温升福，刘曼丽，刘 玮，李瑞磊，苟 军，武鹏飞，王天豪，柳小明，孙德有

1.吉林大学地球科学学院，长春 130061

2.中国石化东北油气分公司，长春 130062

3.西北大学大陆动力学国家重点实验室，西安 710069

0 引言

松辽盆地是我国东部的一个中-新生代陆相含油气沉积盆地，具有下部断陷、上部凹陷的二元结构。盆地内火山岩时代的确定以及层位的划分对油气藏勘探开发具有重要影响，例如根据火山岩夹层的绝对地质年龄，可以约束盆地中沉积哑地层的时代和对比。近几年来，松辽盆地长岭断陷火山岩天然气勘探取得了重大突破，然而有关该区火山岩的详细划分和各组火山岩的时代还存在争议[1-6]，导致部分地层归属及区域地层对比出现了困惑，如东岭区块的大量火山岩是火石岭组还是营城组，这严重制约了油气田进一步的勘探与开发；且盆地内火山岩的研究工作主要集中在酸性岩[6-11]，对基性岩的研究相对薄弱。为准确厘定长岭断陷火山岩的形成时代以及层位归属，笔者对松辽盆地南部长岭断陷中基性火山岩开展了锆石年代学和岩石地球化学的研究，并进一步探讨了松辽盆地长岭断陷中基性火山岩的成因。

1 地质概况及岩石学特征

长岭断陷位于松辽盆地南部，断陷构造层从下向上包括火石岭组、沙河子组和营城组。沙河子组以沉积岩为主。火石岭组以中基性火山岩为主。营城组火山岩可以分为3段：一段主体为酸性火山岩——流纹岩及火山碎屑岩，底部或下部为中基性火山岩；二段为沉积的砂岩、砾岩、凝灰质砂岩、粉砂岩、泥岩夹凝灰岩和薄煤层；三段主要为玄武岩、安山岩、流纹岩和流纹质火山碎屑岩[12]。本次所研究的火山岩样品来自长岭断陷5口钻井，分别为松南102井、松南180井、松南185井、双1井、松南308井（图1）。岩相学观察表明，这些火山岩主要由橄榄玄武岩和安山岩组成，所采火山岩的简要岩石学特征（图2）如下。

图1 松辽盆地长岭断陷构造及采样位置图Fig.1 Tectonic map and sampling location of Changling depression in the Songliao basin

橄榄玄武岩（图2a，b）：呈黑色、灰色，块状构造，斑状结构，斑晶为橄榄石、斜长石。部分橄榄石碳酸盐化和皂石化，橄榄石体积分数2%左右，粒度0.2～1.5mm。斜长石碳酸盐化，体积分数为3%～5%，粒度0.3mm×0.5mm～1.6mm×1.9mm。基质交织结构、间粒-间隐结构，由斜长石、橄榄石、辉石、磁铁矿和磷灰石以及隐晶质组成，其中橄榄石弱伊丁石化（图2b）。

图2 长岭断陷中基性火山岩照片Fig.2 Photos of the intermediate-basic volcanic rocks from Changling depression

安山岩（图2c，d，e，f）：灰白色、灰绿色、灰黑色、紫红色，杏仁构造、块状构造，斑状结构，斑晶为斜长石、黑云母、角闪石，少量钾长石。斜长石斑晶体积分数为3%～20%，斑晶粒度0.1mm×0.4mm～1.5mm×3.5mm，个别颗粒发育环带，有绢云母化和碳酸盐化现象。部分黑云母和角闪石暗化或蚀变成绿泥石，体积分数为2%左右，粒度0.3～0.5 mm。钾长石斑晶体积分数为2%左右，粒度0.2mm×0.5mm～0.3mm×1.1mm。基质玻基交织结构、交织结构，由斜长石、辉石小颗粒、隐晶质及玻璃质组成。

2 样品制备及分析方法

锆石分选工作在河北省廊坊诚信地质服务有限公司完成。锆石制靶、显微图像采集、U-Pb年龄以及元素地球化学数据分析等均在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。锆石数据分析使用193 nm的ComPex102型ArF准分子激光器和Agilent7500a型ICP-MS仪器，采用高纯He气作为剥蚀物质的载气，用美国国家标准技术研究院研制的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NIST610进行仪器最佳化，使用哈佛大学国际标准锆石91500作为外标。本次锆石测定过程中激光束斑直径为20～30μm。

所采集的样品首先经薄片显微镜下鉴定，选取蚀变较弱且杏仁体含量较少的样品，由于蚀变很弱，所以对主微量元素分析没有影响。对存在杏仁体的样品进行手工挑选，剔除杏仁体之后做化学分析，样品的粉碎加工均在无污染设备中进行。主量元素采用X射线荧光光谱（XRF）玻璃熔片法分析，分析精度和准确度优于5%；稀土和微量元素采用电感耦合等离子质谱（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年代学

对采自松辽盆地长岭断陷2件玄武岩样品进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析，分析结果如表1和图3所示。CL图像显示，所测玄武岩样品（SN180-1、SN180-2）的锆石颗粒晶形较好，具环带或条带状结构，锆石的Th／U值均大于0.10（表1），分别为0.15～1.31、0.23～1.24，为典型岩浆成因的锆石。

松南180井样品号SN180-1：样品采自井深2468.60～2468.80m处，原定火石岭组，岩性为灰白色杏仁状安山岩。除去7个数据明显不谐和或同位素分析曲线差的测点数据外（图3），其余15个锆石分析点均位于U-Pb谐和线上或其附近，结果显示有效测点206Pb／238U表面年龄主要集中在98～117Ma，加权平均年龄为（106±3）Ma，MSWD＝9.3，代表岩石的形成时间。此外测点中还出现了3个160～176Ma中-晚侏罗世的年龄数据，应为捕获锆石年龄。

松南180井样品号SN180-2：样品采自井深2708.60～2708.70m处，原定火石岭组，岩性为灰绿色杏仁状安山岩。除去11个数据明显不谐和或同位素分析曲线差的测点数据外，其余8个分析点均位于谐和线上或其附近（图3），206Pb／238U表面年龄为111～118Ma，加权平均年龄为（116±1）Ma，MSWD＝1.2，代表了该火山岩的形成年龄，属早白垩世晚期。其他锆石颗粒的206Pb／238U或207Pb／235U表面年龄为143、236、304～311、448、676、850和2540Ma等不同时代，是捕获锆石或残留锆石的年龄。

本次定年结果显示长岭断陷松南180井中基性火山岩形成于106～116Ma的早白垩世晚期，与吴群[2]在长岭凹陷营城组所做的定年结果（104.97±0.74）Ma一致，也和前人[1，2，5-12]在松辽盆地整个范围内所测营城组火山岩样品锆石U-Pb年龄一致，年龄显示所测松南180井原定火石岭组的火山岩应为营城组火山岩，形成于早白垩世晚期。

3.2 岩石地球化学特征

表2列出了中基性火山岩样品的主量和微量分析结果。由表2可知，松辽盆地长岭断陷中基性火山岩的w（SiO2）为42.23%～51.42%，Al2O3质量分数较高（w（Al2O3）＝15.86%～18.32%），碱质量分数较高（w（K2O＋Na2O）＝4.52%～8.24%），样品都具有较高的w（TiO2）（2.52%～3.26%），显示出高钛火山岩的特征。镁质量分数较低（w（MgO）＝1.73%～6.56%），镁指数较小（Mg＃＝0.27～0.53）（表2）。在火山岩TAS分类图解（图4）上，样品属于碱性系列，火山岩主要为玄武岩、粗面玄武岩和玄武质粗面安山岩。

稀土元素球粒陨石标准化配分图（图5a）显示：所有样品都表现出相同的变化趋势，具有轻稀土元素富集的右倾特征。稀土元素总量较高（w（∑REE）＝（164.98～257.27）×10-6），轻重稀土分馏明显（（La／Yb）N＝6.60～10.96），微弱铕异常（δEu＝0.85～1.02）。微量元素原始地幔标准化图（图5b）显示：Rb、K相对亏损，既可能是富Rb和K的矿物相（如钾长石和金云母）分离结晶的结果，也可能是蚀变作用所致[16-18]，由岩相学观察可知岩石发生了微弱的绿泥石化。因此，样品中表现的Rb、K的亏损现象可能主要由蚀变所引起的。高场强元素Nb、Ta弱富集，大离子亲石元素和轻稀土元素的富集暗示岩浆可能来自富集地幔，稀土元素和微量元素配分模式类似于洋岛玄武岩（图5）也更说明了这一点。长岭中基性火山岩与来自软流圈地幔的大同碱性玄武岩的稀土元素和微量元素配分模式类似[19]。火山岩相容元素质量分数较低，w（Cr）＝（5.30～184.00）×10-6，w（Co）＝（21.7～38.9）×10-6，w（Ni）＝（2.9～97.8）×10-6，表明岩浆分异早期经历了一定程度橄榄石的分离结晶作用，这与岩石中斑晶橄榄石的存在相吻合。

图3 长岭断陷中基性火山岩锆石U-Pb年龄谐和图Fig.3 Zircon U-Pb concordian diagrams for the intermediate-basic volcanic rocks from Changling depression

表1 长岭断陷中基性火山岩锆石U-Pb同位素分析结果Table1 Zircon U-Pb dating results for the volcanic rocks from Changling depression

表2 长岭断陷中基性火山岩地球化学分析结果Table2 Geochemical data of intermediate-basic volcanic rocks from Changling depression

图4 长岭断陷中基性火山岩TAS分类图Fig.4 TAS of intermediate-basic volcanic rocks from Changling depression

4 讨论

长岭断陷营城组玄武质火山岩富集高场强元素Nb和Ta，其Nb／Ta为16.8～17.4，接近原始地幔值（17.5），Zr／Hf值为41.1～45.9，高于原始地幔值（36.25）[14]，同时研究区玄武岩不具 Nb、Ta、Zr、Ti的负异常，表明岩浆上升过程中几乎未受到地壳物质的混染，其地球化学特征反映了岩浆源区的性质。

研究区玄武岩微量元素比值Ce／Pb的平均值为26.7，La／Nb的平均值为0.88，与 OIB相近（Ce／PbOIB＝25，La／NbOIB＝0.77[14]），且稀土元素球粒陨石标准化配分图（图5a）和微量元素原始地幔标准化图（图5b）具有与OIB相似的特征。在Nb／Yb-Th／Yb和Ta／Yb-Th／Yb图解（图6）中样品落入MORB-OIB排列上且靠近OIB端元，进一步说明长岭断陷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的明显混染。

图5 长岭断陷中基性火山岩稀土元素配分模式图（a）和微量元素蛛网图（b）Fig.5 Chondrite-normalized REE distribution pattern （a）and primitive mantle-normalized spidergram （b）of intermediate-basic volcanic rocks from Changling depression

研究表明，软流圈地幔来源的岩浆具有相对较低的轻稀土元素／高场强元素比值（LREE／HFSE），如美国盆岭省软流圈地幔来源的玄武岩La／Nb＜1.50，而内华达州起源于富集岩石圈地幔的熔岩La／Nb＞1.50[22]。科罗拉多州西北未受岩石圈地幔或地壳混染的软流圈地幔来源的火山岩La／Ta＜22，而La／Ta＞30的火山岩浆受到岩石圈地幔或地壳的影响[23]。长岭断陷玄武质火山岩的La／Nb＝0.67～1.03（＜1.50），La／Ta＝11.65～17.74（＜22.00），同时，这些火山岩具有与OIB一致的稀土元素模式、微量元素曲线和Ce／Pb值[14]，暗示岩浆可能起源于软流圈地幔。Na／Ti值和源区部分熔融时的压力密切相关，由于DCpx／熔体Na随着压力的增加而降低，而单斜辉石和石榴子石的基本不变[19，24]，熔体的 Na／Ti值随着平均压力的增加而降低。长岭断陷中基性火山岩的Na／Ti值为1.8～2.5，与汉诺坝玄武岩的 Na／Ti值相近[15，25]，表明长岭断陷玄武岩的原始岩浆产生于和汉诺坝玄武岩相近的压力条件下。研究表明，汉诺坝玄武岩起源于100km以下的深度[24-25]，暗示长岭断陷玄武岩也起源于100km以下的深处，进一步说明长岭断陷中基性火山岩起源于软流圈地幔。再次，长岭断陷中基性火山岩与来自软流圈地幔的大同碱性玄武岩[15]有着极为相似的地化特征（图5），暗示长岭断陷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。

图6 长岭断陷中基性火山岩Nb／Yb-Th／Yb图解（a）和Ta／Yb-Th／Yb图解（b）（底图据文献[20-21]）Fig.6 Nb／Yb-Th／Yb（a）and Ta／Yb-Th／Yb（b）diagrams of intermediate-basic volcanic rocks from Changling depression（the bas map after reference[20-21]）

Ce／Yb与Sm／Yb的变化图可以用来区分尖晶石相橄榄石的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[26]。图7显示研究区玄武岩的岩浆源区具有石榴子相橄榄岩特征，其部分熔融的程度为12%～15%。

图7 长岭断陷中基性火山岩（Ce／Yb）N-（Sm／Yb）N 变化图（底图据文献[26]）Fig.7 Variation of normarized Sm／Yb versus Ce／Yb of intermediate-basic volcanic rocks from Changling depression（the base map modified after reference[26]）

由地球化学分析可知，长岭断陷玄武质火山岩具有富集轻稀土元素和大离子亲石元素的特征，表明其源区可能经历了流体／熔体的交代富集作用。利用不相容元素比值可以区分源区地幔交代介质的来源，受板内软流圈小比例部分熔融的富硅富碱流体或富CO2流体交代过的地幔部分熔融形成的岩浆，同时富集大离子亲石元素和高场强元素[27-28]，而受俯冲洋壳析出流体交代过的地幔则具有明显的Nb、Ta亏损和Nb／Ta分异[29]。研究区火山岩同时富集大离子亲石元素和高场强元素Nb、Ta，且具有与原始地幔一致的Nb／Ta值（16.8～17.4）。因此，这些火山岩源区地幔富集的机制明显与俯冲流体无关，上述特征可能指示深部地幔流体的对源区的贡献。在 Nb／Yb-Th／Yb和 Ta／Yb-Th／Yb图解（图6）中样品落入MORB-OIB排列上且靠近OIB端元，与板内地幔交代富集趋势一致，进一步说明火山岩浆源区经历了地幔流体的交代。

5 结论

1）松南180井原定为火石岭组的火山岩应为营城组火山岩。

2）长岭断陷中基性火山岩具有洋岛玄武岩的地球化学特征，岩浆源区为软流圈地幔，经历了深部地幔流体的交代富集作用，岩浆未遭受地壳物质的混染。

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