遼東桓仁西部小嶺旋回火山巖地球化學(xué)特征及成因

楊占興，駱念崗

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局，沈陽(yáng) 110000)

遼東桓仁西部小嶺旋回火山巖地球化學(xué)特征及成因

楊占興1,2，駱念崗1

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局，沈陽(yáng) 110000)

小嶺旋回火山巖是遼東中生代火山巖的重要組成部分，主要巖性有安山巖、英安巖以及流紋質(zhì)火山碎屑巖，屬鉀質(zhì)鈣堿性系列。其地球化學(xué)特征顯示，火山巖總體具有高K、Na，低Al、Fe、Ca的特點(diǎn)。其中，火山熔巖具有富集Nb、Th、Hf、Zn，相對(duì)虧損Cs、Li、Sr的特點(diǎn)；火山碎屑巖普遍具貧Sr、V、Cu、Li，富含Hf的特點(diǎn)?；鹕綆r總體為稀土富集型，安山巖及安山質(zhì)火山碎屑巖，略顯Eu正異常；流紋巖及流紋質(zhì)火山碎屑巖具明顯Eu負(fù)異常?；鹕綆r成巖物質(zhì)來(lái)源于地殼，成因以部分熔融為主，部分巖石顯示具陸殼混染特點(diǎn)?；鹕綆r形成動(dòng)力來(lái)自于太平洋板塊向古歐亞板塊的俯沖，形成于早期拉張—晚期擠壓的構(gòu)造背景，具有板內(nèi)活動(dòng)帶火山巖的特征。

桓仁；小嶺旋回；地球化學(xué)特征；成因；構(gòu)造背景；遼寧省

0 引言

遼東桓仁西部地區(qū)早白堊世火山巖發(fā)育，小嶺旋回火山巖局部地區(qū)發(fā)育良好，是遼東中生代火山巖的重要組成部分。由于前人對(duì)該區(qū)火山巖研究有不同見(jiàn)解，造成對(duì)中生代火山巖的成因以及構(gòu)造環(huán)境存在很多分歧[1]。近年來(lái)，在對(duì)遼東地區(qū)的地質(zhì)調(diào)查工作中，對(duì)中生代火山巖進(jìn)行了詳細(xì)的野外調(diào)查與測(cè)試分析，獲得了大量的地質(zhì)信息和認(rèn)知。因此，本文將從巖石學(xué)、主、微量元素地球化學(xué)特征等方面對(duì)研究區(qū)中生代火山巖進(jìn)行系統(tǒng)的研究，探討研究區(qū)火山巖的大地構(gòu)造環(huán)境、巖漿來(lái)源及火山巖成因。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)地處華北陸塊北緣東段，膠遼隆起帶的太子河—渾江坳陷、遼陽(yáng)—本溪凹褶斷束和桓仁凸起部位。區(qū)內(nèi)經(jīng)歷了從太古宙至新生代的構(gòu)造演化，不同演化階段形成了不同的構(gòu)造形跡及構(gòu)造組合樣式?；溉饰鞑啃X火山巖是中國(guó)東部環(huán)太平洋中生代火山活動(dòng)帶的重要組成部分；自燕山造山運(yùn)動(dòng)以來(lái)，經(jīng)歷了多期次的火山噴發(fā)作用，形成具有特色的陸相火山巖建造?；鹕綆r以安山巖、安山質(zhì)火山碎屑巖為主，夾少量流紋巖和陸源碎屑沉積巖；火山巖主要為早白堊世[2]形成。

2 巖石化學(xué)特征

2.1 主量元素特征

火山巖主量元素分析結(jié)果見(jiàn)表1所述，除個(gè)別樣品外，火山巖樣品的w(Si2O)值介于60.42%～77.16%之間，w(Al2O3)值為12.16%～16.74%，巖石化學(xué)系列屬于鋁過(guò)飽和型。其中,安山巖類w(CaO)值為0.33%～4.17%，平均為1.95%；w(Na2O+K2O)值為6.55%～9.96%，平均值為8.52%；w(Na2O)/w(K2O)為0.59～2.09，僅個(gè)別樣品比值小于1，反映此類巖石為鈉質(zhì)巖石。英安巖及流紋巖類w(CaO)值為0.08%～0.62%，平均為0.19%；w(Na2O+K2O)值為7.67%～11.16%，平均值為8.52%；w(Na2O)/w(K2O)為0.58～3.37，僅個(gè)別樣品比值大于1，反映為此類巖石富鉀質(zhì)巖石?；鹕綆r總體上反映出高鉀、鈉，低鋁、鈣的特點(diǎn)。

將火山巖分析結(jié)果投入TAS圖解(圖1)中，表明火山巖性主要為安山巖、英安巖、安山質(zhì)碎屑巖及流紋質(zhì)碎屑巖，屬中性—中酸性火山巖組合；在AFM圖解(圖2)中，大部樣品分落在TH-CA分界線下方，反映火山巖主要為鈣堿性巖石，但偏堿性；在K2O—Na2O圖解(圖3)中，顯示火山巖以鉀質(zhì)鈣堿系列英安巖-流紋巖及流紋質(zhì)火山碎屑巖組合為主，并出現(xiàn)以安山巖為主的鈉質(zhì)鈣堿系列巖石。

火山巖的巖石化學(xué)計(jì)算表明,熔巖類的平均分異指數(shù)(DI)為72.38～97.84，平均固結(jié)指數(shù)(SI)為0.29～10.42，堿度指數(shù)(AR)為2.17～6.76；火山碎屑巖類的平均分異指數(shù)為77.21～97.16，平均固結(jié)指數(shù)為0.63～16.15，堿度指數(shù)為2.65～5.13。Harker圖解反映火山巖主要氧化物Al2O3、MgO、Na2O、CaO、FeO+Fe2O3含量隨著SiO2含量的增加而呈明顯的遞減變化，僅有K2O變化不明顯，說(shuō)明地殼在巖漿演化過(guò)程中地殼混染作用占主導(dǎo)地位，而結(jié)晶分異作用影響較小。

2.2 微量元素特征

小嶺旋回火山巖的微量元素分析結(jié)果如表2所述。

火山巖中熔巖類巖石中富集高場(chǎng)強(qiáng)元素(HREE)組分Nb、Th、Hf，不相容元素Cs、Li、Sr相對(duì)虧損；各類火山巖中不相容元素Rb、Th富集且變化范圍較大，w(Rb)=19.22×10-6～244.9×10-6，w(Th)=3.59×10-6～22.44×10-6。各類火山巖巖石中Th、Zr均為富集型，而Sr、P、K、Ti均為虧損型；安山巖和英安巖虧損Nb，流紋巖相對(duì)富集Nb。

表1 小嶺旋回火山巖主量元素樣品分析結(jié)果

量單位：wB/%；LOI為燒失量。

圖1 小嶺火山巖TAS分類圖解Fig.1 TAS classification diagram ofXiaoling cycle volcanic rocksPc.苦橄玄武巖；B.玄武巖；O1.玄武安山巖；O2.安山巖；O3.英安巖；R.流紋巖；S1.粗面玄武巖；S2.玄武質(zhì)粗面安山巖；S3.粗面玄武巖；T.粗面巖、粗面英安巖；F.副長(zhǎng)石巖；U1.堿玄巖；U2.響巖質(zhì)堿玄巖；U3.堿玄質(zhì)響巖；Ph.響巖Ir.Irvine界線，上方為堿質(zhì)，下方為亞堿質(zhì)

圖2 小嶺火山巖AFM分圖解Fig.2 AFM diagram of Xiaoling cycle volcomic rocks

圖3 小嶺火山巖火山巖w(K2O)—w(Na2O)圖解Fig.3 w(K2O)—w(Na2O) diagram of Xiaoling cycle volcomic rocks

圖4 小嶺火山巖過(guò)渡元素配分圖Fig.4 The diagram of the transiton elements in the Xiaoling cycle volcanic rocks

在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)渡元素分配型式特征圖(圖4)中，火山巖明顯虧損的元素為Cr、Ni，而Ti、Mn相對(duì)富集，曲線呈明顯的“W”型，表明為同源巖漿分異產(chǎn)物；巖石曲線出現(xiàn)相交現(xiàn)象是由于個(gè)別元素在不同巖石中富集程度不同所致?？傊?，微量元素異常值所提供的巖石成因信息雖然存在差異，但主要反映其與地殼及同化混染的玄武質(zhì)巖石關(guān)系密切[3]，以及巖漿在運(yùn)移和成巖過(guò)程中有外界物質(zhì)的加入或混染。

除個(gè)別樣品外，安山巖及安山質(zhì)碎屑巖的w(Rb)/w(Sr)值0.04～0.64，屬于高Sr低Rb巖石，說(shuō)明虧損地幔源；流紋巖及流紋質(zhì)碎屑巖w(Rb)/w(Sr)值1.71～21.91，屬高Rb低Sr巖石，富集地幔源?；鹕綆r的w(Zr)/w(Hf)值大于24.28，屬于高Zr低Hf巖石，反映巖漿來(lái)源于地殼。

2.3 稀土元素特征

稀土元素分析結(jié)果如表3所述。火山熔巖類各巖石類型稀土總量差別較大，與世界同類巖石維氏值(中性巖130×10-6、酸性巖250×10-6)相比，安山巖、英安巖較高而流紋巖較低，其反映中性-中酸性火山熔巖為富稀土巖石，酸性巖為貧稀土巖石。火山碎屑巖類稀土總量與維氏值相比，安山質(zhì)火山碎屑巖含量較高，流紋質(zhì)火山碎屑巖相對(duì)較低，顯示中性火山碎屑巖稀土富集的特點(diǎn)。

表3 小嶺旋回火山巖稀土元素分析結(jié)果

巖石LaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLuY安山巖39．7891．1612．2150．6410．073．098．6551．156．7551．2123．6260．52772．9740．427426．6549．7776．9110．5837．235．8911．6524．5570．45283．0440．48641．7510．27071．5770．231315．6130．4365．518．62337．857．5782．4127．4991．1126．0871．0922．9290．38622．4030．337624．1442．1789．2111．3348．178．362．517．2221．1655．6551．0112．7010．44742．640．413927．0957．2185．3812．66487．6312．176．2020．77764．0690．7382．0450．2731．8420．284917．4英安巖20．6651．774．91618．293．2430．66032．9180．42852．4590．4741．4320．21731．4940．228811．2864．21123．8012．0441．294．8991．1952．9880．25610．77770．13340．20290．066070．11620．074022．03865．66125．2012．744．655．3891．2653．1430．27640．80640．13920．2120．067470．1320．076472．251流紋巖5．13169．731．4114．8261．4080．045551．9990．55153．1930．65211．9460．35682．1470．339717．54安山質(zhì)火山角礫巖24．7646．815．02418．752．930．94562．5110．44662．0360．37011．0140．20031．0820．198310．0627．1949．45．30919．873．121．0162．6710．4712．1220．39311．0570．20641．1480．204610．3522．2742．264．63617．412．8110．87132．3710．42351．9330．3470．97680．19351．0660．19279．52318．1937．514．12915．672．5590．80442．1540．40891．8010．33760．94330．18611．0280．19367．76964．79110．415．1160．7810．014．2638．8461．4116．7351．2263．3160．55883．3660．543534．55凝灰?guī)r12．6859．13．77915．223．5680．44653．7090．6754．2970．84672．4530．36622．4980．37619．48流紋質(zhì)玻屑凝灰?guī)r18．6446．965．74122．643．6570．51772．8630．56022．7930．54621．5860．30371．8770．32177．76633．7677．777．43126．183．840．13793．2830．73514．5140．9562．7780．47562．8420．436123．3849．4583．619．1635．195．4030．45545．2370．82093．5080．56251．3230．20851．0630．181913．1129．7979．16．77423．193．8240．10313．6090．86365．3321．1013．2340．59173．6970．599527．81流紋質(zhì)火山角礫凝灰?guī)r29．98117．66．4422．373．3510．50652．8860．41012．3750．45871．3490．19251．2620．182811．2559．84100．411．8241．886．340．6995．1280．72083．9030．70832．0230．30262．0090．300615．315．552148．51．6226．2491．8380．2383．1180．765．91．2944．0370．58153．8720．56627．64流紋質(zhì)玻屑弱熔結(jié)凝灰?guī)r41．468．119．13635．325．5710．41714．60．7843．6720．671．8660．331．970．318416．244．9695．591141．87．230．50376．1881．1455．9941．1433．3210．60553．8950．609928．3540．0493．378．70432．165．0490．29694．1940．77914．0190．76922．2040．38292．2730．366417．8281．31156．716．9462．688．6670．6116．8941．1075．2790．96822．6780．47152．880．460724．83流紋質(zhì)火山角礫巖13．1160．983．24511．172．3090．08972．5190．72394．7171．0343．2670．60653．9350．613327．04

量單位：wB/10-6。

火山巖的稀土元素總量為w(REE)=111.28×10-6～256.90×10-6，平均為188.01×10-6。其中,安山巖和英安巖的輕重稀土比值參數(shù)w(LREE)/w(HREE)=6.98～52.52，輕重稀土分餾參數(shù)w(La)N/w(Yb)N=12.66～552.58，反映輕稀土相對(duì)較富積，且輕重稀土分餾明顯；輕稀土內(nèi)部分餾參數(shù)w(La)N/w(Sm)N=3.95～13.11，說(shuō)明輕稀土內(nèi)部的分餾程度較高。稀土配分曲線(圖5)顯示，安山巖和英安巖為稀土曲線右傾的輕稀土富集型分布形式。安山巖δEu值為1.02～1.08，平均1.05，反映安山巖Eu略顯正異常；英安巖δEu值為0.71～0.96，平均0.87，略顯負(fù)異常；流紋巖δEu值為0.09，具明顯負(fù)異常特征?；鹕剿樾紟r類中安山質(zhì)火山碎屑巖具明顯Eu正異常，流紋質(zhì)火山碎屑巖具明顯Eu負(fù)異常。流紋巖、流紋質(zhì)火山角礫巖及流紋質(zhì)火山角礫凝灰?guī)r中Ce呈明顯波峰；δCe值也反映流紋巖、流紋質(zhì)火山角礫巖及流紋質(zhì)火山角礫凝灰?guī)r具有Ce正異常。稀土配分曲線圖5顯示流紋巖和流紋質(zhì)火山碎屑巖具明顯的“海歐”模式，表明巖漿分異較好，與參數(shù)值特征相一致[4]；Eu元素基本上呈現(xiàn)“V”型谷。w(Sm)/w(Nd)值介于0.14～0.29之間，w(Eu)/w(Sm)值介于0.04～0.34之間，反映火山巖源于地殼[5]。

圖5 小嶺火山巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式Fig.5 Chondrite-normalized REE pattern of Xiaoling cycle volcanic rocks

3 成因探討

3.1 火山巖成因

巖石化學(xué)成分反映，研究區(qū)內(nèi)火山巖為一套中性—中酸性—酸性的巖石組合；巖石微量元素含量與陸殼豐度更接近；巖石稀土總量反映除流紋巖外，均為富稀土巖石，具有輕稀土相對(duì)富集、重稀土相對(duì)虧損，分餾較明顯的特點(diǎn)。中性巖、中酸性火山巖的δEu值均大于0.70，反映其成因與板塊構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)；酸性巖除個(gè)別樣品外，絕大部分樣品的δEu值小于0.3，表明其為巖漿演化晚期階段產(chǎn)物。

火山巖的w(Sm)/w(Nd)=0.14～0.29、w(Eu)/w(Sm)=0.04～0.34，反映該旋回巖漿與地殼有關(guān)?；鹕綆r具有高K、Na，低Al、Fe、Mg、Ca的特點(diǎn)，反映出有地殼熔融成因。在w(La)N/w(Yb)N—w(Yb)N圖解(圖6)中，研究區(qū)內(nèi)火山巖投影點(diǎn)較分散，一部分投在大陸殼源區(qū)，一部分落在角閃巖趨勢(shì)線右側(cè)或附近，表明火山巖物質(zhì)來(lái)源于地殼，而且在巖漿上升和運(yùn)移過(guò)程中有外來(lái)物質(zhì)的混入。w(La)/w(Sm)—w(La)圖解(圖7)顯示，投影點(diǎn)主要靠近部分熔融趨勢(shì)線，表明區(qū)內(nèi)火山巖的形成以部分熔融作用為主，在成巖過(guò)程中伴有微弱的分離結(jié)晶作用。稀土元素標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖中Eu出現(xiàn)明顯得“V”谷異常(見(jiàn)圖5)，顯示該地區(qū)可能出現(xiàn)了斜長(zhǎng)石的分離結(jié)晶[2]。

綜上所述，研究區(qū)火山巖巖漿來(lái)源于中-下部地殼，巖漿主要由部分熔融作用產(chǎn)生，運(yùn)移噴發(fā)過(guò)程中伴有微弱的分離結(jié)晶作用，且不受消減作用的影響；部分巖石顯示具陸殼混染特點(diǎn)[7]。

圖7 小嶺火山巖w(La)/w(Sm)—w(La)圖解Fig.7 w(La)/w(Sm)—w(La) diagram of Xiaoling cycle volcanic rocks

圖8 小嶺火山巖里特曼(Logδ)—戈蒂里(Logτ)圖解Fig.8 Logδ—Logτ diagram (Rittman) of Xiaoling cycle volcanic rocks

3.2 構(gòu)造環(huán)境分析

前人多認(rèn)為，東北地區(qū)在晚中生代主要受古太平洋板塊的俯沖影響，處于巖石圈拆沉減薄的伸展環(huán)境，并伴隨有一系列的構(gòu)造-巖漿作用[8]。小嶺火山巖的里特曼-戈蒂里圖解(圖8)顯示，火山巖絕大部分投影點(diǎn)主要分布于B區(qū)(造山帶)近C區(qū)(派生堿性巖區(qū))一側(cè)，個(gè)別投影點(diǎn)落入A區(qū)(大陸穩(wěn)定區(qū))；與日本島弧火山巖相比且靠近B區(qū)的右側(cè)。以上特征表明，研究區(qū)內(nèi)火山巖構(gòu)造位置遠(yuǎn)離中生代的俯沖帶，具大陸邊緣活動(dòng)帶屬性，屬弱造山帶環(huán)境，而非典型的造山帶火山巖。

圖9 小嶺火山巖w(Rb)—[w(Y)+w(Nb)]圖解及w(Rb)—w(Y)圖解Fig.9 w(Rb)—[w(Y)+w(Nb)]and w(Rb)—w(Y) diagram of Xiaoling cycle volcanic rocks

此外，在w(Rb)—[w(Y)+w(Nb)]圖解及w(Rb)—w(Y)圖解(圖9)中，部分火山巖屬于火山弧環(huán)境，部分屬于板內(nèi)伸展構(gòu)造環(huán)境[7]，表明火山巖既有火山弧環(huán)境，又兼有板內(nèi)伸展特征；結(jié)合微量元素、稀土元素配分特征，認(rèn)為小嶺火山巖應(yīng)屬遠(yuǎn)離俯沖帶的板內(nèi)活動(dòng)帶環(huán)境。從w(Rb)—w(Sr)關(guān)圖解(圖10)中可以看出，投影點(diǎn)一部分落在地殼厚度20～30 km范圍內(nèi)，一部分雖然投在大于30 km范圍，但靠近30 km分界線上，反映此期地殼減薄，處于早期拉張—晚期擠壓的構(gòu)造背景。

圖10 小嶺火山巖w(Rb)—w(Sr)關(guān)系圖解Fig.10 w(Rb)—w(Sr) diagram ofXiaoling cycle volcanic rocks

小嶺旋回火山巖屬于鈣堿性系列，其地球化學(xué)特征發(fā)生改變并不是古太平洋板塊向歐亞板塊斜向俯沖的結(jié)果，而是由于中生代期間古太平洋板塊向歐亞板塊的斜向俯沖方向不斷改變，華北陸塊南部與華南陸塊旋轉(zhuǎn)碰撞，北部受古蒙古洋板塊的俯沖、碰撞的影響，引起地殼或巖石圈處于拉張的結(jié)果所致[1]。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)小嶺旋回火山巖為鈣堿性巖石，兼偏堿性特點(diǎn)，以鉀質(zhì)鈣堿系列英安巖-流紋巖及流紋質(zhì)火山碎屑巖組合為主，并出現(xiàn)以安山巖為主的鈉質(zhì)鈣堿系列巖石。Harker圖解、過(guò)渡元素蛛網(wǎng)圖和稀土元素分配圖顯示，巖石成因與地殼及同化混染的玄武質(zhì)巖石關(guān)系密切。w(La)/w(Sm)—w(La)系圖解顯示，火山巖巖漿來(lái)源于中-下部地殼，巖漿主要由部分熔融作用產(chǎn)生，運(yùn)移噴發(fā)過(guò)程中伴有微弱的分離結(jié)晶作用，并不受消減作用的影響，而且部分巖石顯示具陸殼混染特點(diǎn)。

(2)綜合分析研究區(qū)火山巖特征，認(rèn)為火山巖多形成于板內(nèi)伸展構(gòu)造環(huán)境，也有弧火山巖的特征，其動(dòng)力源于中生代期間古太平洋板塊向歐亞板塊的斜向俯沖方向不斷改變，華北陸塊南部與華南陸塊旋轉(zhuǎn)碰撞，北部受古蒙古洋板塊的俯沖、碰撞的影響，引起地殼或巖石圈處于拉張的結(jié)果所致。小嶺旋回火山巖的發(fā)育是早白堊巖石圈大規(guī)模拆沉減薄作用的直接證據(jù)，也是東北地區(qū)晚中生代伸展背景下巖漿活動(dòng)的一部分。

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Characterristics and genesis of Xiaoling cycle volcanic rock in the western Huanren area in the East Liaodong province

YANG Zhanxing1,2，LUO Niangang1

(1.GraduateSchool，LiaoningTechnologyUniversity，F(xiàn)uxin123000，Liaoning，China； 2.liaoningBureauofGeologyandMineralResourcesExploration，Shenyang110000，China)

The Xiaoling cycle volcanic rock is an important part of Mesozoic volcannic rocks in the East Liaoning province. It belongs to high-K and calc-alkaline series consisting of mainly andesite, dacite and rhyolitic pyroclastic rocks. Geochemically, the cycle is characterized by high K, Na and low Al, Fe, Ca; the volcanic lava in the cycle by enrichment of Nb, Th, Hf, Zn and relative depletion of Cs, Li, Sr; the volcanic clastic rocks by enrichment of Hf and poor Sr, V, Cu, Li. The cycle is generally rich in REE. The andesite and andesitic volcanic clastic rocks show slight positive Eu anomaly; the rhyolite and rhyolitic pyroclastic rocks obvious negative Eu anomaly. Comprehensive studies have shown that the material source of Xiaoling cycle volcanic rocks is from the earth’s crust with the main partial melting genesis and some rock is characterized by dissemination of continental material dissemination. Dynamically, the volcanics are formed by the subduction of the Pacific plate to the Eurasian plate under the early tension-late extrusion tectonic background and characterized by the volcanic rocks of intro-plate mobile belt.

Huanren；Xiaoling cycle；The geochemistry；genesis；Tectonic background；Liaoning province

2015-03-23； 責(zé)任編輯： 王傳泰

遼東—吉南成礦帶地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查項(xiàng)目(編號(hào)：1212011120733)資助。

楊占興(1962—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事礦產(chǎn)勘查與評(píng)價(jià)研究。

駱念崗(1990—)，男，在讀碩士研究生，地質(zhì)工程專業(yè)。通信地址：遼寧省阜新市中華路47號(hào)，遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院；郵政編碼：123000；E-mail：956094747@qq.com

10.6053/j.issn.1001-1412.2015.04.013

P588.1

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