镜泊湖地区杏山火山群的火山岩特征及其岩浆演化

郭可欣,刘永顺,聂保锋,郭磊,张辉,黄志聪,侯鹏,李耀

首都师范大学资源环境与旅游学院,北京,100048

内容提要：镜泊湖火山区是我国陆内新生代玄武岩研究的一个重要窗口。东南部的杏山火山群研究不足且前人的研究否定了其岩浆经历过同化混染作用。笔者等对杏山火山群的玄武岩开展了系统的岩石学、岩石地球化学和Sr—Nd—Pb同位素的研究,认为杏山火山群主要为碧玄岩和粗面玄武岩,原生岩浆在上升过程中发生了橄榄石和单斜辉石的分离结晶,并在上地壳区域发生了同化混染作用,但同化混染—分离结晶作用较为微弱。将杏山火山群与同期的镜泊湖玄武岩对比发现,两个地区的玄武岩都来源于石榴子石橄榄岩的部分熔融,杏山火山群的部分熔融程度略低于同期的镜泊湖玄武岩。在岩浆源区方面,杏山火山群的岩浆源区为普通地幔与全硅酸盐地球端元的混合源。岩浆源区的不均一性和岩浆演化过程中所经历的同化混染作用是造成杏山火山群和镜泊湖火山群的岩性差异的主要影响因素。

玄武岩岩浆作为地幔物质部分熔融的产物,可以有效地揭示地幔深部信息。与大洋玄武岩相比,大陆玄武岩岩浆在上升过程中受地壳的影响更大。岩浆在地壳的停留过程中,通常会经历岩浆演化(包括分离结晶、同化混染和岩浆混合作用等),其地球化学特征也更加复杂。因此,大陆玄武岩岩浆在上升过程中经历的演化过程、岩浆成分在上地幔和地壳中的变化,成为了岩石学领域长期研究的重要课题。

近几十年来,国内外学者在同化混染的形成机制、岩浆演化的影响等方面取得了很多新的突破(Said et al., 2010;Ardila et al., 2019;Fan Xingli et al., 2021)。其中,对于大陆玄武岩,大多数研究者认为Sr—Nd—Pb同位素对上地壳同化混染有显著的示踪作用(Mason et al., 1996;Geng Xianlei et al., 2022)。Zeng Gang 等(2016)利用铂族元素(PGE)的亲硫性判断了岩浆是否发生过同化混染,并在南京地区新生代玄武岩的研究中发现该区域内的瓜埠山、六合方山和江宁方山的玄武岩PGE成分都受到过同化混染的影响。Hopkins 等 (2016)认为Os同位素不仅可以确定同化混染的来源,而且为解释地幔的非均质性提供了有力证据。对于洋岛玄武岩(Ocean Island Basalt, OIB),通过全岩微量元素与传统的Sr—Nd—Pb同位素地球化学难以判断陆内的OIB碱性玄武岩是否经历过同化混染,但是Re-Os同位素可以为研究OIB的同化混染提供重要指标,可以示踪岩浆上升过程中在地幔与地壳里的具体位置,且无需考虑地幔交代作用的影响(Chesley et al., 2004;Jung et al., 2011)。Li Xiaowei 等(2015)结合Re-Os同位素与同化混染—分离结晶模型对秦岭地区白垩纪玄武岩的分析得出该区域内OIB岩浆在上升期间在下地壳中经历了同化混染,而且发现与洋中脊玄武岩(Mid-Ocean Ridge Basalt,MORB)、洋岛玄武岩和陆下岩石圈地幔捕虏体相比,大陆内类OIB玄武岩n(187Os)/n(188Os)值域较宽,表明大陆岩石圈Os同位素丰度较大;通过分析华北克拉通北部地区新生代碱玄岩的Os同位素,Li Zhuang等 (2021)发现该区域内的集宁玄武岩在岩浆上升过程中受到同化混染作用的影响较大,而赤峰玄武岩只受到了轻微的影响。

岩浆在上升过程中通常要在地壳中停留一段时间才能到达地表,在此期间很有可能受到地壳物质的混染(Carlson et al., 1991;牛耀龄,2013)。前人发现由于岩石圈地幔成分具有不均一性,其同位素几乎囊括了地壳成分的范围,因此仅通过野外考察和地球化学来研究同化混染究竟来自地幔还是地壳是不可靠的(张树明等,2002;Clarke,2007)。我国对同化混染的研究也较多,对东北地区新生代火山的同化混染的研究主要集中在五大连池和长白山地区(邱家骧等,1988;王团华等,2006;郭文峰等, 2014;马晗瑞,2016),对镜泊湖地区研究较少,杏山地区更是乏善可陈。并且,前人普遍认为镜泊湖地区玄武岩没有经历过同化混染作用。刘北玲等(1989)通过研究镜泊湖地区第四纪玄武岩的同位素与微量元素认为该地区的玄武岩岩浆来源于岩石圈地幔,且在上升过程中未受地壳混染的影响。之后,张招崇等(1999)根据镜泊湖地区第四纪玄武岩与夏威夷玄武岩的Sr—Nd—Pb同位素组成的相似性推断镜泊湖地区玄武岩的形成可能与地幔柱相关,并通过Pb同位素推断镜泊湖地区玄武岩浆未遭受同化混染。在此基础上他们又根据玄武岩样品中低n(87Sr)/n(86Sr)和高n(143Nd)/n(144Nd)的特点进一步排除了岩浆经历同化混染的可能性(张招崇等,2000)。秦秀峰等(2008)、Yan Jun和Zhao Jianxin(2008)、Bai Xiang等 (2021)、李明涛等(2022)在后续的研究中也进一步阐述了这一观点。目前,在镜泊湖火山岩岩浆源区性质上尚存在不同认识。Fan Xingli 等(2021)认为镜泊湖地幔源区为富集型地幔,张招崇等(2000)认为该区域岩浆为似原始—亏损型地幔,秦秀峰等(2008)认为该区域岩浆源区有从富集岩石圈地幔向软流圈转化的趋势。

镜泊湖火山区是我国新生代陆内玄武岩研究的一个重要窗口。其喷发中心在全新世时期西移至镜泊湖火山群(巩杰生,1996;翟福君等,2010;邹宗霖,2020)。前人根据同位素测年和地球化学研究将镜泊湖地区的火山岩分为船底山期(中新世)、杏山期(晚更新世)、镜泊湖期(全新世)三个火山喷发旋回并在该区域展开了岩石学特征研究,初步确定:中新世玄武岩主要为碱玄岩、白榴碱玄岩,更新世到全新世以碱玄岩为主(李东津等,1982;沈远超等,1987;樊祺诚等,2005;Fan Xingli et al., 2021;Bai Xiang et al., 2021)。然而,值得注意的是,前人的研究区域主要集中于该区域内的西区(包括火山口森林、大干泡、迷魂阵火山群)和东区(蛤蟆塘火山群; 郭磊等,2022),而且多数人认为两个地区岩浆的形成时间、岩性特征、岩浆源区有较大的差异(张招崇等,2000;樊祺诚等,2005)。那么位于该区域东南部的杏山火山群是否也具有类似的特征呢?笔者等以杏山火山群为研究对象,在野外地质考察的基础上,从矿物学、岩石学、地球化学、同位素地球化学的角度来定性、定量地研究该区域的地壳、地幔特征以及岩浆演化对玄武岩成分变化的影响,同时将杏山火山群与前人研究的镜泊湖火山岩的岩浆源区进行对比分析,以期完善镜泊湖火山群的成因认识。

1 区域地质概况

镜泊湖地区位于黑龙江省宁安市以及敦化—密山断裂带的西侧(图1)。该区域内岩浆活动在晚泥盆世、晚侏罗世、新近纪、第四纪均有发生,其中以新生代火山活动最为猛烈,形成了一条沿断裂带及其四周分布的NNE向的火山带,长约400 km,宽约40 km。镜泊湖地区广泛发育新生代碱玄岩(秦秀峰等,2008;Xiao Wenjiao and Santosh,2014)。除玄武岩外,区内还大量分布海西期—燕山期花岗岩,南部与东北部还分布元古宇黑龙江群和麻山群变质岩,西部小北湖地区分布泥盆纪花岗岩,西北部和东南部分布石炭纪—二叠纪、侏罗纪、白垩纪的花岗岩(张招崇等,1999)。杏山火山群位于镜泊湖地区牡丹江深断裂与杏山断裂交界处,由4个火山渣锥及其熔岩组成,分别为牛样子山、西小山、东小山和杏山,属于前人划分的杏山玄武岩期(约为中新世到晚更新世)(刘北玲等,1989;崔根等,2010;李树才,2013)(图1)。

图1 黑龙江镜泊湖火山群地质图(a)和东北地区区域断裂简图(b)Fig.1 Geological map of the Jingpo Lake Volcano Group in Heilongjiang (a) and regional fractures sketch of Northeast China (b)

4座火山均被风化堆积层不同程度地覆盖。除东小山外,其余火山剖面出露完好,均由红褐色扭曲变形的火山弹、熔岩饼及火山渣组成,溅落堆积物中有大量弱熔结的角砾集块岩、具有反应边的幔源包体和壳源花岗岩捕虏体以及单斜辉石、歪长石巨晶(图2)。杏山火山群的岩石类型主要为碧玄岩,粗面玄武岩仅在牛样子山出现,具体的岩石特征见表1。4座火山均属于斯通博利型喷发,喷发物具有典型韵律堆积特点,但喷发和爆炸的强弱有所不同。

表1 镜泊湖地区杏山火山群野外岩石特征Table 1 Rock characteristics of Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area

图2 镜泊湖地区杏山火山群野外地质现象照片: (a)杏山火山锥剖面;(b)杏山火山的表面黏附火山渣的熔岩饼;(c)牛样子山橄榄岩包体;(d)牛样子山单斜辉石巨晶Fig.2 Photos of the field geological phenomena of the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area: (a) Xingshan volcanic cone profile; (b) pancake bomb with scoria adhered to the surface from Xingshan Volcano; (c) peridotite xenolith from Niuyangzishan Volcano; (d) clinopyroxene megacrysts from Niuyangzishan Volcano

2 研究方法

笔者等选取牛样子山、西小山、东小山、杏山的8个代表性的岩石样品进行了全岩的主量元素、微量元素和稀土元素分析测试以及Sr—Nd—Pb同位素分析测试。岩石薄片的鉴定和照片采集工作是在首都师范大学地质流体实验室借助Nikon Eclipse LV100pol偏光显微镜和NIS Elements D软件完成。地球化学分析测试由核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成。主量元素分析仪器是AB104L Axios-mAX 波长色散X射线荧光光谱仪、CS580A碳硫分析仪,实验温度为20℃,相对湿度为40%。微量元素和稀土元素分析仪器是ELEMENT XR 等离子体质谱仪,实验温度为22.6℃,相对湿度为20%。Sr—Nd—Pb同位素分析仪器为Phoenix 热表面电离质谱仪、ISOPROBE-T 热表面电离质谱仪,实验温度为20℃,相对湿度为30%,误差为2σ。

3 岩相学特征

本次研究对牛样子山粗面玄武岩(21JPH-39)、西小山碧玄岩(21JPH-53)、东小山碧玄岩(21JPH-76)和杏山碧玄岩(21JPH-79)进行了显微岩相学分析(图3)。这些碧玄岩、粗面玄武岩以玻基斑状结构、气孔构造为主,斑晶为橄榄石、单斜辉石和斜长石,基质含斜长石和橄榄石微晶、火山玻璃。岩石中还含有小的橄榄岩包体、花岗岩捕虏体、单斜辉石和歪长石巨晶、尖晶石捕虏晶以及石英、碱性长石、斜长石捕虏晶。橄榄石斑晶多呈他形粒状,有明显的世代现象。单斜辉石斑晶为他形粒状或柱状。单斜辉石巨晶为板状,发育单斜辉石反应边和增生边。石英捕虏晶多呈他形粒状。斜长石捕虏晶半自形粒状,聚片双晶发育。碱性长石捕虏晶均为他形,单偏光下表面具有高岭土化。尖晶石呈粒状,正交偏光下全消光。此外,部分岩石受水热变质明显,局部有绿帘石分布。

图3 镜泊湖地区杏山火山群的火山岩显微岩相照片: (a)牛样子山21JPH-39号含Ol和Cpx斑晶的玻基斑状钾质粗面玄武岩中的Cpx巨晶(正交偏光) ;(b)西小山21JPH-53号含Cpx巨晶和Pl与Ol斑晶的玻基斑状碧玄岩(正交偏光);(c)东小山21JPH76号含Ol斑晶与捕虏晶的玻基斑状碧玄岩(正交偏光);(d)杏山 21JPH-79号含Ol斑晶和Ol与Sp捕虏晶的玻基斑状碧玄岩(正交偏光)Fig.3 Micropetrographic photos of volcanic rocks from the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area: (a) Cpx megacryst No.21JPH-39 potassic trachy-basalt with vitrophyric texture containing Ol and Cpx phenocrysts from Niuyangzishan Volcano (cross-polarized light, XPL); (b) No. 21JPH-53 basanite with vitrophyric texture containing Cpx megacrysts and Pl and Ol phenocrysts from Xixiaoshan Volcano (XPL); (c) No. 21JPH-76 basanite with vitrophyric texture containing Ol phenocrysts and xenocrysts from Dongxiaoshan Volcano (XPL); (d) No. 21JPH-79 basanite with vitrophyric texture containing Ol phenocrysts and Ol and Sp xenocrysts from Xingshan Volcano (XPL)矿物缩写符号后的数字代表矿物的世代性,越晚世代的矿物,数字越大;Cpx—单斜辉石;Ol—橄榄石;Pl—斜长石;Afs—碱性长石;Sp—尖晶石;Ep—绿帘石 The number after mineral abbreviation symbol represents the mineral generation, and the later the mineral generation, the larger the number; Cpx—clinopyroxene; Ol—olivine; Pl—plagioclase; Afs—alkali feldspar; Sp—spinel; Ep—Epidote

4 地球化学特征

4.1 主量元素特征

从表2可以看出,杏山火山群4座火山的全岩的主量成分变化范围较小,总体具有低SiO2(46.25%～48.06%)、高碱Na2O+K2O(6.22%～6.75%)和高Al2O3(15.28%～15.6%)的特征。在TAS图中(图4),除牛样子山样品落入粗面玄武岩区域外,其余样品均落在碱玄岩、碧玄岩区域中。将这些样品进行CIPW计算(表2),结果显示这些样品的ol标准矿物含量均大于10%,属于碧玄岩。在K2O—Na2O和K2O—SiO2相关图解上,杏山火山群的火山岩分别属于钠质岩系列和钾玄岩系列(图5a、图5b),镜泊湖地区玄武岩除个别样品落入钙碱系列和高钾钙碱系列区域外,其余特征与杏山火山群基本一致。在哈克图解中(图6),SiO2与CaO、MgO、FeOT、TiO2呈良好的负相关关系,与Na2O显著正相关,与Al2O3相关性不明显。通常情况下,碱性基性岩浆是在深部熔融程度较低、压力较大的地幔环境中部分熔融形成,而杏山火山群岩浆成分具有典型的这类岩石特征,因此可以确定杏山火山群岩浆主要来源于上地幔。

表2 杏山火山群的火山岩主量元素(%)、稀土与微量元素(×10-6)含量及其参数和CIPW(%)计算结果Table 2 Contents of major elements (%), rare earth and trace elements (×10-6) and their calculation results of parameters and CIPW (%) of volcanic rocks from Xingshan Volcano Group

图4 镜泊湖地区杏山火山群TAS分类图解Fig.4 TAS classification diagram of the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area底图据Le Maitre 等(1984);前人杏山的数据来源于李明涛等(2022),下同 Base map after Le Maitre et al. (1984);data of the Xingshan Volcano Group are from Li Mingtao et al. (2022),and the data sources of following figs. are the same

图5 镜泊湖地区杏山火山群K2O与Na2O相关图解(a)和K2O与SiO2相关图解(b)Fig.5 Correlation diagram of K2O and Na2O (a) and correlation diagram of K2O and SiO2 (b) for the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area底图据Peccerillo and Taylor (1976),Rollinson (1993);镜泊湖地区数据据Yan Jun and Zhao Jianxin(2008),下同Base map after Peccerillo and Taylor (1976),Rollinson (1993); data of Jingpo Lake area are from Yan Jun and Zhao Jianxin (2008), and the data sources of following figs. are the same

图6 镜泊湖地区杏山火山群哈克图解Fig.6 Harker diagram of the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area

4.2 稀土与微量元素特征

杏山火山群的4座火山具有相似的稀土和微量元素配分型式,表明其地球化学特征与地质作用过程也较为相似。杏山火山群的稀土元素球粒陨石标准化配分型式与OIB型玄武岩有一定的相似性(图7),曲线呈右倾型,富集轻稀土元素((La/Sm)N= 2.88～4.72),亏损重稀土元素,重稀土元素在配分曲线上分布较为平坦,轻、重稀土元素分异程度较高((La/Yb)N= 9.57～15.97),且未发现Eu与Ce存在显著负异常(δEu = 0.93～1.07,δCe = 0.9～1.02)。稀土元素总量ΣREE为146.01×10-6～182.71×10-6,轻重稀土之比为7.39～10.07,暗示岩浆在演化过程中发生了富集(表2)。不同的是,杏山玄武岩的轻稀土元素富集程度与重稀土元素分馏程度低于五大连池钾质玄武岩,高于镜泊湖地区玄武岩,说明杏山火山群相较于五大连池地区岩浆富集程度低,而高于镜泊湖火山岩区,部分熔融程度高于五大连池火山岩区,低于镜泊湖火山岩区(Zhang Ming et al., 1995)。杏山火山群的微量元素原始地幔标准化配分型式(图8)与镜泊湖火山岩区的分配型式较为相似,表现出大离子亲石元素Ba、Ta、K相对富集,高场强元素(如Zr、Ti、Nb)相对亏损。Pb呈显著正异常,暗示岩浆在演化的过程中有来自大陆地壳物质的参与(表2)。杏山火山群的微量元素配分型式虽与OIB型玄武岩有一定的相似性,但杏山火山群的Ti含量相对更低。五大连池钾质玄武岩除了具有更显著的Ba、Ce、Ti正异常外,其余的微量元素配分型式与杏山火山群的相似(Yan Jun and Zhao Jianxin,2008)。

图7 镜泊湖地区杏山火山群的稀土元素球粒陨石标准化配分图Fig.7 Chondrite-normalized REEs patterns of the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area球粒陨石数据和OIB数据来源于Sun 和 McDonough(1989);五大连池钾质玄武岩数据来源于Zhang Ming 等(1995)Chondrite data and OIB data are from Sun 和 McDonough (1989); data of Wudalianchi potassic basalt are from Zhang Ming et al., 1995

图8 镜泊湖地区杏山火山群的微量元素原始地幔标准化配分图Fig.8 Trace element concentrations normalized to primitive mantle of the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area原始地幔数据和OIB数据来源于Sun 和 McDonough(1989),五大连池钾质玄武岩数据来源于Zhang Ming et al., 1995Primitive mantle data and OIB data are from Sun and McDonough (1989), and data of Wudalianchi potassic basalt are from Zhang Ming et al., 1995

4.3 Sr—Nd—Pb同位素特征

杏山火山群的Sr—Nd—Pb同位素数据见表3。杏山火山群的n(87Sr)/n(86Sr)值为0.70426～0.704493,n(143Nd)/n(144Nd)值为0.512788～0.512907,n(208Pb)/n(204Pb)值为37.975～38.108,n(207Pb)/n(204Pb)值为15.502～15.528,n(206Pb)/n(204Pb)值为17.912 ～18.085,εNd(0)(为εNd的现今值)为2.9～5.2。值得注意的是,含橄榄岩包体的样品较其他不含橄榄岩包体的样品的εNd(0)显著正异常(样品21JPH-50的εNd(0)值为5.2),且其微量元素特征与OIB最为相似(图8)。对这一现象,推测其成因是:无论是含包体的还是不含包体的岩浆都来自于软流圈,二者之所以会产生地球化学性质差异,主要是因为含包体的岩浆上升速度较快,在地壳中停留时间短。相较而言,不含包体的岩浆上升速度较慢,在地壳停留过程中有充分的时间与地壳物质产生混染。

表3 杏山火山群的全岩Sr—Nd—Pb同位素分析结果(微量元素含量单位为×10-6)Table 3 Sr—Nd—Pb isotope data of whole rocks in Xingshan Volcano Group (×10-6)

总体来看,4座火山的Sr—Nd—Pb同位素变化特征较为一致,暗示它们都来自于同一岩浆源区。在εNd与n(87Sr)/n(86Sr)的关系图解中(图9),杏山火山群样品的Sr—Nd同位素呈现良好的负相关关系,并且都落在第二象限内洋岛玄武岩(OIB)区域中,属于亏损地幔,并与宽甸和龙岗地区的玄武岩呈现相似的同位素组成。与镜泊湖地区相比,杏山火山群的εNd平均值更高,暗示其受到地壳混染程度更高,岩浆更为演化。在n(207Pb)/n(204Pb)与n(206Pb)/n(204Pb)的关系图解和n(208Pb)/n(204Pb)与n(206Pb)/n(204Pb)的关系图解中(图10),杏山火山群所有样品均位于北半球参考线(NHRL)上方、地球年龄线(Geochron)的右侧,且落在印度洋洋中脊区域(I-MORB),Pb同位素特征与宽甸和镜泊湖地区的相似。值得注意的是,与镜泊湖地区相比,杏山火山群n(206Pb)/n(204Pb)值更高。

图9 镜泊湖地区杏山火山群εNd与n(87Sr)/n(86Sr)的关系图解Fig.9 Diagram of the relationship between εNd and n(87Sr)/ n(86Sr) of the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area洋中脊玄武岩(MORB)数据引自Zou Haibo et al.(2000);洋岛玄武岩(OIB)数据引自Barry and Kent(1998);宽甸玄武岩、龙岗玄武岩和五大连池钾质玄武岩数据分别引自Basu et al.(1991)、闫峻等(2007)和Zhang Ming et al.(1995)Mid-ocean Ridge Basalt (MORB) data from Zou Haibo et al. (2000); Ocean Island Basalt (OIB) data from Barry and Kent (1998); Data of Kuandian basalt, Longgang basalt and Wudalianchi potassic basalt are quoted from Basu et al. (1991), Yan Jun et al. (2007) and Zhang Ming et al. (1995), respectively

图10 镜泊湖地区杏山火山群: (a)n(207Pb)/n(204Pb) 与n(206Pb)/ n(204Pb)关系图; (b)n(208Pb)/n(204Pb) 与n(206Pb)/ n(204Pb)关系图Fig.10 (a)Diagram of the relationship between n(207Pb)/n(204Pb) and n(206Pb)/n(204Pb); (b)Diagram of the relationship between n(208Pb)/n(204Pb) and n(206Pb)/n(204Pb) of the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area印度洋MORB(I-MORB)数据引自Barry and Kent (1998);太平洋和北大西洋MORB(P &N-MORB)数据引自Zou Haibo et al.(2000);EMI和EMⅡ数据引自Zindler and Hart(1986)。地球年龄线(Geochron)与北半球参考线(NHRL)引自Hart(1984)Indian Ocean MORB (I-MORB) data from Barry and Kent (1998); Pacific and North Atlantic MORB (P &N-MORB) data from Zou Haibo et al. (2000); EMI and EMⅡ data from Zindler and Hart (1986). The Earth Age Line (Geochron) and the Northern Hemisphere Reference Line (NHRL) are quoted from Hart (1984)

5 讨论

5.1 岩浆演化

5.1.1分离结晶

通常来说,玄武质岩浆演化是岩浆从源区向上运移至岩浆房或浅部的冷却结晶的过程(牛耀龄,2013)。前人根据镜泊湖火山群玄武岩SiO2与Na2O+K2O无显著相关性排除了镜泊湖玄武岩浆经历分离结晶的可能性。而杏山火山群样品Mg#= 60.84～61.67,Ni = 138×10-6～158×10-6,Cr = 176×10-6～215×10-6,低于原始岩浆Mg#= 68～75,Ni = 400×10-6～500×10-6,Cr>1000×10-6(Frey et al., 1978;Wilkinson and Le Matire,1987),说明该岩浆经历了分离结晶过程。在哈克图解上(图5),SiO2与CaO、MgO、FeOT、TiO2负相关,与Na2O显著正相关,说明单斜辉石、橄榄石和镁铁矿物可能参与了岩浆分离结晶过程。由于SiO2与Al2O3相关关系不明显,且Eu的异常不明显(δEu = 0.93～1.07),说明斜长石的分离结晶不显著。此外,在杏山火山群的岩相中所观察到的晶形良好且Fo值较低的橄榄石斑晶、具有反应边的单斜辉石斑晶和大量斜长石基质也证实了这一点。

5.1.2同化混染

幔源岩浆在上升的过程中受到地壳物质的影响,会发生同化混染作用。前人的主流观点认为杏山地区乃至镜泊湖地区没有发生明显的同化混染作用(Bai Xiang et al., 2021;李明涛等,2022),主要原因如下:① 镜泊湖地区玄武岩样品具有低SiO2,高Mg#和Sr—Nd同位素亏损的特征,结合野外观察到的熔岩流中广泛分布地幔包体的现象排除岩浆经历过同化混染作用。② 幔源岩浆发生地壳混染的样品会在La/Sm—La/Nb图解上呈现正相关关系,而镜泊湖地区玄武岩样品在该图解上并未呈现出任何相关性(Bai Xiang et al., 2021)。笔者等认为,杏山火山群样品的Nb弱负异常(Nb*= 0.81～0.98)本身就暗示了同化混染的可能性,野外考察所观察到的大量已熔融或部分熔融的泥岩、花岗岩包体和石英、长石捕虏晶也证实了这一观点。

相容元素(如Cr、Ni等)和不相容元素(如Rb、Ba、Nb、La等)是鉴别岩浆演化过程的重要依据,若幔源岩浆在演化过程中受到同化混染或岩浆混合作用,在微量元素关系比值图解中会呈现线性演化趋势(Cocherie,1986;赵振华,1997;王团华等,2006)。为此,笔者等采用了Pr/Sm—Ce/Sm和Nd/Yb—La/Yb关系图解来判断杏山火山群的岩浆是否发生了同化混染或岩浆混合。在图11a和11b中,杏山火山群样品均呈良好的正相关关系,说明岩浆在上升的过程中经历了同化混染或岩浆混合作用。除此之外,杏山火山群样品的Nb/U值为31.36～46.16(平均值为35.99),Ce/Pb值为10.19～25.24(平均值为17.52),均低于MORB与OIB的平均值(Nb/U = 47±10,Ce/Pb = 25±5)(Hofmann et al., 1986)。岩浆中混入来自大陆地壳的物质会对微量元素造成极大影响,加之大陆地壳中Nb/U与La/Nb值较低(Nb/U = 12.1,La/Nb = 14.1)(Taylor and McLennan,1995),这再一次印证了杏山火山群在上地壳经历了同化混染。

图11 镜泊湖地区杏山火山群的全岩微量元素比值相关性图解:(a) Pr/Sm与Ce/Sm;(b) Nd/Yb与La/Yb;(c) Nb/La与Sm/Nd;(d) La/Nb与Ba/NbFig.11 Correlation diagram of trace elements ratios of the volcanic rocks from the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area: (a) Pr/Sm and Ce/Sm; (b) Nd/Yb and La/Yb; (c) Nb/La and Sm/Nd; (d) La/Nb and Ba/Nb大陆上地壳(UCC)、大陆下地壳(LCC)、N-MORB的Nb/La、Sm/Nd、La/Nb、Ba/Nb均来源于Sun 和 McDonough (1989)Nb/La, Sm/Nd, La/Nb and Ba/Nb of Upper Crust of Continent (UCC), Lower Crust of Continent (LCC), N-MORB (Normal Mid-Ocean Ridge Basalt) are all from Sun and McDonough (1989)

为进一步确认同化混染发生的位置,笔者等采用了Ba/Th—(La/Sm)N关系图解(图12),可以看到杏山火山群样品全部落到了上地壳附近。此外,杏山火山群(La/Sm)N为3.8～4.72(平均值为4.31),Ba/Th为113.48～127.55(平均值为118.45),普遍高于上地壳的值((La/Sm)N= 4.26,Ba/Th = 60)。这再一次验证了同化混染作用于上地壳中。

图12 镜泊湖地区杏山火山群Ba/Th—(La/Sm)N的关系图解Fig.12 Diagram of the relationship between Ba/Th and (La/Sm)N for the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake areaOIB、N-MORB、原始地幔和地壳的数据来源于Sun &McDonough (1989)Data of OIB, N-MORB, primitive mantle and crust are from Sun &McDonough (1989)

那么,杏山火山群是否经历了岩浆混合作用呢?从Nb/La—Sm/Nd和La/Nb—Ba/Nb关系图解上(图11c、11d)可以看出,杏山火山群与镜泊湖火山群的Nb/La(或La/Nb)值几乎都在同一直线上,相较而言,Sm/Nd与Ba/Nb虽然值较小,但变化范围较大。与镜泊湖地区相比,杏山火山群样品沿地壳混染的趋势线分布,且主要集中在上地壳,这说明玄武岩浆在上升过程中发生了同化混染。根据野外所观察到的杏山火山群的火山岩含有大量部分熔融的砂岩、砾岩和花岗岩、片麻岩等壳源包体的情况间接地证实了岩浆在上升过程中经历了来自上地壳的同化混染而非岩浆混合作用。

由此推断,杏山火山群主要经历了以下地质过程:原始岩浆在上地幔中发生橄榄石和单斜辉石的分离结晶,形成碧玄岩和粗面玄武岩,随着岩浆不断上升,受周围的温度、压力与区域构造活动的影响,岩浆中较早晶出的斑晶呈现熔蚀麻点和反应边结构,岩浆上升至上地壳时发生了同化混染作用,同化混染—分离结晶作用(Assimilation Fractional Crystalization,AFC)相对较为微弱(图13)。

图13 镜泊湖地区杏山火山群n(87Sr)/ n(86Sr)与SiO2的关系图解(改自Ho Kunsuan et al., 2013)Fig.13 Diagram of the relationship between n(87Sr)/ n(86Sr) and SiO2for the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area (modified from Ho Kunsuan et al., 2013)

5.2 地幔源区探讨

前人关于镜泊湖火山区的岩浆起源问题存在不同认识,对杏山火山群更是研究薄弱。张招崇等(1999)根据Sr—Nd—Pb同位素分析得出镜泊湖东部的岩浆源区为亏损地幔(Depleted-MORB Mantle,DMM)和富集地幔I(Enriched Mantle Type I,EMI)的混合地幔,并认为其与软流圈地幔部分熔融有关。闫峻等(2007)分析得出镜泊湖地区Sr—Nd同位素明显亏损,Pb同位素具有类似Dupal特征。Bai Xiang et al.(2021)认为镜泊湖地区中新世—更新世玄武岩岩浆来源于EMⅡ和石榴子石橄榄岩的部分熔融,全新世岩浆来源于EMI、EMⅡ的混合端元。尽管这样,但前人的研究主要集中在镜泊湖的火山口森林和蛤蟆塘火山区,对位于东南部的杏山火山群研究甚少。为弥补这一不足,笔者等基于Sr—Nd—Pb同位素数据来探究一下杏山火山群的岩浆源区,并将其与同期喷发的镜泊湖中新世—更新世玄武岩的源区进行一下对比与成因分析。

从n(143Nd)/n(144Nd)和n(206Pb)/n(204Pb)的关系图解来看(图14),杏山火山群样品均落到了第二象限(偏亏损地幔)的BSE与PREMA之间,而镜泊湖中新世—更新世玄武岩样品则落入第四象限(偏富集地幔)的BSE中,并有向EMⅡ演化的趋势。与镜泊湖中新世—更新世玄武岩样品相比,杏山火山群样品离PREMA更近,说明其受原始地幔直接熔融影响更大。在n(207Pb)/n(204Pb)和n(206Pb)/n(204Pb)的关系图解上(图15),杏山火山群样品都落在了BSE与PREMA之间,与前文得出的结论相一致。此外,在图9和图10中,杏山火山群与镜泊湖、龙岗火山群的岩浆源区较为相似,落在I-MORB区域内。不同的是,与镜泊湖地区相比,杏山火山群样品的εNd和n(206Pb)/n(204Pb)值更高。总体而言,杏山火山群的岩浆源区为PREMA与BSE的混合源,镜泊湖中新世—更新世火山为BSE与EMⅡ的混合源。那到底是什么原因造成了二者的差异呢?笔者等从以下三个方面来进行分析。

图14 镜泊湖地区杏山火山群n(206Pb)/ n(204Pb)与n(143Nd)/ n(144Nd)的关系图解Fig.14 Diagram of the relationship between n(206Pb)/ n(204Pb) and n(143Nd)/ n(144Nd) for the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake areaDM—亏损地幔;BSE—全硅酸盐地球;EMⅠ—Ⅰ型富集地幔;EMⅡ—Ⅱ型富集地幔;HIMU—具有高U/Pb值的地幔;PREMA—流行地幔(即经常观察到的普通地幔);NHRL—北半球参考线;MORB—洋中脊玄武岩;OIB—洋岛玄武岩DM—Depleted Mantle; BSE— Bulk Silicate Earth; EMⅠ— Enriched Mantle Type Ⅰ; EMⅡ— Enriched Mantle Type II; HIMU— Mantle with a high μ (U/Pb) ratio; PREMA— Prevalent Mantle; NHRL— Northern Hemisphere Reference Line; MORB— Mid-Ocean Ridge Basalt; OIB— Ocean Island Basalt

图15 镜泊湖地区杏山火山群n(206Pb)/ n(204Pb)与n(207Pb)/ n(204Pb)的关系图解Fig.15 Diagram of the relationship between n( 206Pb)/n(204Pb ) and n( 207Pb)/ n(204Pb) for the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area

(1)岩浆源区的不均一性。前人根据镜泊湖地区Sr—Nd同位素亏损的特征认为其岩浆源区为软流圈(Zou Haibo Haibo et al., 2000)。杏山火山群与镜泊湖火山群具有空间相邻、时间相似、Sr—Nd同位素同样亏损的特征,暗示杏山火山群岩浆源区同样来自软流圈,而二者不相容元素的异常反映了地幔源区的不均一性。具体表现为:在微量元素标准化配分图上(图8),杏山火山群具有Ba、Ta正异常和Th、Nb负异常,而镜泊湖中新世—更新世玄武岩的Ba、Ta、Th、Nb异常状况恰好与杏山火山群的相反。对此,前人已将Ta、Nd的异常归因于俯冲板块的富集作用、地壳物质的同化混染作用和副矿物的分离结晶作用(隋建立等,2007)。

(2)部分熔融。为了衡量与验证部分熔融作用对玄武岩的影响,笔者等对地幔源岩平衡部分熔融进行了模拟分析(Streck and Grunder,2012;郭文峰等,2014)。由图可知(图16),与镜泊湖中新世—更新世玄武岩样品相比,杏山火山群样品的变化范围较小,且其部分熔融程度略高于镜泊湖中新世—更新世玄武岩。此外,前人研究表明,镜泊湖地区经历过交代富集作用(张招崇等,1999)。Th/Yb—Ba/Y关系图解表明(图17),杏山火山群也经历了一定的富集交代作用,但与镜泊湖地区相比,杏山火山群源区富集程度略高,暗示杏山火山群的熔融程度略低于镜泊湖中新世—更新世玄武岩,且其碱玄岩也来自于石榴子石橄榄岩的部分熔融。综上,杏山火山群的部分熔融程度略低于镜泊湖中新世—更新世玄武岩,但二者相差不大。因此部分熔融并非是最主要的影响因素。

图16 镜泊湖地区杏山火山群地幔源区部分熔融程度图(改自郭文峰等,2014)Fig.16 Partial melting diagram of mantle source for the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area (modified from Guo Wenfeng et al., 2014&)采用批式熔融模式,合理假设部分熔融程度为18%来进行模拟。模拟曲线:假设Hf/Ta和La/Yb只受单斜辉石(Cpx)和石榴子石(Gt)的控制。D(La, Melt—Cpx) = 0.0536,0.0515;D(La, Melt—Gt) = 0.016;D(Yb, Melt—Cpx) = 0.43,0.633,D(Yb, Melt—Gt) = 3.88;D(Hf, Melt—Cpx) = 0.256,0.195,D(Hf, Melt—Gt) = 1.22。D(Ta, Melt—Cpx) = 0.0077,0.0081,D(Ta, Melt—Gt) = 0.0538。详细过程参见郭文峰等(2014)The batch melting mode is adopted, and the partial melting degree is reasonably assumed to be 18% for simulation. Simulation curve: Assume that Hf/Ta and La/Yb are controlled only by clinopyroxene (Cpx) and garnet (Gt). D(La, Melt—Cpx) = 0.0536,0.0515;D(La, Melt—Gt) = 0.016;D(Yb, Melt—Cpx) = 0.43,0.633,D(Yb, Melt—Gt) = 3.88;D(Hf, Melt—Cpx) = 0.256,0.195,D(Hf, Melt—Gt) = 1.22. D(Ta, Melt—Cpx) = 0.0077,0.0081,D(Ta, Melt—Gt) = 0.0538。For detailed procedures, see Guo Wenfeng et al. (2014)

图17 镜泊湖地区火山岩Th/Yb与Ba/Y的关系图解(改自张招崇等,2000)Fig.17 Diagram of the relationship between Th/Yb and Ba/Y for the volcanic rocks in Jingpo Lake area (modified from Zhang Zhaochong et al., 2000&)

(3)岩浆演化的差异。前已述及,杏山火山群在岩浆演化过程中受到强烈的同化混染、分离结晶作用以及微弱的AFC作用。而前人已根据镜泊湖地区广泛分布的地幔捕虏体排除了镜泊湖中新世—更新世玄武岩经历同化混染和分离结晶的可能性(Bai Xiang et al., 2021)。因此,岩浆演化是造成杏山火山区的火山岩与镜泊湖中新世—更新世火山源区的火山岩差异的重要影响因素之一。

6 结论

笔者等通过对杏山火山群的火山地质、岩相学、地球化学以及Sr—Nd—Pb同位素分析,得出以下结论:

(1)杏山火山群属于碧玄岩和粗面玄武岩。杏山火山群的玄武岩的微量元素、稀土元素配分型式与同期的镜泊湖火山岩较为相似,都具有类似OIB玄武岩的特征,且两个地区的玄武岩都来源于石榴子石橄榄岩的部分熔融。不同的是,杏山火山群的部分熔融程度略低于同期的镜泊湖玄武岩。

(2)杏山火山群4座火山是岩浆同源的,皆为原生岩浆发生橄榄石和单斜辉石分离结晶后形成的碧玄岩和粗面玄武岩岩浆。随着岩浆不断上升,受周围的温度、压力与区域构造活动的影响,岩浆中较早晶出的斑晶出现熔蚀麻点与反应边结构,岩浆上升至上地壳时发生了同化混染作用,而AFC作用较为微弱。

(3)杏山火山群的岩浆源区为PREMA与BSE端元的混合源。与之空间相邻、时间相似的镜泊湖中新世—更新世火山源区为EMⅡ与BSE端元的混合源,岩浆源区的不均一性和岩浆演化过程中所经历的同化混染作用是造成两者岩性差异的主要影响因素。