玄武岩作为一种基性岩石，其成因理论主要是在对大火成岩省研究的基础上奠定的，例如玄武岩的形成、演化、分异、分离结晶的理论等(Wager and Brown, 1967)。而玄武岩构造环境的理论则主要是在板块构造理论的基础上创建的。板块构造理论于上个世纪五六十年代创立，它的创立推进了玄武岩地球动力学研究的飞速发展，尤其是玄武岩构造环境判别方法的引入，大大提高了玄武岩在地球动力学、大地构造背景研究中的作用和地位。玄武岩判别图理论和方法在20世纪80年代渐趋成熟。从20世纪七八十年代开始，以Pearce为首的一批学者(Pearce and Cann, 1973；Pearce, 1975, 1976, 1982, 1983, 2003；Glassley，1974；Pearce and Gale, 1977；Pearce et al., 1977；Galoyan et al., 2007)致力于玄武岩判别图的构建，为板块构造和大陆造山带研究开辟了新的途径，极大地丰富了玄武岩研究的内容，将玄武岩构造环境研究推向高峰。

一个判别图的构建是一个系统工程，不仅要考虑源区的影响，还要考虑岩浆分离结晶、部分熔融程度、矿物组成及分配系数、岩浆混合、源区压力以及岩石成因的影响等，有的还作了模拟计算和数理推导等(Pearce and Cann, 1973；Pearce, 1975, 1976, 1982, 1983, 2003；Glassley，1974；Pearce and Gale, 1977；Pearce and Norry；1979；Wood et al., 1979；Capedri et al., 1980；Wood，1980；Mullen，1983；Pearce et al., 1984a, 1984b；Harris et al., 1986；Meschede，1986；Pearce and Peate, 1995；Workman and Hart, 2005；Li et al., 2015)，并且这些判别图还得到了十分广泛的使用(孙勇等，2015；彭斌等，2016)。构建构造判别图需要大量的资料，不仅数据的质量要过硬，而且地质意义、构造背景必须明确。每一个判别图的构建都是一类统计学规律的表现，为此，Pearce和Cann(1973)、Wood等(1979)、Rollison(1993)、Pearce等(2005)、王仁民等(1987)、张旗(1990)、杨祝良(1992)、邓晋福等(2015)对判别图的使用作了较深入的讨论，提出了许多值得重视的见解，指出需要查明不同判别图的应用范围和条件，才能获得比较满意的结果，而如果使用不当则会造成误判。实际上，任何判别图的使用都是有局限性的和有条件的，采用大数据的研究方法有时可事半功倍(周永章等，2017)。本次研究选择几个典型的玄武岩判别图进行评价。

早先的构造判别图由于时代、研究区域、研究思路以及研究手段和分析测试技术的限制，以现今的眼光来审视，是存在某些不足的。笔者在研究中遇到的某些困惑和矛盾，也导致对某些判别图产生了质疑。为此，笔者利用两个数据库(GEOROC和PetDB数据库，数据库更新截止日期为2015年6月)，对全球大洋中脊玄武岩(MORB)、洋岛玄武岩(OIB)和岛弧玄武岩(IAB)(其中MORB和OIB数据来自于PetDB数据库，IAB数据来自于GEOROC和PetDB两个数据库，经过筛选，无重复数据)进行了数据挖掘研究，结果表明早先的判别图判别置信度不尽相同，可以考虑分为下列两类：

玄武岩的主元素判别图如TiO₂-MnO-P₂O₅和TFeO-MgO-Al₂O₃判别功能已经失效(图 1)，因为几乎任何一类玄武岩都可投入上述两个图的各个环境范围(王金荣等, 2017a, 2017b)。FeO^*/MgO-TiO₂图对绝大多数MORB样品仍然限制在MORB的范围，但对OIB和IAB则无法判别(Li et al., 2015；杨婧等，2016；王金荣等, 2017a, 2017b)。

图 1

Bon：玻安岩；CAB：钙碱性玄武岩；IAT：岛弧拉斑玄武岩；MORB：洋中脊玄武岩；OIT：洋岛拉斑玄武岩；OIA：洋岛碱性玄武岩据Mullen(1983)修改 图 1 TiO2-MnO-P2O5图 Figure 1 Discrimination diagram of TiO2 vs. MnO-P2O5

早先的研究者认为，亏损LREE、大离子亲石元素的MORB与来自富集地幔的OIB很容易区别，因为二者的地球化学特征完全不同。但事实上MORB和OIB是很难区别的，因为MORB的成分范围变化大，在许多判别图中几乎覆盖了MORB和OIB的区域；OIB的成分范围同样变化大，有向MORB、甚至向IAB成分范围扩展。在所有各类判别图中，仅Ti/Y-Ti和Ti-V两个判别图的MORB仍然限制在比较低的(Ti/Y < 400；Ti/V < 50)范围(图 2)，而OIB的范围则跨越了OIB和MORB的范围，局部甚至包括了IAB域(王金荣等, 2017a, 2017b)。如何区分MORB和OIB是一个值得注意的问题，现有判别图几乎很难区分开上述两类玄武岩了。

图 2

BABB：弧后盆地玄武岩；CAB：钙碱性玄武岩；IAT：岛弧拉斑玄武岩；MORB：洋中脊玄武岩；VAB：火山弧玄武岩。(a)据Pearce(1982)修改，(b)据Shervais(1982)修改 图 2 V-Ti图解(a)和Ti/Y-Nb/Y图解(b) Figure 2 Discrimination diagram of V-Ti(a) and Ti/Y-Nb/Y(b)

研究表明，岛弧玄武岩最突出的特点是Th>Ta，而MORB和OIB的Th/Ta几近等于1。因此，只有包括Th、Ta(Nb)元素的判别图可以把IAB有效地与MORB、OIB区分开，如Hf-Th-Nb和Th/Yb-Ta/Yb两个判别图(图 3)。这两个图可以很好地把IAB与MORB和OIB区分开。但是，这两个图仍然不能区分MORB和OIB，二者有很大的重叠区域(杨婧等，2016)。

图 3

CAB：钙碱性玄武岩；E-MORB：富集型洋中脊玄武岩；IAT：岛弧拉斑玄武岩；N-MORB：正常型洋中脊玄武岩；SHO：钾玄岩；TH：拉斑玄武岩；TR：过渡型玄武岩；VAB：火山弧玄武岩；WPA：板内碱性玄武岩；WPB：板内玄武岩。(a)据Wood(1980)修改，(b)据Pearce(1982)修改 图 3 Hf-Th-Nb图解(a)和Th/Yb-Ta/Yb图解(b) Figure 3 Discrimination diagram of Hf-Th-Nb(a) and Th/Yb-Ta/Yb(b)

全体数据挖掘研究表明，部分判别图的判别置信度偏低，因此，我们把全体MORB、OIB、IAB数据投入上述判别图，做置信度为90%、70%和50%的置信区间图(图 4)，如果在Hf-Th-Nb图上取50%置信区间，判别效果较好，仅MORB和OIB有一些重叠。在Th/Yb-Ta/Yb图的50%置信区间可以把IAB与OIB和MORB区分开，但OIB和MORB仍有较大的重叠区。对于Ti-V图来说，3类玄武岩50%置信区间仍然有较大的重叠区，尤其MORB和IAB，MORB大体限制在Ti/V=20~50；IAB大体的Ti/V < 50；OIB的Ti/V最大。在Ti/Y-Nb/Y图上，MORB被包括在IAB范围，IAB的范围比MORB大，二者按照50%置信区间均低于Ti/Y=450；而OIB的Ti/Y>220。因此，我们可以考虑按照上述特征重新勾勒判别图的范围(图 5)。

图 4

不同环境玄武岩的置信椭圆从外向内的置信度分别为90%、70%和50% 图 4 Ta-Th-Hf(a)、Th/Yb-Ta/Yb(b)、Ti-V(c)、Ti/Y-Nb/Y(d)判别图的置信椭圆图 Figure 4 Confidence ellipse of discrimination diagrams of Ta-Th-Hf(a), Th/Yb-Ta/Yb(b), Ti-V(c) and Ti/Y-Nb/Y(d)

图 5

根据数据挖掘研究的结果，采用置信椭圆方法，取置信度50%作为指标(见图 4)，重新厘定的判别图：浅红色示MORB，浅绿色示OIB，浅黄色示IAB。Ti/Y-Nb/Y图由于IAB与MORB基本上重叠，故没有表示IAB的范围(见图 4) 图 5 修改后的Ta-Th-Hf(a)、Th/Yb-Ta/Yb(b)、Ti-V(c)和Ti/Y-Nb/Y(d)判别图 Figure 5 Modified discrimination diagrams of Ta-Th-Hf(a), Th/Yb-Ta/Yb(b), Ti-V(c) and Ti/Y-Nb/Y(d)

从图 5可见，修改后效果最差的是Ti-V图，不仅图形难看且重叠部分较多；其他图中，IAB与MORB、OIB的区分效果较好，但MORB与OIB仍有一定重叠。笔者推测MORB与OIB源区可能具有一定的相似性，导致判别图中MORB与OIB的重叠。

因此，全体数据投图表明，各类构造背景产出的玄武岩的成分变化范围很大，早先根据少量数据和典型地区数据归纳出的判别图是有局限性的，需进行调整和修改。

(1) 全体数据研究表明，早先的判别图部分可能已不适用了，部分仍然有用但判别置信度偏低。这可能是早先的判别图大多是以典型地区的岩石数据进行构建的，典型和抽样的代表性不足造成的。实践表明，只有全体数据得出的结果才更接近地质实际。

(2) 全体数据研究表明，IAB可以与MORB和OIB区分开的，如Th-Th-Hf、Th/Yb-Ta/Yb以及Ti-Zr-Sr等判别图。这是由于IAB特别富集Th和Sr而贫Ta、Ti和Zr的性质所使然。但是，所有的现存判别图很难区分开MORB和OIB。可见，早先玄武岩构造判别理论存在有明显的局限和不足。全体数据研究表明，无论是上地幔还是下地幔成分具有不均一性，远超出了人们认识的范畴。MORB实际上并非完全是亏损的，许多MORB，包括N-MORB是相对富集的，E-MORB在许多性质上接近于OIB的特征。因此，OIB和MORB的区分仍然是一个很难解决的问题，依靠现有的判别图几乎很难得以完全解决。然而，早先的判别图仍有其合理的内核，毕竟许多地球化学家在设计判别图时具有雄厚的理论基础和各方面因素的综合考虑，可以在这个基础上，采用大数据方法，使玄武岩构造环境判别的研究上升到一个新的层面。