小兴安岭“古元古代”东风山群早古生代片麻状花岗岩锆石U-Pb定年、Hf同位素特征及地质意义

2019-02-10郭秀玮于介江李宏浩栾金鹏

世界地质 2019年4期

郭秀玮，于介江，李宏浩，栾金鹏

吉林大学地球科学学院，长春130061

0 引言

东北地区位于中亚造山带东段，该区主要由额尔古纳、兴安、松嫩、佳木斯和兴凯等微陆块以及陆块之间的缝合带组成(图1a)[1-3]。传统上认为这些微陆块均存在由古老变质岩群(如麻山群、黑龙江群、兴华渡口群、东风山群、黄松群、张广才岭群、风水沟河群和扎兰屯群等)和花岗质岩石构成的前寒武纪结晶基底[4-5]，但近年来高精度年代学研究表明，这些先前确定的“前寒武纪变质岩群”的主体形成于古生代[6-10]，部分地质体形成于元古代[11-17]或早中生代[15,18]。那么，这些古老变质岩群的物质组成、形成时代及其所反映的原岩建造和变质作用特征如何？这一直是东北地区微地块构造属性及其拼贴历史研究中的关键问题之一。然而，除了佳木斯地块麻山群、额尔古纳地块兴华渡口群、松嫩地块黄松群等进行过较为详细的研究[6-7,19-20]外，目前对其他古老变质岩群的研究相对较少，导致对其物质组成及其构造属性还缺乏明晰的认识。鉴于此，笔者选择松嫩地块东风山岩群早古生代片麻状花岗岩作为研究对象，通过岩相学、锆石U-Pb定年和Hf同位素分析，结合前人研究成果讨论它们的形成时代、岩浆源区性质及其地质意义。

图1 东北地区区域构造图[3](a)和研究区区域地质简图[8](b)Fig.1 Tectonic divisions of Northeast China (a) and simplified geological map of study area (b)

1 地质背景与样品描述

小兴安岭地区位于松嫩地块东北缘，该区以出露巨量花岗岩(占出露岩石的60%～70%)为特征，前人多将其归属为加里东期和/或海西期[4]。而近年来的研究表明，小兴安岭地区花岗岩以中生代花岗岩为主，主要形成于印支期和燕山期[8]，少量花岗岩形成于加里东期[8,21]，而新元古代花岗岩的出露极为有限[16,22]。其中年龄为450～500 Ma的早古生代花岗岩一般都发生了不同程度的变形[21,23-24]。在这些大面积分布的花岗岩中，出露规模不等的东风山群、兴东群以及黑龙江群等前寒武纪变质岩系以及古生界、中生界和新生界地层(图1a)[25-26]。

东风山群出露于小兴安岭—张广才岭地区(图1b)[8,24]，主要分布于牡丹江断裂以西的汤原和伊春北部，前人将其时代置于古元古代并自下而上划分为亮子河组、桦皮沟组和红林组，岩石类型以片岩、片麻岩、变粒岩、浅粒岩、大理岩、石英岩和混合岩为主，原岩为形成于地槽坳陷带的一套含硼砂泥岩-碳酸盐岩-硅铁质岩建造，变质作用发生在古元古代，属于低绿片岩相-角闪岩相的区域变质作用类型[4,16,22]。近年来，对东风山群变质碎屑岩的锆石U-Pb定年研究表明，东风山群下部亮子河组、中部桦皮沟组和顶部红林组的沉积时限分别为821～271 Ma、752～561 Ma和275～271 Ma。这些新的年龄资料说明，东风山群并不是一个具有正常沉积序列的变质地层单位，而是由一系列不同时代原岩组成的混杂地体[15,27-28]。那么，东风山群的物质组成、形成时代及其所反映的原岩建造和变质作用特征如何？是否存在除上述变质碎屑岩外的其他岩石类型？

为此，笔者对小兴安岭伊春北部金林林场东风山群红林组上部的片麻状花岗质岩石(采样点坐标为48°18′08.6″N, 129°47′12.2″E)，即前人所确定的黑云母混合片麻岩[4]进行了详细的岩相学研究，确认这套岩石主要由片麻状二长花岗岩和正长花岗岩2种岩性组成，在此基础上选择了2组具有代表性的岩石进行了研究。

片麻状二长花岗岩(17YH4--10)岩石主体为不等粒鳞片粒状变晶结构，在变形较弱部位局部保留变余半自形粒状结构，指示其原岩为花岗岩。片麻状构造，局部可见眼球状构造和S型叶理。主要矿物成分为碱性长石(35%)、斜长石(20%)、石英(25%)和黑云母(20%)，副矿物可见柱状磷灰石、锆石和黑色不透明物质(磁铁矿)。长石和石英多呈不规则拉长柱状，部分呈眼球状，个别可见自形-半自形板状，长度变化较大(多为1～3 mm)，黑云母为鳞片状，分布不均匀，局部富集，定向分布构成片麻状构造或S型叶理。

片麻状正长花岗岩(17YH4--4)中粗粒鳞片粒状变晶结构，变余似斑状结构，片麻状构造，局部可见S型叶理。矿物成分主要为碱性长石(45%)、斜长石(20%)、石英(25%)和黑云母(10%)，副矿物可见柱状磷灰石和锆石。长石和石英多呈他形粒状或不规则柱状，粒度变化大(多为1～2 mm)，个别碱性长石呈斑晶产出，粒径可达10 mm，局部可见平直边界，指示其原岩为似斑状结构。黑云母为鳞片状，分布不均匀，局部富集，定向分布构成片麻状构造或S型叶理。

2 锆石U-Pb定年

2.1 测试方法

锆石挑选由河北省廊坊区域地质调查研究所完成，采用常规方法对2组岩石样品进行粉碎，并用浮选和电磁选方法进行分选，然后在双目镜下挑选透明度和晶形较好、无明显裂痕的锆石颗粒。锆石制靶和阴极发光图像采集以及锆石激光剥蚀等离子体质谱(LA-ICP-MS)U-Pb同位素分析均在武汉上谱分析科技有限责任公司进行，将双目镜下挑选好的锆石颗粒置于双面胶上，灌上环氧树脂制靶，固化后打磨抛光使锆石内部结构露出，并使用JEOL扫描电镜对其进行阴极发光图像的采集。根据CL图像选择锆石中的不同区域进行分析。锆石激光剥蚀等离子体质谱(LA-ICP-MS)U-Pb同位素分析使用Agilent公司的7500a ICP-MS进行。锆石U-Pb测年分析采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NIST SRM610进行仪器最佳化，样品测定时用哈佛大学标准锆石91500作为外部校正，以保证标准和样品的仪器条件完全一致。本次实验采用的激光束斑直径为32 μm，对分析数据的后期处理采用软件ICPMSDataCal(6.7版本)[29-30]和Isoplot(3.0版本)[31]完成，普通Pb校正采用Andersen方法[32]。详细实验步骤和数据处理方法见文献[29-30]，所给定的同位素比值和年龄的误差在单个分析点上在1 σ水平，而在整体年龄上处于2 σ水平。

2.2 测试结果

片麻状二长花岗岩(样品17YH4-10)和片麻状正长花岗岩(样品17YH4-4)的分析数据列于表1，部分测定锆石的阴极发光(CL)图像和锆石U-Pb年龄谐和图见图2和图3。

片麻状二长花岗岩中的锆石多呈自形-半自形柱状，长宽比值多为1～3，少量锆石为椭球状或不规则粒状，粒径多为100～200 μm。在锆石CL图像上，大部分锆石显示出清晰的震荡环带结构，少量锆石核部结构模糊，基本没有变质增生边(图2a)，结合其所有分析点的Th/U比值较高(0.16～0.53)，可判定为岩浆锆石。30颗锆石U-Pb定年结果显示，19个测试点给出的206Pb/238U表面年龄为477～504 Ma，其加权平均年龄为478.9±2.8 Ma(MSWD=0.12，n=19；图3)，代表了该岩石的岩浆结晶年龄。其他测试点的206Pb/238U表面年龄分别为519 Ma、525 Ma、550 Ma、624 Ma、733 Ma、939 Ma、1 035 Ma、1 086 Ma、1 095 Ma、1 190 Ma及1 203 Ma，代表捕获锆石年龄。

图2 片麻状二长花岗(17YH4--10；a)与片麻状正长花岗岩(17YH4--4；b)中的锆石CL图像Fig.2 CL images of zircons for gneissic monzogranites (17YH4--10; a) and gneissic syenogranites (17YH4--4; b)

图3 东风山群早古生代花岗岩锆石U--Pb谐和图Fig.3 U--Pb concordia diagrams for Early Paleozoic granites in Dongfengshan Group

表1 早古生代花岗质岩石的锆石LA--ICP--MS U--Pb分析结果

Table 1 LA--ICP--MS zircon U--Pb analysis results for Early Paleozoic granites

样品号含量/10-6ThUTh/U207Pb/206Pb207Pb/235U206Pb/238U207Pb/206Pb207Pb/235U206Pb/238U比值1σ比值1σ比值1σ年龄/Ma1σ年龄/Ma1σ年龄/Ma1σ17YH4-4-01548 3 311 0.165 0.055 870.001 460.651 350.016 390.083 680.000 784473950910518517YH4-4-02536 2 053 0.261 0.056 540.001 590.657 800.018 420.083 490.000 944744251311517617YH4-4-03517 1 798 0.287 0.055 380.001 880.645 240.021 900.083 590.001 034285450614518617YH4-4-04578 2 396 0.241 0.056 710.001 730.659 570.020 010.083 490.000 974804651412517617YH4-4-054071 7490.2330.056 180.001 670.604 560.017 360.077 590.000 904594348011482517YH4-4-06433 2 111 0.205 0.055 360.001 540.646 600.018 340.083 850.000 964274350611519617YH4-4-07664 2 220 0.299 0.055 460.001 480.624 190.017 060.080 680.000 864314249211500517YH4-4-08141 264 0.534 0.069 820.002 811.499 880.058 930.155 420.002 2192357930249311217YH4-4-09398 2 452 0.162 0.057 220.001 780.642 450.019 430.080 640.000 905004750412500517YH4-4-10683 2 318 0.295 0.058 640.001 840.657 460.019 930.080 680.000 925544651312500517YH4-4-11480 1 851 0.259 0.055 060.001 700.615 430.019 100.080 490.000 944154848712499617YH4-4-12607 1 965 0.309 0.056 580.001 640.657 000.019 130.083 680.000 894754651312518517YH4-4-13558 2 284 0.244 0.056 690.001 560.657 120.018 300.083 610.000 984804151311518617YH4-4-14839 5 309 0.158 0.055 620.001 470.622 390.016 590.080 790.000 884374049110501517YH4-4-15616 2 365 0.260 0.054 790.001 690.613 670.019 310.081 030.001 054044748612502617YH4-4-16651 2 143 0.304 0.054 790.001 700.609 010.019 220.080 170.000 884045148312497517YH4-4-17676 2 309 0.293 0.056 260.001 710.631 830.019 350.081 060.000 924634849712502517YH4-4-18432 1 643 0.263 0.057 280.001 700.662 790.019 570.083 680.001 015024451612518617YH4-4-19543 2 023 0.268 0.056 670.001 490.634 960.016 560.080 720.000 834793949910500517YH4-4-20541 2 597 0.208 0.055 880.001 700.654 260.019 690.083 750.001 144484351112518717YH4-4-21195 520 0.374 0.070 500.002 311.567 460.051 040.159 870.001 9894346957209561117YH4-4-22521 1 817 0.287 0.058 510.001 790.682 050.020 960.083 640.001 015494652813518617YH4-4-23524 2 187 0.240 0.055 950.001 520.652 830.018 090.083 470.000 964504151011517617YH4-4-24459 1 626 0.282 0.058 740.001 820.688 440.021 580.083 810.000 895585053213519517YH4-10-01609 4 096 0.149 0.057 950.001 640.655 310.018 400.081 170.000 845284351211503517YH4-10-02990 5 247 0.189 0.059 310.001 530.672 220.017 690.081 260.000 925793752211504617YH4-10-03729 4 298 0.170 0.056 960.001 390.647 410.016 250.081 250.000 784903850710504517YH4-10-04474 3 118 0.152 0.055 830.001 500.603 870.016 490.077 330.000 834464248010480517YH4-10-05565 4 419 0.128 0.054 780.001 540.649 780.017 700.084 820.000 804034450811525517YH4-10-06609 2 810 0.217 0.065 950.004 231.095 240.061 360.120 450.003 76805138751307332217YH4-10-07449 3 795 0.118 0.054 770.001 680.588 990.017 810.076 840.000 904034747011477517YH4-10-08441 3 942 0.112 0.057 540.001 520.675 020.017 960.083 840.001 005123852411519617YH4-10-09794 5 120 0.155 0.056 730.001 410.613 260.015 340.077 170.000 784813748610479517YH4-10-10567 4 899 0.116 0.056 780.001 500.609 710.015 590.076 840.000 674834148310477417YH4-10-11435 3 735 0.116 0.056 300.001 670.603 870.017 730.076 870.000 944644348011477617YH4-10-12234 4 163 0.056 0.058 090.001 710.624 030.017 960.076 890.000 715334749211478417YH4-10-13483 4 223 0.114 0.059 340.001 780.671 320.020 050.081 190.000 975804452212503617YH4-10-14401 3 463 0.116 0.058 090.001 590.626 330.017 290.077 450.000 895334049411481517YH4-10-15668 4 803 0.139 0.059 070.001 510.667 920.017 120.081 350.000 805703951910504517YH4-10-16527 4 512 0.117 0.060 150.001 520.646 850.017 310.077 200.000 816094050711479517YH4-10-17370 2 469 0.150 0.091 090.006 362.187 470.128 050.174 170.006 621 4491371 177411 0353617YH4-10-18423 3 352 0.126 0.060 830.001 790.686 100.021 420.081 210.000 966334753013503617YH4-10-19469 3 606 0.130 0.059 750.001 760.637 550.019 420.076 890.000 855954750112478517YH4-10-20495 4 691 0.105 0.060 650.001 580.751 300.020 160.089 140.000 886274156912550517YH4-10-21750 3 974 0.189 0.059 030.001 420.668 030.017 080.081 200.000 855683752010503517YH4-10-22249 216 1.155 0.082 190.003 402.105 750.090 230.185 230.002 961 250591 151291 0951617YH4-10-23467 3 218 0.145 0.064 090.001 670.912 110.028 480.101 670.001 8274537658156241117YH4-10-24594 1 008 0.590 0.071 230.002 211.552 300.047 680.156 770.002 0396441951199391117YH4-10-25616 4 998 0.123 0.056 840.001 640.616 930.017 590.077 680.000 864854348811482517YH4-10-26524 1 093 0.480 0.088 170.002 562.257 840.063 910.183 410.001 831 386391 199201 0861017YH4-10-27770 925 0.832 0.090 030.002 442.573 680.066 680.205 100.001 971 426351 293191 2031117YH4-10-28544 3 894 0.140 0.057 530.001 440.650 220.016 280.080 990.000 925123550910502517YH4-10-29488 2 866 0.170 0.111 430.005 493.115 400.130 030.202 780.005 291 823921 436321 1902817YH4-10-30505 3 936 0.128 0.057 410.001 420.620 720.015 340.077 320.000 7250738490104804

片麻状正长花岗岩中的锆石多呈自形-半自形柱状，长宽比值多为1～3，少量锆石为椭球状，粒径多为100～300 μm。在锆石CL图像上，大部分锆石具有清晰的震荡环带结构(图2b)，结合其Th/U比值较高(0.11～1.16)可判定为岩浆锆石。24颗锆石U-Pb定年分析结果显示，22个测试点给出的206Pb/238U表面年龄为482～519 Ma，其加权平均年龄498.7±1.7 Ma(MSWD=0.09，n=22；图3)，代表该岩石的岩浆结晶年龄。2个测试点年龄分别为931 Ma和956 Ma,应为捕获锆石年龄。

3 锆石Hf同位素

3.1 测试方法

在锆石U-Pb定年的基础上挑选谐和度较好的年龄点，选择与年龄点环带趋势一致的微区圈定Hf同位素点位进行锆石原位Lu-Hf同位素分析。测试在中国科学院地质与地球物理研究所配有193 nm激光取样系统的Neptune多接收电感耦合等离子体质谱仪上进行，激光束斑直径为44 μm。仪器详细参数见文献[33]。样品测试过程中以91500作为标样，其176Hf/177Hf= 0.282 308±12(2σ)，对数据的处理利用软件ICPMSDataCal9.0完成。实验过程及数据处理方法见文献[30]。

3.2 测试结果

片麻状二长花岗岩(样品17YH4-10)和片麻状正长花岗岩(样品17YH4-4)的Hf同位素组成较为一致，有关分析数据见表2。

片麻状二长花岗岩的锆石分析点数据比较均一，176Hf/177Hf比值为0.282 218～0.282 285，εHf(t)值为-6.6～-10.6，两阶段亏损地幔模式年龄(TDM2)为1 698～1 958 Ma。片麻状正长花岗岩的锆石分析点数据比较均一，176Hf/177Hf比值为0.282 157～0.282 292，εHf(t)值为-6.4～-8.6，两阶段模式年龄(TDM2)为1 692～1 831 Ma。从以上分析结果可以看出，Hf同位素组成较为一致，所有测试点均投影在元古代地壳演化范围内(图4)。

表2 早古生代花岗岩Hf同位素分析结果

图4 早古生代花岗岩锆石Hf同位素组成Fig.4 Zircon Hf isotope compositions of Early Paleozoic granites

4 讨论

4.1 早古生代片麻状花岗岩的确定

本文研究的早古生代片麻状花岗岩一直缺乏定年工作，由于它们在空间上与东风山群变质碎屑岩密切伴生，且两者常常具有一致的片理方向，因而前人将其视为混合岩而归属于东风山群上部红林组，时代置于古元古代[4]。近年来对东风山群红林组变质碎屑岩的锆石U-Pb定年研究揭示，其主体沉积时限为275～271 Ma而非前人认为的古元古代[27]。这表明前人依据区域综合对比所确定的红林组的形成时代存在极大的不确定性，加之该区植被覆盖严重，地质体之间的接触关系难以准确识别，导致该组中混合岩(片麻状花岗岩)的形成时代也失去了有效约束。

笔者对东风山群红林组2组片麻状花岗岩的锆石U-Pb定年研究表明，所选锆石多呈自形-半自形晶，普遍发育明显的振荡环带(图2)，Th/U比值较高(0.11～1.16；表1)，因而为岩浆成因，所测定的年龄应代表了片麻状花岗岩的形成时代。其中片麻状二长花岗岩(样品17YH4-10)所获得的成岩年龄为478.9±2.8 Ma(图3)，片麻状正长花岗岩(样品17YH4-4)的成岩年龄为498.7±1.7 Ma(图3)，表明这些片麻状花岗岩均形成于早古生代(479～499 Ma)。上述定年结果揭示出，在前人所确定的东风山群中存在早古生代花岗岩，这与刘建峰等[21]报道的小兴安岭东部东风山石英二长岩体(500～508 Ma)、鸡岭斑状花岗闪长岩体(498 Ma)、汤旺河碱长花岗岩体(471 Ma)，以及张广才岭东部英城子碱长花岗岩体(477～496 Ma)[34]等早古生代花岗岩体的形成时代相对应，表明松嫩地块东缘小兴安岭—张广才岭基岩出露区均存在早古生代岩浆作用。同时624～1 203 Ma的捕获锆石暗示该区存在前寒武纪岩浆事件[16,22]。

4.2 早古生代片麻状花岗岩的源区性质及成因

本文研究的东风山群红林组片麻状花岗岩具有花岗质岩石的矿物组成特征，因其较强的(变质)变形特征以及与围岩具有较为一致的片理方向，导致前人将其原岩视为地层的组成部分[4]，但其局部保留的变余半自形粒状结构或变余似斑状结构可以排除其地层属性，进而揭示出其原岩为岩浆侵入形成的花岗岩，同时岩石中的锆石均为岩浆型锆石且其表面年龄分布范围较为集中(图2；表1)，暗示其原岩为火成岩而非碎屑岩建造。

Hf同位素分析表明，片麻状二长花岗岩(17YH4-10)和片麻状正长花岗岩(17YH4-4)2个样品的同位素组成较为相似，均显示出相对较低的176Hf/177Hf比值(分别为0.282 218～0.282 285和0.282 157～0.282 292)和εHf(t)为较低负值(分别-6.6～-10.6和-6.4～-8.6)，以及古元古代的两阶段Hf同位素地幔模式年龄(分别为1 698～1 958 Ma和1 692～1 831 Ma)，在εHf(t)-T图解(图4)上，所有锆石的Hf同位素测试点均投影于古元古代地壳演化范围内。上述特征表明这套变形花岗岩的源区应为古元古代古老地壳物质，而非大量源于地幔的新增生下地壳基性火成岩的部分熔融，这与中亚造山带显生宙大量花岗岩中Hf同位素和Sr-Nd同位素组成及其所反映的岩浆源区性质存在明显的区别[35-36]。同位素特征表明这套变形花岗岩的原始岩浆的形成与古元古代地壳再造事件有关，即研究区或邻区可能存在古元古代结晶基底。虽然，目前在小兴安岭—张广才岭地区还缺少古元古代地质体的报道，但近年来对松嫩地块碎屑锆石的年代学研究表明，在小兴安岭—张广才岭基岩出露区的东风山群、张广才岭群以及古生代等地层中存在古元古代碎屑锆石[27-28,37]，在松辽盆地北部徐家围子地区变质基底以及西乌珠穆沁旗本巴图组古生界地层中也发现存在古元古代碎屑锆石[38-39]，因此我们有理由相信松嫩地块可能存在古元古代结晶基底，并且这个“影子基底”成为本文讨论的早古生代片麻状花岗岩的岩浆源区。

4.3 东风山群的物质组成及原岩性质

东风山群源于1961年黑龙江省合江专署地质局第二地质队在鹤岗东风山一带所建立的东风山变质岩群[4]，根据综合对比将分布于汤原和伊春等地的一套含铁含硼变质岩系重新厘定为东风山群，时代置于古元古代并自下而上划分为亮子河组、桦皮沟组和红林组，3个组之间均被侵入的花岗岩所分割。前人多将东风山群视为一个整体来看待，即以连续沉积地层及其经历了相同变质作用演化为基础，认为它们共同经历了古元古代绿片岩相-角闪岩相区域变质作用。近年来所开展的锆石U-Pb定年研究表明，东风山群并不是一个具有正常沉积序列的变质地层单位，而是由一系列不同时代地质体组成的混杂体[15,27]，即具有构造混杂岩特征。

那么，东风山群的物质组成及原岩性质如何?权京玉等[28]在东风山群底部亮子河组石榴黑云片岩中获得的最年轻碎屑锆石U-Pb年龄为757 Ma，因而认为东风山群变质碎屑岩的原岩形成时代为新元古代。而高福红等[27]在亮子河组二云母片岩、黑云母石英片岩和变质粉砂岩中获得最年轻碎屑锆石U-Pb年龄分别为821 Ma、425 Ma和288 Ma，同时在东风山群红林组粉砂质板岩中获得最年轻碎屑锆石U-Pb年龄为272 Ma，这表明东风山群变质碎屑岩的原岩形成时代不仅包括新元古代，也包括早古生代以及晚古生代。另一方面，除了本文所确定的年龄为479～499 Ma的早古生代片麻状花岗岩外，还在东风山群中识别出一套由片麻状石英正长岩(929～871 Ma)、正长花岗岩(895 Ma)以及侵入其中的花岗伟晶岩(871 Ma)组成的新元古代花岗质岩石，而高福红等[27]则在该群红林组中确认存在一套年龄为271 Ma的花岗质片麻岩(原岩为花岗岩)。上述研究表明，东风山群的物质组成既包括不同时期形成的具有地层性质的变质碎屑岩(副变质岩)，也包括由不同时期岩浆侵位形成的花岗质岩石(正变质岩)。