礦物微量元素組成用于火成巖構(gòu)造背景判別

趙振華(中國(guó)科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所, 廣東 廣州 510640)

礦物微量元素組成用于火成巖構(gòu)造背景判別

趙振華
(中國(guó)科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所, 廣東 廣州 510640)

火成巖中的礦物, 特別是穩(wěn)定副礦物的微量元素組成可用于火成巖構(gòu)造–巖漿背景的判別。產(chǎn)于不同構(gòu)造背景火成巖中單顆粒鋯石原位微量元素含量的準(zhǔn)確測(cè)定, 積累了大量資料。本文介紹了用鋯石微量元素含量的二維核密度分布投影, 構(gòu)建了 U/Yb-Nb/Yb、Sc/Yb-Nb/Yb和 U/Yb-Sc/Yb構(gòu)造背景判別圖解, 可以區(qū)分洋中脊、地幔柱影響的洋島及俯沖有關(guān)的弧(大陸弧)等不同構(gòu)造背景形成的火成巖。單斜輝石、尖晶石、黑云母和角閃石的微量元素或主量元素組成同樣可用于構(gòu)造背景識(shí)別。

構(gòu)造背景判別; 微量元素; 鋯石; 單斜輝石; 尖晶石; 黑云母; 角閃石

盡管用巖石微量元素識(shí)別用于構(gòu)造背景的判別圖存在較多爭(zhēng)議, 但用微量元素判別基性巖漿巖構(gòu)造背景仍取得了較明顯的進(jìn)展(Vermeesch, 2006a, 2006b; 趙振華, 2007; Pearce 2014; Li et al., 2015)。主要包括以下三個(gè)方面:

第一是大量、精確的主、微量元素?cái)?shù)據(jù)的積累。隨著電子探針?lè)治黾夹g(shù), 特別是激光等離子體質(zhì)譜(LA-ICP-MS)技術(shù)的快速發(fā)展, 基性巖全巖(包括單顆粒礦物, 特別是鋯石原位)微量元素含量的準(zhǔn)確測(cè)定積累了大量數(shù)據(jù), 建立了典型巖石類型的數(shù)據(jù)庫(kù),如 PETDB和 GEOROC數(shù)據(jù)庫(kù)(網(wǎng)址: http: //www. earthchem.org/petdb和 http: //www.rankinsider.com/ georoc.mpch-mainz.gwdg.de), 大大拓寬了全巖微量元素組成判別火成巖形成構(gòu)造背景方法的適應(yīng)范圍, 特別是為遭受蝕變巖石的構(gòu)造背景恢復(fù)提供了新的工具(Grimes et al., 2007, 2015; Gonzalez-Jimenez et al., 2012)。

第二是更有效地運(yùn)用多變量統(tǒng)計(jì)分析方法。在發(fā)表的有關(guān)玄武巖構(gòu)造背景的傳統(tǒng)判別圖解中, 不同構(gòu)造背景分類之間界線的確定往往是用兩個(gè)或三個(gè)變量數(shù)據(jù), 不是數(shù)值化的, 在統(tǒng)計(jì)上不嚴(yán)格, 由此劃分的界線常常是不準(zhǔn)確的、或有較大重疊。例如, 為了將玄武巖構(gòu)造背景的判別分析建立在更嚴(yán)格的基礎(chǔ)上, Vermeesch (2006a, 2006b)收集了45種共756件已知構(gòu)造背景的、有全巖主、微量元素定量分析數(shù)據(jù)的海洋玄武巖樣品(洋島玄武巖259件、洋中脊玄武巖241件、島弧玄武巖256件), 建立了分類樹。分類和回歸樹(classification and regression tree, CART)是用一個(gè)分段常值函數(shù)采用了更嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)方法——線性判別分析和二次判別分析。所選擇的數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)分析前均轉(zhuǎn)換為對(duì)數(shù)比值(不是直接用該成分的含量)。判別分析是假定多變量正態(tài)性(multivariate normality), 如果所有的構(gòu)造背景分類具有相同的協(xié)方差結(jié)構(gòu), 則所確定的分類界線是線性的, 稱為線性判別分析(linear discriminant analysis, LDA), 與此相反則為二次判別分析(quadratic discriminant analysis, QDA)。用上述方法產(chǎn)生了 14190個(gè)三元判別圖解, 對(duì)它們的窮舉分析(exhaustive exploration)獲得了最好的線性和二次判別圖解, 分別是不活動(dòng)元素 Ti-V-Sc和 Ti-V-Sm三元圖解。上述方法減少了判別分析的錯(cuò)判, 判別函數(shù)是線性結(jié)合, 它使不同構(gòu)造背景分類之間相對(duì)于每一類型內(nèi)部的變化最大化。Belousova et al. (2002)根據(jù)鋯石的稀土和微量元素含量和組成, 采用遞歸分割法(recursive partitioning, 簡(jiǎn)稱RP法), 該方法關(guān)鍵是選擇節(jié)點(diǎn), 或稱根節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)、葉節(jié)點(diǎn), 進(jìn)而建立決策樹或決定樹。構(gòu)建判別不同類型巖漿巖的分類樹(classification and regression trees)。本文介紹的不同構(gòu)造?巖漿背景鋯石微量元素判別圖則是用其微量元素的二維核密度分布投影(詳見(jiàn)下述)。與上述分類樹類似, 對(duì)于一些特殊類型的火成巖建立了一組圖解, 使用這些判別圖解時(shí)需按一定流程(flow-chart)進(jìn)行, 如對(duì)于鉀質(zhì)火成巖(Müller and Groves, 1997)。

第三是用礦物, 特別是穩(wěn)定副礦物的、而不是全巖的微量元素組成構(gòu)建構(gòu)造?巖漿背景判別圖解。

本文重點(diǎn)介紹火成巖中一些造巖礦物和副礦物(特別是鋯石)微量元素組成在構(gòu)造背景判別中的應(yīng)用。

1　鋯　石

鋯石是倍受關(guān)注的遍在性礦物, 從地殼巖石到地幔包體、月巖及隕石中都有鋯石存在。鋯石還是化學(xué)上很穩(wěn)定的礦物, 在風(fēng)化、搬運(yùn)過(guò)程, 甚至在變質(zhì)和深熔過(guò)程都可保持化學(xué)上的穩(wěn)定。因此, 火成巖中鋯石U-Pb被廣泛用于定年, 特別是激光等離子體質(zhì)譜的單顆粒礦物定年技術(shù)的發(fā)展, 使鋯石成為巖漿巖U-Pb定年的最重要對(duì)象, 積累了大量年齡數(shù)據(jù)。而在鋯石用于U-Pb定年的同時(shí), 其單顆粒原位微量元素含量的準(zhǔn)確測(cè)定更提供了探討晶出鋯石的巖漿源區(qū)和成巖過(guò)程的重要地球化學(xué)信息。

1.1鋯石的稀土及微量元素地球化學(xué)特點(diǎn)

強(qiáng)烈富集重稀土和明顯的 Ce正異常是巖漿鋯石的典型特征, 這種特點(diǎn)主要受控于晶出鋯石的巖漿巖成分以及鋯石的稀土和微量元素分配系數(shù)。

不同類型巖漿巖中鋯石的稀土和微量元素含量和組成有明顯區(qū)別, 如: 金伯利巖中的鋯石稀土總量低(<50×10-6), 重稀土富集程度也較低, (Yb/Sm)N= 3～30; 但花崗巖中鋯石稀土含量可達(dá)百分之幾, 重稀土富集程度很高, (Yb/Sm)N>100。因此可根據(jù)鋯石稀土元素組成特點(diǎn)區(qū)分源區(qū)的特征(表1)。

鋯石稀土分配系數(shù)明顯與形成鋯石的巖漿成分有關(guān), 硅不飽和堿性巖中鋯石的稀土分配系數(shù)最高,而基性巖最低, 中性巖、酸性巖居中(Hanchar and Westrenen, 2007)。

表1　不同類型火成巖鋯石的稀土元素組成Table 1　REE composition of zircon from different type of igneous rocks

稀土元素在鋯石(ZrSiO4)中的分配系數(shù)還受控于其晶體化學(xué)(離子半徑及電荷)特點(diǎn)。鋯石中稀土元素的進(jìn)入是基于與鋯石等結(jié)構(gòu)的“磷釔礦式”(YPO4)置換:

稀土元素中重稀土元素Lu3+離子半徑為0.0977 nm, Y3+為 0.1019 nm; 輕稀土元素 La的離子半徑為0.116 nm, 而8配位的Zr4+離子半徑為0.084 nm, 因此, 重稀土元素離子與 Zr4+離子半徑更接近, 更容易進(jìn)入鋯石晶格, 導(dǎo)致鋯石中強(qiáng)烈富集重稀土, 這明顯反映在分配系數(shù)上。Hanchar and Westrenen (2007) 綜合了自然界火山巖和熔體包裹體樣品及由高溫高壓實(shí)驗(yàn)研究所獲得的鋯石的稀土元素分配系數(shù)(圖1), 其特點(diǎn)是: 重稀土(HREE)分配系數(shù)明顯高于輕稀土(LREE), 在一個(gè)樣品中 DLu比 DLa高 1～5個(gè)數(shù)量級(jí); 不同類型巖石之間鋯石稀土分配系數(shù)差別大, 對(duì)于輕稀土變化達(dá) 4個(gè)數(shù)量級(jí), 而重稀土變化相對(duì)較小, 為2個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于其他微量元素, 重要的是U、Th、Nb和Sc。U4+、Th4+與Zr4+電價(jià)相同, 八配位Th4+離子半徑為1.0 ?, 八配位的U更大,離子半徑為1.04 ?, 因此鋯石對(duì)它們的相容性比Hf4+低。Hf、U和 Th與鋯石可形成等結(jié)構(gòu)的固溶體: HfSiO4、USiO4和ThSiO4, 但這種固溶體是非理想的、有較大不混溶間斷(Finch and Hanchar, 2003; Geisler et al., 2007)。鋯石對(duì)U和Yb的分配系數(shù)相近, 分別為254和278。Sc和Nb進(jìn)入鋯石的置換方式是:

上述不同稀土元素分配系數(shù)之間的差異可從其離子半徑及相關(guān)晶格變化得到解釋。在鋯石中稀土元素分配系數(shù)對(duì)離子半徑的 Onuma圖解中, 從 Lu到La構(gòu)成簡(jiǎn)單拋物線(圖 1), 該曲線頂部是最佳被置換的 Zr4+的位置, 從曲線上稀土元素的排列順序可以看出, 重稀土特別是Lu最先置換Zr4+。從圖上還可以看出Ce明顯偏離拋物線, 反映在鋯石Ce的分配系數(shù)DCe明顯高于其相鄰輕稀土元素La和Pr或Nd, 形成顯著Ce正異常。這是由于在氧化條件下 Ce3+氧化成 Ce4+,它與 Zr4+電價(jià)相同, 在置換時(shí)不需電價(jià)補(bǔ)償, 而且, Ce4+的半徑(6配位為 0.087 nm, 8配位為 0.097 nm)比Ce3+更近于Zr4+, 因而比其他LREE更容易進(jìn)入鋯石晶格而形成 Ce正異常。此外, DCe偏離拋物線的程度可作為鋯石生長(zhǎng)過(guò)程中氧化狀態(tài)的指標(biāo)。

圖1　鋯石–熔體稀土分配系數(shù)與離子半徑和熔體成分關(guān)系的Onuma圖解(引自Hanchar and Westrenen, 2007)Fig.1　Onuma diagrams showing zircon-melt REE partition coefficients as a function of REE ion radius

1.2不同源區(qū)巖漿巖鋯石的稀土與微量元素組成

由于鋯石對(duì)重稀土元素的強(qiáng)烈選擇性, 很多巖石中鋯石的稀土含量發(fā)生明顯重疊, 因此難以區(qū)分開(kāi)不同源區(qū)的鋯石。由上述, U與Yb在鋯石中分配系數(shù)相近, 因此, 鋯石的 U/Yb可反映鋯石晶出時(shí)熔體的特點(diǎn)。但是, Nb和Sc在鋯石中的分配系數(shù)變化范圍很大(DNb: 0.2～21; DSc: 2～70), 可達(dá)≥10倍。因此, Grimes et al. (2007, 2015)用鋯石中微量元素U/Nb比值及它們與稀土元素的比值(U/Yb, U/Nb或 Nb/Yb)進(jìn)行不同類型鋯石比較, 這可以使由溫度造成的分配系數(shù)變化導(dǎo)致的濃度改變最小化。對(duì)采自緩慢擴(kuò)張中的大西洋和南印度洋洋脊的 36個(gè)輝長(zhǎng)巖中的300個(gè)鋯石顆粒, 以及1700多個(gè)采自大陸太古宙到顯生宙花崗巖類、金伯利巖和阿拉斯加Talkeetna 島弧石英閃長(zhǎng)巖和英云閃長(zhǎng)巖巖墻的鋯石進(jìn)行了微量元素和 REE元素分析(用 SHRIMPRG離子探針?lè)治?。用 U-Yb、U/Yb-Hf或Y; Th-Yb; Th/Yb-Hf 或Y、P對(duì)上述鋯石作圖(圖 2), 可以將洋殼輝長(zhǎng)巖的鋯石與大陸巖石中的鋯石明顯區(qū)分開(kāi)。雖然對(duì)于同一樣品中的U、Th、Yb的絕對(duì)含量可以有數(shù)量級(jí)的變化, 但洋殼巖石的鋯石 U/Yb比值平均為 0.18, 大陸巖石鋯石平均為 1.07, 金伯利巖為 2.1。這種變化與含這些鋯石的全巖 U/Yb比值一致, 洋中脊玄武巖 MORB平均為 0.01～0.1 (Klein, 2003), 大陸殼平均為0.7(Rudnick and Gao, 2003), 金伯利巖為4～6(Farmer, 2003)。阿拉斯加島弧巖石的鋯石與洋殼巖石的鋯石明顯不同, 但與大陸巖石鋯石重疊, 一些海洋島弧熔巖全巖與MORB明顯重疊, 由此推測(cè)大陸溢流玄武巖和大洋島弧玄武巖中的鋯石與洋殼巖石鋯石相似。

由上述可見(jiàn), 在構(gòu)筑判別圖解的參數(shù)選擇中, U/Yb是很重要的參數(shù), MORB中鋯石低的U/Yb比值(<0.10)反映了它們的母巖漿及MORB地幔長(zhǎng)期的不相容元素的虧損, 它明顯不同于其他構(gòu)造背景的鋯石。但U/Yb>0.1則不是唯一的, 它包括了多種構(gòu)造背景的鋯石。因此, 需采用包括 U-Nb-Sc-Yb-Gd-Ce等多種陽(yáng)離子的雙變量圖解(Grimes et al., 2015)。例如, 在 U/Yb-Nb/Yb圖解中(實(shí)質(zhì)是鋯石的 U/Nb比值), 包含了多數(shù)MORB、洋島和金伯利巖鋯石的陰影區(qū), 形成了明顯的地幔鋯石排列, 其上部邊界的Nb/Yb和U/Yb值分別為0.004, 0.02和1.0, 10。而巖漿弧和后碰撞大陸鋯石則形成了排列之外的、高U/Yb比值的與之平行的巖漿弧排列(圖3)。

圖2　區(qū)分大陸和海洋鋯石的U/Yb-Hf (a)和U/Yb-Y (b)圖解(Grimes et al., 2007)Fig.2　Plots of U/Yb vs. Hf (a), and U/Yb vs. Y (b) for discrimination of continental and ocean crust zircons

圖3　用U/Nb代表火成巖鋯石的構(gòu)造?巖漿源(Grimes et al., 2015)Fig.3　U/Nb proxy for tectono-magmatic source of igneous zircon

受地幔柱影響的洋島鋯石與MORB的明顯區(qū)別是U/Yb、U/Nb和Nb/Sc比值高; 對(duì)于U/Yb>0.1的鋯石, 高 Sc/Yb可以將弧背景與低 Sc/Yb的受地幔柱影響的洋島區(qū)分開(kāi)。鋯石中Sc的富集可能反映了熔體分異過(guò)程中角閃石的卷入, 進(jìn)而反映了拉斑質(zhì)與鈣堿質(zhì)巖漿系統(tǒng)源區(qū)成分的差異。

1.3鋯石稀土與微量元素組成對(duì)不同構(gòu)造?巖漿背景的判別

基于上述火成巖中鋯石微量元素與其源區(qū)及成巖過(guò)程的密切和復(fù)雜關(guān)系, Grimes et al. (2015)對(duì)鋯石微量元素組成開(kāi)展了更系統(tǒng)的研究, 收集了5438個(gè)普通構(gòu)造?巖漿背景產(chǎn)出的火成巖中鋯石SHRIMP-RG分析的微量元素?cái)?shù)據(jù), 包括洋中脊 MOR(大西洋中脊MAR; 西南印度洋脊SWIR; 東太平洋洋隆EPRS)、巖漿弧、大陸碰撞帶和地幔柱影響的洋島; 時(shí)代主要為中生代?新生代。用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)這些資料進(jìn)行了計(jì)算, 統(tǒng)計(jì)參數(shù)包括平均值、中值、均方差(1σ)、偏態(tài)、峰態(tài)、第一四分位數(shù)(quartile)和第三四分位數(shù)。表2中給出了不同構(gòu)造背景火成巖中鋯石微量元素含量及U、Th、Ce、Gd、Nb和Sc與Yb的比值及U/Nb比值的平均值、中值、方差和樣品數(shù)。

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)資料, Grimes et al. (2015)構(gòu)筑了不同構(gòu)造?巖漿背景的鋯石微量元素判別圖解, 這些圖解包括U/Yb-Nb/Yb、Sc/Yb-Nb/Yb和 U/Yb-Sc/Yb (圖4), 圖中坐標(biāo)均為對(duì)數(shù)值(lg)。圖解中陰影區(qū)是所收集的不同構(gòu)造?巖漿背景鋯石微量元素的二維核密度分布投影。等值線分別為 50%、80%、90%和95%, 它們代表了該等值線內(nèi)樣品所占的比例。該密度投影是用二維核密度函數(shù)(kde2d)的 R程序, 即用軸平行(axis-aligned)二元正態(tài)核(bivariated normal kernel)計(jì)算, 用方格網(wǎng)(square grid)評(píng)價(jià)的二維核密度。所產(chǎn)生的構(gòu)造背景圖解中, 洋中脊、地幔柱影響的洋島及俯沖有關(guān)的弧背景明顯分布在不同區(qū)域,每一種背景中的近 80%～90%數(shù)據(jù)都投影于圖中所限定的相應(yīng)區(qū)域中。

圖4　不同構(gòu)造?巖漿背景鋯石微量元素地球化學(xué)標(biāo)志的密度分布圖(Grimes et al., 2015)Fig.4　Density distribution plots of tectono-magmatic setting based on trace elements in igneous zircon

在使用上述圖解時(shí)應(yīng)注意的是, Grimes et al. (2015)用鋯石微量元素成分判別構(gòu)造?巖漿背景的圖解是基于現(xiàn)代到中生代的火成巖中的鋯石, 而且對(duì)古生代火成巖的鋯石也做了檢驗(yàn), 其結(jié)果基本一致,但如果擴(kuò)展到前寒武紀(jì)應(yīng)當(dāng)非常小心。此外, 用于構(gòu)建構(gòu)造背景判別圖解的鋯石微量元素資料均來(lái)自SHRIMP-RG分析方法, 不同實(shí)驗(yàn)室之間的數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行所分析標(biāo)樣的校正。判別圖中不同區(qū)域之間界線的絕對(duì)值可能有些移動(dòng), 但其空間關(guān)系不會(huì)變化。此外, 應(yīng)綜合采用有 U、Yb、Nb、Sc、Ce和Gd建立的多變量圖解, 不要僅依據(jù)單一圖解。在鋯石微量元素分析中, 應(yīng)特別注意Nb、Sc的分析必須準(zhǔn)確定量測(cè)定, 因?yàn)檫@兩個(gè)元素容易受占鋯石 50%多的Zr的同量異位效應(yīng)的干擾。

2　單斜輝石

單斜輝石的化學(xué)成分隨著其寄生火成巖巖石的化學(xué)成分而變化, 對(duì)于單斜輝石的斑晶更為明顯。不同類型玄武巖的單斜輝石斑晶成分之間的差別比相應(yīng)的基質(zhì)成分之間的差別更大。該特征被用作識(shí)別不同構(gòu)造背景的判別要素, 同時(shí)也提供了判別蝕變巖石構(gòu)造背景的可靠手段, 因?yàn)槲g變巖石的單斜輝石斑晶核心的化學(xué)成分可能沒(méi)有變化(Rollinson, 1993)。Leterrier et al. (1982)對(duì) Nisbet and Pearce (1977)提出的單斜輝石MnO-TiO2-Na2O含量判別圖解進(jìn)行了修改完善, 構(gòu)筑了新的 Ti-Cr-Ca-Al-Na投影圖解, 其圖解是根據(jù)一系列更大數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)的Ti、Cr、Ca、Al和Na資料而完成的(圖5)。Leterrier et al. (1982)提出的三個(gè)圖解可以區(qū)別堿性玄武巖、擴(kuò)張中心拉斑玄武巖和島弧玄武巖。單斜輝石分析數(shù)據(jù)按六個(gè)氧進(jìn)行晶體化學(xué)計(jì)算, 換算出陽(yáng)離子數(shù),并且只用那些Ca原子數(shù)大于0.5(每個(gè)單斜輝石分子中)的分析數(shù)據(jù)。為了提供計(jì)量比例, 進(jìn)行了 Fe3+和Fe2+的計(jì)算(見(jiàn)Cameron and Papike, 1981)。第一個(gè)圖解(圖 5a)利用 Ti-(Ca+Na)投影, 區(qū)分堿性玄武巖(A: 大洋島和大陸堿性玄武巖)和拉斑玄武巖及鈣堿性玄武巖(T)。第二個(gè)圖解(圖 5b)是(Ti+Cr)-Ca的投影, 區(qū)分非堿性玄武巖及非造山玄武巖(D: MORB, 大洋島拉斑玄武巖和弧后盆地拉斑玄武巖)與火山弧玄武巖(O)。第三個(gè)圖解(圖5c)是Ti-Al總的投影圖解, 區(qū)分火山弧玄武巖和鈣堿性玄武巖(C)與島弧拉斑玄武巖(I)。

這些圖解不能只用一個(gè)單斜輝石的分析數(shù)據(jù); Leterrier et al. (1982)推薦的最少不得少于10個(gè)分析數(shù)據(jù)。如用20個(gè)分析數(shù)據(jù)投影到圖解上將會(huì)獲得更可靠的結(jié)果。此方法甚至可以應(yīng)用于綠片巖相的變基性巖,其中的單斜輝石成分可能經(jīng)受了變質(zhì)反應(yīng)的調(diào)整。

Le Bas (1962)曾用單斜輝石的四面體中Al所占比例Al總與Ti含量關(guān)系劃分鎂鐵巖漿系列。Loucks (1990)認(rèn)為, 單斜輝石的 Al總與Ti關(guān)系可用于區(qū)分不同構(gòu)造環(huán)境的鎂鐵–超鎂鐵巖石, 其依據(jù)是在非造山區(qū)(如洋中脊, 弧后盆地、大陸裂谷、熱點(diǎn))的拉斑玄武質(zhì)和硅不飽和巖石中, 單斜輝石晶格結(jié)合的Al大部分是通過(guò)電荷補(bǔ)償VIMgIVSi2=VITiIVAl2, 以CaTiAl2O6分子形式進(jìn)入單斜輝石。這種置換方式由于在熔體中 Ti的活度比Si高, 在硅不飽和鎂鐵-超鎂鐵巖石中更為典型。在匯聚板塊邊緣(拉斑玄武巖、鈣堿性輝長(zhǎng)巖和玄武巖), 鎂鐵質(zhì)火成巖的特點(diǎn)是大部分Al以CaFe3+AlSiO6分子結(jié)合在單斜輝石中,置換方式是VIMgIVSi2?VIFe3+IVAl, 這是由于在島弧軸部水和氧的逸度高。將輝長(zhǎng)巖和超鎂鐵巖堆積巖的輝石中四面體Al對(duì)八面體中的Ti作圖, 可見(jiàn)與島弧有關(guān)的堆積巖中的單斜輝石 Al/Ti比值比與裂谷有關(guān)的拉斑玄武巖中的單斜輝石高, 約為其兩倍。因此,單斜輝石 Al/Ti比值可用于區(qū)分造山帶中蛇綠巖質(zhì)和非蛇綠巖質(zhì)的鎂鐵–超鎂鐵外來(lái)體。我們用這種方法對(duì)新疆克拉瑪依地區(qū)晚石炭世哈圖玄武巖的形成構(gòu)造背景進(jìn)行了討論(Tang et al., 2012, 圖6), 該玄武巖具有與大洋高原玄武巖相似的地球化學(xué)特點(diǎn), 其輝石的Al總對(duì)TiO2含量作圖分布于島弧和裂谷之間區(qū)域, 并從島弧趨勢(shì)偏向裂谷。結(jié)合該區(qū)早石炭世典型島弧環(huán)境及與哈圖玄武巖同時(shí)期的埃達(dá)克巖的存在, 認(rèn)為哈圖玄武巖形成于島弧和伸展的雙重背景, 與洋內(nèi)弧中洋脊俯沖形成的板片窗有關(guān)。

圖5　玄武巖的單斜輝石斑晶對(duì)構(gòu)造背景的Ti-(Ca+Na), (Ti+Cr)-Ca和Ti-Al總判別圖解(據(jù)Leterrier et al., 1982)Fig.5　Discrimination diagrams for clinopyroxene phenocrysts in basalts

3　尖 晶 石

尖晶石的化學(xué)成分對(duì)于其母巖漿的地球化學(xué)非常靈敏, 是其母巖漿形成的構(gòu)造背景的函數(shù), 因此,尖晶石的Cr、Al、Fe、Mg和Ti的比值廣泛用于識(shí)別其母巖漿性質(zhì)和鉻鐵巖形成的構(gòu)造背景。然而,不同構(gòu)造背景形成的鉻鐵巖中尖晶石在 Cr-Al-Fe2+, (Cr/(Cr+Al))/(Mg/(Mg+Fe2+)), TiO2-Al2O3, TiO2-Cr2O3等圖解中出現(xiàn)大量重疊。Gonzalez-Jimenez et al. (2012)用LA-ICP-MS對(duì)已知構(gòu)造背景的鉻鐵巖中的尖晶石進(jìn)行微量元素分析, 并以MORB中的尖晶石為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行作圖, 發(fā)現(xiàn)可以清楚地將科馬提巖、層狀鎂鐵質(zhì)侵入體及蛇綠巖區(qū)分開(kāi)。蛇綠巖中的尖晶石以富Ni、Mg而與虧損Ni、Mg的科馬提巖、層狀鎂鐵質(zhì)侵入體中的尖晶石區(qū)分開(kāi), 層狀鎂鐵質(zhì)侵入體中的尖晶石則明顯富集Sc、V而與科馬提巖蛇綠巖中的尖晶石相區(qū)分(圖7)。

圖6　克拉瑪依哈圖玄武巖單斜輝石Al總-TiO2與構(gòu)造背景關(guān)系(據(jù)Tang et al., 2012修改自Loucks, 1990)Fig.6　Plot of Al總vs. TiO2in clinopyroxene for tectonic settings

4　黑 云 母

在Debon and Le Fort (1983)提出的侵入體化學(xué)?礦物分類中, 提出了特征礦物(characteristic mineral diagram)圖解, 圖解由參數(shù) A=Al?(K+Na+2Ca); B= (Fe+Mg+Ti)和礦物分類組成。該圖解包含了對(duì)火成巖含Al特點(diǎn)和對(duì)其礦物學(xué)的解釋, 它將火成巖劃分為鈣鐵鎂質(zhì)(cafemic, 主要或全部源于地幔)、Al質(zhì)(主要或全部源于陸殼深熔)及鈣鐵鎂質(zhì)?Al質(zhì)過(guò)渡三種類型。這種特征礦物圖解包含了巖石所固有的構(gòu)造背景信息。據(jù)此, 對(duì)堿性、鈣堿性和過(guò)鋁質(zhì)巖漿中的325個(gè)黑云母典型成分進(jìn)行了分析(Abdel-Rahman, 1994), 其典型特點(diǎn)是堿性非造山系列巖漿巖中黑云母富鐵, 為鐵云母, FeO*/MgO平均值為7.04; 過(guò)鋁質(zhì)系列巖漿巖的黑云母親鐵, FeO*/MgO平均值為 3.48;鈣堿系列黑云母富鎂, FeO*/MgO平均值為1.76。

根據(jù)上述不同構(gòu)造背景巖漿巖中黑云母成分的顯著差異, 用FeO*-MgO, FeO*-Al2O3, Al2O3-MgO和Al2O3-MgO-FeO*分別作圖(式中 FeO*=[FeO+(Fe2O3×0.89981)]), 在這些圖解中可劃分出伸展(堿性)、俯沖有關(guān)(鈣堿性)和碰撞(過(guò)鋁質(zhì))等不同構(gòu)造背景的分布區(qū)。對(duì)這些圖解中堿性、鈣堿性和過(guò)鋁質(zhì)巖漿巖分布區(qū)進(jìn)行線性統(tǒng)計(jì)分析, 獲得了兩個(gè)線性判別函數(shù), 分別為:

式中變量為對(duì)數(shù)比轉(zhuǎn)換(log-ratio transformation), 不是重量百分(有關(guān)對(duì)數(shù)比轉(zhuǎn)換方法原理可參考文獻(xiàn):周蒂, 1988, 1998)。用上述判別函數(shù)F1對(duì)F2作圖(圖8), 圖中劃分出A、C和P三部分, 分別代表伸展背景(堿性)、俯沖有關(guān)背景(鈣堿性)和碰撞背景(過(guò)鋁質(zhì)),相應(yīng)的判別準(zhǔn)確率分別為89%、91%和95%。該圖解與火成巖全巖主、微量元素構(gòu)造背景判別圖相結(jié)合,可以更準(zhǔn)確地判斷火成巖形成的構(gòu)造背景。

圖7　以MORB中尖晶石為標(biāo)準(zhǔn)的不同構(gòu)造背景鉻鐵巖中的尖晶石主、微量元素圖解(據(jù)Gonzalez-Jimenez et al., 2012)Fig.7　Profiles of major and trace elements of spinel in eh chromitites from different tectonic settings normalized to composition of spinel of MORB

5　角 閃 石

不同構(gòu)造背景形成的角閃石對(duì)Nb、Ta的富集程度有明顯差異。Coltorfi et al. (2007)研究了來(lái)自巖石圈不同地幔區(qū)地幔包體的角閃石, 發(fā)現(xiàn)它們的微量元素，特別是高場(chǎng)強(qiáng)元素含量明顯不同： 產(chǎn)于俯沖帶上方角閃石(S 型)相對(duì)虧損 Nb(含量<10×10?6), Ti/Nb 和Zr/Nb比值高于球粒隕石, 而產(chǎn)于板內(nèi)的角閃石(I型)富集 Nb(含量在10×10?6～100×10?6), Ti/Nb, Zr/Nb低于球粒隕石。因此, 角閃石是了解俯沖帶上方流體、熔體交代特點(diǎn)的重要工具, 角閃石 Zr/Nb比值以及Zr/Nb-Ti/Nb, Zr/Nb-Ti/Zr作圖可以區(qū)分與不同構(gòu)造背景有關(guān)的、受多期交代的地幔區(qū)很有效(圖9)。

圖 8　不同構(gòu)造背景火成巖中黑云母成分判別圖解(Abdel-Rahman, 1994)Fig.8　Discrimination diagram of two linear discriminant functions of biotite in different tectonic settings

圖 9　區(qū)分板內(nèi)和俯沖帶上方角閃石的 Zr/Nb-Ti/Nb(a)和Zr/Nb-Ti/Zr(b)圖解(據(jù)Coltorfi et al., 2007)Fig.9　Zr/Nb vs. Ti/Nb (a) and Zr/Nb vs. Ti/Zr (b) diagrams for intraplate and suprasubduction amphiboles

6　結(jié)　語(yǔ)

火成巖中的礦物, 特別是穩(wěn)定副礦物微量元素地球化學(xué)的研究, 為探討火成巖(特別是蝕變的火成巖)構(gòu)造–巖漿背景提供了新的途徑, 可以預(yù)料, 隨著單顆粒礦物原位微量元素準(zhǔn)確測(cè)定技術(shù)的發(fā)展和資料的大量積累, 火成巖形成構(gòu)造背景的地球化學(xué)研究水平將迅速提高。

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Discrimination of Tectonic Settings Based on Trace Elements in Igneous Minerals

ZHAO Zhenhua
(Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Tectonic settings of igneous rocks can be discriminated based on trace element geochemistry of their constitute minerals, particular the stable accessory minerals. In-situ analyses of trace element contents of minerals in igneous rocks have been compiled and applied to set up a group of discrimination diagrams for tectonic settings. Density distribution plots were created with two-dimensional kernel of trace elements in igneous zircon which present U/Yb-Nb/Yb, Sc/Yb-Nb/Yb and U/Yb-Sc/Yb diagrams. These diagrams are effective for distinguishing the mid-ocean ridge (MOR), magmatic arc (continental arc) and ocean island (and other plume-influenced) settings. Tectonic setting discrimination using clinopyroxene, spinel, biotite and amphibole are also introduced.

tectonic setting discrimination; trace elements; zircon; clinopyroxene; spinel; biotite; amphibole

P595

A

1001-1552(2016)05-0986-010

10.16539/j.ddgzyckx.2016.05.008

2016-03-11; 改回日期: 2016-03-28

項(xiàng)目資助: NSFC-新疆聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U1203291)和國(guó)家自然科學(xué)基金(41273056)聯(lián)合資助。

趙振華(1942–), 男, 研究員, 地球化學(xué)專業(yè)。Email: zhzhao@gig.ac.cn