长白山区二道白河流域早更新世玄武质熔岩的成因*

2015-03-15马晗瑞杨清福盘晓东武成智陈聪

岩石学报 2015年11期

关键词：白河玄武熔岩

马晗瑞杨清福＊＊盘晓东武成智陈聪

MA HanRui1，2，YANG QingFu1，2＊＊，PAN XiaoDong2，WU ChengZhi3 and CHEN Cong2

1. 吉林大学地球科学学院，长春 130061

2. 吉林省地震局，长春 130117

3. 长白山火山监测站，安图 133613

1. College of Earth Sciences，Jilin University，Changchun 130061，China

2. Earthquake Administration of Jilin Province，Changchun 130117，China

3. Changbaishan Volcano Observatory，Antu 133613，China

2014-08-27 收稿，2015-02-01 改回.

1 引言

中国东北的长白山天池火山位于西太平洋俯冲板块之上，是与西太平洋俯冲板块滞留及深部脱水有关的弧后板内火山(Zhao，2004;雷建设和赵大鹏，2004;Huang and Zhao，2006)。长白山区出露大面积玄武岩，为了解东亚大陆活动边缘动力学提供了重要的天然实验室(隋建立等，2007)。天池火山是目前我国境内保存最为完整的新生代多成因复合火山，火山活动时间长，是具有潜在灾害性喷发危险的巨型活火山(刘若新等，1992，1998a，1999)。研究该区岩浆形成演化机制不仅对探讨中国东部现代火山岩浆形成的动力机制有重要科学意义，而且对火山灾害监测与预防具有重要现实意义。

前人在长白山区开展了新生代火山岩的岩石学、地球化学、年代学研究，主要侧重区内火山岩分期(刘嘉麒，1987，1999;金伯禄和张希友，1994;刘若新等，1998a，1999;樊祺诚等，2006，2007a;魏海泉，2014)、区域性的火山岩类型和系列、岩浆来源、岩浆演化、构造环境等研究(刘嘉麒，1983，1999;郑祥身，1983;解广轰和王俊文，1988;金伯禄和张希友，1994;刘若新等，1998b;李霓等，2004;樊祺诚等，2006，2007a，b;隋建立等，2007;郭文峰等，2014)，取得了很大进展。但对单个喷发期次的火山岩进行详细研究较少见，仅有老虎洞期玄武岩地球化学研究(郑祥身等，1998)、图们江流域火山岩的岩石化学、同位素研究(王团华等，2006a，b)、二道白河流域玄武质岩石的年代学研究(Wei et al.，2007)以及天池火山气象站期碱流质岩石的岩石学研究(李霓等，1999;刘永顺等，2007;潘波等，2013)。

对于长白山区火山岩的岩浆起源、岩浆演化、构造环境的认识仍有分歧。关于岩浆起源，一种观点认为玄武质岩浆来自原始地幔(郑祥身，1983;郑祥身等，1998;解广轰和王俊文，1988;金伯禄和张希友等，1994);另一种观点认为玄武岩母岩浆不代表原始地幔岩浆，是地幔岩浆库经过演化的岩浆(刘若新等，1998a，b;樊祺诚等，2006，2007a;王团华等，2006a，b)。关于岩浆演化，多数学者认为造锥及近代粗面岩、碱流岩是造盾玄武岩经结晶分异作用形成的(郑祥身，1983;郑祥身等，1998;金伯禄和张希友，1994;刘若新等，1998a，b;樊祺诚等，2006，2007a)，但有观点认为晚期玄武岩也由早期玄武岩浆结晶分异作用产生(金伯禄和张希友，1994;郭文峰等，2014)。关于构造环境，一种观点认为，长白山区火山与裂谷或断裂构造有关(郑祥身，1983，1998;金伯禄和张希友，1994;赵海玲等，1996;郭文峰等，2014);另一种观点认为长白山区火山与西太平洋板块俯冲有关(解广轰和王俊文，1988;刘若新等，1998a，b;樊祺诚等，2006，2007a，b;王团华等，2006b;隋建立等，2007)。本文选取长白山区二道白河流域早更新世白山组玄武质岩石为研究对象，采用常量元素、微量和稀土元素、同位素分析方法，研究早更新世玄武质岩石在剖面上和纵向上(沿二道白河流域)的成分变异，探讨玄武岩岩浆来源、岩浆性质和成因，以及构造环境。

2 地质背景

天池火山位于华北克拉通东北缘，北东向鸭绿江断裂和北西向金策-吉林-大安断裂带的交汇部位(杨清福等，2011)。天池火山中新世-早更新世喷发形成火山盾，中-晚更新世喷发形成火山锥，全新世发生多次爆炸式喷发，形成火山碎屑堆积。天池火山盾主要由早更新世玄武岩组成(刘嘉麒，1987;金伯禄和张希友，1994;刘若新等，1998b;樊祺诚等，2006，2007a，b)。火山锥主要由中更新世粗面岩、玄武岩、碱流岩组成(刘嘉麒，1983，1987;樊祺诚等，2006，2007a)。全新世火山喷发包括距今5000 年前、4000 年前、1000 年前、公元1668 ～1702 年和1903 年发生喷发(刘若新等，1999;王非等，1999;尹功明等，1999;计凤桔等，1999;杨清福等，2006)，上述喷发活动除了千年大喷发已形成共识，其它喷发活动尚存争议或有待进一步证实。

本次研究的二道白河流域早更新世白山组玄武质熔岩属于天池火山盾的组成部分。

3 研究方法和结果

3.1 野外地质采样

沿二道白河流域开展了野外地质调查，观察4 个地质点(图1)，采集了早更新世白山组致密块状岩石样品8 件，样品新鲜、未风化，没有受到后期改造和充填影响，采样位置见图2。出露岩性为粗面玄武岩(位于最下部)、玄武质粗面安山岩和拉斑玄武岩。

3.2 岩石薄片观察

S12D02、S12D02-1、S12D06-2、S12D07-2、S12D07-11、S12D08-1 岩石样品具有斑状结构，斑晶为斜长石，基质由半自形板状长石不规则分布所组成的格架之间充填有辉石、磁铁矿颗粒构成间粒结构。S12D08-6 岩石具有斑状结构，斑晶为橄榄石，基质由半自形柱状的斜长石无规则分布所构成的格架之中有多个辉石、橄榄石及磁铁矿等充填构成间粒结构。S12D07-8 岩石无斑晶，全部由基质组成。主要由板条状斜长石微晶定向分布为主，局部构成格架，其间有微粒辉石、磁铁矿充填在格架之间或夹在斜长石微晶之间，岩石以交织结构为主，局部呈间粒结构。

3.3 岩石地球化学成分分析

图1 二道白河流域地质简图(据魏海泉，2014 修改)Fig.1 Geological sketch map in the Erdaobaihe River basin (modified after Wei，2014)

在中国科学院地质与地球物理研究所，对采集的8 个样品做了系统的岩石地球化学和同位素分析。主量元素分析采用XRF 方法，测试结果见表1;微量元素分析采用液相质谱法，实验化学前处理采用酸溶法，用氢氟酸除硅，仪器分析采用等离子电感耦合质谱(ICP-MS)，分析结果见表2;Sr-Nd-Pb 同位素采用Mat262 仪器系统分析，结果见表3。

主元素 SiO2含量为50.02% ～52.15%，TiO2为1.81% ～4.12%，Al2O3为11.67% ～16.66%，FeO 为5.53%～11.6%，MgO 为3.82% ～9.22%，CaO 为7.21% ～9.10%，Na2O 为2.45% ～3.93%，K2O 为0.47% ～2.47% (表1)。在火山岩TAS 分类投点图上，玄武质熔岩包括粗面玄武岩、玄武质粗安岩和拉斑玄武岩(图3)。粗面玄武岩和玄武质粗安岩为钾质系列玄武岩，拉斑玄武岩为钠质系列玄武岩(图4)。

微量元素熔岩的ΣREE 变化于56.04 ×10-6～232.8×10-6，平均155.4 ×10-6，其中ΣLREE 变化于43.55 ×10-6～207.5 ×10-6，平均134.7 ×10-6，ΣHREE 变化于12.25 ×10-6～23.18 ×10-6，平均18.27 ×10-6(表2)。拉斑玄武岩的微量元素和稀土元素含量低于粗面玄武岩和玄武质粗面安山岩(图5)。这3 类岩石的微量元素和REE 配分型式基本相似，岩石中轻、重稀土元素都有一定程度的富集，但轻稀土元素的富集程度远大于重稀土元素的富集程度(La/Yb 变化于5.92 ～23.2)，形成了右倾的REE 配分模式(图5)。样品中普遍存在Eu、Ba 正异常，Ce 负异常(图5)，这与岩石中普遍存在斜长石斑晶的特征是一致的(Rollinson，1993)。

同位素87Sr/86Sr 值为0.704719 ～0.705425，143Nd/144Nd值为0.512538 ～0.512691(表3)。总体来看，拉斑玄武岩、粗面玄武岩和玄武质粗面安山岩的87Sr/86Sr 和143Nd/144Nd 相近(表3、图6)。Sr/Nd 高于或低于原始地幔的Sr/Nd 值(16.68)，岩石的Sm/Nd 全部低于原始地幔的Sm/Nd 值(0.325)(Taylor and McLennan，1985)。

表1 二道白河流域早更新世玄武质熔岩主量元素分析结果(wt%)Table 1 Major element compositions (wt%)of Early Pleistocene basaltic lavas in the Erdaobaihe River basin

表2 二道白河流域早更新世玄武质熔岩微量元素和REE 分析结果(×10 -6)Table 2 Trace elements and REE elements compositions (×10 -6)of Early Pleistocene basaltic lavas in the Erdaobaihe River basin

续表2Continued Table 2

表3 二道白河流域早更新世玄武质熔岩Sr、Nd、Pb 同位素分析结果Table 3 The isotopic composition of Sr，Nd and Pb of Early Pleistocene basalt lavas in the Erdaobaihe River basin

4 讨论

4.1 源区性质

岩浆的同位素比值可以表征其源区的特征(Rollinson，1993)。一般而言，经历了一定程度部分熔融作用后的残留地幔，其Sr/Nd 值低于发生部分熔融作用前地幔的Sr/Nd值，而Sm/Nd 高于发生部分熔融作用前地幔的Sm/Nd 值。二道白河流域白山组熔岩的Sr/Nd 和Sm/Nd 值，暗示其上地幔岩浆源区具有一定程度的“富集化”的特征。87Sr/86Sr-143Nd/144Nd关系图(图6)和Pb 同位素比值图(图7)显示，岩石的Sr、Nd、Pb 同位素比值的投点落在EM1 和DM 之间，靠近原始地幔但有略向EM1 富集地幔偏移的趋势，说明这些岩石来源于同一地幔源区。根据二道白河流域白山组熔岩火山岩的Sr/Nd、Sm/Nd 比值所反映出的信息，以及Sr、Nd 同位素比值的投点位置，判断火山岩源区的物质成分具有似原始地幔的特征。

4.2 岩浆性质

图2 地质剖面和采样位置图Fig.2 Geological profiles and sampling sites

Mg#和DI(分异指数)通常用来指示岩浆的分异程度(邱家骧和林景仟，1991)。二道白河流域熔岩的Mg#变化于36～58，DI 变化于42 ～67，指示岩石经历了一定程度的分异。熔岩的Ni(＜200 ×10-6)和Ni/Co(＜3.5)明显低于原始地幔值，而Rb/Sr 大多数为0.05 ～0.09 和Ba/Rb 大多数为15.64 ～264.1 明显高于原始地幔比值(表2)。MgO 为3.82% ～9.22%。根据中国东部新生代玄武岩原始岩浆的特征和识别标志:含超镁铁质包体，Mg#=60 ～68，Ni =200 ×10-6～300 × 10-6和MgO = 10% ～13% (Fan and Hooper，1991)，结合微量元素和REE 特征(图5)，认为二道白河流域玄武质熔岩不是原始岩浆，其Mg#偏低与岩浆在地幔条件下的橄榄石、辉石和基性斜长石结晶分离作用有关。

4.3 岩浆成因

图3 二道白河流域早更新世玄武质熔岩TAS 分类图(据Le Bas et al.，1986;A 线为碱性与亚碱性分界线，据Miyashiro，1978)Fig.3 TAS diagram of Early Pleistocene basaltic lavas in the Erdaobaihe River basin (after Le Bas et al.，1986;Line A is division of alkaline and subalkaline after Miyashiro，1978)

图4 二道白河流域早更新世玄武质熔岩Na2O-K2O 关系图(据Middlemost，1972)Fig.4 Na2O-K2O plot of Early Pleistocene basaltic lavas in the Erdaobaihe River basin (after Middlemost，1972)

在La/Sm-La 投点上，少量拉斑玄武岩具有部分熔融趋势，大部分粗面玄武岩和玄武质粗安岩具有结晶分异趋势(图8)，粗面玄武岩位居剖面下部(图2)，证实天池火山的母岩浆为钾质粗面玄武岩(樊祺诚等，2006)。二道白河流域熔岩具有高Ca、高Sr、Eu 正异常特征，表明存在结晶分异作用。Rb-Ni 和Ce-Cr 关系(图9a)显示结晶分异作用在二道白河流域玄武质熔岩的演化过程中起主要作用。

图5 二道白河流域早更新世玄武质熔岩微量元素和REE 配分模式图(原始地幔值据Sun and Mcdonogh，1989;球粒陨石值据McDonough and Sun，1995)Fig.5 Primitive mantle-normalized trace elements patterns and chondrite-normalized REE patterns for Early Pleistocene basaltic lavas in the Erdaobaihe River basin (primitive mantle values after Sun and Mcdonogh，1989;chondrite values after McDonough and Sun，1995)

图6 二道白河早更新世玄武质熔岩Sr-Nd 同位素比值图地幔端元组分的Sr-Nd 同位素比值根据Hart et al. (1992)，分别为DM (0.7022，0.5133)，HIMU (0.70285，0.51285)，EM1(0.7053，0.51236)和EM2(0.7078，0.51258)Fig.6 Sr-Nd isotopic diagram of Early Pleistocene basaltic lavas in the Erdaobaihe River basin

K2O/Ba-100Rb/Ba 有较好的线性关系(图9b)，总体成正斜率分布，表明岩浆演化过程中存在岩浆混合(或壳源物质的混染)的作用。根据二道白河流域熔岩微量元素蛛网图(图5)中玄武质粗安岩Zr、Hf 有轻微正异常，以及玄武质粗安岩中Ba 的富集，可以判断二道白河流域熔岩的岩浆在演化过程中发生过壳源物质的同化混染作用(李昌年，1992)。Ce/Yb-Eu/Yb 图(图9b)也反映出二道白河流域熔岩的岩浆遭到壳源物质的同化混染的特征(Ce 在地壳中，尤其是上地壳中得到较大程度的富集)。个别样品的87Sr/86Sr 值相对偏高，也指示轻微的壳源物质同化混染作用的存在。

图7 二道白河流域早更新世玄武质岩石206Pb/204Pb-208Pb/204Pb图Fig.7 The 206Pb/204 Pb-208 Pb/204 Pb plot of Early Pleistocene basaltic lavas in the Erdaobaihe River basin

图8 二道白河流域早更新世玄武质岩石La-La/Sm 关系图(据Allègre and Minster，1978)Fig.8 La-La/Sm plot of Early Pleistocene basaltic lavas in the Erdaobaihe River basin (after Allègre and Minster，1978)

图9 二道白河流域早更新世玄武质熔岩的微量元素图解Fig.9 The trace element plots of Early Pleistocene basaltic lavas in the Erdaobaihe River basin

根据原始地幔、上地壳和下地壳某些元素丰度值(Taylor and McLennan，1985)，Yb 在上地壳和下地壳中的丰度值相等(都等于2.2 ×10-6)，Eu 在下地壳中的丰度(1.17 ×10-6)是上地壳中丰度值(0.88 ×10-6)的两倍;而Zr 在上地壳中的丰度(190 ×10-6)是下地壳中丰度值(70 ×10-6)的2.7倍;但Zr 和Eu 都是中等不相容元素(0.2 ＜ΣD(Zr，Eu)＜0.5)，它们的分配系数相近。Eu/Yb-Zr/Yb 图解(图9c)显示，在玄武质粗安岩中，Zr/Yb 远远大于Eu/Yb 的值，这表明岩浆在地壳迁移过程中的混染作用主要发生在上地壳。Ga 在上地壳和下地壳中的丰度值近于相等(上地壳中为17 ×10-6，下地壳中为18 ×10-6)，Rb 为亲石元素(其ΣD(Rb)＜0.01)，Nb为中等不相容元素(其0.2 ＜ΣD(Nb)＜0.5)，Rb 在上地壳的丰度值(112 ×10-6)远大于Nb 在上地壳中的丰度(25 ×10-6);Rb 与Nb 在下地壳的丰度值十分接近(分别为5.3 ×10-6和6 ×10-6)，在Rb/Ga-Nb/Ga 图解中(图9c)，Rb/Ga 和Nb/Ga 沿主趋势线有很好的相关性，从主趋势线斜率小于1，也可推断岩浆混染作用主要发生在上地壳。

4.4 构造环境

一些典型环境的Nb/Ta 之比分别是:球粒陨石为18，大陆壳为12 ～14，大洋中脊玄武岩(MORB)为16.88，圣海伦斯火山(地幔柱火山)为17.3 ±2.4，堪察加半岛火山(深俯冲带火山)14.7 ～18.9 和15.4 ～18.4(Münker，1998;Rudnick et al.，2000;Kamber et al.，2002;Duggen et al.，2007)。二道白河玄武质岩石的Nb/Ta 之比为14.8 ～15.8，与勘察加半岛深俯冲带火山类似。

图10 给出了二道白河玄武质岩石Nb/Ta 分异与岩浆K2O 演化富集的关系，考虑到岩浆中钾、钠演化的相关性，图10 纵坐标采用(Na2O-K2O)的相对含量，而不是K2O 的绝对含量，横坐标仍采用Nb/Ta。图10 显示Nb/Ta 分异随着岩浆K2O 线对含量的增高而增高，具有正相关性。根据现有研究(Stolz et al.，1996;Münker，1998)，深俯冲的这种变化与金云母、金红石等副矿物的熔体反应有关，俯冲板片的部分熔融产物影响了天池火山的地幔源区地球化学演化。

图10 二道白河流域早更新世玄武质熔岩Nb/Ta-(Na2O-K2O)投点图Fig. 10 Nb/Ta-(Na2O-K2O)plot of Early Pleistocene basaltic lavas in the Erdaobaihe River basin

5 结论

(1)二道白河流域白山组早更新世玄武质岩石主要由钾质粗面玄武岩、玄武质粗面安山岩组成，少量钠质拉斑玄武岩。

(2)二道白河流域白山组拉斑玄武岩、粗面玄武岩和玄武质粗面安山岩的微量元素和REE 配分型式基本相似，以及相近的Sr、Nd、Pb 同位素和Sr/Nd、Sm/Nd 揭示，火山岩源区的物质成分具有似原始地幔的特征。

(3)二道白河流域白山组玄武质岩石是母岩浆钾质粗面玄武岩在地幔条件下经橄榄石、辉石和基性斜长石结晶分异后形成的，岩浆在上升的过程中遭受了轻微的壳源物质的同化混染。

(4)二道白河流域白山组玄武质熔岩的形成类似于勘察加半岛深俯冲带火山，与俯冲板片的部分熔融有关。

致谢吉林大学刘祥教授参加了野外工作;中国地震局地质研究所樊祺诚研究员以及评审专家提出了宝贵的修改意见;在此一并表示衷心感谢。

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