大興安嶺晚中生代火山巖地幔源區(qū)組分的地球化學(xué)特征

大興安嶺晚中生代火山巖地幔源區(qū)組分的地球化學(xué)特征

在中國(guó)東北部及其周邊地區(qū)，如蒙古東南部、俄羅斯遠(yuǎn)東、西伯利亞和韓國(guó)東部廣泛分布的晚中生代火山巖中，這些火山巖構(gòu)成了中國(guó)東北部新興火山巖的大區(qū)域。從地形上看，東北晚中生代火山巖形成于古代亞洲古構(gòu)造區(qū)和中生代-太平洋構(gòu)造區(qū)的重疊區(qū)（邵紀(jì)安等人，1997）。對(duì)這些火山巖的研究無(wú)疑有助于了解該地區(qū)的構(gòu)造發(fā)育以及這種大規(guī)?；鹕綆r活動(dòng)的構(gòu)造背景。中國(guó)科學(xué)家對(duì)東北晚中生代火山巖做了大量的研究，并對(duì)其起源和構(gòu)造背景提出了不同的方法。例如，地幔柱形成模式（林強(qiáng)等，1998；葛文春等，1999）、古代亞洲陽(yáng)和蒙古鄂霍次克海關(guān)閉的盆地構(gòu)造模式（范濤等，2003；穆格，2003）、太平洋板塊延伸構(gòu)造模式（趙龍等，1989；趙岳等，1994）以及板塊伸展構(gòu)造模式的擴(kuò)展（邵繼安等，1999）。同時(shí)，作者強(qiáng)調(diào)，該地區(qū)是在中國(guó)北部和西伯利亞板塊之間的古地形上形成的（邵繼安等，90；邵繼安、1991；張潔飛等，2000）。根據(jù)該系統(tǒng)的地球化學(xué)特征，它可以用來(lái)描述大陸巖石圈的深層物質(zhì)組成特征和深部地殼動(dòng)力學(xué)過(guò)程，并指示各種古地形的性質(zhì)。然而，到目前為止，還沒(méi)有系統(tǒng)的地球化學(xué)證據(jù)，尤其是缺乏系統(tǒng)的地幔剖面。大陸巖石圈的地球化學(xué)特征可以用來(lái)捕捉大陸巖石圈的深部物質(zhì)特征的性質(zhì)，并描述大陸巖石圈的深部地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程。該性質(zhì)。根據(jù)大興安嶺塔河地區(qū)和西烏珠木沁旗地區(qū)（以下簡(jiǎn)稱西烏地區(qū)）以及這一古老地形的系統(tǒng)碳?xì)浠辖鸬V床的性質(zhì)。上述結(jié)果表明，對(duì)研究該區(qū)中生代火山巖的成因及其地球動(dòng)力學(xué)的背景具有重要意義。該地區(qū)的部分火山巖可能生長(zhǎng)在造山帶的古地形上。同時(shí)，對(duì)興蒙造山帶古地形的存在及其位置提供了明確的深部地球化學(xué)限制。中國(guó)科學(xué)家。1晚三疊世-早白堊世火山-塔河巖巖石學(xué)特征東北火山巖區(qū)位于古生代中亞造山帶東段的興蒙造山帶中,中亞造山帶是在古亞洲洋俯沖閉合過(guò)程中不同來(lái)源不同性質(zhì)的地體拼合而成的典型的增生型造山帶,同時(shí)也是地球上顯生宙新生陸殼增長(zhǎng)最為顯著的地區(qū)(Seng?retal.,1993;Jahnetal.,2000).自晚古生代至早中生代該區(qū)經(jīng)歷了古亞洲洋、蒙古-鄂霍次克海的封閉以及華北板塊與西伯利亞板塊的最終拼貼.索倫-西拉木倫-長(zhǎng)春-延吉構(gòu)造帶和蒙古-鄂霍茨克帶是區(qū)內(nèi)最重要的兩條縫合帶,前者是在晚二疊世-早三疊世中間地塊群與華北板塊碰撞形成的,后者形成于晚三疊世-早白堊世,標(biāo)志著與中間地塊群拼合后的華北板塊與西伯利亞板塊的最終拼合.大興安嶺北段古生代地層出露很少,大面積分布的是中生代火山巖和侵入巖,晚侏羅世-早白堊世火山活動(dòng)非常強(qiáng)烈,火山巖地層自下而上分別為塔木蘭溝組、吉祥峰組、木瑞組、上庫(kù)力組和伊列克得組.這套火山巖的時(shí)代過(guò)去多被認(rèn)為是晚侏羅世(內(nèi)蒙古地質(zhì)礦產(chǎn)局,1991),最新的火山巖年齡研究認(rèn)為晚侏羅世火山巖僅局部地分布在滿洲里地區(qū),而大范圍分布的火山巖的時(shí)代主要為白堊紀(jì)(Zhangetal.,2008).塔河地區(qū)位于大興安嶺的北西側(cè),而西烏地區(qū)分布于大興安嶺的中部(圖1).塔河火山巖的采樣主要是沿著翠崗-塔河-盤古的公路采樣,所采樣品新鮮,致密塊狀構(gòu)造,顏色為灰色、灰綠色和黑色.巖石具斑狀結(jié)構(gòu),主要斑晶為單斜輝石、少量橄欖石和長(zhǎng)石,基質(zhì)為隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),另有少量暗色不透明礦物,主要巖石類型為玄武質(zhì)安山巖.西烏地區(qū)為草原覆蓋區(qū),巖石露頭較少,本次樣品采自猴頭廟地區(qū),樣品新鮮,致密塊狀構(gòu)造.巖石具斑狀結(jié)構(gòu),主要斑晶為單斜輝石、橄欖石和長(zhǎng)石,基質(zhì)為隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu).2樣品和分析方法主量元素采用X熒光光譜法.將樣品粉末與四硼酸鋰均勻混合,高溫下熔成玻璃片,在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所ShimadzuXRF熒光光譜儀上測(cè)試.元素分析精度優(yōu)于2%～3%.微量元素采用酸溶法,制備好的樣品溶液在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的FinniganElementⅡ型ICP-MS測(cè)試,微量元素含量大于10×10-6μg/g的精度優(yōu)于5%,小于10×10-6μg/g的元素精度優(yōu)于10%.鍶、釹同位素分析采用傳統(tǒng)的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂法分別分離富集Sr和Nd元素,采用146Nd/144Nd=0.7219和86Sr/88Sr=0.1194標(biāo)準(zhǔn)化校正測(cè)得的Nd和Sr同位素比值.Nd和Sr同位素國(guó)際標(biāo)樣AMS和NBS987的測(cè)試值分別為143Nd/144Nd=0.512139±18(2σ,n=28)和87Sr/86Sr=0.710255±16(2σ,n=33).鉛同位素采用陰離子交換樹(shù)脂來(lái)分離富集,鉛國(guó)際標(biāo)樣NBS981的測(cè)定結(jié)果為207Pb/206Pb=0.9139±4(2σ,n=65),上述同位素測(cè)試在FinniganMat262固體表面熱電離質(zhì)譜計(jì)上完成.在進(jìn)行鉿同位素分析時(shí),先用類似與主量元素分析方法制備玻璃片,制成的玻璃片用鹽酸分解,Hf的分離采用改進(jìn)型單柱方法(李獻(xiàn)華等,2005),Hf同位素的測(cè)試用FinniganNeptune多接收器等離子體質(zhì)譜計(jì)(MC-ICPMS),采用179Hf/177Hf=0.7325標(biāo)準(zhǔn)化,以及根據(jù)國(guó)際標(biāo)樣JMC475的176Hf/177Hf=0.282160比值進(jìn)行樣品測(cè)定值校正.鋯石原位微區(qū)U-Pb年齡測(cè)試在澳大利亞珀斯科廷大學(xué)的SHRIMPⅡ型離子探針上進(jìn)行.詳細(xì)的分析方法見(jiàn)Williams(1998).3微量元素特征3.1主、微量元素特征火山巖的主量元素測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1.火山巖的SiO2含量為47.3%～58.0%,MgO含量為2.7%～6.9%,全堿(K2O+Na2O)含量為4.3%～7.6%,且Na2O含量稍高于K2O的含量.全巖的Mg#在0.4～0.6間.在火山巖的TAS圖解上,樣品落在堿性和亞堿性火山巖系列的分界線附近,從巖性上看,主要有玄武安山巖、玄武粗面安山巖以及粗面安山巖等,在全巖SiO2與主要氧化物的相關(guān)圖上,K2O含量隨著SiO2含量的增加而增加,TFe2O3、MgO和CaO等隨著SiO2的增加而降低(圖2),這種變化趨勢(shì)表明巖漿在演化過(guò)程中經(jīng)歷了分離結(jié)晶作用.微量元素分析結(jié)果見(jiàn)表1,在稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化模式圖上,所有樣品均表現(xiàn)為輕稀土富集型,輕重稀土分餾明顯,(La/Yb)N=9～20,巖石樣品沒(méi)有或有微弱的Eu負(fù)異常(圖3).在微量元素蛛網(wǎng)圖上火山巖表現(xiàn)為富集大離子親石元素(LILE),顯著虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素(HFSE)(圖3),這一特征與MORB和OIB形成鮮明對(duì)比,而類似于島弧地區(qū)火山巖.相對(duì)西烏火山巖而言,塔河地區(qū)的火山巖中高場(chǎng)強(qiáng)元素的虧損程度更高.3.2Sr-Nd-Pb-Hf同位素特征火山巖配套的Sr、Nd、Pb、Hf同位素分析結(jié)果列于表1.塔河地區(qū)火山巖的初始87Sr/86Sr比值在0.7055～0.7078,εNd(t)在0.4～-5.5間.西烏火山巖的初始87Sr/86Sr比值為0.7055～0.7067,εNd(t)為-1.2～-6.7.在Sr-Nd同位素相關(guān)圖上,塔河和西烏火山巖有較大分布范圍,且分別有向EM1和EM2地幔端元變化趨勢(shì),與島弧火山巖和美國(guó)西部新生代盆嶺省火山巖相似.相比之下,東北其他地區(qū)的同時(shí)代火山巖則主要落在原始地幔附近(圖4).塔河火山巖的206Pb/204Pb=18.149～18.529,207Pb/204Pb=15.489～15.539,208Pb/204Pb=37.761～38.344,西烏火山巖的206Pb/204Pb=17.780～18.215,207Pb/204Pb=15.450～15.499,208Pb/204Pb=37.860～38.137.所有樣品均位于北半球參考線之上,而西烏火山巖具有最低的206Pb/204Pb比值(圖5).塔河火山巖的176Hf/177Hf為0.28259～0.28276,相應(yīng)的εHf(t)=1.88～-4.58.西烏火山巖的176Hf/177Hf為0.28258～0.28279,相應(yīng)的εHf(t)=0.75～-4.55.所有樣品均表現(xiàn)出εHf(t)與εNd(t)的正相關(guān)關(guān)系,并與地球物質(zhì)陣列相似(圖6).3.4鋯石U-Pb年代學(xué)塔河地區(qū)火山巖中的鋯石具有不規(guī)則的晶形,同時(shí)也表現(xiàn)出不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu),即既存在具有震蕩環(huán)帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的鋯石樣品,也存在不具環(huán)帶結(jié)構(gòu)的鋯石樣品.鋯石顆粒大小在50～100μm左右.在對(duì)鋯石進(jìn)行分析的12個(gè)測(cè)點(diǎn)中,除了一個(gè)顆粒給出907Ma的晚元古代年齡,另一個(gè)顆粒給出321Ma的晚古生代年齡外,其余的顆粒都給出了較為均勻且協(xié)和的早古生代年齡,10個(gè)顆粒的平均年齡為485±6Ma(圖7).在前期的研究中,筆者曾對(duì)塔河火山巖的全巖基質(zhì)進(jìn)行了40Ar-39Ar年代學(xué)測(cè)試,其結(jié)果為122.3±0.6Ma(Wangetal.,2006),據(jù)此筆者認(rèn)為火山巖中的鋯石均為火山噴發(fā)過(guò)程中的捕獲晶.4討論4.1斜長(zhǎng)石對(duì)結(jié)晶過(guò)程的影響塔河火山巖和西烏火山巖具有較高的SiO2,全巖Mg#值也遠(yuǎn)低于與地幔橄欖巖平衡的原始巖漿的Mg#值,此外相容元素如Ni、Co等的含量也較低,說(shuō)明這些火山巖是原始巖漿經(jīng)分離結(jié)晶作用后形成的,這一點(diǎn)在La/Sm-La相關(guān)圖上表現(xiàn)較為明顯.在主量元素隨SiO2含量變化的相關(guān)圖上,TFe2O3、MgO隨SiO2的升高而降低,指示了橄欖巖和斜方輝石的分離結(jié)晶作用,而CaO的降低則說(shuō)明了單斜輝石的分離結(jié)晶作用,Eu異常的缺失說(shuō)明斜長(zhǎng)石對(duì)分離結(jié)晶過(guò)程的影響不大.對(duì)于形成于大陸背景下的火山巖而言,陸殼物質(zhì)的混染是火山巖成因探討中不可忽視的因素,因?yàn)閹r漿從深部上升至地表必然要穿過(guò)厚的大陸地殼.火山巖中微量元素特征,如輕稀土元素的富集以及微量元素Nb、Ta等元素的虧損特征,除了地幔源區(qū)成因外,還有可能是因巖漿上升過(guò)程中陸殼物質(zhì)的混染所導(dǎo)致;另外,陸殼物質(zhì)在火山巖巖漿源區(qū)的混合,稱之為源區(qū)地殼混染,同樣也可以造成上述特征.塔河火山巖中碎屑鋯石的存在則是火山巖已受到一定程度陸殼物質(zhì)混染的礦物學(xué)證據(jù).從強(qiáng)調(diào)源區(qū)組成特征與巖漿成因機(jī)制關(guān)系分析,火山巖同位素組成與主、微量元素的關(guān)系,如初始Sr或Nd同位素組成與代表巖漿演化的指數(shù)如Mg#或SiO2間的相關(guān)關(guān)系應(yīng)是判斷陸殼混染程度更為本質(zhì)的一種參數(shù).然而本文樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)在Mg#-εNd(t)和SiO2-εNd(t)相關(guān)圖上均不存在明顯的相關(guān)關(guān)系(圖8),這說(shuō)明盡管在本區(qū)火山巖成因過(guò)程中存在陸殼混染作用,但其對(duì)火山巖總體組成上的影響是有限的.即從影響的權(quán)重角度分析,所觀察到的火山巖同位素地球化學(xué)特征,基本上應(yīng)反映其地幔源區(qū)組成的地球化學(xué)特征.4.2世界地質(zhì)及構(gòu)造環(huán)境的研究正如前文所述,塔河和西烏火山巖均具有富集LILE、LREE而虧損HFSE的特征,這與MORB和OIB型火山巖有顯著區(qū)別,因此軟流圈的直接部分熔融不能形成塔河和西烏地區(qū)的火山巖.上述地球化學(xué)特征卻非常類似于活動(dòng)大陸邊緣以及島弧環(huán)境的火山巖,這些火山巖主要來(lái)源于受到俯沖板片釋放的流體交代的地幔楔(Briqueuetal.,1984;Ringwood,1990).一般認(rèn)為活動(dòng)大陸邊緣環(huán)境下的火山巖的Ba/Nb均大于28(Gill,1981;Fittonetal.,1988),塔河和西烏地區(qū)的火山巖的Ba/Nb在42～146,遠(yuǎn)高于28,因此從這個(gè)角度來(lái)看,塔河和西烏地區(qū)火山巖是與俯沖作用相關(guān)的火山巖.然而現(xiàn)代島弧環(huán)境的火山巖的Sr、Nd同位素都在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化,如87Sr/86Sr比值在0.703～0.704間(Hawkesworthetal.,1993),而塔河和西烏火山巖的同位素組成遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)范圍,并且有明顯的向EMⅠ和EMⅡ型富集地幔端元變化的趨勢(shì).世界范圍的研究工作表明,EMⅠ型地幔端元與古老的克拉通巖石圈有關(guān),即反映了古老的富集端元組分的影響,古老的大陸巖石圈地幔在其漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史演化進(jìn)程中由于經(jīng)歷了地幔交代作用,因而使其在同位素組成上表現(xiàn)為EMⅠ特征(Menzies,1990),也就是說(shuō)塔河和西烏火山巖的地幔源區(qū)一方面繼承了古老大陸下富集巖石圈地幔的特征,另一方面疊加了俯沖的陸殼物質(zhì)所釋放流體交代的印記.眾所周知,中亞造山帶是地球上顯生宙期間新生陸殼增生最顯著的地區(qū),大量具有正εNd(t)值的花崗巖類的形成反映了地幔物質(zhì)在其形成過(guò)程中的重要作用(邵濟(jì)安等,2002;Jahn,2004).作為典型的增生型造山帶,大量島弧物質(zhì)則是該區(qū)中生代火山巖形成的主要源區(qū),這一點(diǎn)充分反映在大興安嶺大部分地區(qū)火山巖所表現(xiàn)出的類似原始地幔和略虧損的同位素特征以及較小的Nd同位素模式年齡上(圖9),即古生代時(shí)期所形成的各類新生島弧物質(zhì),在增生造山過(guò)程中進(jìn)入巖石圈地幔并成為大興安嶺大部分地區(qū)中生代火山巖的源區(qū).相對(duì)大興安嶺大部分地區(qū)的中生代火山巖,塔河和西烏火山巖的EM1和EM2特征以及較低的Pb同位素比值,非常類似于華北克拉通北緣的中生代火山巖.已有研究表明華北北緣的中生代火山巖的EMⅠ特征和較大的Nd虧損地幔模式年齡表明了古老克拉通巖石圈組分的貢獻(xiàn)(圖9)(周新華等,2001).通常認(rèn)為古老大陸塊體的地殼和巖石圈地幔在大陸演化過(guò)程中保持耦合,也就是說(shuō)古老大陸塊體下的巖石圈地幔的高浮力以及高粘滯度使得其在水平流動(dòng)中不會(huì)穿越塊體的邊界,不同塊體巖石圈地幔的邊界能夠保持相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間(Irvineetal.,2001;Carlsonetal.,2005).因此,根據(jù)塔河和西烏火山巖的同位素組成特征,筆者推斷塔河和西烏地區(qū)有可能存在古老的巖石圈地幔塊體.古亞洲洋和興蒙造山帶的演化歷史等基礎(chǔ)地質(zhì)問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)外地質(zhì)學(xué)界關(guān)注的重要問(wèn)題,近些年來(lái)越來(lái)越多的學(xué)者認(rèn)為夾持在西伯利亞板塊和華北板塊之間的興蒙造山帶內(nèi)有眾多的具有前寒武紀(jì)結(jié)晶基底的古老微地塊組成(邵濟(jì)安和張履橋,1990;邵濟(jì)安,1991).在塔河火山巖分布區(qū)的西南部是額爾古納地塊,傳統(tǒng)上認(rèn)為額爾古納地塊基底是太古代和早元古代片麻巖和早、中元古代角閃質(zhì)侵入巖(黑龍江省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1993),近年來(lái)的研究則表明組成額爾古納地塊基底的興華渡口群綠巖的年齡為中元古代和晚中元古代(孫廣瑞等,2002;武廣等,2005),此外廣泛分布的早古生代后碰撞花崗巖也是額爾古納地塊的重要特征(葛文春等,2005;武廣等,2005).塔河火山巖中碎屑鋯石的晚元古代和早古生代年齡以及元古代Nd同位素模式年齡與額爾古納地塊是一致的,據(jù)此可以認(rèn)為塔河地區(qū)火山巖下的基底構(gòu)造具有額爾古納地塊屬性.西烏火山巖地區(qū)的西南部為錫林浩特古地體,該地體的主要地層艾力格廟群的年齡為950～1060Ma,證明其為一晚元古代地體(邵濟(jì)安,1991).西烏地區(qū)火山巖的低放射成因鉛同位素以及晚元古代Nd同位素模式年齡則暗示了該地區(qū)深部可能為錫林浩特地體的組成部分.4.3成巖時(shí)代及區(qū)域構(gòu)造背景對(duì)大興安嶺晚中生代火山巖形成的構(gòu)造背景和成因模式自20世紀(jì)80年代以來(lái)一直存在廣泛爭(zhēng)論,如地幔柱成因(林強(qiáng)等,1998;葛文春等,1999),碰撞后的彌散伸展(Fanetal.,2003;Meng,2003),與古太平洋俯沖有關(guān)的活動(dòng)大陸邊緣(趙國(guó)龍等,1989;趙越等,1994)等.早中生代太平洋地區(qū)存在Izanagi-kula、Farallon和Phoenix3個(gè)板塊,在太平洋擴(kuò)張中,各個(gè)板塊的存在時(shí)間和運(yùn)動(dòng)方向不斷改變,而對(duì)亞洲大陸東部影響最大的是Izanagi-kula板塊.在侏羅紀(jì)至早白堊世Izanagi-kula板塊的俯沖方向?yàn)楸焙捅北睎|(MaruyamaandSend,1986;Kimuraetal.,1990),直到晚白堊世才開(kāi)始與東亞大陸正向俯沖(Engebretsonetal.,1985),因此在本地區(qū)不大可能形成大范圍的弧后伸展環(huán)境.此外蒙古國(guó)中部和東部存在大量與中國(guó)東北境內(nèi)具時(shí)代及成因聯(lián)系的晚中生代火山巖,也因距離大陸邊緣過(guò)于遙