大兴安岭北段图里河地区上库力组火山岩的年代学与地球化学研究

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本文对大兴安岭北段图里河地区上库力组中酸性火山岩进行系统的岩相学、锆石U-Pb年代学、全岩地球化学以及锆石Lu-Hf同位素研究,查明火山岩形成时代,讨论岩石成因、岩浆源区及壳幔相互作用,为深刻理解中国东北地区晚中生代岩石圈伸展与古太平洋板块演化的内在联系提供制约。野外地质调查与室内岩相学观察显示,图里河地区上库力组火山岩主要由流纹岩、粗面岩和粗面安山岩组成。本文所测试的三件火山岩样品锆石形态呈自形-半自形棱柱状,发育清晰的岩浆振荡生长环带,并具有较高的Th/U比值(0.19~3.04),指示其为岩浆成因的锆石。LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测年结果指示,图里河地区上库力组火山岩形成于早白垩世晚期(130~126 Ma)。依据本文火山岩样品的岩石学及地球化学特征,将其分为流纹岩与粗面质岩石两组。全岩地球化学分析结果显示,绝大多数上库力组流纹岩高硅(SiO2=75.97~81.73 wt.%)、富碱(K2O+Na2O=6.30~8.72 wt.%),且贫钙(CaO=0.13~0.35 wt.%)、铁(TFe2O3=0.86~2.07 wt.%)、镁(MgO=0.15~0.17 wt.%),Mg#值范围为14~31,A/CNK值介于0.98~1.21,属于高钾钙碱性准铝质至弱过铝质系列岩石。此外,流纹岩样品富集Rb、Th、U、K等大离子亲石元素,亏损Nb、Ta、Ti、P等高场强元素,并具有较低的全岩锆饱和温度(731~787℃),明显的Eu负异常(δEu=0.18~0.49)以及非常高的分异指数(DI=95.44~97.49),指示高分异I型流纹岩特征。锆石Hf同位素分析显示,流纹岩锆石εHf(t)值介于+4.1~+9.0之间,相应的二阶段模式年龄(TDM2)为919~609 Ma,指示其岩浆源区为新元古代期间新增生的年轻地壳物质。此外,流纹岩具有较高的K2O含量(4.08~5.20 wt.%)以及K2O/Na2O比值(1.30~2.64>1),且经历钾长石的分离结晶,说明其岩浆源区富钾,可能是中高钾玄武质地壳部分熔融。值得注意的是,有两个流纹岩样品具有较高的全岩锆饱和温度(816~841℃)以及Mg#值(43~48),暗示地壳物质部分熔融过程中有热量较高的地幔物质的加入。综上所述,上库力组流纹岩属于高分异I型流纹岩,起源于年轻的富钾玄武质下地壳的部分熔融,同时有亏损地幔物质与热量双重贡献,随后岩浆演化过程中经历了高程度分离结晶。相比于流纹岩,上库力组粗面质火山岩SiO2含量中等(SiO2=57.81~65.14 wt.%),钙(CaO=2.28~4.57 wt.%)、铁(TFe2O3=3.43~6.55 wt.%)、镁(MgO=0.76~2.36 wt.%)含量相对较高,Mg#值范围为31~46,A/CNK值介于0.88~0.99,为亚碱性到碱性过渡系列准铝质特征岩石。上库力组粗面质火山岩富集Rb、Ba、K、Sr等大离子亲石元素,亏损Nb、Ta、Ti、P等高场强元素,并且微量元素比值(Rb/Sr=0.05~0.37<0.5、Lu/Yb=0.14~0.15、Nb/Ta=14.61~17.34以及Zr/Hf=39.50~42.85等)接近幔源岩浆比值,指示其原始岩浆应该起源于岩石圈地幔物质的部分熔融。部分粗面质火山岩样品具有异常高的εHf(t)值(+8~+13),暗示岩浆源区存在更加亏损的软流圈地幔物质的贡献。本文粗面质火山岩的主要氧化物与SiO2表现出良好的线性负相关,并具有弱的Eu的负异常(δEu=0.80~0.85)以及相对原始幔源岩浆更低的MgO含量和Cr、Co、Ni含量,表明岩浆演化过程中经历分离结晶作用。此外,部分粗面质火山岩具有较老的捕获锆石(~762 Ma)以及特别负的锆石εHf(t)值(-17.8~-7.4),并表现出Zr-Hf正异常以及Nb-Ta负异常,指示幔源岩浆在喷出地表之前经历了地壳混染。本文对上库力组火山岩的研究揭示,大兴安岭北段在早白垩世发生了强烈的壳幔相互作用,这与中国东北地区该时期广泛的岩石圈伸展背景一致。在此基础上,通过系统总结东北地区晚中生代岩浆岩时空分布规律,本文认为东北地区早白垩世岩石圈伸展及壳幔相互作用的发生与古太平洋板块平板俯冲后的回卷密切相关。早白垩世晚期,平板俯冲的古太平洋板片开始回卷,引发软流圈地幔物质上涌,致使岩石圈地幔及上覆地壳部分熔融,从而形成大兴安岭甚至整个东北地区早白垩世大规模的岩浆活动。
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