地质科技情报GEOLOGICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION1999年 第18卷 第2期 Vol.18 No.2 1999

钙碱性火山岩构造背景的研究进展

李伍平　路凤香

摘　要　通过对钙碱性火山岩的岩石学、地球化学、同位素及其构造背景的研究表明，钙碱性火山岩的形成不一定仅限于板块俯冲过程，在不具备板块俯冲的其它构造环境下也能够形成。
关键词　钙碱性火山岩　伸展作用　俯冲作用
分类号　P588.1

NEW PROGRESS OF THE STUDY OF GEOLOGIC SETTING FOR CALC-ALKLINE VOLCANIC ROCKS

Li Wuping　Lu Fengxiang
(Faculty of Earth Sciences,China University of Geoscience,Wuhan,430074)

Abstract　Calc-alkline volcanic rocks are commonly created in the subduction process.Present study of petrology,geochemistry,isotopic and geologic setting show calc-alkline volcanic rocks may also result from extension and are not associated with the subduction of plate directly.
Key words　calc-alkline volcanic rock,extension,subduction

　　一般认为，钙碱性岩浆起源于板块俯冲过程，碱性双峰式火山岩套与岩石圈的伸展作用密切相关。然而，近年来的研究表明，一些钙碱性火山岩的形成与板块俯冲是没有直接关系的^〔1，2〕。笔者就此对不同构造环境下形成的钙碱性火山岩构造背景研究现状作一评述。

1　岛弧、陆缘弧型钙碱性火山岩

1.1　岩石组合
　　不同地区的岩石组合略有不同，如玄武岩—玄武安山岩组合、玄武岩—玄武安山岩—安山岩组合^〔3〕、玄武岩—高镁安山岩—流纹岩组合^〔4〕、玄武岩—玄武安山岩—高钾安山岩组合、富钠安山岩—英安岩组合^〔5〕、高镁玄武岩，有些地方出现钙碱性—钾玄岩系列，具典型的双峰式火山岩组合。从空间分布上，一般认为穿过岛弧向大陆方向由拉斑玄武岩→钙碱性→钾玄岩方向演化。
1.2　岩石化学
　　一般弧火山岩具有较高的Al₂O₃，低TiO₂。相对于SiO₂而言，K₂O+Na₂O，P₂O₅含量低。w(SiO₂)为50%～66%，w(Fe₂O₃+FeO)/w(MgO)＜2.0，w(K₂O)/w(Na₂O)＜0.8。
1.3　微量元素
　　一般以低的高场强元素含量和高的大离子亲石元素含量为特征。w(Rb)/w(La)，w(Ba)/w(La)，w(Nb)/w(Ta)比值低，w(Ba)/w(Nb)，w(La)/w(Yb)比值高。在微量元素蛛网图上，典型的特征是Nb，Ta，Ti，Zr，P是负异常，其原因是有洋壳物质的参与。对于玄武岩，稀土元素δ(Eu)负异常不明显。对于与消减带有关的正常钙碱性玄武岩，w(Nb)/w(Ta)比值约为17，接近球粒陨石或大洋中脊玄武岩；但对于大多数高钾岛弧玄武岩，w(Nb)/w(Ta)比值较高(达30)，这是由于洋壳俯冲到一定深度后发生部分熔融、硅质熔体熔出而使地幔源区发生变化的缘故^〔6〕。
1.4　同位素组成
　　Sr,Nb,Pb同位素组成比较复杂，取决于岩浆物质来源及地壳混染程度。如果火山岩具高ε(Sr)、低ε(Nd)，其岩浆来源可能为大陆岩石圈或浅部软流圈或同化混染了地壳物质^〔3〕，或是洋壳部分熔融与上覆地壳物质的混染^〔7〕，或是原始钙碱性岩浆结晶分异与上覆地壳物质不同程度的同化作用。
1.5　岩浆的起源
　　关于岩浆起源主要存在以下观点。
　　(1)岩浆是由俯冲板块部分熔融直接产生的，故认为在岩浆中碱金属和Ba等强不相容元素丰度在低熔融程度岩浆中较高，而这些强不相容元素与相对较相容元素(如Nb,Ta)的比值〔w(Ba)/w(Nb)〕在低熔融程度岩浆中较低。但Tatsumi在1989年的地震资料显示俯冲洋壳是不熔融的。
　　(2)岩浆或其源区由具不同w(Ba)/w(Nb)比值的两部分混合而成，如来自俯冲洋壳的高w(Ba)/w(Nb)组分和低w(Ba)/w(Nb)组分的地幔橄榄岩混合等。
　　(3)岩浆是由从洋壳中析出的流体〔主要为高w(Ba)/w(Nb)组分的水〕进入地幔楔状体发生交代形成的^〔6〕。

2　伸展型钙碱性火山岩

　　近年来，大陆边缘和大陆内部钙碱性火山岩的研究取得了重大进展，发现许多地方的钙碱性火山岩与板块俯冲没有直接关系，而与岩石圈的伸展作用关系密切^{〔4，8～15〕}。主要表现在以下几个方面。
2.1　岩石组合
　　主要有玄武岩—安山岩—流纹岩、高镁安山岩—英安岩^〔16〕、石英安山岩—流纹岩、流纹质凝灰岩—英安斑岩—舌状流纹岩、玄武岩—玄武安山岩—高镁安山岩^〔8〕、高镁玄武岩—安山岩^〔17〕等，不具有双峰式火山岩组合。
2.2　岩石化学
　　一般具有较低的Al₂O₃，较高的K₂O,Na₂O和TiO₂，比岛弧型钙碱性火山岩具有更高的K₂O+Na₂O。SiO₂含量变化范围较大，为45%～80%，w(Fe₂O₃+FeO)/w(MgO)，w(K₂O)/w(Na₂O)比值较高。
2.3　微量元素
　　一般大离子亲石元素Rb,Sr,Ba,LREE高度富集，高场强元素Nb,Ta,Ti亏损，具有较高的w(Zr)/w(Y),w(La)/w(Nb),w(Ba)/w(Nb)比值，轻重稀土分馏明显。一般玄武岩铕负异常不明显，流纹岩铕负异常比较明显。
2.4　同位素
　　Nd,Sr,Pb同位素组成比较复杂，与源岩及岩浆演化过程有关，一般具高Sr、低Nd的特点。
2.5　岩浆的起源
　　(1)Edward等在1991年认为岩浆的起源与岩浆结晶分异作用有关，如美国西部亚利桑那州第三纪Turkey creek caldera舌状流纹岩的形成。
　　(2)与岩浆的混合作用有关，如希腊爱琴海中生代钙碱性高镁安山岩和英安岩是由以榴辉质俯冲洋壳部分熔融形成的高镁安山岩与更富长英质岩浆(以流纹质火山碎屑岩)混合而成^〔14〕。
　　(3)二辉橄榄岩在含水低压条件下，发生部分熔融直接形成^〔18〕。
　　(4)上地幔熔体与地幔橄榄岩发生交代作用形成^{〔19～21〕}。

3　滞后型钙碱性火山岩

　　这种类型的火山岩一般发育在俯冲碰撞造山作用之后，在火山喷发时并无同期的俯冲作用，路凤香等在1992年称之为滞后型弧火山。岩浆作用之前的俯冲作用只是造成了由下插的大洋板块、上覆的楔型地幔及再生地壳组成的类似弧火山岩的源区，因此，这种类型的火山岩具有岛弧火山岩的特征。火山岩源区的出现与板块俯冲有关，但诱发熔融岩浆的作用并未在俯冲作用的同时，而是在相当一段时间之后，在热状态具备时才能发生。赵崇贺于1992年研究认为西藏玉龙铜矿的超浅成花岗斑岩岩浆活动、四川江达弧火山岩、云南腾冲现代火山都属于这种类型。滞后的时间最长者如南非Kaapvaal可达3 Ga之久。Hooper等^〔10〕也曾用相同的机理解释了美国西北部Columbia高原以北钙碱性火山岩的源区，认为火山作用的直接起因是伸展作用诱发了岩石圈地幔的减压熔融，但在该地区之下存在有先前因洋壳俯冲而形成的壳幔并存的弧火山源区。

4　两种特殊的钙碱性火山岩

　　过去一直认为高镁玄武岩和高镁安山岩的形成与板块俯冲有关^〔8，22〕，然而，近年来研究表明，这两种火山岩在伸展环境下也能形成^〔9〕。
4.1　高镁玄武岩
　　Morra等^〔17〕对意大利Sardinia第三纪拉斑质高镁玄武岩—安山岩的研究发现，火山岩的形成、演化与构造密切相关。拉斑高镁玄武岩形成于火山活动的高峰期，尽管持续时间短暂(24～18 Ma)，但火山岩规模远大于早期俯冲环境下形成的规模较小的呈小岩穹状产出的安山岩。高镁玄武岩具有低的w(⁸⁷Sr)/w(⁸⁶Sr)_初始值(0.703 98)，Nb,Ta,Ti呈负异常，轻重稀土分馏明显，但δ(Eu)负异常不明显，w(Ba)/w(Ti)比值低，微量元素蛛网图接近于亏损地幔；w(Al₂O₃)/w(TiO₂),w(CaO)/w(TiO₂)，w(CaO)/w(Al₂O₃)比值接近于球粒陨石，表明高镁玄武岩很可能是类似于大洋中脊玄武岩部分熔融形成的，故认为高镁玄武岩形成于伸展构造环境下。这种伸展作用是由混染的岩石圈地幔上升造成的，而产生这种混染是由与早期板块俯冲有关的流体进入含水的橄榄岩所致。Lopez等^〔8〕认为，高镁玄武岩可以由二辉橄榄岩在无水或接近无水条件下低度熔融形成的。
4.2　高镁安山岩
　　Lopez等^〔8〕对美国亚利桑那州西南部Gila Bend Mountain晚第三纪中新世高镁安山岩进行了研究。岩石组合为玄武岩—玄武安山岩—安山岩，属于钙碱性系列；具有高镁值，Ni,Cr及橄榄石斑晶〔w(fo)=90%〕；具有较强的造山带或岩石圈微量元素和同位素特征，如w(Ba)/w(Nb)比值为60～170，w(⁸⁷Sr)/w(⁸⁶Sr)为0.706 3～0.707 3，ε(Nd)为-8～-5；富集轻稀土和Rb,Ba,K;Nd,Pb,同位素组成显示出与西海岸出露的元古代岩石的相似，故认为火山岩起源于元古代的地幔岩石圈；w(CaO)/w(Al₂O₃)，Y，Ti与SiO₂呈负相关，而这种负相关反映了元古代亏损事件，因此高镁安山岩的源岩是元古代亏损地幔以后受到由一期或多期与早元古代俯冲相关的流体或熔体的交代。Lopez等^〔8〕认为，原始安山岩浆形成于低压(＜1.5 GPa)含水且难熔的源区，即高镁安山岩是异常薄的难熔岩石圈熔融的产物，故认为高镁安山岩形成于伸展岩石圈构造环境。它的一些元素特征似乎与Hawkesworth等^〔9〕提出的模式(包括在伸展条件下地壳岩石圈的含水熔融)相一致。McCarron等^〔4〕对南极洲Alexander Island(早三叠世—早白垩世)岛弧型高镁安山岩的研究后认为，尽管这些高镁安山岩形成与板块俯冲密切相关，但原始高镁安山岩的喷发是在弧前伸展作用下和下覆地幔边界具有高的地幔梯度条件下形成的。关于高镁安山岩的成因，归纳起来有以下几种观点：①二辉橄榄岩在含水低压条件下的部分熔融^〔18〕；②上地幔熔体与地幔橄榄岩的交代作用^{〔19～21〕}；③由于整个大陆地壳的组成与大陆钙碱性高镁安山岩的成分相似，因而高镁安山岩与大陆地壳的形成有密切的联系^〔19〕，但对于大陆高镁安山岩的形成存在不同的认识：①Sisson等在1993年认为是玄武岩总成分的结晶分异作用和熔融作用；②Sun等在1989年，Carlson等在1987年认为是地壳的同化作用和混合作用。

5　结　论

　　综上所述，钙碱性火山岩至少可以出现在以下3种构造环境。
　　(1)与大洋板块俯冲作用直接有关，即岛弧型及陆缘弧型火山岩；
　　(2)与大洋俯冲没有直接关系，但火山岩的源区是在早于火山作用之前由俯冲作用形成的，即滞后型火山岩；
　　(3)在不具备大洋俯冲的构造背景，可能是由其它地质事件引起的，如大陆岩石圈内部的壳幔相互作用。
　　后两者直接诱发岩浆熔融的因素可能与地壳或岩石圈的伸展作用有关。
在本文的撰写过程中，得到了王方正和李昌年教授的帮助，并审阅了初稿，在此深表谢意。

作者单位：(中国地质大学地球科学学院，武汉，430074)

参考文献