華北克拉通北緣中、新生代巖石圈hf同位素地球化學(xué)特征及其成因

華北克拉通北緣中、新生代巖石圈hf同位素地球化學(xué)特征及其成因

在過去的20年中，中國北方的古克拉通具有其獨(dú)特的發(fā)展歷史受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。華北東部(太行山及其以東地區(qū))穩(wěn)定克拉通自古生代尤其是中、新生代以來的強(qiáng)烈構(gòu)造和巖漿活動(dòng),致使古老巖石圈大規(guī)模地減薄。這一巨厚的巖石圈減薄現(xiàn)象使得該區(qū)成為全球研究巖石圈演化歷史的理想地區(qū)(Griffinetal.,1992;Menziesetal.,1993)。中生代特別是晚中生代是華北東部構(gòu)造轉(zhuǎn)折和巖石圈減薄的主要時(shí)期(翟明國等,2003),這一時(shí)期的幔源巖漿活動(dòng)的研究對(duì)探討華北東部巖石圈減薄過程及其制約機(jī)制尤為重要(Zhangetal.,2002;2003;2004)。由于大陸巖石圈地幔和軟流圈的Hf和Nd同位素組成有很大的差異(Griffinetal.,2000),因此,本文試圖以華北克拉通中、新生代典型地區(qū)火山巖為例,探討中生代華北克拉通北緣(堿鍋和烏拉哈達(dá)地區(qū))以及中、新生代華北克拉通內(nèi)部(昌樂-臨朐和方城地區(qū))的玄武巖和高鎂安山巖的Hf同位素地球化學(xué)特征,并結(jié)合已發(fā)表的Nd同位素組成,進(jìn)一步反演這些典型地區(qū)中、新生代火山巖的來源,從而為進(jìn)一步探討該區(qū)中、新生代巖石圈的演化歷史提供Hf同位素地球化學(xué)制約。1主量、微量元素和pb同位素華北克拉通是我國最古老的,也是最大的太古代克拉通(圖1)。它的南部與古生代～三疊紀(jì)的秦嶺-大別-蘇魯造山帶相鄰(Lietal.,1993;MengandZhang,2000),北部則與東西向的中亞造山帶相鄰(Sengoretal.,1999;Davisetal.,2001)?？死ǖ幕字饕翘糯?早元古代麻粒巖、變質(zhì)火山巖和沉積巖組成,其蓋層為寒武Y奧陶紀(jì)灰?guī)r、石炭紀(jì)Y二疊紀(jì)的碎屑巖和中生代的盆地沉積物(Zhaoetal.,2002)。華北克拉通由東部和西部?jī)蓚€(gè)太古代的陸塊組成。西部陸塊,從前寒武以來一直比較穩(wěn)定。而東部陸塊顯生宙以來的大規(guī)模巖漿活動(dòng)比較頻繁(圖1)(Chenetal.,1997,1999;Davisetal.,2001;Renetal.,2002;Zhangetal.,2004及其參考文獻(xiàn))。本次工作的樣品采自華北克拉通北緣的遼寧省阜新市堿鍋和烏拉哈達(dá)地區(qū)以及華北克拉通內(nèi)部山東省昌樂-臨朐和方城地區(qū)。所研究的樣品的主量、微量元素和Sr、Nd、Pb同位素組成詳見文獻(xiàn)(張宏福和鄭建平,2003;Zhangetal.,2002,2003)。堿鍋位于遼寧西部的阜新地區(qū),地處華北克拉通太古代冀魯遼古陸核的北緣。堿鍋玄武巖分布于阜新組的厚層雜色砂巖-砂礫巖中,年齡約為105.5Ma(Zhuetal.,2004)。玄武巖為灰黑色,致密塊狀構(gòu)造,柱狀節(jié)理發(fā)育,柱體多為典型的六棱柱或五棱柱,直徑多在10～20cm,其組成為堿性玄武巖(張宏福和鄭建平,2003)。玄武巖中含少量地幔橄欖巖捕虜體。橄欖巖包體小,主要為尖晶石二輝橄欖巖。烏拉哈達(dá)離堿鍋很近,其火山噴發(fā)年齡為142Ma,熔巖也為灰黑色,致密塊狀構(gòu)造,與堿鍋地區(qū)玄武巖不同的是柱狀節(jié)理不發(fā)育(Zhangetal.,2003),組成為高鎂玄武安山巖。方城玄武巖位于華北克拉通內(nèi)部的山東臨沂地區(qū),為青山組火山巖的一部分。其形成年齡為125Ma(Zhangetal.,2002)。鉆井勘查表明溢流玄武質(zhì)巖厚度大約100米,底部伴隨有少量的苦橄巖,頂部則有極少的安山巖。玄武巖呈黑綠色,為斑狀結(jié)構(gòu)和塊狀構(gòu)造。斑晶由單斜輝石、橄欖石和少量的斜方輝石組成(Zhangetal.,2002)。值得注意的是該地區(qū)火山巖含有較多的地幔橄欖石和輝石捕虜晶(張宏福等,2004;裴福萍等,2004;Zhang,2005)及輝石巖捕虜體(Zhangetal.,2002)。昌樂-臨朐地區(qū)玄武巖分布在郯城-廬江斷裂帶中段的山東省昌樂縣和臨朐縣境內(nèi)。該區(qū)玄武巖呈似層狀,直接覆蓋在老第三系五圖組含煤河湖相沉積巖之上,形成大面積熔巖臺(tái)地或熔巖穹丘,環(huán)形火山口隨處可見,柱狀節(jié)理發(fā)育。區(qū)內(nèi)玄武質(zhì)巖漿活動(dòng)主要有三期(王萍等,1996):牛山期巖漿活動(dòng)(14.48Ma);山旺期巖漿活動(dòng)(9.97±0.91Ma);和堯山期巖漿活動(dòng)(4.34±0.19Ma)。在牛山期和山旺期巖漿活動(dòng)間歇期發(fā)育有著名的有“萬卷書”之稱的含眾多昆蟲類和植物化石以及琥珀的火山湖相硅藻土頁巖(王勝源等,2003),為我國著名的地質(zhì)旅游地之一。該區(qū)玄武巖在巖石類型上主要為碧玄巖和堿性玄武巖。在昌樂五圖方山、北巖和臨朐山旺等地玄武巖中含有大量的尖晶石二輝橄欖巖捕虜體和歪長(zhǎng)石巨晶(王萍等,1996)。該區(qū)玄武巖柱狀節(jié)理發(fā)育,柱體細(xì)而密。玄武巖呈灰黑-暗綠色,具斑狀結(jié)構(gòu)和塊狀構(gòu)造。斑晶主要為橄欖石和斜長(zhǎng)石,基質(zhì)為隱晶-玻璃質(zhì),其中堯山玄武巖結(jié)晶很好,為粗玄結(jié)構(gòu)。2hf同位素組成的分析方法火山巖的Hf同位素化學(xué)分離是在中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素年代學(xué)和地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成的。方法簡(jiǎn)述如下:將100mg樣品粉末與200mgLi2B4O7混合均勻后置于鉑金坩堝中,用XRF制玻璃片的高頻感應(yīng)爐在1250℃下熔解15分鐘將樣品分解,然后將堿熔的樣品用2MHCl溶解,采用HCl(單柱Ln-Spec提取色譜方法將Hf和基體元素及干擾元素分離,詳細(xì)的分析方法參見文獻(xiàn)(李獻(xiàn)華等,2005),而分離后的Hf同位素測(cè)試分析則在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室新引進(jìn)的NeptuneMC-ICP-MS上進(jìn)行(徐平等,2004),我們使用179Hf/177Hf=0.7325和JMC-475標(biāo)準(zhǔn)的176Hf/177Hf比值=0.282160進(jìn)行質(zhì)量分餾和外部校正。與本文樣品同時(shí)分析的玄武巖國際標(biāo)樣BHVO-2、W-2和JB-1的176Hf/177Hf分別為0.283087±12和0.282986±09,與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果均在誤差范圍內(nèi)一致(Bizzarroetal.,2003;Kleinhannsetal.,2002;LeFevreandPin,2001)。3hf同位素組成華北克拉通中、新生代典型火山巖的Hf同位素分析結(jié)果見表1。結(jié)果表明這些中、新生代典型火山巖具有完全不同的Hf同位素組成,即具有很寬的εHf(t)(-18.4～9.6)變化范圍,并和Nd同位素有很好的正相關(guān)關(guān)系(圖2)。3.1鋯石巨晶的hf同位素組成華北克拉通內(nèi)部昌樂和臨朐地區(qū)的玄武巖具有非常類似的Hf同位素特征。樣品176Hf/177Hf初始比值變化范圍較小,其變化范圍為0.282960～0.283037。而且從昌樂至臨朐176Hf/177Hf初始比值逐漸降低。昌樂地區(qū)的玄武巖176Hf/177Hf初始比值非常集中,其范圍在0.283019～0.283037之間。取t=10Ma,計(jì)算它們的εHf(t),昌樂地區(qū)的玄武巖具有最高的εHf(t)值(+9.0～+9.6),高于其他所有地區(qū)。其中04CLT-03樣品最高為+9.6,04CLF-03樣品最低為+9.0。臨朐地區(qū)的玄武巖176Hf/177Hf初始比值為0.282960～0.283017,其變化范圍較昌樂地區(qū)玄武巖稍寬,其εHf(t)值集中在+6.9～+8.9,普遍低于昌樂地區(qū)玄武巖。有趣的是,丘志力等(2005)對(duì)昌樂地區(qū),賦存在第三紀(jì)堿性橄欖玄武巖中的三顆鋯石巨晶的原位Hf同位素分析顯示,鋯石巨晶Hf同位素組成(176Hf/177Hf比值為0.28302～0.28308,所對(duì)應(yīng)的εHf(t)為+8.7～+10.8)和該地區(qū)的全巖玄武巖的Hf同位素組成在誤差范圍內(nèi)也完全一致。他們認(rèn)為該鋯石巨晶不是寄主巖漿結(jié)晶的產(chǎn)物,并認(rèn)為與由地殼物質(zhì)加入導(dǎo)致的地幔交代作用有關(guān)。然而,鋯石和寄主巖全巖Hf同位素的一致性說明這些鋯石很可能是從該寄主玄武巖中結(jié)晶的。昌樂-臨朐玄武巖的這種Hf同位素特征表明其來源于虧損的軟流圈,代表未分異無混染的原始巖漿組成。3.2ehf及t-1的比對(duì)地處華北克拉通北緣的堿鍋地區(qū)的玄武巖和克拉通內(nèi)部的昌樂-臨朐玄武巖有著非常相似的Hf同位素組成。樣Lu和Hf含量以及Nd同位素?cái)?shù)據(jù)引自Zhangetal.(2002,2003),Hf同位素校正所用參數(shù)和公式:176Lu/177HfCHUR=0.0322,176Hf/177HfCHUR=0.282772,λ=1.867×10-11year-1,eHf(t)=((176Hf/177Hf)i/(176Hf/177Hf)CHUR,t-1)×104,品176Hf/177Hf初始比值也比較集中,其范圍在0.282900～0.282946,其εHf(t)值從+6.8～+8.5,普遍較昌樂和臨朐地區(qū)的玄武巖低。中生代堿鍋山玄武巖的地球化學(xué)和同位素組成與新生代寬甸和漢諾壩玄武巖非常相似(Zhangetal.,2003)。他們都具有現(xiàn)代MORB和OIB的共同特征,被認(rèn)為是來源于軟流圈地幔。堿鍋玄武巖比寬甸玄武巖具有更高的εNd(t)值,即更為虧損。因此,堿鍋玄武巖的Hf同位素組成顯示其來源于上涌的軟流圈。3.3其他地區(qū)的hf同位素組成方城地區(qū)與昌樂-臨朐地區(qū)同處于華北克拉通內(nèi)部,但他們有著完全不同地Hf同位素組成,該地區(qū)的玄武巖和安山巖具有極低的Hf同位素組成,低于所有的其他地區(qū)。其176Hf/177Hf初始比值也比較集中,為0.282174～0.282255,對(duì)應(yīng)的εHf(t)為-18.4～-15.6,其中FC1-1樣品最低,為-18.4。該Hf同位素組成與根據(jù)玄武巖的元素和Sr-Nd-Pb的同位素地球化學(xué)特征得出的結(jié)論,即它的來源于受地殼物質(zhì)強(qiáng)烈改變的巖石圈地幔(Zhangetal.,2002)。因此,它們能夠代表該地區(qū)中生代大陸巖石圈地幔的Hf同位素組成。3.4hf同位素組成與堿鍋同處于克拉通北緣的烏拉哈達(dá)地區(qū)高鎂安山巖的Hf同位素特征則明顯不同。其176Hf/177Hf初始比值特別集中,為0.282610～0.282624,在分析誤差范圍內(nèi)完全一致。其εHf(t)值集中在-2.6～-2.1,具有較低的Hf同位素組成。該同位素組成可能是古老難熔的巖石圈地幔橄欖巖與俯沖的陸殼物質(zhì)相互作用的結(jié)果。3.5方城玄武巖地球化學(xué)特征與Sm-Nd同位素體系類似,地幔部分熔融過程中由于Hf較Lu更容易進(jìn)入熔體,從而造成虧損地幔中高Lu/Hf比值,其放射性成因Hf將隨演化快速增加,而產(chǎn)生的熔體(新生的地殼組分)由于具有低Lu/Hf比值,其放射性成因Hf增加緩慢。同時(shí),由于大陸巖石圈地幔和軟流圈的Hf和Nd同位素組成存在很大的差異(Griffinal.,2000)。因此Hf同位素對(duì)火山巖的來源及其成因能夠提供重要的信息。華北古生代和新生代巖石圈地幔性質(zhì)和組成特征分別是基于對(duì)古生代金伯利巖和新生代玄武巖攜帶的地幔橄欖巖捕虜體的研究獲得的。同理,華北中生代玄武巖攜帶的地幔橄欖巖捕虜體是探討中生代巖石圈地幔性質(zhì)和組成特征最直接的方法。然而,遺憾的是華北東南部早白堊世火山巖基本不含地幔橄欖巖捕虜體,僅在方城玄武巖中含有輝石巖捕虜體和橄欖石、輝石捕虜晶(Zhangetal.,2002,2004;裴福萍等,2004;Zhang,2005)。盡管晚白堊紀(jì)玄武質(zhì)火山巖含有少量地幔橄欖巖捕虜體(Yingetal.,2004)。因此,早白堊世及其以前中生代火山巖就成為研究巖石圈地幔性質(zhì)和組成的唯一途徑。方城地區(qū)出現(xiàn)的具典型巖石圈地幔源的含大量輝石巖捕虜體以及橄欖石和輝石捕虜晶的玄武巖為反演華北南緣中生代巖石圈地幔組成和性質(zhì)提供了很好的實(shí)例(Zhangetal.,2002)。方城玄武巖形成于125Ma(K-Ar年齡,Zhangetal.,2002),屬青山組火山巖的一部分,主要為拉斑玄武巖。它的同位素地球化學(xué)特征都說明該套玄武質(zhì)火山巖不同于大陸裂谷型火山巖,而具有島弧火山巖的某些地球化學(xué)特征。同時(shí)方城玄武巖的高鎂特征和相對(duì)低的硅、堿含量(與華北新生代玄武巖相比)以及含有輝石巖捕虜體等特征說明其上升過程中未受到明顯的地殼混染作用的影響(Zhangetal.,2002)。因此,方城玄武巖的地球化學(xué)特征能夠代表其源區(qū)的特征。這說明方城玄武巖以及整個(gè)青山組火山巖很可能直接來源于富集的巖石圈地幔。基于古生代巖石圈地幔的地球化學(xué)反演,如此富集的晚中生代巖石圈地幔不可能由古生代巖石圈地幔直接演化而成和簡(jiǎn)單的地幔交代作用所致。這就要求該區(qū)巖石圈地幔曾經(jīng)遭受過富集LREE和LILE、而虧損HFSE,并具有高的Sr同位素和低的Nd和Pb同位素的熔體的改造。合理的解釋是這種熔體來源于俯沖的陸殼物質(zhì)的部分熔融。因此,方城玄武巖是來自巖石圈地幔,而且在產(chǎn)生部分熔融之前,它經(jīng)歷了與俯沖的地殼物質(zhì)的相互作用過程。方城玄武巖的發(fā)現(xiàn)暗示華北東南緣中生代巖石圈地幔受到過俯沖陸殼物質(zhì)的強(qiáng)烈改造。這就首次將華北東南緣巖石圈的演化過程與大別-蘇魯造山帶的形成和演化連續(xù)了起來(Zhangetal.,2002)。該地區(qū)的玄武巖的Hf同位素特征進(jìn)一步證明了這一點(diǎn)。即強(qiáng)烈富集的Hf同位素組成亦需要巖石圈地幔的部分熔融前加入大量的地殼物質(zhì),才能產(chǎn)生如此低的Hf同位素組成。古生代向南俯沖的蒙古洋也同樣改造了華北克拉通北緣的巖石圈地幔,即為烏拉哈達(dá)高鎂安山巖的源區(qū)。烏拉哈達(dá)高鎂安山巖的地球化學(xué)特征也和東北新生代富鉀玄武巖很相似。他們的源區(qū)被認(rèn)為是交代富集地幔物質(zhì)的部分熔融(Zhangetal.,2003)。Hf同位素地球化學(xué)特征同樣說明烏拉哈達(dá)高鎂安山巖是來源于古老難熔的巖石圈地幔,但曾被俯沖的蒙古洋巖石圈熔融形成的熔體所改造。巖石圈伸展造成了富集的巖石圈地幔的減壓熔融,從而形成了高鎂安山巖和高鉀、鈣堿性的華北克拉通北緣的火山巖。從華北克拉通典型火山巖的年齡和εHf(t)/εNd(t)比值關(guān)系(圖3;4)可以看出,年齡與εHf(t)/εNd(c)比值總體上呈負(fù)的相關(guān)關(guān)系,即年齡越老,εHf(t)/εNd(t)比值越小,年齡越年輕,εHf(t)/εNd(t)比值越大;同時(shí)年齡越老,εHf(t)/εNd(t)比值越匯聚,區(qū)別非常小,年齡越年輕,εHf(t)/εNd(t)比值則越分散,越