北羌塘新第三紀(jì)粗面玄武巖中橄欖石元素地球化學(xué)特征

北羌塘新第三紀(jì)粗面玄武巖中橄欖石元素地球化學(xué)特征

1青海湖新生代火山巖羌塘-岡達(dá)斯位于青藏高原的中部。這是中國(guó)調(diào)查水平較低的地區(qū)之一，對(duì)該地區(qū)的研究具有重要意義。羌塘北部新第三紀(jì)火山巖較為發(fā)育,在自色哇、雅根錯(cuò)—多爾索洞錯(cuò)—太平湖—多格錯(cuò)仁,茲格丹錯(cuò)—尕爾—祖爾肯烏拉山—西金烏蘭湖—雁石坪等地均有分布,主要見(jiàn)于羌北地層分區(qū)的新第三紀(jì)石坪項(xiàng)組。這些火山巖產(chǎn)狀為熔巖被,與下伏的地層呈明顯的角度不整合接觸關(guān)系,火山巖呈厚50～200m的熔巖被覆蓋在第三紀(jì)嗩納湖組(N1s)或侏羅紀(jì)雁石坪組(J2ys)之上,為陸相中心式噴發(fā)的溢流火山巖。巖石類型以熔巖為主,偶見(jiàn)火山碎屑巖。這些火山巖與羌塘前第三紀(jì)沉積地層呈一種超覆關(guān)系,或在火山中心呈侵入關(guān)系。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者已就青藏高原新生代火山巖作了大量研究,識(shí)別出超鉀質(zhì)、鉀玄巖系和高鉀鈣堿巖系三個(gè)火山巖系列,并對(duì)超鉀質(zhì)和鉀玄巖系的巖石地球化學(xué)、同位素特征和巖石成因進(jìn)行了深入探討[1,2,2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。然而,青藏高原新生代火山巖中專題性和深入的礦物學(xué)研究工作非常薄弱,特別是造巖礦物痕量元素和稀土元素的精確測(cè)定結(jié)果以及對(duì)造巖礦物痕量及稀土元素富集規(guī)律、演化趨勢(shì)和特征的專題研究還屬空白。本文利用電子探針和激光探針剝蝕系統(tǒng)(LA-ICP-MS)對(duì)北羌塘新第三紀(jì)粗面玄武巖中的橄欖石進(jìn)行了主元素和微量、稀土元素的系統(tǒng)分析測(cè)定,并重點(diǎn)討論了橄欖石類型及其微量和稀土元素特征,這將有助于推動(dòng)該區(qū)的火山巖研究工作。2粗面玄武巖礦物顆粒及分析樣品取自北羌塘半島湖。巖石呈深黑色,斑狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,氣孔發(fā)育,十分新鮮,無(wú)任何后期蝕變和交代現(xiàn)象。斑晶礦物主要有橄欖石、斜方輝石和單斜輝石。橄欖石呈卵圓形或不規(guī)則它形粒狀,無(wú)解理,裂紋發(fā)育,高正突起,Ⅲ級(jí)黃綠、橙紅鮮艷干涉色,顆粒新鮮,無(wú)蝕變或基本無(wú)蝕變現(xiàn)象,含量約5%;斜方輝石高正突起,自形柱狀或半自形粒狀,柱面見(jiàn)一組不完全解理,橫切面見(jiàn)兩組典型的輝石式解理,交角近90°,Ⅰ級(jí)黃、橙黃干涉色,平行消光,含量約5%～7%;單斜輝石高正突起,Ⅱ級(jí)黃綠、蘭綠、桔紅鮮艷干涉色,柱面斜消光,最大消光角約47°,含量約5%。巖石基質(zhì)具典型的間粒結(jié)構(gòu),不規(guī)則排列的斜長(zhǎng)石長(zhǎng)條狀微晶組成的間隙中,充填若干粒狀輝石和磁鐵礦細(xì)小顆粒。根據(jù)鏡下觀察并結(jié)合Lai03號(hào)樣品(SiO2=48.25%,Na2O+K2O=6.38%)和Lai15號(hào)樣品(SiO2=50.33%,Na2O+K2O=7.22%)全巖化學(xué)成分分析結(jié)果,定名為粗面玄武巖。樣品制備和分析過(guò)程可以歸納為以下幾個(gè)步驟:①將巖石磨制成標(biāo)準(zhǔn)激光探針片(厚約100μm)。②偏光顯微鏡下對(duì)巖石薄片進(jìn)行初步觀察。由于激光探針片較普通薄片厚度大,因而顯微鏡下所呈現(xiàn)的礦物顏色、多色性、干涉色等光學(xué)性質(zhì)均與光性礦物學(xué)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)不同,這為準(zhǔn)確鑒別斑晶礦物的種屬增加了難度。因此,我們觀察的目的主要是斑晶形態(tài)、蝕變程度、裂紋及解理發(fā)育程度、斑晶礦物的粒度等。③為了進(jìn)一步弄清巖石結(jié)構(gòu)及斑晶礦物分布圖象,我們拍攝下巖石薄片的1∶8表面形貌圖像,并結(jié)合鏡下觀察進(jìn)一步圈定擬測(cè)斑晶礦物顆粒及分析點(diǎn)位置。④將巖石薄片放入激光探針?lè)治鰞x樣品室,用激光束分別在薄片左上角和右下角擊打兩個(gè)剝蝕坑。取下薄片,將其放入數(shù)碼顯微鏡載物臺(tái),首先找到左上角和右下角的兩個(gè)剝蝕坑,分別將其置于顯微鏡十字絲中心,并讓計(jì)算機(jī)分別將其設(shè)定為X和Y兩個(gè)起始坐標(biāo)點(diǎn)。⑤利用1∶8薄片形貌圖象,在數(shù)碼顯微鏡下找到擬測(cè)礦物分析點(diǎn),計(jì)算機(jī)記錄下分析點(diǎn)相對(duì)于X和Y點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)值。重復(fù)這一過(guò)程,直至記錄下全部分析點(diǎn)坐標(biāo)。⑥將坐標(biāo)參數(shù)文件拷貝到激光探針?lè)治鰞x控制電腦中,放入薄片,手動(dòng)操作找到X和Y點(diǎn)并確認(rèn)。⑦激光探針?lè)治鰞x自動(dòng)測(cè)定各待測(cè)點(diǎn)。⑧類似的方法進(jìn)行電子探針?lè)治?。不同之處在?電子探針控制電腦將自動(dòng)找到各分析點(diǎn)的激光探針剝蝕坑中心位置。這時(shí)需利用手動(dòng)操作柄和監(jiān)視屏,輕微移動(dòng)薄片,至剝蝕坑邊緣光滑平整的待測(cè)礦物表面,然后進(jìn)行測(cè)定。激光探針?lè)治鍪褂肞E公司Elan6100-LA-ICP-MS儀器,激光束斑直徑采用100μm。電子探針對(duì)應(yīng)點(diǎn)分析使用法國(guó)SX50型儀器;利用電子探針獲得的礦物主元素含量值對(duì)相應(yīng)點(diǎn)激光探針?lè)治鼋Y(jié)果進(jìn)行校正,最終獲得被測(cè)礦物常量及微量、稀土元素分析結(jié)果。全部實(shí)驗(yàn)工作均在Macquarie大學(xué)GEMOC國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。3結(jié)果與討論3.1粗面玄武巖木金屬本區(qū)橄欖石電子探針?lè)治鼋Y(jié)果列于表1。從中可以看到,所有分析點(diǎn)化學(xué)成分都比較接近,各種氧化物的含量變化幅度較小。比如,SiO2的范圍是37.94%～40.76%,平均39.98%;FeO(T)范圍是10.58%～17.09%,平均11.97%;MgO范圍是40.09%～48.30%,平均47.17%;其Fo介于81～90之間,平均88,均屬貴橄欖石種屬。橄欖石是基性、超基性巖中的重要鐵鎂礦物之一,從玄武巖中晶出較早且結(jié)晶期較長(zhǎng)。橄欖石的成分除與巖石總體成分有關(guān)外,還受母巖漿中鐵含量的影響。一般隨著巖漿演化作用進(jìn)行,巖漿中MgO逐漸減少,FeO相對(duì)增加,所以形成的橄欖石中Fo分子也相對(duì)減少。表1中Lai03號(hào)粗面玄武巖橄欖石斑晶邊部相對(duì)于核部富Fe,Mn、Ca、Na也略高,說(shuō)明在橄欖石結(jié)晶過(guò)程中,巖漿逐漸向貧鎂、富鐵的方向演化,這與巖漿的正常演化趨勢(shì)相吻合。然而,需要指出的是,由于我們只獲得一組斑晶邊部的分析數(shù)據(jù),它所反映的橄欖石成分變化趨勢(shì)是否具有代表性,尚待進(jìn)一步的研究查明。3.2類質(zhì)同象替代相關(guān)元素地球化學(xué)特征橄欖石(Mg,Fe)2[SiO4]化學(xué)組成中Mg、Fe為一完全類質(zhì)同象系列。由于其成分和結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,因而其次要類質(zhì)同象不發(fā)育。組成中次要類質(zhì)同象代替主要有Fe3+、Mn、Ca、Al、Ti和Ni等。從本區(qū)橄欖石激光探針(LA-ICP-MS)分析結(jié)果(表2)可以看到,Ni具有很高的豐度值(1847×10-6～3781×10-6,平均3243×10-6),大大高于橄欖石賦存母巖(粗面玄武巖)中Ni的豐度值(212.68×10-6和257.04×10-6),這和Ni與Fe、Mg之間的廣泛類質(zhì)同象替代有關(guān),說(shuō)明橄欖石是粗面玄武巖中Ni元素的重要富集礦物相之一。由于Cr、Co和Ni均為典型的鐵族元素,地球化學(xué)性質(zhì)相似,在巖漿巖中通常富集于超基性和基性巖中。本區(qū)橄欖石中,Cr(218.09×10-6～360.4×10-6,平均278.61×10-6)、Co(148.58×10-6～187.36×10-6,平均161.08×10-6)成為僅次于Ni的高含量元素。另外,從表2中還可以看到,Lai03號(hào)樣品橄欖石斑晶邊部的Ni、Cr、Co含量均略高于斑晶核部,這與斑晶邊部Fe的相對(duì)高含量相一致,說(shuō)明Ni、Cr、Co可能與Fe具有更為密切的共生組合和類質(zhì)同象替代關(guān)系。盡管Ti可以類質(zhì)同象替代橄欖石中的Fe和Mg,但由于Ti在巖漿巖中極易形成獨(dú)立礦物相,因而在造巖礦物中,Ti僅在鏈狀硅酸鹽中含量較高,其次是層狀硅酸鹽,而在架狀和島狀硅酸鹽中含量均較低。本區(qū)橄欖石中Ti含量(38.82×10-6～110.21×10-6,平均72.20×10-6)并不高,大大低于粗面玄武巖全巖Ti含量(7373×10-6和7912×10-6),說(shuō)明橄欖石并非玄武巖中Ti的富集礦物相。對(duì)于Rb、Sr、Ba、Th、U等親石元素,由于它們離子半徑較大,不相容性強(qiáng),因而大多進(jìn)入巖漿演化晚期階段的造巖礦物,且主要與K、Ca等元素的類質(zhì)同象替代有關(guān)。而在橄欖石中均表現(xiàn)為低含量。為了便于對(duì)比,我們以粗面玄武巖全巖痕量元素含量為標(biāo)準(zhǔn)值,將橄欖石中痕量元素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。結(jié)果表明(圖1),Co、Ni和重稀土元素Yb呈相對(duì)富集狀態(tài),而Cr和中稀土元素Sm與全巖含量值接近;其它元素在橄欖石中均呈虧損狀態(tài)。其中,尤以Ba、Sr、Zr、Ti和V的相對(duì)虧損程度較強(qiáng),呈現(xiàn)為顯著的低谷。3.3稀土配分曲線表2表明,本區(qū)橄欖石的稀土元素富集度不高,稀土總量在31.94×10-6～111.12×10-6之間,平均58.64×10-6。輕重稀土比變化在0.75～0.90之間,平均為0.83;相應(yīng)的(La/Yb)N在0.15～0.24之間,平均為0.21,說(shuō)明橄欖石具有輕稀土強(qiáng)烈虧損的元素地球化學(xué)特征。橄欖石δEu在0.74～1.16之間,平均為0.90,基本無(wú)Eu異常。值得注意的是,本區(qū)橄欖石的δCe在0.18～0.31之間,平均0.25,表明存在顯著的Ce負(fù)異常。從稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分型式(圖2)可以看到,本區(qū)粗面玄武巖中橄欖石稀土配分曲線總體呈左傾正斜率輕稀土虧損型配分型式,Ce處有明顯的低谷;而Eu處平滑,基本無(wú)異常。自稀土元素Sm→Ho,曲線轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微的右傾負(fù)斜率,而最重稀土部分有明顯的上翹現(xiàn)象。說(shuō)明橄欖石中相對(duì)富集重稀土元素,而虧損輕稀土。Lai03號(hào)樣品橄欖石邊部和核部分析結(jié)果顯示,它們的部分稀土元素豐度值略有差異,但并不顯著。為了便于對(duì)比,我們?cè)趫D中分別列出了對(duì)應(yīng)的粗面玄武巖(Lai03號(hào)樣品和Lai15號(hào)樣品)的全巖稀土配分曲線?？梢钥吹?本區(qū)橄欖石的稀土配分曲線與其賦存母巖(粗面玄武巖)的稀土配分曲線恰成互補(bǔ)狀態(tài),Sm→Ho的配分型式吻合,而輕稀土La→Nd和最重稀土Er→Lu部分的配分型式則相互呈反向傾斜。橄欖石邊部和核部的稀土配分型式(圖2a)無(wú)明顯區(qū)別。元素地球化學(xué)研究表明,稀土元素可以類質(zhì)同象的形式進(jìn)入其它礦物晶格中。與稀土元素發(fā)生類質(zhì)同象置換的元素有Ba2+、Sr2+、Th4+、Ca2+、U4+、Mn2+、Hf4+、Zr4+、Sc3+、Fe2+等。橄欖石中Fe2+是其重要的組成元素,由于Fe2+的存在,使得稀土元素可以與Fe2+產(chǎn)生類質(zhì)同象替代而進(jìn)入橄欖石。但由于Fe2+的離子半徑(0.074nm)較小,因而不利于離子半徑較大的稀土元素產(chǎn)生類質(zhì)同象置換。我們知道,由于電子的內(nèi)層充填,鑭族元素隨著原子序數(shù)的增加,電子層數(shù)及最外層所含的電子數(shù)目總是保持不變,因此核對(duì)電子的吸引力加強(qiáng),這就造成了隨著原子序數(shù)的增加,其離子半徑并不增加,而是大致保持不變,甚至有所減小(由La的0.113nm到Lu的0.094nm),這種現(xiàn)象稱“鑭系收縮”。正是由于“鑭系收縮”,使得重稀土元素的離子半徑相對(duì)較小,更有利于與Fe2+(0.074nm)產(chǎn)生類質(zhì)同象置換,在橄欖石中相對(duì)富集;而輕稀土元素由于離子半徑相對(duì)較大,不利于與Fe2+(0.074nm)的類質(zhì)同象置換,從而在橄欖