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  地质通报  2018, Vol. 37 Issue (9): 1760-1770  
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杨宾, 张彬, 张庆奎, 马维, 吕凤祥, 赵明远, 陈树良, 袁旭. 内蒙古东部马鞍山地区早石炭世高镁安山岩特征及地质意义[J]. 地质通报, 2018, 37(9): 1760-1770.
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Yang B, Zhang B, Zhang Q K, Ma W, Lü F X, Zhao M Y, Chen S L, Yuan X. Characteristics and geological significance of Early Carboniferous high-Mg andesites in Ma'anshan area, east Inner Mongolia[J]. Geological Bulletin of China, 2018, 37(9): 1760-1770.
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基金项目

中国地质调查局项目《内蒙古1:5万哈拉黑等八幅区域地质矿产调查》(编号:DD20160048-08)

作者简介

杨宾(1985-), 男, 学士, 工程师, 地质学专业。E-mail:122164660@qq.com

文章历史

收稿日期: 2018-03-20
修订日期: 2018-06-21
内蒙古东部马鞍山地区早石炭世高镁安山岩特征及地质意义
杨宾 , 张彬 , 张庆奎 , 马维 , 吕凤祥 , 赵明远 , 陈树良 , 袁旭     
辽宁省地质勘查院, 辽宁 大连 116100
摘要: 内蒙古东部马鞍山地区发育早石炭世高镁安山岩,其LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果为346.4±1.4Ma,指示其形成于早石炭世。马鞍山高镁安山岩属于钙碱性岩石系列,SiO2含量为53.22%~54.22%,MgO为7.21%~10.03%,Al2O2为14.37%~15.94%,CaO为4.81%~5.94%,富Na、贫K(Na2O为3.87%~4.34%、K2O为0.49%~0.93%)、低TFeO/MgO(< 1.5)、高Cr(364×10-6~429×10-6)、Ni(204×10-6~211×10-6)。所有样品均显示轻稀土元素富集,具轻微的负Eu异常,富集大离子亲石元素Rb、K、Ba、Sr,亏损高场强元素Nb、Zr、Ti、Y、Yb、Lu等,地球化学特征与赞岐岩相似。由此可知,马鞍山地区早白垩世高镁安山岩是由地幔橄榄岩与消减洋壳板片部分熔融产生的富Si质熔体平衡反应的产物,暗示其形成于与俯冲消减有关的构造背景,是古亚洲洋闭合过程中洋陆转化的产物。
关键词: 高镁安山岩    赞岐岩    锆石U-Pb年龄    地球化学    马鞍山    
Characteristics and geological significance of Early Carboniferous high-Mg andesites in Ma'anshan area, east Inner Mongolia
YANG Bin, ZHANG Bin, ZHANG Qingkui, MA Wei, LÜ Fengxiang, ZHAO Mingyuan, CHEN Shuliang, YUAN Xu     
Geological Exploration Institute of Liaoning Province, Dalian 116100, Liaoning, China
Abstract: The Early Carboniferous high-Mg andesites in Ma'anshan area of eastern Inner Mongolia have LA-ICP-MS zircon U-Pb age of 346.4±1.4Ma, indicating that they were formed in Early Carboniferous. Ma'anshan high-Mg andesites belong to calc-alkaline series, with SiO2 53.22%-54.22%, MgO 7.21%-10.03%, Al2O3 14.37%-15.94%, CaO 4.81%-5.94%, rich Na, poor K (Na2O 3.87%-4.34%, K2O 0.49%-0.93%), low TFeO/MgO(< 1.5), high Cr(364×10-6-429×10-6), and Ni (204×10-6-211×10-6). Similar to sanukite, all samples show enrichment of LREE and LILE (e.g., Rb, Ba, Sr and K), slight Eu negative anomaly and depletion of HFSE such as Nb, Zr, Ti, Y, Yb and Lu. They are equilibrium products of Sirich melt derived from partial melting of mantle peridotite and subducted oceanic crust, indicating a subduction background and suggesting that they were formed by ocean-continent transformation during the Palaeo-Asian Ocean closure.
Key words: high-Mg andesites    sanukitie    zircon U-Pb age    geochemistry    Ma'anshan    

高镁安山岩(high-Mg andesite,HMA)是指相比典型岛弧安山岩具有更高的MgO(>5%)和更低的TFeO/MgO值(<1.5)、Al2O3(<16%)和CaO(<10%)的安山岩,包括sanukitic HMA(sanukitie, 赞岐岩)、adakitic HMA(高镁埃达克岩)、bajaitic HMA(bajaitic,巴哈岩)和boninitic HMA(boninitic,玻安岩)4类,主要出露在日本岛弧Setouchi火山岩带和西阿留申群岛等地[1-4]。在地球演化历史中一般产于汇聚板块边缘[5],通常与年轻的或/和热的板片俯冲相联系,已成为汇聚板块边缘岩石圈地幔演化研究的一个重要指示器[6]。近些年的研究中,高镁安山岩被陆续报道,成为一个新的研究热点。

本文新识别的高镁安山岩从空间展布看位于二连-贺根山构造带向东延伸的部分。二连-贺根山构造带作为兴蒙造山带北部重要的构造单元,曾被认为是中朝板块和西伯利亚板块最后碰撞的缝合线位置[7],是研究古亚洲洋演化的重要线索之一。到目前为止,贺根山构造带的研究已经积累了大量资料,但对其构造属性仍然存在分歧,一些学者提出了俯冲环境(SSZ)的观点[5-7],Nozaka等[8]认为,贺根山蛇绿岩带为洋中脊型(MORB)。在其形成时代上,也存在不同的看法,泥盆纪、石炭纪、三叠纪均有报道[7-10]

近年来针对内蒙古中部二连-贺根山缝合带内与古亚洲洋大洋俯冲有关的岛弧型岩浆岩的研究较多,但是,对该缝合带有关高镁安山岩的资料很少。仅在西乌旗梅劳特乌拉地区见有早二叠世岛弧型埃达克岩的报道[11]。本文通过马鞍山地区识别出的高镁安山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb定年和岩石地球化学研究,结合区域地质资料,讨论马鞍山地区高镁安山岩的岩石成因及其形成的构造背景,为确定该地区早古生代亚洲洋的构造格局与演化历史提供重要的地质依据,为解决二连-贺根山构造缝合带的东延问题及约束其俯冲时限提供重要资料。

1 地质概况及岩石学特征

研究区位于内蒙古东部,属于大兴安岭中南段,区域地质构造背景为中亚造山带东段华北陆块北缘增生带(图 1-a),兴安地块与松嫩地块的交接部位,二连浩特-贺根山缝合带的向东延伸的部分(图 1-b)。前中生代时期主要受西伯利亚板块与华北板块相互作用的影响,经历了古亚洲洋的消减、南北两大板块陆缘相向增生至最后拼接的演化历史。区内古生界发育地层有大石寨组(P1d^s)和林西组(P2l)。大石寨组为一套基性-中酸性熔岩及凝灰岩组合, 局部夹正常碎屑岩;林西组为一套黑色砂岩及板岩组合。

图 1 大兴安岭北段大地构造位置[12] Fig.1 Geotectonic position of the northern part of Da Hinggan Mountains

笔者在开展中国地质调查局“内蒙古1:5万哈拉黑等八幅区调”项目时对马鞍山地区的大石寨组进行了详细的野外调查,以及较系统的岩石学、地球化学、年代学等研究,发现原大石寨组中断续分布的浊积岩、辉绿岩、枕状玄武岩、泥硅质岩、安山岩、英安岩、流纹岩、火山碎屑岩等,彼此之间呈断块接触。故将马鞍山地区原划分的大石寨组进行解体,拟重新将马鞍山地区大石寨组厘定为构造混杂岩。

本次工作所采集的安山岩样品即为马鞍山兴安水库“构造混杂岩”中的变质安山岩,采样位置见图 2。所采样品为变质安山岩,呈透镜状分布。围岩为泥质板岩和变质粉砂岩,具碎裂化局部糜棱岩化或强片理化。样品整体较新鲜,新鲜面呈灰黑色,斑状结构,斑晶含量小于10%,主要为斜长石;基质为玻晶交织结构,斜长石微晶具半定向排列,在斜长石间隙中充填角闪石微晶和玻璃质,角闪石均有不同程度的绿帘石化和碳酸盐化。

图 2 研究区地质简图及取样位置 Fig.2 Simplified geological map of the study area
2 锆石U-Pb测定结果

通过详细的野外工作和室内鉴定,选取弱蚀变的1个安山岩样品进行年龄测定。样品采自马鞍山兴安水库(HP3S1:北纬46°05′41″、东经121°36′11″)岩石宏观及镜下特征见图 3。对采集的安山岩样品进行锆石U-Pb同位素分析,锆石的分选在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成,采用重液浮选和电磁分离方法进行挑选。从约50kg的样品中选出了近120粒锆石,锆石的阴极发光(CL)显微照相在北京锆年领航科技有限公司完成。锆石原位U-Pb同位素年龄分析在中国地质科学院地球与物理研究所完成。激光剥蚀斑束直径为35μm,剥蚀深度为20~40μm。数据处理采用ICPMSDataCal 8.4程序,并采用Anderson方法对测试数据进行普通铅校正,年龄计算及谐和图绘制采用Isoplot (3.0版)完成。

图 3 马鞍山高镁安山岩宏观(a)及显微(b)特征 Fig.3 Macrofeatures(a) and microscope(b) characteristics of Ma' anshan high-Mg andesite

分选出来的锆石均为透明无色,大多数为短柱状,只有少部分为长柱状、不规则状,一般长轴在80~120μm之间,长宽比在1~2之间。对分选出来的18颗锆石进行了分析,结果列于表 1。它们的Th含量为74.8×10-6~624.4×10-6,U含量为120×10-6~ 725×10-6,除11号点外,所有颗粒的Th/U值均大于0.4,为典型的岩浆锆石[13]。其中1、2、11号测点具有较老的207Pb/206Pb年龄,分别为2194±34Ma、2214± 18Ma、1809±21Ma,该类锆石在CL图像(图 4)上显示为次圆状或柱状,晶棱较模糊, 有的具有明显的增生边,可能为捕获锆石,代表来自古老结晶基底的岩石;另外3、4、8、12、19测点为统计离群点, 没有参加年龄计算, 6、17、20三个测点可能由于锆石本身有很多裂缝, 造成铅丢失, 使年龄偏小。其他测点在误差范围内具有谐和的年龄,获得的206Pb/238U年龄加权平均值为346.4±1.4Ma(图 5),可代表马鞍山地区高镁安山岩的喷发年龄。

表 1 马鞍山高镁安山岩(HP3S1)LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb同位素分析结果 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb data of high-Mg andesite(HP3TW9-3)from Ma'anshan area
图 4 马鞍山高镁安山岩锆石阴极发光图像(CL)及年龄(单位:Ma) Fig.4 CL images and ages of zircons from the Ma' anshan high-Mg andesites
图 5 马鞍山高镁安山岩锆石U-Pb年龄谐和图 Fig.5 Zircon U-Pb concordia diagram for high-Mg andesites from Ma' anshan area
3 地球化学特征

主量、微量及稀土元素分析均在河北省区域地质矿产调查研究所地质实验室完成。主量元素分析采用Panalytical公司PW440型X荧光光谱仪(XRF)测定,分析误差低于5%,微量和稀土元素采用Thermo Fisher公司X-Seriesp型电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测定,检测限优于5×10-9,相对标准偏差优于5%。具体分析结果列于表 2

表 2 马鞍山地区高镁安山岩主量、微量与稀土元素化学成分 Table 2 Chemical compositions of the high-Mg andesites from Ma'anshan area
3.1 主量元素

安山岩样品SiO2含量在53.22%~54.22%之间;Al2O3含量为14.37%~15.94%;TiO2含量为0.74%~ 0.76%;MgO含量为7.21%~10.03%,Mg#=68~74;CaO含量为4.81%~5.94%;Na2O和K2O含量分别为3.87%~4.34%和0.49%~0.93%,样品均有Na2O>K2O的特征,显示富钠低钾;Na2O + K2O含量在4.98%~5.33%之间,在全碱- SiO2图解和Zr/TiO2- Nb/Y图解(图 6-ab)中,所有样品均落入亚碱性火山岩系列,在SiO2-K2O图解中,样品均具有钙碱系列-低钾拉斑系列岩石特征,大部分样品显示偏低-低钾系列。

图 6 火山岩岩石分类图解 Fig.6 The uolcanic rock classification diugrams a—含碱-SiO2(底图据参考文献[14]);b—Nb/Y-Zr/TiO2图解(底图据参考文献[15]);c—SiO2-K2O图解(底图据参考文献[16]);d—SiO2-K2O图解(底图据参考文献[17])
3.2 微量元素

安山岩的稀土元素总量(ΣREE)在68×10-6~ 75×10-6之间,球粒陨石标准化的REE配分图解显示稀土元素分布曲线右倾(图 7-a),轻稀土元素(LREE)富集,重稀土元素(HREE)亏损。(La/Yb)N= 7.38~7.53,轻、重稀土元素分异明显;没有明显的Eu负异常,δEu =0.97~1.05。在微量元素原始地幔标准化图解(图 7-b)上表现出大离子亲石元素(LILE)Cs、Sr、Rb、K、Ba明显富集,高场强元素Nb、Ta、P、Ti相对亏损。

图 7 马鞍山高镁安山岩球粒陨石标准化稀土元素配分图(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b) Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns(a) and primitive mantle-normalized trace element spidergrams(b) for high-Mg andesites from Ma' anshan area (Setouchi数据据参考文献[18-20];球粒陨石和原始地幔标准值据参考文献[21])
4 讨论 4.1 岩石成因

高镁安山岩(HMA)在现代地球上出露极少,但研究其成因对揭示地球的分异演化、地壳的生长、洋壳与洋脊或陆壳的俯冲、地壳拆沉及流体或熔体-地幔间的相互作用等具有非常重要的意义。因此,高镁安山岩的研究在近几十年受到广泛的关注。现阶段最主要的成果是将其按岩石地球化学特征划分为4类,并分别讨论了其岩石成因。其中,玻安岩(Boninite)通常出现在前弧环境,并以高SiO2(>52%)、MgO(>8%)和非常低TiO2含量(<0.5%)为特征,是消减带之上亏损的残留地幔含水熔蚀形成的。巴哈岩(Bajaite)是一种少见的岩石,具有非常高的Sr(>1000×10-6)、Ba含量(>1000×10-6)和高的K/Rb值(>1000),通常认为是地幔橄榄岩与来自消减板片部分熔蚀的富Si质熔体不平衡反应形成的[22-24]。埃达克岩具有高的SiO2(>56%)、Al2O(3>15%)、Sr(>400×10-6)和非常低的HREE(Yb<1.9×10-6)含量,是年轻的或热的消减板片或加厚下地壳的部分熔蚀形成的[25-26],而高镁埃达克岩(Mg#>50)可能与俯冲板片熔体形成的原始埃达克质岩浆在上升过程中与地幔楔的混合作用有关[27-28]。赞岐岩(Sanukite)通常出现于太古宙,其现代类似物为中新世产于日本Setouchi火山岩带的赞岐岩[29],具有LILE、LREE富集,HREE含量较低的特点,富含MgO、Ni和Cr[30]

本区高镁安山岩与玻安岩相比TiO2(0.74%~0.76%)含量较高(表 3);与巴哈岩相比,其Sr(328×10-6~347×10-6)、Ba(177×10-6~330×10-6)含量较低,K/Rb值小于1000;与埃达克型高镁安山岩相比,其SiO2(53.22% ~54.22%)、Sr含量明显偏低,而HREE(Y为12.11×10-6~14.53×10-6)明显偏高,因而不属于这3类岩石。马鞍山高镁安山岩具富MgO(7.21% ~10.03%)、Cr(364×10-6~429×10-6)和Ni(203×10-6~211×10-6)、LILE、LREE富集、HREE含量低的特点。马鞍山高镁安山岩与赞岐岩具有相似的稀土和微量元素分布特征(图 7),且在SiO2- K2O图解(图 6)和SiO2-MgO、SiO2-TFeO/MgO图解(图 8)中,样品位于赞岐岩范围附近和实验的高镁安山岩HMA范围内。在微量元素确定的高镁安山岩分类图(图 9-b)上样品点均落入赞岐岩区,表明该高镁安山岩的形成可能与赞岐岩有相似的岩浆过程,属于赞岐岩型高镁安山岩。

表 3 典型高镁安山岩的主量、微量和稀土元素成分对比 Table 3 Major elements, trace elements and REE data for several typical high-Mg andesites
图 8 马鞍山高镁安山岩的SiO2-MgO和SiO2-TFeO/MgO图解(底图据参考文献[31]) Fig.8 Plots of SiO2-MgO and SiO2-TFeO/MgO for high-Mg andesites from Ma' anshan area
图 9 高镁安山岩分类图(底图据参考文献[32]) Fig.9 The discrimination diagrams for high-Mg andesites

马鞍山高镁安山岩富MgO (Mg#>0.60)、Cr和Ni, 表明其为地幔部分熔融形成[33];LILE、LREE富集,而HREE含量较低则暗示地幔源区要么受到消减带的影响, 要么地幔与来自板片的熔体发生了混合作用[34]。大部分学者认为,其源区是由地幔橄榄岩与消减洋壳板片或沉积物部分熔蚀的富Si质熔体平衡反应形成的[35],但可以确定的是,这2种假说都需要岩浆源区为交代地幔[36]。其具有明显的Nb、Ta亏损,相对富集LILE和LREE,Ba/La(23.8~ 28.76)和Ba/Th(149.6~177)值较大,而Th/Yb(1.45~1.63)值较小,暗示其源区物质成分受控于消减洋壳板片产生的熔体,并非沉积物部分熔融产生的熔体[36]。一般认为,如果岩浆在上升过程中受到地壳物质的混染,则La/Sm值会迅速增高,一般在5以上[37],而本区火山岩的La/Sm值(3.18~3.94)均低于5,可见没有明显的地壳物质混染。综上,马鞍山高镁安山岩的源区可能是由地幔橄榄岩与消减洋壳板片部分熔融产生的富Si质熔体平衡反应形成的,且岩浆在上升过程中未受到地壳物质的混染。

4.2 构造背景

古亚洲洋在东北地区最终闭合的时间与地点是古亚洲构造域演化的重要问题,也是长期争论的焦点。主要观点有:古亚洲洋最后消失在西拉沐伦河—长春—延吉一线[38-40],关于闭合时间,部分学者主张在二叠纪末[41-42],还有部分学者主张在晚志留世—晚泥盆世[43-46]。古亚洲洋最后消失在贺根山—嫩江—黑河一线[47-48],其闭合时间,一部分学者认为是晚古生代[49],另一部分学者认为是印支期[50-51]

本文研究的马鞍山高镁安山岩位于二连浩特-贺根山缝合带向东延伸的部分。该高镁安山岩的形成可能与赞岐岩有相似的岩浆过程,目前认为赞岐岩的形成通常与年轻的或/和热的板片俯冲相联系[52-53]。通常陆缘弧火山岩浆为高钾和钾玄系列岩浆,较大洋弧高K、Sr、Rb、Ba、Zr、Th和U[54-55]。研究区安山岩ΣREE为68×10-6~75×10-6,且均为钠质低钾钙碱性-岛弧拉斑系列火山岩(Na2O/K2O= 1.18~8.92) (图 5-cd),火山岩地球化学特征更接近大洋岛弧特征。在Nb/Th-Nb图解(图 10-a)中样品点全部落入弧火山岩范围内,在Zr-NbN/ZrN构造环境判别图(图 10-b)上,样品落入俯冲带岩浆区,说明其形成环境与板块俯冲有关。笔者在开展内蒙古1:5万哈拉黑等八幅区调过程中,在马鞍山地区获得辉绿岩U-Pb年龄344.4±1.4Ma与马鞍山高镁安山岩U-Pb年龄364.4±1.4Ma相互印证。表明该时期在内蒙古马鞍山地区古亚洲洋没有闭合,可能仍有俯冲作用,进一步证实本区处于消减构造背景。

图 10 Nb-Nb/Th和Zr-NbN/ZrN构造环境判别图(底图据参考文献[56]) Fig.10 Nb-Nb/Th and Zr-NbN/ZrN discrimination diagrams for tectonic setting
5 结论

(1)马鞍山高镁安山岩(SiO2=53.22%)具有高MgO(8.68%),高Mg#值(0.68~0.74),高Cr(364×10-6)、Ni(204×10-6),低TFeO/MgO(<1.5)、Al2O3(<16%)和CaO(<10%)等特征。富集大离子亲石元素(如Rb、K、Ba、Sr),亏损高场强元素(Nb、Zr、Ti、Y、Yb、Lu等),富集轻稀土元素,亏损重稀土元素,地球化学特征与赞岐岩相似,是由地幔橄榄岩与消减洋壳板片部分熔融产生的富Si质熔体平衡反应的产物,暗示其形成于与俯冲消减有关的构造背景。

(2)在内蒙古东部二连-贺根山缝合带及周边区域关于高镁安山岩的报道本文可能尚属首次。马鞍山高镁安山岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为346.4±1.4Ma,提供了二连-贺根山缝合带在马鞍山地区存在早石炭世高镁安山岩的年代学证据与约束,表明早石炭世古亚洲洋可能存在大洋俯冲作用,为二连-贺根山缝合带的俯冲时限提供了新的证据。

(3)马鞍山高镁安山岩形成于消减带的构造背景可以与本区兴安水库构造混杂岩及化石山蛇纹石化橄榄岩相互印证,表明本区确实存在板块消减带(缝合带),为二连-贺根山缝合带在东部的延伸提供了资料。

致谢: 中国地质调查局沈阳地质调查中心汪岩教授级高工、钱程高级工程师详细审阅全文并提出了宝贵的建议,同时审稿专家也提出的宝贵建议,在此表示衷心的感谢。

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