区域和造山带构造地球化学研究

第二章区域和造山带构造地球化学研究——地球化学进展课程2002年8月一、本领域研究发展概况•上世纪60年代中板块构造学说兴起，使地质学家视野首次扩大到全球，甚至整个太阳系。这带动了地学各学科思维体系的革命，并使地球化学研究全面地向地球、太阳系、宇宙的扩展。大地构造的地球化研究是一个方面得体现，其发展概况如下：1.简史：上世纪60—70年代，集中研究近代各类板块构造环境中岩石的地球化学特征及形成机制，探索构造环境地球化学判别的标志、方法和图解，工作集中于洋域及其周边。70年代中以来，研究逐步向大陆区域和造山带发展。通过蛇绿岩、火山岩、花岗岩、沉积岩和变质岩等形成构造环境的地球化学判别，进而探索构造性质、格局和演化。这已经成为现今地球化学研究区域和造山带构造的常规内容2.存在问题：•虽然这种构造地球化学研究已作出许多重要成果与贡献，但由于大陆发展的长期和复杂性，这种研究途径的本身和应用上尚有待改进和完善；•在大陆构造研究方面地球化学的理论和方法的潜力还远未得到发挥，需不断开发和挖掘；•要解决地球化学如何通过区域和造山带构造研究揭示大陆动力学的问题。3.课程安排（1）本章论述如何改进提高通过岩石形成构造环境的地球化学判别，进而探索区域和造山带构造发展问题；（2）第三章讨论如何开发地球化学理论与方法，尤其将研究壳幔组成和演化的理论和方法用于大地构造研究的问题（由区域壳幔系统约束区域构造）；（3）第四章论述化学地球动力学与大陆动力学研究的问题。二、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。这些问题常常导致误判。如何改进，以下几点值得注意。（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：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。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。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。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。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。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。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。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。6.这里所讨论的构造环境是自大约1.8Ga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。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。（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。（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)N1(6.6~13.6),Ti≈Ta;Th/Yb、Ta/Yb、Ba/Nb、Ba/Th、Ba/La等偏高，Zr/Nb偏低。（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。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εNd(0)介于+8~+12；OIB和E-MORB来自地幔柱源，其现今εNd(0)介于+10~-2；而岛弧玄武岩的εNd(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。（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图4松树沟变拉斑玄武岩Nb/Th-Nb(a)和NbN-ThN-LaN(b)图解(据Jochumetal.,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.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.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。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.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ε