大兴安岭北部早白垩世上库力组流纹岩的地球化学特征及成因

尹志刚，张跃龙，杜玉春

1.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000

2.黑龙江省地质调查研究总院齐齐哈尔分院，黑龙江 齐齐哈尔 161005

大兴安岭北部中生代火山岩是东亚大陆边缘巨型火山岩带的重要组成部分，形成于晚侏罗世－早白垩世，以中酸性、酸性火山岩为主，与金、多金属矿床关系密切［1－2］。早白垩世上库力组是区内最重要的赋矿层位之一［1］，因此对其岩石系列、岩石成因及大地构造背景的研究对于火山岩浆作用及成矿的探讨具有重要意义。研究区位于大兴安岭北部，研究程度较低，前人对大兴安岭中生代中酸性、酸性火山岩的研究多未涉及本区，且对大面积出露的早白垩世中酸性、酸性火山岩的成因长期以来争议较大，一直未取得共识［3－13］。笔者通过岩石元素地球化学特征确定大兴安岭北部早白垩世上库力组中酸性火山岩为高钾钙碱性系列，结合该组火山岩所处的位置、岩石组合等特征探讨了其成因及形成的构造背景。

1 地质背景

大兴安岭中生代火山岩整体上呈北东向带状展布，为典型的陆相火山喷发产物，南部和北部的岩石特征存在明显的差异［14］。研究区位于规模宏大的大兴安岭中生代火山岩带的北段末端，活动时期为晚侏罗世－早白垩世（图1）。区内前中生代基底为中元古代兴华渡口群和震旦纪倭勒根群：兴华渡口群主要岩性为大理岩、黑云片岩、斜长角闪岩、变粒岩、片岩、石英岩等；倭勒根群主要岩性为板岩、变砂岩、大理岩、变酸性火山岩、变基性火山岩。早－中侏罗世形成的上黑龙江前陆盆地［16］呈北西西向展布。中生代火山岩由晚侏罗世塔木兰沟组、吉祥峰组和早白垩世上库力组、伊列克得组组成。晚侏罗世塔木兰沟组岩性为橄榄玄武岩、玄武岩、玄武粗安岩、粗安岩等中基性火山岩，以喷发不整合覆盖于前中生代地质体之上；吉祥峰组火山喷发较为局限，岩性为粗面英安岩及流纹岩。早白垩世上库力组主要岩性为流纹岩、粗面英安岩，以及流纹质熔结凝灰岩，其底部普遍存在一套沉积砾岩，与下伏岩层为不整合接触；伊列克得组主要为玄武粗安岩、粗安岩，喷发不整合于前期地层之上。区内早白垩世上库力组（LA－ICPMS锆石 U－Pb年龄主要集中于111～135Ma［17］）酸性火山岩大面积分布，约占大兴安岭北部中生代火山岩的60%，是构成火山岩带的主体岩石，受北东向断裂控制明显，形成众多北东向分布的火山群。

图1 大兴安岭北部地质略图Fig.1 Geological sketch map in the north Daxing’anling

早白垩世上库力组流纹岩多为浅灰－灰白、紫色，流纹构造，有时可见石泡构造，石泡多呈不规则椭球状，内部为放射状石英集合体；多为隐晶质－微晶结构，次为斑状结构，基质霏细结构。岩石均由隐晶质－微晶状长英质矿物组成，或含有斑晶。斑晶成分及体积分数变化较大，主要由斜长石（1%～10%）、钾长石（2%～20%）、黑云母（＜2%）、石英（1%～5%）组成。粗面英安岩多为紫灰－灰黑色，块状构造，少数呈弱流动构造；以斑状结构为主，多斑、少斑状结构次之，基质多为微晶交织结构。斑晶主要由斜长石（1%～5%）、钾长石（1%～3%）、黑云母（＜2%）、角闪石（＜2%）组成。流纹质熔结凝灰岩呈灰色，熔结凝灰结构，假流纹构造。塑性物质以浆屑为主，次为玻屑，体积分数可达60%～70%。浆屑呈蚯蚓状、杆状、带状、火焰状、撕裂状、透镜状，绕过晶屑定向分布，可见脱玻化。长英质呈微晶状，显霏细结构。玻屑呈不规则状，多呈细密流纹状绕过碎屑，有脱玻化。晶屑体积分数15%～30%，以钾长石、斜长石为主，有时见有石英、黑云母。钾长石含量相对较多，呈板状，有熔蚀，大小为0.2～1.0 mm，具卡式双晶和条纹构造，有泥化。斜长石呈板状，边部多被熔蚀，可见聚片双晶，有时断续延伸交替出现，边部常有钾化边围绕。此外有少量的火山灰，有脱玻化。

2 地球化学特征

表1为早白垩世上库力组流纹岩代表性样品的主量元素分析结果。早白垩世上库力组流纹岩的SiO2质量分数集中分布于72.12%～80.26%，全碱（K2O＋Na2O）质量分数为6.10%～9.82%，显示出富碱特征。随SiO2质量分数的增加，全碱质量分数略有降低，TFeO、CaO、MgO、Al2O3质量分数明显降低，而K2O质量分数则随SiO2的质量分数升高而升高。Al2O3质量分数为9.93%～14.13%，w（Al2O3）＞w（K2O＋Na2O＋CaO），属铝过饱和类型。在TAS图解上（图2），样品均投入流纹岩区。在硅－碱关系图（图3a）上，样点均分布于亚碱性区；在FAM图（图3b）上显示出典型的钙碱性演化趋势；从图3c、d中可以看出，上库力旋回火山岩为钾质，以高钾钙碱性系列占绝对优势。

表1 上库力组流纹岩的主量元素组成Table 1 Major element composition of rhyolites from Shangkuli Formation wB／%

表2为早白垩世上库力组流纹岩代表样品的微量元素和稀土元素分析结果。早白垩世上库力组流纹岩微量元素表现为强烈富集大离子亲石元素Rb、Ba、Cs、K等，相对于原始地幔 Cs、Rb、K、U、Th富集程度达138～235倍；亏损高场强元素Nb、Ta、Ti等和P，强烈亏损相容元素V、Cr、Co、Ni，相当于原始地幔的1／18～1／500。流纹岩微量元素的原始地幔标准化蛛网图均为右倾（图4），高场强元素Nb、Ti和P及大离子亲石元素Ba、Sr相对于其他不相容元素为负异常，构成4个明显的亏损槽，而Th、K、La、Ce、Zr则形成峰值。

早白垩世上库力组流纹岩稀土总量（w（∑REE））为（92.86～250.06）×10－6，平均148.92×10－6，轻稀土（LREE）质量分数为（78.75～230.78）×10－6，重稀土（HREE）质量分数为（4.60～20.20）×10－6，LREE／HREE 为 5.43～26.83，大多在10以上，LREE／∑REE 为0.84～0.96，大多数在0.90以上，平均0.92，显示强烈富集轻稀土。流纹岩的（La／Yb）N为4.92～33.15，变化范围较大，但大多数在10.0以上，平均14.40，（Ce／Yb）N值为3.86～35.64，平均为11.01，属轻稀土强烈富集型。从稀土元素球粒陨石标准化配分型式图（图5）也可以看出，该组流纹岩呈较为平滑的斜率相近的一组曲线，属强烈右倾负斜率轻稀土富集型，轻稀土曲线斜率陡，重稀土曲线缓近于平行，分馏不明显。Eu负异常明显（δEu＝0.19～0.59），说明源区可能残留角闪石。

图2 上库力组TAS图解［18］Fig.2 Total alkaline vs SiO2diagram for classification of rhyolites from Shangkuli Formation［18］

3 讨论

对大兴安岭中酸性火山岩的成因主要有如下认识：1）下地壳含水镁铁质部分熔融形成的安山质岩浆经分离结晶作用形成英安岩、流纹岩［3］；2）由上地幔衍生的碱性系列岩浆与下地壳物质局部混熔而成［4］；3）酸性岩浆起源于下地壳［5－6］，流纹岩与安山岩不是由同一岩浆分异，而是由不同源岩渐进式或多次部分熔融形成［7］；4）由下地壳和上地幔起源的岩浆多次上升到浅部岩浆房后分异演化而形成中生代火山－侵入杂岩，其火山岩、次火山岩／超浅成侵入体、深成侵入体属同源异相产物［8］；5）英云闪长质片 麻岩经30%左右部分熔融形成流纹质母岩浆［9］。

图4 上库力组流纹岩不相容元素原始地幔标准化配分图Fig.4 Primitive mantle－normalized incompatible element patterns of rhyolites from Shangkuli Formation

图5 上库力组流纹岩的稀土配分模式Fig.5 Chondrite－normalized REE patterns of rhyolites from Shangkuli Formation

葛文春等［10］将大兴安岭流纹岩划分为2种流纹岩类型，称之为Ⅰ型流纹岩和Ⅱ型流纹岩（分别相当于本文划分的吉祥峰组和上库力组），并认为两类流纹岩具有不同的成因：Ⅰ型流纹岩具右倾的稀土配分曲线，不相容元素以强烈富集Rb、Ba、Th、K和亏损Sr、Ti、P、Nb为特征，其形成与钙碱性系列玄武岩的结晶分异作用有关；Ⅱ型流纹岩具有与大陆裂谷流纹岩一致的稀土和不相容元素分布模式，以Ba、Sr的强烈亏损与Ⅰ型流纹岩相区别，其源岩可能是来自地幔的玄武质岩浆经结晶、变质而成的斜长角闪岩非理想熔融作用的结果。林强等［11－12］则认为低Sr流纹岩（Ⅱ型流纹岩）是起源于富集型地幔的碱性系列母岩浆底侵于莫霍面，使中下地壳岩石发生部分熔融而形成。

连长云等［13］认为早白垩世上库力组火山岩起源于上地幔，而且是一种富集型的岩石圈地幔，其成分差异是岩石圈地幔部分熔融产生的玄武质岩浆自身的分异作用及其与地壳物质不同程度的混合。

大兴安岭北部早白垩世上库力组中酸性火山岩主要由流纹岩、粗面岩和粗面英安岩组成，属高钾钙碱性系列的过铝质岩石。流纹质岩浆不能直接来源于地幔，即地幔橄榄岩的部分熔融不能直接形成流纹岩为地质学家所公认，它主要起源于下地壳物质的熔融或玄武质岩浆的分离结晶。早白垩世上库力组火山岩与晚侏罗世塔木兰沟组和早白垩世晚期伊列克得组中基性火山岩之间主、微量元素没有系统的演化关系，且相对后两组岩石具有较高和变化较大的87Sr／86Sr初始值，暗示其不可能是地幔岩石熔融后经分异结晶作用而成，更可能是来自于地壳重熔作用。区内上库力组火山岩稀土元素都出现铕的亏损，表明在岩浆上侵的过程中斜长石发生了分离结晶，在微量元素中具有明显的Ba、Sr、Nb、P、Ti的亏损，Nb、Ba、Ti的负异常，暗示可能有地壳物质参与了岩浆演化过程。Sr和P的负异常则分别说明斜长石和磷灰石可能发生了分离结晶。富集大离子亲石元素、轻稀土元素、亏损高场强元素等也可以推断岩浆来源于下地壳。另外重要的是中、酸性火山岩是本区中生代火山岩的主体，堆积体积巨大，这种大规模的酸性岩浆不可能由中、基性岩浆分异而来，而应是由地壳物质的部分熔融作用形成。在全碱－铕异常图解（图6）中，该旋回火山岩样品均位于壳源区。较高的（87Sr／86Sr）i（0.706 110～0.707 902）也反映了壳源Sr的贡献，表明该组岩石可能是由于陆壳和硅铝质源岩部分熔融所形成。

图6 上库力组流纹岩w（Na2O＋K2O）－δEu图解Fig.6 w（Na2O＋K2O）vsδEu diagram of rhyolites from Shangkuli Formation

关于大兴安岭火山岩带形成的构造环境，不同的学者有不同的观点：赵国龙等［7］认为是太平洋板块向中国大陆俯冲作用有关的活动大陆边缘；蒋国源等［4］和葛文春等［19］认为形成于大陆裂谷；夏军等［20］认为是陆块型火山岩；邓晋福等［21］则认为与大陆根柱构造有关；林强等［14］认为是地幔柱上升所引起岩石圈伸展，形成类似大陆裂谷环境；邵济安［22］等认为是中生代大陆岩石圈内部伸展背景下幔源岩浆积极参与地壳演化的一次造山运动；谢鸣谦［23］认为是西部的蒙古－鄂霍茨克海槽洋壳岩石圈板块与东部的那丹哈达岭海槽洋壳岩石圈板块分别向东和向西的双向俯冲作用的结果。本区位于华北板块和西伯利亚板块之间，在早石炭世末期两板块之间的中小块群体拼贴形成夹于两板块之间的黑龙江板块［24］，张兴洲等［25］称为东北亚晚古生代大陆板块。在晚二叠世至早三叠世黑龙江板块与华北板块碰撞拼贴，形成更大规模的华北板块，它与西伯利亚板块间被蒙古－鄂霍茨克海分隔，直至中－晚侏罗世蒙古－鄂霍茨克海闭合，华北板块与西伯利亚板块才最终完全拼合在一起［24－26］，东北地区彻底结束了洋壳存在的局面；包括本区在内的东北及邻区大陆碰撞造山作用随着蒙古－鄂霍茨克造山带的完成而结束，从而构造演化从古亚洲构造域转换为太平洋构造域。早白垩世碱性花岗岩［27］、碱性流纹岩［28］的发育以及变质核杂岩［29－30］的存在都证实大兴安岭地区已处于拉张的构造环境，发育的中生代火山岩是造山后伸展作用的结果。本区上库力组火山岩为高钾钙碱性系列，为粗面英安岩、流纹岩组合，且以流纹质岩石为主，酸性火山岩具有明显的Ba、Sr、Nb、P、Ti的亏损，较高的Th含量和高的Rb／Ba、Rb／Sr和Zr／Ba值，类似于大陆裂谷玄武岩，可能形成于与裂谷相似的拉张性构造环境，是蒙古－鄂霍茨克造山带形成后伸展作用的结果。

4 结论

1）大兴安岭北部早白垩世上库力组流纹质岩石略富碱，以高钾钙碱性系列占绝对优势。富集大离子亲石元素Rb、Ba、Cs、K等，亏损高场强元素 Nb、Ta、Ti以及Sr、P，强烈亏损相容元素V、Cr、Co、Ni。强烈富集轻稀土，Eu具明显的负异常。

2）早白垩世上库力组为流纹岩－粗面英安岩组合，是大兴安岭北部火山岩的主体岩石类型，这种大面积分布的流纹岩具有较高的（87Sr／86Sr）i，以及富集大离子亲石元素和轻稀土、亏损高场强元素等元素地球化学特征均表明，早白垩世上库力组流纹岩可能是下地壳部分熔融的产物。

3）早白垩世碱性花岗岩和碱性流纹岩的发育、变质核杂岩的存在以及类似于大陆裂谷玄武岩的元素地球化学特征均表明，包括本区在内的大兴安岭地区处于拉张的构造环境，是蒙古－鄂霍茨克造山带形成后伸展作用的结果。

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