塔里木盆地二叠纪玄武岩的地球化学特征及其与峨眉山大火成岩省的对比

中国西部地区发育了塔里木大火成岩省和峨眉山大火成岩省,分别形成于280Ma左右和258~260Ma。对比两个大火成岩省的玄武岩的地球化学特征,发现塔里木玄武岩的岩石地球化学特征与峨眉山玄武岩相似,Fe ₂O₃＝15.29%~17.97%,大于10%,比MORB富铁,指示其深源以及地幔柱源特征,为典型的溢流玄武岩。稀土元素比值显示其落在由石榴石二辉橄榄岩组成的原始地幔熔融线上,表明该玄武岩是在厚的岩石圈下由异常热的地幔经低部分熔融形成的。微量元素特征比值分析,揭示了塔里木玄武质岩浆在上升过程中受到了一定程度的地壳混染。塔里木大火成岩省和峨眉山大火成岩省一样,可能起源同一个来自于核幔边界的超级地幔柱,它们很可能是塔里木板块和扬子板块在二叠纪北向漂移过程中先后穿越同一个超级地幔柱的结果。     

塔里木板块早—中二叠世玄武质岩浆作用的沉积响应

塔里木板块内部发育了大量由早—中二叠世板内岩浆作用所形成的、以玄武岩类为主的基性岩浆岩,包括玄武岩、辉绿岩、玄武安山岩等,残余分布面积约20万km2。而二叠纪时期是塔里木板块演化过程中一个非常重要的转折时期,从早二叠世晚期开始塔里木板块结束了海相沉积,进入了陆相沉积阶段。通过对塔里木板块的岩浆作用特征和石炭纪—二叠纪沉积相的分析,笔者讨论了这一大规模的岩浆作用对板块晚石炭世—二叠纪的沉积作用所起的控制作用,提出了塔里木板块早—中二叠世巨量玄武质岩浆作用的沉积响应过程模式。     

塔里木早二叠世大火成岩省的时空特征和岩浆动力学

塔里木早二叠世大火成岩省是继峨眉山大火成岩省之后在中国境内发现的又一个二叠纪大火成岩省。近十多年来,对塔里木大火成岩省及其与地幔柱和大规模成矿的关系受到极大关注。本文结合近年来国内外的最新研究进展,对塔里木大火成岩省的时空分布、岩石地球化学特征、成因演化和动力学过程以及成矿潜力进行综述。塔里木大火成岩省的残余分布面积达25万km2,岩石类型主要有大陆溢流玄武岩(分布广泛),长英质火山岩类(主要分布在塔里木盆地的北部)和基性-超基性及中酸性侵入岩类等(主要出露于巴楚、巴什索贡和皮羌等地区)。该大火成岩省事件的岩浆活动时间主要集中在292~285 Ma(玄武岩和第一期长英质火山岩类形成阶段)和284~274 Ma(侵入岩类、含钒钛磁铁矿床和第二期长英质火山岩类形成阶段)。系统和深入的岩石地球化学和Sr-Nd-Hf-Pb同位素研究表明,塔里木大火成岩省从早期喷发的玄武岩到晚期的侵入岩类具有明显不同的地球化学特征,指示其岩浆源区发生了从富集岩石圈地幔来源到地幔柱来源的明显转变。结合相关的地质学和岩石学证据及铂族元素(PGEs)等研究,提出了一个上涌的地幔柱不断向位于岩石圈地幔底部的岩浆源区注入亏损地幔物质、持续改变其同位素地球化学特征并最终形成塔里木大火成岩省各主要岩石类型的岩浆演化新模型。最后,巴楚瓦吉里塔格含钒钛磁铁矿的存在也表明在塔里木大火成岩省中具有找寻大型钒钛磁铁矿床的潜力。     

天山石炭纪大火成岩省与地幔柱

中国西北部(中亚地区)天山造山带中分布的石炭纪碰撞后裂谷火山岩系构成了一个分布范围约150×104km2的大火成岩省.该火山岩系主要由玄武质熔岩组成,其次还包含有中性和酸性熔岩及火山碎屑岩.玄武岩所形成的化学和同位素阵列表明,它们是由来源于2个不同源区的组分混合产生的.一种组分来源于岩石圈地幔,另一种组分来源于与夏威夷(Hawaii)、冰岛(Iceland)和留尼汪岛(Reunion)等洋岛玄武岩源区相似的软流圈.显然,该大火成岩省的形成与地幔柱活动有关.     

塔里木和中亚造山带西段二叠纪大火成岩省的两类地幔源区

对塔里木和中亚造山带西段二叠纪玄武质岩石地质、年龄、元素地球化学、同位素组成的系统总结表明,二叠纪火成岩在分布面积、岩石类型(以玄武岩占绝对优势)、活动时间(以275Ma左右为峰期)等方面均与世界典型的大火成岩省一致,将其命名为巴楚大火成岩省(Bachu LIP)。元素和同位素地球化学特征表明,塔里木玄武岩来自长期富集的岩石圈地幔,来源深度为60~80km。塔里木基性岩墙和超镁铁-镁铁杂岩的原始岩浆可能来自软流圈地幔(OIB)部分熔融。中亚造山带西段的玄武岩、基性岩墙和超镁铁-镁铁杂岩主要来自被俯冲带熔体交代的强烈亏损的岩石圈地幔,其中部分地区可能有软流圈物质的加入,如东天山和阿勒泰南缘高Ti系列的玄武质岩石。根据元素和同位素地球化学资料,将巴楚大火成岩省分为2个地幔省(mantle domain),即塔里木省和中亚省。这2个不同地幔省的成矿系列也有显著的差异,塔里木省为钒-钛磁铁矿矿床,而中亚则以铜-镍-(铂族金属)硫化物矿床为主,成矿作用的差异和岩浆地幔源区的差异是完全对应的。综合地质、地球化学和成矿作用,认为巴楚大火成岩省的形成和二叠纪地幔柱密切相关。     

大火成岩省研新进展

大火成岩省的含义是指连续的、体积庞大的火成岩(包括镁铁质和长英质火成岩)所构成的巨型岩浆岩建造。镁铁质大火成岩省可分为:大陆溢流玄武岩、火山被动陆缘、大洋高原玄武岩、大岩墙群和大层状侵入体。镁铁质大火成岩省是地幔柱岩浆活动的直接产物,一般与聚敛板块边界无关。长英质大火成岩省主要由酸性、中酸性熔结凝灰岩及与之有成因联系的花岗岩构成,与岩石圈伸展构造和玄武岩浆底侵作用有不可分割的联系。今后研究方向包括大火成岩省的形成与地幔动力学的联系以及它与大陆增生、大陆裂解和生物绝灭的关系。此外还包括大火成岩省与成矿作用研究     

塔里木和中亚造山带西段二叠纪大火成岩省的两类地幔源区

对塔里木和中亚造山带西段二叠纪玄武质岩石地质、年龄、元素地球化学、同位素组成的系统总结表明,二叠纪火成岩在分布面积、岩石类型(以玄武岩占绝对优势)、活动时间(以275Ma左右为峰期)等方面均与世界典型的大火成岩省一致,将其命名为巴楚大火成岩省(Bachu LIP)。元素和同位素地球化学特征表明,塔里木玄武岩来自长期富集的岩石圈地幔,来源深度为60～80km。塔里木基性岩墙和超镁铁-镁铁杂岩的原始岩浆可能来自软流圈地幔(OIB)部分熔融。中亚造山带西段的玄武岩、基性岩墙和超镁铁-镁铁杂岩主要来自被俯冲带熔体交代的强烈亏损的岩石圈地幔,其中部分地区可能有软流圈物质的加入,如东天山和阿勒泰南缘高Ti系列的玄武质岩石。根据元素和同位素地球化学资料,将巴楚大火成岩省分为2个地幔省(mantledomain),即塔里木省和中亚省。这2个不同地幔省的成矿系列也有显著的差异,塔里木省为钒-钛磁铁矿矿床,而中亚则以铜-镍-(铂族金属)硫化物矿床为主,成矿作用的差异和岩浆地幔源区的差异是完全对应的。综合地质、地球化学和成矿作用,认为巴楚大火成岩省的形成和二叠纪地幔柱密切相关。     

中国东部燕山期大规模岩浆活动与岩石圈减薄:与大火成岩省的关系

论述了大规模岩浆活动与岩石圈减薄的关系,指出软流圈地幔与地壳直接接触时,即岩石圈最大减薄时(岩石圈地幔厚度为0),岩石圈厚度等于地壳厚度。中国东部岩石圈最大减薄的时间在燕山期,在这之前和之后,岩石圈是厚的。讨论了中国东部大规模岩浆活动与板块俯冲的关系,认为中国东部燕山期岩浆活动与太平洋板块没有关系:中国东部不属于环太平洋构造带,不是安第斯型活动陆缘,中生代玄武岩不具有岛弧玄武岩的特征,从中酸性岩浆岩得不出岛弧的结论,从三叠纪开始的古太平洋板块扩张方向的演变也不支持板块向西俯冲的认识。认为中国东部燕山期大规模岩浆活动可能与超级地幔柱的活动有关,是一种新的大火成岩省类型。文中将大火成岩省分为两类:一类为B型大火成岩省,部分熔融发生在岩石圈底部,以发育玄武岩为特征;另一类为G型大火成岩省,部分熔融发生在下地壳底部,以发育大规模花岗质岩浆为特征。根据中国东部大规模岩浆活动的时空分布分出5个大火成岩省:鄂霍茨克(大兴安岭北端)、张广才岭—小兴安岭、华北—大兴安岭、华南和东部沿海大火成岩省。认为岩石圈减薄可以产生多种效应,是地壳演化的最重要的动力学因素,但唯独与地壳浅部的伸展事件无关。还评论了流行的岩石圈减薄的见解,认为流行的见解将岩石圈减薄定位在新生代(岩石圈厚80～120km)是似是而非的,不是科学的命题。     

峨眉山大火成岩省：地幔柱活动的证据及其熔融条件

对苦橄岩中橄榄石斑晶及其中熔体包裹体的电子探针分析表明，峨眉山大火山岩省的原始岩浆具高镁（ MgO > 16％）特征。玄武岩的 REE反演计算揭示，参与峨眉山玄武岩岩浆作用的地幔具有异常高的潜能温度（ 1 550℃）。这些特征以及峨眉山玄武岩的大面积分布和一些熔岩所显示的类似于洋岛玄武岩 (OIB)的微量元素和 Sr- Nd同位素特征均为地幔热柱在能量和物质上参与峨眉山溢流玄武岩的形成提供了确凿证据。峨眉山两个主要岩类（高钛和低钛玄武岩）可能是不同地幔源区物质在不同条件下的熔融产物。低钛玄武岩形成于温度最高、岩石圈最薄的地幔柱轴部。地幔（ ISr≈ 0.705,ε Nd(t)≈＋ 2）熔融始于 140 km，并一直延续到较浅的深度（ 60 km,尖晶石稳定区 ),部分熔融程度为 16％，这类岩石可能代表了峨眉山玄武岩的主体。而高钛玄武岩的母岩浆的形成基本局限在石榴子石稳定区（ > 70 km），其源区特征为 : ISr≈ 0.704,ε Nd(t)≈＋ 5，可能代表了热柱边部或消亡期地幔小程度部分熔融（ 1.5％）的产物。     

我国大火成岩省和地幔柱研究进展与展望

本文简要阐明大火成岩省和地幔柱研究的关键科学问题及研究方法,然后对新世纪以来我国中晚二叠纪峨眉山大火成岩省和早二叠纪塔里木大火成岩省的研究进展进行了回顾和总结.通过不同学科的地质观察与地幔柱理论预测的对比研究发现,峨眉山玄武岩喷发前的地壳隆升,高温原始岩浆,极短的岩浆作用持续时间以及不同类型岩浆的空间分布特征等均支持地幔柱模型。为了解释塔里木大火成岩省的岩浆演化,提出了一个两阶段的动力学模型。最后对大火成岩省和地幔柱领域研究进行了展望。     

塔里木板块东北部笔架山东基性-超基性岩体地球化学特征与岩石成因

笔架山东基性—超基性岩体位于塔里木板块东北部的新疆北山地区,是笔架山岩带中最东边的一个岩体,岩体形态为椭圆状,出露面积约5 km2.由含长单辉橄榄岩、橄榄辉长岩、含橄辉长岩、辉长岩以及辉绿岩组成.含橄榄石较多的岩石属拉斑玄武岩系列,而辉长岩属钙碱性系列.岩相学、岩石化学和微量元素地球化学特征表明岩浆演化过程中经历了橄榄石、辉石、斜长石的分离结晶作用.Nd、Sr、Pb同位素组成和岩石地球化学特征反映出岩浆与围岩之间存在物质交换.笔架山东岩体的岩浆源区为OIB型地幔源区,原生岩浆为高镁拉斑玄武岩浆[w(MgO)=11.2％],这些性质与塔里木板块东北部其他基性-超基性岩体的特征相似,表明塔里木板块东北部二叠纪基性—超基性岩体的源区主要为OIB型地幔,可能与地幔柱有关.     

巴楚辉绿岩墙的岩石成因及其对塔里木大火成岩省岩浆演化的启示

早二叠世塔里木大火成岩省主要有两期岩浆活动:以柯坪玄武岩为代表的喷出岩形成较早(~290Ma),以巴楚超基性-基性-长英质侵入体和岩墙为代表的侵入岩形成较晚(~280Ma)。本研究选取代表晚期岩浆活动的巴楚辉绿岩墙为研究对象,旨在为认识塔里木地幔柱活动及与岩石圈的相互作用提供更多信息。巴楚辉绿岩XHZ-10样品中的锆石均为继承性锆石,不能用来限定其侵位时代。然而,野外关系表明巴楚辉绿岩墙属于塔里木大火成岩省的第二期岩浆活动。巴楚辉绿岩墙经历了橄榄石、辉石和磁铁矿的分离结晶。Nd同位素比值与SiO₂和La/Nb比值的相关性以及继承性锆石年龄(2480~717Ma,主要集中在~800Ma)表明,新元古代基底的同化混染作用可以解释其ε_Nd具有较大的变化范围(-2.6~+5.1)。受混染程度最小的样品具有与洋岛玄武岩(OIB)极其相似的微量元素特征,并且具有亏损的Nd同位素组成(ε_Nd=~+5),暗示其来源于富集的对流地幔源区,与早期(~290Ma)具有岩石圈地幔源区特征的玄武岩形成鲜明对比。本文提出地幔柱侧向流动模型以解释两期岩浆的时空分布和地球化学差异:当地幔柱上升至塔里木岩石圈底部时,巨厚的岩石圈地幔(>140km)会阻碍其减压熔融;但不断积累在岩石圈底部的地幔柱物质提供足够的热,促使早期富集交代的岩石圈地幔发生部分熔融,形成~290Ma的玄武岩;地幔柱物质将向岩石圈厚度较薄的边缘地区侧向流动,发生减压熔融,形成的熔体侵位到地壳中形成超基性-基性-长英质侵入岩和辉绿岩墙,并诱发地壳的熔融形成长英质火山岩。     

藏南措美残余大火成岩省的西延及意义

在西藏南东部和澳大利亚南西部新识别出的早白垩世Comei-Bunbury大火成岩省的范围还未能得到很好约束。为探讨这一问题,本文报道了西藏南东部浪卡子-洛扎以西、江孜、康马地区广泛分布的近东西向基性岩墙和少量玄武岩的岩石学和地球化学数据。这些以辉绿岩、辉长岩为主的镁铁质岩石属于碱性-亚碱性玄武岩系列,在地球化学上主要包括高Ti的洋岛玄武岩型和低Ti的大洋中脊玄武岩型,两者的εNd(t)值分别为(+0.9～+2.0)和(+4.6～+5.8)。这两种类型岩石的地球化学特征均与措美残余大火成岩省内的对应类型可比,暗示它们与措美残余大火成岩省一样,均形成于由地幔柱作用于大陆岩石圈引起的伸展背景,代表该残余大火成岩省的西延。本文研究结果使得现今保留在特提斯喜马拉雅带上的Comei-Bunbury大火成岩省的残余面积接近50000km2。该大火成岩省的大规模岩浆活动可能是引发研究区甚至全球早白垩世大洋缺氧事件的一个重要因素。     

大火成岩省研究新进展

大火成岩省（ｌａｒｇｅｉｇｎｅｏｕｓｐｒｏｖｉｎｃｅｓ或ＬＩＰｓ）是指巨量的富铁镁岩石的连续侵位。包括大陆溢流玄武岩和相关的侵入岩、火山被动边缘、大洋高原、洋脊、海山群及洋盆溢流玄武岩。这些“火成岩省”不是产出在正常的大洋中脊扩张中心（Ｍ．Ｆ．Ｃｏｆｆｉｎ和Ｏ．Ｅｌｄｈｏｌｍ,１９９４）,也有人把它们称为超级地幔柱（Ｌａｒｓｏｎ,１９９１）。主要的３种类型为：大洋高原,以昂通爪哇（ＯｎｔｏｎｇＪａｖａ）和克尔格伦（Ｋｅｒｇｕｅｌｅｎ）为最大;火山被动边缘,以北大西洋为代表;大陆溢流玄武岩,以印度…     

中国东部燕山期大火成岩省:岩浆-构造-资源-环境效应

中国东部燕山期的大规模岩浆活动,即侏罗纪—白垩纪(150—100 Ma)的碱性流纹岩-碱性玄武岩-金伯利岩-钾镁煌斑岩-碳酸岩及其管道系统,分布于江南造山带内侧和郯庐断裂带南段以西的华北地台内,累积面积超过30万km2.该期短时限内大规模活动的岩浆事件代表了中国东部地质历史演化中的一次大火成岩省(LIP)事件,实质控制着中生代以来中国华北—扬子地台的构造格局变化、资源能源形成与地质环境变迁.晚侏罗世—早白垩世(150—100 Ma)的大火成岩省,是中生代中期古太平洋大火成岩省沿中国克拉通东部边缘活动的一部分,是包括昂通爪哇(Ongtong-Java)(Mahoney et al.,1993;Ingle and Coffin,2004)—中国东部在内的超级地幔柱上涌,在岩石圈板片对流,挤压地幔物质快速上升,引起陆域内长英质地壳物质大规模重熔的结果,形成:(1)髫髻山组—张家口组碱性流纹质-玄武质双峰式火山岩及其管道系统,与华北大规模金-多金属矿成矿作用密切相关;(2)辽宁瓦房店—山东蒙阴—安徽栏杆,湖南宁乡—贵州镇远一带的金伯利岩—钾镁煌斑岩±碳酸岩±基性超基性杂岩及其管道系统,与金刚石、金-铂族元素等成矿关系密切;(3)辽东—胶东半岛、南岭—滇黔桂交界地区的连片花岗岩,是硅质大火成岩省(SLIP)的管道系统(plumbing systems),与金刚石矿、金-铂族元素矿、钨锡铌钽矿、锂-钾-铷-铯-铀矿等,以及油气等战略性关键金属成矿关系密切.同时,巨型岩浆作用引发的富含钾、磷及稀土等微量元素的基岩形成优质土壤层对生态多样性的助益等有利和/或有害的环境效应,直接关系到地球家园的生态环境.因此,中国东部燕山期大火成岩省产生深刻的岩浆-构造-资源-环境效应.     

大火成岩省及地幔动力学

大火成岩省由一个体积巨大的、连续的、以富镁铁岩石占优势的喷出岩及其伴生的侵入岩组成，是一个全球现象。它包括大陆溢流玄武岩和伴生的侵入岩，火山被动边缘玄武岩，大洋高原、海岭、海山群和洋盆溢流玄武岩。Ontong Java和Kerguelen-Broken Ridge大洋高原、北大西洋火山被动边缘、德干和哥伦比亚河大陆溢流玄武岩是3个主要大火成岩省的典型代表。各种不同的大火成岩省在时空分布及组成上都具有相似性，它们具有非常大的体积、高的喷发速率，岩石类型以拉斑玄武岩为主。大火成岩省代表了地球上已知的最大的火山岩浆活动，记录了物质和能量从地球内部向外的大量转换。大火成岩省难以用板块构造来解释，可用热柱模式来解释，通常被认为是与来自下地幔的热柱“头”有关。大火成岩省是地球动力学过程在地壳的表现，因此大火成岩省参数可作为边界条件去反演地幔动力学过程。     

中国东部中生代大规模岩浆活动与长英质大火成岩省问题

笔者认为,中国东部中生代大规模岩浆活动很难用太平洋板块的俯冲来解释,中国东部中生代大规模岩浆活动可能相当于几个不同时期发育的长英质大火成岩省,与中生代东亚超级地幔柱的活动有关.世界上存在两类大火成岩省,一类以镁铁质岩为主(M-LIP);另一类以长英质岩为主(F-LIP).中国也存在上述两类大火成岩省,二叠纪的峨眉山玄武岩属于前者,中国东部中生代大规模的岩浆活动属于后者.二者可能均与地幔柱的活动有关,不同在于镁铁质大火成岩省的地幔柱上升停滞在岩石圈底部,在那里发生部分熔融形成大规模玄武岩喷发;而与长英质大火成岩省有关的地幔柱可抵达下地壳底部直接烘烤和加热下地壳,形成长英质成分的岩浆岩.学术界通常认为中国东部中生代大规模岩浆活动与太平洋板块向西俯冲导致的软流圈地幔上升有关,本文却认为它可能与来自下地幔的地幔柱有关.大火成岩省矿产丰富,与镁铁质大火成岩省有关的矿产有铜、镍、铬、铂、钯等,与长英质大火成岩省有关的矿产有金、铜、钨、锡、钼、铋、锑、铀等.     

峨眉山大火成岩省形成后的海平面变化及沉积响应

峨眉山大火成岩省(ELIP)位于扬子板块西缘,是我国被国际学术界认可的大火成岩省,受到国内外学者的广泛关注。对峨眉山玄武岩喷发后的地表沉积响应研究表明,峨眉山大火成岩省断裂带对研究区沉积特征具有显著的控制作用。同时,晚二叠世早期的海平面变化显示为海侵,表明峨眉山玄武岩喷发后有热回沉作用的发生,这一结论为峨眉山大火成岩省的研究提供了重要信息。     

水与大火成岩省的形成

大火成岩省(LIPs)是发生在板块内部的超大规模岩浆活动的产物,其成因一直是地学界研究的前沿和热点。影响LIPs形成的主要因素包括温度、压力、源岩性质和源区水含量,虽然已积累较多的成果,但对于地幔源区中的水是否影响及如何影响LIPs的形成,目前还知之甚少。本文回顾了已有的实测LIPS水含量研究工作,并介绍了一种新的分析手段,即利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)测定早期结晶的单斜辉石斑晶水含量,然后结合水在单斜辉石斑晶和熔体间的分配系数来反演得到LIPs的"原始"水含量。通过塔里木和峨眉山两个大火成岩省的研究实例,综合评价了温度、压力、源岩性质和水含量这4个因素的影响,指出很可能只有当这些因素同时具备了才能产生LIPs。     

塔里木大火成岩省瓦吉里塔格霞石岩稀有气体同位素特征及其地质意义

稀有气体被广泛用作地球化学示踪剂,本文对塔里木大火成岩省西北缘瓦吉里塔格霞石岩中的橄榄石和辉石单矿物进行了稀有气体同位素测定。结果表明,瓦吉里塔格霞石岩中的橄榄石和辉石单矿物具有较低的~3He/~4He值(分别为2.0~2.4 Ra和0.65~0.85 Ra)和略高于大气值的~(40)Ar/~(36)Ar值(342.3~651.7),反映了由古板块俯冲导致的较低的He、Ar同位素比值特征。研究表明,早中古生代南天山洋向南俯冲到塔里木板块之下,将富U或富~4He以及含有大气组分的流体带入到深部地幔,在塔里木地幔柱的作用下地幔源区发生低程度部分熔融产生霞石岩岩浆。