遼西阜新-彰武地區新生代火山巖的巖石地球化學特征及成因分析

楊仲杰，魯偉元，沈炳龍，劉長純，蒯 兵，劉 錦，劉文彬

1.遼寧省地質礦產調查院，遼寧沈陽110031；2.遼寧省金鷹礦業評估有限公司，遼寧沈陽110031

遼西阜新-彰武地區新生代火山巖的巖石地球化學特征及成因分析

楊仲杰1，魯偉元2，沈炳龍2，劉長純1，蒯 兵1，劉 錦1，劉文彬1

1.遼寧省地質礦產調查院，遼寧沈陽110031；2.遼寧省金鷹礦業評估有限公司，遼寧沈陽110031

遼西阜新-彰武地區新生代有兩個火山旋回，即古近紀古新世那立閃旋回和新近紀中新世船底山旋回.通過1∶25萬區域地質調查修測項目，根據野外巖石學、巖石地球化學、火山旋回、區域對比并結合前人資料進行了深入細致的研究和厘定.各旋回火山熔巖總體從基性→中基性演化，具有鈉、硅、鋁增高，鐵、鎂降低的特點.該時期火山巖各巖石過渡元素分配型式曲線基本協調一致，呈明顯的“V”型，表明為同源巖漿分異產物.偏堿性巖石為富稀土巖石，正常巖石為貧稀土巖石，LREE/HREE值為8.2～18.84.各巖石均具輕稀土富集、分餾較好，重稀土虧損、分餾較弱的特點.Sm/Nd值在0.12～0.21之間，Eu/Sm值為0.28～0.86，反映該時期火山巖漿主要來源于地幔.

新生代火山巖；巖石地球化學；成因分析；阜新-彰武地區；遼寧省

0 前言

遼寧省自太古宙至新生代皆有火山活動，區域上隸屬中國東部濱太平洋燕山期構造-巖漿-成礦帶西段，遼西火山活動帶（即大興安嶺-燕山火山活動帶的組成部分）北部，火山巖漿作用強烈，火山巖分布廣泛??遼寧省區域地質志新編.2008-2015..中生代以來，全區已上升為陸地，成為歐亞大陸板塊的一部分（東緣），進入了濱太平洋構造域的發展演化階段，受太平洋板塊北西向作用影響，產生了一系列北東向分布的斷裂和褶皺.伴隨著這種作用，形成了以裂隙式、中心式火山噴發為主要特點的火山活動，陸相火山巖十分發育.近年來，前人圍繞遼寧西部及鄰區火山巖作了大量的研究工作.通過對新一輪的1∶5萬、1∶25萬區域地質調查，對中、新生代火山巖從巖石學、巖石地球化學、火山旋回、火山巖相、火山機構等方面進行了深入細致的研究［1-3］.由于新生代火山巖規模小，分布有限，研究程度低，限制了對燕山造山帶中-新生代轉化過程中巖漿起源與巖石圈深部過程的認識.為此，本文試圖對遼西阜新-彰武地區新生代火山巖的巖石地球化學和巖石成因進行研究，希望能為探討新生代地殼/巖石圈深部作用過程提供一些科學依據.

1 區域地質

遼西阜新-彰武地區包括阜新盆地北緣、務歡池盆地及其東部的彰武-黑山盆地3部分.中生代晚期，受太平洋板塊的持續作用，歐亞大陸邊緣基底斷裂構造活化，誘發大規模的陸相火山巖漿活動，形成了頗具特色的陸相火山巖建造.新生代時期，火山活動總體較弱，以陸相玄武巖溢流為主.由于火山噴發中心的遷移及火山作用時間、方式等因素的影響，在各盆地中火山噴發產物具有明顯的差異.研究區新生代火山巖在20世紀80年代被稱為吐呼嚕組（1∶20萬區域地質圖），1985年遼寧省區域地質志取消吐呼嚕組，將其劃歸義縣組上部，1995年遼寧省地礦局在阜新地區進行1∶5萬大固本、新立屯、鐵匠各冷、務歡池幅等4幅區域地質調查時，將那立閃、扎蘭營子等附近發現的一套呈不整合或蓋帽方式覆蓋于孫家灣組（K2s）或沙海組之上的基性-中基性火山巖，根據其測定的K-Ar同位素測年數據（117 Ma??遼寧省1∶5萬鐵匠各冷、務歡池幅區調報告.1995.）將其時代劃歸在晚白堊世，定名為“大興莊組”（K2dx）［4-9］.在1∶25萬阜新市幅區域地質調查修測項目中，結合野外地質特征、室內巖石化學及前人資料，將其劃歸為古近紀和新近紀兩個時期的火山巖石組合，即古近紀古新世那立閃、新近紀中新世船底山兩個火山噴發旋回的火山巖??遼寧省1∶25阜新市幅區域地質調查修測報告.2014..

2 遼西阜新-彰武地區新生代火山巖的噴發旋回

遼西地區火山巖的噴發旋回已有許多專文論述，所劃分出的旋回因人而異.通過野外調查，本研究根據火山巖的巖石組合、噴發順序、時空分布及與沉積夾層的疊復關系，認為本次研究區內新生代火山巖由那立閃旋回和船底山旋回構成（見表1）.

古近紀那立閃旋回火山活動早、中期以爆發-噴溢交替出現為特色，經歷了兩次爆發-噴溢的過程，反映了火山活動弱—強—弱的完整旋回特點.其火山巖主要分布在務歡池盆地和彰武-黑山盆地西部，出露面積大約為168 km2，巖石類型簡單，柱狀節理發育，主要巖石組合為堿性系列的基性火山巖巖石.

新近系船底山旋回火山活動強度微弱，以中心式噴溢為特點，測區僅零星分布在紅旗村西南部，出露面積約4 km2.該旋回火山噴發產物不發育、分布局限，頂界被第四系地層覆蓋.在測區內，該旋回火山巖主要為一套堿性、過堿性系列基性巖組合，巖石類型主要為橄欖玄武質、玄武質火山熔巖組合.火山噴發方式以中心式為主.

3 火山巖巖石學特征

研究區新生代火山活動強度微弱，火山活動以爆發-噴溢交替出現為特點，主要分布在木頭營子-大五家子、堿鍋-敖包梁、蘇金寶力高村-東梅力板-娘娘營子村及彰武張強紅旗村等地.巖石類型簡單，考慮到樣品分布的均勻性和代表性，共取火山巖硅酸鹽樣品2件進行測試分析，同時也收集了已有的前人分析資料，綜合整理該旋回3件硅酸鹽樣品的化學分析結果.根據TAS火山巖分類圖解（圖1），那立閃旋回火山巖系總體巖石化學成分相當于碧玄巖-堿玄巖組合及堿性巖系列，屬于堿性系列，巖石類型主要有橄欖玄武巖、伊丁玄武巖、玄武巖；船底山旋回火山巖主要為一套堿性、過堿性系列基性巖組合，巖石類型主要有橄欖玄武質、玄武質火山熔巖等.

3.1 主量元素特征

各旋回巖石化學成分見表2.那立閃旋回火山巖類巖石化學成分平均值與黎彤值和戴里值相比，碧玄巖具低硅、鋁，高鎂、鐵、鈣、鈉的特點；堿玄巖具低硅、鎂，高鋁、鐵、鈣、鈉的特點.船底山旋回橄欖玄武巖、玄武巖具基性巖成分特征，與中國玄武巖（黎彤，1962）和大陸拉斑玄武巖（D.W.Hydman）相比，以富鈣貧硅、鎂、鉀為特點.上述反映各旋回火山熔巖，總體顯示新生代火山巖巖石具有低鈉、硅、鋁，高鐵、鎂的特點.

表1 遼西阜新-彰武地區新生代火山巖的噴發旋回

圖1 阜新-彰武地區新生代火山巖TAS圖解Fig.1 TAS diagram of the Cenozoic volcanic rocks in Fuxin-Zhangwu areaF—副長石巖（foidite）；Pc—苦橄玄武巖（picrite-basalts-）；B—玄武巖（basalt）；O1—玄武安山巖（basaltic andesite）；O2—安山巖（andesite）；O3—英安巖（dacite）；S1—粗面玄武巖（trachybasalt）；S2—玄武粗安巖（basaltic trachyandesite）；S3—粗安巖（trachyandesite）；T—粗面巖、粗面英安巖（trachyte/trachydacite）；R—流紋巖（rhyolite）；U1—碧玄巖（basanite）；堿玄巖（tephrite）；U2—響巖質堿玄巖（phonotephrite）；U3—堿玄質響巖（tephriphonolite）；Ph—響巖（Phonolite）

3.2 微量元素特征

本次工作僅采集和收集了那立閃旋回巖石地球化學數據，微量元素含量和有關參數值列入表3.該旋回火山巖類與黎彤的陸殼、洋殼及上地幔值相比，火山熔巖基性巖具有高Cr、Sr、Ba、Zr的特點；Cr在偏堿性的巖石中比較低；Rb、Sr、Ba在火山巖石中顯示較高，與堿有關的元素Zr在巖石中也比較富集；成礦元素Cu、Zn在巖石中基本上都高于維氏值，介于陸殼和洋殼之間.依據黎彤等人的研究，作為地球化學指示元素鐵族微量元素Cr、Co、Ni及Nb/Ta、Zr/Ta比值從上地幔→洋殼→陸殼是遞減的；堿性和與堿有關的微量元素Rb、Sr、Ba、Zr、Nb、Th、U及 Rb/Sr、Bb/Sr比值從上地幔→洋殼→陸殼是遞增的.根據這一變化規律，判斷本區火山巖的巖漿在上升遷移過程中，除本身有分異和分餾作用外，還與圍巖物質發生了同化混染和重熔.該旋回火山巖各巖石過渡元素分配型式曲線（圖2a）基本協調一致，呈明顯的“V”字型，表明為同源巖漿分異產物.巖石曲線出現相交現象，是由于個別元素在不同巖石中富集程度不同所致，反映了巖漿在運移和成巖過程中可能有外界物質的介入和混染.圖中各類巖石的Zr具有明顯的波峰，說明該元素在該旋回中比較富集.僅在樣號為11*的樣品中，Ta元素具有明顯的波谷，說明其在該樣品中分異較好.

表2 新生代火山巖主量元素分析結果一覽表

表3 新生代火山巖微量元素含量及參數一覽表

圖2 那立閃旋回微量元素蛛網圖（a）與稀土元素配分曲線模式圖（b）Fig.2 Primary mantle-normalized incompatible element patterns（a）and chondrite-normalized REE distribution patterns（b）for the Nalishan cycle標準值采用Sun and McDonough（1995）推薦值；樣品號與表2巖石類型對應

3.3 稀土元素特征

本次工作僅采集和收集了那立閃旋回巖石稀土元素含量和有關參數值（表4）.由表4可知，該旋回火山熔巖各巖石稀土總量差別較大，∑REE在51.92×10-6～262.85×10-6，平均值為192.14×10-6.與黎彤陸殼值（154.7×10-6）相比，碧玄巖均值、堿玄巖較低；與世界同類巖石維氏值（基性巖85×10-6、中性巖130×10-6）相比，碧玄巖均值、堿玄巖較高.由此反映該旋回火山巖偏堿性巖石為富稀土巖石.LREE/HREE值為8.2～18.84，（La/Yb）N值為 10.97～23.07，（Ce/Yb）N值為8.16～30.69，La/Sm值在4.76～14.29之間.以上參數值（表4）及稀土曲線（圖2b）特征反映該旋回火山巖各巖石均具輕稀土富集、分餾較好，重稀土虧損、分餾較弱的特點.δEu值反映堿玄巖銪異常不明顯，樣品號為FL7307、XT001的碧玄巖具有較明顯正銪異常，反映該樣品銪富集，樣品11*的碧玄巖銪異常不明顯.δCe值反映該旋回火山巖的鈰異常不明顯，除樣品11*碧玄巖具有較強的正鈰異常，以上特征與稀土曲線相吻合.Sm/Nd值在 0.12～0.21之間，Eu/Sm值為0.28～0.86，反映該旋回火山巖漿來源為幔源.

4 火山巖形成環境及源區

4.1 火山巖巖漿源及成因分析

新生代火山巖在（La/Yb）N-YbN圖解（圖3）中，那立閃旋回火山巖的投影點均投在大陸殼源區左側及上方，位于主要由角閃巖組成的源區產生的熔體趨勢線附近，無一點投在大陸殼源區內.該旋回火山巖稀土元素總量較高，為輕稀土富集型巖石.δEu顯正異常或異常不明顯，Eu/Sm值為0.2~0.86，La/Yb值均大于10，為幔殼源（據趙振華，1985）.微量元素異常值特征反映該旋回火山巖既有地殼成因信息，也有幔源的信息.在La/Sm-La關系圖解（圖4）中，那立閃旋回火山巖投影點有2個落在部分熔融線附近，3個點落在分離結晶線附近.綜上所述，各種信息反映該旋回火山巖巖漿來源于殼幔混源.船底山旋回火山巖零星分布，露頭不發育，據鄰幅巖石化學資料反映該旋回火山巖巖石屬于堿性、過堿性基性巖石，結合測區內所處構造位置，反映該旋回火山巖巖漿來源為幔源，為幔源巖漿沿基底深大斷裂中心式火山噴發的產物.

表4 新生代火山巖稀土元素含量及有關參數值

圖3 新生代火山巖（La/Yb）N-（Yb）N圖解（據江博明，1981）Fig.3 The（La/Yb）N-（Yb）Ndiagram of the Cenozoic volcanic rock（After Jahn B M,1981）▲—那立閃旋回火山巖（volcanic rock of Nalishan cycle）

4.2 火山巖形成構造環境

圖4 新生代火山巖La/Sm-La圖解（據Allegre，1973）Fig.4 The La/Sm-La diagram of the Cenozoic volcanic rocks（After Allegre,1973）▲—那立閃旋回火山巖（volcanic rock of Nalishan cycle）

圖5 里特曼-戈蒂里圖解（據A.Rittmann,1973）Fig.5 The Rittmann-Cottine diagram（after A.Rittmann,1973）A—非造山帶火山巖（anorogenic belt volcanic rock）；B—造山帶火山巖（orogenic belt volcanic rock）；C—A、B區派生的堿性、偏堿性火山巖（alkaline and meta-alkaline volcanic rock derived from A and B areas）；1、2—新近紀船底山旋回火山巖（volcanic rocks of Neogene Chuandishan cycle）；3、4、6—古近紀那立閃旋回火山巖（volcanic rocks of Paleogene Nalishan cycle）

圖6 Rb、Sr濃度與大陸殼厚度關系圖（據Condie,1973）Fig.6 Relationship between the contents Rb and Sr and the thickness of continental crust（after Condie,1973）▲—那立閃旋回火山巖（volcanic rock of Nalishan cycle）

古近紀火山巖在logτ-logδ圖解（圖5）中，投影點主要投在A、B區派生的堿性、偏堿性火山巖區（C區）內.與日本火山巖相比，靠近B區的右側，表明該時代火山巖構造位置遠離中生代的俯沖帶.而新近紀火山巖投在A、B及C區的交匯處附近，主要處于非造山帶火山巖區（A區），反映該時代火山巖構造位置處于大陸穩定地區.從Rb-Sr關系的圖解（圖6）中可以看出，該古近紀火山巖投影點多數落在地殼厚度大于30 km區域內，少數投在20～30 km范圍內.由此表明該時代火山巖形成時地殼厚度大于30 km.從反映火山巖構造位置的-MgO-Al2O3圖解（圖7）及TiO2×10-Al2O3-K2O×10圖解（圖8）中得知，古近紀旋回火山巖的投影點大部分投在大陸火山巖及島弧拉張中心火山巖區內，新近紀火山巖均投在大陸火山巖附近及大陸裂谷型玄武巖、安山巖區內.SiO2-K2O關系圖解（圖9）反映，船底山旋回巖漿來源深度為200～260 km，據此分析研究區應屬遠離俯沖帶活動大陸邊緣構造背景.

圖7 -MgO-Al2O3圖解（據Pearce,1977）Fig.7 The-MgO-Al2O3diagram（after Pearce,1977）A—洋中脊火山巖（mid-ocean ridge volcanic rock）；B—洋島火山巖（ocean island volcanic rock）；C—大陸火山巖（continental volcanic rock）；D—島弧拉張中心火山巖（island arc extensional center volcanic rock）；E—造山帶火山巖（orogenic belt volcanic rock）；1、2—新近紀船底山旋回火山巖（volcanic rocks of Neogene Chuandishan cycle）；3、4、6—古近紀那立閃旋回火山巖（volcanic rocks of Paleogene Nalishan cycle）

綜上所述，研究區古近紀火山巖屬于活動大陸邊緣的產物，火山噴發盆地形成的驅動力并非古太平洋板塊向歐亞板塊斜向俯沖的結果，而是由于中生代期間古太平洋板塊向歐亞板塊的斜向俯沖方向不斷改變（Maruyama，1997），華北陸塊南部與華南陸塊旋轉碰撞，北部受古蒙古洋板塊的俯沖、碰撞的影響，引起地殼或巖石圈產生拉張的結果所致.因此那立閃旋回火山巖為處于拉張條件下斷陷盆地內的火山噴發產物.而新近紀火山巖具有大陸穩定區的特征，由于局部拉張作用，幔源巖漿沿基底深大斷裂中心式火山噴發，形成船底山旋回基性火山巖，巖漿來源深度為200～260 km.

圖8 TiO2×10-Al2O3-K2O×10圖解（據趙崇賀,1989）Fig.8 The TiO2×10-Al2O3-K2O×10 diagram（After ZHAO Chong-he,1989）A—大洋玄武巖區（oceanic basalt）；B—大陸裂谷型玄武巖、安山巖區（continental rift basalt/andesite）；C—島弧造山帶玄武巖、安山巖區（island arcorogenicbelt basalt/andesite）；1—新近紀船底山旋回火山巖（volcanic rocksofNeogeneChuandishancycle）；2—古近紀那立閃旋回火山巖（volcanic rocksof PaleogeneNalishancycle）

圖9 SiO2、K2O與巖漿來源深度關系圖Fig.9 Relationship between the contents of SiO2and K2O and the depth of magma source

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YANG Zhong-jie1,LU Wei-yuan2,SHEN Bing-long2,LIU Chang-chun1,KUAI Bing1,LIU Jin1,LIU Wen-bin1

1.Liaoning Institute of Geological and Mineral Survey,Shenyang 110031,China;
2.Liaoning Golden Eagle Mining Assessment&Consultation Co.,Ltd.,Shenyang 110031,China

The Fuxin-Zhangwu area in Western Liaoning Province saw two Cenozoic volcanic cycles,i.e.the Paleogene Paleocene Nalishan cycle and Neogene Miocene Chuandishan cycle.During the 1:250 000 regional geological survey, detailed study and redefinition are carried out on the basis of petrology,petrogeochemistry,volcanic cycle,regional comparison and previous literatures.The volcanic lava of each cycle evolves from basic to intermediate-basic,with characteristics of increasing sodium,silicon and aluminum,but reducing iron and magnesium.The distribution pattern curves of transitional elements of the volcanic rocks are coordinated and consistent as obvious V-shape,which indicates the differentiated product from comagma.The meta-alkaline rocks are enriched in REE;while the normal rocks are poor in REE.The rocks are characterized by enrichment of LREE with well fractionation and depleted in HREE with poor fractionation.The LREE/HREE value is between 8.2 and 18.84,with Sm/Nd between 0.12 and 0.24,Eu/Sm between 0.2 and 0.86,showingthatthe magma is mainly originated frommantlesource.

Cenozoic volcanic rock;petrogeochemistry;origin;Fuxin-Zhangwu area;Liaoning Province

2014-04-10；

2015-08-16.編輯：張哲.

中國地質調查局“遼寧1∶25萬阜新市（K51C002002）幅區調修測”項目（編號1212011120728）.

楊仲杰（1987—），男，工程師，從事區域地質調查與固體礦產勘查工作，通信地址 遼寧省沈陽市皇姑區寧山中路42號，E-mail// 147018374@qq.com