引用本文
杨婧, 王金荣, 张旗, 陈万峰, 潘振杰, 焦守涛, 王淑华. .弧后盆地玄武岩(BABB)数据挖掘:与MORB及IAB的对比[J]. 地球科学进展, 2016, 31(1): 66-77.
Yang Jing, Wang Jinrong, Zhang Qi, Chen Wanfeng, Pan Zhenjie, Jiao Shoutao, Wang Shuhua. .Back-arc Basin Basalt(BABB)Data Mining: Comparison with MORB and IAB[J]. Advanced Earth Science, 2016, 31(1): 66-77.  
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弧后盆地玄武岩(BABB)数据挖掘:与MORB及IAB的对比
杨婧1, 王金荣1,*, 张旗2, 陈万峰1, 潘振杰1, 焦守涛2, 王淑华1
1. 兰州大学地质科学与矿产资源学院 甘肃省西部矿产资源重点实验室(兰州大学),甘肃 兰州 730000
2. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029
摘要

弧后盆地玄武岩(BABB)全球分布有限,与板块俯冲有关,位于岛弧外侧,规模小,寿命短,现代BABB主要分布于西太平洋.通常认为,BABB地球化学成分变化较大,包括正常洋中脊玄武岩(N-MORB),富集洋中脊玄武岩(E-MORB),岛弧玄武岩(IAB)及少量洋岛玄武岩(OIB)组分.在玄武岩构造判别图中,BABB大多在洋中脊玄武岩(MORB)范围内,说明BABB类似MORB.新的全球MORB数据研究表明,MORB包含了从MORB到OIB及IAB的组分,而BABB相对于MORB更富集Cs,Rb,U,Ba,Th和Pb等不相容元素,有明显的NbTa负异常,表明BABB兼具MORB和IAB的地球化学特征,是俯冲流体及沉积物参与其岩浆作用过程所致,大多是在湿的条件下部分熔融形成的.弧后盆地可分为初始弧后盆地和成熟弧后盆地,前者玄武岩具有明显的岛弧玄武岩的地球化学特征,而后者玄武岩更接近MORB的特征.

关键词: 弧后盆地玄武岩; MORB; 岛弧; 俯冲带; 数据挖掘
中图分类号:P588.14+5 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2016)01-0066-12
Back-arc Basin Basalt(BABB)Data Mining: Comparison with MORB and IAB
Yang Jing1, Wang Jinrong1,*, Zhang Qi2, Chen Wanfeng1, Pan Zhenjie1, Jiao Shoutao2, Wang Shuhua1
1.Key Laboratory of Mineral Resources in Western China (Gansu Province), School of Earth Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
2. Institute if Geology and Geophysice, China Academy of Sciences, Beijing 100029, China

First author: Yang Jing(1991-),female, Jinchang City, Gansu Province,Master graduate student. Research areas indude lithospheric evolution and mineralization. E-mail: yangjing14@lzu.edu.cn

Corresponding author: Wang Jinrong(1958-),male, Putian City, Fujian Province, Professor. Research areas include petro-tectonic. E-mail: jrwang@lzu.edu.cn

Fund:Foundation item: Project supported by the Science Technology of Gansu Province "the West Section of Qilian Orogenic Belt Shibandun iron deposit ore-occurred strata and prospecting prediction research"(No.1002FKDA042); The Fundamental Research Funds for the Central Universities "Magma series and Tectonic significance at Yema Nanshan in the Western Section of the Mid Qilian"(No.lzujbky-2013-113)
Abstract

Back-Arc Basin Basalts(BABB) distribute narrowly in the world. Currently, BABB are mainly distribute in the western Pacific Ocean outside the island arc in small scales and short lifespan which are related with subduction. It is generally considered that geochemical compositions of BABB vary in a large scale, including N-MORB, E-MORB, IAB, and a small amount of OIB. In most of basalt discrimination diagrams, BABB mainly fall into MORB area, suggested that BABB are similar to MORB. New data of MORB shows that MORB contain a series of constituents from MORB to OIB, also IAB, while BABB are mainly composed by MORB and IAB, rarely show OIB components. BABB is generally analogous with MORB whereas the former is enriched in Cs, Rb, U, Ba, Th, Pb, and other incompatible elements, exhibits an obvious Nb-Ta negative abnormal, suggesting that BABB is featured with both geochemical characteristics of MORB and IAB, with subuduction sediments partition during its magmatism process. It is mainly formed by partial melting in wet environment. Back-arc basins are divided into two groups: mature ones and immature ones. Primary back-arc basins share some geochemical characteristics of island arcs while mature back-arc basins exhibit few IAB features and is closer to MORB.

Keyword: Back-Arc Basin Basalt; MORB; Island arc; Subduction zone; Data minning.

伴随着板块俯冲作用, 在消减带之上可以形成不同类型的玄武岩, 如弧前玄武岩, 岛弧玄武岩, 弧后玄武岩等.如果是洋内俯冲, 形成的弧后盆地在活动弧与残留弧之间(如Lau盆地, 菲律宾海等)或在弧后区; 如果板块俯冲作用发生在洋盆边缘, 弧后盆地位于弧--陆之间, 一侧是岛弧, 一侧是大陆(如日本海, 南海, 冲绳海槽等); 如果俯冲作用导致大陆边缘伸展减薄裂解, 则可在活动陆缘向大陆方向形成弧后盆地.目前普遍认为, 弧后盆地是陡倾俯冲下海沟向大洋方向迁移(Back-rolling)导致弧后扩张而形成的.因此, 在弧后盆地早期演化阶段(不成熟弧后盆地), 板块俯冲流体的贡献比较明显, 弧后盆地玄武岩(back-arc basin basalt, BABB)往往具有岛弧玄武岩的印记[1], 所以弧后盆地玄武岩(BABB)能提供汇聚板块边缘地幔交代过程的信息, 包括地幔的结构, 组成, 控制岩浆熔体产生的因素及岛弧岩浆的物源[2]; 在弧后盆地晚期演化阶段(成熟弧后盆地), 俯冲流体的影响渐弱, BABB以洋中脊玄武岩(mid-ocean ridge basalt, MORB)为主要特征[3].因此, 根据BABB的地球化学特征, 可以大致判断弧后盆地的演化阶段.近30年来的大洋钻探(ODP)成果表明, 弧后盆地在地球动力学研究中占有极其重要的地位, 为地幔源区岩浆起源, 壳幔相互作用与能量传递, 地壳增生以及洋陆转换等地球内部动力学过程的研究提供了重要信息, 因而弧后盆地成为地质地球化学研究的重要内容.深入探究弧后盆地玄武岩对认识弧后盆地早期扩张的岩浆作用, 壳幔相互作用以及源区地幔性质等均有重要意义, 同时也是对洋中脊岩浆作用的研究的重要补充.

上俯冲带型蛇绿岩(Supra-Subduction Zone, SSZ)[4]包括岛弧蛇绿岩, 弧前蛇绿岩和弧后盆地蛇绿岩.由于大洋盆规模大, 板块俯冲作用使大洋盆中的洋壳很难保留下来, 以至于在大陆上所见到的具有MORB特征的蛇绿岩通常解释为弧后盆地蛇绿岩.因此, 弧后盆地玄武岩的地球化学特征就显得非常重要.基于PetDB提供的数据, 采用新思路或新方法能够解决一系列重要的科学问题[5, 6].为此, 我们利用PetDB数据库[7](http://www.earthchem.org/petdb/search)尝试对BABB进行数据挖掘研究, 以期对弧后盆地及其岩浆作用过程有着更为全面的认识和了解.

首先应对数据进行科学地筛选, 其方法和注意事项王金荣等[8]已作了详细的介绍, 本文不再赘述.本次研究所采用PetDB数据库[7]中的Back-arc basin项的全部数据共有14 614个, 经过筛选淘汰的数据有2 272个, 有效数据12 332个, 样品主要分布在西太平洋及南美洲之南(图1).

图1 全球BABB样品分布图[7]Fig. 1 Distribution of the global BABB samples[7]

1 弧后盆地玄武岩在判别图中的特征

(1)TiO2-MnO-P2O5图(图2).该图是由Mullen[9]设计的, 用来区分5类玄武岩形成的构造背景:玻安岩(Boninite, Bon), 钙碱性玄武岩(Calc-alkali basalt, CAB), 岛弧拉斑玄武岩(Island-arc tholeiite, IAT), 洋中脊玄武岩(Mid-ocean ridge basalt, MORB), 洋岛拉斑玄武岩(Ocean island tholeiite, OIT)和洋岛碱性玄武岩(Ocean island alkaline basalt, OIA).图2是据已发表的507个样品为基础, 其中MORB数据130件, IAT数据80件[9].从图2可以看出, 本文所使用的BABB样品2 624件, 大部分样品落入IAT区, 部分进入MORB, OIT和OIA区, 表明弧后盆地玄武岩成分的复杂性.同时, 图2也进行了全球MORB(17 703件[8])的投点, 可以看出BABB与MORB样品落点基本上是一致的.

(2)FeOT-MgO-Al2O3图(图3).该图由Pearce等[10]利用8 400个数据(包括652件洋底和洋脊的数据)设计的.本次研究利用了3 310件BABB数据, 几乎覆盖了除扩张中心岛(可能相当于轴外岩浆系列, 据原作者[10])外的各种不同环境区域, 但大多进入洋中脊, 造山带和大陆玄武岩区, 少量进入OIB区, 这是不可思议的.同时, BABB覆盖范围也与MORB(26 755件[8])基本一致.

(3)FeO* /MgO-TiO2图(图4).该图是Glassley[11]在研究美国西北部华盛顿州奥林匹克半岛火山岩时作为对比提出来的, 作者利用早先发表的若干文献构思了该图, 未说明使用了多少数据.本文所利用的3 310件BABB数据, 主要落入图4中的MORB区, 部分落入IAT区, 个别进入OIB区.我们认为, 这种情况与前人的认识较为一致.而26 785件MORB主要落入MORB和OIB区, 很少进入岛弧区, 表明BABB与MORB具有明显的差异性.也就是说, 产于洋脊的玄武岩组分是兼有MORB和OIB的地球化学特征, 属于MORB-OIB岩浆系列的产物, 而弧后盆地玄武岩则兼有MORB和IAB的特征, 后者为MORB-IAB岩浆系列的产物.

(4)Ti-Zr图(图5).图5最初是由Pearce 等[12]提出来的, 后来Pearce[13]又于1982年对其作了修正.从图5 A, B来看(图5有678个BABB样品) , BABB数据投图范围基本与MORB一致, 只是与MORB(4 224个样品)投图范围相比, BABB的Ti, Zr含量相对偏低, 提示其与俯冲流体的关系更为密切.

(5)Ti-Zr-Y和Ti-Zr-Sr图(图6).该图是Pearce 等[14]提出的, 共使用了200多个样品, 包括岛弧拉斑玄武岩46个, 岛弧钙碱性玄武岩60个, 岛弧橄榄安粗岩6个, 洋底玄武岩82个.作者认为, 图6最大的优点是能够正确区分板内玄武岩与洋中脊和岛弧玄武岩.Pearce 等[4]还强调该图区分上述玄武岩的有效率可高达95%以上, 认为是地幔不均一性的反映.Pearce[10]进而指出, 图6a不能有效区分MORB与俯冲有关的玄武岩.本文利用的数据则显示(Ti-Zr-Sr图使用644个BABB样品, Ti-Zr-Y图使用660个BABB样品), 在图6a中, BABB主要落入MORB区, 在图6b中主要落入MORB和IAB区.与MORB比较, 具有岛弧特征的BABB具有更低的Ti和较高的Sr.

图2 TiO2-MnO-P2O5判别图[9](灰色方块据参考文献[8]修改)Fig. 2 Discrimination diagram of TiO2-MnO-P2O5[9](The grey cubes modified after reference[8])

图3 FeOT-MgO-Al2O3图[10]Fig. 3 Discrimination diagram of FeOT-MgO-Al2O3[10]

图4 FeO* /MgO-TiO2图[11]Fig. 4 Discrimination diagram of FeO* /MgO-TiO2[11]

图5 Ti-Zr图[12, 13]Fig.5 Discrimination diagram of Ti-Zr[12, 13]

(6)Ti/Y-Nb/Y图(图7).该图是Pearce[13] 1982年提出, 1984年修改的[4, 15].在图8中(539个BABB样品), BABB样品几乎都落入了VAB和MORB范围, 而MORB(3 377个样品)绝大多数样品落在原图MORB和IAT区, 说明该图在识别是否为板内玄武岩上是有效的.同时, 与MORB比较, 兼有岛弧玄武岩特征的BABB其Nb/Y值较低.

(7)Cr-Y图(图8).图8是Pearce提出主要用以区分岛弧和非岛弧玄武岩[13, 15].从图9(1 501个BABB样品)可以看出, 本文的BABB数据几乎落入不同环境区域, 与MORB(7 460个样品)的投图比较, BABB 的Y含量相对较低.

(8)Hf-Th-Nb(Ta)图(图9).Wood[16]设计的图9最大特色是利用岛弧玄武岩Th> Ta的性质, 区分岛弧和非岛弧的玄武岩[4, 15].本文使用的965件BABB数据投入原图中的全部区域, 但主要位于岛弧区.与MORB(3 873个)投点比较, BABB有更多的样品落入IAT和CAB范围, 即兼有岛弧玄武岩特征的BABB其Nb, Ta含量相对较低.

图6 Ti-Zr-Y和Ti-Zr-Sr图[12]
Discrimination diagram of Ti-Zr-Y和Ti-Zr-Sr[12]

(9)Zr/Y-Zr图(图10).该图由Pearce等[17]提出, 用来鉴别岛弧玄武岩, MORB和板内玄武岩.作者将Zr/Y=3作为区分板内玄武岩与非板内玄武岩的界线[18, 19].但本文研究的数据(2 340个样品)几乎落入图中的各个构造区域.同时, 与MORB(9 694个)的覆盖范围相比较, 兼有岛弧玄武岩特征的BABB具较低的Zr/Y和Zr.

(10)Nb-Zr-Y图(图11).该图由Meschede[20]设计, 其使用N-MORB, P-MORB, WPT, WPA 4种类型的样品数据共1 847个.按照本文采用的资料(1 940个样品), 与MORB(8 230个数据)的覆盖范围一致, 几乎投入图中全部的构造环境区域, 但仍以落入MORB区为主, 少量进入板内碱性玄武岩区.与MORB比较, BABB的投图范围主要集中在Nb含量较低的区域.

图7 Ti/Y-Nb/Y图[4, 13, 15]Fig.7 Discrimination diagram of Ti/Y-Nb/Y[4, 13, 15]

图8 Cr-Y图[13, 15]Fig.8 Discrimination diagram of Cr-Y[13, 15]

图9 Hf-Th-Nb(Ta)图[16]Fig.9 Discrimination diagram of Hf-Th-Nb(Ta)[16]

(11)Th/Yb-Ta/Yb图(图12).该图由Pearce[13]设计.作者主要根据岛弧和非岛弧Th/Ta比值的差异而设计的.我们的图解表明(917个样品), BABB大多落入岛弧区, 相对于Ta/Yb来说, Th/Yb偏大, 但仍有少量数据显示相反的情况, 即相对于Th/Yb来说, Ta/Yb偏大, 样品落入判别图的外边.MORB(4700个数据)样品呈线性分布.该图表明, BABB与MORB的区别是相当明显的, BABB有更多的样品落入IAT范围, 表明兼有岛弧玄武岩特征的BABB其Th/Ta比值相对较高.

(12)Y-La-Nb图(图13).该图是Cabanis[21]根据Th, Ta的关系设计的.按照图13的设计, 弧后盆地玄武岩的区域非常狭窄(2B), 实际上, BABB有相当一部分是类似于岛弧玄武岩的特征, 但在该图中却未反映.本文研究的数据(1 405个)表明, BABB大部分落入岛弧区, 其余进入各个构造环境区域, 而真正进入弧后盆地区的并不多, 与MORB(5 058个)比较, BABB更具岛弧亲缘性.

(13)V-Ti图(图14).该图由Shervais[22]设计, 是利用Ti/V比值来区分IAT, MORB和OIB, 据研究认为是十分有效的, 且倍受研究者的青睐.但是, 本文709个BABB样品投入该图, 大多属于IAT和MORB构造背景, 相对于MORB(4 176个)的投图范围, BABB 的Ti含量略低.

图10 Zr/Y-Zr图[17]Fig.10 Discrimination diagram of Zr/Y-Zr[17]

图11 Nb-Zr-Y图[20]Fig.11 Discrimination diagram of Nb-Zr-Y[20]

图12 Th/Yb-Ta/Yb图[13]Fig.12 Discrimination diagram of Th/Yb-Ta/Yb[13]

图13 Y-La-Nb图[21]Fig.13 Discrimination diagram of Y-La-Nb[21]

图14 V-Ti图[22]Fig.14 Discrimination diagram of V-Ti[22]

(14)Ni-Y图(图15).该图由Crawford等[23]设计, 本文采用Capedri[24]修订的图.图15主要用来区分MORB和低钾拉斑玄武岩(low potassic tholeiite, LKT).本文研究的数据(1 701个BABB样品)投入该图, 覆盖LKT和MORB区域.与MORB(7 645个样品)投图比较, BABB有较多的数据Ni含量较低.

图15 Ni-Y图[24]Fig.15 Discrimination diagram of Ni-Y[24]

2 讨 论

(1)前人的研究认为, BABB地球化学成分变化范围较大, 包括N-MORB, E-MORB, IAB, 有时还有少量的OIB[25~29].BABB的概念是建立在几个学术界共识的基础上的:① BABB具有不同程度IAB的印记, 这是由于俯冲流体参与其岩浆作用过程所致, 因此, BABB不同于MORB, 是富水的.② BABB通常亏损HFSE(如Ti, Nb, Ta, Zr和Hf等)[30~31], 因为参与弧后盆地岩浆作用过程的俯冲流体的HFSE含量极低, 它们主要残留在稳定的矿物中, 如金红石.正是由于这个特征, 地质学家才可以利用HFSE来探究BABB源区地幔性状以及BABB部分熔融的程度[32~34].③ BABB来源于软流圈地幔, 它可能是亏损的, 也可能是富集的.如果是后者, 推测可能有原始地幔(primary mantle)进入弧后盆地源区[35].④ 多数人同意流体进入地幔源区有利于玄武岩的部分熔融, 有部分学者还认为, 温度升高促进了流体对部分熔融程度的影响[32~34], 但也有人坚持认为, 在弧后盆地, 温度对流体和部分熔融程度的影响很小[36].

(2)BABB与MORB对比.MORB是干的条件下部分熔融形成的, 而BABB通常受到板块消减带的影响, 大多是在湿的条件下部分熔融而形成的.从上述图件中可以看出, BABB样品分布范围大体与MORB一致, 但总体兼有MORB和IAB的地球化学特征.新的全球MORB数据研究还表明, MORB包含了从MORB到OIB以及IAB的组分[8], 而BABB主要为MORB和IAB, 缺少OIB组分.究其原因:① 在空间上, MORB全球分布范围广, 成分变化大, 而BABB的分布仅与板块俯冲有关, 位于岛弧的外侧, 规模小; ② 在时间上, MORB可持续200 Ma(太平洋), 而目前世界上时代最早的菲律宾弧后盆地只有60 Ma的历史, 通常不超过40 Ma, 寿命短; ③ OIB来自下地幔, 全球随机分布, 有机会与洋脊接近或重叠, 使MORB中时有OIB的组分特征, 而弧后盆地规模小, 演化时间短, 与热点接触或重叠的机会少, 所以BABB含有OIB组分的几率小.从表1中可以看出, BABB大体与MORB类似, 但前者富集Cs, Rb, U, Ba和Th等不相容元素, 尤其Pb.俯冲沉积物或陆壳混染对Pb的影响是十分明显的, 因此, 初始弧后盆地玄武岩Pb含量相对较高, 尽管成熟的弧后盆地不受或很少受俯冲流体及沉积物的影响, 但是对全体弧后盆地玄武岩做平均值会出现Pb的正异常(比MORB大一个数量级).从REE配分图(图16)看, BABB类似E-MORB的特征, HREE丰度较低, 但E-MORB为LREE富集型, 而BABB的La至Nd显示亏损的特征, 总体上, BABB仍然属于LREE亏损型的.在微量元素原始地幔标准化蛛网图上(图16), BABB强烈富集Pb, 有明显的Nb-Ta负异常, 与MORB不同, 说明BABB虽然与MORB存在许多相似的特征, 但BABB有俯冲流体及俯冲沉积物加入参与其岩浆作用过程.

(3)弧后盆地可分为初始弧后盆地和成熟弧后盆地, 前者BABB具有更明显的岛弧玄武岩的地球化学特征, 表现为较低的Ti, Zr, Sr, Y, Ni和Nb含量, 同时Th/Ta比值和(FeO* /MgO)/TiO2相对较高, 后者则类似MORB的特征.因此, 一个成熟的弧后盆地可能包含了上述两类玄武岩的地球化学特征, 或存在IAT与MORB之间过渡的特征, 其极性取决于俯冲流体参与的程度.这是BABB有别于MORB的重要所在.

图16 BABB, N- 和E-MORB微量元素蛛网图和稀土配分图
N-, E-MORB数据来自于参考文献[8], 标准化数据据来自于参考文献[37]Fig.16 BABB, N-MORB and E-MORB primitive mantle-normalized trace element patterns and chondrite-normalized REE patterms
The content of N- and E-MORB from reference[8], normalization values from reference [37]

表1 BABB和N-MORB, E-MORB样品主量, 微量, 稀土元素含量表 Table 1 Major, trace and rare earth element contents table of BABB, N-MORB and E-MORB

在图17a中, 全部BABB(733件)样品落入MORB, PM和OIB范围, 相对于MORB(2 250件)的投图来看, 具有岛弧特征的BABB其143Nd/144Nd相对较低, 而87Sr/86Sr相对较高, 表现为相对富集的特点, 同时显示BABB的Nd-Sr同位素变化范围没有MORB大.图17b中, 全部BABB(590件)样品的投图范围与MORB(3 255件)的投图范围基本一致, 大部分样品落在Zindle and Hart[38]的MORB范围, 也有具向EMII过渡的趋势.在图17c中, 全部BABB(385件)样品的投图范围与MORB(1 040件)的投图范围相比较, 具有岛弧玄武岩特征的BABB其143Nd/144Nd相对较低, 而206Pb/204Pb比值基本无变化.在图17d中, 全部BABB(352件)样品落入MORB(988件)以及原图的外围, 相对于MORB的投图范围来说, BABB 87Sr/86Sr相对较高.同位素图解中BABB均表现出一个MORB向EMII过渡的特征, 与前述的初始和成熟弧后盆地的特征相符.

图 17 Sr-Nd-Pb同位素图[19, 38]Fig.17 Discrimination diagram of Sr-Nd-Pb isotope[19, 38]

3 结论

新的全球MORB数据研究表明, MORB包含了从MORB到OIB以及IAB的组分, 而BABB主要由MORB和IAB组成, 缺少有OIB的成员.同时, BABB富集Cs, Rb, U, Ba, Th, Pb等不相容元素, 有明显的Nb-Ta负异常, 表明BABB兼有MORB和IAB的地球化学特征, 是俯冲流体及俯冲沉积物参与其岩浆作用过程所致.

弧后盆地可分为初始弧后盆地和成熟弧后盆地, 前者BABB具有更明显的岛弧玄武岩亲缘性, 表现为较低的Ti, Zr, Sr, Y, Ni和Nb含量, 同时Th/Ta比值和(FeO* /MgO)/TiO2相对较高, 后者则类似于MORB的特征.因此, 一个成熟的弧后盆地可能包含了上述两类玄武岩的地球化学特征, 或存在IAT与MORB之间过渡的特征, 其极性取决于俯冲流体或/和俯冲沉积物参与的程度.

致谢:在本文成文过程中得到汪洋和张岱同学的帮助, 两位匿名评审人对本文提出了有益的修改意见, 在此深表感谢.

The authors have declared that no competing interests exist.

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