東南沿海地區(qū)新生代玄武巖的地球化學(xué)特征

東南沿海地區(qū)新生代玄武巖的地球化學(xué)特征

青藏高原新生代火山巖廣泛分布在亞洲大陸的東緣。從北到南，你可以看到印度的西霍特-阿林和南來到印度支那。這是太平洋火山巖帶的重要組成部分，也是東南沿海地區(qū)的現(xiàn)代人。新生代處于大陸裂谷與邊緣海發(fā)育時(shí)期,南海是該區(qū)最重要的邊緣海,從深部背景看它仍處于俯沖帶上面,被稱為俯沖帶上面的邊緣海(supersubductionmarginalsea),這有別于東非裂谷—紅海代表的離散巖石圈環(huán)境。因此,對(duì)于新生代火山作用的形成是與俯沖作用有關(guān)還是與大陸裂谷作用有關(guān)曾存在著爭(zhēng)議,目前的認(rèn)識(shí)已趨向于后者。但是其形成的動(dòng)力學(xué)過程仍是不清楚的,這是目前關(guān)注的焦點(diǎn)之一,特別是東南沿海地區(qū)下面是否存在地幔柱?尚需地質(zhì)證據(jù)的支持,本文試圖討論這一問題,并提出初步的地幔柱形成和演化的模式。1牛頭山火山巖巖漿起源、演化及巖漿類型東南沿海地區(qū)新生代火山巖形成于古近紀(jì)—第四紀(jì),主要形成于新近紀(jì)—第四紀(jì)。新近紀(jì)—第四紀(jì)火山巖以玄武質(zhì)熔巖為主,少數(shù)為玄武質(zhì)火山角礫巖。巖石為堿性系列和拉斑系列。古近紀(jì)火山巖主要隱伏于地下,少量呈角礫巖筒(如;在普寧、巨州)和巖脈(如;在龍游)出現(xiàn),堿性系列和拉斑系列均發(fā)育,隱伏于地下的火山巖一般不含地幔巖包體(周新民等,1981;薛懷民等,1996)。從沿海→內(nèi)陸,以牛頭山→閩清→明溪為代表,建立了一條火山巖剖面(圖1)。Ar-Ar同位素年齡(Hoetal.,2003)表明,火山巖形成的年齡為,牛頭山:17～15Ma;閩清:12Ma;明溪:2.2～0.9Ma。根據(jù)南海擴(kuò)張的年齡(30～16Ma;Chungetal.,1997),新生代火山巖歸屬于3個(gè)擴(kuò)張期(Zhaoetal.,2002):擴(kuò)張前(>30Ma)、擴(kuò)張期(30～16Ma)和擴(kuò)張后(<16Ma)。由此可見該剖面火山巖除牛頭山個(gè)別火山巖接近擴(kuò)張期年齡外,其他火山巖為南海擴(kuò)張后噴發(fā)。而且除從沿?！鷥?nèi)陸火山巖年齡逐漸變小外,巖石學(xué)研究還表明(趙海玲,1990),牛頭山火山巖的巖石類型主要為橄欖拉斑玄武巖和石英拉斑玄武巖,少數(shù)為堿性橄欖玄武巖、橄欖拉斑玄武巖和堿性橄欖玄武巖中含有尖晶石相橄欖巖和輝石巖包體。閩清火山巖為堿性橄欖玄武巖,其中含有尖晶石相橄欖巖包體。明溪火山巖主要為霞石巖、堿性苦橄玄武巖、碧玄巖、堿性橄欖玄武巖,個(gè)別為石英拉斑玄武巖。除石英拉斑玄武巖外,其他火山巖中均含有尖晶石相橄欖巖包體,霞石巖、堿性苦橄玄武巖和碧玄巖中尚含有石榴子石相橄欖巖包體。由上述可知,從沿海至內(nèi)陸,隨著火山巖年齡的逐漸變小,火山巖的堿性程度逐漸增加,且火山巖中所含的上地幔巖包體從尖晶石相轉(zhuǎn)變?yōu)槭褡邮?。為了避免巖漿形成后受巖漿演化的影響,我們將利用原生巖漿討論深部作用。根據(jù)巖石學(xué)、主要元素、稀土元素的研究和相平衡實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(趙海玲,1990),尖晶石二輝橄欖巖的寄主巖——堿性玄武巖及橄欖拉斑玄武巖是原生巖漿形成的,是尖晶石二輝橄欖巖局部熔融產(chǎn)生的。石榴子石二輝橄欖巖的寄主巖——霞石巖、堿性苦橄玄武巖和碧玄巖是原生巖漿形成的,是石榴子石二輝橄欖巖局部熔融產(chǎn)生的。擴(kuò)張后的原生巖漿是堿性玄武巖系列,擴(kuò)張期的原生巖漿主要為橄欖拉斑玄武巖,但本區(qū)的拉斑玄武巖不同于大洋中脊玄武巖(MORB)和深海拉斑玄武巖,后者具有低K2O(<0.4%)和TiO2(平均為0.68%),但本區(qū)的拉斑玄武巖K2O>0.4%,TiO2>2.0%(表1)。根據(jù)質(zhì)量平衡和熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果(表2)可看出,從沿?！鷥?nèi)陸巖漿起源深度逐漸變深(40～53km→66～83km→95～116km),局部熔融程度逐漸變小。2元素和sr-nd的親和力特性2.1火山巖地球化學(xué)特征表1列出了本區(qū)有代表性火山巖的微量元素分析結(jié)果。利用原始地幔(Hofmann,1988)標(biāo)準(zhǔn)化的REE和多元素圖解(圖2,圖3)表明,本區(qū)火山巖總的特征是REE配分模式為L(zhǎng)REE富集(圖2),且霞石巖、堿性苦橄玄武巖、碧玄巖和堿性橄欖玄武巖LREE的豐度高于拉斑玄武巖。普寧的火山巖具有負(fù)的Eu異常,而牛頭山的火山巖則具有正的Eu異常,前者可能是由于斜長(zhǎng)石的分離結(jié)晶作用,而后者則是由于斜長(zhǎng)石加入到巖漿中,這已為在牛頭山火山巖中發(fā)現(xiàn)斜長(zhǎng)石巨晶所證實(shí)。本區(qū)火山巖不相容元素高度富集(圖3),這類似于大多數(shù)洋島玄武巖(OIB)的特征,而且霞石巖、堿性苦橄玄武巖、碧玄巖和堿性橄欖玄武巖的不相容元素比OIB還要富集。各種火山巖的REE和微量元素的不同配分模式和變化規(guī)律,以及利用礦物—熔漿平衡的熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明(表2),本區(qū)火山巖具有不同的地幔源區(qū)和局部熔融程度,橄欖拉斑玄武巖來源于相對(duì)較淺的尖晶石二輝橄欖巖源區(qū),而且局部熔融程度較高;而霞石巖、堿性苦橄玄武巖、碧玄巖形成于較深的石榴子石二輝橄欖巖源區(qū),且局部熔融程度較低;堿性橄欖玄武巖的源區(qū)為尖晶石二輝橄欖巖,其形成深度和局部熔融程度介于前兩者之間。本區(qū)火山巖具有Nb、Ta和Zr等高場(chǎng)強(qiáng)元素正異常和Pb、U負(fù)異常,這類似于MORB和OIB,而具有的Ba和Sr的正弱異常暗示了地幔源區(qū)含有老的輝長(zhǎng)巖。不相容元素濃度比值,特別是強(qiáng)不相容元素的濃度比值可以有助于鑒別其形成過程(Hofmann,1997)。Nb/U值已被廣泛應(yīng)用于區(qū)別OIB和大陸地殼,典型的未混染的OIB和MORB該比值為47±10,典型的大陸地殼該比值為10(Condie,2001)。本區(qū)火山巖Nb/U=45.2～56.52,從Nb/U-Nb圖解(圖4)可以看出其投點(diǎn)落在OIB范圍內(nèi)。本區(qū)火山巖的Ce/Pb值變化于13.71～48.03,類似于OIB(Ce/Pb≈25)(Hofmann,1997),比大陸地殼該值高得多,比島弧火山巖高出4～5倍,所以本區(qū)的火山巖未受到陸殼的混染。陸殼Nb/Ta值為12,榴輝巖洋殼板片(slab)Nb/Ta值為33,虧損地幔Nb/Ta值為17。本區(qū)玄武質(zhì)熔巖Nb/Ta值為15.1～22.1,類似于虧損地幔。2.2nd與rosr的關(guān)系表3列出了研究區(qū)火山巖的87Sr/86Sr和143Nd/144N同位素組成。Sr-Nd同位素具有類似的組成,為一接近地幔演化線的負(fù)的相關(guān)線(圖略)。87Sr/86Sr的變化范圍從0.703264～0.704519,類似于OIB;εNd值變化于+1.7～+6.9,平均值為+4.9,具有虧損的特征,其虧損程度低于MORB(εNd=+10),類似于OIB(εNd=+6)。趙海玲(1990)的研究表明,本區(qū)源區(qū)巖石的局部熔融程度對(duì)Sr、Nd同位素沒有明顯影響。低的87Sr/86Sr和高的143Nd/144N值說明本區(qū)火山巖與俯沖作用和陸殼混染無關(guān),主要取決于源區(qū)巖石的性質(zhì)和隨時(shí)間的演化。3討論和結(jié)論3.1“東南亞”上地潭柱的熱分析新生代火山巖呈離散型廣泛分布于東南沿海地區(qū)和印度支那,不呈溢流玄武巖出現(xiàn),這可能是由于熱柱起源比較淺,而且火山巖的形成與熱柱的尾部有關(guān)。由前所述,從沿海→內(nèi)陸,以牛頭山→閩清→明溪為代表的玄武巖年齡逐漸變小,(17～15Ma→12Ma→2.2～0.9Ma),且火山巖的堿度逐漸增加,出現(xiàn)了火山鏈,其熱點(diǎn)軌跡如圖5所示。本區(qū)火山巖巖石系列、類型及其形成的構(gòu)造背景具有大陸裂谷火山巖的特征(趙海玲,1990,1999),其微量元素和Sr-Nd同位素與OIB類似。我們的研究表明(趙海玲等,1990;Dengetal.,1991),東南沿海地區(qū)新生代時(shí)上地幔具有類似于大洋地溫的高熱狀態(tài),而且一個(gè)明顯的趨勢(shì)是,上地幔輝石的地?zé)岱植茧S深度的減小而偏離大洋地溫曲線,上地幔的熱結(jié)構(gòu)處于擾動(dòng)狀態(tài)。地幔柱通常被認(rèn)為是相對(duì)熱的和低密度的地幔,由于它的浮力而上升。我們認(rèn)為上地幔的這種過熱狀態(tài)和擾動(dòng)的熱結(jié)構(gòu),可能是地幔柱的重要表現(xiàn),它導(dǎo)致了地幔巖局部熔融和產(chǎn)生了熱的浮力流,致使火山作用的發(fā)生。另外,廣東英峰嶺新生代火山巖中石榴子石和鈦鐵礦巨晶具有較高的3He/4He值(7.99～8.26Ra,徐士進(jìn)等,2003),類似于MORB的3He/4He值(8.0±1Ra,Hoffman,1997),說明巖漿來源于巖石圈地幔。Lebedev等(2000,2003)發(fā)現(xiàn)了海南島下面從地表到轉(zhuǎn)換帶有一個(gè)低的Vs異常,并建立了西太平洋下面(包括東南亞)上地幔的CT三維模式,提出了在海南地區(qū)下面存在地幔柱。Courtillot等(2003)提出了熱點(diǎn)火山作用的5個(gè)準(zhǔn)則:①出現(xiàn)火山鏈;②在這個(gè)熱點(diǎn)軌跡上為溢流玄武巖;③大的浮力流;④高的3He/4He同位素比值;⑤在下伏地幔中存在非常低的剪切波速度(Vs)。綜上所述,我們提出了在東南沿海地區(qū)下面可能存在地幔柱,并在地表出現(xiàn)熱點(diǎn)軌跡。全球的熱點(diǎn)和熱點(diǎn)軌跡分布表明,有一些地幔柱上升在地表留下熱點(diǎn)軌跡,如:最著名的夏威夷火山是一個(gè)典型代表,夏威夷地幔柱有非常深的根。但是有一些地幔柱僅僅留下了熱點(diǎn),而沒有留下熱點(diǎn)軌跡,如:JanMayan,Marion,Samoa等(Crough,1983;Ducanetal.,1991)。由于大陸巖石圈比大洋盆巖石圈厚,其熱點(diǎn)軌跡較之難以辯認(rèn),因此出現(xiàn)在大陸上的熱點(diǎn)軌跡較少(Mcdoughetal.,1988;Burke,1996)。3.2關(guān)于上隆到上隆的熱點(diǎn)地幔柱/熱點(diǎn)的成因一直是一個(gè)有爭(zhēng)議的問題,Morgan(1971)提出的地幔柱產(chǎn)生于地幔最下部(D″)的模式已遭到質(zhì)疑。Courtillot等(2003)提出了熱點(diǎn)可能來自不同的地幔邊界層,存在3種類型的地幔柱/熱點(diǎn),3種類型地幔柱/熱點(diǎn)可能與3個(gè)邊界層相當(dāng):①原生的或主要的熱柱來自地幔最下部的邊界層(D″);②可能來自轉(zhuǎn)換帶的頂部;③熱點(diǎn)可能有一個(gè)表層的成因,連結(jié)巖石圈中張應(yīng)力和產(chǎn)生減壓熔融。大洋板塊俯沖到地幔需要一個(gè)上升流來平衡,冷的板片下沉,熱的地幔上升,提供了一個(gè)回升流。Larson(1991)最初用超地幔柱這一術(shù)語描述太平洋盆中地幔大規(guī)模上隆,一些研究者也延續(xù)了這一術(shù)語(Marugama,1994)。Condie(2001)利用地幔上隆這一術(shù)語描述在俯沖帶之間大范圍上升的熱地幔,地幔的上隆是由于俯沖而產(chǎn)生的回升流的結(jié)果。地幔上隆抬升了巖石圈,產(chǎn)生了大規(guī)模的隆起,一個(gè)大范圍的地幔上隆可能包含許多地幔柱和熱點(diǎn),現(xiàn)今地球上許多主要的熱點(diǎn)就出現(xiàn)在地幔上隆中(Condie,2001),如:在非洲和南太平洋下面的地幔上隆。中國東南沿海地區(qū)軟流圈埋深變淺(表2)是巖石圈地幔大規(guī)模上隆的結(jié)果,在地幔上隆中可能就包含了熱點(diǎn)。太平洋板塊俯沖,即大洋巖石圈板片的下沉,在上地幔的轉(zhuǎn)換帶(410～660km不連續(xù)面)上產(chǎn)生了強(qiáng)烈的地震(Karasonetal.,2000;Lebedevetal.,2003),通過地震的研究可以對(duì)熱柱形成的深度提供有說服力的限定。本區(qū)的地震研究表明,熱柱在轉(zhuǎn)換帶或在低速帶的底部延伸,CT圖象可看出太平洋俯沖板片停在了660km的不連續(xù)面上(Karasonetal.,2000;Lebedevetal.,2003)。這與世界上許多俯沖板片不同,世界上許多俯沖板片不是停留在660km不連續(xù)面上,而是繼續(xù)向深部下沉進(jìn)入地球內(nèi)部(Lassiter,1999)。太平洋板塊的俯沖作用誘發(fā)了地幔柱的產(chǎn)生,在亞洲大陸東南緣地幔柱沿著巖石圈薄弱帶向上移動(dòng),同時(shí)產(chǎn)生了減壓熔融。在東南沿海地區(qū)大約在30Ma前可能形成了地幔柱,同時(shí)產(chǎn)生了火山作用(圖6a),在30—16Ma地幔柱上升、巖石圈破裂,南海形成(圖6b)。在16～0.9Ma,與地幔柱有關(guān)的火山作用出現(xiàn)在東南沿海地區(qū)和印度支那(圖6c),而且在東南沿海地區(qū)產(chǎn)生了熱點(diǎn)軌跡。歐亞板塊向東南移動(dòng),這個(gè)地區(qū)的火山活動(dòng)向西北遷移,這與熱點(diǎn)軌跡一致。由于地幔柱的源區(qū)是在俯沖帶的上部,隨著時(shí)間延續(xù),地幔柱的能源逐漸變?nèi)?上升能力減弱,所以地幔柱逐漸出現(xiàn)于較深的部位,這就是為什么從沿海到內(nèi)陸隨時(shí)間的變新,巖漿起源的深度逐漸變深,局部熔融程度逐漸變小(表2)。在16Ma前,廣泛分布的火山活動(dòng)與熱柱到達(dá)巖石圈有關(guān)。據(jù)此,熱柱