李永軍李甘雨佟麗莉楊高學王冉

摘要：玄武質巖漿見于板塊構造演化的全過程和各個重要階段，是所有火成巖中最主要的構造地球化學指示劑，因此，玄武巖類相關元素圖解和比值成為研究火成巖成巖作用和形成構造環(huán)境判別的首選對象。Ta、Hf、Th、La、Zr、Nb都是高場強元素和較強不相容元素，由于地球化學性質的相似性和在玄武巖類成巖過程中的規(guī)律性變化，所以它們是玄武巖類成因研究和構造環(huán)境判別圖解中使用頻率最高的元素，而且兩兩元素含量之間的比值能較好地區(qū)分其形成時的構造環(huán)境。在前人發(fā)明的玄武巖類Th/HfTa/Hf、Th/ZrNb/Zr及La/ZrNb/Zr雙對數判別圖解基礎上，運用這6個元素兩兩組對的Ta/Hf、Th/Ta、Th/Hf、Nb/Zr、Th/Nb、La/Nb值，建立比值判別表，極好地區(qū)分了幾乎最常見的各種構造環(huán)境中有關的玄武巖類。該比值判別表是對雙對數判別圖解的極好補充。

關鍵詞：玄武巖；Ta/Hf；Th/Ta；Th/Hf；Nb/Zr；Th/Nb；La/Nb；比值判別；構造環(huán)境

中圖分類號：P595文獻標0引言

玄武巖在全球分布十分廣泛，其巖漿的形成與全球構造（如裂谷擴張、板塊俯沖消減、地幔的深部作用等過程）最為密切[12]，因而產出于多種板塊構造演化環(huán)境中，并且不同大地構造環(huán)境一般具有較為特定的巖石組合、鉀質或鈉質類型以及基本固定的建造系列。同時，大量高溫高壓試驗成果和地質、巖相及巖石化學資料已經證實，玄武質巖漿是由地幔橄欖巖部分熔融形成的[37]，因而幾乎所有的玄武巖源區(qū)直接源于上地幔，因此，研究玄武巖對于反演地幔物質成分，分析構造環(huán)境和地球的深部動力學均具重要意義[810]。

與中酸性巖漿顯著不同的是，玄武質巖漿類型復雜多樣，并且見于板塊構造演化的全過程和各個重要階段，自然成為研究構造地球化學的主要指示劑。玄武質巖漿的主要源區(qū)包括巖石圈地幔、地幔熱柱、軟流圈和地殼四大端元[1112]。迄今為止，洋中脊玄武巖（MORB）型巖漿還未見于大陸構造環(huán)境，并且大陸玄武巖的地球化學性質有別于大洋玄武巖；其差異表明，大陸玄武質巖漿的形成除軟流圈[13]、地幔熱柱[1416]外，一定有其他源的參與（如巖漿混合、巖漿混染）[1617]。由于不同端元組分對巖漿生成的相對貢獻量不同，使得大陸玄武巖的地球化學性質更為復雜和具有多樣性[18]，所以識別和區(qū)分不同大地構造環(huán)境中的玄武巖類，成為地球化學家關注的主要研究內容[1922]，從而運用玄武巖的相關元素進行圖解和相關比值判別大地構造環(huán)境，成為所有火成巖類的首選研究對象。

從20世紀80年代開始，地質學家利用微量元素地球化學特征判別巖漿形成的大地構造環(huán)境和示蹤巖漿源區(qū)的化學性質，誕生了許多判別方法，尤其是發(fā)明了眾多的地球化學判別圖解[2326]。在所有巖石類型的構造環(huán)境判別圖解中，玄武巖類的圖解判別最多。經典的圖解主要有ThHf/3Ta三角圖解[圖1（a）][27]、Ti/1003YZr三角圖解[圖1（b）][28]、3TbTh2Ta三角圖解[圖1（c）][29]、Nb/ThNb圖解[圖1（d）][30]、Th/YbTa/Yb圖解[圖1（e）][31]和Th/LaTa/La圖解[圖1（f）][32]等。

通過大量精細對比研究發(fā)現，多元素圖解、元素與同位素配套的圖解等相對量少的元素（包括氧化物）圖解可信度更高，從而能更精細地區(qū)分不同大洋環(huán)境的玄武巖類，其中最有效的多元素圖解以稀土元素配分模式[圖2（a）][33]和大離子親石元素蛛網圖[圖2（b）～（d）][31]為代表。

對比上述各經典圖解不難看出，在進行玄武巖類構造環(huán)境判別中，Ta、Hf、Th、La、Zr、Nb這6個元素是地球化學研究和成因判別圖解中使用率最高的元素。

綜合分析前人研究成果發(fā)現，圖解判別是當前大多數學者最易接受和最常使用的方法，而運用比值和對比表進行判別分析的可借鑒資料較少。通常情況下，拿到一批分析數據后，需先選擇某些圖解模版進行圖解，并經綜合讀圖分析后凝練出構造環(huán)境信息。當分析數據在多個數量級區(qū)間變化時，還要使用對數坐標進行成圖。很多圖解首先要借助Excel等軟件進行成圖，之后通過Coreldraw等軟件將Excel軟件成圖與已有的構造環(huán)境模版圖套合（因為大多數成圖軟件中無現成的構造環(huán)境等模版圖，所以只有套合才能將Excel軟件成圖與模版圖上的構造環(huán)境信息有機聯合），從而獲得其構造環(huán)境信息。這一過程相對繁瑣和復雜。對于某個或多個具體數據而言，只需經過簡單計算（有時可進行心算估計），借助比值判別表速查可粗判該數據的構造環(huán)境信息，有用時再進行精細計算、成圖、圖解套合，無用時或數據的比值不在關注的構造環(huán)境信息范圍之內時則棄之（無需精細計算、成圖、圖解套合）。這一過程中，簡化的比值判別表較之精細的圖解及套合圖解過程則快速有效，實用性更強，因此，設計出有效的比值判別表對地球化學研究有極好的實用性和推廣性。

NMORB為正常型洋中脊玄武巖；EMORB為異常型洋中脊玄武巖；OIB為洋島玄武巖；SHO為鉀玄巖；CAB為鈣堿性玄武巖；TH為大洋拉斑玄武巖；DM為虧損地幔；PM為原始地幔；CC為大陸地殼；圖（f）中百分比為部分熔融程度

圖1玄武巖類大地構造環(huán)境主要判別及部分熔融圖解

Fig.1Partial Melting Diagram and Mainly Discrimination for Tectonic Settings in Basalts

ws為樣品含量；wc為球粒隕石含量；wMORB為MORB含量；圖（a）引自文獻[20]；圖（b）～（d）引自文獻[18]

圖2各典型構造環(huán)境中玄武巖球粒隕石標準化稀土元素配分模式及MORB標準化大離子親石元素蛛網圖

Fig.2Chondritenormalized REE Pattern and MORBnormalized Trace Element Spider Diagrams of Basalts from Various Typical Tectonic Settings

考慮到前人已有的Th/HfTa/Hf、Th/ZrNb/Zr及La/ZrNb/Zr雙對數判別圖解是運用大量數據經統(tǒng)計與檢驗確認有效這一事實，本文綜合分析并提取了Ta/Hf、Th/Ta、Th/Hf、Nb/Zr、Th/Nb、La/Nb值共6組比值信息，建立比值判別對比表，極好地區(qū)分了幾乎最常見的各種構造環(huán)境中有關的玄武巖類。

1Ta、Hf、Th、La、Zr、Nb的地球化學性質

Ta、Hf、Th、La、Zr、Nb都是高場強元素。由于這6個元素都是不相容元素（Th、Ta、La、Nb強不相容，Zr、Hf弱不相容），在分離結晶過程中含量都在同步增加，所以兩兩元素含量之間的比值顯示有規(guī)律性的變化。這一特征使得在研究中對于玄武巖成分是否接近原始巖漿成分的要求大為放寬，即Ta、Hf、Th、La、Zr、Nb的數據能夠加以利用的巖石除原生巖漿巖外，一些分離結晶程度較低的巖石也可以使用。

Nb是強不相容元素，在地幔巖漿間的總分配系數最小，故低度部分熔融易進入熔體，而分離結晶時會一直保存在殘余熔體中。研究表明：富集型洋中脊玄武巖（PMORB）地幔源中Nb含量高于NMORB地幔源，因此，Nb又是地幔不均一性的指示劑[34]；Nb虧損可提供有關地殼性質和玄武質巖石受其混染的信息。

Zr是惰性元素。弧后盆地玄武巖漿的源可能有活動性元素的富集，它們隨含水流體相進入其中，故Zr含量的標準化可以充分表現從Zr發(fā)端的活動性元素富集的程度[34]。

Ta和Hf是耐熔的高場強元素，Th是耐熔大離子親石元素。在深部作用過程（如地幔分離、地幔部分熔融、巖漿分離結晶、地殼混染等）中，在巖漿相、流體相或地幔分離后的活動分離相，這些元素含量有時會發(fā)生幾個數量級的變化，用其絕對含量恢復所研究巖石玄武巖類巖漿源區(qū)成分從而判別其大地構造環(huán)境顯然是困難的，但由于不相容性，其親巖漿性的變化是同步的，兩兩元素含量之間的比值在地幔部分熔融過程中只有很小的變化，在巖漿分離結晶過程中基本不變。相對原始巖漿而言，Ta/Hf值和Th/Hf值差異大被解釋為源區(qū)成分不同引起的[35]。

La為強不相容元素，易溶于水，地球化學性質活潑，在巖石中的原始豐度、分布形式、分散或富集規(guī)律、遷移特性等行為很獨特[36]。

La、Nb、Zr是一組耐熔強親巖漿元素，其含量相互之間的比值關系可用來恢復深部作用的地球化學過程[36]。

上述6個元素地球化學性質相似，在巖漿演化過程中含量變化基本同步，元素含量之間的比值在地幔部分熔融過程中只有很小的變化，在巖漿分離結晶過程中基本不變，因此，它們可用來恢復巖漿源區(qū)成分，進而判別巖石形成的大地構造環(huán)境。

2Ta、Hf、Th、La、Zr、Nb含量的比值對比判別

依據上述地球化學特性，汪云亮等根據世界典型大地構造環(huán)境區(qū)玄武巖類的Th、Ta、Hf最新數據研究發(fā)現，原生巖漿巖的Ta/Hf值和Th/Hf值直接反映的是其源區(qū)的Th、Ta、Hf分異特征，且大體等于其源區(qū)的值；在此基礎上，又提出了玄武巖類形成的大地構造環(huán)境Th/HfTa/Hf雙對數判別圖解[圖3（a）][37]。

此后，孫書勤等進一步提出了Th/ZrNb/Zr雙對數判別圖解，這一圖解與之前的Th/HfTa/Hf雙對數判別圖解相互彌補與驗證，為玄武質巖石的構造環(huán)境判別增加了新的圖解方法[圖3（b）][38]。武莉娜等用同樣的研究思路和方法提出了玄武巖大地構造環(huán)境La/ZrNb/Zr雙對數判別圖解[圖3（c）][36]。隨后，孫書勤等對板塊匯聚邊緣玄武巖的判別方法及其演化趨勢進一步討論，使得上述判別圖解在具體應用中的結果更加精準[39]。

Ⅰ為板塊發(fā)散邊緣NMORB區(qū)；Ⅱ為板塊匯聚邊緣，其中Ⅱ1為大洋島弧玄武巖區(qū)，Ⅱ2為陸緣島弧及陸緣火山弧玄武巖區(qū)；Ⅲ為大洋板

內洋島、海山玄武巖區(qū)及TMORB、EMORB區(qū)；Ⅳ為大陸板內，其中Ⅳ1為陸內裂谷及陸緣裂谷拉斑玄武巖區(qū)，Ⅳ2為陸內裂谷堿性玄武巖

區(qū)，Ⅳ3為大陸拉張帶（或初始裂谷）玄武巖區(qū)；Ⅴ為地幔熱柱玄武巖區(qū)；圖（a）引自文獻[37]；圖（b）引自文獻[38]；圖（c）引自文獻[36]

圖3玄武巖類大地構造環(huán)境的Th/HfTa/Hf、Th/ZrNb/Zr及La/ZrNb/Zr雙對數判別圖解

Fig.3Doublelog Discrimination Diagrams of Th/HfTa/Hf， Th/ZrNb/Zr and La/ZrNb/Zr for Tectonic Settings in Basalts

遺憾的是，當使用這些圖解時，必須進行精確投圖才能確認樣品的投點區(qū)，特別麻煩的是兩圖均是對數坐標，而且坐標值又是兩兩元素含量的對數比值，大大影響了直觀判別特性，不能達到直觀、快速判別這一目的。本文在認真分析和研究原作者發(fā)明雙對數判別圖解的基本原理基礎之上，重新整理了相關數據與比值，新提出了綜合對比表（表1），從而使應用者無須進行較為麻煩的精確投圖過程，而是通過簡單的速查和對比淘汰方法，運用表1功能獲得某樣品可靠的構造環(huán)境信息。

表1玄武巖類大地構造環(huán)境的Ta、Hf、Th、La、Zr、Nb比值判別

Tab.1Discrimination of Ratios of Ta， Hf， Th， La， Zr and Nb for Tectonic Settings in Basalts

構造環(huán)境主要玄武巖類型Ta/Hf值Th/Ta值Th/Hf值Nb/Zr值Th/Nb值La/Nb值

板塊發(fā)散邊緣NMORB<0.1

EMORB、TMORB、OIB0.1～0.3<1.6<0.2<0.04<0.11<2

大洋板內大洋拉斑

大洋堿性>0.10.1～0.3

>0.3<1.6>0.040.04～0.15

>0.15<0.11<1.11

板塊匯聚邊緣大洋島弧

陸緣島弧陸緣火山弧<0.1>1.6<0.1Th×Ta/Hf2值小于0.035

Th×Ta/Hf2值大于0.035<0.04>0.11Th×Ta/Zr2值小于0.000 5

Th×Ta/Zr2值大于0.000 5>2La×Nb/Zr2值小于0.02La×Nb/Zr2值大于0.02

大陸板內大陸拉斑

大陸堿性

陸陸碰撞帶>0.10.1～0.3

>0.3相似于大陸裂谷>1.6

一般大于10>0.040.04～0.15

>0.15

>0.04>0.11（但小于0.67）>1.11>1.11

>2

大陸裂谷典型裂谷

陸內裂谷或初始裂谷>0.11.6～4

>4（范圍為4～10）>0.040.11～0.27

>0.27，且小于0.671.11～2

地幔熱柱堿性>0.3變化大>0.15<0.11<1.11

注：Ta/Hf值表示w（Ta）/w（Hf）， Th/Ta值、Th/Hf值、Nb/Zr值、Th/Nb值、La/Nb值依此類推；Th×Ta/Hf2值表示w（Th）w（Ta）/w2（Hf）；La×Nb/Zr2值表示w（La）w（Nb）/w2（Zr）。

本文用表格化表達這一分類的相關比值與Th/HfTa/Hf雙對數判別圖解互補，更便于讀者使用。需要說明的是，汪云亮等在提出Th/HfTa/Hf雙對數判別圖解時，認為成圖數據必須滿足3個條件[37]：①巖石類型為玄武巖及玄武安山巖（w（SiO2）≤56%）；②w（MgO）≥8%；③w（Cr）≥200×10-6。而筆者在應用此圖進行新疆西天山、西準噶爾地區(qū)近300個玄武巖和玄武安山巖（w（SiO2）≤56%）樣品進行圖解與構造環(huán)境判別時，發(fā)現樣品只要符合汪云亮等提出的玄武巖和玄武安山巖w（SiO2）≤56%[37]，MgO、Cr含量無需受前述條件限定，所獲得的構造環(huán)境信息就與其他方法獲得的綜合判別相印證。其中，w（·）為元素或化合物含量（質量分數，下同）。

由表1看出：Th/Ta值在區(qū)分大洋與大陸構造演化中有極好的顯示，與大洋演化密切相關的玄武巖類（板塊發(fā)散邊緣和大洋板內）Th/Ta值小于11，而所有弧構造及陸內和地幔熱柱有關的玄武巖類Th/Ta值大于11；Th/Nb值也對各類玄武巖有較好的區(qū)分性，板塊離散邊緣、大洋板內和地幔熱柱有關的玄武巖類Th/Nb值小于011，而所有弧構造及陸內有關的玄武巖類Th/Nb值大于011；板塊離散邊緣、板塊匯聚邊緣的Nb/Zr值小于004，而其余構造環(huán)境中有關的玄武巖類Nb/Zr值大于004。這6個元素兩兩組對的Ta/Hf、Th/Ta、Th/Hf、Nb/Zr、Th/Nb、La/Nb值極好地區(qū)分了幾乎最常見的各種構造環(huán)境中有關的玄武巖類，且比值較之相對復雜的雙對數判別圖解更易查找和對比操作，因而是對Th/HfTa/Hf、Th/ZrNb/Zr及La/ZrNb/Zr雙對數判別圖解的極好補充。

只需對上述6組比值數據進行簡單計算，采用對比和排除法查表1，即可獲得所研究樣品的構造判別信息。同時，對前人沒有進行相應雙對數判別圖解的成果，也能通過本文設計的比值對比表（表1），查找并提取構造環(huán)境信息。

Th/ZrNb/Zr、Th/HfTa/Hf和La/ZrNb/Zr雙對數判別圖解分別是武莉娜等、汪云亮等、孫書勤等統(tǒng)計了馬尼安納島玄武巖玄武質安山巖，智利南安底斯山玄武巖、玄武質安山巖，日本硫球島弧玄武巖，哥倫比亞Gorgona島科馬提質玄武巖、苦橄巖，澳大利亞昆士蘭省沿海地區(qū)中部巖墻群玄武巖、玄武質安山巖，北大西洋和東太平洋科科斯洋脊玄武巖，北大西洋中脊EMORB，原始地幔等約10 000組世界上未受混染的玄武巖類的數據而成圖的[3639]，因而是建立在大量準確分析數據、有代表性構造環(huán)境、元素地球化學行為被充分了解這一基礎上獲得的圖解。本文據此提取的比值對比數據表（表1）可靠性也是可以肯定的。

更為重要的是，Th/ZrNb/Zr、Th/HfTa/Hf和La/ZrNb/Zr雙對數判別圖解都是3個元素構成的，而本文建立的比值對比表綜合了這6個元素的兩兩元素或兩個以上元素含量比值，要比其中單一的一個3元素圖解獲得的構造環(huán)境信息更可信。當某個投點落入圖解分界線上或是兩個構造環(huán)境的重疊區(qū)時，運用比值對比表可更有效地加以區(qū)分和判別。

3結語

（1）Th/ZrNb/Zr、Th/HfTa/Hf和La/ZrNb/Zr雙對數判別圖解是建立在準確分析數據、有代表性構造環(huán)境的約10 000組世界典型地區(qū)未受混染的玄武巖類構造信息提取基礎上研制的圖解。據此獲得的6組Ta/Hf、Th/Ta、Th/Hf、Nb/Zr、Th/Nb、La/Nb值極好地區(qū)分了幾乎最常見的各種構造環(huán)境中有關的玄武巖類。

（2）6組比值判別對比表較之相對復雜的雙對數判別圖解更易查找判別和對比操作，因而是對Th/HfTa/Hf、Th/ZrNb/Zr及La/ZrNb/Zr雙對數判別圖解的極好補充。尤其當某個投點落入圖解的分界線上或是兩個構造環(huán)境的重疊區(qū)時，運用比值判別對比表可更有效地加以區(qū)分和判別。6組比值判別對比表實用性強，可操作性簡易，尤其在初步篩選數據和粗判其構造環(huán)境信息時快速有效，是對已有對數判別圖解的極好補充。

（3）前人提出的3個雙對數判別圖解玄武巖數據必須滿足w（MgO）≥8%和w（Cr）≥200×10-6，但本文提出的6組比值判別對比表可能不受此條件限制。目前為止，將近年來在西天山、西準噶爾地區(qū)調研所分析的全部玄武巖數據（約2 000組）進行檢驗，未發(fā)現例外情況，即運用6組比值判別對比表檢驗約2 000組玄武巖數據，其構造環(huán)境信息與3個雙對數判別圖解獲得的構造環(huán)境信息相吻合，但有約300組MgO、Cr含量并不滿足前人條件。因此，是否必須滿足w（MgO）≥8%和w（Cr）≥200×10-6，有待更多數據進行檢驗，這也是本文存在的問題之一。

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