黑龙江富源沟晚三叠世中-基性火山岩的厘定及地质意义

王文东，刘 涛，周传芳，杨华本，杜兵盈，刘宇崴

1.中国地质调查局哈尔滨自然资源综合调查中心，黑龙江 哈尔滨 150081；

2.黑龙江省地质科学研究所，黑龙江 哈尔滨150036

0 引言

大兴安岭地区位于中亚造山带的东部，古生代经历了古亚洲洋构造体系的演化，中生代期间经历了古太平洋构造体系和蒙古-鄂霍次克构造体系的叠加与改造，从北向南依次横跨了额尔古纳地块和兴安地块［1-3］，发育的侏罗纪—早白垩世火山岩带呈北东向贯穿展布，形成背景主要与蒙古-鄂霍次克构造域［2］或太平洋构造域［1，3］有关.随着近年来高精度锆石U-Pb 同位素测年工作的开展，针对大兴安岭北段广泛分布的中生代火山岩，不同学者对火山岩地层归属、时代厘定及划分对比进行了较全面的研究和总结，但主要集中于中侏罗统—下白垩统［4-10］.额尔古纳地块上见有早侏罗世火山岩：大兴安岭新林区出露早侏罗世战备村组火山岩，主要为一套酸性火山岩，锆石U-Pb 同位素年龄为178～192 Ma［11］；大兴安岭满归地区出露早侏罗世变中酸性火山岩组合，其中变安山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb 年龄为199±1 Ma［12］.兴安地块上见有中—晚三叠世火山岩：黑河地区兴华乡玄武安山岩形成时代为中三叠世（锆石U-Pb 同位素年龄242±4 Ma），罕达气乡安山岩（锆石U-Pb 同位素年龄225±1 Ma、223±1 Ma）形成时代为晚三叠世［13］.目前在额尔古纳地块和兴安地块上关于早中生代弧岩浆岩的报道较多［13-14］，而与俯冲作用相关的早中生代火山岩报道较少.笔者在大兴安岭北部漠河地区开展的1∶5 万洛古河等四幅区调填图过程中新发现一套晚三叠世中-基性火山岩，将其划分为非正式填图单元富源沟中-基性火山岩，并对其进行岩石学、年代学及地球化学研究，旨在约束其形成的地质时代，确定其形成的构造环境，为蒙古-鄂霍次克洋南向俯冲作用研究提供岩石学证据.

1 地质概况及样品特征

研究区位于黑龙江省漠河市西部富源沟林场一带，大地构造位置处于额尔古纳地块北部（图1a）.额尔古纳地块位于蒙古-鄂霍次克缝合带的东南侧，其南东侧和北西侧分别以喜桂图—塔源断裂和蒙古-鄂霍次克缝合线为界［15］.额尔古纳地块上三叠纪岩浆作用可分为3 期：246 Ma、225 Ma、205 Ma，以侵入岩为主［14］.研究区内地层以中生界的陆相沉积为主，主要为中侏罗统绣峰组（J2x），零星出露新元古界浅变质的浅海相碎屑岩-碳酸盐岩组合的佳疙瘩组（Nhj），另外在富源沟林场一带出露一套中-基性火山岩组合.研究区花岗质岩浆活动强烈，发育古生代、中生代侵入岩，具体可划分出晚奥陶世、晚二叠世、晚三叠世—早侏罗世和早白垩世4 期岩浆活动（图1b）.

图1 大兴安岭富源沟林场地区地质简图Fig.1 Geological sketch map of Fuyuangou Forest Farm area in Daxinganling Mountains1—第四系（Quaternary）；2—中侏罗统绣峰组（Middle Jurassic Xiufeng fm.）；3—南华系佳疙瘩组（Jiageda fm.of Nanhua system）；4—早白垩世二长花岗岩（Early Cretaceous monzogranite）；5—早白垩世花岗闪长岩（Early Cretaceous granodiorite）；6—晚三叠-早侏罗世二长花岗岩（Late Triassic-Early Jurassic monzogranite）；7—晚二叠世花岗斑岩（Late Permian granite porphyry）；8—晚二叠世二长花岗岩（Late Permian monzogranite）；9—晚奥陶世二长花岗岩（Late Ordovician monzogranite）；10—富源沟中-基性火山岩（Fuyuangou intermediate-basic volcanic rock）；11—剖面位置（section position）；12—采样位置（sampling site）；13—中粗粒长石砂岩（medium-coarse grained arkose）；14—英安质火山岩角砾岩（dacite volcanic breccia）；15—英安质岩屑晶屑凝灰岩（dacite lithic crystal tuff）；16—玄武安山岩（basaltic andesite）；17—安山岩（andesite）；18—二长花岗岩（monzogranite）；19—研究区位置（study area）；20—层号（layer number）

晚三叠世富源沟中-基性火山岩呈北东向零星分布于富源沟林场一带，出露面积约2.6 km2，主要岩性为玄武安山岩、安山岩、英安质火山角砾岩（图1c）.该套火山岩被绣峰组粗粒长石砂岩角度不整合覆盖，局部被晚三叠世—早侏罗世二长花岗岩侵入接触.其地层层序如下：

本次研究在玄武安山岩、安山岩、英安质火山角砾岩中系统采集了年代学及地球化学分析样品.其中选定进行LA-ICP-MS 锆石U-Pb 同位素测试样品为安山岩（WJL018）和近火山口的英安质火山角砾岩（WJL019），采样位置分别为52°53′20″N、121°41′16″E和52°53′17N、121°41′23″E.另外对8 件火山岩样品进行了主量、微量和稀土元素分析.

安山岩（WJL018，图2a）主要由斑晶、基质组成，斑状结构、交代假象结构，基质具玻晶交织结构、块状构造，斑晶为斜长石、角闪石等.斜长石为更-中长石，呈自形—半自形板粒状，正低突起，聚片双晶较清晰显示，干涉色为Ⅰ级灰白色，粒径0.3～1.5 mm，含量约15%；角闪石呈自形—半自形柱状、柱粒状，均被绿泥石或绿帘石集合体交代，保留外形轮廓，呈交代假象结构，粒径0.3～1.5 mm，含量约3%.基质由长条状斜长石微晶及部分隐晶质、蚀变暗色矿物，少量微晶石英、磁铁矿等组成，粒径均小于0.2 mm，其中长条状斜长石平行-半平行定向排列，其间隙充填隐晶质、蚀变暗色矿物，少量微晶石英、磁铁矿等.基质含量约为82%.

图2 富源沟林场地区安山岩和英安质火山角砾岩显微镜下照片Fig.2 Microphotographs of andesite and dacitic volcanic breccia in Fuyuangou Forest Farm area正交偏光（under cross-polarized light）；Qtz—石英（quartz）；Pl—斜长石（plagioclase）；Ep—绿帘石（epidote）；Chl—绿泥石（chlorite）

英安质火山角砾岩（WJL019，图2b）主要由角砾、岩屑、晶屑、胶结物组成，具角砾状结构，块状构造.角砾为安山岩、英安岩、凝灰岩等，呈棱角状—次棱角状，大小为2～40 mm，杂乱分布，含量约65%.岩屑为安山岩、英安岩、凝灰岩等，粒径多数在0.2～2 mm，分布在角砾之间，以胶结物的形式存在，含量约10%.晶屑为斜长石，少量石英等，呈次棱角状—次圆状，边缘熔蚀圆化.斜长石为更-中长石，颗粒晶面泥化、绢云母化、绿帘石化较为混浊，正低突起，聚片双晶显示较模糊，干涉色为Ⅰ级灰白色，粒径0.1～0.8 mm，含量约5%；石英呈无色透明，正低突起，干涉色为Ⅰ级灰白色，粒径0.1～0.2 mm.上述晶屑以胶结物的形式分布于角砾之间.胶结物主要为隐晶质黏土矿物，部分微晶石英、绿帘石、显微鳞片状绢云母、绿泥石等，以混晶集合体的形式杂乱分布在角砾、岩屑、晶屑之间，含量约20%.

2 锆石U-Pb 测年

2.1 测试方法

锆石U-Pb 分析在天津地质调查中心同位素实验室LA-ICP-MS 仪器上完成，利用193 nm 激光器对锆石进行剥蚀，采用的激光剥蚀斑束直径为35 μm，激光能量密度为13～14 J/cm2，频率为8～10 Hz.采用TEMORA 作为外部锆石年龄标准.以NIST612 玻璃标样作为外标计算锆石样品的Pb、U、Th 含量.样品信号采集时间60 s（其中20 s 为空白的测定）.详细分析方法及仪器参数见文献［16］.采用ICP-MS DataCal 和Isoplot程序进行数据处理，数据处理方法见文献［17］.

2.2 测试结果

（1）安山岩（WJL018）：锆石大部分颗粒呈长柱状，少量为不规则形状，长度集中在80～100 μm，宽度集中在50～70 μm，长宽比介于1∶1～2∶1.锆石阴极发光图像显示，具岩浆成因的振荡生长环带（图3）.锆石的Th 和U 的含量分别为29×10-6～596×10-6和37×10-6～1135×10-6，Th/U 值介于0.22～1.23 之间（表1，扫描首页OSID 二维码可见），表明为岩浆成因［18］.对样品进行了24 个测点分析，206Pb/238U 年龄集中分布在444～453 Ma 和243～247 Ma，加权平均年龄分别为447±5 Ma（MSWD＝0.83，n＝4）和245±3 Ma（MSWD＝0.59，n＝4），除此之外444～453 Ma 和1782±36 Ma、1718±25 Ma、1415±27 Ma、979±10 Ma、903±9 Ma 等年龄谐和度较低，可能为捕获早期锆石年龄.19 号测点为最小的年龄，其206Pb/238U 谐和年龄为201±2 Ma（图4），由于其稍微偏离谐和线（谐和度为90%），具有一定的可信度，代表了火山岩的成岩年龄.

图3 富源沟中-基性火山岩锆石阴极发光图像Fig.3 CL images of zircons from Fuyuangou intermediate-basic volcanic rocks

图4 富源沟中-基性火山岩锆石U-Pb 谐和图Fig.4 Zircon U-Pb concordia diagram of Fuyuangou intermediate-basic volcanic rocks

（2）英安质火山角砾岩（WJL019）：锆石呈长柱状或短柱状，自形程度较高，长度集中在90～100 μm，宽度集中在40～60 μm，长宽比介于1∶1～2∶1.锆石阴极发光图像显示，具有明显的振荡生长环带（图3）.锆石的Th 和U 的含量分别为76×10-6～932×10-6和163×10-6～818×10-6，Th/U 值介于0.36～1.69 之间（表1，扫描首页OSID 二维码可见），表明为岩浆成因.对样品进行了30 个测点分析，206Pb/238U 年龄主要集中在196～207 Ma，加权平均年龄为201±1 Ma（MSWD＝2.4，n＝27）（图4）.

3 岩石地球化学特征

样品全岩主量元素和微量元素分析测试在河北省区域地质矿产调查研究所完成，其中主量元素采用熔片法X 射线荧光光谱法（XRF）测定，微量元素和稀土元素采用Finnigan MAT 公司生产的双聚焦高分辨等离子体质谱仪ICP-MS 进行测定，分析测试具体实验条件和步骤见文献［19］.测试分析结果如表2（扫描首页OSID 二维码可见）.

3.1 主量元素

富源沟中-基性火山岩样品的SiO2含量为53.94%～57.68%，平均值为55.55%；Al2O3含量为17.51%～18.81%，平均值为17.97%；全碱（Na2O+K2O）含量为3.01%～4.83%，平均值为4.27%；MgO 含量为3.01%～4.4%，平均值为3.65%，相应的Mg＃值为47.1～54.6；TiO2含量变化于0.97%～1.17%，其平均值（1.04%）与钙碱性系列安山岩平均值（1.16%）相近［20］.A/CNK 为0.57～0.89，平均值为0.73，具有准铝质岩石特点.在硅-碱图（TAS 分类图，图5a）中，样品点主要落在安山岩、玄武安山岩区域，属于亚碱性岩石系列.在Nb/Y-0.0001 Zr/TiO2图解（图5b）中，绝大部分样品点落入安山岩区域，少量落入流纹英安岩/英安岩区域.AFM 图解进一步划分表明岩石属于钙碱性系列（图6），里特曼指数σ 为0.74～1.83.在SiO2-K2O 图（图7）中，样品点主要落在钙碱性系列，少数落入拉斑系列和高钾钙碱性系列.综合主量元素分析可知，富源沟中-基性火山岩为一套准铝质钙碱性系列岩石.

图5 富源沟中-基性火山岩分类判别图Fig.5 Classification and discrimination diagrams of Fuyuangou intermediate-basic volcanic rocksa— TAS 分类图解（据文献［21］）（The TAS classification diagram，after Reference［21］）；b— Nb/Y-Zr/TiO2 图解（据文献［22］）（The Nb/Y-Zr/TiO2 diagram，after Reference［22］）；F—副长岩（foidite）；Pc—苦橄玄武岩（picrite basalt）；U1—碱玄岩（tephrite）；U2—响岩质碱玄岩（phonotephrite）；U3—碱玄质响岩（tephriphonolite）；Ph—响岩（phonolite）；S1—粗面玄武岩（trachybasalt）；S2—玄武粗安岩（basaltic trachyandesite）；S3—粗安岩（trachyandensite）；T—粗面岩（trachyte）；B—玄武岩（basalt）；O1—玄武安山岩（basaltic andesite）；O2—安山岩（andesite）；O3—英安岩（dacite）；Ir—碱性（alkaline）；R—亚碱性（sub-alkaline）

图6 富源沟中-基性火山岩样品AFM 图解（据文献［23］）Fig.6 The AFM diagram of Fuyuangou intermediate-basic volcanic rocks（After Reference［23］）

图7 富源沟中-基性火山岩样品SiO2-K2O 图解（据文献［24］）Fig.7 The SiO2-K2O diagram of Fuyuangou intermediate-basic volcanic rocks（After Reference［24］）

3.2 稀土元素

富源沟中-基性火山岩样品稀土元素总量（ΣREE）介于97.28×10-6～181.55×10-6，平均值为125.43×10-6.岩石球粒陨石标准化的稀土元素配分曲线具有轻稀土元素富集的右倾特征，轻、重稀土分异明显（图8a）.LREE/HREE 值为6.52～10.3，平均值为7.65；（La/Yb）N值为5.82～7.62，平均值为6.95；δEu 为0.99～1.07，不具负铕异常，反映了岩浆斜长石分离结晶不明显.

图8 富源沟中-基性火山岩原始地幔标准化稀土元素配分图和微量元素蛛网图Fig.8 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized trace element spidergram of Fuyuangou intermediate-basic volcanic rocks

3.3 微量元素

富源沟中-基性火山岩样品微量元素分析结果（表2，扫描首页OSID 二维码可见）显示，所有样品呈现出一致的变化趋势，反映岩石的母岩浆应该具有同源性，以富集大离子亲石元素（Ba、K、Sr 等）、亏损高场强元素（Nb、Ta、Ti、P 等）为特征（图8b），具有弧火山岩的TNT（Nb、Ta 和Ti）亏损的微量元素分配特征，与俯冲带岩浆岩地球化学特征类似［25］.

4 讨论

4.1 形成时代

富源沟中-基性火山岩以中性火山熔岩为主，野外调查在火山口附近发现少量英安质岩屑晶屑凝灰岩和英安质火山角砾岩，并且在剖面中英安质岩屑晶屑凝灰岩在安山岩中以夹层出现，另外在火山口附近发育英安质火山角砾岩.安山岩样品的锆石最小206Pb/238U 谐和年龄为201±2 Ma（Th/U 值0.68）；英安质火山角砾岩的角砾和岩屑为安山岩、英安岩、凝灰岩，胶结物主要为隐晶质黏土矿物，其火山角砾和岩屑成分为富源沟中-基性火山岩岩性组合，故其锆石206Pb/238U加权平均年龄201±1 Ma（MSWD＝2.4，n＝27，Th/U 值0.36～1.69）可以代表本期火山岩的形成年龄.野外见中侏罗统绣峰组与下伏的安山岩呈角度不整合接触，接触面产状为300°∠35°，两者之间存在较薄的红褐色风化壳.综上，分析认为富源沟中-基性火山岩形成时代为晚三叠世.

4.2 岩石成因

富源沟中-基性火山岩在火山岩分类命名图解上主要落入玄武安山岩和安山岩区域，主体为一套钙碱性岩石，另外在稀土元素配分曲线和微量元素蛛网图上呈现出一致的变化趋势，具有同源岩浆演化的特点.关于钙碱性安山岩的成因主流观点为［13，26-27］：幔源玄武质岩浆底侵导致下地壳物质部分熔融作用；幔源玄武质岩浆分离结晶；幔源玄武质岩浆与源自陆壳的酸性岩浆混合及俯冲流体或熔体交代地幔楔的部分熔融.富源沟中-基性火山岩Mg＃值为47.1～54.6，与基性下地壳物质部分熔融产生的岩浆明显不同（Mg＃值通常小于45），另外Lu/Yb 和Rb/Sr 值分别介于0.14～0.17 和0.03～0.09，与幔源岩浆的Lu/Yb（0.14～0.15）和Rb/Sr（0.03～0.047）值相近［28］.富源沟中-基性火山岩不具有Eu 负异常，且其Cr（9.31×10-6～46.2×10-6）、Ni（5.87×10-6～23.1×10-6）等含量偏低，均低于原始玄武岩浆Cr（300×10-6～500×10-6）、Ni（300×10-6～400×10-6）的范围［29］，说明其不可能是直接由地幔物质发生部分熔融的产物.富源沟中-基性火山岩具有Nb、Ta 负异常和Zr 正异常，表明其可能遭受后期地壳混染或者起源于受俯冲流体交代的岩石圈地幔，Nb/U 和Ce/Pb 值主体为6.4～10.8 和2.7～4.6，与大陆地壳的Nb/U（10）和Ce/Pb（4）范围基本一致［30］，并且安山岩（WJL018）锆石U-Pb 测年数据中出现了较多元古宙的捕获锆石，表明在安山岩的形成过程中可能受到了地壳不同程度的混染.富源沟中-基性火山岩富集大离子亲石元素Ba、K、Sr 等和轻稀土元素，亏损高场强元素Nb、Ta、Ti、P等和重稀土元素，与俯冲带弧岩浆岩具有类似的地球化学特征，其原始岩浆可能与受到流体交代的地幔楔的部分熔融有关，并在上升过程中遭受了地壳物质混染.

4.3 构造背景和地质意义

研究区位于蒙古-鄂霍次克构造带东部.早中生代（三叠纪-早侏罗世）蒙古-鄂霍次克大洋板块持续南向俯冲，控制了大兴安岭-冀北-辽西地区的岩浆活动，并在中侏罗世闭合，而晚侏罗世—早白垩世主要表现为闭合后的伸展背景［31］.近年来，在额尔古纳地块-兴安地块上识别出了较多的三叠纪时期的蒙古-鄂霍次克大洋板块南向俯冲的火成岩记录［13-14，32-33］，另外该时期发育的斑岩型矿床（如八大关Cu-Mo 矿、八八一Cu-Mo 矿、太平川Mo 矿）的形成与蒙古-鄂霍次克洋的向南俯冲有关［34］.额尔古纳地块-兴安地块上晚三叠世以岩浆侵入作用为主，在兴安地块上罕达气-扎兰屯-蘑菇气地区产出少量火山岩，岩石组合及地球化学特征显示形成于活动大陆边缘环境，是蒙古-鄂霍次克大洋板块持续南向俯冲作用的物质表现［35］.兴安地块上蒙古-鄂霍次克大洋板块南向俯冲的火山岩记录主要有：黑河地区兴华乡钙碱性系列玄武安山岩（锆石U-Pb 同位素年龄242±4 Ma）［13］，蘑菇气地区哈达陶勒盖组火山岩（锆石U-Pb 同位素年龄230.2±2.2～210.9±3.5 Ma）［32］、罕达气乡晚三叠世高镁安山岩（锆石U-Pb 同位素年龄225±1 Ma、223±1 Ma）［13］，扎兰屯地区高镁玄武安山岩（锆石U-Pb 同位素年龄228±2 Ma）［13］和具有O 型埃达克岩地球化学特征的哈达陶勒盖组中性火山岩［36］.

三叠纪蒙古-鄂霍次克大洋板块南向俯冲的物质记录在额尔古纳地块上主要表现为侵入岩，而火山岩方面的研究报道较少.新巴尔虎右旗地区的哈达陶勒盖组安山岩锆石U-Pb 同位素年龄为254.3±7.9 Ma，形成于蒙古-鄂霍次克板块向南俯冲引起的陆缘弧背景［37］.富源沟中-基性火山岩样品具钙碱性系列岩石特征，富集Ba、K、Sr 等大离子亲石元素，亏损Nb、Ta、Ti、P 等，同岛弧安山岩特征相似，并具有较高的Nb/Yb和Th/Yb 值，在Th/Yb-Nb/Yb 图解（图9）中样品投影在大陆弧区域.另外结合在Th-Hf/3-Ta 图解（图10a）上投点到钙碱性玄武岩区域，在Zr-Ti/100-Y×3 图解（图10b）落入钙碱性玄武岩区域内或落在钙碱性玄武岩附近，在Zr-Ti/100-Sr/2 图解（图10c）中均落入钙碱性岛弧火山岩区内，暗示其可能为活动大陆边缘环境下俯冲作用的产物.结合前文所述，额尔古纳地块三叠纪的构造背景主要受蒙古-鄂霍次克大洋板块南向俯冲的影响，本次厘定的位于额尔古纳地块上晚三叠世富源沟中-基性火山岩的形成与蒙古-鄂霍次克大洋板块板块南向俯冲作用有关，为三叠纪蒙古-鄂霍次克大洋板块向额尔古纳地块俯冲作用形成的火山弧产物.

图9 Nb/Yb-Th/Yb 图解（据文献［38］）Fig.9 The Nb/Yb-Th/Yb diagram（After Reference［38］）N-MORB—正常洋脊玄武岩（normal mid-ocean ridge basalt）；E-MORB—富集洋脊玄武岩（enriched mid-ocean ridge basalt）；OIB—洋岛玄武岩（ocean island basalt）

图10 火山岩微量元素成分构造环境判别图Fig.10 Tectonic environment discrimination diagrams of trace elements for volcanic rocksa—据文献［39］（after Reference［39］）；b，c—据文献［40］（after Reference［40］）；N-MORB—正常洋脊玄武岩（normal mid-ocean ridge basalt）；EMORB—富集洋脊玄武岩（enriched mid-ocean ridge basalt）；WPT—板内拉斑玄武岩（within-plate tholeiite）；WPAB—板内碱性玄武岩（within-plate alkali basalt）；IAB—岛弧玄武岩（island arc basalt）；IAT—岛弧拉斑玄武岩（island arc tholeiite）；MORB—洋中脊玄武岩（mid-ocean ridge basalt）；WPB—板内玄武岩（within-plate basalt）；OFB—洋底玄武岩（ocean floor basalt）；IAB—岛弧玄武岩（island arc basalt）；CAB—钙碱性玄武岩（calc-alkali basalt）

5 结论

（1）黑龙江省漠河市西部地区新发现一套晚三叠世中-基性火山岩，其中安山岩获得锆石LA-ICP-MS U-Pb 年龄为201±2 Ma，英安质火山角砾岩获得锆石U-Pb 平均年龄为201±1 Ma.结合与上覆中侏罗统绣峰组的角度不整合接触关系，认为富源沟中-基性火山岩形成于晚三叠世.

（2）富源沟中-基性火山岩为一套钙碱性系列岩石，富集大离子亲石元素Ba、K、Sr 等，亏损高场强元素Nb、Ta、Ti、P 等，具有俯冲带岩浆岩地球化学特征，其原始岩浆可能与受到流体交代的地幔楔的部分熔融有关，并在上升过程中遭受了地壳物质混染，形成于蒙古-鄂霍次克洋向额尔古纳地块俯冲的火山弧环境.

致谢：衷心感谢审稿专家及编辑部老师在论文修改过程中给予的指导与帮助.