吉林中部旺起花岗闪长岩锆石U<br/>--Pb年代学和岩石地球化学研究

吉林中部旺起花岗闪长岩锆石U
--Pb年代学和岩石地球化学研究

2019-04-09李翱鹏王聚胜付海城

世界地质 2019年1期

李翱鹏，王聚胜，付海城

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

0 引言

吉林中部位于华北克拉通北缘东段与中亚造山带东段交汇部位，经历了极其复杂的地质构造演化[1--6]，在古生代期间，构造演化主要受古亚洲洋构造体系控制，先后经历了额尔古纳地块、兴安地块、松嫩—张广才岭地块、佳木斯地块以及兴凯地块等多个微陆块的碰撞--拼贴[7, 8]，直至早--中三叠世古亚洲洋沿西拉木伦—长春—延吉一线完成最终闭合[6, 9--14]。中生代以来，该区构造演化主要受环太平洋构造体系控制[13,15,16]，并经历蒙古—鄂霍茨克构造体系的叠加和改造[17]。

关于古太平洋板块俯冲开始的具体时间仍存在争议，主要为两种不同认识：①俯冲开始于晚三叠世[18,19]；②俯冲开始于早--中侏罗世[6,13,14,20,21]。对于蒙古—鄂霍茨克构造体系，近年研究表明蒙古—鄂霍茨克大洋板块在晚二叠世—早侏罗世期间向中国东北发生持续的南向俯冲作用[22,23]，蒙古—鄂霍茨克洋东部的闭合时间为中侏罗世—早白垩世[24--28]。由于吉中地区经历了多个构造体系的演化、转换和叠加，目前对于吉中地区中侏罗世岩浆作用形成的构造背景存在多种观点：①与古亚洲洋的闭合相关[29]；②与古太平洋板块的俯冲作用相关[30,31]；③与蒙古—鄂霍茨克洋的闭合相关[17]。

为解决上述问题，笔者选取吉林中部旺起花岗闪长岩岩体为研究对象，进行了LA--ICP--MS锆石U--Pb测年和岩石地球化学研究，同时结合区域地质资料，探讨旺起花岗闪长岩岩体形成时代、岩石成因及其形成的构造背景，查明吉中地区中侏罗世岩浆作用与三大构造体系的关系。

1 地质背景及样品描述

1.1 地质背景

研究区旺起岩体在大地构造位置上，处于敦化—密山断裂以西，伊通—依兰断裂以东以及索伦—西拉木伦—长春缝合带以北的区域范围内，是张广才岭造山带的重要组成部分(图1b)。区内出露的地层较简单，仅见有第四系松散堆积物和始新世玄武岩，岩浆岩主要是燕山早期(中侏罗世)石英闪长岩，花岗闪长岩和二长花岗岩(图1a)。

1.2 样品描述

旺起岩体岩性主要为灰白色中细粒花岗闪长岩，出露于吉林省中部吉林市旺起镇东侧一带，不规则残留岩基状出露，总体呈北东向出露。岩体被中侏罗世二长花岗岩侵入，其中二长花岗岩LA--ICP--MS锆石U--Pb年龄为165.4±1.2 Ma(待发表数据)，被第四系松散堆积物不整合覆盖。岩体内见有闪长质包体，包体多呈椭圆状、长椭圆状，长轴大小在几厘米至三十几厘米不等(图2a)。

样品PM601--1采自吉林市旺起镇北东2.7 km处(126°46′15.1″E，43°36′18.7″N)，为中细粒花岗闪长岩。新鲜面呈灰白色(图2b)，中细粒花岗结构，块状构造。主要矿物：石英含量23%±，他形粒状，粒度0.2～2 mm，充填于长石矿物中，可见波状消光；钾长石含量15%，半自形--自形板柱状，粒度0.3～2.5 mm，卡氏双晶和格子双晶发育，具弱高岭土化；斜长石含量55%±，粒度0.5～3 mm，半自形--自形板状，细密的聚片双晶发育，环带构造发育；黑云母含量5%±，新鲜无蚀变，呈片状集合体，黄褐--深褐色，具明显多色性，绿泥石化较强，绿泥石含量2%±，粒度0.3～1.5 mm；副矿物可见有少量磁铁矿和磷灰石(图2c，图2d)。

2 分析方法

2.1 LA--ICP--MS锆石U--Pb定年

本文相关锆石样品挑选由河北省廊坊区域地质调查研究所实验室完成。对岩石样品进行常规机械粉碎，粉碎至80～100目，再进行重力分选和磁选，在双目镜下将不同特征的锆石粘在双面胶上，

待其固化之后，将表面打磨抛光至锆石中心。锆石样品的制靶、反射光、阴极发光图像采集以及锆石U--Pb年龄测定和锆石微量元素分析均在武汉上谱分析科技有限责任公司完成。本次测试采用激光器对锆石样品进行剥蚀，深度为20～40 μm，激光剥蚀束斑直径为30 μm，激光剥蚀过程中采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度。锆石U--Pb同位素定年微量元素含量处理中采用锆石标准91500和玻璃标准物质NIST610作外标分别进行同位素和微量元素分馏校正。29Si作为内标元素[32]。对分析数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素含量及U--Pb同位素比值和年龄计算)采用软件ICPMSDataCal完成。锆石样品的U--Pb年龄谐和图绘制和年龄加权平均计算采用Isoplot[33]完成，普通铅校正使用Anderson给出的程序计算。分析数据及锆石U--Pb谐和图给出误差为1 σ，表示95%的置信度。

2.2 岩石地球化学测试

本次实验主量及微量元素的分析测试均在国土资源部长春矿产资源监督检查中心完成。主量元素由X--射线荧光光谱仪(ADVANT’X)利用熔片X--射线荧光光谱法(XRF)测定，并采用等离子光谱和化学法测定进行相互检测。微量元素和稀土元素采用等离子质谱仪(X--series2)测定完成。主量元素分析精度及准确度优于5%，微量稀土元素分析精度和准确度优于10%。

3 分析结果

3.1 锆石LA--ICP--MS年代学

旺起花岗闪长岩锆石阴极发光图像(CL)显示，锆石晶体长约132～250 μm，宽58～126 μm，长宽比为1.07∶1到2.86∶1，大部分锆石自形程度较好，呈长柱状，少部分呈短柱状，这些锆石绝大多数可以分辨出明显的岩浆韵律环带(图3)，锆石中的U和Th含量范围变化不大，样品U含量为(201～610)×10-6，Th含量为(92～380)×10-6，Th/U值为0.35～0.62(>0.1)(表1)，具有典型岩浆成因锆石特点。该样品共获得20个较为谐和的锆石206Pb/238U年龄，206Pb/238U一致年龄范围为166～177 Ma，其加权平均年龄值为172.5±1.4 Ma(MSWD=2.4，n=20)(图4)。该年龄可以代表侵入岩体的结晶年龄，即中侏罗世。

图3 旺起花岗闪长岩部分锆石阴极发光图像Fig.3 Cathodoluminescence (CL) images of zircons selected for analysis from Wangqi granodiorite

3.2 地球化学特征

旺起花岗闪长岩主量元素分析结果(表2)显示，SiO2含量为65.03%～66.25%，Al2O3含量为15.41%～16.29%，K2O含量为2.58%～2.69%，Na2O含量为4.17%～4.29%，K2O+Na2O含量为6.65%～7.71%，Fe2O3含量为0.09%～1.60%，FeO含量为1.34%～2.70%，MnO含量为0.06%～0.08%，TFe2O3含量为4.66%～5.37%，MgO含量为1.85%～2.01%，CaO含量为3.73%～4.04%，P2O5含量为0.21%～0.24 %，Mg#为41～44。在TAS图解中样品集中落入花岗闪长岩区域内(图5a)；在SiO2-K2O图解中(图5b)，样品集中落入中钾钙碱性系列区域内；岩石铝过饱和A/CNK值为0.92～0.96，A/NK值为1.58～1.65，呈准铝质特征，在A/CNK-A/NK图解中(图5c)，样品集中落入准铝质区域内。综上分析认为旺起中细粒花岗闪长岩属于准铝质中钾钙碱性系列。

表1 旺起花岗闪长岩LA--ICP--MS锆石U--Pb 同位素分析结果Table 1 LA--ICPMS zircon U--Pb analyses of Wangqi granodiorite

表2 旺起花岗闪长岩主量元素(%)、微量(10-6)和稀土元素(×10-6)分析结果表Table 2 Compositions of major elements (%), trace elements(×10-6) and rare earth elements(×10-6)of Wangqi granodiorite

图4 旺起花岗闪长岩的锆石U--Pb年龄谐和图(a)和加权平均年龄(b)Fig.4 Zircon U--Pb concordia diagram (a) and weighted average age diagram (b) for Wangqi granodiorite

图5 旺起花岗闪长岩的TAS图解(a)、SiO2-K2O图解(b)和A/NK-A/CNK图解(c)(阴影数据引自[6,11,34--36])Fig.5 TAS diagram (a)、SiO2 -K2O diagram (b) and A/NK-A/CNK diagram (c) of Wangqi granodiorite

样品稀土元素分析结果显示(表2)，其具有较高的稀土元素总含量ΣREE=(140.83～183.89)×10-6，其轻稀土元素含量LREE=(130.45～172.65)×10-6，重稀土元素含量HREE=(10.38～12.75)×10-6，LREE/HREE=12.00～15.36。(La/Yb)N=15.23～21.23，(La/ Sm)N=8.99～12.85，(Gd/ Yb)N=0.95～1.07，表明岩石轻、重稀土元素分馏明显，且相对富集轻稀土元素，轻稀土元素内部分馏作用明显，重稀土元素相对亏损，且内部分馏不明显，在球粒陨石标准化配分图(图6a)上表现为明显的右倾模式，Eu/Eu*=0.74～0.92，具微弱的负铕异常，表明不存在斜长石分离结晶作用(或分离结晶作用不明显)。

通过原始地幔标准化微量元素蛛网图(图6b)可以看出，其微量元素含量与原始地幔相比，相对富集大离子亲石元素(LILE，Rb、Th、U等)，明显亏损高场强元素(HFSE，Nb、Ta、P、Ti等)。此外，旺起花岗闪长岩相对富集Sr，可能与斜长石的堆晶有关，P和Ti的亏损可能与磷灰石和钛铁矿的分离结晶有关，Nb和Ta的亏损可能与金红石和榍石的分离结晶有关。

图6 旺起花岗闪长岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b) (阴影数据引自文献[6,11,34--36])Fig.6 Chondrite normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle normalized trace element spider diagrams (b) of Wangqi granodiorite

4 讨论

4.1 吉林中部中侏罗世岩浆作用

前人对研究区内花岗岩的测年主要通过K--Ar法，将吉林中部旺起花岗闪长岩时代归为三叠纪，详细的锆石年代学资料极少。由于K--Ar 体系具有较低的封闭温度，并且该区经历了多次后期岩浆构造热事件的改造。因此，K--Ar年龄不能准确反映岩浆的侵位结晶年龄。通过旺起花岗闪长岩的锆石CL图像(图3)可以清楚地看出锆石具有典型的岩浆振荡生长环带，结合其较高的Th /U 比值(0.35～0.62)，说明它们均是岩浆结晶作用的产物，所测定的年龄应代表了岩体的形成时代。锆石U--Pb 定年结果显示旺起花岗闪长岩的形成时代为172.5 Ma，即中侏罗世，而并不是前人所定三叠纪。

旺起花岗闪长岩形成时代与邻区延边地区辉长岩(174 Ma)、闪长岩(172～175 Ma)、花岗闪长岩(172 Ma)[37]和二长花岗岩(171～172 Ma)[29,38]，以及辽源地区二云母二长花岗岩(172 Ma)、二长花岗岩(171 Ma)和花岗闪长岩(173 Ma)[6,17]的形成时代一致，暗示研究区及邻区中侏罗世岩浆作用的存在。

4.2 岩石成因

通过样品主、微量分析可知(表2)，旺起花岗闪长岩具有较高的SiO2含量(65.03%～66.25%，>55%)。由于地幔物质的部分熔融，只能形成玄武质和安山质熔体，不可能形成比中性岩(SiO2>55%)酸性程度更高的花岗岩[39,40]；并且岩石属于钙碱性系列，明显富集轻稀土元素(LREE)和大离子亲石元素(LILE，Rb、Th、U等)，亏损高场强元素(HFSE，Nb、Ta、P、Ti等)，具微弱的Eu负异常(幔源花岗岩具强烈的Eu负异常)，这些岩石地球化学特征，揭示了旺起花岗闪长岩岩浆来源于下地壳的部分熔融；此外，岩石Rb/Sr值为0.11～0.13，平均值为0.127(地壳平均值0.35，原始地幔平均值0.034)，Th/Nb值为1.40～1.87，平均值为1.64，(地壳平均值0.44，原始地幔平均值0.177)，Th/La值为0.35～0.41，平均值为0.38(地壳平均值0.205，原始地幔平均值0.125)，进一步说明岩浆源区起源于下地壳的部分熔融。

旺起花岗闪长岩与邻区同时代花岗质岩石具有相似的地球化学属性(图5,图6)，Na2O含量为4.17%～4.29%(>3.5%)，MgO含量为1.85%～2.01%(<3%)，Sr含量为(514～847)×10-6(>400×10-6)，Y含量为(12.8～15.8)×10-6(<18×10-6)，Yb含量为(0.63～1.60)×10-6(<1.9×10-6)，显示出埃达克岩的地球化学特征[41--43]。在YbN—(La/Yb)N图解和Y—Sr图解中(图7a，b)，旺起花岗闪长岩落入埃达克岩的范围内，以上岩石地球化学数据特征说明旺起花岗闪长岩与埃达克质岩石具有相似性。目前研究表明，埃达克岩的成因机制主要有4种：①与俯冲有关的洋壳(板片)的部分熔融作用[41,43,44]；②同时期玄武质岩浆的分离结晶作用[45,46]；③来源于加厚下地壳(铁镁质岩)的部分熔融作用[47,48]；④拆沉下地壳的部分熔融作用[49,50]。那么，吉林中部中侏罗世旺起花岗闪长岩是由哪种机制形成的呢？首先，与俯冲有关的洋壳部分熔融的埃达克岩，其岩石地球化学特征为具有较低的K2O含量，较高的Mg#值(Mg#>47)，较高的Cr含量(>36×10-6)，Rb/Sr比值为0.04～0.05，而旺起花岗闪长岩为一套准铝质中钾钙碱性花岗岩，具有较高的K2O含量(2.58%～2.69%)，较低的Mg#值(41～44)和Cr含量(22.04～28.97)×10-6，Rb/Sr比值为0.11～0.13，表明其岩浆不可能来源于与俯冲有关的洋壳部分熔融[41,43]；其次，研究区未发现同时代的大型基性岩岩体，仅在研究区北侧缸窑镇头道沟一带发现了中侏罗世早期角闪辉长岩岩体(170.3±1.7Ma，未发表资料)，其野外呈岩柱状产出，面积约为1 km2，很难通过玄武质岩浆的分离结晶作用来解释大面积产出的花岗岩，所以表明旺起花岗闪长岩的岩浆也不可能来源于玄武质岩浆的分离结晶[43,49]；此外，与拆沉下地壳部分熔融有关的埃达克岩，其岩石地球化学特征具较高的Mg#值(Mg#>45)，Nb/La比值<0.2[44]，而旺起花岗闪长岩的Mg#值为41～44，Nb/La比值介于0.18～0.26，均值0.23，表明其岩浆不是起源于拆沉下地壳部分熔融；旺起花岗闪长岩与加厚下地壳部分熔融形成埃达克岩的地球化学特征相似(MgO<2.5%，Mg#<50，Cr含量<36×10-6，Rb/Sr比值0.01～0.4)[51]，同时在SiO2—Mg#图解和SiO2—MgO图解中(图8a，b)，样品落入地壳部分熔融埃达克岩的范围内，进一步说明旺起花岗闪长岩起源于加厚下地壳的部分熔融，类似于C型埃达克岩。

图7 旺起花岗闪长岩的YbN - (La/Yb) N (a)和Y-Sr/Y(b)图解Fig.7 YbN-(La/Yb) N (a) and Y-Sr/Y(b) discrimination diagrams of Wangqi granodiorite

图8 旺起花岗闪长岩的SiO2-Mg# (a) )和SiO2-MgO (b) 岩石成因判别图解Fig.8 SiO2-Mg# (a) and SiO2-MgO (b) discrimination diagrams for petrogenesis of Wangqi granodiorite

4.3 构造背景

吉林中部位于兴蒙造山带东段[52]，经历了复杂的地质构造演化，那么中侏罗世旺起花岗闪长岩的形成是与古亚洲洋构造体系相关、还是与环太平洋构造体系相关，还是与蒙古—鄂霍茨克构造体系相关呢？

大兴安岭北段产出168 Ma形成于陆壳加厚背景下的埃达克质白云母花岗岩，表明额尔古纳地块西北部的蒙古—鄂霍茨克洋闭合于中侏罗世[28]。此外，大兴安岭北部的新开岭群石榴子石二云母片麻岩和风水沟河群斜长角闪岩的变质时代为170～160 Ma[53]，以及冀北—辽西地区存在同时代区域不整合(170 Ma)[54]，进一步说明蒙古—鄂霍茨克洋东段闭合时间为中侏罗世。然而，旺起花岗闪长岩的形成时代早于与蒙古—鄂霍茨克洋闭合相关的岩浆作用、变质作用和构造推覆作用，因此，笔者认为旺起花岗闪长岩的形成与蒙古—鄂霍茨克洋的闭合无关。

近年来的研究结果显示，吉林中部地区分布有大量的早侏罗世—中侏罗世早期(200～172 Ma)的花岗质侵入岩和少量的基性侵入岩[6,11,34--36]。其中花岗质侵入岩具有钙碱性I型花岗岩或埃达克质岩石的岩石地球化学特征，形成于活动大陆边缘环境；基性侵入岩岩浆形成机制，则与俯冲洋壳的部分熔融作用有关[11,35,55,56]；近年来在吉黑地区鉴别出大量与板块俯冲有关的增生杂岩带[19]；此外，小兴安岭—张广才岭产出同时代双峰式火成岩[35]；岩体总体呈NE--SW向分布，与东北亚大陆边缘近平行。这些特征说明古太平洋板块在早侏罗世—中侏罗世早期(200～172 Ma)存在向欧亚大陆下的俯冲作用，旺起花岗闪长岩形成于古太平洋板块俯冲形成的活动大陆边缘环境。

东北地区是由多地块碰撞--拼合而成，尽管在早--中三叠世古亚洲洋已经沿西拉木伦—长春—延吉一线完成了最终闭合[6,11]，但近年来的研究资料表明，在古亚洲洋闭合后，松嫩—张广才岭地块与佳木斯地块，仍然存在裂解(形成牡丹江洋)与碰撞--拼合，直至早--中侏罗世完成最终闭合，形成联合地块的构造事件[11,57]。而吉林中部天桥岗早侏罗世A型花岗岩[58]和鸦鹊村斜方辉橄岩(167.9±1.3 Ma，未发表数据)均应是这一构造事件的产物，代表了碰撞后的伸展环境。同时在大黑山(175.3 Ma)、石门(175.3 Ma)、旺起(172.5 Ma)、延边(175 Ma ～171 Ma)等地产出埃达克岩质岩石[29,56,59,60]，说明在吉林中部中侏罗世早期岩浆作用的形成也可能与松嫩—张广才岭地块与佳木斯地块碰撞--拼合(牡丹江洋闭合)相关。

综上所述，吉林中部旺起花岗闪长岩形成于古太平洋板块向欧亚大陆下俯冲形成的活动大陆边缘环境，并可能受到松嫩—张广才岭地块与佳木斯地块碰撞--拼合的叠加影响。