岩石构造环境的地球化学判别

2.由物理化学条件能引起的差异强度看， 必须重视 LILE与HFSE的相对关系。因 LILE一般为造岩矿物的组成，这些矿物的 稳定性较小（易熔和易溶），而HFSE则主 要受稳定性较大的副矿物（Ti、Nb、Ta复 杂氧化物, 锆石等）的控制，所以这两类元 素的相对关系能较灵敏地反映物理化学条 件不同的构造环境。
图8 丹凤群玄武 岩εNd-Nb/Th、 εNd-La/Nb和 εNd-Ba/Nb图解 (据李曙光, 1994) 基础数据引自张 旗等(1995).
图9 垃圾庙苏长辉长岩εNd-Nb/Th、 εNd-La/Nb和εNdBa/Nb图解 (引自李曙光, 1997)
(2)弧后盆地构造环境
产出部位：岛弧后近大陆一侧，拉张环境。 物质来源：复杂，早阶段有俯冲消减物质， 甚至地幔柱物质加入，晚期主要来自亏损 地幔。
图1 勉略蛇绿混杂岩带玄武岩球粒陨石和N-MORB标准化微量元素组成模 式
图2 各类玄武岩N-MORB标准化微量元素组成模式 N-MORB-正常洋脊玄武岩； IAB-岛弧拉斑玄武岩； CABI-岛弧钙碱性玄 武岩； CABM-陆缘弧钙碱性玄武岩；WPB-板内玄武岩。据BVTP(1981)数 据。
图3 大洋中脊玄武岩 N-MORB 标准化不相容元素组成模式
岩石构造环境判别
岩石构造环境地球化学判别运用中出 现的问题：
• 数据精确度不高； • 选择判别标志和图解带有盲目性： • 岩石地球化学判别标志本身存在多解性，例如，具有 洋脊玄武岩（MORB）化学特征的玄武岩可以产出于洋 脊、弧后盆地及边缘海盆等环境； • 岩石变质或蚀变的影响等。
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这些问题常常导致误判。如何改进，以下几 点值得注意。
9．同位素和微量元素联合判别能提高效果。 例如，N-MORB来源自亏损地幔（DM）， 其 现 今 ε Nd(0) 介 于 +8 ~ +12 ； OIB 和 EMORB来自地幔柱源，其现今ε Nd(0)介于 +10 ~ - 2； 而岛弧玄武岩的ε Nd(0)介于+8 ~ - 2。如将Nd同位素标志与微量元素标志 联合应用，则可明显提高岩石构造环境的 分辨率。在此应注意有些情况下同位素和 微量元素是解耦的，如地幔柱源岩浆在不 相容微量元素上是富集的，但在Nd同位素 方面则多数显示亏损特征。
总之，上述有关构造性质和构造环境对岩 石地球化学特征约束实质的阐明，虽然只 是结合岩浆作用讨论的，但也适用于沉积 作用。只是对沉积作用而言，物源应是受 构造环境制约的剥蚀区的物质成分，构造 限定的成岩条件则更多是风化剥蚀速率及 水动力学条件。变质作用物源则是卷入构 造运动的岩浆岩或沉积岩，而构造运动则 限定着热动力学条件。
（二）选择有效判别 标志和方法的原则
1.由物源看，地壳和地幔的各个结构层均 可视为物质库，在它们之间元素组成差别 最 明 显的 应 是强 和 较 强 不 相 容 元 素 ， 即 LILE(Rb 、 Th 、 K 、 Ba 、 LREE 等 ） 与 HFSE(Ti、Ta、Nb、Zr、Hf、Y等），以 及强相容元素（Cr、Ni、Co), 它们在岩浆 与固相源岩之间有最强和较强分异能力， 应具有更好的判别意义。
3.从岩石中元素含量差别程度看，微量元 素应优于主量元素。例如，洋脊玄武岩 （MORB）与大洋裂谷玄武岩（洋岛玄武 岩OIB）和大陆裂谷玄武岩(CRB)相比，微 量元素含量有些可相差1～2数量级，而主 量元素含量相差甚微。所以微量元素标志 能有更显著的判别效应。
4.从元素在岩石变质过程中的稳定性看， REE、HFSE及Cr、Ni、Co也较为惰性， 适合于在大陆岩石多受变质的条件下应用； K、Rb、Cs、U、Sr、Ba和Pb等较活动， 只能在岩石未变质或变质轻微情况下应用, 特别须注意避免遭受流体交代的蚀变岩石 样品。
1.不同构造切割壳幔的深度和部位不同， 洋脊可沟通地幔的软流圈，B型俯冲可导 致俯冲洋壳与岩石圈地幔的相互作用，A 型俯冲可引起俯冲陆壳与另一侧地壳深 部和地幔的相互作用，等等。由于地球 各层圈及层圈内不同部分均为化学成分 差异的物质库，所以特定构造和构造环 境就沟通着不同物质库（源区）及其组 合，使岩石一定程度上继承源区的化学 特征。
5.多元素综合判别比少数元素构成的判别 图解更有效，例如，近年发展起来的各种 蛛网图(spidergram), 即以LILE、HFSE等 不相容元素为基础，按不相容性减弱趋势 排序，以球粒陨石、N-MORB、ORG、原始地 幔等标准化，编制元素组成模式图，其判 别效果就优于少数元素的二元和三元图解。 将世界已知构造环境中岩石数据与待判岩 石数据放在一起进行多元判别分析与多元 对应分析，也是值得推荐的方法。
图7 丹凤群变玄武岩的Th/Yb-Ta/Yb图解（Pearce,1983) (引自张旗等，1995） DM: 亏损地幔；MORB：洋脊玄武岩（N型）；OIB：洋岛玄武岩； TH：拉斑玄武岩； CAB：钙碱性玄武岩；SHO：钾玄岩。空圈为 三十里铺玄武岩；黑圆点为郭家沟玄武岩；×：LREE亏损型玄武岩.
2.不同构造限定着岩石形成过程活动场所 与运移途径的不同，例如，洋脊构造限定 了玄武岩浆沿扩张脊活动，形成的岩石只 同海水作用，成分常受海水蚀变的影响；B 型俯冲限定岩浆在岛弧区自下而上运移， 穿过大洋岩石圈（洋内岛弧）或大陆岩石 圈（大陆岛弧），因而岩石会受洋或陆壳 物质影响而表现出成分差异。
3.不同构造环境显示出不同的热动力学和 物理化学条件，影响着各类成岩过程的机 制 和 特 征 。
（一）正确理解构造环境与岩石地球化学
特征的内在联系是，除数据精度基础外，
克服盲目性、提高岩石构造环境地球化学
判别效果的首要因素。按地质运动中各种基础
运动形式的相互依存、相互制约和相互转化的地
学哲学观，对各类岩石形成过程来说，构造(环 境)起着沟通物源、约束过程发生场所和运移途 径，以及制约热动力学条件的作用。具体说明如 下：
图5 松树沟变拉斑玄武岩Th/Yb-Ta/Yb(a)和Ta-Th-Hf(b)图解 (引自周鼎武等, 1995a) a: MORB(注N-MORB)、IOB、SHO、CAB、IAT和DM分别为正常 洋脊玄武岩、洋岛玄武岩、钾玄岩、钙碱性玄武岩、岛弧拉斑玄武岩 和亏损地幔(数据根据Pearce, 1983); b:N-MORB-正常型洋脊玄武岩, E-MORB-异常型洋脊玄武岩, WPB-板内玄武岩(数据根据Wood, 1980). 图例同图3.
（三）各类板块构造环境中岩浆岩的化学 特 征 及 其 应 用 的 实 例 下面将对不同构造环境中产出的玄武岩类 （含长英质火山岩）和花岗岩类的地球化 学特征、鉴别标志及其用于判别的情况， 以图表方式说明之，以期能够加深对上述 原理和原则的理解，改善在研究中的应用。
I、玄武岩类构造环境地球化学判别
例如，洋脊环境受制于地幔高热流，使热通过玄武岩 浆向外逸散，只发生岩浆快速结晶或固结，一般不引起 较大的成分分异。板内裂谷构造同样是地幔软流圈上隆 或地幔热柱作用引起岩石圈裂解的结果，幔源岩浆可以 通过结晶分异突变、岩浆不混熔分层等方式形成双模式 岩套（机制未完全搞清），也可由于幔源岩浆热的烘烤 使下地壳部分熔融形成不同源的双模式岩套，但不引起 岩 浆 中 高 场 强 元 素 （ HFSE ） 相 对 于 大 离 子 亲 石 元 素 （LILE）的分异或亏损。
8．随研究的深入，某些构造环境鉴别已不 能满足于大类确定，还需区分细的类型。 例如，岛弧环境需进一步鉴别出洋内岛弧、 大陆岛弧和陆缘弧；在洋脊玄武岩中需区 分正常型洋脊玄武岩(N-MORB)、过渡型 洋脊玄武岩(T-MORB)和异常型洋脊玄武 岩(E-MORB)；板内构造环境需要区分大 洋裂谷与大陆裂谷，等等。详细区分的原 理与标志说明如下。
图4 松树沟变拉斑玄武岩Nb/Th-Nb(a)和NbN-ThN-LaN(b) 图解(据Jochum et al., 1991) (引自周鼎武等, 1995a) MORB: 大洋中脊玄武岩(注: N- MORB), OIB: 洋岛玄武岩, PM: 原始地 幔, CC: 大陆地幔. 倒三角为第一组岩石; 正三角为第二组岩石; 空心方 块为第三组岩石.
6.这里所讨论的构造环境是自大约1.8 Ga 以来板块构造体制下的，不应直接搬用于 地球出现板块构造体制之前，尤其太古宙 构造。例如，一些太古宙的岩石也显示 SZC的化学特征，但不应说它们就与洋壳 俯冲消减有关，就是产于岛弧环境，因为 那时如果发生下地壳拆沉也可能造成类似 SZC的特征。
7.各类岩石形成机制、条件等的复杂程度 不同，用于板块构造环境判别的研究深度 也有差异。一般火山岩，尤其玄武岩研究 最多，应用最广；其次为花岗岩类，研究 较多，应用也较广；而沉积岩则相对研究 得弱些，但也有一定的应用。应分别了解 它们在各种构造环境中的地球化学特征和 鉴别标志，以便较好地应用。
（1）洋内岛弧（如阿留申）、大陆岛弧 （如巽他）和陆缘弧（安第斯型）的地球 化学区别。根据：按上列顺序，岛弧玄武 岩的地幔源区中陆源沉积物的影响依次增 强（洋壳俯冲带入）。标志为：虽共同具 有亏损HFSE的特征，但洋内岛弧基本无大 陆物质影响，大陆岛弧至陆缘弧大陆物质 影响逐渐增大。具体表现：相对洋内岛弧， 不相容元素（含REE）增富，(La/Yb)N增大， La/Nb、Ba/Nb、Th/Nb等增高。
图6 板内玄武岩N-MORB标准化不相容元素组成模式 CRB-大陆裂谷玄武岩；OIB-洋岛玄武岩。 据BVTP(1981)数据。
2. 与俯冲消减带有关的火山岩
（1）岛弧构造环境
• 产出部位：板块会聚带, 随部位不同分洋内岛
弧、大陆岛弧和陆缘弧。 • 物质来源：洋内岛弧包括俯冲洋壳、远洋沉积 物和大洋岩石圈地幔；大陆岛弧包括俯冲洋壳、 陆源沉积物与洋或陆岩石圈地幔；陆缘弧包括俯 冲洋壳、陆源沉积物与大陆岩石圈地幔。 • 共同特征：亏损（相对于LILE) Nb、Ta、Zr、 Hf、Ti、P等高场强元素。
又如，B型俯冲带中为地幔对流下降处，随俯冲 洋壳下插温度升高和脱水变质，形成富水条件下 的部分熔融，必然造成富含于难熔（溶）矿物 （钛酸盐类、金红石、锆石等）中的高场强元素 （Nb、Ta、Zr、Hf、Ti、P）更多地留在源区的 残余固相中，而大离子亲石元素（K、Rb、Ba、 Th、U、REE）（多含于一般造岩矿物中，且具有 不相容性）则倾向富集于形成的岩浆和溶液中， 因此俯冲消减带中的火山岩和侵入岩均显示HFSE 相对于LILE亏损的特征。这种特征被称之为消减 带组分——SZC。
玄武岩的化学特征：早期的类似岛弧玄武 岩，晚期的与N-MORB相同。
图10 二郎坪群变玄武岩Zr-Ti-Sr图解(据Pearce & Cann., 1973)和Zr/Y-Zr图解(据Pearce, 1982) (引自邱家骧和张珠福, 1994)
MORB：洋脊玄武岩；LKT：岛弧低钾玄武岩；CAB：岛弧钙碱 性玄武岩；WPB：板内玄武岩；1—6：样品所属的地层组。
（3）大洋裂谷OIB和大陆裂谷CRB的区分。 两种裂谷环境中产出的玄武岩均多为地幔 柱源岩浆形成，一致显示上述地幔柱源岩 浆的地球化学特征，并且常与长英质岩石 组成碱性双峰岩套，一般不易区别，只是 OIB有时更富集Nb-Ta(在蛛网图中显示正异 常)，CRB常显示陆壳污染特征。区分时， 应注意反映洋和陆的其他标志，如共生沉 积岩海相和陆相的特征、有无蛇绿岩相伴 等。
（2）N型、T-型和E型MORB的地球化学 区别。三种MORB均产于洋脊，在大陆上 均与蛇绿岩有关。N–MORB来源于亏损地 幔（DM）， E-MORB岩浆源自地幔深部 地幔柱源区，而T-MORB为上述两种地幔 源岩浆的混合产物。相对于DM,地幔柱源 岩 浆 明 显 富 集 不 相 容 元 素 （ 含 REE ） , (La/Yb)N>>1(6.6~13.6), Ti≈Ta; Th/Yb 、 Ta/Yb、Ba/Nb、Ba/Th、Ba/La等偏高， Zr/Nb偏低。