大興安嶺北部早白堊世上庫力組流紋巖的地球化學特征及成因

尹志剛，張躍龍，杜玉春

1.遼寧工程技術大學礦業學院，遼寧 阜新 123000

2.黑龍江省地質調查研究總院齊齊哈爾分院，黑龍江 齊齊哈爾 161005

大興安嶺北部中生代火山巖是東亞大陸邊緣巨型火山巖帶的重要組成部分，形成于晚侏羅世－早白堊世，以中酸性、酸性火山巖為主，與金、多金屬礦床關系密切［1－2］。早白堊世上庫力組是區內最重要的賦礦層位之一［1］，因此對其巖石系列、巖石成因及大地構造背景的研究對于火山巖漿作用及成礦的探討具有重要意義。研究區位于大興安嶺北部，研究程度較低，前人對大興安嶺中生代中酸性、酸性火山巖的研究多未涉及本區，且對大面積出露的早白堊世中酸性、酸性火山巖的成因長期以來爭議較大，一直未取得共識［3－13］。筆者通過巖石元素地球化學特征確定大興安嶺北部早白堊世上庫力組中酸性火山巖為高鉀鈣堿性系列，結合該組火山巖所處的位置、巖石組合等特征探討了其成因及形成的構造背景。

1 地質背景

大興安嶺中生代火山巖整體上呈北東向帶狀展布，為典型的陸相火山噴發產物，南部和北部的巖石特征存在明顯的差異［14］。研究區位于規模宏大的大興安嶺中生代火山巖帶的北段末端，活動時期為晚侏羅世－早白堊世（圖1）。區內前中生代基底為中元古代興華渡口群和震旦紀倭勒根群：興華渡口群主要巖性為大理巖、黑云片巖、斜長角閃巖、變粒巖、片巖、石英巖等；倭勒根群主要巖性為板巖、變砂巖、大理巖、變酸性火山巖、變基性火山巖。早－中侏羅世形成的上黑龍江前陸盆地［16］呈北西西向展布。中生代火山巖由晚侏羅世塔木蘭溝組、吉祥峰組和早白堊世上庫力組、伊列克得組組成。晚侏羅世塔木蘭溝組巖性為橄欖玄武巖、玄武巖、玄武粗安巖、粗安巖等中基性火山巖，以噴發不整合覆蓋于前中生代地質體之上；吉祥峰組火山噴發較為局限，巖性為粗面英安巖及流紋巖。早白堊世上庫力組主要巖性為流紋巖、粗面英安巖，以及流紋質熔結凝灰巖，其底部普遍存在一套沉積礫巖，與下伏巖層為不整合接觸；伊列克得組主要為玄武粗安巖、粗安巖，噴發不整合于前期地層之上。區內早白堊世上庫力組（LA－ICPMS鋯石 U－Pb年齡主要集中于111～135Ma［17］）酸性火山巖大面積分布，約占大興安嶺北部中生代火山巖的60%，是構成火山巖帶的主體巖石，受北東向斷裂控制明顯，形成眾多北東向分布的火山群。

圖1 大興安嶺北部地質略圖Fig.1 Geological sketch map in the north Daxing’anling

早白堊世上庫力組流紋巖多為淺灰－灰白、紫色，流紋構造，有時可見石泡構造，石泡多呈不規則橢球狀，內部為放射狀石英集合體；多為隱晶質－微晶結構，次為斑狀結構，基質霏細結構。巖石均由隱晶質－微晶狀長英質礦物組成，或含有斑晶。斑晶成分及體積分數變化較大，主要由斜長石（1%～10%）、鉀長石（2%～20%）、黑云母（＜2%）、石英（1%～5%）組成。粗面英安巖多為紫灰－灰黑色，塊狀構造，少數呈弱流動構造；以斑狀結構為主，多斑、少斑狀結構次之，基質多為微晶交織結構。斑晶主要由斜長石（1%～5%）、鉀長石（1%～3%）、黑云母（＜2%）、角閃石（＜2%）組成。流紋質熔結凝灰巖呈灰色，熔結凝灰結構，假流紋構造。塑性物質以漿屑為主，次為玻屑，體積分數可達60%～70%。漿屑呈蚯蚓狀、桿狀、帶狀、火焰狀、撕裂狀、透鏡狀，繞過晶屑定向分布，可見脫玻化。長英質呈微晶狀，顯霏細結構。玻屑呈不規則狀，多呈細密流紋狀繞過碎屑，有脫玻化。晶屑體積分數15%～30%，以鉀長石、斜長石為主，有時見有石英、黑云母。鉀長石含量相對較多，呈板狀，有熔蝕，大小為0.2～1.0 mm，具卡式雙晶和條紋構造，有泥化。斜長石呈板狀，邊部多被熔蝕，可見聚片雙晶，有時斷續延伸交替出現，邊部常有鉀化邊圍繞。此外有少量的火山灰，有脫玻化。

2 地球化學特征

表1為早白堊世上庫力組流紋巖代表性樣品的主量元素分析結果。早白堊世上庫力組流紋巖的SiO2質量分數集中分布于72.12%～80.26%，全堿（K2O＋Na2O）質量分數為6.10%～9.82%，顯示出富堿特征。隨SiO2質量分數的增加，全堿質量分數略有降低，TFeO、CaO、MgO、Al2O3質量分數明顯降低，而K2O質量分數則隨SiO2的質量分數升高而升高。Al2O3質量分數為9.93%～14.13%，w（Al2O3）＞w（K2O＋Na2O＋CaO），屬鋁過飽和類型。在TAS圖解上（圖2），樣品均投入流紋巖區。在硅－堿關系圖（圖3a）上，樣點均分布于亞堿性區；在FAM圖（圖3b）上顯示出典型的鈣堿性演化趨勢；從圖3c、d中可以看出，上庫力旋回火山巖為鉀質，以高鉀鈣堿性系列占絕對優勢。

表1 上庫力組流紋巖的主量元素組成Table 1 Major element composition of rhyolites from Shangkuli Formation wB／%

表2為早白堊世上庫力組流紋巖代表樣品的微量元素和稀土元素分析結果。早白堊世上庫力組流紋巖微量元素表現為強烈富集大離子親石元素Rb、Ba、Cs、K等，相對于原始地幔 Cs、Rb、K、U、Th富集程度達138～235倍；虧損高場強元素Nb、Ta、Ti等和P，強烈虧損相容元素V、Cr、Co、Ni，相當于原始地幔的1／18～1／500。流紋巖微量元素的原始地幔標準化蛛網圖均為右傾（圖4），高場強元素Nb、Ti和P及大離子親石元素Ba、Sr相對于其他不相容元素為負異常，構成4個明顯的虧損槽，而Th、K、La、Ce、Zr則形成峰值。

早白堊世上庫力組流紋巖稀土總量（w（∑REE））為（92.86～250.06）×10－6，平均148.92×10－6，輕稀土（LREE）質量分數為（78.75～230.78）×10－6，重稀土（HREE）質量分數為（4.60～20.20）×10－6，LREE／HREE 為 5.43～26.83，大多在10以上，LREE／∑REE 為0.84～0.96，大多數在0.90以上，平均0.92，顯示強烈富集輕稀土。流紋巖的（La／Yb）N為4.92～33.15，變化范圍較大，但大多數在10.0以上，平均14.40，（Ce／Yb）N值為3.86～35.64，平均為11.01，屬輕稀土強烈富集型。從稀土元素球粒隕石標準化配分型式圖（圖5）也可以看出，該組流紋巖呈較為平滑的斜率相近的一組曲線，屬強烈右傾負斜率輕稀土富集型，輕稀土曲線斜率陡，重稀土曲線緩近于平行，分餾不明顯。Eu負異常明顯（δEu＝0.19～0.59），說明源區可能殘留角閃石。

圖2 上庫力組TAS圖解［18］Fig.2 Total alkaline vs SiO2diagram for classification of rhyolites from Shangkuli Formation［18］

3 討論

對大興安嶺中酸性火山巖的成因主要有如下認識：1）下地殼含水鎂鐵質部分熔融形成的安山質巖漿經分離結晶作用形成英安巖、流紋巖［3］；2）由上地幔衍生的堿性系列巖漿與下地殼物質局部混熔而成［4］；3）酸性巖漿起源于下地殼［5－6］，流紋巖與安山巖不是由同一巖漿分異，而是由不同源巖漸進式或多次部分熔融形成［7］；4）由下地殼和上地幔起源的巖漿多次上升到淺部巖漿房后分異演化而形成中生代火山－侵入雜巖，其火山巖、次火山巖／超淺成侵入體、深成侵入體屬同源異相產物［8］；5）英云閃長質片 麻巖經30%左右部分熔融形成流紋質母巖漿［9］。

圖4 上庫力組流紋巖不相容元素原始地幔標準化配分圖Fig.4 Primitive mantle－normalized incompatible element patterns of rhyolites from Shangkuli Formation

圖5 上庫力組流紋巖的稀土配分模式Fig.5 Chondrite－normalized REE patterns of rhyolites from Shangkuli Formation

葛文春等［10］將大興安嶺流紋巖劃分為2種流紋巖類型，稱之為Ⅰ型流紋巖和Ⅱ型流紋巖（分別相當于本文劃分的吉祥峰組和上庫力組），并認為兩類流紋巖具有不同的成因：Ⅰ型流紋巖具右傾的稀土配分曲線，不相容元素以強烈富集Rb、Ba、Th、K和虧損Sr、Ti、P、Nb為特征，其形成與鈣堿性系列玄武巖的結晶分異作用有關；Ⅱ型流紋巖具有與大陸裂谷流紋巖一致的稀土和不相容元素分布模式，以Ba、Sr的強烈虧損與Ⅰ型流紋巖相區別，其源巖可能是來自地幔的玄武質巖漿經結晶、變質而成的斜長角閃巖非理想熔融作用的結果。林強等［11－12］則認為低Sr流紋巖（Ⅱ型流紋巖）是起源于富集型地幔的堿性系列母巖漿底侵于莫霍面，使中下地殼巖石發生部分熔融而形成。

連長云等［13］認為早白堊世上庫力組火山巖起源于上地幔，而且是一種富集型的巖石圈地幔，其成分差異是巖石圈地幔部分熔融產生的玄武質巖漿自身的分異作用及其與地殼物質不同程度的混合。

大興安嶺北部早白堊世上庫力組中酸性火山巖主要由流紋巖、粗面巖和粗面英安巖組成，屬高鉀鈣堿性系列的過鋁質巖石。流紋質巖漿不能直接來源于地幔，即地幔橄欖巖的部分熔融不能直接形成流紋巖為地質學家所公認，它主要起源于下地殼物質的熔融或玄武質巖漿的分離結晶。早白堊世上庫力組火山巖與晚侏羅世塔木蘭溝組和早白堊世晚期伊列克得組中基性火山巖之間主、微量元素沒有系統的演化關系，且相對后兩組巖石具有較高和變化較大的87Sr／86Sr初始值，暗示其不可能是地幔巖石熔融后經分異結晶作用而成，更可能是來自于地殼重熔作用。區內上庫力組火山巖稀土元素都出現銪的虧損，表明在巖漿上侵的過程中斜長石發生了分離結晶，在微量元素中具有明顯的Ba、Sr、Nb、P、Ti的虧損，Nb、Ba、Ti的負異常，暗示可能有地殼物質參與了巖漿演化過程。Sr和P的負異常則分別說明斜長石和磷灰石可能發生了分離結晶。富集大離子親石元素、輕稀土元素、虧損高場強元素等也可以推斷巖漿來源于下地殼。另外重要的是中、酸性火山巖是本區中生代火山巖的主體，堆積體積巨大，這種大規模的酸性巖漿不可能由中、基性巖漿分異而來，而應是由地殼物質的部分熔融作用形成。在全堿－銪異常圖解（圖6）中，該旋回火山巖樣品均位于殼源區。較高的（87Sr／86Sr）i（0.706 110～0.707 902）也反映了殼源Sr的貢獻，表明該組巖石可能是由于陸殼和硅鋁質源巖部分熔融所形成。

圖6 上庫力組流紋巖w（Na2O＋K2O）－δEu圖解Fig.6 w（Na2O＋K2O）vsδEu diagram of rhyolites from Shangkuli Formation

關于大興安嶺火山巖帶形成的構造環境，不同的學者有不同的觀點：趙國龍等［7］認為是太平洋板塊向中國大陸俯沖作用有關的活動大陸邊緣；蔣國源等［4］和葛文春等［19］認為形成于大陸裂谷；夏軍等［20］認為是陸塊型火山巖；鄧晉福等［21］則認為與大陸根柱構造有關；林強等［14］認為是地幔柱上升所引起巖石圈伸展，形成類似大陸裂谷環境；邵濟安［22］等認為是中生代大陸巖石圈內部伸展背景下幔源巖漿積極參與地殼演化的一次造山運動；謝鳴謙［23］認為是西部的蒙古－鄂霍茨克海槽洋殼巖石圈板塊與東部的那丹哈達嶺海槽洋殼巖石圈板塊分別向東和向西的雙向俯沖作用的結果。本區位于華北板塊和西伯利亞板塊之間，在早石炭世末期兩板塊之間的中小塊群體拼貼形成夾于兩板塊之間的黑龍江板塊［24］，張興洲等［25］稱為東北亞晚古生代大陸板塊。在晚二疊世至早三疊世黑龍江板塊與華北板塊碰撞拼貼，形成更大規模的華北板塊，它與西伯利亞板塊間被蒙古－鄂霍茨克海分隔，直至中－晚侏羅世蒙古－鄂霍茨克海閉合，華北板塊與西伯利亞板塊才最終完全拼合在一起［24－26］，東北地區徹底結束了洋殼存在的局面；包括本區在內的東北及鄰區大陸碰撞造山作用隨著蒙古－鄂霍茨克造山帶的完成而結束，從而構造演化從古亞洲構造域轉換為太平洋構造域。早白堊世堿性花崗巖［27］、堿性流紋巖［28］的發育以及變質核雜巖［29－30］的存在都證實大興安嶺地區已處于拉張的構造環境，發育的中生代火山巖是造山后伸展作用的結果。本區上庫力組火山巖為高鉀鈣堿性系列，為粗面英安巖、流紋巖組合，且以流紋質巖石為主，酸性火山巖具有明顯的Ba、Sr、Nb、P、Ti的虧損，較高的Th含量和高的Rb／Ba、Rb／Sr和Zr／Ba值，類似于大陸裂谷玄武巖，可能形成于與裂谷相似的拉張性構造環境，是蒙古－鄂霍茨克造山帶形成后伸展作用的結果。

4 結論

1）大興安嶺北部早白堊世上庫力組流紋質巖石略富堿，以高鉀鈣堿性系列占絕對優勢。富集大離子親石元素Rb、Ba、Cs、K等，虧損高場強元素 Nb、Ta、Ti以及Sr、P，強烈虧損相容元素V、Cr、Co、Ni。強烈富集輕稀土，Eu具明顯的負異常。

2）早白堊世上庫力組為流紋巖－粗面英安巖組合，是大興安嶺北部火山巖的主體巖石類型，這種大面積分布的流紋巖具有較高的（87Sr／86Sr）i，以及富集大離子親石元素和輕稀土、虧損高場強元素等元素地球化學特征均表明，早白堊世上庫力組流紋巖可能是下地殼部分熔融的產物。

3）早白堊世堿性花崗巖和堿性流紋巖的發育、變質核雜巖的存在以及類似于大陸裂谷玄武巖的元素地球化學特征均表明，包括本區在內的大興安嶺地區處于拉張的構造環境，是蒙古－鄂霍茨克造山帶形成后伸展作用的結果。

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