岩浆起源和形成演化研究论文

岩浆活动与板块构造环境密切相关，出现于地壳中的岩浆岩和火山岩种类繁多，归纳起来可分成3种基本的岩浆岩序列，即拉斑玄武岩系列、钙-碱系列和碱性系列。一般认为，碱性系列和拉斑玄武岩系列是洋隆或板内大陆裂谷系产物，而钙碱性系列形成于板缘消减带或板内大陆碰撞带。这3种系列的岩浆岩和火山岩的产出和分布，受板块构造环境的控制。从大洋到大陆环境，岩浆岩和火山岩由拉斑玄武岩往高铝玄武岩和碱性橄榄玄武岩过渡，即随大陆型地壳增加，钙碱性和碱性玄武岩系列增加，K2O含量增加。大陆环境和大洋环境拉斑玄武岩的区别在于前者SiO2含量多，w(Na)/w(K)比值低，K2O含量大于0.45%(后者小于0.45%)。

在不同板块构造环境下，火山岩主量元素丰度存在差异，尤其表现在TiO2、Al2O3、MgO、Na2O+K2O等的丰度上(表1-14)。一般的MORB和弧后盆地玄武岩的TiO2＞1.10%，大洋岛、大陆溢流玄武岩省和大陆裂谷带的TiO2＞2.20%，岛弧及活动大陆边缘的TiO2＜1.00%。岛弧及活动大陆边缘的Na2O+K2O≥4.00%。MORB和弧后盆地的Na2O+K2O≤3.00%，大洋岛、大陆溢流玄武岩省以及大陆裂谷带的Na2O+K2O为3.00%～4.00%(大陆裂谷带碱流岩类较高，一般大于9.00)。

表1-14 典型板块构造环境与火山岩主量元素丰度(wB/%)(统计平均值)

1.松辽盆地

松辽盆地火山岩相容主元素(如:FeO、Al2O3、TiO2、MgO和CaO)随SiO2含量的增加呈非线性降低，而不相容主元素(如K2O)随SiO2含量的增加而增加，展示了与岛弧CA系列火山岩相似的岩浆演化特征，表明其形成与板块俯冲作用相关。另外，松辽盆地的基性-中基性火山岩还具有高Al2O3(最高达17.57%)、Cr(最高达450.54μg/g)和Ni(最高达199.87μg/g)以及低MgO含量(为0.63%～5.79%)特征。Ni-Mg指数图解(图1-37)反映了火山岩在其岩浆演化早期阶段与橄榄石和辉石结晶分离作用相关的熔融分异一致的特征，即随着Mg含量的减少，Ni含量降低。与初始地幔和大洋玄武岩(MORB和OIB)的Nb/Th比(8～60)、Ce/Pb比(9～50)相比，松辽盆地玄武岩和玄武安山岩的Nb/Th比(2～20)、Ce/Pb比(2～30)相对较低。

图1-37 松辽盆地玄武岩Nb/Th-Nb和Ce/Pb-Ce图解［50］

松辽盆地玄武岩和玄武安山岩的轻稀土元素为中等程度富集［(La/Sm)s=2.0～3.9］，而英安岩和流纹岩的重稀土元素叠覆于基性-中基性火山岩之上，且其轻稀土元素相对玄武岩和玄武安山岩更富集一些［(La/Sm)s=3.5～4.8］。火山岩的初始地幔标准化微量元素分布模式具有以下特征:①大离子亲石元素(LILE，如Cs、Ba、K和Rb)的丰度较高;②具有负的Nb、Ta和Ti异常;③具有正的Pb异常。具有与俯冲作用有关的典型火山岩套相同的特征，如与安第斯弧火山岩的微量元素分布特征相同。火山岩的球粒陨石标准化稀土分布模式也展示了与弧火山岩相同的特征(图1-38)。

松辽盆地深层的火山岩表现出非常典型的板块俯冲作用特征，其岩浆源区为多成分复合性的。主元素与微量元素构造环境判别结果(图1-39)表明，松辽盆地基性-中基性火山岩为活动大陆边缘岩浆弧和(或)岛弧构造环境。这一判别结果与前面的地球化学分析结论一致。

从火山岩TAS图(图1-40)可知，本区SiO2含量在67%左右处存在明显的间断，反映了本区岩浆分别来自地幔与地壳的熔融，从而形成基性、酸性两种原生的独立岩浆。其中，基性与中性岩浆成分点是连续过渡的，反映中性岩浆是原始基性岩浆分离结晶或酸性岩浆混合(染)的产物。岩浆的成因是通过上地幔熔融成原生玄武岩浆后，上升、入侵到地壳中，由于玄武岩浆的高温导致地壳部分熔融成为酸性岩浆，并与玄武岩浆混合，或玄武岩浆同化混染地壳，分离结晶，形成中性岩浆及岩石。

图1-38 松辽盆地火山岩球粒陨石标准化分布模式图［50］

图1-39 松辽盆地火山岩构造环境判别图［50］

松辽盆地及周边火山岩的岩石化学和锶、钕同位素研究表明，岩浆来源于伸展大陆岩石圈之下的地幔源岩浆。［w(87Sr)］N/［w(86Sr)］N为0.7044～0.7059，δNd(t)大多为正值(0.4～3.9)，只有个别为负值，说明中生代火山岩浆具有明确的地幔组分，反映未分异、未亏损的源区特征。晚侏罗世火山岩中w(Nb)/w(V)值均较低，表明岩浆来源较深，而早白垩世酸性火山岩的w(Nb)/w(V)值较大，是岩浆生成于浅部的表现。

从晚侏罗世到早白垩世早期，松辽盆地中生代火山作用表现为降温降压过程，岩浆源区由40km上升到20～30km，岩浆熔融时的压力和温度逐渐降低，与地热梯度的增高呈负相关。从早白垩世早期到晚白垩世表现为升温升压过程，岩浆源区由20～30km下降到60～97km，岩浆熔融时的压力逐渐增高，与地热梯度变低相对应(表1-15)。

图1-40 松辽盆地火山岩TAS分类图［10］

表1-15 中生代岩浆起源深度(压力)及源岩熔融温度估计［51］

根据上述地球化学特征，松辽盆地火山岩的形成不仅与板块俯冲作用有关，同时在其形成过程中还可能有大洋玄武岩以及陆壳成分的加入，反映了其岩浆源区为多成分复合性的，并非是简单的幔源或幔源地壳混染的，即伴随着俯冲作用，可能有大洋残片和陆壳残片等进入到俯冲带，在一定深度熔融并参与到弧岩浆作用中。

2.渤海湾盆地

渤海湾盆地在晚侏罗世后期及早白垩世，强烈的断裂活动使火山活动达到高峰。玄武岩化学成分测定表明，该盆地玄武岩基本属于板内玄武岩。

图1-41 辽河坳陷火山岩ΣREE-La/Yb图解［11］

(1)辽河坳陷

辽河坳陷中生代火山岩形成环境与松辽盆地相似，而新生代火山岩形成环境与中生代存在差异。由w(La)/w(Yb)-w(REE)图可以看出(图1-41)，辽河坳陷火山岩样品大多投点在洋底和裂谷玄武岩区与大陆玄武岩区的重叠区域，反映了它们形成于大陆裂谷环境中。少数样品如齐古7井中生界火山岩、二道沟水库中生界火山岩落在岛弧和造山带拉斑玄武岩区内或边缘，反映了中生代与新生代辽河盆地范围内构造环境有较大不同，前者可能与古太平洋向西向亚洲大陆的俯冲有关，后者则为大陆内裂谷环境。

该区火成岩里特曼指数(σ)和莱特碱度率显示东、西部凹陷火山岩样品均以碱性系列为主，另有过碱性和钙碱性系列，火山岩钙碱指数为44.3～51.3。从汤姆凯夫硅-碱关系与里特曼指数图可以看出(图1-42)，东部凹陷样品点几乎全部落在σ=3线以上的区域，为碱性系列，个别样品点落在σ=1线上，属于拉斑系列;西部凹陷样品绝大多数落点在σ=3线以上区域，属碱性系列，少数落点在σ=1～3之间，属钙碱性系列，可能是中生代岛弧环境的产物。西部凹陷和东部凹陷岩浆来源具有同源性，但东、西部凹陷火山岩所反映的构造背景稍有不同，比较两凹陷火山岩稀土元素配分曲线，西部凹陷略陡于东部凹陷，表明东部凹陷伸展程度高于西部凹陷，西部凹陷呈弱太平洋型-弱大西洋型，而东部凹陷则呈弱大西洋型-弱地中海型-中大西洋型。

图1-42 东、西部凹陷硅-碱与组合指数关系图［11］

图1-43 辽河坳陷玄武岩稀土元素配分型式［52］

Christiansen和Petro曾利用CaO/(Na2O+K2O)比值来区分挤压环境和拉张环境中火山岩建造。辽河盆地古近系火山岩钙碱指数在CaO/(Na2O+K2O)-SiO2图上，当CaO/(Na2O+K2O)为1时，SiO2值为44.3%～51.3%，为拉张环境大陆内裂谷的产物。

稀土元素配分曲线型式为轻稀土元素富集右倾斜型，无铕负异常或很弱(图1-43);玄武岩87Sr/86Sr的初始值为0.7031～0.7038，此值在东非裂谷玄武岩的初始值0.7031～0.7047范围内，与大洋岛弧玄武岩平均初始值0.7031±0.001和洋中脊玄武岩的0.7022～0.7035相近，说明本区玄武岩浆来自地幔源区，其锶同位素体系未发生明显变化，玄武岩浆上升过程中或定位后基本上未受到大陆地壳物质的同化混染。因此，可以认为本区玄武岩浆为地幔岩浆源大陆板内拉张环境的产物，其在源区形成后上升途中乃至结晶固结过程中，既未受到大陆地壳的同化混染，也不曾发生过明显的分异作用，玄武岩的成分可以代表原生岩浆的成分。

锶、铷同位素测定结果表明，虽然火山岩初始岩浆来源于上地幔，但不同喷发期次的岩浆混入的地壳物质有一定差别(表1-16)。其中沙三段火山岩特征最明显，东营组火山岩有一定地壳物质混入，房身泡组火山岩有较多地壳物质混入。

表1-16 辽河坳陷不同时期火山岩锶、铷同位素初始比值对比［49］

(2)黄骅坳陷

黄骅坳陷晚侏罗-早白垩世火山岩系是一套由粗面玄武岩-玄武岩-玄武粗安岩-粗安岩-粗面安山岩-粗面岩以及少量流纹岩组成的以橄榄安粗岩系为主、高钾钙碱岩系为辅的岩石组合(图1-44)。根据孢粉和Rb-Sr、Sm-Nd同位素年龄测定，火山岩为两期形成的碱性岩系列，为晚侏罗-早白垩世中晚期(122.25～138.70Ma)，形成于由挤压到拉张及与地幔柱活动有关的构造环境。扣村-羊二庄的火山岩形成较早，为晚侏罗世;王官屯与风化店火山岩为晚侏罗世晚期-早白垩世早期产物。

火山岩系87Sr/86Sr初始值为0.7069～0.7051，143Nd/144Nd初始值为0.5115～0.5118，与上地幔的范围(87Sr/86Sr=0.702～0.706，143Nd/144Nd=0.512)大致相当，略显高。火山岩系Sr、Nd同位素投影显示与EM1型地幔特征相似，同时与EC-SP(中国东部的橄榄安粗岩省)区间邻近，说明二者关系密切。另外，氧同位素也表明本区中生代火山岩系来源于上地幔，但略受地壳物质混染。

图1-44 黄骅坳陷中生代火山岩TAS图解［23］

火山岩系微量元素分析表明，与岛弧橄榄安粗岩系微量元素含量相比，明显富集Rb、Sr、Ba、Zr、Th、U等元素，而Cr、Ni在酸性岩中明显偏低。稀土元素分布模式比岛弧安山岩稀土元素分布模式斜率大，与俯冲带大陆安山岩稀土元素分布模式相近似，但仍显示较强的轻稀土元素富集。火山岩化学成分具有硅适度饱和(SiO2质量分数为47.6%～72.9%)、相对富钠，w(K2O)/w(Na2O)值为0.32～1.36、富碱、富钛、贫铝、较高的w(Fe2O3)/w(FeO)值、高氧化系数(0.32～0.80)特征，而岛弧及活动大陆边缘和中国东部橄榄安粗岩省的岩石，氧化系数则分别主要变化于0.37～0.64和0.54～0.93之间。火山岩组合以缺少典型的钙碱系列火山岩，而区别于岛弧区和活动大陆边缘区，与裂谷带不同的是缺少典型的双峰式火山岩组合，而以DI=46.38～93.77之间的中、基性和少量酸性岩组合为特征。与岛弧及活动大陆边缘区和中国东部橄榄安粗岩省类似岩石相比，本区橄榄安粗岩系更偏酸性。

总之，从岩石化学角度得出此套中生代火山岩形成的构造环境是复杂的、多解的，但至少与消减带密切相关。结合中国东部橄榄安粗岩系分布东多西少、南多北少的特征，以及古生代晚期本区已为构造相对薄弱带，认为中生代时黄骅坳陷位于伊泽奈崎板块向欧亚板块斜向俯冲消减伴随的弧后弱拉张作用区，而且受扬子板块和华北板块作用的陆内造山及晚期的伸展作用影响，在先存的构造薄弱带上产生的陆内构造活动带，其特征之一就是发育此套橄榄安粗岩系。

(3)济阳坳陷

早白垩世，受太平洋板块北西西向俯冲、郯庐断裂左旋压扭区域应力场的影响，济阳坳陷东侧的渤中-济阳-昌潍坳陷带总体处于左旋扭压应力环境，以鲁西隆起为砥柱，形成了帚状构造系的雏形。火山活动主要沿郯庐断裂一侧发育，火山活动为中性安山质熔岩大面积喷发和溢流，受北西向断层和盆地走向控制。

中生代玄武岩除La/Nb高于地壳，Th/Nb与地壳接近外，其他特征比值与湖南中生代源自富集地幔的玄武岩相似(表1-17);它们的87Sr/86Sr值为0.705197。中生代中基性岩浆岩的87Sr/86Sr为0.705176～0.706605。无论是中生代的基性岩浆岩还是中基性岩浆岩的87Sr/86Sr均介于地幔(0.70264)与地壳(0.7283)Sr同位素之间，更偏向于地幔一侧，结合火山岩的微量元素地化特征，揭示出本区中生代火山岩可能是由来自富集地幔物质经地壳物质混染后形成的岩石。

表1-17 火山岩特征［46］

DMM为亏损地幔端员，以亏损不相容元素为特征，它主要是由陆壳物质不断提取而形成。EM为富集地幔端员，以低的εNd和可变的87Sr/86Sr值为特征。富集地幔主要是陆源沉积物、蚀变洋壳或陆壳由于俯冲作用而被带入地幔，并在地幔的高温高压条件下与地幔物质发生混合而形成，或由于下插板块发生脱水作用，并对上覆地幔楔发生交代作用而形成。济阳坳陷古近-新近纪岩浆岩的同位素、微量元素等资料研究表明:①岩浆多源混染成因，火成岩数据点均落于上地幔最上部、下地壳组分和上地壳组分3个端员之间，说明为3种组分混合而成。其中，古近纪火成岩主要由上地幔和上地壳物质混染形成;新近纪玄武岩为上地幔与下地壳物质混合形成(图1-45)。②岩浆形成的温度为1110～1222℃，压力为0.8～2.0GPa，深度介于26～66km之间。上述岩浆性质的变化与岩浆源相对应，即古近纪早期(孔店期)上地幔上拱不强，张裂强度较弱，岩浆来源较深;古近纪中期(沙河街-东营时期)，盆地张裂加剧，上地幔拱张加剧，同时盆地深陷，使岩浆源变浅;而到了新近纪，盆地进入坳陷萎缩消亡期，上地幔发生冷收缩而下沉，使得岩浆源又回到较深的位置。

临清坳陷馆陶组玄武岩为碱性玄武岩和碱性粗面玄武岩，具有轻稀土元素富集型分配模式，稀土总量为176.4～190.3μg/g，无Eu异常。大离子亲石元素富集，并有不同程度的Nb、Ta和Sr元素富集，Zr、Ti和Y元素轻度亏损，含量较低的不相容元素基本上呈平滑分布，无亏损和富集现象。Ba/Nb和La/Nb值分别为6.30～6.75和0.57～0.64，与汾渭地堑北部的大同、阳原和汉诺坝碱性玄武岩有一定的相似性，均吻合于洋岛玄武岩(OIB)范围，表明岩浆主要来自于亏损的软流圈地幔，计算软流圈顶界埋深为55～60km。另外，碱性玄武岩具有εNd较低(3.62～6.30)和87Sr/86Sr较高(0.703478～0.703562)的特征，与华北古老岩石圈地幔具有低εNd和高87Sr/86Sr值特征一致，也表明玄武岩源区主要由亏损软流圈地幔组成，但经历了一定程度的岩石圈地幔混染。

图1-45 Nd(t)-87Sr/86Sr图解［46］

3.苏北盆地

古近纪玄武岩落在板块内部拉斑玄武岩近碱性玄武岩一侧，新近纪玄武岩则位于板块内部碱性玄武岩近拉斑玄武岩一侧，总的来看位于拉斑玄武岩与碱性玄武岩过渡部位，反映了本区古近-新近纪玄武岩处于碱性与钙碱性玄武岩过渡范围，为大陆板块内部的喷发产物。

晚白垩世以来，由于太平洋板块的北西西向俯冲，伴随库拉太平洋脊潜没于北东向俯冲带之下，其热效应进一步使苏北地区板块厚度减薄，受张力破坏产生了箕状断陷，伴生了具有多旋回喷发特点的富镁质的钠质偏碱性橄榄玄武岩。古近纪中国东部隐伏玄武岩，含有特别高的U，而Sr、Rb、Cr、Ni、Co、Ba含量均低于大陆裂谷碱性玄武岩。苏北地区玄武岩中Ni、Co含量比大陆裂谷碱性玄武岩高，而Sr、Cr含量则低于大陆裂谷碱性玄武岩，结合大洋系数分析，认为古近纪该区未形成典型的大陆裂谷系。新近纪以来，由于太平洋板块向北西西俯冲，使本区转化为以东西分带的构造、岩浆活动格局，发育了一系列主要受北东及北西向断裂构造控制的钙碱性至碱性玄武岩，自东向西碱性递增，并向贫Al、富Mg、富Fe碱性岩转化。

玄武岩稀土元素总量(84.99～173.17μg/g)不高，(La/Yb)N值(5.09～10.46μg/g)较低，δEu为1.01～1.12，均为弱正铕异常，表现在配分型式上为不太陡的右倾(图1-46)，相对于HREE而言，其LREE适度富集，明显不同于中国东部含幔源橄榄岩包体的新生代钠质碱性玄武岩的强富集LREE型式，也不同于N-MORB和E-MORB较高的中、重稀土模式，反映出大陆玄武岩的特点。其中，古近纪橄榄拉斑玄武岩La-Ce和Zr-Sr显示出较好的正相关，说明它具有相对单一的成因机制，即主要受部分熔融控制，而分离结晶作用则居于次要地位。此外，(La/Sm)-La表现出的线性正相关性也说明岩浆过程以部分熔融作用为主。

苏北地区上地幔从中生代到新生代其87Sr/86Sr比值越来越低，而143Nd/144Nd比值则越来越高，Nb亏损特征逐渐消失，即从富集型上地幔向亏损型上地幔演化，而古近纪玄武岩则处于过渡阶段，表现出活动大陆边缘火山弧向大陆板内裂谷过渡的特征。从构造位置来看，由于位于郯庐断裂带的东侧，嘉山-六合为一个新生代古火山集中分布区，地幔热流值、地壳上地幔温度等热结构分析，揭示盆地深部和郯庐断裂之下存在明显的深部热异常，而新生代古火山玄武岩的喷发，则是这种作用的物质表现。由于软流圈的上涌，引起了岩石圈物质较高程度部分熔融以及与软流圈物质之间的相互作用，形成的橄榄拉斑玄武岩浆继承了富集型岩石圈高Sr特征和Nb亏损性质，同时又体现了软流圈物质亏损Nd同位素的特征，这一特征与合肥盆地古新世拉斑玄武岩明显不同，构成了Nd、Sr同位素的过渡趋势，但并未显示出EMⅡ型同位素特征(图1-47)。

图1-46 玄武岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式图［53］

图1-47 苏北盆地玄武岩Sr-Nd同位素协变关系［53］

图1-48 珠江口盆地新生代玄武岩Sr-Nd同位素变异图解［38］

4.珠江口盆地

新生代玄武岩Sr-Nd同位素数据点落在由洋岛玄武岩构成的地幔阵列中，并落在日本海新生代火山岩变化趋势，以及由辽河、苏北盆地及邻区古近-新近纪玄武岩构成的亏损端元混合趋势范围内(图1-48)，具有从早到晚由富集型向亏损型发展的趋势。玄武岩类过渡金属元素经球粒陨石标准化后发现，其相对富集Sc、Ti、Fe、Mn，而亏损Cr、Co、Ni，尤其贫Cr、Ni，特别是古近纪样品Cr、Ni更低，新近纪样品Cr、Ni有所增高，可能反映了该区玄武岩:①早期遭受到地壳混染的影响，晚期则基本不受地壳混染影响;②早期岩浆来自同位素富集型的岩石圈地幔，晚期岩浆来自同位素亏损型的软流圈地幔。如早中新世拉斑玄武岩(H1511-3样品)的εSr(t)=+8.9，但其εNd(t)=+1.9，Ti/Yb=7151，轻稀土富集弱，(La/Yb)N=5.90，反映其源于上地幔，且受地壳混染甚微;渐新世拉斑玄武岩(3321-3样品)εSr(t)=+14.8，εNd(t)=-1.3，但其轻稀土富集程度更弱，(La/Yb)N=4.90(表1-18)，说明玄武岩中的同位素富集组分可能主要来源于富集型岩石圈地幔，即在拉伸作用早期，或在岩石圈厚度保留较大的地段，玄武岩的同位素组成相对富集;而在拉伸作用晚期，或在拉伸作用强烈地段，玄武岩的同位素组成相对亏损。

中国东部中-新生代裂谷盆地火成岩分布具有较强的规律性，其形成与分布受大断裂的控制作用。中生代火山岩形成于晚侏罗世至早白垩世，即裂谷初期阶段，火山活动相对较弱，岩浆沿深大断裂多呈中心式喷发，岩性从基性到酸性均有发育，但以酸性为主。古近纪为裂谷主要发育阶段，火山活动十分强烈，具有多旋回、分布广等特征，岩性从中酸性到中基性均有发育，古近纪拉斑玄武岩系列的石英拉斑玄武岩-橄榄拉斑玄武岩组合为主，并出现少量粗面岩-碱流岩，如辽河盆地、济阳盆地、苏北盆地以及广东三水盆地等。新近纪火山活动相对减弱，由喷发-溢流相向侵入岩相转变，为拉斑玄武岩系列和碱性玄武岩系列共存，但以中基性岩居多，主要分布在黄骅盆地、济阳惠民凹陷、江苏的江宁方山和六合方山和南海海域等。第四纪大多为碱性玄武岩系列的碱性橄榄玄武岩-碧玄岩-橄榄霞石岩组合。全新世火山活动局限在长白山天池、海南岛和雷州半岛等地区。

表1-18 珠江口盆地新生代火山岩Sr、Nd同位素特征［38］