张广才岭张家湾岩体地球化学特征及岩石成因

杨宏图

(中化地质矿山总局地质研究院，河北 涿州 072750)

0 引言

张广才岭位于兴蒙造山带的东端，就目前研究来看，可能是中国发展历史最长、构造岩浆活动最复杂的巨型造山带(任纪舜，1991)。由于兴蒙造山带特殊的大地构造位置，致使该构造带不仅是解决东北亚乃至东亚大陆构造演化的关键地区，也是深化全球区域板块构造演化的关键地区(李双林等，1998)。已有研究资料显示，在兴蒙造山带东段的黑龙江省境内，出露了形成于不同地质时代的大量花岗岩体，与兴蒙造山带有关的晚印支期岩浆构造活动是黑龙江最强列的一次岩浆活作用，形成了包括东部饶河岩区和西部张广才岭—南楼山、呼玛—沐河和鸡东—老黑山岩区在内的东西2个巨大的花岗岩带(黑龙江省地质矿产局，1993)。其中，张广才岭—南楼山花岗岩带主要呈南北向分布于小兴安岭上，主要呈岩体产出。关于该带花岗岩的岩石学、地球化学及地质年代学，已取得了大量研究成果(吴福元等，1999;刘宝山等，2007)。但是，对于单个花岗岩岩体的岩石组合、接触关系、不同岩石类型是否同时形成以及岩体成因等详细解析研究尚未系统开展。基于此，在对张广才岭西北部具有代表性的张家湾岩体进行1∶5万剖面测量及相应面上工作的基础上，对张家湾岩体岩石组成、岩石地球化学、形成时代和岩石成因进行了系统研究，为区域构造演化提供了岩石学及地球化学的新依据。

1 地质背景及岩石学特征

张家湾岩体位于南北向展布的张广才岭—南楼山花岗岩带中部，该花岗岩带规模巨大，是黑龙江省境内最强烈的晚三叠世—早侏罗世早期岩浆活动带之一。带内岩体众多，以大型岩体为主。岩石类型以石英闪长岩和二长花岗岩为主。

张家湾岩体位于五常市南东，总体呈东西向展布，东临张家湾，西、东、北三侧被第四系覆盖，南侧被正长花岗岩岩株侵入，出露面积约100 km2，主要由石英闪长岩组成。早期1∶20万地质调查中，全岩K－Ar法对附近岩体中石英闪长岩测定年龄为245 Ma，为晚二叠世侵入岩，花岗闪长岩年龄为232 Ma，二长花岗岩年龄为212 Ma(吉林省地质矿产局，1983)，两者为早三叠世侵入岩。本次调查工作中对石英闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩分别取样进行LA－ICP－MS锆石U－Pb测年结果均显示为早侏罗世。

野外实测地质图(图1)显示，张家湾岩体主要由石英闪长岩、二长花岗岩组成，花岗闪长岩呈小岩体侵入于石英闪长岩内部，并被后期二长花岗岩侵入。野外观察可见不同岩石类型之间呈侵入接触关系，花岗闪长岩侵入石英闪长岩，二长花岗岩侵入花岗闪长岩。由此判断其形成时代最早的为石英闪长岩，其次为花岗闪长岩，最后为二长花岗岩。此外，岩体内还出露有花岗细晶岩脉，其在各岩石类型中均可见，形成时代最晚。

图1 张家湾岩体简要地质图Fig.1 Simplified geological map of the Zhangjiawan rock mass

图2 石英闪长岩部分锆石阴极发光图像及U－Pb年龄谐和图Fig.2 Zircon cathodoluminescence images and U-Pb Concordia ages of the quartz diorite

2 年龄结果讨论

张家湾岩体共采取3件同位素样品，采用常规方法进行粉碎、分选，锆石制靶后进行LA－ICPMS锆石U－Pb同位素分析(Agilent 7500 ICP－MS上用标准测定程序进行)。测试结果的处理采用软件ICPMSDataCal完成，普通Pb校正采用Anderson(2002)方法，年龄计算及谐和图的绘制均采用国际标准程序Isoplot V3.0(Ludwig，2003)完成。

3件样品中石英闪长岩锆石Th/U比值介于0.43～1.37之间，测年数据谐和度良好，加权平均年龄为(176.2±1.8)Ma(MSWD=1.17)(图2)，花岗闪长岩锆石Th/U比值介于0.24～1.08之间，测年数据谐和度良好，加权平均年龄为(176.4±2.4)Ma(图3);二长花岗岩锆石Th/U比值介于0.43～1.37之间，测年数据谐和度良好，加权平均年龄为(174.7±1.6)Ma(图4)。3件样品Th/U比值均表明锆石为岩浆成因(Chappell，1999)，能够代表岩石侵位年龄。对应地质年代表，三者形成时代全部落在早侏罗世。

3 岩石学及地球化学特征

3.1 岩石学特征

图3 中粒花岗闪长岩U－Pb年龄谐和图Fig.3 U-Pb concordia age diagrams of the medium-sized granodiorite

图4 二长花岗岩U－Pb年龄谐和图Fig.4 U-Pb concordia age diagrams of the monzonitic granite

3.1.1 中(细)粒石英闪长岩 岩石呈灰白色，中细粒结构，块状构造。主要矿物有：斜长石：柱状，大小1～4 mm，由更长石－中长石组成，聚片双晶发育，中长石具环带构造，质量分数为80%;石英：他形粒状，大小1～2 mm，质量分数为7%;钾长石为条纹长石，他形粒状，粒径1～3 mm，质量分数为3%;黑云母(5%)和角闪石(5%)分布于斜长石粒间。副矿物有锆石、榍石、磷灰石和磁铁矿等(图5a)。

3.1.2 中(细)粒花岗闪长岩 岩石呈灰白色，具中细粒花岗结构，由斜长石(45%)、碱性长石(20%)、石英(25%)和暗色矿物组成。其中斜长石自形程度较好，以更长石为主(An=30±)，聚片双晶发育，双晶个体细、密，还见环带结构，粒径0.5～2.7 mm，发育不同程度绿泥石化和绢云母化，表面呈土灰色。碱性长石自形程度较斜长石差，主要为正长石和条纹长石，粒径0.5～3.3 mm，发育不同程度的泥化，表面呈土褐色，个别被石英交代。石英呈他形粒状，单偏光下无色透明区别于碱性长石，正交下干涉色呈一级灰，粒径大部分都在0.3～0.6 mm，个别在长石中呈嵌晶存在。暗色矿物为角闪石和黑云母，它们联生出现，角闪石自形程度较高，单偏光下呈绿色或褐色，多色性明显，多数见1组解理，少数可见夹角为56°的2组解理，多数部分或轻微绿泥石化，或被后期的黑云母所交代，析出磁铁矿，严重者在黑云母中呈残晶出现(图5b)。

本次研究及前人资料均发现在石英闪长岩内普遍含有闪长质包体，分布范围较大，包体灰黑色，细晶—微晶结构，椭圆状、纺锤状、长条状，大小2～10 cm，最大20 cm。主要成分为斜长石、角闪石、黑云母，并普遍见磷灰石杂乱排列。包体分布不均匀，部分岩石内较多，质量分数可达30%;其他岩石包体质量分数多为3%～5%。包体与主体岩石界线清晰(图6c)。此外，花岗闪长岩内同样能见到闪长质包体(图6d)，包体数量较少，分布范围较小。

3.1.3 中(细)粒二长花岗岩 岩石呈灰白色，具中(细)粒花岗结构，主要由斜长石(40%)、碱性长石(30%)、石英(20%)及少量暗色矿物组成，黑云母和角闪石(8%)，副矿物主要为磁铁矿。其中斜长石以更长石为主(An=25±)，呈半自形—自形，多见细而密的聚片双晶纹，也见环带结构;碱性长石自形程度较斜长石差，粒径为0.5～2.4 mm，主要为微斜长石、条纹长石及正长石，分别可见细密的格子双晶、条纹长石结构和卡氏双晶，部分被石英交代;石英呈他形粒状，粒径0.3～0.9 mm;暗色矿物由角闪石和黑云母组成(图5c)。

图5 各岩石镜下照片Fig.5 Microscopic photos of the rocks

图6 野外实物照片Fig.6 Field photos

3.2 主量元素地球化学特征

石英闪长岩：w(SiO2)=61.44% ～67.67%、w(K2O)=1.54% ～2.61%、w(Na2O+K2O)=4.35%～5.71%;氧化度［w(FeO)/w(FeO+Fe2O3)］=0.4～0.6;A/CNK=1.05～1.21，均值1.08(＜1.1)。在TAS图解(图7)中落在闪长岩与花岗闪长岩2个区内，属亚碱性岩石;在FeO*－(Na2O+K2O)－MgO(FAM)图解、花岗岩类SiO2－K2O图解中，将其进一步划分为钙碱性系列岩石(图8)。综合各图解分析结果，该岩石属过铝质钙碱性岩石系列。

花岗闪长岩：w(SiO2)=67.97% ～73.16%、w(K2O)=3.24% ～3.66%、w(Na2O+K2O)=6.76% ～8.08%);氧化度［w(FeO)/w(FeO+Fe2O3)］=0.6～0.9;A/CNK=1.05～1.21，均值1.04(＜1.1)。在TAS分类图解(图7)中位于花岗闪长岩、花岗岩2个区，均属亚碱性岩石系列;在FeO*－(Na2O+K2O)－MgO(FAM)、花岗岩类SiO2－K2O图解(图8)中，将其进一步划分为高钾钙碱性系列。综合各图解分析结果，该岩石属过铝质高钾钙碱性花岗岩。

二长花岗岩：w(SiO2)=70.61% ～74.68%、w(K2O)=3.88% ～4.18%、w(Na2O+K2O)=7.11%～8.56%;氧化度［w(FeO)/w(FeO+Fe2O3)］=0.6～0.9;A/CNK=1.05～1.21，均值1.04(＜1.1)。在TAS分类图解(图7)中位于花岗岩区，属亚碱性岩石系列;在FeO*－(Na2O+K2O)－MgO(FAM)、花岗岩类SiO2－K2O图解(图8)中，将其进一步划分为高钾钙碱性系列。A/CNK=1.04～1.11，均值1.03(＜1.1)。综合各分析结果，二长花岗岩为过铝质高钾钙碱性花岗岩。

图7 TAS分类图解(据 Le Maitre，1989)Fig.7 TAS diagram(after Le Maitre，1989)

综合分析3种岩石分析结果(表1)，发现随着Si2O含量的增加，其他氧化物表现出良好的线性演化趋势，Al2O3、MgO、CaO、FeO+Fe2O3(全铁含量)、TiO2、P2O5随 SiO2含量的增加呈良好的负相关，K2O、Na2O随SiO2含量增加呈正相关，表现出典型的岩浆部分熔融或分离结晶作用演化趋势，同时也说明3种岩石具有良好的亲源性。3种岩石的形成顺序为石英闪长岩—花岗闪长岩—二长花岗岩，SiO2含量和岩石氧化度连续升高，说明岩浆演化过程中挥发分气体中的氧气含量不断升高，这只能发生在分离结晶作用过程中，也就排除了岩浆发生部分熔融的可能性(表2、表3、表4)。

3.3 稀土元素特征

图8 岩石系列FAM图及岩石系列K2O－SiO2图解Fig.8 FAM diagram and K2O-SiO2diagram of the rocks

石英闪长岩∑REE为123.85～151.52 g/t(平均值为138.13 g/t)，花岗闪长岩∑REE为84.10～277.46 g/t(平均值为 147.5 g/t)，二长花岗岩∑REE介于134.54～188.47 g/t(平均值为153.15 g/t)，它们均远高于上地幔稀土元素含量(17.70 g/t)，略低于上地壳稀土元素含量(165.35 g/t)，说明岩浆为壳幔混合成因。各岩石类型LREE含量为114.63～146.60、75.91 ～138.72、122.18 ～285.22 g/t;HREE 为 9.11～13.90、8.19～18.05、8.27～21.29 g/t;LREE/HREE比值为9.67～12.51、7.31～11.44、9.08～15.50 g/t。3种岩石之间轻、重稀土分异程度相同，呈现平行排布现象(图9)。石英闪长岩的δEu=0.89～1.01(平均值为0.95)，基本无异常;花岗闪长岩δEu=0.45～1.03(平均值为0.76)为弱负异常;二长花岗岩δEu=0.35～0.76(平均值为0.52)，为中等程度负异常。

Eu负异常一般被认为是成岩过程中斜长石的分离结晶或源区存在斜长石的残留所致，而钾长石的分离结晶又能引起Eu负异常的加剧。张家湾岩体的δEu值表明其岩浆源区的斜长石的残留较少，后期随分离结晶程度不断加剧，越来越多的钾长石分离出来。变化趋势表明其岩浆源区斜长石的残留逐渐增加，稀土元素组成、特征参数的规律性变化及稀土配分型式显示3种岩石类型为同源岩浆演化系列，与岩石化学表现的结果一致，陆壳重熔并混合部分地幔岩浆所派生的岩石所具有的稀土元素特征曲线如图9。

表1 主量元素分析结果Table 1 Analytical results of the major elements

表2 主量元素换算为CIPW标准矿物Table 2 CIPW standard minerals converted from major elements

表3 稀土元素分析结果及特征参数Table 3 Analytical results of rare earth elements and characteristic parameters

表4 早侏罗世侵入岩微量元素分析结果及特征参数Table 4 Analytical results of trace elements for the Early Jurassic intrusive rocks and their characteristic parameters

图9 稀土元素球粒陨石标准化配分曲线Fig.9 Chondrite-normalized REE patterns

3.4 微量元素特征

图10 微量元素原始地幔标准化蛛网图(原始地幔标准化值引自Sun et al，1989)Fig.10 Primitive mantle-normalized spider diagram of trace elements(primitive mantle normalized values from Sun et al，1989)

微量元素组成上，各岩石普遍存在富集Rb、Th、U、K 等大离子亲石元素，亏损 Ba、Nb、P、Ti等高场强元素特征(图10)。同时，花岗闪长岩与二长花岗岩还存在亏损Sr元素的现象。前人研究成果表明，Ba、Nb、P、Ti等高场强元素亏损程度随岩石内 SiO2含量增加不断变强，花岗岩中Sr主要代替Ca而富集于长石中，而Ba则主要在岩浆晚阶段进入富K的造岩矿物(如钾长石、黑云母)，占据早期结晶含K矿物的K位置。所以斜长石的分离引起了Sr的亏损，而钾长石和黑云母的分离导致了Ba的亏损;P和Ti负异常主要源于副矿物磷灰石及榍石分离。此外，黑云母分离结晶还会导致Eu的正异常，而磷灰石则会导致Eu负异常，可以补偿由于长石作为残留相而产生的熔体Eu亏损。这与上述岩相学分析中石英闪长岩内黑云母和榍石含量较多、稀土元素Eu基本没有出现亏损、而花岗闪长岩和二长花岗岩内黑云母和榍石含量较少、Eu负异常强烈，所指示出岩浆源区斜长石作为残留在不断增加、石英闪长岩DI平均值为66、花岗闪长岩DI平均值为79、二长花岗岩DI平均值为85.13、分离结晶程度不断变强与微量元素分析结果是相吻合的。

石英闪长岩Rb/Sr比值较小(0.12～0.16)，Zr/Hf平均值为51.56;而花岗闪长岩、二长花岗岩Rb/Sr比值较高，平均值分别为 0.57、0.58，Zr/Hf平均值分别为26.44、27.09。一般来说，随着岩浆的分异演化，Rb/Sr比值会增加，而Zr/Hf比值有逐渐降低的趋势，这表明花岗闪长岩和二长花岗岩相比石英闪长岩分异演化程度较高。

4 岩石成因

张家湾岩体主要由石英闪长岩、花岗闪长岩及二长花岗岩组成，矿物成分中出现角闪石，副矿物有磷灰石、榍石及磁铁矿。元素地球化学分析可见上述岩石富碱(Na2O+K2O)，富铝(Al2O3)，Fe2O3/FeO比值＞0.4，A/CNK集中于1.0～1.1之间，CaO含量较高，富集 LREE、Rb、Th、U、K，亏损 Ba、Nb、P、Ti元素，这些特征均属I型花岗岩特征(Chappell，1999)。在K2O－Na2O图解中所有样品均投在I型花岗岩区域(图11)，花岗闪长岩和二长花岗岩位于I边缘靠近A型花岗岩的区域，这些特征与张广才岭已经识别出的高分异I型花岗岩(孙德有等，2004;Wu et al，2003a，2003b)及中国境内现有报道的高分异I型花岗岩(邱检生等，2005;朱弟成等，2009)均十分吻合。

图11 A、I、S型花岗岩类判别图解(据 Collins et al，1982)Fig.11 Discrimination diagram of A-，I-and S-type granites(after Collins et al，1982)

前人的研究资料表明，区域上该期花岗岩87Sr/86Sr主要集中在0.705～0.716之间(表5)，显示出壳幔混合成因信息(刘成东等，2003)。该时期的花岗岩普遍含有角闪石、黑云母，副矿物以锆石、磷灰石、榍石、磁铁矿等为主，Al2O3/(CaO+Na2O+K2O)分子比＜1.1。早期岩体中普遍含有细粒闪长质包体，晚期岩体中极少见细粒闪长质包体。岩石学及岩相学特征表明它们可能是来自不同源区的2种岩浆，其较基性岩浆来源于地幔，而中酸性花岗质岩浆主要来源于下地壳。早侏罗世岩浆由于分离结晶作用形成了该岩体的石英闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩。岩石成分随SiO2含量的增加由富钠质偏铝质钙碱性岩向富钾质弱过铝质钙碱性岩过渡，Eu也随SiO2含量的增加而亏损加大。从岩石的矿物组成和化学成分看，由石英闪长岩、花岗闪长岩到二长花岗岩，混入的幔源物质逐渐减少。上述特点表明本期花岗岩为壳幔混合成因，细粒闪长质包体为较基性的地幔岩浆进入主岩浆中淬火结晶而成。

5 结论

(1)张家湾岩体主要由石英闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩组成，不同岩石类型形成的先后顺序为石英闪长岩—花岗闪长岩—二长花岗岩。

(2)张家湾岩体岩浆通过以分离结晶作用为主、岩浆混合作用为辅的岩浆演化过程，最终形成了基性程度逐渐降低的石英闪长岩—花岗闪长岩—二长花岗岩演化序列。

(3)张家湾岩体为钙碱性岩石－高钾钙碱性系列，属准铝质—过铝质高分异I型花岗岩。

(4)张家湾岩体形成于中生代早侏罗世，岩浆由陆壳重熔并混合部分地幔岩浆派生而形成。

表5 Rb-Sr同位素年龄测定结果Table 5 Age determination of Rb and Sr isotopes

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