內(nèi)蒙古牙爾蓋地區(qū)晚中生代火山巖地球化學(xué)特征及構(gòu)造環(huán)境

[摘要]牙爾蓋地區(qū)中生代火山巖表現(xiàn)為高鉀鈣堿性系列，本文通過對(duì)其進(jìn)行巖相學(xué)、巖石地球化學(xué)分析，認(rèn)為區(qū)內(nèi)火山巖原始巖漿來源為殼源，形成于蒙古-鄂霍次克洋閉合過程中的大陸弧碰撞環(huán)境，但在靠近大陸一側(cè)見有鉀玄巖系列巖石出現(xiàn)，反映溝-弧-盆體系俯沖帶向大陸發(fā)展影響到的最遠(yuǎn)位置。

[關(guān)鍵詞]晚中生代火山巖；地球化學(xué)特征；構(gòu)造環(huán)境；牙爾蓋

[基金項(xiàng)目]內(nèi)蒙古地質(zhì)勘查基金項(xiàng)目：項(xiàng)目編號(hào)：NMKD2013-09

內(nèi)蒙古牙爾蓋地區(qū)位于大興安嶺增生造山帶北段西坡，地處大興安嶺隆起與海拉爾坳陷的銜接部位。中生代期間大興安嶺增生造山帶經(jīng)歷了環(huán)太平洋構(gòu)造體系和蒙古-鄂霍次克海構(gòu)造體系的雙重疊加和改造[1]，巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈且火山巖分布廣泛，形成東北地區(qū)三大火山巖帶之一———西部環(huán)大興安嶺火山巖帶，是研究中亞蒙古造山帶東段中生代造山作用疊加、復(fù)合和改造的理想?yún)^(qū)域[2，3]。筆者統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)主要期刊近年來關(guān)于大興安嶺地區(qū)中生代火山巖的地球化學(xué)特征，多數(shù)文獻(xiàn)表明該區(qū)中生代火山巖屬鈣堿性系列[4-17]，產(chǎn)出環(huán)境為削減帶、島弧或者邊緣海盆地（低鉀），其形成受蒙古-鄂霍茨克洋閉合作用的影響，少數(shù)文獻(xiàn)認(rèn)為系受古太平洋俯沖作用的影響；另有文獻(xiàn)顯示中段柴河地區(qū)瑪尼吐組火山巖屬鉀玄巖系列，形成于蒙古-鄂霍次克洋閉合后的巖石圈伸展構(gòu)造環(huán)境[12]。筆者主持的內(nèi)蒙古呼倫貝爾市牙爾蓋等兩幅1∶5萬區(qū)域礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目，在巖石化學(xué)圖解中樣品大多落在鈣堿性系列，個(gè)別樣品落入鉀玄巖系列，本文利用鉀玄巖系列巖石對(duì)構(gòu)造環(huán)境研究特有的指示作用[18]，更精準(zhǔn)地論證了牙爾蓋地區(qū)中生代火山巖的構(gòu)造環(huán)境，并對(duì)其巖漿成因和源區(qū)性質(zhì)作了探討。

1.區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于興安地塊西北緣，北與喜桂圖-塔源深大斷裂緊鄰，南與賀根山-黑河縫合帶相望。中生代火山巖廣泛分布于布特陶勒蓋向斜和哈布楚渾迪背斜兩翼（圖1），系一套陸相火山熔巖、火山碎屑巖組合，其間夾有少量碎屑沉積巖。整個(gè)火山活動(dòng)可劃分為兩個(gè)噴發(fā)旋回———晚侏羅世旋回和早白堊世旋回，火山活動(dòng)方式均以噴溢為主兼有爆發(fā)，熔巖表現(xiàn)出中性-酸性-基性的變化特征，對(duì)應(yīng)地層分屬于興安嶺群侏羅系上統(tǒng)瑪尼吐組（J3mn）、白音高老組（J3b）和白堊系下統(tǒng)梅勒?qǐng)D組（K1m），屬于大興安嶺火山巖帶南區(qū)[19]?，斈嵬陆M（J3mn）巖石組合為安山巖、英安巖、安山質(zhì)火山碎屑巖。白音高老組（J3b）巖石組合為流紋巖（夾軸粒流紋巖、珍珠巖）、流紋質(zhì)火山碎屑巖、火山碎屑巖夾碎屑沉積巖。梅勒?qǐng)D組（K1m）巖石組合為玄武巖、玄武安山巖、玄武質(zhì)凝灰角礫巖。研究區(qū)褶皺與斷裂均較發(fā)育，褶皺有布特陶勒蓋向斜和哈布楚渾迪背斜，斷裂主要為北東向、次為北西向和北北東向，多數(shù)表現(xiàn)為壓性，少數(shù)為張性。區(qū)內(nèi)晚石炭世侵入巖發(fā)育，巖性主要為正長(zhǎng)花崗巖、斜長(zhǎng)花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖，構(gòu)成哈布楚渾迪背斜核部，中生代火山巖對(duì)稱分布于哈布楚渾迪背斜兩翼，地層展布與區(qū)域構(gòu)造線方向一致，在哈布楚渾迪向斜南東翼瑪尼吐組發(fā)育有火山口。

2.巖相學(xué)特征

本次研究主要選取研究區(qū)內(nèi)中生代火山熔巖樣品進(jìn)行巖石化學(xué)分析，每套樣品均配有薄片鑒定，結(jié)果如下：

瑪尼吐組（J3mn）

安山巖：巖石新鮮面呈黑灰色，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，基質(zhì)呈交織結(jié)構(gòu)。斑晶礦物成分為斜長(zhǎng)石，含量10%，呈柱狀、板狀，邊緣溶蝕狀圓滑狀，聚片雙晶發(fā)育，粒徑0.6～2mm，表面蝕變常見碳酸鹽化；基質(zhì)由斜長(zhǎng)石微晶和磁鐵礦微粒組成，含量90%。斜長(zhǎng)石微晶呈定向或半定向排列，粒間分布有碳酸鹽微粒和磁鐵礦細(xì)小顆粒。

英安巖：巖石新鮮面呈灰綠色，顯微晶斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。由斑晶（12%）和基質(zhì)（88%）組成。斑晶礦物成分為斜長(zhǎng)石（6%）、黑云母（4%）和鉀長(zhǎng)石（2%），斜長(zhǎng)石斑晶可見聚片雙晶，黑云母解理隙內(nèi)見有黑色鐵質(zhì)析出，鉀長(zhǎng)石斑晶個(gè)別具有卡斯巴雙晶?；|(zhì)為大量的微晶狀長(zhǎng)英質(zhì)集合體。

白音高老組（J3b）

紫紅色流紋巖：巖石新鮮面呈淺肉紅色，顯微晶斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。由斑晶（15%）和基質(zhì)（85%）組成。斑晶礦物成分分別為斜長(zhǎng)石（2%）、黑云母（4%）、鉀長(zhǎng)石（6%）和石英（3%），其中斜長(zhǎng)石斑晶具聚片雙晶，黑云母解理隙內(nèi)見有黑色鐵質(zhì)析出?；|(zhì)為大量的微晶狀長(zhǎng)英質(zhì)集合體密集分布，其中有少量纖維狀長(zhǎng)英質(zhì)集合體正交鏡下呈波狀、黑十字消光，形成較完好的球粒，直徑<0.2mm。

軸粒流紋巖：巖石新鮮面呈紫紅色，斑狀結(jié)構(gòu)，基質(zhì)軸粒結(jié)構(gòu)，流紋構(gòu)造。巖石斑晶由堿性長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石組成，堿性長(zhǎng)石為正長(zhǎng)石和透長(zhǎng)石，呈柱狀、板狀，邊緣溶蝕狀圓滑狀，具卡式雙晶，粒徑0.6～1.5mm。斜長(zhǎng)石呈柱狀，聚片雙晶發(fā)育，粒徑0.3～1mm?；|(zhì)具軸粒結(jié)構(gòu)，主要由隱晶質(zhì)和霏細(xì)質(zhì)組成。由長(zhǎng)英質(zhì)組成的霏細(xì)質(zhì)沿軸線方向呈羽狀或束狀散射生長(zhǎng)，其長(zhǎng)軸方向定向分布，軸粒之間為隱晶質(zhì)或霏細(xì)質(zhì)，它們相間定向排列，構(gòu)成流紋構(gòu)造。

珍珠巖：新鮮面呈灰綠色，斑狀結(jié)構(gòu)，基質(zhì)玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)，珍珠構(gòu)造。斑晶含量少（5%），礦物成分分別為鉀長(zhǎng)石（2%）、斜長(zhǎng)石（2%）和石英（1%），鉀長(zhǎng)石具卡式雙晶，斜長(zhǎng)石聚片雙晶發(fā)育，石英表面碎裂紋發(fā)育。基質(zhì)主要由大量弧形或半圓形同心狀玻璃質(zhì)和球粒組成。

梅勒?qǐng)D組（K1m）

玄武巖：巖石新鮮面呈深灰色，鏡下呈交織斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石斑晶（3%）礦物成分為斜長(zhǎng)石（2%）和輝石（1%）。基質(zhì)為自形長(zhǎng)條狀、板柱狀、針柱狀斜長(zhǎng)石微晶，半定向-雜亂密集排列，在其近三角形的間隙中，分布柱粒狀輝石，此外見有黑色粒狀、微細(xì)粒磁鐵礦零散分布。交織結(jié)構(gòu)說明該玄武巖屬于向安山巖過渡的類型。

3.巖石地球化學(xué)特征

3.1樣品測(cè)試方法

本次用于全巖主量元素、微量元素、稀土元素測(cè)試的中生代火山巖代表性熔巖樣品各8件，對(duì)應(yīng)樣品采自同一地質(zhì)單元同一露頭，由5塊以上小塊巖石組合而成。所有樣品均委托呼倫貝爾市原野測(cè)試有限責(zé)任公司承擔(dān)。主量元素分別運(yùn)用重量法、容量法、可見分光光度法和原子吸收分光光度法等進(jìn)行測(cè)試，采用高溫箱式電阻爐（SX2-4-10）、50mL滴定管、可見分光光度計(jì)（723N）和原子吸收分光光度計(jì)（GGX-610）等儀器，檢測(cè)依據(jù)為GB/T14506.3-2010硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法，分別用于測(cè)定SiO2、LOI，Al2O3、CaO、MgO、FeO，TiO、Fe2O3、MnO、P2O5和K2O、Na2O。微量元素和稀土元素的測(cè)試，除Zr、Hf運(yùn)用X射線熒光光譜法（XRF），測(cè)試儀器型號(hào)為AxiosmAX外，其余均運(yùn)用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS），微量元素測(cè)試儀器為PE-Nexion300Q，稀土元素測(cè)試儀器為PE-Nexion350Q[19]。表1列出了所有樣品巖石地球化學(xué)分析結(jié)果及特征參數(shù)值。

3.2主量元素化學(xué)特征

三套地層樣品主量元素特征如下：SiO2含量54.02%～72.82%，Al2O3含量11.12%～17.87%；K2O為3.31%～5.67%，Na2O為2.18%～5.99%，全堿含量Alk為6.60%～10.05%，K/Na值為0.52～1.61，里特曼指數(shù)（σ）為1.35～4.82，鋁飽和指數(shù)A/CNK為0.77～1.14。8號(hào)樣點(diǎn)SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高（57.11%），說明研究區(qū)梅勒?qǐng)D組玄武巖在化學(xué)成分上已趨于向安山巖過渡，這一點(diǎn)與鏡下鑒定該玄武巖呈交織結(jié)構(gòu)的結(jié)論吻合。

根據(jù)陽離子標(biāo)準(zhǔn)礦物計(jì)算值Ol’-Q’-Ne’圖解（圖2a），所有樣點(diǎn)均落在亞堿性系列區(qū)；在亞堿性火山巖分類K2O-SiO2圖解（圖2b），3、4、6、7四個(gè)樣點(diǎn)落入高鉀鈣堿性系列區(qū)，1、2、5、8四個(gè)樣點(diǎn)則落入了鉀玄巖系列區(qū)。由于鉀玄巖系列屬于造山帶巖石，為驗(yàn)證研究區(qū)內(nèi)是否存在鉀玄巖系列巖石組合，筆者根據(jù)研究區(qū)構(gòu)造環(huán)境判斷結(jié)果（參見第4節(jié)，圖4），利用適于造山帶火山巖的SiO2-（K2O/Na2O）圖解（圖2c）作投影，發(fā)現(xiàn)僅2號(hào)樣點(diǎn)落入鉀玄巖系列的粗面巖區(qū)，而1、8號(hào)樣點(diǎn)落在高鉀玄武安山巖和高鉀安山巖區(qū)，5號(hào)樣點(diǎn)與3、4、6、7號(hào)樣點(diǎn)均落在高鉀流紋巖區(qū)。從廣義上講，鉀玄巖系列其實(shí)也屬于高鉀鈣堿性系列[19]。所以，雖然2號(hào)樣品處于高鉀鈣堿性系列和鉀玄巖系列分界線附近鉀玄巖系列一側(cè)，但整個(gè)巖石仍可歸屬于高鉀鈣堿性系列。鉀玄巖系列巖石的出現(xiàn)，對(duì)于巖石產(chǎn)出構(gòu)造環(huán)境的研究具有特定的指示意義[20]。在火山巖A/NK-A/CNK圖解上（圖2d），1、2、5、6、8五個(gè)樣點(diǎn)落入偏鋁質(zhì)區(qū)，3、4、7三個(gè)樣點(diǎn)落入過鋁質(zhì)區(qū)。

綜合巖石造巖元素含量特征與巖石各類組合參數(shù)圖解（圖2），三套地層中的熔巖均表現(xiàn)為高硅、高堿、富鉀的特征，巖石整體屬于高鉀鈣堿性系列，瑪尼吐組（J3mn）巖石屬偏鋁質(zhì)中性巖類，白音高老組（J3b）巖石屬偏鋁質(zhì)-過鋁質(zhì)酸性巖類，梅勒?qǐng)D組（K1m）巖石屬偏鋁質(zhì)基性巖類。

3.3稀土元素化學(xué)特征

樣品稀土總量（∑REE）114.64×10-6～240.57×10-6，輕稀土含量（∑LREE）102.32×10-6～222.45×10-6，重稀土含量（∑HREE）11.50×10-6～19.09×10-6（表1）。三套地層稀土元素配分型式一致，曲線總體呈一組右傾密集平行曲線，輕稀土斜率較大，呈富集型，重稀土近似平坦（圖3a）。輕重稀土元素比值LR/HR=7.85～12.28，稀土分餾系數(shù)（La/Yb）N=7.11～14.13，輕稀土分餾系數(shù)（La/Sm）N=2.74～4.71，重稀土分餾系數(shù)（Gd/Yb）N=1.11～2.96，區(qū)內(nèi)稀土元素呈現(xiàn)輕稀土強(qiáng)富集、分餾明顯，重稀土元素弱富集、分餾不明顯的特征。δEu=0.47～0.80，表現(xiàn)為中等程度虧損，不同程度銪負(fù)異常說明巖漿源區(qū)的殘留相里富有斜長(zhǎng)石，巖漿源區(qū)深淺不一，而重稀土呈現(xiàn)平坦型則說明巖漿源區(qū)殘留相里無石榴石。

3.4微量元素化學(xué)特征

根據(jù)研究區(qū)微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖（圖3b），三套地層大離子親石元素Rb、Ba、K和LREE的豐度值偏高，Sr元素豐度值變化較大，多數(shù)樣品表現(xiàn)為虧損，與δEu負(fù)異常相吻合，指示分離結(jié)晶后巖漿源區(qū)殘留相中斜長(zhǎng)石含量的增加，證明發(fā)生了以斜長(zhǎng)石為主的分離結(jié)晶作用；高場(chǎng)強(qiáng)元素Zr、Hf豐度值正常，Nb、Ta、Ti表現(xiàn)為虧損，其中Nb、Ta曲線形態(tài)表現(xiàn)為“槽”，反映出正?；鹕交』鹕綆r的特征，說明研究區(qū)中生代火山巖在蒙古-鄂霍茨克洋向南俯沖的過程中間，具有大陸地殼物質(zhì)的參與。三者Nb/Ta比值的平均值偏低，依次為18.25、15.33和14.73，說明源區(qū)參與巖漿缺乏角閃石的存在。耐火度Mg#值極低，介于0.05～0.38之間，反映巖漿來源為殼源而非幔源。

4.討論

4.1構(gòu)造環(huán)境分析

在火山巖lgτ-lgo圖解（圖4）上，白音高老組、梅勒?qǐng)D組樣品投影于消減帶火山巖區(qū)（島弧及大陸邊緣?。斈嵬陆M火山巖樣品投影于消減帶演化的堿性火山巖區(qū)（1號(hào)）或其與消減帶火山巖區(qū)的分界線附近（2號(hào)）。根據(jù)Jakes（1972）提出的劃分島弧與大陸邊緣弧的方案，研究區(qū)中生代火山巖SiO2含量為54.02%～72.82%，除1號(hào)樣品外，均介于56%～75%之間。樣品FeO*/MgO比值為3.22～34.28，符合大陸邊緣弧>2.0的要求，K2O/Na2O比值為0.52～1.61，除4號(hào)樣品外，均滿足大陸邊緣弧>0.6的要求，僅K2O的含量整體偏高。由于研究區(qū)中生代火山巖基本屬于鈣堿性系列，據(jù)此可推斷巖石的產(chǎn)出環(huán)境整體為大陸邊緣弧的中心。2號(hào)樣品屬于鉀玄巖系列，可進(jìn)一步說明晚侏羅世巖石產(chǎn)出環(huán)境應(yīng)位于大陸邊緣弧靠近大陸一側(cè)，它反映的是溝-弧-盆體系中俯沖帶向大陸俯沖能夠影響到的最遠(yuǎn)位置。

綜上分析，研究區(qū)中生代火山巖樣品產(chǎn)出環(huán)境基本為大陸邊緣弧環(huán)境，區(qū)內(nèi)巖石組合表現(xiàn)為高鉀鈣堿性系列，但在靠近大陸一側(cè)見有鉀玄巖系列巖石出現(xiàn)。

4.2源區(qū)性質(zhì)及巖石成因分析

研究區(qū)中生代火山巖表現(xiàn)為富集大離子親石元素Rb、Ba、K，虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb、P、Ti，據(jù)此可判斷巖漿源區(qū)為陸殼物質(zhì)或者俯沖流體交代的巖石圈地幔[21]。過親巖漿元素Cr、Co、Ni和Mg#值較低，不具地幔成因的特征。另據(jù)元素特征比值來看，Ti/Zr比值介于6.44～17.57之間（<20），位于殼源巖漿范圍內(nèi)[22]；Rb/Sr比值介于0.10～4.45之間，明顯高于洋脊玄武巖E-M0RB（0.033）、原始地幔PM（0.03）和洋島玄武巖0IB（0.047）的Rb/Sr值[23]。合以上火山巖微量元素特征，顯示原始巖漿應(yīng)為殼源，與地殼巖石的部分熔融有關(guān)。

研究區(qū)晚侏羅世火山巖形成的構(gòu)造環(huán)境為大陸邊緣弧，隨著蒙古-鄂霍次克洋向南俯沖，造山作用開始，至早白堊世蒙古-鄂霍次克洋關(guān)閉時(shí)，造山作用向后造山作用轉(zhuǎn)變[24]。在蒙古-鄂霍次克洋向南俯沖削減的過程中，地幔分離玄武巖漿注入大陸，使陸殼發(fā)生再熔融，且陸殼熔融帶不斷增厚，致使最終形成中生代火山巖系。根據(jù)研究區(qū)鈣堿性系列富堿、高鉀的特征，可以推測(cè)火山弧形成時(shí)卷入的俯沖洋殼數(shù)量已經(jīng)減少，火山弧成熟度較高，研究區(qū)甚至出現(xiàn)了鉀玄巖系列巖石，是俯沖帶距離海溝最遠(yuǎn)的地方。另一方面，古太平洋板塊向歐亞板塊俯沖雖然始于早侏羅世，但其作用范圍主要限于松遼盆地以東地區(qū)[25]，向西俯沖時(shí)間主要集中于中白堊世[26]，對(duì)研究區(qū)巖石組合的形成影響不大，但隨著蒙古-鄂霍次克洋造山作用的消失和中白堊世太平洋向西兩次短期的俯沖[26]，對(duì)研究區(qū)中生代火山巖的構(gòu)造展布仍然深受其影響。

5.結(jié)論

（1）研究區(qū)中生代火山巖屬于高鉀鈣堿性系列、偏鋁質(zhì)-過鋁質(zhì)，從晚侏羅世瑪尼吐組、白音高老組到早白堊世梅勒?qǐng)D組，依次表現(xiàn)為中性、酸性和基性巖石。其中瑪尼吐組含有鉀玄巖系列的安山巖，是大陸邊緣火山弧的巖石組合之一，產(chǎn)自大陸邊緣弧靠近大陸一側(cè)，是溝-弧-盆體系俯沖帶向大陸發(fā)展能影響到的最遠(yuǎn)位置。

（2）區(qū)內(nèi)稀土元素呈現(xiàn)輕稀土強(qiáng)富集、分餾明顯，重稀土元素弱富集、分餾不明顯的特征。微量元素特征及比值顯示巖漿源區(qū)為殼源。δEu具有中等程度虧損，表明巖漿源區(qū)深淺不一。

（3）巖石微量元素分析表明，研究區(qū)原始巖漿發(fā)生了以斜長(zhǎng)石為主的分離結(jié)晶作用，在蒙古-鄂霍茨克洋向南俯沖的過程中間，巖漿的形成具有大陸地殼物質(zhì)的參與。

（4）研究區(qū)中生代火山巖形成的構(gòu)造環(huán)境為大陸邊緣弧，其形成主要受蒙古-鄂霍次克洋閉合造山作用的控制，推測(cè)僅在后期受太平洋俯沖的影響。

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