小興安嶺石頭山酸性火山巖年代學、地球化學特征

田恒川

我國東北地區的大興安嶺、小興安嶺—張廣才嶺地區分布有大量中生代花崗巖，構成了我國大陸東部極為醒目的地質景觀— —中生代“花崗巖海”。該區域中生代巖漿活動強烈，是瀕太平洋構造-巖漿帶的重要組成部分，也是我國重要的貴金屬、有色金屬成礦集中區。小興安嶺地區由于巖漿活動、地質構造、植被覆蓋等原因，導致區域內巖漿巖、火山巖時代及層序均較為混亂。因此本文以小興安嶺洞東南部出露的中生代酸性火山巖作為主要的研究對象，對其進行精確的鋯石LA-ICP-MS U-Pb 年代學、及詳細的地球化學研究，為火山巖地層的厘定及區域構造演化提供重要依據。

1 地質背景及樣品描述

研究區位于小興安嶺東南部，是伊春—延壽巖漿構造帶的重要組成部分，大地構造位置位于興蒙造山帶東部，古亞洲洋構造域和濱太平洋構造域的交接復合部位（圖1）。區域內巖漿、火山活動強烈，侵入巖主要為一套早侏羅世未變形花崗巖，包括堿長花崗巖、正長花崗巖、二長花崗巖、花崗閃長巖等。由于露頭較少，覆蓋層厚，界限較模糊。地層相對不發育，主要出露一套古生界中二疊統土門嶺組（P2t），中生界下侏羅統神樹鎮組（J1ss）、下白堊統建興組（K1jn）和新生界漸新統-上新統孫吳組及第四紀全新統地層。

圖1 區域地質概況

神樹鎮組為一套陸相中酸性火山巖組合。以灰綠色、灰黑色中性熔巖為主，夾中酸性熔巖及火山屑巖，巖石中巖屑、晶屑常定向排列，節理發育，巖石整體較破碎。本文研究樣品主要采自于黑龍江省綏棱林業局六棵松居民點東五公里處石頭山的人工露頭處。其主要巖性為晶屑流紋質凝灰熔巖、灰黑色流紋質凝灰巖、灰綠色英安質凝灰巖等，以酸性流紋質凝灰巖為主。

巖石新鮮面灰綠色，玻屑凝灰結構，塊狀構造。巖屑呈次棱角狀、次圓狀，成分為流紋巖、英安巖、凝灰巖（圖2），直徑0.3mm ～3mm，含量5%。晶屑主要為呈板狀、碎屑狀的鉀長石及少量斜長石（圖2），粒徑0.15mm ～1.8mm，含量15%。玻屑形態呈骨針狀、弧面多角狀、雞骨狀和楔形，部分脫玻粘土礦物或微粒鈉長石、石英，大都呈不規則帶狀、塊狀，為粘土礦物纖維代替，分布普遍。

圖2 石頭山流紋質凝灰巖手標本及顯微鏡下照片

2 分析方法

2.1 鋯石U-Pb 測年

鋯石 LA-ICP-MS U-Pb 年代學。所用鋯石年齡測定樣品采自石頭山新鮮露頭，研究樣品在河北省廊坊區域地質調查研究所實驗室粉碎，并通過隨后的標準重礦物分離技術和電磁選進行分選，在顯微鏡下選出較完整、透明、無明顯裂隙的鋯石顆粒，將所選鋯石顆粒制成環氧樹脂鋯石靶。然后對鋯石靶先進行磨砂，當絕大部分鋯石顆粒磨到核部后進行拋光，使得鋯石樣品的內部結構能夠暴露出來，將鋯石樣品拋光后通過CL 圖像進行生長結構觀察（圖3）。

鋯石U-Pb 同位素測年是在吉林大學國家重點實驗室完成的。采用激光剝蝕電感耦合等離子體質譜（LA-ICP-MS）分析技術。本次實驗采用的激光剝蝕系統是Geolas 2005，ICP-MS 為Agilent7500a。激光剝蝕中的載氣為氦氣，補償氣為氬氣。

2.2 主量元素和微量元素

主量及微量元素測試在黑龍江省地質礦產測試應用研究所進行，主量元素測試方法是X 射線熒光法（XRF），準確度優于5%；微量元素和稀土元素（REE）通過等離子質譜儀分析。

3 分析結果

3.1 鋯石U-Pb 測年

所測鋯石顆粒大小差別較大，粒度大小為50-100μm 左右，從形態結構上看，鋯石多為粒狀和短柱狀，自形-半自形，多不發育雙錐。在CL 圖像上（圖3），可以看出多數鋯石分為兩類，一類普遍具有典型的巖漿振蕩環帶，顯示為巖漿成因；一類粒度較小，CL 圖像普遍較暗，顯示受到后期熱事件影響。

圖3 流紋質凝灰巖鋯石特征

流紋質凝灰巖共選取20 顆鋯石進行LA-ICP-MS U-Pb 定年分析，其中13 個分析點落在諧和線及其附近（表1），有較一致的U-Pb 年齡，加權平均年齡為193.2±2.4Ma，顯示該樣品的形成年齡為193.2Ma，表明該流紋巖的噴出時代為早侏羅世（圖4）。

表1 神樹鎮組火山巖中鋯石U、Pb 同位素分析結果（元素含量×10-6）

圖4 流紋質凝灰巖鋯石U-Pb 年齡諧和圖與加權平均年齡

根據以上綜合分析：由于流紋質凝灰巖的噴出時代基本上與本區巖漿巖的侵位時代一致，且有著相似的地球化學特征，由此可推斷其與本區花崗巖基本同一時期同一巖漿來源。

3.2 地球化學特征

流紋質凝灰巖的全巖主量元素和微量元素質量分數分析結果列于表2。

表2 神樹鎮組火山巖主量元素（%）和微量元素（×10-6）分析結果

樣品SiO2含量在74.06% ～75.22%之間，平均74.51%；Al2O3含量為14.01%～14.34%，平均14.17%；K2O+Na2O 含量一般在7.90%～8.62%，平均8.28%，K2O／Na2O＞1，相對富鉀；里特曼指數（σ）一般在1.94 ～2.39 之間，為鈣堿性巖系；A/CNK 值從1.27 到1.32，A/NK 值為1.29 ～1.34，屬富鉀鈣堿性、過鋁質系列巖石。

在全堿-硅質（TAS）圖解中，均落在亞堿性系列區域內（圖5），從類型上看，主要分布在流紋巖區域內。亞堿性系列巖石按K2O（wt.%）和SiO2（wt.%）的含量可進一步分為低鉀（拉斑）系列、中鉀鈣堿性系列、高鉀鈣堿性系列和鉀玄巖系列。在K2O-SiO2圖中（圖5），均位于高鉀鈣堿性系列和鉀玄巖系列區域內，顯示出富鉀的特征。在A/NK-A/CNK 圖中，樣品都落在過鋁質區域內，具有過鋁質的特征（圖6）。

圖5 全堿-硅質（TAS）

圖6 A/NK-A/CNK 圖解

根據稀土元素分析結果及特征參數表（表2），神樹鎮組流紋質凝灰巖的稀土總量∑REE 在61.25×10-6～201.07×10-6之間，平均為120.17×10-6，這個數值低于陸殼的平均值154.7×10-6。在稀土元素球粒隕石標準化配分圖上（圖7），相對富集輕稀土，輕重稀土比值（LREE/HREE）在5.81 ～11.77 之間，平均為9.28，根據（La/Yb）N比值介于4.11 ～13.72 之間，屬輕稀土富集型，δEu 在0.28-0.97 間，Eu 負異常可能是由于巖漿在大規模噴出前發生過斜長石等礦物的分離結晶作用。微量元素原始地幔標準化蛛網圖上（圖7），石頭山流紋質凝灰巖相對富集Rb、Th、U、Zr、Hf 等，Ba、Nb、Sr、P、Ti 明顯虧損。

圖7 球粒隕石標準化分配圖

4 討論

4.1 石頭山火山巖的形成時代

對于區域內該套地層的形成時代存在著不同的認識，本次對其鋯石進行的年代學測定，其鋯石有著明顯的巖漿環帶，未見后期溶蝕結構，因此鋯石年齡可以代表該套火山巖的年齡。其加權平均年齡為193.2±2.4 Ma，顯示該樣品的形成年齡為193.2Ma，表明該流紋巖的噴出時代為早侏羅世，與本區巖漿巖的侵位時代基本一致，由此可推斷其與本區花崗巖基本同一時期巖漿活動的產物。小興安嶺-張廣才嶺火山巖分布時代跨度較大，從早侏羅世到晚白堊世都有分布。

4.2 石頭山火山巖的巖石成因

石頭山流紋質火山巖具有較高的SiO2含量（74.06% ～75.22% 之 間， 平 均74.51%） 及Al2O3含 量（14.01% ～14.34%，平均14.17%），在A/NK-A/CNK 圖中，樣品都落在過鋁質區域內，具有過鋁質的特征（圖5）。里特曼指數（σ）一般在1.94 ～2.39 之間，為鈣堿性巖系；A/CNK 值從1.27到1.32，A/NK 值為1.29 ～1.34，屬富鉀鈣堿性、過鋁質系列巖石。在稀土元素球粒隕石標準化配分圖上（圖7），相對富集輕稀土，輕重稀土比值（LREE/HREE）在5.81 ～11.77 之間，平均為9.28，根據（La/Yb）N比值介于4.11 ～13.72 之間，屬輕稀土富集型，δEu 在0.28-0.97 間，Eu 負異常可能是由于巖漿在大規模噴出前發生過斜長石等礦物的分離結晶作用。微量元素原始地幔標準化蛛網圖上（圖7），石頭山流紋質凝灰巖相對富集Rb、Th、U、Zr、Hf 等，Ba、Nb、Sr、P、Ti 明顯虧損。這與區域內同時期花崗巖有著相似的地球化學特征，顯示出同源的特點。

5 結論

石頭山流紋質凝灰巖為一套陸相中酸性火山巖組合，其主要巖性為晶屑流紋質凝灰熔巖、灰黑色流紋質凝灰巖、灰綠色英安質凝灰巖等，以酸性流紋質凝灰巖為主。

石頭山流紋質凝灰巖鋯石中普遍發育典型的巖漿振蕩環帶，顯示其巖漿成因。其形成年齡為193.2Ma，表明該流紋巖的噴出時代為早侏羅世，與本區巖漿巖的侵位時代基本一致，由此可推斷其與本區花崗巖基本同一時期巖漿活動的產物。

石頭山流紋質凝灰巖具有富硅、富鋁的特點，相對富集輕稀土元素，具有明顯的Eu 負異常，與區域內同時期花崗巖有著相似的地球化學特征，顯示出同源的特點。