内蒙古赤峰北部晚侏罗世中酸性火山岩地球化学特征

郝 彬，杨欣德，张明洋，谢乘飞

(1.中国地质大学地球科学与资源学院，北京 100083;2.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081)

内蒙古赤峰北部晚侏罗世中酸性火山岩地球化学特征

郝 彬1，杨欣德2，张明洋1，谢乘飞1

(1.中国地质大学地球科学与资源学院，北京 100083;2.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081)

内蒙古赤峰北部晚侏罗世中酸性火山位于华北克拉通北缘内蒙古隆起上，熔岩主要有流纹岩、安山岩、辉石安山岩。岩石地球化学研究表明，中性火山岩SiO2含量50.74% ～58.82%，Al2O3含量15.32% ～17.17%，Mg#值0.45～0.52，全碱 (K2O+Na2O)含量4.89～7.05，属于钠质，钙碱性系列;流纹岩SiO2含量74.68% ～74.86%，Al2O3含量12.09% ～13.13%，Mg#值0.13～0.39，全碱(K2O+Na2O)含量7.83%～7.99%，属于钙碱性—钾玄岩系列。中性火山岩轻重稀土分馏明显，(La/Yb)N值为9.6～16.09，Eu异常不明显，Eu*/Eu值为0.94～1.12，富集Pb等LILE，亏损Ni、Ta等HFSE;流纹岩与中性火山岩具有相似的微量元素分布特征，(La/Yb)N值为7.86～10.05，Eu负异常明显。结合前人研究资料，初步认为研究区中性火山岩形成于板内伸展减薄环境下;安山质岩浆可能是在岩石圈伸展导致软流圈上涌和地温梯度增高背景下富集岩石圈地幔部分熔融的产物。

中酸性火山岩;晚侏罗世;岩石圈地幔;伸展减薄;赤峰北部

中国东北地区中生代火山岩构成规模巨大的火山岩带，横跨西伯利亚与华北克拉通两大板块，属于环太平洋火山岩带的一部分;并且东北地区自晚古生代—早中生代经历了古亚洲洋的闭合及华北克拉通与西伯利亚地块的最终拼贴［1，2］，以及之后从板块俯冲转变为裂陷作用为主导的陆内构造运动，并伴随有强烈的火山作用，形成了盆岭构造样式组合［3］，导致该区构造岩石类型复杂，所以一直备受国内外地质学者的关注。关于该区火山岩的成因有很多不同的认识，主要包括以下几种观点:邵济安等［4］认为晚中生代火山岩是软流圈隆起与岩石圈伸展构造背景下岩浆活动的产物;徐公愉［5］、赵国龙等［6］认为是太平洋斜向俯冲作用下岛弧性熔岩;也有学者认为晚中生代巨大的火山岩带与富集型热地幔柱上涌有关［7～9］;还有的学者认为是地壳加厚以后以拆沉作用为主导的岩浆活动的产物［10］;蒋国源等［11］则认为是裂谷背景下岩浆活动的产物。这些不同的观点都不同程度强调了太平洋板块对中国东部的俯冲作用，但是在空间上该区域与太平洋板块俯冲处存在巨大的距离［12，13］，因此没有一个模式能够完全解释东北地区如此巨大的火山岩带的成因，可能是因为研究的具体区域不同而形成了不同的成因模式。

本文的研究区属华北克拉通北缘内蒙古隆起，相比于大兴安岭造山带、兴蒙造山带以及辽西等地区，本区研究资料相对较少。区内大量火山岩呈北东向展布，与区域上晚中生代火山岩带展布一致，可能含有华北克拉通破坏的信息，加之华北克拉通破坏的时限存在着众多的分歧［14］，同时中酸性火山岩是造山带中分布最广泛的岩石类型，尤其安山岩因其成因复杂，一直是国际火山岩研究的热点。因此本文试图通过对区域内中酸性火山岩的地球化学特征进行研究，尤其是对安山岩地球化学特征进行探讨，解释其成因及形成的大地构造背景，为中国东北地区火山岩的研究及华北克拉通减薄的研究提供一些新的资料。

1 研究区地质概况与样品描述

研究区地理位置位于内蒙古赤峰市北部地区，大地坐标范围为:东经118°00'～118°30'，北纬42°50'～43°10';大地构造位置属于华北克拉通北缘的内蒙古隆起，西拉木伦河断裂以南，赤峰开源断裂以北的华北克拉通与西伯利亚结合部位 (见图1)。区内晚中生代火山作用强烈，出露大片晚侏罗世火山岩，为晚侏罗世火山喷发旋回的产物［15］，包括满克头鄂博亚旋回和白音高老亚旋回。满克头鄂博亚旋回由满克头鄂博组和玛尼吐组构成，白音高老亚旋回由白音高老组构成［15］。火山旋回多以溢流相火山熔岩或爆发相火山碎屑岩开始，至沉积相火山碎屑沉积岩结束，火山活动具间歇性特点。填图过程中发现，测区内满克头鄂博组岩性主要以流纹岩、安山岩、辉石安山岩、流纹质凝灰岩、沉凝灰岩为主，只有少量的基性火山岩，不同于大兴安岭南段晚中生代双峰式火山岩特征［16］;玛尼吐组主要以安山岩、辉石安山岩、流纹质凝灰岩为主;白音高老组主要以流纹岩、玻屑晶屑凝灰岩为主。本文所采样品主要为晚侏罗世中酸性火山熔岩，岩性特征描述如下:

安山岩 新鲜岩石呈灰黑色、浅紫色，斑状结构，板块构造，局部见气孔-杏仁构造;斑晶20%～45%，主要为斜长石和辉石，斜长石呈半自形板状，部分聚斑状产出，高岭土化、绢云母化明显，辉石为单斜辉石，呈半自形柱粒状;基质为微晶状结构，占55%～80%，主要为斜长石、橄榄石和玻璃质。杏仁体被碳酸盐、次生石英充填。副矿物为磷灰石、锆石。

辉石安山岩 新鲜岩石呈灰绿色，斑状结构，块状构造;斑晶15%～20%，主要为斜长石，呈自形—半自形板状，杂乱分布;基质为似交织状结构，占80%～85%，主要为斜长石、辉石、石英。副矿物为绢云母、碳酸盐、皂石。

流纹岩 新鲜岩石呈灰绿色、淡紫色，斑状结构，块状构造;斑晶10%左右，主要为钾长石，呈半自形板状，杂乱分布，有的可见钠质补片;基质为包含嵌晶结构，占90%左右，主要为长石和石英，长石一般呈微粒状，石英呈它形粒状;存在着明显的钾化。

2 分析方法与地球化学特征

2.1 分析方法

所采集的样品首先经过薄片鉴定，选择新鲜样品用于地球化学分析。主量和微量元素分析在河北省地质矿产调查研究所实验室进行，用于主量和微量元素分析的样品粗碎和中碎在颚式破碎机中进行，最后采用玛瑙质无污染设备细碎至粒径74 μm(200目)，样品加工过程均在无污染设备中进行。主量元素分析采用重量法完成，微量元素分析采用X series 2等离子质谱仪完成。主量元素、微量元素分析精度一般优于5%。

图1 研究区区域地质图 (据文献［12］和五分地幅地质图，略修改)Fig.1 Regional geological map of the studied area

2.2 主量元素地球化学特征

样品主要分析元素见表1。从表1中可以看出，6件中性火山岩 (安山岩 +辉石安山岩)SiO2含量变化不大，在50.74%～58.82%之间，平均为52.57%。6件样品扣除烧失量和水后换算成100%进行火山岩TAS图投影，分别投入玄武质安山岩、安山岩、粗安岩、粗面岩区 (见图2a)。CF017-7、CF020-4号样品的岩石薄片特征与其他安山岩相似，只是由于后期蚀变导致Na升高，因此投入粗安岩区，但仍应属于安山岩类;CF022-30号样品由于SiO2含量较其他安山岩样品高，加之后期蚀变导致Na含量较高，所以投入粗面岩区，但同样也属于安山岩类。6件中性火山岩样品的 MgO、TiO2含量偏高，平均值分别为3.89%、1.33%。2件流纹岩样品的 SiO2含量分别为74.68%、74.86%;TiO2含量为0.23%和0.16%;CaO和MgO含量偏低 (CaO含量为0.2%和0.43%，MgO含量为0.22%和0.32%)。所有样品全碱 (K2O+Na2O)含量为4.89%～7.83%，中性火山岩为钠质 (K2O/Na2O值为0.29～0.54)，流纹岩样品属于钾质 (K2O/Na2O值为1.16～3.34)。在 K2O-SiO2图上，除CF016-19号样投入钾玄岩区外，其他样品均投入到高钾钙碱性系列和钙碱性系列 (见图2b)。

表1 内蒙古赤峰北部晚侏罗世中酸性火山岩主量元素分析结果Table 1 Major element compositions of the Upper Jurassic intermediate-granitic volcanic rocks from northern Chifeng，Inner Mongolia

图2 内蒙古赤峰北部晚侏罗世中酸性火山岩的TAS和SiO2-K2O图Fig.2 TAS and SiO2-K2O of upper Jurassic intermediate-granitic volcanic rocks from northern Chifeng，Inner Mongolia

2.3 稀土与微量元素地球化学特征

样品微量元素分析结果见表2。中性火山岩与流纹岩均较富集REE(稀土元素)，中性火山岩 ΣREE 为 161.68 ～269.25 μg/g，流纹岩 ΣREE 为 193.73 μg/g和 563.75 μg/g。由稀土元素球粒陨石标准化配分模式图 (见图3)可见，安山岩和辉石安山岩呈右倾的配分模式，轻重稀土分异强烈， (La/Yb)N在9.60～16.09之间;Eu异常不明显 (Eu*/Eu值为0.94～1.12);重稀土分布较平坦，(Gd/Yb)N在2.16～2.50之间。在微量元素原始地幔标准化蛛网图 (见图4)上，总体富集K、Ba和Pb等LILE(大离子亲石元素)，而明显亏损Nb、Ta、Ti等HFSE(高场强元素)。这些特征表明岩浆在上升演化过程中可能有地壳物质的参与。

表2 内蒙古赤峰北部晚侏罗世中酸性火山岩微量元素分析结果Tabel 2 Trace element abundance of the Upper Jurassic intermediate-granitic volcanic rocks from northern Chifeng，Inner Mongolia

图3 内蒙古赤峰北部晚侏罗世中酸性火山岩的REE配分模式图(球粒陨石值参见文献［ 17］)Fig.3 Chondrite-normalized REE patterns of Upper Jurassic intermediate-granitic volcanic rocks from Northern Chifeng，Inner Mongolia

图4 内蒙古赤峰北部晚侏罗世中酸性火山岩微量元素蛛网图(原始地幔采用文献［ 18］的元素丰度)Fig.4 Primitive mantle-normalized trace element spidergrams of Upper Jurassic intermediate-granitic volcanic rocks from Northern Chifeng，Inner Mongolia

流纹岩在稀土元素球粒陨石标准化配分模式图上也表现为右倾，LREE(轻稀土元素)富集，(La/Yb)N在7.86～10.05之间，HREE(重稀土元素)分馏不明显，(Gd/Yb)N在1.23～1.63之间;Eu负异常明显 (Eu*/Eu值分别为0.09和0.71)，表明流纹岩源残留相中存在斜长石或岩浆在演化过程中发生了斜长石的结晶分离。在微量元素原始地幔标准化蛛网图上，流纹岩类似于中性火山岩，同样是总体富集LILE，亏损Nb、Ta、Ti等HFSE，Sr、P强烈亏损。

3 分析测试结果讨论

由于流纹岩样品存在钾化，且流纹岩样品较少，因此本文只讨论中性岩成因。

3.1 火山岩源区及成因

在火山岩研究中，安山岩的成因是一个长期争论的问题［19］，主要有3种观点:①部分熔融;②岩浆混合模式;③分离结晶模式。通常来说岩浆混合的标志是安山岩中出现不平衡的矿物共生组合和某些矿物成分呈现“双峰”分布［19～21］及反环带构造，但是根据镜下鉴定，研究区内安山岩没有出现矿物的“双峰”分布以及反环带构造;并且在 (K2O/P2O5)-SiO2、(K2O/TiO2)-SiO2图解 (见图5)上，K2O/P2O5和K2O/TiO2与SiO2相关性不大，说明研究区安山质岩浆上升过程中地壳的混染相对较弱［22］。因此初步认为研究区内安山岩不是岩浆混合的产物。在La-(La/Sm)图解 (见图6)上表现出部分熔融趋势，推断安山岩岩浆可能是经部分熔融形成。

图5 内蒙古赤峰北部晚侏罗世中性火山岩 (K2O/P2O5)-SiO2、(K2O/TiO2)-SiO2图Fig.5 (K2O/P2O5)-SiO2and(K2O/TiO2)-SiO2ratios variation diagrams of Upper Jurassic in termediate volcanic rocks from northern Chifeng，Inner Mongolia

图6 内蒙古赤峰北部晚侏罗世中性火山岩La-(La/Sm)图Fig.6 La-(La/Sm)ratios variation diagram of Upper Jurassic intermediate volcanic rocks from Northern Chifeng，Inner Mongolia

6个安山岩样品的SiO2含量在50.74% ～58.82%之间 (见表1)，为中基性 (部分样品偏基性可能是由于岩石中辉石含量较高以及烧失量较大造成的，除去烧失量和经过薄片鉴定都为中性火山岩)，Mg#值为45～52，Ni、Cr等相容元素含量较高 (Ni平均含量为27.71 μg/g，Cr平均含量为43.57 μg/g)，表明了安山岩可能来源于地幔，而不是榴辉岩等下地壳岩石部分熔融的产物［23］。前人研究成果［24］表明，在距今120～100 Ma之间，由于华北克拉通岩石圈地幔减薄导致了地幔由古老富集型地幔向亏损型软流圈地幔的演化，而且在晚侏罗世玄武岩较少，因此晚侏罗世时期安山岩可能来源于富集的岩石圈地幔，而非软流圈地幔。当岩石圈减薄到一定程度，地幔进入热衰减阶段，引起地温梯度的降低，导致岩石圈地幔增生［25］。在岩石圈地幔增生过程中，岩浆的起源深度由浅变深，此时岩浆主要来源于软流圈地幔［14］。华北岩石圈减薄在早白垩世才达到高峰，进一步证明研究区内晚侏罗世安山质岩浆主要来源于富集岩石圈地幔。研究区安山岩总体富集K、Ba和 Pb等LILE，而明显亏损Nb、Ta、Ti等HFSE，类似于岛弧火山岩的特征，这可能是因为早期古亚洲板块俯冲，板片脱水，以及后来西伯利亚板块及华北克拉通碰撞造成岩石圈加厚，交代流体使得地幔富集大离子亲石元素、亏损高场强元素［8，16］且带入了地壳的物质。

3.2 形成构造背景

安山岩和玄武岩一样，也可以出现在不同的构造环境，除俯冲带外，还可产生于大洋中脊和大陆内部裂谷等非造山环境［26］。由于研究区在空间上与太平洋板块俯冲处相距超过1000 km［12，13］以及太平洋板块向亚洲板块的西向俯冲最早时间是在晚白垩世以后［27］，因此太平洋板块俯冲对东北地区晚侏罗世以前的火山地层影响微弱。在晚古生代—早中生代，随古亚洲洋板块向华北克拉通的俯冲闭合，西伯利亚板块和华北克拉通的最终碰撞拼接［1，2］，东北地区自此进入了造山后阶段的板内伸展环境［1～3，16，28～29］。图 7为安山岩 (Sc/Ni)-(La/Yb)图，中性火山岩均落入安山弧范围，只能说明早期为安第斯山环境，岩浆源区保留了早期板块间碰撞的印记。前人研究认为存在着以地幔柱活动导致的岩石圈伸展［8，9，30］和以软流圈上涌导致的岩石圈伸展［4］两种机制。研究区属于华北克拉通北缘内蒙古隆起，早在三叠世晚期发生了明显的岩石圈拆沉和岩石圈伸展减薄及软流圈上涌［31］。因此晚侏罗世研究区的火山活动为软流圈上涌背景导致的岩石圈伸展减薄环境下的火山活动。

所以根据岩浆来源及构造背景，推断岩浆成因为古亚洲洋板块俯冲板片的脱水作用交代上地幔形成“湿”橄榄岩，导致岩石圈地幔形成富集地幔［32］，在岩石圈伸展、软流圈上涌导致地温梯度增高情况下，以富集岩石圈地幔部分熔融为主的成因方式［22］。

华北克拉通破坏的主要标志为岩石圈的减薄。研究区属于华北地台北缘内蒙古隆起，离西拉木伦河缝合带很近，且中晚三叠世可能发生了明显的岩石圈拆沉及减薄［31］，表明华北克拉通的破坏起始时间为晚三叠世或早于晚三叠世，即早于华北克拉通内部破坏的起始时间。

研究区内中酸性火山岩呈北东向或北北东向展布，与大区域上的晚侏罗世火山岩展布一致，且是岩石圈伸展减薄、软流圈上涌环境下的火山活动产物。因此在晚侏罗世时，研究区内岩石圈减薄是整个华北克拉通减薄开始进入高峰期的一小区域。赤峰地区新生代玄武岩属于大陆溢流玄武岩系列，源区是软流圈上地幔［33］，且赤峰地区新生代火山岩从南东至北西碱性增强，源区变深［34］;地球物理探测结果［35］也表明，在红山—八里罕断裂以西地区 (研究区位于断裂以西)地壳大致厚度为43～47 km，软流圈顶点埋深90～100 km，证明了新生代为岩石圈地幔增生期，也意味着华北克拉通破坏的结束。研究区从中晚三叠世开始岩石圈减薄至新生代结束，证明了徐义刚等［36］认为的华北克拉通破坏过程超过100 Ma的观点，而与吴福元等［25］认为的华北克拉通在相对短的时间内完成破坏过程以及路凤香等［37］认为的华北克拉通破坏高峰期应在距今65 Ma之后的新生代等观点不同。因此在晚侏罗世时，研究区岩石圈减薄及软流圈上涌是华北克拉通破坏漫长过程中一个极为短暂的过程。

图7 内蒙古赤峰北部晚侏罗世中性火山岩Sc/Ni-La/Yb构造判别图解Fig.7 The diagram of distinguishing tectonic setting of Upper Jurassic intermediate volcanic rocks from northern Chifeng，Inner Mongolia

4 结论

(1)内蒙古赤峰北部晚侏罗世中酸性火山岩主要以安山岩，辉石安山岩，流纹岩为主。

(2)内蒙古赤峰北部晚侏罗世中酸性火山岩为钙碱性系列，富集REE，轻重稀土分馏明显，富集K、Ba和Pb等LILE，亏损Nb、Ta、Ti等HFSE。

(3)内蒙古赤峰北部晚侏罗世中性火山岩形成于板内伸展减薄环境下。安山质岩浆可能是在岩石区伸展软流圈上涌和地温梯度增高情况下，由俯冲洋壳板片改造的富集岩石圈地幔部分熔融的产物。

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GEOCHEMICAL CHARACTERISTICS OF UPPER JURASSIC INTERMEDIATE-GRANITIC VOLCANIC ROCKS FROM NORTHERN CHIFENG，INNER MONGOLIA

HAO Bin1，YANG Xin-de2，ZHANG Ming-yang1，XIE Cheng-fei1
(1.School of Earth Sciences and Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083，China;2.Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciencses，Beijing 100081，China)

Upper Jurassic intermediate-granitic volcanic rocks from northern Chifeng lie in Mongolia Paleo-uplift，the northern margin of the North China Craton.The lava mainly consists of rhyolite，andesite and augite andesite.The geochemical study for intermediate-granitic volcanic rocks suggests that the SiO2is in 50.74% ～58.82%，Al2O3and K2O+Na2O range from 15.32% ～17.17%and 4.89% ～7.05%，Mg#changes from 0.13 to 0.39，which belong to Sodium and Calc-alkaline series.Geochemical results for rhyolite indicate that the SiO2are in 74.68% ～74.86%，Al2O3and K2O+Na2O range from 12.09% ～13.13%，Mg#changes from 0.13 to 0.39 and they belong to Calc-alkaline series or Shoshonitic series.The trace elements analysis for intermediate volcanic rocks demonstrate the insignificantly Eu anomalies(Eu*/Eu=0.94～1.12)and intense fractionation between LREE and HREE，［(La/Yb)N=9.6～16.09］.The primitive mantle-normalized spider diagrams are characterized by LILE enrichment and HFSE depletion，especially an obviously negative Nb-Ta anomalies，and obviously positive Pb anomalies.Rhyolite has the similar characteristics and is characterized by a significantly negative Eu anomalies，［(La/Yb)N=7.86 ～10.05］.Based on the previous studies，we infer that intermediate volcanic rocks formed under the stretching and thinning environment.With geothermal gradient increasing and atmosphere upwelling，andesitic magma resulted from partial melting of enriched lithospheric mantle.

intermediate-granitic volcanic rock;Upper Jurassic;lithospheric mantle;stretching and thinning;northern Chifeng

P595

A

1006-6616(2011)03-0274-12

2011-04-20

中国地质调查局“内蒙古1:50000炒米房幅 (K50E006017)、土城子幅 (K50E006018)、新开地幅(K50E007017)、大黑水幅 (K50E007018)区调”项目。

郝彬 (1986-)，男，中国地质大学地球科学与资源学院硕士研究生，矿物学、岩石学、矿床学专业。E-mail:330341000@qq.com