大兴安岭北段松岭地区早白垩世花岗岩年代学及地球化学特征

2019-10-23邹孝文张彦龙严维兵董玉陈会军

世界地质 2019年3期

邹孝文, 张彦龙,2, 严维兵, 董玉, 陈会军

1.吉林大学地球科学学院，长春 130061；2.国土资源部东北亚矿产资源评价重点实验室，长春 130061；3. 江苏省地质勘查技术院，南京 210049；4.中国地质调查局沈阳地质调查中心，沈阳 110034

0 引言

中国东北地区广泛出露的显生宙花岗岩是当前地质学研究的热点，而大兴安岭地区花岗岩尤为引人注目[1]。大多学者认为大兴安岭“花岗岩海”的形成受古亚洲洋俯冲消减和闭合拼贴作用控制，多形成于海西期[2--3]。近20多年，随着同位素测试技术的发展，大量中生代花岗质岩石陆续被识别出来，但对于这些花岗岩形成的构造背景仍存在争议，由于其所处的特殊构造位置，不少学者认为其形成与蒙古—鄂霍茨克洋的闭合作用有关，也有学者认为其形成受古太平洋板块俯冲作用影响[1,4--7]。本文所研究的松岭地区花岗岩，其中松树林岩体因岩貌特征原被定为海西期岩浆活动产物，而二根河岩体被认为是燕山早期侵入岩体[8--9]。由于缺乏精确的年代学资料，严重影响对研究区花岗岩形成时代及成因等方面的正确认识。因此，笔者对上述两岩体中代表性样品进行岩石学、地球化学和锆石U

--Pb同位素分析，探讨花岗岩的形成时代、成因类型及其相关的地球动力学背景。

1 地质背景

位于中国东北地区的兴蒙造山带是一个在古生代—中生代期间由额尔古纳地块、兴安地块、松嫩—张广才岭地块、佳木斯—兴凯地块和那丹哈达地体等拼贴而成的增生型造山带。花岗岩出露广泛的大兴安岭以南北向贯穿额尔古纳地块、兴安地块和松嫩地块。松岭地区位于大兴安岭北部，紧邻加格达奇，大地构造的位置属于兴安地块(图1)。研究区变质结晶基底有兴华渡口群、落马湖群、新开岭群、风水沟河群和扎兰屯群，主要岩石类型包括片麻岩类、片岩类、变粒岩类、斜长角闪岩和大理岩等[10--11]。出露的古生代地层以泥鳅河组(D1n)为代表，主要岩石类型为砂岩、粉砂岩、黏土岩和黏土岩夹细砂岩等；中生代地层包括龙江组(J3l)、九峰山组(J3j)和甘河组(J3g)，主要由火山--沉积岩组成。区内燕山期花岗岩岩浆活动强烈，受断裂控制。按1∶200 000加格达奇幅和松岭幅地质图将其划分为松树林岩体和二根河岩体。

松树林岩体分布于翠峰地区，以岩基状产出，出露面积达1 672 km2。该岩体多被第四纪沉积物覆盖，根据岩性岩貌特征，原被认为是海西晚期岩浆活动的产物[8--9]。该岩体主要岩石类型为二长花岗岩，并出现少量花岗闪长岩和正长花岗岩。二长花岗岩风化面呈土黄色，新鲜面呈浅灰色--灰白色，常呈细粒半自形粒状结构，块状构造，暗色矿物含量较低；主要矿物组成：斜长石(40%～45%)+石英(20%～25%)+碱性长石(25%±)+黑云母(5%±)，斜长石聚片双晶、环带结构较为普遍，中心位置易发生绢云母化，碱性长石多为条纹长石和微斜长石；副矿物有磷灰石、锆石及榍石等(图2a)。

图1 东北地区大地构造图及松岭地区地质简图Fig.1 Geotectonic map of Northeast China and sketched geological map of Songling area

Qtz.石英；Kfs.钾长石；Pl.斜长石；Bi.黑云母。图2 松岭地区早白垩世花岗岩类显微照片Fig.2 Microphotographs of Early Cretaceous granites in Songling area

二根河岩体出露于二根河上游，由于后期构造破坏影响，各相带出露不规则，该岩体整体呈近南北向岩基状产出，南北长约25 km，东西宽约14 km。岩体从内部相过渡到边缘相粒度逐渐变细，因岩石中暗色矿物较少而被前人定为燕山早期的“白岗岩”[8--9]。该岩体岩石类型主要为二长花岗岩和正长花岗岩，岩石风化面呈灰白色--淡肉红色，细粒、中粒花岗结构，块状构造；矿物组成：石英(30%±)+ 碱性长石(35%～50%)+ 斜长石 (25%) + 黑云母(2%～3%)，碱性长石以条纹长石和微斜长石为主，斜长石发育聚片双晶；副矿物有锆石、榍石及磷灰石等(图2b)。

2 分析方法

本次锆石U--Pb同位素分析及全岩主、微量元素测定在西北大学地质学系大陆动力国家重点实验室完成。用于测年的样品先进行粉碎挑选锆石，之后在双目镜下挑选出晶形较完整、透明度较好，无裂痕无包裹体的锆石颗粒，将其粘贴在双面胶上固定，并用环氧树脂制靶。测试过程以He作为剥蚀物质的载气，8 Hz的激光频率、80 mJ的激光强度和40 μm束斑直径的激光进行单点剥蚀，采用美国国家标准参考物质NIST SRM610进行仪器最佳化，利用哈佛大学国际标准锆石91500作为外部校正。其详细步骤与袁洪林等[12]所述相同。

全岩主、微量元素测定时，选择最新鲜的样品在无污染设备中磨至200目。主量元素分析在X荧光光谱仪(XRF, RIGAKU 2100)上完成，对于含量>10%的元素，其分析误差<1%，而含量<1%的样品，其误差大约为10%。微量元素则由ICPMS(Agilent 7500a)分析，测试精度分析精度和准确度分别优于5%和10%，样品制备流程可见刘晔等[13]。

3 分析结果

3.1 锆石U--Pb年代学

本文选择两个代表性样品进行锆石LA--ICP--MS锆石U--Pb同位素分析，测试结果见表1。由于所测定的岩石形成于中生代，其结果以206Pb/238U年龄计算，年龄误差为2 σ。锆石U--Pb测试结果如表1和图3所示。

样品GW04459采自松树林岩体(采样位置坐标：50°47′58.1″N，124°07′32.7″E)，岩性为中细粒黑云母二长花岗岩。21个锆石测试分析结果显示：Th/U值介于0.53～2.08，属岩浆成因锆石。测试数据中有5个测试点的206Pb/238U表面年龄为170～355 Ma，代表其为捕获锆石。其余16个测试数据都集中分布在谐和线上及附近，206Pb/238U表面年龄集中在120～125 Ma(图3a)，加权平均年龄为122±1 Ma(MSWD=4.3)，代表该二长花岗岩的形成时代为早白垩世。

图3 松岭地区早白垩世花岗岩类的锆石U--Pb谐和图Fig.3 Zircon U--Pb concordia diagrams of Early Cretaceous granites in Songling area

样品编号含量/10-6PbThUTh/U同位素比值±1σ年龄/Ma±1σ207Pb/235U206Pb/238U207Pb/235U206Pb/238UGW04459--0110.902974290.690.147070.002700.019570.0001313921251GW04459--027.391153260.350.125980.003290.019340.0001512031241GW04459--0316.204627270.640.145660.003490.019260.0001513831231GW04459--0425.5014208701.640.129450.002410.018710.0001212421201GW04459--0529.5019608882.210.132520.002440.019190.0001312621231GW04459--0630.2024114200.170.129030.001760.018790.0001112321201GW04459--072.4610386.71.180.134990.006990.019200.0002312961231GW04459--0812.105124271.200.130800.002600.019330.0001312521231GW04459--094.471301760.740.130370.005910.019000.0002112451211GW04459--1022.4041710000.420.130990.002100.019430.0001212521241GW04459--1112.502385340.440.135700.003020.019060.0001412931221GW04459--129.454063241.250.130590.003950.019540.0001612541251GW04459--1310.202783200.870.200060.006190.026860.0002418551712GW04459--147.771113280.340.128550.003150.019050.0001412331221GW04459--1538.3011105442.040.403970.005000.054680.0003234543432GW04459--168.58781370.570.344160.007330.047460.0003430062992GW04459--1732.7036914600.250.130880.001910.018810.0001112521201GW04459--1851.2091.27390.120.436490.005130.056570.0003036843552GW04459--1911.701903300.580.183370.003290.026730.0001717131701GW04459--205.893071851.660.129690.005460.019050.0002012451221GW04459--2121.904999260.540.154050.004640.019320.0001714541231GW04448--012.6812883.71.530.129270.007410.019340.0002412371232GW04448--029.983683351.100.142540.002900.020020.0001413531281GW04448--0311.103863920.990.134370.002960.020000.0001412831281GW04448--0411.404144001.030.129520.006270.018890.0001712461211GW04448--059.922943630.810.142520.004240.019530.0001413541251GW04448--0617.107765851.330.143840.003210.019200.0001413631231GW04448--0723.8010307751.330.136270.001640.020040.0001113011281GW04448--0866.90423020402.080.130600.001390.019400.0001112511241GW04448--0913.104503751.200.128980.005750.019170.0001312351221GW04448--106.321892350.810.136280.003510.019650.0001513031251GW04448--1117.9057904991.160.153790.006280.019710.0001314561261GW04448--1220.9012506182.030.142140.002960.019570.0001413531251GW04448--1315.107064621.530.135340.004610.020000.0001312941281GW04448--1414.405875041.160.130740.002580.019460.0001312521241GW04448--1511.504843891.250.131730.002750.019710.0001312621261GW04448--1614.206864841.420.133600.004720.019140.0001812741221GW04448--176.261762410.730.135180.004140.019460.0001712941241GW04448--189.293663171.150.134460.005070.020040.0002012851281GW04448--1910.602214140.530.141940.002590.019590.0001313521251GW04448--2013.905134881.050.136070.002250.019930.0001213021271

样品GW04448采自二根河岩体(采样位置坐标：50°35′25.6″N，124°16′36.1″E)，岩性为细粒正长花岗岩。20个锆石测试分析结果显示：Th/U比值介于0.12～2.21，属岩浆成因锆石。测试数据中20个测试数据都集中分布在谐和线上，206Pb/238U表面年龄集中在121～128 Ma(图3b)，加权平均年龄为125±1 Ma(MSWD=5.9)，反映该正长花岗岩形成时代为早白垩世。

3.2 岩石地球化学特征

由于松岭地区花岗岩岩性单一，每个岩体都只选择了1件样品进行地球化学分析。笔者总结了研究区同时代花岗岩地球化学数据[14--17]，并与两岩体进行对比分析。

3.2.1 主量元素

松岭地区早白垩世花岗岩的SiO2含量较高，介于74.33%～76.63%之间，Al2O3含量为12.06%～13.76%，CaO含量变化较大，松树林二长花岗岩CaO含量为1.32%，二根河正长花岗岩含量仅为0.28%。花岗岩全碱K2O+Na2O含量为7.84%～8.93%，Na2O/K2O为0.98～1.18，里特曼指数(σ)为1.96～2.37，属钙碱性系列岩石(表2)。在SiO2-K2O图解上(图4a)，样品都落在高钾钙碱性系列区，与区内其他类型花岗岩特征相似。样品的铝饱和指数A/CNK值为0.95～1.04，在A/CNK-A/NK图解上样品与区内其他类型花岗岩一并表现出准铝质--弱过铝质的特征(图4b)。

表2 松岭地区早白垩世花岗岩类主量元素(10-2)和微量元素(10-6)分析结果

图4 松岭地区早白垩世花岗岩类K2O- SiO2图解[14](a)和A/NK-A/CNK图解(b)[15](引用数据[16--19])Fig.4 K2O versus SiO2 (a) and A/NK versus A/CNK (b) diagrams for Early Cretaceous granites in Songling area

3.2.2 微量元素

松岭地区花岗岩稀土元素测试分析结果显示，两岩体地球化学特征基本一致，样品的(La/Yb)N比值10.4～11.9，都表现为轻稀土富集、重稀土亏损的“右倾”配分型式(图5a)。松树林岩体稀土元素总量略低为89.5×10-6，铕负异常不明显(Eu/Eu*=0.65)；而二根河岩体稀土元素总量相对偏高(∑REE=254.1×10-6)，铕负异常明显(Eu/Eu*=0.16)，这与岩相学中斜长石和CaO含量低的特征相一致，说明岩浆经历了较高程度的演化。在微量元素蛛网图(图5b)中，两岩体均富集Rb、K、Pb等，亏损Sr、P、Ti及高场强元素Nb、Ta等。松树林岩体具有明显高Sr和低Y、Yb的特征；而二根河岩体相对富集Th、U，明显低Ba、Sr高Y、Yb。

图5 松岭地区早白垩世花岗岩类稀土元素配分模式[20](a)和微量元素蛛网图(b) [21]Fig.5 Chondrite-normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spidergrams (b) of Early Cretaceous granites in Songling area

4 讨论

4.1 花岗岩的形成时代

花岗质岩石在大兴安岭地区分布广泛，准确厘定其形成时代对花岗岩成因及地球动力学研究具有重要意义。早期由于测年技术落后，前人多利用岩石、岩相特征及岩体侵入关系确定花岗岩的形成时代。本次研究的松岭地区的松树林岩体原本认为是海西晚期岩浆活动产物，因其被上二叠统星火组(P2x)和中--上侏罗统壮志组(J2-3z)地层覆盖。但新的锆石U--Pb测年结果证明研究区原定星火组和壮志组中火山岩均形成于早白垩世(120～123 Ma)[22]，因而二根河岩体形成时代存在极大的不确定性，需要高精度同位素测年数据的支持。本次研究所选样品为松树林岩体和二根河岩体的主体岩石类型，通过锆石原位LA--ICP--MS U--Pb测试，结果显示其结晶年龄分别为122±1 Ma和125±1 Ma，代表松岭地区花岗岩为早白垩世岩浆活动的产物。结合邻区报道的大黑山碱长花岗岩(124±1 Ma)[16]、四十里甸子花岗斑岩(128±1 Ma)[16]、新林花岗杂岩体(124 Ma)[17]、林海花岗闪长岩(132±3 Ma)[23]和前进林场花岗岩(131±3 Ma)[23]等，以及本区龙江组火山岩，表明早白垩世岩浆活动在兴安地块北部广泛发育。

4.2 岩石成因

由于成因类型的不同，花岗岩可以分为I型、S型、M型和A型[24--25]。松岭地区早白垩世花岗岩主要由石英、碱性长石、斜长石、黑云母，以及锆石、榍石和磷灰石等副矿物组成，以岩基状产出。从矿物组合及结构特征来看，不具有典型M型花岗岩特征。岩体均未出现典型过铝质矿物(如堇青石、白云母和石榴子石等)及碱性暗色矿物(如霓石、钠闪石和钠铁闪石等)，因此不具有S和A型花岗岩的成因特征。松岭地区早白垩世花岗岩出现榍石，地球化学上属高钾钙碱性系列，A/CNK值<1.05，富集Rb、K、Pb等，亏损Ta、Sr、Ba、P、Ti等，上述特征说明松岭地区早白垩世花岗岩成因类型为I型花岗岩。

松树林岩体与二根河岩体虽然形成时代接近，但其不同的地球化学特征(图4、图5)，暗示其可能具有不同的岩浆起源。林强[26]将中生代花岗岩与流纹岩地球化学特征进行对比，划分出高Sr和低Sr两类花岗岩。在Zr-Ba-Sr图解(图6)中，本文所研究的松树林岩体样品(Sr：344×10-6)与大黑山碱长花岗岩[16]、四十里甸子花岗斑岩[16]和新林花岗杂岩体[17--18]落入高Sr花岗岩区，而二根河岩体样品(Sr：4.1×10-6)以及甘河碱长花岗岩[18]落入低Sr花岗岩区。研究发现，大部分高Sr花岗岩中有岩浆混合成因的暗色微粒包体。因此认为在壳幔相互作用过程中，起源于地幔的基性岩浆底侵下地壳，导致新生下地壳物质发生部分熔融形成的中酸性岩浆，并与基性岩浆发生混合作用形成了高Sr花岗岩[16--18]。低Sr花岗岩与低Sr流纹岩具有相同的地球化学特征，其岩浆可能来源于大兴安岭碱性系列玄武岩的低程度部分熔融作用[26]。

图6 大兴安岭中生代花岗岩Zr-Ba-Sr图解[16--19]Fig.6 Zr-Ba-Sr plot for Mesozoic granitoids from Great Xing’an Range

4.3 构造意义

东北地区中生代花岗岩形成的构造背景是地学研究的热点问题之一[1]。兴安地块北部早白垩世花岗岩为一套高钾钙碱性系列的花岗闪长岩--二长花岗岩--正长花岗岩--碱长花岗岩的岩石组合，地球化学上富集大离子亲石元素及Th、U，亏损高场强元素Nb、Ta等，整体表现出活动大陆边缘环境的岩石组合和地球化学特征。此外，(La/Yb)N-(Yb)N图与构造环境判别图解(图7)中所有样品均落入典型的火山岛弧区，暗示了该研究区在早白垩世花岗岩的形成与俯冲作用关系密切。

中生代以来大兴安岭地区构造岩浆事件受多重构造域控制。部分学者认为大兴安岭北部蒙古—鄂霍茨克洋在中侏罗世自西向东呈剪刀式闭合[27--28]，而后在早白垩世因重力垮塌而形成大规模与伸展背景有关的岩浆事件[29--30]；也有部分学者认为古太平洋板块从侏罗纪时开始向亚洲大陆东部俯冲，并在其边缘发育大量侏罗纪—白垩纪拼贴杂岩[6, 31]，俯冲导致岩石圈加厚，因拆沉而引起的岩石圈减薄是形成早白垩世大规模岩浆作用的最主要原因。大兴安岭地区早白垩世花岗岩呈北北东向展布，笔者对这些花岗岩的形成时代进行统计(图8)，结果显示自北向南，额尔古纳地块、兴安地块和松嫩地块上花岗质岩浆事件未出现出明显差异，其活动时间集中于124～141 Ma，峰值为129～134 Ma。显然，大兴安岭早白垩世花岗岩的时空分布特征与蒙古—鄂霍茨克洋闭合的缝合带展布方向明显不同，这说明蒙古—鄂霍茨克构造域的构造演化背景很难解释大兴安岭早白垩世花岗岩的形成。

图7 松岭地区早白垩世花岗岩类构造环境判别图解(引用数据[16--19])Fig.7 Discrimination diagrams for tectonic setting of Early Cretaceous granites in Songling area

图8 大兴安岭早白垩世花岗岩类岩浆作用年龄频谱图Fig.8 Probability plots of magmatic age for Early Cretaceous granite from Great Xing’an Range

Ji et al.[32]将整个东北地区已发表的早白垩世火山岩年代学资料进行总结发现，早白垩世火山岩从西北向东南依次划分出大兴安岭、松辽盆地和黑吉东部3条平行分布的北北东向火山岩带，其岩浆活动峰期逐渐变年轻，依次为128 Ma、113 Ma和100 Ma。上述特征显然受古太平洋板块俯冲作用控制。晚侏罗世末期，低角度俯冲的大洋板片达到大兴安岭地区，由于洋壳俯冲方向的改变，导致区域构造环境开始由挤压向伸展转换[33]。早白垩世期间，加厚的下地壳由于重力失衡致使在大兴安岭地区最先开始岩石圈发生拆沉，拆沉作用引起俯冲板片后撤，而使岩浆活动逐渐向大陆边缘迁移[32,34--35]。综上所述，研究区受古太平洋板块俯冲引起的拆沉作用影响，拆沉作用导致地幔物质上涌加热新元古代—显生宙新增生的地壳物质，形成的花岗质岩浆上升就位造就了大兴安岭地区广泛分布的早白垩世花岗岩和酸性火山岩。