大興安嶺地區(qū)晚侏羅世大興安嶺中生代兩類流紋巖成因的地球化學(xué)研究

大興安嶺地區(qū)晚侏羅世大興安嶺中生代兩類流紋巖成因的地球化學(xué)研究

大興安嶺火山巖是中國東部中生代火山巖帶的重要組成部分。大地構(gòu)造屬于興蒙造山帶。近年來，對(duì)該地區(qū)中生代火山巖的地質(zhì)勘探取得了很大進(jìn)展。（1）下地殼中的鎂鐵礦巖漿巖通過結(jié)晶分異形成英安巖和流紋巖。（2）從上地幔提取的堿性系列巖漿與下地殼物質(zhì)混合而成。（3）酸性火山巖來自下地殼。流紋巖和安山巖不是同一巖石，而是由不同的基質(zhì)逐漸制備的。（4）從下地殼和上地幔采集的巖漿多次上升到平坦的巖漿層，形成了中生代火山入侵各種巖石?；鹕綆r、次火山巖和高大喬木-成山巖的后代是起源于同一起源相的。（5）30%左右的英云閃長(zhǎng)石片麻巖通過含糊狀物和兩個(gè)風(fēng)紋巖的地球化學(xué)對(duì)比研究，對(duì)其成因提出了新的認(rèn)識(shí)。1酸性火山巖巖石組成大興安嶺中生代火山巖主要發(fā)育于晚侏羅世早白堊世,大致以北緯47°20′劃分為南北兩區(qū).中生代玄武巖類巖石可以劃分為兩個(gè)系列,北區(qū)以堿性玄武巖系列為主,進(jìn)一步劃分為高鈦玄武巖類和低鈦玄武巖類;南區(qū)以亞堿性玄武巖系列為主,包括高鉀鈣堿性系列和低鉀鈣堿性系列.酸性火山巖分別是南區(qū)滿克頭鄂博組(晚侏羅世)、白音高老組和布拉根哈達(dá)組(早白堊世)及北區(qū)吉祥峰組(晚侏羅世)、上庫力組(早白堊世)的重要組成部分.其中,滿克頭鄂博組主要分布于大興安嶺東坡及南北兩巖區(qū)的交界部位,白音高老組分布于大興安嶺主峰一帶,布拉根哈達(dá)組在大興安嶺西坡零星出露;吉祥峰組主要出露于大興安嶺的北部靠近中-俄邊境地帶,上庫力組在北區(qū)廣泛出露(圖1).中-酸性火山巖的主要巖石類型為安山巖、英安巖、流紋巖、松脂巖、珍珠巖、英安質(zhì)-流紋質(zhì)火山凝灰?guī)r及火山角礫巖等.本文分析的樣品分別為北區(qū)上庫力組和南區(qū)白音高老組熔巖.2型流紋巖和型流紋巖大興安嶺流紋巖類雖然多數(shù)都具有斑狀結(jié)構(gòu)和流紋構(gòu)造,但據(jù)微量元素特征可以將其劃分為兩類,分別稱其為型和型流紋巖兩類流紋巖在地球化學(xué)上最顯著的區(qū)分標(biāo)志是,Ⅱ型流紋巖具有強(qiáng)烈的Ba負(fù)異常,而Ⅰ型流紋巖則無Ba負(fù)異常.兩類流紋巖在巖石學(xué)方面的差別表現(xiàn)為:(1)Ⅰ型流紋巖類的斑晶礦物主要為斜長(zhǎng)石、角閃石、黑云母、石英及少量透長(zhǎng)石,其巖石類型為英安巖、斜長(zhǎng)流紋巖和流紋巖;Ⅱ型流紋巖的斑晶礦物則以透長(zhǎng)石和石英為主,含少量斜長(zhǎng)石,其巖石類型為流紋巖.(2)Ⅰ型流紋巖有時(shí)具玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu),構(gòu)成珍珠巖和松脂巖(成分為流紋巖);Ⅱ型流紋巖有時(shí)可見球粒結(jié)構(gòu)和石泡結(jié)構(gòu),形成球粒流紋巖或石泡流紋巖.3常規(guī)濕法分析方法本項(xiàng)研究的元素分析分別由湖北省地質(zhì)中心實(shí)驗(yàn)室和韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所完成.其中主元素為常規(guī)濕法化學(xué)分析;微量元素采用ICP-AES法和ICP-MS法.兩類流紋巖的分析結(jié)果列于表1.3.1型流紋巖類Ⅰ型流紋巖類的w(SiO2)變化范圍較寬(67.30%～78.44%),w(MgO)=0.08%～0.67%,w(CaO)變化于0.16%～1.62%之間(表1).隨著SiO2的增加,其TiO2,Al2O3,CaO,MgO,Fe2O3和P2O5等呈線性降低趨勢(shì).Ⅰ型流紋巖類與鈣堿性系列玄武巖構(gòu)成連續(xù)的演化趨勢(shì)(圖2),暗示結(jié)晶分異作用是該類巖石形成的主要機(jī)制.而K2O,Na2O的離散性較大,可能與后期的K,Na活動(dòng)性有關(guān).與Ⅰ型流紋巖類相比,Ⅱ型流紋巖類的成分相對(duì)較均一.其中,w(SiO2)變化范圍較窄,為75.36%～77.32%;具有較低的w(CaO)和w(MgO)(分別為0.07%～0.45%和0.10%～0.19%).在TAS圖解(圖2)上,該類巖石與堿性系列玄武巖構(gòu)成雙峰式火山巖組合.兩類流紋巖具有明顯不同的化學(xué)成分變異趨勢(shì),暗示二者并非同源巖漿演化的關(guān)系,而可能有不同的起源和成因.3.2型流紋巖類Ⅰ型流紋巖的輕重稀土分餾較強(qiáng),w(La)n/w(Yb)n為11.90～20.70,平均為15.20,銪異常變化較大,δ(Eu)=0.38～0.75.在稀土分布曲線上表現(xiàn)為較明顯的右傾銪負(fù)異常(圖3a).隨著SiO2的增加,該類流紋巖的w(∑REE),w(La)n/w(Yb)n,δ(Eu)及各種稀土元素表現(xiàn)為規(guī)律性降低,即與SiO2為反相關(guān)關(guān)系.與Ⅰ型流紋巖類相比,Ⅱ型流紋巖的輕重稀土分餾程度低(w(La)n/w(Yb)n=5.61～19.21,平均為9.42),具有強(qiáng)烈的銪負(fù)異常,δ(Eu)=0.07～0.29.在稀土分布曲線上為一銪強(qiáng)烈負(fù)異常的、輕重稀土曲線相對(duì)較平緩的分布曲線圖與典型的大陸裂谷流紋巖的稀土曲線完全一致.3.3非造山偏堿性巖石Ⅱ型流紋巖類以低Ba,Sr豐度和高w(Rb)/w(Sr)比值與Ⅰ型流紋巖相區(qū)別.其w(Rb)/w(Sr)比值(平均為10)甚至是A型花崗巖(3.52)的3倍.Zr豐度高于一般的鈣堿性流紋巖,但低于過堿性巖石的Zr含量.上述特征顯示該類流紋巖具有非造山偏堿性巖石的地球化學(xué)特征.在圖4b上,該類流紋巖的所有樣品都具有完全一致的分布曲線,顯示明顯的K,Rb,Th和LREE的正異常及Ba,Sr,P,Ti,Nb負(fù)異常,類似于大陸裂谷堿流巖.4討論和結(jié)論4.1巖石成因4.1.1鐵鎂質(zhì)和斑晶礦物大興安嶺鈣堿性系列玄武巖類與Ⅰ型流紋巖在主量元素、微量元素及礦物組成特征方面具有連續(xù)的演化趨勢(shì),以及具有相同的初始w(87Sr)/w(86Sr)比值(分別為0.7048～0.7051和表明二者為同源巖漿演化關(guān)系其母巖漿來源于富集型地幔源區(qū).巖漿演化早期階段的玄武巖-玄武安山巖-安山巖中含有較多的鐵鎂質(zhì)礦物,如橄欖石、輝石和角閃石,隨著巖漿的演化,橄欖石和輝石逐漸消失,出現(xiàn)角閃石,這一時(shí)期斜長(zhǎng)石一直作為斑晶礦物;從英安巖—斜長(zhǎng)流紋巖—流紋巖,斑晶礦物組合為斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英和黑云母,隨著SiO2的增加,斑晶斜長(zhǎng)石和黑云母的含量逐漸減少,而鉀長(zhǎng)石和石英的含量逐漸增加.上述斑晶礦物組合的變化反映巖漿演化不同階段分離礦物相的變化,暗示鈣堿性玄武巖和Ⅰ型流紋巖的巖石化學(xué)成分和微量元素變化主要受分離礦物相組合變化的制約.從英安巖—斜長(zhǎng)流紋巖—流紋巖,隨著SiO2的增加,CaO,MgO,Al2O3,TiO2,P2O5及K2O和(K2O+Na2O)等均呈明顯的降低趨勢(shì),以及Eu,Sr,P,Ti的負(fù)異常程度和稀土元素豐度與SiO2含量呈反相關(guān)關(guān)系,暗示斜長(zhǎng)石、角閃石、黑云母及磷灰石和鈦鐵氧化物的分離是導(dǎo)致Ⅰ型流紋巖化學(xué)成分變化的主要原因,而且副礦物磷灰石的分離可能對(duì)稀土元素的變化起著重要控制作用.4.1.2型流紋巖的形成環(huán)境Ⅱ型流紋巖雖然具有類似堿流巖的特征,但與堿性系列玄武巖構(gòu)成雙峰式火山巖組合,二者之間存在著明顯的成分間斷,缺少w(SiO2)=58%～75%之間的中-酸性火山巖.Ⅱ型流紋巖具有均一的化學(xué)組成等特征暗示,Ⅱ型流紋巖與堿性系列玄武巖漿分離結(jié)晶作用無關(guān),地殼巖石的部分熔融作用可能是其形成的主要機(jī)制.Ⅱ型流紋巖均一的化學(xué)組成、低鋁(ANCK<1.1)以及低w(87Sr)/w(86Sr)初始比值(0.7058)表明,其源巖不可能是變質(zhì)沉積巖,而可能是來源于地幔的基性巖石.物探及巖石物性資料已經(jīng)證實(shí)大興安嶺下地殼下部主要由鎂鐵質(zhì)巖石組成,可能是Ⅱ型流紋巖的源巖.該類流紋巖明顯富K2O,Rb的特征要求其源巖中含有較多的角閃石和/或黑云母.從這個(gè)意義上說,該類流紋巖的源巖可能是來自地幔的玄武質(zhì)巖漿經(jīng)結(jié)晶、變質(zhì)而成的斜長(zhǎng)角閃巖.興安地塊區(qū)出露變質(zhì)程度最高的巖石為斜長(zhǎng)角閃巖,其w(40Ar)/w(39Ar)坪年齡為541Ma和286Ma,代表兩次熱事件.其中,前一年齡值與古亞洲洋構(gòu)造域開始閉合的時(shí)間一致,后一年齡值與古亞洲洋閉合形成統(tǒng)一大陸的時(shí)間相同.根據(jù)Rb,Sr含量估計(jì)的流紋巖形成深度約為30km,表明來自于地幔的玄武質(zhì)巖漿底侵于30km附近的下地殼,在古亞洲洋的閉合過程中,經(jīng)歷了兩次構(gòu)造熱事件的影響,形成Ⅱ型流紋巖的源巖——斜長(zhǎng)角閃巖.由于Sr,Ba,Eu的晶體化學(xué)性質(zhì)與斜長(zhǎng)石中的Ca2+相似,可以伴隨鈣進(jìn)入斜長(zhǎng)石中,Eu不僅可以進(jìn)入斜長(zhǎng)石,而且在磷灰石中具有極高的分配系數(shù),因而,這些元素在Ⅱ型流紋巖中的分配特征與斜長(zhǎng)石和磷灰石在巖漿形成過程中的行為有關(guān).同一元素在不同性質(zhì)巖漿-礦物體系中的分配系數(shù)有較大的差別,表現(xiàn)出不同的地球化學(xué)行為,如Sr,Ba,Eu在與堿性、中-酸性巖漿平衡的斜長(zhǎng)石中的分配系數(shù)分別為23.4,2.86和1.72,Eu在磷灰石中的分配系數(shù)為27.65.前述的地球化學(xué)特征已經(jīng)揭示該類流紋巖具有偏堿性特征,具有Ba,Sr,Eu,P和Ti的強(qiáng)烈負(fù)異常,因此,源巖在部分熔融過程中要求斜長(zhǎng)石作為殘留相,其次為磷灰石和鈦鐵氧化物,即大興安嶺Ⅱ型流紋巖是斜長(zhǎng)角閃巖非理想熔融的結(jié)果.4.2地潭柱上涌活動(dòng)及其型流紋巖地球化學(xué)特征雖然鈣堿性系列玄武巖-安山巖-流紋巖組合的火山巖一般產(chǎn)在島弧或活動(dòng)大陸邊緣等擠壓性構(gòu)造環(huán)境,但近年來的研究表明,鈣堿性系列火山巖也可以形成于拉伸作用或剪切拉張環(huán)境大興安嶺Ⅱ型流紋巖與堿性系列玄武巖構(gòu)成明顯的雙峰式火山巖組合,類似于大陸裂谷火山巖的特征.Ⅱ型流紋巖與白頭山望天鵝期堿性流紋巖和肯尼亞裂谷堿流巖具有類似的特征暗示,大興安嶺火山巖可能形成于與裂谷相似的拉張性構(gòu)造環(huán)境.與火山巖同時(shí)代的堿性花崗巖的發(fā)育以及變質(zhì)核雜巖的研究結(jié)果也證實(shí)這一時(shí)期該區(qū)處于一種拉張構(gòu)造環(huán)境.最近,林強(qiáng)等、葛文春等通過火山巖的時(shí)空分布特征、古亞洲構(gòu)造域的閉合過程等提出,大興安嶺中生代火山巖的形成與地幔柱構(gòu)造的上升有關(guān).在古亞洲洋的閉合過程中,通過俯沖進(jìn)入地幔深部的大洋巖石圈在670km附近發(fā)生熔融,形成富LREE和LILE的流體,這種流體注入到上覆地幔虧損的橄欖巖中,并與其發(fā)生反應(yīng)而形成富集型地幔源區(qū).富集型地幔在下地幔上涌的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生底辟上升,導(dǎo)致上地幔上隆和上覆巖石圈巖石發(fā)生減薄,形成一種類似于主動(dòng)裂谷的張性構(gòu)造環(huán)境(巖石圈伸展).由于地幔柱上涌導(dǎo)致上覆巖石圈伸展,地幔巖石發(fā)生減壓熔融形成的玄武質(zhì)巖漿上升到下地殼巖漿房中經(jīng)結(jié)晶分異作用形成I型流紋巖巖漿,地幔柱的上涌及玄武質(zhì)巖漿的上侵所提供的熱能促使地殼巖石——斜長(zhǎng)角閃巖發(fā)生非理想熔融而形成Ⅱ型流紋巖巖漿.兩類不同性質(zhì)流紋巖與兩個(gè)系列玄武巖共生,使大興安嶺中生代火山巖具有復(fù)雜的巖石組合及地球化學(xué)特征.綜上所述,大興安嶺中生代廣泛發(fā)育的兩類流紋巖分別是鈣堿性玄武巖巖漿結(jié)晶分異的產(chǎn)物(Ⅰ型)和下地殼斜長(zhǎng)角閃巖非理想熔融的結(jié)果(Ⅱ型),流紋巖類地球化學(xué)特征的復(fù)雜性是其不同來源和成因過程的反映.然而,上述兩類流紋巖在時(shí)間上和空間上緊密伴生,反映殼-幔物質(zhì)在該區(qū)流紋巖的形成過程中都具有重要的地位.地幔柱上涌引起巖石圈伸展是形成大興安嶺中生代流紋巖類具有類似于