大兴安岭北段龙江地区早白垩世晶洞花岗岩的成因及构造意义

2019-10-23景妍张彦龙王清海刘希雯陈会军

世界地质 2019年3期

景妍,张彦龙,王清海,刘希雯,陈会军

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.吉林省水利水电勘测设计研究院，长春 130021；4.中国地质调查局沈阳地质调查中心，沈阳 110034

0 引言

作为大陆地壳的重要组成部分，花岗岩是地壳内部/壳幔间物质与能量传输的表现产物，包含大陆地壳演化的关键信息[1--2]。因此，有关花岗岩年代学、成因及构造背景的讨论有助于揭示地球演化历史，尤其对有“花岗岩海”之称的大兴安岭地区来说，其研究意义更为显著[3]。前人研究曾认为大兴安岭地区规模巨大的花岗岩大部分形成于古生代[4]，但是缺乏高精度年代学资料的支持。近年来，大量高精度年龄数据的发表，已经证实东北地区大多数花岗岩形成于中生代[5--6]。同时，这些中生代花岗岩和火山岩普遍具有正εNd(t)和εHf(t)值，以及较年轻的二阶段模式年龄(TDM2)，暗示东北地区在显生宙期间曾发生显著的地壳增生事件[7]。然而，目前关于中国东北地区中生代构造演化历史的认识还存在很多问题，其中大兴安岭地区中生代花岗岩及火山岩形成的构造背景仍然存在很大争议：这些中生代岩浆岩的形成是与蒙古—鄂霍茨克洋闭合后造山带伸展作用有关[8]，还是与古太平洋板块西向俯冲作用有关[9--10]？其中，大兴安岭中生代花岗岩和火山岩作为研究中国东北地区中生代构造演化历史的关键媒介，将是解决上述问题的重要研究对象。为此，笔者在前人研究的基础上，通过对大兴安岭北段龙江地区头道沟岩体进行锆石 U--Pb 年代学、全岩地球化学以及锆石Lu--Hf 同位素研究，来探讨研究区花岗岩的形成时代、成因类型、源区性质及其相关的地球动力学背景。

1 地质背景与岩石学特征

中国东北地区位于中亚造山带的东延部分，主要由一系列不同属性的微陆块和缝合带拼贴而成，自西北向东南依次为额尔古纳地块、兴安地块、松嫩—张广才岭地块、佳木斯—兴凯地块和那丹哈达地体[11](图 1a)。兴安地块作为东北地区重要组成部分，古生代主要遭受古亚洲洋构造域的改造作用，表现为向北与额尔古纳地块沿塔源—喜桂图缝合带于早古生代(～490 Ma之前)碰撞拼合[3,12]，向南则与松嫩—张广才岭地块沿贺根山—黑河缝合带于晚古生代拼贴[3,13]。中生代以来，兴安地块又经历古太平洋板块的西向俯冲作用，同时可能遭受蒙古—鄂霍茨克洋构造域的叠加改造作用，岩浆活动剧烈，盆岭构造发育，具有复杂的构造演化历史[9]。

研究区位于内蒙古自治区齐齐哈尔市龙江县头道沟附近，大地构造位置属于兴安地块[14](图1a)。区内零星出露有元古代地层、古生代地层和中生代地层。其中，元古代地层包括郝家沟组(Pt1h)和刘家崴子组(Pt1l)，主要岩石组合类型为绢云母石英片岩、绿泥斜长石英片岩和二云母石英片岩等；古生代地层包括高家窝棚组(C3g)和老龙头组(P2l)，主要由砂岩、灰岩、花岗质砾岩和中酸性熔岩等组成；中生代地层主要出露南平组(J2n)、太平川组(J2t)、龙江组(J3l)和九峰山组(J3j)，由玄武岩、安山玢岩、火山角砾岩、流纹质晶屑凝灰岩和酸性熔岩等组成。同时，研究区内岩浆作用强烈，其活动期次可大致划分为华力西期、印支期和燕山期，主要岩石类型为花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩和混合花岗岩，多呈岩基产出，少量呈岩株出露[4]。

岩相学研究显示：大兴安岭北段龙江地区头道沟岩体主要由二长花岗岩组成，发育晶洞构造，主要矿物组合为石英(～40%)、碱性长石(～32%)、斜长石(～23%)和黑云母(～5%)(图2)。石英呈他形粒状，粒径为0.3～2.5 mm，局部发生熔蚀作用，呈港湾状，多数具波状消光；碱性长石主要为正长石，可见少量的条纹长石，粒径为0.2～1.5 mm，部分可见卡式双晶；斜长石多为自形--半自形板柱状，粒径为0.5～2 mm，聚片双晶发育，绢云母化蚀变明显；黑云母呈鳞片状，平行消光，发育一组极完全解理，可见浅黄--黄绿色吸收性，粒径变化于0.1～0.8 mm，边部绿泥石化和暗化现象明显；含少量锆石、磷灰石和榍石等副矿物(图2a)。

图1 东北地区大地构造图(a)和龙江地区地质简图(b)Fig.1 Geotectonic map of Northeast China(a) and sketched geological map of Longjiang area(b)

Qtz.石英；Kfs.钾长石；Pl.斜长石；Bi.黑云母.图2 龙江地区早白垩世二长花岗岩的显微照片Fig.2 Microphotographs of Early Cretaceous monzogranite from Longjiang area

2 分析方法

测试样品的锆石分选和制靶工作分别由河北省廊坊宇能矿物分选技术服务有限公司和北京凯德正科技有限公司完成，锆石U--Pb同位素测试分析在中国科学院地质与地球物理研究所进行。锆石U--Pb同位素测试分析采用激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪(LA--ICP--MS)，其中激光束斑直径为36 μm，脉冲频率为10 Hz，测定过程以高纯度氦气(He)为剥蚀物质的载气。U--Pb同位素分馏以国际标准锆石91500作为外部标准进行校正，以澳大利亚标准锆石GJ--1作为辅助标样。其中GJ--1的年龄测定范围为612.2～614.6 Ma (加权平均年龄为612.9 Ma)，该值与GJ--1的标准年龄613±6 Ma在误差范围内一致。锆石U--Pb同位素比值及相应的元素含量的数据处理采用Glitter (ver. 4.4，Macquarie University)程序进行，同位素比值的普通铅校正采用Andersen (2002)[15]的方法，运行国际标准程序Isoplot/Ex(3.0)完成样品的年龄计算并绘制谐和图。实验原理和具体操作流程参见文献[16]。

基于锆石U--Pb同位素年龄的测定，锆石原位Lu--Hf同位素分析在中国科学院地质与地球物理研究完成。实验采用193 nm激光取样系统的多接收电感耦合等离子质谱仪(LA--MC--ICP--MS)，测试过程中激光束斑直径为60 μm，脉冲频率为10 Hz，激光脉冲能量为10 J/cm2。使用哈佛大学标准锆石91500进行仪器最佳化，实验原理和具体操作流程参见文献[17]。

待测样品的全岩主量、微量化学分析在北京核工业地质研究院进行，主量元素和微量元素分析采用的仪器分别是PW2404型荧光光谱仪(XRF)和ELEMENT XR型电感耦合等离子质谱仪(ICP--MS)。实验测试流程参照相应的国家标准GB/T14506.14--2010和GB/T14506.30--2010。对比国家标样GDW07104分析，测试样品的主量和微量元素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年代学

图3 龙江地区早白垩世二长花岗岩的锆石U--Pb谐和图及阴极发光(CL)图像Fig.3 Zircon U--Pb concordia diagram and CL image of Early Cretaceous monzogranite from Longjiang area

为了准确厘定大兴安岭北段龙江地区头道沟二长花岗岩的形成时代，对样品(13GW248)进行LA--ICP--MS锆石U--Pb同位素分析(表1)。阴极发光图像(CL)显示锆石多呈自形--半自形棱柱状，自形程度较好，具有清晰的振荡生长环带和韵律结构(图3)，结合其较高的Th/U比值(0.35～1.26)，表明其为岩浆成因锆石[18]。锆石U--Pb测试结果如表1和图3所示。

对样品13GW248(采样位置坐标：47°39′32.9″N，122°33′21.4″E)的23个锆石颗粒进行测试分析，结果显示除13GW248--7测试点的206Pb/238U年龄值为203±3 Ma (图3)，可能代表捕获锆石年龄，其余22个测试点的年龄均较年轻，其206Pb/238U年龄值介于125～133 Ma之间，加权平均年龄为129±2 Ma(n=22，MSWD=0.23)，表明龙江地区头道沟二长花岗岩的结晶时代为早白垩世。

表1 龙江地区早白垩世二长花岗岩LA--ICP--MS 锆石U--Pb定年结果

注：13GW248--5点由于锆石颗粒过小，被打穿，故未将该测试点列入表内。

3.2 岩石地球化学特征

3.2.1 主量元素特征

大兴安岭北段龙江地区早白垩世头道沟二长花岗岩的SiO2含量为74.23%～75.88%，全碱含量(K2O+Na2O)介于8.26%～9.44%之间，Al2O3含量变化范围为12.61%～13.60%。此外，花岗岩样品的TFe2O3(0.86%～1.30%)和MgO含量(0.14%～0.27%， Mg#值=22.5～32.9)明显较低(表2)。在火山岩(K2O+Na2O)- SiO2分类图解中(TAS)，花岗岩样品均落入亚碱性范围内[19](图4a)。在SiO2-K2O分类图中，花岗岩样品均属于高钾钙碱性系列[20](图4b)。在A/CNK-A/NK图解中，样品表现为准铝质--弱过铝质系列特征[21](图4c)，相应的铝饱和指数(A/CNK值)为1.03～1.11。

表2 龙江地区早白垩世二长花岗岩主量元素(10-2)和微量元素(10-6)分析结果

3.2.2 微量元素特征

大兴安岭北段龙江地区早白垩世二长花岗岩的稀土元素总量变化范围较大，其ΣREE介于85.2×10-6～320.0×10-6之间，平均值为169.2×10-6(表2)。在球粒陨石标准化稀土元素配分模式图上，花岗岩样品表现为右倾型，富集轻稀土元素(LREEs)，亏损重稀土元素(HREEs)，具有较高的(La/Yb)N比值(7.4～68.9)[22](图5a)，暗示原始岩浆在演化过程中曾发生强烈的轻重稀土元素分馏作用。此外，花岗岩样品具有明显--中等的铕负异常(δEu=0.50～0.85，平均值为0.69)。在原始地幔标准化微量元素蛛网图中[23](图5b)，龙江地区头道沟二长花岗岩样品具有亏损Nb、Ta、P、Ti等高场强元素，富集Rb、K等大离子亲石元素和Th、U等高场强元素的地球化学属性(表2)。

3.3 Lu--Hf同位素特征

在锆石U--Pb同位素测试分析的基础上，本文对14颗锆石进行Lu--Hf同位素研究(表3)。其中，13颗岩浆锆石(～129 Ma)的176Hf/177Hf比值介于0.282 883～0.282 976之间，相应的εHf(t)值和Hf二阶段模式年龄(TDM2)分别为+6.6～+12.3和549～760 Ma[24](图6)。此外，单个捕获锆石(～203 Ma)的176Hf/177Hf比值为0.283 058，相应的εHf(t)值和Hf二阶段模式年龄(TDM2)分别为+12.7和374 Ma[24]。

图4 龙江地区早白垩世二长花岗岩TAS图解[19] (a)，K2O- SiO2图解[20](b)和A /NK-A/CNK图解[21](c)Fig.4 TAS (a)，K2O versus SiO2 (b) and A/NK versus A/CNK (c) diagrams for Early Cretaceous monzogranite from Longjiang area

图5 龙江地区早白垩世二长花岗岩稀土元素配分模式图[22](a)和微量元素蛛网图(b) [23]Fig.5 Chondrite-normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spidergrams (b) of Early Cretaceous monzogranite from Longjiang area

图6 龙江地区早白垩世二长花岗岩εHf(t)-T(Ma)图解[24]Fig.6 Diagram of εHf(t)-T(Ma) for Early Cretaceous monzogranite from Longjiang area

表3 龙江地区早白垩世二长花岗岩锆石Hf同位素分析结果

4 讨论

4.1 形成时代

大兴安岭地区广泛出露花岗质岩石，其主要岩性包括碱长花岗岩、二长花岗岩和花岗闪长岩[5,7]。前人研究已基本确定大兴安岭地区中生代花岗岩的岩浆期次可划分为中--晚三叠世(235～225 Ma)、早--中侏罗世(182～175 Ma)和早白垩世(140～125 Ma)[10]。研究区位于大兴安岭北段龙江地区，大规模出露晶洞二长花岗岩，前人依据岩石组合类型类比的方法将其划为混合花岗岩，但缺少高精度同位素年龄数据的支持[4]。为此，通过对龙江地区头道沟二长花岗岩进行锆石U--Pb同位素测试，结果显示其结晶年龄为129±2 Ma，表明龙江地区头道沟二长花岗岩为早白垩世岩浆作用的产物。结合邻区报道的阿尔山绿水碱长花岗岩(139 Ma)[25]、蛤蟆沟林场花岗岩(126～137 Ma)[26]、扎兰屯西部毕家店岩体(128～139.5 Ma)[27]和爱林源岩体(132～137 Ma)等[28]，以及大兴安岭地区已报道的大规模同时期的火山岩[29--30]，表明早白垩世为大兴安岭地区构造--岩浆活动的高峰期。

4.2 岩石成因

4.2.1 成因类型

依据源区特征和构造背景，花岗岩的成因分类可普遍划分为I型、S型、M型和A型，为花岗岩的相关研究提供新的思路[31--32]。上述研究表明龙江地区早白垩世二长花岗岩具有高硅、富碱、贫铁和贫镁的地球化学属性，并且富集大离子亲石元素Rb、K和高场强元素Th、U，亏损高场强元素Nb、Ta、Ti和P，表明其与大陆地壳物质具有明显的亲缘性。结合花岗岩中少量的捕获锆石，因而可以排除其属于M型花岗岩的可能。其次，龙江地区早白垩世二长花岗岩属于准铝质--弱过铝质系列，岩相学研究也并未发现典型的过铝质矿物，如红柱石、堇青石、白云母和石榴子石等，反而出现黑云母、角闪石和榍石等矿物组合类型，表明其并不属于S型花岗岩。同时，样品表现出P2O5和SiO2的负相关(表2)以及Rb和Th的正相关(表2)[33]，因此初步推断大兴安岭龙江地区早白垩世二长花岗岩可能为I型或A型花岗岩。由于A型花岗岩和高分异I型花岗岩在矿物组合和化学成分上的相似性，准确区分二者需要基于多方面的综合考虑。首先，Whalen等[31]将10 000×Ga/Al值作为区分A型和其他类型花岗岩的重要指标：龙江地区早白垩世二长花岗岩的10 000 Ga/Al介于2.1～2.5，平均值为2.2，明显<2.6。其次，龙江地区早白垩世二长花岗岩中并未发育碱性暗色矿物，如钠铁闪石、钠闪石和霓辉石等，表明其可能并不属于A型花岗岩。此外，在Whalen[31]和Eby[2]等提出的以Zr+Nb+Ce+Y为基础的判别图解中，所有岩石样品均落入高分异I型花岗岩区域(图7)。综合样品的锆饱和温度(739～751℃)和较低的Zr(<250×10-6)、Nb(<20×10-6)、Ce(<100×10-6)、Y(<80×10-6)含量(均低于典型A型花岗岩)，认为龙江地区早白垩世二长花岗岩为高分异I型花岗岩。

图7 龙江地区早白垩世二长花岗岩成因类型判别图解Fig.7 Discrimination diagrams of genetic types for Early Cretaceous monzogranite from Longjiang area

4.2.2 分离结晶

在哈克图解中，龙江地区早白垩世头道沟二长花岗岩的主要氧化物与SiO2均显示良好的线性演化趋势(除K2O，表2)，结合它们基本一致的不相容元素比值(Ti/Y、Zr/Hf及La/Ce)，表明岩浆曾经历一定程度的分离结晶作用[34]。其中，样品具有Al2O3与SiO2的负相关变化(表2)，结合其Eu负异常和Sr亏损特征，暗示岩浆发生了斜长石的结晶分异作用。同时，随着SiO2含量的升高，TFe2O3和MgO的含量逐渐减少(表2)，暗示角闪石和黑云母等暗色矿物的结晶分异过程[35]。此外，Ti、P 的强烈亏损也反映岩浆经历了磷灰石和钛铁矿的分离结晶作用(图5 b)。

4.2.3 源区性质与地壳增生

目前，有关花岗岩成因的认识主要存在以下2种主流观点：①源于地壳物质的部分熔融过程；②中基性岩浆经历强烈的分离结晶作用。首先，区域地质资料显示龙江地区头道沟二长花岗岩分布面积较广(约80 km2)且多呈独立的岩基状产出，结合缺失同时期中基性岩浆活动的报道，基本可以排除结晶分异的成因模式。其次，上述研究表明头道沟岩体具有高钾钙碱性的特性，属于高分异I型花岗岩，具有高硅，富碱，贫铁、镁、钙的特征，且富集大离子亲石元素和轻稀土元素，亏损高场强元素和重稀土元素，暗示其原始岩浆可能为地壳物质部分熔融的产物[34]。同时，该认识得到不相容元素比值特征的支持，例如龙江地区头道沟二长花岗岩的Zr/Hf与Nb/Ta比值分别为26.2～31.5(平均值27.8)和8.8～14.7(平均值10.9)，它们与原始地幔的相应值(37和17.8)相差甚远，反而接近地壳的相应值(33和11)[23]。Rb/Sr比值介于0.51～0.74(平均值0.64)，位于壳源岩浆的范围(>0.5)，而不同于原始地幔(0.03)、E--MORB(0.033)和OIB(0.047)的相应值。同时，Ti/Zr(10.5～13.4)、Ta/U(0.38～0.54)和Nb/U(3.32～7.18)等微量元素比值也更接近地壳的相应值[23]。除此之外，龙江地区早白垩世头道沟二长花岗岩中岩浆锆石的Hf同位素组成较为均一(即176Hf/177Hf比值介于0.282 883～0.282 976)，相应的εHf(t)值均为正值(+6.6～+12.3)，在εHf(t)-T(Ma)图解中(图6)，所有测试数据点均靠近亏损地幔演化线，偏离古老地壳Hf演化线，落在亏损地幔和球粒陨石演化线之间的区域[24]。结合其较年轻的Hf二阶段模式年龄(TDM2为549～760 Ma)，暗示龙江地区头道沟二长花岗岩源于新元古代新增生的下地壳物质的部分熔融，这与兴安地块新元古代—显生宙期间发生的大规模地壳增生事件的认识相一致[14]。值得注意的是，龙江地区头道沟二长花岗岩样品具有明显较低的Yb(0.84×10-6～1.88×10-6)和Y(7.25×10-6～15.7×10-6)含量，表明石榴子石可能作为残留相滞留在岩浆源区[34--35]。

4.3 构造意义

图8 龙江地区早白垩世二长花岗岩构造环境判别图解[26]Fig.8 Discrimination diagram for tectonic setting of Early Cretaceous monzogranite from Longjiang area

中生代以来，大兴安岭地区作为东亚大陆边缘最为活跃的区域之一，构造--岩浆活动强烈，因此，大兴安岭中生代花岗岩和火山岩作为该期岩浆作用的表现产物，可能包含反演东北地区中生代构造体制演化的关键信息。上述研究显示：大兴安岭北段龙江地区主要出露二长花岗岩，形成于早白垩世，并具有高分异I型花岗岩的属性。同时，花岗岩样品富集大离子亲石元素(Rb、Ba和K)，亏损高场强元素(Nb、Ta、Ti和P)，指示弧型岩浆岩的地球化学特征。在构造环境判别图解中(图8)，花岗岩样品均落入火山弧(VAG)区域，显示活动大陆边缘的构造属性[36]，该认识同时得到研究区头道沟二长花岗岩锆石饱和温度证据的支持(介于739℃～751℃，平均为745℃，属于低温花岗岩)，暗示龙江地区头道沟二长花岗岩的形成过程可能与俯冲作用相关，且存在流体的参与。然而，近期研究显示：大兴安岭地区除发育包括研究区在内的早白垩世高分异I型花岗岩外，还出露有同时期的A型花岗岩[25--26, 37--39]，如卧都河岩体、明水—吉拉斯台—索伦军马场岩体、碾子山岩体、南兴安岩体和蛤蟆沟林场岩体等。Wu et al.[40]认为早白垩 A 型花岗岩属于非造山 A1型花岗岩，其形成与板内拉张有关，该认识同时得到变质核杂岩(如内蒙古甘珠尔庙变质核杂岩)、拉张盆地(如内蒙古海拉尔盆地)以及同时期的碱性流纹岩(如光华组碱流岩)和双峰式火山岩(如扎兰屯地区双峰式火山岩)的支持[28]。那么，造成这种大规模伸展构造背景的地球动力学机制究竟与蒙古—鄂霍茨克洋碰撞造山后的重力垮塌有关，还是与古太平洋板块西向俯冲作用相关？前人研究成果显示，大兴安岭地区早白垩世花岗岩和火山岩均分布在贺根山—黑河缝合线附近和松辽盆地以西的地区，大致呈北北东向(NNE) 展布，其分布模式与由西南向东北呈剪刀式闭合的蒙古—鄂霍茨克洋构造域明显不同。其次，蒙古—鄂霍茨克洋具有自西向东呈剪刀式闭合的特点，其最终闭合时间目前仍存在较大争论，且该地区尚未发现典型的后碰撞或后造山阶段的岩浆及变质事件，因此笔者认为早白垩世岩浆作用与蒙古—鄂霍茨克洋碰撞造山后的重力垮塌无关。相反，结合龙江地区头道沟花岗岩活动大陆边缘的构造属性和低温特征，其形成可能与古太平洋板块西向俯冲作用有关[9]。目前，前人研究成果已基本确定古太平洋板块在早侏罗世期间对中国东北地区启动西向俯冲，造就了东北地区南北走向的早侏罗世“弧型”侵入岩和火山岩[41]。中--晚侏罗世期间，大兴安岭地区广泛发育具俯冲带性质的埃达克岩，暗示大兴安岭地区遭受古太平洋板块持续俯冲，使得下地壳增厚[42--43]。晚侏罗世—早白垩世期间，由于古太平洋板块相对亚洲大陆板块运动方向的改变，导致东北亚地区的构造应力场由挤压转换为伸展机制，压力释放使得增厚的下地壳密度失稳而引发拆沉，导致地幔物质上涌，加热下地壳物质，由此引发新元古代新增生的地壳物质部分熔融，造就东北地区规模巨大的岩浆事件[9]。综上所述，本文认为大兴安岭北段龙江地区早白垩世二长花岗岩形成于伸展环境，可能与古太平洋板块西向俯冲引发的拆沉作用相关。