黑龍江富源溝晚三疊世中-基性火山巖的厘定及地質意義

王文東，劉 濤，周傳芳，楊華本，杜兵盈，劉宇崴

1.中國地質調查局哈爾濱自然資源綜合調查中心，黑龍江 哈爾濱 150081；

2.黑龍江省地質科學研究所，黑龍江 哈爾濱150036

0 引言

大興安嶺地區位于中亞造山帶的東部，古生代經歷了古亞洲洋構造體系的演化，中生代期間經歷了古太平洋構造體系和蒙古-鄂霍次克構造體系的疊加與改造，從北向南依次橫跨了額爾古納地塊和興安地塊［1-3］，發育的侏羅紀—早白堊世火山巖帶呈北東向貫穿展布，形成背景主要與蒙古-鄂霍次克構造域［2］或太平洋構造域［1，3］有關.隨著近年來高精度鋯石U-Pb 同位素測年工作的開展，針對大興安嶺北段廣泛分布的中生代火山巖，不同學者對火山巖地層歸屬、時代厘定及劃分對比進行了較全面的研究和總結，但主要集中于中侏羅統—下白堊統［4-10］.額爾古納地塊上見有早侏羅世火山巖：大興安嶺新林區出露早侏羅世戰備村組火山巖，主要為一套酸性火山巖，鋯石U-Pb 同位素年齡為178～192 Ma［11］；大興安嶺滿歸地區出露早侏羅世變中酸性火山巖組合，其中變安山巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb 年齡為199±1 Ma［12］.興安地塊上見有中—晚三疊世火山巖：黑河地區興華鄉玄武安山巖形成時代為中三疊世（鋯石U-Pb 同位素年齡242±4 Ma），罕達氣鄉安山巖（鋯石U-Pb 同位素年齡225±1 Ma、223±1 Ma）形成時代為晚三疊世［13］.目前在額爾古納地塊和興安地塊上關于早中生代弧巖漿巖的報道較多［13-14］，而與俯沖作用相關的早中生代火山巖報道較少.筆者在大興安嶺北部漠河地區開展的1∶5 萬洛古河等四幅區調填圖過程中新發現一套晚三疊世中-基性火山巖，將其劃分為非正式填圖單元富源溝中-基性火山巖，并對其進行巖石學、年代學及地球化學研究，旨在約束其形成的地質時代，確定其形成的構造環境，為蒙古-鄂霍次克洋南向俯沖作用研究提供巖石學證據.

1 地質概況及樣品特征

研究區位于黑龍江省漠河市西部富源溝林場一帶，大地構造位置處于額爾古納地塊北部（圖1a）.額爾古納地塊位于蒙古-鄂霍次克縫合帶的東南側，其南東側和北西側分別以喜桂圖—塔源斷裂和蒙古-鄂霍次克縫合線為界［15］.額爾古納地塊上三疊紀巖漿作用可分為3 期：246 Ma、225 Ma、205 Ma，以侵入巖為主［14］.研究區內地層以中生界的陸相沉積為主，主要為中侏羅統繡峰組（J2x），零星出露新元古界淺變質的淺海相碎屑巖-碳酸鹽巖組合的佳疙瘩組（Nhj），另外在富源溝林場一帶出露一套中-基性火山巖組合.研究區花崗質巖漿活動強烈，發育古生代、中生代侵入巖，具體可劃分出晚奧陶世、晚二疊世、晚三疊世—早侏羅世和早白堊世4 期巖漿活動（圖1b）.

圖1 大興安嶺富源溝林場地區地質簡圖Fig.1 Geological sketch map of Fuyuangou Forest Farm area in Daxinganling Mountains1—第四系（Quaternary）；2—中侏羅統繡峰組（Middle Jurassic Xiufeng fm.）；3—南華系佳疙瘩組（Jiageda fm.of Nanhua system）；4—早白堊世二長花崗巖（Early Cretaceous monzogranite）；5—早白堊世花崗閃長巖（Early Cretaceous granodiorite）；6—晚三疊-早侏羅世二長花崗巖（Late Triassic-Early Jurassic monzogranite）；7—晚二疊世花崗斑巖（Late Permian granite porphyry）；8—晚二疊世二長花崗巖（Late Permian monzogranite）；9—晚奧陶世二長花崗巖（Late Ordovician monzogranite）；10—富源溝中-基性火山巖（Fuyuangou intermediate-basic volcanic rock）；11—剖面位置（section position）；12—采樣位置（sampling site）；13—中粗粒長石砂巖（medium-coarse grained arkose）；14—英安質火山巖角礫巖（dacite volcanic breccia）；15—英安質巖屑晶屑凝灰巖（dacite lithic crystal tuff）；16—玄武安山巖（basaltic andesite）；17—安山巖（andesite）；18—二長花崗巖（monzogranite）；19—研究區位置（study area）；20—層號（layer number）

晚三疊世富源溝中-基性火山巖呈北東向零星分布于富源溝林場一帶，出露面積約2.6 km2，主要巖性為玄武安山巖、安山巖、英安質火山角礫巖（圖1c）.該套火山巖被繡峰組粗粒長石砂巖角度不整合覆蓋，局部被晚三疊世—早侏羅世二長花崗巖侵入接觸.其地層層序如下：

本次研究在玄武安山巖、安山巖、英安質火山角礫巖中系統采集了年代學及地球化學分析樣品.其中選定進行LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 同位素測試樣品為安山巖（WJL018）和近火山口的英安質火山角礫巖（WJL019），采樣位置分別為52°53′20″N、121°41′16″E和52°53′17N、121°41′23″E.另外對8 件火山巖樣品進行了主量、微量和稀土元素分析.

安山巖（WJL018，圖2a）主要由斑晶、基質組成，斑狀結構、交代假象結構，基質具玻晶交織結構、塊狀構造，斑晶為斜長石、角閃石等.斜長石為更-中長石，呈自形—半自形板粒狀，正低突起，聚片雙晶較清晰顯示，干涉色為Ⅰ級灰白色，粒徑0.3～1.5 mm，含量約15%；角閃石呈自形—半自形柱狀、柱粒狀，均被綠泥石或綠簾石集合體交代，保留外形輪廓，呈交代假象結構，粒徑0.3～1.5 mm，含量約3%.基質由長條狀斜長石微晶及部分隱晶質、蝕變暗色礦物，少量微晶石英、磁鐵礦等組成，粒徑均小于0.2 mm，其中長條狀斜長石平行-半平行定向排列，其間隙充填隱晶質、蝕變暗色礦物，少量微晶石英、磁鐵礦等.基質含量約為82%.

圖2 富源溝林場地區安山巖和英安質火山角礫巖顯微鏡下照片Fig.2 Microphotographs of andesite and dacitic volcanic breccia in Fuyuangou Forest Farm area正交偏光（under cross-polarized light）；Qtz—石英（quartz）；Pl—斜長石（plagioclase）；Ep—綠簾石（epidote）；Chl—綠泥石（chlorite）

英安質火山角礫巖（WJL019，圖2b）主要由角礫、巖屑、晶屑、膠結物組成，具角礫狀結構，塊狀構造.角礫為安山巖、英安巖、凝灰巖等，呈棱角狀—次棱角狀，大小為2～40 mm，雜亂分布，含量約65%.巖屑為安山巖、英安巖、凝灰巖等，粒徑多數在0.2～2 mm，分布在角礫之間，以膠結物的形式存在，含量約10%.晶屑為斜長石，少量石英等，呈次棱角狀—次圓狀，邊緣熔蝕圓化.斜長石為更-中長石，顆粒晶面泥化、絹云母化、綠簾石化較為混濁，正低突起，聚片雙晶顯示較模糊，干涉色為Ⅰ級灰白色，粒徑0.1～0.8 mm，含量約5%；石英呈無色透明，正低突起，干涉色為Ⅰ級灰白色，粒徑0.1～0.2 mm.上述晶屑以膠結物的形式分布于角礫之間.膠結物主要為隱晶質黏土礦物，部分微晶石英、綠簾石、顯微鱗片狀絹云母、綠泥石等，以混晶集合體的形式雜亂分布在角礫、巖屑、晶屑之間，含量約20%.

2 鋯石U-Pb 測年

2.1 測試方法

鋯石U-Pb 分析在天津地質調查中心同位素實驗室LA-ICP-MS 儀器上完成，利用193 nm 激光器對鋯石進行剝蝕，采用的激光剝蝕斑束直徑為35 μm，激光能量密度為13～14 J/cm2，頻率為8～10 Hz.采用TEMORA 作為外部鋯石年齡標準.以NIST612 玻璃標樣作為外標計算鋯石樣品的Pb、U、Th 含量.樣品信號采集時間60 s（其中20 s 為空白的測定）.詳細分析方法及儀器參數見文獻［16］.采用ICP-MS DataCal 和Isoplot程序進行數據處理，數據處理方法見文獻［17］.

2.2 測試結果

（1）安山巖（WJL018）：鋯石大部分顆粒呈長柱狀，少量為不規則形狀，長度集中在80～100 μm，寬度集中在50～70 μm，長寬比介于1∶1～2∶1.鋯石陰極發光圖像顯示，具巖漿成因的振蕩生長環帶（圖3）.鋯石的Th 和U 的含量分別為29×10-6～596×10-6和37×10-6～1135×10-6，Th/U 值介于0.22～1.23 之間（表1，掃描首頁OSID 二維碼可見），表明為巖漿成因［18］.對樣品進行了24 個測點分析，206Pb/238U 年齡集中分布在444～453 Ma 和243～247 Ma，加權平均年齡分別為447±5 Ma（MSWD＝0.83，n＝4）和245±3 Ma（MSWD＝0.59，n＝4），除此之外444～453 Ma 和1782±36 Ma、1718±25 Ma、1415±27 Ma、979±10 Ma、903±9 Ma 等年齡諧和度較低，可能為捕獲早期鋯石年齡.19 號測點為最小的年齡，其206Pb/238U 諧和年齡為201±2 Ma（圖4），由于其稍微偏離諧和線（諧和度為90%），具有一定的可信度，代表了火山巖的成巖年齡.

圖3 富源溝中-基性火山巖鋯石陰極發光圖像Fig.3 CL images of zircons from Fuyuangou intermediate-basic volcanic rocks

圖4 富源溝中-基性火山巖鋯石U-Pb 諧和圖Fig.4 Zircon U-Pb concordia diagram of Fuyuangou intermediate-basic volcanic rocks

（2）英安質火山角礫巖（WJL019）：鋯石呈長柱狀或短柱狀，自形程度較高，長度集中在90～100 μm，寬度集中在40～60 μm，長寬比介于1∶1～2∶1.鋯石陰極發光圖像顯示，具有明顯的振蕩生長環帶（圖3）.鋯石的Th 和U 的含量分別為76×10-6～932×10-6和163×10-6～818×10-6，Th/U 值介于0.36～1.69 之間（表1，掃描首頁OSID 二維碼可見），表明為巖漿成因.對樣品進行了30 個測點分析，206Pb/238U 年齡主要集中在196～207 Ma，加權平均年齡為201±1 Ma（MSWD＝2.4，n＝27）（圖4）.

3 巖石地球化學特征

樣品全巖主量元素和微量元素分析測試在河北省區域地質礦產調查研究所完成，其中主量元素采用熔片法X 射線熒光光譜法（XRF）測定，微量元素和稀土元素采用Finnigan MAT 公司生產的雙聚焦高分辨等離子體質譜儀ICP-MS 進行測定，分析測試具體實驗條件和步驟見文獻［19］.測試分析結果如表2（掃描首頁OSID 二維碼可見）.

3.1 主量元素

富源溝中-基性火山巖樣品的SiO2含量為53.94%～57.68%，平均值為55.55%；Al2O3含量為17.51%～18.81%，平均值為17.97%；全堿（Na2O+K2O）含量為3.01%～4.83%，平均值為4.27%；MgO 含量為3.01%～4.4%，平均值為3.65%，相應的Mg＃值為47.1～54.6；TiO2含量變化于0.97%～1.17%，其平均值（1.04%）與鈣堿性系列安山巖平均值（1.16%）相近［20］.A/CNK 為0.57～0.89，平均值為0.73，具有準鋁質巖石特點.在硅-堿圖（TAS 分類圖，圖5a）中，樣品點主要落在安山巖、玄武安山巖區域，屬于亞堿性巖石系列.在Nb/Y-0.0001 Zr/TiO2圖解（圖5b）中，絕大部分樣品點落入安山巖區域，少量落入流紋英安巖/英安巖區域.AFM 圖解進一步劃分表明巖石屬于鈣堿性系列（圖6），里特曼指數σ 為0.74～1.83.在SiO2-K2O 圖（圖7）中，樣品點主要落在鈣堿性系列，少數落入拉斑系列和高鉀鈣堿性系列.綜合主量元素分析可知，富源溝中-基性火山巖為一套準鋁質鈣堿性系列巖石.

圖5 富源溝中-基性火山巖分類判別圖Fig.5 Classification and discrimination diagrams of Fuyuangou intermediate-basic volcanic rocksa— TAS 分類圖解（據文獻［21］）（The TAS classification diagram，after Reference［21］）；b— Nb/Y-Zr/TiO2 圖解（據文獻［22］）（The Nb/Y-Zr/TiO2 diagram，after Reference［22］）；F—副長巖（foidite）；Pc—苦橄玄武巖（picrite basalt）；U1—堿玄巖（tephrite）；U2—響巖質堿玄巖（phonotephrite）；U3—堿玄質響巖（tephriphonolite）；Ph—響巖（phonolite）；S1—粗面玄武巖（trachybasalt）；S2—玄武粗安巖（basaltic trachyandesite）；S3—粗安巖（trachyandensite）；T—粗面巖（trachyte）；B—玄武巖（basalt）；O1—玄武安山巖（basaltic andesite）；O2—安山巖（andesite）；O3—英安巖（dacite）；Ir—堿性（alkaline）；R—亞堿性（sub-alkaline）

圖6 富源溝中-基性火山巖樣品AFM 圖解（據文獻［23］）Fig.6 The AFM diagram of Fuyuangou intermediate-basic volcanic rocks（After Reference［23］）

圖7 富源溝中-基性火山巖樣品SiO2-K2O 圖解（據文獻［24］）Fig.7 The SiO2-K2O diagram of Fuyuangou intermediate-basic volcanic rocks（After Reference［24］）

3.2 稀土元素

富源溝中-基性火山巖樣品稀土元素總量（ΣREE）介于97.28×10-6～181.55×10-6，平均值為125.43×10-6.巖石球粒隕石標準化的稀土元素配分曲線具有輕稀土元素富集的右傾特征，輕、重稀土分異明顯（圖8a）.LREE/HREE 值為6.52～10.3，平均值為7.65；（La/Yb）N值為5.82～7.62，平均值為6.95；δEu 為0.99～1.07，不具負銪異常，反映了巖漿斜長石分離結晶不明顯.

圖8 富源溝中-基性火山巖原始地幔標準化稀土元素配分圖和微量元素蛛網圖Fig.8 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized trace element spidergram of Fuyuangou intermediate-basic volcanic rocks

3.3 微量元素

富源溝中-基性火山巖樣品微量元素分析結果（表2，掃描首頁OSID 二維碼可見）顯示，所有樣品呈現出一致的變化趨勢，反映巖石的母巖漿應該具有同源性，以富集大離子親石元素（Ba、K、Sr 等）、虧損高場強元素（Nb、Ta、Ti、P 等）為特征（圖8b），具有弧火山巖的TNT（Nb、Ta 和Ti）虧損的微量元素分配特征，與俯沖帶巖漿巖地球化學特征類似［25］.

4 討論

4.1 形成時代

富源溝中-基性火山巖以中性火山熔巖為主，野外調查在火山口附近發現少量英安質巖屑晶屑凝灰巖和英安質火山角礫巖，并且在剖面中英安質巖屑晶屑凝灰巖在安山巖中以夾層出現，另外在火山口附近發育英安質火山角礫巖.安山巖樣品的鋯石最小206Pb/238U 諧和年齡為201±2 Ma（Th/U 值0.68）；英安質火山角礫巖的角礫和巖屑為安山巖、英安巖、凝灰巖，膠結物主要為隱晶質黏土礦物，其火山角礫和巖屑成分為富源溝中-基性火山巖巖性組合，故其鋯石206Pb/238U加權平均年齡201±1 Ma（MSWD＝2.4，n＝27，Th/U 值0.36～1.69）可以代表本期火山巖的形成年齡.野外見中侏羅統繡峰組與下伏的安山巖呈角度不整合接觸，接觸面產狀為300°∠35°，兩者之間存在較薄的紅褐色風化殼.綜上，分析認為富源溝中-基性火山巖形成時代為晚三疊世.

4.2 巖石成因

富源溝中-基性火山巖在火山巖分類命名圖解上主要落入玄武安山巖和安山巖區域，主體為一套鈣堿性巖石，另外在稀土元素配分曲線和微量元素蛛網圖上呈現出一致的變化趨勢，具有同源巖漿演化的特點.關于鈣堿性安山巖的成因主流觀點為［13，26-27］：幔源玄武質巖漿底侵導致下地殼物質部分熔融作用；幔源玄武質巖漿分離結晶；幔源玄武質巖漿與源自陸殼的酸性巖漿混合及俯沖流體或熔體交代地幔楔的部分熔融.富源溝中-基性火山巖Mg＃值為47.1～54.6，與基性下地殼物質部分熔融產生的巖漿明顯不同（Mg＃值通常小于45），另外Lu/Yb 和Rb/Sr 值分別介于0.14～0.17 和0.03～0.09，與幔源巖漿的Lu/Yb（0.14～0.15）和Rb/Sr（0.03～0.047）值相近［28］.富源溝中-基性火山巖不具有Eu 負異常，且其Cr（9.31×10-6～46.2×10-6）、Ni（5.87×10-6～23.1×10-6）等含量偏低，均低于原始玄武巖漿Cr（300×10-6～500×10-6）、Ni（300×10-6～400×10-6）的范圍［29］，說明其不可能是直接由地幔物質發生部分熔融的產物.富源溝中-基性火山巖具有Nb、Ta 負異常和Zr 正異常，表明其可能遭受后期地殼混染或者起源于受俯沖流體交代的巖石圈地幔，Nb/U 和Ce/Pb 值主體為6.4～10.8 和2.7～4.6，與大陸地殼的Nb/U（10）和Ce/Pb（4）范圍基本一致［30］，并且安山巖（WJL018）鋯石U-Pb 測年數據中出現了較多元古宙的捕獲鋯石，表明在安山巖的形成過程中可能受到了地殼不同程度的混染.富源溝中-基性火山巖富集大離子親石元素Ba、K、Sr 等和輕稀土元素，虧損高場強元素Nb、Ta、Ti、P等和重稀土元素，與俯沖帶弧巖漿巖具有類似的地球化學特征，其原始巖漿可能與受到流體交代的地幔楔的部分熔融有關，并在上升過程中遭受了地殼物質混染.

4.3 構造背景和地質意義

研究區位于蒙古-鄂霍次克構造帶東部.早中生代（三疊紀-早侏羅世）蒙古-鄂霍次克大洋板塊持續南向俯沖，控制了大興安嶺-冀北-遼西地區的巖漿活動，并在中侏羅世閉合，而晚侏羅世—早白堊世主要表現為閉合后的伸展背景［31］.近年來，在額爾古納地塊-興安地塊上識別出了較多的三疊紀時期的蒙古-鄂霍次克大洋板塊南向俯沖的火成巖記錄［13-14，32-33］，另外該時期發育的斑巖型礦床（如八大關Cu-Mo 礦、八八一Cu-Mo 礦、太平川Mo 礦）的形成與蒙古-鄂霍次克洋的向南俯沖有關［34］.額爾古納地塊-興安地塊上晚三疊世以巖漿侵入作用為主，在興安地塊上罕達氣-扎蘭屯-蘑菇氣地區產出少量火山巖，巖石組合及地球化學特征顯示形成于活動大陸邊緣環境，是蒙古-鄂霍次克大洋板塊持續南向俯沖作用的物質表現［35］.興安地塊上蒙古-鄂霍次克大洋板塊南向俯沖的火山巖記錄主要有：黑河地區興華鄉鈣堿性系列玄武安山巖（鋯石U-Pb 同位素年齡242±4 Ma）［13］，蘑菇氣地區哈達陶勒蓋組火山巖（鋯石U-Pb 同位素年齡230.2±2.2～210.9±3.5 Ma）［32］、罕達氣鄉晚三疊世高鎂安山巖（鋯石U-Pb 同位素年齡225±1 Ma、223±1 Ma）［13］，扎蘭屯地區高鎂玄武安山巖（鋯石U-Pb 同位素年齡228±2 Ma）［13］和具有O 型埃達克巖地球化學特征的哈達陶勒蓋組中性火山巖［36］.

三疊紀蒙古-鄂霍次克大洋板塊南向俯沖的物質記錄在額爾古納地塊上主要表現為侵入巖，而火山巖方面的研究報道較少.新巴爾虎右旗地區的哈達陶勒蓋組安山巖鋯石U-Pb 同位素年齡為254.3±7.9 Ma，形成于蒙古-鄂霍次克板塊向南俯沖引起的陸緣弧背景［37］.富源溝中-基性火山巖樣品具鈣堿性系列巖石特征，富集Ba、K、Sr 等大離子親石元素，虧損Nb、Ta、Ti、P 等，同島弧安山巖特征相似，并具有較高的Nb/Yb和Th/Yb 值，在Th/Yb-Nb/Yb 圖解（圖9）中樣品投影在大陸弧區域.另外結合在Th-Hf/3-Ta 圖解（圖10a）上投點到鈣堿性玄武巖區域，在Zr-Ti/100-Y×3 圖解（圖10b）落入鈣堿性玄武巖區域內或落在鈣堿性玄武巖附近，在Zr-Ti/100-Sr/2 圖解（圖10c）中均落入鈣堿性島弧火山巖區內，暗示其可能為活動大陸邊緣環境下俯沖作用的產物.結合前文所述，額爾古納地塊三疊紀的構造背景主要受蒙古-鄂霍次克大洋板塊南向俯沖的影響，本次厘定的位于額爾古納地塊上晚三疊世富源溝中-基性火山巖的形成與蒙古-鄂霍次克大洋板塊板塊南向俯沖作用有關，為三疊紀蒙古-鄂霍次克大洋板塊向額爾古納地塊俯沖作用形成的火山弧產物.

圖9 Nb/Yb-Th/Yb 圖解（據文獻［38］）Fig.9 The Nb/Yb-Th/Yb diagram（After Reference［38］）N-MORB—正常洋脊玄武巖（normal mid-ocean ridge basalt）；E-MORB—富集洋脊玄武巖（enriched mid-ocean ridge basalt）；OIB—洋島玄武巖（ocean island basalt）

圖10 火山巖微量元素成分構造環境判別圖Fig.10 Tectonic environment discrimination diagrams of trace elements for volcanic rocksa—據文獻［39］（after Reference［39］）；b，c—據文獻［40］（after Reference［40］）；N-MORB—正常洋脊玄武巖（normal mid-ocean ridge basalt）；EMORB—富集洋脊玄武巖（enriched mid-ocean ridge basalt）；WPT—板內拉斑玄武巖（within-plate tholeiite）；WPAB—板內堿性玄武巖（within-plate alkali basalt）；IAB—島弧玄武巖（island arc basalt）；IAT—島弧拉斑玄武巖（island arc tholeiite）；MORB—洋中脊玄武巖（mid-ocean ridge basalt）；WPB—板內玄武巖（within-plate basalt）；OFB—洋底玄武巖（ocean floor basalt）；IAB—島弧玄武巖（island arc basalt）；CAB—鈣堿性玄武巖（calc-alkali basalt）

5 結論

（1）黑龍江省漠河市西部地區新發現一套晚三疊世中-基性火山巖，其中安山巖獲得鋯石LA-ICP-MS U-Pb 年齡為201±2 Ma，英安質火山角礫巖獲得鋯石U-Pb 平均年齡為201±1 Ma.結合與上覆中侏羅統繡峰組的角度不整合接觸關系，認為富源溝中-基性火山巖形成于晚三疊世.

（2）富源溝中-基性火山巖為一套鈣堿性系列巖石，富集大離子親石元素Ba、K、Sr 等，虧損高場強元素Nb、Ta、Ti、P 等，具有俯沖帶巖漿巖地球化學特征，其原始巖漿可能與受到流體交代的地幔楔的部分熔融有關，并在上升過程中遭受了地殼物質混染，形成于蒙古-鄂霍次克洋向額爾古納地塊俯沖的火山弧環境.

致謝：衷心感謝審稿專家及編輯部老師在論文修改過程中給予的指導與幫助.