大兴安岭南段乌兰毛都地区早白垩世花岗闪长岩的岩石成因及构造背景

2021-09-24兰丽雪张彦龙高妍文雯景妍井佳浩

世界地质 2021年3期

兰丽雪，张彦龙，高妍，文雯，景妍，井佳浩

1.吉林大学地球科学学院，长春 130061；2.吉林大学东北亚国际地学研究与教学中心，长春 130026；3.中国石油青海油田采油一厂开发地质研究所，甘肃敦煌 736202

0 引言

中亚造山带(CAOB)是地球上最大的显生宙次生造山带之一，位于西伯利亚克拉通以南，塔里木--华北克拉通以北[1--2]。东北地区位于中亚造山带东段，处于古亚洲洋、古太平洋和蒙古--鄂霍茨克洋三大构造体系的重叠部位。这种特殊的构造位置决定了东北地区构造演化过程的复杂性。大兴安岭地区作为东亚大陆边缘最为活跃的区域之一，以强烈的构造--岩浆活动和大规模花岗质侵入体为特征。花岗质类岩石是大陆地壳最重要的组成部分，其形成主要是在不同构造环境下地幔向地壳传递物质和/或热量的结果。因此，花岗质岩石在解释地壳生长和构造演化过程中具有关键作用。此外，大兴安岭中生代花岗岩分布面积较大，且前人已经开展了大量的科学研究工作，但对于其形成与演化过程依然存在较大争议。目前，关于大兴安岭中生代花岗岩形成的地球动力学机制问题主要有两个不同观点：①广泛发育的中生代花岗岩与蒙古--鄂霍茨克洋闭合及造山后的重力垮塌有关；②与古太平洋板块西向俯冲作用有关。笔者通过对大兴安岭南段乌兰毛都地区花岗岩进行详细的岩石学、年代学以及全岩地球化学的研究，并结合已有的相关资料，探讨研究区花岗岩的形成时代、成因类型及其形成的地球动力学机制。

1 地质概况及样品特征

大兴安岭传统上被认为是夹持于华北克拉通和西伯利亚克拉通之间，位于中亚造山带(CAOB)的东部。大兴安岭地区由微大陆块体拼贴而成，包括西北部的额尔古纳和兴安地块，中部的松嫩地块和东部的佳木斯--兴凯地块(图1a)。在古生代—中生代期间经历了古亚洲洋构造体系、蒙古--鄂霍茨克构造体系和环太平洋构造体系的叠加改造[3--4]。研究区位于内蒙古自治区科尔沁右翼前旗乌兰毛都地区，大地构造位置属于大兴安岭南段的松嫩地块(图1b)。松嫩地块向北与兴安地块相接，南与佳木斯--兴凯地块相连，是东北地区重要的微陆块之一。近年来的地质年代学研究显示大兴安岭兴安地块基底并不是前人认为的前寒武纪变质岩，而主要是由古生代—中生代不同类型的岩浆岩、变质岩以及沉积岩组成[5--7]。研究区出露的地层有古生代和中生代，其中古生界主要为二叠系；中生界主要为侏罗系。

图1 中国东北地区构造简图 (a) 和乌兰毛都地区地质简图 (b)Fig.1 Tectonic sketch map of Northeast China (a) and simplified geological map of Wulanmaodu area (b)

乌兰毛都岩体(46°24′42.3″N, 121°14′23.0″E)岩石类型为花岗闪长岩，呈细粒花岗结构，块状构造。主要矿物组成为：石英(25%～30%)、斜长石(40%～45%)、碱性长石(15%～20%)、角闪石(5%～7%)和黑云母(3%～5%)(图2)。石英呈他形粒状，多具波状消光；斜长石为自形--半自形板状，具有明显的聚片双晶特征；碱性长石主要为钾长石和条纹长石，发育卡式双晶和条纹结构；角闪石自形长柱状，横截面为菱形；黑云母呈鳞片状。含有少量锆石、不透明矿物等副矿物。

Qtz.石英；Kfs.钾长石；Pl.斜长石；Hbl.角闪石；Bi.黑云母。图2 乌兰毛都地区花岗闪长岩的镜下显微照片Fig.2 Photomicrographs of granodiorites in Wulanmaodu area

2 分析方法

样品的锆石分选工作在河北省区域地质调查大队地质实验室完成。锆石U--Pb定年在西北大学大陆动力学教育部重点实验室利用激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪(LA--ICP--MS)测定。仪器采用波长为193 nm的ComPex102ArF准分子激光器和Elan6100DRC型电感耦合等离子质谱仪(ICP--MS)，激光剥蚀束斑直径为36 μm，频率为10 Hz，有效采集时间为45 s。实验外部标准校正使用国际标准锆石91500，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NISTSRM610进行仪器最佳化。采用Glitter(ver 4.0，Macquarie University)程序进行锆石U--Pb同位素比值及元素含量处理，参照Andersen(2002)[8]的方法进行普通铅校正，选用国际标准程序Isoplot(ver 2.49)进行年龄计算。锆石LA--ICP--MS U--Pb测试分析的中单个分析点的同位素分析误差不超过3%，为提高数据质量，岩浆锆石采用多点测试，以统计加权方式提高数据质量，一般测试点数要求超过15个，置信区间设为95%。

待测样品的全岩主量、微量化学分析在西北大学大陆动力学教育部重点实验室完成。采用X射线荧光光谱仪(XFR)和电感耦合等离子质谱仪(ICP--MS)分别对主量元素和微量元素进行分析。对比国际标样AGV--2、BHVO--2、BCR--2和GSP--1的分析结果表明，主量元素和微量元素的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定年

花岗闪长岩样品(GW04158)中锆石呈长柱状，自形程度较好，且发育明显的岩浆振荡生长环带，Th/U比值范围为1.28～1.90(表1)，暗示其为岩浆成因[9]。

本文对乌兰毛都地区花岗闪长岩(GW04158)进行LA--ICP--MS锆石U--Pb同位素分析测试，所测得的16个测试点的206Pb/238U年龄值介于126 ～136 Ma之间(表1)，且所有测试点都集中分布在谐和线上或附近，206Pb/238U年龄加权平均值为(132±2) Ma(图3)，指示乌兰毛都花岗闪长岩形成时代为早白垩世。

图3 乌兰毛都地区花岗闪长岩U--Pb年龄谐和图及阴极发光(CL)图像Fig.3 U--Pb concordia diagram and CL images of granodiorites in Wulanmaodu area

表1 乌兰毛都地区早白垩世花岗闪长岩锆石 LA--ICP--MS U--Pb 定年结果

3.2 岩石地球化学特征

大兴安岭南段乌兰毛都地区花岗闪长岩的主量及微量元素测试结果见表2。

表2 乌兰毛都地区早白垩世花岗闪长岩主量元素(10-2) 和微量元素(10-6)分析结果

花岗岩闪长的SiO2=66.68%～68.09%、Al2O3=14.94%～15.35%、(K2O+Na2O) = 7.43%～7.59%、TFe2O3=3.83%～3.88 %、MgO=1.62%～1.72% (Mg#= 49.8～50.9)。在( K2O + Na2O)--SiO2、K2O--SiO2分类图解中(图4a、b)，显示样品属于高钾钙碱性系列。从A/NK--A/CNK图解中可以看出样品属于准铝质系列(图4c)，其铝饱和指数(A/CNK)为0.93～0.95。

花岗闪长岩富集轻稀土元素(LREEs)、亏损重稀土元素(HREEs)，其∑LREE介于94.7×10-6～106.7×10-6之间。在球粒陨石标准化配分图中呈明显右倾型(∑LREE/∑HREE = 9.1～10.7；图5a)，具有Eu正异常(δEu = 1.49～1.74，平均值为1.62)。原始地幔标准化蛛网图解上显示(图5b)，花岗闪长岩富集Rb、K等大离子亲石元素(LILEs)，亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素(HFESs)。

图4 乌兰毛都地区早白垩世花岗闪长岩TAS图解[10] (a)，K2O--SiO2图解[11](b)和A/NK--A/CNK图解[12](c)Fig.4 TAS (a), K2O versus SiO2 (b) and A/NK versus A/CNK (c) diagrams for Early Cretaceous granodiorites from Wulanmaodu area

4 讨论

4.1 形成时代

虽然前人对大兴安岭地区花岗岩研究较为深入，并取得了一定的突破性成果，但是由于测试技术滞后造成高精准的年代学和地球化学数据的缺乏，制约了对大兴安岭地区不同时代花岗岩的成因及构造机制进行更深的讨论[15--16]。为此，笔者对乌兰毛都地区花岗闪长岩中的岩浆成因锆石进行了高精度LA--ICP--MS U--Pb同位素测年，样品的206Pb/238U年龄加权平均值为(132±2)Ma，代表了岩浆结晶成岩的时代，表明乌兰毛都地区花岗闪长岩为早白垩世岩浆作用的产物。该年龄与近年来发表的大兴安岭其他地区的花岗岩的形成时代较为一致，多数为中生代花岗岩，且形成时代为早白垩世的花岗岩比例较大[2]。结合前人已发表的大兴安岭地区大量的早白垩世火山岩年代学数据[17--20]，表明早白垩世期间大兴安岭地区发生一期重大的岩浆活动事件。

4.2 岩石成因

花岗岩成因类型的限定对于花岗岩成因研究极为重要，既可反映岩浆源区的性质，还可作为岩浆形成构造环境的判别依据。根据地球化学特征和岩石成因，花岗质岩石通常可分为I型、S型、M型和A型。通过地球化学分析结果显示，研究区花岗闪长岩样品显示高硅、富碱、贫镁和铁的特征，并且富集大离子亲石元素(如Rb、K)和高场强元素(如Th、U)，亏损高场强元素(如Nb、Ta和P)，指示其与大陆地壳的亲缘性。乌兰毛都地区早白垩世花岗闪长岩属于高钾钙碱性准铝质系列(A/CNK<1.1)，未见白云母、堇青石等过铝质矿物，表明其并不属于S型花岗岩。此外，大兴安岭地区大量的花岗质岩石均属于高钾钙碱性准铝质--过铝质系列[21--28](图4b)。样品的锆石饱和温度范围为745℃～759℃，明显低于A型花岗岩的形成温度，Ga/Al比值为2.26～2.32，暗示其并非A型花岗岩(Ga/Al>2.6)。并且在Whalen et al.[29]和Eby[30]提出的判别图解中(图6)，样品的数据点均落在I型花岗岩区域。综合以上证据，显示样品属于I型花岗岩。

图5 乌兰毛都地区早白垩世花岗闪长岩稀土元素配分图[13] (a)和微量元素蛛网图[14] (b)Fig.5 Chondrite-normalized REE distribution pattern (a) and primitive mantle-normalized spider diagrams (b) for Early Cretaceous granodiorites from Wulanmaodu area

图6 乌兰毛都地区早白垩世花岗闪长岩成因类型判别图解Fig.6 Discrimination diagrams of genetic types for Early Cretaceous granodiorites from Wulanmaodu area

目前关于I型花岗岩的成因，前人有两种解释：①地壳物质的部分熔融[31]；②中基性岩浆的结晶分异[32]。大兴安岭地区发育广泛的中生代花岗岩[2]，由基性岩浆的分离结晶作用形成如此大规模的酸性岩浆作用的可能性较小。研究区花岗闪长岩样品具有高硅(SiO2= 66.68%～68.09%)、富碱(K2O + Na2O = 7.43%～7.59%)及贫铁(TFe2O3=3.83%～3.88%)、镁(MgO=1.62%～1.72%)的特征，且富集轻稀土元素和大离子亲石元素，亏损重稀土元素与高场强元素。此外，花岗闪长岩的Zr/Hf与Nb/Ta比值范围分别为33.82～36.25(平均值为34.6)和6.75～9.06(平均值为7.63)，这些比值更接近地壳的Zr/Hf与Nb/Ta比值(33和11)，与原始地幔的相应值相差较大(37和17.8)；其Nd/Th比值范围为0.40～0.47(平均值为0.43)，更接近壳源岩石的Nd/Th值(平均值为3)，明显区别于幔源岩石(平均值>15)，暗示研究区早白垩世花岗闪长岩的形成与地壳岩石的部分熔融有关[33]。此外，研究区花岗闪长岩显示P、Ti元素亏损，反映了源区矿物相中存在磷灰石和钛铁矿的残留。

4.3 构造背景

在构造环境判别图解中(图7)，花岗闪长岩样品数据点以及大量大兴安岭地区花岗质岩石的数据点均落在火山弧(VAG)区域内，指示其活动大陆边缘属性。结合其低温特点，暗示乌兰毛都花岗闪长岩的形成可能与俯冲作用有关。目前，甘珠尔庙变质核杂岩、海拉尔盆地和扎兰屯双峰式火山岩等伸展背景产物的发现，表明大兴安岭地区在早白垩世期间处于伸展背景[34--35]。关于引起此种伸展环境的动力学机制是一个有较大争议的问题，主要有两种观点：①与蒙古--鄂霍茨克洋闭合及造山后的重力垮塌有关；②与古太平洋板片西向俯冲有关。

图7 乌兰毛都地区早白垩世花岗闪长岩构造环境判别图解Fig.7 Discrimination diagram for tectonic setting of Early Cretaceous granodiorites from Wulanmaodu area

蒙古--鄂霍茨克洋板块的俯冲早在晚古生代末期就已经存在，并一直延续到三叠纪。普遍认为，蒙古--鄂霍茨克洋为自西向东呈剪刀式闭合，西部于晚三叠世—早侏罗世闭合，东部于晚侏罗世—早白垩世完成闭合[36--37]。对于大兴安岭地区而言，其西北侧蒙古--鄂霍茨克洋的闭合发生在中侏罗世。根据大量火成岩年代学数据显示，NE向展布的蒙古--鄂霍茨克缝合带与大兴安岭早白垩世火山岩NNE向的展布特征不一致。从时间与空间特征上，大兴安岭早白垩世花岗质岩石的形成与蒙古--鄂霍茨克洋的闭合关联并不紧密。古太平洋又称为泛大洋，中生代期间主要包括伊泽奈崎板块、法拉隆板块、菲尼克斯板块和太平洋板块，东北地区侏罗纪—白垩纪的构造演化主要受伊泽奈崎板块影响。在早--中侏罗世期间，伊泽奈崎板块对中国东北地区的俯冲方式由大角度向平板俯冲转变[38--39]。早白垩世晚期由于古太平洋俯冲方向转变为NNW，东北地区由挤压的构造背景转换为伸展的构造背景，由此引发的压力释放使得增厚的下地壳密度失稳而引发拆沉，致使地幔物质上涌，加热下地壳物质，为东北地区大规模的岩浆活动提供了条件。综上所述，笔者认为大兴安岭乌兰毛都地区的早白垩世花岗闪长岩的形成与古太平洋板块西向俯冲有关。