关于岩石微量元素构造环境判别图解使用的有关问题_赵振华

卷(Volume)31,期(Number)1,总(SUM)112页(Pages)92～103,2007,2(February,2007)

大地构造与成矿学

GeotectonicaetMetallogenia

关于岩石微量元素构造环境判别图解

使用的有关问题

赵振华

(中国科学院广州地球化学研究所,广东广州510640)

摘　要:针对目前应用愈来愈广泛的不同岩石,特别是岩浆岩的微量元素构造环境判别图解使用过程中存在的问题,从这些判别图解建立的原理,介绍了微量元素构造环境判别图解的使用原则。强调指出:所采集的样品必须新鲜(无蚀变或极弱蚀变)、非堆晶的岩石;选择的判别图解必须与判别的岩石类型相一致,即对花岗岩类要用花岗岩的判别图解,不能用玄武岩的判别图解;对特殊类型岩石要选择专门用于该类型岩石的判别图解,如碱性花岗岩,钾质火成岩;要应用多种图解综合判断;不能用单个样品,而应作多个样品分析;要注意所选择判别图解的特别说明等。此外,一些构造环境判别图解还能给出岩石的成岩过程和源区。关键词:构造环境判别图;微量元素;后碰撞;碱性花岗岩;钾质火成岩

中图分类号:P583　　文献标识码:A　　文章编号:1001-1552(2007)01-0092-12

0　引　言

进入21世纪,全新的地球系统观在全球尺度上把地球看成是相互作用的各组成部分集成的综合系统,它包括了无数个相对独立、相互作用、相互依赖

的不同层次、不同类型和不同作用的系统。正是基于此,地球动力学成为地球科学中重要的、热门的研究课题,而其中大地构造格架及演化又是重要的研究内容之一。随着地球化学分析测试技术的不断发展,在大地构造研究中越来越多地引入了地球化学的研究方法、手段和成果,如用岩石的,特别是火成岩的特征微量元素组合特点进行构造环境判别研究占有特殊地位。微量元素地球化学研究在大地构造研究中发挥了重要作用,但在当前愈来愈广泛的应用中也出现了不同问题,主要表现在:不考虑所研究的岩石类型,任意选择文献中的微量元素构造环境判别图解,如将玄武岩的构造环境判别图用于花岗

岩;在同一岩石类型中不区分特殊类型的岩石,而采用普通类型的构造环境判别图,如在花岗岩中未能区分碱性花岗岩和普通钙碱性花岗岩,在火成岩中未能区分钾质的,如橄榄玄粗岩系(shoshonitic)火成岩和普通钙碱性和拉斑质火成岩;在样品采集上未注意不能用蚀变的或堆晶的岩石;在运用判别图解过程中不按图解的应用先后顺序,笼统地将多个图解不分先后同时使用等。本文针对上述问题,从微量元素构造环境判别图解的构建原理出发,重点分析各种图解的应用范围、方法及应注意的问题。

1　构建微量元素构造环境判别图解的原理

地球化学是一门示踪科学,它主要是依据地质作用过程的产物———如岩石、矿床中所保留的地球化学记录,如各类岩石中化学元素和同位素的含量、

收稿日期:2006-04-26;改回日期:2006-05-31基金项目:国家自然科学基金项目(编号40373017)资助.

作者简介:赵振华(1942-),男,研究员,地球化学专业.Email:zhzhao@http://wendang.chazidian.com

　第1期赵振华:关于岩石微量元素构造环境判别图解使用的有关问题　93

图1　洋-陆俯冲带剖面中岩浆岩与微量元素的分布(Mulleretal.,1997)

Fig.1　Schematiccrosssectionshowingdistributionofmagmaticrocksandtraceelements

inatypicalocean-continentsubductionprofile

组合和比值等,反演各种地质、地球化学过程。基于此,地球化学的研究是反序性质的。大量地球化学

研究表明,各种岩石中元素组合、比值的变化是该岩石形成时所处大地构造环境的反映,或者说,同一类岩石产出的构造环境不同,相关的成岩过程的物理、化学条件也有明显的差异,造成了岩石中元素,特别是微量元素组合及比值等不同,这是构建常量和微量元素构造环境判别图解的基础。以俯冲带为例,随洋壳俯冲深度增加,变质程度由角闪岩相过渡为角闪榴辉岩相榴辉岩相,相应地,在岛弧岩浆岩系统中靠近洋壳方向形成拉斑玄武岩,在俯冲带内侧大陆方向则形成高铝玄武岩和碱性岩。这样,在横越岛弧或活动大陆边缘,随俯冲深度增加,由大洋向大陆方向岛弧岩浆岩显示微量元素的成分(含量、比值)极性变化,如K→Rb→Sr→Ba→Cs→P→Pb→U→Th→REE等逐渐增加,一些典型的元素对比值如B/Be、Ce/Rb、U/Zr、Th/U、Cs/Th、Ba/Th和Be/Th等也发生系统变化(图1)。这种成分极性变化是构建岩石构造环境判别图解的重要基础。

这种图解建立的基础主要有两方面,一是对岩石形成的大地构造环境(geotectonicsetting)认识的积累,二是对岩石中化学元素,特别是微量元素的准,不可。对于前者,20世纪60年代开始兴起的全球构造———板块构造学说为认识各种大地构造环境奠定了基础,而微量元素高精度、高准确度分析技术的发展为建立各种构造环境判别图解提供了大量资料。正是在这种背景下,在20世纪70年代初期(1971,1973)英国学者Pearce和Cann提出了依据化学成分限定岩浆起源的大地构造环境,建立玄武岩类的构造-岩浆判别图解(tectonicmagmaticdis-criminationdiagram)。随着分析测试技术的发展和板块构造学说应用的深入,这些图解不断补充和完善,岩石类型从不同类型的玄武岩扩大到安山岩、花岗岩和沉积岩等。表1汇总了目前为止文献中常见的各种类型岩石的微量元素构造环境判别图解。应该指出的是,同时还提出了玄武岩类(Pearceetal.,1977)和花岗岩类(Becheloretal.,1985;ManiaandPiccdi,1989)的主元素构造环境判别图解,限于篇幅,本文不予讨论。

综合分析对比Pearce及不同学者提出的不同类型岩石构造环境的各种判别图解,它们的构建主要基于下述原理。

1.1　用已知确切构造环境的岩石确定图解中相应

构造环境的区域

()

　94大地构造与成矿学

表1　不同作者提出的岩石微量元素构造环境判别图解

Table1　Summaryoftraceelementdiagramsfordiscriminatingtectonicsettings

作者*

岩石类型玄武岩玄武岩玄武岩

判别图解

Ti/100-Zr-Y×3Ti/100-Zr-Sr/2Ti-ZrZr/Y-Ti/YZr/Y-ZrHf/3-Th-TaTi/Y-Nb/YTi-V2Nb-Zr/4-Y2Nb-Zr/4-YLa/10-Y/15-Nb/8Cr-Y

Cr-Ce/Sr

K2O/Yb×10-4-Ta/Yb

区分的构造环境

第31卷　

Pearceetal.,1973

岛弧拉斑玄武岩;MORB;岛弧拉斑和钙碱性玄武岩,板内玄

武岩

岛弧玄武岩;钙碱性玄武岩;MORB火山弧玄武岩;板内玄武岩,MORB板内玄武岩;板缘玄武岩

火山弧玄武岩;MORB;板内玄武岩;MORB+火山弧;MORB+板内玄武岩板内;E型MORB;N型MORB;火山弧火山弧;板内;MORB

岛弧;大陆溢流玄武岩;洋岛及碱性玄武岩;MORB+弧后板内;N-MORB+火山弧;E-MORB;板内+火山弧板内;N型MORB+火山弧;E型MORB;板内+火山弧火山弧;弧后;大陆裂谷;E型MORB;N型MORB;火山弧;板内;MORB火山弧;板内;MORB火山弧;板内;MORB

大洋碱性玄武岩;大陆碱性玄武岩;大陆拉斑玄武岩;大洋拉斑玄武岩

大洋岛弧(低钾的和其它);大陆岛弧;安第斯型(活动陆缘)岛弧或大陆边缘;陆-陆碰撞带;大陆板内-过渡区和洋岛板内;早期+晚期洋弧;大陆弧+后碰撞弧早期洋弧;晚期洋弧板内

大陆弧;后碰撞弧板内

早期洋弧+晚期洋弧;大陆弧+后碰撞弧大陆弧;后碰撞弧早期洋弧;晚期洋弧

板内;火山弧+同碰撞+洋中脊板内;同碰撞;火山弧;洋中脊同碰撞;火山弧;板内;洋中脊同碰撞;火山弧;板内;洋中脊火山弧;碰撞;洋中脊;板内

火山弧;同碰撞;碰撞晚期-碰撞后;板内同碰撞;后碰撞;板内;火山弧;洋中脊A1:非造山,大陆裂谷或板内;A2:大陆边缘,后造山,热点同上同上同上

大洋岛弧;大陆岛弧;活动陆缘;被动陆缘大洋岛弧;大陆岛弧;活动陆缘;被动陆缘

Pearceetal.,1977Pearceetal.,1979Wood,1980Pearce,1982Shervais,1982Meschede,1986Meschede,1986Cabanisetal.,1989Pearce,1982

玄武岩玄武岩玄武岩玄武岩玄武岩玄武岩玄武岩玄武岩火山弧玄武岩

Floydetal.,1975Balley,1981

ThieblemontandTegyey,

1994

Mulleretal.,1992

碱性玄武岩-拉斑玄武岩

安山岩SiO2>55%

岩浆岩钾质火成岩钾质火成岩钾质火成岩钾质火成岩钾质火成岩

Nb/Y-Zr/P2O5×10-4La/Yb-Sc/NiNb/Zr-Zr

Zr/Al2O3-TiO2/Al2O3Zr/Al2O3-P2O5/Al2O3TiO2-Al2O3

Ce/P2O5-Zr/TiO2Y-ZrTiO2/100-La-Hf×10Zr×3-Nb×50-Ce/P2O5TiO2/10-La×10-P2O5/10Nb-YTa-YbRb-Y+NbRb-Y+TaRb/10-Hf-Ta×3Rb/30-Hf-Ta×3Rb-Y+NbRb/Nb-Y/NbSc/Nb-Y/NbNb-Y-CeNb-Y-Ga×3La-Th-ScTh-Sc-Zr/10

Mulleretal.,1992钾质火成岩钾质火成岩钾质火成岩

Pearceetal.,1984花岗岩花岗岩花岗岩

花岗岩

Harrisetal.,1986Pearce,1996Eby,1992

花岗岩花岗岩花岗岩碱性花岗岩碱性花岗岩碱性花岗岩碱性花岗岩

BhatiaandCyook,1986*相关文献见赵振华(1997).

杂砂岩

大量已知确切构造环境的、已经过详细地质、地球化学研究的岩石样品的分析数据,经统计分析建立的。因此,建立各种岩石的分析测试资料数据库,特别是构造环境确切的、无争议的岩石分析资料的大量积累,使判别图解中区域的重叠范围越来越小,判别效果越来越好,例如,Pearceetal.(1984)年提出的花

岗岩微量元素构造环境判别图是基于600个详细研究的花岗岩的化学成分数据库。

1.2　构建图解的元素选择

首先,所选择的元素是常用分析方法能够精确分析的。表1中各种图解中的微量元素都是在建立图解时能精确分析的元素,上世纪70～80年代主要

　第1期赵振华:关于岩石微量元素构造环境判别图解使用的有关问题　95

是X荧光光谱(XRF)和中子活化,特别是仪器中子活化分析(INAA)。目前,等离子体光谱(ICP-AES)和等离子体质谱(ICP-MS)方法的普遍应用,使这些图解的应用更加普遍。

以不活动的高场强(HFS)元素和稀土元素构建图解。即在所有的图解中主要是以不活动微量元素,并主要是高场强元素为基础构建。由于它们在溶液中强烈的不活动性,使它们的组合特点可以反映岩石所形成的构造环境。这些元素主要是Zr、Hf、Nb、Ta、Ti、Th、P、Y、Yb等。必须指出的是,对于花岗岩类,由于其形成过程中常常经历强烈的分离结晶(结晶分异)作用,因此在花岗岩类的判别图解中,加入了对分离结晶作用非常敏感的强不相容元素Rb。

其次,在构建图解中为了提高判别效果,即减少重叠区和多解性,往往不是单元素-单元素图,而是比值-比值图、单元素-比值图,如Ti/Y-Nb/

Y;Zr/Y-Ti/Y;La/Yb-Sc/Ni;K2O/Ta-Ta/Yb;TiO2-Y/Nb;Nb/Y-Zr/P2O5等。选择这些元素比值主要是基于它们在成岩过程中(部分熔融、分离结晶)的地球化学行为,如它们的行为非常相似,它们对部分熔融和分离结晶作用不敏感,因而可以反映源区物质特征。例如,板内玄武岩比其它类型玄武岩有较高的Ti/Y和Nb/Y比值,反映了其源区相对于MORB和火山弧玄武岩经历了地幔交代的富集作用,因此可用这些比值将板内玄武岩与MORB和火山弧玄武岩分开。而Nb/Y比值的不同可进一步区分板内不同的玄武岩,Nb则可区分N型与E型MORB。同样,Zr/Y和Ti/Y也是源区的反映。1.3　岩石的源区与其形成的构造环境密切相关岩石,特别是岩浆岩的类型及地球化学特点决定于其源区及形成过程,而源区及成岩过程与其形成的构造环境密切相关。Pearce构建的构造环境判别图解将岩石的源区与其形成的构造环境联系起来。不同构造环境的花岗岩的源区(Pearce,1996)如①洋脊花岗岩:与陆壳无相互作用的普通亏损地幔;②板内花岗岩:与陆壳不同程度的相互作用的普通富集地幔(由板内过程产生);③火山弧花岗岩:由俯冲流体加(减)与陆壳相互作用所形成富集的普通亏损地幔;④同碰撞花岗岩:由俯冲陆壳产生的流体和熔体而膨大的(augmented)地幔或地壳;⑤后碰撞花岗岩:富集地幔+广泛的地壳相互作用(通过俯冲和或/板内过程)。图2是花岗岩源区和构,图3　以Yb为标准化因子的玄武岩K-Ta判别图解

(Pearce,1982)

Fig.3　DiscrmiinationdiagramforbasaltsbaseduponK-TacovariationsbyusingYbasanormalizingfactor

　　　图2　花岗岩源区和构造环境(Pearce,1996)　　　AFC-分离结晶混染;MASH-混合岩浆,混染,分凝,均一化　Fig.2　Summaryoftherelationshipsbetweenthesource

regionsandtectonicsettingsforgraniticrocks

上述俯冲碰撞带微量元素成分极性(图1)是构建不同类型火成岩构造环境判别图解的基础。

对于火山弧玄武岩,由于其形成过程中有大量流体的参与,它们富集了在流体中富集的元素,如K、Sr、Ba、Rb、Th等,而高场强元素Ti、Nb、Ta、Zr、Hf等相对亏损,因此,常用在流体中微量元素地球化学行为的差异来区分岛弧和板内及MORB玄武岩。例如,K和Ta在玄武岩中地球化学行为差异大,流体可以使K明显富集,由此,火山弧中K/Ta比值总是高于MORB和板内玄武岩,据此,用K2O/Yb-Ta/Yb可以区分出火山弧和MORB及板内玄武岩(图3)。类似的还有Ce和Sr,当有流体存在时行为出现差异,

　96大地构造与成矿学第31卷　

Sr相对于Ce富集,因此在火山弧玄武岩中Ce/Sr比值明显较洋中脊玄武岩(MORB)降低,因而可用Cr-Ce/Sr图区别MORB和火山弧玄武岩。

一些强相容元素如Cr,是分离结晶作用的灵敏指标,它们在分离结晶过程中进入橄榄石、斜方辉石、单斜辉石和尖晶石中,由于地幔源区部分熔融程度或分离结晶历史不同,因而在火山弧玄武岩中含量明显低于MORB和板内玄武岩,Y在火山弧玄武岩中相对于其它类型玄武岩也亏损,故可用Cr-Y图解区分它们。1.4　图解的联合使用和分步骤判别

在构造环境判别图解中,不同区域常常发生重叠或在一个区域中代表两种环境,如火山弧和同碰撞,火山弧和MORB等。为解决这个问题采用了联合使用几个图解,或分步进行判别(详见下述)。

不同作者提出的岩石微量元素构造环境判别图解概括于表1中。

SiO250%±,K2O>1%,K2O/Na2O分子比<1)。由于这些岩石特殊的岩石化学和微量元素组成特点,已有的与它们相关的判别图解均不能区别出它们所

形成的特殊环境,甚至出现与实际地质情况不符的误判。例如,钾质火成岩的显著特点是富K,亏损高场强元素Ti、Nb、Ta,因而已建立的用于玄武岩的和花岗岩的图解,如Ti-Zr;Ti-Zr-Y;Ti-Zr-Sr;Zr/Y-Zr以及Hf/3-Th-Ta等是不适用的,因为在Ti-Zr和Ti-Zr-Y图解中钾质火成岩处于所确定的各种构造环境之外。Ti-Zr-Sr图解不能将产于板内环境的和产

于与俯冲有关的钾质火成岩区分开,在这种图解中多数钾质火成岩被错投于钙碱性区,后碰撞环境被错划为洋壳玄武岩。在Hf/3-Th-Ta图解中,几乎所

有钾质火成岩,即使那些已知产于板内构造的,都被错判为与俯冲有关。对于Zr/Y-Zr图解,产于大陆弧和洋内构造环境与俯冲有关的钾质火成岩被错判为洋中脊玄武岩(MORB)和板内玄武岩。基于上述,目前已建立了特殊类型岩石的构造环境判别图解(Eby,1992;Mulleretal.,1992,1997)。2.1　碱性(A型)花岗岩

碱性(A型)花岗岩是花岗岩类中重要的岩石类型。由于它产在特殊的构造环境而成为地球动力学研究的重要“岩石探针”。对于其构造环境的研究,如果用普通花岗岩类的构造判别图,它们一般落

在板内或同碰撞或火山弧,不能反映其

确切的构造环境。Eby(1992)提出了用于碱性花岗岩构造环境的判别图(图4),即Rb/Nb-Y/Nb;Sc/Nb-Y/Nb;Nb-Y-Ce;Nb-Y-3Ga等,这些元素均是碱性花岗岩非常特征的元素,如Nb、Rb、Ga、Y的明显富集。在上述图解中,碱性花岗岩被划分为A1和A2两种类型,A1型属非造山板内花岗岩,与大陆裂谷环境或地幔热点(地幔羽)有关;A2型属于后碰撞或后造山环境,一般为大陆边缘。

因此,在根据岩石化学和微量元素、稀土元素特征确定岩性属碱性花岗岩后,应采用上述图解确定其构造环境。2.2　钾质火成岩

如上述,对于已由岩石化学及微量元素等特点(K2O/Na2O分子比≥1;在SiO250%±,K2O>1%,K2O/Na2O分1,2　特殊类型岩石的判别图解

20世纪80年代以来,一些新类型的火成岩受到普遍关注,如碱性(或A型)花岗岩、橄榄玄粗岩系火成岩(Shoshonite)或钾质火成岩(Potassicigne-ousrocks,一般情况下K2O/Na2O分子比≥1;在

图4　碱性花岗岩构造环境的判别图(Eby,1992)　　　

Fig.4　Diagramsfordiscriminatingtectonicsettingsofalkaligranites