大兴安岭火山岩带中北部中侏罗世中酸性火山岩的厘定及其地质意义

李中会,李 阳,李睿杰,苏 航,李 凯

(1. 黑龙江省地质调查研究总院,黑龙江 哈尔滨 150036; 2. 黑龙江省齐齐哈尔地质勘查总院,黑龙江 齐齐哈尔 161006)

大兴安岭火山岩带是我国东部中生代巨型火山岩带的重要组成部分,大地构造属于兴蒙造山带[1]。古生代以来,大兴安岭地区经历了古亚洲洋闭合、蒙古—鄂霍茨克洋闭合及古太平洋板块俯冲等演化阶段[2-5],形成了复杂多样的构造-岩浆岩活动[2,6-15]。中生代火山活动既与重要的多金属成矿有关[16-32],也是东北地区构造-岩浆演化研究的主要对象[3,11,33-36]。露头有限、化石稀少以及同位素测试精度限制给大兴安岭火山岩地层正确划分带来较大影响,导致岩石成因及其形成的构造背景争议较大[8-9,11-13,34],制约了对该火山岩带乃至东北地区中生代地层格架、岩浆活动及构造背景的认识。

大兴安岭中生代火山活动主要发生在晚侏罗世—早白垩世,少量火山活动发生在中侏罗世,中侏罗世火山活动产物主要有大兴安岭火山岩带南段新民组酸性火山岩和中北段塔木兰沟组中基性火山岩。近些年来,随着锆石U-Pb同位素年代学测试方法的应用,在中北段陆续发现一些年龄为161.6～167.0 Ma[37-40]的中酸性、酸性火山岩。以流纹岩为主的酸性火山岩与塔木兰沟组中基性火山岩构成双峰式火山岩组合[37],而以粗安岩、粗面英安岩为主的中酸性火山岩成因目前还不清楚。本文通过满归林业局北岸林场一带出露的以粗安岩、粗面英安岩为主的中酸性火山岩开展岩石学、地球化学、锆石U-Pb年代学研究,分析岩石成因及构造环境,以期为大兴安岭乃至中国东北地区构造-岩浆活动的研究提供新的参考资料。

1 地质概况

研究区地处大兴安岭火山岩带中北段,大地构造位置位于额尔古纳地块北缘[3](图1(a)),行政区划属内蒙古自治区呼伦贝尔市满归林业局。研究区出露的地层主要为早侏罗世满归变中酸性火山岩(J1M),岩性为溢流相变流纹岩、变英安岩、变安山岩及少量空落相变火山灰凝灰岩;中侏罗世中酸性火山岩(J2b),岩性为溢流相粗安岩、粗面英安岩、空落相粗面英安质凝灰岩、火山碎屑流相流纹质熔结凝灰岩和火山通道相含集块角砾岩;晚侏罗世玛尼吐组(J3mn)中酸性火山岩,岩性为溢流相英安岩。侵入岩出露面积较大,以大量早侏罗世花岗岩(γJ1)、晚侏罗世花岗岩(γJ3)和少量晚三叠世花岗岩(γT3)区别于前人划分的新元古代—古生代侵入岩[3,41]。研究区南部以NE-NEE向韧-脆性断裂为主,对中侏罗世及中侏罗世以前的填图单元有不同程度的改造作用(图1(b))。

1.晚侏罗世玛尼吐组； 2.中侏罗世中酸性火山岩；3.早侏罗世满归变中酸性火山岩；4.晚侏罗世花岗岩；5.早侏罗世花岗岩；6.晚三叠世花岗岩；7.碎裂带；8.糜棱岩化带；9.地质界线/不整合界线；10.火山口；11.剖面及编号；12.同位素样品采样位置及编号图1 研究区大地构造位置(a)及地质简图(b)Fig. 1 Geotectonic location(a) and geological sketch map (b) of the study area

2 岩石学特征

北岸林场一带中酸性火山岩,早期以碎屑流相流纹质熔结凝灰岩和空落相粗面英安质凝灰岩为主,晚期出现溢流相粗安岩、粗面英安岩(图2)。岩石受碎裂构造和糜棱岩化作用的影响普遍具有黏土化、绿帘石化、绿泥石化、绢云母化、碳酸盐化、硅化现象,区别于晚侏罗世玛尼吐组中酸性火山岩。

粗安岩新鲜面呈灰色,斑状结构,块状构造(图3(a))。主要矿物由斑晶斜长石(2%～8%)、角闪石(3%～4%)、黑云母(1%)、基质(87%～94%)组成(图3(b))。斑晶斜长石,半自形板状、宽板状,聚片双晶较细,为更长石,被黏土矿物、绿帘石及少量绿泥石交代,大小0.3～2.3 mm;角闪石,自形暗化,其中一粒呈六边形,被绿泥石集合体交代具角闪石假象,大小0.5～1.0 mm;黑云母,片状多暗化,中心绿泥石化,大小0.3～0.5 mm。基质斜长石微晶板状,颗粒0.05～0.15 mm,沿流动构造半定向分布,晶体常镶嵌在长英质集合体斑块中,有少量硅质颗粒为后期进入,杂乱交代,含量<5%。

粗面英安岩新鲜面呈浅灰色,斑状结构,块状构造、碎裂构造。斑晶斜长石,半自形板状,聚片双晶宽窄不一,弱环带,更中长石,晶面弱黏土化,部分晶面中心绢云母鳞片集合体密集交代、绿帘石集合体斑点状交代,大小0.15～4 mm,含量35%～40%;角闪石呈柱状,绿色,柱面一组解理,斜消光,部分晶面褪色或被碳酸盐、绿泥石、绿帘石不均匀交代,大小0.15～2 mm,含量1%～3%。基质钾长石与石英混晶集合体呈斑块状,其中嵌布柱状斜长石微晶,少量粒状石英呈零散状分布,并有铁质散布其中。

1.含集块角砾岩； 2.流纹质含角砾熔结凝灰岩；3.流纹质晶屑熔结凝灰岩；4.流纹质熔结凝灰岩；5.粗安岩；6.粗面英安岩；7.粗面英安质晶屑凝灰岩；8. 粗面英安质角砾凝灰岩；9. 粗面英安质岩屑晶屑凝灰岩；10.变砂岩；11.石英正长斑岩；12.花岗岩图2 研究区中酸性火山岩实测剖面(P13)图Fig. 2 Measured section of intermediate-acidic volcanic rocks (P13) in the study area

Pl.斜长石；Bi.黑云母；Hb.角闪石图3 北岸林场一带粗安岩(P13LT3B9)野外露头(a)和显微照片(b)Fig. 3 Outcrop (a) and photomicrograph (b) of trachyandensite (P13LT3B9) in Beian-Linchang area

3 样品分析方法

锆石分选工作在河北省廊坊区域地质调查研究院地质实验室完成,样品靶制备在北京锆年领航科技有限公司实验室完成,锆石阴极发光照相和LA-ICP-MS 同位素测定在中国地质调查局天津地质调查中心实验室完成。样品采用常规方法进行粉碎、淘洗,保留重砂矿物,再用电磁选方法分选出锆石,双目镜下选出晶形较好的锆石,然后将锆石粘贴在环氧树脂表面,打磨抛光后露出锆石表面,完成样品制靶,对锆石进行透射光、反射光和阴极发光(CL)照相,确定所测锆石位置。在中国地质调查局天津地质调查中心实验室利用193 mm激光器对锆石进行剥蚀,激光剥蚀束斑直径为35 μm。采用标准锆石TEMORA作为外标校正U-Pb同位素分馏,利用NIST612玻璃标样作为外标计算锆石样品的U、Th、Pb含量,详细的实验原理和流程见参考文献[42]。采用ICP-MS Data Cal程序[43]和Isoplot(ver3.0)程序[44]进行数据处理。

主量元素、稀土元素及微量元素分析在中国地质调查局沈阳地质调查中心实验室完成,主量元素采用X射线荧光光谱仪(Axiosmax)分析,分析误差<5%。稀土元素及微量元素采用电感耦合等离子质谱仪(X-seriseⅡ)分析,分析误差<10%。

4 锆石U-Pb年龄

本次选送了1个具有代表性的粗安岩样品进行同位素年龄测定,样品采自北岸林场西南5 km激流河北岸路堑。测年样品中锆石颗粒在透射光和反射光下大部分为浅黄色-无色,少许色调偏暗,半透明-透明状。锆石粒径为110～300 μm,晶形多具熔蚀现象,棱角圆化,以它形粒状为主,少数为半自形柱状,长宽比为1∶1～4∶1。锆石阴极发光图像(图4(a))显示锆石内部结构清晰,均发育典型的振荡环带结构,Th/U值均>0.4,表明锆石均为岩浆成因[45]。选择了25颗自形程度和透明度均较好的锆石进行LA-ICP-MS U-Pb分析,谐和年龄图见图4(b),锆石U-Pb同位素测试结果见表1。

图4 粗安岩(P13LT3B9)锆石CL图像(a)及谐和年龄图(b)Fig. 4 Zircon CL images (a) and concordia diagram (b) of trachy dacite(P13LT3B9)

表1 粗安岩(P13LT3B9)LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测试结果

25个测点的U-Pb加权平均年龄分为2组:第一组有9个测点(测点位置在锆石核部及边缘)落于谐和曲线上,加权平均年龄为(212±1) Ma;第二组有16个测点(测点位置在锆石核部及边缘)也落于谐和曲线上,加权平均年龄为(166±1) Ma。两组锆石均为岩浆成因,形貌相似,难以区分。研究区存在晚三叠世花岗岩,时代与第一组锆石年龄相近,暗示第一组锆石可能是来源于晚三叠世花岗岩的捕获锆石。研究区及附近未见与第二组锆石年龄相近的侵入岩,因此,第二组锆石年龄可能代表了粗安岩的成岩年龄。锆石U-Pb年龄分析表明,岩石形成于中侏罗世。

5 地球化学特征

北岸林场一带中酸性火山岩主量元素、微量元素含量及特征参数见表2。

表2 北岸林场一带中酸性火山岩主量元素、微量元素含量及特征参数

5.1 主量元素

北岸林场一带中酸性火山岩SiO2含量为59.58%～68.34%,Al2O3含量为14.50%～16.48%,Na2O含量为4.51%～4.92%,K2O含量为3.27%～3.97%,(Na2O+K2O)为7.78%～8.84%,K2O/Na2O为0.73～0.82,MgO含量为0.75%～2.67%,Mg#值为25.5～44.4,显示岩石相对富钠、低钾、碱含量偏高、镁含量偏低的特征。在TAS分类图(图5)中,样品点主要落入碱性靠近亚碱性区,有2个样品落入粗面英安岩区,1个落入粗安岩区,与实际命名相吻合,A/CNK为0.91～0.97(<1),里特曼指数σ为3.01～3.65,反映岩石具有中酸性准铝质偏碱性的特征。

图5 北岸林场一带中酸性火山岩TAS分类图Fig. 5 TAS classification diagram of intermediate-acidic volcanic rocks in Beian-Linchang area

5.2 稀土及微量元素

北岸林场一带中酸性火山岩稀土元素总量(ΣREE)为(160.6～274.3)×10-6,轻、重稀土元素分馏较为明显,(La/Yb)N为6.56～11.79,轻稀土元素相对富集,重稀土元素相对亏损。球粒陨石标准化稀土元素配分曲线图(图6(a))上,曲线表现为右倾“海鸥式”,具弱的负Eu异常(δEu=0.60～0.81)。在原始地幔标准化微量元素蛛网图(图6(b))中,大离子亲石元素相对富集Rb、Th、U,贫Sr,高场强元素贫Nb、Ta、Ti。

图6 北岸林场一带中酸性火山岩球粒陨石标准化稀土元素配分曲线图(a)及原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)Fig. 6 Chondrite-normalized REE distribution diagram (a) and primitive mantle normalized trace elements spidergram (b) of intermediate-acidic volcanic rocks in Beian-linchang area

6 讨论

6.1 构造环境

岩石A/CNK为0.91～0.97(<1),(La/Yb)N为6.56～11.79,具弱的负Eu异常,所有样品具有相似的轻稀土元素相对富集而重稀土元素相对亏损的右倾型稀土元素配分模式,大离子亲石元素相对富集Rb、Th、U,贫Sr,高场强元素贫Nb、Ta、Hf、Ti,具有俯冲带岩浆弧作用的特点[36,46]或造山带I型花岗岩特点[47-48]。岩石Al2O3含量为14.50%～16.48%、DI为 68.73～85.83,与PETRO W J[49]定义的压性与张性环境(压性Al2O3含量为13.95%～14.90%,DI为83.10～83.34;张性Al2O3含量为12.23%～13.34%,DI为88.87～91.97)岩浆岩对比,岩石形成于压性环境。lg[CaO/(K2O+Na2O)]-SiO2构造环境判别图(图7(a))中样品点落入挤压型区;在R1-R2构造环境判别图(图7(b))中,样品点同样落入造山晚期。

图7 北岸林场一带中酸性火山岩构造环境判别图Fig. 7 Tectonic setting discrimination of intermediate-acidic volcanic rocks in Beian-Linchang area

综上所述,笔者认为北岸林场一带中酸性火山岩形成的构造环境为与俯冲背景有关的造山晚期挤压构造环境。

6.2 岩浆源区

火山岩源区主要观点有[50]:幔源玄武岩浆的结晶分异作用;深部岩石的部分熔融;壳幔岩浆混合。北岸林场一带中酸性火山岩具有较强的Nb亏损,显示了大陆地壳的特征[51]。Th、U相对富集,与大陆地壳物质和海洋沉积物强烈富集Th、U特征一致,反映其源区可能为大陆地壳[52]。在岩浆体系演化过程中,Nb/Ta值比较稳定,在大陆地壳中,Nb/Ta值约为11,而地幔和源于地幔的岩浆熔体Nb/Ta值约为17.5[53],北岸林场一带中酸性火山岩Nb/Ta值为10.11～12.34,与大陆地壳接近。Cr含量为(10.9～20.2)×10-6,与乌兰浩特地区壳源中性火山岩Cr含量(13.9～37.0)×10-6[54]相近。岩石相对偏高硅、富碱、贫镁,富集大离子亲石元素Rb、Th、U,亏损Sr、Nb、Ti,表明这些岩石应为地壳物质部分熔融的产物[55]。粗安岩样品Mg#值为29.4,粗面英安岩样品Mg#值为25.5～44.4,其中1个样品Mg#值偏低(<40)[56],反映与上述一系列岩化指数等判别岩浆来源于地壳物质相吻合。P14B31-1样品Mg#值为44.4,位于中酸性火山岩南缘,岩石经历了构造破碎或糜棱岩化作用,较强的绿泥石化和绢云母化等可能造成了岩石Mg#值偏高,考虑其他2个样品Mg#值均较低,判断岩浆来源与幔源成分关系不大。综上所述,北岸林场一带以粗安岩、粗面英安岩为主的中酸性火山岩岩浆来源于地壳物质的部分熔融。

前文在讨论粗安岩样品锆石CL阴极发光图像和测年结果时得到岩浆有晚三叠世侵入岩的参与。但晚三叠世侵入岩是作为母岩经历部分熔融作用为中酸性火山岩提供了岩浆,还是作为围岩捕虏体参与了中酸性火山岩浆活动,需要结合一些指标进一步判定。Nb/Ta值在岩浆体系演化过程中比较稳定,研究区晚三叠世花岗岩年龄为205～219 Ma[41],花岗岩Nb/Ta值为16.50,显然与北岸林场一带中酸性火山岩的Nb/Ta值(10.11～12.34)相差较大,可知晚三叠世花岗岩并不是中酸性火山岩的母岩。

6.3 地质意义

北岸林场一带中酸性火山岩形成的构造背景为与俯冲背景有关的造山晚期挤压构造环境。区域资料[57]反映大兴安岭南段存在中侏罗世陆相含煤盆地,中北段存在双峰式火山岩组合[37],中南段林西县一带存在中侏罗世(170 Ma)辉绿岩岩墙群[9],北段新开岭一带存在中侏罗世变质核杂岩[58],一系列岩浆作用与构造活动表明大兴安岭在中侏罗世主要处于伸展构造背景。同一时代构造上不太可能存在既张性又挤压的“等时异相”现象。

早中生代以来,大兴安岭主要受北部蒙古—鄂霍茨克洋中段的闭合及东部古太平洋板块俯冲作用影响,蒙古—鄂霍茨克洋中段闭合动力学过程研究[3,10,36,59]表明,额尔古纳地块北缘存在蒙古—鄂霍茨克洋壳南向的俯冲作用,形成了大量陆缘弧背景Ⅰ型-A型岩浆岩,闭合于早侏罗世[3,59]。古太平洋板块俯冲作用对大兴安岭构造-岩浆活动的影响已有许多认识[9,11,60-62],相对于古太平洋板块俯冲带来说,大兴安岭处于欧亚板块内部,距离古太平洋板块俯冲带较远,古太平洋板块俯冲作用可能对大兴安岭地壳加厚减薄有影响,但不足以直接产生大量岩浆,甚至有学者[63]认为古太平洋板块俯冲与大兴安岭岩浆活动无关。

北岸林场一带粗安岩锆石CL图像反映,锆石多呈不规则粒状,锆石棱角圆化,晶面多有熔蚀,与由岩浆运移结晶形成的较规则的锥柱状锆石区别较大,暗示岩浆在形成后可能经历了较长时间运移,地球化学环境发生了改变。

研究区东侧早侏罗世早期满归变中酸性火山岩,其LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(199±1)Ma,被认为形成于蒙古—鄂霍茨克洋俯冲闭合过程[59]。北岸林场一带中酸性火山岩与满归变中酸性火山岩相比,二者岩石成因、形成构造环境相同[41],满归变中酸性火山岩同样存在捕获岩浆锆石,年龄为(226.5±1.7) Ma[59],这些特征均暗示二者可能经历了相同或相近的地球动力学过程。

以北岸林场一带粗安岩、粗面英安岩为代表的中酸性火山岩可能与早侏罗世蒙古—鄂霍茨克洋闭合有关。北岸林场一带中酸性火山岩岩浆起源于早侏罗世蒙古—鄂霍茨克洋闭合过程中造山晚期构造环境,与早侏罗蒙古—鄂霍茨克洋最终闭合时间(约184 Ma)[41]相比,岩浆至少经历了18 Ma跨时代运移至地壳浅部,在中侏罗世张性构造环境喷发成岩。

7 结论

(1)锆石U-Pb同位素定年结果表明,北岸林场一带中酸性火山岩形成于(166±1) Ma,属中侏罗世火山岩。

(2)岩石地球化学分析结果表明,北岸林场一带中酸性火山岩为地壳物质经部分熔融作用而成。

(3)北岸林场一带中酸性火山作用可能起源于早侏罗世蒙古—鄂霍茨克洋闭合过程中造山晚期构造环境,在中侏罗世张性构造环境喷发成岩。