乌兰浩特地区中性火山岩LA-ICP-MS石U-Pb年龄、地球化学特征及成因探讨

肖林　程招勋　都士卓　张允鹏

摘要： 乌兰浩特地区出露一套以辉石安山岩为主的中性火山岩组合。LA-ICP-MS石U-Pb测年结果显示，该套火山岩石U-Pb年龄为130.0±1.5 Ma和129.9±1.4 Ma，表明其形成于早白垩世。辉石安山岩SiO2含量为57.84%～60.86%， Al2O3含量为16.49%～17.76%， A/CNK>1.1，属过铝质岩石;ALK值为11.19%～11.87%，σ为1.08～1.98;∑REE为（128.69～145.06）×10-6，（La/Sm）N为4.64～5.24，（La/Yb）N为6.58～8.09，轻稀土元素富集程度高且轻、重稀土元素分馏明显;Eu异常不明显，大离子亲石元素Rb、Ba、K、Sr富集，高场强元素Nb、Ti、P、Ta亏损，推断该中性火山岩的形成与蒙古—鄂霍次克洋闭合陆壳加厚之后的岩石圈伸展有关。

关键词： 中性火山岩;石U-Pb年龄;地球化学特征;内蒙古乌兰浩特地区

中图分类号：P588.12+2 文献标识码：A 文章编号：2096-1871（2019）04-253-11

大兴安岭位于兴蒙造山带东段，大部分中生代火山岩覆盖在额尔古纳地块-兴安地块-松嫩地块之上，向南延伸入华北板块北缘。位于大兴安岭中南段的乌兰浩特地区出露大面积的中生代中性火山岩，其岩石成因及构造背景是近年来地质学者研究的热点。前人[1]对大面积出露的中性—中酸性火山岩进行了系统的区域地质调查，对中性火山岩岩石学及岩相学有详尽的研究，但尚未对其年代学及地球化学进行系统研究，缺少该区中性火山岩年代学及地球化学方面的资料支撑。因此，对乌兰浩特地区出露的中性火山岩进一步开展年代学和地球化学研究十分必要。

本文选取乌兰浩特地区出露的早白垩世中性火山岩，在野外地质调查和岩相学研究的基础上，通过岩石化学、地球化学、LA-ICP-MS石U-Pb测年，对它们的成因及形成的构造背景进行分析和探讨，为进一步探讨乌兰浩特地区中生代火山岩成因及构造背景提供依据。

1 地质概况

乌兰浩特市位于内蒙古自治区东北部，大兴安岭中南部，区域地质构造复杂。该区前中生代构造位置位于西伯利亚克拉通东南缘陆缘增生带与华北克拉通北缘陆缘增生带之间的锡林浩特岛弧北段，北东部为蘑菇气—大石寨结合带;中生代后叠加了大兴安岭岩浆岩带，位于大兴安岭东南坡裂陷带内。研究区出露的地层主要有早二叠世寿山沟组（P1ss）、大石寨组（P1ds）、中二叠世哲斯组（P2zs）、晚二叠世林西组（P3l）及中生代火山岩。其中，早二叠世寿山沟组、大石寨组、中二叠世哲斯组及晚二叠世林西组零星出露，呈NE向分布于研究区西北部、北部及东北部。中生代火山岩出露面积较大，前人将其划分为晚侏罗世玛尼吐组（J3mn）（本文讨论的中性火山岩）和早白垩世白音高老组（K1b），呈NE向展布（图1）。

2 样品特征

出露于乌兰浩特市东部及东北部的中性-中酸性岩石组合，主要为一套灰黑色、灰色、灰紫色和灰绿色、灰黄色安山岩、辉石安山岩、安山质凝灰岩组合，夹凝灰质砂岩和英安岩、英安质凝灰岩。本次采集的样品主要是中性火山熔岩，采样位置见图1，岩性为辉石安山岩（图2）。岩石风化面呈灰色、灰黄色、灰紫色，新鲜面呈灰绿色、灰黑色-黑色。斑狀结构，斑晶主要为斜长石15%，普通辉石3%，紫苏辉石2%，角闪石1%。斜长石呈半自形板状，大小0.2～2.4 mm;普通辉石略带浅绿色调，柱状，大小0.2～2.0 mm;紫苏辉石主要呈柱状，大小0.2～1.0 mm，角闪石呈褐色柱状，大小0.1～0.2 mm。基质具玻晶交织结构，可见大量极细小的斜长石微晶呈交织状分布，其间分布大量隐晶质和磁铁矿，粒度多<0.1 mm。

3 火山岩年龄测定

3.1 分析方法

用于U-Pb年龄测定的石取自乌兰浩特地区中性火山岩新鲜样品，石挑选、样品制靶、石阴极发光图像分析在北京天和信矿业技术开发有限公司完成，LA-ICP-MS石U-Pb测年在中国科学院贵阳地球化学研究所完成。实验过程中采用氦气作为载气，氩气为补偿气以调节灵敏度。激光器工作频率为10 Hz，测试点激光束斑直径为40 μm，剥蚀采样时间为50 s。普通铅校正采用哈佛大学国际标准石91500作为外部校正，Plesovice作质量监控，石U-Pb年龄的计算采用国际标准程序Isoplot（ver3.0）。

3.2 分析结果

辉石安山岩（编号分别为P4B26和P21B29）LA-ICP-MS石U-Pb同位素测试结果见表1。测年石多呈自形-半自形晶，多为短柱状，个别呈长柱状，具有清晰致密的振荡环带（图3）。样品P4B26的Th/U值为0.24～1.1，样品P21B29的Th/U值为0.11～1.38，均>0.1，表明这些石为岩浆结晶成因[2]，但部分石具有明显的沿裂隙溶蚀重结晶现象，CL图像中石的异常亮色边可能是热液改造的结果[3]。

样品P4B26的18个测点数据全部位于谐和线及其附近（图4），206Pb/238U年龄加权平均值为 130.0±1.5 Ma（MSWD = 2.2）。样品P21B29的21个测点数据全部位于谐和线及其附近（图5），206Pb/238U年龄加权平均值为129.9±1.4 Ma （MSWD = 2.8），2个样品测年数据误差范围一致，表明该火山岩形成于早白垩世。

4 岩石地球化学特征

4.1 分析方法

对12件火山岩样品进行主量和微量元素含量测试，在黑龙江省地质矿产测试应用研究所完成测试，实验过程均在无污染设备中进行。主量元素采用X射线荧光光谱法（XRF），分析精度和准确度优于5%;微量元素分析采用电感耦合等离子质谱法（ICP-MS）完成，分析精度和准确度优于10%。

4.2 主量元素

乌兰浩特地区中性火山岩主量、稀土和微量元素分析结果见表2。火山岩样品的SiO2含量为57.84%～60.86%，平均值为59.53%;Al2O3含量为16.49%～17.76%，平均值为17.04%;A/CNK>1.1，属过铝质岩石;ALK值为11.19%～11.87%。 火山岩TAS图解（图6）显示，乌兰浩特地区中性火山岩为安山岩。由SiO2-K2O图解（图7）可知，乌兰浩特地区安山岩属钙碱性系列岩石。

4.3 稀土及微量元素

乌兰浩特地区白垩纪安山岩稀土元素总量为（128.69～145.06）×10-6，平均值为133.33×10-6;轻、重稀土元素比值为6.85～7.92，（La/Yb）N=6.58～8.09，平均值为7.56，（Ce/Yb）N=4.96～6.10，（La/Sm）N=4.64～5.30，δEu=0.97～1.04，Eu异常不明显。球粒陨石标准化稀土元素配分曲线均属右倾型（图8），说明轻重稀土分馏明显，具有同源岩浆特征。在原始地幔标准化微量元素蛛网图（图9）中，大离子亲石元素Rb、Ba、K、Sr明显富集，高场强元素Nb、Ti、P、Ta亏损，Nb/Ta值为12.00～15.87，具有高Sr（（640～1 098）×10-6）、高Ba（（798～940）×10-6）及高Sr/Y值（33～61）的特征。

4.4 Sr-Nd同位素特征

乌兰浩特地区白垩纪安山岩Sr-Nd同位素分析结果如表3所示。87Sr/86Sr为0.705 38～0.705 74，143Nd/144Nd值为0.512 667～0.512 703，εNd（t）为1.86～2.50，TDM为746～781 Ma，TDM2为720～773 Ma。

5 讨 论

5.1 岩浆成因

乌兰浩特地区中性火山岩为安山岩，总体富Na、Al，贫K、Mg，为过铝质钙碱性系列岩石。对于安山岩的成因，有学者认为安山岩是由玄武质岩浆演化形成的[4-6]，也有学者认为安山质岩浆是由下地壳玄武质岩石部分熔融形成的[7-9]，还有学者认为安山岩是由玄武质岩浆与流纹质岩浆发生混合作用形成的[10-11]。目前比较流行的观点是，规模较大、分布广泛的安山岩与板块俯冲具有直接关系[12-13]。由大洋板块向大陆板块俯冲，下插在大陆板块一定深度的大洋板块前缘及其上覆的岩石发生熔融，形成安山质岩浆[14]。乌兰浩特地区中性火山岩Cr含量为（13.9～37.0）×10-6，远低于地幔橄榄岩源区部分熔融形成的原始玄武质岩浆Cr含量（500～600）×10-6[15]，且该区缺少同时期的基性岩，因此，玄武质岩浆演化很难解释该区大范围分布的中性火山岩[15]。 由La -La/Sm图解（图10）可知，乌兰浩特地区中性火山岩投点趋势呈斜线，表明其具有地幔部分熔融成因的特征。

乌兰浩特地区白垩纪安山岩明显富集大离子亲石元素Rb、Ba、K、Sr及LREE，亏损高场强元素Nb、Ti、P、Ta及HREE;它们的Nb/Ta值为12.00～15.87（平均值为13.59），接近于地壳Nb/Ta平均值12～13[16]，低于球粒陨石和原始地幔的Nb/Ta平均值17.5[17-18]; （La/Yb）N平均值为7.56，接近于下地壳（La/Yb）N平均值5.3[19];Nd/Th值为3.4～5.7，平均值为4，接近于壳源岩石的Nd/Th值3，La/Nb值为2.76～3.44（平均值为3.07），明显高于原始地幔La/Nb值0.94，与陆壳La/Nb值2.2[20]接近;Rb/Sr平均值为0.07，明显高于原始地幔Rb/Sr值0.03[21]。它们的各种微量元素含量及比值范围与Condie K C[22]划分的各类安山岩也不尽相同（表4）。这些特征表明乌兰浩特地区中性火山岩来源于下地壳岩石的部分熔融。

烏兰浩特地区白垩纪安山岩的SiO2>56%，高Al（Al2O3>15%），富Na（Na2O>K2O，Na2O含量约4%，K2O含量约2%），Y和Yb较低（Y含量约18×10-6，Yb含量约1.9×10-6），高Sr（Sr含量为（663～1 098）×10-6），无明显的负Eu异常，与中国东部地区埃达克质岩特征 [23-24]相似。在Y-Sr/Y图解（图11）中，部分样品落入埃达克岩区。

张旗等[25]、王焰等[26]认为中国东部埃达克质岩不同于洋壳熔融形成的埃达克岩，是下地壳熔融的产物。基性下地壳一般由麻粒岩组成，一般具有较高的Sr、Ba含量[27]。在地壳增厚（高压）的背景下，基性麻粒岩发生部分熔融作用，形成的中酸性岩浆具有高Sr、高Ba的特点[28]。本文研究的安山岩具有高Sr、高Ba及高Sr/Y值的特征，表明乌兰浩特地区安山岩为下地壳部分熔融形成的壳源岩浆。

5.2 构造背景

乌兰浩特地区白垩纪安山岩属大兴安岭火山岩带的一部分，前人对大兴安岭火山岩带的成因看法不同。赵国龙等[29]认为大兴安岭大面积分布的中生代火山岩与古太平洋板块向中国大陆俯冲有关，属活动大陆边缘构造环境;也有学者认为中生代火山岩是地幔柱成因[30-31]。近年来，更多学者认为大兴安岭中生代火山岩与蒙古—鄂霍茨克洋闭合、碰撞造山后伸展环境相关[32-33]。

近年来，不同学者对大兴安岭及邻区中生代火山岩进行年代学研究，发现该区不存在环状火山岩带，且火山岩的形成时代变化范围较大，它们的时空分布特征也难以用地幔柱成因解释[34]。前人对吉黑东部火山岩的年代学研究表明，该区尚未发现164～140 Ma的火山岩，145～130 Ma的岩浆活动主要分布于松辽盆地以西大兴安岭及满洲里地区[35-37];张旗[38]认为太平洋板块基本向北俯冲，在早白垩世中期（约125 Ma）转向西俯冲，且真正向西俯冲的时间非常短暂。本文研究的安山岩年龄为130.0±1.5 Ma和129.9±1.4 Ma，可能与古太平洋板块俯冲并无直接关系。已有资料表明，蒙古—鄂霍次克洋在中—晚侏罗世闭合[39]。乌兰浩特地区早白垩世非造山A型花岗岩的发现[35]，表明该区已处于伸展构造体制。乌兰浩特地区安山岩具埃达克岩特征，反映了加厚地壳背景。埃达克岩虽不能判断构造环境，但与其伴生的非埃达克质的中酸性岩浆岩及玄武岩却可判别构造环境[35-36]。乌兰浩特地区酸性火山岩SiO2含量平均值为72%，Al2O3含量平均值为13.9%，富钾，贫MgO、CaO，FeOT/MgO平均值为11.54，且Rb/Sr值较高，具有A型花岗岩的地球化学特征。流纹岩在Ce-10 000Ga/Al图解中大部分落入A型花岗岩区，在R1-10 000Ga/Al图解中落入A1型花岗岩区（未发表），总体反映后造山—板内伸展构造背景。综上所述，乌兰浩特地区早白垩世安山岩的构造背景与蒙古—鄂霍次克洋闭合、陆壳加厚之后的岩石圈伸展有关。

6 結论

（1）乌兰浩特地区中性火山岩为辉石安山岩，其石U-Pb年龄为130.0±1.5 Ma和129.9±1.4 Ma，表明其形成于早白垩世。

（2）乌兰浩特地区安山岩属钙碱性系列岩石，轻稀土富集程度高且轻重稀土分馏明显。Eu异常不明显，大离子亲石元素K、Rb、Ba、Sr与LREE明显富集，高场强元素Nb、P、Ta、Ti及HREE亏损。

（3）乌兰浩特地区中性火山岩形成的构造背景与蒙古鄂霍次克洋闭合陆壳加厚之后的岩石圈伸展有关，岩浆来源于加厚下地壳的部分熔融。

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LA-ICP-MS zircon U-Pb age， geochemistry and genesis of intermediate volcanic rocks in the Ulanhot area， Inner Mongolia

XIAO Lin，CHENG Zhao-xun，DU Shi-zhuo，ZHANG Yun-peng

（Heilongjiang Institute of Geological Survey， Harbin 150036， China）

Abstract：A set of intermediate volcanic rock assemblages dominated by pyroxene andesite is exposed in the Ulanhot area. The LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results show that the volcanic rocks have two zircon U-Pb ages of 130.0 ±1.5 Ma and 129.9 ±1.4 Ma， suggesting that the volcanic rocks were formed in the Early Cretaceous. Pyroxene andesite has SiO2 content of 57.84%～60.86%， Al2O3 of 16.49%～17.76%， A/CNK> 1.1， suggesting that the rock belongs to peraluminous rock. ALK value is 11.19%～11.87%， σ is 1.08～1.98. ∑REE of （128.69～145.06）×10-6， （La/Sm）N of 4.64～5.24 and （La/Yb）N of 6.58～8.09 show enrichment of light rare earth elements and distinct fractionation of light and heavy rare earth element. Weak Eu anomaly， enrichment of large ion lithophile elements （Rb， Ba， K and Sr） and depletion of high field strength elements （Nb， Ti， P and Ta） suggest that its formation is related to the lithospheric extension which followed continental crust thickening after closure of the Mongolian-Okhotsk Ocean.

Key words：intermediate volcanic rock; zircon U-Pb age; geochemical characteristics; Ulanhot area， Inner Mongolia

*收稿日期：2018-10-24 修訂日期：2019-04-10 责任编辑：谭桂丽

基金项目：中国地质调查局“内蒙古1∶5万前公主陵等六幅区域地质调查（编号：DD20160048-10）”项目资助。

第一作者简介：肖林，1991年生，男，助理工程师，主要从事区域地质矿产调查工作。