吳馳華, 伊海生, 沈 坤, 朱迎堂,3, 解 惠, 曹桐生, 田江飛

(1.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院,成都 610059;2.河南省地礦局第一地質(zhì)勘查院,南陽(yáng) 473000; 3.成都理工大學(xué)地球探測(cè)與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059)

阿爾山地區(qū)銀江溝火山巖巖石學(xué)和地球化學(xué)特征

吳馳華1, 伊海生1, 沈 坤2, 朱迎堂1,3, 解 惠1, 曹桐生1, 田江飛1

(1.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院,成都 610059;2.河南省地礦局第一地質(zhì)勘查院,南陽(yáng) 473000; 3.成都理工大學(xué)地球探測(cè)與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059)

通過銀江溝上侏羅統(tǒng)火山巖典型剖面的研究,認(rèn)為該地區(qū)為一套中酸性、酸性火山巖及火山碎屑巖的巖相組合,中酸性火山巖與酸性火山巖成分交替韻律變化非常清楚,顯示共有兩次爆發(fā)-溢流相旋回。地球化學(xué)測(cè)試表明,SiO2含量為68.14%～75.40%,富堿,高鋁,高鉀,低鎂,為高鉀鈣堿性火山巖;稀土總量(∑REE)及LREE富集,LREE和HREE分餾較強(qiáng),強(qiáng)烈負(fù)Eu異常以及弱負(fù)Ce異常,富集Ba、Rb、Sr等大離子親石元素(L ILE),虧損Pb、Ti等高場(chǎng)強(qiáng)元素(HFSE)。中酸性火山巖均反映了島弧火山巖和大陸弧火山巖的一些特征。

大興安嶺 火山巖 巖石學(xué) 地球化學(xué)

Wu Chi-hua,Yi Hai-sheng,Shen Kun,Zhu Y ing-tang,Xie Hui,Cao Tong-sheng,Tian Jiang -fei.Characteristics of petrology and geochem istry of volcan ic rocks in the Y injianggou,Aershan area [J].Geology and Exploration,2010,46(3):0515-0524.

0 前言

內(nèi)蒙古侏羅系底層可分為東、西兩大部分:東部大興安嶺一帶,由于太平洋板塊向亞洲古陸俯沖,形成了活動(dòng)類型的侏羅系火山沉積建造;西部地區(qū)可以伊克昭盟為代表,無火山活動(dòng),是一種環(huán)境穩(wěn)定的內(nèi)陸盆地沉積類型。大興安嶺地區(qū)因?qū)侪h(huán)太平洋火山活動(dòng)帶,侏羅紀(jì)火山活動(dòng)強(qiáng)烈,侏羅系由一套厚度大、巖性和巖相變化復(fù)雜的火山-沉積巖組成。大興安嶺地區(qū)侏羅系以上侏羅統(tǒng)分布最廣,層序最全,厚度最大,為一套陸相火山—沉積地層?？傮w呈NE向展布(圖1)?；鹕阶饔梅绞郊扔袔r漿爆破式和溢流式,也有射氣巖漿噴發(fā)(白志達(dá),2005)。研究區(qū)內(nèi)上侏羅統(tǒng),是一套酸性—中酸性火山巖系,測(cè)區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育,遍布全區(qū)(圖1)。主要出露上侏羅統(tǒng)瑪尼吐組(J3mn)和白音高老組(J3b)。破火山口噴發(fā)以阿爾山和白狼破火山口為典型,周圍為環(huán)狀斷裂。

通過歷時(shí)四個(gè)月的野外地質(zhì)調(diào)查及采集樣品的室內(nèi)化學(xué)分析,本文試圖從火山巖巖石學(xué)、巖石化學(xué)、微量元素、稀土元元素地球化學(xué)特征進(jìn)行研究,從而探討阿爾山地區(qū)銀江溝中生代火山巖成因,為該區(qū)進(jìn)一步的礦產(chǎn)普查和開發(fā)提供基礎(chǔ)資料。

1 地質(zhì)概況

內(nèi)蒙古銀江溝地區(qū)在區(qū)域構(gòu)造位置上處于蒙古弧形構(gòu)造的東翼與新華夏系大興安嶺第三巨型隆起帶斜接部位。根據(jù)板塊構(gòu)造理論,該區(qū)位于西伯利亞板塊東南部邊緣蒙古—興安造山帶,東南與華北板塊相鄰,屬于西太平洋俯沖板塊弧后邊緣區(qū)。華北地塊、蒙古地塊與西伯利亞地塊在晚侏羅世碰撞,形成了蒙古-鄂霍茨克縫合帶,這次碰撞作用不僅造成東亞地區(qū)地殼變形,而且也影響到廣大的中亞東部和中國(guó)西北地區(qū),造成古亞洲南部地區(qū)普遍發(fā)生變形和重新活動(dòng)。研究區(qū)古生代地層強(qiáng)烈褶皺,受到不同程度的區(qū)域變質(zhì)作用。在中生代又受到了濱西太平洋陸緣活化帶的疊加,伴隨有大量的巖漿侵入火山噴發(fā),構(gòu)成了現(xiàn)今宏偉的大興安嶺地貌景觀(內(nèi)蒙古自治區(qū)區(qū)域地質(zhì)志,1991)。因此,火山巖漿作用極為發(fā)育是重要特色之一,與巖漿作用有關(guān)的成礦作用是研究區(qū)的重點(diǎn)內(nèi)容。

2 火山巖的分布及巖石學(xué)特征

研究區(qū)位于大興安嶺中偏西段,位于蒙古-鄂霍次克?？p合帶以南,屬于天山-興蒙造山帶的一部分。晚中生代火山活動(dòng)強(qiáng)烈,包括上侏羅統(tǒng)瑪尼吐組(J3mn)和上侏羅統(tǒng)白音高老組(J3b)。本文通過對(duì)銀江溝地區(qū)一典型中生代火山巖剖面(J3b)進(jìn)行實(shí)地觀察,初步研究發(fā)現(xiàn)白音高老組(J3b)為一套中酸性、酸性火山巖及火山碎屑巖,巖石組合為灰綠、黑色?；采綆r、灰白色似球粒流紋巖夾晶屑凝灰?guī)r、角礫凝灰?guī)r、凝灰角礫巖,中性火山巖與酸性火山巖成分交替韻律變化非常清楚(圖2),初期為爆發(fā)作用,然后爆發(fā)逐漸減弱,最終被熔巖噴溢所代替。厚>200.19m,未見頂?shù)?。野外觀察火山巖呈不整合覆蓋于上侏羅統(tǒng)瑪尼吐組地層之上,瑪尼吐組(J3mn)為一套中酸性火山巖,由灰綠色蝕變英安巖、安山巖、灰白-淺紫灰色蝕變流紋巖和灰白-灰綠色晶屑巖屑凝灰?guī)r、巖屑凝灰?guī)r及晶屑凝灰?guī)r組成。結(jié)合(內(nèi)蒙古國(guó)土資源廳,阿爾山1∶50000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告,2006)以及研究區(qū)內(nèi)地層化石組合等特征,本區(qū)火山巖的形成年代為晚侏羅世。

圖1 內(nèi)蒙古阿爾山地區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖(據(jù)阿爾山等1∶50,000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告,2006;陳廣義,2009)Fig.1 Geologicalmap of the Aershan area of I nnerM ongolia(after I nnerM ongol ia department of land and resources,1∶50,000 regional geologicalmapping report,2006;Chenet al.,2009)

圖2 銀江溝上侏羅統(tǒng)白音高老組火山巖剖面(據(jù)陳廣義,2009)Fig.2 Section showing volcan ic rocks of UpperJurassic Ba iyinggaolao Formation in the Y ingjianggou area(after Chenet al,2009)

從剖面上看,火山巖具有多旋回特征,初步將火山巖分為兩個(gè)爆發(fā)-溢流旋回。主要巖石類型包括:(1)?；采綆r:?；郀罱Y(jié)構(gòu),基質(zhì)具玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)。巖石由中長(zhǎng)石、黑云母組成斑晶,含量為10%～40%;基質(zhì)由中性玻璃組成,占60%～90%。斑晶:中長(zhǎng)石占8%～37%,呈自形板狀顆粒;黑云母2%～3%,呈自形板狀顆粒,無蝕變。(2)似球粒流紋巖:斑狀結(jié)構(gòu),基質(zhì)顯微嵌晶似球粒結(jié)構(gòu)。巖石由中長(zhǎng)石、正長(zhǎng)石、黑云母、石英組成斑晶,占17%～24%;基質(zhì)由球粒組成,占76%～83%。斑晶中,中長(zhǎng)石6%～9%,呈自形板狀顆粒,蝕變不明顯;正長(zhǎng)石6%～8%,斑晶呈自形板狀顆粒,無蝕變;黑云母1%～2%,呈自形板狀顆粒,無蝕變;石英4%～5%,呈自形粒狀和熔蝕狀顆粒。(3)角礫凝灰?guī)r:晶屑玻屑角礫凝灰結(jié)構(gòu),熔結(jié)膠結(jié)。巖石由中長(zhǎng)石、黑云母、中性玻屑組成。中長(zhǎng)石晶屑13%,呈尖棱角狀、熔結(jié)狀等外形。黑云母2%,呈碎片晶屑,粒度為0.03～0.0875mm;中性玻屑85%,呈尖棱角狀,粒度0.116～2mm。(4)凝灰角礫巖:晶屑玻屑凝灰角礫結(jié)構(gòu),熔結(jié)膠結(jié)。巖石由中長(zhǎng)石、黑云母、中性玻屑組成。晶屑占15%,其中,中長(zhǎng)石13%,呈尖棱角狀、熔結(jié)狀等外形。黑云母2%,呈碎片晶屑,粒度為0.061～1.25mm;中性玻屑85%,呈尖棱角狀,粒度2～15mm。

3 巖石元素地球化學(xué)特征

3.1 主量元素地球化學(xué)

阿爾山地區(qū)銀江溝白音高老組剖面火山巖主量元素分析結(jié)果及相關(guān)參數(shù)列(見表1)。從(表1)可見,研究區(qū)火山巖具有相似的主量元素特征:S iO2含量為68.14%～75.40%,以酸性巖類為主;火山巖顯示出富堿特征,全堿(Na2O+K2O)含量為4.95%～8.85%,高鋁Al2O3含量為12.30%～13.90%,高鉀K2O含量為3.30～7.39%,低鎂Mg O含量為0.15%～0.47%,低鈦T iO2含量為0.23%～0.33%,Mg值為6～24。在S iO2-K2O圖(Peccerillo and Taylor,1976)(圖4b)上,數(shù)據(jù)點(diǎn)落在高鉀鈣堿和鉀玄質(zhì)系列區(qū),主要為高鉀鈣堿系列巖石,表明該批樣品高度富鉀。通過AF M圖解(圖4b),顯示出一個(gè)與鈣堿系列的親緣性,不存在拉斑玄武系列;且沒有明顯的富鐵趨勢(shì),反映了較弱的巖漿分異和原始巖漿主元素的共性和相似性。在T AS圖解(Rickwood,1989)(圖3)上,數(shù)據(jù)點(diǎn)平均地落在英安巖和流紋巖區(qū)。

圖3 內(nèi)蒙古銀江溝地區(qū)火山巖TAS圖解(據(jù)Rickwood,1989)Fig.3 Total alkai-silica(TAS)d iagram of volcanic rocks from the Y ingj ianggou area in I nner Mongol ia(after Rickwood,1989)

表1 內(nèi)蒙古銀江溝地區(qū)火山巖主量元素組成測(cè)試結(jié)果(%)Table1 Major elements compositions of volcanic rocks from the Y ingj ianggou area in I nnerMongol ia(%)

圖4 內(nèi)蒙古銀江溝地區(qū)火山巖S iO2-K2O(a)(據(jù)Peccerillo,1979)和AF M(b)(據(jù)R ingwood,1975)圖解Fig.4 S iO2-K2O(a)(after Peccerillo,1979)and AF M(b)(after R ingwood,1975) d iagram of volcanic rocks from the Y ingj ianggou area in I nnerMongol ia

在Harker圖解(圖6)上,剖面火山巖樣品的S iO2與大多數(shù)常量元素具有較好的相關(guān)性,總體上S iO2與K2O和Na2O呈現(xiàn)較好的正相關(guān),與T iO2、AI2O3、FeOT、CaO、Mg O和MnO呈現(xiàn)較好的負(fù)相關(guān),反映同源巖漿的演化特征和巖漿分離結(jié)晶演化的趨勢(shì)。樣品中CaO和FeOT與Mg O顯示較好的正相關(guān)性(圖5),表明橄欖石、輝石和角閃石等可能是控制這些巖漿主量元素變化的分離礦物相(伊海生等,2004)。

3.2 微量元素地球化學(xué)

阿爾山銀江溝地區(qū)火山巖微量元素組成測(cè)試結(jié)果及相關(guān)參數(shù)見(表2)。在內(nèi)蒙古銀江溝地區(qū)火山巖不相容元素蛛網(wǎng)圖(圖7)上可以看到,剖面所有樣品都具有相似的微量元素特征,富集Ba、Rb、Sr等大離子親石元素(L ILE),虧損Pb、Ti等高場(chǎng)強(qiáng)元素(HFSE),且Ti強(qiáng)烈虧損,和形成于與俯沖帶相關(guān)的高K/Ti-低Ti鉀質(zhì)巖石非常類似,而明顯不同于板內(nèi)低K/Ti-高Ti鉀質(zhì)巖(Roger,1992)。比較特殊的是高場(chǎng)強(qiáng)元素U異常強(qiáng)烈富集,這可能與殼源型火山巖漿演化有關(guān),鈾隨巖漿體系演化而趨于富集,越晚期火山巖越富鈾,推斷鈾主要富集于火山期后熱液之中(周家志,2000)。其不相容元素比值(表3):Zr/Nb=8.489～16.212,La/Nb=2.912～4.675,Ba/Nb=20.135～81.987等。

圖5 內(nèi)蒙古銀江溝地區(qū)火山巖M gO-主要氧化物含量變異Fig.5 Variations of major element-M gO of volcan ic rocks from the Y ingjianggou area in InnerM ongolia

圖6 內(nèi)蒙古銀江溝地區(qū)火山巖Harker圖解Fig.6 Harker diagram of volcan ic rocks from the Y ingjianggou area in I nnerM ongolia

表2 內(nèi)蒙古銀江溝地區(qū)火山巖微量元素組成測(cè)試結(jié)果(μg/g)Table2 Compositions of trace elements result of volcan ic rocks from the Y ingjianggou area in I nnerM ongolia(μg/g)

表3 火山巖幾種微量元素比值Table3 Some trace element radios of volcan ic rocks

圖7 內(nèi)蒙古銀江溝地區(qū)火山巖微量元素蛛網(wǎng)圖(其中原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化值來之于Sun andM cdonough,1989)Fig.7 Pr im itive mantle normalized trace element spider diagram of volcan ic rocks from the Y ingjianggou area in I nnerM ongolia(Pr im itive mantle values from Sun andM cdonough,1989)

3.3 稀土元素地球化學(xué)

阿爾山銀江溝地區(qū)火山巖稀土元素組成測(cè)試結(jié)果及相關(guān)參數(shù)見(表2)。從稀土元素分析數(shù)據(jù)看,研究區(qū)剖面火山巖樣品稀土元素總量(∑REE= 131.44～225.67μg/g)偏高,平均值為206.93μg/ g;從球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的稀土元素配分曲線圖(圖8)上看,配分曲線屬向右陡傾型[(La/Lu)N=14.39～20.401],分異明顯,區(qū)內(nèi)所有樣品表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì):輕稀土元素強(qiáng)烈富集(∑LREE=122.84～238.535μg/g)且輕重稀土元素之間存在著較強(qiáng)的分餾作用[(La/Yb)N=13.561～20.259],強(qiáng)烈的負(fù)Eu異常(δEu=0.398～0.611)以及弱的負(fù)Ce異常(δCe=0.901～0.982),輕稀土元素內(nèi)部之間發(fā)生了一定的分餾作用[(La/Sm)N=4.963～5.625],而重稀土元素分餾不明顯[(Gd/Yb)N= 1.663～2.178]。

圖8 內(nèi)蒙古銀江溝地區(qū)火山巖稀土元素配份曲線(其中球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化值來之于Boynton,1984)Fig.8 Chondrite-normalized rare earth elements of volcan ic rocks from the Y ingjianggou area in I nner M ongolia(Chondrite REE values from Boynton,1984)

4 火山巖成因討論

大興安嶺地區(qū)晚中生代火山巖的成因一直倍受國(guó)內(nèi)外地質(zhì)學(xué)者的關(guān)注卻存在很多異議,并提出了很多成因模式。如熱向斜模式(林強(qiáng)等, 1998)、地幔柱成因(葛文春,1999)、太平洋板塊俯沖成因(趙國(guó)龍,1989;馬家駿,1991)、邊緣陸塊型火山巖和軟流圈上涌與巖石圈伸展構(gòu)造等模式(邵濟(jì)安,2001)。

研究區(qū)剖面火山巖的具有相似的主量、微量等地球化學(xué)特征,反映其具有相同的源區(qū)。微量元素組成、不相容元素比值(表3)顯示銀江溝剖面火山巖源區(qū)含有一定比例的大陸地殼物質(zhì)成分。但由于他們具有相對(duì)一致的元素地球化學(xué)性質(zhì)和變化較小的La/Sm比值(7.890～8.942),表明地殼混染作用在巖漿演化過程中的影響微弱,因此,剖面樣品元素化學(xué)特征應(yīng)該能忠實(shí)地反映其源區(qū)的地球化學(xué)性質(zhì)。

大離子親石元素(L ILE)富集,尤其Ba、Rb、Sr、K等親石元素強(qiáng)烈正異常,虧損Pb、Ti等高場(chǎng)強(qiáng)元素(HFSE),且Ti強(qiáng)烈虧損,暗示剖面火山巖不可能是由洋島玄武巖或MORB成分的巖漿經(jīng)歷陸殼混染的結(jié)果,而早期俯沖洋殼物質(zhì)在深部發(fā)生脫水并交代了仰沖的地幔楔,導(dǎo)致該地幔源區(qū)相對(duì)富集L ILE而虧損HFSE,在這種地幔源區(qū)產(chǎn)生的火山巖同樣繼承了這種特征(W ilson,1989;Elliott,1997)。因此,剖面火山巖為形成于俯沖帶的低鈦鉀質(zhì)巖石可能性較大,也有可能形成于以虧損Nb、Ta、Ti為典型特征的島弧巖漿。利用Rb-(Y+Nb)判別圖解(圖9a),同樣說明阿爾山銀江溝地區(qū)火山巖具有弧火山巖的一些特征。

火山巖稀土元素總量(∑REE=131.618～255.047μg/g)偏高,平均值為210.651μg/g,輕稀土元素強(qiáng)烈富集(∑LREE=122.84～238.535μg/g),∑LREE/∑REE比值為0.915～0.938,球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的稀土元素配分曲線圖(圖8)上看,屬于強(qiáng)烈右傾負(fù)斜率輕稀土富集型,而研究表明,HREE虧損、輕重稀土分異的特征可能與源區(qū)石榴石殘留有關(guān);同時(shí),火山巖樣品顯示強(qiáng)烈的負(fù)Eu異常(δEu= 0.398～0.611)和弱的負(fù)Ce異常(δCe=0.901～0.982)以及P、Ti的強(qiáng)烈虧損,證明火山巖很有可能經(jīng)過強(qiáng)烈的斜長(zhǎng)石、磷灰石、鈦鐵礦結(jié)晶分異作用。此外,剖面火山巖隨著La含量的增加,La/Sm比值總體增加趨勢(shì)不明顯(圖9b),說明其是源區(qū)巖石部分熔融和結(jié)晶分異共同作用下的產(chǎn)物,以熔融作用為主。

5 結(jié)論

通過對(duì)阿爾山地區(qū)銀江溝剖面火山巖的巖石學(xué)和地球化學(xué)的研究,可以得到以下初步結(jié)論:

(1)本區(qū)為一套中性、酸性火山巖及火山碎屑巖的巖相組合,巖石類型有?；采綆r、似球粒流紋巖夾晶屑凝灰?guī)r、角礫凝灰?guī)r、凝灰角礫巖;中性火山巖與酸性火山巖成分交替韻律變化非常清楚,顯示共有兩次爆發(fā)-溢流相旋回。

(2)剖面火山巖具有極為相似的地球化學(xué)特征,顯示了火山巖的同源性,中酸性火山巖均反映了島弧和大陸弧火山巖的一些特征,這種特性顯示該區(qū)火山巖漿可能源于受早期俯沖洋殼流體交代的地幔楔或虧損地幔?；鹕綆r漿演化由熔融作用和分離結(jié)晶作用共同控制,以熔融作用為主,上升過程中接受了一定程度的地殼混染。

致謝 夏國(guó)清博士,楊偉、陳三運(yùn)、惠博、武向峰、楊辰雨等在野外工作、本文寫作及實(shí)驗(yàn)過程中提供了許多幫助!此外,評(píng)審專家和編輯老師在文章修改上提出了建設(shè)性意見,在此一并表示衷心的感謝!

圖9 內(nèi)蒙古銀江溝地區(qū)火山巖Rb-(Y+Nb)圖解(據(jù)Pearceet al.,1984)和La/Sm-La圖解Fig.9 Rb-(Y+Nb)(a)(after Pearceet al.,1984)and La/Sm-La(b)diagram of volcan ic rocks from the Y ingjianggou area in I nnerM ongol ia(after Pearceet al.,1984)

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Characteristics of Petrology and Geochem istry of Volcan ic Rocks in the Y injianggou,Aershan Area

WU Chi-hua1,Yi Hai-sheng1,SHEN Kun2,ZHU Ying-tang1,3,XIE Hui1,CAO Tong-sheng1,T IAN Jiang-fei1
(1.Institute of Sedim entary Geology,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059;2.The No.1Geological
Exploration Institute of Henan Province,Nanyang 474200;3.Key Laboratory of Earth Eploration and Infor m ation Techniques of MOE,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059)

The study of a typical profile of the Upper Jurassic volcanic rock in the Yinjianggou area suggests that this region has a lithological combination of a suit ofmedium-acid and acid volcanic rocks and volcanic clastic rocks.The rock types include sakalavite,rhyolite,crystal tuff,and tuff breccia.The alternating rhythmic changes between medium-acid and acid volcanic rocks in composition is very clear,indicating two outbreak-overflow phase cycles.Geochemical analysis of the samples shows that the content of SiO2is 68.14～75.40%,rich in alkali,as high-alumina,high-potassium,and low-magnesium,implying a high-potassium calcalkalic volcanic rock.It demonstrates totalREE and LREE enrichmentwith sharp negative Eu anomalies(δEu=0.398～0.611),weak negative Ce anomalies(δCe=0.901～0.982)and intense fractionation betweenLREE and HREE.The primitive mantle-normalized spidergrams are characterized byL ILE enrichment and HFSE depletion,for a significantly negative Th-Pb-Ti anomaly and an intense enrichmentBa-Rb-Sr anomaly.These medium-acid and acid volcanic rocks reflect some features of island-arc and continental arc settings.

Da-Hinggan mountains,volcanic rock,petrology,geochemistry

book=5,ebook=109

P581+P595

A

0495-5331(2010)03-0515-10

2010-04-08;[責(zé)任編輯]鄭 杰。

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目,項(xiàng)目(編號(hào):2006BAB01A12-5);內(nèi)蒙古國(guó)土廳阿爾山等五幅1∶5萬(wàn)區(qū)域礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(編號(hào):NMKD2006-08)資助。

吳馳華(1984年-),男,碩士研究生,主要從事沉積盆地分析,E-mail:78509528@qq.com。