李 永，程志國，郎明德，郝金華，孔德鑫

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室， 北京 100083； 2. 新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局地質(zhì)礦產(chǎn)勘查研究院， 新疆 烏魯木齊 830000)

相對于其他類型的火山巖，響巖在地球上并不多見，其主要出露在板內(nèi)的火山巖省和洋島環(huán)境中，并多以火山穹隆或破火山口形式產(chǎn)出(Kimetal., 1999； Wiesmaieretal., 2012； Brennaetal., 2014)，研究程度較高的實例如Canary島(Johansenetal., 2005)、東非裂谷(Priceetal., 1985)、維蘇威火山(Signorellietal., 1999)和長白山(Weietal., 2007)等。由于時空和地球化學(xué)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性，響巖的形成往往和碧玄巖、霞石巖和碳酸巖等堿性-過堿性巖石聯(lián)系在一起，但其成因依然存在著廣泛的爭議，可能的成因機(jī)制包括地幔部分熔融、分離結(jié)晶和液態(tài)不混溶作用等(Kogarko, 1997； Harmer and Gittins, 1998； Kaszuba and Wendlandt, 2000； Cousensetal., 2003； Legendreetal., 2005； Grantetal., 2013； Laporteetal., 2014)。作為板內(nèi)火山巖省巖漿演化終端的硅質(zhì)巖漿，準(zhǔn)確揭示響巖的巖石成因?qū)φJ(rèn)識板內(nèi)火山巖省中各巖石系列關(guān)系和巖漿演化過程具有重要意義。

中亞造山帶西段吉爾吉斯斯坦和我國境內(nèi)西南天山不連續(xù)分布有1.8×105km2的中新生代大陸溢流玄武巖，巖性以堿性玄武巖為主，構(gòu)成典型的大陸中新生代堿性火山巖省(Sobel and Arnaud, 2000; 徐學(xué)義等，2003； 季建清等，2006； Simonovetal., 2015; 曹俊等， 2019)。作為中亞中新生代堿性玄武巖的重要組成部分，我國西南天山托云盆地中新生代堿性玄武巖具有出露面積大(長約40 km，寬15～20 km)、時間跨度長(早白堊世—古近紀(jì))等特點(韓寶福等， 1998； 王彥斌等， 2000； 徐學(xué)義等， 2003； Huangetal., 2005； Zhengetal., 2006a, 2006b； Hanetal., 2008)。其巖石類型復(fù)雜，不僅出露堿性玄武巖，還發(fā)育有一定規(guī)模的碧玄巖、響巖等。前人的研究表明，托云盆地各巖石單元之間在源區(qū)組成、部分熔融機(jī)制、巖漿分異過程等方面可能存在潛在的成因關(guān)聯(lián)(季建清等， 2006； Chengetal., 2022)，這為研究響巖的成因機(jī)制及探討各巖石類型之間的關(guān)系提供了良好契機(jī)。鑒于此，本次研究擬以托云盆地響巖為研究對象，對其開展系統(tǒng)的礦物學(xué)、巖石學(xué)和同位素地球化學(xué)研究，以揭示其成因機(jī)制及地質(zhì)意義。

1 地質(zhì)背景

中亞中新生代玄武巖不連續(xù)分布于中亞造山帶西段吉爾吉斯斯坦境內(nèi)天山部分和我國西南天山托云、皮羌盆地，分布面積可達(dá)1.8×105km2，常呈溢流狀和巖席狀產(chǎn)出在白堊紀(jì)-古新世地層中，或呈巖脈和巖株狀侵入于古生代地層中(Sobel and Arnaud, 2000； 徐學(xué)義等，2003； Simonovetal., 2008, 2015)。中亞中新生代玄武巖以堿性玄武巖為主，主要包括橄欖玄武巖、碧玄巖、堿玄巖、響巖質(zhì)堿玄巖和粗面玄武巖等，在吉爾吉斯斯坦Uchkuduk地區(qū)存在霞石巖和苦橄質(zhì)巖石(Simonovetal., 2008， 2015)，在托云盆地有響巖的報道(季建清等， 2006)。前人大量的Ar-Ar和K-Ar年齡揭示吉爾吉斯斯坦境內(nèi)大陸溢流玄武巖的噴發(fā)年齡為84～58 Ma(Sobel and Arnaud, 2000; Huangetal., 2005; Simonovetal., 2008, 2015； 曹俊等， 2019)。皮羌盆地玄武巖的SHRIMP鋯石U-Pb測年和全巖K-Ar等時線給出較一致的年齡約為45 Ma(李德東等，2009)。托云盆地玄武巖的K-Ar和Ar-Ar年齡跨度較大，這些年齡相對集中在115～113 Ma和72～54 Ma 2個年齡段內(nèi)(Sobel and Arnaud, 2000； Gilderetal., 2003； Huangetal., 2005； 季建清等, 2006； Lhuillieretal., 2016； Mengetal., 2020)，分別歸屬為早白堊世和晚白堊世—古近紀(jì)，前人結(jié)合火山巖在地層柱狀圖中的相對位置，將托云盆地玄武巖劃分成下玄武巖和上玄武巖(王彥斌等, 2000； Sobel and Arnaud, 2000； 徐學(xué)義等， 2003； 季建清等， 2006)。托云盆地出露的地層主要有侏羅系雜色厚層狀復(fù)成分礫巖，下白堊統(tǒng)紅色砂巖、礫巖、泥巖，上白堊統(tǒng)紫紅色泥巖、硅質(zhì)礫巖和古近系灰色、棕灰色泥巖、粉砂巖等(圖1)。其中，侏羅紀(jì)地層呈不整合狀覆蓋在古生界之上，后被下白堊統(tǒng)和古近系不整合覆蓋。下玄武巖主要呈夾層狀出露在早白堊世地層中，呈北西向展布在托云盆地南部位置。野外可識別超過20層的玄武巖層，每層厚度變化在1～7.5 m之間。上玄武巖是托云盆地主要的火山巖類型，主要呈夾層狀產(chǎn)出在上白堊統(tǒng)和古近系中，野外可識別超過50層的玄武巖層，每層厚度變化從1.3 m至12.4 m不等。本次研究的響巖主要呈火山穹隆狀產(chǎn)出在盆地的北東部古近系砂巖中(圖1、圖2a)，出露面積約2 km2。距穹隆南部500 m處分布有上玄武巖層，穹隆北東方向2 km處分布有若干個以碧玄巖為主要巖性的火山頸(圖1c)。需要指出的是，季建清等(2006)曾對托云響巖開展過Ar-Ar年代學(xué)研究，其透長石斑晶年齡為72～54 Ma，而基質(zhì)年齡為122～117 Ma，較為矛盾。鑒于與響巖共生的堿性玄武巖的Ar-Ar年齡為54 Ma，且其產(chǎn)出位置離下玄武巖位置較遠(yuǎn)，本次研究認(rèn)為托云響巖應(yīng)歸為上玄武巖系列為宜。

2 巖石學(xué)特征

托云響巖手標(biāo)本呈黑色，具斑狀結(jié)構(gòu)(圖2b)。斑晶礦物約占5%～10%，主要由堿性長石、角閃石、單斜輝石和橄欖石組成。堿性長石約占斑晶總量的85%～95%，主要呈長板狀，自形至半自形(圖2c)，粒度變化范圍0.4 mm×0.6 mm～0.4 mm×1.4 mm，發(fā)育卡斯巴雙晶和環(huán)帶結(jié)構(gòu)。單斜輝石約占1%～3%，呈自形-半自形短柱狀，粒徑為0.2～0.6 mm。橄欖石約占2%～5%，粒狀，單偏光下呈黃棕色，為鐵橄欖石，粒度變化范圍(0.2～0.4) mm×1 mm，發(fā)育黑色熔蝕邊，部分顆粒存在不同程度的蛇紋石化(圖2d)。角閃石占斑晶總量的2%～5%，發(fā)育暗化邊，粒度較大，可達(dá)0.8 mm×2 mm(圖2e)。響巖基質(zhì)具顯微晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要由堿性長石、磁鐵礦等礦物的微晶組成。值得指出的是，托云響巖斑晶礦物中缺少霞石、白榴石等特征礦物，但在一些樣品的基質(zhì)中，偶見堿性長石、角閃石和霞石共生形成礦物集合體(圖2f)。

3 分析方法

3.1 電子探針

礦物化學(xué)分析在中國地質(zhì)大學(xué)(北京)電子探針實驗室完成。使用的儀器為具備多譜衍射功能的JXA-1720電子顯微鏡，相關(guān)分析在鍍碳的探針片上完成。對于硅酸鹽礦物，儀器運行條件為電壓15 kV，電流10 nA，束斑1～2 μm。測試結(jié)果通過與自然礦物或國家標(biāo)準(zhǔn)人工合成氧化物來校正，如橄欖石校正Si和Mg，金紅石校正Ti，石榴子石校正Fe，薔薇輝石校正Mn，透輝石校正Ca，鎳黃鐵礦校正Ni，鉻鐵礦校正Cr和Al，硅鋅礦校正Zn。測試數(shù)據(jù)使用ZAF方法進(jìn)行校正。測試精度對于氧化物優(yōu)于1%。

3.2 主量、微量元素

全巖的主量、微量元素分析在中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室完成。樣品中主量元素的測定儀器為美國利曼公司(LEEMAN LABS.INC)Prodigy型等離子發(fā)射光譜儀(ICP-OES)。每個樣品稱取50 mg的200目粉末，采用堿溶法將樣品全部溶解后，再將堿溶溶液用純凈硝酸稀釋液提取定容后待測。實驗過程中使用的標(biāo)樣為AGV-2、GSR-1和GSR-5。燒失量以LOI表示，首先稱取100 mg樣品，在馬弗爐內(nèi)980℃條件下恒溫60 min后，干燥皿保存降溫至室溫后稱量計算獲得。微量元素使用美國安捷倫公司生產(chǎn)Agilent 7500 a型等離子質(zhì)譜儀完成。在超凈實驗室內(nèi)使用電子天平稱取40 mg樣品，采用兩酸(HNO3+HF)高壓反應(yīng)釜溶樣方法進(jìn)行樣品的化學(xué)預(yù)處理。分析過程中用美國標(biāo)準(zhǔn)局Equipment實驗室制備的標(biāo)準(zhǔn)溶液Std-1、Std-2、Std-4為檢測外部標(biāo)樣，定值加入Rh以檢測內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行含量標(biāo)定，使用美國地質(zhì)調(diào)查局標(biāo)準(zhǔn)樣品AGV2、BHVO-2、W-2以及中國地質(zhì)測試中心標(biāo)樣GSR-1和GSR-3進(jìn)行分析質(zhì)量監(jiān)控。

3.3.Sr-Nd同位素

全巖Sr和Nd同位素測試在中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室使用MC-ICP-MS完成。將約1～5 mg的樣品溶解在HF-HNO3-HCl中，隨后，Sr和Nd在HCl的環(huán)境下被AG50-X12樹脂和LN樹脂純化。測得的同位素分別采用86Sr/88Sr=0.119 4和146Nd/144Nd=0.721 9校正。實驗室的NIST SRM 987長期測定值為87Sr/86Sr=0.710 267±10 (2σ,N=38)。來自中國鋼鐵研究院的超純元素標(biāo)準(zhǔn)(Alfa Nd)被作為實驗室標(biāo)準(zhǔn)而長期測定，其值為143Nd/144Nd=0.512 419±6(2σ,N=38)。

4 分析結(jié)果

4.1 礦物化學(xué)

長石的電子探針分析結(jié)果列于表1。結(jié)果顯示，長石的成分變化范圍為Ab46.81～67.28An0～18.62Or14.36～52.46，主要是含鈉透長石和歪長石，少數(shù)顆粒落入斜長石范圍內(nèi)(圖3a)。本次選取2個堿性長石顆粒(HSP-26和HSP-28)進(jìn)行了電子探針剖面分析，其中，樣品HSP-26的Or組分呈現(xiàn)出震蕩環(huán)帶的特征(圖3b)，同時An和Ab組分分別呈現(xiàn)出降低和緩慢升高的趨勢(圖3c、3d)；而樣品HSP-28的Or組分在邊部明顯降低(圖3b)，同時An和Ab組分明顯升高(圖3c、3d)，呈現(xiàn)出反環(huán)帶特征。橄欖石、輝石和角閃石的電子探針成分列于表2。響巖中的橄欖石主要為鐵橄欖石，F(xiàn)a組分變化范圍為55.49～76.29。輝石的Na2O含量為2.80%，Ac組分高達(dá)10.71%，其他端員組成為Wo37.02En22.37Fs29.91，為鐵輝石(圖4a)。角閃石的TiO2含量變化范圍為4.09%～4.67%，F(xiàn)eO含量變化范圍為22.21%～23.89%，為鐵鈦閃石(圖4b)。

4.2 主量、微量元素

響巖的主量、微量元素列于表3。結(jié)果顯示，分析的樣品較為新鮮，LOI變化范圍為2.1%～2.6%。樣品的成分較為均一，SiO2含量變化范圍為56.9%～60.6%，Al2O3含量為17.8%～19.8%，TFeO含量為4.0%～4.4%，CaO含量為0.9%～1.2%，MgO含量為0.1%～0.6%，TiO2含量為0.1%，Na2O含量為7.9%～8.6%，K2O含量為5.2%～6.3%。在Na2O+K2O-SiO2圖中樣品投在了響巖范圍內(nèi)(圖5)，在K2O-SiO2圖解中落在了鉀玄巖范圍內(nèi)(圖6a)。A/CNK指數(shù)變化范圍為0.86～0.90，A/NK指數(shù)變化范圍為0.95～0.98，絕大多數(shù)樣品屬于準(zhǔn)鋁質(zhì)過堿性巖石(圖6b)。

響巖的∑REE變化范圍為408×10-6～470×10-6，在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線上顯示出輕稀土元素略富集、重稀土元素平坦的特征(圖7a)，(La/Yb)N比值樣號中最后的字母C表示核部， R表示邊部。

為11.5～14.5，指示一定程度的輕重稀土元素分異，具有明顯的Eu負(fù)異常，Eu*值變化范圍為0.18～0.19。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化的微量元素蛛網(wǎng)圖上，樣品具有Ba、Sr、P、Ti負(fù)異常和Nb、Ta、Zr、Hf正異常的特征(圖7b)。

4.3.Sr-Nd同位素

響巖的Sr-Nd同位素組成列于表4中，其中Sr-Nd同位素按60 Ma進(jìn)行校正。分析結(jié)果顯示，響巖的(87Sr/86Sr)i變化范圍為0.708 53～0.712 19，εNd(t)值變化范圍為4.34～4.68。富集的(87Sr/86Sr)i和虧損的Nd同位素呈現(xiàn)出解耦的現(xiàn)象，這可能是由于樣品具有較高的87Rb/86Sr值(7.284 41～8.299 41)抑或時間積累不夠造成的。研究表明，87Rb/86Sr值如果接近或超過10，(87Sr/86Sr)i就會變得不可靠(Wuetal., 2000； Moghazietal., 2015)，故后文主要基于巖石的Nd同位素組成進(jìn)行討論。

5 討論

鏡下觀察表明托云盆地響巖較為新鮮，LOI值也相對較低(2.1%～2.6%)，說明后期次生蝕變對其地球化學(xué)組成的影響較弱。托云響巖具有虧損的Nd同位素組成[εNd(t)=4.34～4.68]，顯示出幔源的地球化學(xué)特征。根據(jù)前人的研究成果，響巖可通過以下3種方式形成： ① 地幔部分熔融直接形成(Grantetal., 2013； Laporteetal., 2014)； ② 巖漿液態(tài)不混溶作用形成(Kogarko, 1997； Harmer and Gittins, 1998)； ③ 堿性的基性巖石如碧玄巖、堿性玄武巖或霞石巖經(jīng)高程度分離結(jié)晶作用形成(Kaszuba and Wendlandt, 2000； Cousensetal., 2003； Legendreetal., 2005)，該過程可能伴隨著不同程度的地殼混染作用(Freundt and Schmincke, 1995； Wolffetal., 2000； Ackermanetal., 2015)。實驗巖石學(xué)的研究表明，在壓力1.3 GPa和溫度1 150～1 200℃條件下，富集地幔橄欖巖的低程度部分熔融可以產(chǎn)生一系列的堿性巖漿，如粗面安山巖、粗面質(zhì)響巖和響巖(Laporteetal., 2014)。然而，地幔巖石熔出的響巖質(zhì)熔體以高的Mg#值為特征(>60)，與托云響巖的低Mg#值(<20)特征明顯不同，表明托云響巖不是通過地幔巖石低程度熔融直接形成。鑒于自然界中堿性-過堿性巖石常常與火成碳酸巖共生，如東非裂谷Oldoinyo Lengai火山黃長巖-霞石巖-響巖-鈉質(zhì)碳酸巖巖石組合，液態(tài)不混溶作用被認(rèn)為是響巖形成的重要機(jī)制(Kogarko, 1997； Harmer and Gittins, 1998)。然而，托云響巖并未發(fā)現(xiàn)共生的碳酸巖，使得液態(tài)不混溶機(jī)制缺少關(guān)鍵的地質(zhì)證據(jù)。另外，在微量元素蛛網(wǎng)圖和稀土元素配分曲線上，托云響巖與不混溶產(chǎn)生的過堿性巖石差異較大，比如前者呈現(xiàn)出Ba、Sr、Eu等元素的負(fù)異常和Ta的正異常，并相對富集HREE，而后者具有顯著的Ba、Sr正異常和Ta的負(fù)異常，缺失Eu的負(fù)異常(圖7)，并具有更高的(La/Yb)N值(34.6～39.3； Klaudius and Keller, 2006)。而Eu的負(fù)異常表明巖漿發(fā)生過長石的分離結(jié)晶，暗示著分離結(jié)晶作用對響巖的成因具有重要作用。在TAS圖中，托云盆地火山巖呈現(xiàn)出兩種演化趨勢，一種自碧玄巖經(jīng)響巖質(zhì)粗面巖向響巖演化，一種自堿性玄武巖經(jīng)粗面玄武巖向粗面巖演化。然而，由于中間成分缺失較多，該演化關(guān)系在哈克圖解中并不明顯，托云盆地的響巖和碧玄巖是否具有演化關(guān)系還需進(jìn)一步驗證。本次研究選取碧玄巖(季建清等， 2006)作為初始成分，在溫度800～1 300℃、壓力200 MPa和氧逸度FMQ的條件下進(jìn)行了MELTS熱力學(xué)模擬，模擬結(jié)果表明熔體先后發(fā)生了斜長石(36%)→單斜輝石(21%)→尖晶石(10%)→鐵橄欖石(6%)→角閃石(5%)的分離結(jié)晶作用，熔體成分中CaO、MgO、TiO2和Fe2O3組分隨著分離結(jié)晶過程逐漸降低，Na2O+K2O含量逐漸升高，P2O5含量先升高后降低，最終獲得響巖質(zhì)熔體(圖8)，結(jié)果與托云響巖的主要礦物相和熔體成分基本一致，說明響巖可能是由碧玄巖經(jīng)分離結(jié)晶作用形成的。

值得指出的是，雖然響巖具有幔源的地球化學(xué)組成，但是相較于共生的碧玄巖和堿性玄武巖的Nd同位素組成[εNd(t)=4.3～6.0； 季建清等， 2006)]，響巖的εNd(t)值(4.34～4.68)明顯偏低，暗示著巖漿在演化過程中可能發(fā)生了一定程度的地殼混染作用。為揭示地殼混染的潛在影響，本次研究選取碧玄巖為初始巖漿，塔里木克拉通基底作為混染物，使用Spera和Bohrson (2001)提出的EC-AFC模型進(jìn)行了模擬。由于碧玄巖的Nd含量和Nd同位素(季建清等， 2006)在一定范圍內(nèi)變化，本次研究也因此使用了不同的Nd含量和Nd同位素組成分別進(jìn)行模擬(圖9)。模擬假定巖漿初始溫度為1 300℃，混染物初始溫度為600℃，液相線溫度為1 150℃，固相線溫度為800℃，平衡溫度為1 001℃，混染物初始Nd含量為20×10-6，混染物同位素比值143Nd/144Nd為0.510 6，結(jié)晶熱溶量為3.96×105J/kg， 熔化焓為2.7×105J/kg，巖漿等壓比熱為1 484 J·K/kg，同化物等壓比熱為1 370 J·K/kg。圖中數(shù)字1、2、3代表作為母巖漿的不同成分的碧玄巖的模擬曲線，其中碧玄巖1的Nd初始含量為43×10-6，143Nd/144Nd值為0.512 91；碧玄巖2的Nd初始含量為47×10-6，143Nd/144Nd值為0.512 94； 碧玄巖3的Nd初始含量為41×10-6，143Nd/144Nd值為0.512 86。巖漿分配系數(shù)為0.3，混染物分配系數(shù)為0.5。模擬結(jié)果顯示響巖的Nd同位素組成可以通過碧玄巖巖漿經(jīng)10%的地殼物質(zhì)混合而成(圖9)，指示響巖的形成經(jīng)歷了一定程度的地殼混染作用。

6 結(jié)論

本次研究以我國西南天山托云盆地出露的響巖為研究對象，對其開展了詳細(xì)的礦物學(xué)、巖石學(xué)和元素、同位素地球化學(xué)研究。研究表明，托云響巖以發(fā)育堿性長石、單斜輝石、鐵橄欖石和角閃石等礦物斑晶為特征。地球化學(xué)組成上，托云響巖屬于準(zhǔn)鋁質(zhì)過堿性巖石，在微量元素蛛網(wǎng)圖和稀土元素配分曲線上顯示出Nb、Ta、Zr、Hf的正異常和Eu的負(fù)異常，與巖漿液態(tài)不混溶作用產(chǎn)生的響巖質(zhì)熔體明顯不同。另外，托云響巖具有顯著虧損的Nd同位素組成，說明其與共生的碧玄巖具有緊密的成因關(guān)聯(lián)。經(jīng)MELTS和EC-AFC熱力學(xué)模擬，認(rèn)為響巖可由碧玄巖經(jīng)斜長石、單斜輝石、尖晶石、鐵橄欖石和角閃石的分離結(jié)晶作用并受到一定程度的地殼混染形成?？傮w上，托云盆地火山巖屬過堿性巖石演化系列，由碧玄巖經(jīng)響巖質(zhì)粗面巖向響巖演化。響巖代表了過堿性巖石系列巖漿演化的終端產(chǎn)物。