大興安嶺北段高地林場滿克頭鄂博組火山巖年代學(xué)、地球化學(xué)特征及其構(gòu)造意義

于喜洹，李新鵬，李中會，陳旭峰，尹國良，李成祿，王恩寶

1.黑龍江省自然資源調(diào)查院，哈爾濱 150036；2.黑龍江省地球物理地球化學(xué)勘查院，哈爾濱 150036

0 引言

大興安嶺北段地區(qū)位于興蒙造山帶東部，該帶中生代火山巖廣泛發(fā)育。近年來，學(xué)者們對中生代火山巖成因和構(gòu)造背景進行了研究[1-8]，并取得一定的成果，研究對象主要為塔木蘭溝組基性火山巖、瑪尼吐組流紋巖和白音高老組流紋巖[9-13]，而對北段滿克頭鄂博組火山巖的研究相對較少。為此，筆者依據(jù)近年來開展的區(qū)調(diào)工作①②，對高地林場地區(qū)滿克頭鄂博組火山巖進行巖相學(xué)、巖石地球化學(xué)、同位素年代學(xué)及構(gòu)造環(huán)境等方面的研究，為大興安嶺北段晚侏羅世巖漿活動、構(gòu)造環(huán)境提供新的資料。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

大興安嶺由額爾古納地塊、興安地塊和松嫩地塊3個微陸塊及其之間構(gòu)造帶拼合而成，主要構(gòu)造帶為塔源—喜桂圖縫合帶和二連—賀根山縫合帶，為3個微陸塊之間的分界線[5-6]。研究區(qū)位于額爾古納地塊北緣(圖1)，區(qū)內(nèi)巖漿活動發(fā)育，侵入巖有中元古代花崗質(zhì)片麻雜巖、早侏羅世二長花崗巖、花崗閃長巖、晚侏羅世正長花崗巖和二長花崗巖；出露下元古界興華渡口巖群、上侏羅統(tǒng)塔木蘭溝組、滿克頭鄂博組和瑪尼吐組4個巖石地層單位。塔木蘭溝組在研究區(qū)北東部有少量出露，為一套陸相中基性火山巖夾沉積巖建造，巖石類型為玄武粗安巖、玄武粗安質(zhì)凝灰?guī)r、含角礫玄武粗安巖等?，斈嵬陆M在研究區(qū)北東部有少量出露，為一套陸相中酸性火山巖建造，巖石組合以中性、中酸性熔巖為主，夾少量中性、中酸性火山碎屑巖，巖石類型有英安巖、安山巖和英安質(zhì)含角礫晶屑凝灰?guī)r和英安質(zhì)含角礫巖屑弱熔結(jié)凝灰?guī)r等。滿克頭鄂博組在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布，整體呈NE向展布，為一套陸相酸性火山巖建造，主要由酸性火山碎屑巖夾流紋巖組成。

1.上侏羅統(tǒng)瑪尼吐組；2.上侏羅統(tǒng)滿克頭鄂博組；3.上侏羅統(tǒng)塔木蘭溝組；4.下元古界興華渡口巖群；5.晚侏羅世細中粒正長花崗巖；6.晚侏羅世細中粒似斑狀二長花崗巖；7.早侏羅世細中粒(含巨斑)似斑狀二長花崗巖；8.早侏羅世中粗粒二長花崗巖；9.早侏羅世中細粒二長花崗巖；10.早侏羅世細中?；◢忛W長巖；11.中元古代花崗質(zhì)片麻雜巖；12.采樣位置及同位素年齡；F1.嘉蔭—牡丹江斷裂；F2.敦化—密山斷裂；F3.伊通—依蘭斷裂；F4.索倫—西拉木倫斷裂；F5.二連—賀根山斷裂；F6.塔源—喜桂圖斷裂。圖1 東北地區(qū)大地構(gòu)造簡圖(a)和研究區(qū)地質(zhì)略圖(b)Fig.1 Tectonic sketch map of Northeast China (a) and simplified geological map of study area (b)------① 黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院.黑龍江1∶25萬漠河縣、漠河、興安幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告.哈爾濱：黑龍江省地質(zhì)資料檔案館,2014.② 黑龍江省地球物理地球化學(xué)勘查院.黑龍江省1∶5萬拜托西河、阿庫塞河、四十公里、面包山、下嘎來奧伊河幅區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查報告.哈爾濱：黑龍江省地質(zhì)資料檔案館,2019.

2 巖相學(xué)特征

巖石類型主要有流紋質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)角礫晶屑巖屑凝灰?guī)r、流紋巖等。

流紋質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r晶屑熔結(jié)凝灰結(jié)構(gòu)，假流動構(gòu)造。晶屑(57%)呈次棱角狀-棱角狀，成分為石英、斜長石及少量的堿性長石、黑云母，大小0.05～3 mm，斜長石絹云母化、碎裂發(fā)育；漿屑(30%)呈撕裂帶狀，定向圍繞晶屑分布，綠泥石化發(fā)育，大小0.2～2.5 mm。火山灰充填，細小難辨(圖2a)。

流紋質(zhì)角礫晶屑巖屑凝灰?guī)r晶屑巖屑凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。角礫(35%)成分為文象花崗巖及少量的安山巖，呈不規(guī)則塊狀、次棱角狀；巖屑(25%)成分為文象花崗巖及少量的安山巖，呈次圓狀、次棱角狀，大小0.2～2 mm；晶屑(20%)成分為石英、堿性長石及少量斜長石，呈次棱角狀-棱角狀，大小0.1～0.5 mm?；鹕交页涮睿佋颇富l(fā)育(圖2b)。

流紋巖斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。斑晶主要為斜長石、堿性長石和黑云母，大小0.6～4 mm。斜長石呈半自形柱狀、板柱狀，含量占5%；堿性長石呈半自形板狀，含量占25%；黑云母呈片狀，含量占5%?；|(zhì)由隱晶的長英質(zhì)組成(圖2c)。

Bre.角礫；Qtz.石英；Kfs.鉀長石；Pl.斜長石。a.流紋質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r；b.流紋質(zhì)角礫晶屑巖屑凝灰?guī)r；c.流紋巖。圖2 滿克頭鄂博組火山巖鏡下顯微照片F(xiàn)ig.2 Photomicrographs of volcanic rocks from Manketou’ebo Formation

3 同位素測年

3.1 分析方法

測年樣品采自研究區(qū)內(nèi)高地林場東17 km滿克頭鄂博組實測剖面P20TC103流紋巖中，取樣位置為122°18′05″E，52°14′47″N，樣品新鮮無蝕變，符合測年條件。鋯石分選由河北省廊坊區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究院地質(zhì)實驗室完成。北京鋯年領(lǐng)航科技有限公司實驗室完成樣品制靶。天津地質(zhì)調(diào)查中心實驗室完成鋯石陰極發(fā)光照相和LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素測定。采用ICP-MS Data Cal程序和Isoplot(Ver 3.0)程序進行數(shù)據(jù)處理,實驗原理和流程見參考文獻[14]。

3.2 測年結(jié)果

測年分析結(jié)果見表1，鋯石外形多呈短柱狀，少數(shù)呈長柱狀，半自形-自形。粒徑55～100 μm，長寬比多為2∶1，顯示明顯的振蕩韻律環(huán)帶(圖3)，鋯石Th/U比值為0.58～2.21，為典型的巖漿鋯石。17個鋯石點分析結(jié)果均分布在諧和線上及其附近(圖4)，測得U-Pb諧和曲線年齡為(149±1) Ma，加權(quán)平均年齡為(148.7±1.1) Ma，二者年齡一致，時代為晚侏羅世。

表1 滿克頭鄂博組流紋巖LA--ICP--MS鋯石U--Pb分析結(jié)果

圖3 滿克頭鄂博組流紋巖鋯石陰極發(fā)光圖像Fig.3 Cathodoluminescence (CL) images of zircons from rhyolite in Manketou’ebo Formation

4 巖石地球化學(xué)特征

4.1 主量元素特征

主量元素分析結(jié)果見表2。ω(SiO2)為75.2%～79.72%；ω(Al2O3)為10.64～13.29%；全堿ω(Na2O+K2O)為5.07%～8.72%；ω(CaO)為0.13%～0.18%；ω(MgO)為0.089%～0.37%；分異指數(shù)(DI)88.35～95.81，固結(jié)指數(shù)(SI)0.87～4.96，表明巖漿分異結(jié)晶程度較高；在TAS圖解(圖5a)中樣品分布在流紋巖區(qū)域；鋁飽和指數(shù)(A/CNK)1.05～2.22，在A/CNK-A/NK圖解(圖5b)中樣品落入弱過鋁質(zhì)區(qū)；在ω(K2O)-ω(Na2O)圖解(圖5c)中，樣品分布在鉀質(zhì)-高鉀質(zhì)區(qū)；在ω(K2O)-ω(SiO2)圖解(圖5d)中，樣品分布在高鉀鈣堿性系列區(qū)。分析結(jié)果表明滿克頭鄂博組火山巖具有弱過鋁質(zhì)、富堿、貧鈣和貧鎂的巖石化學(xué)特征。

表2 滿克頭鄂博組火山巖主量元素和微量元素分析結(jié)果

圖4 流紋巖鋯石U--Pb諧和曲線圖(a)和加權(quán)平均年齡分布圖(b)Fig.4 U--Pb concordant diagram (a) and weighted average distribution diagram (b) of zircons from rhyolite

圖5 研究區(qū)滿克頭鄂博組火山巖地球化學(xué)判別圖解Fig.5 Geochemical discrimination diagrams of volcanic rocks in Manketou’ebo Formation from study area

4.2 稀土、微量元素特征

稀土、微量元素分析結(jié)果見表2，稀土元素總量(ΣREE)為124.32×10-6～189.41×10-6，平均值154.0×10-6；輕稀土總量(ΣLREE)為99.33×10-6～135.93×10-6，平均值118.48×10-6；重稀土總量(ΣHREE)為7.98×10-6～27.67×10-6，平均值14.32×10-6；反映輕重稀土元素分餾程度的LREE/HREE比值為8.72～16.35，平均值10.01；δEu為0.25～0.46，平均值0.34； (La/Yb)N為1.76～17.46， 平均值9.44；稀土元素配分模式圖(圖6a)呈右傾型，輕稀土曲線相對較陡，重稀土曲線相對較平緩，屬于輕稀土富集、重稀土虧損型。

圖6 滿克頭鄂博組火山巖球粒隕石標(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)Fig.6 Chondrite normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle normalized trace element spider diagrams (b) of volcanic rocks in Manketou’ebo Formation

在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖中(圖6b)，曲線總體為右傾鋸齒型，Rb、K、Th、Nd、Ce、Zr、Hf顯示正異常，Ba、Nb、Sr、P、Ti顯示負異常。大離子親石元素(LILE)Rb、K元素相對富集，虧損Sr、Ba，高場強元素(HFSE)Nb、Ta、Ti元素虧損。

5 討論

5.1 形成時代

區(qū)域上滿克頭鄂博組呈角度不整合覆蓋在塔木蘭溝組之上，被瑪尼吐組整合噴發(fā)覆蓋，被白音高老組角度不整合覆蓋。關(guān)于滿克頭鄂博組形成時代，學(xué)者們[2,8,15-24]通過同位素測年提出不同認識。筆者通過歸納整理大興安嶺地區(qū)滿克頭鄂博組高精度LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年結(jié)果(表3)，發(fā)現(xiàn)時代跨度較大，主要為晚侏羅世(160～147 Ma)和早白堊世(145～136 Ma)，王陽[18]認為滿克頭鄂博組火山巖可能存在晚侏羅世與早白堊世兩個活躍期。本次獲取鋯石U-Pb年齡為(149±1) Ma，確定高地林場地區(qū)滿克頭鄂博組火山巖形成時代為晚侏羅世。

表3 大興安嶺地區(qū)滿克頭鄂博組火山巖測年結(jié)果

5.2 巖石成因和巖漿源區(qū)

研究區(qū)滿克頭鄂博組火山巖具有富鋁(平均值12.52%)、富堿(平均值7.5%)、貧鈣和貧鎂的巖石化學(xué)特征。A/CNK值為(1.05～2.22)>1.1，(La/Yb)N值為1.76～17.46，平均值9.44，LREE/HREE比值為8.72～16.35，平均值10.01，顯示A型花崗巖特征。在滿克頭鄂博組火山巖成因類型判別圖解(圖7)中，均落入A型花崗巖區(qū)。

樣品具有較高的SiO2(平均值76.4%)和較低的Cr(平均值7.6×10-6)，顯示殼源巖石地球化學(xué)特征。稀土曲線顯示Eu呈負異常，表示Eu虧損程度的參數(shù)Eu/Sm為0.08～0.12，平均值0.10；δEu為0.25～0.46，平均值0.34，為負異常，表明巖漿源區(qū)有斜長石發(fā)生分離結(jié)晶作用或有斜長石殘留，為上地殼部分熔融形成的巖石。Rb/Sr值范圍為1.44～7.30，平均值為4.04，屬殼源巖漿范圍(>0.5)。微量元素中大離子親石元素(LILE)Rb、K元素相對富集，虧損Sr、Ba，高場強元素(HFSE)Nb、Ta、Ti元素虧損。Sr貧化表明該期火山巖是斜長石分離結(jié)晶后殘余巖漿，Ba隨巖漿分異作用與分離結(jié)晶作用減少。張吉衡[8]對以往資料整理得出，低Sr-Ba類酸性火山巖是由淺部地殼物質(zhì)部分熔融形成的。由此認為，研究區(qū)滿克頭鄂博組火山巖為演化程度較高的部分熔融的地殼物質(zhì)，為殼源巖漿。

圖7 滿克頭鄂博組火山巖成因類型判別圖解Fig.7 Discrimination diagram of genetic types for volcanic rocks in Manketou’ebo Formation

5.3 構(gòu)造環(huán)境分析

在構(gòu)造環(huán)境判別ω(Rb)-ω(Y+Nb)圖解(圖8a)中，樣品投影點多落入火山弧區(qū)并靠近同碰撞區(qū)；ω(Rb)-ω(Yb+Ta)圖解(圖8b)中，樣品投影點多落入同碰撞花崗巖區(qū)并靠近火山弧花崗巖區(qū)。兩個圖解中均有一個樣品落入板內(nèi)區(qū)域且靠近火山弧區(qū)，均表明高地林場地區(qū)滿克頭鄂博組火山巖形成于晚侏羅世造山后的伸展構(gòu)造環(huán)境。

大興安嶺北部及其鄰區(qū)中-晚中生代存在早侏羅世和晚侏羅—早白堊世等期次的巖漿活動[25-27]。近年來，隨著蒙古—鄂霍茨克洋縫合帶研究程度的提高[4-6,15-27]，尤其是蒙古—鄂霍茨克洋存在向南俯沖的確定，越來越多的學(xué)者認為大興安嶺地區(qū)晚中生代的巖漿活動與蒙古—鄂霍茨克洋閉合后的巖石圈伸展環(huán)境密切相關(guān)[28-33]。晚古生代末蒙古—鄂霍茨克洋局部發(fā)生俯沖，晚三疊世開始自西向東呈剪刀式閉合，許文良等[6]將蒙古—鄂霍茨克洋在額爾古納地塊西部閉合時間限定為168 Ma，研究區(qū)滿克頭鄂博組流紋巖形成時間為(149±1) Ma。大興安嶺地區(qū)中生代火山巖總體上具有自西向東時代逐漸變新的趨勢，與蒙古—鄂霍茨克洋閉合特征相符[20]。由此認為，高地林場地區(qū)滿克頭鄂博組火山巖形成的動力學(xué)背景為蒙古—鄂霍次克洋閉合后的巖石圈伸展環(huán)境。

圖8 滿克頭鄂博組火山巖構(gòu)造環(huán)境判別圖解Fig.8 Discrimination diagrams of tectonic setting for volcanic rocks in Manketou’ebo Formation

6 結(jié)論

(1)高地林場地區(qū)滿克頭鄂博組火山巖鋯石U-Pb年齡為(149±1) Ma，形成時代為晚侏羅世。

(2)高地林場地區(qū)滿克頭鄂博組為弱過鋁質(zhì)高鉀鈣堿性系列火山巖，巖漿來源于淺部地殼物質(zhì)的部分熔融，具有殼源巖漿特征。

(3)高地林場地區(qū)滿克頭鄂博組火山巖形成的動力學(xué)背景為蒙古—鄂霍次克洋閉合后的巖石圈伸展環(huán)境。