Zircon U-Pb Geochronology and Geochemistry of Mesozoic Volcanic Rocks from Dasijiazi Area at Zhangwu, West Liaoning Province
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摘要: 通过对辽西彰武县以东大四家子乡高城窝堡村义县组标准剖面中生代火山岩锆石U-Pb年代学研究表明, 其火山岩年龄为122.4±0.4Ma, 属早白垩世.对该区域23件典型火山岩样品的地球化学研究表明, 除3件流纹岩样品外, 其余样品具有高镁埃达克岩地球化学特征(SiO2=56.46%~65.14%、Al2O3=14.60%~17.19%、Mg#=50~59、Sr=501~700μg/g、Yb=1.04~1.54μg/g、Y=12.0~17.5μg/g、Eu/Eu*=0.85~0.97、Sr/Y=29~46、LaN/YbN=13~28), 同位素上具有高的初始87Sr/86Sr(0.705464~0.705812)比值, 低的εNd(122Ma)(-6.12~-12.80)值特征, 同时样品中存在具有反环带的辉石斑晶, 辉石中稀土元素含量分布存在着从核部到边部逐渐降低的趋势, 且存在负铕异常(Eu/Eu*=0.64~0.76).结合前人对彰武义县组下部火山岩的研究, 笔者倾向认为该套火山岩的成因是拆沉作用与岩浆混合作用共同作用的结果, 即拆沉作用导致软流圈地幔物质上涌加热下地壳形成的长英质岩浆, 与来自地幔由拆沉作用形成的埃达克质高镁安山岩浆混合形成.Abstract: Zircon U-Pb dating by LA-ICPMS reveals that the age of Mesozoic volcanic rocks from the Zhangwu area in west Liaoning Province is 122.4± 0.4 Ma, which belongs to Early Cretaceous. Geochemical compositions of 23 typical volcanic samples are studied. The results show that most samples except three rhyolites have similar geochemical characteristics of high-Mg adakite (SiO2 =56.46%-65.14%, Al2O3 =14. 60%--17.19%, Mg# = 50--59, Sr=501- 700μg/g, Yb= 1.04- 1.54μg/g, Y= 12.0- 17.5μg/g, Eu/Eu* = 0.85 - 0.97, Sr/Y = 29 - 46, LaN/YbN = 13 - 28). They also have high initial 87Sr/86Sr (0. 706 39-0. 706 47) and low Nd (122 Ma) values (- 6.43 to - 12.26) that are inconsistent with the original ones from slab melting. Pyroxene phenocrysts are characterized by reversed compositional zonning. Rare earth element concentrations decrease from pyroxene core to rim and also show negative Eu anomalies (Eu/Eu*= 0.64-0. 76). Combined with the previous studies on volcanic rocks from the low part of Yixian Formation in Zhangwu area, we propose that our samples from Zhangwu area resulted from delamination and magma mixing. A crustally derived felsic magma resulted from partial melting of the low crust, heated by asthenosphere upwelling and subsequently mixed with a mantle-derived high-Mg adakitie melt during magma storage or ascent to surface to form the high-Mg adakites in the Zhangwu area.
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Key words:
- high-Mg adakites /
- magma mixing /
- delamination /
- Mesozoic volcanic rocks /
- West Liaoning Province
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华北克拉通中新生代岩石圈地幔减薄作用是近年来国内外研究的热点(Menzies et al., 1993, 2007; Griffin et al., 1998; Xu, 2001; Wiled et al., 2003;Zhang et al., 2003; 郑建平等, 2003; Gao et al., 2004; Wu et al., 2005; Zhang, 2005; Xu et al., 2006; Zheng et al., 2006; 周新华和张宏福, 2006; Deng et al., 2007; Zhai et al., 2007). 近年来很多研究者对中国东部燕山期中酸性火山岩和侵入岩的研究发现, 许多样品具埃达克岩的地球化学特征, 被称为“埃达克质岩”或“C”型埃达克岩(张旗等, 2001, 2003, 2006; Xiao and Clemens, 2006).由于这种岩石的形成往往需要较高的压力条件(>1 000 MPa) (Wolf and Wyllie, 1994; Rapp and Watson, 1995), 以及它们可能暗示的重要深部过程信息(如板片熔融、底侵玄武岩熔融、岩石圈拆沉等作用), 从而可能为华北岩石圈地幔减薄过程提供一个新的研究思路.
埃达克岩(adakite) 是Defant and Drum mond (1990)在研究阿留申群岛火山岩时提出来的, 其地球化学标志是: SiO2 ≥56 %、高铝A12O3 ≥15 %、MgO < 3 %(很少>6 %), 贫Y和Yb(Y ≤18 μg/g、Yb ≤1.9 μg/g)、Sr含量高(>400 μg/g)、LREE富集, 无Eu异常(或有轻微的负Eu异常), 贫Y和Yb, 暗示部分熔融时有石榴石稳定存在; 富Sr、Eu (相对于Ce和Nd) 具正异常, 说明熔融时斜长石在源区不稳定(张旗等, 2003).埃达克岩最初的含义为产于岛弧环境, 由年轻(< 25 Ma) 且热的大洋板片部分熔融直接产生的火山岩, 而不同于源自被流体交代过的地幔楔的安山-英安质火山岩.后来其形成环境被认为还有底侵玄武岩的部分熔融(Atherton and Petford, 1993; Petford and Atherton, 1996; Petford and Kerry, 2001)、拆沉下地壳的部分熔融(Kay and Key, 1991; Xu et al., 2002a, 2002b, 2006; Gao et al., 2004)和俯冲陆壳的部分熔融(Zhao et al., 2007).实验岩石学研究也表明镁铁质岩石在1.2 GPa的压力下发生部分熔融能够产生具有埃达克质岩浆特征的熔体(Rapp et al., 1999, 2002), 然而位于大陆边缘或大陆碰撞带的下地壳是否能够部分熔融产生埃达克质岩浆还存在着争议(Xu et al., 2006).
本文研究了位于华北克拉通北缘彰武地区东部的中酸性火山岩样品.前人已对该地区火山岩进行了年代学和地球化学研究(陈义贤等, 1997; 黄华等, 2007).其中, 黄华等(2007)对彰武地区西部出露的中基性火山岩样品进行了研究.本文将对彰武地区东部大面积出露的中酸性火山岩进行研究, 并结合黄华等发表的数据, 进一步讨论该区火山岩成因及其动力学意义.
1. 地质背景和样品来源
辽西地区的北部以赤峰-开原断裂为界与内蒙古-兴安造山带和松辽盆地相邻, 向西与东西向延伸的燕山造山带相连, 东部以依兰-伊通断裂带为界与辽东隆起带相隔.所处的构造部位属于华北陆块、辽东隆起带及内蒙古-兴安造山带三者的过渡地带(陈义贤等, 1997).
本文研究区为辽西彰武地区(图 1).位于辽西北部, 该区域出露大量义县组火山岩, 《东北区域地层表辽宁分册》也将该火山岩系命名为“吐呼噜组”.
图 1 辽西彰武地区区域地质简图及采样点分布(地质简图据1973年辽宁省第一区域地质测量队所绘地质图绘制)Fig. 1. Geological sketch map in Zhangwu area, West Liaoning Province and sampling points该组火山岩厚度大于1 580 m, 以火山为主, 夹有沉积岩扁豆体.火山岩多呈带状广泛分布, 岩性由基性到酸性.下部主要为中基性火山岩, 以安山岩为主, 其次有少量玄武岩, 含有玛瑙, 夹火山角砾岩、凝灰岩及多层沉积岩, 靠上赋存有膨润土和粘土矿; 上部为中酸性火山岩, 以英安岩为主, 有少量流纹岩夹黑曜岩、珍珠岩等(引自东北区域地层表辽宁分册). 本文样品采自彰武县以东大四家子乡高城窝堡村义县组标准剖面(图 1).该剖面岩石一般十分新鲜, 岩石组成主要为英安岩、流纹岩、黑曜岩.斑晶含量不均匀, 一般在5 %~ 15 %左右, 主要为橄榄石、单斜辉石、斜方辉石、斜长石.本文采样地点与黄华等研究的样品采样地点相差80 km左右(图 1).黄华等(2007)最近对彰武县以西哈儿套地区义县组火山岩进行了研究, 该地火山岩主要由高镁安山岩组成, 包括少量玄武岩.而本研究样品主要为英安岩夹少量流纹岩、黑曜岩, 未见玄武岩.上述岩性差异表明, 两地火山岩可能来自不同的层位.
2. 分析方法
本研究分析的样品均为未风化蚀变的新鲜火山岩样品.锆石分选采用人工重砂分选, 然后在双目镜下挑纯.用于主量、微量元素和同位素分析的样品, 粗碎在刚玉颚板破碎机中进行, 细碎在日本CM T公司生产的T1-100型WC细碎机中最终碎至200目.样品加工均在无污染设备中进行.
主量、微量元素、同位素以及LA-ICP-MS锆石U-Pb原位定年分析均在西北大学大陆动力学国家重点实验室进行.
主量元素分析采用XRF(Rig aku RIX 2100) 玻璃熔饼法完成.微量元素采用ICP-MS法完成, 样品溶解在Teflon高压溶样弹中进行.主量元素分析精度和准确度优于4 %, 微量元素分析精度和准确度一般优于10 %.同位素分析采用多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICPMS, Nu Plasm a H R, N u Instrum ents, Wrexham, UK) 测试.Nd同位素标样La Jolla的测定值为143Nd/144Nd =0.511 859 ±6(2σ), BCR-2测定值为87Sr/86Sr =0.70499 8 ±10(2 σ), 143Nd/144Nd = 0.512 632 ±5(2σ); 美国国家标准局Sr同位素国际标样NIS T S RM 9 8 7测定值为87Sr/86Sr =0.710 250 ±12(2σ, n =15).Sr和Nd的同位素组成分别用86Sr/88Sr =0.1 1 9 4和146Nd/144Nd =0.721 9校正仪器的质量分馏.在测试过程中Sr, Nd的本底小于50 ng/g.
LA-ICP-MS锆石U-Pb原位定年分析所使用的ICP-MS为Agilent 7500 a, 激光剥蚀系统为德国Lambda Physik公司的Geo Las 200 M深紫外(DUV) 193nm ArF准分子(excimer) 激光剥蚀系统.分析中采用的激光斑束直径为30 μm, 以29Si作为内标, 哈佛大学标准锆石91500作为外标校正.同位素比值数据处理采用GLITTER(4.0版) 软件和Yuan et al.(Yuan et al., 2004) 的数据平滑方法进行, 年龄计算采用ISOPLOT(3.23版) 软件.
矿物主量元素分析在中国地质大学(武汉) 地质过程与矿产资源国家重点实验室电子探针(JEOL Super probe JXA-8100) 上完成, 分析条件为加速电压15 KV; 束流1 ×10-8 A; 束斑1μm; 修正方法PRZ; 标准样品采用美国SPI公司53种矿物.矿物微量元素分析亦在中国地质大学(武汉) 地质过程与矿产资源国家重点实验室LA-ICP-MS上完成, 剥蚀斑束为24 μm, 以Ca为内标, NIST610为外标进行元素含量计算.对USGS玄武岩玻璃标准BHVO-2G和BCR-2G分析结果表明分析的精度和准确度一般优于10 %.
3. 锆石U-Pb年龄
流纹岩样品ZW21中的锆石形态大多自形, 未见有残留核部发育.在阴极发光图像中, 锆石内部显示出典型的岩浆成因振荡环带结构(图 2).对该样品的26个锆石颗粒的LA-ICPMS分析结果见表 1和图 2, 其中大部分点落在谐和线上或附近.这些分析点的206Pb/238U加权平均年龄为122.4 ±0.4 Ma (2σ, MSWD =1.4, n =26), 它们的Th/U比值为0.59 ~ 1.73, 属典型岩浆锆石范围.黄华等(2007)获得了彰武地区安山岩锆石有三组谐和年龄, 分别为253 ±5 Ma、172 ±2 Ma、126 ±2 Ma, 尽管其中最年轻的第3组年龄亦属早白垩世, 但本次样品在误差范围内要年轻于黄华等样品的年龄, 表明本次样品可能来自黄华(2007)研究样品的上部层位.
图 2 彰武流纹岩样品ZW21 LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素年龄谐和图及阴极发光图像Fig. 2. U-Pb concordant diagram of zircons from ZW21 and zircon CLimage.Solid circleindicates location of analytical spot along with 206Pb/238U age表 1 彰武流纹岩样品ZW21错石U-Pb同位素分析结果Table Supplementary Table Zircon U-Pb LA-ICPMS data for ZW21
4. 地球化学特征
4.1 元素地球化学特征
所研究样品的主、微量元素分析数据见表 2.在SiO2 %-(K2O +Na2O) %(TAS) 图解中(图 3)、这些样品主要落在粗面安山岩、粗面岩、英安岩、流纹岩区域, 而黄华等研究的样品偏基性, 且具有更高的K2O +Na2O含量.主量元素方面, 本研究样品SiO2 =56.46 % ~ 73.25 %、Al2O3 =13.32 % ~ 17.19 %、MgO =0.51 %~ 5.12 %.除流纹岩样品ZW21、ZW22、ZW23以及ZW02、ZW13外, 其他火山岩样品Mg# =47 ~ 59、Na2O =3.21 %~ 4.58 %、Na2O/K2O =1.01 ~ 2.57.微量和稀土元素方面, Sr =233 ~ 700 μg/g、Yb =0.97 ~ 1.54 μg/g、Y = 11.3 ~ 17.7 μg/g、Sr/Y =20 ~ 46.轻稀土与重稀土元素分异明显(LaN/YbN =12 ~ 30), 除3个流纹岩样品有负铕异常外, 其余样品基本上无铕异常或轻度负铕异常(Eu/Eu* =0.85 ~ 0.97) (图 4a), 在微量元素分布蛛网图(图 4b) 上表现出富集大离子亲石元素, 具有Nb、Ta、Ti负异常、Pb正异常, 而黄华等研究的样品还表现出Sr正异常.在Harker图解上, 随着SiO2含量的增加, 主量元素TiO2、P2O5、CaO、TFe2O3、MgO的含量呈降低的趋势.微量元素Cr、Ni、Sr、Y的含量随着SiO2含量的增加, 似乎有降低趋势, 但相关性不是很好.从图中还可以看出, 本次研究的大多数样品TiO2、P2O5、CaO、TFe2O3、MgO、Cr、Sr、Y含量低于黄华等(2007)研究的样品.
表 2 彰武中生代火山岩样品主量元素(%)和微量元素(μg/g) 分析结果Table Supplementary Table The analyzed data of major elements (%) by XRF and trace elements (μg/g) by ICP-MS
图 3 彰武地区火山岩SiO2-(K2O +Na2O) 图解(据Le Maitre et al., 1989绘制)虚线代表碱性和亚碱性岩石系列的分界线, 引自Irvine and Baragar, 1971.●代表黄华等(2007)研究的样品; ■代表本研究的样品Fig. 3. TAS diagram of Zhangwu volcanic rocks
图 4 彰武地区火山岩稀土元素模式分配图(a)和微量元素蛛网图(b),灰色区域为黄华等(2007)研究的样品Fig. 4. Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized spider diagrams (b) of Zhangwu volcanicrocks. Gray area indicates range of samples studied by Huang et al. (2007)在Y-Sr/Y判别图上(图 5a), 除流纹岩外, 大多数火山岩样品落在埃达克岩范围内.在MgO比SiO2判别图上(图 5b), 除ZWO2外, 其余大多数样品MgO含量与俯冲板片熔融成因且与地幔发生过交代的埃达克岩相似.因此, 本次研究所采集的彰武地区中生代火山岩样品除流纹岩外, 绝大多数样品具有高镁埃达克岩的特征.
Fig. 5. Y vs. Sr/Y (a) and MgO vs. SiO2(b) diagrams for Zhangwu volcanic rocks4.2 Sr-Nd同位素
彰武地区中生代中性火山岩的初始87Sr/86Sr (122 Ma) 比值为0.705 464 ~ 0.705 812(表 3), 初始143Nd/144Nd比值范围为0.511 82 ~ 0.512 17, εNd (122 Ma) 的范围为-6.12 ~ -12.80.其同位素特征与俯冲板片熔融形成的埃达克岩明显不同(De fant and Drum mond, 1990), 而与大陆下地壳(Pet ford and Atherton, 1996) 以及拆沉下地壳部分熔融形成的埃达克岩相似(Xu et al., 2002a, 2002b, 2006).黄华等研究的彰武高镁安山岩, 其初始87Sr/86S(122 Ma) 比值为0.706 39 ~ 0.706 47, 比本次研究的样品初始87Sr/86Sr(122 Ma) 比值高, 其初始143Nd/144Nd比值范围为0.511 85 ~ 0.512 15, εNd (122 Ma) 的范围为-6.43 ~ -12.26, 与本次研究的样品相当.根据Sr-Nd同位素组成, 大多数样品值与来自于华北克拉通北缘的中生代火山岩(陈义贤等, 1997; 周新华等, 2001; Zhang et al., 2003) 及徐怀地区埃达克质侵入岩(Xu et al., 2006) 相似. 该套火山岩相对高的初始87Sr/86Sr(122 Ma) 比值及低的εNd(122 Ma) 值表明岩浆中有地壳物质加入.该地区伴生的流纹岩初始87Sr/86Sr (122 Ma) 比值为0.706 37 ~ 0.706 39, 高于中性火山岩的比值, 而两者的εNd(122 Ma) 基本一致(表 3).
表 3 彰武中生代火山岩样品同位素分析结果Table Supplementary Table Istopic date of Sr-Nd for Zhangwu volcanic rocks
4.3 矿物学特征
电子探针结果表明本研究样品中的辉石斑晶具明显环带, 部分辉石显示出核部高铁(Mg# =71 ~ 77), 幔部高镁(Mg# =81 ~ 84) 反环带特征.边部的高Fe可能代表了岩浆结晶分异产物.在背散射电子图像上, 核部颜色较浅, 幔部颜色较深, 边部颜色又较浅(表 4, 图 6).对具有反环带的一颗单斜辉石进行了LA-ICP-MS微量元素分析, 结果表明辉石中稀土元素分布存在着从核部到边部逐渐降低的趋势, 且存在负铕异常(Eu/Eu* =0.64 ~ 0.76) (表 5, 图 7a).
表 4 辉石反环带主量元素分析结果Table Supplementary Table The analyzed date of major elements(%) of reversely zoned pyroxene phenocrysts by electron microprobe
图 6 彰武火山岩中单斜辉石反环带背散射照片(圆圈表示分析点位置; core, mantle, rim分别指核部、幔部、边部)Fig. 6. Representative back-scattered electron image of one reversely zoned clinopyroxene phenocryst from Zhang wu volcanic rocks表 5 ZW14中单斜辉石反环带微量元素分析结果Table Supplementary Table The analyzed date of trace elements (μg/g) of reversely zoned clinopyroxene phenocry st from ZW14 by LA-ICPMS
图 7 彰武安山岩样品ZW14中单斜辉石不同环带的稀土元素分布(a) 与计算出与不同环带平衡的岩浆稀土元素分布(b).计算中核部和边部采用稀土元素在单斜辉石与长英质岩浆之间的分配系数(Barth et al., 2002), 幔部采用稀土元素在单斜辉石与玄武质岩浆之间的分配系数(Mcdade et al., 2003)Fig. 7. Chondrite-normalized REE pattern of one rever selyzoned clinopyroxene phenocryst from ZW 14 (a) and calculated REE pattern of melts in equilibrium with different zones (b).The calculation uses REE partition coefficients between clinopyroxene and felsic melt (Barth et al., 2002) for the core and rim and those between clinopyroxene and basaltic melt (McDade et al., 2003) for the mantle5. 讨论
本次研究的样品与黄华等(2007)研究的样品都来自于彰武地区, 但两者的地球化学及锆石U-Pb年龄有明显差别.主量元素方面, 黄华等(2007)研究的样品偏中基性, 而本次的样品偏中酸性.微量元素方面, 黄华等(2007)研究的样品稀土元素含量比本次的样品要高, 且存在明显Sr正异常.同位素方面, 黄华等(2007)研究的样品初始87Sr/86Sr(122 Ma) 比值比本次研究的样品要高, 但初始143Nd/144Nd比值及εNd(122 Ma) 值与本次的样品相当.矿物学方面, 黄华等(2007)研究样品中单斜辉石Al2O3含量变化很大, 核部最高值可达5 %, 表明它们在地幔深度形成(Streck et al., 2007), 而本次研究样品中的单斜辉石Al2O3含量均小于2.3 %, 且存在负铕异常, 表明它们在地壳深度形成(Streck et al., 2007).黄华等(2007)研究的火山岩锆石年龄有三组谐和年龄, 分别为253 ±5 Ma、172 ±2 Ma、126 ±2 Ma, 而本次研究的样品锆石只有一组谐和年龄, 加权平均为122.4 ±0.4 Ma, 尽管这些年龄均属早白垩世, 但本次的样品在误差范围内要年轻于黄华等(2007)研究样品.因此本次采集的样品应来自于彰武中生代火山岩的上部, 而黄华等(2007)研究的样品可能位于下部, 两者可能具有不同的成因.
关于高镁埃达克岩的成因主要有以下几种方式: (1) 俯冲洋壳熔体并与上覆的地幔楔发生相互作用(Defant and Drummond, 1990); (2) 含水条件下地幔橄榄岩的部分熔融(Stern and Hanson, 1991); (3) 拆沉下地壳的部分熔融(Xu et al., 2002a, 2002b, 2006; Kay and Key, 1991; Gao et al., 2004).(4) 岩浆混合作用(Kawabata and Shuto, 2005; Guo et al., 2007; Streck et al., 2007).
彰武火山岩高的初始87Sr/86Sr(122 Ma) 比值, 低的εNd(122 Ma) 值, 并不支持源于俯冲板片部分熔融形成的埃达克岩这一模型, 如果是由洋壳板片俯冲部分熔融形成的话, 这种火山岩应具有与MORB相近的Sr-Nd同位素组成(如εNd >+5), 而本次研究的高镁埃达克岩的εNd值均小于-6, 因而不应为洋壳熔融产物.彰武高镁埃达克岩具有高的SiO2、Al2O3、Sr/Y和La/Yb值、高Sr低Y、重稀土元素亏损、Nb-Ta显著亏损.同时, 与中酸性火山岩伴生的玄武质岩浆占的量比较少, 因此由幔源玄武质岩浆结晶分异形成的可能性不大(Castillo et al., 1999).此外, 样品具有反环带的辉石斑晶排除了高镁埃达克岩由含水地幔部分熔融形成的可能性, 因为含水地幔部分熔融形成的熔体在岩浆结晶过程中应向酸性方向演化, 形成正环带.高镁埃达克岩也可由拆沉的下地壳发生部分熔融, 然后与地幔岩石发生相互作用形成, 从而形成具有高的SiO2、Al2O3、Mg#、Sr/Y和La/Yb值、高Sr低Y、重稀土元素和Nb-Ta亏损, 同位素上具有演化的特征, 矿物学上具有反环带的辉石斑晶岩浆.但是对具有反环带特征的单斜辉石微量元素分析结果表明, 存在负铕异常(Eu/Eu* =0.64 ~ 0.76), 进一步根据稀土元素在单斜辉石与长英质岩浆(对应单斜辉石核部和边部) 或玄武岩浆(对应单斜辉石幔部) 之间的分配系数可计算出与单斜辉石不同环带平衡的岩浆的稀土元素组成(图 7b), 结果表明核部和边部均具Eu负异常, 即它们应是在 < 40 km长石稳定的地壳深度形成的.而幔部不具Eu异常.
Streck et al.(2007)通过对Mount Shasta地区高镁安山岩中的辉石斑晶研究发现, 这些辉石不仅具有反环带的特征, 还表现出低的Al2O3含量(斜方辉石Al2O3 ≤2 %, 单斜辉石Al2O3 ≤3 %), 认为这些辉石不是在地幔深度结晶出来的, 而是代表了基性和酸性岩浆在地壳深度混合形成的.Guo et al. (2007)对中国东北延吉地区的古新世高镁安山岩进行了深入研究.该套火山岩具有正的εNd (t) 值(3.8 ~ 6.3), 其中单斜辉石亦具有低的Al2O3 (≤3 %) 的特征, 并具反环带, 反环带核部具Eu负异常, 表明岩浆混合是在斜长石稳定的地壳深度发生的, 并认为单斜辉石斑晶及斜长石的矿物学特征源于具有高Y和HREE, 低Sr、Sr/Y、NdN/YbN的长英质壳源岩浆和具有高Mg#的埃达克质幔源岩浆混合而成, 在混合岩浆的储存及上升到地表的过程中又受到地壳物质的混染, 最终形成具有类似于现代岛弧特征的高镁埃达克岩.在本次研究的样品中亦发现有大量的辉石反环带.电子探针结果表明, 单斜辉石Al2O3 < 3 %, 还表现出Eu负异常, 表明岩浆混合是在斜长石稳定的地壳深度发生的.因此, 笔者认为本研究的彰武大四家子地区高镁埃达克岩的成因可能是由岩浆混合作用形成.而黄华等(2007)认为, 他们研究的彰武县以西哈儿套地区高镁埃达克岩样品是由玄武质岩浆底侵形成的加厚下地壳, 相变为榴辉岩, 然后拆沉至软流圈, 发生部分熔融, 产生的熔体在上升过程中与地幔橄榄岩反应, 最终形成的.因此彰武这两个地区高镁安山岩成因不同, 但两者可能存在一定的成因联系.
从彰武地区发现的玄武岩(87Sr/86Sr(122 Ma) = 0.706 24, εNd(122 Ma) =-9.17) (黄华等, 2007) 及本文研究中的流纹岩(87Sr/86Sr (122 Ma) = 0.706 37 ~ 0.706 39, εNd (122 Ma) =-11.32 ~ -11.62) 同位素特征来看, 两者简单地混合不能形成大四家子地区高镁埃达克岩的同位素特征(87Sr/86Sr (122 Ma) =0.705 464 ~ 0.705 812, εNd(122 Ma) =-6.12 ~ -12.80).
笔者认为彰武大四家子地区高镁火山岩与延吉地区高镁安山岩的成因相似, 但由于其同位素不具有大洋中脊玄武岩同位素特征, 结合黄华等(2007)对彰武西哈儿套地区火山岩的研究, 笔者倾向于认为, 它们是拆沉作用与岩浆混合作用共同作用的结果, 即拆沉作用导致软流圈地幔物质上涌加热下地壳形成长英质岩浆, 然后与来自地幔由拆沉作用形成的埃达克质高镁安山岩浆混合形成.
6. 结论
辽西彰武县大四家子乡高城窝堡村义县组火山岩主要由埃达克质高镁中酸性火山岩和流纹岩组成.其中流纹岩年龄为122.4 ±0.4 Ma, 属早白垩世.它们具有高的初始87 Sr/86 Sr比值, 低的εNd(122 Ma) 值.其中单斜辉石反环带核部和幔部所指示的岩浆分别具有明显Eu负异常和无Eu异常. 结合前人对彰武义县组下部火山岩的研究, 本次认为该套火山岩的成因是拆沉作用与岩浆混合作用共同作用的结果, 即拆沉作用导致软流圈地幔物质上涌加热下地壳形成的长英质岩浆(对应与单斜辉石核部), 与来自地幔由拆沉作用形成的埃达克质高镁安山岩浆(对应与单斜辉石幔部) 混合形成.
致谢: 样品的处理和测试工作在西北大学大陆动力学国家重点实验室和中国地质大学(武汉) 地质过程与矿产资源国家重点实验室完成.期间得到了王建其、袁洪林、刘晔、柳小明、戴梦宁、宗春雷、郑曙、胡兆初等老师的帮助, 同时也非常感谢与汪方跃、王冬兵、孟繁雪等的有益交流. -
图 1 辽西彰武地区区域地质简图及采样点分布(地质简图据1973年辽宁省第一区域地质测量队所绘地质图绘制)
Fig. 1. Geological sketch map in Zhangwu area, West Liaoning Province and sampling points
图 2 彰武流纹岩样品ZW21 LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素年龄谐和图及阴极发光图像
Fig. 2. U-Pb concordant diagram of zircons from ZW21 and zircon CLimage.Solid circleindicates location of analytical spot along with 206Pb/238U age
图 3 彰武地区火山岩SiO2-(K2O +Na2O) 图解(据Le Maitre et al., 1989绘制)
虚线代表碱性和亚碱性岩石系列的分界线, 引自Irvine and Baragar, 1971.●代表黄华等(2007)研究的样品; ■代表本研究的样品
Fig. 3. TAS diagram of Zhangwu volcanic rocks
图 4 彰武地区火山岩稀土元素模式分配图(a)和微量元素蛛网图(b),灰色区域为黄华等(2007)研究的样品
Fig. 4. Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized spider diagrams (b) of Zhangwu volcanicrocks. Gray area indicates range of samples studied by Huang et al. (2007)
图 5 彰武火山岩Y-Sr/Y(a)与MgO-SiO2(b)判别图(Defant et al., 2001,●代表黄华等(2007)研究的样品，■代表本研究的样品
Fig. 5. Y vs. Sr/Y (a) and MgO vs. SiO2(b) diagrams for Zhangwu volcanic rocks
图 6 彰武火山岩中单斜辉石反环带背散射照片
(圆圈表示分析点位置; core, mantle, rim分别指核部、幔部、边部)
Fig. 6. Representative back-scattered electron image of one reversely zoned clinopyroxene phenocryst from Zhang wu volcanic rocks
图 7 彰武安山岩样品ZW14中单斜辉石不同环带的稀土元素分布(a) 与计算出与不同环带平衡的岩浆稀土元素分布(b).计算中核部和边部采用稀土元素在单斜辉石与长英质岩浆之间的分配系数(Barth et al., 2002), 幔部采用稀土元素在单斜辉石与玄武质岩浆之间的分配系数(Mcdade et al., 2003)
Fig. 7. Chondrite-normalized REE pattern of one rever selyzoned clinopyroxene phenocryst from ZW 14 (a) and calculated REE pattern of melts in equilibrium with different zones (b).The calculation uses REE partition coefficients between clinopyroxene and felsic melt (Barth et al., 2002) for the core and rim and those between clinopyroxene and basaltic melt (McDade et al., 2003) for the mantle
表 1 彰武流纹岩样品ZW21错石U-Pb同位素分析结果
Table 1. Zircon U-Pb LA-ICPMS data for ZW21
表 2 彰武中生代火山岩样品主量元素(%)和微量元素(μg/g) 分析结果
Table 2. The analyzed data of major elements (%) by XRF and trace elements (μg/g) by ICP-MS
表 3 彰武中生代火山岩样品同位素分析结果
Table 3. Istopic date of Sr-Nd for Zhangwu volcanic rocks
表 4 辉石反环带主量元素分析结果
Table 4. The analyzed date of major elements(%) of reversely zoned pyroxene phenocrysts by electron microprobe
表 5 ZW14中单斜辉石反环带微量元素分析结果
Table 5. The analyzed date of trace elements (μg/g) of reversely zoned clinopyroxene phenocry st from ZW14 by LA-ICPMS
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