阿爾山地區銀江溝火山巖巖石學和地球化學特征

吳馳華, 伊海生, 沈 坤, 朱迎堂,3, 解 惠, 曹桐生, 田江飛

(1.成都理工大學沉積地質研究院,成都 610059;2.河南省地礦局第一地質勘查院,南陽 473000; 3.成都理工大學地球探測與信息技術教育部重點實驗室,成都 610059)

阿爾山地區銀江溝火山巖巖石學和地球化學特征

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.成都理工大學沉積地質研究院,成都 610059;2.河南省地礦局第一地質勘查院,南陽 473000; 3.成都理工大學地球探測與信息技術教育部重點實驗室,成都 610059)

通過銀江溝上侏羅統火山巖典型剖面的研究,認為該地區為一套中酸性、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-溢流相旋回。地球化學測試表明,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,強烈負Eu異常以及弱負Ce異常,富集Ba、Rb、Sr等大離子親石元素(L ILE),虧損Pb、Ti等高場強元素(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 地球化學

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,形成了活動類型的侏羅系火山沉積建造;西部地區可以伊克昭盟為代表,無火山活動,是一種環境穩定的內陸盆地沉積類型。大興安嶺地區因屬環太平洋火山活動帶,侏羅紀火山活動強烈,侏羅系由一套厚度大、巖性和巖相變化復雜的火山-沉積巖組成。大興安嶺地區侏羅系以上侏羅統分布最廣,層序最全,厚度最大,為一套陸相火山—沉積地層。總體呈NE向展布(圖1)。火山作用方式既有巖漿爆破式和溢流式,也有射氣巖漿噴發(白志達,2005)。研究區內上侏羅統,是一套酸性—中酸性火山巖系,測區內廣泛發育,遍布全區(圖1)。主要出露上侏羅統瑪尼吐組(J3mn)和白音高老組(J3b)。破火山口噴發以阿爾山和白狼破火山口為典型,周圍為環狀斷裂。

通過歷時四個月的野外地質調查及采集樣品的室內化學分析,本文試圖從火山巖巖石學、巖石化學、微量元素、稀土元元素地球化學特征進行研究,從而探討阿爾山地區銀江溝中生代火山巖成因,為該區進一步的礦產普查和開發提供基礎資料。

1 地質概況

內蒙古銀江溝地區在區域構造位置上處于蒙古弧形構造的東翼與新華夏系大興安嶺第三巨型隆起帶斜接部位。根據板塊構造理論,該區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。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地殼變形,而且也影響到廣大的中亞東部和中國西北地區,造成古亞洲南部地區普遍發生變形和重新活動。研究區古生代地層強烈褶皺,受到不同程度的區域變質作用。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,構成了現今宏偉的大興安嶺地貌景觀(內蒙古自治區區域地質志,1991)。因此,火山巖漿作用極為發育是重要特色之一,與巖漿作用有關的成礦作用是研究區的重點內容。

2 火山巖的分布及巖石學特征

研究區位于大興安嶺中偏西段,位于蒙古-鄂霍次克海縫合帶以南,屬于天山-興蒙造山帶的一部分。晚中生代火山活動強烈,包括上侏羅統瑪尼吐組(J3mn)和上侏羅統白音高老組(J3b)。本文通過對銀江溝地區一典型中生代火山巖剖面(J3b)進行實地觀察,初步研究發現白音高老組(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、黑色玻基安山巖、灰白色似球粒流紋巖夾晶屑凝灰巖、角礫凝灰巖、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),初期為爆發作用,然后爆發逐漸減弱,最終被熔巖噴溢所代替。厚>200.19m,未見頂底。野外觀察火山巖呈不整合覆蓋于上侏羅統瑪尼吐組地層之上,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巖、巖屑凝灰巖及晶屑凝灰巖組成。結合(內蒙古國土資源廳,阿爾山1∶50000區域地質調查報告,2006)以及研究區內地層化石組合等特征,本區火山巖的形成年代為晚侏羅世。

圖1 內蒙古阿爾山地區區域地質圖(據阿爾山等1∶50,000區域地質調查報告,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 銀江溝上侏羅統白音高老組火山巖剖面(據陳廣義,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爆發-溢流旋回。主要巖石類型包括:(1)玻基安山巖:玻基斑狀結構,基質具玻璃質結構。巖石由中長石、黑云母組成斑晶,含量為10%～40%;基質由中性玻璃組成,占60%～90%。斑晶:中長石占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:斑狀結構,基質顯微嵌晶似球粒結構。巖石由中長石、正長石、黑云母、石英組成斑晶,占17%～24%;基質由球粒組成,占76%～83%。斑晶中,中長石6%～9%,呈自形板狀顆粒,蝕變不明顯;正長石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)角礫凝灰巖:晶屑玻屑角礫凝灰結構,熔結膠結。巖石由中長石、黑云母、中性玻屑組成。中長石晶屑13%,呈尖棱角狀、熔結狀等外形。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構,熔結膠結。巖石由中長石、黑云母、中性玻屑組成。晶屑占15%,其中,中長石13%,呈尖棱角狀、熔結狀等外形。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 巖石元素地球化學特征

3.1 主量元素地球化學

阿爾山地區銀江溝白音高老組剖面火山巖主量元素分析結果及相關參數列(見表1)。從(表1)可見,研究區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,數據點落在高鉀鈣堿和鉀玄質系列區,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,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,數據點平均地落在英安巖和流紋巖區。

圖3 內蒙古銀江溝地區火山巖TAS圖解(據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 內蒙古銀江溝地區火山巖主量元素組成測試結果(%)Table1 Major elements compositions of volcanic rocks from the Y ingj ianggou area in I nnerMongol ia(%)

圖4 內蒙古銀江溝地區火山巖S iO2-K2O(a)(據Peccerillo,1979)和AF M(b)(據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與大多數常量元素具有較好的相關性,總體上S iO2與K2O和Na2O呈現較好的正相關,與T iO2、AI2O3、FeOT、CaO、Mg O和MnO呈現較好的負相關,反映同源巖漿的演化特征和巖漿分離結晶演化的趨勢。樣品中CaO和FeOT與Mg O顯示較好的正相關性(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

阿爾山銀江溝地區火山巖微量元素組成測試結果及相關參數見(表2)。在內蒙古銀江溝地區火山巖不相容元素蛛網圖(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等高場強元素(HFSE),且Ti強烈虧損,和形成于與俯沖帶相關的高K/Ti-低Ti鉀質巖石非常類似,而明顯不同于板內低K/Ti-高Ti鉀質巖(Roger,1992)。比較特殊的是高場強元素U異常強烈富集,這可能與殼源型火山巖漿演化有關,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 內蒙古銀江溝地區火山巖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 內蒙古銀江溝地區火山巖Harker圖解Fig.6 Harker diagram of volcan ic rocks from the Y ingjianggou area in I nnerM ongolia

表2 內蒙古銀江溝地區火山巖微量元素組成測試結果(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 內蒙古銀江溝地區火山巖微量元素蛛網圖(其中原始地幔標準化值來之于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

阿爾山銀江溝地區火山巖稀土元素組成測試結果及相關參數見(表2)。從稀土元素分析數據看,研究區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;從球粒隕石標準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,區內所有樣品表現出相同的變化趨勢:輕稀土元素強烈富集(∑LREE=122.84～238.535μg/g)且輕重稀土元素之間存在著較強的分餾作用[(La/Yb)N=13.561～20.259],強烈的負Eu異常(δEu=0.398～0.611)以及弱的負Ce異常(δCe=0.901～0.982),輕稀土元素內部之間發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 內蒙古銀江溝地區火山巖稀土元素配份曲線(其中球粒隕石標準化值來之于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

大興安嶺地區晚中生代火山巖的成因一直倍受國內外地質學者的關注卻存在很多異議,并提出了很多成因模式。如熱向斜模式(林強等, 1998)、地幔柱成因(葛文春,1999)、太平洋板塊俯沖成因(趙國龍,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造等模式(邵濟安,2001)。

研究區剖面火山巖的具有相似的主量、微量等地球化學特征,反映其具有相同的源區。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含有一定比例的大陸地殼物質成分。但由于他們具有相對一致的元素地球化學性質和變化較小的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,剖面樣品元素化學特征應該能忠實地反映其源區的地球化學性質。

大離子親石元素(L ILE)富集,尤其Ba、Rb、Sr、K等親石元素強烈正異常,虧損Pb、Ti等高場強元素(HFSE),且Ti強烈虧損,暗示剖面火山巖不可能是由洋島玄武巖或MORB成分的巖漿經歷陸殼混染的結果,而早期俯沖洋殼物質在深部發生脫水并交代了仰沖的地幔楔,導致該地幔源區相對富集L ILE而虧損HFSE,在這種地幔源區產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,輕稀土元素強烈富集(∑LREE=122.84～238.535μg/g),∑LREE/∑REE比值為0.915～0.938,球粒隕石標準化的稀土元素配分曲線圖(圖8)上看,屬于強烈右傾負斜率輕稀土富集型,而研究表明,HREE虧損、輕重稀土分異的特征可能與源區石榴石殘留有關;同時,火山巖樣品顯示強烈的負Eu異常(δEu= 0.398～0.611)和弱的負Ce異常(δCe=0.901～0.982)以及P、Ti的強烈虧損,證明火山巖很有可能經過強烈的斜長石、磷灰石、鈦鐵礦結晶分異作用。此外,剖面火山巖隨著La含量的增加,La/Sm比值總體增加趨勢不明顯(圖9b),說明其是源區巖石部分熔融和結晶分異共同作用下的產物,以熔融作用為主。

5 結論

通過對阿爾山地區銀江溝剖面火山巖的巖石學和地球化學的研究,可以得到以下初步結論:

(1)本區為一套中性、酸性火山巖及火山碎屑巖的巖相組合,巖石類型有玻基安山巖、似球粒流紋巖夾晶屑凝灰巖、角礫凝灰巖、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-溢流相旋回。

(2)剖面火山巖具有極為相似的地球化學特征,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。火山巖漿演化由熔融作用和分離結晶作用共同控制,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 夏國清博士,楊偉、陳三運、惠博、武向峰、楊辰雨等在野外工作、本文寫作及實驗過程中提供了許多幫助!此外,評審專家和編輯老師在文章修改上提出了建設性意見,在此一并表示衷心的感謝!

圖9 內蒙古銀江溝地區火山巖Rb-(Y+Nb)圖解(據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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[附中文參考文獻]

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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;[責任編輯]鄭 杰。

“十一五”國家科技支撐計劃項目,項目(編號:2006BAB01A12-5);內蒙古國土廳阿爾山等五幅1∶5萬區域礦產地質調查項目(編號: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。