李永军李甘雨佟丽莉杨高学王冉

摘要：玄武质岩浆见于板块构造演化的全过程和各个重要阶段，是所有火成岩中最主要的构造地球化学指示剂，因此，玄武岩类相关元素图解和比值成为研究火成岩成岩作用和形成构造环境判别的首选对象。Ta、Hf、Th、La、Zr、Nb都是高场强元素和较强不相容元素，由于地球化学性质的相似性和在玄武岩类成岩过程中的规律性变化，所以它们是玄武岩类成因研究和构造环境判别图解中使用频率最高的元素，而且两两元素含量之间的比值能较好地区分其形成时的构造环境。在前人发明的玄武岩类Th/HfTa/Hf、Th/ZrNb/Zr及La/ZrNb/Zr双对数判别图解基础上，运用这6个元素两两组对的Ta/Hf、Th/Ta、Th/Hf、Nb/Zr、Th/Nb、La/Nb值，建立比值判别表，极好地区分了几乎最常见的各种构造环境中有关的玄武岩类。该比值判别表是对双对数判别图解的极好补充。

关键词：玄武岩；Ta/Hf；Th/Ta；Th/Hf；Nb/Zr；Th/Nb；La/Nb；比值判别；构造环境

中图分类号：P595文献标0引言

玄武岩在全球分布十分广泛，其岩浆的形成与全球构造（如裂谷扩张、板块俯冲消减、地幔的深部作用等过程）最为密切[12]，因而产出于多种板块构造演化环境中，并且不同大地构造环境一般具有较为特定的岩石组合、钾质或钠质类型以及基本固定的建造系列。同时，大量高温高压试验成果和地质、岩相及岩石化学资料已经证实，玄武质岩浆是由地幔橄榄岩部分熔融形成的[37]，因而几乎所有的玄武岩源区直接源于上地幔，因此，研究玄武岩对于反演地幔物质成分，分析构造环境和地球的深部动力学均具重要意义[810]。

与中酸性岩浆显著不同的是，玄武质岩浆类型复杂多样，并且见于板块构造演化的全过程和各个重要阶段，自然成为研究构造地球化学的主要指示剂。玄武质岩浆的主要源区包括岩石圈地幔、地幔热柱、软流圈和地壳四大端元[1112]。迄今为止，洋中脊玄武岩（MORB）型岩浆还未见于大陆构造环境，并且大陆玄武岩的地球化学性质有别于大洋玄武岩；其差异表明，大陆玄武质岩浆的形成除软流圈[13]、地幔热柱[1416]外，一定有其他源的参与（如岩浆混合、岩浆混染）[1617]。由于不同端元组分对岩浆生成的相对贡献量不同，使得大陆玄武岩的地球化学性质更为复杂和具有多样性[18]，所以识别和区分不同大地构造环境中的玄武岩类，成为地球化学家关注的主要研究内容[1922]，从而运用玄武岩的相关元素进行图解和相关比值判别大地构造环境，成为所有火成岩类的首选研究对象。

从20世纪80年代开始，地质学家利用微量元素地球化学特征判别岩浆形成的大地构造环境和示踪岩浆源区的化学性质，诞生了许多判别方法，尤其是发明了众多的地球化学判别图解[2326]。在所有岩石类型的构造环境判别图解中，玄武岩类的图解判别最多。经典的图解主要有ThHf/3Ta三角图解[图1（a）][27]、Ti/1003YZr三角图解[图1（b）][28]、3TbTh2Ta三角图解[图1（c）][29]、Nb/ThNb图解[图1（d）][30]、Th/YbTa/Yb图解[图1（e）][31]和Th/LaTa/La图解[图1（f）][32]等。

通过大量精细对比研究发现，多元素图解、元素与同位素配套的图解等相对量少的元素（包括氧化物）图解可信度更高，从而能更精细地区分不同大洋环境的玄武岩类，其中最有效的多元素图解以稀土元素配分模式[图2（a）][33]和大离子亲石元素蛛网图[图2（b）～（d）][31]为代表。

对比上述各经典图解不难看出，在进行玄武岩类构造环境判别中，Ta、Hf、Th、La、Zr、Nb这6个元素是地球化学研究和成因判别图解中使用率最高的元素。

综合分析前人研究成果发现，图解判别是当前大多数学者最易接受和最常使用的方法，而运用比值和对比表进行判别分析的可借鉴资料较少。通常情况下，拿到一批分析数据后，需先选择某些图解模版进行图解，并经综合读图分析后凝练出构造环境信息。当分析数据在多个数量级区间变化时，还要使用对数坐标进行成图。很多图解首先要借助Excel等软件进行成图，之后通过Coreldraw等软件将Excel软件成图与已有的构造环境模版图套合（因为大多数成图软件中无现成的构造环境等模版图，所以只有套合才能将Excel软件成图与模版图上的构造环境信息有机联合），从而获得其构造环境信息。这一过程相对繁琐和复杂。对于某个或多个具体数据而言，只需经过简单计算（有时可进行心算估计），借助比值判别表速查可粗判该数据的构造环境信息，有用时再进行精细计算、成图、图解套合，无用时或数据的比值不在关注的构造环境信息范围之内时则弃之（无需精细计算、成图、图解套合）。这一过程中，简化的比值判别表较之精细的图解及套合图解过程则快速有效，实用性更强，因此，设计出有效的比值判别表对地球化学研究有极好的实用性和推广性。

NMORB为正常型洋中脊玄武岩；EMORB为异常型洋中脊玄武岩；OIB为洋岛玄武岩；SHO为钾玄岩；CAB为钙碱性玄武岩；TH为大洋拉斑玄武岩；DM为亏损地幔；PM为原始地幔；CC为大陆地壳；图（f）中百分比为部分熔融程度

图1玄武岩类大地构造环境主要判别及部分熔融图解

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

ws为样品含量；wc为球粒陨石含量；wMORB为MORB含量；图（a）引自文献[20]；图（b）～（d）引自文献[18]

图2各典型构造环境中玄武岩球粒陨石标准化稀土元素配分模式及MORB标准化大离子亲石元素蛛网图

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

考虑到前人已有的Th/HfTa/Hf、Th/ZrNb/Zr及La/ZrNb/Zr双对数判别图解是运用大量数据经统计与检验确认有效这一事实，本文综合分析并提取了Ta/Hf、Th/Ta、Th/Hf、Nb/Zr、Th/Nb、La/Nb值共6组比值信息，建立比值判别对比表，极好地区分了几乎最常见的各种构造环境中有关的玄武岩类。

1Ta、Hf、Th、La、Zr、Nb的地球化学性质

Ta、Hf、Th、La、Zr、Nb都是高场强元素。由于这6个元素都是不相容元素（Th、Ta、La、Nb强不相容，Zr、Hf弱不相容），在分离结晶过程中含量都在同步增加，所以两两元素含量之间的比值显示有规律性的变化。这一特征使得在研究中对于玄武岩成分是否接近原始岩浆成分的要求大为放宽，即Ta、Hf、Th、La、Zr、Nb的数据能够加以利用的岩石除原生岩浆岩外，一些分离结晶程度较低的岩石也可以使用。

Nb是强不相容元素，在地幔岩浆间的总分配系数最小，故低度部分熔融易进入熔体，而分离结晶时会一直保存在残余熔体中。研究表明：富集型洋中脊玄武岩（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剂[34]；Nb亏损可提供有关地壳性质和玄武质岩石受其混染的信息。

Zr是惰性元素。弧后盆地玄武岩浆的源可能有活动性元素的富集，它们随含水流体相进入其中，故Zr含量的标准化可以充分表现从Zr发端的活动性元素富集的程度[34]。

Ta和Hf是耐熔的高场强元素，Th是耐熔大离子亲石元素。在深部作用过程（如地幔分离、地幔部分熔融、岩浆分离结晶、地壳混染等）中，在岩浆相、流体相或地幔分离后的活动分离相，这些元素含量有时会发生几个数量级的变化，用其绝对含量恢复所研究岩石玄武岩类岩浆源区成分从而判别其大地构造环境显然是困难的，但由于不相容性，其亲岩浆性的变化是同步的，两两元素含量之间的比值在地幔部分熔融过程中只有很小的变化，在岩浆分离结晶过程中基本不变。相对原始岩浆而言，Ta/Hf值和Th/Hf值差异大被解释为源区成分不同引起的[35]。

La为强不相容元素，易溶于水，地球化学性质活泼，在岩石中的原始丰度、分布形式、分散或富集规律、迁移特性等行为很独特[36]。

La、Nb、Zr是一组耐熔强亲岩浆元素，其含量相互之间的比值关系可用来恢复深部作用的地球化学过程[36]。

上述6个元素地球化学性质相似，在岩浆演化过程中含量变化基本同步，元素含量之间的比值在地幔部分熔融过程中只有很小的变化，在岩浆分离结晶过程中基本不变，因此，它们可用来恢复岩浆源区成分，进而判别岩石形成的大地构造环境。

2Ta、Hf、Th、La、Zr、Nb含量的比值对比判别

依据上述地球化学特性，汪云亮等根据世界典型大地构造环境区玄武岩类的Th、Ta、Hf最新数据研究发现，原生岩浆岩的Ta/Hf值和Th/Hf值直接反映的是其源区的Th、Ta、Hf分异特征，且大体等于其源区的值；在此基础上，又提出了玄武岩类形成的大地构造环境Th/HfTa/Hf双对数判别图解[图3（a）][37]。

此后，孙书勤等进一步提出了Th/ZrNb/Zr双对数判别图解，这一图解与之前的Th/HfTa/Hf双对数判别图解相互弥补与验证，为玄武质岩石的构造环境判别增加了新的图解方法[图3（b）][38]。武莉娜等用同样的研究思路和方法提出了玄武岩大地构造环境La/ZrNb/Zr双对数判别图解[图3（c）][36]。随后，孙书勤等对板块汇聚边缘玄武岩的判别方法及其演化趋势进一步讨论，使得上述判别图解在具体应用中的结果更加精准[39]。

Ⅰ为板块发散边缘NMORB区；Ⅱ为板块汇聚边缘，其中Ⅱ1为大洋岛弧玄武岩区，Ⅱ2为陆缘岛弧及陆缘火山弧玄武岩区；Ⅲ为大洋板

内洋岛、海山玄武岩区及TMORB、EMORB区；Ⅳ为大陆板内，其中Ⅳ1为陆内裂谷及陆缘裂谷拉斑玄武岩区，Ⅳ2为陆内裂谷碱性玄武岩

区，Ⅳ3为大陆拉张带（或初始裂谷）玄武岩区；Ⅴ为地幔热柱玄武岩区；图（a）引自文献[37]；图（b）引自文献[38]；图（c）引自文献[36]

图3玄武岩类大地构造环境的Th/HfTa/Hf、Th/ZrNb/Zr及La/ZrNb/Zr双对数判别图解

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

遗憾的是，当使用这些图解时，必须进行精确投图才能确认样品的投点区，特别麻烦的是两图均是对数坐标，而且坐标值又是两两元素含量的对数比值，大大影响了直观判别特性，不能达到直观、快速判别这一目的。本文在认真分析和研究原作者发明双对数判别图解的基本原理基础之上，重新整理了相关数据与比值，新提出了综合对比表（表1），从而使应用者无须进行较为麻烦的精确投图过程，而是通过简单的速查和对比淘汰方法，运用表1功能获得某样品可靠的构造环境信息。

表1玄武岩类大地构造环境的Ta、Hf、Th、La、Zr、Nb比值判别

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

构造环境主要玄武岩类型Ta/Hf值Th/Ta值Th/Hf值Nb/Zr值Th/Nb值La/Nb值

板块发散边缘NMORB<0.1

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

大洋板内大洋拉斑

大洋碱性>0.10.1～0.3

>0.3<1.6>0.040.04～0.15

>0.15<0.11<1.11

板块汇聚边缘大洋岛弧

陆缘岛弧陆缘火山弧<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

大陆板内大陆拉斑

大陆碱性

陆陆碰撞带>0.10.1～0.3

>0.3相似于大陆裂谷>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

大陆裂谷典型裂谷

陆内裂谷或初始裂谷>0.11.6～4

>4（范围为4～10）>0.040.11～0.27

>0.27，且小于0.671.11～2

地幔热柱碱性>0.3变化大>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值依此类推；Th×Ta/Hf2值表示w（Th）w（Ta）/w2（Hf）；La×Nb/Zr2值表示w（La）w（Nb）/w2（Zr）。

本文用表格化表达这一分类的相关比值与Th/HfTa/Hf双对数判别图解互补，更便于读者使用。需要说明的是，汪云亮等在提出Th/HfTa/Hf双对数判别图解时，认为成图数据必须满足3个条件[37]：①岩石类型为玄武岩及玄武安山岩（w（SiO2）≤56%）；②w（MgO）≥8%；③w（Cr）≥200×10-6。而笔者在应用此图进行新疆西天山、西准噶尔地区近300个玄武岩和玄武安山岩（w（SiO2）≤56%）样品进行图解与构造环境判别时，发现样品只要符合汪云亮等提出的玄武岩和玄武安山岩w（SiO2）≤56%[37]，MgO、Cr含量无需受前述条件限定，所获得的构造环境信息就与其他方法获得的综合判别相印证。其中，w（·）为元素或化合物含量（质量分数，下同）。

由表1看出：Th/Ta值在区分大洋与大陆构造演化中有极好的显示，与大洋演化密切相关的玄武岩类（板块发散边缘和大洋板内）Th/Ta值小于11，而所有弧构造及陆内和地幔热柱有关的玄武岩类Th/Ta值大于11；Th/Nb值也对各类玄武岩有较好的区分性，板块离散边缘、大洋板内和地幔热柱有关的玄武岩类Th/Nb值小于011，而所有弧构造及陆内有关的玄武岩类Th/Nb值大于011；板块离散边缘、板块汇聚边缘的Nb/Zr值小于004，而其余构造环境中有关的玄武岩类Nb/Zr值大于004。这6个元素两两组对的Ta/Hf、Th/Ta、Th/Hf、Nb/Zr、Th/Nb、La/Nb值极好地区分了几乎最常见的各种构造环境中有关的玄武岩类，且比值较之相对复杂的双对数判别图解更易查找和对比操作，因而是对Th/HfTa/Hf、Th/ZrNb/Zr及La/ZrNb/Zr双对数判别图解的极好补充。

只需对上述6组比值数据进行简单计算，采用对比和排除法查表1，即可获得所研究样品的构造判别信息。同时，对前人没有进行相应双对数判别图解的成果，也能通过本文设计的比值对比表（表1），查找并提取构造环境信息。

Th/ZrNb/Zr、Th/HfTa/Hf和La/ZrNb/Zr双对数判别图解分别是武莉娜等、汪云亮等、孙书勤等统计了马尼安纳岛玄武岩玄武质安山岩，智利南安底斯山玄武岩、玄武质安山岩，日本硫球岛弧玄武岩，哥伦比亚Gorgona岛科马提质玄武岩、苦橄岩，澳大利亚昆士兰省沿海地区中部岩墙群玄武岩、玄武质安山岩，北大西洋和东太平洋科科斯洋脊玄武岩，北大西洋中脊EMORB，原始地幔等约10 000组世界上未受混染的玄武岩类的数据而成图的[3639]，因而是建立在大量准确分析数据、有代表性构造环境、元素地球化学行为被充分了解这一基础上获得的图解。本文据此提取的比值对比数据表（表1）可靠性也是可以肯定的。

更为重要的是，Th/ZrNb/Zr、Th/HfTa/Hf和La/ZrNb/Zr双对数判别图解都是3个元素构成的，而本文建立的比值对比表综合了这6个元素的两两元素或两个以上元素含量比值，要比其中单一的一个3元素图解获得的构造环境信息更可信。当某个投点落入图解分界线上或是两个构造环境的重叠区时，运用比值对比表可更有效地加以区分和判别。

3结语

（1）Th/ZrNb/Zr、Th/HfTa/Hf和La/ZrNb/Zr双对数判别图解是建立在准确分析数据、有代表性构造环境的约10 000组世界典型地区未受混染的玄武岩类构造信息提取基础上研制的图解。据此获得的6组Ta/Hf、Th/Ta、Th/Hf、Nb/Zr、Th/Nb、La/Nb值极好地区分了几乎最常见的各种构造环境中有关的玄武岩类。

（2）6组比值判别对比表较之相对复杂的双对数判别图解更易查找判别和对比操作，因而是对Th/HfTa/Hf、Th/ZrNb/Zr及La/ZrNb/Zr双对数判别图解的极好补充。尤其当某个投点落入图解的分界线上或是两个构造环境的重叠区时，运用比值判别对比表可更有效地加以区分和判别。6组比值判别对比表实用性强，可操作性简易，尤其在初步筛选数据和粗判其构造环境信息时快速有效，是对已有对数判别图解的极好补充。

（3）前人提出的3个双对数判别图解玄武岩数据必须满足w（MgO）≥8%和w（Cr）≥200×10-6，但本文提出的6组比值判别对比表可能不受此条件限制。目前为止，将近年来在西天山、西准噶尔地区调研所分析的全部玄武岩数据（约2 000组）进行检验，未发现例外情况，即运用6组比值判别对比表检验约2 000组玄武岩数据，其构造环境信息与3个双对数判别图解获得的构造环境信息相吻合，但有约300组MgO、Cr含量并不满足前人条件。因此，是否必须满足w（MgO）≥8%和w（Cr）≥200×10-6，有待更多数据进行检验，这也是本文存在的问题之一。

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