早古生代古亚洲洋向北俯冲记录：来自吉中地区早志留世岛弧型火山岩的年代学、地球化学证据

2021-06-06张学海王永胜臧兴运李翱鹏李延峰刘学生刘海龙李斌

世界地质 2021年4期

张学海，王永胜，臧兴运，李翱鹏，李延峰，刘学生，刘海龙，李斌

吉林省地质调查院，长春 130012

0 引言

吉黑造山带新元古代至中三叠世以古亚洲洋演化为特征[1](1)周晓东,彭玉鲸，路孝平,等．吉林省区域地质志(第二版)．长春:吉林省地质矿产局区域地质矿产调查所，2015．，在洋陆板块对峙演化中不同时期、不同类型的成岩成矿建造空间上相互叠加改造，给古亚洲洋构造演化史研究带来困难，后期环太平洋构造岩浆活动强烈叠加改造破坏，加剧了这种困难性[2]。研究表明，古亚洲洋在早古生代(早寒武世至晚志留世)处于聚敛阶段，两侧发育有弧盆构造体系[2--3]。在古亚洲洋南侧，龙岗地块北部陆缘活动带弧盆系建造以呼兰岩群、下二台岩群为代表；在古亚洲洋北侧，延边地区佳木斯—兴凯地块南部陆缘活动带弧盆系建造以五道沟岩群为代表[3](2)松权衡,李德洪，于城,等．吉林省矿产资源潜力评价报告．长春:吉林省地质调查院，2013．，但在吉中地区松嫩地块南部陆缘活动带中，尽管不时有早古生代地质体或锆石测年数据发现[4--5]，但相关弧盆系建造尚未见有报道。笔者于吉中地区庆丰村一带发现并确认早志留世变质火山岩的存在，为该地区古亚洲洋该阶段构造演化历史研究，提供一些有益的资料。

1 区域地质概况

研究区位于吉中地区天北镇庆丰水库一带，松嫩地块南东部陆缘活动带上(图1)。

地层较少，上三叠统西土山组为一套灰色流纹岩、流纹质含角砾晶屑岩屑凝灰岩、灰紫色--灰黑色安山岩及安山质晶屑岩屑凝灰熔岩、黄灰色粗砂岩夹黑色粉砂岩等。

侵入岩以侏罗纪花岗岩为主，岩石类型有二长花岗岩、斑状二长花岗岩、钾长花岗岩和花岗闪长岩等，脉岩有花岗细晶岩、闪长玢岩等。

断裂构造发育，以北东、近东西向为主，切割、破坏了上述地质体。

本文研究的目标层为庆丰火山岩，原为上三叠统西土山组一部分(3)刘国良,王光奇，周金龙,等．1∶20万舒兰县区域地质调查报告．长春:吉林省地质矿产局区域地质矿产调查所，1986．(4)刘跃文,于洪斌，周凯,等．1∶25万榆树县幅区域地质调查报告．长春:吉林省地质矿产局区域地质矿产调查所，2013．。2015—2017年，吉林省地质调查院在进行缸窑镇幅、大口钦幅、尤家屯幅1∶5万地质矿产综合调查时，发现该套火山岩岩石组合以安山岩、流纹岩为主，变质程度为低绿片岩相，与未变质、岩石组合以凝灰岩为主的西土山组差异很大，因此，将该套变质的陆相中酸性火山岩系从原西土山组中剥离出来，建立非正式岩石地层单位—庆丰火山岩。

2 岩石学特征

庆丰火山岩仅出露在天北镇东部庆丰村附近，面积约2.27 km2，四周被中侏罗世斑状二长花岗岩侵入(图1)。笔者在庆丰火山岩实测地质剖面同时，共采集硅酸盐样品变质安山岩4件(图2中17GS1、2，18GS1、2)、变质流纹岩7件(图2中2GS1，3GS1、2、3，9GS1、2、3)，变质安山岩同位素样品1件(图2中PM037--11--1)。

图1 吉中地区庆丰村地质简图Fig.1 Geological sketch map of Qingfeng village in central Jilin

图2 吉林天北镇庆丰火山岩实测地质剖面Fig.2 Measured geological section of Qingfeng volocanic rocks in Tianbei Town of Jilin Province

结合野外观察以及室内镜下观测，可以将其按照岩相学定名为变质安山岩、变质流纹岩(5)吉林省地质调查院．1∶5万缸窑镇幅、大口钦幅、尤家屯幅地质矿产综合调查报告．长春：吉林省地质调查院，2018．。

灰黑色变质安山岩(图3)：新鲜面灰黑色，变余斑状结构，变余交织结构。变余斑晶：由板状斜长石组成，粒度1.0～3.5 mm，聚片双晶发育环带构造，成分为中长石，含量5%～10%。基质：由变余板条状斜长石和变晶阳起石组成，粒度<0.6 mm，定向板条状斜长石分布于柱状变晶的阳起石集合体中，构成变余交织结构，阳起石矿物间隙中散布有不透明金属矿物微粒，含量90%～95%。

Pl.斜长石。图3 变质安山岩野外照片及显微镜下照片Fig.3 Photographs and microphotographs of metamorphic andesite

灰色变质流纹岩：新鲜面灰色，变余斑状结构，粒状柱状变晶结构，显微片麻状构造。变余斑晶：由碱性长石、斜长石和石英组成，粒度0.3～0.5 mm；碱性长石由多晶微斜长石集合体组成，呈变余他形，变缘被重结晶的长英质微粒吞噬呈锯齿状；斜长石，大部分呈变余他形粒状，多被多晶微晶集合体替代；少量的保留半自形板状和聚片双晶；石英，他形粒状变晶，被重结晶的多晶微晶集合体替代；含量10%。变晶基质：变晶粒度0.1 mm±，由粒状变晶长英质微粒和柱状变晶的角闪石组成，角闪石呈褐色--绿色多色性，略具定向构成显微片麻状构造，含量90%。

3 测试结果

3.1 锆石U--Pb定年结果

本次研究在灰色变质安山岩取得锆石测年样品1件(图2样品PM037--11--1)进行了锆石LA--ICP--MS U--Pb 同位素分析，由北京科荟测试技术有限公司完成(表1)。阴极发光图像CL(图4)上可以看出，样品中锆石自形程度稍差，以半自形为主，部分呈自形，并有明显的破损现象，颗粒较小，粒径在40～200 μm之间，长宽比(1.5∶1)～(4∶1)。绝大多数锆石具有核幔结构，其核部色泽相对较深且具有岩浆结晶成因的振荡环带，为岩浆锆石；而其边部色泽相对较浅且均一，无环带，为变质成因。

采用LA--ICP--MS测定了30个单颗粒锆石(表1，图4)，每个锆石1个点。分析锆石测年结果可得3个年龄区间。

1组年龄区间由12个点(表1 中1，2，4，5，6，7，11，12，14，15，19，20点)组成，年龄数据分布在谐和线附近(图5)，获得206Pb/238U加权平均年龄(434±2.3)Ma(n=12，MSWD=1.07)。由图4可知，测点均位于锆石核幔结构的“核部”，由表1，Th/U比值0.6±，为岩浆成因锆石，因此该年龄值可能代表了火山岩冷凝结晶年龄。

图4 锆石阴极发光图像CL及点位数据图Fig.4 Cathodoluminescence (CL) images，analysis site and data of zircons

图5 锆石U--Pb谐和图(a)和加权平均年龄(b)Fig.5 Zircon U--Pb concordia diagram (a) and weighted average age diagram (b)

2组年龄区间由4个点(表1中3，22，24，27点)组成，其207Pb/206Pb、207Pb/235U、206Pb/238U三组表面年龄较稳定且相差不大，其206Pb/238U表面年龄加权平均值(217±13)Ma。由图4，测点均位于锆石核幔结构的“边部”，为锆石变质成因部分，因此该年龄值可能代表了火山岩变质年龄。

3组年龄区间由14个点(表1中点8，9，10，13，16，17，18，21，23，25，26，28，29，30)组成，锆石破损现象较严重(图4)，由表1，10号测点206Pb/238U表面年龄值明显偏高，其余测点207Pb/206Pb、207Pb/235U、206Pb/238U三组表面年龄相差较大，可能是由于测点位置锆石表面破碎，封闭体系被破坏而造成放射性成因铅(铀)发生不程度丢失(获得)引起。

综上，206Pb/238U加权平均年龄(434±2.3)Ma年龄应代表火山岩形成时间，为早志留世晚期。

3.2 主量元素特征

在庆丰火山岩内，共采集11件主微量样品(图2)，其中安山岩4件，流纹岩7件，分析测试工作在吉林省地质科学研究所(国土资源部长春矿产资源监督检测中心)完成(表2)。

由表2可知，SiO2含量介于59.20%～76.40%之间，为中酸性火山岩。安山岩SiO2含量介于59.20%～62.59%之间，具富铝(Al2O3含量为16.64%～17.32%)、富钾(Na2O含量为7.39%～9.49%)特征。流纹岩具富硅(SiO2含量为74.91%～76.40%)、贫钙(CaO含量为0.73%～2.52%)、贫镁(MgO含量为0.35%～0.15%)特征。在TAS图解中4个安山岩样品全部落入安山岩区域内，7个流纹岩样品全部落入流纹岩范围内(图6a)；在SiO2-K2O图解中(图6b)，安山岩样品落入中钾--高钾钙碱性区域内；流纹岩样品高钾钙碱性区域内。安山岩铝过饱和A/CNK值介于0.91～1.03(<1.1)之间，A/NK值介于2.03～2.14之间，流纹岩铝过饱和A/CNK值介于1.09～1.13，平均值1.11(>1.1)，A/NK值为介于1.23～1.89之间；安山岩显示出准铝性质特征，流纹岩显示出过铝性质特征。在A/CNK-A/NK图解中(图6c)，安山岩落入准铝质区域内，流纹岩落入过铝质区域内。综上分析认为庆丰火山岩为准铝质--过铝质中--高钾钙碱性中酸性火山岩。

图6 庆丰火山岩TAS图解(a)、SiO2-K2O图解(b)和A/NK-A/CNK图解(c)Fig.6 TAS diagram (a),SiO2-K2O diagram (b) and A/NK-A/CNK diagram (c) for Qingfeng volcanic rocks

3.3 稀土、微量元素特征

样品稀土元素分析结果显示(表2)，安山岩稀土元素总含量REE=(125.90～143.82)×10-6，轻稀土元素含量LREE=(109.19～128.10)×10-6，重稀土元素含量HREE=(15.72～18.27)×10-6，LREE/HREE=6.37～8.15。(La/Yb)N=5.83～8.95，(La/Sm)N=1.99～2.44，(Gd/Yb)N=1.74～2.13，δEu=0.86～0.97，均值0.91，铕异常不明显。流纹岩稀土元素总含量REE=(112.32～190.72)×10-6，轻稀土元素含量LREE=(97.09～170.09)×10-6，重稀土元素含量HREE=(12.46～24.68)×10-6，LREE/HREE=6.36～10.66。(La/Yb)N=4.03～10.49， (La/Sm)N=2.50～4.08， (Gd/Yb)N=1.04～1.59，δEu=0.21～0.42，均值0.31，具有明显的负铕异常，说明存在斜长石的分离结晶作用。

表2 庆丰火山岩主量元素(%)、微量和稀土元素(10-6)分析结果表Table 2 Compositions of major (%), trace and rare earth elements(10-6)of Qingfeng volcanic rocks

庆丰火山岩(安山岩、流纹岩)总体上表现为岩石轻、重稀土元素分馏明显，且相对富集轻稀土元素，轻稀土元素内部分馏作用明显，重稀土元素相对亏损，且内部分馏也相对明显，在球粒陨石标准化配分图(图7a)上表现为右倾模式。

在微量元素原始地幔标准化蛛网图上(图7b)，庆丰流纹岩和安山岩均相对富集大离子亲石元素K、Rb和高场强元素Th、U，明显亏损高场强元素Nb、Ti和P元素等，此外，流纹岩还明显亏损大离子亲石元素Sr，与具强烈的负铕异常向对应。Nb的亏损可能金红石和榍石的分离结晶有关，P、Ti的亏损可能与磷灰石和钛铁矿的分离结晶有关。

图7 庆丰火山岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b) Fig.7 Chondrite-normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (b) for Qingfeng volcanic rocks

4 讨论

4.1 庆丰火山岩的岩石成因类型

庆丰火山岩系底、顶均被斑状二长花岗岩侵入，其内部保存完好，主要岩石类型为安山岩、流纹岩，二者整合接触且互层产出。火山岩石成分可以划分三个火山喷发旋回，每一喷发旋回由灰黑色角闪安山岩--灰白色黑云母变质流纹岩，表现为由中性--酸性的演化特征，流纹岩局部仍可见流纹结构。上述岩石组合特征表明庆丰火山岩系为陆相火山岩系。

庆丰火山岩变质作用主要表现为石英、长石和角闪石等矿物的变形及破碎重结晶，新生矿物较少，仅局部见有角闪石阳起石化，所属变质岩相为低压变质相系低绿片岩相(6)吉林省地质调查院．1∶5万缸窑镇幅、大口钦幅、尤家屯幅地质矿产综合调查报告．长春：吉林省地质调查院，2018．，说明岩石中主、微量元素变化不大，仍可基本反映原岩地球化学特征。

前已述及，庆丰火山岩系里特曼指数σ均<3.3，在A--F--M图解上投影点均落入钙碱性区(图8)，综合考虑，岩石属于钙碱系列[6]，具有相对较高的Al2O3、Na2O、K2O(K2O>Na2O)，低的MgO、CaO，及TiO2(<2%)，为陆缘弧火山岩特征[7--8]。由表2，微量元素具富集大离子亲石元素(Rb、Th、U、K)及LREE等，亏损高场强元素(Ta、Nb、Ti等)(图7)，具备岛弧火山岩地球化学特征[9--12]。微量稀土元素，在Y-Nb图解(图9a)和(Y+Nb)-Rb(图9b)图解上，投影点均落于火山弧区。

A=K2O+Na2O;M=MgO;F=FeO+0.899 8 Fe2O3(A、F、M均为重量百分数)。图8 庆丰火山岩A--C--F图解Fig.8 A--C--F diagiam for Qingfeng volcanic rocks

图9 庆丰火山岩Y--Nb图解(a)和(Y+Nb)--Rb图解(b)Fig.9 Y--Nb diagram (a) and (Y+Nb)--Rb diagram (b) for Qingfeng volcanic rocks

对于具有岛弧型地球化学特征的岩浆岩岩石成因，通常认为俯冲作用关系密切。研究表明，俯冲带的流体交代作用过程可概括为：俯冲带沉积物及洋壳脱水，产生富大离子亲石微量元素(K、Rb、Sr、Th、U及LREE等)的流体进入俯冲带上方的地幔楔，发生交代作用，继而使地幔楔的地幔岩部分熔融，形成正常的岛弧型岩浆。这种岩浆与俯冲板片熔融而成的熔体区别是，后者高Sr(>400 μg/g)，相对富集Eu，在球粒陨石标准化图解中Eu为正异常，强烈亏损重稀土和Y(Y≤18 μg/g，Yb≤1.9 μg/g)，Sr/Y高(>20)，La/Yb高(>20)[13]。由表2可知，通过对比不难发现，庆丰火山岩系地球化学特征与正常岛弧火山岩一致，即其岩石源区与俯冲板片及沉积物脱水熔融交代上部楔形地幔有关，而区别于俯冲板片熔融形成的埃达克质岩石。

安山岩稀土元素负铕异常不明显，轻稀土元素LREE富集，标准化配分模式曲线较平缓，同样说明岩浆主要来源于上地幔[14]。曲线略向右倾，且微量元素Th>Ta，La>Ta，具有十分明显的高场强元素Ta、Nb、Ti、P负异常(图7b)，说明存在陆壳混染[15]，即安山岩来源于上地幔和具消减带物质的岛弧岩浆物质混合的结果。由图7可知，流纹岩微量稀土元素曲线形态与安山岩基本相似，区别在于各元素亏损(富集)程度要强烈一些，说明流纹岩与安山岩具有同源特征，但含有更多陆壳物质。

综上，庆丰火山岩为正常的岛弧型火山岩，其岩浆主要来源于俯冲板片及沉积物脱水熔融交代上部楔形地幔引起的地幔部分熔融。

4.2 庆丰火山岩形成构造背景

野外调查发现，庆丰火山岩只有安山岩、流纹岩，没有发现英安岩。安山岩和流纹岩主量元素测试结果显示(表2)，SiO2含量分别为59.2%～62.5%和74.91%～75.53%，SiO2含量具有明显的断面，属于典型的双峰式火山岩。如前所述，在TAS图解(图5a)上，投影点分别落入安山岩、流纹岩区，中间英安岩区没有投影点，与野外观察现象一致。除岩石组合、主量元素的差异外，在稀土、微量元素上，庆丰火山岩安山岩与流纹岩区别也很明显，相关图解上没有中间曲线(图7)。

双峰式火山岩的成分间断通常被称为Daly间断，既可以是通常认为的流纹岩--玄武岩组合，也可以是中性岩--玄武岩组合或流纹岩--中性岩组合[16]。研究表明，双峰式火山岩可以在明显不同的地球动力学构造背景下形成，主要有：大陆裂谷、洋岛、大陆拉张减薄、弧后扩张、造山后、洋内岛弧和成熟岛弧环境7种构造环境，每种构造环境岩石学和微量元素、稀土元素和同位素地球化学特征有所不同(表3)[15,17]。

表3 不同构造环境下双峰式火山岩综合地质特征[15,17]Table 3 Comprehensive geological characteristics of bimodal volcanic rocks in different tectonic environments

在温度850～1 300℃，压力1.0～3.0 GPa和含约2%水的条件下的碱性玄武岩熔融实验证实，在>2.0 GPa压力的熔融淬火产物中存在着不混溶的褐色与浅色两种玻璃，二者SiO2含量间隔可达10%；在<2.0 GPa压力下两种共存玻璃，二者SiO2含量差别并不大。表明岩浆的不混熔作用可以形成一部分双峰火山岩。由不混溶作用形成的双峰式火山岩应来自>2.0 GPa的上地幔，且是能够提供酸性端员物质以及快速上升的拉张构造环境。因此岛弧演化过程中某些属于拉张阶段可以形成双峰式火山岩[18]。

早古生代，吉黑造山带东段除松嫩地块南缘存在与古亚洲洋板块的洋陆互动外，还存在松嫩地块东缘与佳木斯—兴凯地块西缘之间的互动[19--20]。中寒武世期间二者之间的洋壳已经开始向西侧的松嫩地块之下俯冲，从而在松嫩地块陆缘上形成与俯冲作用相关的中寒武世埃达克岩(～516 Ma)；具有活动大陆边缘属性的奥陶纪花岗质岩石的形成标志着该期研究区处于活动陆缘的构造环境(485～450 Ma)；中志留世松嫩地块东缘二长花岗岩的出现标志着两个地块完成了碰撞--拼合过程[21--23]。而位于松嫩地块东缘缝合带附近的小兴安岭东段—张广才岭433～425 Ma南北向展布的同碰撞花岗岩侵位，说明两个地块早志留世未已处于陆陆碰撞构造演化阶段[24--25]。由此可能表明，远离松嫩地块与佳木斯--兴凯地块之间缝合带的庆丰火山岩所代表的成熟岛弧，并不是由二者互动引起，而是与古亚洲洋板块向松嫩地块俯冲有关。

位于古亚洲洋缝合线以北，吉林市东南的永吉顶志留统张家屯组磨拉石建造下伏的英云闪长岩(443±5)Ma，通过地球化学特征的判别，原始熔体可来源于有俯冲流体参与的高温低压条件下大洋堆晶辉长岩的部分熔融，形成于洋壳俯冲背景下的岛弧环境[4]。同样说明早志留世，松嫩地块南缘处于成熟岛弧构造环境。

位于古来洲洋缝合线以南，龙岗地块北部陆缘活动带，早古生代处于双火山弧演化阶段[3](7)松权衡,李德洪，于城，等．吉林省矿产资源潜力评价报告．长春：吉林省地质调查院，2013．。前缘火山弧建造志留系弯月组岩石组合为片理化流纹岩、片理化流纹凝灰熔岩、片理化安山岩及其中酸性熔岩，与庆丰火山岩相当。

综上，庆丰火山岩代表的岛弧构造环境，主要与古亚洲洋板块向北俯冲有关。