小兴安岭孙吴地区下白垩统美丰组火山岩年代学和岩石地球化学研究

研究区位于小兴安岭西部孙吴地区，该地区美丰组火山岩学者们进行了大量的研究，探讨了其岩石成因和构造背景等问题(隋连成❶；曲关生，1997；王慧，2011；王奕朋，2021)。1981年，黑龙江省区域地质调查第一队1∶20万逊克县幅、富饶公社幅等五幅区域调查报告中，将研究区的地层厘定为美丰组，时代置于晚侏罗统(隋连成❶)。1997年，《黑龙江省岩石地层》认为美丰组与甘河组同物异名，弃用美丰组，将这套地层划为甘河组，时代置于早白垩世(曲关生，1997)。王慧(2011)认为小兴安岭该套岩石组合为美丰组，形成于早白垩世晚期，岩浆来自受俯冲流体交代的富集地幔，演化以结晶分异为主，演化后期伴有地壳的同化混染作用，古太平洋板块俯冲对小兴安岭地区的火山岩的形成有着重要的影响，中生代中国东部大陆整体处于伸展构造环境，早白垩世晚期，由于强烈的伸展拉张断裂作用，岩浆活动十分剧烈，形成了美丰组的中基性火山岩；王奕朋等一些学者认为该地区美丰组火山岩的幔源岩浆来源于与俯冲相关的含火山碎屑的陆源沉积物熔体交代的对流软流圈地幔，形成于板内伸展环境，其形成应与古太平洋板块的俯冲—回撤作用有关(王奕朋，2021；许文良等，2022；杨文采，2022)。

关于小兴安岭孙吴地区美丰组火山岩的成因和构造背景并没有进行研究。笔者等通过对研究区美丰组火山岩的岩石地球化学和年代学的研究，探讨其形成时间、岩石成因以及构造环境。

1 地质背景和岩石学特征

1.1 地质背景

研究区大地构造位置处于东亚大陆边缘小兴安岭—张广才岭岩浆弧西北部(图1)。

岩浆作用十分发育，地层出露较全，从新生界至古生界均有出露。出露不同时期的侵入岩、地层，伴生的矿产资源十分丰富，目前已发现铜钼、铅锌矿、沸石矿、煤矿等矿床(矿点)多处，空间上与研究区外多处矿产地构成重要的多金属成矿带(图1)。

研究区古生界出露的地层有唐家屯组(C2t)，主要分布于研究区辰清河、西茅兰河、东茅兰河、曲曲河一带，总体呈北东向展布，出露面积约215.83 km2，占地层总面积的28.42%，岩性以蚀变流纹岩、蚀变流纹质凝灰熔岩为主；中生界地层在研究区大面积出露，有老龙头组(T1l)、板子房组(K1b)、宁远村组(K1n)、九峰山组(K1j)、美丰组(K1m)；新生界出露的地层有孙吴组(N1-2s)、大熊山组(βQp1d)、哈尔滨组(Qp3h)、高漫滩冲洪积层(Qh1)、低河漫滩堆积层(Qh2)。

研究区侵入岩广泛发育，总体呈北东向展布，且以花岗岩类为主。

研究区晚古生代地质体由晚石炭世唐家屯组、早二叠世侵入岩构成，受华力西构造影响形成脆—韧性剪切带并伴有中性、酸性火山岩喷发及岩浆侵入；中生代地质体最为发育，区内主要表现为拉张的构造环境，早期(早三叠世)应力场的主应力迹线为NE 向，发育有北东向陆内上叠沉积盆地(下三叠统老龙头组)。随后又叠加了NE、NW向的应力场，导致大规模的岩浆侵入(早侏罗世—中侏罗世)。早白垩世之后的脆性断裂构造活动表现为对前述构造的形迹在内的所有先成地质体和构造的破坏、改造和继承，随后导致大规模的火山喷发；新生代构造层在中生代构造的基础上进一步发生断块运动，最终形成现今的构造格局。

1.2 岩石学特征

美丰组火山岩分布面积较小，仅在测区奋斗乡东、新鄂民族乡一带零星出露，岩石类型为橄榄玄武岩、玄武岩等。

玄武岩：岩石风化面灰色，新鲜面暗灰色，少斑状结构，基质间隐结构，块状构造。斑晶：斜长石：板柱状，粒径0.15～0.2 mm，聚片双晶发育，轻微绿泥石化，零星可见。基质：斜长石杂乱分布，其搭成的格架中分布绿泥石、玻璃质及少量磁铁矿，具间隐结构。斜长石：板柱状、针柱状，粒径<0.1 mm，发育聚片双晶。绿泥石：浅褐黄色，隐晶状集合体，干涉色黄色，含量10%±。玻璃质：黑色、褐色，全消光，含量15%±。磁铁矿：黑色，粒状，多为自形晶，粒径<0.02 mm，零星分布(图2a,b)。

橄榄玄武岩：岩石风化面灰色，新鲜面深灰色，斑状结构，基质间粒—间隐结构，块状构造。岩石由斑晶<5%±及基质组成。斑晶以斜长石为主，粒度较大，次为辉石，少许橄榄石，二者粒度均较小。橄榄石，多为它形粒状，少许呈近尖锐六边形，正高突起，多有皂石化或其他黏土矿物交代，呈不同干涉色，粒度0.1～0.15 mm。辉石，它形粒状，正中—高突起，无色，干涉色可见Ⅱ级蓝，粒度0.1～0.15 mm。斜长石，呈熔蚀圆状或柱状熔蚀状，局部内部呈熔蚀麻点状，无色，干涉色Ⅰ级灰，局部斜长石可见聚片双晶，粒度0.3～0.7 mm。局部斜长石边部多有微晶柱状辉石平行环绕分布，形成一窄边。基质由粒度<0.01 mm针柱状斜长石、细小粒状辉石、微粒磁铁矿及少许褐色隐晶质组成。

2 样品采集和测试方法

2.1 样品采集

本次工作共采集了6件新鲜的、未发现蚀变的美丰组样品(表1)进行地球化学分析测试。此外，对美丰组(样品编号：P20LT30B1)采集了年龄样品。

2.2 测试方法

为了限定美丰组火山岩形成时代，本次工作采用LA-ICP-MS法进行锆石U-Pb同位素年龄测试。样品破碎、锆石挑选、锆石制靶、阴极发光照相及锆石U-Pb定年工作均由北京燕都中实测试技术有限公司完成。主量元素和痕量元素的分析也是由北京燕都中实测试技术有限公司完成，主量元素采用XRF玻璃熔片法分析，分析精度和准确度优于5%；痕量元素采用ICP-MS分析方法，分析精度和准确度一般优于10%。

3 分析结果

3.1 锆石U-Pb测年

美丰组玄武岩样品P20LT30B1所分析的锆石多呈半自形柱状，晶体光洁、清晰、发育晶面，振荡环带较清楚。在阴极发光图像中(图3a)，锆石绝大多数锆石晶体柱面平直发育，多数具有亮色的阴极荧光，一些锆石发育有完整的生长环带，具有明显的韵律环带结构。本次研究工作共测试的美丰组玄武岩中锆石的21个测点U、Th质量分数分别为21.0×10-6～230.9×10-6、20.2×10-6～654.3×10-6，Th/U值为0.97～2.83，显示为岩浆成因锆石(表1)。所有测点均落在U-Pb一致线上或在U-Pb一致线附近很小范围内，数据点集中，206Pb/238U年龄102～109 Ma，加权平均值105.2 ±0.5 Ma，MSWD=0.57(表2，图3b)。结果表明，美丰组玄武岩形成为早白垩世。

3.2 地球化学特征

美丰组火山岩为一套中基性火山岩。常量元素分析结果见表3。岩石SiO2=52.75%～58.68%，平均值为54.55%；全碱(Na2O+K2O)=4.81%～7.22%；Al2O3=15.98%～17.21%。里特曼指数(σ)为1.98～3.54，碱度率(A.R.)为1.53～2.00，分异指数(DI)为44.03～63.39，固结指数(SI)为16.46～34.71。在火山岩TAS图解(图4a)中可以看出，大部分点投入粗面安山岩区，个别点投入玄武安山岩区；碱—二氧化硅图解(图4b)中，大部分投入亚碱性岩区，个别点投入碱性区；F—A—M三角图解(图4c)全部投入钙碱性岩区；在K2O—SiO2变异图(图4d)中可以看出：全部投入高钾岩系区，说明甘河期火山岩主要为钙碱性亚系、高钾岩系。

美丰组火山岩稀土元素特征：稀土元素分析结果表见3，岩石稀土总量(∑REE)99.81×10-6～269.76×10-6，变化较大，表现为稀土总量富集程度较高，轻稀土总量(∑LREE)88.14×10-6～246.26×10-6，重稀土总量(∑HREE)11.67×10-6～24.37×10-6，轻重稀土比值LREE/HREE为7.55～10.48，平均值为8.94，(La/Yb)N>1，属轻稀土富集型，且稀土分配模式曲线为右倾(图5a)，斜率较小；说明轻稀土富集程度高，同时也反映轻稀土之间的分馏程度较高。Eu为正常型，各曲线形态一致，说明具有同源岩浆特征。

微量元素特征：微量元素分析结果见表3，美丰组火山岩微量元素蛛网图可以看出：具Rb、Ba、Th、U、La、Ce富集，且Ba、La有较明显的峰值，且具有明显的Nb、Ti负异常。微量元素量变化不是很大，曲线特征较一致，显示具有同源岩浆特征(图5b)。

美丰组火山岩的地球化学特征与E-MORB(不相容元素富集的洋中脊玄武岩)相似，其形成与俯冲作用有关。

4 讨论

4.1 岩浆来源

通过对美丰组具有代表性的玄武岩进行测年工作可知，所测试的美丰组玄武岩的测年结果为105.2 ±0.5 Ma，该组火山岩形成时间为早白垩世。

研究区美丰组火山岩在主量元素组成上具有相对高Al2O3、CaO、TiO2，K2O含量较低，而MgO、P2O5含量较稳定；稀土元素总体上具有相似的标准化曲线，轻稀土元素略富集，且轻重稀土元素分异程度不明显，只具有很微弱的Eu负异常。微量元素富集Rb、Ba、Th、U、La、Ce，相对亏损Nb、Ti等元素，综上所述，小兴安岭美丰组火山岩的岩石地球化学特征，既具有壳源岩石的地球化学特征，又具有幔源岩石的地球化学特征，表明原始岩浆起源于地幔，受地壳物质的混染改造。

4.2 构造背景

研究区美丰组火山岩的地球化学特征与E-MORB(不相容元素富集的洋中脊玄武岩)相似，其形成与俯冲作用有关。前人研究表明，早白垩世，小兴安岭火山岩的形成主要受古太平洋板块俯冲的影响(张海驲，1993；王慧, 2011；王奕朋, 2021)，研究区处于板内伸展环境，其形成应与古太平洋板块的俯冲—回撤作用有关(赵海滨等❷；Wu Fuyuan, et al.，2011；Xu Wenliang et al.，2013；Zheng Yong Fei et al., 2018; Wu Fuyuan et al.，2019；许文良等，2022)。

综上所述，研究区美丰组火山岩是古太平洋板块西向俯冲，东亚大陆边缘发生陆内伸展，诱发基性火山喷发的产物。

5 结论

通过对研究区内美丰组火山岩进行的岩石地球化学和年代学的研究，同时结合前人在本区和相邻区的研究成果，得出以下结论：

(1)研究区美丰组火山岩的锆石具有典型的岩浆成因特征，其形成时间为105.2 ±0.5 Ma，该组火山岩形成时间为早白垩世。

(2)研究区美丰组火山岩为高钾钙碱性系列，富集Rb、Ba、Th、U、La、Ce，相对亏损Nb、Ti等元素；δEu=0.71～0.94，轻稀土略富集轻，重稀土分馏不明显，表明美丰组火山岩的原始岩浆起源于地幔，受地壳物质的混染改造。

(3)研究区美丰组火山岩形成于伸展环境，是古太平洋板块向亚洲大陆板块俯冲背景下的产物。

致谢:感谢在此工作区工作的以往地质工作者，为本次工作提供了丰富而又详实的地质资料，感谢编辑部和审稿专家对文章提供的建议与帮助。

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❷ 赵海滨, 牛延宏, 马江水, 汪岩, 李振德, 张海, 金哲岩, 李国臣. 2005. 乌云镇幅、嘉荫县幅、太平沟幅(M52C003003、M52C004003、5M2C004004)1/25万区域地质调查报告. 黑龙江省地质调查研究总院齐齐哈尔分院.

(The literature whose publishing year followed by a “&” is in Chinese with English abstract; The literature whose publishing year followed by a “#” is in Chinese without English abstract)

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