山西大同新生代玄武巖的巖石地球化學特征研究

李小琴，聶 鑫，白卓娜，劉鴻福，馮志強

(太原理工大學 礦業(yè)工程學院，太原 030024)

新生代從老到新依次可劃分為古近紀、新近紀和第四紀，并且在這期間地殼發(fā)展由穩(wěn)定轉為活動，大陸表面出現了大量斷陷，與此同時地幔深處的巖漿劇烈活動，噴出地表，因此這一時期形成了大量玄武巖[1]。玄武巖按礦物成分可分為堿性玄武巖、高鋁玄武巖和拉斑玄武巖。堿性玄武巖的典型特征為堿性礦物含量較高，主要分布在大陸地區(qū)，多為地幔柱成因；拉斑玄武巖中的SiO2含量高，特征礦物為斜方輝石與易變輝石，是地幔深部橄欖巖受熱熔融后冷卻分離結晶的產物，即是由于巖石圈減薄，底部被溶蝕的物質與下部軟流圈中上涌的物質混合后形成；高鋁玄武巖則是介于堿性玄武巖與拉斑玄武巖的中間性質，多位于環(huán)太平洋地區(qū)的造山帶附近[2]。

由于玄武巖作為地幔巖漿上涌冷卻形成的一類巖石，其化學組成在一定程度上可反映地幔源區(qū)性質，且與其他巖漿巖相對比，玄武巖具有分布廣與含量高的特點。大陸玄武巖通常比大洋玄武巖具有更廣泛的成分多樣性，在定義深部巖漿的組成成分和分析熔融程度上起著更為直觀的作用。因此，學者們對全球新生代以來的玄武巖進行了廣泛研究，目前而言，玄武巖研究的重點和熱點主要包括：1) 巖漿運動過程，特別是地殼的同化和混染作用以及玄武巖漿在上升和噴發(fā)過程中的礦物分離、結晶和脫氣作用；2) 深部地幔的化學性質，通過研究玄武巖冷卻結晶后的巖石學性質和地球化學性質來推斷出深部地幔的地球化學性質的過程。

近來對中國中-東部新生代玄武巖的研究中，都著重強調了軟流圈與大陸巖石圈地幔相互作用在大陸板塊內部玄武巖的發(fā)育過程中起著重要作用[3]。從新生代時期的玄武巖的空間分布可明顯觀測到，隨著時間的推移，我國華北地區(qū)的玄武巖巖漿活動逐漸向東部移動。至第四紀時，由于受地殼表面巨大斷裂活動的影響，其火山活動與分異后期產物也不斷東移。通過對原巖進行主微量元素分析和稀土元素的測定來合理劃分堿性玄武巖與拉斑玄武巖，此外，通過對地表玄武巖的巖石成分進行相關研究可間接獲取巖漿深部演化的過程，進一步分析地幔處的源區(qū)特征。

1 區(qū)域地質概況

華北板塊新生代玄武巖分布較為廣泛，但又呈區(qū)域性集中，大致位于張家口—大同、東北的遼河平原以及渤海周邊地區(qū)。從生成年代來看，本區(qū)玄武巖的生成時代大致可分為3個時期：古近紀、新近紀以及第四紀。圖1為新生代時期華北地區(qū)玄武巖的分布狀況。

圖1 中國華北地區(qū)新生代時期的玄武巖分布圖

華北大同地區(qū)玄武巖主要位于山西大同火山群，即山西地塹系北段的大同盆地中，根據史書記載，在第四紀時期火山曾多次噴發(fā)，并保留有火山錐體。依據該地玄武巖巖性的不同變化將大同地區(qū)玄武巖劃分為東西兩個巖區(qū)。大同火山群處于西部地區(qū)，大體分為13個火山錐。這些火山錐通常由火山礫石和火山渣形成，而錐底則由熔巖構成，東部地區(qū)由桑干河兩岸的火山錐和玄武巖熔巖流組成，它們一般為拉斑玄武巖，具有清晰的空間分布特性。通過研究K-Ar同位素定年資料可以發(fā)現，東西兩區(qū)的火山噴發(fā)時期有所不同，西區(qū)地區(qū)噴發(fā)時期要晚一些，多在早更新世的晚期(0.40 Ma)進行噴發(fā)；東部地區(qū)的噴發(fā)時期始于早更新世的早期(0.74 Ma)，并持續(xù)了一段時間，直至中更新世晚期(0.20 Ma).華北地區(qū)新生代以來的火山作用明顯受大地構造作用的控制，如北東向斷裂的太行山山前深斷裂和北西向斷裂的張家口—北京—寶坻深斷裂。第四紀玄武巖僅散布在華北斷裂帶中，大部分位于平原周圍的山區(qū)(見圖2).

圖2 山西大同地區(qū)新生代玄武巖分布圖

2 實驗方法

在該研究中，以山西大同新生代玄武巖樣品作為研究對象，重點探討了玄武巖的地球化學特征及地幔源區(qū)性質并對其巖石學特征加以考察。本次研究主要通過對玄武巖的主微量元素及Mg同位素進行分析，旨在探明玄武巖的巖石類型及特征。

Mg同位素分析在北京科薈測試技術有限公司的Neptune plus多接收等離子質譜儀(MC-ICP-MS)上完成，儀器采用低分辨模式，“濕法”進樣，利用樣品-標樣交叉法校正儀器分餾和漂移。將每個樣品溶液Mg質量比稀釋到(1±0.1) μg/g，以匹配標準溶液中1.0 μg/g的Mg.在每組Mg同位素數據采集之前先進行40 s酸性空白溶液測定，Mg同位素比值分析的積分時間

JP2為200 s.在以上條件下，儀器對24Mg的分析靈敏度為12～20 μg/g，m(26Mg)/m(24Mg)比值內精度優(yōu)于±0.04‰，m(25Mg)/m(24Mg)比值內精度優(yōu)于±0.02‰.

3 分析結果與討論

3.1 巖石學特性

新生代時期的巖漿巖主要為基性噴出巖-玄武巖。按地層時代分別為古近紀漸新世(繁峙玄武巖)，新近紀上新世(右玉、天鎮(zhèn)、黃花嶺、平定-昔陽、左權縣黃澤關等玄武巖)，第四紀晚更新世(大同玄武巖)。山西新生代的火山活動多以玄武巖噴出的方式存在，大多位于天鎮(zhèn)、大同等地，此外太行山區(qū)的昔陽-平定縣中間地區(qū)和左權縣東部也有少量出露，總面積約900 km2.在大同盆地中，第四紀的陸相沉積物和太古代時期的桑干群片麻巖是該時期的主要出露地層。依據在桑干河斷陷處的鉆井資料可以了解到，該地的地層除玄武巖外，大多為泥沙巖、中砂巖、粗粒巖等。顏色也多呈灰色或灰綠色，少量巖石因風化等原因呈黃綠色。玄武巖巖芯整體呈黑綠色，受環(huán)境影響，風化后顯示出黃綠色或灰綠色的斑點，礦物成分多包括基性長石和輝石。偶有氣孔構造，孔徑1～10 mm，大多呈近圓形，少量呈橢圓形。大同盆地依據其巖性的變化大致可將其劃分為東南區(qū)和西北區(qū)兩大類。東南區(qū)的玄武巖多為深灰黑色或淺灰色，多為玄武熔巖，呈氣孔狀和細密塊狀，包含少量火山角礫巖和火山熔渣，并且?guī)r性主要為拉斑性玄武巖。西北區(qū)主要分布堿性玄武巖，玄武巖多為孔隙或致密塊狀，大部分為紫色、灰色和黑色的火山角礫巖或火山渣形式。

大同玄武巖多位于由13座火山錐組成的大同火山群中，包括了金山、閣老山、昊天寺、狼窩山、昊天寺、老虎山以及桑干河兩側的玄武熔巖流。主要是黑色的火山角礫巖、氣孔玄武巖、玄武質熔巖、溢流玄武巖等，而玄武質熔巖為火山彈和繩狀形式，氣孔構造發(fā)育[4]。

圖3中，圖(a)是斑狀-基質間粒結構的蝕變氣孔-杏仁狀玄武巖；圖(b)是少斑狀-基質間粒結構的蝕變氣孔狀玄武巖；圖(c)是間粒結構的蝕變氣孔-杏仁狀玄武巖；圖(d)是斑狀-基質間粒結構的蝕變橄欖玄武巖。

圖3 玄武巖200倍鏡下特征

據對玄武巖的鏡下觀察及對前人資料的總結，可大致得出大同地區(qū)玄武巖的巖相學特征：新鮮的巖石表面大多是深灰色的，在巖石中很少見到細小的裂紋。斑晶由暗色礦物假象組成，暗色礦物散布，其大小通常在0.4～3 mm之間，被皂石交代作用后表現假象，根據晶體形式可知主要部分類似于柱狀輝石，而一些類似棗形橄欖石；基質多為斜長石及暗色礦物的假象，具有黏土化、表面臟的特性，缺少聚片雙晶且無法測得其牌號；暗色礦物主要以它形填隙狀分布，斜長石粒間構成間粒結構，蝕變特征同斑晶均呈假象。根據晶體形態(tài)，主要部分為輝石假象，氣孔呈杏仁狀，雜亂分布，大小0.3～4 mm不等，部分被黏土等充填呈杏仁狀。玄武巖中多見橄欖石、輝石和斜長石。橄欖石可分為兩個世代：顯微斑晶和微晶橄欖石。

綜上所述，可概括得出大同地區(qū)玄武巖有如下特征。

1) 地質特征：主要分布于恒山、五臺山和左云縣及懷仁縣一帶古生代地層中，部分侵入中生界白堊系中。代表性巖脈有左云縣后寺溝橄欖斜長玄武巖脈、懷仁縣劉家溝橄欖粗玄巖脈及五臺縣小柏里橄欖玄武巖脈等。巖脈長2～3 km，寬3 m.懷仁縣劉家溝橄欖粗玄巖、五臺縣小柏里橄欖玄武巖的全巖K-Ar表面年齡值為41～46 Ma，其等時線年齡值為43 Ma，屬于喜馬拉雅早期。

2) 巖石性質：主要為橄欖粗玄巖和橄欖玄武巖。一般呈黑綠色，風化表面為棕黃色，中細粒粗玄結構、間粒結構，具氣孔(杏仁狀)構造。

3) 巖石化學：喜馬拉雅期基性侵入巖化學成分和含量與中國玄武巖的平均化學成分相比：SiO2、Al2O3、K2O和Na2O含量較低，Fe2O3、FeO、MgO、CaO含量較高，顯示該期巖脈為偏超基性的基性巖。

3.2 巖石的地球化學特征

大同玄武巖SiO2的質量分數在47.68%～50.98%之間，主要屬于基性火山巖，全堿質量分數(K2O+Na2O)在1.92%～3.82%之間，Na2O質量分數大于K2O.CaO質量分數在2.82%～10.50%之間。TiO2質量分數達1.23%～1.88%.大同西部玄武巖均為堿性玄武巖，且集中分布在粗面玄武巖相中。大同東部玄武巖則均為拉斑玄武巖[5]。桑干河斷陷處采集的玄武巖樣品均落在拉斑玄武巖處。MgO的質量分數變化范圍也較大，位于3.77%～8.17%之間，含量總體較低。拉斑玄武巖與堿性玄武巖相比，SiO2，CaO和MgO的質量分數較高，Fe2O3、TiO2、Al2O3、Na2O、K2O和P2O5的含量較低。

3.2.1主量元素組成

如圖4所示，灰色圖標分別為大同東西部玄武巖中的主量元素與MgO圖解，紅色圖標為桑干河斷陷處采樣樣本中的主量元素與MgO圖解。二者沒有呈現出明顯的簡單協(xié)變關系，但除少數樣品外，在多數樣品中SiO2、Al2O3和Na2O與MgO之間可看出一定程度的負相關關系，Fe2O3、CaO與MgO之間則可看到一定程度的正相關關系，這表明絕大多數巖石在化學演化過程中具有一定程度的連續(xù)性，說明在巖漿結晶分離過程中，各類礦物持續(xù)發(fā)生分離結晶作用。

3.2.2微量元素與稀土元素組成

如圖5所示，圖5(a)-(b)為稀土元素球粒化隕石標準分布圖，圖5(c)-(d)為微量元素原始地幔標準分布蛛網圖。從微量元素的原始地幔標準分布蛛網圖中可以看到，大同西部玄武巖中微量元素的含量總體高于大同東部玄武巖，各樣品中同一元素的協(xié)和性也顯著高于東南區(qū)玄武巖。此外，所有樣品均表現出大離子親石元素(LILE)的富集特征，并含有不同水平的Nb-Ta和Sr富集。在拉斑玄武巖中含量較低的不相容元素還表現有較弱的Zr-Hf虧損，而在堿性玄武巖中則大體上呈現平滑分布。強不相容元素質量的比值如m(Nb)/m(U)、m(La)/m(Ce)和m(Th)/m(Ta)等不隨SiO2含量的變化而發(fā)生明顯變化，并且不受巖漿發(fā)育過程中的結晶和部分熔化的影響，因此可以代表源區(qū)組分的性質。根據大同桑干河斷陷處玄武巖微量元素和稀土元素測試結果，得出如下結論：大同西部玄武巖中微量元素含量整體明顯高于大同東部玄武巖，兩區(qū)域稀土元素豐度存在著顯著差異，變化率和富集程度也有很大不同。其中，西北地區(qū)玄武巖的巖漿熔融程度較低，輕稀土元素相對豐富；東南部玄武巖的巖漿熔融程度較高，輕稀土元素含量較低。

3.2.3Mg同位素測試

Mg包括有3個穩(wěn)定同位素，其相對豐度如下：24Mg為78.99%、25Mg為10.00%、26Mg為11.01%.三者的質量差高達4%～8%，是僅次于Li，相對質量差排第二的非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素[6]。目前已達到的科學技術手段是使用MC-ICP-MS同時檢測24Mg、25Mg、26Mg信號，并獲得更準確的Mg同位素比值。

在應用過程中，金屬顆粒的大小具有差異性，會導致在這一標準下得出的同位素組成不均一。因此在最近幾年的研究中DSM3標準逐步取代了過去的SRM980.且以SRM980為標樣的數據與以DSM3為標樣的數據間可以相互轉換。樣品中Mg同位素組成的精確測量是開展Mg同位素地球化學研究的基礎和前提，而MC-ICP-MS技術的完善和發(fā)展，顯著提高了對于Mg同位素的分析精度。這一技術已經用于研究地幔演化及分析源區(qū)特征當中，為Mg同位素在天然系統(tǒng)中的失蹤作用提供了較為便利的條件。

圖4 大同玄武巖中主量元素與MgO線性相關圖

圖5 大同新生代玄武巖中稀土元素與微量元素的分布模式圖

依據大同新生代玄武巖中的Mg同位素組成表數據(如表1所示)并結合前人對MORB及OIB型玄武巖的研究可統(tǒng)計得到圖6和圖7并討論得出如下結果。

如圖6所示，紅色點代表大同桑干河斷陷處樣品值，藍色點代表全球新生代時期OIB類型玄武巖[7]。可觀察到所有樣品點均分布在斜率為0.515的一條直線上。

圖6 大同玄武巖及全球新生代OIB型玄武巖δ26Mg-δ25Mg散點圖

如圖7所示，紅色點代表大同桑干河斷陷處樣品值，藍色點代表全球新生代時期MORB類型玄武巖。可觀察到所有樣品點均分布在斜率為0.515的一條直線上。在δ25Mg與δ26Mg的散點分布圖中，大同玄武巖分別和MORB及OIB型玄武巖沿著陸地平衡質量分餾線下降，斜率約為0.515.且δ25Mg的質量分數在-0.36‰～-0.11‰之間，δ26Mg的質量分數在-0.69‰～-0.21‰之間，總體而言，大同新生代玄武巖具有高度可變但總體較輕的Mg同位素組成，明顯輕于正常地幔。

圖7 大同玄武巖及全球新生代MORB型玄武巖w(δ26Mg)與w(δ25Mg)散點圖

圖8中數據分別引用自：夏威夷玄武巖，中國東部玄武巖[8]。目前研究表明在地幔部分熔融和隨后的玄武巖分異以及花崗巖分異的過程當中，沒有出現明顯的Mg同位素分餾現象，這意味著，如果沒有不同組分的Mg同位素，則玄武巖和花崗巖理論上應當具有與地幔相同的Mg同位素組成。依據圖8可知，與全球洋中脊玄武巖和洋島型玄武巖相比，本研究中的玄武巖總體上具有更輕的Mg同位素組成，表明大同玄武巖的地幔源不是具有與MORB或OIB相同的平均Mg同位素組成的干石榴石橄欖巖。華北克拉通(NCC)和華南塊體(SCB)的玄武巖的輕鎂同位素組成(w(δ26Mg)=-0.60‰～-0.35‰)歸因于地幔橄欖巖和俯沖太平洋板塊的同位素輕碳酸鹽熔體之間的相互作用。而五大連池玄武巖的高m(CaO)/m(Al2O3)以及低Hf/Hf*(標準化)比值(0.63～1.07)與華北克拉通和華南塊體的低δ26Mg玄武巖相似。這些是碳酸鹽交代作用的典型特征，因為碳酸鹽巖富含Ba、Th和La，而Zr、Hf和Ti卻很少。因此，大同玄武巖的地幔源來自于大陸玄武巖，并且由于深循環(huán)碳酸鹽巖和碳酸鹽榴輝巖具有輕Mg同位素組成，可推斷得出大同新生代玄武巖地幔源已被同位素輕碳酸鹽巖溶體交代。

圖8 大同玄武巖δ26Mg與m(CaO)/m(Al2O3)、m(SiO2)、Hf/Hf*和m(Fe)/m(Mn)的線性關系圖

4 結論

1) 大同新生代時期火山活動主要集中在第四紀，且根據其巖漿作用的不同，可將形成的玄武巖分為拉斑玄武巖與堿性玄武巖兩大類。位于東南區(qū)的拉斑玄武巖多呈灰黑色，玄武熔巖是其主要成分，多以氣孔狀或細密塊狀產出；而位于西北區(qū)的堿性玄武巖多呈紫紅色，并以夾層出露在地層當中，產出狀態(tài)也多為火山角礫巖或火山熔渣。

2) 在大同西北區(qū)的堿性橄欖玄武巖主要結構為顯微斑狀結構，主要礦物組成為斜長石、輝石、貴橄欖石等，次要礦物組成為磁鐵礦等，而顯微斑晶多為貴橄欖石和鈦輝石；在東南區(qū)的拉斑橄欖玄武巖中橄欖石的含量減少，輝石和斜長石的顯微斑晶含量增加，輝綠結構和間粒結構占主導地位，除此之外，磁鐵礦的含量也有顯著性的減少。

3) 據K2O+Na2O-SiO2的關系圖，可知大同東南區(qū)和西北區(qū)的玄武巖漿不是同源的，且東南區(qū)與西北區(qū)玄武巖的稀土元素與微量元素的豐度差別較大，變化率和富集程度也不同，東南區(qū)稀土元素分配曲線較緩，斜率較小，而西北區(qū)稀土元素分配曲線較陡，斜率較大，表明西北區(qū)的玄武巖巖漿熔融程度較低，東南區(qū)的玄武巖巖漿熔融程度較高。

4) 大同新生代Mg同位素特征表明該區(qū)域的Mg同位素含量明顯偏低，δ25Mg質量分數在-0.36‰～-0.11‰之間，δ26Mg質量分數在-0.69‰～-0.21‰之間，輕于正常地幔標準，但仍然處于陸地平衡質量分餾線上，斜率為0.515.且在地幔部分熔融和隨后的玄武巖分異以及花崗巖分異的過程當中，沒有出現明顯的Mg同位素分餾現象，結合前人的研究分析可得出大同新生代玄武巖地幔源已被同位素輕碳酸鹽巖溶體所交代。