地质通报  2019, Vol. 38 Issue (10): 1660-1674  
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杨多, 李萌萌, 龚全德, 陈天红, 毛磊, 秦天, 赵亮. 内蒙古阿巴嘎旗甘珠音敖包地区中生代火山岩年代学、地球化学特征及其地质意义[J]. 地质通报, 2019, 38(10): 1660-1674.
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Yang D, Li M M, Gong Q D, Chen T H, Mao L, Qin T, Zhao L. Chronology, geochemical characteristics and its geological significance of Mesozoic volcanic rocks in Ganzhuyinaobao area, Abag Banner, Inner Mongolia[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(10): 1660-1674.
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基金项目

中国地质调查局项目《内蒙古白音图嘎、哈沙图、甘珠庙、明图庙(L50E019003、L50E019004、L50E020003、L50E020004)幅浅覆盖区1:5万区域地质矿产调查试点》(编号:12120113072500)

作者简介

杨多(1989-), 男, 硕士, 助理工程师, 从事岩石地球化学与同位素地质年代学研究。E-mail:yangduo_neu@163.com

文章历史

收稿日期: 2018-09-20
修订日期: 2019-02-19
内蒙古阿巴嘎旗甘珠音敖包地区中生代火山岩年代学、地球化学特征及其地质意义
杨多1,2 , 李萌萌3 , 龚全德1 , 陈天红1 , 毛磊1 , 秦天1,2 , 赵亮1     
1. 武警黄金第四支队, 辽宁 辽阳 111000;
2. 中国地质调查局廊坊自然资源综合调查中心, 河北 廊坊 065000;
3. 郑州商学院, 河南 巩义 451200
摘要: 对内蒙古阿巴嘎旗甘珠音敖包地区中生代火山岩进行了锆石U-Pb测年和岩石地球化学研究,对其形成时代、岩石成因及构造背景给予制约。研究区主要发育中生代满克头鄂博组酸性火山岩和梅勒图组中性火山岩。LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素定年结果显示,2组火山岩形成年龄分别为163.6±0.6Ma和139.6Ma±0.7Ma。岩石地球化学研究表明,满克头鄂博组酸性火山岩为碱性系列,具有高硅、富碱、低TFeO、Al2O3、TiO2、MgO、CaO和Na2O的特征,轻稀土元素富集、重稀土元素亏损、轻重稀土元素分馏明显,Eu强烈亏损,大离子亲石元素Rb、Th、K明显富集,Ba、Sr明显亏损,高场强元素Nb、Ta、P、Ti强烈亏损,具有A型花岗岩特点,形成于陆壳岩石的部分熔融。梅勒图组中性火山岩亦为碱性系列岩石,富碱、富钠、贫钾,高Al2O3、TiO2、MgO,贫CaO,LREE富集,HREE亏损,轻重稀土元素分馏明显,具微弱的负Eu异常,富集大离子亲石元素(LILEs)Rb、Ba、Th、U、K等,亏损高场强元素Nb、Ta、Ti、Y、Yb、Lu等,来源于下地壳镁铁质岩石部分熔融。结合岩石学及该地区构造背景特征,认为满克头鄂博组和梅勒图组火山岩可能形成于蒙古-鄂霍茨克的俯冲作用导致的大兴安岭西坡—冀北—辽西地区加厚陆壳坍塌或拆沉作用的伸展环境。
关键词: 中生代火山岩    LA-ICP-MS锆石U-Pb定年    地球化学    伸展构造环境    甘珠音敖包地区    
Chronology, geochemical characteristics and its geological significance of Mesozoic volcanic rocks in Ganzhuyinaobao area, Abag Banner, Inner Mongolia
YANG Duo1,2, LI Mengmeng3, GONG Quande1, CHEN Tianhong1, MAO Lei1, QIN Tian1,2, ZHAO Liang1     
1. No.4 Gold Geological Party of CAPF, Liaoyang 111000, Liaoning, China;
2. Langfang Natural Resource Comprehensive Survey Center of China Geological Survey, Langfang 065000, Hebei, China;
3. Zhengzhou Business University, Gongyi 451200, He'nan, China
Abstract: LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results and geochemical data for the Mesozoic volcanic rocks from the Ganzhuyinaobao area of Inner Mongolia were presented in order to constrain their chronology, petrogenesis and the regional tectonic evolution. Manketouebo Formation persilicic volcanic rocks and Meiletu Formation intermediate volcanic rocks are extensively distributed in the study area. LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results show that rocks of the two formations were formed at 163.6±0.6Ma and 139.6±0.7Ma, respectively. Geochemical researches indicate that the volcanic rocks in Manketouebo Formation are characterized by rich silica and alkali but poor TFeO, Al2O3, TiO2, MgO, CaO and Na2O, belonging to the alkaline series. The rocks with characteristics of A-type granite are enriched in LREE and LILE (Rb, Ba, Th, U and K) and depleted in HREE, some(Ba, Sr) and HFSE, especially Nb, Ta, P and Ti, with highly negative Eu anomalies, suggesting that they originated from the melting of the crust rocks. The Meiletu Formation intermediate rocks belong to the alkaline series, with enrichment of alkali, K, Al2O3, TiO2, MgO and (LILEs) Rb, Ba, Th, U, K and depletion of HREE as well as Nb, Ta, Ti, Y, Yb and Lu and weak negative Eu anomalies. They were derived from the melting of mafic iron in the lower crust. Combined with characteristics of petrology and tectonic setting of the area, it is held that Manketouebo Formation persilicic volcanic rocks and Meiletu Formation intermediate volcanic rocks occurred in an intense lithopheric extension tectonic setting that was caused by the collapse or delamination of thickening crust resulting from the subduction of Mongolo-Okhotsk heading to the west slope of Da Hinggan Mountains-northern Hebei-western Liaoning region.
Key words: Mesozoic volcanic rocks    LA-ICP-MS zircon U-Pb dating    geochemical characteristics    extension tectonic setting    Ganzhuyinaobao area    

中亚造山带位于西伯利亚板块和华北板块、塔里木板块之间,是全球显生宙陆壳增生与改造最显著的区域[1-3]。东北地区作为中亚造山带东段的重要组成部分,古生代经历了古亚洲洋构造域的演化过程[4-5],中新生代又受控于环太平洋构造域和蒙古-鄂霍茨克构造域的叠加和改造[6-8],其发展历史长,构造演化过程复杂,受到国内外地质学界的广泛关注。

自晚石炭世以来,东北地区发生了强烈的火山喷发活动,并形成大范围的中生代火山岩,遍及大兴安岭及其邻区,还包括中国东部沿海、蒙古、俄罗斯、西伯利亚等地。近年来,国内外地质学者对大兴安岭中生代火山岩的研究取得了一定成果,但对于该地区中生代火山岩形成的动力机制尚未达成共识,代表性观点有:①地幔柱的火山岩成因模式[9-10];②蒙古-鄂霍次克洋闭合造山后伸展作用成因模式[11-12];③古太平洋板块向古亚洲板块俯冲作用的影响,形成广泛分布的中生代火山岩[13-14]

本文基于1:5万区域地质调查研究成果,对大兴安岭西部阿巴嘎旗甘珠音敖包地区的中生代火山岩进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb定年,分析中生代火山岩地球化学特征,并结合区域地质背景,研究该地区中生代火山岩的成因和构造环境,为进一步研究大兴安岭地区乃至东北地区的中生代构造演化提供新的依据。

1 区域地质背景及岩相学特征

研究区位于大兴安岭西部,地处二连-贺根山板块缝合带的西北侧(图 1-a)。该地区构造演化经历了古生代的古亚洲洋多阶段俯冲、地壳增生、多陆块汇聚拼合,中生代的蒙古-鄂霍次克洋闭合[15-16]和晚中生代开始的来自古太平洋板块对欧亚大陆板块俯冲作用的影响[17],形成大量不同构造环境下的沉积岩和岩浆岩组合。这些岩石组合记录了该地区的构造演化历史。

图 1 内蒙古东北地区大地构造背景图(a)及阿巴嘎旗甘珠音敖包及其邻区地质简图(b) Fig.1 Sketch geotectonic map of the northeast area (a) and geological map of Ganzhuyinaobao area and its adjacent areas(b), Inner Mongolia

区域内出露的地层由老到新依次为石炭系宝力高庙组(C2bl,共3段, 均有出露)、上三叠统青克勒组一段(T3q1)、上侏罗统满克头鄂博组(J3mk)、下白垩统梅勒图组(K1ml)、大磨拐河组(K1d)、第四系更新统阿巴嘎组(Qpa)及第四系残坡积物(Q)。第四系覆盖严重。中生界火山岩分布较广,主要集中在甘珠音敖包苏木—甘珠音敖包—哈日陶勒盖一带,近圆状出露,面积28.02km2,与下伏石炭系宝力高庙组一段、二段、三段,三叠系青克勒组角度不整合接触,其上被白垩系大磨拐河组侵蚀不整合覆盖。

满克头鄂博组在本区主要为一套酸性的火山碎屑岩夹火山熔岩,岩性主要为流纹质熔结凝灰岩、流纹岩等。在巴彦格吉格音呼都格南部出露的岩层厚度较大,岩性较单一,火山活动主要为火山碎屑流相。流纹质熔结凝灰岩中熔结现象明显,部分高岭土化,含斑晶、晶屑,且多为熔蚀状、颗粒状,新鲜面为灰白色。梅勒图组在本区主要为一套中基性火山熔岩夹少量火山碎屑岩。岩石较新鲜,围岩蚀变程度弱,局部可见伊丁石化、绿泥石化或褐铁矿化。火山活动以溢流相为主,多为火山岩熔岩。岩性主要为浅褐红色粗面安山岩与黄褐色安山质火山碎屑岩互层,粗面安山岩中见流纹构造。

本文研究样品采自甘珠音敖包地区的满克头鄂博组和梅勒图组的火山岩地层,采样位置如图 1-b所示。样品分别以酸性熔结凝灰岩、酸性火山熔岩和中性火山熔岩、中性熔结凝灰岩为主,样品新鲜,蚀变微弱。

流纹质晶屑熔结凝灰岩(图 2-a):岩石呈灰白色-灰绿色,晶屑熔结凝灰结构,块状或假流纹构造。岩石主要由晶屑和塑性玻屑和火山尘胶结物组成。晶屑(10%~15%)主要为石英、钾长石,可见少量的斜长石,杂乱分布,棱角状-他形粒状,粒度0.5~1.5mm;塑性玻屑(10%~15%)为淡褐色,条状,蚯蚓状;胶结物为火山尘(70%~80%),主要为玻屑,弱脱玻化。副矿物有锆石、磷灰石、石榴子石。

图 2 满克头鄂博组火山岩样品HQ057(a、b)和梅勒图组样品HQ125(c、d)显微照片 Fig.2 Photomicrographs of the sample of Manketouebo Formation volcanic rocks HQ057 (a, b) and Meiletu Formation HQ125(c, d) Qtz—石英;Pl—斜长石;Kfs—钾长石;Amp—角闪石;Bt—黑云母

球泡流纹岩(图 2-b):岩石呈灰白色-暗紫色,斑状结构,球泡构造。斑晶(20%~35%)以石英、钾长石为主,可见少量斜长石,粒度0.2~0.5mm,基质(65%~80%)为长英质,隐晶质、球粒结构,粒度小于0.05mm。副矿物有锆石、磷灰石、石榴子石。

粗安岩(图 2-c):岩石呈浅褐红色,斑状结构,流纹构造。斑晶由斜长石(20%~25%)、钾长石(10%~15%)和黑云母(5%)组成,大小0.5~2.5mm,星散分布。斜长石自形-半自形长板状,见聚片双晶;钾长石半自形板状,少数他形粒状, 高岭土化。黑云母鳞片状,部分绿泥石化、绿帘石化。基质主要由细条状长石组成,具有交织结构,粒径小于0.2mm。副矿物有锆石、磷灰石和极少量石榴子石。

安山质晶屑熔结凝灰岩(图 2-d):岩石呈黄褐色,晶屑熔结凝灰结构,块状或假流纹构造。岩石主要由晶屑、塑性玻屑和火山尘组成。晶屑(20%~25%)主要为斜长石、钾长石、黑云母和少量角闪石,粒度0.5~3.0mm;塑性玻屑(10%~15%)为淡褐色,条状,蚯蚓状,肠状,遇晶屑弯曲,假流动构造较明显,粒径小于0.2mm;胶结物为火山尘(60%~70%),主要为玻屑,弱脱玻化。副矿物有锆石、磷灰石和少量石榴子石。

2 样品分析方法

对中-酸性火山岩样品各选取1件用于LAICP-MS锆石U-Pb测年,6件酸性火山岩和4件中性火山岩用于主量、微量元素分析。

锆石碎样和挑选工作在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。锆石U-Pb同位素测年在中国科学院兰州地质研究所分析完成,仪器型号为Nu Attom高分辨电感耦合等离子质谱仪(LAICP-MS), 激光剥蚀系统为Photo machine 193nm,激光束斑直径35μm,激光剥蚀深度为20~40μm。选取TEMORA锆石标样为外部锆石年龄标准进行U-Pb同位素分馏校正,采用NIST612玻璃标为外标计算锆石样品的Pb、U、Th含量,数据处理利用ICP-MS DateCal程序分析[18],年龄计算和谐和图绘制采用Isoplot 3.0软件完成[19]

用于岩石化学全分析的10件火山岩样品,在中国地震局地壳动力学重点实验室进行测试。主量元素利用X射线荧光光谱仪(XRF)进行测试,仪器型号为Panalytical Axios XRF,检测下限为0.01%,分析误差优于5%。稀土、微量元素采用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)进行分析测定,仪器型号为Thermo ICP-MS(SeriesⅡ),检测下限为0.05×10-6,分析误差优于5%。

3 分析结果 3.1 锆石U-Pb年龄

从阿巴嘎旗地区满克头鄂博组和梅勒图组中各挑选出1件火山岩样品进行锆石U-Pb测年。锆石阴极发光图像见图 3,测年结果见图 4表 1

图 3 满克头鄂博组火山岩锆石样品HQ057(a)和梅勒图组锆石样品HQ125(b)阴极发光(CL)图像 Fig.3 CL images of the zircons from Manketouebo Formation volcanic rocks HQ057 (a) and Meiletu Formation HQ125 (b)
图 4 满克头鄂博组火山岩锆石样品HQ057(a)和梅勒图组锆石样品HQ125(b) U-Pb谐和图 Fig.4 U-Pb concordia diagrams of zircons from Manketouebo Formation volcanic rocks samples HQ057 (a) and Meiletu Formation HQ12
表 1 满克头鄂博组火山岩样品(HQ057)和梅勒图组样品(HQ125)LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb同位素分析结果 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb analytical data of the sample of Manketouebo Formation volcanic rocks (HQ057) and Meiletu Formation (HQ125)

满克头鄂博组流纹质熔结凝灰岩样品(HQ057)锆石的晶体形态好,自形程度高,大部分呈短柱状或棱柱状,晶面整洁光滑,部分晶棱、晶锥不完整,长90~150μm,长宽比变化较大,多数为1.2:1~3:1,个别可达到4:1。在阴极发光图像(图 3-a)上,部分锆石(9号)内部发育条带状结构,其他锆石内部显示明显的扇形环带结构,表明它们是岩浆结晶形成的。U、Th含量分别为154×10-6~475×10-6和64×10-6~308×10-6,锆石Th/U值在0.35~1.49之间,除个别点外,基本都大于0.4,属于岩浆成因锆石[20-22]。样品HQ057锆石U-Pb数据投影点多数落于谐和线上,分布相对集中(图 4-a),只有少数位于谐和线下方。其中9、19号测点锆石206Pb/238U年龄分别为304.7Ma±1.8Ma和294.2±1.7Ma,远大于测点集中区163Ma的年龄。15号测点锆石206Pb/238U年龄偏小,为141.7±0.7Ma,其阴极发光图像显示分析位置为亮白,可能为后期遭受岩浆热液干扰,造成部分Pb丢失,计算年龄时存在一定误差。其他16颗锆石的测试结果都集中分布在谐和线上及其附近,206Pb/238U年龄加权平均值为163.6 ± 0.6Ma(MSWD=0.9,95%置信度),代表火山岩的喷发年龄,时代为晚侏罗世。

梅勒图组粗面安山岩样品(HQ125)中的锆石颗粒呈短柱状或棱柱状(图 3-b),粒度在0.10~0.2mm之间,长宽比在1.5:1~3:1之间,其晶面整洁光滑,晶棱、晶锥发育较完整,内部环带结构普遍发育,表明它们是岩浆结晶形成的。U、Th含量分别为105×10-6~1044×10-6和74×10-6~438×10-6,锆石Th/U值在0.38~0.90之间,基本都大于0.4,属于岩浆成因锆石。除7、13号测点锆石年龄偏差较大外,其他15颗锆石U-Pb数据投影点全都落在谐和线上(图 4-b),锆石颗粒的年龄值较稳定,集中分布于139Ma附近,206Pb/238U年龄加权平均值为139.6± 0.7Ma(MSWD=1.4,95%置信度),代表火山岩的喷发年龄,时代为早白垩世。

3.2 岩石地球化学特征

挑选10件(其中满克头鄂博组6件和梅勒图组4件)有代表性的新鲜火山岩样品进行主量、微量、稀土元素分析,分析结果列于表 2

表 2 阿巴嘎旗甘珠音敖包地区晚石炭世花岗岩主量、微量和稀土元素组成 Table 2 Major trace elements and REE chemical compositions of Carboniferous granite
3.2.1 主量元素

甘珠音敖包地区满克头鄂博组酸性火山岩较发育,采集的6件样品主要为流纹质熔结凝灰岩,SiO2含量高,为72.91%~74.76%,平均73.25%,属于酸性岩;4件甘珠音敖包地区梅勒图组火山岩的SiO2含量为53.48%~57.43%,平均54.83%,属于中性岩。在TAS分类图解(图 5-a)上,酸性火山岩全部落于流纹岩区域,位于Ir曲线之上,中性火山岩落于粗面安山岩区域,均属于碱性岩系列;与Nb/Y-SiO2岩石分类图解(图 5-b)的投图结果一致。酸性火山岩里特曼指数σ为4.22~5.63,3.3 < σ < 9,属碱性岩;中性火山岩里特曼指数σ为6.9~9.97,大于3.3,属碱性-过碱性岩。在SiO2-K2O图解中,样品点均落在钾玄岩系列区域(图 5-c)。A/CNK值为0.50~0.61,平均为0.56,A/NK=0.64~1.00,平均为0.76。在A/CNK-A/NK图解(图 5-d)中,样品点落入准铝质-过碱质区域。

图 5 满克头鄂博组和梅勒图组火山岩样品TAS(a)、Nb/Y-SiO2[24](b)、SiO2-K2O图解[24](c)和A/CNK-A/NK判别图解[25](d) Fig.5 TAS (a), Nb/Y-SiO2 (b), SiO2-K2O (c) and A/CNK-A/NK (d) diagrams of the samples of Manketouebo Formation volcanic rocks and Meiletu Formation

满克头鄂博组酸性火山岩具有富碱(Na2O+ K2O=11.58% ~13.11%)、贫钠富钾(K2O/Na2O= 1.34~1.64,平均1.47)、低Al2O(3 9.75%~10.64%,平均10.43%)、低TiO(2 0.15%~0.23%,平均0.19%)、贫MgO(0.16% ~0.38%,平均0.28%;Mg# =16.45~32.17)、贫CaO(0.41%~1.43%,平均0.93%)的特征。梅勒图组中性火山岩具有富碱(Na2O+K2O= 9.98% ~10.37%)、富钠贫钾(Na2O>K2O,K2O/Na2O=0.85~0.9,平均0.87)、高Al2O3(12.11% ~ 11.73%,平均12.77%)、高TiO(2 1.76%~2.18%,平均1.97%)、中高MgO(1.09% ~2.37%,平均1.73%;Mg# =16.89~44.47)、贫CaO(4.94%~5.86%,平均5.50%)的特征。

3.2.2 稀土元素

满克头鄂博组酸性火山岩稀土元素总量ΣREE= 176.52×10-6~239.86×10-6, LREE/HREE=7.39~9.12,(La/Yb)N=7.41~9.12, (La/Sm)N=3.23~3.76,(Gd/Yb)N= 1.58~2.22,轻稀土元素富集,重稀土元素亏损,轻稀土元素较重稀土元素分馏程度高;δEu=0.29~0.36(平均为0.34),具明显的负Eu异常,稀土元素配分曲线呈右倾较陡的“海鸥”型(图 6-a)。负Eu异常暗示,原始岩浆在上侵过程中经历了明显的斜长石结晶分离作用或源区残留了大量的斜长石[28]。梅勒图组中性火山岩稀土元素总量比酸性岩高(ΣREE=486.45×10-6~298.04 × 10-6),LREE/HREE=14.23~16.26, (La/Yb)N=29.52~32.96, (La/Sm)N=3.76~4.32,(Gd/Yb)N= 4.95~5.26,轻稀土元素明显富集,重稀土元素明显亏损,轻稀土元素较重稀土元素分馏程度低。δEu= 0.80~0.98(平均为0.91),具弱负Eu异常,稀土元素配分曲线呈较陡右倾型(图 6-c)。

图 6 满克头鄂博组和梅勒图组火山岩样品稀土元素球粒陨石标准化曲线(a)和微量元素原始地幔标准化曲线图(b) Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace elements patterns (b) of the sample from Manketouebo Formation volcanic rocks and Manitu Formation (球粒陨石标准化值据参考文献[26],原始地幔标准化值据参考文献[27])
3.2.3 微量元素

在微量元素组成方面,满克头鄂博组酸性火山岩和梅勒图组中性火山岩的不相容元素分布趋势较一致,呈右倾形态。满克头鄂博组酸性火山岩富集大离子亲石元素(LILEs)Rb、Th、K,亏损Ba、Sr和高场强元素(HFSEs)Nb、Ta、P、Ti等(图 6-b);梅勒图组中性火山岩富集大离子亲石元素Rb、Ba、Th、U、K等,亏损高场强元素Nb、Ta、Ti、Y、Yb、Lu等(图 6-d)。Sr、Ti和P的强烈亏损,反映岩浆演化过程中斜长石、普通角闪石、磁铁矿及富P矿物(如磷灰石)的分离结晶作用[28-29]

4 讨论 4.1 锆石U-Pb同位素年龄

贺淑赛等[30]对阿巴嘎旗青格勒宝拉格地区原划为宝力高庙组的流纹质晶屑熔结凝灰岩进行了SHRIMP锆石U-Pb定年,年龄为159.6±1.4Ma,归属为晚侏罗世满克头鄂博组。陈英富等[31]测得内蒙古东乌珠穆沁旗辉音敖包一带流纹质熔结凝灰岩的年龄为153±2Ma,归属为晚侏罗世的满克头鄂博组;粗安质角砾凝灰熔岩的年龄为133±2Ma,归属为早白垩世的梅勒图组。程银行等[32]研究了东乌旗海莫赛格地区发育的流纹岩和粗面岩,测得LAMC- ICP- MS锆石U- Pb年龄为164.0 ± 1.0~155.5±0.9Ma,归属为中—晚侏罗世满克头鄂博组。李鹏川等[33]对西乌旗林西地区流纹岩进行了LAICP- MS锆石U- Pb定年,测得年龄为151.4 ± 1.4Ma,归属为晚侏罗世满克头鄂博组。研究区和上述地区处于同一火山活动带——兴蒙造山带,获得的甘珠音敖包地区中-酸性火山岩的2组LAICP-MS锆石U-Pb年龄分别为163.6±0.6Ma和139.6±0.7Ma,结合本地区火山岩的岩石学特征,判断其归属于晚侏罗世满克头鄂博组和早白垩世梅勒图组,表明这一火山活动具有区域性。

4.2 岩浆源区及岩石成因

研究区满克头鄂博组火山岩样品属于准铝质碱性酸性火山岩,其SiO2含量超过72%,具有相对高的全碱(Na2O+K2O)、较低的TFeO、Al2O3、TiO2、MgO、CaO和Na2O含量,LREE富集、HREE亏损、轻重稀土元素分馏明显,Eu亏损强烈,大离子亲石元素Rb、Th、K明显富集,Ba、Sr明显亏损,高场强元素Nb、Ta、P、Ti强烈亏损,稀土元素“海鸥型”配分曲线(图甘珠音敖包地区)和微量元素组合特征(图 6-ab)类似于A型花岗岩特点。在Whalen等[34]的成因类型判别图解(图 7)中,酸性火山岩样品数据点均落入A型花岗岩区域。目前,对于A型花岗岩的岩浆成因有以下几种认识:①中下地壳高钾、贫水岩石的部分熔融[24, 34-36];②地幔玄武质岩浆分异作用,斜长石的不断分离结晶使残余岩浆中Sr、Eu不断亏损[37];③碱性富F、Cl的熔体与残余岩浆或先前的花岗岩交代作用产生[38]。Nb、Ta、P、Ti等高场强元素亏损,表明岩浆为地壳来源, 而并非来自地幔基性岩浆的分异作用。此外,酸性火山岩Ti含量较低,Ti/Y值为25.62~54.54,变化不大,且小于100;Ti/Zr值为5.99~9.96,小于10;Rb/Sr值为3.51~15.17,远大于0.5,多位于壳源岩浆范围内[39-40],表明本区酸性火山岩为典型的壳源岩浆系列,是陆壳岩石部分熔融的产物。

图 7 满克头鄂博组火山岩样品构造环境判别图解 Fig.7 (Na2O+K2O) /CaO, Nb versus 10000×Ga/Al discrimination diagrams of the sample from Manketouebo Formation volcanic rocks

前人对碱性中性火山岩相平衡实验的研究认为,其源区可能为下地壳物质的部分熔融,或来源于地幔的碱性、过碱性玄武质岩浆的分离结晶作用。研究区梅勒图组中性火山岩为粗面安山岩,LREE富集,HREE亏损,La/Yb=29.52~33.96,轻、重稀土元素分异特征明显,暗示中性火山岩岩浆源区较深。直接起源于亏损地幔楔橄榄岩部分熔融形成的岩浆产物Mg#大于60[41], 而与下地壳部分熔融有关的岩浆产物Mg#通常小于40[42]。本文梅勒图组火山岩的Mg#值较低,变化于16.89~44.47之间,平均为33.81,反映其岩浆并非直接起源于地幔楔橄榄岩的部分熔融,更有可能与下地壳镁铁质岩石部分熔融有关[43]。另外,样品的La/Nb值为2.41~3.75,相比原始地幔的La/Nb值(0.98~1),更接近于陆壳的La/Nb值2.2[44];Nb/U值为4.44~6.94,明显低于原始地幔(34)、MORB(47 ± 11)和OIB(52 ± 15) [45];Th和U含量较高, La > Ta, Th > Ta,相容元素Cr(20.42~27.60)、Co(12.44~14.15)和Ni(16.93~23.62)含量较低,也反映出岩浆为地壳来源而非地幔来源的特征。以上特征表明,梅勒图组中性火山岩很可能来自下地壳镁铁质岩石部分熔融,而非源于幔源物质的结晶分异作用[46-47]

4.3 构造环境

兴蒙造山带位于中亚造山带的东段, 为西伯利亚板块和华北板块碰撞拼贴的产物, 古生代经历了古亚洲洋构造域的作用,中生代受到蒙古-鄂霍茨克构造域和/或太平洋构造域的叠加与改造,一直是热点研究区域之一[7, 48-50]。前人对大兴安岭及邻区中生代火山岩形成的构造环境提出了不同观点,如地幔柱模式[9-10]、受到古太平洋俯冲作用[13-14]、蒙古-鄂霍次克洋俯冲造山后伸展作用等模式[11-12]。现有研究表明,地幔柱模式难以解释引发大兴安岭地区从侏罗纪到早白垩世几十个百万年时间火山作用的大规模影响。另外,古太平洋板块初期的俯冲方向向北或北东方向,到140~100Ma基本转为向正北方向移动,直到晚白垩世才表现出明显的向西俯冲[51]。显然,古太平洋板块的向西俯冲作用滞后于广泛分布于蒙古中部、大兴安岭和中国东北部地区的晚侏罗世—早白垩世火山岩。因此,古太平洋板块俯冲作用不太可能为该地区火山岩的构造成因。许文良等[7]指出,东北地区中生代中—晚侏罗世(158~166Ma)和早白垩世早期(138~145Ma)火山岩主要分布在松辽盆地以西和冀北—辽西地区,以碱性中酸性火山岩为主,形成于加厚陆壳的坍塌或拆沉阶段的伸展环境。已有研究表明,中生代,蒙古-鄂霍茨克洋自西向东具有剪刀式闭合的特征,西部从晚石炭世开始闭合,东部闭合的时间可能持续到晚侏罗世—早白垩世[52-53]。与研究区同时期的火山岩也有发育。如在满洲里—额尔古纳地区形成的一套具有碱性-亚碱性过渡属性的火山岩组合,以形成于158~166Ma之间(其峰期时代为162Ma)的塔木兰沟组为代表[54-55],以及冀北辽西地区形成于155~158Ma的蓝旗组和髫髻山组为代表。分布在松辽盆地以西地区(包括大兴安岭西坡和冀北—辽西地区)、形成于138~145Ma之间(峰期年龄为142Ma)[54-57]的大兴安岭北段的吉祥峰组和南段的梅勒图组、冀北-辽西的张家口组,它们都形成于与加厚陆壳垮塌相对应的伸展环境[58]

甘珠音敖包地区满克头鄂博组火山岩具有明显的A型花岗岩特征(图 7)。通常认为,A型花岗岩形成于地壳减薄的伸展拉张环境,主要分为碱性、无水、非造山的板内构造环境[59]和造山后(碰撞后)环境[34, 60]两类。许保良等[61]指出,A型花岗岩分为A1与A2亚类:A1型花岗岩通常形成于陆壳抬升、陆内裂谷、板内拉张、热点-地幔柱等环境;A2型花岗岩形成于碰撞后或造山期后环境,一般为活动大陆边缘环境。而本文满克头鄂博组火山岩在Y/Nb-Ce/Nb(图 8-a)和Nb-Y-3Ga花岗岩判别图解(图 8-b)中,主要投影于A1型花岗岩区域;在(Y+Nb)-Rb(图 9-a)和Y-Nb构造判别图(图 9-b)中,主要落入火山弧(VAG)、同碰撞(WPG)与板内非造山交汇(syn-COLG)区域,并在(Y+Nb)-Rb图解中显示以板内非造山环境为主。本文梅勒图组火山岩在Ta/Hf-Th/Hf玄武岩判别图解(图 10-a)中,投影于Ⅵ3区域,为陆内拉张环境,在Zr-TiO2判别图解中(图 10-b),落于板内环境(WPB)。综上说明,本文满克头鄂博组和梅勒图组火山岩形成于板内非造山的伸展拉张环境。

图 8 满克头鄂博组火山岩样品Y/Nb-Ce/Nb(a)和Nb-Y-3Ga(b)构造环境判别图解 Fig.8 Y/Nb-Ce/Nb (a) and Nb-Y-3Ga (b) discrimination diagrams of the sample from Manketouebo Formation volcanic rocks A1—非造山花岗岩;A2—后造山花岗岩;IAB—岛弧玄武岩;OIB—洋岛玄武岩
图 9 满克头鄂博组火山岩样品(Y+Nb)-Rb(a)和Y+Ta-Rb(b)构造环境判别图解 Fig.9 (Y+Nb)-Rb (a) and (Y+Ta)-Rb (b) tectonic discrimination diagrams of the samples from Manketouebo Formation volcanic rocks syn-COLG—同碰撞花岗岩;WPG—板内花岗岩;VAG—火山弧花岗岩;ORG—洋脊花岗岩
图 10 梅勒图组火山岩样品Ta/Hf-Th/Hf(a)和Zr-TiO2(b)构造环境判别图解 Fig.10 Ta/Hf-Th/Hf (a) and Zr-TiO2 (b) tectonic discrimination diagrams of the samples of Meiletu Formation volcanic rocks Ⅰ—板块发散边缘N-MORB区;Ⅱ—板块汇聚边缘(Ⅱ1—大洋岛弧玄武岩区;Ⅱ2—陆缘岛弧及陆缘火山弧玄武岩区);Ⅲ—大洋板内洋岛、海山玄武岩区及T-MORB、E-MORB区;Ⅳ—大陆板内(Ⅳ1—陆内裂谷及陆缘裂谷拉斑玄武岩区;Ⅳ2—陆内裂谷碱性玄武岩区;Ⅳ3—大陆拉张带(或初始裂谷)玄武岩区);Ⅴ—地幔热柱玄武岩区。MORB—洋中脊玄武岩;WPB—板内玄武岩;VAB—火山弧玄武岩

综上分析,认为在中—晚侏罗世,蒙古-鄂霍茨克的俯冲作用导致一次大兴安岭西坡—冀北—辽西地区陆壳的加厚,加厚陆壳坍塌或拆沉作用导致晚侏罗世—早白垩世火山岩广泛发育,而研究区满克头鄂博组和梅勒图组火山岩很可能是这一加厚陆壳坍塌或拆沉作用的产物。

5 结论

(1)根据锆石U-Pb定年结果,甘珠音敖包地区满克头鄂博组酸性火山岩和梅勒图组中性火山岩分别形成于晚侏罗世163.6±0.6Ma(MSWD=0.9)和早白垩世139.6±0.7Ma(MSWD=1.4)。

(2)岩石地球化学研究表明,满克头鄂博组酸性火山岩和火山熔岩属于碱性岩石系列,高硅、富碱、LREE富集、HREE亏损、轻重稀土元素分馏明显,Eu强烈亏损,大离子亲石元素Rb、Th、K富集,Ba、Sr亏损,高场强元素Nb、Ta、P、Ti强烈亏损,具有A型花岗岩特点,形成于陆壳岩石的部分熔融。而梅勒图组粗面安山岩、安山质火山碎屑岩亦属于碱性岩石系列,富碱、富钠、贫钾、高Al2O3、TiO2、MgO、贫CaO,LREE富集,HREE亏损,轻重稀土元素分馏明显,Eu微弱亏损,富集大离子亲石元素Rb、Ba、Th、U、K等, 亏损高场强元素Nb、Ta、Ti、Y、Yb、Lu等,来源于下地壳镁铁质岩石部分熔融。

(3)综合研究区岩石地球化学特征、构造环境和前人的资料,认为本文满克头鄂博组和梅勒图组火山岩很可能形成于蒙古-鄂霍茨克洋俯冲作用导致的大兴安岭西坡—冀北—辽西地区加厚陆壳坍塌或拆沉作用的伸展环境。

致谢: 野外工作得到中国地质调查局天津地质调查中心谷永昌教授级高工、中国地质大学(武汉)葛梦春教授和沈阳地质调查中心张长捷教授级高工的亲切指导,中科院地质与地球物理研究所梁光河副研究员在成文过程中给予了宝贵的建议,在此一并致谢。

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