內蒙古赤峰早白堊世多斑流紋斑巖巖相學特征及成因

鐘 輝，劉 欣，張渝金，伍 月

中國地質調查局 沈陽地質調查中心，遼寧 沈陽 110034

0 序言

火成巖的研究經歷了巖類學、實驗巖石學至巖理學（巖石成因）的進程［1］，其研究的目的之一是揭示巖石的成因. 巖類學是研究巖石成因的基礎，巖石的結構構造及礦物組合不僅是巖石分類命名的主要依據，也是分析巖石成因的重要物質基礎. 火成巖的結構和構造記錄了巖漿運移和冷凝過程中地質環境和物理化學條件的變化，為研究火成巖的形成和演化提供了最直接的依據［2］. 大興安嶺發育中生代火山巖，尤其是早白堊世火山巖廣泛分布，是大興安嶺中生代火山巖重要的組成部分. 關于早白堊世火山巖成因及形成的構造背景，已有的資料多從年代學及巖石地球化學方面進行探討，認為其形成于伸展構造背景［3-7］，但從巖石組構特征等巖相學方面來研究討論其巖漿活動及反映的構造背景方面鮮有報道. 內蒙古赤峰雙勝地區也發育有大面積中生代火山巖，以往多據巖石組合劃分為中—晚侏羅世，近年1∶5 萬區域地質調查（中國地質調查局沈陽地質調查中心，李家園子等三幅，2019—2021年），在該地區解體出大量早白堊世火山巖，劃分出以中性火山巖為主的龍江組（K1l）、以酸性火山巖為主的光華組（K1gn），其中侵入有多斑流紋斑巖；在流紋斑巖中獲得131 Ma（鋯石U－Pb，LA－ICP－MS）年齡. 本文通過對雙勝地區多斑流紋斑巖的巖相學及結構構造特征的研究，分析探討其可能的成因.

1 研究區地質背景

研究區位于內蒙古自治區赤峰市巴林右旗，在晚古生代增生造山帶基底之上，發育中生代火山巖系，隸屬于中生代大興安嶺火山巖帶，NNE 向大廟－呼瑪火山噴發帶，阿魯科爾沁－海拉蘇火山噴發盆地（圖1a）［8］.火山盆地基底主要出露于火山盆地邊緣，由晚古生代淺變質海相火山巖－陸源碎屑巖夾碳酸鹽巖和陸相河－湖相碎屑沉積巖組成. 有的巖石經歷了較強的變形作用. 火山盆地主要充填有中侏羅世中酸性火山碎屑巖夾碎屑巖及含煤沉積、晚侏羅世中基性—酸性火山熔巖及其相應的火山碎屑巖、早白堊世中－酸性火山熔巖及其碎屑巖. 研究區由于更新世—全新世沖－洪積及風積物的大面積掩蓋，中生代地質體多呈“孤島”狀出露，巖石有早白堊世龍江組（K1l）中性火山熔巖及火山碎屑巖，光華組（K1gn）酸性火山熔巖、凝灰熔巖及凝灰巖、伴生的潛火山相流紋斑巖（圖1b）.

圖1 研究區構造位置及地質簡圖Fig. 1 Tectonic location and geological sketch maps of the study area1—第四系（Quaternary）；2—下白堊統光華組（Lower Cretaceous Guanghua fm.）；3—下白堊統龍江組（Lower Cretaceous Longjiang fm.）；4—流紋斑巖（rhyolite porphyry）；5—同位素年齡（isotopic age）；6—樣品位置（sampling location）

2 多斑流紋斑巖的巖相學特征

本研究樣品采自內蒙古赤峰市巴林右旗寶日勿蘇東南約12 km 毛瑞毛都嘎查附近，其巖性為多斑流紋斑巖，呈NNW 走向的巖脈侵入于下白堊統龍江組安山質晶屑凝灰巖、安山巖之中（圖2a）. 考慮臨近大面積出露有早白堊世光華期（K1gn）酸性火山巖及其中同樣有潛火山巖相流紋斑巖伴生，研究樣品應為早白堊世光華期（K1gn）潛火山巖相產物. 手標本上，巖石呈淺灰－淺肉紅色調，多斑狀結構，基質呈隱晶質結構，塊狀構造，局部具氣孔狀構造（圖2b）. 氣孔含量約5%，形態有圓形、橢圓形、舌形、葫蘆形，少量為不規則狀，分布無方向性，孔徑介于0.5～3.0 mm.

圖2 早白堊世多斑流紋斑巖Fig. 2 The Early Cretaceous dosemic rhyolite porphyrya—巖石野外照片（field photograph）；b—氣孔構造（vesicular structure）

斑晶含量多達70%，成分主要為石英（35%）及透長石（30%），少量斜長石（5%）（圖3a）. 石英斑晶在手標本呈淺褐－淡茶色，顯微鏡下呈聚斑狀或與透長石一起呈聯斑狀，以他形粒狀為主，少量呈棱角狀，粒徑0.6～2.4 mm；大部分石英斑晶被熔蝕，邊緣呈渾圓形、港灣狀、波浪形，有的內部熔蝕形成鳥眼形孔洞并被后期生長的石英及基質充填（圖3b）；有的石英斑晶發育裂紋，裂紋無方向性，部分石英斑晶具“裂而不離”或“離而不散”特征，裂縫中充填長英質霏細狀基質（圖3c）. 斑晶透長石手標本呈灰白色，鏡下見其粒徑0.7～1.8 mm，多呈不規則柱狀、板柱狀及寬板狀，邊緣略顯港灣狀，發育較清晰的卡氏雙晶，少量具有對角線雙晶，也發育裂紋；有的見其邊緣發育梳狀正長石反應邊（圖3b），梳狀正長石延長方向垂直透長石斑晶邊緣生長，部分正長石為斑晶透長石的延續；少量透長石斑晶具有隱晶質環帶狀反應邊（圖3d），反應邊內帶暗褐色，外帶淡黃褐色，外帶中含無方向性分布的針柱狀暗色礦物雛晶，雛晶長徑0.02～0.1 mm. 斑晶斜長石粒徑0.4～0.8 mm，呈半自形寬板狀、板柱狀，發育隱約顯示的細密聚片雙晶紋，并見斜長石被包含于透長石之中的現象.

圖3 多斑流紋斑巖顯微結構Fig. 3 Microscopic structures of dosemic rhyolite porphyrya—多斑流紋斑巖斑晶與基質（phenocryst and matrix）；b—斑晶石英的鳥眼構造及透長石的梳狀反應邊（bird’s eye structure of quartz phenocryst and comb-like reaction rim of sanidine）；c—斑晶石英的裂而不散及充填霏細狀基質（fragmentation of quartz phenocryst filled with felsitic matrix）；d—透長石斑晶的環狀反應邊（annular reaction rim of sanidine phenocryst）；Sa—透長石（sanidine）；Qtz—石英（quartz）

基質含量30%，呈顯微晶質結構，結構不均勻；大部分為霏細狀、花瓣狀長英質集合體；局部可見半自形長柱狀、板柱狀及寬板狀正長石微晶，粒徑介于0.1～0.3 mm；此外，還含有針狀、針柱狀暗色礦物雛晶，雛晶長徑介于0.05～0.08 mm，無方向性.

3 礦物的化學成分特征

礦物成分測定在東北礦產資源監督檢測中心進行，采用JXA－8100 型電子探針. 加速電壓為15 kV，電流為10 nA，束斑直徑為1 μm，分別對多斑流紋斑巖中的透長石斑晶、透長石斑晶的梳狀反應邊、基質中的正長石成分進行了測試，并用Geokit 軟件，計算基本分子組成An－Ab－Or 含量. 分析及計算結果見表1.

表1 透長石斑晶、梳狀反應邊及基質正長石電子探針數據及長石基本分子計算結果Table 1 Electronic probe data of sanidine phenocryst，comb-like reaction rim and matrix orthoclase with calculation results of feldspar basic molecules

利用透長石斑晶、透長石斑晶梳狀反應邊及基質中正長石的電子探針分析的化學成分，分別計算出其An、Ab、Or 組分. 投點到長石在Or－Ab－An 體系中的成分和命名圖中［9］：透長石斑晶5 個樣品中有4 個樣品落入歪長石區域，另外一個點在鈉長石與歪長石界線處；透長石斑晶的梳狀反應邊的5 個樣品全部落入Na－正長石區域；基質中的正長石成分主要落在Na－正長石區與歪長石成分區，有1 個樣品落入鈉長石與更長石邊界，表現出向鉀含量增加方向演化的趨勢（圖4）. 斑晶透長石的Na2O 含量為7.57%～9.29%（平均8.26%），K2O 含量為1.82%～6.63%（平均4.47%）；透長石斑晶梳狀反應邊的Na2O 含量為4.27%～6.34%（平均5.62%），K2O 含量為6.66%～9.58%（平均8.11%）；基質中正長石的Na2O 含量為4.54%～9.57%，（平均7.57%）K2O 含量為1.57%～10.46%（平均5.81%）. 上述結果反映從斑晶透長石－基質正長石－梳狀反應邊長石，具有Na2O 含量降低，而K2O 含量升高的趨勢.無論斑晶還是基質，均顯示為K－Na 長石系列.

圖4 長石在Or-Ab-An 體系中的成分和命名（據文獻［8］）Fig. 4 Compositions and nomenclatures of feldspar in Or-Ab-An system（After Reference［8］）1—透長石斑晶（sanidine phenocryst）；2—斑晶梳狀反應邊（comb-like reaction rim of phenocryst）；3—基質（matrix）

4 多斑流紋斑巖的成因探討

巖漿巖結構構造特征是巖漿結晶物理化學條件的客觀反映，尤其是潛火山巖，包括斑晶含量及其晶形變化特點、斑晶成分變化等. 斑狀結構常見于潛火山巖中，斑晶含量與成核密度、晶體生長速度、巖漿的過冷度密切相關［2，9］. 在深部巖漿房緩慢的冷卻條件下，晶體成核密度小，在具有充分結晶時間保障條件下，可形成大量自形斑晶［9］. 巖石中斑晶含量高達70%，說明巖漿形成后，經歷了斑晶低密度及長時間的結晶過程，反映巖漿房有較長時間滯留于深部較穩定的物理化學狀態下，即相對穩定的地質構造背景.

巖石中長石及石英斑晶多具有熔蝕特征：長石斑晶邊緣呈港灣狀；石英斑晶邊緣呈渾圓形、港灣狀、波浪形，有的內部熔蝕形成“鳥眼”形孔洞并被后期生長的石英及基質充填. 這些特點說明巖漿房經歷了升溫過程，造成早期結晶斑晶的熔蝕現象. 巖漿房升溫的出現可能主要有兩種機制：外部熱（液）流注入加熱作用引起的升溫；巖漿房減壓作用引起的升溫作用. 對斑晶長石、基質中的長石、斑晶長石梳狀反應邊成分分析表明，長石成分均為K－Na 長石系列，且有自斑晶長石、基質長石至斑晶長石梳狀反應邊，Na2O 含量降低，而K2O 含量升高的特征，反映了巖漿正常演化的特點，這可以排除外部熱（液）流注入的可能；因此，巖漿房溫度升高應該與巖漿房減壓作用引起的升溫過程有關. 這種減壓作用，應該是巖漿（房）經歷了較快速的上升運移過程.

研究樣品中斑晶含量高達70%. 流變學實驗結果表明，當巖漿中晶體含量達到約50%時，巖漿體基本處于“凍結”狀態，不再具有整體遷移的能力［10-12］，巖漿（房）要繼續運移，需要重新激活. 現有研究表明，巖漿激活機制主要有兩種觀點：1）升溫活化機制［13-17］；2）流體活化機制［18-20］. 研究區樣品可能經歷了減壓過程，伴隨巖漿房減壓，巖漿在升溫的同時，巖漿體系中大量流體及氣液釋放從而激活了“凍結”狀態巖漿房.大量氣孔的存在應是這一過程的反映.

伴隨巖漿快速上升減壓升溫，早期在深部相對低溫條件下結晶的石英及長石，遭受熔蝕［21］. 石英斑晶出現“裂而不離，離而不散”的“碎斑”結構特征，也說明巖漿經歷了靜壓力迅速降低的過程. 由于靜壓力的迅速降低，晶體體積迅速膨大而“炸裂”，并沿裂隙充填“殘余熔漿”. 由于壓力快速降低，熔漿中大量氣體釋放，從而形成氣孔構造及斑晶透長石邊緣垂直生長著呈“梳狀反應邊”的正長石.

巖石具有高斑晶含量（70%）、斑晶熔蝕、“碎斑”結構、氣孔構造、垂直透長石的“梳狀反應邊”的特征. 長石成分的變化為斑晶透長石—基質正長石—梳狀反應邊正長石，具有Na2O 含量降低而K2O 含量升高的趨勢，反映了巖漿經歷早期在深部較長時間的滯留后，后期上升運移有逐步加快的特點. 同時，反映研究區構造背景，從早期相對穩定到后期快速伸展的過程.

本研究樣品為侵位于早白堊世龍江期中性火山巖之中的流紋斑巖，它是早白堊世光華期火山活動的潛火山巖；臨近研究樣品的光華期流紋斑巖年齡為131 Ma（鋯石U－Pb，LA－ICP－MS）. 樣品的巖石結構特點反映其形成于快速減壓的構造背景，這種減壓過程應是區域伸展作用的表現，說明在130 Ma 時研究區進入了快速伸展時期，這與大興安嶺地區發育該時期雙峰式巖漿活動、松遼盆地開始大幅度斷陷活動［4，22-26］相契合.

5 結論

多斑流紋斑巖斑晶含量高達70%，發育氣孔構造、熔蝕結構、碎斑結構，為兼具熔巖及碎斑熔巖結構特征的潛火山巖；其結構特征反映巖漿經歷了早期較長時間的深部滯留、后期快速絕熱－減壓上升的過程，快速上升時期應為區域性伸展構造背景開始的反映.

本文資料主要來源于內蒙古1∶5 萬李家園子幅等三幅區域地質調查項目，項目組成員為研究提供了有力幫助，匿名審稿專家為本文最終定稿提出有益的意見及建議，在此一并致謝！