微量元素构造环境判别 WOOD

1、利用微量元素对岩浆构造环境判别DAVID WOOD JEAN-LOUIS JORON MICHEL TREUIL我们将不同构造背景的玄武质岩浆的化学成分与原始地幔进行了比较。我们利用结果根 据岩浆侵入的洋脊板块特征将MORB进行进一步划分。侵入到具有残留重力、深度和热流 异常的板片中的岩浆称为EMORB，主要富集较高场强的元素，当然也包括一些亏损这些元 素的岩浆类型。这种富集和亏损的EMORB可以根据La/Ta（EMORB小于10，NMORB小 于15）比值和Hf/Ta （EMORB小于7, NMORB大于7）比值与NMORB进行区别。EMORB 与洋岛玄武岩OIB可以根据Hf/Ta（EMORB大于2）比值区别。我们提出Th-Hf-Ta判别图 解来区别洋底玄武岩和板块边界的玄武岩。板块边界的玄武岩亏损Nb和Ta。这个图解也 可以区别不同构造背景的玄武岩以及陆壳混染的岩浆。引言随着上世纪测试手段的发展，岩石主量微量元素的测试精度增加，越来越多的人利用元 素（1-5）来判别岩石的构造背景。并且目前已经取得了一些成功，尤其是利用次级过程不 敏感的 Zr，Nb，Ti，Y 和 P3, 5。为了能

2、够有信心得鉴定古构造环境，我们必须保证岩浆中微量元素分类是经过精确计算 和判定的。利用Zr-Ti-Y对MORB的分类无法区分异常洋脊的岩浆类型（热点或积极的残 留重力和深度异常）。在近期的大西洋洋脊和深海项目中，公布了大量正常洋脊和异常洋脊 的玄武岩微量元素数据。大部分样品在Zr-Ti-Y图解上投在了洋底玄武岩区域，其中Zr/Y 比例显示了一个很大的范围。现在利用其它的元素，可以成功得判别正常和异常洋脊8。 本文我们将提供一些信息来对标准判别图解进行补充。我们常用的判别图解有三个主要的限制：1、它们不能区别不同的MORB； 2、图解都 严格应用于玄武质火山岩，因为玄武质岩浆结晶过程中Fe-Ti的氧化物相涉及Ti的比例；3、 图解使用的微量元素受到一定的限制（XRF-X荧光）为了选择合适的元素组合，我们要考虑到不同类型岩浆的所有成分区别，并尝试解释分 类的原因，例如岩石学过程或地幔混染。首先我们要考虑大量的元素数据。我们利用INAA 可以测试出XRF无法测试的元素，Th，Ta和稀土元素。2、符号和地球化学原则我们将元素分为高场强元素（Cs，Rb，K，U，Th，Ta，Nb，Ba，La和Ce

3、）和低场强 元素（Zr，Hf，Sr，P，Ti，Y和中重稀土）。有的元素在不同环境表现出不同性质，高或低 场强。这是因为元素具有不同的亲铁性质10.在研究岩浆过程时，HYG亲湿岩浆元素（分配系数小于1的15种元素）被大量使用， 例如分离结晶和部分熔融过程，因为这些元素的的行为受简单的过程控制（其他元素还没有 发现规律）9.11.12.13。这些元素在二轴图解上表现出系统性的规律，可以用来判断样品成 因与何岩浆过程有关。分离结晶形成的岩浆在两个场强元素的图解上会呈现出一条直线 9.14。而部分熔融的岩浆，只有使用两个高场强元素或低场强元素时才会呈直线，使用一 高一低场强元素时会呈现折线，例如Tb-Y。我们所选择的元素组合必须在不同环境下有很 大的区别，因此研究岩石学过程的元素很难直接用于构造环境的判别中。实际上，幔源特征 的元素比值要比独立的岩石学元素比值更有效得来判别构造环境10。目前已经有大量证据 证明地幔是不均一的8.15-19，并且目前观察到的场强元素比值的变化不能完全用岩浆过程 来解释。还有一部分没翻译3、HYG相对于原始地幔的分馏作用在研究岩浆成分差异时，我们需要选择一个普遍的

4、标准。我们选择原始地幔。我们对太 古代地幔的Zr，Nb，P和Sr进行了精确的计算22。他们的比率与C1和C3球粒陨石相似， 两倍于绝对值。我们将不同构造环境的玄武岩HYG元素进行原始地幔标准化投在了图1上。它们是按 照分配系数增大顺序排列的。N-MORB呈一条相对平滑的曲线，整体呈负斜率形态。岛弧 拉斑玄武岩更亏损强HYG元素，尤其亏损Nb和Ta，但是富集Cs，Rb，Ba和K。俗称的 侵入异常洋脊的玄武岩（冰岛，Azore），整体呈倒V型，Nb，Ta位于尖部。位于洋脊转换 断层部位的玄武岩（Reyklanes Ridge）位于NMORB和EMORB之间。大部分洋岛和大陆玄 武岩曲线形态与EMORB相似。i 一 - 一一 一一 一 一 W 1Cis Rb Ba Th UK Hb La Ce Sr fitf PFig 1 HYG element abundances of selected basic lavas from dilferent tectonic environments normalized to the estimated primordial mantle cotnpo

5、sitiort (20 = average N-type MORB 7,22够=an Iceland basalt ISL79 27J, = Azores basalt Fl 12, * a basalt frvm the 1 zu-Bonin arc 35 ?fa Xc CjA fVcrVl He* ZVt81口 OC Hi 1i * X 色吗 口 * Q rti AIm ,JI 1本文并不深入探讨HYG元素的结晶差异过程，具体参照23-26,，72。NMORB中HYG 元素的亏损与地幔来源区域有关，之前经历过亏损事件11，这个可以从放射性同位素证据 得出，并且应该与早期部分熔融的熔体析出有关。而对于EMORB和转换MORB复杂的HYG 元素和放射性同位素的解释，还存在很大争议。我们的观点是，EMORB和转换MORB在 之前经历过富集和亏损过程，主要是深部地幔部分熔融出的富含HYG元素物质脉状渗透使 上部地幔产生富集23.26.27.72。岛弧钙碱性玄武岩系列的HYG元素特点是上地幔与俯冲带有关形成的。相对富集的挥 发性HYG元素和Sr，Pb同位素通常认为是脱水或者下部软流圈（玄武岩

6、+沉积物）熔融造 成的上地幔富集。而Nb, Ta的亏损是在较高水压和气压情况下，稳定保存于钛氧化物相中。 金红石和榍石在高压和低压以及富含挥发分情况下是稳定的32，能够解释上面问题。为了 判别构造环境以及表示图1中岩浆类型间的区别，这些元素必须在极低浓度下也能有效进行 判别。Nb，Ta在岛弧拉板玄武岩中浓度小于1和0.01ppm（?）,Ta可以有效分析，但是Nb 并不能。所以我们更倾向于选择Ta元素，当然Nb大于1ppm时也是可以考虑的。我们在这 里对样品准备是很严格的尤其是Ta的测试，最高达到0.5ppm，并且要避免后期的蚀变和风 化作用。这些要求会影响到Cs，Rb，K，U，Sr和Ba。近期的研究表明，轻稀土元素在蚀 变情况下是不稳定的，次生过程产生的元素变化对于玄武岩是有很大影响的。我们研究中的 蚀变的洋底玄武岩存在Th和La的迁移，这就意味着在使用它们于判别图解时要特别注意。 为了保证蚀变玄武岩中Th和La含量是初始含量，我们分析了一系列蚀变样品。结果是， 最大的风险就是利用Th和La在NMORB （浓度低，小于0.1和1.5ppm）进行分类时产生 误差。尽管NMORB有不同程度

7、的蚀变，但是晶体中这些元素与迁移元素的比值并没有明 显变化。所以，我们得出结论就是，当样品中部含有大量蚀变玻璃质时，Th和La是可以使 用的。在以上HYG元素中，只有Th，Ta，P，Hf，Zr，Ti，稀土和Y是可以用于判别图解的。 这里我们考虑使用Th，Ta，Hf和La。因为，不同构造环境中这几种元素的双变量协变图解 是可以使用的，见图2。例如，Th-Hf可以区分海洋环境的不同玄武岩类型，但却不能区别 于汇聚板块边缘的玄武岩。Th-Ta可以判别汇聚边缘玄武岩和MORB，但是不能区别不同类 型的MORB。4、洋底玄武岩的微量元素分类在具体考虑判别图解之前，我们有必要考虑不同构造环境下火山岩的分类。我们建议， 两种洋脊部分的构造类型作为分类的基础。（1）正常洋脊中侵入的NMORB。特点是HYG元素含量较低，具有低的Rb/Sr （ca 7。这种类型中同位素比值变化较小，87Sr/86Sr = 0 7023-0 7027 36, 143Nd/144Nd =0 5131-0 5133 18,43,206pb/204Pb = 17 .5-18 .5。洋脊板块中具有积极的剩余重力，深度和热流异常通常

8、与热点相关，这种板块侵入的玄武岩 富集HYG元素，我们称之为EMORB。这种类型主要是拉斑玄武岩，但是在HYG含量和放射 性同位素比值要比NMORB变化大得多，（Rb/Sr 0 04 and HIf/Ta 2） with La/Ta about 10 and Th/U about4 8,19，87Sr/86Sr is greater than 0 .7027, 143Nd/144Nd I侈ss than 0 .5131,206pb/204Pb varies from 18 .0 to 19 .5。在EMORB向NMORB过渡的地区，主要是亏损玄武岩，更靠近与NMORB，但是 可以根据较高的Sr和Pb同位素比值以及La/Ta8.60比值加以区分。冰岛轻稀土亏损的玄武岩，被视为 EMORB熔融的产物，也可以利用干这种方法区分于NMORB。EMORB的轻稀土亏损可以利用REE 比率区分，例如La/Sm28o NMORB和EMORB在化学方面应该是过渡的，所以任何边界都是武断的。 因此，在对玄武岩分类时，边界附近的岩石时很难分类的。有四种原因来解释为什么玄武岩会投在这 些边界上。1、地幔源区具

9、有这样的成分；2、他们是EMORB连续熔融的产物；3、他们代表了NMORB 极低的部分熔融程度；4、NMORB经历了蚀变引起Th的富集。由于这些玄武岩很难追溯其源区，所 以我们将这类玄武岩成为T-MORB。EMORB可以利用HYG比率与WPB进行区分。WPB的Hf/Ta比率小于2，Zr/yY大于4.5 （判别图解 中WPB的判别基础），碱性WPB的放射性同位素例如Pb和Sr要比EMORB还要高。在二者之间是有一 些特例的。例如，一些玄武岩陆内玄武岩会判别成EMORB。5、新的判别图解虽然在图2中，不同的岩浆类型投在了不同区域，但是通过整理差异，在三角图解上可以清楚的 划分出不同类型（图3）。通过缩放比例，可以使所有岩浆类型在未蚀变情况下不会聚集在某一个尖 端。冰岛拉斑玄武岩的Th/Ta比例变化要比Azores岩浆系列明显，这是因为冰岛岩浆具有更高的Fe，Ti祖坟，导致大量Fe-Ti氧化物结晶46。这个图解的最大特点就是钙碱性岩石与未受污染的EMORB 和WPB的明显分离。3 Th-Hf-Tu djjgram with Hk iiclds of compositions ejuptud in different cectojiic etiirDnniEiiu ouiluieii I idd4 j N-type MORB = data from the MAR |7 22 27 Jad- the Rid Sej. 55 J ield B t$ E-trpc MORB 一 data from the MAR 1,27,34. Iceland region |27h Red Sea, Asai and Mjndd llararo lAfarf 551 Dotted Imes maik transitional zone heLHEii fields A and B in uhii

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