内蒙古大梁道班地区大石寨组火山岩的地质地球化学特征及其构造环境探讨①

金 松

中化地质矿山总局地质研究院，河北涿州，072754

内蒙古大梁道班地区大石寨组火山岩的地质地球化学特征及其构造环境探讨①

金 松

中化地质矿山总局地质研究院，河北涿州，072754

内蒙古锡林浩特大梁道班地区大石寨组火山岩为一套富铝富硅的中酸性钙碱性系列火山岩，岩性组合为安山岩、英安岩、流纹岩等；稀土总量较高且轻重稀土分异明显； Nb、Ta、Ti、P等高场强元素（HFSE）相对亏损，板内元素相对富集。将上述岩石地球化学特征与构造环境判别图解相结合分析，初步确定该地区大石寨组火山岩形成于活动大陆边缘向弧后盆地演化的构造环境中，因此进一步推断大梁道班地区内在早中二叠世处于板块汇聚阶段，西伯利亚板块与华北板块在贺根山一带缝合，这次板块碰撞也标志着本区内古亚洲洋的闭合。

大石寨组火山岩 岩石学特征 地球化学 活动大陆边缘 弧后盆地 板块汇聚 大梁道班 内蒙古

内蒙古锡林浩特大梁道班地区中二叠统大石寨组火山岩分布广泛，主要为一套海相中性-酸性的火山岩、火山碎屑岩组合，其间夹有正常碎屑岩沉积建造。目前对这套火山岩形成的构造环境认识分歧较大，很多学者认为大梁道班地区大石寨组火山岩为发育于裂谷环境的一套双峰式火山岩，应该形成于古亚洲洋闭合后一次拉张应力背景下，因此结合其他依据进一步确定古亚洲洋于泥盆纪—石炭纪闭合【1】。笔者在锡林浩特大梁道班地区进行1:5万区调工作中对该地区大石寨组火山岩的地质特征、岩石学特征及地球化学特征进行了较深入的研究，并对其构造环境及应力背景进行了初步探讨，对上述观点提出了疑问，为该区的构造演化史研究提供了新的依据。

1 地质概况

研究区大地构造位置处于华北板块北缘古生代增生带上，北部即为著名的贺根山蛇绿岩构造缝合带[2]。研究区主要由上石炭统本巴图组（C2bb）碎屑岩夹碳酸盐岩建造、中二叠统大石寨组（P2ds）火山岩夹碎屑岩建造、中二叠统哲斯组（P2zs）碎屑岩、碳酸盐岩建造、中二叠世中酸性侵入岩构成。

图1为研究区地质略图，在构造形态上总体为一轴向为北东向的背斜，核部为上石炭统本巴图组碎屑岩，两翼为中二叠统大石寨组火山岩与中二叠统哲斯组碎屑岩，与本巴图组均为断层接触关系，岩石普遍见不同程度的片理化及碎裂岩化。中东部则分布大面积的下白垩统梅勒图组玄武岩。大梁道班地区大石寨组火山岩总体呈北东向展布，本次工作将其划分为三个岩性段，大石寨组一段（P2ds1）为碎屑岩段，主要为一套长石石英砂岩夹粉砂岩及板岩；大石寨组二段（P2ds2）为一套酸性火山岩，岩性主要为流纹岩、流纹质晶屑凝灰岩、熔结凝灰岩、火山岩角砾岩等；大石寨组三段（P2ds3）主要为一套中性-中酸性火山岩，岩性为安山岩，安山质火山角砾岩、英安岩、粗面岩等。

图1 研究区地质略图Fig.1 Geological sketch of the study erea

2 岩石学特征

大梁道班地区大石寨组火山岩以中酸性火山岩为主，熔岩类包括安山岩、粗安岩、英安岩、粗面岩及流纹岩等，火山碎屑岩包括安山质火山角砾岩、流纹质火山角砾岩、流纹质岩屑晶屑凝灰岩、熔结凝灰岩等。将典型岩石特征阐述如下：

碎裂安山岩：风化面呈青灰色，新鲜面呈深灰色-灰紫色，具斑状结构，块状构造，局部见少量气孔杏仁构造，野外露头中见斑晶的定向排列及气孔杏仁的定向拉长。岩石碎裂岩化发育。镜下鉴定斑晶为拉长石，呈柱状，长径0.3～1.0mm，基质由斜长石微晶和脱玻化玻璃质组成，具玻晶交织结构。受构造应力作用，岩石发生破裂，沿扭裂面破裂成方向不一的碎裂纹切割岩石而具碎裂结构，碎块间没有相对位移，碎块相互适应，裂隙被磨碎的物质和次生铁质充填（图2-1）。

英安岩: 风化面呈青灰色，新鲜面为灰色，野外基岩出露较好，局部见较强的碎裂岩化。具斑状结构，块状构造，局部见流纹构造及斑晶定向排列的流动构造。镜下鉴定斑晶主要为更长石，呈柱状，长径0.3～5mm不等，石英小斑晶含量较少，呈熔蚀状，粒径0.1～0.3mm。斑晶含量约为5%。基质由斜长石微晶和少量石英组成，具交织结构、霏细结构，含量约为95%。

粗面岩：岩石风化面呈灰黄色，新鲜面呈浅黄色，斑状结构，块状构造。表面可见裂隙。斑状结构，块状构造。岩石斑晶成分为钾长石，粒径0.2～2mm，含量5%～10%。基质为粗面结构。镜下岩石可见裂隙，褐铁矿化明显（图2-2）。

流纹质晶屑岩屑熔结凝灰岩：风化面呈灰黄色，新鲜面呈黄白色，熔结火山碎屑结构，块状构造，假流动构造较发育。晶屑呈棱角状、熔蚀状，大小0.3～ 1.0mm，晶屑：钾长石 5%，斜长石 2%，石英 1%，黑云母 2%，岩屑有霏细质和安山质两种，霏细质角砾达3～6mm，含量 15%，，塑性玻屑和火山尘经脱玻化呈隐晶质结构，含量约为75%。塑性玻屑呈细条纹状、蚯蚓状，绕晶屑、岩屑呈假流纹构造。塑性岩屑边缘因氧化而具暗化边。镜下可见塑性玻屑呈蚯蚓状、纹丝状遇晶屑、塑性岩屑见其被压入，中间变薄，变窄现象（图2-3）。

流纹岩：岩石风化面呈浅灰色，新鲜面呈灰黄色，斑状结构, 致密块状构造，部分岩石可见流纹构造。斑晶成分主要为钾长石（kfs）。大小0.15～2mm之间，含量约为5%。大部分玻璃质基质已脱玻化呈隐晶质。镜下可见基质呈不同条带分层胶结斑晶，流动痕迹非常显著见（图2-4）。

图2 研究区大石寨组火山岩镜下照片Fig.2 The Dashizhai group volcano rock pictures of the study area

3 地球化学特征

为了了解大梁道班地区大石寨组火山岩的地球化学成分特征，本次工作在路线踏勘、地质填图、剖面测制过程中在区内大石寨组火山岩中采集大量的岩石地球化学样品，样品尽量采集风化较弱，基本无蚀变岩石，室内加工过程中去除样品表面蚀变的部分，取中间较新鲜，弱蚀变的部分，用作主量元素，稀土元素，微量元素含量的测试。下面结合分析测试结果对大石寨组火山岩的岩石地球化学特征进行讨论。

3.1 主量元素特征

大梁道班地区大石寨组火山岩主量元素岩石化学含量见表1，CIPW标准矿物计算见表2。由表1可知，大梁道班大石寨组火山岩SiO2含量为62.12%～74.25% (均值69.28%)，含量较高，在TAS图解（图3）上，大石寨组火山岩样品多投于安山岩、英安岩、流纹岩区内。碱含量K2O+Na2O为4.92%～8.61%(均值6.97%)，Al2O3含量12.40%～15.18%(均值13.78%),含量均较高，且Na2O含量小于K2O，不具备优地槽坳陷环境火山岩的富钠特征【3】。流纹岩TiO2含量0.19%～0.39% (均值0.31%)，含量较低；安山岩及英安岩TiO2含量1.19%～1.53%（均值1.36%），含量相对较高。而板块汇聚地段火山岩的TiO2含量普遍是较低的，而大洋弧后盆地钙碱性系列火山岩具有高TiO2的特点【4】。大石寨组火山岩中这种TiO2含量变化的特点也在一定程度上反应了当时构造环境的演化。

由表2可知大石寨组火山岩A/NCK值为0.778～1.736（均值1.174），碱度率为1.67～4.04（均值2.79），由图3可知大石寨组火山岩为铝质过饱和型岩石。里特曼指数σ为0.74～2.61(均值1.83)，小于理论上的界限值3.3，岩石类型属于钙碱性系列。在硅碱图解（图4）中，样品全部投于亚碱性系列中。在AFM图解（图5）中，样品均投于钙碱性系列区内。样品投点靠近AF线，显示明显的富碱趋势属钙碱性岩系。因此大梁道班地区大石寨组火山岩应属于极强太平洋型钙碱性岩系。

总体来看，大石寨组岩石在主量元素特征上显示铝过饱和—SiO2过饱和，这种高SiO2、K2O、Al2O3，低MgO、FeO、TiO2的成分特点不显示双峰式火山岩的独有特征，而这种岩石组合及主量元素成分特点往往出现于活动大陆边缘的构造环境中【5】。

表1 大石寨组火山岩主量元素分析结果表Table 1 The Dashizhai group volcano rock major element analysis results table

表2 大石寨组火山岩CIPW标准矿物计算表Table 2 The Dashizhai group volcano rock CIPW standard mineral calculation table

续表2

图3 大石寨组火山岩ANK图解Fig.3 The Dashizhai group volcano rock TAS graphic

图4 大石寨组火山岩硅碱图Fig.4 The Dashizhai group volcano rock ANK graphic

3.2 稀土元素特征

大梁道班地区大石寨组火山岩稀土分析结果见表3，稀土元素主要特征为：ΣREE为98.06× 10-6～266.66×10-6(均值146.61×10-6)，稀土总量含量较高。轻重稀土比值LREE/HREE为2.91～4.76（均值3.96），表明大石寨组火山岩轻重稀土分异程度较强，δEu为0.21～0.97(均值0.61)，小于1 负铕异常明显，这与斜长石的分离结晶作用有关。δCe为0.98～1.06（均值1.02）,

显示微弱的铈正异常，说明表生作用对岩石改造不明显，LaN/YbN为2.1～4.67（均值3.28）较高，反映轻稀土富集程度较高，说明大石寨组火山岩在形成期间受陆壳元素影响较强【6】。

图6为大石寨组火山岩稀土元素球粒陨石标准化分配曲线，稀土分配曲线明显右倾，与典型洋岛玄武岩的稀土分配模式接近，轻稀土相对富集，重稀土相对亏损，反映岩浆来源较深或压力较大。大石寨组火山岩喷发各个其次稀土分配曲线保持高度平行一致，负铕异常明显，呈“V”型分布，反映了该套火山岩斜长石结晶分离作用对不同类型岩石影响不明显。说明岩浆喷发属于同一构造环境的产物【7】。

图5大石寨组火山岩TAS图解Fig.5 The Dashizhai group volcano rock TAS graphic

表3 大石寨组火山岩稀土元素分析结果表（元素含量单位×10-6）Table 3 The Dashizhai group volcano rock REE analysis results table

图6 大石寨组火山岩稀土元素球粒陨石标准化分布蛛网图Fig.6 The Dashizhai group volcano rock Alkali silica graphic

3.3 微量元素特征

大梁道班地区大石寨组火山岩微量元素分析结果见表4，微量元素主要特征为：大石寨组火山岩高场强元素Nb、Ta、Ti、P等元素相对亏损，K、Rb、Ba、Th,等板块内部元素明显富集。图7为大石寨组火山岩微量元素原始地幔标准化蛛网图，微量元素分配曲线整体右倾，与洋岛玄武岩的微量元素分配曲线相似。其Ti、Nb、Ta、P等大离子亲石元素含量明显较低，K、Rb、Ba、Th,等板块内部元素明显含量较高，说明岩石成因与陆壳有密切关系。这种微量元素含量特征与大陆边缘弧构造环境玄武岩的特有成分特征较为相似[5]，其成分特点也在一定程度上反映了大石寨组火山岩成因：洋壳俯冲板片相变释放的流体加入到上覆的地幔楔，该种流体携带了俯冲板片析出的活动元素K, Rb,Th等，由于并且亏损高场强元素（HFSE），如Nb、Ta、Ti、P等元素。流体交代导致地幔楔熔融后的岩浆富集了上述元素。上述成因机制造成了大石寨组火山岩这种独特的微量元素含量特征，因此可以推测，大石寨组火山岩应该形成岛弧附近的构造环境中。

表4 大石寨组火山岩微量元素分析结果Table 4 The Dashizhai group volcano rock trace elements analysis results

续表4

图7 大石寨组火山岩微量元素原始地幔标准化分布蛛网图Fig.7 The Dashizhai group volcano rock chondrite normalized REE distribution spider diagram

4 构造环境探讨

由于火山岩的岩石地球化学成分与其形成的构造背景之间存在着密切的关系，因此大梁道班地区大石寨组火山岩的岩石学特征及其地球化学特征能够指示其形成的构造环境。将大石寨组火山岩地球化学成分特征与构造判别图解相结合[8]，对其形成的构造环境进行探讨。

由大洋与大陆岩浆岩的判别图解（图8）来看，大石寨组火山岩均投于C区，即岛弧造山带岩浆岩区。在里特曼-蒂戈里图解（图9）中，样品全部投于造山带消减区（岛弧及活动大陆边缘区）内，表明该时期火山岩产生于造山带时期的挤压应力环境下。

图8大石寨组大洋与大陆岩浆岩的判别图解Fig.8 Trace elements of the Dashizhai group volcano rocks in the primitive mantle normalized distribution spider diagram

将大石寨组火山岩分为安山岩、英安岩、流纹岩三类进行投图，得出下列判别图解。由Zr-TiO2关系图解（图10）来看，安山岩均投于板内玄武岩区内，英安岩、粗面岩投于板内玄武岩区与岛弧玄武岩区过渡的区域，流纹岩均投于岛弧玄武岩区内。由Ta/Yb-Th/Yb关系图解（图11）可以看出，大梁道班地区大石寨组火山岩多数投点于活动大陆边缘区内，但大石寨组二段安山岩投点位置更靠近大洋岛弧区域，有两个样品甚至投点于大洋岛弧区域内。由此可以看出，大梁道班地区大石寨组火山岩具有由活动大陆边缘向弧后盆地构造环境演化的趋势，与其由酸性到中酸性的岩浆演化序列相对应。

图9 大石寨组火山岩里特曼-蒂戈里图解Fig.9 Dashizhai group oceans and continentsmagmatite discrimination graphic

图10 Zr-TiO2构造环境判别图解Fig.10 Dashizhai group volcano rock Litman-Tigori graphic

综上所述，大梁道班地区大石寨组火山岩应该形成于活动大陆边缘向弧后盆地演化的构造环境中。因此进一步推断研究区在中二叠世板块运动仍处于挤压汇聚阶段，大梁道班地区大石寨组火山岩应该形成于挤压应力背景下，其岩石学特征及地球化学特征反应了当时洋壳向陆壳俯冲的板块汇聚形式。

图11 Ta/Yb-Th/Yb关系图解Fig.11 Zr-TiO2tectonic discrimination diagrams

5 研究区构造演化分析

研究区北部35km处即为著名的二连-贺根山蛇绿岩构造缝合带。多年以来，众多学者对于二连-贺根山构造带的缝合时期及就位机制一直存在较大分歧[9]。笔者通过对大梁道班大石寨组火山岩的研究，对二连-贺根山蛇绿岩的侵位时代进行大胆的预测。

综合上述成果，大石寨组火山岩应该形成于板块汇聚的挤压应力背景下，所以本区在早中二叠世应该仍处于板块拼接时期，大石寨组二段以流纹岩为主的岩石组合岩石地球化学特征显示其形成于活动大陆边缘的构造环境，而大石寨组三段以安山岩为主的岩石组合应该为弧后盆地火山岩组合。在地球化学图解中，本区内分布较少的英安岩及粗面岩多投图于过渡区。因此判断，大石寨组火山岩构造环境有从活动大陆边缘向岛弧构造环境演化的趋势，岩浆系列也由陆壳的酸性为主逐渐向中性演化，这种构造环境及岩浆系列的演化趋势也在一定程度上反映了本区内早中二叠世板块汇聚完成的过程。

因此做出以下推断，如图12，在石炭-二叠纪，古亚洲洋洋壳向西伯利亚板块南缘及华北板块北缘双向俯冲，西伯利亚板块与华北板块于早—中二叠世拼接，两大板块沿二连-贺根山一线缝合，因此形成了研究区内华北板块北缘增生带的大地构造格局。

图12 早中二叠世板块构造演化模式图（据杨海波，2013）Fig.12 Ta/Yb-Th/Yb relation diagram

6 结论

（1）从岩石组合来看，大梁道班地区大石寨组火山岩主要为一套海相中酸性火山岩，其岩石组合安山岩、英安岩、流纹岩、流纹质晶屑凝灰岩等。

（2）从岩石地球化学特征来看，大石寨组火山岩是富铝富硅的钙碱性系列火山岩；轻稀土富集，重稀土亏损；板内元素富集，高场强元素亏损；形成于活动大陆边缘向弧后盆地演化的构造环境中。

（3）从区域构造运动演化史来看，研究区大石寨组火山岩是二叠纪西伯利亚板块与华北板块北缘板块汇，洋壳向陆壳俯冲碰撞增生带的产物。因此，研究区内古亚洲洋闭合时间应该为早-中二叠世，西伯利亚板块南缘与华北板块北缘于二连-贺根山一带缝合拼接。

致谢：巴彦诺尔区调项目组在野外考察和提供地质资料方面给予了作者许多帮助，论文所用数据由中化地质矿山总局中心实验室提供，在成文过程中得到了夏学惠总工程师的帮助和指导，在此一并感谢。

1 赵芝. 内蒙古大石寨地区早二叠世大石寨组火山岩的地球化学特征及其构造环境[D]，导师：迟效国，长春：吉林大学硕士学位论文，2008

2 邵积东，王 惠，张 梅，等.内蒙古大地构造单元划分及其地质特征[J]，西部资源,2011,第2期 51～56

3 吕志成，郝立波，段国正，等.大兴安岭南段早二叠世两类火山岩岩石地球化学特征及其构造意义[J]，地球化学，2002，31（4）：338～345

4 赵振华.关于岩石微量元素构造环境判别图解使用的有关问题[J]，地层学杂志 2007 ，31（1）：92～103

5 夏林圻，夏祖春，徐学义，等.利用地球化学方法判别大陆玄武岩和岛弧玄武岩[J]，岩石矿物学杂志 2007，26（1）： 77～89

6 周文孝.内蒙古锡林浩特地区古生代岩浆作用的年代学与地球化学研究[D]，导师：吴元保、葛梦春. 武汉：中国地质大学博士学位论文，2012

7 程天赦，杨文静，王登红.内蒙古锡林浩特毛登牧场大石寨组细碧 - 角斑岩系地球化学特征、锆石 U- Pb 年龄及地质意义[J]，现代地质，2013，27（3）：525～535

8 丁卫平. Petrochem1.0岩石化学软件及其应用[J]，化工矿产地质，2013，35（1）：52～64

9 郭召杰.蛇绿岩中伸展变形与古洋盆扩张构造研究综述[J]，地质科技情报2000，19（4）：7～9

DISCUSSION ON THE GEOLOGICAL AND GEOCHEMICAL CHARACTERISTICS AND TECTONIC ENVIRONMENT OF THE VOLCANO ROCKS IN INNER MONGOLIA DASHIZHAI GROUP GIRDER GANG AREA

Jin Song
Geological Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau，Zhuozhou 072750,China

The Dashizhai group volcano rocks in Inner Mongolia Xilinhaote Daliangdaoban area is a set of aluminum and silicon rich acidity calc alkaline series volcano rock,lithologic andesite,dacite,rhyolite;The total content of rare earth elements is relatively high and the differentiation between LREE and HREE is obvious;The high field-strength elements(HFSE) such as Nb、Ta、Ti、P relatively loss and the plate elements enrich.Analyzing the petrological and geochemical characteristics,combined with the tectonic discrimination diagrams,it was preliminarily concluded that the Dashizhai group volcano rocks formed in the tectonic evolution environment which is from the active continental margin to the back-arc basin,thus further inferring that in the Daliangdaoban area,in the early to middle Permian plate convergence stage,the Siberia plate and the North China plate in Hegenshan area sutured.The plate collision also marked the closure of the paleo Asian ocean.

Dashizhai group volcano rock;Petrology;Geochemistry;Active continental margin;The back-arc basin;The plate convergence;Daliangdaoban area;Inner Mongolia

P588.14：P593

A

1006–5296（2014）02–0073–12

① 此文获中化地质矿山总局地质研究院、地质调查总院“第三届青年学术研讨会”论文二等奖* 作者简介：金松（1988～），男，资源勘查工程专业，助理工程师

2014-04-01；改回日期：2014-04-11