孙吴-嘉荫地区早中生代花岗岩的年代学、地球化学与成因

苟 军，孙德有，李 蓉，魏红艳，王天豪，柳小明，胡兆初

1.吉林大学地球科学学院，长春 130061

2.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083

3.西北大学大陆动力学国家重点实验室，西安 710069

4.中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室，武汉 430074

0 引言

小兴安岭位于华北板块和西伯利亚板块之间的兴蒙造山带东段，大地构造位置上处于古亚洲洋构造域和滨太平洋构造域的交汇部位，经历了复杂的地质演化过程。该区大面积分布的显生宙花岗岩较为完整地记录了由古亚洲构造域向滨太平洋构造域演化的动力学过程。对这些花岗岩进行深入细致的研究，不仅对进一步揭示古亚洲洋构造域和滨太平洋构造域的时间转换及地球动力学过程具有十分重要的意义，而且能在一定程度上充实和完善东北地区显生宙花岗岩的成因研究。近年来，不少学者对小兴安岭东南伊春地区和西部新开岭等地出露的花岗岩开展了详细的岩石学、年代学和地球化学研究，积累了许多高精度同位素年龄和地球化学资料［1－8］。相对而言，小兴安岭北部花岗岩的研究资料较少，这在一定程度上制约了该区花岗岩成因的深入认识和小兴安岭乃至东北地区花岗岩年代学格架与岩浆序列的建立。因此，笔者对孙吴-嘉荫地区早中生代花岗岩进行了详细的锆石U－Pb年代学及地球化学研究，进而探讨其成因及形成的构造背景，以求进一步加强和完善小兴安岭花岗岩的系统研究，同时为吉黑东部岩浆作用序列的建立及后续的地质调查和矿产勘查工作提供基础地质资料。

1 地质背景及岩石学特征

研究区西邻嫩江县，南至龙镇-乌伊岭一线，北隔黑龙江与俄罗斯相望，大地构造上位于松嫩地块之上（图1）［9－11］。近年来，随着小兴安岭地区基础地质研究的不断深入，初步查明了该区花岗岩的时空分布特征：1）早古生代花岗岩分布在东部，早期片麻状S型花岗岩（（508±15）Ma）、中期碰撞后I型高钾钙碱性块状花岗岩（（499±1）Ma）和晚期A2型碱长－碱性花岗岩（（471±3）Ma）很好地演绎了松嫩地块和佳木斯地块碰撞造山－造山后伸展的地质演化过程［2］。2）晚古生代花岗岩分布在西北部，晚石炭世高钾钙碱性I型花岗岩（320～315Ma）［3］和早-中二叠世 A2型花岗岩（292～260Ma）［4－5］完整地记录了兴安地块与松嫩地块俯冲碰撞－碰撞后伸展的地质作用过程。3）晚三叠世A型花岗岩和早侏罗世花岗岩分布在伊春东南，形成时代分别为（222±5）Ma［6］和195～175Ma［7］，西北新开岭一带有晚侏罗世花岗岩（167～164Ma）出露［8］。小兴安岭北部孙吴-嘉荫地区出露的花岗岩原定为晚海西期，尚无确切的同位素年龄报道，本文定年结果表明它们实际上形成于晚三叠世和早侏罗世，详见下文。

晚三叠世花岗岩分布在嘉荫县乌云镇东南，岩性为碱长花岗岩，侵位到上二叠统五道岭组中，被上侏罗统美丰组、下白垩统福民河组火山岩地层不整合覆盖。岩石呈灰红色，块状构造，中粗粒半自形结构，主要由钾长石（55%～60%）、石英（25%～30%）、斜长石（5%～10%）和黑云母（1%～3%）组成。钾长石主要是条纹长石，少数为微斜长石，半自形板状，2～6mm为主，多高岭土化；斜长石半自形板状，0.5～1.5mm，发育聚片双晶，绢云母化、高岭土化；石英呈半自形－他形粒状，一般1～5mm，包裹有条纹长石；黑云母淡黄褐色片状，0.3～0.5mm不等。

图1 孙吴-嘉荫地区地质简图Fig.1 Sketch geological map of Sunwu－Jiayin area

早侏罗世花岗岩主要分布在黑河市西南和孙吴县辰清镇东南地区。黑河市西南地区主要岩性有英云闪长岩和花岗闪长岩，侵位到晚石炭世核桃山组和上二叠统五道岭组中，被上侏罗统塔木兰沟组、上库力组火山岩不整合覆盖。英云闪长岩呈灰白色，块状构造－片麻状构造，细粒半自形结构，主要由斜长石（45%～60%）、石英（15%～30%）、钾长石（5%～10%）和黑云母（10%～30%）组成。斜长石多为半自形板状，0.5～2mm，聚片双晶和环带较发育；钾长石他形或不规则状，0.5～1mm；石英为0.5～2mm；黑云母片状，深褐色-淡黄色，0.5～1.5 mm，略定向排列。花岗闪长岩呈灰白色，块状构造，中细粒半自形结构。主要矿物为石英（25%～30%）、斜长石（40%～45%）、钾长石（20%～25%）、黑云母（5%～8%）和角闪石（3%～5%）。斜长石多为半自形板状，1～5mm，聚片双晶和环带较发育；钾长石多为不规则粒状，部分呈半自形板状，0.8～4 mm；石英为0.5～3mm；黑云母片状，黄褐色-浅黄色，1～2mm；角闪石柱状，蓝绿色-淡黄色，0.5～1mm。孙吴县辰清镇东南地区岩性为二长花岗岩和少量正长花岗岩－碱长花岗岩，侵位到上二叠统五道岭组中，被上侏罗统龙江组火山岩不整合覆盖。二长花岗岩呈淡红色，略具片麻状构造，中细粒半自形结构。主要矿物为石英（25%）、钾长石（40%）、斜长石（25%）和黑云母（10%）。斜长石半自形板状，1～4mm，聚片双晶发育，见卡纳联合双晶和环带结构；钾长石多为不规则粒状，部分呈半自形板状，主要为条纹长石，1.5～5mm；石英为1～3 mm；黑云母片状，褐色-浅黄色，0.5～2mm，略定向排列。正长花岗岩－碱长花岗岩呈灰红色，块状构造，中细粒半自形结构，主要由钾长石（45%～50%）、石英（30%～35%）、斜长石（5%～15%）、黑云母（1%～3%）组成。钾长石主要为微斜长石和条纹长石，少数为微斜条纹长石，1～5mm；石英呈半自形－他形粒状，1～4.5mm；斜长石半自形板状，0.5～2.5mm，聚片双晶发育；黑云母黄褐色，0.2～1mm。

2 锆石U－Pb年代学

本文锆石U－Pb同位素定年在中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室进行，Lu－Hf同位素测定在西北大学大陆动力学国家重点实验室进行。对小兴安岭孙吴-嘉荫地区4件花岗岩样品进行了LA－ICP－MS锆石U－Pb同位素分析，分析结果如表1和图2所示。所测花岗岩样品（1045－3、1055－1、1076－1和1078－1）的锆石晶形较好，呈长柱状或短柱状，发育明显岩浆成因的振荡生长环带结构。锆石的Th／U值均大于0.1，分别为0.22～0.76、0.48～1.18、0.59～1.35和0.44～1.46，为典型岩浆成因的锆石［12］。

表1 孙吴-嘉荫地区晚三叠世-早侏罗世花岗岩锆石U－Pb同位素分析结果Table1 Zircon U－Pb dating results for the Late Triassic－Early Jurassic granites in Sunwu－Jiayin area

表1 （续）

表1 （续）

1045－3样品：采自嘉荫县乌云镇东南，采样位置49°04′9.78″N，129°51′18.78″E，岩性为碱长花岗岩。全部25粒分析中10、12和13号锆石测点因偏离谐和线较远、数据信号差而不予采用，其余22个分析点均位于U－Pb谐和线上或其附近，206Pb／238U表面年龄为204～216Ma，加权平均年龄为（210±2）Ma，MSWD＝1.4。

1055－1样品：采自黑河市以西，采样位置50°11′01.2″N，127°08′31.86″E，岩性为英云闪长岩。锆石21个测点均位于U－Pb谐和线上或其附近，206Pb／238U表面年龄为175～189Ma，加权平均年龄为（181±2）Ma，MSWD＝3.2。

1076－1样品：采自孙吴县辰清镇以南沾河林业局天龙山经营所--幸福林场公路边，采样位置48°44′03.12″N，127°13′54.6″E，岩性为二长花岗岩。锆石20个测点均位于U－Pb谐和线上，206Pb／238U表面年龄为182～194Ma，加权平均年龄为（187±2）Ma，MSWD＝2.2。

1078－1样品：采自孙吴县辰清镇以南沾河林业局天龙山经营所--幸福林场公路边，采样位置48°43′06.96″N，127°17′44.58″E，岩性为碱长花岗岩。锆石19个测点分析中9号为捕获锆石，14号偏离谐和线较远，给出的信号较窄，未参与谐和图绘制，其余17个锆石数据点均位于U－Pb谐和线上，206Pb／238U表面年龄为178～188Ma，加权平均年龄为（184±2）Ma，MSWD＝1.2。

3 地球化学特征

笔者对小兴安岭北部孙吴-嘉荫地区晚三叠世-早侏罗世10件花岗岩样品进行了主量元素和微量元素分析（表2），由西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。

图2 孙吴-嘉荫地区晚三叠世-早侏罗世花岗岩锆石U－Pb年龄谐和图Fig.2 Zircon U－Pb concordian diagrams for the Late Triassic－Early Jurassic granites in Sunwu－Jiayin area

晚三叠世碱长花岗岩具高硅富碱［w（SiO2）＝75.18%和76.16%，w（Na2O）＋w（K2O）＝8.56%和9.00%］、贫铝镁钙 ［w（Al2O3）＝12.70% 和12.85%，w（MgO）＝0.08%和0.11%，w（CaO）＝0.32%和0.60%］的特征。岩石的 A／CNK 为1.00和1.01，属弱过铝质花岗岩，NK／A、TFeO／MgO和Rb／Sr值较高，分别为0.90、0.96、12.03和18.69、7.64、8.86。球粒陨石标准化稀土元素配分曲线呈现出略右倾的海鸥型（图3a）［13］，轻稀土元素的分馏系数（La／Sm）N为3.07和3.10，重稀土元素的分馏系数（Gd／Yb）N为1.05和1.09，具有显著的铕负异常（δEu＝0.08）。微量元素组成上，大离子亲石元素（LILE）K、Rb和LREE相对富集，Ba、Sr出现强烈的负异常，高场强元素（HFSE）Nb、Ta、P、Ti强烈亏损（图3b）［14］。上述特征与高分异的I型花岗岩和A型花岗岩类似，需要对其特征进行进一步对比分析，否则很难判断属于哪一种成因类型。研究表明，本文晚三叠世碱长花岗岩具有一系列不同于高分异I型花岗岩的特征：1）碱长花岗岩相对高全铁和稀土元素含量［w（TFe2O3）＝1.47%和1.66%，w（∑REE）＝（233.24和237.23）×10－6］、低Rb含量［w（Rb）＝（217和240）×10－6］而与高分异I型花岗岩相区别，后者具有较低的全铁含量［w（TFe2O3）＜1%］和稀土总量［w（∑REE）＜150×10－6］，较高的 Rb含量［w（Rb）＞270×10－6］［15］；2）高分异I型花岗岩通常具有较低的Nb／Ta值［16］，一般小于10，甚至小于1，本文碱长花岗岩的Nb／Ta值相对更高，为10和12；3）大多数高分异I型花岗岩具有较高的10 000Ga／Al值，容易被认为是A型花岗岩，但高场强元素Zr、Nb、Ce、Y含量均不高，w（Zr＋Nb＋Ce＋Y）明显低于A型花岗岩的下限值（350×10－6）［17－21］。本文碱长花岗岩的高场强元素Zr、Nb、Ce、Y含量均较高，w（Zr＋Nb＋Ce＋Y）平均值为406×10－6，在w（Zr＋Nb＋Ce＋Y）－（Na2O＋K2O）／CaO和w（Zr＋Nb＋Ce＋Y）－10 000Ga／Al岩石类型判别图解上［22－23］，位于A型花岗岩区及其附近，与高分异的I型花岗岩明显不同（图4）；4）晚三叠世碱长花岗岩的锆石饱和温度平均为810℃，明显高于高分异I型花岗岩的平均值（764℃）［24］，而与A型花岗岩（通常大于800℃）一致［25］。

图3 孙吴-嘉荫地区花岗岩稀土元素配分模式图（a）和微量元素蛛网图（b）Fig.3 Chondrite－normalized REE distribution pattern（a）and primitive mantle－normalized spidergram （b）for granites in Sunwu－Jiayin area

图4 孙吴-嘉荫地区晚三叠世花岗岩岩石类型判别图（底图据文献［22－23］）Fig.4 Discrimination diagrams for rock types of the granites in Sunwu－Jiayin area（after references［22－23］）

早侏罗世英云闪长岩－花岗闪长岩和二长花岗岩的w（SiO2）＝59.23%～71.89%，w（Al2O3）＝14.76%～19.05%，w（MgO）＝0.53%～2.12%，与埃达克岩［w（SiO2）≥56%，w（Al2O3）≥15%，w（MgO）≤3%］的主量元素组成一致［26］。碱度率AR值为1.90～3.13，在AR－w（SiO2）图解上（图略）绝大多数样品位于钙碱性岩区。Na2O／K2O＝1.19～2.86，属钠质型，A／CNK为0.98～1.05，属准铝质-弱过铝质I型花岗岩。稀土元素总量较高［w（∑REE）＝（80.96～289.37）×10－6］，配分模式呈轻稀土富集右倾型，轻重稀土分馏明显［（La／Yb）N＝16.29～27.60］，存在微弱 Eu异常（δEu＝0.80～1.19）（图3a）。原始地幔标准化蛛网图上，都明显富集大离子亲石元素（LILE）Rb、Ba、K、Sr和强烈亏损高场强元素（HFSE）Nb、Ta、P、Ti（图3b）。岩石明显高Sr［w（Sr）＝（316～658）×10－6），低 Y［w （Y）＝ （8.33～20.4）×10－6］，低Yb［w（Yb）＝（0.70～1.73）×10－6］，高 Sr／Y（25.89～78.83），与埃达克岩高Sr［w（Sr）＞300×10－6］和低Y［w（Y）＜18×10－6］、低Yb［w（Yb）＜1.9×10－6］的微量元素特征一致［27］，在花岗岩Sr－Yb分类图中位于埃达克岩区（图5）。早侏罗世正长花岗岩－碱长花岗岩较同期花岗岩更富SiO2和K2O，w（SiO2）＝75.73%和75.99%，Na2O／K2O＝0.93和1.00，属钾质型，碱度率 AR 值为4.05和4.27，属碱性岩。岩石的 TFeO／MgO值为4.64和5.40，明显低于 A 型花岗岩的平均值（13.40）［22］，铝指数（A／CNK＝1.03）均小于1.1，属弱过铝质I型花岗岩。稀土元素总量中等［w（∑REE）＝（93.07和103.36）×10－6］，Eu异常较强（δEu＝0.42和0.64），轻重稀土分馏明显［（La／Yb）N＝5.60和38.51］，重稀土含量变化范围较宽（图3a）。原始地幔标准化蛛网图上，岩石以富集K、Rb、LREE和亏损Ba、Sr、Nb、Ta、P、Ti为特征（图3b）。岩石Sr含量较低，Y和Yb变化范围大，分别为，Sr／Y值较低，不具有埃达克岩特征。正长花岗岩－碱长花岗岩与英云闪长岩－花岗闪长岩和二长花岗岩的主量元素、稀土元素及微量元素地球化学特征差异明显，反映两者存在不同的岩浆源区。

图5 孙吴-嘉荫地区花岗岩Sr－Yb分类图（底图据文献［26］）Fig.5 Sr－Yb diagram for granites in Sunwu－Jiayin area（after reference［26］）

4 岩石成因及形成的构造背景

4.1 岩浆源区

A型花岗岩根据岩石学及地球化学特征可分为碱性A型花岗岩和铝质A型花岗岩两种类型。岩石学特征上：多数碱性A型花岗岩为超熔花岗岩，不含斜长石，常含有铁橄榄石、钙铁辉石、霓石、钠闪石、钠铁闪石等镁铁质矿物；而铝质A型花岗岩一般为次超熔花岗岩，碱性长石和斜长石共生，除偶见钠闪石外一般不出现上述镁铁质矿物。地球化学特征上，除铝质A型花岗岩铝过饱和外，碱性和铝质A型花岗岩其他地球化学特征大致类似［28］。本文的岩石学和元素地球化学研究显示，小兴安岭西北晚三叠世碱长花岗岩中碱性长石和斜长石同时出现，不见碱性暗色矿物，具有高硅富碱贫铝镁钙，弱过铝质，高TFeO／MgO、Rb／Sr和10 000Ga／Al值的特征，表明碱长花岗岩属于典型的铝质A型花岗岩。目前的研究表明，铝质A型花岗岩起源于长英质地壳［24］或镁铁质下地壳物质［29］的部分熔融，但贫水条件下长英质地壳需要在很高的温度下才能发生部分熔融形成A型花岗岩，由锆石饱和温度计［30］获得晚三叠世碱长花岗岩浆形成的温度为775和846℃（平均810℃），明显低于A型花岗岩的平均值（839℃）［24］，因此，本文铝质 A 型花岗岩很难由长英质地壳物质的部分熔融而形成，而很可能是由相对较易熔融的下地壳玄武质岩石部分熔融形成的。其锆石176Hf／177Hf值为0.282 811～0.282 849，εHf（t）值为 5.90～7.22，两阶段 Hf模式 年 龄（TDM2＝785～869Ma）均属于新元古代（表3），表明本区晚三叠世碱长花岗岩的岩浆源区主要为新元古代从亏损地幔中增生的基性火成岩地壳物质。

前已述及，早侏罗世英云闪长岩－花岗闪长岩和二长花岗岩具有高铝贫镁，高Sr低Y低Yb的特征，属于埃达克岩。埃达克岩根据HREE的形式可以细分为3类：1）HREE强烈亏损，无铕异常或有正铕异常，暗示源岩部分熔融的残留相为榴辉岩；2）HREE具平坦型的分布，说明源区可能有角闪石残留（石榴石＋辉石＋角闪石），残留相为角闪榴辉岩或含角闪石的辉石岩；3）HREE亏损或平坦型，有弱的负铕异常，说明残留相可能有少量斜长石存在，残留相为含斜长石的榴辉岩或麻粒岩［26］。早侏罗世埃达克岩基本无负铕异常（δEu平均值为0.93），不太可能是由斜长石稳定区麻粒岩相下地壳物质部分熔融形成的，其平坦的HREE配分形式主要是由源区残留有角闪石所致。英云闪长岩（1055－1）和二长花岗岩（1076－1）的锆石176Hf／177Hf值分别为0.282 871～0.282 965和0.282 840～0.282 919，εHf（t）值均为正值，分别为7.30～10.55和6.35～9.18，两阶段Hf模式年龄均属于新元古代，分别为550～758Ma和642～823Ma，表明岩浆源区为新元古代从亏损地幔中增生的玄武质地壳物质（表3）。正长花岗岩－碱长花岗岩与同时期埃达克岩具有明显不同的地球化学特征，应为独立岩浆结晶的产物。正长花岗岩－碱长花岗岩的176Hf／177Hf值和εHf（t）值分别为0.282 674～0.282 754和0.35～3.26，明显低于英云闪长岩和采自同一岩体的二长花岗岩；两阶段Hf模式年龄属于中元古代［TDM2＝1 018～1 203Ma］，与英云闪长岩－花岗闪长岩和二长花岗岩均属于新元古代也明显不同，表明各自起源于不同的岩浆源区。正长花岗岩－碱长花岗岩形成于正常地壳厚度下，是由中元古代从亏损地幔中增生的基性地壳物质部分熔融形成的。

表3 孙吴-嘉荫地区花岗岩锆石Lu－Hf同位素分析结果Table3 Zircon Lu－Hf analyses of granites in Sunwu－Jiayin area

4.2 构造背景

最近的研究成果表明，兴蒙造山带东段三叠纪花岗岩是在华北板块和西伯利亚板块沿西拉沐伦河-长春-延吉一线于晚二叠世-早三叠世碰撞拼合后的伸展构造环境下形成的。如大兴安岭乌兰浩特地区中-晚三叠世查干岩体（229～236Ma）碱长花岗岩［31］，小兴安岭东部清水岩体碱性花岗岩（（222±5）Ma）［6］，张广才岭三道河岩体正长花岗岩（（216±4）Ma）［32］都具有 A2型花岗岩的地球化学特征，是古亚洲洋闭合造山后岩石圈伸展作用的产物。吉林磐石红旗岭和桦甸漂河川地区晚三叠世镁铁质－超镁铁质岩墙群（216～217Ma）的存在也表明兴蒙造山带东段在晚三叠世时处于岩石圈伸展环境下［33］。前已述及，本区晚三叠世花岗岩属于铝质A型花岗岩，且为A2型（图6a），同样代表了其形成于造山后张性构造体制下。所以，小兴安岭西北晚三叠世花岗岩是在华北板块与西伯利亚板块碰撞拼合后的构造背景下形成的，属于造山后伸展构造环境，标志着古亚洲洋构造域演化结束于三叠纪晚期。

早侏罗世花岗岩以英云闪长岩和花岗闪长岩组合为主，少量二长花岗岩、正长花岗岩-碱长花岗岩，为准铝质－弱过铝质，中钾-高钾钙碱性系列I型花岗岩，具有类似于活动大陆边缘花岗岩的岩石组合及地球化学特征。同时花岗岩具有埃达克岩的地球化学特征，揭示早侏罗世发生过明显的陆壳加厚过程，在w（Yb＋Ta）－w（Rb）图解上落入火山弧区（图6b），也说明其主要与挤压构造背景相关。但这种挤压构造环境是与古太平洋板块向欧亚大陆俯冲有关，还是受蒙古-鄂霍茨克洋闭合控制，还存在争议。最新的地质和地球物理资料研究表明，晚二叠世中蒙古-额尔古纳地块与西伯利亚板块之间的蒙古-鄂霍茨克洋仍宽达4 700km，三叠纪大洋宽度轻微减小［34］，中-晚侏罗世西伯利亚板块向南运动使蒙古-鄂霍茨克洋自西向东呈剪刀式快速闭合［35］，西部闭合时间较早，为晚侏罗世，东部最终闭合于早白垩世。近年来对东北地区中生代火山岩的研究表明，吉黑东部早-中侏罗世火山岩以钙碱性火山岩为主，与活动大陆边缘火山岩的岩石组合相似，从东向西火山岩显示良好的成分极性变化特征，揭示古太平洋板块向欧亚板块的俯冲作用始于早-中侏罗世［36］。结合前人的研究成果，认为孙吴-嘉荫地区早侏罗世花岗岩的形成与古太平洋板块俯冲产生的挤压构造环境有关。

图6 孙吴-嘉荫地区花岗岩构造环境判别图Fig.6 Tectonic discrimination diagrams for granites in Sunwu－Jiayin area

5 结论

根据小兴安岭孙吴-嘉荫地区晚三叠世-早侏罗世花岗岩的年代学与地球化学研究，同时结合该区已有的研究成果，得出如下主要结论：

1）晚三叠世碱长花岗岩形成于210Ma左右，属于铝质A型花岗岩，岩浆源区为新元古代从亏损地幔中增生的基性火成岩地壳。

2）早侏罗世英云闪长岩－花岗闪长岩和二长花岗岩（187～181Ma）属于埃达克岩，是由加厚下地壳物质部分熔融形成的，岩浆源区为新元古代从亏损地幔中增生的玄武质地壳物质；正长花岗岩－碱长花岗岩（184Ma）形成于正常地壳厚度下，岩浆源区为中元古代从亏损地幔中增生的基性地壳物质。

3）晚三叠世花岗岩是华北板块和西伯利亚板块碰撞造山后伸展构造环境下的产物，早侏罗世花岗岩的形成与古太平洋板块俯冲产生的挤压构造环境有关。

（References）：

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