大兴安岭中段碾子山地区晚三叠世埃达克质侵入岩的发现及其地质意义

2022-05-12符安宗杨文鹏赵寒冬王贵鹏石国明李金明邓昌州

现代地质 2022年1期

符安宗,杨文鹏,刘渊,赵寒冬,王贵鹏,石国明,李金明,邓昌州

(1.黑龙江省自然资源调查院，黑龙江哈尔滨 150036；2.中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室，贵州贵阳 550081)

0 引言

大兴安岭位于中亚造山带东段，为古亚洲洋、环太平洋、蒙古—鄂霍茨克洋三大构造域的复合部位，经历了复杂的地质构造演化。大兴安岭地区古亚洲洋于早—中三叠世最终闭合[1-4]，并在中三叠世之后进入环太平洋构造体系、蒙古—鄂霍茨克洋构造体系的演化阶段[5]。受此影响，早三叠世以来大兴安岭地区形成了大规模的构造-岩浆活动。大兴安岭三叠纪岩浆活动记录了古亚洲洋碰撞闭合和蒙古—鄂霍茨克洋板片俯冲事件，近年来受到研究人员的广泛关注，并逐渐成为研究热点。大兴安岭地区三叠纪火山岩较少，而三叠纪花岗岩分布广泛，因此多数学者以花岗岩为研究对象重建三叠纪的构造演化[6-19]。然而，在晚三叠世花岗岩所形成的大陆动力学背景方面仍然存在争议。一些学者认为晚三叠世侵入岩组合为I型花岗岩和A型花岗岩，是古亚洲洋闭合后岩石圈伸展作用的产物[8-14]。而部分研究人员认为晚三叠世侵入岩为I型花岗岩和双峰式侵入岩，形成于活动大陆边缘环境，是蒙古—鄂霍茨克洋板块俯冲作用的产物[15-19]。可见，大兴安岭地区早中生代的构造演化还有待深入研究。

鉴于此，本文在1:5万碾子山幅区域地质调查工作的基础上，对碾子山地区早中生代花岗岩开展岩石学、年代学和元素地球化学研究，探讨其形成时代、岩石成因和地质意义，为大兴安岭地区早中生代的构造演化研究提供依据。

1 区域地质概况及岩相学特征

碾子山地区位于大兴安岭中段，大地构造单元在古生代属中亚造山带东侧兴蒙造山带、贺根山—黑河构造带，毗邻兴安岛弧(图1(a))，在中生代属滨太平洋构造域的大兴安岭NNE向中央隆起带与松辽盆地的过渡区[20-21]。研究区夹于额尔古纳—兴安地块和松嫩地块之间，受贺根山—黑河构造带形成演化控制，中生代岩浆作用强烈。

碾子山地区出露的地层主要为中生代白垩纪火山-沉积地层，零星出露少量的晚古生代二叠纪地层(图1(b))。其中白垩纪火山-沉积地层包括下白垩统龙江组中酸性-中性火山岩-沉积碎屑岩组合、光华组酸性火山岩夹沉积碎屑岩组合、甘河组中基性-基性火山岩组合；晚古生代二叠纪地层为中二叠统哲斯组半深海-浅海相砂板岩组合。区内侵入岩以中生代侵入岩为主，古生代侵入岩零星出露，大体可划分为早石炭世、晚三叠世和早白垩世三期(图1(b))。其中以晚三叠世侵入岩分布最广、面积最大，呈近北东向展布，其岩石组合包括正长花岗岩、石英二长岩，侵入中二叠统哲斯组和早石炭世花岗岩中，被下白垩统火山沉积地层不整合覆盖并有早白垩世碱性岩体侵入。

正长花岗岩(图2(a)—(c))，呈浅肉红色-肉红色，以中细粒为主，具半自形粒状结构，块状构造。矿物成分由钾长石(约50%)、斜长石(约20%)、石英(约28%)和少量黑云母(约2%)组成，粒径0.2～5.0 mm。钾长石呈半自形板状，少数呈它形粒状，负低突起，卡斯巴双晶、简单双晶，条纹构造发育，晶面裂纹可见，具轻微高岭土化；斜长石呈半自形板状，聚片双晶，弱绢云母化；石英呈它形粒状、微碎裂，波状消光；黑云母呈褐色片状、黏土化。副矿物为磁铁矿、磷灰石、榍石。

石英二长岩(图2(d)—(f))，呈灰白色，以中细粒为主，具半自形粒状结构，块状构造，手标本上可见暗色矿物呈定向排列。矿物成分由斜长石(约43%)、钾长石(约35%)、石英(约15%)、少量角闪石(约5%)和黑云母(约2%)组成，粒径0.2～5.0 mm。斜长石呈半自形板状、它形粒状，聚片双晶，弱绢云母化；钾长石呈半自形板状、它形粒状，负低突起，干涉色一级灰白，卡斯巴双晶、简单双晶，条纹构造发育，具轻微高岭土化；石英呈它形粒状，表面光滑，波状消光；角闪石呈不规则柱状，略呈定向分布；黑云母呈片状；副矿物为磷灰石、磁铁矿、榍石。

正长花岗岩中可见钾长石晶面裂纹，石英微碎裂，而石英二长岩中矿物晶面未见明显裂纹，反映前者成岩后受应力作用，后者未受该应力影响，说明正长花岗岩应在石英二长岩之前结晶成岩。石英二长岩中暗色矿物呈定向排列，可能为原生片麻理构造，是流动的岩浆对围岩强烈挤压而产生的，反映正长花岗岩为石英二长岩的围岩。这与正常的岩浆岩侵位系列相反，说明正长花岗岩和石英二长岩可能是源于不同岩浆源。

2 样品采集及测试方法

本次工作在研究区内不同出露地段选择代表性岩石进行样品采集，其中全岩地球化学样品包括5件正长花岗岩和2件石英二长岩，锆石U-Pb同位素样品包括2件正长花岗岩和1件石英二长岩。样品较为新鲜，采样位置见图1(b)和表1。

表1 碾子山地区晚三叠世侵入岩样品信息

LA-ICP-MC锆石U-Pb年龄样品的锆石分选及制靶工作由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。以常规方法将样品粉碎，并用浮选、电磁选等方法进行分选，在双目镜下挑选裂纹较少、晶形较完好的锆石，然后将锆石粘贴在环氧树脂表面，打磨抛光后制成样靶。锆石的透射光、反射光、阴极发光(CL)图像采集及U-Pb同位素分析在北京科融恩科技有限责任公司完成。锆石U-Pb分析在北京科融恩科技有限责任公司LA-MC-ICP-MC仪器上完成。利用193 nm激光器对锆石进行剥蚀，激光剥蚀束斑直径为35 μm，能量密度为13～14 J/cm2，频率为8～10 Hz。实验原理和测试方法详见参考文献[24]。锆石定年外标采用91500标准锆石。采用中国地质大学刘勇胜等研发的ICPMSDataCAl程序和Ludwig的Isoplot程序进行数据处理、年龄计算和谐和图的绘制。采用208Pb校正法对普通铅进行校正，利用NIST612玻璃标样作为外标计算锆石样品的Pb、U、Th含量。

样品的岩石地球化学分析在黑龙江省地质矿产测试研究所完成。主量元素采用X射线荧光光谱仪(XRF)完成，分析精度优于5%。微量元素和稀土元素采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定，分析精度优于10%。分析流程详见参考文献[25]。

3 测试结果

3.1 锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄

本文锆石U-Pb测定结果列于表2。

表2 碾子山地区晚三叠世侵入岩锆石U-Pb年龄测试结果

样品U-Pb3022、U-Pb2064-2为正长花岗岩，阴极发光图像(图3)显示锆石均为自形晶，以柱状为主，大小多在70～150 μm之间，长宽比在4:1～2:1之间，内部结构特征清晰，发育明显的岩浆韵律环带结构；且锆石Th/U比值介于0.43～1.71之间，均大于0.4，表现为典型岩浆成因锆石特征[26]。样品U-Pb3022一共分析20个锆石颗粒，其中有19颗锆石的分析结果位于U-Pb谐和线上及其附近(图4(a))，206Pb/238U年龄为222.2～248.8 Ma，206Pb/238U加权平均年龄为(228.9±3.3)Ma(n=19，MSWD=0.59)。样品U-Pb2064-2一共分析20个锆石颗粒，其中有15颗锆石的分析结果位于U-Pb谐和线上及其附近(图4(b))，206Pb/238U年龄为216.6～249.1 Ma，206Pb/238U加权平均年龄为(225.6±2.8)Ma(n=15，MSWD=1.3)。两个年龄在误差范围内一致，反映了这两个正长花岗岩的形成时代相近，皆为晚三叠世。

样品U-Pb8068为石英二长岩，阴极发光图像(图3)显示锆石均为自形晶，为短柱状、等轴状，大小多在70～120 μm之间，长宽比在2:1～1:1之间，内部结构特征清晰，发育明显的生长振荡环带，且锆石Th/U比值介于0.60～1.89之间，均大于0.4，具有典型的岩浆成因锆石特征[26]。该样品一共分析20个锆石颗粒，其中有19颗锆石的分析结果位于U-Pb谐和线上及其附近(图5)，206Pb/238U年龄为225.4～231.9 Ma，206Pb/238U加权平均年龄为(228.2±2.1)Ma(n=19，MSWD=0.15)，反映该石英二长岩的形成时代为晚三叠世。

3.2 全岩地球化学特征

研究样品全岩地球化学分析结果列于表3。

表3 碾子山地区晚三叠世侵入岩主量元素(%)、微量元素和稀土元素(10-6)分析结果

3.2.1 主量元素特征

正长花岗岩样品的SiO2含量为70.78%～72.24%，TiO2含量为0.26%～0.31%，Al2O3含量为13.14%～15.11%，MgO含量为0.35%～0.60%，Mg#为26.18～36.53，Na2O含量为3.84%～4.48%，K2O含量为3.91%～4.06%，Na2O/K2O=0.98～1.13，A/CNK=0.94～1.28，在TAS图解上落入亚碱性花岗岩区域(图6(a))；石英二长岩样品的SiO2含量为62.68%～64.84%，TiO2含量为0.60%～0.66%，Al2O3含量为15.54%～15.65%，MgO含量为1.77%～2.72%，Mg#=50.89～56.81，Na2O含量为4.51%～4.71%，K2O含量为3.09%～3.15%，Na2O/K2O=1.46～1.5，A/CNK=0.93～1.28，在TAS图解上落入亚碱性石英二长岩区域(图6(a))。正长花岗岩和石英二长岩在SiO2-K2O图解(图6(b))上均落在高钾钙碱性系列区。

3.2.2 微量元素特征

正长花岗岩样品的稀土元素总量REE=104.93×10-6～133.00×10-6，LREE=81.3×10-6～115.0×10-6，HREE=7.03×10-6～9.27×10-6，LREE/HREE=8.77～14.84，(La/Yb)N=6.88～18.34，δEu=0.68～0.81，负铕异常不明显。稀土元素球粒陨石标准化配分图(图7(a))整体表现为轻稀土富集的右倾型曲线特点。微量元素原始地幔标准化蛛网图(图7(b))显示，大离子亲石元素Rb、Ba、U、K、Sr相对富集，高场强元素Nb、Ta、P、Ti明显亏损；同时样品具有较高的Ba、Sr和较低的Y、Yb含量(Ba=687×10-6～916×10-6，Sr=239.0×10-6～426.2×10-6，Y=9.55×10-6～14.40×10-6，Yb=0.94×10-6～1.46×10-6)，Sr/Y=17.26～42.93，表现出与埃达克岩相似的微量元素地球化学特征。

石英二长岩稀土元素总量较正长花岗岩稍高，REE=149.48×10-6～157.56×10-6，LREE=123×10-6～133×10-6，HREE=10.7×10-6～11.1×10-6，LREE/HREE=11.08～12.43，(La/Yb)N=11.14～13.15，δEu=0.79～0.80，负铕异常不明显。稀土元素球粒陨石标准化配分图(图7(a))岩石整体表现出轻稀土富集、重稀土较平坦的右倾型曲线特点。微量元素原始地幔标准化蛛网图(图7(b))显示，岩石相对富集大离子亲石元素Rb、Ba、U、K、Sr,明显亏损高场强元素Nb、Ta、P、Ti;同时样品具有极高的Ba、Sr含量和较低的Y、Yb含量(Ba=888×10-6～908×10-6，Sr=823.0×10-6～827.9×10-6，Y=14.2×10-6～15.3×10-6，Yb=1.36×10-6～1.49×10-6)，Sr/Y=53.79～58.30，表现出与埃达克岩相似的微量元素地球化学特征。

4 讨论

4.1 岩浆岩成岩时代

在前人的研究中，碾子山地区出露的正长花岗岩、石英二长岩没有可靠的高精度同位素年龄。本文选取区内不同地段出露的正长花岗岩、石英二长岩进行锆石LA-ICP-MS定年，获得正长花岗岩加权平均年龄为(228.9±3.3)Ma(n=19，MSWD=0.59)、(225.6±2.8)Ma(n=15，MSWD=1.3)，石英二长岩加权平均年龄为(228.2±2.1)Ma(n=19，MSWD=0.15)，分别代表正长花岗岩、石英二长岩的侵位时间。近年来有学者报道了研究区附近扎兰屯地区、蘑菇气地区、雅尔根楚地区存在晚三叠世酸性岩浆活动(220.0～233.6 Ma)[6,9-10,18]；巫建华等[31]2017年对中国东部中生代岩浆岩的时空分布进行了研究，发现大兴安岭火山-侵入岩带晚三叠世花岗岩同位素年龄范围为224～220 Ma，与上述年龄相近，进一步反映了碾子山地区存在晚三叠世岩浆活动。

4.2 岩石成因

碾子山地区晚三叠世侵入体(正长花岗岩和石英二长岩)整体上具有高含量的SiO2(62.68%～72.24%)、Al2O3(13.14%～15.65%)、Sr(239.0×10-6～827.9×10-6)和高的Sr/Y比值(17.26～58.30)、La/Yb比值(10.21～27.22)，低含量的MgO(0.35%～2.72%)、Y(14.2×10-6～15.3×10-6)和Yb(1.36×10-6～1.49×10-6)，地球化学组成上与埃达克质岩石相一致。另外，在Y-Sr/Y图解(图8(a))和YbN-(La/Yb)N图解(图8(b))中所有样品均落入埃达克岩的区域。以上特征表明碾子山地区晚三叠世正长花岗岩和石英二长岩属于埃达克质侵入岩。

前人的研究表明，埃达克质岩的成因模式主要有：(1)俯冲洋壳的部分熔融[32-34]；(2)酸性与基性岩浆的混合作用[35-36]；(3)原始玄武质岩浆的分离结晶和同化混染[32,37-38]；(4)增厚下地壳的部分熔融[39-41]；(5)拆沉下地壳的部分熔融[42]。

碾子山地区晚三叠世埃达克质侵入岩Na2O值为3.84%～4.71%，Na2O/K2O值为0.98～1.5，均低于俯冲板片熔融形成的埃达克岩的Na2O值(4.88%)和Na2O/K2O值(2.5～6.5)[44]，因此推测其不是俯冲洋壳部分熔融的产物。碾子山地区晚三叠世埃达克质侵入岩具有高的SiO2含量，岩石中没有基性岩捕虏体，区域上基性岩浆出露匮乏，表明其并非酸性岩浆与基性岩浆混合作用形成的产物。碾子山地区晚三叠世埃达克质侵入岩高的SiO2含量和不明显的负铕异常，表明其不是原始玄武质岩浆的分离结晶和同化混染的产物；另外，在La-La/Sm、Rb-Rb/Nd图解(图9)中，正长花岗岩和石英二长岩投点均为一斜直线，显示平衡部分熔融的成因特征[45]，缺乏分离结晶的演化趋势，也表明其并不是原始玄武岩浆分离结晶的产物。综上所述，碾子山地区晚三叠世埃达克质侵入岩可能是由增厚下地壳或拆沉下地壳的部分熔融形成的。

碾子山地区晚三叠世埃达克质侵入岩富集Sr且强烈亏损HREE和Y，指示其源区残留有石榴子石，而没有(或很少)斜长石[32,39]。然而，正长花岗岩和石英二长岩在稀土元素和Sr含量上存在明显差别：石英二长岩比正长花岗岩有明显高的LREE(图7(a))、Sr含量(表3)和Sr/Y值(图8(a))，指示石英二长岩的源区中残留相以石榴子石为主，可能不含斜长石；而正长花岗岩的源区中残留相除石榴子石外，还可能含少量斜长石。另外，石英二长岩的K/Rb>350，正长花岗岩的K/Rb值除一个样品大于350外，其余都小于300(表3)。岩浆岩的K/Rb值越高，源区中残留相的角闪石可能越少[32]，因此石英二长岩源区中残留相的角闪石可能少于正长花岗岩源区中残留相的角闪石。岩浆源区残留相的斜长石和角闪石越少，岩浆源区越深;反之，岩浆源区越浅[47-48]。所以，根据岩浆源区残留相的特征，推测正长花岗岩岩浆源区深度应小于石英二长岩岩浆源区的深度。

正长花岗岩和石英二长岩在MgO、Cr和V含量上也存在明显的差异(表3)：石英二长岩的MgO和相容元素(Cr、V)含量明显高于正长花岗岩中的含量，反映石英二长岩比正长花岗岩含有的地幔成分较多或石英二长岩可能有新的地幔物质加入。在哈克图解(图10)中，正长花岗岩的成分点大部分落入增厚下地壳熔融形成的埃达克岩区域，而石英二长岩的成分点则落入俯冲洋壳形成的埃达克岩、拆沉下地壳形成的埃达克岩区域。从前面的讨论已知，石英二长岩不是俯冲洋壳部分熔融形成的；因此，石英二长岩很可能是由拆沉下地壳部分熔融所形成，其较高的MgO、Cr、V含量很可能与拆沉下地壳产生的熔体受地幔橄榄岩的混染有关。正长花岗岩与增厚下地壳熔融形成的埃达克岩具有一致的TiO2、P2O5和MgO含量(图10(a)、(b)和(d))，且具有较低的Cr、V含量，指示其可能由增厚下地壳的部分熔融形成。正长花岗岩岩浆源区深度小于石英二长岩岩浆源区的深度，也进一步佐证前者可能为增厚下地壳的部分熔融形成，而后者可能为拆沉下地壳的部分熔融形成。

4.3 构造背景及地质意义

碾子山地区位于大兴安岭中段，经历了古亚洲洋、环太平洋、蒙古—鄂霍茨克洋三大构造域的构造演化，尚不清楚该地区晚三叠世埃达克质侵入岩的形成是否与三大构造域有关。近年来的研究表明，古亚洲洋在中三叠世之前已经沿着东西走向的西拉木伦河—长春—延吉缝合带闭合[1-5,49-52]。与古亚洲洋沿东西走向闭合有关的早中生代岩浆作用在华北克拉通北缘形成了呈东西向带状展布的碱性火成岩带[53-54]。本区晚三叠世正长花岗岩和石英二长岩与同时代火成岩沿贺根山—黑河构造带呈NE—SW向展布，表明本区晚三叠世岩浆活动与古亚洲洋没有直接关系。环太平洋构造体系的俯冲作用始于早侏罗世[5,16,52,55-56]，表明晚三叠世的岩浆活动与环太平洋构造域无关。近年来有学者研究发现，大兴安岭中段晚三叠世时期的构造背景主要受蒙古—鄂霍茨克洋构造域的影响，晚三叠世火成岩的形成为蒙古—鄂霍茨克洋大洋板片南向俯冲的产物[15-19,57]。许文良等[5]2013年对中国东部中生代构造体制与区域成矿背景进行了系统研究，指出蒙古—鄂霍茨克洋构造体系经历了中生代早期(245～180 Ma)的俯冲作用，对我国的影响主要在松辽盆地以西地区。研究区及其附近雅尔根楚地区、扎兰屯地区和成吉思汗镇地区晚三叠世侵入岩为高钾钙碱性系列埃达克质侵入岩、经典岛弧花岗岩组合(图6(b)、图8)。在哈克图解(图10)中，成吉思汗镇地区埃达克质侵入岩与本区正长花岗岩一致，落入增厚下地壳熔融形成的埃达克岩区域；雅尔根楚地区埃达克质侵入岩与本区石英二长岩一致，落入拆沉下地壳形成的埃达克岩区域。上述结果表明，碾子山地区晚三叠世埃达克质侵入岩最有可能与蒙古—鄂霍次克洋板块的南向俯冲有关。另外，有研究表明研究区附近扎兰屯地区、蘑菇气地区晚三叠世火山岩的形成也与蒙古—鄂霍茨克大洋板片的南向俯冲有关[58-59]，进一步佐证研究区晚三叠世埃达克质侵入岩与蒙古—鄂霍次克洋板块南向俯冲有关。

实验岩石学的研究指示，埃达克质熔体的形成深度≥40 km[48,60-61]。受蒙古—鄂霍次克洋板块南向俯冲的影响，兴安地块与松嫩地块沿古缝合带发生碰撞，导致古缝合带两侧及周边地区地壳增厚。当地壳厚度大于40 km时，下地壳可能转变为含角闪石榴辉岩。由于密度较大，含角闪石榴辉岩拆沉进入地幔中，然后发生熔融形成埃达克质岩浆，留下含石榴子石的残留体，岩浆则上升并与地幔橄榄岩发生交换反应，继续上升至适当位置形成石英二长岩。而增厚的下地壳也可能发生熔融，形成埃达克质岩浆，留下含石榴子石±斜长石±角闪石的残留体，岩浆上升形成正长花岗岩。区域地层方面，研究区及外围中—晚三叠世沉积地层匮乏，说明当时本区处于挤压隆升剥蚀阶段。因此，笔者认为研究区晚三叠世埃达克质侵入岩是在兴安地块与松嫩地块沿古缝合带碰撞造山的挤压背景中形成的，其形成受蒙古—鄂霍次克洋板块南向俯冲的影响。

近年来的研究表明，增厚下地壳部分熔融形成的埃达克质岩浆一般不利于成矿，而拆沉下地壳部分熔融形成的埃达克质岩浆则有利于形成斑岩型铜钼矿床[62-63]。碾子山地区晚三叠世埃达克质侵入岩(正长花岗岩和石英二长岩)的发现，表明晚三叠世时期蒙古—鄂霍茨克洋已影响到碾子山地区，同时也显示碾子山及其周边地区具有寻找斑岩型铜钼矿的潜力。