我国东北及其邻近的东北亚地区, 如蒙古国东南部、俄罗斯远东、西伯利亚、朝鲜半岛等广泛分布有晚中生代火山岩, 这些火山岩构成了规模宏大的东北亚大陆边缘巨型火山岩带.从大地构造背景上看, 东北地区晚中生代火山岩形成于古生代古亚洲洋构造域与中生代古太平洋构造域的叠加地区(邵济安等, 1997), 对这些火山岩的研究无疑将有助于了解该地区的构造演化以及如此大规模火山活动的构造背景.我国学者对东北晚中生代火山岩曾做过大量研究并对其成因和构造背景提出了不同的模式, 如地幔柱成因模式(林强等, 1998; 葛文春等, 1999), 与古亚洲洋和蒙古鄂霍次克海封闭有关的盆岭型构造模式(Fan et al., 2003; Meng, 2003), 与太平洋板块俯冲相关的弧后伸展构造模式(赵国龙等, 1989; 赵越等, 1994) 以及伸展造山过程中的岩浆作用(邵济安等, 1999) 等.同时有作者曾强调了该区是由位于华北板块和西伯利亚板块之间的多个古地体拼合而成(邵济安和张履桥, 1990; 邵济安, 1991; 张炯飞等, 2000), 并曾对这些古地体的地层、构造变形以及与蛇绿岩的关系作过相应的研究.然而迄今为止, 对于这些古老地体的存在尚缺乏系统的地球化学论证, 尤其是缺乏来自岩石圈地幔尺度的制约.大陆火山岩作为大陆岩石圈深部物质信息的载体, 其地球化学特征可以用来描绘大陆岩石圈深部物质组成特征和深部地球动力学过程, 并进而指示其所处的大地构造单元属性(周新华等, 2001).本文在大兴安岭塔河地区和西乌珠穆沁旗地区(下文简称为西乌地区) 晚中生代火山岩系统地球化学研究基础上, 将首次提供这些火山岩地幔源区具有古老块体属性的系统同位素地球化学论据.上述发现将对探讨本区中生代火山岩成因及其地球动力学背景具有重要意义, 它提示了本区部分火山岩可能发育于造山带内古老块体之上, 这一研究同时也将对兴蒙造山带内古老地体的存在及其位置提供明确的深部地球化学制约.

1.   地质背景及样品描述

东北火山岩区位于古生代中亚造山带东段的兴蒙造山带中, 中亚造山带是在古亚洲洋俯冲闭合过程中不同来源不同性质的地体拼合而成的典型的增生型造山带, 同时也是地球上显生宙新生陆壳增长最为显著的地区(Sengör et al., 1993; Jahn et al., 2000).自晚古生代至早中生代该区经历了古亚洲洋、蒙古-鄂霍次克海的封闭以及华北板块与西伯利亚板块的最终拼贴.索伦-西拉木伦-长春-延吉构造带和蒙古-鄂霍茨克带是区内最重要的两条缝合带, 前者是在晚二叠世-早三叠世中间地块群与华北板块碰撞形成的, 后者形成于晚三叠世-早白垩世, 标志着与中间地块群拼合后的华北板块与西伯利亚板块的最终拼合.大兴安岭北段古生代地层出露很少, 大面积分布的是中生代火山岩和侵入岩, 晚侏罗世-早白垩世火山活动非常强烈, 火山岩地层自下而上分别为塔木兰沟组、吉祥峰组、木瑞组、上库力组和伊列克得组.这套火山岩的时代过去多被认为是晚侏罗世(内蒙古地质矿产局, 1991), 最新的火山岩年龄研究认为晚侏罗世火山岩仅局部地分布在满洲里地区, 而大范围分布的火山岩的时代主要为白垩纪(Zhang et al., 2008).

塔河地区位于大兴安岭的北西侧, 而西乌地区分布于大兴安岭的中部(图 1).塔河火山岩的采样主要是沿着翠岗-塔河-盘古的公路采样, 所采样品新鲜, 致密块状构造, 颜色为灰色、灰绿色和黑色.岩石具斑状结构, 主要斑晶为单斜辉石、少量橄榄石和长石, 基质为隐晶质结构, 另有少量暗色不透明矿物, 主要岩石类型为玄武质安山岩.西乌地区为草原覆盖区, 岩石露头较少, 本次样品采自猴头庙地区, 样品新鲜, 致密块状构造.岩石具斑状结构, 主要斑晶为单斜辉石、橄榄石和长石, 基质为隐晶质结构.

图  ${contentEle.labelText}  大兴安岭及其邻近地区中生代火山岩分布简图

Fig.  ${contentEle.labelText}.  Geological map showing the distribution of the Late Mesozoic volcanic rocks in the northern Great Xing'an range and its adjacent regions

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2.   分析方法

主量元素采用X荧光光谱法.将样品粉末与四硼酸锂均匀混合, 高温下熔成玻璃片, 在中国科学院地质与地球物理研究所Shimadzu XRF荧光光谱仪上测试.元素分析精度优于2%~3%.微量元素采用酸溶法, 制备好的样品溶液在中国科学院地质与地球物理研究所的Finnigan Element Ⅱ型ICP-MS测试, 微量元素含量大于10×10^-6 μg/g的精度优于5%, 小于10×10^-6 μg/g的元素精度优于10%.

锶、钕同位素分析采用传统的阳离子交换树脂法分别分离富集Sr和Nd元素, 采用¹⁴⁶Nd/¹⁴⁴Nd =0.721 9和⁸⁶Sr/⁸⁸Sr=0.119 4标准化校正测得的Nd和Sr同位素比值.Nd和Sr同位素国际标样AMS和NBS987的测试值分别为¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd=0.512 139±18 (2σ, n=28) 和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0.710 255±16 (2σ, n=33).铅同位素采用阴离子交换树脂来分离富集, 铅国际标样NBS981的测定结果为²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb=0.913 9±4 (2σ, n=65), 上述同位素测试在Finnigan Mat262固体表面热电离质谱计上完成.

在进行铪同位素分析时, 先用类似与主量元素分析方法制备玻璃片, 制成的玻璃片用盐酸分解, Hf的分离采用改进型单柱方法(李献华等, 2005), Hf同位素的测试用Finnigan Neptune多接收器等离子体质谱计(MC-ICPMS), 采用¹⁷⁹Hf/¹⁷⁷Hf=0.732 5标准化, 以及根据国际标样JMC 475的¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf=0.282 160比值进行样品测定值校正.

锆石原位微区U-Pb年龄测试在澳大利亚珀斯科廷大学的SHRIMPⅡ型离子探针上进行.详细的分析方法见Williams (1998).

3.   分析结果

3.1   主、微量元素特征

火山岩的主量元素测试结果见表 1.火山岩的SiO₂含量为47.3%~58.0%, MgO含量为2.7%~6.9%, 全碱(K₂O+Na₂O) 含量为4.3%~7.6%, 且Na₂O含量稍高于K₂O的含量.全岩的Mg^#在0.4~0.6间.在火山岩的TAS图解上, 样品落在碱性和亚碱性火山岩系列的分界线附近, 从岩性上看, 主要有玄武安山岩、玄武粗面安山岩以及粗面安山岩等, 在全岩SiO₂与主要氧化物的相关图上, K₂O含量随着SiO₂含量的增加而增加, TFe₂O₃、MgO和CaO等随着SiO₂的增加而降低(图 2), 这种变化趋势表明岩浆在演化过程中经历了分离结晶作用.

表  1  大兴安岭塔河、西乌等地区中生代火山岩的主量、微量元素和Sr-Nd-Pb-Hf同位素组成

Table  Supplementary Table   The major, trace elements and Sr, Nd, Pb and Hf isotopic compositions of Tahe and Xiwu volcanic rocks

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图  ${contentEle.labelText}  主要氧化物含量随SiO₂含量的变化

Fig.  ${contentEle.labelText}.  The correlation between SiO₂ and major oxides of volcanic rocks

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微量元素分析结果见表 1, 在稀土元素球粒陨石标准化模式图上, 所有样品均表现为轻稀土富集型, 轻重稀土分馏明显, (La/Yb) _N=9~20, 岩石样品没有或有微弱的Eu负异常(图 3).在微量元素蛛网图上火山岩表现为富集大离子亲石元素(LILE), 显著亏损高场强元素(HFSE) (图 3), 这一特征与MORB和OIB形成鲜明对比, 而类似于岛弧地区火山岩.相对西乌火山岩而言, 塔河地区的火山岩中高场强元素的亏损程度更高.

图  ${contentEle.labelText}  火山岩稀土元素球粒陨石标准化和微量元素原始地幔标准化图

球粒陨石标准值采用Anders and Grevesse (1989), 原始地幔标准值采用Sun and McDonough (1989)

Fig.  ${contentEle.labelText}.  Chondrite normalized rare earth elements patterns and primitive mantle normalized trace elements diagrams of the volcanic rocks

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3.2   Sr-Nd-Pb-Hf同位素特征

火山岩配套的Sr、Nd、Pb、Hf同位素分析结果列于表 1.塔河地区火山岩的初始⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值在0.705 5~0.707 8, ε_Nd (t) 在0.4~-5.5间.西乌火山岩的初始⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值为0.705 5~0.706 7, ε_Nd (t) 为-1.2~-6.7.在Sr-Nd同位素相关图上, 塔河和西乌火山岩有较大分布范围, 且分别有向EM1和EM2地幔端元变化趋势, 与岛弧火山岩和美国西部新生代盆岭省火山岩相似.相比之下, 东北其他地区的同时代火山岩则主要落在原始地幔附近(图 4).

图  ${contentEle.labelText}  大兴安岭中生代火山岩Sr-Nd同位素相关图

大兴安岭其他地区火山岩据Zhang et al. (2008)

Fig.  ${contentEle.labelText}.  Correlation diagram between the Sr and Nd isotopes for the volcanic rocks

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塔河火山岩的²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb=18.149~18.529, ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb=15.489~15.539, ²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb=37.761~38.344, 西乌火山岩的²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb=17.780~18.215, ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb=15.450~15.499, ²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb=37.860~38.137.所有样品均位于北半球参考线之上, 而西乌火山岩具有最低的²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb比值(图 5).

图  ${contentEle.labelText}  大兴安岭中生代火山岩Pb同位素相关图

大兴安岭其他地区火山岩据Zhang et al. (2008)

Fig.  ${contentEle.labelText}.  The Pb isotopes of the Mesozoic volcanic rocks in Great Xing’an range

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塔河火山岩的¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf为0.282 59~0.282 76, 相应的ε_Hf (t) =1.88~-4.58.西乌火山岩的¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf为0.282 58~0.282 79, 相应的ε_Hf (t) =0.75~-4.55.所有样品均表现出ε_Hf (t) 与ε_Nd (t) 的正相关关系, 并与地球物质阵列相似(图 6).

图  6  大兴安岭地区中生代火山岩的Nd-Hf同位素相关图

大兴安岭其他地区火山岩据Zhang et al. (2008)

Fig.  6.  Correlation diagram between the Nd and Hf isotopes for the Mesozoic volcanic rocks in Great Xing'an range

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3.3   锆石U-Pb年代学

塔河地区火山岩中的锆石具有不规则的晶形, 同时也表现出不同的内部结构, 即既存在具有震荡环带内部结构的锆石样品, 也存在不具环带结构的锆石样品.锆石颗粒大小在50~100 μm左右.在对锆石进行分析的12个测点中, 除了一个颗粒给出907 Ma的晚元古代年龄, 另一个颗粒给出321 Ma的晚古生代年龄外, 其余的颗粒都给出了较为均匀且协和的早古生代年龄, 10个颗粒的平均年龄为485±6 Ma (图 7).在前期的研究中, 笔者曾对塔河火山岩的全岩基质进行了⁴⁰Ar-³⁹Ar年代学测试, 其结果为122.3±0.6 Ma (Wang et al., 2006), 据此笔者认为火山岩中的锆石均为火山喷发过程中的捕获晶.

图  7  塔河火山岩中碎屑锆石的SHRIMP U-Pb年龄

Fig.  7.  SHRIMP U-Pb dating of detrital zircon from Tahe volcanic rocks

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4.   讨论

4.1   分离结晶与陆壳混染

塔河火山岩和西乌火山岩具有较高的SiO₂, 全岩Mg^#值也远低于与地幔橄榄岩平衡的原始岩浆的Mg^#值, 此外相容元素如Ni、Co等的含量也较低, 说明这些火山岩是原始岩浆经分离结晶作用后形成的, 这一点在La/Sm-La相关图上表现较为明显.在主量元素随SiO₂含量变化的相关图上, TFe₂O₃、MgO随SiO₂的升高而降低, 指示了橄榄岩和斜方辉石的分离结晶作用, 而CaO的降低则说明了单斜辉石的分离结晶作用, Eu异常的缺失说明斜长石对分离结晶过程的影响不大.

对于形成于大陆背景下的火山岩而言, 陆壳物质的混染是火山岩成因探讨中不可忽视的因素, 因为岩浆从深部上升至地表必然要穿过厚的大陆地壳.火山岩中微量元素特征, 如轻稀土元素的富集以及微量元素Nb、Ta等元素的亏损特征, 除了地幔源区成因外, 还有可能是因岩浆上升过程中陆壳物质的混染所导致; 另外, 陆壳物质在火山岩岩浆源区的混合, 称之为源区地壳混染, 同样也可以造成上述特征.塔河火山岩中碎屑锆石的存在则是火山岩已受到一定程度陆壳物质混染的矿物学证据.从强调源区组成特征与岩浆成因机制关系分析, 火山岩同位素组成与主、微量元素的关系, 如初始Sr或Nd同位素组成与代表岩浆演化的指数如Mg^#或SiO₂间的相关关系应是判断陆壳混染程度更为本质的一种参数.然而本文样品数据点在Mg^#-ε_Nd (t) 和SiO₂-ε_Nd (t) 相关图上均不存在明显的相关关系(图 8), 这说明尽管在本区火山岩成因过程中存在陆壳混染作用, 但其对火山岩总体组成上的影响是有限的.即从影响的权重角度分析, 所观察到的火山岩同位素地球化学特征, 基本上应反映其地幔源区组成的地球化学特征.

图  8  塔河和西乌火山岩的Mg^#、SiO₂与ε_Nd (t)的相关图

Fig.  8.  Correlation diagram between Mg^#, SiO₂ and ε_Nd (t)for the Tahe and Xiwu volcanic rocks

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4.2   火山岩源区地球化学与兴蒙造山带物质组成特征

正如前文所述, 塔河和西乌火山岩均具有富集LILE、LREE而亏损HFSE的特征, 这与MORB和OIB型火山岩有显著区别, 因此软流圈的直接部分熔融不能形成塔河和西乌地区的火山岩.上述地球化学特征却非常类似于活动大陆边缘以及岛弧环境的火山岩, 这些火山岩主要来源于受到俯冲板片释放的流体交代的地幔楔(Briqueu et al., 1984; Ringwood, 1990).一般认为活动大陆边缘环境下的火山岩的Ba/Nb均大于28 (Gill, 1981; Fitton et al., 1988), 塔河和西乌地区的火山岩的Ba/Nb在42~146, 远高于28, 因此从这个角度来看, 塔河和西乌地区火山岩是与俯冲作用相关的火山岩.然而现代岛弧环境的火山岩的Sr、Nd同位素都在一个较小的范围内变化, 如⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值在0.703~0.704间(Hawkesworth et al., 1993), 而塔河和西乌火山岩的同位素组成远远大于这个范围, 并且有明显的向EMⅠ和EMⅡ型富集地幔端元变化的趋势.世界范围的研究工作表明, EMⅠ型地幔端元与古老的克拉通岩石圈有关, 即反映了古老的富集端元组分的影响, 古老的大陆岩石圈地幔在其漫长的地质历史演化进程中由于经历了地幔交代作用, 因而使其在同位素组成上表现为EMⅠ特征(Menzies, 1990), 也就是说塔河和西乌火山岩的地幔源区一方面继承了古老大陆下富集岩石圈地幔的特征, 另一方面叠加了俯冲的陆壳物质所释放流体交代的印记.

众所周知, 中亚造山带是地球上显生宙期间新生陆壳增生最显著的地区, 大量具有正ε_Nd (t) 值的花岗岩类的形成反映了地幔物质在其形成过程中的重要作用(邵济安等, 2002; Jahn, 2004).作为典型的增生型造山带, 大量岛弧物质则是该区中生代火山岩形成的主要源区, 这一点充分反映在大兴安岭大部分地区火山岩所表现出的类似原始地幔和略亏损的同位素特征以及较小的Nd同位素模式年龄上(图 9), 即古生代时期所形成的各类新生岛弧物质, 在增生造山过程中进入岩石圈地幔并成为大兴安岭大部分地区中生代火山岩的源区.

图  9  Nd亏损地幔模式年龄直方图

东北其他地区据Zhang et al. (2008), 华北北缘据周新华等(2001)

Fig.  9.  Histogram of T_DM for the volcanic rocks

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相对大兴安岭大部分地区的中生代火山岩, 塔河和西乌火山岩的EM1和EM2特征以及较低的Pb同位素比值, 非常类似于华北克拉通北缘的中生代火山岩.已有研究表明华北北缘的中生代火山岩的EMⅠ特征和较大的Nd亏损地幔模式年龄表明了古老克拉通岩石圈组分的贡献(图 9) (周新华等, 2001).通常认为古老大陆块体的地壳和岩石圈地幔在大陆演化过程中保持耦合, 也就是说古老大陆块体下的岩石圈地幔的高浮力以及高粘滞度使得其在水平流动中不会穿越块体的边界, 不同块体岩石圈地幔的边界能够保持相当长的时间(Irvine et al., 2001; Carlson et al., 2005).因此, 根据塔河和西乌火山岩的同位素组成特征, 笔者推断塔河和西乌地区有可能存在古老的岩石圈地幔块体.

古亚洲洋和兴蒙造山带的演化历史等基础地质问题一直是国内外地质学界关注的重要问题, 近些年来越来越多的学者认为夹持在西伯利亚板块和华北板块之间的兴蒙造山带内有众多的具有前寒武纪结晶基底的古老微地块组成(邵济安和张履桥, 1990; 邵济安, 1991).

在塔河火山岩分布区的西南部是额尔古纳地块, 传统上认为额尔古纳地块基底是太古代和早元古代片麻岩和早、中元古代角闪质侵入岩(黑龙江省地质矿产局, 1993), 近年来的研究则表明组成额尔古纳地块基底的兴华渡口群绿岩的年龄为中元古代和晚中元古代(孙广瑞等, 2002; 武广等, 2005), 此外广泛分布的早古生代后碰撞花岗岩也是额尔古纳地块的重要特征(葛文春等, 2005; 武广等, 2005).塔河火山岩中碎屑锆石的晚元古代和早古生代年龄以及元古代Nd同位素模式年龄与额尔古纳地块是一致的, 据此可以认为塔河地区火山岩下的基底构造具有额尔古纳地块属性.

西乌火山岩地区的西南部为锡林浩特古地体, 该地体的主要地层艾力格庙群的年龄为950~1 060 Ma, 证明其为一晚元古代地体(邵济安, 1991).西乌地区火山岩的低放射成因铅同位素以及晚元古代Nd同位素模式年龄则暗示了该地区深部可能为锡林浩特地体的组成部分.

4.3   火山岩成因的构造背景

对大兴安岭晚中生代火山岩形成的构造背景和成因模式自20世纪80年代以来一直存在广泛争论, 如地幔柱成因(林强等, 1998; 葛文春等, 1999), 碰撞后的弥散伸展(Fan et al., 2003; Meng, 2003), 与古太平洋俯冲有关的活动大陆边缘(赵国龙等, 1989; 赵越等, 1994) 等.

早中生代太平洋地区存在Izanagi-kula、Farallon和Phoenix 3个板块, 在太平洋扩张中, 各个板块的存在时间和运动方向不断改变, 而对亚洲大陆东部影响最大的是Izanagi-kula板块.在侏罗纪至早白垩世Izanagi-kula板块的俯冲方向为北和北北东(Maruyama and Send, 1986; Kimura et al., 1990), 直到晚白垩世才开始与东亚大陆正向俯冲(Engebretson et al., 1985), 因此在本地区不大可能形成大范围的弧后伸展环境.此外蒙古国中部和东部存在大量与中国东北境内具时代及成因联系的晚中生代火山岩, 也因距离大陆边缘过于遥远而不大可能与古太平洋的俯冲产生直接物质组成贡献上的联系(Yarmolyuk and Kovalenko, 2001; 英基丰等, 2008).

考虑到东北地区晚中生代火山岩与美国西部盆岭省新生代钙碱性火山岩的相似性, 这些火山岩被认为是在岩石圈伸展和减薄过程中富集的岩石圈地幔减压部分熔融形成的(Zhang et al., 2008).因此笔者倾向于大兴安岭地区火山岩的形成具有与之相似的构造背景.随着古亚洲洋的闭合, 夹持在华北板块和西伯利亚板块间的微古地体以及与消减碰撞有关的岩浆弧、混杂岩、增生楔等岛弧物质的拼合形成兴蒙造山带.在上述过程中俯冲板片释放熔、流体交代古地体的岩石圈地幔, 并成为塔河、西乌等地区火山岩的源区, 而增生楔中的岛弧等新生物质则成为了大兴安岭其他大部分地区火山岩的源区.随着蒙古-鄂霍次克海的闭合以及晚中生代以来受该时段全球地幔深部事件的影响, 在东北地区产生局部地幔上涌及在岩石圈浅部形成伸展环境(邵济安和唐克东, 1995; 邵济安等, 1999), 从而引发了包括本区火山作用在内的白垩纪大范围强烈岩浆活动.

5.   结论

分布在大兴安岭北部和中部的塔河、西乌地区晚中生代火山岩具有富集轻稀土元素、大离子亲石元素和亏损高场强元素的地球化学特征, 表明其受到了俯冲板片释放的熔、流体交代作用, 同时其EMⅠ和EMⅡ型的富集地幔端元同位素特征和较大的Nd同位素模式年龄又表明其源区继承了古老地块的富集组分.火山岩中碎屑锆石显示了晚元古代和早古生代的年龄记录, 上述特征暗示在塔河和西乌火山岩源区组成中均存在古老块体贡献, 其中塔河火山岩可能发育在额尔古纳地块之上, 而西乌火山岩则发育在锡林浩特地块之上.大兴安岭晚中生代火山岩是岩石圈伸展背景下盆岭构造格局的产物.