大兴安岭中段罕达盖地区早白垩世花岗岩的成因及其地质意义

2019-02-10贾海明景妍王清海兰丽雪井佳浩

世界地质 2019年4期

贾海明, 景妍, 王清海, 兰丽雪, 井佳浩

1.吉林省地质调查院，长春130102；2.吉林大学地球科学学院，长春130061；3.吉林大学东北亚国际地学研究与教学中心，长春130026

0 引言

大兴安岭地区位于中亚造山带东段，以广泛发育的显生宙花岗质侵入体为特征[1]。20世纪80年代以来，众多学者对大兴安岭地区的花岗质侵入体进行了详细的野外地质踏勘工作，认为这些花岗质侵入体是古生代板块俯冲-碰撞不同阶段的产物[2-3]。然而，近年来已发表的高精度年代学研究结果证实大兴安岭地区的花岗质侵入体主要形成于中生代。目前，关于大兴安岭中生代岩浆作用相关的地球动力学机制问题尚存较大争议，广泛发育的中生代花岗岩及火山岩是古太平洋板块俯冲作用的产物，还是蒙古—鄂霍茨克洋南向俯冲作用的结果？大兴安岭地区大面积分布的中生代花岗岩是中国东北地区岩浆岩的重要组成部分，其形成与演化过程对于了解中生代构造演化历史具有重要意义[1,4]。笔者选择大兴安岭中段罕达盖地区早白垩世花岗岩为研究对象，对其进行详细的岩相学、年代学、岩石学及地球化学研究，探讨大兴安岭地区中生代花岗岩的形成时代与岩石成因，从而对其深部地球动力学机制进行制约。

1 地质概况及样品特征

研究区位于内蒙古自治区呼伦贝尔市新巴尔虎左旗罕达盖嘎查东南部，北与诺门罕布日德、查干诺尔嘎查毗连，南接兴安盟阿尔山市，西与蒙古国接壤，东与乌布尔宝力格交界。大地构造位置上，研究区属于兴安地块(图1a)。兴安地块北与额尔古纳地块相接，南与松嫩地块相连，是东北地区重要的微陆块之一。前人曾认为兴安地块具有前寒武纪基底(扎兰屯群与新开岭群)，但是详细的年代学研究资料证实二者的原岩年龄为中生代、晚古生代及早古生代[5-7]。近年来高精度年代学研究结果显示兴安地块主要发育中生代及古生代花岗质岩石及火山岩。笔者选择罕达盖岩体作为研究对象，该岩体主要由二长花岗岩组成，岩石具有中细粒半自形结构，块状构造。罕达盖二长花岗岩主要由石英(30%～35%)+碱性长石(30%～35%)+斜长石(25%～30%)+黑云母(～5%)组成。石英呈他形，粒径为0.2～2.0 mm，一级黄白干涉色，部分颗粒具有波状消光；碱性长石主要为条纹长石和微斜长石，呈半自形板柱状，粒径为0.5～2.5 mm，一级灰白干涉色，条纹长石发育条纹结构，微斜长石具有典型格子双晶；斜长石主要呈半自形板柱状，粒径为0.5～2.5 mm，一级灰白干涉色，具有聚片双晶；黑云母为片状、叶状，粒径为0.1～1.0 mm。此外，研究区二长花岗岩的副矿物主要为锆石、磷灰石及榍石等(图2)。

图1 中国东北地区构造简图 (a)[4] 和罕达盖地区地质简图 (b)Fig.1 Tectonic divisions of Northeast China (a) and simplified geological map of Handagai area (b)

Qtz.石英；Kfs.钾长石；Pl.斜长石；Bi.黑云母。图2 高吉山花岗岩的镜下显微照片Fig.2 Photomicrographs of Gaojishan granites

2 分析方法

样品的锆石分选工作由河北省廊坊市区域地质调查研究所完成；锆石靶的制作工作及锆石阴极发光CL图像采集由北京凯德正科技有限公司完成。挑选透明度高、晶形完好及裂纹不明显的锆石进行锆石U-Pb同位素测年工作，在中国科学院地质与地球物理研究所实验室完成。锆石同位素分析通过激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪(LA-ICP-MS)完成，其中激光束斑直径为36 μm。U-Pb同位素比值及元素含量数据处理通过Glitter(ver.4.4)程序，普通铅校正依据Anderson(2002)[8]方法，样品锆石U-Pb年龄计算通过国际标准程序Isoplot(ver.3.0)完成。

在锆石U-Pb同位素分析基础上，对罕达盖岩体中锆石进行原位Hf同位素分析测试，该项测试工作在中国科学院地质与地球物理研究所实验室完成，分析通过193 nm激光系统与Neptune Plus多接收电感耦合等离子体质谱仪(LA-MC-ICP-MS)联用完成。采用高纯度氦气(He)作为剥蚀物质的载气，激光束斑直径为 63 μm。详细实验原理和操作步骤见Wu et al.(2006)[9]。

全岩主、微量元素分析由核工业北京地质研究院分析测试中心完成。其中，主量元素分析通过X-射线荧光光谱(XRF)玻璃熔片法，分析精度和准确度优于5%；微量元素分析通过电感耦合等离子质谱法，分析精度和准确度一般优于10%。

3 分析结果

3.1 锆石U-Pb年龄及Hf同位素特征

为确定罕达盖岩体的形成时代，对二长花岗岩样品(13GW407)进行LA-ICP-MS 锆石U-Pb 同位素分析测试。样品(13GW407)中锆石自形程度较好,长柱状，且发育岩浆震荡生长环带，指示罕达盖岩体中锆石具有岩浆成因特征[10-11]。LA-ICP-MS锆石 U-Pb测试结果如表1和图3所示，Hf同位素分析测试结果见表2和图4。

图3 高吉山花岗岩U--Pb年龄谐和图及CL图像Fig.3 U--Pb concordia diagram and CL image of Gaojishan granites

对罕达盖二长花岗岩样品(13GW407)进行了16个锆石点分析，主要由3组年龄组成:其中第一组由1个点组成，206Pb/238U年龄为351 Ma;第二组由11个点组成，206Pb/238U年龄变化于320～328 Ma之间，加权平均年龄为324±2 Ma(MSWD=0.53；n=11);第三组由4个点组成，206Pb/238U年龄变化于137～135 Ma之间，加权平均年龄为136±2 Ma(MSWD=0.33；n=4),该组年龄测试点全部落在U-Pb谐和线上，为样品中锆石最小年龄。前两组年龄代表岩浆捕获早期锆石，而第三组年龄为岩浆侵位结晶的年龄。此外，早白垩世罕达盖岩体中二长花岗岩(样品13GW407)中4个岩浆锆石分析点均具有较高εHf(t)值(+5.9～+11.3)，二阶段模式年龄(TDM2)为811～465 Ma(图4)。

表2 高吉山花岗岩锆石Hf同位素分析结果

Table 2 Zircon Hf isotopic analysis data for Gaojishan granites

样品号t /Ma176Yb/177Hf176Lu/177Hf176Hf/177Hf2σεHf(0)εHf(t)TDM1(Hf)TDM2(Hf)fLu/Hf13GW407 021360.052 5610.002 156 0.282 861 0.000 033 3.1 5.9 572 811 -0.94 13GW407 041360.075 388 0.002 552 0.282 901 0.000 038 4.6 7.3 520 723 -0.92 13GW407 071360.039 742 0.001 569 0.283 012 0.000 038 8.5 11.3 345 465 -0.95 13GW407 081360.043 513 0.001 639 0.282 903 0.000 020 4.6 7.5 504 714 -0.95

图4 高吉山花岗岩的锆石εHf(t)-T图解[17]Fig.4 Cross plot of εHf(t) versus T(Ma) for zircons of Gaojishan granites

3.2 岩石地球化学特征

早白垩世罕达盖岩体具有富硅、富碱及贫铁、镁、钙的特点(表3)。该岩体中二长花岗岩样品(13GW407和13GW408)的SiO2含量为74.66%～75.34%，全碱(K2O+Na2O)含量为8.98%～9.85%，Al2O3含量为13.45%～13.49%，TFe2O3含量为0.62%～0.73%，MgO含量为0.13%～0.14%，CaO含量为0.31%～0.33%(表2)。二长花岗岩样品在TAS分类图解中均落在亚碱性系列花岗岩范围内(图5a)。同时，二长花岗岩样品表现出高钾钙碱性(图5b)以及弱过铝质(图5c)系列岩石特征。此外，罕达盖岩体的稀土元素配分模式表现出轻稀土元素富集右倾型(图6b)，重稀土元素内部分馏不明显，同时具有显著的铕负异常(Eu/Eu*=0.41～0.44)，暗示岩浆演化过程中发生斜长石的分离结晶或岩浆源区存在斜长石残留。罕达盖岩体的原始地幔标准化蛛网图(图6a)中，二长花岗岩样品富集大离子亲石元素(如K、Rb、Sr等)，亏损高场强元素(如Nb、Ta、Ti等)。

表3 高吉山花岗岩的主量元素(10-2)和微量元素(10-6)分析

Table 3 Major(10-2)and trace element(10-6)data for Gaojishan granites

样品号13GW40713GW408样品号13GW40713GW408SiO275.34 74.66 Nb4.794.47TiO20.08 0.06 Cs4.914.87Al2O313.49 13.45 Ba392.00317.00TFe2O30.73 0.62 La14.2013.20MnO0.01 0.01 Ce28.4025.80MgO0.14 0.13 Pr3.232.90CaO0.31 0.33 Nd12.2010.70Na2O3.14 4.00 Sm2.572.28K2O5.84 5.85 Eu0.350.33P2O50.03 0.03 Gd2.612.23LOI0.57 0.54 Tb0.550.44Total99.68 99.68 Dy3.742.57A/CNK1.121.10Ho0.680.57V4.373.61Er2.931.81Co1.340.63Tm0.410.32Ni1.921.25Yb2.542.11Ga12.1012.10Lu0.380.31Rb168.00158.00Hf1.831.95Sr68.2058.60Ta0.640.67Y26.6017.10Th15.1015.00Zr36.9041.10U1.821.76

图5 高吉山花岗岩TAS图解[12] (a)，K2O-SiO2图解[13](b)和A /NK-A/CNK图解[14](c)Fig.5 TAS (a)，K2O versus SiO2 (b) and A/NK versus A/CNK (c) diagrams for Gaojishan granites

图6 高吉山花岗岩 (a) 稀土元素配分图[15]和 (b) 微量元素蛛网图[16](大兴安岭地区早白垩世花岗岩数据来自谢健[22] )Fig.6 Chondrite-normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle-normalized spider diagrams (b) for Gaojishan granites (The data of Early Cretaceous granites in Great Xing’an Range is from Xie et al.)

4 讨论

4.1 形成时代

虽然前人对大兴安岭地区出露的花岗质岩石进行了较多研究，并取得了一定的认识成果，但是缺乏高精准的年代学和地球化学资料，严重阻碍了对大兴安岭地区不同时代花岗岩的成因及构造机制进行更深的讨论和认识。笔者对罕达盖二长花岗岩样品进行LA-ICP-MS 锆石U-Pb年代学研究工作，测试结果显示样品13GW407具有3组年龄，其中136±2 Ma代表最年轻锆石的加权平均年龄，为岩浆侵位结晶的年龄。其他两组年龄均为石炭纪，代表岩浆捕获早期锆石。大兴安岭地区位于兴蒙造山带的东段，以广泛分布的显生宙花岗质侵入岩为特征。近几年的研究资料显示，大兴安岭地区花岗岩主要形成于3个时期：①石炭纪—二叠纪，主要岩性为碱性花岗岩、碱长花岗岩、二长花岗岩、花岗闪长岩和花岗斑岩，多属于I型花岗岩，沿黑河—贺根山缝合带呈北东向展布[1,4,18-19]；②晚三叠世—中侏罗世，主要岩性为二长花岗岩和花岗闪长岩，主要分布于兴安地块的北部[1,4,20-21]；③早白垩世主要岩性为花岗闪长岩、二长花岗岩、正长花岗岩、碱长花岗岩和花岗斑岩，遍布整个大兴安岭地区，呈北北东向展布[1,4,20-22]。通过对大兴安岭地区显生宙花岗质岩石进行深入研究，不仅能够探讨深部地球动力学机制，而且对理解中国东北地区构造演化历史具有重要意义。

4.2 岩石成因

目前，根据地球化学特征及岩石成因，通常将花岗质岩石分为I、S、M和A型[23]。通过对花岗质岩石进行深入研究，不仅能够探讨岩石成因，而且为了解深部地球动力学机制提供重要信息。为此，笔者对大兴安岭中段罕达盖地区早白垩世二长花岗岩进行年代学与地球化学研究。

通过对岩石学和地球化学特征进行研究，笔者认为大兴安岭中段罕达盖地区早白垩世二长花岗岩为I型花岗岩。罕达盖岩体具有富硅、富碱及贫铁、镁、钙的特点，排除M型花岗岩的可能。而且，罕达盖岩体中代表性二长花岗岩具有典型I型花岗岩的特征矿物—黑云母，并不发育S型花岗岩(如白云母、堇青石以及石榴石等)的特征矿物。同时，罕达盖岩体中代表性样品具有弱过铝质特征，暗示其并不是S型花岗岩。此外，罕达盖二长花岗岩样品的10 000*Ga/Al值为1.69～1.70(<2.6)，推测罕达盖岩体不是A型花岗岩。同时结合花岗岩类型判别图解(图7a，b)，笔者认为大兴安岭中段罕达盖地区早白垩世二长花岗岩属于I型花岗岩。

图7 高吉山花岗岩成因类型判别图解Fig.7 Discrimination diagrams of genetic types for Gaojishan granites

关于大兴安岭中段罕达盖地区早白垩世二长花岗岩的成因问题，笔者认为其源于下地壳物质的部分熔融。大兴安岭地区广泛发育的中生代花岗岩[1,4]，如此大规模的酸性岩浆作用不太可能由基性岩浆的分离结晶作用形成。此外，大兴安岭中段五岔沟地区位于研究区附近，同样发育大量早白垩世花岗岩[22]，而且这些早白垩世花岗岩的地球化学特征与研究区罕达盖早白垩世二长花岗岩相似，为本文中花岗岩的成因研究提供了有力证据(图7)。罕达盖岩体具有富硅、富碱及贫铁、镁、钙的特点，富集轻稀土元素和大离子亲石元素(如K、Rb、Sr等)，亏损重稀土元素与高场强元素(如Nb、Ta、Ti等)，暗示岩浆起源于下地壳物质的部分熔融。同时，研究区二长花岗岩中岩浆锆石具有较高εHf(t)值(+5.9～+11.3)以及较年轻TDM2(811～465 Ma)，因此认为早白垩世罕达盖岩体为新元古代—显生宙期间从亏损地幔中新增生地壳物质部分熔融的产物。

4.3 构造意义

大兴安岭地区位于中亚造山带东段，以广泛发育显生宙花岗岩为特征[1]。近几年的研究资料显示，大兴安岭地区花岗岩主要形成于3个时期，①石炭纪—二叠纪[1,4,18-19]；②晚三叠世—中侏罗世[1,4,20-21]；③早白垩世[1,4,20-22]。关于晚古生代岩浆作用的产生，其可能与古亚洲洋构造域的演化密切相关[1,4,18-19]。然而，关于大兴安岭中生代岩浆作用相关的地球动力学机制问题尚存较大争议，广泛发育的中生代花岗岩及火山岩是古太平洋板块俯冲作用的产物，还是蒙古—鄂霍茨克洋南向俯冲作用的结果？目前，已有大量资料显示大兴安岭在早白垩世期间已处于伸展背景下，其中变质核杂岩的发育、非造山板内A型花岗岩的形成以及长英质-镁铁质脉体(双峰式)的出现[24-36]均为伸展环境提供有力证据。那么，该伸展机制与古太平洋板块俯冲作用有关，还是受蒙古—鄂霍茨克洋构造域的影响？

根据地震层析成像技术，Van der Voo et al.[37]认为蒙古—鄂霍茨克洋向北俯冲于西伯利亚克拉通之下，而不存在南向俯冲作用，同时相关研究结果认为蒙古—鄂霍茨克洋的最终闭合时间不少于170 Ma[38]。因此，大兴安岭早白垩世伸展作用与蒙古—鄂霍茨克洋闭合后的伸展作用无直接联系，暗示该伸展机制可能与古太平洋板块俯冲作用有关。早白垩世时期，大兴安岭地区古太平洋板块的俯冲作用导致地壳加厚，由于重力失稳，加厚地壳与岩石圈地幔发生拆沉作用，从而岩石圈发生伸展减薄以及软流圈地幔物质上涌。因此，大兴安岭地区在伸展环境下，上涌软流圈加热下地壳形成大规模的岩浆作用。