桂西地區(qū)龍川基性巖地球化學(xué)特征:峨眉山地幔柱引起地幔源區(qū)低程度熔融的產(chǎn)物

丁姍姍,劉 磊,劉希軍,王葆華,李政林,胡榮國,潘羅忠,戴 昱,廖 帥

(1.桂林理工大學(xué) a.廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b.廣西有色金屬隱伏礦床勘查及材料開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541006；2.廣西壯族自治區(qū)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究院,廣西 桂林 541003)

位于揚(yáng)子板塊西南緣的桂西地區(qū)分布著大面積的晚古生代基性巖，這些基性巖多呈層狀或似層狀小巖體產(chǎn)出, 其巖石學(xué)、地球化學(xué)特征等與同時(shí)代峨眉山玄武巖存在一定的相似性，并認(rèn)為桂西地區(qū)晚古生代基性巖可能是峨眉山大火成巖省外部帶東南端的組成部分[1-4](圖1)。 文獻(xiàn)[5-9]研究認(rèn)為，桂西地區(qū)晚古生代基性巖是峨眉山地幔柱巖漿與特提斯洋巖漿相互作用的產(chǎn)物, 地幔對流使得部分地幔柱巖漿流入特提斯洋島弧-弧后盆地巖漿體系中, 發(fā)生地幔柱巖漿和島弧巖漿混合而形成桂西地區(qū)基性巖,桂西地區(qū)基性巖可能與古特提斯洋內(nèi)熱點(diǎn)或者地幔柱巖漿活動(dòng)有關(guān)。

目前，對于桂西地區(qū)基性巖的巖性特征、巖石成因及其所揭示的構(gòu)造背景的研究還不夠深入,尤其是其成因與峨眉山地幔柱的關(guān)系還有待從不同角度進(jìn)行探討。本文選擇研究程度較低的桂西地區(qū)晚古生代龍川基性巖進(jìn)行巖石學(xué)及地球化學(xué)研究,以期為上述問題的解決提供不同的研究資料和思路。

1 地質(zhì)背景

桂西地區(qū)位于揚(yáng)子板塊西南緣南華活動(dòng)帶西側(cè)、右江斷裂帶北東側(cè),東面與都陽山凸起相接,構(gòu)造單元范圍從大到小為:華南板塊(一級(jí))、 南華活動(dòng)帶(二級(jí))、 右江盆地(三級(jí))。 該地區(qū)還處于峨眉山大火成巖省的外部帶(圖1a)。 桂西晚古生代基性巖的產(chǎn)出受構(gòu)造控制明顯, 其產(chǎn)出方向多與該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造線方向一致[7-9]。 研究區(qū)出露的地層有中三疊統(tǒng)板納組頁巖、砂巖，下三疊統(tǒng)邏樓組泥質(zhì)灰?guī)r，二疊系灰?guī)r夾硅質(zhì)巖，基性巖主要侵入于石炭紀(jì)和三疊紀(jì)地層中，且呈環(huán)帶狀分布于龍川穹窿背斜中(圖1b), 與臨近的巴馬、 玉鳳等基性巖體產(chǎn)出特征相似。龍川基性巖主要為輝綠巖, 以及少量玄武巖(圖2),兩者常相伴出現(xiàn)。

桂西百色地區(qū)龍川基性巖呈層狀-似層狀分布,基本平行地層層面，其中輝綠巖(圖2)呈綠黑色、綠色,枕狀構(gòu)造和塊狀構(gòu)造。巖枕大小不一,形態(tài)各異,有似球狀、球狀和扁透鏡狀等。巖枕橫斷面邊部具冷凝邊,為隱晶質(zhì);內(nèi)部為微晶-細(xì)晶質(zhì),輝綠結(jié)構(gòu),主要礦物為輝石和斜長石,少量橄欖石。輝石多為普通輝石(含量為45%～50%),還有少量紫蘇輝石;斜長石斑晶大部分為半自形-自形板狀,含量為40%～45%。巖石有微弱的后期蝕變,主要有綠泥石化、 綠簾石化、 高嶺土化和絹云母化,并伴隨一定程度的硅化。

圖1 峨眉山大火成巖省內(nèi)中外部帶簡圖(a)[10]和龍川基性巖分布圖(b)[11]Fig.1 Schematic map showing the inner, intermediate and outer zones of the Emeishan LIP (a) and distribution of Longchuan basic rocks(b)

圖2 龍川基性巖野外(a)與鏡下照片(b)Fig.2 Outcrop images(a) and microscopic photographs(b)of the Longchuan mafic rocks

2 分析方法

選取龍川鎮(zhèn)的8件具代表性的新鮮輝綠巖樣品, 進(jìn)行主量和微量元素分析。 室內(nèi)人工碎成小粒(粒徑約5 mm) 后, 用Milli-Q水清洗, 再用1.0 mol/L的鹽酸浸泡2 h, 再次用Milli-Q水清洗, 烘干后, 無污染粉碎, 過200目(<0.075 mm)篩后用于化學(xué)分析。 主量元素在桂林理工大學(xué)廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室用X射線熒光光譜(XRF)測定, 分析過程參見文獻(xiàn)[4], 數(shù)據(jù)的分析精度優(yōu)于2%～5%。微量元素分析在南京大學(xué)內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成, 采用酸溶法在高分辨率電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Finnigan Element II HR-ICP-MS)測定，詳細(xì)步驟見文獻(xiàn)[4], 分析精度一般優(yōu)于5%, 分析結(jié)果見表1。

表1 桂西龍川輝綠巖主量元素(wB/%)和微量元素?cái)?shù)據(jù)(wB/10-6)

續(xù)表1

3 巖石地球化學(xué)特征

3.1 主量元素特征

從表1可知， 輝綠巖樣品SiO2含量變化不大(45.56%～46.76%, 平均46.12%), 低于洋中脊玄武巖(MORB)的SiO2含量(47.60%～50.45%); MgO含量相對較低(2.30%～6.78%, 平均含量為5.36%); Al2O3為11.97%～13.45%(平均12.99%), CaO/Al2O3平均值為0.74; TiO2含量較高(2.83%～3.60%, 平均3.09%), 高于MORB的TiO2含量(1.43%～1.62%), 而與典型的洋島玄武巖(OIB)的含量相近(2.63%～3.29%)[2]; Na2O+K2O含量為3.52%～4.28%。δ值為3.31～7.17，從巖石化學(xué)特征判別，本區(qū)輝綠巖屬于堿性玄武巖系列。

前人根據(jù)TiO2含量和Ti/Y值特征對峨眉山玄武巖進(jìn)行分類, 分為高Ti(TiO2>2.8%, Ti/Y>500)和低Ti(TiO2<2.8%, Ti/Y<500)兩個(gè)系列[10,13]。依據(jù)峨眉山玄武巖的分類特征,桂西地區(qū)龍川基性巖的TiO2≥2.83%,Ti/Y值在538～1 067,屬于峨眉山高Ti玄武巖系列,且相比峨眉山高Ti玄武巖具有更高的Ti/Y值,與本課題組對巴馬及世加基性巖的研究結(jié)果相似[2,4]。在SiO2-(Na2O+K2O) 分類圖解[14](圖3a)和抗蝕變元素Nb/Y-Zr/TiO2分類圖解[15](圖3b)中,桂西地區(qū)龍川基性巖主要落入于堿性玄武巖區(qū)。

3.2 微量元素特征

微量元素含量可以較好地揭示巖漿成因、演化及其構(gòu)造背景信息。龍川基性巖微量元素總體含量較高,富含大離子親石元素,Sr相對虧損,高場強(qiáng)元素Nb、Ta、Ti相對虧損,與峨眉山高Ti玄武巖對比,其稀土元素尤其是輕稀土較虧損。龍川基性巖具有OIB右傾型稀土元素配分模式 (圖4),其La/Yb值介于8.97～12.97,并且具有明顯的銪正異常(δEu=1.01～1.32), 與巖石中含有大量斜長石的特征相吻合。 此外, 龍川基性巖具有高的Ti/V(44.31～246.35)、 Ti/Y(538～1 067)和Zr/Y(4.45～8.28)值,不相容元素Zr/Nb值為5.84～9.89,La/Nb值為0.96～1.44,Ba/Nb值為5.91～66.06,與OIB的地球化學(xué)特征相似而不同于MORB,暗示其可能形成于板內(nèi)環(huán)境。盡管龍川基性巖中輕稀土元素含量相比峨眉山玄武巖仍然偏低,但是相似的右傾型稀土元素配分模式以及銪正異常等特征暗示二者的成因有較為密切的關(guān)系,龍川基性巖的產(chǎn)出很可能與峨眉山地幔柱活動(dòng)有關(guān)。

圖3 龍川基性巖SiO2-(Na2O+K2O)圖解(a)[14]和Nb/Y-Zr/TiO2圖解(b)[15]Fig.3 SiO2-(Na2O+K2O)(a)and Nb/Y-Zr/TiO2 (b)diagrams for Longchuan mafic rocks

圖4 龍川基性巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布(a)與微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化分布圖(b)(球粒隕石、OIB、E-MORB數(shù)據(jù)引自Sun等[12])Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element patterns (b)of Longchuan mafic rocks

4 討 論

依據(jù)龍川基性巖TiO2含量和Ti/Y值特征[1-2],其歸屬為峨眉山大火成巖省的高Ti玄武巖系列[10,13]。徐義剛等、Lai等提出高Ti玄武巖主要分布于峨眉山大火成巖省的外部帶[10,16-17],代表巖漿活動(dòng)的強(qiáng)度減弱;Xiao等[13]認(rèn)為高Ti玄武巖是峨眉山地幔柱的頭部由大規(guī)模和低程度部分熔融生成;而文獻(xiàn)[18]根據(jù)攀西地區(qū)玄武巖和基性巖墻的研究,在峨眉山大火成巖省的內(nèi)部帶同樣識(shí)別出早期高Ti玄武巖,從而認(rèn)為這些玄武巖的組成和空間分布沒有關(guān)系。然而根據(jù)本文對桂西地區(qū)龍川基性巖新的研究,結(jié)合桂西基性巖的研究成果[1-9,19-24],進(jìn)一步厘定峨眉山大火成巖省外帶玄武巖普遍具有高Ti特征,而且呈現(xiàn)出相比峨眉山大火成巖省其他地區(qū)玄武巖極高的Ti/Y值[2,4],這一特征可能是桂西地區(qū)特有的。本文認(rèn)為桂西地區(qū)無論是龍川、還是世加和巴馬基性巖,其極高的Ti/Y值可能反映了地幔源區(qū)不一樣的巖漿作用過程。

地幔巖漿作用過程主要體現(xiàn)在部分熔融或巖漿結(jié)晶分異兩個(gè)方面。前者由于地幔源區(qū)部分熔融深度的不同,將導(dǎo)致熔體的成分各異,特別是當(dāng)熔融發(fā)生在較深的部位,巖漿的成分將受石榴子石的影響,例如Y對石榴子是相容元素,在部分熔融過程中Y會(huì)進(jìn)入石榴子中,而導(dǎo)致熔體中Y的強(qiáng)烈虧損,但是這一過程對Ti的影響卻很小。巖漿熔融過程中除石榴子外,其他礦物對稀土元素相容性也不一樣,將導(dǎo)致熔體的稀土元素的分異特征與地幔熔融深度及熔融程度具有一定的關(guān)聯(lián)性。利用這一特性,可以反過來通過分析巖漿的稀土元素分異特征來判別如石榴子石等礦物對其源區(qū)的影響。判別輕/重稀土分異程度可以利用La/Yb值來揭示,反映LREE和HREE的相對富集程度,然而La/Yb值的應(yīng)用往往具有局限性,有時(shí)無法有效鑒別地幔熔融程度和礦物殘余相對微量元素的影響。

利用Dy/Dy*值[25]來判別巖漿作用過程受礦物控制的影響, 比如石榴子石或角閃石等礦物對巖漿熔體的影響, Dy/Dy*值反映了巖漿中稀土元素配分曲線的曲率特征, 這一特征相比單純的元素比值更有用。 此外, Dy/Yb值也能反映地幔熔融過程中稀土元素受石榴子石和角閃石等礦物結(jié)晶作用的影響, 例如地幔熔融過程中石榴子石和角閃石作為礦物相結(jié)晶殘留后均會(huì)導(dǎo)致La/Yb值增大, 但是石榴子石殘余會(huì)增加Dy/Yb值, 而角閃石殘余則會(huì)減小Dy/Yb值。 利用Dy/Dy*-Dy/Yb和Ti/Y等值的共變關(guān)系可以限定桂西地區(qū)龍川基性巖漿作用與峨眉山大火成巖省巖漿作用受礦物相控制的影響。 在Dy/Dy*-Dy/Yb共變圖上(圖5a), 龍川基性巖與峨眉山高Ti玄武巖具有相似的巖漿演化趨勢, 但是龍川基性巖相比桂西地區(qū)其他基性巖, 顯示略微更低一點(diǎn)的Dy/Dy*, 揭示了龍川基性巖來源于石榴子石穩(wěn)定區(qū)地幔柱源區(qū)的更深部的熔體, 整個(gè)桂西地區(qū)基性巖漿作用明顯區(qū)別于峨眉山低Ti玄武巖的特征, 后者代表了淺部地幔的高度熔融作用, 可能還同時(shí)受到了角閃石相殘余的影響。 在Dy/Dy*-Ti/Y協(xié)共變圖上(圖5b), 除龍川基性巖具有略微低的Dy/Dy*值外, Ti/Y值變化范圍大, 總體趨勢呈現(xiàn)水平演化趨勢。

總之,龍川基性巖的地球化學(xué)特征暗示了其與峨眉山高Ti玄武巖成因的相似性,相比桂西地區(qū)，其他基性巖具有更低Dy/Dy*值，揭示了其熔體來源深度更深,熔融程度更低。因此認(rèn)為龍川極高Ti/Y基性巖代表了峨眉山地幔柱高Ti巖漿源區(qū)更低程度熔融的巖漿產(chǎn)物。

圖5 峨眉山玄武巖和桂西基性巖Dy/Dy*-Dy/Yb圖(a)和Dy/Dy*-Ti/Y圖(b)Fig.5 Dy/Dy*-Dy/Yb(a) and Dy/Dy*-Ti/Y(b) diagrams of Emeishan basalts and mafic rocks for western Guangxi峨眉山玄武巖據(jù)文獻(xiàn)[10,13]； 桂西地區(qū)基性巖據(jù)文獻(xiàn)[1-9]； 桂西龍川基性巖(本文)。 Dy/Dy*計(jì)算參考Davision等[25]的計(jì)算方法, 其中:Dy/Dy*>1說明稀土元素Dy位于分屬LREE和HREE的La-Yb元素連線的上方, MREE相對于HREE富集, 整個(gè)REE配分曲線開口向下并向上凸起; Dy/Dy*<1則說明Dy位于La-Yb連線的下方, MREE相對于HREE虧損, REE配分曲線開口向上并向下凹(圖5a)

5 結(jié) 論

桂西地區(qū)龍川基性巖的巖石地球化學(xué)特征屬于堿性玄武巖系列,具有OIB特征,具有高至極高Ti/Y值特征；對比峨眉山高Ti玄武巖,部分呈現(xiàn)更高的Ti/Y值特征。龍川基性巖與桂西地區(qū)其他基性巖和峨眉山高Ti玄武巖相比,表現(xiàn)出了更低Dy/Dy*值特征,揭示其熔體來源更深且熔融程度更低的巖漿源區(qū)。認(rèn)為龍川極高Ti/Y基性巖代表了峨眉山大火成巖省的地幔柱巖漿作用在外部帶延伸的結(jié)果,是峨眉山地幔柱高Ti巖漿源區(qū)更低程度熔融的巖漿產(chǎn)物。