311 336C u ll J P , O R e illy S Y and G r iff in W L. 1991. X eno lith geo th e rm sand c ru sta l m o de ls in ea ste rn A u st ra lia. T ec to nop h y s. ,359 366192:D a ly R A. 1925. T h e geo lo gy o f A scen sio n Island. 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