古太平洋板块早侏罗世俯冲作用：来自吉林延边和龙地区辉长岩年代学和地球化学记录

张 超，王路远，耿 瑞，刘正宏，张乐彤

(1.山东理工大学 资源与环境工程学院，山东 淄博 255000；2.自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室，吉林 长春 130026；3.山东黄金集团有限公司，山东 济南 250101；4.吉林大学 地球科学学院，吉林 长春 130061；5.黑龙江省地球物理地球化学勘查院，黑龙江 哈尔滨 150036)

0 引 言

与板块俯冲有关的岩浆弧是研究壳幔相互作用和大陆地壳生长的天然实验室[1-3]，也是探讨大陆地壳增生、再造过程的重要依据。延边地区位于兴蒙造山带南缘东段[4-6]，处于大陆板块(欧亚大陆)与大洋板块(古亚洲洋、古太平洋)相互作用的经典地区。古生代以来，延边地区经历了古亚洲洋构造域和环太平洋构造域影响，形成大规模的岩浆作用及与岩浆作用相关的金属和非金属矿产[7-17]。近年来，依据延边地区中酸性岩浆岩年代学和岩石成因研究成果，众多学者认为延边地区早侏罗世岩浆活动与古太平洋俯冲作用有关[10,13,15-18]，但对同时期的镁铁质—超镁铁质岩浆岩研究较少。作为构造岩浆作用的重要组成部分，幔源镁铁质—超镁铁质岩浆岩在不同的构造演化阶段具有不同特征，并携带了大量的地幔信息，是研究造山带演化过程中深部地幔性质、壳幔相互作用和构造环境演化的重要研究对象。本文对吉林延边和龙地区早侏罗世沙松顶子辉长岩进行了岩石学、LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学、锆石Hf同位素和岩石地球化学分析，探讨沙松顶子辉长岩岩浆熔融源区特征和深部动力学过程，并结合区域构造演化探讨早侏罗世辉长岩形成的大地构造背景，为兴蒙造山带南缘东段早侏罗世岩浆活动及构造演化研究提供新的约束。

1 区域地质背景

研究区位于吉林延边地区东南部，与朝鲜隔图们江相望，该区以富尔河—古洞河断裂为界，北侧为华北克拉通北缘增生带，南侧为以基底和盖层沉积为主的龙岗—冠帽地块[8][图1(a)]。

图1 吉林延边和龙地区构造地质简图

研究区内出露的地层主要包括太古代结晶基底、早古生代—晚白垩世地层和第四系[14][图1(b)]。依据现有研究成果[7-21]，研究区及邻区中二叠世—白垩纪岩浆事件可以分为280～240、230～205、205～160和130～105 Ma等4期。其中，280～205 Ma的岩浆事件与古亚洲洋构造域演化有关，主要包括与俯冲碰撞有关的英云闪长岩、石英闪长岩、角闪辉长岩、二长花岗岩，与挤压造山有关的二长花岗岩、花岗闪长岩，及与造山后伸展有关的A型花岗岩、A型流纹岩和双峰式岩浆岩；205～160 Ma的岩浆事件与古太平洋的俯冲作用有关，形成一系列SN向展布、与俯冲有关的基性侵入岩、钙碱性岩浆弧、双峰式岩浆岩和埃达克岩，岩石类型包括苏长岩、辉长岩、辉长闪长岩、闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩和正长花岗岩；受古太平洋板块俯冲回撤影响，研究区及邻区白垩纪期间(130～105 Ma)岩石类型以花岗闪长岩、二长花岗岩和正长岩为主。

2 岩相学特征及样品采集

沙松顶子岩体分布在吉林省和龙市福洞镇南侧沙松顶子高地[图1(b)]，受古洞河断裂影响呈NNW向展布，出露面积约13 km2，由中细粒辉长岩组成。该岩体侵入到太古代鸡南岩组地层中，并被晚期中侏罗世二长花岗岩侵入，与白垩纪地层呈断层接触。野外地质工作过程中，在沙松顶子高地附近的人工露头处采集较新鲜的样品作为定年样品(1件，样品编号为YH45，采样位置为(42°30′17″N，129°6′16″E))和岩石地球化学分析样品(5件，样品编号分别为5010-1、YH45、YH46、B2448-1和B2446-6)。

辉长岩风化面呈灰色，新鲜面呈深灰色，具中细粒结构、块状构造。显微镜下观察主要矿物为斜长石(体积分数为55%)、辉石(40%)和橄榄石(5%)(图2)。斜长石呈半自形板状，聚片双晶发育，粒度为1～3 mm，多数颗粒与辉石形成辉长结构；辉石主要为普通辉石，呈短柱状，粒度为1～2 mm；橄榄石呈他形粒状，粒度为1～2 mm，裂纹发育，部分发生伊丁石化。

Pl为斜长石；Ol为橄榄石；Px为普通辉石

3 分析方法

3.1 锆石U-Pb定年

锆石挑选在河北省区域地质矿产调查研究所进行，锆石制靶和反射光、透射光、阴极发光图像的采集在北京离子探针中心完成。锆石U-Pb同位素分析在天津地质矿产研究所实验测试中心完成，所用仪器为THermo FisHer公司制造的Neptune型LA-MC-ICP MS仪和ESI公司生产的UP193-FX ArF准分子激光器联机；应用TEMORA和GJ-1作为外部锆石年龄标样进行分馏校正，元素含量则采用玻璃标样NIST SRM610作为外标[22]。用193 nm激光器对锆石进行剥蚀，激光剥蚀的深度为20～40 μm，斑束直径为35 μm，每进行8个点的分析进行一次标准锆石GJ-1的测试。后期通过Anderson提出的方法[23]对实验测得数据进行同位素比值校正以去除普通铅的影响，锆石年龄谐和曲线通过Isoplot 3.00软件[24]绘制而成。

3.2 地球化学分析

样品的主量、微量元素分析在中国地质调查局天津地质调查中心完成。微量元素使用等离子体质谱(ICP-MS)仪进行分析，分析精度优于5%；主量元素采用X射线荧光光谱仪进行分析，分析误差小于1%。

3.3 Hf同位素分析

在中国地质调查局天津地质调查中心同位素实验室对样品YH45进行锆石原位Hf同位素分析，测试仪器为Neptune型质谱仪和UP193-FXArF准分子激光器，激光器能量密度为10～11 J·cm-2，锆石国际标样91500作为外标，激光束直径为50 μm。分析方法和流程参照文献[25]，Hf同位素相关计算方法和公式参照文献[26]。分析中所采用的球粒陨石(176Lu/177Hf)CHUR值为0.033 2，(176Hf/177Hf)CHUR值为0.282 772；现今亏损地幔(176Lu/177Hf)DM值为0.038 4，(176Hf/177Hf)DM值为0.283 250；Lu衰变常数(λ)为每年1.865×10-11；计算锆石Hf同位素的地壳模式年龄时，采用的176Lu/177Hf值为-0.34[26]。

4 结果分析

4.1 锆石U-Pb年龄

吉林延边和龙地区沙松顶子辉长岩样品YH45中的锆石呈半自形短柱状，大小为80～120 μm，Th和U含量(质量分数，下同)分别为(139.78～3 583.32)×10-6和(256～2 843)×10-6，Th/U值大多为0.54～1.27，仅1个分析点为0.06(表1)，阴极发光图像显示锆石具有条痕状条带(图3)，呈现基性岩浆锆石成因特征。24颗锆石的LA-ICP-MS U-Pb分析结果见表1，所有分析点均落在谐和曲线上及其附近(图4)，锆石206Pb/238U表面年龄为(182±2)～(172±1)Ma，加权平均年龄为(175.6±1.1)Ma，平均标准权重偏差(MSWD)为2.6(图4)，该年龄可代表沙松顶子辉长岩的结晶年龄。

图中实线圆圈为锆石U-Pb同位素分析点位置；虚线圆圈为Hf同位素分析点位置

图4 锆石U-Pb年龄谐和曲线及年龄分布

表1 LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析结果

4.2 Hf同位素组成

对沙松顶子辉长岩样品YH45的10颗锆石进行Hf同位素分析，分析结果见表2和图5。Hf同位素分析结果采用加权平均年龄(175 Ma)进行计算，得到10颗锆石176Lu/177Hf值为0.000 8～0.001 8，初始176Hf/177Hf值((176Hf/177Hf)i)为0.282 735～0.282 860，所计算的εHf(t)为2.5～7.0，单阶段模式年龄(TDM1)为731～556 Ma。

图5 εHf(t)-t图解

表2 Hf同位素分析结果

4.3 地球化学特征

4.3.1 主量元素

沙松顶子辉长岩具有较低的SiO2含量(42.50%～46.30%)以及较高的Al2O3含量(17.40%～29.30%)、CaO含量(11.20%～15.20%)，TFeO含量(3.15%～14.04%)和MgO含量(2.24%～10.62%)变化范围较大，Mg#值为51～68，全碱(Na2O+K2O值为1.51%～1.90%)和K2O含量(0.28%～0.48%)极低(表3)。在TAS图解[图6(a)]中，多数样品落入了亚碱性系列范围内；在SiO2-K2O图解[图6(b)]中，样品落入了钙碱性系列范围内；在AFM图解[图6(c)]中，多数样品落入了拉斑玄武系列范围内，只有样品YH46落入了钙碱性系列范围内。沙松顶子辉长岩具有较高的Al含量，与岛弧和大陆边缘地区产出的高铝玄武岩化学组成十分相似。岩石地球化学特征表明，沙松顶子辉长岩具有高Al和低Ti、碱的特征，且Na2O含量高于K2O，明显不同于板内玄武岩，而与亚碱性拉斑玄武岩接近。

4.3.2 微量元素

沙松顶子辉长岩稀土元素总含量较低，为(17.70～36.54)×10-6，(La/Yb)N值为5～7，LREE/HREE值为5～6(表3)。球粒陨石标准化稀土元素配分模式较平坦[图7(a)]，Eu异常为1.06～1.68，表现出正Eu异常的特征；在原始地幔标准化微量元素蛛网图[图7(b)]中，辉长岩明显富集Cs、K、Sr等大离子亲石元素，亏损Nb、Ta等高场强元素，表现出消减带或受陆壳混染岩浆岩的典型特征[27]。辉长岩Cr含量为(70.5～240.0)×10-6，Ni含量为(16.1～73.6)×10-6，Co含量为(20.5～59.7)×10-6，V含量为(68.7～560.0)×10-6，Sc含量为(9.21～31.80)×10-6，Zr/Hf值为30.55～41.25，Ba/Rb值为6.44～19.05，上述微量元素含量和比值暗示沙松顶子辉长岩的岩浆源区具有幔源岩浆的特征。

表3 主量、微量元素分析结果

ws为样品含量；wc为球粒陨石含量；wp为原始地幔含量；同一图中相同线条对应不同样品；图(a)引自文献[36]；图(b)引自文献[30]

5 讨 论

5.1 岩石成因与岩浆源区

吉林延边和龙地区沙松顶子辉长岩由橄榄石、普通角闪石、普通辉石和斜长石组成，辉长岩的Sr含量((588～989)×10-6)明显高于地幔(17.8×10-6)[28]，表明辉长岩中可能存在斜长石堆晶作用[29]。样品具有较低的SiO2含量(42.50%～46.30%)、稀土元素总含量，以及较高的Mg#值(51～68)，其Cr、Ni、V、Co和Sc含量也较高，岩相学特征和岩石地球化学特征表明沙松顶子辉长岩具有幔源岩浆岩的特征；此外，样品具有与幔源岩浆岩特征相似的Zr/Hf值和Ba/Rb值(原始地幔Zr/Hf值和Ba/Rb值分别为36.27和11.00[30])，进一步暗示沙松顶子辉长岩岩浆源区具有幔源岩浆的特征。镁铁质岩石通常起源于软流圈地幔或岩石圈地幔[31]，起源于软流圈地幔的岩浆通常富集高场强元素和大离子亲石元素，而起源于岩石圈地幔的岩浆相对原始地幔亏损高场强元素，富集大离子亲石元素和轻稀土元素。沙松顶子辉长岩富集大离子亲石元素(Cs、K、Sr)，强烈亏损高场强元素Nb和Ta，具有俯冲环境下形成的基性岩浆岩或受陆壳混染作用基性岩浆岩的地球化学特征。在源区判别图解(图8)中，样品位置偏离MORB-OIB趋势带，显示出受俯冲组分影响的特征[32]；在La/Nb-Ba/Nb图解和La/Yb-Nb/Y图解(图9)中，样品分别落在弧火山和流体交代作用的区域范围内，也暗示了沙松顶子辉长岩原始岩浆受到了俯冲流体交代作用的影响，样品更低的Nb含量((0.67～1.70)×10-6)、P2O5含量(0.054%～0.095%)和TiO2含量(0.29%～1.59%)也表明辉长岩原始岩浆没有受到熔体交代作用影响，而应是流体交代作用的结果。沙松顶子辉长岩Hf同位素单阶段模式年龄为731～556 Ma，远大于其形成年龄。对于地幔来源的玄武质岩而言，如果Hf同位素模式年龄大于其形成年龄，则表明其岩浆源区受到过地壳物质的混染或来自富集型地幔[23]。样品的εHf(t)为2.5～7.0，均为正值，且全部落入亏损地幔线以下(图5)，说明辉长岩原始岩浆应起源于高度亏损的地幔，而不是富集型地幔。Nb/U值可作为幔源岩浆上升过程中地壳混染的标志，原始地幔和大陆地壳Nb/U平均值分别为33.59和8.93[28]，沙松顶子辉长岩Nb/U值为5.50～8.95，与大陆地壳接近，反映沙松顶子辉长岩原始岩浆在上升过程中有陆壳物质的加入，依据原始地幔标准化后的元素含量比值，沙松顶子辉长岩原始岩浆可能遭受了上地壳物质的混染(图10)。因此，沙松顶子辉长岩原始岩浆可能来源于亏损地幔，并遭受俯冲板片析出流体的交代作用和地壳物质的混染。

MORB为洋中脊玄武岩；OIB为洋岛玄武岩；E-MORB为富集型洋中脊玄武岩；N-MORB为正常型洋中脊玄武岩；底图引自文献[38]，有所修改

底图引自文献[59]，有所修改

5.2 形成时代及构造意义

依据辉长岩与围岩的接触关系和所处大地构造位置，陈作文等认为沙松顶子辉长岩侵位时代为晚二叠世，是古亚洲洋构造域活动的产物[37]。本文对沙松顶子辉长岩进行LA-ICP-MS锆石U-Pb定年，所选锆石阴极发光图像具有震荡环带，Th/U值高于0.4，具有基性岩浆锆石特征，因此，其加权平均年龄(175.6±1.1)Ma可代表沙松顶子基性岩浆岩的结晶年龄，该结果与吉黑东部早侏罗世基性岩浆岩的侵位时间[32]一致。

中生代期间，兴蒙造山带经历了古亚洲洋最终闭合后的碰撞及后碰撞伸展，古太平洋俯冲和蒙古—鄂霍茨克洋俯冲、闭合及其后碰撞伸展过程，形成了面状发育的花岗岩带及巨量矿产资源[7-21,39-46]。延边地区大地构造位置处于兴蒙造山带南缘，是古亚洲洋构造域和古太平洋构造域相互作用的直接地区，古亚洲洋构造域在该地区闭合时间和古太平洋板块在该地区俯冲作用的时间一直受国内外学者的关注[9-21,41,47-51]。晚三叠世方辉橄榄岩、镁铁质—超镁铁质侵入岩、辉石岩、A2型正长花岗岩等在延边地区呈EW向展布，其岩石组合暗示晚三叠世延边地区处于伸展构造环境[7,14,52-54]；结合晚三叠世大酱沟组磨拉石建造[55-56]、柯岛组(约210 Ma[57])和呼兰群(约220 Ma[58])中变质年龄，延边地区晚三叠世伸展构造环境代表古亚洲洋构造域最终闭合时间。鉴于此，吉黑东部侏罗纪具有活动大陆边缘特点的岩浆岩应与古亚洲洋构造域的演化无关。受蒙古—鄂霍茨克构造域和古太平洋俯冲作用影响，东北及邻区发育大面积早—中侏罗世侵入岩，其中分布于吉黑东部的早—中侏罗世侵入岩主要由辉长岩、闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩和正长岩组成，呈SN向展布，与蒙古—鄂霍茨克洋俯冲闭合和古太平洋俯冲作用形成的岩浆弧展布方向均基本一致。吉黑东部侏罗纪岩浆活动是蒙古—鄂霍茨克构造域的产物还是古太平洋俯冲作用的结果？亦或是两种构造体制耦合作用的产物？相关研究表明额尔古纳地块、兴安地块早—中侏罗世侵入岩侵位时代具有逐渐向东南迁移的分带特征，且其形成与蒙古—鄂霍茨克洋俯冲作用有关[39-41]；而现有研究结果显示额尔古纳地块和兴安地块广泛分布的210～160 Ma岩浆活动并未体现时空分带特征，但与此同时期的吉黑东部及其南部朝鲜盆地侏罗纪岩浆活动却呈现由西北向东南逐渐年轻的特征，即体现出明显的时空分带特征[14]。因此，蒙古—鄂霍茨克构造域和古太平洋构造域大概以松辽盆地及大兴安岭东南段为分界，结合吉黑东部尤其是延边地区现今距离蒙古—鄂霍茨克洋闭合达数百千米的空间位置，吉黑东部早—中侏罗世岩浆活动可能与蒙古—鄂霍茨克洋俯冲闭合无关，而应该是古太平洋俯冲作用下的产物。上述认识也与区域相关研究结果相符。Guo等对图们地区早侏罗世中—基性岩进行了详细的岩石地球化学分析，认为其形成于活动大陆边缘下的俯冲环境[11]；Yu等认为小兴安岭—张广才岭早侏罗世基性侵入岩与同时期的I型花岗岩为双峰式岩浆岩组合，并进一步认为该双峰式岩浆岩组合属于古太平洋俯冲过程中弧后盆地伸展环境下的岩浆事件[47]；同时，吉黑东部早—中侏罗世花岗质岩石具有俯冲背景下的岩石组合和地球化学特征，应形成于古太平洋俯冲构造环境下；此外，与板片俯冲有关的增生杂岩(中国黑龙江杂岩、俄罗斯哈巴罗夫斯克杂岩、日本美浓丹波杂岩)变形年龄为186～176 Ma[14]，该增生杂岩与同时期的岩浆事件也被解释为古太平洋早—中侏罗世俯冲的产物。总之，吉黑东部SN向展布的早—中侏罗世钙碱性侵入岩[7,14,16,61-62]、小兴安岭—张广才岭同时期的双峰式岩浆岩[47]和与板片俯冲有关的增生杂岩[14,63]均表明，早—中侏罗世吉黑东部处于古太平洋西向俯冲的构造环境。

延边和龙地区沙松顶子辉长岩侵位时代为(175.6±1.1)Ma，具有明显亏损高场强元素、富集大离子亲石元素的特征，与典型的岛弧型火山岩地球化学特征一致。在岩石地球化学特征上，沙松顶子辉长岩Th/Nb值为0.44～0.63，Hf/Th值为1.16～1.63，Th/Yb值为0.84～1.60，Nb/La值为0.21～0.30，显示出岛弧玄武岩的岩石地球化学特征(岛弧玄武岩Th/Nb值高于0.07，Hf/Th值低于8，Th/Yb值高于0.1，Nb/La值低于0.8[64])。在构造环境判别图解(图11)中，样品均落入了大陆活动边缘的范围内，具有俯冲背景下活动大陆边缘环境的岩石地球化学特征。结合区域演化特征，沙松顶子辉长岩应形成于古太平洋俯冲作用下活动大陆边缘的构造环境。

IAT为岛弧拉斑玄武岩；CAB为活动陆缘玄武岩；WPT为板内拉斑玄武岩；WPA为板内碱性玄武岩

6 结 语

(1)吉林延边和龙地区沙松顶子辉长岩由橄榄石、普通角闪石、普通辉石和斜长石组成，具有低Si、Ti、碱和高Al的特征，且Na2O含量高于K2O，具有较高的Cr、Ni、V、Co和Sc含量，明显不同于板内玄武岩，而与岛弧拉斑亚碱性玄武岩接近。岩相学和岩石地球化学特征表明沙松顶子辉长岩具有幔源岩浆岩的特征。

(2)沙松顶子辉长岩富集大离子亲石元素(Cs、K、Sr)，强烈亏损高场强元素Nb和Ta，具有俯冲环境下形成的基性岩浆岩的地球化学特征。锆石εHf(t)为2.5～7.0，均为正值，说明辉长岩原始岩浆应起源于高度亏损的地幔；Nb/U值与大陆地壳接近，反映沙松顶子辉长岩原始岩浆在上升过程中有陆壳物质的加入。沙松顶子辉长岩原始岩浆可能来源于亏损地幔，并遭受俯冲板片析出流体的交代作用和地壳物质的混染。

(3)沙松顶子辉长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb加权平均年龄为(175.6±1.1)Ma，侵位时代为早侏罗世晚期，形成于古太平洋俯冲作用下活动大陆边缘的构造环境。