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  中国地质 2022, Vol. 49 Issue (2): 601-619  
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何鹏, 郭硕, 张天福, 张跃龙, 苏航, 付启龙. 2022. 大兴安岭南部乌拉盖地区满克头鄂博组火山岩年代学、地球化学研究及构造环境分析[J]. 中国地质, 49(2): 601-619.  
He Peng, Guo Shuo, Zhang Tianfu, Zhang Yuelong, Su Hang, Fu Qilong. 2022. Geochronology, geochemistry and tectonic setting of volcanic rocks from Manketouebo Formation in Wulagai area, southern Da Hinggan Mountains[J]. Geology in China, 49(2): 601-619. (in Chinese with English abstract).  

大兴安岭南部乌拉盖地区满克头鄂博组火山岩年代学、地球化学研究及构造环境分析
何鹏1,2, 郭硕1,2, 张天福1,2, 张跃龙3, 苏航3, 付启龙4    
1. 中国地质调查局天津地质调查中心,天津 300170;
2. 华北地质科技创新中心,天津 300170;
3. 黑龙江省地质调查研究总院,黑龙江 哈尔滨 150036;
4. 内蒙古自治区地质调查院,内蒙古 呼和浩特 010020
摘要[研究目的] 通过查明大兴安岭乌拉盖地区火山岩的年龄、地球化学特征,探讨火山岩形成的时代、成因及构造背景,为研究大兴安岭南部地区的岩浆活动和构造演化过程提供依据。[研究方法] 选取大兴安岭乌拉盖地区满克头鄂博组火山岩,系统开展LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb年代学和岩石地球化学研究。[研究结果] 研究区满克头鄂博组火山岩形成于中—晚侏罗世((154.8 ±1.2)~(164.96±0.71)Ma),火山岩具有高硅、富碱、富钾、贫镁、贫钙的特征,属于高钾钙碱性系列岩石。所有样品的稀土配分曲线具有相似特征,稀土总量中等,轻重稀土分馏明显,属轻稀土富集型,Eu负异常显著。微量元素特征表现为富集大离子亲石元素(LILE)Rb、K、Th、U,亏损高场强元素(HFSE)Nb、Ta、Ti、P,岩石具有低Sr和较高的Yb含量,表现出与A型花岗岩相似的地球化学特征。[结论] 结合区域地质资料及本文研究成果,认为研究区满克头鄂博组火山岩岩浆来源于地壳岩石的部分熔融,产生于造山后伸展构造背景,其形成可能与蒙古—鄂霍茨克洋闭合后的岩石圈伸展作用有关。
关键词锆石U-Pb年代学    地球化学    构造背景    满克头鄂博组    乌拉盖    大兴安岭南部    地质调查工程    
中图分类号:P581;P597            文献标志码:A             文章编号:1000-3657(2022)02-0601-19
Geochronology, geochemistry and tectonic setting of volcanic rocks from Manketouebo Formation in Wulagai area, southern Da Hinggan Mountains
HE Peng1,2, GUO Shuo1,2, ZHANG Tianfu1,2, ZHANG Yuelong3, SU Hang3, FU Qilong4    
1. China Geological Survey Tianjin Geological Survey Center, Tianjin 300170, China;
2. North China Center for Geoscience Innovation, Tianjin 300170, China;
3. Heilongjiang Institute of Geological Survey, Haerbin 150036, Heilongjiang, China;
4. Institute of Geological Survey of Inner Mongolia Autonomous Region, Huhhot 010020, Inner Mongolia, China
Abstract: This paper is the result of geological survey engineering.
[Objective] By finding out the age and geochemical characteristics of volcanic rocks in Wulagai area of Da Hinggan Mountains, this paper discusses the age, genesis and tectonic background of volcanic rocks, so as to provide a basis for the study of magmatic activity and tectonic evolution in the south of Da Hinggan Mountains. [Methods] Our project carried out systematically study the LA-MC-ICP-MS zircon U-Pb chronology and rock geochemistry from the volcanic rocks of Manketouebo Formation in Wulagai area of Da Hinggan Mountains. [Results] The volcanic rocks of Manketouebo Formation in the study area were formed in the middle Late Jurassic ((154.8±1.2)-(164.96±0.71)Ma). The volcanic rocks of this region belong to alkali series rocks, with characteristics of high silicon, rich in alkali and potassium, low magnesium and calcium. The rare earth distribution curves of all samples have similar characteristics. The total amount of rare earth is medium, the fractionation of light and light rare earth is obvious, which belongs to light rare earth enrichment type, and the negative Eu anomaly is significant. The rocks are relatively enriched in the large ion lithophile elements Rb, K, Th and U, and have a strong deficit in the high-field strong elements such as Nb, Ta, Ti, P; the volcanic rocks have the characteristics of low Sr, high Yb and A-type granite. [Conclusions] The studies on trace elements and rare earth elements indicate that the volcanic magma are derived from the melting of the crust and have the same magmatic source. The volcanic rocks of Manketouebo Formation originated in the post orogenic extensional tectonic background, which was possibly related to the lithosphere extension after the closure of the Mongol-Okhotsk Ocean.
Key words: zircon U-Pb chronology    geochemistry    tectonic background    Manketouebo Formation    Wulagai    southern Da Hinggan Mountains    geological survey engineering    

1 引言

大兴安岭火山岩带是中国东部中生代巨型火山岩带的重要组成部分,呈北北东向展布于西伯利亚板块和华北板块及其缝合带之上。古生代末期至中生代地质演化历程中,大兴安岭地区先后经历了碰撞造山过程、碰撞后伸展作用过程及其间的构造大转换阶段(Jahn et al., 2000; Meng,2003; Xiao et al., 2003),中生代发生剧烈的火山活动,形成规模宏大的火山岩带。关于中生代火山岩的形成时代、岩石成因、地球动力学背景一直是地学研究的热点问题之一,至今仍然存在争论。近些年众多专家学者对大兴安岭地区火山岩开展了大量同位素年代学研究,获得火山岩年龄分布在170~150 Ma以及140~125 Ma两个时间段(陈志广等,2006; Wang et al., 2006a; 张连昌等,2007; 张玉涛等,2007; 苟军等,2010; 孙德有等,2011; 程银行等, 2013, 2014; 武跃勇等,2016; 仲米山等,2017),但研究区域主要集中在大兴安岭北部,对于大兴安岭南部火山岩,尤其中—晚侏罗世火山岩的形成时代研究报道较少,缺少可靠的年代学地质证据。大兴安岭地区处于古生代古亚洲构造域与中生代环太平洋构造域以及蒙古—鄂霍茨克构造域的强烈叠加区域(许文良等,2009; 曾庆栋等,2011;孟恩等,2011; 吴福元等,2011; Ma et al., 2022),中生代火山岩构造演化背景复杂,早白垩世处于伸展构造环境已被认可(林强等,2003; 高晓峰等,2005; 吴福元等,2005; Zhang et al., 2008; 孟恩等,2011),但对于中—晚侏罗世构造环境还存在不同认识,主要观点包括挤压构造背景(赵书跃等,2004; 刘俊杰等,2006)以及造山后伸展背景(陈志广等,2006; 孟恩等,2011; 程银行等, 2013, 2014; 李鹏川等,2016)。近些年大兴安岭南部白垩纪火山岩的研究程度越来越高(张乐彤等,2015; 张学斌等,2015; 司秋亮等,2016; 谭皓元等,2017),但对中—晚侏罗世火山岩的年代学、构造环境等方面仍然关注较少。内蒙古乌拉盖地区处于大兴安岭火山岩带南部区域,其所处构造位置、岩石学组合特征具有代表性及可对比性,因此,本文选取乌拉盖地区满克头鄂博组火山岩开展系统的岩石学、年代学和地球化学研究,以期约束火山岩的形成时代、成因及构造环境,为深入认识大兴安岭南部地区侏罗世火山岩浆活动规律及其形成构造背景提供科学依据。

2 区域地质背景

研究区位于中亚造山带的东部(Jahn et al., 2000),西伯利亚板块和华北板块的结合部位,在大地构造位置上处于兴蒙造山带东段,二连—贺根山断裂以北,喜桂图—塔源断裂以南(图 1)。该区经历了古亚洲洋构造体系的演化与多个微陆块的拼合(Sengör et al., 1993),而在中、新生代又经历了蒙古—鄂霍茨克构造体系与环太平洋构造体系的叠加与改造(许文良等,2009; 吴福元等,2011; 孟恩等,2011; 徐美君等,2011),使得研究区内构造岩浆活动强烈,中生代火山岩呈北东向大规模展布。中—晚侏罗世—早白垩世为研究区火山活动的鼎盛时期,广泛发育以酸(中)性岩石组合为主的陆相火山岩,由老到新可以划分为晚侏罗世满克头鄂博组、玛尼吐组,早白垩世白音高老组和梅勒图组。满克头鄂博组火山岩以流纹岩和流纹质火山碎屑岩为主,玛尼吐组火山岩以安山岩、英安岩为主,白音高老组火山岩主要为流纹岩和流纹质凝灰岩,梅勒图组火山岩主要为安山质-玄武质火山熔岩。因多个时期不同构造体系的相互叠加作用,导致区域内断裂构造极为发育,形成了以北东向深大断裂为主、北西向次级断裂为辅的构造格架。侵入体相对不发育,局部出露呈串珠状北东向分布的燕山期中酸性侵入岩,与同时代火山岩系组成同时、同源、异相的火山-侵入杂岩(刘建明等,2004; Zhang et al., 2008)。

图 1 大兴安岭地区中生代火山岩分布图(据许文良等, 2013; 金若时等, 2017修改) Fig. 1 Distribution map of Mesozoic volcanic rocks in the Da Hinggan Mountains (modified from Xu Wenliang et al., 2013; Jin Ruoshi et al., 2017)
3 火山岩岩石学特征

本次研究所采集的样品均来自满克头鄂博组火山岩,该组火山岩主要分布于研究区的西北部及南部(图 2),总体呈北东向展布,其上被玛尼吐组火山岩整合覆盖。满克头鄂博组火山岩颜色为灰褐色、灰色、灰白色、黄褐色,以块状构造、假流动构造为主,包括熔结凝灰结构、凝灰结构、斑状结构等,岩性主要为流纹岩、流纹质晶屑玻屑凝灰岩、流纹质晶屑熔结凝灰岩等,火山岩具体特征如下:

图 2 乌拉盖地区地质图 Fig. 2 Geological map of Wulagai area

流纹岩(图 3ac):斑状结构,块状构造。岩石主要由斑晶和基质组成,斑晶主要包括钾长石、斜长石及石英,粒度0.2~3 mm,含量约占15%。钾长石:多呈他形板状,为条纹长石; 斜长石:半自形板状,聚片双晶较宽,具卡纳复合双晶,环带发育,为更长石,部分边缘被钾长石交代; 石英:为半自形粒状,无色透明,可见熔蚀现象。基质主要由长英质、暗色矿物和不透明矿物组成,霏细结构,粒度 < 0.02 mm。岩石具硅化,多为隐晶质玉髓。

图 3 乌拉盖地区火山岩野外及镜下照片 a—流纹岩野外照片;b—流纹质晶屑熔结凝灰岩野外照片;c—流纹质晶屑玻屑凝灰岩野外照片;d—流纹岩镜下照片;e—流纹质晶屑熔结凝灰岩镜下照片;f—流纹质晶屑玻屑凝灰岩镜下照片Q—石英;Pl—斜长石;Kfs—钾长石 Fig. 3 Field and microscope photographs of volcanic rocks from Wulagai area a-Field photographs of rhyolite; b-Field photographs of rhyolite crystallized fume; c-Field photographs of rhyolitic crystal debris vitreoclastic tuff; d-Microscope photographs of rhyolite; e-Microscope photographs of rhyolite crystallized fume; f-Microscope photographs of rhyolitic crystal debris vitreoclastic tuff Q-Quartz; Pl-Plagioclase; Kfs-Potash feldspar

流纹质晶屑熔结凝灰岩(图 3bd):熔结凝灰结构,假流动构造。岩石由晶屑、岩屑、玻屑及火山灰组成。晶屑:成分为斜长石、钾长石、石英及黑云母,约占40%。岩屑:成分为流纹岩及英安岩,次棱角状、次圆状,大小0.02~2.0 mm,约占10%。玻屑:呈流动状压扁拉长,脱玻为长英质,大小 < 2 mm,含量约占20%。火山灰:细小的火山灰尘,常脱玻为隐晶质,约占30%。

流纹质晶屑玻屑凝灰岩(图 3cf):晶屑玻屑凝灰结构,块状构造。岩石由晶屑、岩屑、玻屑组成。晶屑:成分为钾长石、石英、斜长石等,长石晶面脏,具黏土化、少量绢云母化,棱角状、次棱角状,大小0.1~1.2 mm,含量约30%。岩屑:成分为流纹岩、英安岩、粉砂岩等,次棱角状、次圆状,大小0.2~2.0 mm,约占10%。玻屑:鸡骨状、弓形、镰刀状、弧面多边形、楔形等,部分脱玻为长英质、霏细质、隐晶质等,大小 < 0.4 mm,含量约占50%。角砾:成分为流纹岩、英安岩等,次棱角状、次圆状,大小2~6 mm,约占10%。

4 样品分析方法 4.1 锆石挑选及锆石LA-MC-ICP-MS年龄测定

锆石分选在河北区域调查所实验室进行,采用常规选法挑选锆石,颗粒粉碎至0.1 mm,手工淘洗后在双目镜下挑纯,锆石透明度高、无包裹体,主要为长柱状和短柱状。锆石制靶、透反射显微照相和阴极发光照相均在北京锆年领航科技有限公司完成。

在中国地质调查局天津地质调查中心同位素地质年代学实验室完成LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb同位素测年分析。利用激光剥蚀多接收器电感耦合等离子体质谱(LA-MC-ICP-MS),将NEW WAVE 193-FXArF准分子激光器与Thermo Fisher公司的Neptune型MC-ICPMS联接,采用He气作为剥蚀物质的载气,锆石U-Pb年龄测定采用的激光束斑直径为30 μm,剥蚀时间为30 s,利用美国国家标准技术研究院研制的人工合成硅酸盐标准参考物质NIST610作外标来校正锆石的U、Th、Pb含量,锆石年龄计算采用标GJ-1。具体仪器配置和实验流程参见李怀坤等(2010)

4.2 岩石地球化学

主量、微量及稀土元素分析测试均在中国地质调查局天津地质调查中心实验室完成。主量元素用X射线荧光光谱法(XRF)测试,经GB/T14506-2010、GHJZ 003-2009标准监控,FeO采用氢氟酸-硫酸溶样、重铬酸钾滴定的容量法,分析偏差优于2%;微量、稀土元素使用X Se-riesⅡ电感耦合等离子质谱仪分析测试,测试精度优于5%。

5 分析结果 5.1 锆石U-Pb分析结果

选择乌拉盖地区满克头鄂博组火山岩不同位置的3个样品(D0082、D7616、D0042)开展LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析,测年数据见表 1,CL图像和U-Pb谐和图见图 4。CL图像显示,本文3件样品的锆石颗粒晶型较好,多呈长柱状或短柱状,颗粒粒径范围为100~200 μm,几乎所有的锆石都具有明显的岩浆成因韵律振荡环带。一般不同成因锆石有不同的Th、U含量与Th/U值(Belousova et al., 2002),岩浆锆石的Th、U含量高,Th/U值较大(一般大于0.4)。本文3件锆石样品的Th/U比值分别为0.47~1.38、0.31~0.71、0.51~1.04,大部分大于0.4,具有典型岩浆锆石的Th/U比值特征,结合锆石的韵律环带特征,进一步明确为岩浆成因锆石。

表 1 乌拉盖地区火山岩锆石LA-MC-ICP-MS U-Pb同位素分析结果 Table 1 Zircon LA-MC-ICP-MS U-Pb dating results of volcanic rocks in Wulagai area
图 4 乌拉盖地区火山岩锆石U-Pb年龄谐和图及部分锆石阴极发光图像 Fig. 4 Zircon U-Pb concordia diagrams and CL images of selected zircons from volcanic rocks in Wulagai area

流纹岩样品(D0082)采自研究区西北部,采样坐标位置为119°01′12″E、45°59′26″N。对锆石样品进行了24个测点分析,其中22个分析点落在U-Pb谐和线上,206Pb/238U表面年龄分布于162~168 Ma,加权平均年龄为(164.96±0.71)Ma(MSWD=0.64),显示具有良好的谐和性,其年龄代表了流纹岩的岩浆结晶年龄。

流纹质含角砾晶屑熔结凝灰岩样品(D7616)采自研究区中南部,采样坐标位置为119°09′36″N、45°49′03″E。在U-Pb年龄谐和图上,样品中24个锆石分析点均分布在谐和线上并且沿线分布,显示一致的年龄结果,样品的锆石206Pb/U238加权平均年龄为(164.82±0.90)Ma(MSWD=1.5),代表了流纹质含角砾晶屑凝灰熔岩的形成时代。

流纹质晶屑熔结凝灰岩样品(D0042)采自研究区南部,采样坐标位置位于119°08′53″E、45°50′11″N。对样品锆石进行了22个测点分析,其中14个测点分析数据位于谐和线上,其206Pb/U238表面年龄介于151~159 Ma,加权平均年龄为(154.8 ±1.2)Ma(MSWD=1.24),8个锆石分析数据偏离谐和线,其中7个锆石分析点的206Pb/U238表面年龄介于161~182 Ma,可能是捕获的侏罗世早期岩浆活动中的锆石,1个锆石分析点的206Pb/U238表面年龄为255 Ma,因区域上存在二叠纪岩浆活动,可能为岩浆上升过程中捕获的围岩锆石。

5.2 火山岩地球化学特征

乌拉盖地区满克头鄂博组火山岩代表性样品的主量、稀土、微量元素分析结果(表 2)显示:火山岩的SiO2含量较高,介于72.02%~77.30%,为酸性岩,属于SiO2过饱和类型; Al2O3含量为11.30~13.73,全碱含量较高(AlK值为5.81~9.01),属钾质火山岩(K2O/Na2O多大于1.0),表明岩石具有高硅偏碱富钾的特征。A/CNK比值在0.93~1.37,除1个样品外,其他值均大于1,为过铝质岩石,过碱指数NK/A比值在0.46~0.77。岩石贫镁(MgO = 0.40%~0.71%)、贫钙(Ca=0.44%~0.93%),FeOT/MgO比值较高(1.44~4.65)。以上数据显示研究区满克头鄂博组火山岩与大兴安岭北部地区满克头鄂博组火山岩(李鹏川等,2016; 杜洋等,2017)以及A型花岗岩(孙德有等,2005; 张旗等,2012)具有相似的主量元素特征。在火山岩TAS分类命名图解中(图 5),样品均落在亚碱性系列的流纹岩范围内,在K2O-SiO2图解中(图 6),多数样品落在高钾钙碱性区域,少量样品落在钙碱性和钾玄岩系列。

表 2 乌拉盖地区满克头鄂博组火山岩地球化学分析结果(主量元素:%;稀土、微量元素:10-6 Table 2 Geochemical data of volcanic rocks from Manketouebo Formation in Wulagai area (Major elements: %; Trace elements: 10-6)
图 5 乌拉盖地区火山岩样品TAS分类图(岩石分类据Middlemost, 1994; 系列界线据Irvine and Baragar, 1971) Fig. 5 TAS diagram of volcanic rocks from Wulagai area (classification after Middlemost, 1994; separating line between alkaline and sub-alialine series after Irvine and Baragar, 1971)
图 6 乌拉盖地区火山岩K2O-SiO2图解(实线据Peccerillo and Taylor, 1976; 虚线据Middlemost, 1985) Fig. 6 K2O-SiO2 diagram of volcanic rocks from Wulagai area (solid lines after Peccerillo and Taylor, 1976; dashed lines after Middlemost, 1985)

研究区满克头鄂博组火山岩稀土总量ΣREE =107.48×10-6~176.99×10-6,轻重稀土比值(LREE/HREE)为6.41~12.31,(La/Yb)N比值为5.32~14.31,表明轻稀土(LREE)相对富集,重稀土(HREE)相对亏损,轻重稀土分馏明显。在稀土元素球粒陨石标准化配分模式图中(图 7),稀土配分曲线向右倾斜,重稀土部分相对轻稀土部分曲线较平缓,属轻稀土富集型。Eu负异常显著,δEu = 0.19~0.84,指示岩浆经历了斜长石的分离结晶作用或者岩浆源区有斜长石的残留。

图 7 乌拉盖地区火山岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(球粒陨石标准化数据引自Sun and McDonough, 1989 Fig. 7 Chondrite-normalized REE patterns for volcanic rocks in Wulagai area(chondrite value after Sun and McDonough, 1989)

研究区满克头鄂博组火山岩微量元素原始地幔标准化蛛网图(图 8)显示样品的分布形式相近,大离子亲石元素(LILE)富集Rb、K、Th、U,亏损Ba、Sr,高场强元素(HFSE)富集Zr、Hf,亏损Nb、P、Ti,说明火山岩来源于壳源岩浆或岩浆被地壳物质混染。Nb、Ti的亏损反映岩浆演化过程中可能有壳源物质的加入,Sr、P的亏损暗示斜长石和磷灰石可能因分离结晶作用在源区大量残留。微量元素Sr变化不大(78×10-6~254×10-6),具有相对较高的Y(10.5×10-6~26.7×10-6)和Yb(1.3×10-6~3.14×10-6),不具有埃达克岩特征。

图 8 乌拉盖地区火山岩原始地幔标准化微量元素蛛网图(标准化数据引自McDonough and Sun, 1995) Fig. 8 Primitive mantle-normalized patterns of trace elements for volcanic rocks in Wulagai area (after McDonough and Sun, 1995)
6 讨论 6.1 火山岩时代

研究区所属的大兴安岭南部地区中生代火山岩自下而上可以划分为满克头鄂博组、玛尼吐组、白音高老组和梅勒图组,其形成时代一直是该区域火山岩研究中的焦点,随着锆石U-Pb定年方法的广泛应用,专家学者对大兴安岭不同地区的火山岩开展了同位素年代学研究,获得大量锆石U-Pb同位素年龄集中在170~150 Ma和140~125 Ma(陈志广等,2006; Wang et al., 2006b; 张连昌等,2007; 张玉涛等,2007; 苟军等,2010; 孙德有等,2011; 程银行等, 2013, 2014),表明大兴安岭中生代火山岩主要形成于中—晚侏罗世和早白垩世两个时期。近年来,针对大兴安岭南部不同地区火山岩研究中获得中生代火山岩的年龄分布于165~123 Ma,集中在中—晚侏罗世—早白垩世(杨扬等,2012; 司秋亮等,2015; 张乐彤等,2015; 张学斌等,2015; 李鹏川等,2016; 李英雷等,2017; 谭皓元等,2017)。本文过对满克头鄂博组火山岩开展年代学分析,获得3个锆石U-Pb同位素年龄分别为:(164.96±0.71)Ma、(164.82 ±0.90) Ma、(154.8 ±1.2) Ma,集中于中—晚侏罗世,表明研究区存在中—晚侏罗世火山活动。

通过总结分析大兴安岭地区满克头鄂博组测年结果可以发现,其火山岩年龄位于174~124 Ma(Zhang et al., 2008; 陈英富等,2012; 杨扬等,2012; 张超等,2014; 刘凯等,2018),时间跨度较大,统计得出年龄峰值集中在150~165 Ma(图 9),说明这一时间段是中—晚侏罗世火山活动的高峰期,本文获得的满克头鄂博组火山岩年龄与这一时间段是一致的。另外,近年来在大兴安岭南部地区也获得了满克头鄂博组火山岩年龄,李鹏川等(2016)在林西地区获得满克头鄂博组流纹岩锆石U-Pb年龄为(151.4±1.4)Ma; 杨扬等(2012)在赤峰地区获得满克头鄂博组流纹岩锆石U-Pb年龄为(156 ±2)Ma、(157±3)Ma; 其中,程银行等(2014)在海莫赛格地区获得满克头鄂博组流纹岩、粗面岩锆石U-Pb年龄为(164.0 ±1.0)Ma、(155.5 ±0.9)Ma,与本文测定年龄((164.96±0.71)Ma、(164.82 ±0.90)Ma、(154.8 ±1.2)Ma)十分接近,证明区域上确实存在165 Ma±、155 Ma±两个中—晚侏罗世火山活动高峰时期,两期间隔为9~10 Ma。通过本文获得的满克头鄂博组火山岩时代与以上年龄数据相对比可以发现,大兴安岭南部地区满克头鄂博组火山岩年龄分布于151~165 Ma,这与整个大兴安岭地区满克头鄂博组火山岩集中峰值年龄(150~165 Ma)一致,进一步表明在乌拉盖地区获得的165±Ma、155±Ma两期火山岩年龄较为可靠,可以代表满克头鄂博组火山岩两个主要活动期的时代。

图 9 大兴安岭地区满克头鄂博组年龄分布图(据李鹏川等,2016修改) Fig. 9 Distribution diagram of Manketouebo Formation ages in Da Hinggan Mountains area (after Li Pengchuan et al., 2016)
6.2 岩浆源区及火山岩成因

大兴安岭地区中生代酸性火山岩的成因主要有3种观点:(1)由钙碱性系列玄武质岩浆分离结晶形成(林强等,2003; 刘俊杰等,2006; 张连昌等,2007); (2)与玄武岩构成双峰式火山岩组合(林强等,2003); (3)地壳岩石部分熔融的产物(赵书跃等,2004; 高晓峰等,2005)。

乌拉盖地区满克头鄂博组火山岩以流纹质火山熔岩、流纹质火山碎屑岩为主(SiO2 = 72.02%~77.30%),未见有同期中基性火山岩发育,属于准铝质-过铝制特征(A/CNK = 0.93~1.37),为酸性岩浆结晶的产物,说明壳源对岩浆的形成起绝对作用。火山岩样品富集大离子亲石元素(Rb、K、Th、U),亏损高场强元素(Nb、Ti、P),具该特点的火山岩岩浆源区可能为俯冲流体交代的岩石圈地幔或是陆壳物质。研究表明,地幔橄榄岩在俯冲板块H2O的作用下部分熔融只形成安山质岩浆,而SiO2含量较高的酸性岩浆不能由其直接熔融产生(Hirose,1997),大规模的酸性岩浆主要由下地壳深熔作用形成。本文火山岩样品的形成时代在(164.82 ±0.90)~(154.8 ±1.2)Ma,未见该时期大规模中基性岩浆岩,研究区范围内玛尼吐组安山岩的年龄(最大154.3 Ma,未发表数据)也均小于本文样品年龄,另外区内出露的基性火山岩为梅勒图组玄武岩,其形成时代远小于满克头鄂博组火山岩,以上证据进一步指示研究区大规模酸性火山岩不可能由基性岩浆分离结晶形成,并且也无法与玄武岩构成双峰式火山岩组合。火山岩的Rb/Sr比值变化于0.49~2.51(平均为1.33),明显高于原始地幔(0.03)、E-MORB(0.033)和OIB(0.047)的Rb/Sr值(Sun and McDonough, 1989),与壳源岩浆的范围(>0.5)一致(Tischendorf and Paelchen, 1985),Nd/Th比值为1.78~4.62,平均值为2.83,接近壳源岩石的比值(≈3)(Bea et al., 2001; Rudnick and Gao, 2003),Ti/Zr = 3.98~11.84,平均值8.62,Ti/Y = 38.20~122.32,平均值86.91,也均分布在壳源岩浆的范围内(Ti/Zr<20,Ti/Y<100)(Wlison,1989),火山岩较高的Pb含量也指示其母源岩浆可能来自于大陆地壳的部分熔融(单强等,2011)。此外,A/CNK值(0.93~1.37)变化范围相对较大,指示地壳岩石熔融的源岩并非单一的火成岩,还可能具有沉积岩来源,研究区北部、南部广泛分布古生代沉积地层,并且测年样品中有不同时代的继承锆石,表明岩浆在上升过程中受到古生代地层的混染等证据均支持这一认识。以上地球化学数据表明研究区满克头鄂博组火山岩应为壳源物质部分熔融的产物。依据张超等(2014)对大兴安岭南部满克头鄂博组流纹岩开展Hf同位素测试的分析结果,火山岩εHft)值位于+4.6~+10.9,加权平均值为7.15±0.69,二阶段模式年龄为501~905 Ma,认为岩浆来源于早古生代—新元古代时期增生的年轻地壳,进一步佐证研究区火山岩来源于地壳物质的熔融。

研究区满克头鄂博组火山岩具有明显的负Eu异常,并且Ba、Sr强烈亏损,表明源区斜长石相对稳定,为部分熔融的残留物。由于石榴子石强烈富集HREE,角闪石相对富集MREE(Green,1994),火山岩样品的HREE分布相对平缓,而MREE相对HREE略微亏损,指示部分熔融后的残留相可能含有少量的角闪石,不含石榴子石。另外,张旗等(2008)的研究认为,具有低Sr、高Yb的花岗岩(Sr为40×10-6~400×10-6、Yb>1.5×10-6)源区残留相主要为斜长石和角闪石,研究区火山岩也具有低Sr、高Yb(Sr平均值114.10×10-6、Yb平均值2.31×10-6)的特征,也暗示源区在部分熔融过程中有斜长石、角闪石的残留。

综上所述,乌拉盖地区满克头鄂博组火山岩与壳源岩石的地球化学特征基本一致,由地壳物质部分熔融而形成,源区残留物可能以斜长石为主,含少量角闪石。

6.3 构造环境

大兴安岭地区早白垩世处于伸展环境已被认可(林强等,2003; 高晓峰等,2005; 吴福元等,2005; Zhang Jiheng et al., 2008; 孟恩等,2011; 刘哲等,2017; 王金芳等,2018),但对于中—晚侏罗世构造背景主要有两类不同认识,一类观点认为形成于挤压构造环境:张宏等(1999)认为180~150 Ma中国东北地区乃至欧亚大陆东缘均受到北西西向挤压作用; 赵书跃等(2004)在大兴安岭塔源地区发现晚侏罗世高Sr、低Y型火山岩; 张永北等(2006)在大兴安岭南段巴林右旗发现晚侏罗世O型埃达克质火山岩; 刘俊杰等(2006)认为大兴安岭北段根河地区晚侏罗世火山岩为挤压背景下的弧火山岩。另一类观点认为形成于伸展构造背景:陈志广等(2006)发现满洲里一带晚侏罗世火山岩为造山后伸展背景下部分熔融形成的高钾钙碱性火山岩; 孟恩等(2011)认为满洲里地区中侏罗世火山岩形成于岩石圈伸展环境; 杨扬等(2012)发现赤峰地区晚侏罗世处于伸展背景; 程银行等(2013)认为莫合尔图地区中—晚侏罗世火山岩形成于造山后伸展环境。

研究区满克头鄂博组火山岩以灰褐色、灰白色、灰色流纹岩和流纹质凝灰岩为主,因未见同期中基性火山岩而有别于典型岛弧火山岩。研究区火山岩强烈富硅富碱,属高钾钙碱性岩石系列,与造山后花岗岩主量元素具有相同特征(韩宝福,2007)。富集大离子亲石元素(LILE)Rb、Th、U、K,亏损Nb、Sr、Ba、Eu、Ti、P,表明其可能形成于伸展构造环境中,可能是壳源物质部分熔融的产物。与岛弧型、陆缘弧型火山岩相比,明显富K2O、K2O+Na2O、TiO2,结合其源区和酸性火山岩组合特征认为与壳源物质的部分熔融有关。在Whalen(1987)的分类图解上(图 10),样品落入A型花岗岩区域,一般认为A型花岗岩形成于张性构造环境(Eby,1990)。在A型花岗岩三角形微量元素构造判别图解上(图 11),样品均落入A2造山后环境区域。对于中酸性火山岩,Sr、Yb的丰度被认为是识别与判别岩浆源区成因、性质的有效指标(张旗等,2006),前文已述,火山岩样品为低Sr高Yb型,在Sr-Yb判别图解上(图 12),火山岩样品落在对应于闽浙型和南岭型花岗岩区域中,其形成环境与张旗等(2008)研究的造山后伸展环境中形成的花岗岩特征相似。综上所述,乌拉盖地区满克头鄂博组火山岩是在造山后伸展构造背景中形成的。

图 10 乌拉盖地区火山岩(Na2O+K2O)和Nb对1000Ga/Al图解(底图据Whalen et al., 1987 A—A型花岗岩类; I & S—I、S型花岗岩类 Fig. 10 (Na2O+K2O) and Nb versus 1000Ga/Al diagrams for volcanic rocks in Wulagai area (after Whalen et al., 1987) A-A-type granitoids; I & S-I & S type granitoids
图 11 乌拉盖地区火山岩Nb-Y-3Ga和Nb-Y-Ce三角图解(底图据Eby,1992 A1—非造山环境;A2—造山后环境 Fig. 11 Nb-Y-3Ga and Nb-Y-Ce triangle diagrams of volcanic rocks in Wulagai area (after Eby, 1992) A1-Non-orogenic environment; A2-Post-orogenic environment
图 12 乌拉盖地区火山岩Sr-Yb分类图解(据张旗等, 2008 A—高Sr低Yb型花岗岩;B—高Sr高Yb型花岗岩;C—低Sr低Yb型花岗岩;D—低Sr高Yb型花岗岩;E—非常低Sr高Yb型花岗岩 Fig. 12 Sr vs. Yb diagram for volcanic rocks in Wulagai area (after Zhang Qi et al., 2008) A—High Sr and low Yb granites; B—High Sr and Yb granites; C—Low Sr and Yb granites; D—Low Sr and high Yb granites; E—Lowest Sr and high Yb granites

以上地球化学资料表明研究区中—晚侏罗世处于伸展构造环境,其形成原因主要有两种观点,一种认为是由古太平洋板块俯冲造成(吴福元等,2000; Zhang et al., 2008; Zhang et al., 2011),另一种认为是因蒙古—鄂霍茨克洋演化导致(Meng,2003; 陈志广等,2006; Wang et al., 2006a; Wang et al., 2006b; 张玉涛等,2007; 张连昌等,2007; 周新华等,2009; Ying et al., 2010)。大兴安岭地区远离古太平洋俯冲带(>1500 km),并且距离太平洋板块遥远的蒙古国中东部也存在大量与大兴安岭地区相似的火山岩,如此大规模火山岩的形成难以是古太平洋板块俯冲导致的结果(Fan et al., 2003); 研究表明与古太平洋板块俯冲作用密切相关的大陆岩石圈于白垩纪中晚期—古近纪早期才开始减薄(李锦轶等,2004); 许文良等(2013)认为太平洋俯冲作用影响的空间范围主要在松辽盆地及其以东地区。因此,中—晚侏罗世伸展构造背景的形成与古太平洋的俯冲作用无关,推断导致该时期岩浆活动的区域动力应来自于蒙古—鄂霍次克洋的构造演化。

晚古生代末蒙古—鄂霍茨克洋局部发生俯冲,晚三叠世开始形成自西向东的剪刀式闭合(Metelkin et al., 2010),早侏罗世之前,处于陆内俯冲、陆陆碰撞阶段; 多数学者认为蒙古—鄂霍茨克洋东部最终关闭时间在早—中侏罗世(Tomurtogoo et al., 2005; Kelty et al., 2008),并且在中侏罗世期间,大兴安岭西坡—冀北—辽西地区存在一次重要的陆壳加厚过程,这一过程恰好可以与蒙古—鄂霍茨克缝合带的闭合时间相对应(许文良等,2013),指示这一时期蒙古—鄂霍茨克洋处于碰撞造山阶段; 在晚侏罗世—早白垩世,蒙古—鄂霍茨克洋进入造山后伸展阶段,而研究区中—晚侏罗世处于岩石圈伸展背景在时间与空间上与这一演化历程相一致。乌拉盖地区中—晚侏罗世火山岩(165~155 Ma)以具有A型花岗岩特征的酸性火山岩为主,表明研究区岩石圈的伸展减薄可能从中侏罗世晚期开始一直持续至155 Ma。综上所述,大兴安岭南部乌拉盖地区满克头鄂博组火山岩具有A型花岗岩的典型地球化学特征,形成于蒙古—鄂霍茨克洋闭合造山后岩石圈伸展环境。

7 结论

(1)乌拉盖地区满克头鄂博组火山岩年龄为(164.82 ±0.90)~(154.8 ±1.2)Ma,集中于165 Ma±、155 Ma±两个主要时期,属于中—晚侏罗世。

(2)乌拉盖地区满克头鄂博组火山岩岩石组合主要为流纹岩-流纹质火山碎屑岩,属于高硅、富钾、贫镁钙系列,富集大离子亲石元素Rb、K、Th、U以及轻稀土元素,亏损高场强元素Nb、Ti、P,具有低Sr、高Yb以及壳源岩浆特征,火山岩岩浆来源于地壳岩石的部分熔融,源区残留物可能以斜长石为主,含少量角闪石。

(3)乌拉盖地区满克头鄂博组火山岩产生于造山后伸展构造环境,其形成可能与蒙古—鄂霍茨克洋闭合后的岩石圈伸展活动有关。

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