俄罗斯远东陆内高镁安山岩的发现及其地质意义

2019-10-24陈佳卉唐杰许文良Sorokin郭鹏

世界地质 2019年3期

陈佳卉, 唐杰, 许文良,2, Sorokin A A, 郭鹏

1.吉林大学地球科学学院，长春 130061；2.自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室，长春 130061；3.俄罗斯科学院远东分院地质与自然管理研究所，布拉戈维申斯克 675000, 俄罗斯

0 引言

高镁安山岩是指那些与典型岛弧安山岩相比，具有更高的MgO(>5%)、更低的FeOT/MgO(<1.5)，以及Al2O3<16%和CaO<10%为特征的安山岩[1]，或Mg#>45和SiO2=54%～65%的安山岩[2]。高镁安山岩因其独特的地球化学属性和与大陆地壳平均成分的相似性，其成因研究对揭示地球分异演化和大陆地壳生长等重大地质问题具有重要意义，近几十年来已经得到了广泛研究[3--16]。晚太古代时期因其高的地温梯度，高镁安山岩可能曾经大规模喷发[17]，然而在新生代，高镁安山岩的出露相对较少，且多形成于岛弧环境，而大陆板块内环境下形成的高镁安山岩可谓屈指可数[18--20]。本文报道了俄罗斯远东地区新识别的陆内高镁安山岩，这对揭示新生代东亚大地幔楔的形成与演化具有重要意义。

1 地质背景

俄罗斯远东地区位于中亚造山带东段。古生代期间，该区主要受古亚洲洋构造体系演化的影响，主要表现为多个微陆块的碰撞拼合。中生代期间，不仅受到北部蒙古—鄂霍茨克构造体系的叠加与改造，更为重要的是该区受到了来自东部环太平洋构造体系的叠加与改造[21--22]。自中生代晚期以来，东北亚大陆边缘(包括俄罗斯远东和中国东北地区)的构造演化主要受西太平洋板块俯冲的控制[23]。中生代晚期，东亚陆缘大型盆地、变质核杂岩的形成及大面积火山岩和花岗岩的形成均受到西太平洋板块俯冲的制约。进入到新生代，该区主要受到太平洋板块西向俯冲作用的影响，俯冲板片的后撤和古太平洋板块与太平洋板块之间洋脊俯冲作用的发生，导致了东北亚陆缘从活动陆缘转变成沟--弧--盆体系，并导致了东亚大地幔楔的形成[24--26]。

俄罗斯远东和中国东北新生代玄武质岩石主要沿深大断裂分布(图1)。研究区位于俄罗斯远东南部的阿穆尔州(图1)，该区发育古近系和新近系，新近系分布较广。依据前人的K--Ar测年结果，研究区玄武质安山岩的K--Ar年龄为17.1～20.6 Ma，为中新世早期[28]。

图1 中国东北和俄罗斯远东地区新生代火山岩分布图[18,27]与采样点位置
Fig.1 Simplified geological map of spatial distribution of Cenozoic volcanic rocks in eastern China and Russian Far East and sampling locations

2 俄罗斯远东火山岩的岩石学特征

对俄罗斯远东地区两个地点共采集了14个新鲜的火山岩样品。样品17R19和17R20分别是采样点号(图1)，相对应的GPS坐标分别为：49°12′22.10″N，130°42′30.71″E和49°25′42.81″N，130°06′14.64″E，每个采样点对应多个分析样品，分别编号如17R19--1、17R19--2和17R20--3、17R20--4等。

研究样品非常新鲜，这也得到了烧失量小(0.01% ～ 0.93 %)和显微镜下岩相学观察的支持。岩石为灰黑色到黑色，主要为斑状结构、块状构造和气孔--杏仁构造。在野外和显微镜下均未发现外来的捕掳体或捕掳晶。

样品17R19--2为橄榄玄武岩，灰黑色，斑状结构，基质为间粒--间隐结构，块状构造。斑晶为橄榄石，斑晶粒度介于0.3～0.6 mm,呈双锥状自形晶，其含量约占2% (体积百分比) 。基质含量约占98%，主要由斜长石微晶和填隙的辉石、不透明矿物或玻璃质/隐晶质组成(图2a-c)。

图2 俄罗斯远东高镁安山岩显微镜下的代表性照片Fig.2 Representative microphotographs of high-Mg andesites from Russian Far East

样品17R20--2和17R20--3均为玄武安山岩，呈黑色，具间粒结构、块状构造和气孔--杏仁构造。斑晶矿物为斜方辉石和斜长石，其含量约占5%。基质含量约占95%，主要由斜长石微晶和粒间辉石及不透明矿物组成，同时粒间也有玻璃质或隐晶质(图2d-f)。

3 分析方法

3.1 矿物电子探针分析

玄武质岩石中矿物电子探针分析在国家海洋局海底科学重点实验室完成。电子探针仪器主机型号为JXA--8100，能谱仪为Oxford INCA X-sight，分析加速电位15 kV、束流20 nA，束斑15～20 μm；修正方法ZAF；标准样品为美国SPI公司53种矿物。斑晶矿物主量元素分析结果见表1。

3.2 全岩主量分析

全岩主量元素分析在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。主量元素采用熔片玻璃X荧光光谱法(XRF)分析，除了制备玻璃片外，还需称取 0.5 g样品粉末在 1 050℃下做烧失量(LOI)。对国际标样BCR--2(玄武岩)、BHVO--1(玄武岩)和 AGV--1(安山岩)的分析结果表明，主量元素分析精度和准确度优于5%。俄罗斯远东新生代玄武质岩石的主量元素分析结果见表2。

4 分析结果

4.1 矿物化学

4.1.1 橄榄石

橄榄石斑晶的SiO2=38.63%～40.03%, MgO=38.20%～44.78%, FeO=14.94%～23.20%, NiO=0.22%～0.35%, Mg#= 74.6～84.2，属于贵橄榄石变种(表1)。

4.1.2 辉石

岩相学观察表明，新生代玄武岩中的辉石矿物为斜方辉石和单斜辉石。斜方辉石斑晶的SiO2=54.32%～54.33%，TiO2=0.28%～0.33%，Al2O3=1.32%～2.40%，MgO=26.30%～27.84%，FeO=12.54%～14.40%，CaO=1.77%～2.06%，Mg#=76.5～79.8，属于古铜辉石。此外，斜方辉石具有正环带，核部为En76.29Fs19.67，边部为En72.74Fs22.81(表1)。单斜辉石的SiO2=52.14%～52.25%，TiO2=0.82%，Al2O3=1.75%～2.09%，MgO=17.23%～17.44%，FeO=10.14%～12.26%，CaO=14.24%～16.38%，它们的Wo=33.31～29.12，En=49.65～48.75，Fs=20.08～16.50,属于普通辉石变种。此外，单斜辉石也显示微弱的正环带，核部为En49.65Fs20.08，边部为En48.75Fs16.50(表1)。

4.1.3 斜长石

斑晶中斜长石的SiO2=54.66%～57.09%，Al2O3=26.01%～27.48%，CaO=9.67%～11.50%，Na2O=4.92%～5.54%，An值介于47.1～55.3之间，属于中长石和拉长石。部分斜长石斑晶显示正环带，核部An=55.3～51.3，边部An=50.3～48.7(表1)。与斑晶斜长石相比，基质中斜长石的An值相对偏低(47.1～51.3)，主体属于中长石。

4.2 主量元素

俄罗斯远东新生代玄武质岩石的SiO2=55.42%～57.34%,TiO2=1.48%～1.69%,Al2O3=14.61%～15.01%,MgO=4.92%～5.78%,Fe2O3=8.58%～8.89%,Mg#[100 Mg/(Mg+Fe2+)]=53.1～56.3,CaO=5.82%～6.62%,(Na2O+K2O)=5.15%～6.45%(表2)。在TAS图上(图3)，这些中新世玄武质岩石属亚碱性系列，其岩性为玄武粗安山岩、玄武安山岩和安山岩。该类岩石在岩石化学组成上，与典型高镁安山岩相似—符合Tatsumi等[1]和Kelemen[2]划分的高镁安山岩标准。因此，可将俄罗斯远东地区新生代玄武质岩石定义为高镁安山岩。

表2 俄罗斯远东新生代高镁安山岩主量元素组成

注: Mg#=100*(MgO/40.31)/( MgO/40.31+FeOT/71.85)。

图3 俄罗斯远东高镁安山岩全岩 SiO2与全碱(Na2O+K2O)协变图[36](a)及SiO2与Mg#协变图(b)Fig.3 Plot of SiO2 versus Na2O+K2O (a) and SiO2 versus Mg# (b) for high-Mg andesites in Russian Far East

图4 俄罗斯远东地区高镁安山岩MgO与其他氧化物和微量元素的协变图Fig.4 Plots of MgO versus other oxides and trace elements for high-Mg andesites in Russian Far East

此外，这些俄罗斯远东新生代高镁安山岩与中国境内发现的逊克高镁安山岩具有相似的化学成分，比大兴安岭五岔沟新生代高镁安山岩具有相对偏高的碱性组分含量，在化学组成上明显不同于东北新生代钾质玄武岩和钠玄武岩[29--35](图3)。

在MgO与其他主量元素的相关图解(图4)上，俄罗斯远东地区新生代高镁安山岩的MgO的变化范围很小(4.92%～5.78%)，与SiO2、CaO、Al2O3、K2O、Fe2O3、CaO/Al2O3、Ni、Sc之间都没有明显的相关性，岩浆演化微弱。结合这些高镁安山岩的Mg#值(53.1～56.3)，暗示这些高镁安山岩具有原始岩浆的成分特征。

5 俄罗斯远东新生代高镁安山岩发现的地质意义

俄罗斯远东地区出露的新生代高镁安山岩，是东亚陆缘新生代陆内岩浆作用的重要组成部分。传统上，高镁安山岩主要产于汇聚板块的边缘，通常与年轻的、热的大洋板片俯冲作用有关[2], 这些高镁安山岩的成因研究对揭示俯冲带壳幔相互作用和地壳的生长与演化具有重要意义。近年来，陆内高镁安山岩的发现与研究，较好地揭示了再循环陆壳物质部分熔融的熔体与地幔橄榄岩反应过程的存在[14,20,37]，这为揭示陆--陆俯冲碰撞造山带大陆岩石圈的形成与演化及其成分多样性提供了关键证据。俄罗斯远东地区新生代陆内高镁安山岩的成因如何？它们的形成与太平洋板块西向俯冲有何联系？东北亚新生代陆内高镁安山岩的形成与东亚大地幔楔的形成与演化有何联系？这些都是进一步深入研究问题。