桂北龙胜丹洲群火山岩的地幔源区及大地构造环境.pdf

文章编号1008 - 0058200101 - 0020 - 05 桂北龙胜丹洲群火山岩的地幔源区及大地构造环境 葛文春1,李献华1,李正祥2,周汉文3 1. 中国科学院 广州地球化学研究所,广东 广州 510640 ;2.西澳大学 地质和地球物理系,澳大利亚 WA6009 ; 3.中国地质大学 地球科学学院,湖北 武汉 430074 摘要桂北龙胜地区丹洲群形成于新元古代 820 ～760 Ma ,其合桐组火山岩由细碧岩和流纹岩 组成,构成双峰式岩石组合。细碧岩的母岩浆起源于经消减板片流体交代而成的富集陆下岩石圈地 幔,流纹岩与细碧岩是同源岩浆结晶分异的产物。双峰式火山岩形成于大陆岩石圈减薄的拉张环境, 与导致新元古代Rodinia超大陆裂解作用的地幔柱活动相联系。 关键词双峰式火山岩;岩石圈地幔;大陆裂解;新元古代;广西龙胜 中图分类号P588. 1 文献标识码A 收稿日期2000 - 06 - 19 基金项目国家杰出青年科学研究基金49725309和中国科学院资源与生态环境重大项目B KZ951 - B1 - 413资助 作者简介葛文春,男,1963年生,副教授,博士后,主要从事岩石学和地球化学研究 1 ① 葛文春等待发表资料 1 龙胜地区位于扬子地块南缘,其丹洲群地层中 广泛发育细碧岩和镁铁质-超镁铁质岩石。一些学 者认为丹洲群中的细碧岩、 镁铁质-超镁铁质岩石 是蛇绿岩套组成部分[1 , 2],从而与扬子地块东缘的 赣东北和皖南蛇绿岩套相对比[3]。作者最近的研究 发现,该区丹洲群火山岩为由细碧岩和流纹岩构成 的双峰式岩石组合[4],其岩浆源区、 成因和大地构造 背景的研究可以为丹洲群火山-沉积岩系形成的构 造环境提供重要的制约。 1 地质及岩相学特征 丹洲群火山岩主要发育于合桐组,由细碧岩- 角斑岩和流纹岩组成。细碧岩呈枕状构造或气孔- 杏仁构造,在区内广泛分布,厚度大于200 m。流纹 岩在区内分布局限,仅见于三门街北部的保江一带。 流纹岩数量很少,熔岩流厚度小于5 m ,剖面所见厚 度不大于30 m。每层熔岩从底部至上部,熔岩呈渐 变过渡关系,顶层为隐晶质,变质后呈显微晶质结 构,主要矿物组合为石英斜长石钾长石绢云 母铁质。变质细碧岩具有枕状构造,主要矿物组 合为斜长石透闪石绿泥石斜黝帘石石英 方解石,斜长石强烈钠化蚀变成钠长石,蚀变残留气 孔和杏仁构造,气孔有时被绿泥石、 方解石和微量硅 质充填。丹洲群变质沉积岩石不整合沉积于本洞花 岗岩 820 7 Ma[5]之上,并被镁铁质侵入体 760 8 Ma穿切 ①,其形成年龄介于 820～760 Ma之 间,属于新元古代。 2 地球化学 根据丹洲群11个细碧岩和3个流纹岩样品的 分析结果[4 , 6],龙胜地区丹洲群火山岩遭受强烈的 钠质交代作用和碳酸盐化作用,其K2O、Na2O的含 量变化较大,在TAS分类图解上,多数样品落在碱 性和亚碱性系列分界线的上方,而碳酸盐化较强的 样品则位于分界线下部的亚碱性系列区。考虑到交 代作用对Na2O和K2O含量的影响,以高场强元素 为基础的判别图解比全岩的硅碱图 TAS更能反 映蚀变岩石的本质特征,因此需选择在蚀变过程中 不活泼的元素 Ti 、Zr、Y和 Nb 进行岩石分类。在 Winchester与Floyd[7]的wNb/wY -wZr/ w TiO 2分类图解上,上述玄武质岩石和流纹岩分 别落入亚碱性系列玄武安山岩和英安岩范围内图 1 。 广西龙胜地区的玄武岩的w SiO 2为48. 46 第31卷 第1期 2001年1月 长 春 科 技 大 学 学 报 JOURNAL OF CHAN GCHUN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol. 31 No. 1 Jan. 2001 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图1 丹洲群火山岩的w Nb/wY -w Zr/w TiO2 分类图解[7] Fig. 1 w Nb/wY vs.w Zr/w TiO2 classification diagram for volcanics from Danzhou group 1.细碧岩;2.流纹岩 图2 丹洲群火山岩的稀土配分模式图 Fig. 2 The REE distribution patterns of volcanics from Danzhou group 1.细碧岩;2.流纹岩 ～56. 31 ,除了两个明显碳酸盐化的样品外,多数 样品均具有低钾w K 2O 0. 16 ～0. 92 、 高钠 w Na 2O 4. 06 ～6. 34 和高w Na 2O/w K 2 O 比值 4. 4 ～26. 4的特征,反映强烈的细碧岩 化作用。碳酸盐化玄武岩的wCaO为13. 99 ～ 16. 55 ,其具有低K2O、Na2O的特点w K 2 O 为 0. 01 ～0. 37 ,w Na 2 O 为0. 25 ～0. 45 , 类似于低钾拉斑玄武岩。 3个酸性火山岩样品的w SiO 2为67. 50 ～ 74. 25 ,应属于流纹 岩。w Na 2O K2O 6. 50 ～8. 12 ,w Na 2O/w K 2 O 值为1. 5～ 2. 1 ,w Na 2O K2O/wCaO 1. 9～7. 9 ,w Zr Nb Ce Y 350 257～302 10 - 6 , w K 2O/wMgO 1. 3～2. 0 , wFeO 3 / wMgO 2. 0～3. 5 ,wGa/wAl值10 000 3wGa/wAl 2. 6～3. 4 ,与Whalen[8]划分 的分异型I型花岗岩的成分相当。 细碧岩的稀土元素含量相对较低,w∑REE 56. 7～76. 910 - 6 ,轻重稀土分馏较明显,[w La ]N/ [w Yb ]N 2. 01～5. 58 , 较弱 中等的 负铕异常δEu 0. 63～0. 96。在稀土元素的球粒 陨石标准化图解图 2 上,细碧岩呈一组近于平行 的右倾平滑配分曲线;流纹岩的稀土总量明显高于 细碧岩,w∑REE 171～ 206 10 - 6 , [w La ]N/ [w Yb ]N 2. 67～9. 15 , 轻重稀土分馏 明显,显示较强的铕负异常δEu 0. 45～0. 77。 龙胜丹洲群细碧岩具有高的wLa/wNb 1. 7 ～ 2. 9 、wCe/wNb 4. 0～11. 3、wTh/w Nb 0. 16～ 0. 98和w Th/w Yb 0. 48～ 1. 27比值,在不相容元素的原始地幔标准化比值 蛛网图上图 3 均显示清楚的Nb - Ta负异常,暗 示玄武岩浆曾遭受地壳物质的混染。除Sr、P、Ti 外,流纹岩的其他不相容元素均明显比细碧岩富集, 与细碧岩具有相似的微量元素分布型式,暗示流纹 岩与玄武岩具有相同的岩浆源区,流纹岩是玄武岩 浆经历斜长石、 磷灰石和Ti - Fe氧化物分离的产 物。 丹洲群细碧岩的Nd同位素组成变化较大,其 w143Nd/w144Nd 0. 512 342～0. 512 400 ,若 以800 Ma重新计算的 εNdt值为- 0. 02～ 1. 82 ,暗示其岩浆不可能起源于高度亏损的地幔 源区。 3 讨 论 3. 1 岩浆源区性质 近年来,基于玄武岩的同位素和微量元素资料, 一些学者对富集不相容元素的大陆溢流玄武岩和裂 谷玄武岩形成过程中的软流圈地幔、 岩石圈地幔和 地壳的相对贡献进行了广泛的研究,其主要的争论 是,亏损或富集的软流圈地幔熔体遭受地壳物质的 混染,抑或是形成于软流圈地幔的低程度熔融岩 石圈地幔在其成因中所起的作用,要么是由其熔融 12第1期 葛文春等桂北龙胜丹洲群火山岩的地幔源区及大地构造环境 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图3 丹洲群火山岩不相容元素的原始地幔标准化图解 Fig. 3 Privitive mantle - normalized incompatible ele2 ment spidergram ofvolcanics from Danzhou group 图例同图2 形成玄武岩,要么是软流圈熔体通过岩石圈时遭受 其混染。 朱炳泉等通过龙脖河细碧岩的Nb、Y、HREE、 Th和V等元素与TiO2具有明显的正相关关系认 为,钠质交代作用将改变其玄武岩的微量元素和 HREE的组成,在一些构造判别图解上具有不确定 性[9]。丹洲群细碧岩Nb、Y、HREE、Th和V等元 素与TiO2之间没有明显的正相关关系表明,细碧 岩中的稀土和Nb、Y、Th、V等元素的特征是玄武 岩形成时的属性,与钠质交代细碧岩化作用无关, 是岩浆源区特征的反映。 丹洲群细碧岩具有高的w Th/w Yb、w Ta/wYb和wTh/ wNb比值,类似于大陆 边缘弧和岛弧火山岩,即显示出岛弧火山岩的属性, 暗示玄武岩的地幔源区曾遭受消减作用流体的交代 作用。wNb/wU值的特征可以对玄武岩的地 壳物质混染问题进行判别。上地壳和下地壳的 wNb/wU值分别为9和21 ,洋中脊玄武岩 MORB和大洋岛玄武岩OIB由于没有遭受地壳 物质混染,其wNb/wU比值比较稳定地变化 于4710之间[10]。因此,遭受到地壳物质混染的 玄武岩的wNb/wU值应介于40～9之间。丹 洲群细碧岩具有明显的Nb、Ta负异常图3 ,其 wNb/wU比值为12～1. 1之间,除个别样品 wNb/wU 9～ 12 显示地壳混染特征明显 外,多数样品的wNb/wU值为1. 1～7. 4 ,表 明来自消减板片的流体对地幔交代作用是地幔源区 成分变化的重要原因。细碧岩εNdt值的变化介 于- 0. 02～ 1. 82之间,在εNd t -w147Sm/w 144 Nd和ε Ndt - wMgO图解上,其火山岩的 演化线为一近水平的直线关系,与玄武岩浆分离结 晶演化趋势线一致图略 , 暗示分离结晶作用是其 岩浆演化的主要原因。 强不相容元素的比值在地幔部分熔融过程及玄 武质岩浆低压结晶分异过程中不发生明显的变化, 其元素比值可以确定地幔端元组分及其变化特征。 Nb、Ta是一对地球化学性质相近的不相容元素,在 岩浆演化过程中不发生分异。原始地幔和球粒陨石 的wNb/wTa比值为17 ,而遭受来自消减板片 流体或熔体改造的地幔,其Nb、Ta将发生明显的分 异[11],但wZr/wHf比值则保持不变37。丹 洲群玄武岩的wNb/wTa比值变化介于14. 9 ～9. 2之间,而wZr/wHf比值为34. 4～43. 8 , 多数为372 ,反映岩浆源区地幔曾遭受来自消减 板片流体的改造。扬子地块和华夏地块间的碰撞作 用以赣东北和皖南蛇绿岩的发育为标志,其蛇绿岩 的时代为元古代约970 Ma已逐渐成为人们的共 识。因此,在中元古代晚期,大洋板片向扬子大陆岩 石圈下部的俯冲消减,必然导致来自消减板片流体 或熔体对大陆岩石圈地幔的影响交代作用 , 从而 形成富集的陆下岩石圈地幔SCLM。上述富集的 岩石圈地幔发生部分熔融作用,形成的玄武岩显示 岛弧火山岩的地球化学特征。 3. 2 大地构造环境 双峰式火山岩不仅仅是大陆裂谷作用的产物, 可以形成于包括大陆裂谷在内的7种不同的构造背 景,因而各自具有不同的地质地球化学特征[12]。在 wZr/wY -wZr、2wNb -wZr/ 4 - wY构造判别图解上,龙胜细碧岩落入板内玄武 岩区[13]图3a , b。张成江等根据不同大地构造环 境区岩浆岩系的Th、Ta、Hf地球化学特征,提出一 种新的大地构造环境的地球化学判别图解[14],可以 较好地区分不同构造单元的岩浆岩。在wTh/w Hf -wTa/wHf图解图 3c 上,丹洲群细碧 岩除少数样品由于地壳混染而导致w Th/w Ta比值增加外,多数样品投影于分离的大陆板块 边缘裂谷区的拉斑玄武岩区[14]。在wRb -w Nb Y图解上图略 ,3 个流纹岩样品中的两个 位于板内花岗岩区,另一个样品则落入火山弧花岗 22 长 春 科 技 大 学 学 报 2001年 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 岩区,暗示其形成与板内环境有关。 具有岛弧火山岩地球化学特征的玄武岩并不一 定形成于岛弧环境[13]。丹洲群细碧岩虽然具有岛 弧火山岩的地球化学特征,但缺乏与细碧岩伴生的 大体积中性岩;细碧岩与流纹岩构成双峰式岩石组 合,且主要以细碧岩为主,细碧岩富集不相容元素和 LREE ,wZr/wNb 18. 8～25. 6 ,wZr/w Y 3. 62～5. 10 ,以及流纹岩类为钙碱性等特征 类似于大陆拉张减薄环境的双峰式火山岩[12],可能 反映其形成于变薄的大陆岩石圈上的板内环 境[12 ,13]。岩石圈伸展减薄环境是大陆裂谷形成的 前提条件和最本质的特征之一,结合该区丹洲群的 裂谷盆地沉积特征等,可以认为丹洲群是形成于初 始裂谷阶段的环境。 图4 丹洲群细碧岩构造判别图解 Fig. 4 Tectonic discriminant diagrams of spilites from Danzhou group a . wZr/w Y -wZr图解[13]A.板内玄武 岩;B.洋中脊玄武岩;C.岛弧玄武岩; b .wNb - wZr -wY图解转引自文献[9] AI AII . 板内碱性玄武岩;AII C .板内拉斑玄武岩;B. P - MORB ;D. N - MORB ; C D .火山弧玄武岩; c . w Th/wHf -w Ta/wHf图解[14]Ⅰ. 亏损地幔区;Ⅱ.正常型洋中脊玄武岩N - MORB 区;Ⅲ.大洋板内拉斑玄武岩、 洋岛玄武岩及过渡型 和富集型大洋中脊玄武岩 T - MORB ,E - MORB 区;Ⅳ.分离的大陆板块边缘裂谷区Ⅳ1.拉斑玄 武岩区;Ⅳ2.临界面玄武岩区;Ⅳ3.碱性玄武岩区 ; Ⅴ.大陆板内Ⅴ1.大陆板内地幔区;Ⅴ2.大陆板内 地壳区 ; Ⅵ.俯冲带及岛弧区;Ⅶ.地幔热柱热点 区 桂北地区新元古代位于澳大利亚大陆和劳伦古 陆之间[15 ,16],澳大利亚新元古代基性岩脉群的就 位,以及桂北宝坛地区825 Ma的镁铁质-超镁铁 质岩石和花岗岩的发育均与Rodinia超大陆的裂解 作用有关[16]。丹洲群火山岩与825 Ma地幔柱诱导 的大陆裂解事件有关,即它们是在825 Ma地幔柱 演化过程中,地幔柱上隆导致大陆岩石圈拉张减薄, 上升的地幔柱携带的热量加热岩石圈地幔,在拉张 背景下诱发大陆岩石圈地幔熔融的产物。 4 小 结 龙胜地区丹洲群细碧岩和流纹岩起源于富集的 陆下岩石圈地幔源区;细碧岩为地幔部分熔融的玄 武岩浆经结晶分异演化的产物,并经过强烈的钠化 蚀变,流纹岩是玄武岩岩浆经高度演化的结果。 双峰式火山岩形成于与大陆岩石圈减薄的板内 环境,其形成可能与导致新元古代Rodinia超大陆 裂解的地幔柱上隆相联系。丹洲群火山 沉积岩系 可能形成于与岩石圈减薄作用有关的初始大陆裂谷 环境。 32第1期 葛文春等桂北龙胜丹洲群火山岩的地幔源区及大地构造环境 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 参考文献 [1] 郭令智,施央申,马瑞士,等.中国东南地体构造的研 究[J ].南京大学学报自然科学版 , 1984 , 20 4 732～739. [2] 夏斌.广西龙胜元古代二种不同成因蛇绿岩岩石地球 化学及侵位方式研究[J ].南京大学学报自然科学 版 , 1984 , 203 554～566. [3] Li X H , Zhao J X , McCulloch M T , et al. 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MANTLE SOURCE AND TECTONIC SETTINGS FOR THE VOLCANIC ROCKS FROM DANZHOU GROUP IN LONGSHENG AREA, NORTHERN GUANGXI GE Wen-chun1,L I Xian-hua1,L I Zheng-xiang2,ZHOU Han-wen3 1. Guangzhou Institute of Geochemistry , Chinese Academy of Sciences , Guangzhou510640, China;2. Department of Geology and Geo2 physics , University ofWestern A ustralia ,Nedlands WA6009,A ustralia ;3.Faculty ofEarth Sciences ,China University ofGeo2 sciences , W uhan430074, China Abstract Danzhou group in Longsheng area ed at late Proterozoic era 820～760 Ma , and its Hetong ation is composed of spilite and rhyolite which constitute the bimodal rock association. The source magma of spilite deserved from enriched lower lithospheric mantle which had ever been metasoma2 tized by fluid from subducted slab. Rhyolite and spilite are the products of cogenetic magma through the process of crystallization and differentiation. Bimodal volcanic rocks ed at an extensional setting of continental lithospheric thinning , and related to the activities of mantle plume , which led to the breakup of late Proterozoic Rodinia supercontinent. Key words bimodal volcanic rocks ;lithospheric mantle ;continental breakup ;Neoproterozoic ;Long2 sheng area in Guangxi 42 长 春 科 技 大 学 学 报 2001年 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.