松嫩地块东缘金山屯地区晚三叠世双峰式侵入岩年代学、地球化学及其对构造演化的制约

2020-12-16吴志强任云生索良明苗成林

世界地质 2020年4期

吴志强，任云生，索良明，苗成林

1.吉林大学地球科学学院，长春 130061；2.黑龙江省有色金属地质勘查七〇七队，黑龙江绥化 152000；3.防灾科技学院地球科学学院，河北三河 065201

0 引言

随着近年来东北地区基础地质研究的不断深入，众多学者对该区火成岩建立了较为详细的年代学格架[1--5]，并认识到东北地区在古生代期间经历了古亚洲洋构造域的演化，表现为多个微陆块之间的碰撞拼合[6--8]；中生代以来经历了环太平洋构造体系和蒙古—鄂霍茨克构造体系的叠加改造[1,2--4]。然而，在不同构造体系的具体演化时限上一直存在争议，其中，对于古亚洲洋的闭合时间前人从不同的研究区提出了晚二叠世[6,9]、晚古生代晚期—早中生代早期[10--11]以及中三叠世[12]等不同认识；对于古太平洋的俯冲起始时间也存在二叠纪[13]、三叠纪[14]和早侏罗世[2,12,15--20]的争议。

上述争论的存在源于先前研究的区域过于局限而分散，且个例分析缺乏细致探讨，近年来大面积填图以及广泛的地质调查为解决上述争议提供了良好的研究基础。而松嫩地块作为中亚造山带东段的一部分，其东缘恰好是古亚洲洋与古太平洋构造域的结合部位，加之区内发育大量晚古生代—早中生代的火成岩，且近年来常有新的数据被报道，因此对区域上岩浆作用性质的细致研究和总结为了解上述两个构造体系的转化时间提供了有力证据。为此，笔者对出露于松嫩地块东缘金山屯地区的晚三叠世侵入岩的形成时代、岩石成因进行了研究，并结合前人同时代火成岩分布和地球化学特征，讨论了该期岩浆作用形成的构造背景，从而了解松嫩地块东缘的构造演化历史，进一步限定古亚洲洋和古太平洋构造域的演化时限。

1 地质概况及样品描述

东北地区位于中亚造山带的东段，由一系列微陆块和其间的缝合带所组成。这些微陆块自西向东包括额尔古纳地块、兴安地块、松嫩地块、佳木斯—布列亚地块和兴凯地块(图1a)。松嫩地块作为其中的重要组成部分，其南北分别以索伦--西拉木伦--长春--延吉缝合带和贺根山--黑河断裂与华北克拉通和兴安地块为界，东侧沿牡丹江断裂与布列亚--佳木斯--兴凯地块为邻。地块内岩浆活动频繁，盆--岭构造发育。研究区就位于松嫩地块东缘，区内分布大面积显生宙花岗岩和古生代地层，另有少量晚中生代火山--沉积建造和极少量基性岩出露(图1b)，此外，该区近年来陆续报道发现了一定数量的前寒武纪结晶基底，包括沉积地层、变质火成侵入岩和火山岩[12]。本文所述的晚三叠世火成岩主要出露于伊春—晨明和三道通—牡丹江附近，其中的酸性岩为正长--二长花岗岩和少量流纹岩，前人报道年龄介于222～201 Ma；基性岩出露面积小，岩性主要为辉长岩、玄武岩和玄武安山岩，年龄介于228～211 Ma(图1b)。然而前人样品多数采自伊通--依兰断裂以南位置，对于伊春东侧的晚三叠世火成岩研究仅限于少量年龄的报道[1](图1b)，因此本文对出露于区内金山屯附近的两处侵入岩进行了采样。

图1 东北地区大地构造略图(a)[1,20]、松嫩地块东缘地质简图(b)[21](前人数据：①～④[1]；⑤～⑨[16]；⑩～ [17])和研究区地质图(c)Fig.1 Tectonic map of Northeast China (a), geological sketch map of eastern Songnen Massif (b), and geological map of study area (c)

样品TW1为黑云母二长花岗岩(47°24′33″N，129°39′26″E)，总体上呈近南北向展布的巨型岩基状产出，总出露面积约280 km2(图1b，c)。风化面浅肉红色或褐色，新鲜面呈灰白色。具半自形粒状结构，主要由碱性长石(～32%)、斜长石(～35%)、石英(～30%)和黑云母(～3%)组成(图2a)。碱性长石半自形粒状，偶见包含斜长石构成包含结构，具泥化现象；斜长石半自形柱状，部分被绢云母交代；石英他形粒状；黑云母呈鳞片状，多色性明显；另外含少量锆石、磷灰石和榍石等副矿物。

样品TW4为角闪辉长岩(47°25′55″N，129°37′26″E)，主要出露于七号村北西约3.5 km处，面积约7 km2(图1c)。呈岩株、岩瘤状产出于晚三叠世二长花岗岩中。手标本灰绿色，具辉绿、辉长结构，主要由斜长石(～50%)、角闪石(～25%)、辉石(～20%)和黑云母(～5%)组成(图2b)。在显微镜下，薄片中的斜长石呈半自形板状，可见聚片双晶；角闪石半自形粒状，多色性明显；辉石半自形粒状，属单斜辉石，可见角闪石反应边；黑云母呈片状，褐色，多色性明显。还含有少量锆石、磷灰石和榍石等副矿物。另外，在蚀变严重的样品中可见斜长石黝帘石化；角闪石部分被绿泥石交代，常包含自形斜长石；辉石被绿泥石交代，并存在角闪石化，个别辉石和角闪石具阳起石化(图2c)。

Q：石英；Af：碱性长石；Pl：斜长石；Bi：黑云母；Hb：角闪石；Cpx：单斜辉石。图2 金山屯地区黑云母二长花岗岩和角闪辉长岩样品显微岩相学特征Fig.2 Micropetrographical characteristics of biotite monzogranite and hornblende gabbro samples in Jinshantun area

2 测试方法

样品的锆石分选、制靶、图像采集及LA--ICP--MS锆石U--Pb同位素分析均在天津地质研究所完成。首先采用常规方法粉碎，并用电磁选方法分选，后在双目镜下挑选代表性锆石粘于双面胶上，用无色透明环氧树脂固定，抛光后进行透射光、反射光和阴极发光显微照相。

锆石U--Pb同位素分析在型号为Agilent 7500a的激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA--ICP--MS)上用标准测定程序进行，试验中采用高纯He作为剥蚀物质载气，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 SRM--610进行仪器最佳化，样品测定时用哈佛大学标准锆石91500作为外部标样校正，以保证标样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，测试结果的处理采用软件Glitter(ver 4.4，Macquarie University)完成，普通Pb校正采用Andersen方法[22]，年龄计算与谐和图的绘制均采用国际标准程序Isoplot(ver 3.0)完成[23]，其给定的同位素比值和年龄误差为lσ。

样品的主量元素、微量元素测试分析工作在河北省廊坊物探勘察院完成，其中主量元素分析采用X--荧光光谱法(XRF)，微量元素分析采用电感耦合等离子质谱法(ICP--MS)。实验测试流程参照相应的国家标准GB/T14506.14--2010和GB/T14506.30--2010。对比国家标样GDW07104分析，测试样品的主量和微量元素分析精度和准确度分别优于5%和10%。

3 分析结果

3.1 锆石U--Pb年代学

两个样品(TW1和TW4)的LA--ICP--MS锆石U--Pb同位素分析结果见表1。

口服补肾活血通窍方（组成：仙鹤草30g、熟地黄 15g、山萸肉 15g、山药 10g、补骨脂 10g、菟丝子10g、狗脊 10g、枸杞子 10g、五味子 10g、磁石 30g、王不留行 18g、桃仁 10g、葛根 10g、石菖蒲 6g、炒谷芽15g。加减：肾阳虚加巴戟天10g、淫羊藿10g，肾阴虚加入女贞子10g、旱莲草10g。）由上海人和堂国药医院连锁有限公司代煎，每剂2袋（100ml），分早晚温服，10天为1个疗程，连续治疗3个疗程。

表1 金山屯地区黑云母二长花岗岩和角闪辉长岩LA--ICP--MS锆石U--Pb定年结果Table 1 LA--ICP--MS zircon U--Pb dating results for biotite monzogranite and hornblende gabbro in Jinshantun area

样品TW1黑云母二长花岗岩的锆石阴极发光图像均呈自形--半自形棱柱状，具有清晰的震荡生长环带和韵律结构，暗示其为岩浆成因[24](图3a)。24颗锆石测试点的206Pb/238U年龄值介于215～218 Ma之间，加权平均年龄为(216±1)Ma(MSWD = 1.7)(图3c)，表明该黑云母二长花岗岩的结晶时代为晚三叠世。

样品TW4角闪辉长岩的锆石在阴极发光图像中表现为自形--半自形结构，具有条痕状吸收或震荡生长环带，暗示其为岩浆成因[24](图3b)。25颗锆石激光测试点的206Pb/238U年龄值介于215～218 Ma之间，加权平均年龄为(213±2)Ma(MSWD = 4.6)(图3d)，即晚三叠世。

图3 金山屯地区黑云母二长花岗岩和角闪辉长岩锆石CL图像(a～b)及U--Pb年龄谐和图(c～d)Fig.3 Zircon CL images (a～b) and concordia diagrams of U--Pb ages (c～d) of biotite monzogranite and hornblende gabbro in Jinshantun area

3.2 地球化学特征

3.2.1 主量元素特征

金山屯地区晚三叠世黑云母二长花岗岩的SiO2含量介于74.15%～76.90%之间，全碱(Na2O+K2O)含量为2.01%～4.37%，Al2O3含量变化范围为12.63%～13.40%，相应的铝饱和指数(A/CNK)为1.04～1.08(表2)。此外，该花岗岩样品的TFe2O3(0.81%～2.68%)和Mg#(12.61～23.90)值明显较低。在(Na2O+K2O)-SiO2分类图解(TAS)中，样品均落入亚碱性范围(图4a)，在K2O-SiO2图解中属于高钾钙碱性系列(图4b)。

晚三叠世角闪辉长岩在主量元素上存在些许差异，其中两组样品(TW4--1和TW4--2)的SiO2含量介于45.63%～47.20%之间，全碱(Na2O+K2O)含量为2.02%～2.23%，Al2O3含量变化范围为23.40%～25.28%(表2)；另一组(TW4--3)表现出相对较高SiO2(52.21%)和全碱含量(4.37%)，较低的Al2O3含量(18.99%)(表2)。所有样品的TFe2O3(4.68%～6.77%)和Mg#(58.72～66.41)值均较高(表2)。全部样品在(Na2O+K2O)-SiO2分类图解(TAS)中落入亚碱性系列和辉长闪长岩--辉长岩范围(图4a)，在K2O-SiO2图解中属于中钾钙碱性系列(图4b)。

表2 金山屯地区黑云母二长花岗岩和角闪辉长岩主量(10-2)和微量元素(10-6)分析结果Table 2 Major (10-2) and trace elements (10-6) data for biotite monzogranite and hornblende gabbro in Jinshantun area

图4 松嫩地块东缘晚三叠世火成岩(Na2O+K2O)-SiO2(a)[25]和K2O-SiO2(b)[26]图解Fig.4 (Na2O+K2O)-SiO2 (a) and K2O-SiO2 diagrams (b) for Late Triassic igneous rocks from eastern Songnen Massif

3.2.2 微量元素特征

黑云母二长花岗岩的稀土总量∑REE为61.89×10-6～212.55×10-6，轻重稀土比值∑LREE/∑HREE介于6.49～10.50，(La/Yb)N为5.21～13.59，轻重稀土分馏较明显。在稀土元素球粒陨石标准化配分模式图上，花岗岩样品表现为右倾型，且具有明显的负铕异常(δEu=0.06～0.48)(图5a)。在微量元素N--MORB标准化蛛网图中，样品具有亏损Nb、Ta、P、Ti等高场强元素，富集Rb、K等大离子亲石元素的特点(图5b)。另外，由于样品的Sr含量低且Eu具有明显的负异常，暗示岩浆源区存在斜长石残留。

图5 松嫩地块东缘晚三叠世火成岩稀土元素球粒陨石标准化配分曲线(a)[27]和微量元素N--MORB标准化蛛网图(b)[28]Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns (a) and N--MORB-normalized trace element spider diagrams (b) for Late Triassic igneous rocks from eastern Songnen Massif

角闪辉长岩样品稀土总量∑REE较低(38.95×10-6～110.40×10-6)，在稀土元素球粒陨石标准化配分模式图上均表现为平坦型，轻重稀土比值∑LREE/∑HREE为4.22～5.97，(La/Yb)N为3.42～5.16，铕异常不明显或弱的正异常(δEu=0.93～1.08)(图5a)。而在微量元素N--MORB标准化蛛网图中，角闪辉长岩样品亏损Nb、Ta、Zr、Hf、Ti等高场强元素，富集Ba、Sr等大离子亲石元素，但富集程度存在差异，两组(TW4--1和TW4--2)较低(Ba=264×10-6～278×10-6；Sr=741×10-6～769×10-6)，一组(TW4--3)则较高(Ba=490×10-6；Sr=1 129×10-6)(表2、图5b)。

4 讨论

4.1 形成时代

4.2 岩石成因

如果酸性岩是由原始岩浆逐渐分离结晶形成的，那么其与从原始岩浆中结晶的基性岩相比，应具有相对较高的LREE和低的HREE含量以及显著的负Eu异常。然而本文样品中二长花岗岩相对角闪辉长岩具有高的重稀土值，而非高的LREE和低的HREE含量(图5a)，加之所有样品的地球化学数据SiO2含量出现明显间断(图4)，即研究区缺乏中性岩的存在，另外花岗岩的分布远远大于基性岩的出露面积，表明这些花岗岩和辉长岩不能通过分离结晶联系起来，也就是说研究区二长花岗岩和角闪辉长岩应具有各自独立的岩浆起源。

金山屯地区黑云母二长花岗岩具有高硅、富碱、贫铁和镁的地球化学属性，并且亏损Nb、Ta、P、Ti等高场强元素，富集Rb、K等大离子亲石元素，暗示其应来源于下地壳物质的部分熔融。此外，该样品属于弱过铝质系列，岩相学中未出现红柱石、堇青石、白云母和石榴石等过铝质矿物，且Sr和Sr/Y值较低，说明其并非S型花岗岩，而与I或A型花岗岩相似。结合其属于高钾钙碱性系列，轻重稀土分馏明显，Zr+Nb+Ce+Y值(106×10-6～279×10-6)显著低于Whalen et al.[29]提出的A型花岗岩下限值(350×10-6)，并区别于A型花岗岩富铁的特征(TFeO/MgO=5.58～12.15)，在(TFeO/MgO)-(Zr+Nb+Ce+Y)判别图解中落入高分异花岗岩区域(图6a)。加之该样品不含碱性暗色矿物，同时锆石饱和温度为723℃～780℃，远低于A型花岗岩的形成温度[30]，因此金山屯地区晚三叠世黑云母二长花岗岩应为高分异I型花岗岩。

本文的角闪辉长岩显示出低的Cr(74.12×10-6～168.00×10-6)、Co(18.8×10-6～27.2×10-6)、Ni(16.1×10-6～28.4×10-6)含量以及Mg#值(58.72～66.41)，暗示该辉长岩不具有原始岩浆性质[33--35]。另外，由于样品总体亏损Nb、Ta、Zr、Hf、Ti等高场强元素，富集Ba、Sr等大离子亲石元素的特点。以上特征主要有两种形成机制，一是受到了地壳混染，二是存在俯冲带板片交代作用。虽然Nb/Ta比值(12.0～16.0)低于原始地幔值(17.8)[36]，有向地壳端元(11.4)偏移的趋势，但结合其Sr含量(741×10-6～1 129×10-6)明显高于大陆地壳Sr含量(320×10-6)[37]的特征，加之这些辉长岩中并不存在包体并具有低硅特点，显然可以排除地壳混染的影响，而应与板片交代作用相联系[38]，即其母岩浆应来自于受到俯冲板片交代后的亏损岩石圈地幔的部分熔融[39--40]。此外，根据其低的Ba/Nb(36.7～115.8)、Ba/La(25.1～39.0)和Zr/Hf(19.6～26.3)比值及其变化趋势，可以证明其岩浆源区受到了俯冲板片熔体交代的影响[15]。

4.3 构造背景

晚古生代至早中生代期间，松辽盆地以东地区是东北亚大陆边缘岩浆活动强烈的地区之一。因此，详细了解区域内该时期火成岩地球化学特征、岩石系列及其分布是反演中亚造山带东段在此时期构造演化的关键。

1.地幔斜长花岗岩；2.破坏性活动板块边缘(板块碰撞前)花岗岩；3.板块碰撞后隆起期花岗岩；4.晚造山期花岗岩；5.非造山期花岗岩；6.同碰撞花岗岩；7.造山期后花岗岩；IAG.岛弧花岗岩；RRG.与裂谷有关的花岗岩；CAG.大陆弧花岗岩；CEUG.大陆的造陆抬升花岗岩；CCG.大陆碰撞花岗岩；POG.造山后花岗岩。图6 松嫩地块东缘晚三叠世构造背景(a～c)[31--32]与花岗质岩石成因(d)[29]图解Fig.6 Tectonic background(a～c) and petrogenesis (d) diagrams for Late Triassic granitoids from eastern Songnen Massif

首先，在R1--R2图解中，本文与松嫩地块东缘同期花岗质岩石均落入造山期后花岗岩区域(图6a)，在Al2O3-SiO2和TFeO/(TFeO+MgO)-SiO2构造判别图解中同样落入POG内，即造山后花岗岩区域(图6b，6c)，表明松嫩地块东缘晚三叠世花岗质岩石形成于伸展背景。其次，本文与前人均在该区识别出一套广泛存在的晚三叠世双峰式火成岩[16--17]；另外，黑龙江和吉林东部A型流纹岩的出露[12]以及兴蒙造山带南缘和华北克拉通北缘东西向展布的双峰式火成岩[17,41--43]均表明晚三叠世期间中亚造山带东缘受到了伸展体制的控制。

值得注意的是，本文与松嫩地块东缘同期花岗质岩石成因具有A型和高分异I型两种(图6d)，构造背景的相同但成因类型的差异，反应这两种花岗质岩石可能是在相同的地质演化背景下由于岩浆源区组成差异或岩浆形成机制不同而产生的。隋振民等[44]统计大兴安岭东部白垩纪花岗岩的锆石饱和温度发现，该期花岗岩具有形成于相同伸展构造背景下的I型和A型两种，并认为相对低温的I型花岗岩是含流体的古俯冲残留板片参与了下地壳的部分熔融过程而形成的。本文的晚三叠世高分异I型花岗岩有可能同样与流体的加入有关，流体来自古亚洲洋板块的俯冲残留体。

进一步对松嫩地块东缘晚三叠世花岗质岩石进行划分可以看到，本文216 Ma黑云母二长花岗岩和Wang et al.[17]218 Ma流纹岩的锆石饱和温度均较低(718℃～780℃)，岩石成因类型为高分异I型，而晚于206 Ma的花岗质岩石却主要为A型(图1b、图6d)，因此，晚三叠世中期可能是俯冲--造山末期向最终伸展背景转化的阶段，该时期虽然洋陆碰撞、大洋闭合等早已发生，并且岩石圈伸展已占据主体，但该阶段地壳深部依然残余有少量的俯冲板片，直到晚三叠世晚期完全被伸展体制所控制，使得岩石圈减薄进而引起幔源物质底侵或软流圈物质上涌加热上部地壳从而形成了大量的A型花岗质岩石[16--17]。

考虑到俯冲残留板片的存在、晚三叠世大规模A型花岗岩和流纹岩的出露以及双峰式火成岩东西向展布的特征，结合前人晚二叠世—早三叠世古亚洲洋沿索伦--西拉木伦--长春--延吉缝合带闭合的结论[6,12,43,45]，以及该时期并无南北向分布的钙碱性火山岩，笔者认为晚三叠世松嫩地块东缘乃至兴蒙造山带东南缘的构造演化主要受古亚洲洋闭合后的伸展作用制约，而与古太平洋构造域无关，后者的俯冲开始时间至少应晚于晚三叠世。