內蒙古牙爾蓋地區晚中生代火山巖地球化學特征及構造環境

[摘要]牙爾蓋地區中生代火山巖表現為高鉀鈣堿性系列，本文通過對其進行巖相學、巖石地球化學分析，認為區內火山巖原始巖漿來源為殼源，形成于蒙古-鄂霍次克洋閉合過程中的大陸弧碰撞環境，但在靠近大陸一側見有鉀玄巖系列巖石出現，反映溝-弧-盆體系俯沖帶向大陸發展影響到的最遠位置。

[關鍵詞]晚中生代火山巖；地球化學特征；構造環境；牙爾蓋

[基金項目]內蒙古地質勘查基金項目：項目編號：NMKD2013-09

內蒙古牙爾蓋地區位于大興安嶺增生造山帶北段西坡，地處大興安嶺隆起與海拉爾坳陷的銜接部位。中生代期間大興安嶺增生造山帶經歷了環太平洋構造體系和蒙古-鄂霍次克海構造體系的雙重疊加和改造[1]，巖漿活動強烈且火山巖分布廣泛，形成東北地區三大火山巖帶之一———西部環大興安嶺火山巖帶，是研究中亞蒙古造山帶東段中生代造山作用疊加、復合和改造的理想區域[2，3]。筆者統計了國內主要期刊近年來關于大興安嶺地區中生代火山巖的地球化學特征，多數文獻表明該區中生代火山巖屬鈣堿性系列[4-17]，產出環境為削減帶、島弧或者邊緣海盆地（低鉀），其形成受蒙古-鄂霍茨克洋閉合作用的影響，少數文獻認為系受古太平洋俯沖作用的影響；另有文獻顯示中段柴河地區瑪尼吐組火山巖屬鉀玄巖系列，形成于蒙古-鄂霍次克洋閉合后的巖石圈伸展構造環境[12]。筆者主持的內蒙古呼倫貝爾市牙爾蓋等兩幅1∶5萬區域礦產地質調查項目，在巖石化學圖解中樣品大多落在鈣堿性系列，個別樣品落入鉀玄巖系列，本文利用鉀玄巖系列巖石對構造環境研究特有的指示作用[18]，更精準地論證了牙爾蓋地區中生代火山巖的構造環境，并對其巖漿成因和源區性質作了探討。

1.區域地質概況

研究區位于興安地塊西北緣，北與喜桂圖-塔源深大斷裂緊鄰，南與賀根山-黑河縫合帶相望。中生代火山巖廣泛分布于布特陶勒蓋向斜和哈布楚渾迪背斜兩翼（圖1），系一套陸相火山熔巖、火山碎屑巖組合，其間夾有少量碎屑沉積巖。整個火山活動可劃分為兩個噴發旋回———晚侏羅世旋回和早白堊世旋回，火山活動方式均以噴溢為主兼有爆發，熔巖表現出中性-酸性-基性的變化特征，對應地層分屬于興安嶺群侏羅系上統瑪尼吐組（J3mn）、白音高老組（J3b）和白堊系下統梅勒圖組（K1m），屬于大興安嶺火山巖帶南區[19]。瑪尼吐組（J3mn）巖石組合為安山巖、英安巖、安山質火山碎屑巖。白音高老組（J3b）巖石組合為流紋巖（夾軸粒流紋巖、珍珠巖）、流紋質火山碎屑巖、火山碎屑巖夾碎屑沉積巖。梅勒圖組（K1m）巖石組合為玄武巖、玄武安山巖、玄武質凝灰角礫巖。研究區褶皺與斷裂均較發育，褶皺有布特陶勒蓋向斜和哈布楚渾迪背斜，斷裂主要為北東向、次為北西向和北北東向，多數表現為壓性，少數為張性。區內晚石炭世侵入巖發育，巖性主要為正長花崗巖、斜長花崗巖和花崗閃長巖，構成哈布楚渾迪背斜核部，中生代火山巖對稱分布于哈布楚渾迪背斜兩翼，地層展布與區域構造線方向一致，在哈布楚渾迪向斜南東翼瑪尼吐組發育有火山口。

2.巖相學特征

本次研究主要選取研究區內中生代火山熔巖樣品進行巖石化學分析，每套樣品均配有薄片鑒定，結果如下：

瑪尼吐組（J3mn）

安山巖：巖石新鮮面呈黑灰色，斑狀結構，塊狀構造，基質呈交織結構。斑晶礦物成分為斜長石，含量10%，呈柱狀、板狀，邊緣溶蝕狀圓滑狀，聚片雙晶發育，粒徑0.6～2mm，表面蝕變常見碳酸鹽化；基質由斜長石微晶和磁鐵礦微粒組成，含量90%。斜長石微晶呈定向或半定向排列，粒間分布有碳酸鹽微粒和磁鐵礦細小顆粒。

英安巖：巖石新鮮面呈灰綠色，顯微晶斑狀結構，塊狀構造。由斑晶（12%）和基質（88%）組成。斑晶礦物成分為斜長石（6%）、黑云母（4%）和鉀長石（2%），斜長石斑晶可見聚片雙晶，黑云母解理隙內見有黑色鐵質析出，鉀長石斑晶個別具有卡斯巴雙晶。基質為大量的微晶狀長英質集合體。

白音高老組（J3b）

紫紅色流紋巖：巖石新鮮面呈淺肉紅色，顯微晶斑狀結構，塊狀構造。由斑晶（15%）和基質（85%）組成。斑晶礦物成分分別為斜長石（2%）、黑云母（4%）、鉀長石（6%）和石英（3%），其中斜長石斑晶具聚片雙晶，黑云母解理隙內見有黑色鐵質析出。基質為大量的微晶狀長英質集合體密集分布，其中有少量纖維狀長英質集合體正交鏡下呈波狀、黑十字消光，形成較完好的球粒，直徑<0.2mm。

軸粒流紋巖：巖石新鮮面呈紫紅色，斑狀結構，基質軸粒結構，流紋構造。巖石斑晶由堿性長石和斜長石組成，堿性長石為正長石和透長石，呈柱狀、板狀，邊緣溶蝕狀圓滑狀，具卡式雙晶，粒徑0.6～1.5mm。斜長石呈柱狀，聚片雙晶發育，粒徑0.3～1mm。基質具軸粒結構，主要由隱晶質和霏細質組成。由長英質組成的霏細質沿軸線方向呈羽狀或束狀散射生長，其長軸方向定向分布，軸粒之間為隱晶質或霏細質，它們相間定向排列，構成流紋構造。

珍珠巖：新鮮面呈灰綠色，斑狀結構，基質玻璃質結構，珍珠構造。斑晶含量少（5%），礦物成分分別為鉀長石（2%）、斜長石（2%）和石英（1%），鉀長石具卡式雙晶，斜長石聚片雙晶發育，石英表面碎裂紋發育。基質主要由大量弧形或半圓形同心狀玻璃質和球粒組成。

梅勒圖組（K1m）

玄武巖：巖石新鮮面呈深灰色，鏡下呈交織斑狀結構，塊狀構造。巖石斑晶（3%）礦物成分為斜長石（2%）和輝石（1%）。基質為自形長條狀、板柱狀、針柱狀斜長石微晶，半定向-雜亂密集排列，在其近三角形的間隙中，分布柱粒狀輝石，此外見有黑色粒狀、微細粒磁鐵礦零散分布。交織結構說明該玄武巖屬于向安山巖過渡的類型。

3.巖石地球化學特征

3.1樣品測試方法

本次用于全巖主量元素、微量元素、稀土元素測試的中生代火山巖代表性熔巖樣品各8件，對應樣品采自同一地質單元同一露頭，由5塊以上小塊巖石組合而成。所有樣品均委托呼倫貝爾市原野測試有限責任公司承擔。主量元素分別運用重量法、容量法、可見分光光度法和原子吸收分光光度法等進行測試，采用高溫箱式電阻爐（SX2-4-10）、50mL滴定管、可見分光光度計（723N）和原子吸收分光光度計（GGX-610）等儀器，檢測依據為GB/T14506.3-2010硅酸鹽巖石化學分析方法，分別用于測定SiO2、LOI，Al2O3、CaO、MgO、FeO，TiO、Fe2O3、MnO、P2O5和K2O、Na2O。微量元素和稀土元素的測試，除Zr、Hf運用X射線熒光光譜法（XRF），測試儀器型號為AxiosmAX外，其余均運用電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS），微量元素測試儀器為PE-Nexion300Q，稀土元素測試儀器為PE-Nexion350Q[19]。表1列出了所有樣品巖石地球化學分析結果及特征參數值。

3.2主量元素化學特征

三套地層樣品主量元素特征如下：SiO2含量54.02%～72.82%，Al2O3含量11.12%～17.87%；K2O為3.31%～5.67%，Na2O為2.18%～5.99%，全堿含量Alk為6.60%～10.05%，K/Na值為0.52～1.61，里特曼指數（σ）為1.35～4.82，鋁飽和指數A/CNK為0.77～1.14。8號樣點SiO2質量分數偏高（57.11%），說明研究區梅勒圖組玄武巖在化學成分上已趨于向安山巖過渡，這一點與鏡下鑒定該玄武巖呈交織結構的結論吻合。

根據陽離子標準礦物計算值Ol’-Q’-Ne’圖解（圖2a），所有樣點均落在亞堿性系列區；在亞堿性火山巖分類K2O-SiO2圖解（圖2b），3、4、6、7四個樣點落入高鉀鈣堿性系列區，1、2、5、8四個樣點則落入了鉀玄巖系列區。由于鉀玄巖系列屬于造山帶巖石，為驗證研究區內是否存在鉀玄巖系列巖石組合，筆者根據研究區構造環境判斷結果（參見第4節，圖4），利用適于造山帶火山巖的SiO2-（K2O/Na2O）圖解（圖2c）作投影，發現僅2號樣點落入鉀玄巖系列的粗面巖區，而1、8號樣點落在高鉀玄武安山巖和高鉀安山巖區，5號樣點與3、4、6、7號樣點均落在高鉀流紋巖區。從廣義上講，鉀玄巖系列其實也屬于高鉀鈣堿性系列[19]。所以，雖然2號樣品處于高鉀鈣堿性系列和鉀玄巖系列分界線附近鉀玄巖系列一側，但整個巖石仍可歸屬于高鉀鈣堿性系列。鉀玄巖系列巖石的出現，對于巖石產出構造環境的研究具有特定的指示意義[20]。在火山巖A/NK-A/CNK圖解上（圖2d），1、2、5、6、8五個樣點落入偏鋁質區，3、4、7三個樣點落入過鋁質區。

綜合巖石造巖元素含量特征與巖石各類組合參數圖解（圖2），三套地層中的熔巖均表現為高硅、高堿、富鉀的特征，巖石整體屬于高鉀鈣堿性系列，瑪尼吐組（J3mn）巖石屬偏鋁質中性巖類，白音高老組（J3b）巖石屬偏鋁質-過鋁質酸性巖類，梅勒圖組（K1m）巖石屬偏鋁質基性巖類。

3.3稀土元素化學特征

樣品稀土總量（∑REE）114.64×10-6～240.57×10-6，輕稀土含量（∑LREE）102.32×10-6～222.45×10-6，重稀土含量（∑HREE）11.50×10-6～19.09×10-6（表1）。三套地層稀土元素配分型式一致，曲線總體呈一組右傾密集平行曲線，輕稀土斜率較大，呈富集型，重稀土近似平坦（圖3a）。輕重稀土元素比值LR/HR=7.85～12.28，稀土分餾系數（La/Yb）N=7.11～14.13，輕稀土分餾系數（La/Sm）N=2.74～4.71，重稀土分餾系數（Gd/Yb）N=1.11～2.96，區內稀土元素呈現輕稀土強富集、分餾明顯，重稀土元素弱富集、分餾不明顯的特征。δEu=0.47～0.80，表現為中等程度虧損，不同程度銪負異常說明巖漿源區的殘留相里富有斜長石，巖漿源區深淺不一，而重稀土呈現平坦型則說明巖漿源區殘留相里無石榴石。

3.4微量元素化學特征

根據研究區微量元素原始地幔標準化蛛網圖（圖3b），三套地層大離子親石元素Rb、Ba、K和LREE的豐度值偏高，Sr元素豐度值變化較大，多數樣品表現為虧損，與δEu負異常相吻合，指示分離結晶后巖漿源區殘留相中斜長石含量的增加，證明發生了以斜長石為主的分離結晶作用；高場強元素Zr、Hf豐度值正常，Nb、Ta、Ti表現為虧損，其中Nb、Ta曲線形態表現為“槽”，反映出正常火山弧火山巖的特征，說明研究區中生代火山巖在蒙古-鄂霍茨克洋向南俯沖的過程中間，具有大陸地殼物質的參與。三者Nb/Ta比值的平均值偏低，依次為18.25、15.33和14.73，說明源區參與巖漿缺乏角閃石的存在。耐火度Mg#值極低，介于0.05～0.38之間，反映巖漿來源為殼源而非幔源。

4.討論

4.1構造環境分析

在火山巖lgτ-lgo圖解（圖4）上，白音高老組、梅勒圖組樣品投影于消減帶火山巖區（島弧及大陸邊緣弧），瑪尼吐組火山巖樣品投影于消減帶演化的堿性火山巖區（1號）或其與消減帶火山巖區的分界線附近（2號）。根據Jakes（1972）提出的劃分島弧與大陸邊緣弧的方案，研究區中生代火山巖SiO2含量為54.02%～72.82%，除1號樣品外，均介于56%～75%之間。樣品FeO*/MgO比值為3.22～34.28，符合大陸邊緣弧>2.0的要求，K2O/Na2O比值為0.52～1.61，除4號樣品外，均滿足大陸邊緣弧>0.6的要求，僅K2O的含量整體偏高。由于研究區中生代火山巖基本屬于鈣堿性系列，據此可推斷巖石的產出環境整體為大陸邊緣弧的中心。2號樣品屬于鉀玄巖系列，可進一步說明晚侏羅世巖石產出環境應位于大陸邊緣弧靠近大陸一側，它反映的是溝-弧-盆體系中俯沖帶向大陸俯沖能夠影響到的最遠位置。

綜上分析，研究區中生代火山巖樣品產出環境基本為大陸邊緣弧環境，區內巖石組合表現為高鉀鈣堿性系列，但在靠近大陸一側見有鉀玄巖系列巖石出現。

4.2源區性質及巖石成因分析

研究區中生代火山巖表現為富集大離子親石元素Rb、Ba、K，虧損高場強元素Nb、P、Ti，據此可判斷巖漿源區為陸殼物質或者俯沖流體交代的巖石圈地幔[21]。過親巖漿元素Cr、Co、Ni和Mg#值較低，不具地幔成因的特征。另據元素特征比值來看，Ti/Zr比值介于6.44～17.57之間（<20），位于殼源巖漿范圍內[22]；Rb/Sr比值介于0.10～4.45之間，明顯高于洋脊玄武巖E-M0RB（0.033）、原始地幔PM（0.03）和洋島玄武巖0IB（0.047）的Rb/Sr值[23]。合以上火山巖微量元素特征，顯示原始巖漿應為殼源，與地殼巖石的部分熔融有關。

研究區晚侏羅世火山巖形成的構造環境為大陸邊緣弧，隨著蒙古-鄂霍次克洋向南俯沖，造山作用開始，至早白堊世蒙古-鄂霍次克洋關閉時，造山作用向后造山作用轉變[24]。在蒙古-鄂霍次克洋向南俯沖削減的過程中，地幔分離玄武巖漿注入大陸，使陸殼發生再熔融，且陸殼熔融帶不斷增厚，致使最終形成中生代火山巖系。根據研究區鈣堿性系列富堿、高鉀的特征，可以推測火山弧形成時卷入的俯沖洋殼數量已經減少，火山弧成熟度較高，研究區甚至出現了鉀玄巖系列巖石，是俯沖帶距離海溝最遠的地方。另一方面，古太平洋板塊向歐亞板塊俯沖雖然始于早侏羅世，但其作用范圍主要限于松遼盆地以東地區[25]，向西俯沖時間主要集中于中白堊世[26]，對研究區巖石組合的形成影響不大，但隨著蒙古-鄂霍次克洋造山作用的消失和中白堊世太平洋向西兩次短期的俯沖[26]，對研究區中生代火山巖的構造展布仍然深受其影響。

5.結論

（1）研究區中生代火山巖屬于高鉀鈣堿性系列、偏鋁質-過鋁質，從晚侏羅世瑪尼吐組、白音高老組到早白堊世梅勒圖組，依次表現為中性、酸性和基性巖石。其中瑪尼吐組含有鉀玄巖系列的安山巖，是大陸邊緣火山弧的巖石組合之一，產自大陸邊緣弧靠近大陸一側，是溝-弧-盆體系俯沖帶向大陸發展能影響到的最遠位置。

（2）區內稀土元素呈現輕稀土強富集、分餾明顯，重稀土元素弱富集、分餾不明顯的特征。微量元素特征及比值顯示巖漿源區為殼源。δEu具有中等程度虧損，表明巖漿源區深淺不一。

（3）巖石微量元素分析表明，研究區原始巖漿發生了以斜長石為主的分離結晶作用，在蒙古-鄂霍茨克洋向南俯沖的過程中間，巖漿的形成具有大陸地殼物質的參與。

（4）研究區中生代火山巖形成的構造環境為大陸邊緣弧，其形成主要受蒙古-鄂霍次克洋閉合造山作用的控制，推測僅在后期受太平洋俯沖的影響。

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