大兴安岭中段白音高老组火山岩的形成时代及地球化学特征

大兴安岭中段白音高老组火山岩的形成时代及地球化学特征张乐彤;李世超;赵庆英;李雪菲;王璐;李子昊
【摘要】大兴安岭中段柴河地区白音高老组火山岩主要由流纹岩及流纹质火山碎屑岩等一套酸性火山岩组成。

锆石 SHIRMP U－Pb 定年结果显示白音高老组火山岩的年龄为131±1 Ma，为早白垩世。

地球化学测试结果显示，白音高老组火山岩属钙碱性系列，其微量元素亏损 Ba、 Sr、 P、 Ti、 U 元素，相对富集 Rb、Th、 K、 Nd、 Hf 等元素。

稀土元素配分曲线右倾，轻重稀土分馏明显，具有明显的 Eu 负异常。

研究表明，白音高老组火山岩来源于下地壳的部分熔融，其形成的构造背景可能为蒙古—鄂霍茨克洋闭合—碰撞造山后的伸展。

%The volcanic rocks from Baiyingaolao Formation of Chaihe area in Da Hinggan mountains are com-posed of rhyolite and volcanic clastic, which is a set of felsic volcanic rocks.SHIRMP U-Pb dating shows that the age of the volcanic rocks of Baiyingaolao Formation is about 131 ±1 Ma, belonging to the Early Cretaceous.The geochemical data show that the volcanic rocks belong to calc-alkaline series, the trace elements are characterized evidently by depletion of Ba, Sr, P, Ti, U, and enrichment of Rb, Th, K, Nd, Hf.The REE distribution curves are to the right.LREE and HREE fraction and Eu negative anomaly are both obvious.Above characteristics indi-cate that the volcanic rocks are likely from lower crustal melting.Tectonic setting of its formation may be the Mon-golia-Okhotsk Ocean closure-stretch after collision orogeny.
【期刊名称】《世界地质》
【年(卷),期】2015(000)001
【总页数】11页(P44-54)
【关键词】大兴安岭;白音高老组;火山岩;地球化学;岩浆来源
【作者】张乐彤;李世超;赵庆英;李雪菲;王璐;李子昊
【作者单位】吉林大学地球科学学院，长春 130061;吉林大学地球科学学院，长春 130061;吉林大学地球科学学院，长春 130061;吉林大学地球科学学院，长春130061;吉林大学地球科学学院，长春 130061;吉林大学地球科学学院，长春130061
【正文语种】中文
【中图分类】P595;P597
大兴安岭位于中国东北，兴蒙造山带的东端，山脉整体走向NNE向。

大兴安岭地区广泛发育晚中生代火山岩，是中国东部中生代火山岩带的重要组成部分[1]。

该
区中生代火成岩多数形成于晚侏罗世和早白垩世(燕山期)，其中分布最为广泛的一期火山活动由满克头鄂博组、玛尼吐组和白音高老组火山岩组成，三组火山岩之间没有明显的时间间断，但岩性上却有较大的变化。

白音高老组火山岩作为此期火山活动的最上部层位主要分布于大兴安岭的中南段，其形成时代和产生的构造背景学术界尚未达成共识，前人对大兴安岭地区白音高老组火山岩的形成时代和构造背景存在较大的争议。

张吉衡等认为白音高老组火山岩主要形成年龄集中在124～141 Ma之间[2]；苟军等认为满洲里南部白音高老组流纹岩年龄为139～141 Ma[3]；Kong Yuanming等测得内蒙古科右中旗白音高老组火山岩年龄为121.5±1.0
Ma[4]；赵国龙等认为中生代火山岩形成的构造背景与古太平洋板块俯冲有关[5]；
葛文春等认为是地幔柱成因[6,7]；华衫等认为与蒙古—鄂霍次克洋演化有关[8]；
邵济安等认为是板内成因[9]等。

笔者对大兴安岭中段柴河地区白音高老组火山岩
的岩石学、年代学和地球化学进行了详细研究，为认识该地区晚中生代构造岩浆活动和火山岩形成的构造背景提供科学依据。

研究区位于贺根山—黑河断裂带与德尔布干断裂带之间的大兴安岭中段晚古生代
增生造山带、西伯利亚板块与华北板块之间。

中生代早期受古亚洲洋闭合造山后的区域伸展影响，在北东向展布的山间断陷盆地沉积了上三叠统柴河组，为一套粗碎屑岩夹中性火山岩建造。

中侏罗世沉积了陆相中基性火山岩夹沉积岩建造—塔木
兰沟组。

晚侏罗世构造岩浆活动逐渐增强，形成了大兴安岭标志性的三套陆相中—酸性火山岩：满克头鄂博组、玛尼吐组、白音高老组，构成了大兴安岭火山岩带。

研究区内白音高老组分布广泛，主要在基尔果山、柴河上游、敖尼尔河两岸及希力格特河两岸 [10](图1)。

白音高老组火山岩主要由酸性火山碎屑岩和流纹岩组成，覆盖在玛尼吐组之上。

从岩相学上看，白音高老组火山岩与满克头鄂博组火山岩相似，均为火山碎屑岩夹流纹岩。

2.1 白音高老组火山岩岩相学特征
白音高老组火山岩采样位置见图1，主要岩性为杂色酸性火山碎屑岩、流纹岩、熔结凝灰岩，局部夹中性火山岩。

流纹岩多为斑状结构，块状构造，有的为流纹构造。

斑晶为石英和长石。

火山碎屑岩多为碎屑结构，块状构造。

流纹质熔结凝灰岩样品采自柴河镇西南方向约10 km处，岩石风化面黄褐色，新
鲜面灰白色，假流动构造，流纹较发育，熔结凝灰结构，块状构造。

晶屑的大部分为石英，粒径大小多为0.2～2 mm，表面干净，呈次磨圆状，晶体的边缘有被熔
蚀现象；斜长石绢云母化后，表面显得不干净，呈次棱角--棱角状，部分板柱状长石显形完好，主要为聚片双晶，部分晶体被破裂，大小多为0.2～2 mm(图2a)。

流纹岩样品采自希力格特以北，1004高地东南1.5 km左右，岩石风化面灰褐色，新鲜面灰白色，斑状结构，基质为细粒显微晶体结构，块状构造。

斑晶主要由石英、条纹长石和斜长石组成。

其中，石英为它形粒状，无色透明，表面光滑，可见熔蚀现象，具有窄的熔蚀边，粒径大小1～5 mm；条纹长石晶体呈板柱状，灰白色，因发生强烈高岭土化，两组解理近直交，具有条纹结构，粒径1～2 mm；斜长石晶体呈板状，无色，发生强烈绢云母化，大小多为1～2.5 mm(图2b)。

2.2 测试方法
白音高老组火山岩共做了8个化学样。

样品的主量元素和痕量元素分析是在中国
地质科学院地质研究所国家地质测试中心完成。

主量元素采用X--射线荧光光谱仪(PW4400)分析；痕量元素分析采用等离子质谱仪(X--series)完成[11]。

样品锆石的挑选由河北省廊坊市区域地质调查研究所完成。

用常规方法将样品粉碎至80～100目，经过淘洗和电磁方法进行分离后，在双目镜下将具有较好晶形的
并且无明显裂痕和包裹体的锆石挑选出来。

锆石样品制靶、透射光、反射光及阴极发光图像的采集在北京离子探针中心进行，锆石U
--Pb同位素分析在北京离子探针中心的SHRIMP--Ⅱ上完成。

在SHRIMP--Ⅱ型
离子探针仪上测定所选样品靶位的U--Th--Pb同位素含量，每测3个样品点测试
一次标样，对测定结果用SHRIMP定年标准物质对U--Th--Pb同位素含量及年龄进行校正，普通铅根据实测的204Pb进行校正[12]。

锆石年龄采用国际标准锆石91500作为外标标准物质，元素含量采用NIST SRM610作为外标，29Si作为内标。

实验测得的数据采用Andersen [13]的方法进行同位素比值的校正以去除普通Pb的影响，谐和图的绘制则采用Isoplot3.0 完成[14]，所得出的同位素比值和年龄的误差均在1 σ水平[11]。

3.1 锆石U--Pb定年
白音高老组火山岩选择的测年岩石样品为流纹质晶屑凝灰岩(样品号P2B1--4)，样
品采自淖尔河西南2 km处，共取了9个测试点(图3)，所测得数据和年龄值见表1。

由锆石CL图像(图3)可知，锆石颗粒大小50～200 μm，长宽比大约为2∶1～1∶1，大部分自形程度中等，多呈长柱状、短柱状。

锆石颗粒表面干净，在透射光和反射光下无色，半透明--透明，颗粒较为破碎。

锆石晶体内部结构清晰，可看到明显的岩浆振荡环带，Th/U>0.4，接近1，表明锆石为岩浆成因[11,15,16]。

根据样品谐和年龄图(图4)可看出，9个测点206Pb /238U年龄加权平均值为131±1 Ma，MSWD= 0.94，因此白音高老组火山岩所测得年龄为131±1 Ma，为早白垩世。

3.2 主量元素
白音高老组火山岩的SiO2含量变化范围为70.04%～85.12%，表明其为酸性火山岩；Al2O3含量变化范围为9.23%～15.11%，Fe2O3含量变化范围为0.26%～2.23%。

富碱，全碱含量K2O+Na2O变化范围为2.48%～8.93%；K2O含量大于Na2O；铝指数A/CNK变化范围为1.03～2.85>1，表明岩石为过铝质岩石。

里特曼指数σ值介于0.15～2.23，平均值为1.59，并且σ均小于3.3，表明白音高老组火山岩为钙碱性岩。

同时具有贫镁、贫钙的特点(表2)。

TAS图解(图5a)表明，所有样品点都投在流纹岩中，即酸性岩。

均为亚碱性系列岩石。

同时根据SiO2-K2O图解(图5b)可看出，大多数点投在高钾钙碱性系列，个别在钾玄岩系列和钙碱性系列。

在A/CNK-A/NK图解中(图6)，样品点都投在了过铝质岩石系列。

通过主量元素分析可知，白音高老组火山岩为酸性火山岩，属高钾钙碱性系列的过铝质岩石。

根据哈克图解(图略)可以看出，随着SiO2含量的增加，Al2O3含量逐渐减少，
MgO含量逐渐增加，MnO含量逐渐减少，K2O含量逐渐减少。

3.3 微量和稀土元素
由微量元素蛛网图(图7a)可知，白音高老组火山岩强烈亏损Ba、Sr、P、Ti元素，U元素相对亏损。

高场强元素Ti含量变化范围为659.3×
10-6～3 176×10-6，U含量变化范围为0.76×10-6～6.64×10-6；大离子亲石元素Ba含量变化范围为31.5×10-6～683×10-6，Sr含量变化范围为11.4×10-6～256×10-6。

相对富集Rb、Th、K、Nd、Hf等元素。

其中大离子亲石元素Rb含量变化范围为88.4×10-6～196×10-6；高场强元素Th含量变化范围为
9.67×10-6～22.8×10-6，Hf含量变化范围为3.47×10-6～7.93×10-6(表3)。

Nb有轻微的负异常，而Ti明显负异常。

Nb和Ti的负异常表明可能有地壳物质
参与了岩浆演化过程。

Sr的负异常说明斜长石可能出现了分离结晶。

P是相容元素，在花岗岩中能被磷灰石容纳。

而P的负异常表明在岩浆演化的过程中磷灰石
分离结晶。

白音高老组火山岩稀土总量ΣREE变化范围42.66×10-6～236.4×10-6，轻重稀
土比值范围LREE/HREE=6.78～10.34。

(La/Yb)N的变化范围是7.93～11.83>1，说明白音高老组火山岩较富集轻稀土，轻重稀土分馏明显。

在长英质熔体中普通角闪石可能在一定程度上造成轻稀土相对于重稀土有显著的富集。

σEu变化范围是0.22～0.57<1，说明具有Eu的负异常。

通过稀土元素配分曲线(图7b)可看出，Eu具有明显的负异常。

有可能是在岩浆结晶时斜长石大量晶出导致。

配分曲线右倾，轻稀土相对富集，重稀土相对亏损，轻重稀土分馏明显。

这种现象可能是由于原始岩浆中轻稀土丰度偏高，或者是在后期演化过程中富含重稀土元素的辉石及角闪石相从岩浆中移出所致。

4.1 形成时代
根据锆石测年结果，测得的年龄值为131±1 Ma。

从地层之间的关系可知，研究
区内白音高老组(K1b)地层角度不整合在裸河组(O2-3lh)、塔木兰沟组(J2tm)之上，整合覆盖在玛尼吐组(K1mn)之上，被梅勒图组(K1m)不整合覆盖。

因此，白音高
老组地层形成应晚于玛尼吐组，早于梅勒图组。

而经前人测得，玛尼吐组年龄在134.5 Ma[10]。

而研究区内梅勒图组出露较少，仅在基尔果山东侧零星出露，不
整合覆盖在白音高老组下段之上。

大兴安岭地区梅勒图组年龄为127±1 Ma[2]。

结合地质方面的判断和锆石测年可知，白音高老组火山岩为早白垩系地层，年龄值为131±1 Ma。

4.2 岩浆来源
白音高老组火山岩主要岩性为流纹岩和流纹质凝灰岩，岩石多为斑状结构，块状构造。

斑晶为石英和斜长石。

石英一般边缘被熔蚀，呈次棱角状。

斜长石可看到聚片双晶，普遍发生强烈蚀变。

根据主量元素特征可知，白音高老组火山岩为酸性火山岩，属高钾钙碱性系列的过铝质岩石。

其微量元素Nb和Ti的负异常表明可能有
地壳物质参与了岩浆演化过程，而Sr的负异常说明斜长石可能出现了分离结晶，
P的负异常表明在岩浆演化过程中，磷灰石分离结晶。

此外，如Ni、Cr、Co等地幔相容元素质量分数较低，同时还富集大离子亲石元素、轻稀土元素，亏损高场强元素，可以推断岩浆来源于下地壳[19--21]。

大兴安岭各组酸性火山岩划分为高Sr 流纹岩类和低Sr 流纹岩类，高Sr 流纹岩由
钙碱性玄武岩浆分异形成，低Sr 流纹岩由下地壳基性岩石部分熔融产生[1]。

根据葛文春关于大兴安岭南部地区中生代两类流纹岩地球化学研究，对比本文中的白音高老组火山岩地球化学特征，发现后者与其说明的Ⅱ类流纹岩非常相似(图8)。

由于Ⅱ类流纹岩与碱性系列玄武岩类构成了双峰式火山岩，因此，它的岩浆来源与碱性系列玄武岩浆分离结晶作用无关，地壳岩石的部分熔融作用可能是其形成的主要机制。

并且其稀土配分曲线和不相容元素分布模式与大陆裂谷流纹岩基本一致[1]。

大兴安岭柴河地区白音高老组火山岩的岩浆来源可能是玄武质岩浆的底侵作用引发的地壳物质熔融。

4.3 形成构造背景
研究区位于古亚洲构造域与环太平洋构造域交汇部位，中生代主要受蒙古—鄂霍
茨克构造体系的影响。

对于大兴安岭地区火山岩的形成构造背景，不同学者有不同的观点。

苟军等认为是一种在非造山板内拉张构造环境下形成[3]；葛文春等认为形成于大陆裂谷环境[1]；林强等认为是地幔柱上升所引起的岩石圈伸展形成的类似大陆裂谷环境[22]；邵济安等认为是中生代大陆岩石圈内部伸展背景下幔源岩浆积极参与地壳演化的一次造山运动[9]。

大兴安岭地区位于华北板块和西伯利亚板块之间,这两个板块间的中间地块与华北
地块的碰撞缝合作用发生在晚二叠世—早三叠世，形成了索伦—西拉木伦构造带
及联合板块。

此联合板块与西伯利亚板块之间存在着宽阔的蒙古—鄂霍茨克洋。

研究表明，三叠纪至早侏罗世，蒙古—鄂霍茨克洋处于陆内俯冲，陆陆碰撞阶段；中晚侏罗世，蒙古—鄂霍茨克洋碰撞造山阶段；晚侏罗世到早白垩世，碰撞造山
后伸展垮塌阶段，这一时期伴随大规模火山作用，中酸性岩浆侵入等[23]。

将白音高老组火山岩与典型的A型花岗岩进行对比发现，白音高老组火山岩可能
与A型花岗岩具有相似的地球化学特征。

说明两者可能具有相似的形成构造环境，即可能在非造山环境下形成。

通过国内外对A型花岗岩的研究，A型花岗岩物质
成分起源较深，其成因多与深断裂的张性活动有关，是在造山后或非造山作用下形成的，是地盾区与裂谷作用有关岩浆活动或造山带深成活动的最终产物[24]。

隋振民等认为，大兴安岭白垩纪A型花岗岩可能是在伸展构造背景下，由于岩石圈减
薄引起软流圈物质上涌或地幔岩浆的底侵，导致中上地壳物质加热熔融形成[25]。

此外，许多地质学家研究表明，太平洋板块向东亚大陆边缘的俯冲最早始于晚白垩
世。

而140～125 Ma太平洋板块是向北东向33°扩张的[26]，因此认为太平洋板
块的俯冲对白音高老组火山岩形成的影响不大。

在空间上，孙德有等提出在蒙古国中东部也存在大量与大兴安岭火山岩相同的火山岩，与古太平洋板块距离遥远[19]；赵大鹏等通过中国长白山附近的19个临时地震台和中国数字化地震台网的3个台站(牡丹江、北京、海拉尔)的记录，从地震层析成像分析得出，太平洋板块在俯冲至670 km时，受断面附近阻力而停滞。

因而在地幔转换带内俯冲板块变弯并在
此长期积累，因相变而密度增加，最终导致重力不平衡而下落至核幔边界[27]，所以，侏罗纪—早白垩世火山岩的形成难以与古太平洋板块的俯冲有联系[19]。

另一方面，蒙古—鄂霍茨克构造带主要分布在96°～130°E，46°～58°N之间，总体呈北东—南西走向，黄始琪等通过研究蒙古—鄂霍茨克构造带中段构造变形及
动力学特征，结合东亚地区发生的多次俯冲或碰撞事件证明中晚侏罗世的东亚多向汇聚构造时间影响广泛，造成东亚地区强烈构造变形[28]，可能影响到大兴安岭地区；莫申国等提出在早侏罗世，蒙古—鄂霍茨克海湾自西向东呈剪刀状关闭，并
挤压碰撞造山，一直持续到中晚侏罗世[29]，而蒙古—鄂霍茨克洋东段最终闭合时间一直持续到晚侏罗世—白垩纪[28]，这与白音高老组火山岩形成时间基本一致；佘宏全等通过对不同地区变质核杂岩的对比研究，结合晚侏罗—早白垩早期东亚
地区的构造，提出大兴安岭晚中生代构造发生在太平洋板块向东亚大陆俯冲的背景下，但又直接受蒙古—鄂霍茨克造山带后期伸展演化的影响，以大规模双峰式火
山岩喷发和同时代的中酸性岩体侵入为特征[23]。

表明其形成的构造环境可能为蒙古—鄂霍茨克洋闭合造山后的伸展环境中。

(1)大兴安岭柴河地区白音高老组火山岩主要为一套酸性火山岩，其年龄大约在
131±1 Ma，为一套早白垩系火山岩。

(2)白音高老组火山岩为高钾钙碱性系列的过铝质岩石。

相对富集Rb、Th、K、Nd、Hf，强烈亏损Ba、Sr、P、Ti元素，稀土配分曲线右倾，轻重稀土有明显的
分馏现象，有明显的Eu负异常。

(3)大兴安岭柴河地区白音高老组火山岩的岩浆来源于玄武质岩浆的底侵作用引发的地壳物质熔融。

而其形成的构造背景可能为蒙古—鄂霍茨克闭合造山后的伸展环境。

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