大兴安岭中段突泉盆地高Mg#火山岩激光全熔40Ar/39Ar测年与地球化学特征

李永飞，孙守亮，郜晓勇

（沈阳地质矿产研究所/中国地质调查局沈阳地质调查中心，辽宁沈阳110034）

大兴安岭地区位于古生代古亚洲洋构造域与中生代环太平洋构造域强烈叠加、复合、转换的部位（图1）.由于该区经历了古生代多块体拼合作用过程和中生代陆内演化过程的叠加，因而地壳结构构造相对复杂［1-2］.晚中生代该区作为东亚大陆边缘中生代巨型火山岩带的重要组成部分，经历了多期次的火山喷发过程，不同区域的火山岩岩石类型也复杂多样［3］.近年来，随着火山岩定年方法的不断改进与应用，大兴安岭北段中生代火山岩的精细同位素年代学研究已经取得了长足的进展［4-15］，但是，对于不同期次火山岩的形成构造背景研究尚存在较大的争议，先后提出了地幔柱成因［16-17］、板内成因［18］、蒙古-鄂霍茨克洋俯冲成因［19-24］以及太平洋板块俯冲成因［25-26］等多种观点.就大兴安岭中段火山岩的研究程度而言，关于突泉地区分布的中生代火山岩高精度年代学数据和地球化学资料涉及甚少［27］.因此，针对上述问题，本文选择出露于突泉盆地中发育的早白垩世埃达克质的火山岩为研究对象，通过精细的激光全熔40Ar/39Ar法对其进行详细的年代学与地球化学特征研究，并对该区晚中生代火山岩的成因及形成环境进行初步探讨，以期为大兴安岭火山岩带的综合研究提供基础资料.

图1 大兴安岭中段突泉盆地地质简图（据1∶20万突泉县幅与科尔沁右翼中旗幅区域地质调查报告，1972，修改）Fig.1 Simplified geological map of the Tuquan Basin in Central Daxinganling region（modified from 1∶200000 regional geological map of Tuquan County and Horqin Youyizhongqi, 1972）

1 区域地质背景

突泉盆地总体位于内蒙古自治区东部的兴安盟突泉县镜内（图1a），构造位置处于“兴蒙造山带”东段（图1b）兴安地块与松嫩地块构造结合部嫩江造山带处［28］，盆地基底主要为晚古生代古亚洲洋残余海盆不同演化时段沉积体系中的一套海-陆相地层.盆地北部、东部分别与龙江盆地、松辽盆地相邻，是一个近乎南北走向的中生代断拗盆地.地理坐标为北纬 45°00′～46°00′，东经 121°15′～122°00′之间，面积约 2300 km2.通过该盆地的南部非震物探资料推测，该盆地南部早中生代拗陷埋深范围为800～2000 m［29］.出露于突泉盆地中的中生代地层自下而上主要为红旗组、万宝组、满克头鄂博组、玛尼吐组、白音高老组、甘河组.从中生代的地层出露情况分析，红旗组、万宝组为一套类磨拉石含煤沉积，代表了早中生代东北地区的非典型、弱造山的山前与山间沉积特征［30］，而后期充填于盆地内晚侏罗世到早白垩世（满克头鄂博组、玛尼吐组、白音高老组、甘河组）陆相火山-沉积岩系，是当时中国东北地区乃至东北亚断陷盆地系及盆岭体系组成的基本特征［31］.

2 样品采集与特征

本文火山岩样品采集于原1/20万突泉县幅发育于盆地南部的平山组（相当于区域上的梅勒图组）与晚侏罗世的火山岩（原傅家洼子组），主要为一套灰黑色中性与中酸性岩石（野外定名主要为安山岩与英安岩）.各件样品采样坐标见表1、2.

表1 突泉盆地高Mg#火山岩样品信息及激光全熔40Ar/39Ar测年数据表Table 1 Sample information and laser40Ar/39Ar dating resulf for the high-Mg#volcanic rocks from the Tuquan Basin

表2 突泉盆地高Mg#火山岩激光全熔40Ar/39Ar测年数据Table 2 Laser40Ar/39Ar dating results of the high-Mg#volcanic rocks from the Tuquan Basin

安山岩：灰、灰黑色，斑状结构，块状构造，有的样品见气孔状构造.斑晶主要为斜长石、角闪石，含量占10%～20%，大小在0.2～1.5 mm.斜长石多呈自形—半自形，角闪石多呈半自形.基质主要由微晶斜长石和玻璃质所组成，占70%～80%.

英安岩：灰、灰黑色，斑状结构.斑晶为斜长石、石英，个别见少量角闪石斑晶，含量占10%，大小在0.5～2 mm.基质主要由微晶斜长石、石英和玻璃质组成.

3 测年样品的制备

在较为系统的研究基础上，对野外采集的岩石样品进行镜下鉴定，挑选新鲜、无蚀变岩石样品初步粉碎成小块，选择无风化边、无包体、无裂隙充填物的新鲜小块岩石进一步破碎.碎好的样品倒入样品筛中进行筛选，选择的样品粉末粒径为0.18～0.28 mm，用于分析测试.

将筛选好的样品置于稀硝酸（5%）浸泡2 h并用去离子水清洗后，低温（80℃左右）烘干.将用于K、Ca、Cl诱发同位素校正的 K2SO4、CaF4、KCl样品以及标准样品称量后，用自制的高纯铝罐包装，封闭于石英玻璃瓶中.在中国原子能科学研究院49-2反应堆H8孔道进行中子照射，照射时间约为24 h，快中子通量为2.2386×1018.用作中子通量监测的样品是我国周口店K-Ar标准黑云母（ZBH-25，年龄为 132.7 Ma）.

3.1 实验方法

样品的激光全熔40Ar/39Ar年代学研究在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室全时标全自动高精度高灵敏度激光全熔40Ar/39Ar定年系统完成.测定采用聚焦激光对单颗粒或多颗粒的矿物岩石样品进行一次性熔融.激光能量1.0～3.5 W，激光束斑直径为0.5 mm.激光在5 s内逐渐升温到1.0～3.5 W，升温后熔样释气时间持续40 s.系统分2个阶段使用2个锆铝泵对释出气体进行纯化，第一阶段纯化时间180 s，第二阶段60 s.系统通过测量已知摩尔数的空气对 5 个氩同位素（40Ar、39Ar、38Ar、37Ar、36Ar）质量歧视进行日常监测与校正，质量歧视因子D=1.0018±0.0003.基准线和5个氩同位素均使用电子倍增器进行13个循环测量.信号强度的测量采用电流强度测量法，信号强度以纳安（nA）为单位记录.测量已知摩尔数的空气的氩同位素信号强度，获得系统在电子倍增器单位增益下的绝对灵敏度为2.394×10-18mol/nA.通过绝对灵敏度可以将氩同位素信号强度由纳安换算为摩尔.电子倍增器增益（与法拉第杯测量信号强度的比值）为3000～4000倍.整个设备的平均本底信号为：

40Ar=0.00277±0.00015，39Ar=0.0000285±0.0000015，38Ar=0.00000157 ±0.00000060，37Ar=0.00000459 ±0.00000059，36Ar=0.00000928± 0.00000096.

系统测试过程、原始数据处理、模式年龄和等时线年龄的计算均采用美国加州大学伯克利地质年代学中心Alan L.Denio博士编写的“MASS SPEC（V.7.665）”软件自动控制，并进行数据处理.

3.2 测试结果

图2 激光全熔40Ar/39Ar等时线图（a）和表观年龄的概率统计图（b）Fig.2 Laser40Ar/39Ar isochron age and age-probability diagrams

采自突泉盆地高Mg#火山岩样品（08-47）的激光全熔40Ar/39Ar定年结果见表1，原始数据见表2.该样品激光全熔40Ar/39Ar等时线年龄的概率统计结果在误差范围内一致（图2），等时线年龄与表观年龄均可靠.由于样品（08-47）40Ar值大于尼尔值（295.5±5.0 Ma），说明样品中40Ar略有过量或者丢失，从而导致表观年龄稍有偏老（初始氩同位素比值40Ar/36Ar为304.0±2.0Ma），因而其等时线年龄相对更可靠.本次突泉盆地高Mg#火山岩的激光全熔40Ar/39Ar定年结果为136.0±2.0 Ma，相当于早白垩世初期（K/J界线，145.0±0.8 Ma，见 www.stratigraphy.org）.

4 地球化学特征

4.1 主量元素

突泉盆地高Mg#火山岩主、微量元素分析结果见表3.主量元素数据经过去水归一化后［32］，SiO2=57.50%～65.88%，平均 62.53%；Al2O3=16.66%～19.91%；MgO=2.05%～3.31%；Mg#=46.8～54.4［33］；岩石相对富钠，Na2O=2.81%～4.15%；K2O=1.76%～3.68%；Na2O/K2O 平均为1.28；火山岩在TAS岩石分类图解（图3a）上显示为安山岩与英安岩（表 3），属于亚碱性系列［32，34-37］；在 SiO2-K2O（图3b）图解上，火山岩落入钙碱性至高钾钙碱性系列区域.

表3 突泉盆地高Mg#火山岩主量元素和微量元素分析结果Table 3 Contents of major and trace elements in the high-Mg#volcanic rocks from the Tuquan Basin

续表（Continued）

4.2 微量元素地球化学特征

在球粒陨石标准化稀土元素配分图解（图4a、c）上，火山岩表现出富集轻稀土（LREE），轻重稀土分异明显的特征.其中安山岩（La/Yb）N比值平均为6.75，接近于下地壳（5.3）［38］；而英安岩（La/Yb）N比值平均为15.39，位于上、下地壳比值之间（5.3～15.5）［38］.安山岩与英安岩的（Gd/Yb）N比值介于 1.42～2.88之间，表明岩石的重稀土（HREE）配分模式相对平坦，而相对亏损中稀土（MREE）.岩石不发育明显Eu异常（Eu/Eu*平均为0.94）.岩石的稀土元素标准化配分曲线与上、下地壳的配分曲线相似（图 4 a 、c）［38］.在原始地幔标准化微量元素蛛网图（图4 b、d）上，突泉盆地高Mg#火山岩表现出富集 Rb、Ba、Sr、Th，亏损 Nb、Ta 的特征，表现出典型的壳源岩浆的特征，岩石的Nb/Ta（12.50～17.52）也与典型的壳源岩浆比较接近［38］.同时岩石具有高Sr（534×10-6～919×10-6）、高Ba（789×10-6～925×10-6）含量，低 Y（平均 17.53×10-6）、低 HREE（Yb 平均为1.80×10-6） 的特征.岩石 Sr/Y 为 22.71～73.54，Y/Yb 为8.95～11.32.

5 岩石成因与构造背景

图3 火山岩TAS分类命名图解(a)与SiO2－K2O图解(b)Fig.3 The SiO2-（K2O+Na2O）classification diagram(a)and SiO2-K2O diagrams(b)for volcanic rocks

图4 稀土元素球粒陨石标准化配分图（a、c）与不相容元素原始地幔标准化配分图（b、d）（球粒陨石与原始地幔标准化值引自文献［39］，上、下地壳数据引自文献［38］）Fig.4 REE chondrite-normalized distribution patterns(a,c)and primitive mantle-normalized trace element spidergram(b,d)（from References［38－39］）

从主量元素与微量元素地球化学特征分析，突泉盆地高Mg#火山岩表现出一些典型埃达克岩的地球化学特征：如SiO2≥56%，高A12O3（≥15%），MgO＜3%（极少大于 6%），贫 Y 和 Yb（Y≤18×10-6，Yb≤1.9×10-6），高 Sr（＞400×10-6），LREE 富集，Eu 无明显负异常［40-42］.但是，与典型的壳源岩浆相比，突泉盆地埃达克质中酸性火山岩具有高的Mg#（>45）.实验岩石学表明，典型洋脊玄武岩（MORB）Mg#为60，而下地壳部分熔融产生的岩浆 Mg# 一般均小于 45［43-45］.因此，具有高 Mg#（大于45）特征的中酸性岩浆，一般被认为是受到地幔物质交代混染作用的结果［44］.另外，玄武质岩石在1000～1100℃，0.8～3.2 GPa条件下，当熔融程度约为40%时，可以产生中酸性岩浆.如果在较高压力条件下，由于源区有石榴石和角闪石的存在，并且斜长石完全消失进入到熔体，产生的岩浆将具有高Sr、高Sr/Y比值、亏损重稀土的地球化学特征［43］.基性下地壳一般由基性麻粒岩组成，这些岩石一般具有很高的Sr、Ba含量［46］.在地壳增厚（高压）背景下，这些基性麻粒岩发生部分熔融作用，即形成的中酸性岩浆将具有高Sr、Ba的特点.

突泉盆地高Mg#中酸性火山岩Y/Yb比值接近于10，（Ho/Yb）N比值≈1，中稀土（MREE）表现出一定程度的亏损，并具高Sr、Ba的特点，暗示其成因是增厚（高压）基性麻粒岩地壳发生部分熔融作用的结果，并且岩浆源区残留相中可能含有不同比例的角闪石和石榴石［47-50］.对于这类中酸性岩浆高Mg#的原因，可能归因于增厚造山带下地壳发生部分熔融后的中酸性、基性岩浆相互发生混合作用的结果［51］.

已有的资料表明，蒙古-鄂霍茨克洋在中—晚侏罗世闭合［52］，但该大洋呈剪刀式自西向东逐渐闭合，西部最终闭合时间为晚侏罗世，东部最终闭合碰撞造山为早白垩世［53］.本文研究的突泉盆地高Mg#埃达克质火山岩形成于136.0±2.0 Ma的早白垩世，恰为该洋的闭合碰撞造山期阶段，其必然引起区域性的挤压并产生地壳不均匀缩短加厚至麻粒岩相，促使造山带岩石圈增厚，最后导致下地壳底部熔融形成的埃达克质中酸性火山岩与底侵玄武质岩浆混合作用［51］.因此，大兴安岭中段突泉盆地早白垩世埃达克质火山岩是蒙古-鄂霍茨克洋（古太平洋）闭合碰撞造山作用过程深部岩浆作用的反映.

6 结论

（1）大兴安岭中段突泉盆地高Mg#火山岩激光全熔40Ar/39Ar定年结果为136.0±2.0 Ma，形成于早白垩世早期.

（2）突泉盆地高Mg#火山岩岩石地球化学特征显示出埃达克质岩的特征：SiO2≥57.50%，高Al2O3（≥16.28%），MgO＜3.31%（Mg#＞45），贫 Y（平均值 17.42×10-6＜18×10-6） 和 Yb（平均值 1.84×10-6＜1.90×10-6），高Sr（Sr＞664 μg/g），LREE 富集，HREE 亏损，Eu 无明显负异常.

（3）突泉盆地高Mg#火山岩形成于蒙古-鄂霍茨克洋（古太平洋）闭合碰撞造山构造背景，其岩浆深部动力学背景与岩浆源区的性质主要归因于增厚的造山带下地壳发生的部分熔融作用.

致谢：岩石主量元素与微量元素实验测试得到了沈阳地质矿产研究所实验室何炼教授、岳明新工程师等人员的热心帮助；激光氩-氩全熔年代学实验测试得到了北京大学地球与空间科学学院造山带与地壳演化教育部重点实验室周晶博士的热心帮助.在此对以上人员表示最诚挚的谢意.

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