大興安嶺鄂倫春地區滿克頭鄂博組火山巖形成年代及地球化學

王大可，劉軍帥，孫靖堯

中國地質調查局哈爾濱自然資源綜合調查中心，黑龍江 哈爾濱 150086

0 引言

作為中國北方最大的中生代火山巖帶，大興安嶺中生代火山巖面積大、巖石類型多、地球化學特征及形成構造背景復雜，一直備受國內外地質工作者關注［1］.隨著區域地質調查工作的不斷開展，確定了大興安嶺北部火山巖的劃分主要為中—晚侏羅世塔木蘭溝組、晚侏羅世—早白堊世滿克頭鄂博組、瑪尼吐組、白音高老組和梅勒圖組［2-6］.同時積累了大量關于大興安嶺地區火山巖的鋯石U-Pb同位素年齡：唐杰等［7］對張廣才嶺地區帽兒山組雙峰式火山巖進行了研究，獲取鋯石U-Pb年齡為179～184 Ma；鄭吉林等［8］在大興安嶺新林區開展1∶5萬區域地質礦產調查過程中發現一套早侏羅世火山巖，鋯石U-Pb年齡為178～192 Ma；李中會等［9］在三根河林場幅區域地質調查中對新民組火山巖進行研究，獲取鋯石U-Pb年齡為165.71±0.83 Ma.

關于大興安嶺中生代火山巖成因及形成構造環境的觀點主要有：1）地幔柱成因［10-11］；2）古太平洋板塊俯沖環境［12］；3）與北部蒙古-鄂霍次克洋閉合后伸展環境有關［13-18］.筆者在大興安嶺鄂倫春自治旗地區對滿克頭鄂博組進行了系統的巖石組合、地層接觸、鋯石測年、地球化學特征等研究，確定了滿克頭鄂博組火山巖形成時代及其構造背景等.

1 區域地質概況

研究區位于內蒙古自治區東北部，地理上屬于大興安嶺中北段南麓，前中生代地層區劃屬天山-興安地層大區（Ⅰ級），大興安嶺地層區（Ⅱ級），達來-興隆地層分區（Ⅲ級）；中新生代地層屬濱太平洋地層區（Ⅱ級），大興安嶺-燕山地層分區（Ⅲ級），博克圖-二連浩特地層小區（Ⅳ級）.研究區內地層主要有奧陶-志留系大烏蘇巖組（OS D）和中生界上侏羅統滿克頭鄂博組（J3mk）.

滿克頭鄂博組火山巖在研究區西北角出露，巖石類型主要由流紋質火山碎屑巖及火山熔巖組成，火山碎屑巖類主要為流紋質含角礫晶屑熔結凝灰巖、流紋質晶屑凝灰巖、凝灰質復成分礫巖、少量安山質含角礫晶屑凝灰巖，熔巖類主要為流紋巖、英安巖及流紋質凝灰熔巖.

2 樣品描述

用于LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年法的樣品WJE029采自于研究區西北角，巖性為流紋質巖屑晶屑弱熔結凝灰巖（圖1），地理坐標為124°02′50″E，51°52′44″N.樣品風化面呈灰褐色，新鮮面呈淺灰色，弱熔結凝灰結構，致密塊狀；巖屑成分為流紋質晶屑玻屑凝灰巖、流紋巖、板巖等，含量為0～15%；晶屑為鉀長石、斜長石和少量石英，含量為10%～40%；火山灰均為粒度小于0.05 mm的火山碎屑物和火山塵，脫玻化為隱晶質，與塑性巖屑、塑性玻屑相互熔結，形成弱假流紋構造，含量為45%～55%.

圖1 流紋質巖屑晶屑弱熔結凝灰巖野外照片及顯微圖像Fig.1 Field photo and micrograph of rhyolitic lithic crystal weakly welded tuff

3 分析方法

3.1 巖石地球化學

樣品的主量元素和微量元素的測定分析在河北省區域礦產地質調查研究所實驗室完成.主、微量元素用X射線熒光光譜法，主要分析檢測儀器為AXiosmax X射線熒光光譜儀；Y-U稀土微量40元素用封閉酸溶-電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）測點方法，測定儀器為XSerise2電感耦合等離子體質譜儀，最小分辨率為在5%峰高處1μ峰寬.

3.2 鋯石LA-ICP-MS定年

鋯石分選、制靶、CL圖像采集工作在河北省廊坊區域礦產地質調查研究所實驗完成.鋯石U-Pb定年分析測試工作在中國地質調查局天津地質調查中心完成.測試儀器為激光燒蝕多接收器等離子質譜（LA-MCICP-MS），儀器整體由美國ESI公司New Wave 193 nm FX激光器和美國賽默飛世爾公司Neptune多接收等離子質譜組成，質量數范圍：4～310 amu，分辨率：＞450（平頂峰，10%峰谷定義），豐度靈敏度：＜5×10-6（無RPQ）；＜0.5×10-6（有RPQ），儀器穩定性：所有穩定性以測定峰穩定性包括磁場和電場漂移：＜50×10-6/h.

4 分析結果

4.1 鋯石LA-ICP-MS定年

對大興安嶺鄂倫春自治旗地區滿克頭鄂博組火山巖樣品（WJE029）進行了LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素分析.從樣品的陰極發光照片（圖2）可以看出，鋯石多呈短柱狀，少數呈長柱狀，長100～120μm，長寬比為2∶1～1∶1，鋯石發育震蕩環帶，顯示出典型巖漿鋯石的特點.該樣品共測試了32個測點，測點主要選擇在震蕩環帶區域，測試結果（表1，掃描首頁OSID二維碼可見）表明，鋯石Th/U比值大于0.3，諧和線上21個測點集中分布，加權平均年齡為152.9±1.7 Ma，MSWD＝5.6（圖3），代表巖漿結晶年齡，時代為晚侏羅世.

圖2 流紋質巖屑晶屑弱熔結凝灰巖部分鋯石陰極發光圖像Fig.2 CL images of zircons in rhyolitic lithic crystal weakly welded tuff

圖3 流紋質巖屑晶屑弱熔結凝灰巖U-Pb年齡諧和圖Fig.3 U-Pb concordia diagram of rhyolitic lithic crystal weakly welded tuff

4.2 地球化學特征

滿克頭鄂博期火山巖主量元素、稀土元素及微量元素分析結果如表2（掃描首頁OSID二維碼可見）.本文選取該組具有代表性的火山巖中、酸性樣品共7件.樣品特征如下.

主量元素：1）滿克頭鄂博期酸性火山巖主要表現為高硅富堿、貧鈣鐵鎂.SiO2含量為70.19%～80.10%，Al2O3含量為10.80%～15.22%，富堿（K2O＋Na2O為6.12%～9.21%），K2O為1.47%～5.22%，CaO為0.08%～1.35%，FeOT為0.93%～2.26%，MgO為0.22%～1.12%，TiO2為0.17%～0.47%，Mg＃值介于32.8～51.0.在Na2OK2O圖中落入鈉質-鉀質區（圖4）；在TAS分類命名圖解（圖5）中為流紋巖區域；在K2O-SiO2圖解（圖6）中樣品主要落于高鉀鈣堿性系列.2）滿克頭鄂博期中性火山巖主要表現為富堿高鉀，鎂指數較大.SiO2含量為59.64%～59.84%，Al2O3含量為17.63%～17.75%，富堿（K2O＋Na2O為6.77%～7.02%），K2O為2.07%～2.25%，CaO為3.12%～3.24%，FeOT為5.51%～5.75%，MgO為2.44%～2.51%，TiO2為0.93%～0.94%，Mg＃值介于47.8～48.2.在Na2O-K2O圖中落入鈉質區（圖4）；在TAS分類命名圖解（圖5）中，樣品主要落于玄武質粗面安山巖區域；在K2O-SiO2圖解（圖6）中落于高鉀鈣堿性系列.

圖4 滿克頭鄂博期火山巖Na2O-K2O圖解Fig.4 The Na2O-K2Odiagram of Manketouebo volcanic rocks

圖5 滿克頭鄂博期火山巖TAS分類圖解Fig.5 The TASclassification diagram of Manketouebo volcanic rocks

圖6 滿克頭鄂博期火山巖K2O-SiO2圖解Fig.6 The K2O-SiO2 diagram of Manketouebo volcanic rocks

稀土元素：樣品稀土總量較高，ΣREE為135.13×10-6-207.65×10-6，輕重稀土分餾明顯，（La/Yb）N為7.52～14.88，平均值為11.19，輕稀土分餾系數（La/Sm）N為3.20～4.79，平均值為4.15，重稀土分餾系數（Gd/Yb）N為1.26～1.97，平均值為1.61.稀土元素配分模式圖（圖7）均具有輕稀土元素富集、重稀土較平緩的右傾特征.銪為弱—中等負異常，δEu值為0.35～1.07，表明源區有斜長石殘留或分異結晶作用.

圖7 滿克頭鄂博期火山巖稀土元素配分模式圖Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns of Manketouebo volcanic rocks

微量元素：微量元素原始地幔標準化配分圖（圖8）上顯示，巖石相對富集大離子親石元素（LILE）Rb、K、Th、U和LREE，虧損高場強元素（HFSE）Nb、Ta，強烈虧損Sr、P和Ti.

圖8 滿克頭鄂博期火山巖微量元素蛛網圖Fig.8 Primitive mantle-normalized trace element spidergram of Manketouebo volcanic rocks

5 討論

5.1 滿克頭鄂博組時代

近年來隨著對滿克頭鄂博組研究的深入，獲取了大量的同位素測年數據，測試方法主要有鋯石U-Pb和40Ar/39Ar.陳志廣等［15］在新巴爾虎右旗測得的年齡為162～150 Ma，吳濤濤等［19］在得耳布爾測得的年齡為159 Ma，劉凱等［4］在圖里河測得的年齡為157 Ma，總體來看測年結果集中在150～160 Ma.結合本研究測年結果，表明滿克頭鄂博組火山巖形成于晚侏羅世.

5.2 巖漿源區

研究區滿克頭鄂博期火山巖多為流紋質的酸性火山碎屑巖.主量元素具有富硅、堿，貧鈣、鎂特征，且具較低Mg＃值及極低的Cr、Co、Ni值（均小于6×10-6）的特點.微量元素以相對富集大離子親石元素（LILE）K、Rb、Ba和LREE，虧損高場強元素Nb、Ta、Ti為特征.指向了本組火山巖來自地殼源區的特征，表明該類巖石的原始巖漿起源于地殼巖石的部分熔融.火山巖的Rb/Sr值平均為0.66，遠高于原始地幔（0.03）、OIB（0.047）和E-MORB（0.033）（Sun and McDonough，1989），Ti/Zr值平均為13.94，與殼源巖漿的范圍（＜20）一致，同樣說明了火山巖漿源區應為地殼物質.

5.3 構造背景

研究顯示，早白堊世晚期為蒙古-鄂霍次克洋構造域和古太平洋構造域的轉換時間.蒙古-鄂霍次克洋從西向東呈剪刀式閉合，東部最終碰撞時間為晚侏羅世—早白堊世.在微量元素Rb-（Y＋Nb）構造判別圖解上（圖9），樣品落入后造山期花崗巖環境區；在R1-R2成因分類圖解（圖10）中，樣品點全部落在晚造山和同碰撞區域內.結合構造判別圖解、同時代大興安嶺地區火山巖特征及區域構造背景，研究區滿克頭鄂博組火山巖的形成應與蒙古-鄂霍次克洋向南東方向俯沖作用有關.

圖9 滿克頭鄂博期火山巖Pb-（Y＋Nb）判別圖Fig.9 The Pb-（Y＋Nb）discrimination diagram of Manketouebo volcanic rocks

圖10 滿克頭鄂博期火山巖R1-R2成因分類圖解Fig.10 The R1-R2 genetic classification diagram of Manketouebo volcanic rocks

6 結論

（1）滿克頭鄂博組火山巖具有高硅、富堿，貧鈣、鐵、鎂的特點，屬高鉀鈣堿性系列火山巖，鋯石U-Pb年齡為152.9±1.7 Ma，形成時代為晚侏羅世.

（2）滿克頭鄂博組火山巖相對富集大離子親石元素（LILE）Rb、K、Th、U和LREE，虧損高場強元素（HFSE）Nb、Ta，強烈虧損Sr、P和Ti，巖漿起源于地殼巖石的部分熔融.

（3）滿克頭鄂博組火山巖的形成應與蒙古-鄂霍次克洋向南東方向俯沖作用有關.