中国科学SCIENCE IN CHINA2000　Vol.30　No.1　P.1-8

北祁连山西段元古宙大陆溢流玄武岩性质的确定

夏林圻　夏祖春　赵江天　徐学义　杨合群　赵东宏

摘　要：北祁连山西段元古宙火山岩系为大陆裂谷火山作用产物，属大陆溢流玄武岩系.岩石地球化学研究表明，它们派生于岩石圈之下的地幔柱源，但也显示有大陆岩石圈组分卷入的证据.它们的形成是地幔柱-岩石圈相互作用的结果，是北祁连山早古生代洋盆打开的前兆.
关键词：朱龙关群-镜铁山群　大陆溢流玄武岩　岩石地球化学　元古宙　北祁连山▲

　　大陆溢流玄武质火山作用是地球上一种重要的火山现象，它们或与大陆板内裂谷相伴，或与大陆碎裂和新的洋盆诞生有关.近年来的研究［1，2］揭示，大陆溢流玄武岩显然是由裂隙式而非中心式火山补给，它们清楚地与张性构造共生，似乎是与深部较热地幔物质(地幔柱或热点)上涌相伴的岩石圈拉伸的结果.此类上涌起始于岩石圈之下，由于岩石圈底部被热侵蚀而向上扩散.大多数大陆溢流玄武岩省是以相对演化的拉斑玄武质喷发为主，也含有少量(<10%)酸性喷发物.但在某些地区(如印度的德干)，还零散分布有少量碱性火山岩.有几个大的溢流玄武岩省，如埃塞俄比亚和北大西洋，却含有大量碱性火山岩.而在东非裂谷，则全是碱性火山岩.大陆溢流玄武岩在矿物和主元素化学上与MORB有某些相似，但在微量元素特征上则更近似于富集型MORB(E-MORB或P-MORB)和洋岛拉斑玄武岩.
　　北祁连山元古宙溢流玄武岩的性质及其岩石成因解释，对于了解北祁连山早古生代洋盆的打开有重要意义。北祁连山元古宙溢流玄武岩及尔后发育的北祁连山新元古代-寒武纪大陆裂谷系火山岩［3，4］乃是北祁连山早古生代洋盆打开的前兆.

1　时空分布

　　北祁连山的元古宙火山岩系主要分布于北祁连山西段(图1)，由朱龙关群和镜铁山群组成，其定名和时代归属几经变动。1956年甘肃省地质局祁连山地质队根据在镜铁山桦树沟矿区含铁岩系中发现叠层石，而将其定为震旦纪桦树沟群。1974年甘肃省地质局第二区域地质测量队正式建立朱龙关群和镜铁山群，并将它们分别归属于中元古界的下部和上部1).杨化洲等人2)在进行镜铁山铁矿床研究时，建议将上述两群合并，统称镜铁山群.

图1　北祁连山西段地质略图

1示新生界，2示中生界，3示上古生界，4示志留系，5示奥陶系，6示新元古-寒武系，7示镜铁山群，8示朱龙关群，9示太古-古元古界(?)(基底)，10示花岗岩类

　　前人所划分的朱龙关群和镜铁山群之间及其边界均为断层接触。我们经过详细的区域岩石学研究查明，镜铁山群在岩性、层序及时代上应相当于朱龙关群的中部和上部。朱龙关群主要沿朱龙关河分布，另外在肃北县三个泉、小冰沟等地区也有产出。朱龙关群在敖油沟地区出露最为完整：下部为拉斑玄武质火山岩夹白云岩，中部为浅变质细碎屑岩含铁矿层，上部为白云岩、碱性玄武质火山岩(图2，3)。下部火山岩系的顶部有辉绿岩墙侵入，并发育有超基性岩底辟体(图2)。本次工作分别获得敖油沟朱龙关群下部枕状辉石玄武岩的Sm-Nd等时线年龄为(2 349.4±158.9)Ma(中国科学院地质研究所测定，图4)；三个泉朱龙关群下部基性熔岩的Sm-Nd等时线年龄为(1780.7±50)Ma(中国科学院地质研究所测定，图4)。徐晓春等人［5］曾测得北大河地区朱龙关群中玄武岩的Sm-Nd等时线年龄为1 770.9 Ma。毛景文等人［6］在敖油沟地区朱龙关群下部辉绿岩墙和柳沟峡地区朱龙关群上部火山岩系中采取锆石，分别测得单颗粒锆石年龄为1 840～1 784 Ma和738～604 Ma。由此可见，朱龙关群火山岩系的喷发时限囊括了整个元古宙。镜铁山群主要分布于镜铁山矿田，下部为浅变质细碎屑岩含铁矿层，上部为白云岩和碱性玄武质火山岩系。我们的研究获得镜铁山群下部铁矿层中碧玉岩的Sm-Nd等时线年龄为(1 309±80) Ma(中国地质科学院宜昌地质矿产研究所测定，图4)；镜铁山群上部(东水峡地区)碱性玄武岩的Sm-Nd等时线年龄为(1 032.7±64.9)Ma(中国科学院地质研究所测定，图4)。我们认为朱龙关群和镜铁山群应为元古宙裂谷作用的产物(详见下节)。目前它们仅以残余断块形式被保存，出露面积已超过10?000 m2。

图2　肃南县敖油沟朱龙关群剖面图

Ⅰ示朱龙关群下部岩系；Ⅱ示朱龙关群中部岩系；Ⅲ示朱龙关群上部岩系. Q为第四系，Σ为超基性岩(蛇纹石化斜辉橄榄岩)底辟体(边缘为角闪滑石岩)。1示枕状辉石玄武岩，2示含石英白云岩及白云岩，3示枕状辉石玄武岩(有辉绿岩脉侵入)，4示砂泥质板岩夹灰岩，5示含砾(有火山岩砾)泥质板岩，6示硅质板岩夹菱铁-赤铁矿层，7示含石英白云岩(有辉长岩脉侵入)，8示辉石粒玄岩

图3　镜铁山群(镜铁山矿田)与朱龙关群(敖油沟)地层柱状对比图

镜铁山矿田据杨化洲等(1991)资料改编，其他地区为本次研究。1示枕状辉石玄武岩，2示辉石玄武岩，3示基性凝灰岩，4示基性凝灰质板岩、千枚岩，5示基性火山角砾岩，6示白云岩、灰岩，7示板岩，8示含砾泥质板岩，9示石英砂岩、石英岩，10示千枚岩，11示镜铁矿、菱铁矿、赤铁矿层夹碧玉条带. ①Sm-Nd等时线年龄(2 349.4±158.9) Ma，
②辉绿岩墙的单颗粒锆石年龄(1 840～1 784 Ma)［6］，③Sm-Nd等时线年龄(1 780.7±50) Ma，④Sm-Nd等时线年龄(1 309.0±80) Ma，⑤Sm-Nd等时线年龄(1 032.7±64.9) Ma，⑥单颗粒锆石年龄(738～604 Ma)［6］

图4　北祁连山西段元古宙火山岩系Sm-Nd等时线图

(a)镜铁山群上部碱性玄武岩(东水峡)，(b)镜铁山群下部铁矿层中碧玉岩(镜铁山)，(c)朱龙关群下部拉斑玄武岩(三个泉)，(d)朱龙关群下部拉斑玄武岩(敖油沟)。A为截距，B为斜率

2　火山岩系的性质和构造环境

　　如图3所示，北祁连山元古宙火山岩系下部为基性熔岩夹白云岩(仅见于朱龙关群中)，中部为含铁岩系，上部除基性熔岩和白云岩外还出现火山碎屑岩(见于朱龙关群和镜铁山群)。基性熔岩变质很浅，斑晶含量达25%，斜长石斑晶(An53～62)遍布，伴有少量单斜辉石(Wo34～48-En34～46Fs11～24)和Ti-磁铁矿，有的斜长石斑晶富钠(An0.2～5)。大陆溢流玄武岩以低Mg′(=Mg/(Mg+ΣFe))值(<0.7)为特征［1］，本区元古宙基性火山岩的Mg′=0.20～0.54，以及它们的低Ni含量(39.3～223(表1))，说明它们不是原生岩浆，而是低压分离结晶作用的产物。主元素(惰性元素)和微量元素研究结果揭示，本区元古宙火山岩系下部属拉斑玄武岩系，上部属碱性玄武岩系(图5)。基性熔岩的所有化学成分投点均落于板内玄武岩(图6(a))和大陆溢流玄武岩(图6(b))区域内；火山岩系上部属板内碱性玄武岩，下部属板内拉斑玄武岩(图6(c))。这表明它们产出于大陆板内环境。与世界上大陆溢流玄武岩(La/Nb=0.5～7)［1］相似，本区火山岩系的La/Nb比值为0.2～5.2。图7(a)是微量元素MORB标准化图解。据图7(a)，本区元古宙基性火山岩系与世界上的大陆溢流玄武岩系相同［1］(与印度德干大陆溢流玄武岩尤为相似)，富集除Y和Yb之外的所有不相容元素(与N-MORB相比)，它们不可能派生于N-MORB源地幔，其分配形式与OIB很相似。图7(b) 显示了本区元古代基性火山岩的REE球粒陨石标准化分配型式，全具有轻稀土富集的特点，有时具微弱Eu负异常，表明有斜长石分离.
　　综上所述，本区元古宙火山岩系的主元素和微量元素地球化学表明，它们产出于板内环境，属大陆溢流玄武岩系，派生于洋岛玄武岩源。

表1　北祁连山西段元古代火山岩的主元素(%)和微量元素(10-6)数据a)
　 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
SiO2 48.02 46.93 49.07 45.40 45.39 47.65 48.44 48.76 50.08 49.80 43.38 43.94 44.57 43.38 46.26
TiO2 1.382 1.92 1.67 1.60 1.48 1.63 1.00 1.09 1.12 1.61 0.96 1.39 1.55 1.24 1.10
Al2O3 14.46 15.18 14.22 13.74 16.63 14.22 17.59 17.59 17.11 14.46 18.01 19.17 18.32 15.18 17.77
Fe2O3 9.53 7.52 7.36 9.01 5.23 5.08 8.23 4.13 4.03 8.35 4.35 15.23 6.67 8.03 2.56
FeO 7.07 7.78 7.64 10.29 7.67 8.92 4.27 7.57 7.17 7.45 7.25 3.07 8.24 6.27 9.54
MnO 0.23 0.10 0.19 0.24 0.22 0.21 0.21 0.17 0.18 0.29 0.18 0.19 0.24

0.20

 　
MgO 5.30 6.00 4.80 4.70 6.10 6.40 6.00 5.80 6.10 3.60 7.80 2.40 3.10 6.80 6.40
CaO 7.00 3.40 8.00 7.70 11.10 7.50 9.30 9.30 10.00 6.60 11.20 4.10 5.40 10.80 7.40
Na2O 2.27 1.91 1.86 4.17 1.39 2.13 2.00 2.34 1.99 3.69 1.81 4.57 4.05 3.11 3.34
K2O 1.16 0.42 1.05 0.28 0.06 0.16 0.88 0.85 0.75 0.42 0.09 1.42 0.60 0.16 0.37
P2O5 0.21 0.23 0.21 0.20 0.17 0.23 0.14 0.09 0.08 0.18 0.37 0.46 0.27

0.25

 　
H2O+ 1.11 4.00 0.85 0.50 1.10 2.20 0.20 0.57 0.37 1.00 2.70 3.00 3.90 2.18 3.00
CO2 1.55 3.03 2.24 1.46 2.50 2.75 0.90 1.01 0.90 1.71 1.13 0.30 2.04 1.35 0.76
Ba 235 205 251 159 234 162 185 239 179 288 66.7 217 209 166 266
Rb 37.9 14.6 27.5 10.9 25.9 65.9 30.4 26.6 38.1 45.1 50.2 35.4 14.5 19.8 47.3
Sr 165 120 146 110 252 138 107 169 109 217 117 107 133 191 471
Y 34 37 35 35 23 28 26 25 25 46 5.5 17 25 19 22
Zr 166 154 202 172 122 124 126 170 198 180 71.1 264 226 92.1 149
Nb 9 11 10 12 5 9 3 2 3 9 27 21 39 26 22
Th 4.03 6.13 3.99 3.21 0.672 0.943 3.80 3.02 2.97 6.24 0.678 1.67 4.91 2.22 1.74
Ni 46.2 39.3 97.5 66.8 125 152 50.3 36.2 36.3 28.1 32.2 222 223 44.1 67.5
V 244 399 264 283 250 248 200 180 182 147 326 245 158 178 263
Cr 44.3 17.8 17.8 46.3 248 122 183 294 281 11.5 31.6 332 676 150 202
Hf 3.73 5.37 4.59 4.22 3.25 3.99 2.85 3.26 3.00 5.12 2.67 2.80 3.96 2.83 2.84
Cs 1.52 3.42 0.249 1.20 0.428 0.761 1.08 0.421 1.61 0.893 3.97 5.40 2.77 0.773 0.926
Sc 31.3 41.9 36.7 31.7 39.6 41.1 33.8 38.8 39.2 25.4 39.1 24.4 35.2 27.5 35.3
Ta 0.711 1.21 0.978 0.827 0.702 0.512 0.308 0.533 0.486 0.884 0.376 1.09 2.41 1.58 1.44
Co 40.0 69.3 44.7 44.1 15.1 54.6 28.3 28.8 31.7 17.6 38.3 75.9 83.3 36.3 42.2
W 5.58 1.73 1.61 2.42 1.72 1.90 3.86 1.69 1.68 2.15 4.17 4.05 3.15 2.39 3.92
La 15.5 25.7 19.0 16.5 7.47 9.63 10.7 10.4 10.1 25.7 5.33 20.2 41.7 21.5 18.1
Ce 30.8 48.3 36.3 32.3 18.2 22.1 19.3 20.7 20.3 52.3 11.9 34.6 59.2 41.0 34.3
Nd 20.1 25.4 20.8 21.0 12.1 15.2 11.7 13.6 11.2 31.2 8.64 21.3 28.9 21.5 19.8
Sm 4.68 6.43 5.22 5.59 3.74 4.23 3.55 3.40 3.36 8.05 3.19 4.89 5.43 4.61 4.26
Eu 1.22 2.07 1.56 1.39 1.51 1.43 1.14 1.24 1.25 2.50 0.954 1.17 2.02 1.28 1.27
Gd 4.06 7.00 5.42 5.49 　 　 3.99 4.55 4.37 7.97 　 　 　

4.33

 　
Tb 0.706 1.34 0.937 0.943 0.696 0.898 0.732 0.908 0.767 1.37 0.881 0.815 0.928 0.751 0.822
Ho 1.05 1.79 1.34 1.42 　 　 0.990 1.31 1.12 1.70 　 　 　 　 1.01
Tm 0.467 0.706 0.591 0.603 　 　 0.432 0.526 0.486 0.706 　 　 　

0.369

 　
Yb 3.07 4.33 3.83 3.69 2.58 3.24 2.67 3.29 3.16 4.27 3.76 2.20 2.77 2.19 2.60
Lu 0.482 0.656 0.593 0.570 0.391 0.482 0.408 0.520 0.465 0.629 0.511 0.293 0.383 0.300 0.342

　　a) 样品1～10为朱龙关群下部基性熔岩：1～4采自敖油沟；5，6采自柳沟峡；7～9采自三个泉；10采自小冰沟。11～13为朱龙关群上部基性熔岩：11，12采自敖油沟；13采自小泉沟。14，15为镜铁山群上部基性熔岩，采自东水峡。主元素及Nb，Y，V系X射线荧光光谱分析数据；主元素由李荪蓉分析，Nb，Y，V由宋尔良分析；其他微量元素系中子活化分析数据，由韩松分析

图5　北祁连山西段元古宙火山岩系性质判别图解

(a) SiO2-Nb/Y图解(据Winchester等, 1977)，(b) SiO2-FeOT/MgO图解(据Miyashiro, 1975)。○示敖油沟，+示柳沟峡，□示三个泉，■示小冰沟，▲示敖油沟，△示小泉沟，●示东水峡。Sub-Alk为亚碱系，Alk为碱系，TH为拉斑系，CA为钙碱系

图6　北祁连山西段元古宙火山岩系构造环境判别图解

(a) Zr/Y-Zr图解(据Pearce等, 1979)；(b) FeOt-MgO-Al2O3图解(据Pearce等，1977)；(c) 2Nb-Zr/4-Y图解(据Meschede，1986)。WPB为板内玄武岩；MORB为洋脊玄武岩；Con为大陆溢流玄武岩；VAB为火山弧玄武岩。A1, A2为板内碱性玄武岩；C为板内拉斑玄武岩；B为地幔柱型洋脊玄武岩；D为正常洋脊玄武岩；C，D为VAB. 其余图例同图5

图7　研究区元古宙火山岩系中基性熔岩微量元素变异图解

(a) N型洋脊玄武岩标准化微量元素变异图解，标准化值据Sun等(1989)；(b) 球粒陨石标准化稀土元素分配型式，标准化值据Boynton(1984)。1示朱龙关群下部基性熔岩，2示朱龙群上部基性熔岩，3示镜铁山群上部基性熔岩，4示大陆溢流玄武岩(巴西，帕拉那)［1］，5示大陆溢流玄武岩(印度，德干)［1］

3　岩石成因模式

　　大陆溢流玄武岩虽然源于洋岛玄武岩，但又不完全等同之，前者还包含它们喷发中所通过的大陆岩石圈的贡献。由于板块构造理论不能对于洋岛玄武岩的形成作出合适的解释，因而一些地质学家提出了地幔柱模式［7～10］。由于靠近核-幔边界的对流不稳定性，产生大型上涌地幔柱，它是地球内部热和物质的重要载体，在足够的深处可以与其熔融曲线相交，而使得其在岩石圈拉伸前就经受广泛的熔融。除了产生大的火成岩省之外，这种强烈的事件还可以促使大陆的裂解和分离［9～12］。大陆溢流玄武岩的形成与地幔柱的上涌有关，但所有的大陆溢流玄武岩又显示有大陆岩石圈(包括地壳和岩石圈地幔)卷入其喷发序列的成分证据，因此它们又不同于洋岛玄武岩。我们可以用喷发的玄武岩去检测地幔柱和岩石圈盖层之间的相互作用。
3.1　地幔柱卷入本区元古宙火山岩系形成的证据
　　地幔柱组分是以低87Sr/86Sr比值和高εNd值为特征［2］。朱龙关群下部的基性熔岩中已发现似地幔柱的组分(εNd(T)=1.51～2.08， (87Sr/96Sr)i=0.730 4～0.705 8)。在本区元古宙基性火山岩系中用微量元素方法同样也测出了明确的地幔柱信号。从图8(a)和(b)可见，本区元古宙基性火山岩的微量元素数据投点大部分落于地幔柱成因洋岛玄武岩和地幔柱型洋脊玄武岩范围之内。而在本区元古宙基性火山岩和世界大陆溢流玄武岩中看到的含量很高的微量元素成分(Rb，Ba，Th等)(图7(a))，则是表明大陆岩石圈也应当在其形成中起着作用［2］。
3.2　岩石圈卷入本区元古宙火山岩系形成的证据
　　本区元古宙基性火山岩和许多大陆溢流玄武岩都记录了重要的来自岩石圈的输入，它们表现为高Th/Nb和高La/Nb比值(图7，8)。大陆溢流玄武岩浆的Ba/Yb比值和TiO2含量也是地壳混染作用十分灵敏的指示剂。地壳岩石和它们的部分熔融体通常以低Ba/Yb比值和含TiO2很低为特征，因此低TiO2和低Ba/Yb比值的大陆溢流玄武质岩浆可能带有壳混染的印记［1］。在图8(c)中，本区元古宙基性火山岩具有低的Ba/Yb和Ti/Yb比值，证明了它们受地壳混染的性质。很有可能，大陆拉张构造环境下火山作用早期阶段喷发的岩浆，由于要建立通往地表的通道，因而受地壳混染最为强烈。一旦通道建立，尔后喷出的岩浆在上升途中受地壳混染的程度就会降低。因此，受地壳混染最强的岩浆应当是产出于溢流玄武岩层序的下部。这一推论在图8(a)和(c)中已被证实：本区元古宙火山岩系下部(即朱龙关群下部)的基性熔岩具有最高的La/Nb和最低的Ba/Yb和Ti/Yb比值，表明本区元古宙溢流玄武岩层序的下部受地壳混染最强。

图8　显示北祁连山西段元古宙火山岩系形成中有地幔柱和岩石圈卷入证据的图解

(a) La/Ba-La/Nb图解，洋岛玄武岩区(OIB)据Fitton等(1991)；(b) Y/Nb-Zr/Nb图解［1］；(c) Ba/Yb-Ti/Yb×104图解［1］.
EMS为富集地幔源，CC为壳混染。其余图例同图5

4　结语

　　北祁连山西段元古宙火山岩系是大陆板内裂谷作用的产物，其下部为拉斑玄武岩系，上部为碱性玄武岩系，这种火山岩系序列与印度德干的大陆溢流玄武岩［13］十分相似。我们的研究表明，它们属大陆溢流玄武岩系，具有洋岛玄武岩范畴的微量元素和同位素成分，派生于岩石圈下的地幔柱源，但同样也记录了它们喷发中所通过的岩石圈的微量元素的贡献。地幔柱上涌，导致地幔柱上方的岩石圈开裂或减薄，产生大量熔体，形成大陆溢流玄武岩。随着大陆裂谷化加剧，导致发生大规模的新元古代-寒武纪大陆裂谷火山作用，最终促使大陆裂解和分离及北祁连早古生代洋盆的打开［3，4］。因此，我们可以说，现今被保存于北祁连山西段的元古宙大陆溢流玄武岩乃是北祁连洋盆在晚寒武世打开的前兆。■

　　1) 甘肃省地质局第二区域地质测量队。1∶20万祁连山幅地质图及说明书。1974
作者简介：杨化洲，卢静文，姚　元，等。甘肃省肃南裕固族自治县镜铁山铁矿床地质特征及
　　　　　成因。1991
作者单位：夏林圻(中国地质科学院西安地质矿产研究所，西安 710054)
　　　　　夏祖春(中国地质科学院西安地质矿产研究所，西安 710054)
　　　　　赵江天(中国地质科学院西安地质矿产研究所，西安 710054)
　　　　　徐学义(中国地质科学院西安地质矿产研究所，西安 710054)
　　　　　杨合群(中国地质科学院西安地质矿产研究所，西安 710054)
　　　　　赵东宏(中国地质科学院西安地质矿产研究所，西安 710054)

参考文献：

［1］Wilson M. Igneous Petrogenesis. London: Unwin Hyman, 1989
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收稿日期：1998-12-15

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