鏡泊湖地區(qū)杏山火山群的火山巖特征及其巖漿演化

郭可欣,劉永順,聶保鋒,郭磊,張輝,黃志聰,侯鵬,李耀

首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院,北京,100048

內(nèi)容提要：鏡泊湖火山區(qū)是我國陸內(nèi)新生代玄武巖研究的一個(gè)重要窗口。東南部的杏山火山群研究不足且前人的研究否定了其巖漿經(jīng)歷過同化混染作用。筆者等對杏山火山群的玄武巖開展了系統(tǒng)的巖石學(xué)、巖石地球化學(xué)和Sr—Nd—Pb同位素的研究,認(rèn)為杏山火山群主要為碧玄巖和粗面玄武巖,原生巖漿在上升過程中發(fā)生了橄欖石和單斜輝石的分離結(jié)晶,并在上地殼區(qū)域發(fā)生了同化混染作用,但同化混染—分離結(jié)晶作用較為微弱。將杏山火山群與同期的鏡泊湖玄武巖對比發(fā)現(xiàn),兩個(gè)地區(qū)的玄武巖都來源于石榴子石橄欖巖的部分熔融,杏山火山群的部分熔融程度略低于同期的鏡泊湖玄武巖。在巖漿源區(qū)方面,杏山火山群的巖漿源區(qū)為普通地幔與全硅酸鹽地球端元的混合源。巖漿源區(qū)的不均一性和巖漿演化過程中所經(jīng)歷的同化混染作用是造成杏山火山群和鏡泊湖火山群的巖性差異的主要影響因素。

玄武巖巖漿作為地幔物質(zhì)部分熔融的產(chǎn)物,可以有效地揭示地幔深部信息。與大洋玄武巖相比,大陸玄武巖巖漿在上升過程中受地殼的影響更大。巖漿在地殼的停留過程中,通常會(huì)經(jīng)歷巖漿演化(包括分離結(jié)晶、同化混染和巖漿混合作用等),其地球化學(xué)特征也更加復(fù)雜。因此,大陸玄武巖巖漿在上升過程中經(jīng)歷的演化過程、巖漿成分在上地幔和地殼中的變化,成為了巖石學(xué)領(lǐng)域長期研究的重要課題。

近幾十年來,國內(nèi)外學(xué)者在同化混染的形成機(jī)制、巖漿演化的影響等方面取得了很多新的突破(Said et al., 2010;Ardila et al., 2019;Fan Xingli et al., 2021)。其中,對于大陸玄武巖,大多數(shù)研究者認(rèn)為Sr—Nd—Pb同位素對上地殼同化混染有顯著的示蹤作用(Mason et al., 1996;Geng Xianlei et al., 2022)。Zeng Gang 等(2016)利用鉑族元素(PGE)的親硫性判斷了巖漿是否發(fā)生過同化混染,并在南京地區(qū)新生代玄武巖的研究中發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)的瓜埠山、六合方山和江寧方山的玄武巖PGE成分都受到過同化混染的影響。Hopkins 等 (2016)認(rèn)為Os同位素不僅可以確定同化混染的來源,而且為解釋地幔的非均質(zhì)性提供了有力證據(jù)。對于洋島玄武巖(Ocean Island Basalt, OIB),通過全巖微量元素與傳統(tǒng)的Sr—Nd—Pb同位素地球化學(xué)難以判斷陸內(nèi)的OIB堿性玄武巖是否經(jīng)歷過同化混染,但是Re-Os同位素可以為研究OIB的同化混染提供重要指標(biāo),可以示蹤巖漿上升過程中在地幔與地殼里的具體位置,且無需考慮地幔交代作用的影響(Chesley et al., 2004;Jung et al., 2011)。Li Xiaowei 等(2015)結(jié)合Re-Os同位素與同化混染—分離結(jié)晶模型對秦嶺地區(qū)白堊紀(jì)玄武巖的分析得出該區(qū)域內(nèi)OIB巖漿在上升期間在下地殼中經(jīng)歷了同化混染,而且發(fā)現(xiàn)與洋中脊玄武巖(Mid-Ocean Ridge Basalt,MORB)、洋島玄武巖和陸下巖石圈地幔捕虜體相比,大陸內(nèi)類OIB玄武巖n(187Os)/n(188Os)值域較寬,表明大陸巖石圈Os同位素豐度較大;通過分析華北克拉通北部地區(qū)新生代堿玄巖的Os同位素,Li Zhuang等 (2021)發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)的集寧玄武巖在巖漿上升過程中受到同化混染作用的影響較大,而赤峰玄武巖只受到了輕微的影響。

巖漿在上升過程中通常要在地殼中停留一段時(shí)間才能到達(dá)地表,在此期間很有可能受到地殼物質(zhì)的混染(Carlson et al., 1991;牛耀齡,2013)。前人發(fā)現(xiàn)由于巖石圈地幔成分具有不均一性,其同位素幾乎囊括了地殼成分的范圍,因此僅通過野外考察和地球化學(xué)來研究同化混染究竟來自地幔還是地殼是不可靠的(張樹明等,2002;Clarke,2007)。我國對同化混染的研究也較多,對東北地區(qū)新生代火山的同化混染的研究主要集中在五大連池和長白山地區(qū)(邱家驤等,1988;王團(tuán)華等,2006;郭文峰等, 2014;馬晗瑞,2016),對鏡泊湖地區(qū)研究較少,杏山地區(qū)更是乏善可陳。并且,前人普遍認(rèn)為鏡泊湖地區(qū)玄武巖沒有經(jīng)歷過同化混染作用。劉北玲等(1989)通過研究鏡泊湖地區(qū)第四紀(jì)玄武巖的同位素與微量元素認(rèn)為該地區(qū)的玄武巖巖漿來源于巖石圈地幔,且在上升過程中未受地殼混染的影響。之后,張招崇等(1999)根據(jù)鏡泊湖地區(qū)第四紀(jì)玄武巖與夏威夷玄武巖的Sr—Nd—Pb同位素組成的相似性推斷鏡泊湖地區(qū)玄武巖的形成可能與地幔柱相關(guān),并通過Pb同位素推斷鏡泊湖地區(qū)玄武巖漿未遭受同化混染。在此基礎(chǔ)上他們又根據(jù)玄武巖樣品中低n(87Sr)/n(86Sr)和高n(143Nd)/n(144Nd)的特點(diǎn)進(jìn)一步排除了巖漿經(jīng)歷同化混染的可能性(張招崇等,2000)。秦秀峰等(2008)、Yan Jun和Zhao Jianxin(2008)、Bai Xiang等 (2021)、李明濤等(2022)在后續(xù)的研究中也進(jìn)一步闡述了這一觀點(diǎn)。目前,在鏡泊湖火山巖巖漿源區(qū)性質(zhì)上尚存在不同認(rèn)識(shí)。Fan Xingli 等(2021)認(rèn)為鏡泊湖地幔源區(qū)為富集型地幔,張招崇等(2000)認(rèn)為該區(qū)域巖漿為似原始—虧損型地幔,秦秀峰等(2008)認(rèn)為該區(qū)域巖漿源區(qū)有從富集巖石圈地幔向軟流圈轉(zhuǎn)化的趨勢。

鏡泊湖火山區(qū)是我國新生代陸內(nèi)玄武巖研究的一個(gè)重要窗口。其噴發(fā)中心在全新世時(shí)期西移至鏡泊湖火山群(鞏杰生,1996;翟福君等,2010;鄒宗霖,2020)。前人根據(jù)同位素測年和地球化學(xué)研究將鏡泊湖地區(qū)的火山巖分為船底山期(中新世)、杏山期(晚更新世)、鏡泊湖期(全新世)三個(gè)火山噴發(fā)旋回并在該區(qū)域展開了巖石學(xué)特征研究,初步確定:中新世玄武巖主要為堿玄巖、白榴堿玄巖,更新世到全新世以堿玄巖為主(李東津等,1982;沈遠(yuǎn)超等,1987;樊祺誠等,2005;Fan Xingli et al., 2021;Bai Xiang et al., 2021)。然而,值得注意的是,前人的研究區(qū)域主要集中于該區(qū)域內(nèi)的西區(qū)(包括火山口森林、大干泡、迷魂陣火山群)和東區(qū)(蛤蟆塘火山群; 郭磊等,2022),而且多數(shù)人認(rèn)為兩個(gè)地區(qū)巖漿的形成時(shí)間、巖性特征、巖漿源區(qū)有較大的差異(張招崇等,2000;樊祺誠等,2005)。那么位于該區(qū)域東南部的杏山火山群是否也具有類似的特征呢?筆者等以杏山火山群為研究對象,在野外地質(zhì)考察的基礎(chǔ)上,從礦物學(xué)、巖石學(xué)、地球化學(xué)、同位素地球化學(xué)的角度來定性、定量地研究該區(qū)域的地殼、地幔特征以及巖漿演化對玄武巖成分變化的影響,同時(shí)將杏山火山群與前人研究的鏡泊湖火山巖的巖漿源區(qū)進(jìn)行對比分析,以期完善鏡泊湖火山群的成因認(rèn)識(shí)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鏡泊湖地區(qū)位于黑龍江省寧安市以及敦化—密山斷裂帶的西側(cè)(圖1)。該區(qū)域內(nèi)巖漿活動(dòng)在晚泥盆世、晚侏羅世、新近紀(jì)、第四紀(jì)均有發(fā)生,其中以新生代火山活動(dòng)最為猛烈,形成了一條沿?cái)嗔褞Ъ捌渌闹芊植嫉腘NE向的火山帶,長約400 km,寬約40 km。鏡泊湖地區(qū)廣泛發(fā)育新生代堿玄巖(秦秀峰等,2008;Xiao Wenjiao and Santosh,2014)。除玄武巖外,區(qū)內(nèi)還大量分布海西期—燕山期花崗巖,南部與東北部還分布元古宇黑龍江群和麻山群變質(zhì)巖,西部小北湖地區(qū)分布泥盆紀(jì)花崗巖,西北部和東南部分布石炭紀(jì)—二疊紀(jì)、侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)的花崗巖(張招崇等,1999)。杏山火山群位于鏡泊湖地區(qū)牡丹江深斷裂與杏山斷裂交界處,由4個(gè)火山渣錐及其熔巖組成,分別為牛樣子山、西小山、東小山和杏山,屬于前人劃分的杏山玄武巖期(約為中新世到晚更新世)(劉北玲等,1989;崔根等,2010;李樹才,2013)(圖1)。

圖1 黑龍江鏡泊湖火山群地質(zhì)圖(a)和東北地區(qū)區(qū)域斷裂簡圖(b)Fig.1 Geological map of the Jingpo Lake Volcano Group in Heilongjiang (a) and regional fractures sketch of Northeast China (b)

4座火山均被風(fēng)化堆積層不同程度地覆蓋。除東小山外,其余火山剖面出露完好,均由紅褐色扭曲變形的火山彈、熔巖餅及火山渣組成,濺落堆積物中有大量弱熔結(jié)的角礫集塊巖、具有反應(yīng)邊的幔源包體和殼源花崗巖捕虜體以及單斜輝石、歪長石巨晶(圖2)。杏山火山群的巖石類型主要為碧玄巖,粗面玄武巖僅在牛樣子山出現(xiàn),具體的巖石特征見表1。4座火山均屬于斯通博利型噴發(fā),噴發(fā)物具有典型韻律堆積特點(diǎn),但噴發(fā)和爆炸的強(qiáng)弱有所不同。

表1 鏡泊湖地區(qū)杏山火山群野外巖石特征Table 1 Rock characteristics of Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area

圖2 鏡泊湖地區(qū)杏山火山群野外地質(zhì)現(xiàn)象照片: (a)杏山火山錐剖面;(b)杏山火山的表面黏附火山渣的熔巖餅;(c)牛樣子山橄欖巖包體;(d)牛樣子山單斜輝石巨晶Fig.2 Photos of the field geological phenomena of the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area: (a) Xingshan volcanic cone profile; (b) pancake bomb with scoria adhered to the surface from Xingshan Volcano; (c) peridotite xenolith from Niuyangzishan Volcano; (d) clinopyroxene megacrysts from Niuyangzishan Volcano

2 研究方法

筆者等選取牛樣子山、西小山、東小山、杏山的8個(gè)代表性的巖石樣品進(jìn)行了全巖的主量元素、微量元素和稀土元素分析測試以及Sr—Nd—Pb同位素分析測試。巖石薄片的鑒定和照片采集工作是在首都師范大學(xué)地質(zhì)流體實(shí)驗(yàn)室借助Nikon Eclipse LV100pol偏光顯微鏡和NIS Elements D軟件完成。地球化學(xué)分析測試由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心完成。主量元素分析儀器是AB104L Axios-mAX 波長色散X射線熒光光譜儀、CS580A碳硫分析儀,實(shí)驗(yàn)溫度為20℃,相對濕度為40%。微量元素和稀土元素分析儀器是ELEMENT XR 等離子體質(zhì)譜儀,實(shí)驗(yàn)溫度為22.6℃,相對濕度為20%。Sr—Nd—Pb同位素分析儀器為Phoenix 熱表面電離質(zhì)譜儀、ISOPROBE-T 熱表面電離質(zhì)譜儀,實(shí)驗(yàn)溫度為20℃,相對濕度為30%,誤差為2σ。

3 巖相學(xué)特征

本次研究對牛樣子山粗面玄武巖(21JPH-39)、西小山碧玄巖(21JPH-53)、東小山碧玄巖(21JPH-76)和杏山碧玄巖(21JPH-79)進(jìn)行了顯微巖相學(xué)分析(圖3)。這些碧玄巖、粗面玄武巖以?；郀罱Y(jié)構(gòu)、氣孔構(gòu)造為主,斑晶為橄欖石、單斜輝石和斜長石,基質(zhì)含斜長石和橄欖石微晶、火山玻璃。巖石中還含有小的橄欖巖包體、花崗巖捕虜體、單斜輝石和歪長石巨晶、尖晶石捕虜晶以及石英、堿性長石、斜長石捕虜晶。橄欖石斑晶多呈他形粒狀,有明顯的世代現(xiàn)象。單斜輝石斑晶為他形粒狀或柱狀。單斜輝石巨晶為板狀,發(fā)育單斜輝石反應(yīng)邊和增生邊。石英捕虜晶多呈他形粒狀。斜長石捕虜晶半自形粒狀,聚片雙晶發(fā)育。堿性長石捕虜晶均為他形,單偏光下表面具有高嶺土化。尖晶石呈粒狀,正交偏光下全消光。此外,部分巖石受水熱變質(zhì)明顯,局部有綠簾石分布。

圖3 鏡泊湖地區(qū)杏山火山群的火山巖顯微巖相照片: (a)牛樣子山21JPH-39號(hào)含Ol和Cpx斑晶的玻基斑狀鉀質(zhì)粗面玄武巖中的Cpx巨晶(正交偏光) ;(b)西小山21JPH-53號(hào)含Cpx巨晶和Pl與Ol斑晶的?；郀畋绦r(正交偏光);(c)東小山21JPH76號(hào)含Ol斑晶與捕虜晶的?；郀畋绦r(正交偏光);(d)杏山 21JPH-79號(hào)含Ol斑晶和Ol與Sp捕虜晶的?；郀畋绦r(正交偏光)Fig.3 Micropetrographic photos of volcanic rocks from the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area: (a) Cpx megacryst No.21JPH-39 potassic trachy-basalt with vitrophyric texture containing Ol and Cpx phenocrysts from Niuyangzishan Volcano (cross-polarized light, XPL); (b) No. 21JPH-53 basanite with vitrophyric texture containing Cpx megacrysts and Pl and Ol phenocrysts from Xixiaoshan Volcano (XPL); (c) No. 21JPH-76 basanite with vitrophyric texture containing Ol phenocrysts and xenocrysts from Dongxiaoshan Volcano (XPL); (d) No. 21JPH-79 basanite with vitrophyric texture containing Ol phenocrysts and Ol and Sp xenocrysts from Xingshan Volcano (XPL)礦物縮寫符號(hào)后的數(shù)字代表礦物的世代性,越晚世代的礦物,數(shù)字越大;Cpx—單斜輝石;Ol—橄欖石;Pl—斜長石;Afs—堿性長石;Sp—尖晶石;Ep—綠簾石 The number after mineral abbreviation symbol represents the mineral generation, and the later the mineral generation, the larger the number; Cpx—clinopyroxene; Ol—olivine; Pl—plagioclase; Afs—alkali feldspar; Sp—spinel; Ep—Epidote

4 地球化學(xué)特征

4.1 主量元素特征

從表2可以看出,杏山火山群4座火山的全巖的主量成分變化范圍較小,總體具有低SiO2(46.25%～48.06%)、高堿Na2O+K2O(6.22%～6.75%)和高Al2O3(15.28%～15.6%)的特征。在TAS圖中(圖4),除牛樣子山樣品落入粗面玄武巖區(qū)域外,其余樣品均落在堿玄巖、碧玄巖區(qū)域中。將這些樣品進(jìn)行CIPW計(jì)算(表2),結(jié)果顯示這些樣品的ol標(biāo)準(zhǔn)礦物含量均大于10%,屬于碧玄巖。在K2O—Na2O和K2O—SiO2相關(guān)圖解上,杏山火山群的火山巖分別屬于鈉質(zhì)巖系列和鉀玄巖系列(圖5a、圖5b),鏡泊湖地區(qū)玄武巖除個(gè)別樣品落入鈣堿系列和高鉀鈣堿系列區(qū)域外,其余特征與杏山火山群基本一致。在哈克圖解中(圖6),SiO2與CaO、MgO、FeOT、TiO2呈良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系,與Na2O顯著正相關(guān),與Al2O3相關(guān)性不明顯。通常情況下,堿性基性巖漿是在深部熔融程度較低、壓力較大的地幔環(huán)境中部分熔融形成,而杏山火山群巖漿成分具有典型的這類巖石特征,因此可以確定杏山火山群巖漿主要來源于上地幔。

表2 杏山火山群的火山巖主量元素(%)、稀土與微量元素(×10-6)含量及其參數(shù)和CIPW(%)計(jì)算結(jié)果Table 2 Contents of major elements (%), rare earth and trace elements (×10-6) and their calculation results of parameters and CIPW (%) of volcanic rocks from Xingshan Volcano Group

圖4 鏡泊湖地區(qū)杏山火山群TAS分類圖解Fig.4 TAS classification diagram of the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area底圖據(jù)Le Maitre 等(1984);前人杏山的數(shù)據(jù)來源于李明濤等(2022),下同 Base map after Le Maitre et al. (1984);data of the Xingshan Volcano Group are from Li Mingtao et al. (2022),and the data sources of following figs. are the same

圖5 鏡泊湖地區(qū)杏山火山群K2O與Na2O相關(guān)圖解(a)和K2O與SiO2相關(guān)圖解(b)Fig.5 Correlation diagram of K2O and Na2O (a) and correlation diagram of K2O and SiO2 (b) for the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area底圖據(jù)Peccerillo and Taylor (1976),Rollinson (1993);鏡泊湖地區(qū)數(shù)據(jù)據(jù)Yan Jun and Zhao Jianxin(2008),下同Base map after Peccerillo and Taylor (1976),Rollinson (1993); data of Jingpo Lake area are from Yan Jun and Zhao Jianxin (2008), and the data sources of following figs. are the same

圖6 鏡泊湖地區(qū)杏山火山群哈克圖解Fig.6 Harker diagram of the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area

4.2 稀土與微量元素特征

杏山火山群的4座火山具有相似的稀土和微量元素配分型式,表明其地球化學(xué)特征與地質(zhì)作用過程也較為相似。杏山火山群的稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分型式與OIB型玄武巖有一定的相似性(圖7),曲線呈右傾型,富集輕稀土元素((La/Sm)N= 2.88～4.72),虧損重稀土元素,重稀土元素在配分曲線上分布較為平坦,輕、重稀土元素分異程度較高((La/Yb)N= 9.57～15.97),且未發(fā)現(xiàn)Eu與Ce存在顯著負(fù)異常(δEu = 0.93～1.07,δCe = 0.9～1.02)。稀土元素總量ΣREE為146.01×10-6～182.71×10-6,輕重稀土之比為7.39～10.07,暗示巖漿在演化過程中發(fā)生了富集(表2)。不同的是,杏山玄武巖的輕稀土元素富集程度與重稀土元素分餾程度低于五大連池鉀質(zhì)玄武巖,高于鏡泊湖地區(qū)玄武巖,說明杏山火山群相較于五大連池地區(qū)巖漿富集程度低,而高于鏡泊湖火山巖區(qū),部分熔融程度高于五大連池火山巖區(qū),低于鏡泊湖火山巖區(qū)(Zhang Ming et al., 1995)。杏山火山群的微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化配分型式(圖8)與鏡泊湖火山巖區(qū)的分配型式較為相似,表現(xiàn)出大離子親石元素Ba、Ta、K相對富集,高場強(qiáng)元素(如Zr、Ti、Nb)相對虧損。Pb呈顯著正異常,暗示巖漿在演化的過程中有來自大陸地殼物質(zhì)的參與(表2)。杏山火山群的微量元素配分型式雖與OIB型玄武巖有一定的相似性,但杏山火山群的Ti含量相對更低。五大連池鉀質(zhì)玄武巖除了具有更顯著的Ba、Ce、Ti正異常外,其余的微量元素配分型式與杏山火山群的相似(Yan Jun and Zhao Jianxin,2008)。

圖7 鏡泊湖地區(qū)杏山火山群的稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分圖Fig.7 Chondrite-normalized REEs patterns of the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area球粒隕石數(shù)據(jù)和OIB數(shù)據(jù)來源于Sun 和 McDonough(1989);五大連池鉀質(zhì)玄武巖數(shù)據(jù)來源于Zhang Ming 等(1995)Chondrite data and OIB data are from Sun 和 McDonough (1989); data of Wudalianchi potassic basalt are from Zhang Ming et al., 1995

圖8 鏡泊湖地區(qū)杏山火山群的微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化配分圖Fig.8 Trace element concentrations normalized to primitive mantle of the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area原始地幔數(shù)據(jù)和OIB數(shù)據(jù)來源于Sun 和 McDonough(1989),五大連池鉀質(zhì)玄武巖數(shù)據(jù)來源于Zhang Ming et al., 1995Primitive mantle data and OIB data are from Sun and McDonough (1989), and data of Wudalianchi potassic basalt are from Zhang Ming et al., 1995

4.3 Sr—Nd—Pb同位素特征

杏山火山群的Sr—Nd—Pb同位素?cái)?shù)據(jù)見表3。杏山火山群的n(87Sr)/n(86Sr)值為0.70426～0.704493,n(143Nd)/n(144Nd)值為0.512788～0.512907,n(208Pb)/n(204Pb)值為37.975～38.108,n(207Pb)/n(204Pb)值為15.502～15.528,n(206Pb)/n(204Pb)值為17.912 ～18.085,εNd(0)(為εNd的現(xiàn)今值)為2.9～5.2。值得注意的是,含橄欖巖包體的樣品較其他不含橄欖巖包體的樣品的εNd(0)顯著正異常(樣品21JPH-50的εNd(0)值為5.2),且其微量元素特征與OIB最為相似(圖8)。對這一現(xiàn)象,推測其成因是:無論是含包體的還是不含包體的巖漿都來自于軟流圈,二者之所以會(huì)產(chǎn)生地球化學(xué)性質(zhì)差異,主要是因?yàn)楹w的巖漿上升速度較快,在地殼中停留時(shí)間短。相較而言,不含包體的巖漿上升速度較慢,在地殼停留過程中有充分的時(shí)間與地殼物質(zhì)產(chǎn)生混染。

表3 杏山火山群的全巖Sr—Nd—Pb同位素分析結(jié)果(微量元素含量單位為×10-6)Table 3 Sr—Nd—Pb isotope data of whole rocks in Xingshan Volcano Group (×10-6)

總體來看,4座火山的Sr—Nd—Pb同位素變化特征較為一致,暗示它們都來自于同一巖漿源區(qū)。在εNd與n(87Sr)/n(86Sr)的關(guān)系圖解中(圖9),杏山火山群樣品的Sr—Nd同位素呈現(xiàn)良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系,并且都落在第二象限內(nèi)洋島玄武巖(OIB)區(qū)域中,屬于虧損地幔,并與寬甸和龍崗地區(qū)的玄武巖呈現(xiàn)相似的同位素組成。與鏡泊湖地區(qū)相比,杏山火山群的εNd平均值更高,暗示其受到地殼混染程度更高,巖漿更為演化。在n(207Pb)/n(204Pb)與n(206Pb)/n(204Pb)的關(guān)系圖解和n(208Pb)/n(204Pb)與n(206Pb)/n(204Pb)的關(guān)系圖解中(圖10),杏山火山群所有樣品均位于北半球參考線(NHRL)上方、地球年齡線(Geochron)的右側(cè),且落在印度洋洋中脊區(qū)域(I-MORB),Pb同位素特征與寬甸和鏡泊湖地區(qū)的相似。值得注意的是,與鏡泊湖地區(qū)相比,杏山火山群n(206Pb)/n(204Pb)值更高。

圖9 鏡泊湖地區(qū)杏山火山群εNd與n(87Sr)/n(86Sr)的關(guān)系圖解Fig.9 Diagram of the relationship between εNd and n(87Sr)/ n(86Sr) of the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area洋中脊玄武巖(MORB)數(shù)據(jù)引自Zou Haibo et al.(2000);洋島玄武巖(OIB)數(shù)據(jù)引自Barry and Kent(1998);寬甸玄武巖、龍崗玄武巖和五大連池鉀質(zhì)玄武巖數(shù)據(jù)分別引自Basu et al.(1991)、閆峻等(2007)和Zhang Ming et al.(1995)Mid-ocean Ridge Basalt (MORB) data from Zou Haibo et al. (2000); Ocean Island Basalt (OIB) data from Barry and Kent (1998); Data of Kuandian basalt, Longgang basalt and Wudalianchi potassic basalt are quoted from Basu et al. (1991), Yan Jun et al. (2007) and Zhang Ming et al. (1995), respectively

圖10 鏡泊湖地區(qū)杏山火山群: (a)n(207Pb)/n(204Pb) 與n(206Pb)/ n(204Pb)關(guān)系圖; (b)n(208Pb)/n(204Pb) 與n(206Pb)/ n(204Pb)關(guān)系圖Fig.10 (a)Diagram of the relationship between n(207Pb)/n(204Pb) and n(206Pb)/n(204Pb); (b)Diagram of the relationship between n(208Pb)/n(204Pb) and n(206Pb)/n(204Pb) of the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area印度洋MORB(I-MORB)數(shù)據(jù)引自Barry and Kent (1998);太平洋和北大西洋MORB(P &N-MORB)數(shù)據(jù)引自Zou Haibo et al.(2000);EMI和EMⅡ數(shù)據(jù)引自Zindler and Hart(1986)。地球年齡線(Geochron)與北半球參考線(NHRL)引自Hart(1984)Indian Ocean MORB (I-MORB) data from Barry and Kent (1998); Pacific and North Atlantic MORB (P &N-MORB) data from Zou Haibo et al. (2000); EMI and EMⅡ data from Zindler and Hart (1986). The Earth Age Line (Geochron) and the Northern Hemisphere Reference Line (NHRL) are quoted from Hart (1984)

5 討論

5.1 巖漿演化

5.1.1分離結(jié)晶

通常來說,玄武質(zhì)巖漿演化是巖漿從源區(qū)向上運(yùn)移至巖漿房或淺部的冷卻結(jié)晶的過程(牛耀齡,2013)。前人根據(jù)鏡泊湖火山群玄武巖SiO2與Na2O+K2O無顯著相關(guān)性排除了鏡泊湖玄武巖漿經(jīng)歷分離結(jié)晶的可能性。而杏山火山群樣品Mg#= 60.84～61.67,Ni = 138×10-6～158×10-6,Cr = 176×10-6～215×10-6,低于原始巖漿Mg#= 68～75,Ni = 400×10-6～500×10-6,Cr>1000×10-6(Frey et al., 1978;Wilkinson and Le Matire,1987),說明該巖漿經(jīng)歷了分離結(jié)晶過程。在哈克圖解上(圖5),SiO2與CaO、MgO、FeOT、TiO2負(fù)相關(guān),與Na2O顯著正相關(guān),說明單斜輝石、橄欖石和鎂鐵礦物可能參與了巖漿分離結(jié)晶過程。由于SiO2與Al2O3相關(guān)關(guān)系不明顯,且Eu的異常不明顯(δEu = 0.93～1.07),說明斜長石的分離結(jié)晶不顯著。此外,在杏山火山群的巖相中所觀察到的晶形良好且Fo值較低的橄欖石斑晶、具有反應(yīng)邊的單斜輝石斑晶和大量斜長石基質(zhì)也證實(shí)了這一點(diǎn)。

5.1.2同化混染

幔源巖漿在上升的過程中受到地殼物質(zhì)的影響,會(huì)發(fā)生同化混染作用。前人的主流觀點(diǎn)認(rèn)為杏山地區(qū)乃至鏡泊湖地區(qū)沒有發(fā)生明顯的同化混染作用(Bai Xiang et al., 2021;李明濤等,2022),主要原因如下:① 鏡泊湖地區(qū)玄武巖樣品具有低SiO2,高M(jìn)g#和Sr—Nd同位素虧損的特征,結(jié)合野外觀察到的熔巖流中廣泛分布地幔包體的現(xiàn)象排除巖漿經(jīng)歷過同化混染作用。② 幔源巖漿發(fā)生地殼混染的樣品會(huì)在La/Sm—La/Nb圖解上呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,而鏡泊湖地區(qū)玄武巖樣品在該圖解上并未呈現(xiàn)出任何相關(guān)性(Bai Xiang et al., 2021)。筆者等認(rèn)為,杏山火山群樣品的Nb弱負(fù)異常(Nb*= 0.81～0.98)本身就暗示了同化混染的可能性,野外考察所觀察到的大量已熔融或部分熔融的泥巖、花崗巖包體和石英、長石捕虜晶也證實(shí)了這一觀點(diǎn)。

相容元素(如Cr、Ni等)和不相容元素(如Rb、Ba、Nb、La等)是鑒別巖漿演化過程的重要依據(jù),若幔源巖漿在演化過程中受到同化混染或巖漿混合作用,在微量元素關(guān)系比值圖解中會(huì)呈現(xiàn)線性演化趨勢(Cocherie,1986;趙振華,1997;王團(tuán)華等,2006)。為此,筆者等采用了Pr/Sm—Ce/Sm和Nd/Yb—La/Yb關(guān)系圖解來判斷杏山火山群的巖漿是否發(fā)生了同化混染或巖漿混合。在圖11a和11b中,杏山火山群樣品均呈良好的正相關(guān)關(guān)系,說明巖漿在上升的過程中經(jīng)歷了同化混染或巖漿混合作用。除此之外,杏山火山群樣品的Nb/U值為31.36～46.16(平均值為35.99),Ce/Pb值為10.19～25.24(平均值為17.52),均低于MORB與OIB的平均值(Nb/U = 47±10,Ce/Pb = 25±5)(Hofmann et al., 1986)。巖漿中混入來自大陸地殼的物質(zhì)會(huì)對微量元素造成極大影響,加之大陸地殼中Nb/U與La/Nb值較低(Nb/U = 12.1,La/Nb = 14.1)(Taylor and McLennan,1995),這再一次印證了杏山火山群在上地殼經(jīng)歷了同化混染。

圖11 鏡泊湖地區(qū)杏山火山群的全巖微量元素比值相關(guān)性圖解:(a) Pr/Sm與Ce/Sm;(b) Nd/Yb與La/Yb;(c) Nb/La與Sm/Nd;(d) La/Nb與Ba/NbFig.11 Correlation diagram of trace elements ratios of the volcanic rocks from the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area: (a) Pr/Sm and Ce/Sm; (b) Nd/Yb and La/Yb; (c) Nb/La and Sm/Nd; (d) La/Nb and Ba/Nb大陸上地殼(UCC)、大陸下地殼(LCC)、N-MORB的Nb/La、Sm/Nd、La/Nb、Ba/Nb均來源于Sun 和 McDonough (1989)Nb/La, Sm/Nd, La/Nb and Ba/Nb of Upper Crust of Continent (UCC), Lower Crust of Continent (LCC), N-MORB (Normal Mid-Ocean Ridge Basalt) are all from Sun and McDonough (1989)

為進(jìn)一步確認(rèn)同化混染發(fā)生的位置,筆者等采用了Ba/Th—(La/Sm)N關(guān)系圖解(圖12),可以看到杏山火山群樣品全部落到了上地殼附近。此外,杏山火山群(La/Sm)N為3.8～4.72(平均值為4.31),Ba/Th為113.48～127.55(平均值為118.45),普遍高于上地殼的值((La/Sm)N= 4.26,Ba/Th = 60)。這再一次驗(yàn)證了同化混染作用于上地殼中。

圖12 鏡泊湖地區(qū)杏山火山群Ba/Th—(La/Sm)N的關(guān)系圖解Fig.12 Diagram of the relationship between Ba/Th and (La/Sm)N for the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake areaOIB、N-MORB、原始地幔和地殼的數(shù)據(jù)來源于Sun &McDonough (1989)Data of OIB, N-MORB, primitive mantle and crust are from Sun &McDonough (1989)

那么,杏山火山群是否經(jīng)歷了巖漿混合作用呢?從Nb/La—Sm/Nd和La/Nb—Ba/Nb關(guān)系圖解上(圖11c、11d)可以看出,杏山火山群與鏡泊湖火山群的Nb/La(或La/Nb)值幾乎都在同一直線上,相較而言,Sm/Nd與Ba/Nb雖然值較小,但變化范圍較大。與鏡泊湖地區(qū)相比,杏山火山群樣品沿地殼混染的趨勢線分布,且主要集中在上地殼,這說明玄武巖漿在上升過程中發(fā)生了同化混染。根據(jù)野外所觀察到的杏山火山群的火山巖含有大量部分熔融的砂巖、礫巖和花崗巖、片麻巖等殼源包體的情況間接地證實(shí)了巖漿在上升過程中經(jīng)歷了來自上地殼的同化混染而非巖漿混合作用。

由此推斷,杏山火山群主要經(jīng)歷了以下地質(zhì)過程:原始巖漿在上地幔中發(fā)生橄欖石和單斜輝石的分離結(jié)晶,形成碧玄巖和粗面玄武巖,隨著巖漿不斷上升,受周圍的溫度、壓力與區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)的影響,巖漿中較早晶出的斑晶呈現(xiàn)熔蝕麻點(diǎn)和反應(yīng)邊結(jié)構(gòu),巖漿上升至上地殼時(shí)發(fā)生了同化混染作用,同化混染—分離結(jié)晶作用(Assimilation Fractional Crystalization,AFC)相對較為微弱(圖13)。

圖13 鏡泊湖地區(qū)杏山火山群n(87Sr)/ n(86Sr)與SiO2的關(guān)系圖解(改自Ho Kunsuan et al., 2013)Fig.13 Diagram of the relationship between n(87Sr)/ n(86Sr) and SiO2for the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area (modified from Ho Kunsuan et al., 2013)

5.2 地幔源區(qū)探討

前人關(guān)于鏡泊湖火山區(qū)的巖漿起源問題存在不同認(rèn)識(shí),對杏山火山群更是研究薄弱。張招崇等(1999)根據(jù)Sr—Nd—Pb同位素分析得出鏡泊湖東部的巖漿源區(qū)為虧損地幔(Depleted-MORB Mantle,DMM)和富集地幔I(Enriched Mantle Type I,EMI)的混合地幔,并認(rèn)為其與軟流圈地幔部分熔融有關(guān)。閆峻等(2007)分析得出鏡泊湖地區(qū)Sr—Nd同位素明顯虧損,Pb同位素具有類似Dupal特征。Bai Xiang et al.(2021)認(rèn)為鏡泊湖地區(qū)中新世—更新世玄武巖巖漿來源于EMⅡ和石榴子石橄欖巖的部分熔融,全新世巖漿來源于EMI、EMⅡ的混合端元。盡管這樣,但前人的研究主要集中在鏡泊湖的火山口森林和蛤蟆塘火山區(qū),對位于東南部的杏山火山群研究甚少。為彌補(bǔ)這一不足,筆者等基于Sr—Nd—Pb同位素?cái)?shù)據(jù)來探究一下杏山火山群的巖漿源區(qū),并將其與同期噴發(fā)的鏡泊湖中新世—更新世玄武巖的源區(qū)進(jìn)行一下對比與成因分析。

從n(143Nd)/n(144Nd)和n(206Pb)/n(204Pb)的關(guān)系圖解來看(圖14),杏山火山群樣品均落到了第二象限(偏虧損地幔)的BSE與PREMA之間,而鏡泊湖中新世—更新世玄武巖樣品則落入第四象限(偏富集地幔)的BSE中,并有向EMⅡ演化的趨勢。與鏡泊湖中新世—更新世玄武巖樣品相比,杏山火山群樣品離PREMA更近,說明其受原始地幔直接熔融影響更大。在n(207Pb)/n(204Pb)和n(206Pb)/n(204Pb)的關(guān)系圖解上(圖15),杏山火山群樣品都落在了BSE與PREMA之間,與前文得出的結(jié)論相一致。此外,在圖9和圖10中,杏山火山群與鏡泊湖、龍崗火山群的巖漿源區(qū)較為相似,落在I-MORB區(qū)域內(nèi)。不同的是,與鏡泊湖地區(qū)相比,杏山火山群樣品的εNd和n(206Pb)/n(204Pb)值更高?？傮w而言,杏山火山群的巖漿源區(qū)為PREMA與BSE的混合源,鏡泊湖中新世—更新世火山為BSE與EMⅡ的混合源。那到底是什么原因造成了二者的差異呢?筆者等從以下三個(gè)方面來進(jìn)行分析。

圖14 鏡泊湖地區(qū)杏山火山群n(206Pb)/ n(204Pb)與n(143Nd)/ n(144Nd)的關(guān)系圖解Fig.14 Diagram of the relationship between n(206Pb)/ n(204Pb) and n(143Nd)/ n(144Nd) for the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake areaDM—虧損地幔;BSE—全硅酸鹽地球;EMⅠ—Ⅰ型富集地幔;EMⅡ—Ⅱ型富集地幔;HIMU—具有高U/Pb值的地幔;PREMA—流行地幔(即經(jīng)常觀察到的普通地幔);NHRL—北半球參考線;MORB—洋中脊玄武巖;OIB—洋島玄武巖DM—Depleted Mantle; BSE— Bulk Silicate Earth; EMⅠ— Enriched Mantle Type Ⅰ; EMⅡ— Enriched Mantle Type II; HIMU— Mantle with a high μ (U/Pb) ratio; PREMA— Prevalent Mantle; NHRL— Northern Hemisphere Reference Line; MORB— Mid-Ocean Ridge Basalt; OIB— Ocean Island Basalt

圖15 鏡泊湖地區(qū)杏山火山群n(206Pb)/ n(204Pb)與n(207Pb)/ n(204Pb)的關(guān)系圖解Fig.15 Diagram of the relationship between n( 206Pb)/n(204Pb ) and n( 207Pb)/ n(204Pb) for the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area

(1)巖漿源區(qū)的不均一性。前人根據(jù)鏡泊湖地區(qū)Sr—Nd同位素虧損的特征認(rèn)為其巖漿源區(qū)為軟流圈(Zou Haibo Haibo et al., 2000)。杏山火山群與鏡泊湖火山群具有空間相鄰、時(shí)間相似、Sr—Nd同位素同樣虧損的特征,暗示杏山火山群巖漿源區(qū)同樣來自軟流圈,而二者不相容元素的異常反映了地幔源區(qū)的不均一性。具體表現(xiàn)為:在微量元素標(biāo)準(zhǔn)化配分圖上(圖8),杏山火山群具有Ba、Ta正異常和Th、Nb負(fù)異常,而鏡泊湖中新世—更新世玄武巖的Ba、Ta、Th、Nb異常狀況恰好與杏山火山群的相反。對此,前人已將Ta、Nd的異常歸因于俯沖板塊的富集作用、地殼物質(zhì)的同化混染作用和副礦物的分離結(jié)晶作用(隋建立等,2007)。

(2)部分熔融。為了衡量與驗(yàn)證部分熔融作用對玄武巖的影響,筆者等對地幔源巖平衡部分熔融進(jìn)行了模擬分析(Streck and Grunder,2012;郭文峰等,2014)。由圖可知(圖16),與鏡泊湖中新世—更新世玄武巖樣品相比,杏山火山群樣品的變化范圍較小,且其部分熔融程度略高于鏡泊湖中新世—更新世玄武巖。此外,前人研究表明,鏡泊湖地區(qū)經(jīng)歷過交代富集作用(張招崇等,1999)。Th/Yb—Ba/Y關(guān)系圖解表明(圖17),杏山火山群也經(jīng)歷了一定的富集交代作用,但與鏡泊湖地區(qū)相比,杏山火山群源區(qū)富集程度略高,暗示杏山火山群的熔融程度略低于鏡泊湖中新世—更新世玄武巖,且其堿玄巖也來自于石榴子石橄欖巖的部分熔融。綜上,杏山火山群的部分熔融程度略低于鏡泊湖中新世—更新世玄武巖,但二者相差不大。因此部分熔融并非是最主要的影響因素。

圖16 鏡泊湖地區(qū)杏山火山群地幔源區(qū)部分熔融程度圖(改自郭文峰等,2014)Fig.16 Partial melting diagram of mantle source for the Xingshan Volcano Group in Jingpo Lake area (modified from Guo Wenfeng et al., 2014&)采用批式熔融模式,合理假設(shè)部分熔融程度為18%來進(jìn)行模擬。模擬曲線:假設(shè)Hf/Ta和La/Yb只受單斜輝石(Cpx)和石榴子石(Gt)的控制。D(La, Melt—Cpx) = 0.0536,0.0515;D(La, Melt—Gt) = 0.016;D(Yb, Melt—Cpx) = 0.43,0.633,D(Yb, Melt—Gt) = 3.88;D(Hf, Melt—Cpx) = 0.256,0.195,D(Hf, Melt—Gt) = 1.22。D(Ta, Melt—Cpx) = 0.0077,0.0081,D(Ta, Melt—Gt) = 0.0538。詳細(xì)過程參見郭文峰等(2014)The batch melting mode is adopted, and the partial melting degree is reasonably assumed to be 18% for simulation. Simulation curve: Assume that Hf/Ta and La/Yb are controlled only by clinopyroxene (Cpx) and garnet (Gt). D(La, Melt—Cpx) = 0.0536,0.0515;D(La, Melt—Gt) = 0.016;D(Yb, Melt—Cpx) = 0.43,0.633,D(Yb, Melt—Gt) = 3.88;D(Hf, Melt—Cpx) = 0.256,0.195,D(Hf, Melt—Gt) = 1.22. D(Ta, Melt—Cpx) = 0.0077,0.0081,D(Ta, Melt—Gt) = 0.0538。For detailed procedures, see Guo Wenfeng et al. (2014)

圖17 鏡泊湖地區(qū)火山巖Th/Yb與Ba/Y的關(guān)系圖解(改自張招崇等,2000)Fig.17 Diagram of the relationship between Th/Yb and Ba/Y for the volcanic rocks in Jingpo Lake area (modified from Zhang Zhaochong et al., 2000&)

(3)巖漿演化的差異。前已述及,杏山火山群在巖漿演化過程中受到強(qiáng)烈的同化混染、分離結(jié)晶作用以及微弱的AFC作用。而前人已根據(jù)鏡泊湖地區(qū)廣泛分布的地幔捕虜體排除了鏡泊湖中新世—更新世玄武巖經(jīng)歷同化混染和分離結(jié)晶的可能性(Bai Xiang et al., 2021)。因此,巖漿演化是造成杏山火山區(qū)的火山巖與鏡泊湖中新世—更新世火山源區(qū)的火山巖差異的重要影響因素之一。

6 結(jié)論

筆者等通過對杏山火山群的火山地質(zhì)、巖相學(xué)、地球化學(xué)以及Sr—Nd—Pb同位素分析,得出以下結(jié)論:

(1)杏山火山群屬于碧玄巖和粗面玄武巖。杏山火山群的玄武巖的微量元素、稀土元素配分型式與同期的鏡泊湖火山巖較為相似,都具有類似OIB玄武巖的特征,且兩個(gè)地區(qū)的玄武巖都來源于石榴子石橄欖巖的部分熔融。不同的是,杏山火山群的部分熔融程度略低于同期的鏡泊湖玄武巖。

(2)杏山火山群4座火山是巖漿同源的,皆為原生巖漿發(fā)生橄欖石和單斜輝石分離結(jié)晶后形成的碧玄巖和粗面玄武巖巖漿。隨著巖漿不斷上升,受周圍的溫度、壓力與區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)的影響,巖漿中較早晶出的斑晶出現(xiàn)熔蝕麻點(diǎn)與反應(yīng)邊結(jié)構(gòu),巖漿上升至上地殼時(shí)發(fā)生了同化混染作用,而AFC作用較為微弱。

(3)杏山火山群的巖漿源區(qū)為PREMA與BSE端元的混合源。與之空間相鄰、時(shí)間相似的鏡泊湖中新世—更新世火山源區(qū)為EMⅡ與BSE端元的混合源,巖漿源區(qū)的不均一性和巖漿演化過程中所經(jīng)歷的同化混染作用是造成兩者巖性差異的主要影響因素。