辽东桓仁西部小岭旋回火山岩地球化学特征及成因

杨占兴，骆念岗

(1.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000；2.辽宁省地质矿产勘查局，沈阳 110000)

辽东桓仁西部小岭旋回火山岩地球化学特征及成因

杨占兴1,2，骆念岗1

(1.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000；2.辽宁省地质矿产勘查局，沈阳 110000)

小岭旋回火山岩是辽东中生代火山岩的重要组成部分，主要岩性有安山岩、英安岩以及流纹质火山碎屑岩，属钾质钙碱性系列。其地球化学特征显示，火山岩总体具有高K、Na，低Al、Fe、Ca的特点。其中，火山熔岩具有富集Nb、Th、Hf、Zn，相对亏损Cs、Li、Sr的特点；火山碎屑岩普遍具贫Sr、V、Cu、Li，富含Hf的特点。火山岩总体为稀土富集型，安山岩及安山质火山碎屑岩，略显Eu正异常；流纹岩及流纹质火山碎屑岩具明显Eu负异常。火山岩成岩物质来源于地壳，成因以部分熔融为主，部分岩石显示具陆壳混染特点。火山岩形成动力来自于太平洋板块向古欧亚板块的俯冲，形成于早期拉张—晚期挤压的构造背景，具有板内活动带火山岩的特征。

桓仁；小岭旋回；地球化学特征；成因；构造背景；辽宁省

0 引言

辽东桓仁西部地区早白垩世火山岩发育，小岭旋回火山岩局部地区发育良好，是辽东中生代火山岩的重要组成部分。由于前人对该区火山岩研究有不同见解，造成对中生代火山岩的成因以及构造环境存在很多分歧[1]。近年来，在对辽东地区的地质调查工作中，对中生代火山岩进行了详细的野外调查与测试分析，获得了大量的地质信息和认知。因此，本文将从岩石学、主、微量元素地球化学特征等方面对研究区中生代火山岩进行系统的研究，探讨研究区火山岩的大地构造环境、岩浆来源及火山岩成因。

1 地质概况

研究区地处华北陆块北缘东段，胶辽隆起带的太子河—浑江坳陷、辽阳—本溪凹褶断束和桓仁凸起部位。区内经历了从太古宙至新生代的构造演化，不同演化阶段形成了不同的构造形迹及构造组合样式。桓仁西部小岭火山岩是中国东部环太平洋中生代火山活动带的重要组成部分；自燕山造山运动以来，经历了多期次的火山喷发作用，形成具有特色的陆相火山岩建造。火山岩以安山岩、安山质火山碎屑岩为主，夹少量流纹岩和陆源碎屑沉积岩；火山岩主要为早白垩世[2]形成。

2 岩石化学特征

2.1 主量元素特征

火山岩主量元素分析结果见表1所述，除个别样品外，火山岩样品的w(Si2O)值介于60.42%～77.16%之间，w(Al2O3)值为12.16%～16.74%，岩石化学系列属于铝过饱和型。其中,安山岩类w(CaO)值为0.33%～4.17%，平均为1.95%；w(Na2O+K2O)值为6.55%～9.96%，平均值为8.52%；w(Na2O)/w(K2O)为0.59～2.09，仅个别样品比值小于1，反映此类岩石为钠质岩石。英安岩及流纹岩类w(CaO)值为0.08%～0.62%，平均为0.19%；w(Na2O+K2O)值为7.67%～11.16%，平均值为8.52%；w(Na2O)/w(K2O)为0.58～3.37，仅个别样品比值大于1，反映为此类岩石富钾质岩石。火山岩总体上反映出高钾、钠，低铝、钙的特点。

将火山岩分析结果投入TAS图解(图1)中，表明火山岩性主要为安山岩、英安岩、安山质碎屑岩及流纹质碎屑岩，属中性—中酸性火山岩组合；在AFM图解(图2)中，大部样品分落在TH-CA分界线下方，反映火山岩主要为钙碱性岩石，但偏碱性；在K2O—Na2O图解(图3)中，显示火山岩以钾质钙碱系列英安岩-流纹岩及流纹质火山碎屑岩组合为主，并出现以安山岩为主的钠质钙碱系列岩石。

火山岩的岩石化学计算表明,熔岩类的平均分异指数(DI)为72.38～97.84，平均固结指数(SI)为0.29～10.42，碱度指数(AR)为2.17～6.76；火山碎屑岩类的平均分异指数为77.21～97.16，平均固结指数为0.63～16.15，碱度指数为2.65～5.13。Harker图解反映火山岩主要氧化物Al2O3、MgO、Na2O、CaO、FeO+Fe2O3含量随着SiO2含量的增加而呈明显的递减变化，仅有K2O变化不明显，说明地壳在岩浆演化过程中地壳混染作用占主导地位，而结晶分异作用影响较小。

2.2 微量元素特征

小岭旋回火山岩的微量元素分析结果如表2所述。

火山岩中熔岩类岩石中富集高场强元素(HREE)组分Nb、Th、Hf，不相容元素Cs、Li、Sr相对亏损；各类火山岩中不相容元素Rb、Th富集且变化范围较大，w(Rb)=19.22×10-6～244.9×10-6，w(Th)=3.59×10-6～22.44×10-6。各类火山岩岩石中Th、Zr均为富集型，而Sr、P、K、Ti均为亏损型；安山岩和英安岩亏损Nb，流纹岩相对富集Nb。

表1 小岭旋回火山岩主量元素样品分析结果

量单位：wB/%；LOI为烧失量。

图1 小岭火山岩TAS分类图解Fig.1 TAS classification diagram ofXiaoling cycle volcanic rocksPc.苦橄玄武岩；B.玄武岩；O1.玄武安山岩；O2.安山岩；O3.英安岩；R.流纹岩；S1.粗面玄武岩；S2.玄武质粗面安山岩；S3.粗面玄武岩；T.粗面岩、粗面英安岩；F.副长石岩；U1.碱玄岩；U2.响岩质碱玄岩；U3.碱玄质响岩；Ph.响岩Ir.Irvine界线，上方为碱质，下方为亚碱质

图2 小岭火山岩AFM分图解Fig.2 AFM diagram of Xiaoling cycle volcomic rocks

图3 小岭火山岩火山岩w(K2O)—w(Na2O)图解Fig.3 w(K2O)—w(Na2O) diagram of Xiaoling cycle volcomic rocks

图4 小岭火山岩过渡元素配分图Fig.4 The diagram of the transiton elements in the Xiaoling cycle volcanic rocks

在球粒陨石标准化的过渡元素分配型式特征图(图4)中，火山岩明显亏损的元素为Cr、Ni，而Ti、Mn相对富集，曲线呈明显的“W”型，表明为同源岩浆分异产物；岩石曲线出现相交现象是由于个别元素在不同岩石中富集程度不同所致。总之，微量元素异常值所提供的岩石成因信息虽然存在差异，但主要反映其与地壳及同化混染的玄武质岩石关系密切[3]，以及岩浆在运移和成岩过程中有外界物质的加入或混染。

除个别样品外，安山岩及安山质碎屑岩的w(Rb)/w(Sr)值0.04～0.64，属于高Sr低Rb岩石，说明亏损地幔源；流纹岩及流纹质碎屑岩w(Rb)/w(Sr)值1.71～21.91，属高Rb低Sr岩石，富集地幔源。火山岩的w(Zr)/w(Hf)值大于24.28，属于高Zr低Hf岩石，反映岩浆来源于地壳。

2.3 稀土元素特征

稀土元素分析结果如表3所述。火山熔岩类各岩石类型稀土总量差别较大，与世界同类岩石维氏值(中性岩130×10-6、酸性岩250×10-6)相比，安山岩、英安岩较高而流纹岩较低，其反映中性-中酸性火山熔岩为富稀土岩石，酸性岩为贫稀土岩石。火山碎屑岩类稀土总量与维氏值相比，安山质火山碎屑岩含量较高，流纹质火山碎屑岩相对较低，显示中性火山碎屑岩稀土富集的特点。

表3 小岭旋回火山岩稀土元素分析结果

岩石LaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLuY安山岩39．7891．1612．2150．6410．073．098．6551．156．7551．2123．6260．52772．9740．427426．6549．7776．9110．5837．235．8911．6524．5570．45283．0440．48641．7510．27071．5770．231315．6130．4365．518．62337．857．5782．4127．4991．1126．0871．0922．9290．38622．4030．337624．1442．1789．2111．3348．178．362．517．2221．1655．6551．0112．7010．44742．640．413927．0957．2185．3812．66487．6312．176．2020．77764．0690．7382．0450．2731．8420．284917．4英安岩20．6651．774．91618．293．2430．66032．9180．42852．4590．4741．4320．21731．4940．228811．2864．21123．8012．0441．294．8991．1952．9880．25610．77770．13340．20290．066070．11620．074022．03865．66125．2012．744．655．3891．2653．1430．27640．80640．13920．2120．067470．1320．076472．251流纹岩5．13169．731．4114．8261．4080．045551．9990．55153．1930．65211．9460．35682．1470．339717．54安山质火山角砾岩24．7646．815．02418．752．930．94562．5110．44662．0360．37011．0140．20031．0820．198310．0627．1949．45．30919．873．121．0162．6710．4712．1220．39311．0570．20641．1480．204610．3522．2742．264．63617．412．8110．87132．3710．42351．9330．3470．97680．19351．0660．19279．52318．1937．514．12915．672．5590．80442．1540．40891．8010．33760．94330．18611．0280．19367．76964．79110．415．1160．7810．014．2638．8461．4116．7351．2263．3160．55883．3660．543534．55凝灰岩12．6859．13．77915．223．5680．44653．7090．6754．2970．84672．4530．36622．4980．37619．48流纹质玻屑凝灰岩18．6446．965．74122．643．6570．51772．8630．56022．7930．54621．5860．30371．8770．32177．76633．7677．777．43126．183．840．13793．2830．73514．5140．9562．7780．47562．8420．436123．3849．4583．619．1635．195．4030．45545．2370．82093．5080．56251．3230．20851．0630．181913．1129．7979．16．77423．193．8240．10313．6090．86365．3321．1013．2340．59173．6970．599527．81流纹质火山角砾凝灰岩29．98117．66．4422．373．3510．50652．8860．41012．3750．45871．3490．19251．2620．182811．2559．84100．411．8241．886．340．6995．1280．72083．9030．70832．0230．30262．0090．300615．315．552148．51．6226．2491．8380．2383．1180．765．91．2944．0370．58153．8720．56627．64流纹质玻屑弱熔结凝灰岩41．468．119．13635．325．5710．41714．60．7843．6720．671．8660．331．970．318416．244．9695．591141．87．230．50376．1881．1455．9941．1433．3210．60553．8950．609928．3540．0493．378．70432．165．0490．29694．1940．77914．0190．76922．2040．38292．2730．366417．8281．31156．716．9462．688．6670．6116．8941．1075．2790．96822．6780．47152．880．460724．83流纹质火山角砾岩13．1160．983．24511．172．3090．08972．5190．72394．7171．0343．2670．60653．9350．613327．04

量单位：wB/10-6。

火山岩的稀土元素总量为w(REE)=111.28×10-6～256.90×10-6，平均为188.01×10-6。其中,安山岩和英安岩的轻重稀土比值参数w(LREE)/w(HREE)=6.98～52.52，轻重稀土分馏参数w(La)N/w(Yb)N=12.66～552.58，反映轻稀土相对较富积，且轻重稀土分馏明显；轻稀土内部分馏参数w(La)N/w(Sm)N=3.95～13.11，说明轻稀土内部的分馏程度较高。稀土配分曲线(图5)显示，安山岩和英安岩为稀土曲线右倾的轻稀土富集型分布形式。安山岩δEu值为1.02～1.08，平均1.05，反映安山岩Eu略显正异常；英安岩δEu值为0.71～0.96，平均0.87，略显负异常；流纹岩δEu值为0.09，具明显负异常特征。火山碎屑岩类中安山质火山碎屑岩具明显Eu正异常，流纹质火山碎屑岩具明显Eu负异常。流纹岩、流纹质火山角砾岩及流纹质火山角砾凝灰岩中Ce呈明显波峰；δCe值也反映流纹岩、流纹质火山角砾岩及流纹质火山角砾凝灰岩具有Ce正异常。稀土配分曲线图5显示流纹岩和流纹质火山碎屑岩具明显的“海欧”模式，表明岩浆分异较好，与参数值特征相一致[4]；Eu元素基本上呈现“V”型谷。w(Sm)/w(Nd)值介于0.14～0.29之间，w(Eu)/w(Sm)值介于0.04～0.34之间，反映火山岩源于地壳[5]。

图5 小岭火山岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式Fig.5 Chondrite-normalized REE pattern of Xiaoling cycle volcanic rocks

3 成因探讨

3.1 火山岩成因

岩石化学成分反映，研究区内火山岩为一套中性—中酸性—酸性的岩石组合；岩石微量元素含量与陆壳丰度更接近；岩石稀土总量反映除流纹岩外，均为富稀土岩石，具有轻稀土相对富集、重稀土相对亏损，分馏较明显的特点。中性岩、中酸性火山岩的δEu值均大于0.70，反映其成因与板块构造活动有关；酸性岩除个别样品外，绝大部分样品的δEu值小于0.3，表明其为岩浆演化晚期阶段产物。

火山岩的w(Sm)/w(Nd)=0.14～0.29、w(Eu)/w(Sm)=0.04～0.34，反映该旋回岩浆与地壳有关。火山岩具有高K、Na，低Al、Fe、Mg、Ca的特点，反映出有地壳熔融成因。在w(La)N/w(Yb)N—w(Yb)N图解(图6)中，研究区内火山岩投影点较分散，一部分投在大陆壳源区，一部分落在角闪岩趋势线右侧或附近，表明火山岩物质来源于地壳，而且在岩浆上升和运移过程中有外来物质的混入。w(La)/w(Sm)—w(La)图解(图7)显示，投影点主要靠近部分熔融趋势线，表明区内火山岩的形成以部分熔融作用为主，在成岩过程中伴有微弱的分离结晶作用。稀土元素标准化配分模式图中Eu出现明显得“V”谷异常(见图5)，显示该地区可能出现了斜长石的分离结晶[2]。

综上所述，研究区火山岩岩浆来源于中-下部地壳，岩浆主要由部分熔融作用产生，运移喷发过程中伴有微弱的分离结晶作用，且不受消减作用的影响；部分岩石显示具陆壳混染特点[7]。

图7 小岭火山岩w(La)/w(Sm)—w(La)图解Fig.7 w(La)/w(Sm)—w(La) diagram of Xiaoling cycle volcanic rocks

图8 小岭火山岩里特曼(Logδ)—戈蒂里(Logτ)图解Fig.8 Logδ—Logτ diagram (Rittman) of Xiaoling cycle volcanic rocks

3.2 构造环境分析

前人多认为，东北地区在晚中生代主要受古太平洋板块的俯冲影响，处于岩石圈拆沉减薄的伸展环境，并伴随有一系列的构造-岩浆作用[8]。小岭火山岩的里特曼-戈蒂里图解(图8)显示，火山岩绝大部分投影点主要分布于B区(造山带)近C区(派生碱性岩区)一侧，个别投影点落入A区(大陆稳定区)；与日本岛弧火山岩相比且靠近B区的右侧。以上特征表明，研究区内火山岩构造位置远离中生代的俯冲带，具大陆边缘活动带属性，属弱造山带环境，而非典型的造山带火山岩。

图9 小岭火山岩w(Rb)—[w(Y)+w(Nb)]图解及w(Rb)—w(Y)图解Fig.9 w(Rb)—[w(Y)+w(Nb)]and w(Rb)—w(Y) diagram of Xiaoling cycle volcanic rocks

此外，在w(Rb)—[w(Y)+w(Nb)]图解及w(Rb)—w(Y)图解(图9)中，部分火山岩属于火山弧环境，部分属于板内伸展构造环境[7]，表明火山岩既有火山弧环境，又兼有板内伸展特征；结合微量元素、稀土元素配分特征，认为小岭火山岩应属远离俯冲带的板内活动带环境。从w(Rb)—w(Sr)关图解(图10)中可以看出，投影点一部分落在地壳厚度20～30 km范围内，一部分虽然投在大于30 km范围，但靠近30 km分界线上，反映此期地壳减薄，处于早期拉张—晚期挤压的构造背景。

图10 小岭火山岩w(Rb)—w(Sr)关系图解Fig.10 w(Rb)—w(Sr) diagram ofXiaoling cycle volcanic rocks

小岭旋回火山岩属于钙碱性系列，其地球化学特征发生改变并不是古太平洋板块向欧亚板块斜向俯冲的结果，而是由于中生代期间古太平洋板块向欧亚板块的斜向俯冲方向不断改变，华北陆块南部与华南陆块旋转碰撞，北部受古蒙古洋板块的俯冲、碰撞的影响，引起地壳或岩石圈处于拉张的结果所致[1]。

4 结语

(1)小岭旋回火山岩为钙碱性岩石，兼偏碱性特点，以钾质钙碱系列英安岩-流纹岩及流纹质火山碎屑岩组合为主，并出现以安山岩为主的钠质钙碱系列岩石。Harker图解、过渡元素蛛网图和稀土元素分配图显示，岩石成因与地壳及同化混染的玄武质岩石关系密切。w(La)/w(Sm)—w(La)系图解显示，火山岩岩浆来源于中-下部地壳，岩浆主要由部分熔融作用产生，运移喷发过程中伴有微弱的分离结晶作用，并不受消减作用的影响，而且部分岩石显示具陆壳混染特点。

(2)综合分析研究区火山岩特征，认为火山岩多形成于板内伸展构造环境，也有弧火山岩的特征，其动力源于中生代期间古太平洋板块向欧亚板块的斜向俯冲方向不断改变，华北陆块南部与华南陆块旋转碰撞，北部受古蒙古洋板块的俯冲、碰撞的影响，引起地壳或岩石圈处于拉张的结果所致。小岭旋回火山岩的发育是早白垩岩石圈大规模拆沉减薄作用的直接证据，也是东北地区晚中生代伸展背景下岩浆活动的一部分。

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Characterristics and genesis of Xiaoling cycle volcanic rock in the western Huanren area in the East Liaodong province

YANG Zhanxing1,2，LUO Niangang1

(1.GraduateSchool，LiaoningTechnologyUniversity，Fuxin123000，Liaoning，China； 2.liaoningBureauofGeologyandMineralResourcesExploration，Shenyang110000，China)

The Xiaoling cycle volcanic rock is an important part of Mesozoic volcannic rocks in the East Liaoning province. It belongs to high-K and calc-alkaline series consisting of mainly andesite, dacite and rhyolitic pyroclastic rocks. Geochemically, the cycle is characterized by high K, Na and low Al, Fe, Ca; the volcanic lava in the cycle by enrichment of Nb, Th, Hf, Zn and relative depletion of Cs, Li, Sr; the volcanic clastic rocks by enrichment of Hf and poor Sr, V, Cu, Li. The cycle is generally rich in REE. The andesite and andesitic volcanic clastic rocks show slight positive Eu anomaly; the rhyolite and rhyolitic pyroclastic rocks obvious negative Eu anomaly. Comprehensive studies have shown that the material source of Xiaoling cycle volcanic rocks is from the earth’s crust with the main partial melting genesis and some rock is characterized by dissemination of continental material dissemination. Dynamically, the volcanics are formed by the subduction of the Pacific plate to the Eurasian plate under the early tension-late extrusion tectonic background and characterized by the volcanic rocks of intro-plate mobile belt.

Huanren；Xiaoling cycle；The geochemistry；genesis；Tectonic background；Liaoning province

2015-03-23； 责任编辑： 王传泰

辽东—吉南成矿带地质矿产调查项目(编号：1212011120733)资助。

杨占兴(1962—)，男，教授级高级工程师，主要从事矿产勘查与评价研究。

骆念岗(1990—)，男，在读硕士研究生，地质工程专业。通信地址：辽宁省阜新市中华路47号，辽宁工程技术大学矿业学院；邮政编码：123000；E-mail：956094747@qq.com

10.6053/j.issn.1001-1412.2015.04.013

P588.1

A