大兴安岭北段扎林库尔山早侏罗世中酸性侵入岩的年代学与地球化学：对蒙古--鄂霍茨克洋中部构造演化的制约

贾立民，李鑫，申晋青，王强，李强

河北省区域地质调查院，河北 廊坊 065000

0 引言

蒙古--鄂霍茨克洋于志留纪打开，其代表古太平洋的一个边缘分支[1--2]，至石炭纪，蒙古--鄂霍茨克洋洋壳已发育成熟[3--4]，并开始向两侧地块俯冲。至晚二叠世，蒙古--鄂霍茨克洋在西端杭盖地区发生碰撞，大量二叠纪陆相磨拉石不整合覆盖于先前褶皱的浊积岩之上，碰撞导致杭盖地区地壳增厚，并发育弱碱性花岗岩和正长岩[2]。中生代以来，蒙古--鄂霍茨克洋自西往东以一种似剪刀的方式，通过双向俯冲最终闭合[1--2,5--6](图1)。

图1 蒙古--鄂霍茨克构造带及邻区地质简图[7]Fig.1 Geological sketch map of Mongolian--Okhotsk tectonic belt and its adjacent areas

关于蒙古--鄂霍茨克洋的闭合时间存在多种观点，有学者推测为三叠纪，也有学者认为是晚侏罗世—早白垩世[8--11]。还有学者认为，蒙古--鄂霍茨克洋两侧地体的全面碰撞，西部发生在中侏罗世[2]，中部和东部发生在晚侏罗世—早白垩世[12--14]。

蒙古--鄂霍茨克洋关闭过程的时限与记录，是东亚多板块汇聚研究急需解决的问题之一[15]。大兴安岭北段扎林库尔山一带，位于蒙古--鄂霍茨克缝合带中南部的额尔古纳地块之上，该区是研究蒙古--鄂霍茨克洋中段俯冲--闭合的有利地段。通过岩相学、地球化学及同位素年代学等分析方法，并结合前人研究成果，探讨研究区内中--酸性侵入体的形成时代、成因以及构造环境，为厘定蒙古--鄂霍茨克洋中段的构造演化过程提供证据。

1 区域地质背景

研究区位于大兴安岭北段扎林库尔山一带，该区所出露的岩石单元主要包括中元古代兴华渡口岩群，早寒武世和早侏罗世酸性侵入岩以及早白垩世中--酸性火山岩和火山碎屑岩(图2)。

图2 研究区地质图Fig.2 Geological map of study area

中元古代兴华渡口岩群主要由斜长角闪岩类、浅粒岩类、变粒岩类和石英岩类组成[16]；寒武纪侵入岩主要由中细粒--中粗粒含斑黑云母二长花岗岩组成；早侏罗世侵入岩主要由石英二长闪长岩和斑状含黑云母二长花岗岩组成。早白垩世中--酸性火山岩和火山碎屑岩与前白垩世地层或侵入岩呈角度不整合接触关系。

2 样品及其岩相学特征

本次工作分别采集2件石英二长闪长岩样品(PM04YQ5，PM04YQ6)和2件斑状含黑云母二长花岗岩样品(YQ0571--1--1，PM02YQ1)，所有样品均进行岩石主量元素及微量元素分析。选取石英二长闪长岩(PM04YQ5)和斑状含黑云母二长花岗岩(YQ0571)进行LA--ICP--MS锆石U--Pb年代学分析，采样位置见图2。

2.1 石英二长闪长岩

石英二长闪长岩，新鲜面呈灰白色，中细粒结构，块状构造。主要矿物成分为斜长石(45%±)、钾长石(20%～25%)、石英(10%±)、黑云母(15%±)和角闪石(5%～10%)。斜长石呈半自形板状，粒度主要为0.2～2 mm，部分2～5 mm，环带构造较发育，有明显聚片双晶。钾长石主要为微斜长石，呈近半自形板状--他形粒状，粒度主要为0.2～2 mm，部分2～3.5 mm，常见格子双晶，少见交代斜长石。石英呈他形粒状，粒度主要为0.2～2 mm，填隙状分布，粒内具波状消光。黑云母呈片状，粒度主要为0.2～2 mm，少数为2～4.5 mm。角闪石呈半自形柱状，粒度主要为0.2～2 mm。

2.2 斑状含黑云母二长花岗岩

斑状含黑云母二长花岗岩，新鲜面浅灰白色，似斑状结构，基质细中粒花岗结构，块状构造。斑晶为钾长石(10%±)，为微斜条纹长石，半自形板状，粒径一般5.5～10 mm，杂乱分布，轻高岭土化，格子双晶较发育。基质为钾长石(25%±)、斜长石(35%±)、石英(25%±)和黑云母(5%±)，粒径一般以2～5 mm的中粒为主，0.2～2 mm的细粒次之，杂乱分布，钾长石主要为微斜条纹长石，半自形板状，轻高岭土化；斜长石呈半自形板状，明显高岭土化、绢云母化，少白云母化；石英呈他形粒状，集合体状产出，颗粒表面干净，粒内轻波状消光；黑云母暗褐色，鳞片--叶片状，零散状或细小堆状分布，多被绿泥石、白云母及少量铁质交代，呈假像产出，少见残留。

3 分析方法

锆石样品的分选、制靶以及阴极发光(CL)图像的拍照工作在河北省区域地质调查院实验室完成。测试样品经破碎、淘洗、磁选以及重液分离工作后，将筛选出来的锆石置于双目镜下进行观察，挑选出晶型完好、具有代表性的锆石颗粒。其制作方法见参考文献[16]。

LA--MC--ICP--MS锆石U--Pb同位素测试分析工作在中国地质科学院矿产资源研究所MC--ICP--MS实验室完成，所用仪器为Finnigan Neptune型MC--ICP--MS及与之配套的Newwave UP 213激光剥蚀系统。激光剥蚀直径为25 μm，频率为10 Hz，能量密度约为2.5 J/cm2，载气为He，激光剥蚀方式采用单点剥蚀。分析前首先使用锆石GJ--1进行调试仪器。锆石U--Pb测年采用锆石GJ--1为外标，U、Th含量以锆石M127(U:923×10-6；Th:439×10-6;Th/U:0.475)为外标进行校正。测试过程中，每测试5～10个样品，重复测定外标锆石GJ--1和Plesovice对样品结果进行矫正，锆石标准的测定误差在1%(2σ)以内。数据处理过程运用ICP MS Data cal程序，锆石年龄协和图像采用Isoplot 3.0程序完成。

样品的主量和微量元素分析在河北省区域地质调查院实验室，选择新鲜均一的代表性样品，经表面去皮、清洗，再粉碎至200目。主量元素分析采用常规湿法(AF)和X--荧光光谱仪(XRF)相结合测试完成，分析精度估计在1%(SiO2)和2%(其他氧化物)；微量元素和稀土元素用Teflon融样罐进行熔样，然后采用FinniganMAT公司生产的双聚焦高分辨率等离子体质谱仪ICP--MS进行测定，准确度和精度优于10%。

4 分析结果

4.1 锆石U--Pb年龄

对石英二长闪长岩和斑状含黑云母二长花岗岩2件样品，分别进行LA--ICP--MS锆石U--Pb定年分析，分析结果见表1、2。

表1 石英二长闪长岩锆石LA--ICP--MS分析结果

表2 斑状含黑云母二长花岗岩锆石LA--ICP--MS分析结果

石英二长闪长岩(PM04TW5)锆石晶形较好，呈自形长柱状，部分机械破碎，粒径为150～300 μm，长宽比约为1～3，内部具有清晰的震荡环带(图3)，并具有较高的Th/U比值(0.50～0.60，表1)，属岩浆锆石的典型特征。石英二长闪长岩(PM04TW5)测试结果显示，24个测试点均在协和线上及其附近(图4)，206Pb/238U年龄加权平均值为(187.40±1.1)Ma(MSWD=0.28，n=24)。

图3 石英二长闪长岩(PM04TW5)锆石CL图像特征(白色实线圈为年龄测点位置)Fig.3 Zircon CL image feature of quartz monzodiorite (PM04TW5)

图4 石英二长闪长岩(PM04TW5)锆石U--Pb年龄谐和图Fig.4 Zircon U--Pb concordia diagrams of quartz monzodiorite (PM04TW5)

斑状含黑云母二长花岗岩(TW0571)锆石呈自形短柱状(图5)，粒径为80～150 μm，长宽比约为1～2，具有清晰的震荡环带和较高的Th/U比值(0.49～0.95，表2)，属岩浆成因锆石的特点。斑状含黑云母二长花岗岩(TW0571)测试结果显示，21个测试点均在协和线上及其附近(图6)，206Pb/238U年龄加权平均值为(177.68±0.98)Ma(MSWD=0.27，n=21)。

图5 斑状含黑云母二长花岗岩(TW0571)锆石CL图像(白色实线圈为年龄测点位置)Fig.5 Zircons CL images of biotite-bearing porphyritic monzogranite (TW0571)

图6 斑状含黑云母二长花岗岩(TW0571)锆石U--Pb年龄谐和图Fig.6 Zircon U--Pb concordia diagrams of biotite-bearing porphyritic monzogranite (TW0571)

根据2020年最新国际地层表，石英二长闪长岩和斑状含黑云母二长花岗岩2件样品均形成于早侏罗世岩浆活动阶段。

4.2 主量、稀土、微量元素

对石英二长闪长岩和斑状含黑云母二长花岗岩的4件样品均进行了主量、微量以及稀土元素分析，分析结果详见表3。

表3 石英二长闪长岩、斑状含黑云母二长花岗岩全岩主量及微量元素

4.2.1 主量元素

主量元素分析结果显示，石英二长闪长岩的SiO2含量为60.85%～62.46%，属中性岩类；Al2O3含量为16.86%～17.31%，Na2O含量为3.83%～4.15%，全碱含量为6.3%～6.77%，铝饱和指数A/CNK为0.941～1.034，均<1.1，A/NK为2.56～2.68，为准铝质到弱过铝质系列(图7)。里特曼指数σ43为2.18～2.31，均<3.3，为钙碱性系列，综合K2O--SiO2图解(图8)石英二长闪长岩属于高钾钙碱性系列岩石。

斑状含黑云母二长花岗岩的的SiO2含量为71.89%～72.47%，属酸性岩类；Al2O3含量为14.96%～15.22%，Na2O含量为4.23%～4.72%，全碱含量为7.73%～8.13%，铝饱和指数A/CNK为1.107～1.162，均>1.1，A/NK为1.87～1.94，为过铝质系列(图7)。里特曼指数σ43为2.02～2.27，均<3.3，为钙碱性系列，综合K2O--SiO2图解(图8)斑状含黑云母二长花岗岩属于钙碱性--高钾钙碱性系列岩石。

图7 铝饱和度A/CNK--A/NK图解Fig.7 Diagram of A/CNK--A/NK

图8 K2O--SiO2图解Fig.8 Diagram of K2O--SiO2

4.2.2 稀土、微量元素

本区早侏罗世石英二长闪长岩和斑状含黑云母二长花岗岩的稀土、微量元素特征差别较大。

石英二长闪长岩的∑REE为(194.36～204.76)×10-6，LREE/HREE为9.07～10.17，稀土元素球粒陨石标准分布型式图(图9)，石英二长闪长岩轻重稀土分馏较明显，配分曲线表现为轻缓右倾型模式，轻稀土元素富集，重稀土元素亏损。Eu负异常不明显(δEu=0.9～1.01)。微量元素具有富集大离子亲石元素K、Rb、Sr、Ba等，相对亏损高场强元素Ta、Nb、P、Ti等的特点(图10)。Sr含量较高，为432×10-6～452×10-6，而Yb、Y含量较低，Yb含量为2.28×10-6～2.41×10-6，Y含量为25.0×10-6～27.2×10-6。

图9 稀土元素球粒陨石标准分布型式图Fig.9 Chondrite-normalized REE distribution pattern

图10 微量元素蛛网图Fig.10 Primitive mantle-normalized trace element spidergram

斑状含黑云母二长花岗岩的∑REE为(101.64～160.95)×10-6，LREE/HREE为15.97～17.71，稀土元素球粒陨石标准分布型式图(图9)，斑状含黑云母二长花岗岩轻重稀土分馏明显，配分曲线表现为明显右倾型模式，轻稀土元素富集，重稀土元素亏损。Eu异常变化较大(δEu=0.65～1.14)。微量元素具有富集大离子亲石元素K、Rb、Sr等，相对亏损高场强元素Ta、Nb、P、Ti等的特点(图10)。Sr含量较高，为277×10-6～312×10-6，而Yb、Y含量较低，Yb含量为0.66×10-6～0.75×10-6，Y含量为5.84×10-6～8.87×10-6。

5 讨论

5.1 岩石成因

研究区石英二长闪长岩和斑状含黑云母二长花岗岩均呈现较弱负铕异常，间接说明两种侵入岩的岩浆源结晶分异和部分熔融程度均较差。石英二长闪长岩的铝饱和指数A/CNK为0.941～1.034，<1.1，属准铝质到弱过铝质系列，暗色矿物为普通角闪石和黑云母，未见富铝矿物组合，综合考虑可判定其成因类型属于I型花岗岩。

斑状含黑云母二长花岗岩的铝饱和指数A/CNK为1.107～1.162，>1.1，为过铝质系列；刚玉标准分子(C-norm)为1.70～2.41，明显>1%，缺失透辉石，暗色矿物为黑云母。早期研究提出铝饱和指数A/CNK<1.1为I型花岗岩，而>1.1为S型花岗岩[17--18]，可适用于未经强烈结晶分异的花岗岩[19]。研究区斑状含黑云母二长花岗岩结晶分异和部分熔融程度均较差，综合A/CNK指标、刚玉标准分子(C-norm)等特征，综合判定其成因类型属于S型花岗岩。

张旗将花岗岩类划分为4种类型[20]，埃达克型花岗岩富Sr贫Yb，绝大多数Sr>300×10-6，Yb<2.5×10-6，Al2O3在14%～18%之间，δEu大多在0.6～1.2范围；喜马拉雅型花岗岩贫Sr和贫Yb，Sr<300×10-6(少数Sr>300×10-6)，Yb<2×10-6，Al2O3为13%～17%，δEu为0.2～1.0；浙闽型花岗岩贫Sr富Yb，Sr为40×10-6～400×10-6，Yb>1.5×10-6, Al2O3为12%～17%，δEu为0.4～1.0；南岭型花岗岩低Sr高Yb，通常Yb>1.5×10-6，Sr<100×10-6，Al2O3<14%，δEu<0.7。

根据Sr和Yb的富集和亏损程度可将本区侏罗纪花岗岩划分为富Sr贫Yb和贫Sr贫Yb两种类型(图11)。

图11 花岗岩Sr--Yb分类[20]Fig.11 Classification of granitic rocks based on whole-rock Sr and Yb contents

石英二长闪长岩为富Sr贫Yb型，Sr为432×10-6～452×10-6，Yb为2.28×10-6～2.41×10-6，Al2O3为16.86%～17.31%，δEu为0.9～1.01，与埃达克型具有相似，但与典型的埃达克岩相比，K2O含量相对较高(K2O=2.47%～2.62%)，明显比洋壳物质部分熔融形成的埃达克岩平均的K2O含量(～1.72%)[21]高很多。因此，本区富Sr贫Yb型石英二长闪长岩的地球化学特征与俯冲板块熔融形成的典型埃达克岩存在着一定的差别，不是俯冲板片熔融的埃达克岩，而与增厚下地壳熔融形成的“C”型埃达克岩相似[22](图12)。尽管目前关于埃达克岩的研究还存在争论，但埃达克岩形成于较高的压力条件下已是人们的共识[20,22--26]，即镁铁质岩石最低压力为0.8～1.0 GPa，通常>1.5 GPa压力下由于斜长石不稳定而转化为石榴石[27]。因此，认为富Sr贫Yb型石英二长闪长岩形成于较高压力的下地壳。

图12 埃达克型花岗岩两个亚类(O型和C型)[20]Fig.12 Sr--Yb diagram showing O-- and C--subtype for adakite-type granitic rocks

斑状含黑云母二长花岗岩为贫Sr贫Yb型，Sr为277×10-6～312×10-6，Yb为0.66×10-6～0.75×10-6，Al2O3为14.96%～15.22%，δEu为0.65～1.14，与喜马拉雅型花岗岩具有较为相似的特征，其中1件样品δEu=1.14，可能与其成岩过程经历花岗岩化作用有关。喜马拉雅型花岗岩贫Sr表明残留相有斜长石，贫Yb表明残留相有石榴石，源岩可能为含石榴石和斜长石的高压麻粒岩相，对应的地壳厚度可能不及埃达克岩[26]，形成压力可能在0.8～1.5 GPa之间[28]。因此，认为贫Sr和贫Yb型的斑状含黑云母二长花岗岩形成深度小于富Sr贫Yb型的石英二长闪长岩，可能形成于中--下地壳。

5.2 构造背景

研究区石英二长闪长岩富Sr贫Yb，并无负铕异常，暗示着岩浆源区的斜长石不稳定而转化为石榴石，虽不属典型的俯冲板片熔融型埃达克岩，但与增厚下地壳熔融形成的“C”型埃达克岩相似，说明其形成于较高压力的下地壳。研究区受俯冲板块的影响，地壳垂向增生，形成巨厚地壳，区内石英二长闪长岩为“I”型花岗岩，其源岩多为下地壳玄武质岩石在高压和地幔热源的共同作用下所形成[29]。综合Rb-(Yb+Nb)图解(图13)和R1--R2图解(图14)，区内石英二长闪长岩形成于板块碰撞前期的火山弧构造环境。

研究区斑状含黑云母二长花岗岩具有贫Sr和贫Yb的特征，与喜马拉雅型花岗岩较为相似，暗示岩浆源区残留斜长石和石榴石，形成压力略小于埃达克岩，推测其形成于中--下地壳。区内斑状含黑云母二长花岗岩成因类型为“S”型花岗岩，其源岩主要为沉积岩组成，形成温度较低[29]，张旗认为喜马拉雅型花岗岩通常形成碰撞阶段[27,30]。综合Rb-(Yb+Nb)图解(图13)和R1--R2图解(图14)，区内斑状含黑云母二长花岗岩形成于同碰撞期的火山弧构造环境。

ORG.洋脊花岗岩;WPG.板内花岗岩;VAG.火山弧花岗岩;COLG.同碰撞花岗岩。图13 不同类型花岗岩Rb-(Y+Nb)图解Fig.13 Rb-(Y+Nb) diagram of different types of granites

1.地幔分离;2.板块碰撞前;3.碰撞后抬升;4.造山晚期;5.非造山;6.同碰撞期;7.造山后期。图14 花岗岩类岩石R2--R1构造判别图解Fig.14 R2--R1 tectonic discrimination diagram of granitic rocks

研究区位于大兴安岭北段，关于大兴安岭晚中生代岩浆事件所形成的构造背景，前人仍有一些分歧，主要存在以下几种观点：①与古太平洋板块俯冲有关[31--34]；②陆内拉张或大陆内部幔隆背景下伸展造山的产物[35]；③与蒙古--鄂霍茨克洋的演化有关[36--37]；④古太平洋板块和蒙古--鄂霍茨克洋封闭后伸展的叠加效应[38--39]；⑤古亚洲洋闭合后大陆伸展或闭合期间的壳幔相互作用[40]。笔者更倾向于与蒙古--鄂霍茨克洋的演化有关，证据如下：

区域上额尔古纳—根河地区所出露的早侏罗钙碱性玄武岩--玄武安山岩组合反映了活动陆缘的构造背景，代表蒙古鄂霍茨克洋向南俯冲作用的发生[41--42]；此外，满洲里地区与乌奴格吐山斑岩型铜钼矿床、八大关中型斑岩型铜钼矿场以及太平川小型斑岩铜钼矿床的形成均被认为与蒙古--鄂霍茨克洋的南向俯冲作用有关[43]。满洲里额尔古纳地区形成的166～158 Ma晚侏罗世的火山岩组合，是与蒙古--鄂霍茨克构造带加厚陆壳坍塌阶段或拆沉阶段的产物[44]；吉黑东部尚未发现165～140 Ma的火山岩[36]。综合分析，研究区早侏罗世侵入体的形成与蒙古--鄂霍茨克构造体系演化有关，而与环太平洋构造体系无关。

5.3 形成时代

研究区位于蒙古--鄂霍茨克缝合带中南部的额尔古纳地块之上，区内所发育的侵入岩记录了蒙古--鄂霍茨克洋中段早侏罗世的构造演化过程，石英二长闪长岩，其锆石U--Pb年龄为(187.40±1.1) Ma，形成于俯冲环境下的大陆边缘火山弧环境；斑状含黑云母二长花岗岩锆石U--Pb年龄为(177.68±0.98)Ma，形成于同碰撞挤压阶段。综合说明，研究区内侵入岩所记录的蒙古--鄂霍茨克洋中段的闭合消亡的时间应为187～177 Ma。

5.4 地质意义

蒙古--鄂霍茨克洋作为西伯利亚板块与华北板块(含东北诸块体)之间最后存在的洋盆，中生代自西向东呈“剪刀式”闭合，构成影响东亚地区构造的多向汇聚构造体系，形成以洋壳俯冲、陆陆碰撞、大型逆冲--走滑构造、强烈陆内缩短和地壳加厚、区域深熔和变质为特征的造山运动[45]。

在早中生代，蒙古--鄂霍茨克洋自西向东逐渐闭合，蒙古--鄂霍茨克洋板块持续向两侧地块俯冲，在北蒙古—外贝加尔及中蒙古西部--额尔古纳地块广泛分布与大洋板块俯冲相关的花岗类岩浆岩，这些岩浆岩锆石U--Pb年龄集中在250～180 Ma[46]。额尔古纳地区还发育193～181 Ma火山岩，由亏损地幔部分熔融而成，并受俯冲板片相关流体所改造。这些岩石的形成年代和地球化学特征表明，蒙古--鄂霍茨克构造带两侧三叠纪—早侏罗世岩浆岩形成于主动大陆边缘环境，与蒙古--鄂霍茨克洋板块持续向其南北两侧地体的俯冲密切相关[47]。另外，蒙古--鄂霍茨克构造带内同构造期花岗岩锆石U--Pb年龄为173～153 Ma[3,48]。随着蒙古--鄂霍茨克洋闭合，西伯利亚南缘及奥伦岛弧地区受到强烈挤压和褶皱，发生绿片岩相变质作用，并伴随大规模的逆冲推覆构造和韧性剪切变形，黄始琪于蒙古--鄂霍茨克构造带中段艾伦达瓦韧性剪切带内，测得长英质糜棱岩原岩锆石U--Pb年龄(174±6)Ma，测得后期侵入的未变形伟晶岩脉U--Pb年龄为(163±4)Ma(图1)，厘定了蒙古--鄂霍茨克构造带的形成年代为174～163 Ma[7]。侏罗纪前陆盆地内砂岩碎屑锆石年龄集中在229～176 Ma，由此揭示蒙古--鄂霍茨克造山带的形成时间应晚于176 Ma[49]。基于区域上岩石形式时代、地球化学特征以及构造变形作用，可推测蒙古--鄂霍茨克洋的闭合时间应为180～176 Ma。

研究区位于蒙古--鄂霍茨克缝合带中部南侧的额尔古纳地块之上，区内侵入岩记录的蒙古--鄂霍茨克洋中段的闭合时间为187～177 Ma，区内洋壳俯冲环境形成的侵入岩(187.40 Ma)略早于区域上最晚一期洋壳俯冲所形成的岩浆岩(180 Ma)，间接说明蒙古--鄂霍茨克洋呈自西向东呈逐渐闭合的过程。

6 结论

(1)大兴安岭北段扎林库尔山一带早侏罗世石英二长闪长岩，形成于蒙古--鄂霍茨克洋洋壳南向俯冲环境下的大陆边缘火山弧环境；早侏罗世斑状含黑云母二长花岗岩，形成于西伯利亚板块与额尔古纳地块碰撞造山环境。

(2)大兴安岭北段扎林库尔山一带出露的石英二长闪长岩锆石U--Pb年龄为187.40±1.1 Ma，斑状含黑云母二长花岗岩锆石U--Pb年龄为(177.68±0.98)Ma。两期侵入岩所记录的蒙古--鄂霍茨克洋中段的闭合消亡的时间应为187～177 Ma。