山西大同新生代玄武巖的巖石地球化學(xué)特征研究

李小琴，聶 鑫，白卓娜，劉鴻福，馮志強(qiáng)

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024)

新生代從老到新依次可劃分為古近紀(jì)、新近紀(jì)和第四紀(jì)，并且在這期間地殼發(fā)展由穩(wěn)定轉(zhuǎn)為活動(dòng)，大陸表面出現(xiàn)了大量斷陷，與此同時(shí)地幔深處的巖漿劇烈活動(dòng)，噴出地表，因此這一時(shí)期形成了大量玄武巖[1]。玄武巖按礦物成分可分為堿性玄武巖、高鋁玄武巖和拉斑玄武巖。堿性玄武巖的典型特征為堿性礦物含量較高，主要分布在大陸地區(qū)，多為地幔柱成因；拉斑玄武巖中的SiO2含量高，特征礦物為斜方輝石與易變輝石，是地幔深部橄欖巖受熱熔融后冷卻分離結(jié)晶的產(chǎn)物，即是由于巖石圈減薄，底部被溶蝕的物質(zhì)與下部軟流圈中上涌的物質(zhì)混合后形成；高鋁玄武巖則是介于堿性玄武巖與拉斑玄武巖的中間性質(zhì)，多位于環(huán)太平洋地區(qū)的造山帶附近[2]。

由于玄武巖作為地幔巖漿上涌冷卻形成的一類巖石，其化學(xué)組成在一定程度上可反映地幔源區(qū)性質(zhì)，且與其他巖漿巖相對(duì)比，玄武巖具有分布廣與含量高的特點(diǎn)。大陸玄武巖通常比大洋玄武巖具有更廣泛的成分多樣性，在定義深部巖漿的組成成分和分析熔融程度上起著更為直觀的作用。因此，學(xué)者們對(duì)全球新生代以來(lái)的玄武巖進(jìn)行了廣泛研究，目前而言，玄武巖研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)主要包括：1) 巖漿運(yùn)動(dòng)過(guò)程，特別是地殼的同化和混染作用以及玄武巖漿在上升和噴發(fā)過(guò)程中的礦物分離、結(jié)晶和脫氣作用；2) 深部地幔的化學(xué)性質(zhì)，通過(guò)研究玄武巖冷卻結(jié)晶后的巖石學(xué)性質(zhì)和地球化學(xué)性質(zhì)來(lái)推斷出深部地幔的地球化學(xué)性質(zhì)的過(guò)程。

近來(lái)對(duì)中國(guó)中-東部新生代玄武巖的研究中，都著重強(qiáng)調(diào)了軟流圈與大陸巖石圈地幔相互作用在大陸板塊內(nèi)部玄武巖的發(fā)育過(guò)程中起著重要作用[3]。從新生代時(shí)期的玄武巖的空間分布可明顯觀測(cè)到，隨著時(shí)間的推移，我國(guó)華北地區(qū)的玄武巖巖漿活動(dòng)逐漸向東部移動(dòng)。至第四紀(jì)時(shí)，由于受地殼表面巨大斷裂活動(dòng)的影響，其火山活動(dòng)與分異后期產(chǎn)物也不斷東移。通過(guò)對(duì)原巖進(jìn)行主微量元素分析和稀土元素的測(cè)定來(lái)合理劃分堿性玄武巖與拉斑玄武巖，此外，通過(guò)對(duì)地表玄武巖的巖石成分進(jìn)行相關(guān)研究可間接獲取巖漿深部演化的過(guò)程，進(jìn)一步分析地幔處的源區(qū)特征。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

華北板塊新生代玄武巖分布較為廣泛，但又呈區(qū)域性集中，大致位于張家口—大同、東北的遼河平原以及渤海周邊地區(qū)。從生成年代來(lái)看，本區(qū)玄武巖的生成時(shí)代大致可分為3個(gè)時(shí)期：古近紀(jì)、新近紀(jì)以及第四紀(jì)。圖1為新生代時(shí)期華北地區(qū)玄武巖的分布狀況。

圖1 中國(guó)華北地區(qū)新生代時(shí)期的玄武巖分布圖

華北大同地區(qū)玄武巖主要位于山西大同火山群，即山西地塹系北段的大同盆地中，根據(jù)史書記載，在第四紀(jì)時(shí)期火山曾多次噴發(fā)，并保留有火山錐體。依據(jù)該地玄武巖巖性的不同變化將大同地區(qū)玄武巖劃分為東西兩個(gè)巖區(qū)。大同火山群處于西部地區(qū)，大體分為13個(gè)火山錐。這些火山錐通常由火山礫石和火山渣形成，而錐底則由熔巖構(gòu)成，東部地區(qū)由桑干河兩岸的火山錐和玄武巖熔巖流組成，它們一般為拉斑玄武巖，具有清晰的空間分布特性。通過(guò)研究K-Ar同位素定年資料可以發(fā)現(xiàn)，東西兩區(qū)的火山噴發(fā)時(shí)期有所不同，西區(qū)地區(qū)噴發(fā)時(shí)期要晚一些，多在早更新世的晚期(0.40 Ma)進(jìn)行噴發(fā)；東部地區(qū)的噴發(fā)時(shí)期始于早更新世的早期(0.74 Ma)，并持續(xù)了一段時(shí)間，直至中更新世晚期(0.20 Ma).華北地區(qū)新生代以來(lái)的火山作用明顯受大地構(gòu)造作用的控制，如北東向斷裂的太行山山前深斷裂和北西向斷裂的張家口—北京—寶坻深斷裂。第四紀(jì)玄武巖僅散布在華北斷裂帶中，大部分位于平原周圍的山區(qū)(見圖2).

圖2 山西大同地區(qū)新生代玄武巖分布圖

2 實(shí)驗(yàn)方法

在該研究中，以山西大同新生代玄武巖樣品作為研究對(duì)象，重點(diǎn)探討了玄武巖的地球化學(xué)特征及地幔源區(qū)性質(zhì)并對(duì)其巖石學(xué)特征加以考察。本次研究主要通過(guò)對(duì)玄武巖的主微量元素及Mg同位素進(jìn)行分析，旨在探明玄武巖的巖石類型及特征。

Mg同位素分析在北京科薈測(cè)試技術(shù)有限公司的Neptune plus多接收等離子質(zhì)譜儀(MC-ICP-MS)上完成，儀器采用低分辨模式，“濕法”進(jìn)樣，利用樣品-標(biāo)樣交叉法校正儀器分餾和漂移。將每個(gè)樣品溶液Mg質(zhì)量比稀釋到(1±0.1) μg/g，以匹配標(biāo)準(zhǔn)溶液中1.0 μg/g的Mg.在每組Mg同位素?cái)?shù)據(jù)采集之前先進(jìn)行40 s酸性空白溶液測(cè)定，Mg同位素比值分析的積分時(shí)間

JP2為200 s.在以上條件下，儀器對(duì)24Mg的分析靈敏度為12～20 μg/g，m(26Mg)/m(24Mg)比值內(nèi)精度優(yōu)于±0.04‰，m(25Mg)/m(24Mg)比值內(nèi)精度優(yōu)于±0.02‰.

3 分析結(jié)果與討論

3.1 巖石學(xué)特性

新生代時(shí)期的巖漿巖主要為基性噴出巖-玄武巖。按地層時(shí)代分別為古近紀(jì)漸新世(繁峙玄武巖)，新近紀(jì)上新世(右玉、天鎮(zhèn)、黃花嶺、平定-昔陽(yáng)、左權(quán)縣黃澤關(guān)等玄武巖)，第四紀(jì)晚更新世(大同玄武巖)。山西新生代的火山活動(dòng)多以玄武巖噴出的方式存在，大多位于天鎮(zhèn)、大同等地，此外太行山區(qū)的昔陽(yáng)-平定縣中間地區(qū)和左權(quán)縣東部也有少量出露，總面積約900 km2.在大同盆地中，第四紀(jì)的陸相沉積物和太古代時(shí)期的桑干群片麻巖是該時(shí)期的主要出露地層。依據(jù)在桑干河斷陷處的鉆井資料可以了解到，該地的地層除玄武巖外，大多為泥沙巖、中砂巖、粗粒巖等。顏色也多呈灰色或灰綠色，少量巖石因風(fēng)化等原因呈黃綠色。玄武巖巖芯整體呈黑綠色，受環(huán)境影響，風(fēng)化后顯示出黃綠色或灰綠色的斑點(diǎn)，礦物成分多包括基性長(zhǎng)石和輝石。偶有氣孔構(gòu)造，孔徑1～10 mm，大多呈近圓形，少量呈橢圓形。大同盆地依據(jù)其巖性的變化大致可將其劃分為東南區(qū)和西北區(qū)兩大類。東南區(qū)的玄武巖多為深灰黑色或淺灰色，多為玄武熔巖，呈氣孔狀和細(xì)密塊狀，包含少量火山角礫巖和火山熔渣，并且?guī)r性主要為拉斑性玄武巖。西北區(qū)主要分布?jí)A性玄武巖，玄武巖多為孔隙或致密塊狀，大部分為紫色、灰色和黑色的火山角礫巖或火山渣形式。

大同玄武巖多位于由13座火山錐組成的大同火山群中，包括了金山、閣老山、昊天寺、狼窩山、昊天寺、老虎山以及桑干河兩側(cè)的玄武熔巖流。主要是黑色的火山角礫巖、氣孔玄武巖、玄武質(zhì)熔巖、溢流玄武巖等，而玄武質(zhì)熔巖為火山彈和繩狀形式，氣孔構(gòu)造發(fā)育[4]。

圖3中，圖(a)是斑狀-基質(zhì)間粒結(jié)構(gòu)的蝕變氣孔-杏仁狀玄武巖；圖(b)是少斑狀-基質(zhì)間粒結(jié)構(gòu)的蝕變氣孔狀玄武巖；圖(c)是間粒結(jié)構(gòu)的蝕變氣孔-杏仁狀玄武巖；圖(d)是斑狀-基質(zhì)間粒結(jié)構(gòu)的蝕變橄欖玄武巖。

圖3 玄武巖200倍鏡下特征

據(jù)對(duì)玄武巖的鏡下觀察及對(duì)前人資料的總結(jié)，可大致得出大同地區(qū)玄武巖的巖相學(xué)特征：新鮮的巖石表面大多是深灰色的，在巖石中很少見到細(xì)小的裂紋。斑晶由暗色礦物假象組成，暗色礦物散布，其大小通常在0.4～3 mm之間，被皂石交代作用后表現(xiàn)假象，根據(jù)晶體形式可知主要部分類似于柱狀輝石，而一些類似棗形橄欖石；基質(zhì)多為斜長(zhǎng)石及暗色礦物的假象，具有黏土化、表面臟的特性，缺少聚片雙晶且無(wú)法測(cè)得其牌號(hào)；暗色礦物主要以它形填隙狀分布，斜長(zhǎng)石粒間構(gòu)成間粒結(jié)構(gòu)，蝕變特征同斑晶均呈假象。根據(jù)晶體形態(tài)，主要部分為輝石假象，氣孔呈杏仁狀，雜亂分布，大小0.3～4 mm不等，部分被黏土等充填呈杏仁狀。玄武巖中多見橄欖石、輝石和斜長(zhǎng)石。橄欖石可分為兩個(gè)世代：顯微斑晶和微晶橄欖石。

綜上所述，可概括得出大同地區(qū)玄武巖有如下特征。

1) 地質(zhì)特征：主要分布于恒山、五臺(tái)山和左云縣及懷仁縣一帶古生代地層中，部分侵入中生界白堊系中。代表性巖脈有左云縣后寺溝橄欖斜長(zhǎng)玄武巖脈、懷仁縣劉家溝橄欖粗玄巖脈及五臺(tái)縣小柏里橄欖玄武巖脈等。巖脈長(zhǎng)2～3 km，寬3 m.懷仁縣劉家溝橄欖粗玄巖、五臺(tái)縣小柏里橄欖玄武巖的全巖K-Ar表面年齡值為41～46 Ma，其等時(shí)線年齡值為43 Ma，屬于喜馬拉雅早期。

2) 巖石性質(zhì)：主要為橄欖粗玄巖和橄欖玄武巖。一般呈黑綠色，風(fēng)化表面為棕黃色，中細(xì)粒粗玄結(jié)構(gòu)、間粒結(jié)構(gòu)，具氣孔(杏仁狀)構(gòu)造。

3) 巖石化學(xué)：喜馬拉雅期基性侵入巖化學(xué)成分和含量與中國(guó)玄武巖的平均化學(xué)成分相比：SiO2、Al2O3、K2O和Na2O含量較低，F(xiàn)e2O3、FeO、MgO、CaO含量較高，顯示該期巖脈為偏超基性的基性巖。

3.2 巖石的地球化學(xué)特征

大同玄武巖SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在47.68%～50.98%之間，主要屬于基性火山巖，全堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)(K2O+Na2O)在1.92%～3.82%之間，Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于K2O.CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.82%～10.50%之間。TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)1.23%～1.88%.大同西部玄武巖均為堿性玄武巖，且集中分布在粗面玄武巖相中。大同東部玄武巖則均為拉斑玄武巖[5]。桑干河斷陷處采集的玄武巖樣品均落在拉斑玄武巖處。MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍也較大，位于3.77%～8.17%之間，含量總體較低。拉斑玄武巖與堿性玄武巖相比，SiO2，CaO和MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，F(xiàn)e2O3、TiO2、Al2O3、Na2O、K2O和P2O5的含量較低。

3.2.1主量元素組成

如圖4所示，灰色圖標(biāo)分別為大同東西部玄武巖中的主量元素與MgO圖解，紅色圖標(biāo)為桑干河斷陷處采樣樣本中的主量元素與MgO圖解。二者沒有呈現(xiàn)出明顯的簡(jiǎn)單協(xié)變關(guān)系，但除少數(shù)樣品外，在多數(shù)樣品中SiO2、Al2O3和Na2O與MgO之間可看出一定程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系，F(xiàn)e2O3、CaO與MgO之間則可看到一定程度的正相關(guān)關(guān)系，這表明絕大多數(shù)巖石在化學(xué)演化過(guò)程中具有一定程度的連續(xù)性，說(shuō)明在巖漿結(jié)晶分離過(guò)程中，各類礦物持續(xù)發(fā)生分離結(jié)晶作用。

3.2.2微量元素與稀土元素組成

如圖5所示，圖5(a)-(b)為稀土元素球粒化隕石標(biāo)準(zhǔn)分布圖，圖5(c)-(d)為微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)分布蛛網(wǎng)圖。從微量元素的原始地幔標(biāo)準(zhǔn)分布蛛網(wǎng)圖中可以看到，大同西部玄武巖中微量元素的含量總體高于大同東部玄武巖，各樣品中同一元素的協(xié)和性也顯著高于東南區(qū)玄武巖。此外，所有樣品均表現(xiàn)出大離子親石元素(LILE)的富集特征，并含有不同水平的Nb-Ta和Sr富集。在拉斑玄武巖中含量較低的不相容元素還表現(xiàn)有較弱的Zr-Hf虧損，而在堿性玄武巖中則大體上呈現(xiàn)平滑分布。強(qiáng)不相容元素質(zhì)量的比值如m(Nb)/m(U)、m(La)/m(Ce)和m(Th)/m(Ta)等不隨SiO2含量的變化而發(fā)生明顯變化，并且不受巖漿發(fā)育過(guò)程中的結(jié)晶和部分熔化的影響，因此可以代表源區(qū)組分的性質(zhì)。根據(jù)大同桑干河斷陷處玄武巖微量元素和稀土元素測(cè)試結(jié)果，得出如下結(jié)論：大同西部玄武巖中微量元素含量整體明顯高于大同東部玄武巖，兩區(qū)域稀土元素豐度存在著顯著差異，變化率和富集程度也有很大不同。其中，西北地區(qū)玄武巖的巖漿熔融程度較低，輕稀土元素相對(duì)豐富；東南部玄武巖的巖漿熔融程度較高，輕稀土元素含量較低。

3.2.3Mg同位素測(cè)試

Mg包括有3個(gè)穩(wěn)定同位素，其相對(duì)豐度如下：24Mg為78.99%、25Mg為10.00%、26Mg為11.01%.三者的質(zhì)量差高達(dá)4%～8%，是僅次于Li，相對(duì)質(zhì)量差排第二的非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素[6]。目前已達(dá)到的科學(xué)技術(shù)手段是使用MC-ICP-MS同時(shí)檢測(cè)24Mg、25Mg、26Mg信號(hào)，并獲得更準(zhǔn)確的Mg同位素比值。

在應(yīng)用過(guò)程中，金屬顆粒的大小具有差異性，會(huì)導(dǎo)致在這一標(biāo)準(zhǔn)下得出的同位素組成不均一。因此在最近幾年的研究中DSM3標(biāo)準(zhǔn)逐步取代了過(guò)去的SRM980.且以SRM980為標(biāo)樣的數(shù)據(jù)與以DSM3為標(biāo)樣的數(shù)據(jù)間可以相互轉(zhuǎn)換。樣品中Mg同位素組成的精確測(cè)量是開展Mg同位素地球化學(xué)研究的基礎(chǔ)和前提，而MC-ICP-MS技術(shù)的完善和發(fā)展，顯著提高了對(duì)于Mg同位素的分析精度。這一技術(shù)已經(jīng)用于研究地幔演化及分析源區(qū)特征當(dāng)中，為Mg同位素在天然系統(tǒng)中的失蹤作用提供了較為便利的條件。

圖4 大同玄武巖中主量元素與MgO線性相關(guān)圖

圖5 大同新生代玄武巖中稀土元素與微量元素的分布模式圖

依據(jù)大同新生代玄武巖中的Mg同位素組成表數(shù)據(jù)(如表1所示)并結(jié)合前人對(duì)MORB及OIB型玄武巖的研究可統(tǒng)計(jì)得到圖6和圖7并討論得出如下結(jié)果。

如圖6所示，紅色點(diǎn)代表大同桑干河斷陷處樣品值，藍(lán)色點(diǎn)代表全球新生代時(shí)期OIB類型玄武巖[7]。可觀察到所有樣品點(diǎn)均分布在斜率為0.515的一條直線上。

圖6 大同玄武巖及全球新生代OIB型玄武巖δ26Mg-δ25Mg散點(diǎn)圖

如圖7所示，紅色點(diǎn)代表大同桑干河斷陷處樣品值，藍(lán)色點(diǎn)代表全球新生代時(shí)期MORB類型玄武巖。可觀察到所有樣品點(diǎn)均分布在斜率為0.515的一條直線上。在δ25Mg與δ26Mg的散點(diǎn)分布圖中，大同玄武巖分別和MORB及OIB型玄武巖沿著陸地平衡質(zhì)量分餾線下降，斜率約為0.515.且δ25Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在-0.36‰～-0.11‰之間，δ26Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在-0.69‰～-0.21‰之間，總體而言，大同新生代玄武巖具有高度可變但總體較輕的Mg同位素組成，明顯輕于正常地幔。

圖7 大同玄武巖及全球新生代MORB型玄武巖w(δ26Mg)與w(δ25Mg)散點(diǎn)圖

圖8中數(shù)據(jù)分別引用自：夏威夷玄武巖，中國(guó)東部玄武巖[8]。目前研究表明在地幔部分熔融和隨后的玄武巖分異以及花崗巖分異的過(guò)程當(dāng)中，沒有出現(xiàn)明顯的Mg同位素分餾現(xiàn)象，這意味著，如果沒有不同組分的Mg同位素，則玄武巖和花崗巖理論上應(yīng)當(dāng)具有與地幔相同的Mg同位素組成。依據(jù)圖8可知，與全球洋中脊玄武巖和洋島型玄武巖相比，本研究中的玄武巖總體上具有更輕的Mg同位素組成，表明大同玄武巖的地幔源不是具有與MORB或OIB相同的平均Mg同位素組成的干石榴石橄欖巖。華北克拉通(NCC)和華南塊體(SCB)的玄武巖的輕鎂同位素組成(w(δ26Mg)=-0.60‰～-0.35‰)歸因于地幔橄欖巖和俯沖太平洋板塊的同位素輕碳酸鹽熔體之間的相互作用。而五大連池玄武巖的高m(CaO)/m(Al2O3)以及低Hf/Hf*(標(biāo)準(zhǔn)化)比值(0.63～1.07)與華北克拉通和華南塊體的低δ26Mg玄武巖相似。這些是碳酸鹽交代作用的典型特征，因?yàn)樘妓猁}巖富含Ba、Th和La，而Zr、Hf和Ti卻很少。因此，大同玄武巖的地幔源來(lái)自于大陸玄武巖，并且由于深循環(huán)碳酸鹽巖和碳酸鹽榴輝巖具有輕Mg同位素組成，可推斷得出大同新生代玄武巖地幔源已被同位素輕碳酸鹽巖溶體交代。

圖8 大同玄武巖δ26Mg與m(CaO)/m(Al2O3)、m(SiO2)、Hf/Hf*和m(Fe)/m(Mn)的線性關(guān)系圖

4 結(jié)論

1) 大同新生代時(shí)期火山活動(dòng)主要集中在第四紀(jì)，且根據(jù)其巖漿作用的不同，可將形成的玄武巖分為拉斑玄武巖與堿性玄武巖兩大類。位于東南區(qū)的拉斑玄武巖多呈灰黑色，玄武熔巖是其主要成分，多以氣孔狀或細(xì)密塊狀產(chǎn)出；而位于西北區(qū)的堿性玄武巖多呈紫紅色，并以?shī)A層出露在地層當(dāng)中，產(chǎn)出狀態(tài)也多為火山角礫巖或火山熔渣。

2) 在大同西北區(qū)的堿性橄欖玄武巖主要結(jié)構(gòu)為顯微斑狀結(jié)構(gòu)，主要礦物組成為斜長(zhǎng)石、輝石、貴橄欖石等，次要礦物組成為磁鐵礦等，而顯微斑晶多為貴橄欖石和鈦輝石；在東南區(qū)的拉斑橄欖玄武巖中橄欖石的含量減少，輝石和斜長(zhǎng)石的顯微斑晶含量增加，輝綠結(jié)構(gòu)和間粒結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)地位，除此之外，磁鐵礦的含量也有顯著性的減少。

3) 據(jù)K2O+Na2O-SiO2的關(guān)系圖，可知大同東南區(qū)和西北區(qū)的玄武巖漿不是同源的，且東南區(qū)與西北區(qū)玄武巖的稀土元素與微量元素的豐度差別較大，變化率和富集程度也不同，東南區(qū)稀土元素分配曲線較緩，斜率較小，而西北區(qū)稀土元素分配曲線較陡，斜率較大，表明西北區(qū)的玄武巖巖漿熔融程度較低，東南區(qū)的玄武巖巖漿熔融程度較高。

4) 大同新生代Mg同位素特征表明該區(qū)域的Mg同位素含量明顯偏低，δ25Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)在-0.36‰～-0.11‰之間，δ26Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)在-0.69‰～-0.21‰之間，輕于正常地幔標(biāo)準(zhǔn)，但仍然處于陸地平衡質(zhì)量分餾線上，斜率為0.515.且在地幔部分熔融和隨后的玄武巖分異以及花崗巖分異的過(guò)程當(dāng)中，沒有出現(xiàn)明顯的Mg同位素分餾現(xiàn)象，結(jié)合前人的研究分析可得出大同新生代玄武巖地幔源已被同位素輕碳酸鹽巖溶體所交代。