吉林中部早侏罗世A型花岗岩的地球化学特征及地质意义

2021-09-26赵昌吉张学海刘学生王永胜

黑龙江科技大学学报 2021年5期

钱烨，赵昌吉，张涛，张学海，刘学生，王永胜

(1．吉林大学地球科学学院, 长春 130061； 2.青岛地质工程勘察院(青岛地质勘察开发局)，山东青岛 266071； 3.吉林省地质调查院，长春 130102)

0 引言

东北地区地处中亚造山带的最东段。该地区自西向东被划分成额尔古纳地块、兴安地块、松嫩地块、佳木斯地块和兴凯地块[1-4]。该地区在晚古生代—中生代时期经历了复杂的地质构造变动，包括微地块的拼合、古亚洲洋的最终闭合和古太平洋板块的俯冲。中生代以来，华北克拉通东北缘岩浆活动进入频繁活动的地质时期，期间发育了一系列钙碱性火山岩，这些火山岩是东亚大陆边缘中生代构造-岩浆活动带的重要部分。岩浆活动并最终在晚中生代(约140 Ma)达到顶峰，在华北克拉通东北缘形成一系列多金属矿床，因此华北克拉通东北缘也是众多学者研究典型矿床成因和岩浆活动的重要地点。

目前，前人在小兴安岭—张广才岭进行了很多研究工作，但是由于花岗岩形成环境的多样性[5]，造成了古太平洋板块向欧亚大陆俯冲开始的时间仍处于争议之中，古太平洋板块向欧亚大陆下俯冲的起始时间存在多种观点，分别是早二叠世[6-7]，三叠纪[8-10]和早—中侏罗世[11-15]。吉林中部地区(以下简称“吉中地区”)位于小兴安岭—张广才岭地区最南端，该地区花岗岩类岩石分布广泛且早—中侏罗世岩浆活动极为剧烈，是研究古环太平洋构造域演化的理想地点。笔者以吉中地区发现的二长花岗岩(老少沟岩体)为对象，进行了锆石U-Pb测年和岩石地球化学研究，探讨该岩体形成的时代和构造背景，收集并综合分析前人数据，对东北地区古亚洲洋构造域向环太平洋构造域转化的时间进行探讨。

1 地质背景

研究区大地构造位置如图1所示。吉中地区广泛发育花岗岩，出露地层有晚二叠纪杨家沟组碎屑岩和古新纪陆缘碎屑岩、粉砂岩。老少沟岩体位于吉林市杨木乡附近，采样点坐标为东经126°45′49″、北纬44°09′11″，出露面积约为2.32 km2。研究区地质简图见图2。

图1 研究区大地构造位置Fig. 1 Geotectonic position of study area

图2 研究区地质简图Fig. 2 Regional geological map for study area

岩体侵入晚三叠世似斑状二长花岗岩中，北侧被中侏罗世二长花岗岩侵入，第四系覆盖严重。岩体新鲜面呈肉红色，中粗粒花岗结构，块状构造。经室内鉴定，其主要组成矿物为石英20%～25%(体积分数)、斜长石35%～40%(体积分数)、条纹长石40%～45%(体积分数)和少量黑云母。

2 分析方法

锆石的单矿物分选、制靶和测试工作均在北京科荟测试技术有限公司实验室进行。将破碎后的样品利用重力分选技术分选后, 利用双目显微镜人工挑选表面光滑、晶形完整、透明度高且无核幔结构的锆石颗粒，将挑选出的锆石粘贴固定在环氧树脂表面,待其固化之后,将锆石表面打磨抛光至中心。

在进行锆石U-Th-Pb同位素测试前,通过阴极发光图像(CL图像)研究锆石颗粒的形态和内部结构特征，以选择最合适的测试分析位置。同位素测试分析采用He为载气的激光，剥蚀束斑直径为30 μm。锆石年龄校正使用标准锆石91500作为外标样,元素含量采用NIST SRM610作为外部标样,每12个测试点插入2个91500标样和1个使用NIST SRM610。Si作为内标元素,分析方法见文献[16]。样品的同位素数据处理采用ICP-MS- Datacal程序[17-18]，锆石同位素年龄计算及谐和图等的绘制采用ISOPLOT 3.0程序[19]完成。

将待进行测试的岩石样品在65 ℃恒温干燥24 h后破碎,通过多次缩分出的300 g均匀样品在振动研磨机上研磨至0.007 4 mm，以备分析测试样品的主量元素、微量元素及稀土元素。主量元素利用熔片X-射线荧光光谱法(XRF)测定,互相检测方法为等离子光谱法和化学法,测试分析的精确度和准确度均优于5%。微量元素和稀土元素测定方法为电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)法,测试分析精确度和准确度均优于10%。

3 结果与分析

3.1 锆石U-Pb同位素测年结果

对老少沟岩体样品中24粒锆石进行U-Th-Pb同位素分析，结果见表1(1粒锆石不协和)。锆石阴极发光CL图像见图3。图3显示分选出的锆石自形程度较好，呈长柱状，少部分呈短柱状，晶体长轴介于60～153 μm，短轴介于30～85 μm，长宽比为1∶1到3∶1，锆石具明显的震荡环带结构。锆石中的Th、U质量分数均较高，范围变化均较大，w(Th)/w(U)比值在0.32～0.59，除一点外均大于0.40，具有典型岩浆成因锆石特点。锆石年龄谐和与加权平均年龄见图4、图5。该样品共获得15个较为谐和的锆石年龄，记206Pb与238U同位素原子比为λ(206Pb)/λ(238U),年龄范围介于175～179 Ma，其加权平均年龄值为(176.3±1.1) Ma，该年龄代表老少沟岩体的结晶年龄，时代为中侏罗世。

表1 老少沟岩体锆石U-Pb同位素测年结果

图3 老少沟岩体锆石CL图像及测试位置Fig. 3 CL images of zircons from Laoshaogou plutone

图4 老少沟岩体锆石U-Pb协和图Fig. 4 Concordia age of zircons from Laoshaogou plutone

图5 老少沟岩体加权平均年龄Fig. 5 Weighted average age of zircons from Laoshaogou plutone

3.2 主微量元素特征

老少沟岩体全岩主微量元素分析结果见表2。主量元素质量分数单位为%，微量及稀土元素单位为10-6。SiO2质量分数高且变化大，介于64.43%～70.15%；K2O和Na2O质量分数较高，分别为2.52%～3.35%和3.26%～4.69%，w(K2O)/w(Na2O)比值较低，为0.61～0.93。图6中样品集中落于花岗闪长岩区域，在SiO2-K2O(图7)图解中，样品落于高钾钙碱性区域。

表2 老少沟岩体主量、微量、稀土元素分析结果

图6 TAS图解Fig. 6 Diagram of TAS for Laoshaogou plutone

图7 Si-K图解Fig. 7 Diagram of Si-K for Laoshaogou plutone

在铝饱和指数图解中(图8)，记铝饱和指数α=w(Al2O3)/w(CaO+Na2O+u2O),β=w(Al2O3)/w(Na2O+K2O)。样品落入过铝质区域。同时样品还具有高全铁、贫MgO、低P2O5和较高的Al2O3质量分数的特征。

图8 铝饱和指数图解Fig. 8 Diagram of A/NK-A/CNK for Laoshaogou plutone

老少沟岩体稀土元素总量较低，其质量分数为164.23×10-6～194.00×10-6，样品轻稀土和总稀土质量分数分别为139.65×10-6～169.05×10-6和15.47×10-6～24.95×10-6,轻稀土与总稀土质量分数比值为6.77～9.03，均值为8.15，反映了样品轻重稀土元素明显分馏，富集轻稀土元素且Eu负异常明显(图9)。

图9 老少沟岩体稀土配分曲线Fig. 9 Chondrie normalized rare earth elements patterns for Laoshaogou plutone

在图10微量元素蛛网图中，样品显示富集大离子亲石元素如Rb、K、Th，亏损Sr、Ba和高场强元素Nb、P、Ti等，这种异常的形成可能与金红石、磷灰石和钛铁矿等矿物的分离结晶有关。

图10 老少沟岩体微量元素蛛网Fig. 10 Primitive mantle normalized trace element spider for Laoshaogou plutone

4 讨论

4.1 岩石成因

样品属于高碱钙碱性系列，具有高全碱(K2O+Na2O)、高Al2O3，贫Mg、低P，在Zr-10 000×Ga/Al图解中，大部分样品落入A型花岗岩区域(图11)，同时微量元素的大离子亲石元素如K、Rb和轻稀土(LREE)元素的富集，Ba、Sr强烈的负异常，高场强元素Nb、Ta、Ti、P的亏损，以上元素特征与高分异I型花岗岩和A型花岗岩的特征相一致。老少沟岩体相对于高分异I型的花岗岩的SiO2质量分数相对较低，而较高的全铁质量分数、较低的Rb质量分数也佐证了样品并非高分异的I型花岗岩[20-23]。同时样品的高场强元素Zr、Nb、Ce、Y质量分数均较高，总和均值大于A型花岗岩的下限值(350×10-6)，计算得出样品锆饱和温度均值为806 ℃，远大于高分异I型花岗岩的平均值764 ℃，而与A型花岗岩的平均锆饱和温度(800 ℃)相近[24-27]。

图11 花岗岩类型判别图解Fig. 11 Diagrams of rock type discrimination for Laoshaogou plutone

室内镜下鉴定结果显示，样品矿物组成为石英(体积分数)20%、斜长石(体积分数)40%、条纹长石(体积分数)40%，同时铝饱和指数均值为1.13(样品薄片镜下观察发现，无白云母、堇青石等富铝特征矿物，故排除样品为S型花岗岩的可能性[28-29])，这与铝质A型花岗岩特征一致。目前研究显示，铝质A型花岗岩岩浆源区为部分熔融的长英质地壳或铁镁质下地壳，但无水条件下长英质地壳部分熔融而形成A型花岗岩所需温度很高(平均为839 ℃)，文中样品锆饱和温度明显低于此温度；另外样品的Nb与Ta、Zr与Hf、La与Nb、Th与Nb、Th与La、Rb与Sr等微量元素质量分数比值更接近地壳均值，这些特征都证实了老少沟岩体岩浆源区为下地壳物质的部分熔融。

4.2 构造意义

东北地区早侏罗世的火成岩组合及其空间分布是研究古太平洋板块向欧亚大陆下俯冲时限的关键。前人对小兴安岭—张广才岭南段地区花岗岩类岩石进行了大量的年代学和地球化学研究，本文对前人资料进行了总结。小兴安岭—张广才岭地区早侏罗世发育的火成岩以基性和酸性火成岩为主，呈北东—南西向带状展布。其主体为钙碱性系列,部分为碱性系列，具有双峰式火山岩的特点[30-34]。本文的A型花岗岩也显示了小兴安岭—张广才岭早侏罗世时处于伸展环境中。吉黑东部发育的早侏罗世为一套钙碱性基性-中性-酸性火成岩组合，呈北东—南西向带状展布。前人研究的地球化学数据显示，其具有火山弧岩体的地球化学属性，为活动大陆边缘环境形成[35]。小兴安岭—张广才岭和吉黑东部的两条北东—南西向展布的岩浆岩带，构成了平行于东北亚陆缘的成分分带，分别对应了欧亚大陆在古太平洋洋壳俯冲下形成的弧后伸展环境和活动大陆边缘环境(图12)。