大兴安岭北段高地林场满克头鄂博组火山岩年代学、地球化学特征及其构造意义

于喜洹，李新鹏，李中会，陈旭峰，尹国良，李成禄，王恩宝

1.黑龙江省自然资源调查院，哈尔滨 150036；2.黑龙江省地球物理地球化学勘查院，哈尔滨 150036

0 引言

大兴安岭北段地区位于兴蒙造山带东部，该带中生代火山岩广泛发育。近年来，学者们对中生代火山岩成因和构造背景进行了研究[1-8]，并取得一定的成果，研究对象主要为塔木兰沟组基性火山岩、玛尼吐组流纹岩和白音高老组流纹岩[9-13]，而对北段满克头鄂博组火山岩的研究相对较少。为此，笔者依据近年来开展的区调工作①②，对高地林场地区满克头鄂博组火山岩进行岩相学、岩石地球化学、同位素年代学及构造环境等方面的研究，为大兴安岭北段晚侏罗世岩浆活动、构造环境提供新的资料。

1 区域地质概况

大兴安岭由额尔古纳地块、兴安地块和松嫩地块3个微陆块及其之间构造带拼合而成，主要构造带为塔源—喜桂图缝合带和二连—贺根山缝合带，为3个微陆块之间的分界线[5-6]。研究区位于额尔古纳地块北缘(图1)，区内岩浆活动发育，侵入岩有中元古代花岗质片麻杂岩、早侏罗世二长花岗岩、花岗闪长岩、晚侏罗世正长花岗岩和二长花岗岩；出露下元古界兴华渡口岩群、上侏罗统塔木兰沟组、满克头鄂博组和玛尼吐组4个岩石地层单位。塔木兰沟组在研究区北东部有少量出露，为一套陆相中基性火山岩夹沉积岩建造，岩石类型为玄武粗安岩、玄武粗安质凝灰岩、含角砾玄武粗安岩等。玛尼吐组在研究区北东部有少量出露，为一套陆相中酸性火山岩建造，岩石组合以中性、中酸性熔岩为主，夹少量中性、中酸性火山碎屑岩，岩石类型有英安岩、安山岩和英安质含角砾晶屑凝灰岩和英安质含角砾岩屑弱熔结凝灰岩等。满克头鄂博组在研究区内广泛分布，整体呈NE向展布，为一套陆相酸性火山岩建造，主要由酸性火山碎屑岩夹流纹岩组成。

1.上侏罗统玛尼吐组；2.上侏罗统满克头鄂博组；3.上侏罗统塔木兰沟组；4.下元古界兴华渡口岩群；5.晚侏罗世细中粒正长花岗岩；6.晚侏罗世细中粒似斑状二长花岗岩；7.早侏罗世细中粒(含巨斑)似斑状二长花岗岩；8.早侏罗世中粗粒二长花岗岩；9.早侏罗世中细粒二长花岗岩；10.早侏罗世细中粒花岗闪长岩；11.中元古代花岗质片麻杂岩；12.采样位置及同位素年龄；F1.嘉荫—牡丹江断裂；F2.敦化—密山断裂；F3.伊通—依兰断裂；F4.索伦—西拉木伦断裂；F5.二连—贺根山断裂；F6.塔源—喜桂图断裂。图1 东北地区大地构造简图(a)和研究区地质略图(b)Fig.1 Tectonic sketch map of Northeast China (a) and simplified geological map of study area (b)------① 黑龙江省地质调查研究总院.黑龙江1∶25万漠河县、漠河、兴安幅区域地质调查报告.哈尔滨：黑龙江省地质资料档案馆,2014.② 黑龙江省地球物理地球化学勘查院.黑龙江省1∶5万拜托西河、阿库塞河、四十公里、面包山、下嘎来奥伊河幅区域地质矿产调查报告.哈尔滨：黑龙江省地质资料档案馆,2019.

2 岩相学特征

岩石类型主要有流纹质晶屑熔结凝灰岩、流纹质角砾晶屑岩屑凝灰岩、流纹岩等。

流纹质晶屑熔结凝灰岩晶屑熔结凝灰结构，假流动构造。晶屑(57%)呈次棱角状-棱角状，成分为石英、斜长石及少量的碱性长石、黑云母，大小0.05～3 mm，斜长石绢云母化、碎裂发育；浆屑(30%)呈撕裂带状，定向围绕晶屑分布，绿泥石化发育，大小0.2～2.5 mm。火山灰充填，细小难辨(图2a)。

流纹质角砾晶屑岩屑凝灰岩晶屑岩屑凝灰结构，块状构造。角砾(35%)成分为文象花岗岩及少量的安山岩，呈不规则块状、次棱角状；岩屑(25%)成分为文象花岗岩及少量的安山岩，呈次圆状、次棱角状，大小0.2～2 mm；晶屑(20%)成分为石英、碱性长石及少量斜长石，呈次棱角状-棱角状，大小0.1～0.5 mm。火山灰充填，绢云母化发育(图2b)。

流纹岩斑状结构，块状构造。斑晶主要为斜长石、碱性长石和黑云母，大小0.6～4 mm。斜长石呈半自形柱状、板柱状，含量占5%；碱性长石呈半自形板状，含量占25%；黑云母呈片状，含量占5%。基质由隐晶的长英质组成(图2c)。

Bre.角砾；Qtz.石英；Kfs.钾长石；Pl.斜长石。a.流纹质晶屑熔结凝灰岩；b.流纹质角砾晶屑岩屑凝灰岩；c.流纹岩。图2 满克头鄂博组火山岩镜下显微照片Fig.2 Photomicrographs of volcanic rocks from Manketou’ebo Formation

3 同位素测年

3.1 分析方法

测年样品采自研究区内高地林场东17 km满克头鄂博组实测剖面P20TC103流纹岩中，取样位置为122°18′05″E，52°14′47″N，样品新鲜无蚀变，符合测年条件。锆石分选由河北省廊坊区域地质调查研究院地质实验室完成。北京锆年领航科技有限公司实验室完成样品制靶。天津地质调查中心实验室完成锆石阴极发光照相和LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测定。采用ICP-MS Data Cal程序和Isoplot(Ver 3.0)程序进行数据处理,实验原理和流程见参考文献[14]。

3.2 测年结果

测年分析结果见表1，锆石外形多呈短柱状，少数呈长柱状，半自形-自形。粒径55～100 μm，长宽比多为2∶1，显示明显的振荡韵律环带(图3)，锆石Th/U比值为0.58～2.21，为典型的岩浆锆石。17个锆石点分析结果均分布在谐和线上及其附近(图4)，测得U-Pb谐和曲线年龄为(149±1) Ma，加权平均年龄为(148.7±1.1) Ma，二者年龄一致，时代为晚侏罗世。

表1 满克头鄂博组流纹岩LA--ICP--MS锆石U--Pb分析结果

图3 满克头鄂博组流纹岩锆石阴极发光图像Fig.3 Cathodoluminescence (CL) images of zircons from rhyolite in Manketou’ebo Formation

4 岩石地球化学特征

4.1 主量元素特征

主量元素分析结果见表2。ω(SiO2)为75.2%～79.72%；ω(Al2O3)为10.64～13.29%；全碱ω(Na2O+K2O)为5.07%～8.72%；ω(CaO)为0.13%～0.18%；ω(MgO)为0.089%～0.37%；分异指数(DI)88.35～95.81，固结指数(SI)0.87～4.96，表明岩浆分异结晶程度较高；在TAS图解(图5a)中样品分布在流纹岩区域；铝饱和指数(A/CNK)1.05～2.22，在A/CNK-A/NK图解(图5b)中样品落入弱过铝质区；在ω(K2O)-ω(Na2O)图解(图5c)中，样品分布在钾质-高钾质区；在ω(K2O)-ω(SiO2)图解(图5d)中，样品分布在高钾钙碱性系列区。分析结果表明满克头鄂博组火山岩具有弱过铝质、富碱、贫钙和贫镁的岩石化学特征。

表2 满克头鄂博组火山岩主量元素和微量元素分析结果

图4 流纹岩锆石U--Pb谐和曲线图(a)和加权平均年龄分布图(b)Fig.4 U--Pb concordant diagram (a) and weighted average distribution diagram (b) of zircons from rhyolite

图5 研究区满克头鄂博组火山岩地球化学判别图解Fig.5 Geochemical discrimination diagrams of volcanic rocks in Manketou’ebo Formation from study area

4.2 稀土、微量元素特征

稀土、微量元素分析结果见表2，稀土元素总量(ΣREE)为124.32×10-6～189.41×10-6，平均值154.0×10-6；轻稀土总量(ΣLREE)为99.33×10-6～135.93×10-6，平均值118.48×10-6；重稀土总量(ΣHREE)为7.98×10-6～27.67×10-6，平均值14.32×10-6；反映轻重稀土元素分馏程度的LREE/HREE比值为8.72～16.35，平均值10.01；δEu为0.25～0.46，平均值0.34； (La/Yb)N为1.76～17.46， 平均值9.44；稀土元素配分模式图(图6a)呈右倾型，轻稀土曲线相对较陡，重稀土曲线相对较平缓，属于轻稀土富集、重稀土亏损型。

图6 满克头鄂博组火山岩球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)Fig.6 Chondrite normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle normalized trace element spider diagrams (b) of volcanic rocks in Manketou’ebo Formation

在原始地幔标准化微量元素蛛网图中(图6b)，曲线总体为右倾锯齿型，Rb、K、Th、Nd、Ce、Zr、Hf显示正异常，Ba、Nb、Sr、P、Ti显示负异常。大离子亲石元素(LILE)Rb、K元素相对富集，亏损Sr、Ba，高场强元素(HFSE)Nb、Ta、Ti元素亏损。

5 讨论

5.1 形成时代

区域上满克头鄂博组呈角度不整合覆盖在塔木兰沟组之上，被玛尼吐组整合喷发覆盖，被白音高老组角度不整合覆盖。关于满克头鄂博组形成时代，学者们[2,8,15-24]通过同位素测年提出不同认识。笔者通过归纳整理大兴安岭地区满克头鄂博组高精度LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果(表3)，发现时代跨度较大，主要为晚侏罗世(160～147 Ma)和早白垩世(145～136 Ma)，王阳[18]认为满克头鄂博组火山岩可能存在晚侏罗世与早白垩世两个活跃期。本次获取锆石U-Pb年龄为(149±1) Ma，确定高地林场地区满克头鄂博组火山岩形成时代为晚侏罗世。

表3 大兴安岭地区满克头鄂博组火山岩测年结果

5.2 岩石成因和岩浆源区

研究区满克头鄂博组火山岩具有富铝(平均值12.52%)、富碱(平均值7.5%)、贫钙和贫镁的岩石化学特征。A/CNK值为(1.05～2.22)>1.1，(La/Yb)N值为1.76～17.46，平均值9.44，LREE/HREE比值为8.72～16.35，平均值10.01，显示A型花岗岩特征。在满克头鄂博组火山岩成因类型判别图解(图7)中，均落入A型花岗岩区。

样品具有较高的SiO2(平均值76.4%)和较低的Cr(平均值7.6×10-6)，显示壳源岩石地球化学特征。稀土曲线显示Eu呈负异常，表示Eu亏损程度的参数Eu/Sm为0.08～0.12，平均值0.10；δEu为0.25～0.46，平均值0.34，为负异常，表明岩浆源区有斜长石发生分离结晶作用或有斜长石残留，为上地壳部分熔融形成的岩石。Rb/Sr值范围为1.44～7.30，平均值为4.04，属壳源岩浆范围(>0.5)。微量元素中大离子亲石元素(LILE)Rb、K元素相对富集，亏损Sr、Ba，高场强元素(HFSE)Nb、Ta、Ti元素亏损。Sr贫化表明该期火山岩是斜长石分离结晶后残余岩浆，Ba随岩浆分异作用与分离结晶作用减少。张吉衡[8]对以往资料整理得出，低Sr-Ba类酸性火山岩是由浅部地壳物质部分熔融形成的。由此认为，研究区满克头鄂博组火山岩为演化程度较高的部分熔融的地壳物质，为壳源岩浆。

图7 满克头鄂博组火山岩成因类型判别图解Fig.7 Discrimination diagram of genetic types for volcanic rocks in Manketou’ebo Formation

5.3 构造环境分析

在构造环境判别ω(Rb)-ω(Y+Nb)图解(图8a)中，样品投影点多落入火山弧区并靠近同碰撞区；ω(Rb)-ω(Yb+Ta)图解(图8b)中，样品投影点多落入同碰撞花岗岩区并靠近火山弧花岗岩区。两个图解中均有一个样品落入板内区域且靠近火山弧区，均表明高地林场地区满克头鄂博组火山岩形成于晚侏罗世造山后的伸展构造环境。

大兴安岭北部及其邻区中-晚中生代存在早侏罗世和晚侏罗—早白垩世等期次的岩浆活动[25-27]。近年来，随着蒙古—鄂霍茨克洋缝合带研究程度的提高[4-6,15-27]，尤其是蒙古—鄂霍茨克洋存在向南俯冲的确定，越来越多的学者认为大兴安岭地区晚中生代的岩浆活动与蒙古—鄂霍茨克洋闭合后的岩石圈伸展环境密切相关[28-33]。晚古生代末蒙古—鄂霍茨克洋局部发生俯冲，晚三叠世开始自西向东呈剪刀式闭合，许文良等[6]将蒙古—鄂霍茨克洋在额尔古纳地块西部闭合时间限定为168 Ma，研究区满克头鄂博组流纹岩形成时间为(149±1) Ma。大兴安岭地区中生代火山岩总体上具有自西向东时代逐渐变新的趋势，与蒙古—鄂霍茨克洋闭合特征相符[20]。由此认为，高地林场地区满克头鄂博组火山岩形成的动力学背景为蒙古—鄂霍次克洋闭合后的岩石圈伸展环境。

图8 满克头鄂博组火山岩构造环境判别图解Fig.8 Discrimination diagrams of tectonic setting for volcanic rocks in Manketou’ebo Formation

6 结论

(1)高地林场地区满克头鄂博组火山岩锆石U-Pb年龄为(149±1) Ma，形成时代为晚侏罗世。

(2)高地林场地区满克头鄂博组为弱过铝质高钾钙碱性系列火山岩，岩浆来源于浅部地壳物质的部分熔融，具有壳源岩浆特征。

(3)高地林场地区满克头鄂博组火山岩形成的动力学背景为蒙古—鄂霍次克洋闭合后的岩石圈伸展环境。