上黑龙江盆地前哨林场黑云母二长花岗岩锆石U-Pb 年龄、地球化学特征及地质意义

巩 鑫, 张志博, 杜 蔺, 蔡国盛, 宋小军, 曾凡祥,李光春, 苏永虎, 但仕生, 赵元艺

1)贵州省有色金属和核工业地质勘查局地质矿产勘查院, 贵州贵阳 550005;2)黑龙江省第五地质勘查院, 黑龙江哈尔滨 150090;3)中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037

中亚造山带是全球显生宙陆壳增生与改造最为显著、构造演化最为复杂的大型造山带之一, 其大致经历了增生造山、后碰撞及大陆改造三个构造演化阶段(Xiao et al., 2010; Zheng et al., 2013; 冯志强, 2015)。兴蒙造山带位于中亚造山带东段, 历经了多次微块的裂解、俯冲和碰撞拼贴, 依据塔源—喜桂图断裂、贺根山—黑河断裂、佳木斯—牡丹江断裂, 将造山带依次划分为额尔古纳地块、兴安地块、松辽地块及佳木斯地块(Wu et al., 2002, 2011;Wu et al., 2012; Zhao et al., 2014)(图1a)。额尔古纳地块位于兴蒙造山带中段, 西及北侧以蒙古—鄂霍茨克缝合带分别与蒙古地块及西伯利亚克拉通相邻,东与兴安地块以塔源—喜桂图断裂相隔(李锦轶等,2004; 武广等, 2008; 巩鑫等, 2020)。前人对额尔古纳及相邻地块中生代花岗岩进行了大量的研究, 确定了岩体的形成时代及特征, 明确了岩体分布特征,查清了岩体形成机制及构造背景, 厘清了板块运动机制(江思宏等, 2010; Sun et al., 2013; Gou et al.,2013; Tang et al., 2014; Yang et al., 2016; 陆胜等,2021)。相对于中生代花岗岩的研究, 对额尔古纳及相邻地块早古生代花岗岩岩体特征及形成构造背景缺乏系统性研究, 导致对区域性早古生代花岗岩的认识明显滞后于中生代花岗岩, 导致对早古生代额尔古纳及相邻地块的运动机制的认识明显滞后于中生代。

图1 上黑龙江盆地大地构造位置(a, 据刘军等, 2013)及区域地质简图(b, 据武广等, 2007 修改)Fig. 1 Geotectonic units (a, modified after LIU et al., 2013) and sketch regional geological map(b, modified after WU et al., 2007) of the Upper Heilongjiang Basin

随着近年对额尔古纳及相邻地块研究程度的不断加深, 众多的早古生代花岗质岩体被发现, 前人通过对其进行年代学、岩石地球化学及同位素研究, 确定了岩体形成时代, 基本确定岩石类型及物质来源, 而对其形成时构造、环境背景认识不一。其一, 认为形成于额尔古纳地块与兴安地块碰撞后伸展构造环境(葛文春等, 2005, 2007; 隋振民等,2006; Zhao et al., 2014; 苏海洋, 2019); 其二, 认为形成于萨拉伊尔运动后期, 额尔古纳地块与西伯利亚克拉通南侧已完成构造拼接, 由挤压向拉张转变的构造环境(武广等, 2005; 秦秀峰等, 2007; 柴明春等, 2018; 吴琼等, 2019; 王佰义, 2019)。前人对额尔古纳及相邻地块早古生代岩体形成构造背景认识不一, 限制着对额尔古纳微地块及相邻地块运动机制的认识。正确反演额尔古纳及相邻地块早古生代构造演化历史, 对于揭示块体属性和古构造格局具有重要的地质意义。

鉴于此, 通过对上黑龙江盆地前哨林场黑云母二长花岗岩进行锆石U-Pb 年龄、地球化学及Hf 同位素研究, 确定其形成时代、岩石类型及岩浆物质来源, 探讨其形成机制及构造背景。结合前人对额尔古纳地块北缘及东北缘早古生代岩体的研究, 分析其与兴安地块及西伯利亚古陆的碰撞、拼接过程,剖析其板块运动机制。

1 地质背景

1.1 区域地质背景

上黑龙盆地位于额尔古纳微地块最北侧, 该处自古生代以来先后受到了古亚洲洋构造域、环太平洋构造域与蒙古—鄂霍茨克构造域的强烈改造、叠加及变形(Xu et al., 2009; Wu et al., 2011; 许文良等,2013; Feng et al., 2015)。特殊的地理位置为研究古生代、中生代板块构造运动及微地块运动属性提供了良好的天然场所。

上黑龙江盆地内地层较发育, 基底主要由古元古代门都里河岩群(Pt1m)及兴华渡口岩群(Pt1xh)构成, 前者岩性主要为石墨片岩、石墨大理岩及含石墨石榴石二云母石英片岩, 后者岩性主要为黑云斜长片岩、斜长角闪片岩、斜长角闪岩及大理岩, 主要分布于区域中部。前人对区域内的门都里河岩群及兴华渡口岩群最新研究资料表明, 其形成时代多为早古生代杂岩体(苗来成等, 2007; 周建波等,2011; 吴琼等, 2019)。区域性大面积分布的沉积岩地层自下而上主要为侏罗系中统绣峰组(J2x)、二十二站组(J2er)、漠河组(J2m)、侏罗系上统木瑞组(J3mr),岩性以砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及凝灰质粉砂岩为主。盆地盖层岩性主要由凝灰岩、角砾岩、中酸性火山岩及喷发相火山碎屑岩等构成, 其地层由老至新为侏罗系上统玛尼吐组(J3mn)、白垩系下统白音高老组(K1by)、九峰山组(K1j)、甘河组(K1g)。第四系(Q)浮土层多沿山间沟谷、河谷等发育, 以砂砾石及冲积物为主(内蒙古自治区地质调查院, 2003; 黑龙江省地质调查研究总院, 2014)。

区域处于额尔古纳微地块边缘地带, 自古生代至中生代, 区域先后受到额尔古纳微地块与兴安地块及西伯利亚大陆碰撞、拼接作用影响, 中生代又受到蒙古—鄂霍茨克洋壳俯冲作用影响, 使区域长期处于碰撞、拼接、造山及伸展构造环境背景下(隋振民等, 2007; 佘宏全等, 2012; 唐杰, 2016)。在强烈的构造运动作用下, 形成了以北东、北北东向韧性剪切变性带和断裂为主体, 北西向韧性和脆性断裂次之的断裂体系, 构成了本区网状断裂构造格局(图1b)。区域褶皱构造发育简单。

区域受古生代古亚洲洋构造域与中—新生代蒙古—鄂霍茨克构造域及太平洋构造域叠加影响(Wu et al., 2011; 佘宏全等, 2012; 柴明春等, 2018),使得区域内岩浆活动频繁, 侵入岩发育。古生代受古亚洲洋构造域及地块碰撞、拼接影响, 区域内古生代花岗岩以奥陶纪二长花岗岩、黑云母二长花岗岩、花岗闪长岩等为主, 多呈岩枝、岩株及岩基状分布于区域中部及北侧部分地区, 呈北西西向延伸(武广等, 2005; 葛文春等, 2005; 隋振民等, 2006; Zhao et al., 2014; 吴琼等, 2019)。中生代区域作为接受蒙古—鄂霍茨克洋壳俯冲的关键部位, 使得区域上中生代岩浆侵入活动较为广泛, 区域上广泛存在三叠纪至白垩纪花岗岩体, 主要呈北东向展布, 岩性以二长花岗岩、正长花岗岩及花岗斑岩为主(Sun et al., 2013; Gou et al., 2013; Tang et al., 2014; 巩鑫等, 2020)。

1.2 矿区地质概况

前哨林场研究区位于上黑龙江盆地中部, 漠河市北西约15 km。区内出露地层有古元古界兴华渡口岩群(Pt1xh)、中生界中侏罗统绣峰组(J2x)、第四系(Q), 其中以古元古界兴华渡口岩群为主。古元古界兴华渡口岩群整体上走向为北西向, 倾向南西,倾角相对平缓, 一般为25°～40°, 局部岩层产状受褶皱及揉皱影响变化较大。岩性由石墨黑云母石英片岩、黑云斜长片麻岩、黑云斜长变粒岩及斜长角闪岩等组成, 岩石多为鳞片变晶及细粒变晶结构,块状构造。岩石蚀变较为强烈, 以绢英岩化、绿泥石化等为主。中生界中侏罗统绣峰组局部出露于研究区西北角, 岩性以中粒岩屑长石砂岩为主, 砂状结构, 层状构造。第四系主要由灰黄色、灰褐色粗砂、细砂、砾石、岩体转块、黏土及亚黏土构成, 分布于山间沟谷及低洼平缓地带, 厚度不一。

研究区褶皱、断裂构造不甚发育。研究区发育多处揉皱, 其规模较小, 多数延伸数十米, 最大者延伸数百米, 走向由北西向北东向转变。地层产状的明显变化作为最为直观的地质证据, 发育于古元古界兴华渡口岩群片岩中。断裂构造规模小且多形成于成矿期后, 多为西林吉—塔河断裂的次级构造,走向以NW、NE、NEE 向为主, 断裂因延伸短、规模小及处于地层中而未对矿体产生明显的影响(黑龙江省第五地质勘查院, 2019)。

研究区岩浆岩发育, 以奥陶纪黑云母二长花岗岩为主, 局部分布有花岗闪长岩及闪长岩脉。黑云母二长花岗岩大面积分布于研究区, 多呈岩基、岩墙产出, 少许呈岩脉及岩株状穿插于兴华渡口岩群片岩中。岩石为花岗结构、块状构造, 受强烈绢英岩化蚀变作用影响多呈浅褐黄色。

2 样品特征及分析方法

2.1 样品特征

在本次研究中, 黑云母二长花岗岩样品采自漠河前哨林场石墨矿区ZK3203(图2), 地表植被覆盖严重。样品呈灰黑色、深灰色, 中细粒花岗结构, 块状构造(图3a, b)。岩石主要由石英、斜长石、钾长石及少量黑云母等构成, 副矿物为黄铁矿、锆石等。石英含量约为34%, 多呈不规则状他形充填于其他矿物颗粒间隙(图3d), 少数具有较好的晶形(图3c),粒径0.2～2.4 mm, 颗粒较大者表面具有裂纹(图3e);斜长石含量约为 26%, 呈板状、片状, 粒径0.1～0.4 mm, 可见有环带结构(图3e); 钾长石含量约为30%, 呈板状、长柱状, 颗粒较大, 粒径0.3～1.2 mm, 镜下可见有明显的卡式双晶, 且具有条纹状纹理(图3d, f); 黑云母含量约为6%, 为片状, 颗粒较小(图3f)。黄铁矿、锆石等副矿物呈颗粒状分布于岩石中。岩石蚀变以绢英岩化、碳酸盐化为主(图3b)。

图2 上黑龙江盆地前哨林场研究区地质图Fig. 2 Geological map of the Qianshao forest farm research area in the Upper Heilongjiang Basin

图3 上黑龙江盆地前哨林场黑云母二长花岗岩体及镜下照片Fig. 3 Biotite monzonitic granite body and photomicrograph of the Qianshao Forest Farm research area in the Upper Heilongjiang Basin

2.2 LA-ICP-MS 锆石U-Pb 和Hf 同位素测试

锆石挑选、阴极发光(CL)图像及透、反射电子像(BSE)均由北京锆年领航科技有限公司完成。首先在双目镜下根据锆石颜色、自形程度、形态特征初步分析, 用通常的重矿物分选技术分选出含有少量杂质的锆石试样, 然后在双目镜下挑选出代表性的锆石, 用环氧树脂制靶, 固结后打磨和抛光。阴极发光图像及透、反射电子像仪器选用日本JEOL 公司生产的JSM6510 型扫描电子显微镜。根据阴极发光图像及透、反射电子像仔细研究锆石晶体形态与内部结构特征, 选择最佳测试点。LA-ICP-MS 锆石U-Pb 同位素测试在中国地质科学院矿产资源研究所自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成, 所用仪器为德国 Finnigan Neptune 型LA-ICP-MS及与之相配套的New Wave UP213nm激光剥蚀系统。本次测试采用激光束斑直径为30 μm,采用He 作为剥蚀物质的载气, 采用标准锆石GJ-1作为外部年龄标准进行U、Pb 同位素分馏校正, 详细的分析流程及原理见文(侯可军等, 2009)。测试数据采用ICPMSDateCal8.0 程序处理, 具体计算步骤参见有关文章(Liu et al., 2008); 有关年龄计算及图的绘制用Isoplot 程序(3.0 版)完成。

在完成LA-ICP-MS 锆石U-Pb 同位素测试的基础上, 进行原位Lu-Hf 同位素测试, 测试仍在中国地质科学院矿产资源研究所自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成。测试所用仪器为配有193 nm 激光取样系统的Finnigan Neptune 型多接收电感耦合等离子质谱仪(LA-MC-ICPMS) 及New Wave UP213 激光剥蚀系统, 试验过程采用He作为剥蚀物质载气, 激光束斑直径为55 μm, 剥蚀时间为30 s, 样品测定以标准锆石GJ-1 作为外标。详细测试流程及仪器运行过程见文(侯可军等, 2007)。

2.3 主、微量元素成分测试

将野外采集样品清洗后, 由北京锆年领航科技有限公司粉碎至200 目后, 送至核工业北京地质研究院分析测试研究中心进行主微量分析测试, 主量元素采用 X 射线荧光光谱法(XRF), 测试仪器为PW2404 顺序扫描X 射线荧光光谱仪, SiO2、Al2O3、MgO、Na2O 检出限为0.015%, CaO、K2O、TiO2检出限为0.01%, TFe2O3、MnO、P2O5检出限为0.005%,测试流程参考GB/T14506.14-2010; 微量和稀土元素测定采用电感耦合等离子体质谱仪, 对于含量大于20×10-6的元素, 误差为±5%; 含量小于20×10-6的元素, 误差为±10%, 测试流程参考GB/T14506.30-2010。

3 测试结果

3.1 锆石U-Pb 年龄

前哨林场黑云母二长花岗岩锆石多为半自形-自形, 呈长柱状、短柱状、棱状及浑圆状, 多数锆石边部存在缺失及变质增生现象, 颗粒较小, 粒径40 ～ 125 μm, 长宽比介于1: 1 ～ 1.5: 1, 大部分锆石呈褐黑色, 少数锆石呈无色透明及黑白相间分布,少数锆石发育有增生边结构。阴极发光(CL)图像显示, 多数锆石具有相对较清晰的生长韵律环带(图4); 挑选22 颗晶形较好的锆石进行测试, 共22 个测试点, 锆石Th 含量介于100×10-6～ 1552×10-6, 平均为427×10-6; U 含量介于145×10-6～ 2529×10-6, 平均为855×10-6, Th/U 比值介于0.29 ～ 0.85, 均大于0.1(表1), 且锆石Ce 显示强烈正异常、Eu 表现强烈负异常(图5a), 综合以上特征认为该岩体锆石为岩浆成因(Hoskin and Schaltegger, 2003; 曲晓明等,2006; 赵志丹等, 2018)。22 个锆石U-Pb 同位素测值在U-Pb 谐和图的投影点落于谐和线或其附近(图5b), 其206Pb/238U年龄加权平均值为(458.4±2.4) Ma (MSWD=0.022,n=22), 该年龄代表该岩体的岩浆结晶年龄。

图4 上黑龙江盆地前哨林场黑云母二长花岗岩锆石阴极发光(CL)图像及年龄Fig. 4 Cathodoluminescenc (CL) images and test age of zircons selected for analysis from the biotite monzonitic granite of the Qianshao forest farm in the Upper Heilongjiang Basin

图5 上黑龙江盆地前哨林场黑云母二长花岗岩锆石球粒陨石标准化稀土元素配分图(a)及U-Pb 谐和图(b)Fig. 5 Chondrite-normalized REE pattern (a) and U-Pb concordia diagram (b) of zircons from the biotite monzonitic granite of the Qianshao forest farm in the Upper Heilongjiang Basin

3.2 Hf 同位素

前哨林场中—晚奥陶纪黑云母二长花岗岩样品锆石原位Lu-Hf 同位素测试结果见表2。所测15 颗锆石(图4)的176Yb/177Hf、176Lu/177Hf 比值分别介于0.04771 ～ 0.14655、0.00128 ～ 0.00349,176Hf/177Hf 比值为0.28264 ～ 0.28282, 加权平均值为0.28273±0.000030 (2σ,n=15),εHf(t)值除1、8、14 号测点外均小于0, 分布于-4.64 ～ 1.84, 均值为-1.50。Hf 同位素单阶段模式年龄(tDM1)和两阶段模式年龄(tDM2)分别变化于624 ～ 889 Ma、715 ～ 1126 Ma。

表2 上黑龙江盆地前哨林场QSZK3203-4 样品中—晚奥陶纪黑云母二长花岗岩锆石Lu-Hf 同位素数据表Table 2 Zircon Lu-Hf isotopic data of the Middle-Late Ordovician biotite monzogranite from QSZK3203-4 of the Qianshao forest farm in the Upper Heilongjiang Basin

3.3 地球化学特征

3.3.1 主量元素

上黑龙江盆地前哨林场黑云母二长花岗岩元素分析结果见表3。其中SiO2、TiO2、Al2O3、TFe2O3、MnO、MgO、CaO 及全碱(NaO+K2O)的含量均值为78.60%、0.14%、12.11%、1.45%、0.02%、0.14%、0.40%、5.97%, 烧失量(LOI)均值为1.14%。剔除烧失量(LOI)后对样品主量元素进行重新计算并投入TAS 图解中, 均落于花岗岩区域(图6a)。样品Mg#均值为 16.09, 里特曼指数(σ)为 1.75%, A/NK、A/CNK 均值为 1.44、1.18, 在岩石铝饱和度A/CNK-A/NK 判别图解中, 样品均落于过铝质区域(图6b)。在SiO2-K2O 岩石系列划分图解中样品点均落于钙碱性岩石系列中(图6c)。整体上岩石烧失量(LOI)偏高, 与岩石绢英岩化、碳酸岩化等蚀变有关,与手标本现象一致(图3c, d)。

表3 额尔古纳地块中北部中—晚奥陶纪岩体主量/%、稀土及微量元素/10-6 分析结果Table 3 Major (%), rare earth, and trace element (10-6) data from the Middle-Late Ordovician plutons in the north-central Erguna block

续表3

图6 上黑龙江盆地前哨林场黑云母二长花岗岩TAS 图解(a, 据Middlemost, 1994)、A/CNK-A/NK(b, 据Maniar and Piccoli, 1989)及SiO2-K2O(c, 实线据Peccerillo and Taylor, 1976; 虚线据Middlemost, 1985)岩石系列划分图解(阴影部分数据据隋振民等, 2007; 黑龙江省地质调查研究总院, 2014; 赵硕, 2017)Fig. 6 TAS rock series diagrams(a, after Middlemost, 1994) and A/CNK-A/NK rock series diagram(b, after Maniar and Piccoli, 1989) and SiO2-K2O rock series diagram(c, solid line after Peccerillo and Taylor, 1976; dash line after Middlemost,1985) of the biotite monzonitic granite from Qianshao forest farm in the Upper Heilongjiang Basin(shaded data after SUI et al., 2007; Heilongjiang Geological Survey Institute, 2014; ZHAO, 2017)

3.3.2 微量元素

前哨林场黑云母二长花岗岩微量元素分析结果见表3。其中ΣREE、ΣLREE、ΣHREE、ΣLREE/ΣHREE、(La/Yb)N均值分别为428.8×10-6、369.7×10-6、59.10×10-6、6.49、7.85。在球粒陨石标准化稀土元素配分曲线中, 表现出轻稀土富集、重稀土亏损的右倾曲线(图7a)。岩体δEu 均值为0.09,表现出强烈的铕负异常, 暗示岩体在形成过程中岩浆源区存在斜长石的残留。

图7 上黑龙江盆地前哨林场黑云母二长花岗岩球粒陨石标准化稀土元素配分图(a)(标准化值据Boynton, 1984)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)(标准化值据Sun and McDonough, 1989)(阴影部分数据据隋振民等, 2007; 黑龙江省地质调查研究总院, 2014; 赵硕, 2017)Fig. 7 Chondrite normalized REE patterns(a) (normalized after Boynton, 1984) and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams(b) (normalized after Sun and McDonough, 1989) of the biotite monzonitic granite from Qianshao forest farm in the Upper Heilongjiang Basin (shaded data after SUI et al., 2007;Heilongjiang Geological Survey Institute, 2014; ZHAO, 2017)

岩体原始地幔标准化微量元素蛛网图显示(图7b), 样品相对富集大离子亲石元素(LILEs)如(Rb、K)及高场强元素(HFSEs)(如Th、U、Zr、Hf), 相对亏损大离子亲石元素Ba、Sr 及高场强元素Nb、Ta、P、Ti。暗示岩浆结晶过程中发生过强烈的分离结晶及混染作用, 如高场强元素Nb、Ta、Ti 的相对亏损暗示岩浆源区存在金红石、榍石及钛铁矿的残留,且结晶过程中存在混染作用(张招崇等, 2009; 吴琼等, 2019)。前哨林场黑云母二长花岗岩与额尔古纳地块北缘早古生代花岗岩体具有相似的微量元素地球化学特征(隋振民等, 2007; 黑龙江省地质调查研究总院, 2014; 赵硕, 2017)。

4 讨论

4.1 岩石形成时代

由于缺乏高精度年龄数据, 早期关于区域内侵入岩时代的划分主要依据岩石组合特征及岩体、地层穿插关系(黑龙江省地质调查研究总院, 2014)。为准确获取研究区黑云母二长花岗岩的形成时代, 本文对其进行了LA-ICP-MS U-Pb 同位素测年。前哨林场黑云母二长花岗岩锆石多具有较好的晶形, 其锆石CL 图像均显示具有清晰的生长韵律环带, 较高的Th/U 比值, 且Ce 显示出强烈的正异常、Eu 显示强烈负异常特征。以上特征均显示岩浆锆石特征,测得的年龄可代表岩浆岩结晶年龄(Zhao et al.,2014; 赵志丹等, 2018)。研究区黑云母二长花岗岩锆石测点显示出较好的谐和性,206Pb/238U 加权平均值为(458.4±2.4) Ma (MSWD=0.022,n=22), 因此确定了该岩体结晶年龄为458.4 Ma 左右, 为中—晚奥陶纪岩浆活动产物。

随着前人对额尔古纳地块研究程度的不断加深, 证实了在额尔古纳地块北部与西伯利亚地块及东北部与兴安地块接壤部位存在大量的早古生代花岗岩。漠河县地区450～517 Ma 二长花岗岩、花岗闪长岩、黑云母二长花岗岩及石英闪长岩等(武广等,2005; 秦秀峰等, 2007; Wu et al., 2011; 赵硕, 2017;吴琼等, 2019); 满归地区454～480 Ma 二长花岗岩、石英二长岩及片麻状花岗岩(佘宏全等, 2012; Zhao et al., 2014; 赵硕, 2017); 塔河地区443～500 Ma二长花岗岩、石英二长岩、正长花岗岩、花岗岩闪长岩、二长岩及辉长闪长岩等(葛文春等, 2005, 2007;隋振民等, 2006; 任邦方等, 2012; 赵硕, 2017)。结合本次测试, 综合认为额尔古纳北部存在一条早古生代岩浆岩活动带。

4.2 岩浆物质来源及特征

微量元素因具有相对稳定的地球化学性质而成为判断岩浆物质来源的重要指示剂(Zhao et al.,2009; 兰双双等, 2016; 王琦崧等, 2019), 如Zr/Hf、Rb/Sr、Ba/La 等比值均能较好地指示岩浆来源(Sun and McDonough, 1989; Weaver, 1991; 蔡宏明等,2010)。前哨林场黑云母二长花岗岩Zr/Hf 值分别为30.56、32.06, Rb/Sr 值分别为2.64、1.81, Ba/La 值分别为1.15、1.10, 与原始地幔Zr/Hf、Rb/Sr、Ba/La标准值～37、0.03～0.047、25 及原始地壳Zr/Hf、Rb/Sr、Ba/La 标准值～33、＞0.5、9.6 相比, 更接近原始地壳标准值, 指示岩浆来源于古老地壳。Mg#值对于判断岩浆物质来源具有指示意义, 一般认为,Mg#＞50 指示岩浆来源于俯冲板片的部分熔融,Mg#＜50 则暗示岩浆来源于古老地壳的重熔(Xu et al., 2002; Xiong et al., 2003; Zhao et al., 2009; Zhao et al., 2014)。前哨林场黑云母二长花岗岩Mg#值为22.01 及11.79, 均小于50, 暗示岩浆来源于古老地壳物质的重熔。

锆石相对于其他矿物具有较好的稳定性, 锆石Lu-Hf 同位素具有较高的封闭温度, 从而为分析岩浆源区及性质提供重要的信息(赵志丹等, 2018; 吴琼等, 2019; 巩鑫等, 2020)。一般而言, 岩石锆石正εHf(t)值代表岩浆来源于亏损地幔或从亏损地幔中新增生的年轻地壳物质的部分熔融, 负εHf(t)值则表明岩浆来源于古老地壳重熔(吴福元等, 2007; 葛文春等, 2007; Zhao et al., 2014)。前哨林场黑云母二长花岗岩所测15 颗锆石Hf 同位素组成相对较为均一,176Hf/177Hf 比值为0.282641 ～ 0.282824,εHf(t)值分布于-4.64 ～ 1.84, 均值为-1.50。在t-εHf(t)图解中除1、8、14 号测点外其余均分布在球粒陨石演化线之下(图8a, b), 样品Hf 同位素两阶段模式年龄(tDM2)为715.17 ～ 1125.71 Ma。暗示该岩体岩浆来源于中—新元古代古老地壳物质的熔融, 且存在少许幔源物质或从亏损地幔中新增生地壳物质的部分熔融。

图8 上黑龙江盆地前哨林场黑云母二长花岗岩锆石t-εHf(t)图解(据Yang et al., 2006)Fig. 8 t - εHf(t) diagram of zircons of the biotite monzonitic granite from Qianshao forest farm in the Upper Heilongjiang Basin (from Yang et al., 2006)

前人对额尔古纳地块早古生代岩体岩浆源区进行了大量的研究, 其结果表明岩浆源区具有多种物质来源。其一, 岩浆来源于古老地壳物质的熔融,且混有少量幔源物质及新增生地壳物质参与, 代表性有内河岩体、查拉班河岩体、韩家园子岩体、阿龙山Ⅱ号岩体及翠岗岩体等(隋振民等, 2007; 葛文春等, 2007; 赵硕, 2017); 其二, 岩浆来源于亏损地幔或新增生的年轻地壳物质的熔融, 且一般存在古老地壳物质的参与, 代表性岩体有十八站岩体、哈拉巴奇岩体、塔河岩体、南大窑岩体及白鹿岛岩体等(隋振民等, 2007; 葛文春等, 2007; 任邦方等,2012; Zhao et al., 2014; 赵硕, 2017)。上黑龙江盆地前哨林场黑云母二长花岗岩微量元素及Hf 同位素特征表明, 岩浆来源于古老地壳的熔融, 且存在少许幔源物质及新增生地壳物质熔融的参与, 其与区域早古生代岩体具有相似或近似相同的特征及物源。

4.3 岩石成因类型

上黑龙江盆地前哨林场黑云母二长花岗岩主要矿物为石英、斜长石、钾长石等, 暗色矿物以黑云母为主, 未出现富铝硅酸盐矿物。岩石具有高硅(均值为 78.60%)、富铝(均值为 12.11%)、富碱(Na2O+K2O) (均值为5.97 %)等特征。岩石里特曼指数(σ)均值为1.75%, 在SiO2-K2O 岩石系列划分图解中样品点均落于钙碱性岩石系列中(图6c); 岩石A/NK、A/CNK 均值为1.44、1.18, 在岩石铝饱和度A/CNK-A/NK 判别图解中, 样品均落于过铝质区域(图6b)。岩石球粒陨石标准化稀土元素分配图显示,岩石中轻稀土(LREE)相对富集, 重稀土(HREE)相对亏损, 且具有明显Eu 负异常(图7a); 岩石原始地幔微量元素蛛网图显示, 岩石相对富集大离子亲石元素(LILEs)(如Rb、K)及高场强元素(HFSEs)(如Th、U、Zr、Hf), 相对亏损大离子亲石元素Ba、Sr 及高场强元素Nb、Ta、P、Ti(图7b)。上述特征显示前哨林场黑云母二长花岗岩与区域A 型花岗岩特征相一致(Wu et al., 2002; 赵硕, 2017; 吴琼等, 2019; 吴子杰等, 2020)。

岩石主、微量元素含量特征作为判断岩石类型的指示剂, 得到了广泛较好的应用(吴琼等, 2019;苏海洋, 2019; 康健丽等, 2020)。前人研究发现I、S、M 型花岗岩FeOT/MgO 比值分别为～2.27、～2.38、～2.37, 而A 型花岗岩相对I、S、M 型花岗岩更富铁贫镁使得该比值相对较高, 介于4.16～35.3(Pearce et al., 1984; Whalen et al., 1987), 前哨林场黑云母二长花岗岩FeOT/MgO 平均比值为5.86, 更接近于A 型花岗岩比值。Zr+Nb+Ce+Y 的含量对区分I、A型花岗岩具有较好的指示意义, I 型花岗岩中Zr+Nb+Ce+Y 含量通常小于350×10-6, 而A 型花岗岩中常常大于该值(Whalen et al., 1987)。前哨林场黑云母二长花岗岩 Zr+Nb+Ce+Y 含量分别为564.60×10-6、976.90×10-6, 均值为770.75×10-6, 指示其岩石具有A 型花岗岩特征。在10000Ga/Al-Nb、10000Ga/Al-Y 岩石类型判别图中, 前哨林场黑云母二长花岗岩均落于A 型花岗岩区域中(图9a, b)。前人依据A 型花岗岩岩石化学成分, 将其划分为A1、A2型2 个亚类, 且认为A1型花岗岩岩浆来源于地幔分异产物, A2型花岗岩来源于大陆地壳或底侵的镁铁质地壳(Eby, 1992)。结合上述对前哨林场黑云母二长花岗岩岩浆源区分析, 依据其岩石组合特征、主、微量元素地球化学特征, 判定其为A2型花岗岩。

图9 上黑龙江盆地前哨林场黑云母二长花岗岩10000Ga/Al-Nb (a)、10000Ga/Al-Y (b)图解(据Whalen et al., 1987)Fig. 9 Diagrams of 10000Ga/Al-Nb (a), 10000Ga/Al-Y (b) of the Biotite monzonitic granite from Qianshao forest farm in the Upper Heilongjiang Basin (after Whalen et al., 1987)

区域上早古生代岩体A 型花岗岩广泛出露, 塔河二长花岗岩、永庆林场二长花岗岩、翠岗二长花岗岩及漠河地区黑云母二长花岗岩, 多为钙碱性-高钾钙碱性、弱过铝质岩石; 岩石多具有轻稀土相对富集、重稀土相对亏损的特性, 且均表现出较为强烈的铕负异常特征; 岩石中相对富集大离子亲石元素(LILEs), 相对亏损高场强元素(HFSEs)(Wu et al., 2002; 赵硕, 2017; 吴琼等, 2019)。上黑龙江盆地前哨林场黑云母二长花岗岩所表现的特征, 与上述A 型花岗岩特征一致, 进一步说明在额尔古纳地块北段存在一期与板块活动有关的早古生代A 型花岗岩。

4.4 岩石形成构造背景

岩石类型及地球化学特征与岩石形成的构造环境密切相关(张招崇等, 2007, 2009; 张超等,2020)。前哨林场黑云母二长花岗岩为A 型花岗岩,且依据岩石组合及地球化学特征判定为A2型花岗岩, 暗示该岩体形成于弧后、后碰撞后走滑等有关的伸展构造环境中。岩石地球化学特征显示, 该岩体为钙碱性、弱过铝质岩石, 相对富集轻稀土元素(LREE)、大离子亲石元素(LILEs)(如Rb、K)及高场强元素(HFSEs)(如Th、U、Zr、Hf), 相对亏损重稀土元素(HREE)、大离子亲石元素Ba、Sr 及高场强元素Nb、Ta、P、Ti(图7a, b), 且具有明显的Eu 负异常(图7a)。该岩石地球化学特征与区域早古生代塔河岩体、十八站岩体、查拉班河岩体、哈拉巴奇岩体、白银纳岩体、翠岗岩体及永庆林场岩体等I、A 型花岗具有相似或近似相同的地球化学特征, 均指示此类岩体形成于板块碰撞、拼接后造山伸展构造背景下(武广等, 2005; 隋振民等, 2006; 葛文春等, 2007; 任邦方等, 2012; Zhao et al., 2014; 赵硕,2017; 吴琼等, 2019; 苏海洋, 2019; 张志平等,2020)。在SiO2-Al2O3、SiO2-(FeOT/FeOT+MgO)构造环境判别图中, 前哨林场黑云母二长花岗岩均落于后造山构造环境区域中(图10a, b)。以上论述表明,前哨林场黑云母二长花岗岩与区域上早古生代岩体形成背景是一致的, 均形成于板块碰撞、拼接后造山伸展构造背景下。

图10 上黑龙江盆地前哨林场黑云母二长花岗岩构造环境判别图解(据Maniar and Piccoli, 1989)Fig. 10 Tectonic discrimination diagrams of the Biotite monzonitic granite from Qianshao forest farm in the Upper Heilongjiang Basin (after Maniar and Piccoli, 1989)

上黑龙江盆地前哨林场所处的额尔古纳地块,北与西伯利亚克拉通紧密相邻, 东以塔源—喜桂图断裂与兴安地块相隔。前人通过对额尔古纳地块进行大量年代学及地磁学研究表明, 在额尔古纳地块北部及与兴安地块接壤的东北部存在大量的早古生代花岗岩, 形成一条早古生代增生、碰撞造山带(葛文春等, 2005, 2007; 隋振民等, 2006; Wu et al., 2011;任邦方等, 2012; Zhao et al., 2014; 赵硕, 2017; 吴琼等, 2019)。而对额尔古纳地块早古生代花岗岩形成环境背景前人有以下2 种不同的认识, 一种观点认为形成于额尔古纳地块与兴安地块碰撞后伸展构造环境(葛文春等, 2005, 2007; 隋振民等, 2006; Zhao et al., 2014; 苏海洋, 2019); 另一种观点认为形成于萨拉伊尔运动后期, 额尔古纳地块与西伯利亚克拉通南侧已完成构造拼接, 由挤压向拉张转变的构造环境(武广等, 2005; 秦秀峰等, 2007; 柴明春等,2018; 吴琼等, 2019; 王佰义, 2019)。

前人对额尔古纳地块、兴安地块基底属性及碰撞、拼接过程和时间做了大量的研究。通过对额尔古纳地块与兴安地块变质基底的研究, 认为两者具有不同的基底时代、不同的演化历史, 从而确定了两者为不同的块体(葛文春等, 2005)。新林蛇绿岩、伊敏河头道桥及吉峰蓝片岩的发现, 确定了额尔古纳地块与兴安地块碰撞、拼接空间范围, 且提供了时间制约(孙巍等, 2014; Zhou et al., 2015; 苏海洋,2019)。古生代地层对额尔古纳地块及兴安地块的碰撞、拼接具有一定的指示意义, 区域泥鳅河组及红水泉组砂岩锆石εHf(t)值既具有分布范围广, 又与额尔古纳地块、兴安地块不同等特征, 表明额尔古纳地块与兴安地块在500 Ma 已经完成拼接(冯志强,2015)。随后, 额尔古纳地块与兴安地块进入碰撞后伸展构造环境, 形成了额尔古纳地块东北缘塔河、哈拉巴奇、白银纳、查拉班河及十八站二长花岗岩、花岗闪长岩及正长花岗岩等奥陶纪岩体(葛文春等,2005, 2007; 隋振民等, 2006; 任邦方等, 2012; 赵硕,2017)。

随着额尔古纳地块北缘的漠河、洛古河、阿龙山、西门都里河、南大窑及漠河前哨林场二长花岗岩、石英闪长岩、石英二长岩及正长花岗岩等岩体的识别, 证实了在额尔古纳地块北缘存在一条早古生代岩浆岩带, 岩石地球化学特征显示岩石均形成于板块碰撞后伸展构造背景(武广等, 2005; 佘宏全等, 2012; Zhao et al., 2014; 赵硕, 2017; 吴琼等,2019)。前人大量研究显示兴安地块西侧及北缘未发现大量造山后伸展环境的早古生代花岗岩, 而地块东缘存在一期与松嫩地块间洋壳俯冲相关的早古生代晚期花岗带(赵元艺等, 2011; 车合伟等, 2015; 马庆等, 2018; 吕斌等, 2018), 证实了额尔古纳地块北缘早古生代花岗带不应是额尔古纳地块及兴安地块碰撞后的产物。前人通过对与额尔古纳地块相邻的西伯利亚板块东南缘阿穆尔地区、蒙古—图瓦地块进行年代学及地球化学研究, 发现与额尔古纳地块接触带附近同样存在早古生代岩浆带, 且具有后碰撞花岗岩特征(Salnikova et al., 1998; Badarch et al.,2002)。暗示着, 奥陶纪前额尔古纳地块已经完成与北部的西伯利亚古陆、蒙古—图瓦地块的碰撞、拼接, 标志着萨拉伊尔运动结束。

结合额尔古纳地块与西伯利亚古陆、蒙古—图瓦地块及兴安地块的运动机制, 认为额尔古纳地块北缘及东北缘碰撞后伸展构造环境背景不同, 前者为萨拉伊尔运动影响, 后者主要受额尔古纳与兴安地块碰撞伸展影响(武广等, 2005; 秦秀峰等, 2007;柴明春等, 2018; 吴琼等, 2019; 王佰义, 2019)。上黑龙江盆地前哨林场处于额尔古纳地块北缘, 其黑云母二长花岗岩体为奥陶纪岩浆活动产物, 且具A型花岗岩特征, 应形成于额尔古纳地块与西伯利亚古碰撞后的伸展构造环境下, 与前人研究结果是一致的。

5 结论

(1)前哨林场黑云母二长花岗岩结晶年龄为(458.4±2.4) Ma(MSWD=0.022), 为中—晚奥陶纪岩浆活动产物。

(2)前哨林场黑云母二长花岗岩εHf(t)均值为-1.50, 测点多分布于球粒陨石演化线之下, 两阶段模式年龄(tDM2)为715～1126 Ma, 暗示该岩体来源于中—新元古代古老地壳物质的熔融, 且存在少许幔源物质或从亏损地幔中新增生地壳物质的部分熔融。

(3)前哨林场黑云母二长花岗岩具高硅、富铝、富碱、富集轻稀土、亏损重稀土及明显的Eu 负异常特征, 显示A 型花岗岩特征, 且形成于额尔古纳地块与西伯利亚古碰撞后的伸展构造环境。

(4)额尔古纳地块北缘及东北缘早古生代花岗岩形成机制不同, 前者形成于额尔古纳地块与西伯利亚古陆及蒙古—图瓦地块碰撞、拼接后伸展背景;后者主要形成于额尔古纳与兴安地块碰撞伸展背景。

致谢:野外取样工作得到了黑龙江省第五地质勘查院的大力支持; LA-ICP-MS 锆石U-Pb 和Lu-Hf 同位素测试得到了中国地质科学院矿产资源研究所侯可军副研究员热情帮助及指导; 手标本照片是由中国地质科学院矿产资源研究所沙俊生工程师完成。编辑部及两位审稿专家对本文提出了大量意见及建议,在此一并致以诚挚的感谢！

Acknowledgements:

This study was supported by National Key Research & Development Program of China (No.2017YFC0601303), Guizhou Major Collaborative Innovation Project (No. [2022]ZD004), and Scientific Research Project of Non-Ferrous Metals and Nuclear Industry Geological Exploration Bureau of Guizhou(No. GZYSKY2023-1).