長(zhǎng)白山火山碎屑噴出物和熔巖地球化學(xué)特征及其對(duì)構(gòu)造環(huán)境的指示意義

陳海潮，王璞珺 ，衣健，武成智，王寒非，孫松，王文華

1.東北亞生物演化與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(吉林大學(xué))，長(zhǎng)春 130061；2.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130061；3.吉林省長(zhǎng)白山天池火山監(jiān)測(cè)站，吉林 安圖 133600；4.南京大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，南京 210023

0 引言

長(zhǎng)白山火山是一座具有潛在噴發(fā)危險(xiǎn)的活火山，地質(zhì)歷史時(shí)期活動(dòng)頻繁。根據(jù)已有的火山監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，長(zhǎng)白山未來(lái)有再次發(fā)生大規(guī)模噴發(fā)的危險(xiǎn)性[1]。目前，長(zhǎng)白山已經(jīng)進(jìn)入巖漿演化晚期，未來(lái)噴發(fā)是仍然以酸性為主，還是重新開(kāi)始基性噴發(fā)旋回，尚需要對(duì)長(zhǎng)白山火山巖的巖漿來(lái)源和演化進(jìn)行深入研究。

針對(duì)長(zhǎng)白山火山巖的成因，前人已有大量的研究。長(zhǎng)白山火山巖一部分源于地幔的鉀質(zhì)粗面玄武巖漿，不經(jīng)地殼巖漿房直接噴出地表；另一部分源于鉀質(zhì)粗面玄武巖漿注入地殼巖漿房發(fā)生巖漿分離結(jié)晶作用和混合作用[2-8]。對(duì)火山巖成分多樣性的成因仍存在爭(zhēng)議，地幔交代和源區(qū)不均一性[9]、俯沖板片的流體和沉積物的加入[9-10]都曾被提出來(lái)解釋長(zhǎng)白山火山巖成分的差異。前人對(duì)長(zhǎng)白山地區(qū)火山巖的巖石地球化學(xué)研究大多以熔巖為研究對(duì)象，對(duì)火山碎屑物的研究較少。本文在火山碎屑噴出物野外地質(zhì)考察基礎(chǔ)上，補(bǔ)充了火山細(xì)碎屑(火山灰)的地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)，結(jié)合對(duì)熔巖的地球化學(xué)分析結(jié)果，對(duì)長(zhǎng)白山火山碎屑噴出物、熔巖的源區(qū)性質(zhì)及其構(gòu)造背景進(jìn)行了研究。

1 地質(zhì)背景

長(zhǎng)白山位于吉林省東部中朝邊境[11]，構(gòu)造位置上屬于歐亞大陸東緣[10](圖1)。長(zhǎng)白山形成于中新世，其演化經(jīng)歷了造盾階段玄武巖噴發(fā)(5～1 Ma)、造錐階段粗面巖噴發(fā)(1.7 ka～1 Ma)和破火山口階段堿流巖和浮巖噴發(fā)(4 ka至今)[2,13]。距今約一千年前，長(zhǎng)白山發(fā)生了一次被認(rèn)為是兩千年來(lái)全球最大火山噴發(fā)事件之一的千年大噴發(fā)。產(chǎn)生的火山碎屑噴出物總體積估計(jì)為172 km3[2,14]。

2 樣品分析和樣品

2.1 分析方法

火山碎屑物和熔巖主量、微量和稀土元素分析測(cè)試工作在吉林大學(xué)測(cè)試科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心完成。主量元素測(cè)定采用X-射線熒光光譜法(XRF)，準(zhǔn)確度優(yōu)于10%；微量元素利用等離子光譜質(zhì)譜(ICP-MS)分析方法測(cè)定，精度優(yōu)于10%。

2.2 樣品情況

采集的樣品主要來(lái)自長(zhǎng)白山天池火山口和火山錐體附近，樣品包括火山灰、浮巖、堿流巖和黑曜巖(表1)。其中火山灰為細(xì)微火山碎屑噴出物，野外產(chǎn)出形態(tài)呈粉末狀，未發(fā)生固結(jié)。

浮巖(XHS--2)灰白色，氣孔構(gòu)造，氣孔占整體面積75%±，斑狀結(jié)構(gòu)，由斑晶和基質(zhì)組成。斑晶主要礦物成分為堿性長(zhǎng)石和角閃石(圖2e、f)。堿性長(zhǎng)石呈自形至半自形，長(zhǎng)條狀，裂縫發(fā)育，粒徑1～2.5 mm，含量8%±；角閃石呈半自形至他形，粒度0.1～0.5 mm，含量2%±；基質(zhì)為火山玻璃質(zhì)，含量15%±。

火山灰(YCX2--2)主要由巖屑、晶屑和玻屑組成(圖2g、h)。巖屑為粗面巖，含量50%±；晶屑為堿性長(zhǎng)石和輝石；堿性長(zhǎng)石自形至半自形，長(zhǎng)條狀，可見(jiàn)卡式雙晶，粒徑0.1～0.3 mm，含量30%±；輝石為半自形至他形，可見(jiàn)有暗化邊，粒徑0.2～0.5 mm，含量15%±；玻屑為火山玻璃質(zhì)，含量5%±。

堿流巖(TCB1--1)塊狀構(gòu)造，斑狀結(jié)構(gòu)，由斑晶和基質(zhì)組成。斑晶主要礦物成分由堿性長(zhǎng)石、輝石和角閃石組成(圖2i、j)。堿性長(zhǎng)石自形至半自形，長(zhǎng)條狀，見(jiàn)卡式雙晶，裂紋較發(fā)育，粒徑0.5～2.5 mm，含量30%±；輝石為半自形至他形，粒徑0.1～0.25 mm，含量5%±；角閃石為半自形至他形， 粒徑0.1～0.2 mm， 含量5%±；基質(zhì)為火山玻璃質(zhì)，含量60%±。

黑曜巖(TCB1--30)塊狀構(gòu)造，斑狀結(jié)構(gòu)，由斑晶和基質(zhì)組成。斑晶主要為堿性長(zhǎng)石、角閃石和輝石(圖2k、l)。堿性長(zhǎng)石自形至半自形，長(zhǎng)板狀，可見(jiàn)卡式雙晶，粒徑0.3～1.5 mm，含量30%±；角閃石半自形至他形，粒徑0.2～1.5 mm，含量8%±；輝石為自形至半自形，近四邊形，粒徑0.2～0.5 mm，含量7%±；基質(zhì)為火山玻璃質(zhì)，含量55%±。

a、b、c、d分別為灰白色浮巖、褐色火山灰、堿流巖、黑曜巖野外照片；e、g、i、k為單偏光下照片；f、h、j、l為正交偏光下照片。Px.輝石;Hbl.角閃石;Afs.堿性長(zhǎng)石;Trachyte.粗面巖。圖2 長(zhǎng)白山火山碎屑噴出物和熔巖宏觀與顯微照片F(xiàn)ig.2 Macro and micro photographs of volcaniclastic ejecta and lava from Changbai Mountain

3 分析結(jié)果

3.1 主量元素

長(zhǎng)白山火山碎屑噴出物和氣象站期熔巖的SiO2含量較高(66.35%～73.77%)，富K2O+Na2O(9.43%～10.81%)，并具有高K2O含量(4.35%～5.49%)，以及較高的Fe2O3含量(1.73%～4.09%)，低CaO(0.28%～1.23%)、MgO(0.05%～0.32%)、TiO2(0.22%～0.53%)、P2O5(0.01%～0.11%)和MnO(0.10%～0.16%)含量(表1)。

根據(jù)TAS圖解(圖3a)，長(zhǎng)白山火山碎屑噴出物和氣象站期熔巖均屬于堿性-亞堿性系列火山巖，以流紋巖為主。在K2O-SiO2巖石系列劃分圖解(圖3b)中落在鉀玄巖系列與高鉀鈣堿性系列。里特曼指數(shù)σ的變化范圍較大，2.88～4.98。Mg#值[Mg#=Mg/(Mg+Fe2+)]變化范圍較少，0.02～0.10。A/CNK的平均值為0.82<1，屬于偏鋁質(zhì)巖石。具有高FeOT/MgO值，15.80～73.55。在哈克圖解中SiO2與Al2O3，TiO2，TFeO，CaO，P2O5和MgO呈較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖4)。

3.2 稀土元素和微量元素

長(zhǎng)白山火山碎屑噴出物和氣象站期熔巖的稀土元素總量較高，∑REE=467.67×10-6～734.89×10-6。輕重稀土分異強(qiáng)烈，LREE/HREE=6.48～10.95，輕稀土相對(duì)富集、虧損重稀土，稀土配分曲線右傾(圖5a)，具有明顯的銪負(fù)異常[δ(Eu)=0 .04～0.15]。在微量元素蛛網(wǎng)圖上(圖5b)，大離子親石元素(LILE)K、Sr、Ba等相對(duì)虧損，高場(chǎng)強(qiáng)元素(HFSE)Th、U、Ta、Nb、Hf相對(duì)富集，P、Ti等強(qiáng)烈虧損。

4 討論

4.1 巖體成因類型

Whalen總結(jié)了A型花崗巖類的元素地球化學(xué)指標(biāo)，指出A型花崗巖在化學(xué)成分上具有高FeOT/MgO和K2O/Na2O，低CaO、Al2O3，富集REE、Zr、Nb、Ta，低Sc、Cr、Co、Ni、Ba、Sr和Eu的特征[20]。根據(jù)主、微量元素特征(表1)，長(zhǎng)白山火山碎屑噴發(fā)物和氣象站期熔巖具有典型的A型花崗巖特征，包括具有高FeOT/MgO值(15.80～73.55)，平均值43.56，遠(yuǎn)高于I和S型花崗巖的平均值2.27和2.38，以及M型花崗巖的平均值2.37[21]。在花崗巖類的判別圖解中(圖6)，樣品均落在A型花崗巖區(qū)域，因此，可以運(yùn)用相應(yīng)花崗巖構(gòu)造判別圖解。

Pc.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.粗面安山巖；T.粗面巖、粗面英安巖；F.副長(zhǎng)石巖；U1.堿玄巖、碧玄巖；U2.響巖質(zhì)堿玄巖；U3.堿玄質(zhì)響巖；Ph.響巖；Ir-Irvine 分界線，上方為堿性，下方為亞堿性。圖3 長(zhǎng)白山火山碎屑噴出物和熔巖TAS分類圖(巖石分類據(jù)文獻(xiàn)[15]；系列界線據(jù)文獻(xiàn)[16])和巖石系列SiO2-K2O圖解(實(shí)線據(jù)文獻(xiàn)[17]；虛線據(jù)文獻(xiàn)[18])Fig.3 TAS diagram of volcaniclastic ejecta and lava from Changbai Mountain and SiO2-K2O diagram of rock series

4.2 成因機(jī)制

結(jié)晶分異和巖漿混合作用是控制巖漿成分和礦物組合變化的兩種重要機(jī)制[22]。前人研究表明，長(zhǎng)白山火山噴出物是來(lái)自地幔的同源巖漿經(jīng)過(guò)演化形成的。玄武巖來(lái)自地幔源區(qū)巖石的部分熔融作用，而后期粗面質(zhì)、堿流質(zhì)巖石由玄武質(zhì)巖漿分離結(jié)晶產(chǎn)生[7]。此外，長(zhǎng)白山天池火山各類火山噴出物的Sr-Nd-Pb同位素均集中在原始地幔分布區(qū)域，靠近EMI端元，這表明長(zhǎng)白山天池火山噴出物，例如粗面巖和堿流巖等是來(lái)源于同一地幔源區(qū)[3,23]。而千年大噴發(fā)呈現(xiàn)猛烈爆炸式噴發(fā)，可能形成于鉀質(zhì)粗面玄武質(zhì)巖漿注入地殼巖漿房后與地殼中堿流質(zhì)巖漿發(fā)生巖漿混合作用[24-25]。

長(zhǎng)白山火山碎屑噴出物和氣象站期熔巖MgO含量低(0.05%～0.32%)，其Yb(5.70×10-6～10.2×10-6)和Y(62.01×10-6～118×10-6)含量較高，重稀土分布較為平坦(圖5a)，排除了石榴子石作為殘留相。Nb/Ta的值在17.82～19.39，平均值為18.23，較接近原始地幔比值17.4[19]，Zr/Nb的值8.01～8.65，平均值為8.43，在Weaver劃分的EM-I洋島玄武巖范圍內(nèi)(4.2～11.5)[26]，說(shuō)明源區(qū)巖漿可能是幔源巖漿。哈克圖解中呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，反應(yīng)巖漿經(jīng)歷了明顯的結(jié)晶分異作用(圖4)。Eu負(fù)異常的出現(xiàn)可能是由于斜長(zhǎng)石分離結(jié)晶造成的。Ba、Sr、P、Ti的負(fù)異常也指示了斜長(zhǎng)石的強(qiáng)烈分離結(jié)晶作用。 Ti負(fù)異常除了說(shuō)明斜長(zhǎng)石結(jié)晶外，還有輝石、鈦鐵氧化物的結(jié)晶分離作用。P負(fù)異常表明副礦物磷灰石在巖漿演化過(guò)程中可能發(fā)生了分離結(jié)晶作用。此外，劉若新等[23]研究了長(zhǎng)白山粗面巖87Sr/86Sr同位素與微量元素Sr之間的關(guān)系，指出巖漿在上侵時(shí)受到地殼組分的混染。

綜上所述，長(zhǎng)白山火山碎屑噴出物和熔巖可能起源于幔源巖漿的結(jié)晶分異作用，并在上侵過(guò)程中受到地殼組分的混染。

圖4 長(zhǎng)白山火山碎屑噴出物和熔巖哈克圖解Fig.4 Harker diagrams of volcaniclastic ejecta and lava in Changbai Mountain

4.3 構(gòu)造意義

對(duì)于A型花崗巖大地構(gòu)造背景，Loiselle and Wones的原始定義強(qiáng)調(diào)其非造山特性[27]。Eby運(yùn)用巖石學(xué)和地球化學(xué)等方法，按構(gòu)造背景和來(lái)源的不同將A型花崗巖類分為A1和A2兩種亞類，并建立相應(yīng)的判別圖解[28]。在應(yīng)用Eby的Y-Nb-3Ga三角判別圖時(shí)[29]，前提條件必須滿足樣品落在Pearce的構(gòu)造判別圖解中板內(nèi)花崗巖(WPG)[30]和 Whalen的Ga /Al圖解 A 型花崗巖區(qū)域[20]。圖6、圖7(a、b)中樣品均落在板內(nèi)花崗巖和A型花崗巖區(qū)域內(nèi)。圖7(c、d)中樣品均投點(diǎn)在A1型花崗巖區(qū)域，說(shuō)明本地區(qū)有可能形成于非造山板內(nèi)張性構(gòu)造體制下。前人大量研究表明：①多成因復(fù)合火山是長(zhǎng)白山天池火山的典型特征，其巖漿噴發(fā)物由高鉀粗面玄武巖、粗面巖和堿流巖組成[23]；②長(zhǎng)白山地區(qū)火山活動(dòng)動(dòng)力來(lái)源是西太平洋板塊俯沖導(dǎo)致的東北亞大陸弧后拉張。日本?；『笈璧氐男纬蓪?dǎo)致了中國(guó)大陸東部中-新生代在構(gòu)造上整體處于拉張狀態(tài)[11,24,31-32]。長(zhǎng)白山火山碎屑噴出物與熔巖屬于A1型火山巖(圖7c、d)，表明其形成于非造山板內(nèi)拉張構(gòu)造體制下(圖7)，這也與整體構(gòu)造環(huán)境相吻合。所以，長(zhǎng)白山火山碎屑噴出物和熔巖是在非造山板內(nèi)拉張構(gòu)造環(huán)境下形成的。

圖5 長(zhǎng)白山火山碎屑噴出物和熔巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式圖(a)和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(b)(標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)文獻(xiàn)[19])Fig.5 Chondrite normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle normalized trace element spider diagrams (b) of volcaniclastic ejecta and lava in Changbai Mountain

(a)NK/A-(10 000 Ga/Al)圖解； (b)K2O/MgO-(10 000 Ga/Al)圖解； (c)(K2O+Na2O)/CaO-(10 000 Ga/Al)圖解； (d)Nb-(10 000 Ga/Al)圖解圖6 長(zhǎng)白山火山碎屑噴出物和熔巖巖漿巖成因類型判別圖Fig.6 Discrimination diagram of genetic types of volcaniclastic ejecta and lava in Changbai Mountain

WPG.板內(nèi)花崗巖；VGA.火山弧花崗巖；ORG.洋中脊花崗巖；Syn-COLG.同碰撞花崗巖。 (a)Ta-Yb圖解；(b)Nb-Y圖解；(c)Nb-Y-3Ga圖解；(d)Nb-Y-Ce圖解。圖7 構(gòu)造判別圖解Fig.7 Tectonic discrimination diagrams

5 結(jié)論

(1)長(zhǎng)白山火山碎屑噴出物和熔巖為鉀玄巖系列和高鉀鈣堿性系列巖石，屬于典型的A型火山巖。

(2)長(zhǎng)白山火山碎屑噴出物和熔巖可能起源于幔源基性巖漿的分異演化，在上侵時(shí)受地殼組分的混染。

(3)長(zhǎng)白山火山碎屑噴出物和熔巖形成于非造山板內(nèi)拉張構(gòu)造環(huán)境下。