長白山區(qū)二道白河流域早更新世玄武質(zhì)熔巖的成因*

馬晗瑞 楊清福＊＊ 盤曉東 武成智 陳聰

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

1. 吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長春 130061

2. 吉林省地震局，長春 130117

3. 長白山火山監(jiān)測站，安圖 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

中國東北的長白山天池火山位于西太平洋俯沖板塊之上，是與西太平洋俯沖板塊滯留及深部脫水有關(guān)的弧后板內(nèi)火山(Zhao，2004;雷建設(shè)和趙大鵬，2004;Huang and Zhao，2006)。長白山區(qū)出露大面積玄武巖，為了解東亞大陸活動邊緣動力學(xué)提供了重要的天然實(shí)驗(yàn)室(隋建立等，2007)。天池火山是目前我國境內(nèi)保存最為完整的新生代多成因復(fù)合火山，火山活動時間長，是具有潛在災(zāi)害性噴發(fā)危險的巨型活火山(劉若新等，1992，1998a，1999)。研究該區(qū)巖漿形成演化機(jī)制不僅對探討中國東部現(xiàn)代火山巖漿形成的動力機(jī)制有重要科學(xué)意義，而且對火山災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)防具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

前人在長白山區(qū)開展了新生代火山巖的巖石學(xué)、地球化學(xué)、年代學(xué)研究，主要側(cè)重區(qū)內(nèi)火山巖分期(劉嘉麒，1987，1999;金伯祿和張希友，1994;劉若新等，1998a，1999;樊祺誠等，2006，2007a;魏海泉，2014)、區(qū)域性的火山巖類型和系列、巖漿來源、巖漿演化、構(gòu)造環(huán)境等研究(劉嘉麒，1983，1999;鄭祥身，1983;解廣轟和王俊文，1988;金伯祿和張希友，1994;劉若新等，1998b;李霓等，2004;樊祺誠等，2006，2007a，b;隋建立等，2007;郭文峰等，2014)，取得了很大進(jìn)展。但對單個噴發(fā)期次的火山巖進(jìn)行詳細(xì)研究較少見，僅有老虎洞期玄武巖地球化學(xué)研究(鄭祥身等，1998)、圖們江流域火山巖的巖石化學(xué)、同位素研究(王團(tuán)華等，2006a，b)、二道白河流域玄武質(zhì)巖石的年代學(xué)研究(Wei et al.，2007)以及天池火山氣象站期堿流質(zhì)巖石的巖石學(xué)研究(李霓等，1999;劉永順等，2007;潘波等，2013)。

對于長白山區(qū)火山巖的巖漿起源、巖漿演化、構(gòu)造環(huán)境的認(rèn)識仍有分歧。關(guān)于巖漿起源，一種觀點(diǎn)認(rèn)為玄武質(zhì)巖漿來自原始地幔(鄭祥身，1983;鄭祥身等，1998;解廣轟和王俊文，1988;金伯祿和張希友等，1994);另一種觀點(diǎn)認(rèn)為玄武巖母巖漿不代表原始地幔巖漿，是地幔巖漿庫經(jīng)過演化的巖漿(劉若新等，1998a，b;樊祺誠等，2006，2007a;王團(tuán)華等，2006a，b)。關(guān)于巖漿演化，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為造錐及近代粗面巖、堿流巖是造盾玄武巖經(jīng)結(jié)晶分異作用形成的(鄭祥身，1983;鄭祥身等，1998;金伯祿和張希友，1994;劉若新等，1998a，b;樊祺誠等，2006，2007a)，但有觀點(diǎn)認(rèn)為晚期玄武巖也由早期玄武巖漿結(jié)晶分異作用產(chǎn)生(金伯祿和張希友，1994;郭文峰等，2014)。關(guān)于構(gòu)造環(huán)境，一種觀點(diǎn)認(rèn)為，長白山區(qū)火山與裂谷或斷裂構(gòu)造有關(guān)(鄭祥身，1983，1998;金伯祿和張希友，1994;趙海玲等，1996;郭文峰等，2014);另一種觀點(diǎn)認(rèn)為長白山區(qū)火山與西太平洋板塊俯沖有關(guān)(解廣轟和王俊文，1988;劉若新等，1998a，b;樊祺誠等，2006，2007a，b;王團(tuán)華等，2006b;隋建立等，2007)。本文選取長白山區(qū)二道白河流域早更新世白山組玄武質(zhì)巖石為研究對象，采用常量元素、微量和稀土元素、同位素分析方法，研究早更新世玄武質(zhì)巖石在剖面上和縱向上(沿二道白河流域)的成分變異，探討玄武巖巖漿來源、巖漿性質(zhì)和成因，以及構(gòu)造環(huán)境。

2 地質(zhì)背景

天池火山位于華北克拉通東北緣，北東向鴨綠江斷裂和北西向金策-吉林-大安斷裂帶的交匯部位(楊清福等，2011)。天池火山中新世-早更新世噴發(fā)形成火山盾，中-晚更新世噴發(fā)形成火山錐，全新世發(fā)生多次爆炸式噴發(fā)，形成火山碎屑堆積。天池火山盾主要由早更新世玄武巖組成(劉嘉麒，1987;金伯祿和張希友，1994;劉若新等，1998b;樊祺誠等，2006，2007a，b)?；鹕藉F主要由中更新世粗面巖、玄武巖、堿流巖組成(劉嘉麒，1983，1987;樊祺誠等，2006，2007a)。全新世火山噴發(fā)包括距今5000 年前、4000 年前、1000 年前、公元1668 ～1702 年和1903 年發(fā)生噴發(fā)(劉若新等，1999;王非等，1999;尹功明等，1999;計鳳桔等，1999;楊清福等，2006)，上述噴發(fā)活動除了千年大噴發(fā)已形成共識，其它噴發(fā)活動尚存爭議或有待進(jìn)一步證實(shí)。

本次研究的二道白河流域早更新世白山組玄武質(zhì)熔巖屬于天池火山盾的組成部分。

3 研究方法和結(jié)果

3.1 野外地質(zhì)采樣

沿二道白河流域開展了野外地質(zhì)調(diào)查，觀察4 個地質(zhì)點(diǎn)(圖1)，采集了早更新世白山組致密塊狀巖石樣品8 件，樣品新鮮、未風(fēng)化，沒有受到后期改造和充填影響，采樣位置見圖2。出露巖性為粗面玄武巖(位于最下部)、玄武質(zhì)粗面安山巖和拉斑玄武巖。

3.2 巖石薄片觀察

S12D02、S12D02-1、S12D06-2、S12D07-2、S12D07-11、S12D08-1 巖石樣品具有斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶為斜長石，基質(zhì)由半自形板狀長石不規(guī)則分布所組成的格架之間充填有輝石、磁鐵礦顆粒構(gòu)成間粒結(jié)構(gòu)。S12D08-6 巖石具有斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶為橄欖石，基質(zhì)由半自形柱狀的斜長石無規(guī)則分布所構(gòu)成的格架之中有多個輝石、橄欖石及磁鐵礦等充填構(gòu)成間粒結(jié)構(gòu)。S12D07-8 巖石無斑晶，全部由基質(zhì)組成。主要由板條狀斜長石微晶定向分布為主，局部構(gòu)成格架，其間有微粒輝石、磁鐵礦充填在格架之間或夾在斜長石微晶之間，巖石以交織結(jié)構(gòu)為主，局部呈間粒結(jié)構(gòu)。

3.3 巖石地球化學(xué)成分分析

圖1 二道白河流域地質(zhì)簡圖(據(jù)魏海泉，2014 修改)Fig.1 Geological sketch map in the Erdaobaihe River basin (modified after Wei，2014)

在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，對采集的8 個樣品做了系統(tǒng)的巖石地球化學(xué)和同位素分析。主量元素分析采用XRF 方法，測試結(jié)果見表1;微量元素分析采用液相質(zhì)譜法，實(shí)驗(yàn)化學(xué)前處理采用酸溶法，用氫氟酸除硅，儀器分析采用等離子電感耦合質(zhì)譜(ICP-MS)，分析結(jié)果見表2;Sr-Nd-Pb 同位素采用Mat262 儀器系統(tǒng)分析，結(jié)果見表3。

主元素 SiO2含量為50.02% ～52.15%，TiO2為1.81% ～4.12%，Al2O3為11.67% ～16.66%，F(xiàn)eO 為5.53%～11.6%，MgO 為3.82% ～9.22%，CaO 為7.21% ～9.10%，Na2O 為2.45% ～3.93%，K2O 為0.47% ～2.47% (表1)。在火山巖TAS 分類投點(diǎn)圖上，玄武質(zhì)熔巖包括粗面玄武巖、玄武質(zhì)粗安巖和拉斑玄武巖(圖3)。粗面玄武巖和玄武質(zhì)粗安巖為鉀質(zhì)系列玄武巖，拉斑玄武巖為鈉質(zhì)系列玄武巖(圖4)。

微量元素 熔巖的ΣREE 變化于56.04 ×10-6～232.8×10-6，平均155.4 ×10-6，其中ΣLREE 變化于43.55 ×10-6～207.5 ×10-6，平均134.7 ×10-6，ΣHREE 變化于12.25 ×10-6～23.18 ×10-6，平均18.27 ×10-6(表2)。拉斑玄武巖的微量元素和稀土元素含量低于粗面玄武巖和玄武質(zhì)粗面安山巖(圖5)。這3 類巖石的微量元素和REE 配分型式基本相似，巖石中輕、重稀土元素都有一定程度的富集，但輕稀土元素的富集程度遠(yuǎn)大于重稀土元素的富集程度(La/Yb 變化于5.92 ～23.2)，形成了右傾的REE 配分模式(圖5)。樣品中普遍存在Eu、Ba 正異常，Ce 負(fù)異常(圖5)，這與巖石中普遍存在斜長石斑晶的特征是一致的(Rollinson，1993)。

同位素87Sr/86Sr 值為0.704719 ～0.705425，143Nd/144Nd值為0.512538 ～0.512691(表3)?？傮w來看，拉斑玄武巖、粗面玄武巖和玄武質(zhì)粗面安山巖的87Sr/86Sr 和143Nd/144Nd 相近(表3、圖6)。Sr/Nd 高于或低于原始地幔的Sr/Nd 值(16.68)，巖石的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質(zhì)熔巖主量元素分析結(jié)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質(zhì)熔巖微量元素和REE 分析結(jié)果(×10 -6)Table 2 Trace elements and REE elements compositions (×10 -6)of Early Pleistocene basaltic lavas in the Erdaobaihe River basin

續(xù)表2Continued Table 2

表3 二道白河流域早更新世玄武質(zhì)熔巖Sr、Nd、Pb 同位素分析結(jié)果Table 3 The isotopic composition of Sr，Nd and Pb of Early Pleistocene basalt lavas in the Erdaobaihe River basin

4 討論

4.1 源區(qū)性質(zhì)

巖漿的同位素比值可以表征其源區(qū)的特征(Rollinson，1993)。一般而言，經(jīng)歷了一定程度部分熔融作用后的殘留地幔，其Sr/Nd 值低于發(fā)生部分熔融作用前地幔的Sr/Nd值，而Sm/Nd 高于發(fā)生部分熔融作用前地幔的Sm/Nd 值。二道白河流域白山組熔巖的Sr/Nd 和Sm/Nd 值，暗示其上地幔巖漿源區(qū)具有一定程度的“富集化”的特征。87Sr/86Sr-143Nd/144Nd關(guān)系圖(圖6)和Pb 同位素比值圖(圖7)顯示，巖石的Sr、Nd、Pb 同位素比值的投點(diǎn)落在EM1 和DM 之間，靠近原始地幔但有略向EM1 富集地幔偏移的趨勢，說明這些巖石來源于同一地幔源區(qū)。根據(jù)二道白河流域白山組熔巖火山巖的Sr/Nd、Sm/Nd 比值所反映出的信息，以及Sr、Nd 同位素比值的投點(diǎn)位置，判斷火山巖源區(qū)的物質(zhì)成分具有似原始地幔的特征。

4.2 巖漿性質(zhì)

圖2 地質(zhì)剖面和采樣位置圖Fig.2 Geological profiles and sampling sites

Mg#和DI(分異指數(shù))通常用來指示巖漿的分異程度(邱家驤和林景仟，1991)。二道白河流域熔巖的Mg#變化于36～58，DI 變化于42 ～67，指示巖石經(jīng)歷了一定程度的分異。熔巖的Ni(＜200 ×10-6)和Ni/Co(＜3.5)明顯低于原始地幔值，而Rb/Sr 大多數(shù)為0.05 ～0.09 和Ba/Rb 大多數(shù)為15.64 ～264.1 明顯高于原始地幔比值(表2)。MgO 為3.82% ～9.22%。根據(jù)中國東部新生代玄武巖原始巖漿的特征和識別標(biāo)志:含超鎂鐵質(zhì)包體，Mg#=60 ～68，Ni =200 ×10-6～300 × 10-6和MgO = 10% ～13% (Fan and Hooper，1991)，結(jié)合微量元素和REE 特征(圖5)，認(rèn)為二道白河流域玄武質(zhì)熔巖不是原始巖漿，其Mg#偏低與巖漿在地幔條件下的橄欖石、輝石和基性斜長石結(jié)晶分離作用有關(guān)。

4.3 巖漿成因

圖3 二道白河流域早更新世玄武質(zhì)熔巖TAS 分類圖(據(jù)Le Bas et al.，1986;A 線為堿性與亞堿性分界線，據(jù)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)

圖4 二道白河流域早更新世玄武質(zhì)熔巖Na2O-K2O 關(guān)系圖(據(jù)Middlemost，1972)Fig.4 Na2O-K2O plot of Early Pleistocene basaltic lavas in the Erdaobaihe River basin (after Middlemost，1972)

在La/Sm-La 投點(diǎn)上，少量拉斑玄武巖具有部分熔融趨勢，大部分粗面玄武巖和玄武質(zhì)粗安巖具有結(jié)晶分異趨勢(圖8)，粗面玄武巖位居剖面下部(圖2)，證實(shí)天池火山的母巖漿為鉀質(zhì)粗面玄武巖(樊祺誠等，2006)。二道白河流域熔巖具有高Ca、高Sr、Eu 正異常特征，表明存在結(jié)晶分異作用。Rb-Ni 和Ce-Cr 關(guān)系(圖9a)顯示結(jié)晶分異作用在二道白河流域玄武質(zhì)熔巖的演化過程中起主要作用。

圖5 二道白河流域早更新世玄武質(zhì)熔巖微量元素和REE 配分模式圖(原始地幔值據(jù)Sun and Mcdonogh，1989;球粒隕石值據(jù)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)

圖6 二道白河早更新世玄武質(zhì)熔巖Sr-Nd 同位素比值圖地幔端元組分的Sr-Nd 同位素比值根據(jù)Hart et al. (1992)，分別為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 有較好的線性關(guān)系(圖9b)，總體成正斜率分布，表明巖漿演化過程中存在巖漿混合(或殼源物質(zhì)的混染)的作用。根據(jù)二道白河流域熔巖微量元素蛛網(wǎng)圖(圖5)中玄武質(zhì)粗安巖Zr、Hf 有輕微正異常，以及玄武質(zhì)粗安巖中Ba 的富集，可以判斷二道白河流域熔巖的巖漿在演化過程中發(fā)生過殼源物質(zhì)的同化混染作用(李昌年，1992)。Ce/Yb-Eu/Yb 圖(圖9b)也反映出二道白河流域熔巖的巖漿遭到殼源物質(zhì)的同化混染的特征(Ce 在地殼中，尤其是上地殼中得到較大程度的富集)。個別樣品的87Sr/86Sr 值相對偏高，也指示輕微的殼源物質(zhì)同化混染作用的存在。

圖7 二道白河流域早更新世玄武質(zhì)巖石206Pb/204Pb-208Pb/204Pb圖Fig.7 The 206Pb/204 Pb-208 Pb/204 Pb plot of Early Pleistocene basaltic lavas in the Erdaobaihe River basin

圖8 二道白河流域早更新世玄武質(zhì)巖石La-La/Sm 關(guān)系圖(據(jù)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)

圖9 二道白河流域早更新世玄武質(zhì)熔巖的微量元素圖解Fig.9 The trace element plots of Early Pleistocene basaltic lavas in the Erdaobaihe River basin

根據(jù)原始地幔、上地殼和下地殼某些元素豐度值(Taylor and McLennan，1985)，Yb 在上地殼和下地殼中的豐度值相等(都等于2.2 ×10-6)，Eu 在下地殼中的豐度(1.17 ×10-6)是上地殼中豐度值(0.88 ×10-6)的兩倍;而Zr 在上地殼中的豐度(190 ×10-6)是下地殼中豐度值(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)，它們的分配系數(shù)相近。Eu/Yb-Zr/Yb 圖解(圖9c)顯示，在玄武質(zhì)粗安巖中，Zr/Yb 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Eu/Yb 的值，這表明巖漿在地殼遷移過程中的混染作用主要發(fā)生在上地殼。Ga 在上地殼和下地殼中的豐度值近于相等(上地殼中為17 ×10-6，下地殼中為18 ×10-6)，Rb 為親石元素(其ΣD(Rb)＜0.01)，Nb為中等不相容元素(其0.2 ＜ΣD(Nb)＜0.5)，Rb 在上地殼的豐度值(112 ×10-6)遠(yuǎn)大于Nb 在上地殼中的豐度(25 ×10-6);Rb 與Nb 在下地殼的豐度值十分接近(分別為5.3 ×10-6和6 ×10-6)，在Rb/Ga-Nb/Ga 圖解中(圖9c)，Rb/Ga 和Nb/Ga 沿主趨勢線有很好的相關(guān)性，從主趨勢線斜率小于1，也可推斷巖漿混染作用主要發(fā)生在上地殼。

4.4 構(gòu)造環(huán)境

一些典型環(huán)境的Nb/Ta 之比分別是:球粒隕石為18，大陸殼為12 ～14，大洋中脊玄武巖(MORB)為16.88，圣海倫斯火山(地幔柱火山)為17.3 ±2.4，堪察加半島火山(深俯沖帶火山)14.7 ～18.9 和15.4 ～18.4(Münker，1998;Rudnick et al.，2000;Kamber et al.，2002;Duggen et al.，2007)。二道白河玄武質(zhì)巖石的Nb/Ta 之比為14.8 ～15.8，與勘察加半島深俯沖帶火山類似。

圖10 給出了二道白河玄武質(zhì)巖石Nb/Ta 分異與巖漿K2O 演化富集的關(guān)系，考慮到巖漿中鉀、鈉演化的相關(guān)性，圖10 縱坐標(biāo)采用(Na2O-K2O)的相對含量，而不是K2O 的絕對含量，橫坐標(biāo)仍采用Nb/Ta。圖10 顯示Nb/Ta 分異隨著巖漿K2O 線對含量的增高而增高，具有正相關(guān)性。根據(jù)現(xiàn)有研究(Stolz et al.，1996;Münker，1998)，深俯沖的這種變化與金云母、金紅石等副礦物的熔體反應(yīng)有關(guān)，俯沖板片的部分熔融產(chǎn)物影響了天池火山的地幔源區(qū)地球化學(xué)演化。

圖10 二道白河流域早更新世玄武質(zhì)熔巖Nb/Ta-(Na2O-K2O)投點(diǎn)圖Fig. 10 Nb/Ta-(Na2O-K2O)plot of Early Pleistocene basaltic lavas in the Erdaobaihe River basin

5 結(jié)論

(1)二道白河流域白山組早更新世玄武質(zhì)巖石主要由鉀質(zhì)粗面玄武巖、玄武質(zhì)粗面安山巖組成，少量鈉質(zhì)拉斑玄武巖。

(2)二道白河流域白山組拉斑玄武巖、粗面玄武巖和玄武質(zhì)粗面安山巖的微量元素和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，火山巖源區(qū)的物質(zhì)成分具有似原始地幔的特征。

(3)二道白河流域白山組玄武質(zhì)巖石是母巖漿鉀質(zhì)粗面玄武巖在地幔條件下經(jīng)橄欖石、輝石和基性斜長石結(jié)晶分異后形成的，巖漿在上升的過程中遭受了輕微的殼源物質(zhì)的同化混染。

(4)二道白河流域白山組玄武質(zhì)熔巖的形成類似于勘察加半島深俯沖帶火山，與俯沖板片的部分熔融有關(guān)。

致謝 吉林大學(xué)劉祥教授參加了野外工作;中國地震局地質(zhì)研究所樊祺誠研究員以及評審專家提出了寶貴的修改意見;在此一并表示衷心感謝。

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