南興安嶺地區(qū)晚中生代火山巖成因探討

南興安嶺地區(qū)晚中生代火山巖成因探討

南興安嶺是遼東造山帶的一部分，在東亞陸地邊緣的增生和陸-地碰撞形成。燕山期的巖漿巖分布在該地區(qū)廣泛分布（圖1）。作為北方造山帶最大規(guī)模的中生代火山巖帶,前人曾對(duì)區(qū)域上中生代火山巖做過(guò)系統(tǒng)的研究工作,本文在前人工作基礎(chǔ)上,分析了該火山巖Pb同位素組成,結(jié)合其元素和Sr-Nd同位素地球化學(xué)特征,旨在進(jìn)一步探討南興安嶺地區(qū)晚中生代滿克頭鄂博組和瑪尼吐組火山巖的成因。1火山巖巖石類型南興安嶺地區(qū)位于華北克拉通與西伯利亞地臺(tái)的交接部位,西拉木倫河斷裂以北,賀根山-索倫山蛇綠巖帶以南,屬于東北亞造山帶的一部分(圖1)。晚侏羅世-早白堊世期間,區(qū)域上火山活動(dòng)非常強(qiáng)烈,形成滿克頭鄂博組、瑪尼吐組、梅勒?qǐng)D組和白音高老組等火山巖。其中滿克頭鄂博組具有雙峰式特征,其巖石組合為玄武安山巖和英安-流紋巖;瑪尼吐組和白音高老組則主要為中酸性火山巖組合,巖石類型包括安山巖、英安巖、流紋巖和凝灰?guī)r等;梅勒?qǐng)D組主要為一套中性-基性的安山巖、玄武安山巖和玄武巖組合。本文研究的火山巖樣品分別采自滿克頭鄂博組玄武安山巖-英安巖-流紋巖和瑪尼吐組的英安巖。詳細(xì)的巖相學(xué)、元素地球化學(xué)和Sr-Nd同位素地球化學(xué)特征見(jiàn)郭鋒等和高曉峰等。Pb化學(xué)分離和同位素比值測(cè)量在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所固體同位素地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室MAT262熱電離質(zhì)譜計(jì)上完成,詳細(xì)流程見(jiàn)文獻(xiàn)。Pb同位素比值的分析結(jié)果見(jiàn)表1。2超基性巖pb-5-4在Pb同位素組成上(圖2),滿克頭鄂博組玄武安山巖206Pb/204Pb(i)比值范圍為18.18～18.23,207Pb/204Pb(i)比值為15.53～15.56,208Pb/204Pb(i)比值范圍為38.01～38.11,Δ7/4比值范圍為7.1～9.5,Δ8/4比值范圍為39.1～44.6。滿克頭鄂博組英安巖和流紋巖表現(xiàn)出與玄武安山巖相對(duì)更富集放射成因Pb:206Pb/204Pb(i)=18.16～18.33;207Pb/204Pb(i)=15.52～15.58;208Pb/204Pb(i)=38.02～38.26;Δ7/4=6.0～9.9;Δ8/4=36.2～48.9。而瑪尼吐組埃達(dá)克質(zhì)英安巖則表現(xiàn)出與前兩者略低的放射性Pb同位素組成(206Pb/204Pb(i)=18.15～18.17;207Pb/204Pb(i)=15.47～15.48;208Pb/204Pb(i)=37.79～37.85;Δ7/4=0.6～1.4;Δ8/4=21.3～25.2)。結(jié)合以前報(bào)道的主、微量元素和Sr-Nd同位素?cái)?shù)據(jù):瑪尼吐組埃達(dá)克質(zhì)英安巖具有比滿克頭鄂博組玄武安山巖略低的Sr和高的Nd同位素比值,暗示這兩組火山巖其來(lái)源于不同熔融源區(qū)的產(chǎn)物?？傮w上,這些晚中生代的火山巖都具有正的Δ7/4和Δ8/4值,反映區(qū)域巖石圈總體具有親北方勞亞大陸的屬性。3中酸性火山巖漿體系中nd-pb同位素組成變化對(duì)于大陸巖石圈地幔,俯沖交代和板內(nèi)交代作用都可以形成相對(duì)虧損HFSE而富集LILE、LREE的地幔源區(qū)。在板內(nèi)地幔交代作用過(guò)程中主要包括2種類型:①富CO2流體/熔體交代作用,形成的地幔源區(qū)以高度富集LREE為特征,并隨著時(shí)間演化形成低Nd同位素比值,但受碳酸巖交代的巖石圈地幔以相對(duì)低Sr-Pb同位素比值為特征,且在微量元素蛛網(wǎng)圖上顯示出明顯的Zr-Hf相對(duì)Sm、Eu的虧損;②小比例富堿熔體交代作用,形成的巖石圈地幔則富集LILE,如Rb、K和高Rb/Sr比值,因此隨著時(shí)間演化則形成相當(dāng)高Sr同位素比值的地幔源區(qū),然而這類交代作用形成的地幔源區(qū)HFSE虧損不明顯,甚至不虧損,并且富堿熔體交代地幔形成的是堿性玄武巖。結(jié)合大興安嶺南段地區(qū)晚中生代滿克頭鄂博組低鉀拉斑-鈣堿性玄武質(zhì)安山巖表現(xiàn)出富集LILE、LREE和Zr-Hf相對(duì)REE不虧損元素地球化學(xué)特征,以及稍高的Sr-Pb同位素組成(87Sr/86Sr=0.70488～0.70499;206Pb/204Pb=18.18～18.23)和弱相對(duì)虧損至弱富集的Nd同位素組成(εNd(t)=-0.12～+0.68),說(shuō)明單一的板內(nèi)交代過(guò)程,無(wú)論是富碳酸巖還是富堿熔體/流體都難以解釋這套巖石的Sr-Nd-Pb同位素組成和元素地球化學(xué)特征。在板塊俯沖過(guò)程中,隨著被俯沖洋殼或陸殼達(dá)到含水礦物相的脫水條件,被俯沖作用帶入的沉積物和板片隨即發(fā)生脫水反應(yīng),從而析出相對(duì)虧損HFSE而富集LILE和LREE的流體/熔體,對(duì)上覆的地幔楔進(jìn)行交代作用。由于K、Rb等元素相對(duì)于LREE活動(dòng)性更強(qiáng),更容易進(jìn)入到熔體或流體中,因此由板片析出的交代介質(zhì)將能同時(shí)滿足這些基性火山巖所要求的地幔具有虧損HFSE和略富集LREE的要求。但是俯沖板片析出流體/熔體具有高的Rb/Sr比值,被其交代的地幔楔必然會(huì)具有高的Rb/Sr比值,形成具有較高Sr同位素組成的地幔儲(chǔ)庫(kù)。而滿克頭鄂博組的低鉀拉斑玄武安山巖的Rb/Sr比值較低,由俯沖板片析出流體/熔體交代的地幔楔作為其熔融源區(qū)不合適的。因此,我們認(rèn)為這套巖石的形成與板塊俯沖作用密切相關(guān),但其熔融地幔源區(qū)應(yīng)該存在俯沖沉積物的貢獻(xiàn),可能主要為沉積物流體的貢獻(xiàn)。來(lái)自大興安嶺地區(qū)基性火山巖和蛇綠巖的研究資料顯示,晚中生代期間區(qū)域上不存在大洋板塊俯沖作用,然而古亞洲洋在古生代-早中生代期間的消減閉合,南興安嶺地區(qū)地幔富集過(guò)程可能是此地質(zhì)事件的響應(yīng)。滿克頭鄂博組英安巖和流紋巖相對(duì)玄武山巖具有較高的SiO2含量及低MgO、FeO*、Al2O3和高CaO、K2O+Na2O。顯示出一定的結(jié)晶分異作用的發(fā)生,但該組中酸性火山巖總體上較玄武安山巖稍高Sr、Pb和低Nd同位素比值,也顯示出一定的地殼混染或者同化混染作用的影響。因此,選擇同組玄武安山巖來(lái)近似代表母巖漿的同位素組成,將文獻(xiàn)分析的片巖樣品近似代表上地殼來(lái)計(jì)算AFC過(guò)程對(duì)這些中酸性火山巖漿演化的可能影響。Sr、Nd、Pb的分配系數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)測(cè)定的中酸性巖漿體系的總體分配系數(shù),斜長(zhǎng)石為主要分離結(jié)晶相,估計(jì)的Sr總體分配系數(shù)KD(Sr)為1.2,KD(Nd)為0.7,KD(Pb)為0.7。計(jì)算結(jié)果顯示,當(dāng)r(混染速率/分離結(jié)晶速率之比)為0.25時(shí),其殘余巖漿F變化在30%～80%之間可以較好地模擬這些中酸性火山巖的Sr-Nd-Pb同位素組成變化特征(圖3)。模擬計(jì)算的各端元組分見(jiàn)表2?，斈嵬陆M英安巖表現(xiàn)出與同期的滿克頭鄂博組玄武安山巖更低的Sr、Pb和高的Nd同位素比值,因此很難用玄武巖漿的分異作用或AFC過(guò)程來(lái)解釋。近年來(lái)對(duì)大陸造山帶和陸內(nèi)中酸性火山巖,尤其是具有類似于現(xiàn)代俯沖帶adakite巖微量元素特征的酸性火山巖的研究表明,該類巖石可以由加厚的地殼或拆沉的下地殼基性巖石部分熔融形成。來(lái)自瑪尼吐組英安巖的主、微量元素特征顯示它們與高壓條件下變基性火成巖的熔體具有相似的特征,如高SiO2、Al2O3、富Na2O,低MgO、Cr、Ni和高Sr、低Y和HREE的特征。另外對(duì)賀根山蛇綠巖-霍林郭勒-小興安嶺一帶的變質(zhì)雜巖的研究表明華北-蒙古陸塊的碰撞時(shí)間在印支期已經(jīng)完成,在南興安嶺地區(qū)并不存在晚中生代大洋板片俯沖作用。根據(jù)以上地質(zhì)事實(shí),我們傾向認(rèn)為這些具有與現(xiàn)代adakite相似元素地球化學(xué)特征的瑪尼吐組英安巖為造山帶大陸地殼鎂鐵質(zhì)巖石的部分熔融產(chǎn)物,而同期的玄武巖漿很可能為這些巖石的熔融提供熱源。在熔融原巖方面,其相對(duì)富Na2O和低K2O的特征說(shuō)明它們很可能為拉斑-鈣堿性玄武巖,如古生代大石寨玄武巖,加上一部分陸殼物質(zhì)組成(以區(qū)域出露的片麻巖和片巖為代表)。這些不同端元的混合可以解釋這些英安巖的Sr-Nd-Pb同位素組成。計(jì)算結(jié)果表明大約75%～80%的大石寨組島弧玄武巖加上約20%～25%的陸殼物質(zhì)能模擬出目前所觀察到的瑪吐尼組英安巖的Sr-Nd-Pb同位素組成(圖3)。4英安-流紋巖巖漿與機(jī)制(1)南興安嶺地區(qū)滿克頭鄂博組富集LILE、LREE和HFSE虧損以及稍高Sr、Pb和弱虧損至弱富集Nd同位素玄武質(zhì)安山巖來(lái)源于俯沖沉積物改造的的富集巖石圈地幔,其形成很可能與古亞洲洋在古生代-早中生代的消減閉合作用相關(guān)。(2)滿克頭鄂博組的英安-流紋巖在空間上與基性火山巖共生,在主、微量元素上與同期玄