Zircon U-Pb age and geological background of rhyolite from Baiyingaolao Formation in Wunuer area, Great Xing'an Range
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摘要:研究目的
大兴安岭分布着中国东北最大的中生代火山岩带，白音高老组是该中生代火山岩重要组成部分，白音高老组的年代学及地球化学特征可为大兴安岭地区构造演化提供基础地质资料。
研究方法本文对大兴安岭乌奴尔地区白音高老组流纹岩进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb测年和岩石地球化学测试。
研究结果流纹岩锆石U-Pb年龄为（127.6±1.2）Ma，属早白垩世。岩石地球化学数据显示，岩体属高硅高钾弱过铝质钙碱性系列。岩石整体富集大离子亲石元素K、Rb、Ba，亏损大离子亲石元素Sr和高场强元素Nb、P、Ti，LREE相对富集，HREE相对亏损，具有中等的富Eu异常（δEu=0.49~0.87）。
结论综合区域地质特征及本次研究认为，大兴安岭乌奴尔地区白音高老组流纹岩的形成构造背景可能与古太平洋板块向欧亚大陆之下俯冲作用有关。
创新点: 大兴安岭乌奴尔地区白音高老组流纹岩的形成构造背景可能与古太平洋板块向欧亚大陆之下俯冲作用有关。
Abstract:This paper is the result of geological survey engineering.
ObjectiveThe Baiyingaolao Formation is an important part of the Mesozoic volcanic rocks in Great Xing'an Range, Northeastern China, and the geochronology and geochemistry characteristics of the Baiyingaolao Formation can provide basic geological data for the tectonic evolution of Great Xing'an Range.
MethodsIn this paper, LA-ICP-MS zircon U-Pb age and geochemistry of the rhyolites in Baiyingaolao Formation from Wunuer area in Great Xing'an Range have been carried out.
ResultsThe testing results indicate that the LA-ICP-MS zircon U-Pb crystallization age is (127.6 ±1.2Ma) Ma, which belongs to Early Cretaceous. The rhyolites belong to high-SiO2, high-K peraluminous, calcalkaline series. The rhyolites are enriched in Rb, Ba, K, depleted in Sr and Nb, P, Ti, and LREE is enriched and HREE is relatively depleted, with moderate Eu-rich anomaly (δEu=0.49~0.87).
ConclusionsCombined with regional geological characteristics, the tectonic setting of rhyolites in Baiyingaolao Formation from Wunuer area in Great Xing'an Range may be related to the subduction of Pacific plate.
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1. 引言
大兴安岭火山岩带是中国东部中生代巨型火山岩带的重要组成部分，该火山岩带呈北北东向位于西伯利亚板块与华北板块缝合带之上，分布面积大，岩石种类多样，地球化学特征及形成的构造背景较为复杂。研究区位于大兴安岭火山岩带上，晚侏罗世、早白垩世火山岩分布广泛，白音高老组是晚中生代火山岩重要组成部分，代表了一次重要岩浆活动事件，前人对大兴安岭地区白音高老组火山岩做了不少研究，但目前关于白音高老组的时代归属及大地构造背景还存在一些争议。总的来说，时间归属方面主要有2种观点：（1）邵积东等（2011）根据化石资料认为白音高老组属晚侏罗世；（2）苟军等（2000）、王建国等（2013）、张吉衡(2005, 2009)和张建等（2021）根据同位素年龄数据认为白音高老组应属早白垩世。构造背景主要有3种观点：（1）林强等(1998, 2003)、葛文春等(1999, 2000)和剡鹏兵等（2023）认为与地幔柱活动或相关的板内作用密切相关；（2）赵越等（1994）、Zhang et al.（2008）和杨雅军等（2022）认为形成于古太平洋板块的俯冲作用及俯冲后的伸展；（3）Meng（2003）、孙德有等（2011）、李世超等（2013）、张乐彤等（2015）和李玉娟（2021）认为是蒙古—鄂霍茨克洋闭合后的造山后伸展作用下的产物。本文对大兴安岭乌奴尔地区白音高老组流纹岩进行锆石U-Pb年龄测定，确定其形成时代，对流纹岩进行地球化学分析，进一步探讨白音高老组火山岩构造背景。
2. 区域地质概况
研究区位于内蒙古自治区呼伦贝尔盟牙克石市南部，距市区约80 km，古生代大地构造位置属于天山—兴蒙造山系之大兴安岭弧盆系，中新生代受鄂霍茨克洋闭合和环太平洋构造域的双重影响，北东向断裂发育、形成了一系列受北东向断裂构造控制的火山隆起和火山断（拗）陷盆地，发生强烈的火山活动，其中晚侏罗世—早白垩世火山岩分布广泛（图 1）。
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图 1 研究区地质简图及采样位置图Figure 1. Simplified geological map of research area and sampling position研究区中生代火山岩出露广泛，由老到新依次为满克头鄂博组、玛尼吐组、白音高老组和梅勒图组，其中满克头鄂博组、白音高老组分布最广，主要为酸性火山岩及相应的火山碎屑岩。玛尼吐组位于满克头鄂博组与白音高老组之间，主要为中性火山岩及相应的火山碎屑岩，与下伏满克头鄂博组整合接触，与上覆白音高老组平行不整合接触。梅勒图组少量出露，主要为一套安山质-玄武质火山熔岩及相应的火山碎屑岩，与白音高老组呈火山喷发不整合接触。研究区的白音高老组岩性主要为流纹岩、流纹质晶屑凝灰岩、流纹质岩屑晶屑凝灰岩、流纹质含角砾晶屑凝灰岩、流纹质熔结凝灰岩、流纹质含角砾熔结凝灰岩等。
3. 岩石学特征
本文的主要研究对象为乌奴尔地区白音高老组流纹岩，风化面灰紫色、灰褐色，新鲜面紫红色，斑状结构，流纹构造。斑晶主要为石英和斜长石，石英呈自形—半自形，无色透明，粒径0.1~0.25 mm，斜长石呈自形板状，聚片双晶，无色，粒径0.2~2.0 mm；基质主要为长英质，呈霏细结构（图 2a、b）。
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图 2 流纹岩野外特征（a）和显微镜下流纹构造（b）Figure 2. Field characteristics (a) and microscopical rhythm structure (b) of the rhyolites4. 地球化学特征
岩石地球化学测试样品均为未风化、未蚀变的新鲜样品，采自岩石地表。样品在核工业北京地质研究院分析中心测试，首先将要测试的样品粉碎，研磨至200目下的粉末备用，主量元素用X射线荧光分析，使用仪器为AB104L，AL104，AxiosmAX X射线荧光光谱仪，检测方法和依据参照《硅酸盐岩石化学分析方法第14部分：氧化亚铁量测定》（GB/T1450614-2010），《硅酸盐岩石化学分析方法第28部分：16个主次成分量测定》（GB/T1450628-2010），微量元素采用NexION300D等离子体质谱仪，检测方法和依据参照《硅酸盐岩石化学分析方法第30部分：44个元素量测定》（GB/T1450630-2010）。
4.1 主量元素
白音高老组流纹岩样品分析结果（表 1）表明：样品具有较高的SiO2（68.38%~79.82%），Al2O3（10.82%~15.6%）和K2O（4.14%~4.83%）含量以及较低的MgO（0.08%~0.64%）；全碱含量（K2O+Na2O）为7.44%~9.37%，均值为8.72%，K2O/Na2O为1.00 %~1.84%，均值为1.26%，整体表现出富碱、钾高钠低的特点，属富碱的钾质岩石，里特曼指数σ为1.50~3.13，碱度率（AR）为2.74~3.50，为钙碱性，铝饱和指数A/CNK为1.01~1.06，为过铝质，固结指数SI=1.10~5.38，小于40，表明样品经历了明显的结晶分异作用。分异指数DI=85.55~94.10，表明分异程度较高。
表 1 白音高老组流纹岩主量元素（%）分析结果Table 1. The result of major elements (%) for rhyolites in Baiyingaolao Formation
TAS图解中（图 3a），样品几乎全部落在流纹岩区，均落入亚碱性区。微量元素岩石定名Nb/Y-SiO2分类图解中（图 3b），样品落于流纹岩、流纹英安岩/英安岩、钠闪碱流岩/碱流岩交界处，总体呈酸性。在A/CNK-A/NK判别图解（图 3c）中均落于过铝质区。在SiO2-K2O图解中（图 3d）样品落入高钾钙碱性区。综上所述，样品为高硅、高钾、富碱、贫镁、弱过铝质高钾钙碱性系列。
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图 3 白音高老组流纹岩地球化学判别图a—TAS分类图；b—Nb/Y-SiO2分类图；c—A/CNK-A/NK判别图；d—SiO2-K2O图解Figure 3. Geochemical discrimination diagrams for rhyolites in Baiyingaolao Formationa-TAS diagram; b-Nb/Y-SiO2 diagram; c-A/CNK-A/NK diagram; d-SiO2-K2O diag4.2 微量元素
岩石微量元素分析结果、元素比值及特征参数（表 2）及微量元素蜘蛛网图（图 4a）显示，整体表现出大离子亲石元素K、Rb、Ba相对富集，亏损大离子亲石元素Sr和高场强元素Nb、P、Ti，可能是成岩过程中钛铁矿、斜长石、磷灰石等矿物的分离结晶所致。Rb/Sr为0.64~2.47（Rb/Sr > 0.5），Ti/Zr为7.04~13.01（Ti/Zr < 20），Sr/Ba为0.10~0.51，Nb/Ta为10.91~12.96，Zr/Hf为27.56~37.27，U/Th为0.17~0.24，具有壳源岩浆的特点，暗示地壳物质可能参与了岩浆演化。
表 2 白音高老组流纹岩微量元素（10-6）分析结果Table 2. The result of trace elements (10-6) for rhyolites in Baiyingaolao Formation
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图 4 原始地幔标准化微量元素蛛网图（a）和球粒陨石标准化稀土元素配分模式图（b）（据Sun and McDonough, 1989）Figure 4. The primitive mantle-normalized trace elements patterns (a) and the chondrite-normalized REE patterns (b) (normalization values after Sun and McDonough, 1989)4.3 稀土元素
白音高老组火山岩稀土元素含量特征（表 2）表现为：稀土总量∑REE较高，∑REE=157.44×10-6~191.75×10-6。轻重稀土比值LREE/HREE为10.23~13.08，均值为11.34，(La/Yb)N为11.66~16.24，均值为13.97，(Ce/Yb)N为8.53~11.52，均值为9.96，(La/Sm)N为5.63~7.36，均值为6.07，(Gd/Yb)N为1.58~2.04，均值为1.83，(La/Lu)N为11.08~15.49，均值为13.02，表明轻、重稀土分异明显，轻稀土分馏程度较高，重稀土分馏程度较低。稀土配分曲线表现为右倾模式（图 4b），δEu为0.49~0.87，负Eu异常明显，暗示地壳物质可能参与了岩浆演化。
5. 年代学
锆石分选由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。经重液浮选和电磁分离分选后，在双目镜下挑选出晶型完好、透明度高、无包裹体和无裂纹的锆石颗粒作为测定对象。挑选好的锆石和标样一起固定在环氧树脂中抛光制靶，进行阴极发光、透射光和单偏光照相。锆石阴极发光（CL）图像分析在北京锆石领航科技有限公司高分辨热场发射能谱阴极发光室进行，锆石原位LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分析测年在北京科荟测试技术有限公进行，对测试数据进行普通铅校正，年龄计算和谐和图绘制采用Isoplot程序。
样品（U-Pb20171008）为紫红色流纹岩（取样点位置：121°01′03″E，48°46′36″N），所采样品新鲜无蚀变，重约5 kg，本次研究对所选15颗锆石进行U-Pb测年，锆石阴极发光（CL）图像显示，锆石形态多为长柱状，少数为自形或半自形短柱状，个别晶形不完整且颗粒大小不一，Th含量70.3×10-6~389.6×10-6，U含量为77.4×10-6~543.1×10-6，Th/U为0.48~2.01，均大于0.4（表 3），具有典型的岩浆生长振荡环带和韵律结构，属于岩浆结晶的产物（图 5），锆石粒度多在100~200 μm，柱状晶体长宽比多为1.5~2.0。锆石晶体测定位置的选取，需要结合透射光、反射光和CL图像，以避开锆石晶体中的裂纹和包裹体，选取的分析点均位于明显的岩浆环带部位。
表 3 白音高老组流纹岩样品（U-Pb20171008）锆石LA-ICP-MS U-Pb分析结果Table 3. Zircon LA-ICP-MS U-Pb date of rhyolites in Baiyingaolao Formation
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图 5 白音高老组流纹岩（U-Pb20171008）锆石CL照片Figure 5. Zircon CL images of rhyolites in Baiyingaolao Formation测定结果（表 3）显示，15个数据中，除3个数据谐和度较低外（20171008-04、66%；20171008-07、61%；20171008-14、73%），剩余12个数据谐和度均大于80%，可参加年龄计算，12个数据的锆石206Pb/238U年龄值为（124.9±2.6）~（132.4±2.7）Ma，加权平均值为（127.6±1.2）Ma，MSWD=1.17（图 6），属早白垩世。
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图 6 白音高老组流纹岩（U-Pb20171008）锆石年龄谐和图（a）与锆石加权平均年龄图（b）Figure 6. Zircon U-Pb concordia plot (a) and the weighted average age (b) of rhyolites in Baiyingaolao Formation6. 构造环境探讨
目前对于大兴安岭地区中生代形成的构造背景主要有3种观点：（1）地幔柱活动或相关的板内作用；（2）古太平洋板块的俯冲作用及俯冲后的伸展；（3）蒙古—鄂霍茨克洋闭合后的造山后伸展作用。
在logτ-logδ图解中（图 7a），样品均落入B区，为造山带（岛弧及活动大陆边缘区）火山岩。在Rb-(Y+Nb)图解（图 7b）中，所有样品均落在岛弧火山岩区。综合表明样品具有岛弧火山岩的色彩。秦涛等（2014）在扎兰屯南部地区发现的白音高老组火山岩，认为形成于板内拉张环境，可能与古太平洋板块俯冲或蒙古—鄂霍茨克洋闭合后伸展环境有关，聂立军等（2015）认为阿尔山—柴河地区白音高老组流纹岩形成于早白垩世板内伸展环境，与太平洋板块俯冲关系密切，谭皓元等（2017）在索伦地区也发现了与太平洋板块俯冲关系密切的音高老组火山岩。
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A区—非造山带地区火山岩；B区—造山带地区火山岩；C区—A区、B区派生的碱性、富碱岩；J—日本火山岩；syn-COLG—同碰撞花岗岩；WPG—板内花岗岩；VAG—火山弧花岗岩；ORG—洋脊花岗岩Figure 7. (logτ-logδ) diagram (a, after Rittmann, 1973) and Rb-(Y+Nb) diagram (b, after Pearce et al., 1984) for rhyolites in Baiyingaolao FormationA-Anorogenic volcanic; B-Orogenic volcanic; C-Alkaline and alkali-rich rocks derived from A and B; J-Japanese volcanic; syn-COLG-Syn-collision granite; VAG-Volcanic arc granite; WPG-Within-plate granite; ORG-Oceanic ridge granite目前虽然对于太平洋板块俯冲作用开始的时间还有争议，但是岩石学、同位素以及年代学研究表明，这个时间最早可以追溯到晚侏罗世期间或者更早。在大兴安岭地区，由于早白垩世火成岩沿环太平洋带线状分布，并且随着远离海岸带，岩浆作用逐渐减弱并最终消失，因此火成岩的时空分布特征表明，太平洋板块的俯冲作用在岩石圈的拆沉减薄作用过程中有着重要的意义。区域上整个东亚地区在晚侏罗世—早白垩世早期正处于太平洋板块向东亚大陆俯冲的大背景下，形成了一系列的NE方向的火山-断陷、伸展盆地，由此分析认为，大兴安岭中段白音高老组流纹岩形成与太平洋板块俯冲关系密切。
综上所述，大兴安岭乌奴尔地区白音高老组流纹岩的形成构造背景可能与古太平洋板块向欧亚大陆之下俯冲作用有关。
7. 结论
（1）大兴安岭乌奴尔地区白音高老组流纹岩锆石U-Pb年龄加权平均值为（127.6±1.2）Ma，形成时代为早白垩世。
（2）大兴安岭乌奴尔地区白音高老组流纹岩属高硅高钾弱过铝质高钾钙碱性系列，轻、重稀土分异明显，具明显负Eu异常，大离子亲石元素K、Rb、Ba相对富集，亏损大离子亲石元素Sr和高场强元素Nb、P、Ti。
（3）大兴安岭乌奴尔地区白音高老组流纹岩的形成构造背景可能与古太平洋板块向欧亚大陆之下俯冲作用有关。
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图 1 研究区地质简图及采样位置图
Figure 1. Simplified geological map of research area and sampling position
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图 2 流纹岩野外特征（a）和显微镜下流纹构造（b）
Figure 2. Field characteristics (a) and microscopical rhythm structure (b) of the rhyolites
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图 3 白音高老组流纹岩地球化学判别图
a—TAS分类图；b—Nb/Y-SiO2分类图；c—A/CNK-A/NK判别图；d—SiO2-K2O图解
Figure 3. Geochemical discrimination diagrams for rhyolites in Baiyingaolao Formation
a-TAS diagram; b-Nb/Y-SiO2 diagram; c-A/CNK-A/NK diagram; d-SiO2-K2O diag
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图 4 原始地幔标准化微量元素蛛网图（a）和球粒陨石标准化稀土元素配分模式图（b）（据Sun and McDonough, 1989）
Figure 4. The primitive mantle-normalized trace elements patterns (a) and the chondrite-normalized REE patterns (b) (normalization values after Sun and McDonough, 1989)
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图 5 白音高老组流纹岩（U-Pb20171008）锆石CL照片
Figure 5. Zircon CL images of rhyolites in Baiyingaolao Formation
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图 6 白音高老组流纹岩（U-Pb20171008）锆石年龄谐和图（a）与锆石加权平均年龄图（b）
Figure 6. Zircon U-Pb concordia plot (a) and the weighted average age (b) of rhyolites in Baiyingaolao Formation
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图 7 白音高老组流纹岩logτ-logδ图解（a，据Rittmann, 1973）与Rb-(Y+Nb)图解（b，据Pearce et al., 1984）
A区—非造山带地区火山岩；B区—造山带地区火山岩；C区—A区、B区派生的碱性、富碱岩；J—日本火山岩；syn-COLG—同碰撞花岗岩；WPG—板内花岗岩；VAG—火山弧花岗岩；ORG—洋脊花岗岩
Figure 7. (logτ-logδ) diagram (a, after Rittmann, 1973) and Rb-(Y+Nb) diagram (b, after Pearce et al., 1984) for rhyolites in Baiyingaolao Formation
A-Anorogenic volcanic; B-Orogenic volcanic; C-Alkaline and alkali-rich rocks derived from A and B; J-Japanese volcanic; syn-COLG-Syn-collision granite; VAG-Volcanic arc granite; WPG-Within-plate granite; ORG-Oceanic ridge granite
表 1 白音高老组流纹岩主量元素（%）分析结果
Table 1 The result of major elements (%) for rhyolites in Baiyingaolao Formation
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表 2 白音高老组流纹岩微量元素（10-6）分析结果
Table 2 The result of trace elements (10-6) for rhyolites in Baiyingaolao Formation
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表 3 白音高老组流纹岩样品（U-Pb20171008）锆石LA-ICP-MS U-Pb分析结果
Table 3 Zircon LA-ICP-MS U-Pb date of rhyolites in Baiyingaolao Formation
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百度学术
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