1 引言

哈拉哈河-绰尔河地区位于大兴安岭中段西麓，大兴安岭-太行山重力梯度带西侧，本世纪以来因其火山潜在活动性逐渐引起地质界的关注(白志达等，2005；赵勇伟等，2008;赵勇伟和樊祺诚, 2010，2011；樊祺诚等，2008，2011)。该火山区与重力梯度带南部的大同第四纪火山区遥相呼应，但构造位置上它们分别属于兴蒙造山带内部和华北克拉通北缘。因此，研究哈拉哈河-绰尔河地区火山岩有助于我们加深重力梯度带第四纪以来岩浆起源演化的认识。在先期对该区域火山地质、火山岩年代学研究基础上，本文通过火山岩主量、微量和Sr、Nd、Pb同位素地球化学的研究，限定该区火山岩的地幔源区及岩浆成因。

2 地质背景

新生代以来，火山作用广泛发育于东亚地区，广布的火山岩构成西环太平洋火山带。在我国东部，新生代火山岩主要沿大陆边缘一系列北东向、北北东向的裂谷和断陷盆地分布。我国东北地区在日本海张开的背景下发生频繁的岩浆作用(Basu et al., 1991；Liu et al., 2001)。大兴安岭-太行山属于我国南北重力梯度带北端，将我国东北及华北地区分为东西两部分，不仅形成地形变化的梯度带，而且还形成重力异常梯度带与地壳厚度梯度带。北北东走向的大兴安岭横跨在晚古生代晚期就逐渐稳定的兴蒙造山带之上，晚中生代开始隆起成山(邵济安等，2007)。中生代该地区在大兴安岭隆起的背景下，发育有强烈的岩浆活动，以中酸性的岩浆侵位和喷发为主。中国东部大陆在新生代整体处于拉张构造环境，在日本海弧后盆地和中国东部裂谷系拉张的背景下，大兴安岭山体发生强烈隆升，并伴生有频繁的玄武质岩浆喷发活动。该地区地层主要为侏罗纪、白垩纪火山岩系，其次为新生代地层。侵入岩主要为燕山早期二长花岗岩。火山岩分布广泛，以中生代酸性火山岩分布最广，新生代火山岩主要为碱性玄武岩。

哈拉哈河-绰尔河第四纪火山区总体呈北东向带状分布(赵勇伟等，2008)，区内拥有至少35座火山，大部分属于规模较小的火山渣锥(锥底直径小于1km)，熔岩流呈连续带状分布于哈拉哈河、绰尔河、德勒河和柴河等主要河流的河谷当中，分布面积约400km2(图1)。根据火山地质证据，结合地质测年数据，研究区的火山活动分为早更新世、中更新世、晚更新世和全新世四期(樊祺诚等，2011)。

3 样品选取

在对火山地质进行详细研究，充分了解火山地质特征(包括火山活动期次，火山机构等)的基础上，本文对中更新世、晚更新世及全新世形成的有代表性的火山分别进行采样。采样位置主要分两类：第一类是火山锥顶部的熔结集块岩，或锥体附近的火山渣，代表火山喷发早期爆破阶段产物；第二类是熔岩流中相对新鲜的玄武岩，代表火山喷发晚期溢流阶段的产物。对样品的选取采取以下原则：对于火山锥处样品尽量选取采石坑内新鲜渣样，对于形成时代较新的火山，选取锥顶无明显风化现象的熔结集块岩；对于熔岩流选取岩流的中下层且远离河流侵蚀的新鲜样品。

爆破喷发的火山碎屑物主要以气孔状构造为主，显微镜下具有特征的玻基斑状结构，70%～80%以上为基质玻璃和针状长石微晶。显微斑晶除了橄榄石，还有钛辉石，单偏光下呈褐色，出现菊花状结构。熔岩流样品的结晶程度好于爆破喷发的火山碎屑物。熔岩流火山岩具斑状结构，斑晶以橄榄石为主，较自形，偶有熔蚀现象，单斜辉石斑晶较少见。基质结构为玄武质岩石常见的填间结构和间隐结构。基质由细粒橄榄石、短柱状辉石、条状斜长石、粒状磁铁矿等钛铁氧化物和玻璃质组成。斑晶常呈聚斑状结构或菊花状结构，少数辉石斑晶具典型的环带结构。极个别橄榄石颗粒较大(2～3mm)，有熔蚀港湾现象和裂纹、破碎现象，部分可见膝折带，推测可能为捕虏晶。

4 分析方法与分析结果

在中国科学院地质与地球物理研究所样品制备实验室内切除样品表层及混杂杂质，烘干2h，置入研磨器中将样品粉碎为200目的粉末样。样品送入中国科学院地质与地球物理研究所微量元素及同位素实验室进行分析测试。分析结果见表1、表2、表3。

4.1 主量元素

火山岩主量元素分析结果列于表1。根据Le Bas et al.(1986)的命名法，研究区样品总体上属于碱性玄武岩，只有个别样品处于碱性系列与亚碱性系列分界线附近(图2)。所有样品的Na2O/ K2O>1，显示出钠质型碱性玄武岩特征(图3)。CIPW标准矿物计算显示研究区样品的标准矿物中含橄榄石(Ol=8.7%～23.7%)，部分含霞石(Ne=0～4.6%)，Hy/(Hy+Di)<0.45，均不含石英，属碱性橄榄玄武岩。在图2中，大同火山岩明显分为碱性和亚碱性两组，前人的研究中将其分为碱性玄武岩和拉斑玄武岩(樊祺诚等，1992；Xu et al., 2005)。研究区样品与大同碱性玄武岩在TAS图中范围相近，但在相同SiO2含量下，研究区内玄武岩K2O+Na2O低于大同碱性玄武岩。而大同拉斑玄武岩则投在相对高SiO2，低的K2O+Na2O的一侧。在图3中研究区玄武岩与大同碱性玄武岩都投在钠质系列与钾质系列的分界附近，而大同拉斑玄武岩都投进相对低K2O的区域内，表现出不一样的特征。

在主量元素Harker图解(图4)中研究区样品MgO总体上高于大同火山岩，显示出岩浆相对较为原始的特点。区内样品MgO与TiO2、Al2O3、SiO2和Na2O有负相关关系，与K2O只是弱相关，而与其它元素没有明显相关关系。SiO2(47.04%～49.93%，平均值48.37%)，Al2O3(11.99%～13.21%，平均值12.58%)，K2O(1.21%～2.49%，平均值1.58%)，Na2O(2.78%～3.9%，平均值3.26%)，P2O5(0.35%～0.87%，平均值0.49%)。上述表明岩浆从源区到地表过程中演化不明显，高Mg# (0.60～0.70，除了一个样品为0.53) 特征也表明它们具有相对原始岩浆特点。

在图4中将研究区样品与大同火山岩放在一起进行比较。可以明显看出，大同火山岩明显处于低MgO一端，大同碱性玄武岩在Al2O3-MgO、K2O-MgO和CaO-MgO都表现出明显的相关关系，与研究区数据投于相似的相关趋势线上。而拉斑玄武岩则没有表现出清晰的相关关系。

4.2 微量元素

4.2.1 不相容元素

火山岩REE和微量元素分析结果列于表2。∑REE为112.1×10-6～262.6×10-6，大部分样品(La/Yb)N介于7.9～12.4之间，显示轻重稀土的分异程度低。只有卧牛泡子火山锥和驼峰岭火山锥样品特殊，不但∑REE含量相对较高，且(La/Yb)N也异常高，分别达到14.8和17.0，显示了最陡的稀土配分型式(图5)。所有样品的δEu变化于1左右(0.92～1.07)，多数呈极弱的Eu正异常，表明斜长石不是主要的结晶分异矿物，这与显微镜下观察到的现象一致。研究区玄武岩REE配分曲线与大同第四纪碱性玄武岩近于平行，但大同样品的REE含量总体上高于区内样品1～20倍，只有卧牛泡子火山锥样品(07CH15)与驼峰岭火山锥样品(07AES02)与大同碱性玄武岩相近。而大同拉斑玄武岩则有着与其它两者不同的特点，其轻稀土含量相对较低，重稀土含量则相对较高，与大同碱性玄武岩及哈拉哈河-绰尔河玄武岩明显不同。

在微量元素原始地幔标准化配分图中(图6)，大多数样品曲线相互平行，表现出大离子亲石元素富集， Nb和Ta的正异常，Pb的负异常，无高场强元素(Zr，Hf，Ti)亏损，总体上表现出与OIB相似的特征。07CH15和07AES02两个样品几乎所有微量元素含量都明显高出其它样品，可能是结晶分异的结果。在图6中研究区样品曲线与大同碱性玄武岩样品曲线同样有着良好的平行近似性，只是后者不相容元素含量更高。大同拉斑玄武岩强不相容元素含量相对区内样品和大同碱性玄武岩样品都较低，但弱不相容元素含量则较高。

在图7中，研究区玄武岩大多投在大洋玄武岩(MORB+OIB)范围及其附近，微量元素比值Nb/U(43～53)和Ba/Nb(7.3～10)与OIB相近(Nb/UOIB=47， Ba/NbOIB=7.3；引自Sun and McDonough，1989)，而Ce/Pb(8.1～23)和La/Nb(0.57～0.61)相比OIB较小(Ce/PbOIB=25，La/NbOIB=0.77； 引自Sun and McDonough，1989)，这可能主要与大陆岩石圈与软流圈之间一定程度上相互影响有关。这些样品同大同碱性玄武岩投点相近，而与大同拉斑玄武岩明显不同。

4.2.2 相容元素

研究区玄武岩中相容元素总体上含量较高(Ni=170×10-6～450×10-6，Cr=220×10-6～640×10-6，Co=45×10-6～61×10-6，V=170×10-6～250×10-6)。在图8中MgO与Cr、Co、Ni都显示出相同的线性正相关。将大同数据投入图8中，发现与研究区样品相似的线性相关关系，不同之处在于大同样品处于低MgO的一端。MgO与V投图中数据离散较多。

4.3 Sr-Nd-Pb同位素

研究区玄武岩Sr-Nd-Pb同位素分析结果列于表3。研究区的样品位于高143Nd/144Nd，低87Sr/86Sr的一端(87Sr/86Sr=0.703536～0.703706，Nd/144Nd=0.512885～0.512932)，εNδ>0，处于亏损地幔。数据分布区间较小，落在MORB范围内 (图9)。研究区的Sr-Nd同位素组成与大同碱性玄武岩，大同拉斑玄武岩的一端及部分汉诺坝新生代玄武岩的同位素组成最为接近。

在图10中哈拉哈河-绰尔河玄武岩投在中国东部新生代玄武岩数据投图范围的高206Pb/204Pb和高208Pb/206Pb一端，接近MORB的范围。大同和汉诺坝火山岩与区内样品投在同一趋势线上。中国东部大部分地区新生代火山岩都具有类似的特点，与NHRL虽然平行，但208Pb/206Pb普遍较高，全部位于参考线的上方，这暗示长期以来必然存在一个高Th/U的富集源(涂勘等，1992)。

在206Pb/204Pb-207Pb/204Pb同位素投图中(图10)，哈拉哈河-绰尔河玄武岩位于邻近北半球参考线(NHRL)稍靠上的位置，落于MORB范围内。总体上研究区样品的散布范围很小，说明岩浆的同位素组成比较均一。区内样品与中国东部新生代火山岩投点范围相近，暗示有相近的来源。与大同和汉诺坝火山岩相比，研究区玄武岩处于相对高206Pb/204Pb和高207Pb/206Pb一端相近。

5 讨论

5.1 岩石成因

大陆玄武岩的成份主要受控于地幔源区、岩石圈性质和岩浆浅部过程。本文在探讨这些因素的影响基础上，对岩石成因进行解释。

5.1.1 地壳混染

火山岩地球化学研究表明，中国东部新生代碱性玄武岩，如汉诺坝玄武岩、太行山新生代玄武岩、大同玄武岩形成过程中，都没有受到明显的地壳物质混染作用的影响(Zhou and Armstrong，1982；Peng et al., 1986；Song et al., 1990；Fan and Hooper，1991；Basu et al., 1991；Xu et al., 2005；Tang et al., 2006)。研究区玄武岩中普遍携带有地幔捕虏体(赵勇伟和樊祺诚，2011)，排除了岩浆长时间滞留于地壳中的可能，说明岩浆快速通过地壳上升到地表，与地壳之间的相互作用有限。玄武岩的不相容元素的配分曲线和元素对的比值，如高的Nb/U，具有与OIB相似的特征。大洋玄武岩具有高的，而且均一的Nb/U比值，平均Nb/U是47±7(Hofmann et al., 1986；Hofmann，1997)，大大高于大陆地壳平均值，这些元素在结晶分异和部分熔融时彼此不发生分馏，它们的比值反映出源区的特征(Hofmann，1988)。研究区的样品中Nb/U基本保持恒定(43～53)，与大洋玄武岩平均值相近(图7)，说明大兴安岭第四纪玄武岩与大洋玄武岩有着相近的来源，并且在岩浆到达地表之前没有受到地壳物质明显混染，这同时也得到玄武岩的Sr-Nd同位素组成的支持。

5.1.2 结晶分异

研究区玄武岩的MgO与Al2O3、Cr、Co、Ni明显的线性相关关系(图4、图8)，表明岩浆经历了橄榄石和辉石为主的分离结晶作用，这与火山岩中常见橄榄石、辉石斑晶等岩相学特征也是一致的。MgO含量普遍大于9%，Ni含量大于200×10-6，说明分离结晶作用并不强。因此，研究区岩浆经历过橄榄石与单斜辉石的结晶分异，但是结晶分异程度不强，绝大多数火山岩的Mg#值60～70以上，表明它们具有接近原生岩浆的特点(Fan and Hooper， 1991)，它们的化学组成可以用来探讨岩浆演化过程。

5.1.3 岩浆成因

研究区玄武岩中含有丰富的尖晶石相和石榴子石相地幔橄榄岩捕虏体，石榴子石相橄榄岩的类型主要是石榴子石二辉橄榄岩(赵勇伟和樊祺诚，2011)。根据绰尔河新鲜的石榴子石二辉橄榄岩P-T平衡条件估计，推测其形成深度约76km(樊祺诚等， 2008)。这与中国东部其它地方四相共存的石榴子石二辉橄榄岩类似，区别于五相共存的尖晶石/石榴子石二辉橄榄岩形成条件(<70km)，证实它们是来自尖晶石二辉橄榄岩与石榴子石二辉橄榄岩相转变带之下深度超过70km的石榴子石橄榄岩稳定区。由此可以推测研究区火山的岩浆源区具有石榴子石二辉橄榄岩的矿物组成特征。

Ce/Yb与Sm/Yb的变化图可以用来区分尖晶石相橄榄石熔融和石榴子相橄榄石的熔融。因为Yb在石榴子石中是相容的，而Ce，Sm是不相容的，当熔融程度低时Ce/Yb与Sm/Yb会产生强烈的分异。与之相反，在尖晶石相橄榄石熔融时Ce/Yb与Sm/Yb只产生轻微的分异。图11显示研究区玄武岩的岩浆源区具有石榴子相橄榄岩特征，而不属于尖晶石相橄榄岩，这与地幔橄榄岩包体提供的信息相吻合。研究区玄武岩可由轻稀土富集的地幔源区经约8%～15%的部分熔融产生。图11中大同碱性玄武岩可由相同的地幔源区经相似的批式熔融产生，而拉斑玄武岩的部分熔融程度相对较高(Xu et al., 2005)。

前人发现Zr/Y比值在玄武质岩浆的结晶分异过程中不受影响，较为稳定，而在部分熔融过程中会发生明显变化，因此可以指示部分熔融程度。同时原生岩浆中FeO的含量与岩浆的源区组成和形成深度相关(Nicholson and Latin，1992)。因此在相同的源区产生的玄武岩中，较高的Zr/Y比值和FeO含量指示较高的形成压力或较低程度的部分熔融，或二者皆有。哈拉哈河-绰尔河玄武岩的Zr/Y比值总体介于大同碱性玄武岩和大同拉斑玄武岩之间，其FeO含量低于大同碱性玄武岩，在图12中投在二者之间，由此可以推测研究区岩浆源区熔融程度高于大同碱性玄武岩，熔融压力也有可能小于大同碱性玄武岩的源区熔融压力。这也与大同碱性玄武岩不相容元素富集程度相对较高的事实相一致。

5.2 地幔源区

同位素地球化学研究表明，Sr-Nd同位素可以提供可靠的地幔源区信息，对于不同端元组分的混合有明显的制约。在图9中，哈拉哈河-绰尔河第四纪玄武岩具有较为均一的同位素组成，显示与MORB相似的亏损地幔特征，说明岩浆主要来源于亏损的软流圈地幔，未受岩石圈地幔明显影响。其火山岩中携带的石榴石二辉橄榄岩形成深度大于70km(樊祺诚等，2008)，也支持岩浆来源于软流圈。

玄武岩的REE和不相容元素配分曲线与OIB相近，Nb/U与Ba/Nb值也都近似OIB(图7)。这种富集轻稀土及大离子亲石元素的特征说明，源区软流圈地幔可能受到源自更深部地幔的小程度的富集轻稀土和大离子亲石元素熔体的交代(Menzies，1990)。87Sr/86Sr和Rb/Sr之间缺乏相关性，暗示交代作用发生在近期。这与前人证实的中国东部新生代碱性玄武岩与软流圈地幔(具有似OIB富集特征)之间的成因关系相一致(Song et al., 1990；Basu et al., 1991；Liu et al., 1994；Zou et al., 2000；Xu et al., 2005，Tang et al., 2006)。

哈拉哈河-绰尔河第四纪火山岩与大同碱性玄武岩有着极为相似的地化特征： REE与微量元素配分曲线上具有平行相似性，不相容元素比值(图7)也分布在相近范围内；而且其Sr-Nd同位素组成特征也具有明显的相似性。与此形成对比的是，研究区样品与大同拉斑玄武岩相比有着迥异的地化特征：前者属于碱性系列，而后者属于亚碱性系列；前者REE配分曲线较缓，后者较陡，在微量元素蛛网图上也有明显差别；在Sr-Nd同位素方面，前者位于亏损地幔，而后者相对富集。这些巨大反差说明这两类玄武岩不是来自同一岩浆源区。研究区玄武岩和大同碱性玄武岩有着相似的岩浆源区，即软流圈地幔，但大同拉斑玄武岩可能更多来源于软流圈熔体与岩石圈地幔相互作用(Xu et al., 2005)。

另一方面，哈拉哈河-绰尔河玄武岩与大同碱性玄武岩的地幔源区之间可能也存在差异。在图7中研究区的La/Nb值普遍比大同火山岩小，可能暗示哈拉哈河-绰尔河第四纪火山岩地幔源区在不相容元素富集程度上要弱于大同碱性玄武岩的地幔源区。在Pb同位素投图上(图10)，研究区样品分布范围较为集中，而大同碱性玄武岩的分布范围相对宽大。与大同碱性玄武岩相比，研究区样品处于Pb同位素比值相对较高一端。Zou et al.(2003)提出俯冲板片被俯冲进入深部地幔之前，可能已释放出流体物质，经过这种改造的地幔能够形成低μ源区。Tang et al.(2006)认为华北克拉通内古老的俯冲事件可能造就低μ的岩石圈地幔源区，而软流圈-岩石圈地幔不同程度上相互作用产生太行山地区低Pb同位素比值的新生代玄武岩。大同火山区与上述太行山火山区相距不远，由此可合理推测大同火山岩地幔源区也可能某种程度上受此低μ岩石圈地幔的影响。由于岩石圈地幔极低的Pb同位素比值，甚至小规模地加入这些组份就会强烈地降低玄武岩的Pb同位素比值，却不会引起Sr-Nd同位素的明显改变。而与大同相比，哈拉哈河-绰尔河地区没有华北克拉通那样厚的岩石圈，其玄武岩源自上涌的软流圈地幔，可能没有受岩石圈地幔的影响，又或即使有少量岩石圈地幔的参与，也因μ值与软流圈相近，故未能明显降低玄武岩的Pb同位素比值。

5.3 岩浆成因模式

根据前人对南北重力梯度带上太行山和大同地区新生代火山岩的研究，认为都是岩石圈伸展作用下软流圈上涌造成的(Tang et al., 2006；Xu et al., 2005)。并且前人研究中已经注意到印度-欧亚板块碰撞可能是新生代火山作用的动力学成因(Tang et al., 2006)。而本文数据显示，大兴安岭哈拉哈河-绰尔河地区火山岩具有与大同第四纪碱性玄武岩极为相似的源区与岩石成因。这可能暗示在印度-欧亚板块碰撞和太平洋板块俯冲的综合构造作用下，引发哈拉哈河-绰尔河地区岩石圈强烈伸展和软流圈上涌，由于地处大兴安岭中段的哈拉哈河-绰尔河岩石圈相对较薄，玄武质熔体沿脆弱带快速通过岩石圈喷发至地表，形成相对较为原始、不受混染的碱性玄武岩。相比，处于重力梯度带南段来自软流圈的岩浆在穿越相对厚的华北克拉通岩石圈时发生一定程度的岩浆与岩石圈相互作用，所以在汉诺坝、大同、太行山等地区出现碱性玄武岩与拉斑玄武岩共存的情况。

6 结论

通过对哈拉哈河-绰尔河地区第四纪火山岩主量、微量和Sr、Nd、Pb同位素地球化学研究，可以得到以下结论：

(1)火山岩为钠质系列碱性玄武岩，主要类型为碱性橄榄玄武岩。

(2)火山岩为轻稀土相对富集型，轻重稀土的分异程度弱，表现出与OIB相似的特征。具有亏损地幔的Sr-Nd-Pb同位素组成(εNδ=4.8～5.9)，表明岩浆源区为亏损的软流圈地幔。

(3)岩浆由石榴子石二辉橄榄岩地幔源区经不同程度部分熔融形成，岩浆上升过程中极少受地壳混染，保持了较原始岩浆特征。

(4)在区域伸展作用背景下软流圈地幔上涌、大兴安岭造山，引发哈拉哈河-绰尔河第四纪火山活动。

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