火山岩岩石学和地球化学特征

(一)火山岩类型

东北地区晚侏罗世—早白垩世火山岩有熔岩和火山碎屑岩两种喷发类型,并以火山熔岩为主。根据国际地科联(IUGS)火成岩分类学会委员会推荐(1989)的国际火成岩分类图表中的TAS图进行火山岩类型的划分,将在图解上得到的东北各地区晚侏罗世—早白垩世火山岩的岩石类型列于表4-2,从表中可以看出东北地区晚侏罗世—早白垩世火山岩的主要岩石类型为钾玄岩(粗面玄武岩、橄榄粗安岩、玄武粗安岩)、安粗岩、粗面岩(或粗面英安岩)、英安岩和流纹岩,其次为玄武安山岩和安山岩,在黑龙江东部、松辽盆地内以及辽西可见到玄武岩。

表4-2 东北各地区晚侏罗世—早白垩世火山岩岩石类型

注:-:表示含量较少,+:表示含量一般,++:表示含量较多。

(二)火山岩系列

火山岩系列的划分是火山岩岩石学研究中的一个重要方面。目前,广泛被接受的常见火山岩系列是根据硅-碱图将火山岩划分为两大系列,即碱性系列和亚碱性系列。亚碱性系列又可以进一步划分为拉斑玄武岩系列和钙碱性火山岩系列。钾玄岩(shoshonite)这一名称是Iddings(1895)提出的。Joplin(1964,1965)把钾玄岩作为一个岩石系列的名称,看作与碱性玄武岩系列相对应的富钾岩石系列,在硅-碱图上与碱性玄武岩系列处于同一个区域,但在AFM图上比碱性系列具有更低的总铁含量。钙碱性火山岩系列和钾玄岩系列都是与造山作用有关的岩石系列,尤其是钾玄岩系列在造山带火山岩中具有重要地位,而和大陆裂谷作用有关的火山岩不出现这两种火山岩系列。前人对东北地区晚侏罗世—早白垩世火山岩积累了一定的岩石化学资料,然而在岩石系列和类型的划分上未能用统一的方法,或采用的方法存在某些问题,因而较为混乱,影响全区性的对比和进一步的研究。本书广泛地收集了前人的硅酸盐分析资料,对3个火山岩带的12个不同地区的火山岩数据进行了统一处理和岩石系列及类型的划分。主要有吉林东部延边地区、辽源一四平地区(赵海玲,1994),法库—彰武地区(赵海玲,1994),松辽盆地(余辉,1991),辽西地区、马大尔河地区(据李少杰,1992),大兴安岭中北部(据马家骏,1985)、大兴安岭东南部(据徐公愉,1984)、大兴安岭中南部(据赵国龙,1980),大兴安岭西南部(据孙罗智,1985),内蒙古镶黄旗(据白志达,1992),黑龙江省(据马家骏,1991)等地区资料。

用Irving(1971)的w(K₂O+Na₂O)-w(SiO₂)图解,对三个火山岩带各地区的火山岩进行了系列的统一划分(图4-12~4-14)。①张广才岭-长白山火山岩带:在黑龙江省东部地区,J₃和K₁火山岩主要为亚碱性系列,少数为碱性系列,K₂火山岩均为亚碱性系列(图4-12a);在吉林东部延边地区火山岩时代为J₃,岩石系列为亚碱性系列(图5-12b)。②松辽盆地及周边火山岩带:在松辽盆地的火山岩时代主要为J₃,火山岩主要为亚碱性系列,少数岩石为碱性系列(图4-13a);在松辽盆地东南缘辽源—四平地区,火山岩,时代为J₃的火山岩岩石系列为主要为碱性系列,K₁的火山岩主要为亚碱性系列(图4-13b);在法库—彰武地区,火山岩时代为K₁,主要为亚碱性系列,少数为碱性系列(图4-13c);在辽西地区,以K₁火山岩为主,火山岩岩石系列主要为亚碱性系列,个别为碱性系列(图4-13d)。③大兴安岭及其西侧火山岩带:大兴安岭最北部的马大尔河和大头卡河地区火山岩时代为K₁,马大尔河地区岩石系列为亚碱性系列,大头卡河地区火山岩主要为碱性系列,其次为亚碱性系列(图4-14a);大兴安岭中北部地区火山岩时代为J₃、K₁,其岩石系列为碱性系列和亚碱性系列(图4-14b);大兴安岭中南部地区火山岩时代为J₃,主要为亚碱性系列,少数为碱性系列(图4-14c);大兴安岭东南部J₃和K₁火山岩,也主要为亚碱性系列,少数为碱性系列(图4-14d);大兴安岭南西部火山岩主要为J₃,基本上均为亚碱性系列(图4-14e);内蒙古镶黄旗地区J₃火山岩岩石系列为碱性系列和亚碱性系列(图4-14f)。

图4-12 张广才岭-长白山火山岩带晚侏罗世—早白垩世火山岩硅-碱图解

图4-13 松辽盆地及周边火山岩带晚侏罗世—早白垩世火山岩硅-碱图解

综上所述,东北地区3条火山岩带晚侏罗—早白垩世火山岩的岩石系列,均以亚碱性系列为主,部分为碱性系列。其中,碱性系列以中部的松辽盆地及周边火山岩带所含比例较高,西部的大兴安岭及其西侧火山岩带所含比例较低,东部张广才岭—长白山火山岩带含量更低。

Irving等(1971)提出了用AFM图解进一步区分亚碱性系列中的拉斑玄武岩系列和钙碱性火山岩系列。在AFM图解中,拉斑玄武岩系列在演化初期具明显的富铁趋势,而钙碱性火山岩系列则无富铁趋势。另一方面,落在碱性区域的火山岩可能为常见的碱性玄武岩系列岩石,也可能为钾玄岩系列岩石,在AFM图中其二者的区别在于碱性玄武岩系列与拉斑玄武岩系列相似,具富铁趋势,而钾玄岩系列与钙碱性火山岩系列相似,不具富铁趋势。

图4-15~4-17示出了3条火山岩不同区域火山岩的AFM图解。①张广才岭-长白山火山岩带:黑龙江省东部地区,J₃为钙碱性火山岩系列,K₁为钙碱性火山岩系列和钾玄岩系列及少量拉斑玄武系列,K₂为钙碱性火山岩系列(图4-15a);吉林延边地区的J₃火山岩主要为钙碱性火山岩系列(图4-15b)。②松辽盆地及周边火山岩带:在松辽盆地中,J₃火山岩主要为钙碱性火山岩系列、钾玄岩系列和拉斑玄武岩(图4-16a);四平-辽源地区J₃火山岩为钾玄岩系列,J₃-K₁火山岩为钾玄岩系列和钙碱性火山岩系列,K₁火山岩为钙碱性火山岩系列,该区表现出了随时代推移,火山岩由钾玄岩系列逐渐演化为钙碱性火山岩系列(图4-16b);法库—彰武地区K₁火山岩主要为钙碱性火山岩系列及钾玄岩系列(图4-16c);辽西地区K₁火山岩主要为拉斑玄武岩系列和钙碱性火山岩系列,少量为钾玄岩系列(图4-16d)。③大兴安岭及其西侧火山岩带:大兴安岭北部的马大尔河K₁火山岩为钙碱性火山岩系列,大头卡河K₁火山岩主要为钾玄岩系列,其次为钙碱性火山岩系列(图4-17a);大兴安岭中北部地区J₃和K₁火山岩主要为钾玄岩系列和钙碱性火山岩系列,少量为拉斑玄武系列(图4-17b);大兴安岭中南部地区J₃和K₁火山岩主要为钙碱性火山岩系列和钾玄岩系列(图4-17c);大兴安岭东南地区J₃和K₁火山岩也主要为钙碱性火山岩系列及钾玄岩系列(图4-17d);大兴安南西部和内蒙古镶黄旗地区J₃火山岩也均为钙碱性系列和钾玄岩系列(图4-17e,f))。

图4-14 大兴安岭及其西侧火山岩带晚侏罗世—早白垩世火山岩硅-碱图解

图4-15 张广才岭-长白山火山岩带晚侏罗世—早白垩世火山岩AFM图解

图4-16 松辽盆地及周边火山岩带晚侏罗世—早白垩世火山岩AFM图解

由上可见,东北地区3条火山岩带晚侏罗—早白垩世火山岩均以钙碱性火山岩系列为主,钾玄岩系列次之,出现部分拉斑玄武岩系列。其中钾玄岩系列的分布与前述的碱性系列类似,即以中部的松辽盆地及周边火山岩带所含比例较高,西部的大兴安岭及其西侧火山岩带次之,东部张广才岭—长白山火山岩带含量较低。说明前述的碱性系列应主要为钾玄岩系列。

图4-17 大兴安岭及其西侧火山岩带晚侏罗世—早白垩世火山岩AFM图解

图4-18 张广才岭—长白山火山岩带晚侏罗世—早白垩世火山岩w(SiO₂)-w(K₂O)图解

图4-19 松辽盆地及周边火山岩带晚侏罗世—早白垩世火山岩w(SiO₂)-w(K₂O)图解

图4-20 大兴安岭及其西侧火山岩带晚侏罗世—早白垩世火山岩w(SiO₂)-w(K₂O)图解

利用Peccerillo等(1976)提出的w(SiO₂)-w(K₂O)图解对三条火山岩带晚侏罗—早白垩世火山岩岩石系列进行了进—步的划分(图4-18~4-20)。①张广才岭—长白山火山岩带:黑龙江东部J₃、K₁火山岩主要为钙碱性火山岩系列、高钾钙碱性火山岩系列和钾玄岩系列,K₂火山岩主要为高钾钙碱性火山岩系列(图4-18a);吉林东部地区J₃火山岩主要为钙碱性火山岩系列,少数高钾钙碱性火山岩系列(图4—18b)。②松辽盆地及周边火山岩带:松辽盆地火山岩主要为高钾钙碱性火山岩系列,伴有较少量的钾玄岩系列和钙碱性火山岩系列(图4-19a);四平—辽源地区J₃、K₁火山岩主要为钾玄岩系列和高钾钙碱性火山岩系列(图4-19b);法库—彰武地区K₁火山岩主要为高钾钙碱性火山岩系列及少量的钾玄岩和钙碱性火山岩系列(图4-19c);辽西地区K₁火山岩主要为高钾钙碱性火山岩系列和钾玄岩系列(图4-19d)。③大兴安岭及其西侧火山岩带:大兴安岭北部的K₁火山岩主要为高钾钙碱性火山岩系列和钾玄岩系列(图4-20a);大兴安岭中北部J₃和K₁火山岩也主要为高钾钙碱性火山岩系列,其次有钾玄岩系列和钙碱性火山岩系列(图4-20b);大兴安岭中南部J₃和K₁火山岩为高钾钙碱性火山岩系列和钾玄岩系列(图4-20c);大兴安岭东南部J₃和K₁火山岩主要为高钾钙碱性火山岩系列,也出现部分钾玄岩系列和少数钙碱性火山岩系列(图4-20d);大兴安岭西南J₃火山岩主要为高钾钙碱性火山岩系列,少数为钾玄岩系列(图4-20e);镶黄旗J₃火山岩为高钾钙碱性火山岩系列和钾玄岩系列(图4-20f)。

综上w(SiO₂)-w(K₂O)图解结果,东北地区三条火山岩带的J₃和K₁火山岩主要为高钾钙碱性火山岩系列,部分为钾玄岩系列,少数为钙碱性火山岩系列;K₂火山岩主要为高钾钙碱性火山岩系列,少数为钙碱性火山岩系列。各个地区均反映了钾质含量较高的特点。特别是w(SiO₂)-w(K₂O)图解进一步证实了钾玄岩系列的存在,并且其反映的分布规律与硅—碱图解和AFM图解一致。

利用Middlemost(1975)提出的w(K₂O)-w(Na₂O)图解进一步对本区火山岩进行钠质系列和钾质系列的划分。①张广才岭-长白山火山岩带:黑龙江省东部火山岩K₂为钾质系列,K₁为钾质和钠质系列,J₃为钠质系列;吉林东部J₃火山岩具有钠质和钾质两种火山岩系列。②松辽盆地及周边火山岩带:松辽盆地J₃火山岩主要为钾质系列,同时具有少量高钾和钠质系列;四平-辽源火山岩主要为钾质系列,少数为高钾和钠质系列;法库-彰武K₁火山岩主要为钾质系列,少数为高钾和钠质系列;辽西火山岩主要为钾质系列,少数火山岩有钠质系列。③大兴安岭及其西侧火山岩带:大兴安岭北部和中北部均为钾质系列;大兴安岭东南部K₁为钾质系列,J₃火山岩主要为钾质系列,少数为高钾和钠质系列;大兴安岭中南和西南地区火山岩主要为钾质系列,个别高钾系列;内蒙古镶黄旗J₃火山岩主要为钾质系列。

综上所述,本区火山岩除张广才岭-长白山火山岩带为钾质和钠质系列外,主要为钾质系列。在时代上从老到新,在区域上从东到西,有从钠质系列向钾质系列过渡的趋势。

(三)火山岩稀土元素和微量元素特征

1.稀土元素特征

(1)大兴安岭及其西侧火山岩带。在海拉尔地区,J₃—K₁兴安岭群火山岩皆为轻稀土富集型,随着时代从塔木兰沟组、上库力组到伊利克得组时代变新,其稀土元素总量逐渐增高。其中伊利克得组玄武安山岩的稀土配分形式和塔木兰沟组相似,二者大致平行,无铕负异常;而上库力组则具有明显的铕负异常(图4-21)。从典型构造环境稀土元素配分形式的对比来看,该区兴安岭群的配分形式与大陆裂谷类型有相似之处,而与大洋或岛弧类型不同,其中轻稀土元素含量明显高于岛弧、山弧环境的火山岩类。在大兴安岭地区,J₃—K₁兴安岭群的塔木兰沟组、上库力组和伊利克得组三个旋回的火山岩表现出类似的配分形式,均以相对富含轻稀土、贫重稀土,基本上不显负铕异常或有小的负铕异常为特征(图4-22),但3个旋回岩石的稀土元素丰度不同,由塔木兰沟旋回经上库力到伊利克得旋回,岩石的稀土元素总量逐渐增高,尤其是轻稀土元素变化更为明显,这些特征与海拉尔地区相似。

图4-21 海拉尔地区兴安岭火山岩稀土元素配分曲线(据夏军等,1993)

(2)松辽盆地及周边火山岩带。在松辽盆地区,J₃火山岩稀土配分形式均为轻稀土相对富集、重稀土相对亏损的富集型,配分曲线向右倾斜(图4-23)。这是大陆富集上地幔部分熔融的产物,与大陆裂谷火山岩稀土元素配分形式相似,而与岛弧和大洋岛火山岩的稀土元素配分形式相差甚远。在松辽盆地东南缘,J₃—K₁火山岩稀土配分形式也为轻稀土富集型(图4-24),除流纹质岩具有明显的负铕异常外,其他岩石则铕负异常不明显,并与世界上高钾安山岩类似。

(3)张广才岭-长白山火山岩带。在黑龙江东部地区,据马家骏(1991)研究,从T₃—K₂的火山岩均为轻稀土富集型(图4-25),轻稀土含量有增加的趋势,不同程度的存在铕负异常,反映岩浆来源深度相对较浅,与俯冲和弧火山作用有明显的关系。

综上所述,东北不同地区J₃—K₁火山岩稀土配分形式均为轻稀土富集型,明显的负Eu异常、弱的负Eu异常和无负Eu异常均存在。配分模式还反映出随时代的变新稀土总含量有增高的趋势。尤其是轻稀土含量有增加的趋势。这一特征可能反映了中生代火山岩,随时代变新陆壳成分的加入逐渐增加。从空间上看,从西部到东部稀土配分特点反映与俯冲和弧火山作用关系变得更为密切;相反从东部到西部则与大陆裂谷作用的稀土配分特点更相似。

图4-22 大兴安岭地区兴安岭火山岩稀土元素配分曲线(据孙德有等,1993)

图4-23 松辽盆地晚侏罗世火山岩稀土元素配分曲线

图4-24 松辽盆地东南缘晚侏罗—早白垩世火山岩稀土元素配分曲线

图4-25 黑龙江东部中生代火山岩稀土元素配分曲线

2.微量元素特征

利用Thompson(1984)的球粒陨石值进行标准化,将松辽盆地东南缘辽源—四平地区J₃—K₁火山岩不相容元素的配分曲线示于图4-26,从图中可以看出该区火山岩的一个共同特点是Ti、Ta高场强元素具有低谷,其中晚侏罗纪火山岩的低谷明显,而早白垩纪火山岩的低谷则较弱,K、Rb则均有明显的峰值。这些特征与造山带火山岩不相容元素的特点相似(Thompson,1984),表明该区火山岩与俯冲作用有关,属俯冲型火山作用。这里需要指出的是早白垩纪火山岩和晚侏罗纪火山岩在微量元素配分曲线上有一个很大的不同,早白垩纪火山岩具明显的Sr、P低谷,而晚侏罗纪火山岩则无Sr、P低谷,甚至有的火山岩表现出了弱的峰值,这一特征反映了早白垩纪火山岩与晚侏罗纪火山岩之间存在明显差异。Th/Yb-Ta/Yb图解(图4-27)从微量元素方面表明四平—辽源地区火山岩为钾玄岩系列和钙碱性系列,这与该区火山岩主要元素判断的火山岩系列一致,同时可以看出投点均落在与俯冲作用有关的岛弧环境范围内。在松辽盆地区,晚侏罗世火山岩的微量元素分布形式如图4-28所示,在Zr/Y-Ti/Y图解中,绝大部分样品都落在板块内部玄武岩区,仅有很少样品落在板块边缘玄武岩区(图4-29)。主要为板块内部环境说明它们与大陆裂谷作用有紧密关系,而少量反映板块边缘环境的样品则说明它们与板缘俯冲作用仍然有联系。总体来看,J₃—K₁火山岩微量元素特征反映松辽盆地以东可能与俯冲作用关系更为密切,而松辽盆地及其以西可能与裂谷作用的影响更大。

图4-26 四平—辽源地区火山岩不相容元素分布

图4-27 松辽盆地东南缘火山岩

图4-28 松辽盆地火山岩微量元素分布

图4-29 松辽盆地火山岩w(Zr)/w(Y)-w(Ti)/w(Y)图

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