大興安嶺火山巖帶中北部中侏羅世中酸性火山巖的厘定及其地質意義

李中會,李 陽,李睿杰,蘇 航,李 凱

(1. 黑龍江省地質調查研究總院,黑龍江 哈爾濱 150036; 2. 黑龍江省齊齊哈爾地質勘查總院,黑龍江 齊齊哈爾 161006)

大興安嶺火山巖帶是我國東部中生代巨型火山巖帶的重要組成部分,大地構造屬于興蒙造山帶[1]。古生代以來,大興安嶺地區經歷了古亞洲洋閉合、蒙古—鄂霍茨克洋閉合及古太平洋板塊俯沖等演化階段[2-5],形成了復雜多樣的構造-巖漿巖活動[2,6-15]。中生代火山活動既與重要的多金屬成礦有關[16-32],也是東北地區構造-巖漿演化研究的主要對象[3,11,33-36]。露頭有限、化石稀少以及同位素測試精度限制給大興安嶺火山巖地層正確劃分帶來較大影響,導致巖石成因及其形成的構造背景爭議較大[8-9,11-13,34],制約了對該火山巖帶乃至東北地區中生代地層格架、巖漿活動及構造背景的認識。

大興安嶺中生代火山活動主要發生在晚侏羅世—早白堊世,少量火山活動發生在中侏羅世,中侏羅世火山活動產物主要有大興安嶺火山巖帶南段新民組酸性火山巖和中北段塔木蘭溝組中基性火山巖。近些年來,隨著鋯石U-Pb同位素年代學測試方法的應用,在中北段陸續發現一些年齡為161.6～167.0 Ma[37-40]的中酸性、酸性火山巖。以流紋巖為主的酸性火山巖與塔木蘭溝組中基性火山巖構成雙峰式火山巖組合[37],而以粗安巖、粗面英安巖為主的中酸性火山巖成因目前還不清楚。本文通過滿歸林業局北岸林場一帶出露的以粗安巖、粗面英安巖為主的中酸性火山巖開展巖石學、地球化學、鋯石U-Pb年代學研究,分析巖石成因及構造環境,以期為大興安嶺乃至中國東北地區構造-巖漿活動的研究提供新的參考資料。

1 地質概況

研究區地處大興安嶺火山巖帶中北段,大地構造位置位于額爾古納地塊北緣[3](圖1(a)),行政區劃屬內蒙古自治區呼倫貝爾市滿歸林業局。研究區出露的地層主要為早侏羅世滿歸變中酸性火山巖(J1M),巖性為溢流相變流紋巖、變英安巖、變安山巖及少量空落相變火山灰凝灰巖;中侏羅世中酸性火山巖(J2b),巖性為溢流相粗安巖、粗面英安巖、空落相粗面英安質凝灰巖、火山碎屑流相流紋質熔結凝灰巖和火山通道相含集塊角礫巖;晚侏羅世瑪尼吐組(J3mn)中酸性火山巖,巖性為溢流相英安巖。侵入巖出露面積較大,以大量早侏羅世花崗巖(γJ1)、晚侏羅世花崗巖(γJ3)和少量晚三疊世花崗巖(γT3)區別于前人劃分的新元古代—古生代侵入巖[3,41]。研究區南部以NE-NEE向韌-脆性斷裂為主,對中侏羅世及中侏羅世以前的填圖單元有不同程度的改造作用(圖1(b))。

1.晚侏羅世瑪尼吐組； 2.中侏羅世中酸性火山巖；3.早侏羅世滿歸變中酸性火山巖；4.晚侏羅世花崗巖；5.早侏羅世花崗巖；6.晚三疊世花崗巖；7.碎裂帶；8.糜棱巖化帶；9.地質界線/不整合界線；10.火山口；11.剖面及編號；12.同位素樣品采樣位置及編號圖1 研究區大地構造位置(a)及地質簡圖(b)Fig. 1 Geotectonic location(a) and geological sketch map (b) of the study area

2 巖石學特征

北岸林場一帶中酸性火山巖,早期以碎屑流相流紋質熔結凝灰巖和空落相粗面英安質凝灰巖為主,晚期出現溢流相粗安巖、粗面英安巖(圖2)。巖石受碎裂構造和糜棱巖化作用的影響普遍具有黏土化、綠簾石化、綠泥石化、絹云母化、碳酸鹽化、硅化現象,區別于晚侏羅世瑪尼吐組中酸性火山巖。

粗安巖新鮮面呈灰色,斑狀結構,塊狀構造(圖3(a))。主要礦物由斑晶斜長石(2%～8%)、角閃石(3%～4%)、黑云母(1%)、基質(87%～94%)組成(圖3(b))。斑晶斜長石,半自形板狀、寬板狀,聚片雙晶較細,為更長石,被黏土礦物、綠簾石及少量綠泥石交代,大小0.3～2.3 mm;角閃石,自形暗化,其中一粒呈六邊形,被綠泥石集合體交代具角閃石假象,大小0.5～1.0 mm;黑云母,片狀多暗化,中心綠泥石化,大小0.3～0.5 mm?；|斜長石微晶板狀,顆粒0.05～0.15 mm,沿流動構造半定向分布,晶體常鑲嵌在長英質集合體斑塊中,有少量硅質顆粒為后期進入,雜亂交代,含量<5%。

粗面英安巖新鮮面呈淺灰色,斑狀結構,塊狀構造、碎裂構造。斑晶斜長石,半自形板狀,聚片雙晶寬窄不一,弱環帶,更中長石,晶面弱黏土化,部分晶面中心絹云母鱗片集合體密集交代、綠簾石集合體斑點狀交代,大小0.15～4 mm,含量35%～40%;角閃石呈柱狀,綠色,柱面一組解理,斜消光,部分晶面褪色或被碳酸鹽、綠泥石、綠簾石不均勻交代,大小0.15～2 mm,含量1%～3%?；|鉀長石與石英混晶集合體呈斑塊狀,其中嵌布柱狀斜長石微晶,少量粒狀石英呈零散狀分布,并有鐵質散布其中。

1.含集塊角礫巖； 2.流紋質含角礫熔結凝灰巖；3.流紋質晶屑熔結凝灰巖；4.流紋質熔結凝灰巖；5.粗安巖；6.粗面英安巖；7.粗面英安質晶屑凝灰巖；8. 粗面英安質角礫凝灰巖；9. 粗面英安質巖屑晶屑凝灰巖；10.變砂巖；11.石英正長斑巖；12.花崗巖圖2 研究區中酸性火山巖實測剖面(P13)圖Fig. 2 Measured section of intermediate-acidic volcanic rocks (P13) in the study area

Pl.斜長石；Bi.黑云母；Hb.角閃石圖3 北岸林場一帶粗安巖(P13LT3B9)野外露頭(a)和顯微照片(b)Fig. 3 Outcrop (a) and photomicrograph (b) of trachyandensite (P13LT3B9) in Beian-Linchang area

3 樣品分析方法

鋯石分選工作在河北省廊坊區域地質調查研究院地質實驗室完成,樣品靶制備在北京鋯年領航科技有限公司實驗室完成,鋯石陰極發光照相和LA-ICP-MS 同位素測定在中國地質調查局天津地質調查中心實驗室完成。樣品采用常規方法進行粉碎、淘洗,保留重砂礦物,再用電磁選方法分選出鋯石,雙目鏡下選出晶形較好的鋯石,然后將鋯石粘貼在環氧樹脂表面,打磨拋光后露出鋯石表面,完成樣品制靶,對鋯石進行透射光、反射光和陰極發光(CL)照相,確定所測鋯石位置。在中國地質調查局天津地質調查中心實驗室利用193 mm激光器對鋯石進行剝蝕,激光剝蝕束斑直徑為35 μm。采用標準鋯石TEMORA作為外標校正U-Pb同位素分餾,利用NIST612玻璃標樣作為外標計算鋯石樣品的U、Th、Pb含量,詳細的實驗原理和流程見參考文獻[42]。采用ICP-MS Data Cal程序[43]和Isoplot(ver3.0)程序[44]進行數據處理。

主量元素、稀土元素及微量元素分析在中國地質調查局沈陽地質調查中心實驗室完成,主量元素采用X射線熒光光譜儀(Axiosmax)分析,分析誤差<5%。稀土元素及微量元素采用電感耦合等離子質譜儀(X-seriseⅡ)分析,分析誤差<10%。

4 鋯石U-Pb年齡

本次選送了1個具有代表性的粗安巖樣品進行同位素年齡測定,樣品采自北岸林場西南5 km激流河北岸路塹。測年樣品中鋯石顆粒在透射光和反射光下大部分為淺黃色-無色,少許色調偏暗,半透明-透明狀。鋯石粒徑為110～300 μm,晶形多具熔蝕現象,棱角圓化,以它形粒狀為主,少數為半自形柱狀,長寬比為1∶1～4∶1。鋯石陰極發光圖像(圖4(a))顯示鋯石內部結構清晰,均發育典型的振蕩環帶結構,Th/U值均>0.4,表明鋯石均為巖漿成因[45]。選擇了25顆自形程度和透明度均較好的鋯石進行LA-ICP-MS U-Pb分析,諧和年齡圖見圖4(b),鋯石U-Pb同位素測試結果見表1。

圖4 粗安巖(P13LT3B9)鋯石CL圖像(a)及諧和年齡圖(b)Fig. 4 Zircon CL images (a) and concordia diagram (b) of trachy dacite(P13LT3B9)

表1 粗安巖(P13LT3B9)LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素測試結果

25個測點的U-Pb加權平均年齡分為2組:第一組有9個測點(測點位置在鋯石核部及邊緣)落于諧和曲線上,加權平均年齡為(212±1) Ma;第二組有16個測點(測點位置在鋯石核部及邊緣)也落于諧和曲線上,加權平均年齡為(166±1) Ma。兩組鋯石均為巖漿成因,形貌相似,難以區分。研究區存在晚三疊世花崗巖,時代與第一組鋯石年齡相近,暗示第一組鋯石可能是來源于晚三疊世花崗巖的捕獲鋯石。研究區及附近未見與第二組鋯石年齡相近的侵入巖,因此,第二組鋯石年齡可能代表了粗安巖的成巖年齡。鋯石U-Pb年齡分析表明,巖石形成于中侏羅世。

5 地球化學特征

北岸林場一帶中酸性火山巖主量元素、微量元素含量及特征參數見表2。

表2 北岸林場一帶中酸性火山巖主量元素、微量元素含量及特征參數

5.1 主量元素

北岸林場一帶中酸性火山巖SiO2含量為59.58%～68.34%,Al2O3含量為14.50%～16.48%,Na2O含量為4.51%～4.92%,K2O含量為3.27%～3.97%,(Na2O+K2O)為7.78%～8.84%,K2O/Na2O為0.73～0.82,MgO含量為0.75%～2.67%,Mg#值為25.5～44.4,顯示巖石相對富鈉、低鉀、堿含量偏高、鎂含量偏低的特征。在TAS分類圖(圖5)中,樣品點主要落入堿性靠近亞堿性區,有2個樣品落入粗面英安巖區,1個落入粗安巖區,與實際命名相吻合,A/CNK為0.91～0.97(<1),里特曼指數σ為3.01～3.65,反映巖石具有中酸性準鋁質偏堿性的特征。

圖5 北岸林場一帶中酸性火山巖TAS分類圖Fig. 5 TAS classification diagram of intermediate-acidic volcanic rocks in Beian-Linchang area

5.2 稀土及微量元素

北岸林場一帶中酸性火山巖稀土元素總量(ΣREE)為(160.6～274.3)×10-6,輕、重稀土元素分餾較為明顯,(La/Yb)N為6.56～11.79,輕稀土元素相對富集,重稀土元素相對虧損。球粒隕石標準化稀土元素配分曲線圖(圖6(a))上,曲線表現為右傾“海鷗式”,具弱的負Eu異常(δEu=0.60～0.81)。在原始地幔標準化微量元素蛛網圖(圖6(b))中,大離子親石元素相對富集Rb、Th、U,貧Sr,高場強元素貧Nb、Ta、Ti。

圖6 北岸林場一帶中酸性火山巖球粒隕石標準化稀土元素配分曲線圖(a)及原始地幔標準化微量元素蛛網圖(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 討論

6.1 構造環境

巖石A/CNK為0.91～0.97(<1),(La/Yb)N為6.56～11.79,具弱的負Eu異常,所有樣品具有相似的輕稀土元素相對富集而重稀土元素相對虧損的右傾型稀土元素配分模式,大離子親石元素相對富集Rb、Th、U,貧Sr,高場強元素貧Nb、Ta、Hf、Ti,具有俯沖帶巖漿弧作用的特點[36,46]或造山帶I型花崗巖特點[47-48]。巖石Al2O3含量為14.50%～16.48%、DI為 68.73～85.83,與PETRO W J[49]定義的壓性與張性環境(壓性Al2O3含量為13.95%～14.90%,DI為83.10～83.34;張性Al2O3含量為12.23%～13.34%,DI為88.87～91.97)巖漿巖對比,巖石形成于壓性環境。lg[CaO/(K2O+Na2O)]-SiO2構造環境判別圖(圖7(a))中樣品點落入擠壓型區;在R1-R2構造環境判別圖(圖7(b))中,樣品點同樣落入造山晚期。

圖7 北岸林場一帶中酸性火山巖構造環境判別圖Fig. 7 Tectonic setting discrimination of intermediate-acidic volcanic rocks in Beian-Linchang area

綜上所述,筆者認為北岸林場一帶中酸性火山巖形成的構造環境為與俯沖背景有關的造山晚期擠壓構造環境。

6.2 巖漿源區

火山巖源區主要觀點有[50]:幔源玄武巖漿的結晶分異作用;深部巖石的部分熔融;殼幔巖漿混合。北岸林場一帶中酸性火山巖具有較強的Nb虧損,顯示了大陸地殼的特征[51]。Th、U相對富集,與大陸地殼物質和海洋沉積物強烈富集Th、U特征一致,反映其源區可能為大陸地殼[52]。在巖漿體系演化過程中,Nb/Ta值比較穩定,在大陸地殼中,Nb/Ta值約為11,而地幔和源于地幔的巖漿熔體Nb/Ta值約為17.5[53],北岸林場一帶中酸性火山巖Nb/Ta值為10.11～12.34,與大陸地殼接近。Cr含量為(10.9～20.2)×10-6,與烏蘭浩特地區殼源中性火山巖Cr含量(13.9～37.0)×10-6[54]相近。巖石相對偏高硅、富堿、貧鎂,富集大離子親石元素Rb、Th、U,虧損Sr、Nb、Ti,表明這些巖石應為地殼物質部分熔融的產物[55]。粗安巖樣品Mg#值為29.4,粗面英安巖樣品Mg#值為25.5～44.4,其中1個樣品Mg#值偏低(<40)[56],反映與上述一系列巖化指數等判別巖漿來源于地殼物質相吻合。P14B31-1樣品Mg#值為44.4,位于中酸性火山巖南緣,巖石經歷了構造破碎或糜棱巖化作用,較強的綠泥石化和絹云母化等可能造成了巖石Mg#值偏高,考慮其他2個樣品Mg#值均較低,判斷巖漿來源與幔源成分關系不大。綜上所述,北岸林場一帶以粗安巖、粗面英安巖為主的中酸性火山巖巖漿來源于地殼物質的部分熔融。

前文在討論粗安巖樣品鋯石CL陰極發光圖像和測年結果時得到巖漿有晚三疊世侵入巖的參與。但晚三疊世侵入巖是作為母巖經歷部分熔融作用為中酸性火山巖提供了巖漿,還是作為圍巖捕虜體參與了中酸性火山巖漿活動,需要結合一些指標進一步判定。Nb/Ta值在巖漿體系演化過程中比較穩定,研究區晚三疊世花崗巖年齡為205～219 Ma[41],花崗巖Nb/Ta值為16.50,顯然與北岸林場一帶中酸性火山巖的Nb/Ta值(10.11～12.34)相差較大,可知晚三疊世花崗巖并不是中酸性火山巖的母巖。

6.3 地質意義

北岸林場一帶中酸性火山巖形成的構造背景為與俯沖背景有關的造山晚期擠壓構造環境。區域資料[57]反映大興安嶺南段存在中侏羅世陸相含煤盆地,中北段存在雙峰式火山巖組合[37],中南段林西縣一帶存在中侏羅世(170 Ma)輝綠巖巖墻群[9],北段新開嶺一帶存在中侏羅世變質核雜巖[58],一系列巖漿作用與構造活動表明大興安嶺在中侏羅世主要處于伸展構造背景。同一時代構造上不太可能存在既張性又擠壓的“等時異相”現象。

早中生代以來,大興安嶺主要受北部蒙古—鄂霍茨克洋中段的閉合及東部古太平洋板塊俯沖作用影響,蒙古—鄂霍茨克洋中段閉合動力學過程研究[3,10,36,59]表明,額爾古納地塊北緣存在蒙古—鄂霍茨克洋殼南向的俯沖作用,形成了大量陸緣弧背景Ⅰ型-A型巖漿巖,閉合于早侏羅世[3,59]。古太平洋板塊俯沖作用對大興安嶺構造-巖漿活動的影響已有許多認識[9,11,60-62],相對于古太平洋板塊俯沖帶來說,大興安嶺處于歐亞板塊內部,距離古太平洋板塊俯沖帶較遠,古太平洋板塊俯沖作用可能對大興安嶺地殼加厚減薄有影響,但不足以直接產生大量巖漿,甚至有學者[63]認為古太平洋板塊俯沖與大興安嶺巖漿活動無關。

北岸林場一帶粗安巖鋯石CL圖像反映,鋯石多呈不規則粒狀,鋯石棱角圓化,晶面多有熔蝕,與由巖漿運移結晶形成的較規則的錐柱狀鋯石區別較大,暗示巖漿在形成后可能經歷了較長時間運移,地球化學環境發生了改變。

研究區東側早侏羅世早期滿歸變中酸性火山巖,其LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為(199±1)Ma,被認為形成于蒙古—鄂霍茨克洋俯沖閉合過程[59]。北岸林場一帶中酸性火山巖與滿歸變中酸性火山巖相比,二者巖石成因、形成構造環境相同[41],滿歸變中酸性火山巖同樣存在捕獲巖漿鋯石,年齡為(226.5±1.7) Ma[59],這些特征均暗示二者可能經歷了相同或相近的地球動力學過程。

以北岸林場一帶粗安巖、粗面英安巖為代表的中酸性火山巖可能與早侏羅世蒙古—鄂霍茨克洋閉合有關。北岸林場一帶中酸性火山巖巖漿起源于早侏羅世蒙古—鄂霍茨克洋閉合過程中造山晚期構造環境,與早侏羅蒙古—鄂霍茨克洋最終閉合時間(約184 Ma)[41]相比,巖漿至少經歷了18 Ma跨時代運移至地殼淺部,在中侏羅世張性構造環境噴發成巖。

7 結論

(1)鋯石U-Pb同位素定年結果表明,北岸林場一帶中酸性火山巖形成于(166±1) Ma,屬中侏羅世火山巖。

(2)巖石地球化學分析結果表明,北岸林場一帶中酸性火山巖為地殼物質經部分熔融作用而成。

(3)北岸林場一帶中酸性火山作用可能起源于早侏羅世蒙古—鄂霍茨克洋閉合過程中造山晚期構造環境,在中侏羅世張性構造環境噴發成巖。