本溪地区BIF中玄武质围岩的高场强元素特征

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韩创益, 王恩德, 付建飞, 罗衷热. 本溪地区BIF中玄武质围岩的高场强元素特征[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2016, 37(8): 1172-1176.

HAN Chang-ik , WANG En-de , FU Jian-fei , RA Chong-yol . HFSE Characteristics of Basaltic Volcanic Wall Rocks Around BIFs in Benxi Area[J]. Journal Of Northeastern University Nature Science, 2016, 37(8): 1172-1176. DOI: 10.3969/j.issn.1005-3026.2016.08.022.

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基金项目

国家重点基础研究发展计划项目(2012CB416800);国家自然科学基金资助项目(41372098);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N120401003)

作者简介

韩创益(1980-), 男, 朝鲜人, 东北大学博士研究生;
王恩德(1957-), 男, 辽宁盖州人, 东北大学教授, 博士生导师。

文章历史

收稿日期: 2015-06-29

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本溪地区BIF中玄武质围岩的高场强元素特征

韩创益^1,2, 王恩德¹, 付建飞¹, 罗衷热²

1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110819;
2.金策工业综合大学资源勘探工程学院，平壤 999093

收稿日期: 2015-06-29

基金项目: 国家重点基础研究发展计划项目(2012CB416800);国家自然科学基金资助项目(41372098);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N120401003).

作者简介: 韩创益(1980-), 男, 朝鲜人, 东北大学博士研究生;
王恩德(1957-), 男, 辽宁盖州人, 东北大学教授, 博士生导师。

摘要: 辽宁本溪地区条带状铁矿(BIF)与其玄武质火山围岩之间的时空关联非常密切.对于玄武质火山围岩高场强元素(HFSE)的研究表明：w_Nb/w_Ta比值(7.00~19.93)表现出明显的分异，而w_Zr/w_Hf比值(33.46~38.28)则变化不大；从弓长岭到南芬、歪头山样品的w_Nb/w_Ta比值变化具有明显的循序性.这种高场强元素的迁移和分异特征反映出俯冲作用与盆地演化之间的关联.研究区玄武质火山围岩(w_Nb/w_Yb)_N比值大于1(1.21~18.45, 平均2.72)，这进一步表明，其形成的构造背景为陆内弧后盆地提供了有利于BIF形成的条件.

关键词：本溪地区 BIF 玄武质火山围岩高场强元素陆内弧后盆地

HFSE Characteristics of Basaltic Volcanic Wall Rocks Around BIFs in Benxi Area

HAN Chang-ik^1,2, WANG En-de¹, FU Jian-fei¹, RA Chong-yol²

1.School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2.College of Geoexploration Engineering, Kimchaek University of Technology, Pyongyang 999093, DPRK

Corresponding author: HAN Chang-ik, E-mail: han_6130@sina.com

Abstract: BIFs have spatial and temporal association with their basaltic volcanic wall rocks in Benxi area of Liaoning Province. Through an analysis on the HFSE (high field-strength element)characteristics of basaltic volcanic wall rocks around BIFs, it was found that their w_Nb/w_Ta ratios (7.00~19.93) were remarkably fractionated, but the fractionation of w_Zr/w_Hf ratios (33.46~38.28) was not so obvious. In addition, the fractionation of w_Nb/w_Ta ratios had regional tendency from Gongchangling to Nanfen and Waitoushan. These migration and fractionation characteristics of HFSE showed a connection between basin evolution and subduction process. Their (w_Nb/w_Yb)_N ratios (1.21~18.45, average 2.72) were greater than 1, further suggesting that the tectonic setting for BIFs in the studied area was an intra-continental back arc basin.

Key Words: Benxi area BIF basaltic volcanic wall rock HFSE (high field-strength element) intra-continental back arc basin

本溪地区弓长岭、南芬到歪头山的条带状铁矿(BIF)可归属于Algoma型.BIF与其玄武质火山围岩之间密切的时空关联引起许多地质学者的广泛关注，对其进行过详细研究，反演为BIF形成的构造环境.王恩德等^[1]的研究表明，弓长岭BIF的形成环境相当于弧后盆地.代堰锫等^[2]根据歪头山斜长角闪岩的地球化学特征分析，认为其原岩为弧后盆地玄武岩(BABB)，提出了BIF形成的弧后盆地构造模式.代堰锫等^[3]和张连昌等^[4]也确认南芬绿泥角闪片岩和歪头山斜长角闪岩均具有弧后盆地玄武岩的特征.本文在这个前提下进一步对其玄武质火山围岩高场强元素(HFSE)的特征进行研究.

对研究区玄武质火山围岩的研究不少，但对其高场强元素的关注不多.高场强元素是跟踪太古宙玄武质火山变质岩的最有效的工具.Nb-Ta和Zr-Hf属于典型的高场强元素，鉴于具有相同的电价(+5和+4)和离子半径(R_Nb/R_Ta=1.000和R_Zr/R_Hf=1.006~1.026)，在壳-幔演化过程中具有相似的地球化学行为，因此一般情况下不容易发生分异.然而研究发现，不同来源的玄武岩产生不同HFSE的分异，比如Niu^[5]的研究显示了洋中脊玄武岩(MORB)中w_Zr/w_Hf(约25~50)和w_Nb/w_Ta(约9~19)的分异，而且它们之间具有相关性，Pfänder等^[6]的研究显示洋岛玄武岩(OIB)的w_Zr/w_Hf为35.5~45.5，而w_Nb/w_Ta为14.6~17.6.

本文对于南芬BIF中绿泥角闪片岩进行高精度微量元素分析，而且结合已有的弓长岭和歪头山斜长角闪岩的分析数据首次探讨导致研究区玄武质火山围岩HFSE分异的可能机制，并进一步揭示BIF形成的构造环境.

1 分析方法和数据描述

岩石常量和微量元素在澳实分析检测(广州)有限公司测定.常量元素的测定采用ME-XRF06化验分析(偏硼酸锂溶解，X射线荧光光谱分析，各氧化物的检测范围为0.01%~100%)，RSD=0.1%~1%；稀土元素的测定采用ME-MS81化验分析(LiBO₂熔融, 质谱仪定量分析)；微量元素采用ME-ICP61化验分析(四酸溶解, 等离子体发射光谱分析).稀土和微量元素分析的RSD < 10%.

南芬绿泥角闪片岩的地球化学分析结果列于表 1.弓长岭、歪头山斜长角闪岩和南芬绿泥角闪片岩的HFSE分析数据列于表 2.弓长岭斜长角闪岩的数据引自文献[1]，歪头山斜长角闪岩的数据引自文献[2].

表 1 南芬绿泥角闪片岩的常量和微量元素组成 Table 1 Major element and trace element compositions of chlorite amphibolites in Nanfen

组分	NF1	NF2	NF3	NF4	NF5	NF6
组分	常量元素(质量分数/%)
SiO₂	49.85	48.64	49.35	48.04	47.04	47.19
TiO₂	0.85	0.77	0.80	0.79	0.86	0.90
Al₂O₃	14.73	14.29	14.37	15.02	15.44	15.97
FeOt	11.69	11.78	11.66	11.69	12.24	11.78
MnO	0.19	0.20	0.20	0.18	0.20	0.19
MgO	7.86	8.61	8.40	7.92	8.79	7.70
CaO	10.69	9.57	10.20	9.38	9.93	11.37
Na₂O	0.62	1.18	1.03	1.37	1.10	0.64
K₂O	0.14	0.13	0.15	0.73	0.17	0.15
P₂O₅	0.07	0.06	0.06	0.05	0.06	0.06
LOI	3.62	3.85	3.49	3.90	4.29	4.22
总计	100.22	99.08	99.62	99.06	100.13	100.19
微量元素(质量分数×10⁶)
Cr	100	138	139	155	159	157
V	282	310	305	306	326	330
Rb	4.00	4.40	4.20	34.40	5.80	4.90
Ba	21.00	71.00	31.00	239.00	72.00	59.00
Th	0.56	0.50	0.50	0.52	0.52	0.46
U	0.19	0.17	0.18	0.36	0.20	0.15
Nb	2.60	2.30	2.30	2.30	2.30	2.00
Ta	0.17	0.13	0.15	0.13	0.14	0.14
Pb	5.40	13.00	7.00	9.30	5.60	8.60
Sr	109.00	88.20	95.70	77.80	95.70	134.00
Zr	57.00	48.00	49.00	45.00	54.00	49.00
Hf	1.50	1.40	1.40	1.20	1.50	1.40
La	3.70	2.80	3.00	2.80	2.90	2.90
Ce	9.52	7.61	8.39	7.71	7.95	7.91
Pr	1.39	1.28	1.36	1.24	1.42	1.20
Nd	7.10	6.50	6.60	6.00	6.80	5.80
Sm	2.39	2.19	2.21	2.01	2.43	2.00
Eu	0.78	0.72	0.68	0.84	0.73	0.78
Gd	2.88	2.87	2.77	2.65	3.16	2.40
Tb	0.53	0.50	0.50	0.46	0.54	0.50
Dy	3.58	3.31	3.41	3.25	3.46	3.32
Ho	0.73	0.75	0.71	0.71	0.76	0.72
Er	2.45	2.12	2.10	2.11	2.19	2.24
Tm	0.35	0.34	0.32	0.28	0.31	0.35
Yb	2.11	2.00	2.06	1.91	2.12	2.12
Lu	0.33	0.31	0.33	0.26	0.30	0.29
Y	19.40	16.30	16.80	16.00	16.40	17.90
注：NF1~NF6为样品号.

表 1 南芬绿泥角闪片岩的常量和微量元素组成 Table 1 Major element and trace element compositions of chlorite amphibolites in Nanfen

2 讨论 2.1 弧后盆地玄武岩的确认

跟以往研究一样，本次研究V－Ti/1000图解结果也显示，研究区玄武质火山围岩的原岩为弧后盆地玄武岩(图 1).

图 1 玄武质火山围岩w_V-w_Ti图解 Fig.1 w_V-w_Ti diagram of basaltic volcanic rocks BABB数据引自文献[10]

弧后盆地包括洋内弧后盆地和陆内弧后盆地^[7-8].已有的研究认为，洋内弧后盆地玄武岩组分类似于一种洋内岛弧岩浆来源的N-MORB，而陆内弧后盆地玄武岩组分类似于一种陆内岛弧岩浆来源的E-MORB^[8].研究区玄武质火山围岩的稀土元素配分型式图(球粒陨石标准化)为轻稀土元素(LREE)富集型到平坦型，该特征更类似于陆内弧后盆地玄武岩(即冲绳BABB)(图 2).为了更深入地确认该弧后盆地的本质，本文采用高场强元素质量分数的比值来进行判别.Pearce等^[9]认为比值(w_Nb/w_Yb)_N为最有效的幔源追踪指标，而且提出，富集幔源弧后盆地玄武岩的N-MORB标准化后(w_Nb/w_Yb)_N大于1，亏损幔源弧后盆地玄武岩的N-MORB标准化后(w_Nb/w_Yb)_N小于1(图 3).弓长岭斜长角闪岩的(w_Nb/w_Yb)_N为1.21~18.45；南芬绿泥角闪片岩为1.23~1.61；歪头山斜长角闪岩为1.56~1.72，都大于1.据上述分析可知，研究区玄武质火山围岩很可能形成于陆内弧后盆地之中.

图 2 样品稀土元素球粒陨石标准化配分图解 Fig.2 Chondrite-normalized REE diagram of samples BABB数据引自文献[7]

图 3 采用(w_Nb/w_Yb)_N比值的BABB区分 Fig.3 Division of BABB using (w_Nb/w_Yb)_N ratios

2.2 高场强元素特征及其构造意义

在微量元素N-MORB标准化蛛网图中，研究区玄武质火山围岩都显示出大离子亲石元素(LILE)富集，HFSE亏损特征包括Nb-Ta，Zr-Hf和Ti负异常，这是与俯冲有关的玄武质岩浆的普遍特征，能反映出俯冲板块和地幔楔之间的物质移动关系.由于其移动性的差距，因此LILE被认为是俯冲移动元素，而HFSE被认为是俯冲固定元素^[6-9].

尽管HFSE在俯冲过程中具有保守性质，但本次研究发现了w_Nb/w_Ta的明显分异现象.从表 2可知，弓长岭样品w_Nb/w_Ta为7.00~19.93，平均12.29;南芬样品w_Nb/w_Ta为14.29~17.69，平均16.12;歪头山样品w_Nb/w_Ta为18.80~19.69，平均19.13.弓长岭样品w_Nb/w_Ta的分异特征最明显，虽然南芬和歪头山样品各自的w_Nb/w_Ta变化不大，但是从整体上来看，研究区玄武质火山围岩的w_Nb/w_Ta比值从弓长岭到南芬和歪头山具有逐渐上升的变化规律，这说明研究区玄武质火山围岩w_Nb/w_Ta发生了明显的分异作用.与此相反，w_Zr/w_Hf(33.46~38.28)变化范围不大，所有样品的w_Zr/w_Hf均集中在35.87±2.41范围内；这个数值接近于球粒陨石比值(36.30)，表明研究区玄武质火山围岩w_Zr/w_Hf分异特征不明显.

表 2 本溪BIF中玄武质火山围岩高场强元素质量分数组成 Table 2 HFSE compositions(mass fraction)of basaltic volcanic wall rocks around BIFs in Benxi Area

10⁶
样品	样品号	Nb	Ta	Zr	Hf	w_Nb/w_Ta	w_Zr/w_Hf	(w_Nb/w_Yb)_N
弓长岭斜长角闪岩	GCL1	2.60	0.20	53.00	1.50	13.00	35.33	2.01
	GCL2	4.00	0.30	76.00	2.10	13.33	36.19	2.05
	GCL3	27.90	1.40	111.00	2.90	19.93	38.28	18.45
	GCL4	6.50	0.40	85.00	2.30	16.25	36.96	4.86
	GCL5	3.80	0.50	62.00	1.70	7.60	36.47	2.08
	GCL6	3.00	0.30	55.00	1.50	10.00	37.67	1.34
	GCL7	5.10	0.40	84.00	2.20	12.75	38.18	2.38
	GCL8	4.30	0.40	70.00	1.90	10.75	36.84	2.11
	GCL9	1.40	0.20	31.00	0.90	7.00	34.44	1.21
歪头山斜长角闪岩	WTS-5	2.82	0.15	52.52	1.55	18.80	33.88	1.56
	WTS-6	2.56	0.13	41.64	1.23	19.69	33.85	1.72
	WTS-11	2.88	0.15	51.16	1.51	19.20	33.88	1.61
	WTS-12	3.01	0.16	51.87	1.55	18.81	33.46	1.58
南芬绿泥角闪片岩	NF1	2.60	0.17	57.00	1.50	15.29	38.00	1.61
	NF2	2.30	0.13	48.00	1.40	17.69	34.29	1.51
	NF3	2.30	0.15	49.00	1.40	15.33	35.00	1.46
	NF4	2.30	0.13	45.00	1.20	17.69	37.50	1.58
	NF5	2.30	0.14	54.00	1.50	16.43	36.00	1.42
	NF6	2.0	0.14	49.00	1.40	14.29	35.00	1.23
注：弓长岭斜长角闪岩数据引自文献[1]，歪头山斜长角闪岩数据引自文献[2].

表 2 本溪BIF中玄武质火山围岩高场强元素质量分数组成 Table 2 HFSE compositions(mass fraction)of basaltic volcanic wall rocks around BIFs in Benxi Area

图 4 玄武质火山围岩w_Nb/w_Ta-w_Zr/w_Hf图解 Fig.4 w_Nb/w_Ta-w_Zr/w_Hf diagram of basaltic volcanic rocks MORB数据引自文献[5]，OIB数据引自文献[6]

最近，中国学者均发现HFSE在俯冲过程中能发生明显迁移和分异，从而支持俯冲过程中HFSE元素分异的观点^[11].但是与其他来源的玄武岩相比，研究区高场强元素分异特征完全不同(见表 2、图 4).如在MORB和OIB(洋岛玄武岩)中，w_Nb/w_Ta和w_Zr/w_Hf虽然显示出一些分异现象，但是它们之间具有正相关关系.

为了说明在研究区高场强元素中所显示的w_Nb/w_Ta和w_Zr/w_Hf的分异特征，可以采取金红石等富Ti矿物来解释^{[5-6, 11-12]}.弓长岭斜长角闪岩w_Nb/w_Ta与w_TiO₂正相关(相关系数R=0.73)，而歪头山斜长角闪岩和南芬绿泥角闪片岩均显示负相关关系(相关系数R=-0.65, -0.79)(图 5)，反映其分异作用可能受到富Ti矿物(如金红石)控制.

图 5 玄武质火山围岩w_Nb/w_Ta-w_TiO₂图解 Fig.5 w_Nb/w_Ta-w_TiO₂ diagram of basaltic volcanic rocks

在金红石等富Ti矿物中HFSE都是相容的(分配系数D_Nb/Ta和D_Zr/Hf都小于1)，但其主要控制w_Nb/w_Ta的分异作用，而对w_Zr/w_Hf的影响不明显^[6].研究区玄武质火山围岩w_Nb/w_Ta有较大的变化幅度，而w_Zr/w_Hf并没有明显变化，恰好反映出金红石是控制研究区HFSE分异作用的主导因素.

MÜnker^[12]认为在弧后盆地演化过程中，因为高场强元素Nb主要富集在金红石等富Ti矿物中，所以金红石与俯冲流体(熔体)之间的相互作用导致Nb，Ta的亏损和分异，并且提出，w_Nb/w_Ta大于17.6是指俯冲熔体的交代作用，w_Nb/w_Ta小于17.6的是指俯冲流体的交代作用.统计数据显示，金红石与熔体之间金红石的分配系数D_Nb/Ta为0.59~0.68，小于1；而金红石与流体之间金红石的分配系数D_Nb/Ta为1.09~1.57，大于1.这是区分俯冲熔体和流体交代作用的主要依据.与流体维持平衡的金红石具有D_Nb/Ta>1，和Ti高度分异，导致w_Nb/w_Ta和Ti之间的正相关性.与此相反，与熔体维持平衡的金红石具有D_Nb/Ta & 1，可能导致w_Nb/w_Ta和Ti之间的负相关性^[12].弓长岭斜长角闪岩w_Nb/w_Ta为7.00~19.93，南芬绿泥角闪片岩w_Nb/w_Ta为14.29~17.69，歪头山斜长角闪岩w_Nb/w_Ta为18.80~19.69.在w_Nb/w_Ta-w_TiO₂图解中弓长岭样品显示正相关性，而南芬和歪头山样品均为负相关性.这都说明弓长岭和歪头山w_Nb/w_Ta的分异分别跟俯冲流体和熔体有关，而南芬样品可能在其形成过程中受到俯冲流体和熔体的混合交代作用.

从弓长岭到南芬和歪头山，其高场强元素渐进的变化特征和继承关系很可能反映出弧后盆地演化过程，包括最初的俯冲板块流体流入、后来的熔体输入，以及部分熔融等俯冲板块和地幔源区之间的物质移动，这些过渡的特征可能反映了陆内弧后盆地的发展过程.

关于弧后盆地演化，以往研究^[7-8]认为弧后盆地玄武岩从岛弧型开始渐渐发展到MORB型.在裂谷作用的早期，该特征更类似于岛弧玄武岩，但随着弧后盆地的发展(开始扩张，岛弧与海盆之间的距离增加)，该特征更类似于大洋中脊玄武岩.

张连昌等^[4]研究提出，鞍山地区BIF形成于靠近岛弧一侧，本溪地区BIF产于靠近弧后盆地一侧.这一结论与本文的分析一致.

本次研究表明，该区斜长角闪岩原岩为陆内弧后盆地玄武岩，俯冲作用的影响较大，随着弧后盆地的发展，其特征从岛弧型演化为大洋中脊型.

3 结论

1)研究区玄武质火山围岩(w_Nb/w_Yb)_N大于1，很可能形成于陆内弧后盆地之中，提供了有利于BIF形成的条件.

2)研究区玄武质火山围岩w_Nb/w_Ta显示出分异特征，而且具有明显的继承关系.弓长岭样品主要跟俯冲流体有关，歪头山样品具有与俯冲熔体的关联，而南芬样品受到俯冲流体和熔体的混合交代作用.

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