王奕朋，裴福萍，周皓，焦驥，魏敬洋，宋凱

吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長春 130061

0 引言

長英質(zhì)火成巖是淺部地殼的主要成分，記錄了地殼演化和地球動力學(xué)的重要信息，特別是高硅質(zhì)巖石，如高硅流紋巖和高硅花崗巖，對反演地殼演化過程至關(guān)重要[1--2]。高硅花崗巖(或流紋巖)一般是指SiO2含量超過70%的巖漿巖，在板內(nèi)熱點(diǎn)、大陸裂谷、碰撞造山帶以及俯沖帶等環(huán)境中都有廣泛分布[3]。此外，這些巖石也顯示獨(dú)特的巖相學(xué)特征和地球化學(xué)特征，如高硅流紋巖通常具有貧晶的特征，同時具有相對較高的重稀土元素含量，較低的Ba--Sr含量，并極其虧損Eu、P和Ti等元素[4]。貧晶(斑晶)的高硅流紋巖噴發(fā)出地表之后，殘余熔體為相對富晶(斑晶)的中酸性火山巖，即富晶體的英安巖或安山巖[3, 5]。盡管國內(nèi)外眾多地質(zhì)學(xué)家對高硅流紋巖展開了廣泛的研究，但其成因仍存在爭議，部分學(xué)者認(rèn)為高硅流紋巖可能是低硅巖漿分離結(jié)晶、高程度演化的產(chǎn)物[6--7]；另外一部分學(xué)者認(rèn)為高硅流紋巖也可能來自于殼源巖石的低程度部分熔融[8--11]。

中亞造山帶東段的小興安嶺地區(qū)福民河組產(chǎn)出有貧斑晶的高硅流紋巖[12]，為研究高硅流紋巖的成因，筆者對小興安嶺地區(qū)福民河組中的火山巖進(jìn)行野外地質(zhì)調(diào)查，并對其巖石學(xué)、鋯石U--Pb年代學(xué)和巖石地球化學(xué)進(jìn)行了研究，查明福民河組火山巖的巖石成因，提出高硅流紋巖可能的成因模式。為東北地區(qū)早白堊世構(gòu)造背景的研究提供火成巖方面的證據(jù)。

1 地質(zhì)背景與樣品描述

中國東北地區(qū)位于中亞造山帶東段，主要由一系列不同屬性的微陸塊和縫合帶拼貼而成，由西向東依次為額爾古納地塊、興安地塊、松嫩—張廣才嶺地塊、佳木斯—興凱地塊和那丹哈達(dá)地體(圖1a)[13--17]。研究區(qū)位于小興安嶺地區(qū)北部，靠近松嫩—張廣才嶺地塊與佳木斯地塊縫合帶(圖1b)。區(qū)內(nèi)零星出露晚古生代二疊紀(jì)五道嶺組地層，主要由安山巖、安山質(zhì)凝灰?guī)r、流紋巖及粉砂巖組成[18]，但最新的研究結(jié)果顯示其形成于晚三疊世—早侏羅世[19]。中生代地層自下而上包括美豐組和福民河組[18, 20]。區(qū)內(nèi)美豐組火山巖大面積分布，其巖石類型包括玄武巖、玄武安山巖、玄武粗安巖、粗安巖和粗面巖，福民河組以酸性熔巖為主，夾火山碎屑巖及珍珠巖，局部地區(qū)見英安巖或安山巖夾層[18, 20--21]。區(qū)內(nèi)巖漿活動強(qiáng)烈，廣泛分布晚石炭世侵入巖，其巖石類型主要包括石英閃長巖、花崗閃長巖和二長花崗巖，同時分布有少量晚三疊世—早侏羅世侵入巖，巖石組合為二長花崗巖--正長花崗巖--堿長花崗巖--堿性花崗巖[20--22]。

福民河組火山巖樣品采自美豐林場西側(cè)約40 km處，另外少量樣品采自美豐林場北側(cè)約5 km處(圖1b)，主要為粗面巖，流紋巖和珍珠巖。粗面巖(18PH14)(圖 2a)：斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，斑晶主要為透長石(15 %)和石英(5 %)，基質(zhì)為粗面結(jié)構(gòu)，可見長條狀堿性長石定向排列。流紋巖(18PH9、18PH15)：斑狀結(jié)構(gòu)，流紋構(gòu)造，斑晶主要為透長石(10 %)和石英(5 %)，基質(zhì)為霏細(xì)結(jié)構(gòu)，由長英質(zhì)礦物組成。珍珠巖(18PH16)(圖 2b)：斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶由透長石(5 %)和石英(5 %)組成，基質(zhì)為玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)。

圖1 東北地區(qū)大地構(gòu)造簡圖[13] (a) 和研究區(qū)地質(zhì)略圖 (b)Fig.1 Tectonic sketch map of northeastern China (a) and simplified geological map of study area (b)

Q.石英；San.透長石。圖2 福民河組火山巖鏡下顯微照片F(xiàn)ig.2 Photomicrographs of volcanic rocks from Fuminhe Formation

2 分析方法

2.1 鋯石U--Pb年代學(xué)

在河北省廊坊市巖拓地質(zhì)服務(wù)有限公司完成了礦物的分選工作。鋯石的透射光、反射光和陰極發(fā)光圖像的采集工作在北京鋯年領(lǐng)航科技有限公司完成。鋯石U--Pb測年實(shí)驗(yàn)在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司實(shí)驗(yàn)室的Agilent 7500a ICP--MS儀器上應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)測定程序進(jìn)行，詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)原理和流程參見文獻(xiàn)[23--25]。采用鋯石標(biāo)準(zhǔn)91500和玻璃標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)NIST 610作外標(biāo)，分別進(jìn)行同位素和微量元素分餾校正，實(shí)驗(yàn)儀器測試的激光束斑直徑和頻率分別為32 μm和10 Hz。采用Andersen[26]提出的方法進(jìn)行同位素比值的矯正，以扣除普通鉛的影響。

2.2 主量和微量元素

全巖主量和微量元素分析均在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司完成，主量元素含量利用日本理學(xué)PrimusⅧ 射線熒光光譜儀(XRF)分析完成，微量元素含量則采用Agilent 7500a ICP--MS儀器分析完成。對國際標(biāo)樣BCR--2、BHVO--1和AGV--1的分析結(jié)果表明，主量元素和微量元素的分析精度和準(zhǔn)確度分別優(yōu)于5%和10%。

3 分析結(jié)果

3.1 鋯石U--Pb年代學(xué)

福民河組流紋巖中部分鋯石的CL圖像見圖3a，鋯石U--Pb定年結(jié)果見表1。福民河組流紋巖(18PH16--7)中的鋯石為自形晶或半自形晶，長寬比介于2∶1 ～ 1∶1，發(fā)育有巖漿振蕩生長環(huán)帶(圖 3a)，Th/U比值為0.41～0.81，暗示其為巖漿成因[27]。15個測點(diǎn)的206Pb/238U年齡值介于(110±1) Ma ～ (102±1) Ma，加權(quán)平均年齡為(105 ± 1) Ma(圖 3b)，表明福民河組流紋巖的形成時代為早白堊世。

圖3 福民河組流紋巖部分鋯石陰極發(fā)光圖像(a)和鋯石LA--LCP--MS U--Pb年齡諧和圖(b) Fig.3 Cathodoluminescence (CL) images of selected zircon grains (a) and LA--LCP--MS zircon U--Pb concordia diagrams (b) of rhyolites from Fuminhe Formation

3.2 地球化學(xué)

福民河組地球化學(xué)數(shù)據(jù)見表2。福民河組火山巖具有較高的SiO2(66.36%～80.78%)、Al2O3(9.00%～14.91%)和全堿含量(Na2O+K2O=7.06%～9.77%)，MgO(0.05%～1.56%)和TiO2(0.12 %～0.51%)的含量較低，Mg#值介于5～42。A/CNK介于0.87～1.05，Na2O/K2O值介于0.50～1.05。在TAS圖解中落入粗面巖和流紋巖的范圍內(nèi)(圖4a)，在SiO2--AR圖解中落入堿性系列(圖5)。

圖5 福民河組火山巖AR--SiO2關(guān)系圖解[31](營城組流紋巖數(shù)據(jù)引自[30])Fig.5 AR versus SiO2 of volcanic rocks from Fuminhe Formation.

表2 福民河組火山巖主量元素(10-2)和微量元素(10-6)分析結(jié)果

圖4 福民河組火山巖TAS圖解[28] (a) 和SiO2--K2O圖[29] (b)(美豐組火山巖和營城組流紋巖數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[20, 30])Fig.4 Diagrams of total alkali versus SiO2 (TAS) (a) and SiO2 versus K2O(b) of volcanic rocks from Fuminhe Formation

球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖解中，福民河組火山巖總體表現(xiàn)為右傾型，富集輕稀土元素、虧損重稀土元素(LaN/YbN=(3.70～15.08)，稀土元素總量(∑REE)介于208×10-6～361×10-6，具有明顯的Eu負(fù)異常(δEu = 0.13～0.49)，呈顯著的“V”型谷。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖解中，樣品虧損Ti、Sr、P和Ba，并具有Nb和Ta弱虧損(圖6)。福民河組流紋巖的地球化學(xué)特征類似于同時期松遼盆地營城組流紋巖[30]。

4 討論

4.1 福民河組火山巖的形成時代

前人基于全巖K--Ar同位素定年結(jié)果，認(rèn)為小興安嶺地區(qū)福民河組的形成時代為晚白堊世(92～66 Ma)[18]，由于K--Ar體系具有較低的封閉溫度，容易受到后期熱擾動導(dǎo)致結(jié)果偏年輕。因此，筆者采用了LA--ICP--MS鋯石U--Pb定年方法對福民河組火山巖的形成時代進(jìn)行限定。

鋯石CL圖像及Th/U比值(0.41～0.81)顯示，它們均為巖漿成因。定年結(jié)果顯示，福民河組流紋巖(18PH16--7)形成時代為(105±1) Ma，即福民河組形成于早白堊世。這與研究區(qū)美豐組的形成時代(105 Ma)一致[20]。研究區(qū)及鄰區(qū)早白堊世巖漿活動強(qiáng)烈，如松遼盆地營城組流紋巖的形成時間為(115±2)Ma～(109±2)Ma[34--35]，佳木斯地區(qū)雙峰式巖墻群的時代為(100±2)Ma[36]。

4.2 福民河組火山巖的成因機(jī)制

福民河組流紋巖具有較高的SiO2含量(71.80%～80.78%)，虧損Ba、Sr、Eu、P和Ti，與高硅流紋巖的特征相似[4]。美豐組與福民河組火山巖在空間位置上緊密伴生，且其形成時代相近。另外，通過巖相學(xué)的觀察，筆者發(fā)現(xiàn)在巖漿演化的早期階段，玄武巖—玄武安山巖—安山巖中斑晶主要為橄欖石，輝石和斜長石；在巖漿演化的后期，粗面巖—流紋巖階段，斑晶礦物組合為斜長石、鉀長石和石英，隨著SiO2含量的增加，斑晶斜長石的含量逐漸減少，而鉀長石和石英的含量逐漸增加，礦物組合的變化暗示美豐組和福民河組火山巖的巖石化學(xué)成分的變化主要受分離礦物相組合變化(分離結(jié)晶作用)的制約。哈克圖解中主量元素的變化較好地印證了這一點(diǎn)，美豐組與福民河組火山巖的SiO2含量與主量元素普遍具有較好的線性關(guān)系，例如，SiO2與FeOT，CaO和MgO呈較好的負(fù)相關(guān)，表明橄欖石和輝石是巖漿演化的主要分離礦物相，SiO2與Al2O3，Na2O和K2O呈現(xiàn)先正相關(guān)后負(fù)相關(guān)的關(guān)系，暗示巖漿演化早期主要為斜長石的分離結(jié)晶，晚期主要為鉀長石的分離結(jié)晶(圖7)。福民河組流紋巖具有明顯的Ba、Sr和Eu的負(fù)異常，Rb/Ba和K/Ba比值較高，暗示斜長石和鉀長石的分離結(jié)晶作用的存在(圖 8)[37，而P和Ti的虧損應(yīng)與磷灰石和鈦鐵礦的分離結(jié)晶作用有關(guān)。此外，美豐組與福民河組火山巖具有相似的稀土和微量元素配分型式[20]，同時，美豐組中基性巖與福民河組流紋巖具有相近的初始143Nd/144Nd(美豐組：(143Nd/144Nd)i= 0.512 542～0.512 732；福民河組：(143Nd/144Nd)i= 0.512 565)比值[12]。前人研究顯示，美豐組玄武巖低SiO2(51.27 %)、高M(jìn)g#值(57.2)以及較高的Cr(272.5×10-6)、Co(40.94×10-6)和Ni(193.7×10-6)[20]表明其應(yīng)來源于幔源巖漿的部分熔融[38]。綜上所述，筆者認(rèn)為，美豐組與福民河組火山巖具有同源巖漿演化的趨勢，福民河組火山巖應(yīng)為幔源巖漿結(jié)晶分異成因。

圖6 福民河組火山巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式圖[32] (a) 和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖[33] (b)(美豐組火山巖和營城組流紋巖數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[20, 30]) Fig.6 Chondrite normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle normalized trace element spider diagrams (b) of volcanic rocks from Fuminhe Formation

圖7 福民河組火山巖SiO2與主要氧化物的哈克圖解(美豐組火山巖數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[20])Fig.7 Harker diagrams of SiO2 versus major oxides of volcanic rocks from Fuminhe Formation

圖8 福民河組火山巖結(jié)晶分異判別圖解(美豐組火山巖數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[20])Fig.8 Discrimination diagrams of crystal differentiation of volcanic rocks from Fuminhe Formation

Bachmann et al.[4]的晶粥體模式被廣泛應(yīng)用于高硅流紋巖的成因機(jī)制解釋，流紋巖質(zhì)巖漿在巖漿房中發(fā)生結(jié)晶作用時，晶體周圍分布著一定數(shù)量的熔體，晶體和熔體共同構(gòu)成了所謂的晶粥體。除了部分直接噴發(fā)至地表的幔源玄武質(zhì)巖漿外，大部分巖漿噴發(fā)前往往賦存于地殼淺部，形成高位巖漿房，在這一過程中被地殼物質(zhì)同化混染。這與美豐組火山巖在SiO2與K2O/P2O5、K2O/TiO2圖解中表現(xiàn)出的隨SiO2含量升高，線性關(guān)系增強(qiáng)的特點(diǎn)一致[12]。此外，筆者對美豐組鐵鎂質(zhì)樣品(SiO2<54%)進(jìn)行了巖漿源區(qū)物源分析，根據(jù)投圖結(jié)果顯示，美豐組火山巖可能是尖晶石--石榴石二輝橄欖巖的部分熔融(圖略)[20]。美豐組上段火山巖噴發(fā)至地表之后，由于殘余未噴發(fā)的高硅流紋質(zhì)熔體仍處于較熱的狀態(tài)，當(dāng)受到外來巖漿作用時，高度結(jié)晶的晶粥體更容易重新加熱并活化，福民河組粗面巖中的斜長石出現(xiàn)港灣狀的重融特征，暗示了整個巖漿房被新的熱源重新加熱。熱量、流體或揮發(fā)物質(zhì)的輸入可以極大地降低巖漿的黏度，并增強(qiáng)礦物相從間隙熔體的分離，促進(jìn)長石和其他礦物與高硅質(zhì)流體的分餾作用[39]。隨后，高度演化的福民河組高硅流紋巖噴發(fā)[5]。晶粥體模式同樣適用于中國東部高硅流紋巖的研究，例如松遼盆地北部營城組流紋巖具有極高的SiO2含量，斑晶含量較少，其中酸性火山巖具有同源演化的特征，暗示高硅流紋質(zhì)巖漿起源于早期的中性晶粥巖漿房[35]；浙江東部早白堊世晚期高硅質(zhì)流紋巖同樣是由早期巖漿再次經(jīng)歷斜長石和鋯石等礦物的分離結(jié)晶作用形成的[5]。

4.3 構(gòu)造意義

研究區(qū)福民河組早白堊世火山巖的巖石組合為粗面巖--流紋巖，在AR--SiO2圖解中落入堿性系列，同時，福民河組高硅流紋巖較高的重稀土元素含量、明顯的Eu負(fù)異常以及“V”型的稀土元素分配形式與強(qiáng)烈分異作用有關(guān)。另外，在構(gòu)造判別圖解中，福民河組流紋巖的樣品均投影在板內(nèi)花崗巖及附近區(qū)域內(nèi)(圖9)。前人研究表明，高硅流紋巖多形成于穩(wěn)定的大陸弧或者陸內(nèi)環(huán)境[4]。上述特征說明福民河組流紋巖形成于伸展環(huán)境，這也得到了鋯石飽和溫度計(jì)的證實(shí)(805℃～972℃)。然而，美豐組火山巖主量元素顯示鈣堿性火山巖特征，并具有Nb、Ta等高場強(qiáng)元素的虧損，這又與俯沖帶環(huán)境下產(chǎn)出的火山巖相似。在佳木斯地區(qū)北部松木河組中發(fā)現(xiàn)雙峰式巖墻，揭示了早白堊世時期佳木斯地區(qū)處于一種伸展的構(gòu)造環(huán)境[36]，這也被最近在松遼盆地內(nèi)營城組A型流紋巖的發(fā)現(xiàn)所證實(shí)[40]。綜合區(qū)域研究成果，筆者認(rèn)為美豐組與福民河組火山巖應(yīng)形成于俯沖背景下偏陸內(nèi)的伸展環(huán)境。

圖9 福民河組火山巖構(gòu)造環(huán)境判別圖解(營城組流紋巖數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[28])Fig.9 Discrimination diagrams for tectonic setting of volcanic rocks from Fuminhe Formation

早白堊世時期，在古太平洋板塊北西向俯沖的背景下，東北地區(qū)東部的小興安嶺—松遼盆地區(qū)域處于陸內(nèi)伸展環(huán)境[40--41]，地殼的拉張減薄以及深部軟流圈地幔的上涌和幔源巖漿的底侵作用使得早白堊世中基性巖漿房中殘余晶粥體活化，同時使巖漿房受到了強(qiáng)烈的熱擾動，引發(fā)高硅流紋巖噴發(fā)作用(圖 10)。

圖10 高硅流紋巖形成的晶粥體模式圖[42]Fig.10 Schematic illustration of magma mush for generation of high-silica rhyolites

5 結(jié)論

(1)小興安嶺地區(qū)福民河組火山巖形成于早白堊世(105±1 Ma)。

(2)美豐組和福民河組火山巖的形成時代、巖石學(xué)和地球化學(xué)特征表明二者為同源演化的關(guān)系，福民河組流紋巖形成于早期巖漿形成的晶粥體重新受熱，進(jìn)一步發(fā)生分離結(jié)晶作用并噴出地表冷凝而成。

(3)福民河組高硅流紋巖形成于古太平洋板塊向歐亞大陸之下的俯沖背景下的陸內(nèi)伸展環(huán)境。