俄羅斯遠東陸內高鎂安山巖的發現及其地質意義

陳佳卉, 唐杰, 許文良,2, Sorokin A A, 郭鵬

1.吉林大學 地球科學學院，長春 130061；2.自然資源部 東北亞礦產資源評價重點實驗室，長春 130061；3.俄羅斯科學院 遠東分院地質與自然管理研究所，布拉戈維申斯克 675000, 俄羅斯

0 引言

高鎂安山巖是指那些與典型島弧安山巖相比，具有更高的MgO(>5%)、更低的FeOT/MgO(<1.5)，以及Al2O3<16%和CaO<10%為特征的安山巖[1]，或Mg#>45和SiO2=54%～65%的安山巖[2]。高鎂安山巖因其獨特的地球化學屬性和與大陸地殼平均成分的相似性，其成因研究對揭示地球分異演化和大陸地殼生長等重大地質問題具有重要意義，近幾十年來已經得到了廣泛研究[3--16]。晚太古代時期因其高的地溫梯度，高鎂安山巖可能曾經大規模噴發[17]，然而在新生代，高鎂安山巖的出露相對較少，且多形成于島弧環境，而大陸板塊內環境下形成的高鎂安山巖可謂屈指可數[18--20]。本文報道了俄羅斯遠東地區新識別的陸內高鎂安山巖，這對揭示新生代東亞大地幔楔的形成與演化具有重要意義。

1 地質背景

俄羅斯遠東地區位于中亞造山帶東段。古生代期間，該區主要受古亞洲洋構造體系演化的影響，主要表現為多個微陸塊的碰撞拼合。中生代期間，不僅受到北部蒙古—鄂霍茨克構造體系的疊加與改造，更為重要的是該區受到了來自東部環太平洋構造體系的疊加與改造[21--22]。自中生代晚期以來，東北亞大陸邊緣(包括俄羅斯遠東和中國東北地區)的構造演化主要受西太平洋板塊俯沖的控制[23]。中生代晚期，東亞陸緣大型盆地、變質核雜巖的形成及大面積火山巖和花崗巖的形成均受到西太平洋板塊俯沖的制約。進入到新生代，該區主要受到太平洋板塊西向俯沖作用的影響，俯沖板片的后撤和古太平洋板塊與太平洋板塊之間洋脊俯沖作用的發生，導致了東北亞陸緣從活動陸緣轉變成溝--弧--盆體系，并導致了東亞大地幔楔的形成[24--26]。

俄羅斯遠東和中國東北新生代玄武質巖石主要沿深大斷裂分布(圖1)。研究區位于俄羅斯遠東南部的阿穆爾州(圖1)，該區發育古近系和新近系，新近系分布較廣。依據前人的K--Ar測年結果，研究區玄武質安山巖的K--Ar年齡為17.1～20.6 Ma，為中新世早期[28]。

圖1 中國東北和俄羅斯遠東地區新生代火山巖分布圖[18,27]與采樣點位置
Fig.1 Simplified geological map of spatial distribution of Cenozoic volcanic rocks in eastern China and Russian Far East and sampling locations

2 俄羅斯遠東火山巖的巖石學特征

對俄羅斯遠東地區兩個地點共采集了14個新鮮的火山巖樣品。樣品17R19和17R20分別是采樣點號(圖1)，相對應的GPS坐標分別為：49°12′22.10″N，130°42′30.71″E和49°25′42.81″N，130°06′14.64″E，每個采樣點對應多個分析樣品，分別編號如17R19--1、17R19--2和17R20--3、17R20--4等。

研究樣品非常新鮮，這也得到了燒失量小(0.01% ～ 0.93 %)和顯微鏡下巖相學觀察的支持。巖石為灰黑色到黑色，主要為斑狀結構、塊狀構造和氣孔--杏仁構造。在野外和顯微鏡下均未發現外來的捕擄體或捕擄晶。

樣品17R19--2為橄欖玄武巖，灰黑色，斑狀結構，基質為間粒--間隱結構，塊狀構造。斑晶為橄欖石，斑晶粒度介于0.3～0.6 mm,呈雙錐狀自形晶，其含量約占2% (體積百分比) ?；|含量約占98%，主要由斜長石微晶和填隙的輝石、不透明礦物或玻璃質/隱晶質組成(圖2a-c)。

圖2 俄羅斯遠東高鎂安山巖顯微鏡下的代表性照片Fig.2 Representative microphotographs of high-Mg andesites from Russian Far East

樣品17R20--2和17R20--3均為玄武安山巖，呈黑色，具間粒結構、塊狀構造和氣孔--杏仁構造。斑晶礦物為斜方輝石和斜長石，其含量約占5%?；|含量約占95%，主要由斜長石微晶和粒間輝石及不透明礦物組成，同時粒間也有玻璃質或隱晶質(圖2d-f)。

3 分析方法

3.1 礦物電子探針分析

玄武質巖石中礦物電子探針分析在國家海洋局海底科學重點實驗室完成。電子探針儀器主機型號為JXA--8100，能譜儀為Oxford INCA X-sight，分析加速電位15 kV、束流20 nA，束斑15～20 μm；修正方法ZAF；標準樣品為美國SPI公司53種礦物。斑晶礦物主量元素分析結果見表1。

3.2 全巖主量分析

全巖主量元素分析在中國地質大學(武漢)地質過程與礦產資源國家重點實驗室完成。主量元素采用熔片玻璃X熒光光譜法(XRF)分析，除了制備玻璃片外， 還需稱取 0.5 g樣品粉末在 1 050℃下做燒失量(LOI)。對國際標樣BCR--2(玄武巖)、BHVO--1(玄武巖)和 AGV--1(安山巖)的分析結果表明，主量元素分析精度和準確度優于5%。俄羅斯遠東新生代玄武質巖石的主量元素分析結果見表2。

4 分析結果

4.1 礦物化學

4.1.1 橄欖石

橄欖石斑晶的SiO2=38.63%～40.03%, MgO=38.20%～44.78%, FeO=14.94%～23.20%, NiO=0.22%～0.35%, Mg#= 74.6～84.2，屬于貴橄欖石變種(表1)。

4.1.2 輝石

巖相學觀察表明，新生代玄武巖中的輝石礦物為斜方輝石和單斜輝石。斜方輝石斑晶的SiO2=54.32%～54.33%，TiO2=0.28%～0.33%，Al2O3=1.32%～2.40%，MgO=26.30%～27.84%，FeO=12.54%～14.40%，CaO=1.77%～2.06%，Mg#=76.5～79.8，屬于古銅輝石。此外，斜方輝石具有正環帶，核部為En76.29Fs19.67，邊部為En72.74Fs22.81(表1)。單斜輝石的SiO2=52.14%～52.25%，TiO2=0.82%，Al2O3=1.75%～2.09%，MgO=17.23%～17.44%，FeO=10.14%～12.26%，CaO=14.24%～16.38%，它們的Wo=33.31～29.12，En=49.65～48.75，Fs=20.08～16.50,屬于普通輝石變種。此外，單斜輝石也顯示微弱的正環帶，核部為En49.65Fs20.08，邊部為En48.75Fs16.50(表1)。

4.1.3 斜長石

斑晶中斜長石的SiO2=54.66%～57.09%，Al2O3=26.01%～27.48%，CaO=9.67%～11.50%，Na2O=4.92%～5.54%，An值介于47.1～55.3之間，屬于中長石和拉長石。部分斜長石斑晶顯示正環帶，核部An=55.3～51.3，邊部An=50.3～48.7(表1)。與斑晶斜長石相比，基質中斜長石的An值相對偏低(47.1～51.3)，主體屬于中長石。

4.2 主量元素

俄羅斯遠東新生代玄武質巖石的SiO2=55.42%～57.34%,TiO2=1.48%～1.69%,Al2O3=14.61%～15.01%,MgO=4.92%～5.78%,Fe2O3=8.58%～8.89%,Mg#[100 Mg/(Mg+Fe2+)]=53.1～56.3,CaO=5.82%～6.62%,(Na2O+K2O)=5.15%～6.45%(表2)。在TAS圖上(圖3)， 這些中新世玄武質巖石屬亞堿性系列， 其巖性為玄武粗安山巖、玄武安山巖和安山巖。該類巖石在巖石化學組成上，與典型高鎂安山巖相似—符合Tatsumi等[1]和Kelemen[2]劃分的高鎂安山巖標準。因此，可將俄羅斯遠東地區新生代玄武質巖石定義為高鎂安山巖。

表2 俄羅斯遠東新生代高鎂安山巖主量元素組成

注: Mg#=100*(MgO/40.31)/( MgO/40.31+FeOT/71.85)。

圖3 俄羅斯遠東高鎂安山巖全巖 SiO2與全堿(Na2O+K2O)協變圖[36](a)及SiO2與Mg#協變圖(b)Fig.3 Plot of SiO2 versus Na2O+K2O (a) and SiO2 versus Mg# (b) for high-Mg andesites in Russian Far East

圖4 俄羅斯遠東地區高鎂安山巖MgO與其他氧化物和微量元素的協變圖Fig.4 Plots of MgO versus other oxides and trace elements for high-Mg andesites in Russian Far East

此外，這些俄羅斯遠東新生代高鎂安山巖與中國境內發現的遜克高鎂安山巖具有相似的化學成分，比大興安嶺五岔溝新生代高鎂安山巖具有相對偏高的堿性組分含量，在化學組成上明顯不同于東北新生代鉀質玄武巖和鈉玄武巖[29--35](圖3)。

在MgO與其他主量元素的相關圖解(圖4)上，俄羅斯遠東地區新生代高鎂安山巖的MgO的變化范圍很小(4.92%～5.78%)，與SiO2、CaO、Al2O3、K2O、Fe2O3、CaO/Al2O3、Ni、Sc之間都沒有明顯的相關性，巖漿演化微弱。結合這些高鎂安山巖的Mg#值(53.1～56.3)，暗示這些高鎂安山巖具有原始巖漿的成分特征。

5 俄羅斯遠東新生代高鎂安山巖發現的地質意義

俄羅斯遠東地區出露的新生代高鎂安山巖，是東亞陸緣新生代陸內巖漿作用的重要組成部分。傳統上，高鎂安山巖主要產于匯聚板塊的邊緣，通常與年輕的、熱的大洋板片俯沖作用有關[2], 這些高鎂安山巖的成因研究對揭示俯沖帶殼幔相互作用和地殼的生長與演化具有重要意義。近年來，陸內高鎂安山巖的發現與研究，較好地揭示了再循環陸殼物質部分熔融的熔體與地幔橄欖巖反應過程的存在[14,20,37]，這為揭示陸--陸俯沖碰撞造山帶大陸巖石圈的形成與演化及其成分多樣性提供了關鍵證據。俄羅斯遠東地區新生代陸內高鎂安山巖的成因如何？它們的形成與太平洋板塊西向俯沖有何聯系？東北亞新生代陸內高鎂安山巖的形成與東亞大地幔楔的形成與演化有何聯系？這些都是進一步深入研究問題。

6 結論

(1)俄羅斯遠東新生代火山巖具有MgO>5%、(FeOT/MgO)<1.5、Al2O3<16%、CaO<10%以及Mg#>45的地球化學屬性,屬于高鎂安山巖。

(2)俄羅斯遠東新生代高鎂安山巖具有相對均勻的化學組成，暗示巖漿沒有經歷明顯的分異演化，具有原始巖漿的屬性。

(3)俄羅斯遠東地區發現的新生代高鎂安山巖，是東北亞新生代板內巖漿作用的重要組成部分，其發現對揭示東亞大地幔楔的形成與演化以及洋--陸相互作用具有重要的意義。

致謝：感謝國家海洋局海底科學重點實驗室在高鎂安山巖礦物電子探針分析和中國地質大學(武漢)地質過程與礦產資源國家重點實驗室在全巖主量元素分析中給予的幫助和支持。