辽西阜新-彰武地区新生代火山岩的岩石地球化学特征及成因分析

杨仲杰，鲁伟元，沈炳龙，刘长纯，蒯 兵，刘 锦，刘文彬

1.辽宁省地质矿产调查院，辽宁沈阳110031；2.辽宁省金鹰矿业评估有限公司，辽宁沈阳110031

辽西阜新-彰武地区新生代火山岩的岩石地球化学特征及成因分析

杨仲杰1，鲁伟元2，沈炳龙2，刘长纯1，蒯 兵1，刘 锦1，刘文彬1

1.辽宁省地质矿产调查院，辽宁沈阳110031；2.辽宁省金鹰矿业评估有限公司，辽宁沈阳110031

辽西阜新-彰武地区新生代有两个火山旋回，即古近纪古新世那立闪旋回和新近纪中新世船底山旋回.通过1∶25万区域地质调查修测项目，根据野外岩石学、岩石地球化学、火山旋回、区域对比并结合前人资料进行了深入细致的研究和厘定.各旋回火山熔岩总体从基性→中基性演化，具有钠、硅、铝增高，铁、镁降低的特点.该时期火山岩各岩石过渡元素分配型式曲线基本协调一致，呈明显的“V”型，表明为同源岩浆分异产物.偏碱性岩石为富稀土岩石，正常岩石为贫稀土岩石，LREE/HREE值为8.2～18.84.各岩石均具轻稀土富集、分馏较好，重稀土亏损、分馏较弱的特点.Sm/Nd值在0.12～0.21之间，Eu/Sm值为0.28～0.86，反映该时期火山岩浆主要来源于地幔.

新生代火山岩；岩石地球化学；成因分析；阜新-彰武地区；辽宁省

0 前言

辽宁省自太古宙至新生代皆有火山活动，区域上隶属中国东部滨太平洋燕山期构造-岩浆-成矿带西段，辽西火山活动带（即大兴安岭-燕山火山活动带的组成部分）北部，火山岩浆作用强烈，火山岩分布广泛❶❶辽宁省区域地质志新编.2008-2015..中生代以来，全区已上升为陆地，成为欧亚大陆板块的一部分（东缘），进入了滨太平洋构造域的发展演化阶段，受太平洋板块北西向作用影响，产生了一系列北东向分布的断裂和褶皱.伴随着这种作用，形成了以裂隙式、中心式火山喷发为主要特点的火山活动，陆相火山岩十分发育.近年来，前人围绕辽宁西部及邻区火山岩作了大量的研究工作.通过对新一轮的1∶5万、1∶25万区域地质调查，对中、新生代火山岩从岩石学、岩石地球化学、火山旋回、火山岩相、火山机构等方面进行了深入细致的研究［1-3］.由于新生代火山岩规模小，分布有限，研究程度低，限制了对燕山造山带中-新生代转化过程中岩浆起源与岩石圈深部过程的认识.为此，本文试图对辽西阜新-彰武地区新生代火山岩的岩石地球化学和岩石成因进行研究，希望能为探讨新生代地壳/岩石圈深部作用过程提供一些科学依据.

1 区域地质

辽西阜新-彰武地区包括阜新盆地北缘、务欢池盆地及其东部的彰武-黑山盆地3部分.中生代晚期，受太平洋板块的持续作用，欧亚大陆边缘基底断裂构造活化，诱发大规模的陆相火山岩浆活动，形成了颇具特色的陆相火山岩建造.新生代时期，火山活动总体较弱，以陆相玄武岩溢流为主.由于火山喷发中心的迁移及火山作用时间、方式等因素的影响，在各盆地中火山喷发产物具有明显的差异.研究区新生代火山岩在20世纪80年代被称为吐呼噜组（1∶20万区域地质图），1985年辽宁省区域地质志取消吐呼噜组，将其划归义县组上部，1995年辽宁省地矿局在阜新地区进行1∶5万大固本、新立屯、铁匠各冷、务欢池幅等4幅区域地质调查时，将那立闪、扎兰营子等附近发现的一套呈不整合或盖帽方式覆盖于孙家湾组（K2s）或沙海组之上的基性-中基性火山岩，根据其测定的K-Ar同位素测年数据（117 Ma❶❶辽宁省1∶5万铁匠各冷、务欢池幅区调报告.1995.）将其时代划归在晚白垩世，定名为“大兴庄组”（K2dx）［4-9］.在1∶25万阜新市幅区域地质调查修测项目中，结合野外地质特征、室内岩石化学及前人资料，将其划归为古近纪和新近纪两个时期的火山岩石组合，即古近纪古新世那立闪、新近纪中新世船底山两个火山喷发旋回的火山岩❷❷辽宁省1∶25阜新市幅区域地质调查修测报告.2014..

2 辽西阜新-彰武地区新生代火山岩的喷发旋回

辽西地区火山岩的喷发旋回已有许多专文论述，所划分出的旋回因人而异.通过野外调查，本研究根据火山岩的岩石组合、喷发顺序、时空分布及与沉积夹层的叠复关系，认为本次研究区内新生代火山岩由那立闪旋回和船底山旋回构成（见表1）.

古近纪那立闪旋回火山活动早、中期以爆发-喷溢交替出现为特色，经历了两次爆发-喷溢的过程，反映了火山活动弱—强—弱的完整旋回特点.其火山岩主要分布在务欢池盆地和彰武-黑山盆地西部，出露面积大约为168 km2，岩石类型简单，柱状节理发育，主要岩石组合为碱性系列的基性火山岩岩石.

新近系船底山旋回火山活动强度微弱，以中心式喷溢为特点，测区仅零星分布在红旗村西南部，出露面积约4 km2.该旋回火山喷发产物不发育、分布局限，顶界被第四系地层覆盖.在测区内，该旋回火山岩主要为一套碱性、过碱性系列基性岩组合，岩石类型主要为橄榄玄武质、玄武质火山熔岩组合.火山喷发方式以中心式为主.

3 火山岩岩石学特征

研究区新生代火山活动强度微弱，火山活动以爆发-喷溢交替出现为特点，主要分布在木头营子-大五家子、碱锅-敖包梁、苏金宝力高村-东梅力板-娘娘营子村及彰武张强红旗村等地.岩石类型简单，考虑到样品分布的均匀性和代表性，共取火山岩硅酸盐样品2件进行测试分析，同时也收集了已有的前人分析资料，综合整理该旋回3件硅酸盐样品的化学分析结果.根据TAS火山岩分类图解（图1），那立闪旋回火山岩系总体岩石化学成分相当于碧玄岩-碱玄岩组合及碱性岩系列，属于碱性系列，岩石类型主要有橄榄玄武岩、伊丁玄武岩、玄武岩；船底山旋回火山岩主要为一套碱性、过碱性系列基性岩组合，岩石类型主要有橄榄玄武质、玄武质火山熔岩等.

3.1 主量元素特征

各旋回岩石化学成分见表2.那立闪旋回火山岩类岩石化学成分平均值与黎彤值和戴里值相比，碧玄岩具低硅、铝，高镁、铁、钙、钠的特点；碱玄岩具低硅、镁，高铝、铁、钙、钠的特点.船底山旋回橄榄玄武岩、玄武岩具基性岩成分特征，与中国玄武岩（黎彤，1962）和大陆拉斑玄武岩（D.W.Hydman）相比，以富钙贫硅、镁、钾为特点.上述反映各旋回火山熔岩，总体显示新生代火山岩岩石具有低钠、硅、铝，高铁、镁的特点.

表1 辽西阜新-彰武地区新生代火山岩的喷发旋回

图1 阜新-彰武地区新生代火山岩TAS图解Fig.1 TAS diagram of the Cenozoic volcanic rocks in Fuxin-Zhangwu areaF—副长石岩（foidite）；Pc—苦橄玄武岩（picrite-basalts-）；B—玄武岩（basalt）；O1—玄武安山岩（basaltic andesite）；O2—安山岩（andesite）；O3—英安岩（dacite）；S1—粗面玄武岩（trachybasalt）；S2—玄武粗安岩（basaltic trachyandesite）；S3—粗安岩（trachyandesite）；T—粗面岩、粗面英安岩（trachyte/trachydacite）；R—流纹岩（rhyolite）；U1—碧玄岩（basanite）；碱玄岩（tephrite）；U2—响岩质碱玄岩（phonotephrite）；U3—碱玄质响岩（tephriphonolite）；Ph—响岩（Phonolite）

3.2 微量元素特征

本次工作仅采集和收集了那立闪旋回岩石地球化学数据，微量元素含量和有关参数值列入表3.该旋回火山岩类与黎彤的陆壳、洋壳及上地幔值相比，火山熔岩基性岩具有高Cr、Sr、Ba、Zr的特点；Cr在偏碱性的岩石中比较低；Rb、Sr、Ba在火山岩石中显示较高，与碱有关的元素Zr在岩石中也比较富集；成矿元素Cu、Zn在岩石中基本上都高于维氏值，介于陆壳和洋壳之间.依据黎彤等人的研究，作为地球化学指示元素铁族微量元素Cr、Co、Ni及Nb/Ta、Zr/Ta比值从上地幔→洋壳→陆壳是递减的；碱性和与碱有关的微量元素Rb、Sr、Ba、Zr、Nb、Th、U及 Rb/Sr、Bb/Sr比值从上地幔→洋壳→陆壳是递增的.根据这一变化规律，判断本区火山岩的岩浆在上升迁移过程中，除本身有分异和分馏作用外，还与围岩物质发生了同化混染和重熔.该旋回火山岩各岩石过渡元素分配型式曲线（图2a）基本协调一致，呈明显的“V”字型，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，反映了岩浆在运移和成岩过程中可能有外界物质的介入和混染.图中各类岩石的Zr具有明显的波峰，说明该元素在该旋回中比较富集.仅在样号为11*的样品中，Ta元素具有明显的波谷，说明其在该样品中分异较好.

表2 新生代火山岩主量元素分析结果一览表

表3 新生代火山岩微量元素含量及参数一览表

图2 那立闪旋回微量元素蛛网图（a）与稀土元素配分曲线模式图（b）Fig.2 Primary mantle-normalized incompatible element patterns（a）and chondrite-normalized REE distribution patterns（b）for the Nalishan cycle标准值采用Sun and McDonough（1995）推荐值；样品号与表2岩石类型对应

3.3 稀土元素特征

本次工作仅采集和收集了那立闪旋回岩石稀土元素含量和有关参数值（表4）.由表4可知，该旋回火山熔岩各岩石稀土总量差别较大，∑REE在51.92×10-6～262.85×10-6，平均值为192.14×10-6.与黎彤陆壳值（154.7×10-6）相比，碧玄岩均值、碱玄岩较低；与世界同类岩石维氏值（基性岩85×10-6、中性岩130×10-6）相比，碧玄岩均值、碱玄岩较高.由此反映该旋回火山岩偏碱性岩石为富稀土岩石.LREE/HREE值为8.2～18.84，（La/Yb）N值为 10.97～23.07，（Ce/Yb）N值为8.16～30.69，La/Sm值在4.76～14.29之间.以上参数值（表4）及稀土曲线（图2b）特征反映该旋回火山岩各岩石均具轻稀土富集、分馏较好，重稀土亏损、分馏较弱的特点.δEu值反映碱玄岩铕异常不明显，样品号为FL7307、XT001的碧玄岩具有较明显正铕异常，反映该样品铕富集，样品11*的碧玄岩铕异常不明显.δCe值反映该旋回火山岩的铈异常不明显，除样品11*碧玄岩具有较强的正铈异常，以上特征与稀土曲线相吻合.Sm/Nd值在 0.12～0.21之间，Eu/Sm值为0.28～0.86，反映该旋回火山岩浆来源为幔源.

4 火山岩形成环境及源区

4.1 火山岩岩浆源及成因分析

新生代火山岩在（La/Yb）N-YbN图解（图3）中，那立闪旋回火山岩的投影点均投在大陆壳源区左侧及上方，位于主要由角闪岩组成的源区产生的熔体趋势线附近，无一点投在大陆壳源区内.该旋回火山岩稀土元素总量较高，为轻稀土富集型岩石.δEu显正异常或异常不明显，Eu/Sm值为0.2~0.86，La/Yb值均大于10，为幔壳源（据赵振华，1985）.微量元素异常值特征反映该旋回火山岩既有地壳成因信息，也有幔源的信息.在La/Sm-La关系图解（图4）中，那立闪旋回火山岩投影点有2个落在部分熔融线附近，3个点落在分离结晶线附近.综上所述，各种信息反映该旋回火山岩岩浆来源于壳幔混源.船底山旋回火山岩零星分布，露头不发育，据邻幅岩石化学资料反映该旋回火山岩岩石属于碱性、过碱性基性岩石，结合测区内所处构造位置，反映该旋回火山岩岩浆来源为幔源，为幔源岩浆沿基底深大断裂中心式火山喷发的产物.

表4 新生代火山岩稀土元素含量及有关参数值

图3 新生代火山岩（La/Yb）N-（Yb）N图解（据江博明，1981）Fig.3 The（La/Yb）N-（Yb）Ndiagram of the Cenozoic volcanic rock（After Jahn B M,1981）▲—那立闪旋回火山岩（volcanic rock of Nalishan cycle）

4.2 火山岩形成构造环境

图4 新生代火山岩La/Sm-La图解（据Allegre，1973）Fig.4 The La/Sm-La diagram of the Cenozoic volcanic rocks（After Allegre,1973）▲—那立闪旋回火山岩（volcanic rock of Nalishan cycle）

图5 里特曼-戈蒂里图解（据A.Rittmann,1973）Fig.5 The Rittmann-Cottine diagram（after A.Rittmann,1973）A—非造山带火山岩（anorogenic belt volcanic rock）；B—造山带火山岩（orogenic belt volcanic rock）；C—A、B区派生的碱性、偏碱性火山岩（alkaline and meta-alkaline volcanic rock derived from A and B areas）；1、2—新近纪船底山旋回火山岩（volcanic rocks of Neogene Chuandishan cycle）；3、4、6—古近纪那立闪旋回火山岩（volcanic rocks of Paleogene Nalishan cycle）

图6 Rb、Sr浓度与大陆壳厚度关系图（据Condie,1973）Fig.6 Relationship between the contents Rb and Sr and the thickness of continental crust（after Condie,1973）▲—那立闪旋回火山岩（volcanic rock of Nalishan cycle）

古近纪火山岩在logτ-logδ图解（图5）中，投影点主要投在A、B区派生的碱性、偏碱性火山岩区（C区）内.与日本火山岩相比，靠近B区的右侧，表明该时代火山岩构造位置远离中生代的俯冲带.而新近纪火山岩投在A、B及C区的交汇处附近，主要处于非造山带火山岩区（A区），反映该时代火山岩构造位置处于大陆稳定地区.从Rb-Sr关系的图解（图6）中可以看出，该古近纪火山岩投影点多数落在地壳厚度大于30 km区域内，少数投在20～30 km范围内.由此表明该时代火山岩形成时地壳厚度大于30 km.从反映火山岩构造位置的-MgO-Al2O3图解（图7）及TiO2×10-Al2O3-K2O×10图解（图8）中得知，古近纪旋回火山岩的投影点大部分投在大陆火山岩及岛弧拉张中心火山岩区内，新近纪火山岩均投在大陆火山岩附近及大陆裂谷型玄武岩、安山岩区内.SiO2-K2O关系图解（图9）反映，船底山旋回岩浆来源深度为200～260 km，据此分析研究区应属远离俯冲带活动大陆边缘构造背景.

图7 -MgO-Al2O3图解（据Pearce,1977）Fig.7 The-MgO-Al2O3diagram（after Pearce,1977）A—洋中脊火山岩（mid-ocean ridge volcanic rock）；B—洋岛火山岩（ocean island volcanic rock）；C—大陆火山岩（continental volcanic rock）；D—岛弧拉张中心火山岩（island arc extensional center volcanic rock）；E—造山带火山岩（orogenic belt volcanic rock）；1、2—新近纪船底山旋回火山岩（volcanic rocks of Neogene Chuandishan cycle）；3、4、6—古近纪那立闪旋回火山岩（volcanic rocks of Paleogene Nalishan cycle）

综上所述，研究区古近纪火山岩属于活动大陆边缘的产物，火山喷发盆地形成的驱动力并非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（Maruyama，1997），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，引起地壳或岩石圈产生拉张的结果所致.因此那立闪旋回火山岩为处于拉张条件下断陷盆地内的火山喷发产物.而新近纪火山岩具有大陆稳定区的特征，由于局部拉张作用，幔源岩浆沿基底深大断裂中心式火山喷发，形成船底山旋回基性火山岩，岩浆来源深度为200～260 km.

图8 TiO2×10-Al2O3-K2O×10图解（据赵崇贺,1989）Fig.8 The TiO2×10-Al2O3-K2O×10 diagram（After ZHAO Chong-he,1989）A—大洋玄武岩区（oceanic basalt）；B—大陆裂谷型玄武岩、安山岩区（continental rift basalt/andesite）；C—岛弧造山带玄武岩、安山岩区（island arcorogenicbelt basalt/andesite）；1—新近纪船底山旋回火山岩（volcanic rocksofNeogeneChuandishancycle）；2—古近纪那立闪旋回火山岩（volcanic rocksof PaleogeneNalishancycle）

图9 SiO2、K2O与岩浆来源深度关系图Fig.9 Relationship between the contents of SiO2and K2O and the depth of magma source

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YANG Zhong-jie1,LU Wei-yuan2,SHEN Bing-long2,LIU Chang-chun1,KUAI Bing1,LIU Jin1,LIU Wen-bin1

1.Liaoning Institute of Geological and Mineral Survey,Shenyang 110031,China;
2.Liaoning Golden Eagle Mining Assessment&Consultation Co.,Ltd.,Shenyang 110031,China

The Fuxin-Zhangwu area in Western Liaoning Province saw two Cenozoic volcanic cycles,i.e.the Paleogene Paleocene Nalishan cycle and Neogene Miocene Chuandishan cycle.During the 1:250 000 regional geological survey, detailed study and redefinition are carried out on the basis of petrology,petrogeochemistry,volcanic cycle,regional comparison and previous literatures.The volcanic lava of each cycle evolves from basic to intermediate-basic,with characteristics of increasing sodium,silicon and aluminum,but reducing iron and magnesium.The distribution pattern curves of transitional elements of the volcanic rocks are coordinated and consistent as obvious V-shape,which indicates the differentiated product from comagma.The meta-alkaline rocks are enriched in REE;while the normal rocks are poor in REE.The rocks are characterized by enrichment of LREE with well fractionation and depleted in HREE with poor fractionation.The LREE/HREE value is between 8.2 and 18.84,with Sm/Nd between 0.12 and 0.24,Eu/Sm between 0.2 and 0.86,showingthatthe magma is mainly originated frommantlesource.

Cenozoic volcanic rock;petrogeochemistry;origin;Fuxin-Zhangwu area;Liaoning Province

2014-04-10；

2015-08-16.编辑：张哲.

中国地质调查局“辽宁1∶25万阜新市（K51C002002）幅区调修测”项目（编号1212011120728）.

杨仲杰（1987—），男，工程师，从事区域地质调查与固体矿产勘查工作，通信地址 辽宁省沈阳市皇姑区宁山中路42号，E-mail// 147018374@qq.com