长白山地区两个重要新生代火山地幔特征对比研究

长白山地区两个重要新生代火山地幔特征对比研究

1深冲刷板片semasp据统计，全球活动火山岩主要分布在板块活动边缘，尤其是太平洋周边地区。板块结构理论可以解释许多火山岩的成因机制。由于太平洋东西两侧的俯冲带不尽相同,代表了两种不同的俯冲消减类型,其火山活动也是各具特色:东太平洋俯冲带,俯冲的大洋板片以高角度斜插到南、北美洲大陆板块之下,并在活动大陆边缘形成大规模的火山活动和著名的海岸山脉体系;西太平洋俯发生在远离大陆壳的地方,大洋板片直接俯冲到大洋壳之下,并以较低的角度向下延伸、一直到上千公里外的大陆壳之下,形成复杂的活动大陆边缘,包括了海沟-岛弧-弧后盆地-海岸山脉一系列重要的构造单元(可以简称为沟弧盆山体系)。西太平洋俯冲带的火山活动,分布在岛弧、弧后盆地和中国东部的大陆活动边缘,火山活动的成因演化复杂,对于中国东部的大陆活动边缘的火山活动和板块俯冲活动关系一直缺少可信的模型解释。长白山火山位于亚洲大陆东部活动边缘,新生代以来发生了大规模的火山活动,并持续到近代(刘嘉麒等,1983,1999;刘若新等,1998a,b;樊祺诚等,1998,2005,2006),因其特殊的地理位置,为我们了解东亚大陆活动边缘的动力学演化,提供了重要的天然实验室。早期的震源分析研究示踪了太平洋板块俯冲的轨迹,从日本列岛到珲春地区的深源地震,显示太平洋板块从日本岛弧外侧、以30度左右的角度向下俯冲,到达长白山地区之下600km左右的地幔过渡带,转为水平延伸和滞留(张立敏,1983);迄今为止,新的大地电磁(MT)和地震层析成像(CT)研究也支持上述结论(Fukaoetal.,1992;赵国泽等,2001;Zhaoetal.,2007)。所以说,地球物理证据显示西太平洋板块俯冲与长白山火山活动具有内在联系,但是地球化学证据无法支持这样一个简单结论,或者说长白山火山地球化学特征更加复杂。实际上,流体挥发分对俯冲带火山成因机制的作用是不言而喻的,深俯冲板片对流体的储藏和运输机制的研究一直活跃。传统认为板块俯冲到160km左右,随着角闪石等含水矿物的相变转化,俯冲板片脱水过程基本结束。随着对俯冲带矿物学认识的加深,俯冲板片的脱水深度被认为可能更深,例如叶蛇纹石(antigorite)的脱水深度可以到220km左右(Wunderetal.1997);但对于长白山火山而言,其下俯冲板片的深度是600km以下的地幔过渡带,这个区域地幔矿物的含水性问题是近年来的一个研究热点。尽管大量证据表明那些名义上的无水矿物,在410～660km的地幔过渡带还可以涵有相当数量的水,并且对地幔水循环以及俯冲带热结构和物理性质有重要影响(总结和评论性文章参见Helffrich,2005;Iwamori,2007),但是对于这部分流体的释放及其对岩浆的作用还缺少认识。除了流体作用以外,俯冲板片对岩浆机制的另一个重要贡献是俯冲板片固体物质的重熔(Plank,2005;Duggenetal.,2007)。俯冲板片物质的重熔、并以一定的比例加入岩浆,可以直接影响岩浆的地球化学组成,例如,与长白山火山同样位于西太平洋俯冲带的堪察加半岛,火山岩微量元素和Hf-Nd同位素地球化学证据表明,随着俯冲深度的增加,堪察加半岛之下的俯冲板片对火山的地球化学贡献从含水流体富集元素到半片固体沉积物转化(Duggenetal.,2007)。显然,在长白山地区,探讨深俯冲板片的变化,固体板片的重熔作用可能比板片脱水和流体作用更加重要,至少应当放在同样重要的位置认真考虑。当然,除了一些有利的地球化学证据以外,俯冲板片在深达600km以上的地幔过渡带的命运和演化问题还存在着很大的争议。一种观点认为,俯冲板片在600～800km会出现石榴石相变质,则会导致俯冲物质滞留或者上升、重返上地幔(Irifune&Ringwood,1993);另一种观点认为,俯冲板片在720km左右发生钙钛矿相转变,继续下沉并进入下地幔,不再成为影响浅部岩浆活动的直接因素(Hiroseetal.,1999)。由此可见,就物理机制而言,西太平洋板块俯冲到长白山火山之下却又其证,该地区属于活动大陆边缘,火山活动受到大洋俯冲机制的影响;但是就火山化学机制而言,是否有足够明确的证据表明俯冲板片流体组分的加入,或者是固体组分熔融加入,都需要慎重。长白山地区构造活跃,火山活动和火山岩分布除了受到板块俯冲、消减的因素控制以外,还与其它构造活动密切相关,包括长白山脉的隆升、地幔软流圈上涌、深大断裂(敦化密山断裂等),这些因素都是重要的物理火山机制。迄今为止,在长白山火山还缺少综合、系统的物理火山机制探讨。对于地球化学研究而言,除了必须考虑上述火山物理成因机制以外,还应当考虑中生代大华北岩石圈减薄引起的地幔源区富集和亏损变化(例如Xuetal.,2003),以及东北亚板块体系微板块和地体拼贴构造特征(参见Shenetal.,2006)所代表的地幔源区差异。中国东北地区和俄罗斯的远东地区,是全球典型的大陆边缘拼贴增生区域,局部地区由许多小的地块和地体组合而成。对于中国这样一个微板块拼合的大陆,华南地块和华北地块地幔源区的差异已经有很多的研究和认识,但是对于东北亚地区微板块和地体差异是否影响到岩浆地幔源区还不清楚,甚至还未引起注意。上述各种构造地质活动的综合作用,才是长白山火山构造背景的完整描述,面对这样一个复杂的联合机制,长白山火山地球化学的复杂性是不言而喻的。长白山火山作为一个复杂的活动大陆边缘火山,一个高度危险的大型活动火山,受到了很多关注,包括各种科学研究和社会公共安全等方面关注。从上个世纪80年代以来,围绕长白山火山开展了系统的地质、地球化学和地球物理研究,使之成为国内关注度最高和研究程度最高的活动火山(刘嘉麒,1984;Basuetal.,1991;解广轰等,1988;刘若新等,1998;樊祺诚等,1998,2006;隋建立,1999;Xuetal.,2003)。这一时期对地球化学特征所显示的成因意义的一些争论,恰好反映了长白山火山的独特性和复杂性。显然这些争论不可能在一两篇文章内结束,本文试图从火山岩区和地幔源区的差异性的角度考虑和探讨问题,从北部的五大连池-科洛火山,向南到镜泊湖火山以及桦甸、汪清,到天池火山和龙岗火山以及北朝鲜的盖马高原火山,火山地质和地球化学特征的变化很丰富,差异明显,可能这种差异反映了某些物理机制的烙印,也可能反映了地幔源区的不均一及其背后所隐含的复杂的板块演化历史。本文在大量地球化学分析的基础上,研究长白山火山西部龙岗火山的同位素、微量元素特征和岩浆演化;并进一步收集数据,比较龙岗火山与长白山火山其它地区的差异,探讨长白山火山的成因演化及其地幔不均一性。抛砖引玉,希望能够通过本文研究,我们可以更多的思考东北亚板块边缘火山多重物理成因机制和复杂地球化学成因机制的相互联系。2麻黄火山的形成历史和演化长白山火山位于吉林省东部,包括天池火山、望天鹅火山、龙岗火山、图们江火山以及朝鲜境内的南、北胞台山火山等几个紧密相连的第四纪火山岩区,分布在中、朝边界附近的一两百公里范围。长白山地区新生代以来持续隆升,构造活动强烈,伴随着大规模的岩浆活动,到全新世火山活动减弱,仍保留两个火山活动中心:天池火山和龙岗火山,这两个火山区是本文研究的重点。天池火山海拔2750m,是长白山脉的最高峰,也是中国最大的活动火山。全新世以来,天池火山至少发生过一次大规模喷发和多次中、小规模的爆炸式喷发,天池火山的千年大喷发被喻为全球2000年以来最大的喷发之一(Gilletal.,1992;刘若新等,1997;Horn&Schmincke,2000)。天池火山的活动历史(樊祺诚等,2006)经历了三个重要的阶段:造盾阶段、造锥阶段和全新世爆炸式喷发,其中造盾阶段持续时间大约从2Ma到1Ma,形成广阔平坦的玄武质熔岩台地(海拔约600～l00m),广泛分布在天池锥体底部及周边。天池火山的岩浆演化(刘若新等,1998a;樊祺诚等,2006),早期的造盾阶段主要是粗面玄武岩,造锥阶段主要是粗面岩,晚期的全新世喷发以碱性流纹岩为主,并且夹杂了部分粗面岩活动。本文主要收集天池火山早期的基性火山岩(SiO2<60wt%)的数据,与龙岗火山(单一的粗面玄武岩系列)对比研究。龙岗火山(罗照华,1984;隋建立等,1997;樊祺诚等,2002,2006)是天池火山西部的一小片火山岩区,位于吉林省的靖宇县和辉南县境内,新生代火山岩面积约2000km2。火山活动产物包括广阔的熔岩台地、160多座火山渣锥、8个低平火山口(即玛珥湖Maar,当地俗称龙湾)和超过100km2火山空降堆积。龙岗火山第四纪活动可以分为三期,火山活动从大约2.15Ma持续到近代,活动时代与天池火山相当(樊祺诚等,2002)。龙岗火山岩石类型为单一的粗面玄武岩(隋建立等,1999),从早期的溢流式喷发到晚期的爆炸式喷发,尽管火山活动方式有很大差异,但是岩浆演化比较简单,不同于天池火山。一般而言,岩浆演化的晚期,形成富硅、富碱、富含流体挥发份的酸性岩浆,容易形成剧烈的爆炸式喷发,象龙岗火山这样的玄武质爆炸式喷发,并不多见。龙岗火山与天池火山尽管在空间分布上相邻,在时代上相似,但是在火山地质和岩浆演化上表现出巨大的差异,二者对比可以反映深部地幔源区以及岩浆过程的差异。3化学地球化学3.1地学生地球化学分析龙岗火山第四纪火山活动持续了两百多万年,经历了多期喷发,火山产物丰富多样,包括致密熔岩、火山渣、基浪堆积、熔岩饼等。我们挑选了各期火山活动中具有代表性的12个样品(11个玄武岩,1个地幔岩捕虏体),做了系统的地球化学分析,样品做到新鲜、未风化,没有受到后期改造和充填影响(样品地点和详细描述见参考文献隋建立等,1999;隋建立,2000①)。样品测试分析,其中主量元素分析采用XRF方法(主量元素的分析数据参见隋建立等,1999);微量元素分析采用液相质谱法,实验化学前处理采用酸溶法,用氢氟酸除硅,仪器分析采用等离子电感耦合质谱(ICP-MS);另外,部分样品(6个)还作了Sr-Nd-Pb同位素同位素分析,采用中科院地质与地球物理所的Mat262仪器系统分析。3.2东南角火山的地球化学特征表1列出了龙岗火山的微量元素分析结果,包括11个粗面玄武岩和1个地幔岩捕虏体(HNJL-3,二辉橄榄岩)。从表1可以看出,龙岗火山岩的稀土总量在174～262ppm之间,变化不大。从稀土(图la)和微量元素标准化模式图(图2a)可以看出,龙岗火山各期火山岩具有惊人的相似性,反映了龙岗火山具有单一的成因演化;稀土标准化模式相对平滑,没有明显的Ce、Eu等元素异常;轻/重稀土之比为10～14,有明显分异,轻稀土富集。作为对比,天池火山基性火山岩的数据也反映在稀土(图lb)和微量元素标准化模式图(图2b)中,显然,龙岗火山和天池火山具有明显的不同,天池火山基性火山岩的稀土总量比龙岗火山明显要低一些,并且天池火山微量元素具有明显的正Ba异常,以及U、Th、Ta负异常。龙岗火山携带大量的地幔捕虏体,主要是尖晶石相橄榄岩和少量辉石岩(樊祺诚等,1999;Xuetal.,2003)。在稀土和微量元素原始地幔标准化图上(图1,图2),相对于原始地幔,龙岗火山地幔捕虏体的数据基本位于原始地幔附近。如果这些捕虏体能够代表地幔源区的特点,即原始地幔特点,则与下文的火山岩同位素特征所反映的地幔源区特点一致。表2列出了龙岗火山岩的Sr-Nd-Pb同位素分析结果。龙岗火山岩的同位素数据变化很小,其中Sr87/Sr86比值为0.7043～0.1049,Nd143/Nd144比值为0.512619～0.512733,206Pb/204Pb比值为17.77～18.05,而207Pb/204Pb为15.47～15.69。龙岗火山的Sr-Nd-Pb同位素比值总体显示了较为接近原始地幔的特征,从轻微的亏损到轻微的富集;εNd(-0.84～1.85)也反映了这样一个特点。4讨论4.1前奏:基性火山的地球化学特征尽管天池火山和龙岗火山这两个火山区具有空间相邻、时代相似的特点,但是其火山地球化学特征的差异显示了地幔源区的不均一性。从基性岩火山岩组合的不相容元素标准化模式图(图2)来看,龙岗火山具有很强的自相似性,反映了同源岩浆的演化特点;天池火山的基性岩组合也具有相似的不相容元素模式。但是,二者的对比显示出很大差异,表明天池火山和龙岗火山之下的地幔源区具有明显的微量元素不均一性。Ba、U、Th、Ta等元素异常以及一些不相容元素的比值也反映了这种地幔不均一性,对此下文还有进一步分析。长白山火山地幔不均一性同样也表现在Sr、Nd、Pb同位素地球化学特征上,从Sr-Nd同位素比值图(图3)可以看出,天池火山和龙岗火山的基性火山岩组合略有不同,反映了地幔源区的不均一性。龙岗火山为原始地幔,或者说位于轻微亏损和轻微富集的地幔之间;而天池火山具有更低的Nd同位素比值和更高的Sr同位素比值,具有一定的富集地幔混合特点。长白山火山两个火山区的这种地幔同位素地球化学不均一性,结合其它的火山地质和地球化学特征,可以对火山机制作一些限制和推论。龙岗火山为单一的粗面玄武岩,岩浆演化比较简单,并且含有大量的地幔岩捕虏体,可以确认岩浆直接来自于地幔岩浆房,没有地壳混染,龙岗火山岩的Sr、Nd、Pb同位素证据也证实了这一点。对于天池火山而言,晚期的酸性火山岩与早期的玄武质火山岩地球化学特征不同(图3)。天池火山具有地幔和地壳双层岩浆房,晚期的中、酸性岩浆产物岩浆是幔源岩浆在地壳岩浆房中高度演化的结果(樊祺诚等,2005),图3显示天池火山中、酸性火山岩组合的Sr87/Sr86同位素比值具有高度富集特征,显示出大陆壳的同位素混合的特征,说明地壳岩浆房演化阶段岩浆受到了地壳物质的同化混染作用。而天池火山基性火山岩被认为是地幔岩浆房的产物(樊祺诚等,2005),其同位素特征代表了地幔源区的特点。从图3可以看出,相对于龙岗火山,天池火山的基性岩显示出原始地幔(PM)与富集地幔(EM1或者EM2)混合的趋势,二者的差异表明地幔源区同位素地球化学不均一性的存在。富集地幔的来源有多种可能:(1)俯冲板片释放的流体;(2)板片固体物质的回返和重熔;(3)岩石圈减薄或者;(4)软溜圈上涌提供的富集成分。在东北地区,可以肯定多种机制的存在,共同作用,具体到某一座火山的地球化学演化更加倾向于何种机制,还可以通过微量元素特征进一步探讨和印证。4.2坡位火山的构造意义微量元素和同位素证据显示了长白山火山的地幔不均一性,这种地球化学不均一性也表现在似乎可以把微量元素比值上,把龙岗火山和天池火山的基性火山岩组合投到一些典型的火山岩构造成因图上(图4),它们位于不同的区域;但是这种不均一性不宜直接采用原图的构造解释,因为对长白山火山而言各种不同构造图解不能得到一致的解释。例如在Nb/Y-Ti/Y图上(图4a),龙岗火山和天池火山位于板内火山,并形成不同的组合,龙岗火山属于碱性火山岩系列,而天池火山属于过渡系列;而在Ta/Yb-K2O/Yb图上(图4b),龙岗火山和天池火山都落在板内火山和岛弧火山区域之外,天池火山属于拉斑玄武岩系列,而龙岗火山是过渡特点。尽管这些图谱仍然反映了长白山火山地幔不均一性,但是它们所指示的构造含义模糊混乱。说明长白山火山成因机制很复杂,不能用一个简单模式解释所有的、甚至是大部分的地球化学特征。4.3eu异常特征龙岗火山和天池火山的同位素和微量元素比值的对比研究,揭示了两个火山地幔源区的不均一性,除此之外,龙岗火山和天池火山的岩浆演化也有很大差异,表现在稀土标准化模式(图1)以及微量元素标准化模式(图2)上。龙岗火山稀土模式(图la)显示了比较平滑的趋势,没有明显的元素异常;而天池火山玄武岩(图lb)则有明显的正Eu异常(刘若新等,1998b)。火山岩的Eu异常主要受到长石结晶分异的控制,因为Eu在长石中富集。岩浆演化的晚期,如果出现大量的斜长石结晶分异并沉降到岩浆房底部,则熔体相(岩浆)表现为负Eu异常;反之,如果过量的斜长石再次熔融或者悬浮在岩浆中,则全岩成分表现为正Eu异常。所以,图1显示的Eu异常的差异,反映了龙岗火山和天池火山岩浆结晶分异的不同。根据矿物结晶温度的不同,岩浆冷却结晶的一般顺序为:橄榄石-辉石-角闪石-黑云母-斜长石-石英等。由于斜长石的结晶温度比较低,因此出现大规模斜长石的结晶分异,说明岩浆冷却进入晚期、镁铁矿物已经发生了大规模结晶分异,所以Eu异常表明天池火山的岩浆经历了高度演化。天池火山地幔岩浆房(玄武质岩浆)和地壳岩浆房(酸性岩浆)Eu异常的差异,显示了地幔岩浆房向地壳输出负Eu异常,并不是一种孤立的地质现象。著名的意大利Ivrea地区上地壳具有普遍的负Eu异常的特征,Stein&Hofmann(1994)根据Ivrez带出露的岩浆底侵成因的下地壳镁铁质杂岩的负Eu异常特点,指出上地壳缺少的Eu可以由下地壳底侵岩浆过剩的Eu来平衡。在天池火山,Eu异常反映了地幔岩浆房和地壳岩浆房的演化关系。4.4nb、ta元素地球化学除了Eu异常以外,天池火山的基性玄武岩还显示出一些列重要的微量元素异常,包括正Ba异常和U、Th、Ta负异常(图2b),而龙岗火山未显示异常(图2a)。Nb、Ta元素是岩浆演化重要的地球化学指标之一,一些典型环境的Nb/Ta之比分别是:球粒陨石为18,大陆壳为12～14,大洋中脊玄武岩(MORB)为16.88,圣海伦斯火山(地幔柱火山)为17.3±2.4,堪察加半岛火山(深俯冲带火山)为14.7～18.9和15.4～18.4(Munker,1998;Rudnicketal.,2000;Kamberetal.,2002;Duggenetal.,2007)。对比可以看出,天池火山Nb/Ta之比的变化范围很大(Nb/Ta=10～50,个别甚至超过100),具有非常明显的Nb、Ta分异。通常而言,影响火山岩Nb、Ta元素的地质过程有三种:a.俯冲板片流体的富集作用;b.循环地壳物质的混染(大陆壳或者大洋壳);c.副矿物的结晶分异作用。Nb、Ta在岩浆和地幔岩之间分配系数相近,为强不相容元素,一般岩浆过程中Nb、Ta富集,并不出现分异现象;而在流体中为活跃组分(易溶于含水流体),所以在岛弧火山(浅俯冲带)中亏损;地壳物质的混染,会使Nb/Ta比值降低,而不是升高;这些演化都不足以解释天池火山的Nb、Ta特征。近年来副矿物分配系数研究发展迅速,实验和一些地质实例表明金云母、金红石等副矿物的Nb、Ta分配系数差异较大,可以引起岩浆的Nb、Ta分异。Stolzetal.(1996)研究指出,板块汇聚边缘火山的火山岩钾的含量与Nb/Ta比值具有正相关性,高钾火山岩具有很高的Nb/Ta比值(～33),认为这是金云母等与硅酸盐熔体反应的结果。另一些观点认为金红石是Nb、Ta的主要载体(Munker,1998;Rudnicketal.,2000;Kamberetal.,2002),金红石的演化对体系的Nb、Ta变化具有决定性作用。Munker(1998)研究了新西兰一个岛弧/弧后火山岩系列,发现Nb/Ta分异达到8～25,他把Nb/Ta高分异现象解释为尖晶石和俯冲板片部分熔融产物之间的反应。图5给出了天池火山基性火山岩组合Nb/Ta分异与岩浆K20演化富集的关系,考虑到岩浆中钾、钠演化的相关性,图5横坐标我们采用(Na20-K20)wt%的相对含量,而不是K2Owt%的绝对含量。图5清楚的显示,Nb/Ta分异分异随着岩浆K2O线对含量的增高而增高,具有正相关性。根据现有研究(Stolzetal.,1996;Munker,1998),深俯冲的这种变化与金云母、金红石等副矿物的熔体反应有关,俯冲板片的部分熔融产物影响了天池火山的地幔源区地球化学演化。4.5基性火山岩结构P是岩浆中重要的酸根离子,在岩浆过程中可以对很多微量元素的分配系数产生影响。根据国外70年代的实验研究(参考赵振华等,1998),在不混溶的基性和酸性熔体中,P强烈进入基性熔体(为10～15倍)并影响到微量元素,当无P时,进入基性熔体的稀土元素将减少三分之二。最近的实验研究仍在关注P和其它微量元素在岩浆熔体中的分配系数,Schmidte2al.(2006)认为P可以使硅酸盐熔体的溶解度曲线加宽,从而影响岩浆微量元素的分配系数,这种作用不是直接的,而是通过控制硅酸盐中非桥氧/桥氧的比值(NBOs/BOs),间接影响微量元素的分配系数。根据上述研究思路,本文尝试探讨龙岗火山和天池火山两个地区基性火山岩系列P2O5-ΣREE相关关系(图6)。从图6可以看出,在不同的火山岩组合中,P2O5-∑REE都具有很好的线性相关关系。对于龙岗火山而言,地幔岩捕虏体的数据与火山岩满足相同的线性关系,说明在岩浆演化过程中P2O5-ΣREE保持线性相关关系;其地幔岩位于数据组合的末端,可以看作是龙岗火山的地幔源区或者残余地幔。天池火山的基性火山岩组合和酸性火山岩组合,形成两条不同的直线。天池火山和龙岗火山基性火山岩组合不同,说明天池火山代表了与龙岗火山不同的岩浆演化序列;其延伸线与龙岗火山地幔捕虏体数据不相交,似乎说明二者地幔源区也不尽相同。从龙岗火山和天池火山的研究看,或许P205-ΣREE相关性分析可以作为研究岩浆演化一个新指标,当然进一步的工作是必需的。4.6对地球的一次均一化速度长白山火山显示了明确的地幔源区地球化学不均一性,相对于各种全球规模的地幔地球化学不均一现象而言,这