吉林中部旺起花崗閃長巖鋯石U
--Pb年代學(xué)和巖石地球化學(xué)研究

李翱鵬，王聚勝，付海城

1.吉林省地質(zhì)調(diào)查院，長春130102;2.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長春130061

0 引言

吉林中部位于華北克拉通北緣東段與中亞造山帶東段交匯部位，經(jīng)歷了極其復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造演化[1--6]，在古生代期間，構(gòu)造演化主要受古亞洲洋構(gòu)造體系控制，先后經(jīng)歷了額爾古納地塊、興安地塊、松嫩—張廣才嶺地塊、佳木斯地塊以及興凱地塊等多個微陸塊的碰撞--拼貼[7, 8]，直至早--中三疊世古亞洲洋沿西拉木倫—長春—延吉一線完成最終閉合[6, 9--14]。中生代以來，該區(qū)構(gòu)造演化主要受環(huán)太平洋構(gòu)造體系控制[13,15,16]，并經(jīng)歷蒙古—鄂霍茨克構(gòu)造體系的疊加和改造[17]。

關(guān)于古太平洋板塊俯沖開始的具體時間仍存在爭議，主要為兩種不同認(rèn)識：①俯沖開始于晚三疊世[18,19]；②俯沖開始于早--中侏羅世[6,13,14,20,21]。對于蒙古—鄂霍茨克構(gòu)造體系，近年研究表明蒙古—鄂霍茨克大洋板塊在晚二疊世—早侏羅世期間向中國東北發(fā)生持續(xù)的南向俯沖作用[22,23]，蒙古—鄂霍茨克洋東部的閉合時間為中侏羅世—早白堊世[24--28]。由于吉中地區(qū)經(jīng)歷了多個構(gòu)造體系的演化、轉(zhuǎn)換和疊加，目前對于吉中地區(qū)中侏羅世巖漿作用形成的構(gòu)造背景存在多種觀點：①與古亞洲洋的閉合相關(guān)[29]；②與古太平洋板塊的俯沖作用相關(guān)[30,31]；③與蒙古—鄂霍茨克洋的閉合相關(guān)[17]。

為解決上述問題，筆者選取吉林中部旺起花崗閃長巖巖體為研究對象，進(jìn)行了LA--ICP--MS鋯石U--Pb測年和巖石地球化學(xué)研究，同時結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，探討旺起花崗閃長巖巖體形成時代、巖石成因及其形成的構(gòu)造背景，查明吉中地區(qū)中侏羅世巖漿作用與三大構(gòu)造體系的關(guān)系。

1 地質(zhì)背景及樣品描述

1.1 地質(zhì)背景

研究區(qū)旺起巖體在大地構(gòu)造位置上，處于敦化—密山斷裂以西，伊通—依蘭斷裂以東以及索倫—西拉木倫—長春縫合帶以北的區(qū)域范圍內(nèi)，是張廣才嶺造山帶的重要組成部分(圖1b)。區(qū)內(nèi)出露的地層較簡單，僅見有第四系松散堆積物和始新世玄武巖，巖漿巖主要是燕山早期(中侏羅世)石英閃長巖，花崗閃長巖和二長花崗巖(圖1a)。

1.2 樣品描述

旺起巖體巖性主要為灰白色中細(xì)粒花崗閃長巖，出露于吉林省中部吉林市旺起鎮(zhèn)東側(cè)一帶，不規(guī)則殘留巖基狀出露，總體呈北東向出露。巖體被中侏羅世二長花崗巖侵入，其中二長花崗巖LA--ICP--MS鋯石U--Pb年齡為165.4±1.2 Ma(待發(fā)表數(shù)據(jù))，被第四系松散堆積物不整合覆蓋。巖體內(nèi)見有閃長質(zhì)包體，包體多呈橢圓狀、長橢圓狀，長軸大小在幾厘米至三十幾厘米不等(圖2a)。

樣品PM601--1采自吉林市旺起鎮(zhèn)北東2.7 km處(126°46′15.1″E，43°36′18.7″N)，為中細(xì)?；◢忛W長巖。新鮮面呈灰白色(圖2b)，中細(xì)?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物：石英含量23%±，他形粒狀，粒度0.2～2 mm，充填于長石礦物中，可見波狀消光；鉀長石含量15%，半自形--自形板柱狀，粒度0.3～2.5 mm，卡氏雙晶和格子雙晶發(fā)育，具弱高嶺土化；斜長石含量55%±，粒度0.5～3 mm，半自形--自形板狀，細(xì)密的聚片雙晶發(fā)育，環(huán)帶構(gòu)造發(fā)育；黑云母含量5%±，新鮮無蝕變，呈片狀集合體，黃褐--深褐色，具明顯多色性，綠泥石化較強(qiáng)，綠泥石含量2%±，粒度0.3～1.5 mm；副礦物可見有少量磁鐵礦和磷灰石(圖2c，圖2d)。

2 分析方法

2.1 LA--ICP--MS鋯石U--Pb定年

本文相關(guān)鋯石樣品挑選由河北省廊坊區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究所實驗室完成。對巖石樣品進(jìn)行常規(guī)機(jī)械粉碎，粉碎至80～100目，再進(jìn)行重力分選和磁選，在雙目鏡下將不同特征的鋯石粘在雙面膠上，

待其固化之后，將表面打磨拋光至鋯石中心。鋯石樣品的制靶、反射光、陰極發(fā)光圖像采集以及鋯石U--Pb年齡測定和鋯石微量元素分析均在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司完成。本次測試采用激光器對鋯石樣品進(jìn)行剝蝕，深度為20～40 μm，激光剝蝕束斑直徑為30 μm，激光剝蝕過程中采用氦氣作載氣、氬氣為補(bǔ)償氣以調(diào)節(jié)靈敏度。鋯石U--Pb同位素定年微量元素含量處理中采用鋯石標(biāo)準(zhǔn)91500和玻璃標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)NIST610作外標(biāo)分別進(jìn)行同位素和微量元素分餾校正。29Si作為內(nèi)標(biāo)元素[32]。對分析數(shù)據(jù)的離線處理(包括對樣品和空白信號的選擇、儀器靈敏度漂移校正、元素含量及U--Pb同位素比值和年齡計算)采用軟件ICPMSDataCal完成。鋯石樣品的U--Pb年齡諧和圖繪制和年齡加權(quán)平均計算采用Isoplot[33]完成，普通鉛校正使用Anderson給出的程序計算。分析數(shù)據(jù)及鋯石U--Pb諧和圖給出誤差為1 σ，表示95%的置信度。

2.2 巖石地球化學(xué)測試

本次實驗主量及微量元素的分析測試均在國土資源部長春礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢查中心完成。主量元素由X--射線熒光光譜儀(ADVANT’X)利用熔片X--射線熒光光譜法(XRF)測定，并采用等離子光譜和化學(xué)法測定進(jìn)行相互檢測。微量元素和稀土元素采用等離子質(zhì)譜儀(X--series2)測定完成。主量元素分析精度及準(zhǔn)確度優(yōu)于5%，微量稀土元素分析精度和準(zhǔn)確度優(yōu)于10%。

3 分析結(jié)果

3.1 鋯石LA--ICP--MS年代學(xué)

旺起花崗閃長巖鋯石陰極發(fā)光圖像(CL)顯示，鋯石晶體長約132～250 μm，寬58～126 μm，長寬比為1.07∶1到2.86∶1，大部分鋯石自形程度較好，呈長柱狀，少部分呈短柱狀，這些鋯石絕大多數(shù)可以分辨出明顯的巖漿韻律環(huán)帶(圖3)，鋯石中的U和Th含量范圍變化不大，樣品U含量為(201～610)×10-6，Th含量為(92～380)×10-6，Th/U值為0.35～0.62(>0.1)(表1)，具有典型巖漿成因鋯石特點。該樣品共獲得20個較為諧和的鋯石206Pb/238U年齡，206Pb/238U一致年齡范圍為166～177 Ma，其加權(quán)平均年齡值為172.5±1.4 Ma(MSWD=2.4，n=20)(圖4)。該年齡可以代表侵入巖體的結(jié)晶年齡，即中侏羅世。

圖3 旺起花崗閃長巖部分鋯石陰極發(fā)光圖像Fig.3 Cathodoluminescence (CL) images of zircons selected for analysis from Wangqi granodiorite

3.2 地球化學(xué)特征

旺起花崗閃長巖主量元素分析結(jié)果(表2)顯示，SiO2含量為65.03%～66.25%，Al2O3含量為15.41%～16.29%，K2O含量為2.58%～2.69%，Na2O含量為4.17%～4.29%，K2O+Na2O含量為6.65%～7.71%，F(xiàn)e2O3含量為0.09%～1.60%，F(xiàn)eO含量為1.34%～2.70%，MnO含量為0.06%～0.08%，TFe2O3含量為4.66%～5.37%，MgO含量為1.85%～2.01%，CaO含量為3.73%～4.04%，P2O5含量為0.21%～0.24 %，Mg#為41～44。在TAS圖解中樣品集中落入花崗閃長巖區(qū)域內(nèi)(圖5a)；在SiO2-K2O圖解中(圖5b)，樣品集中落入中鉀鈣堿性系列區(qū)域內(nèi)；巖石鋁過飽和A/CNK值為0.92～0.96，A/NK值為1.58～1.65，呈準(zhǔn)鋁質(zhì)特征，在A/CNK-A/NK圖解中(圖5c)，樣品集中落入準(zhǔn)鋁質(zhì)區(qū)域內(nèi)。綜上分析認(rèn)為旺起中細(xì)?；◢忛W長巖屬于準(zhǔn)鋁質(zhì)中鉀鈣堿性系列。

表1 旺起花崗閃長巖LA--ICP--MS鋯石U--Pb 同位素分析結(jié)果Table 1 LA--ICPMS zircon U--Pb analyses of Wangqi granodiorite

表2 旺起花崗閃長巖主量元素(%)、微量(10-6)和稀土元素(×10-6)分析結(jié)果表Table 2 Compositions of major elements (%), trace elements(×10-6) and rare earth elements(×10-6)of Wangqi granodiorite

圖4 旺起花崗閃長巖的鋯石U--Pb年齡諧和圖(a)和加權(quán)平均年齡(b)Fig.4 Zircon U--Pb concordia diagram (a) and weighted average age diagram (b) for Wangqi granodiorite

圖5 旺起花崗閃長巖的TAS圖解(a)、SiO2-K2O圖解(b)和A/NK-A/CNK圖解(c)(陰影數(shù)據(jù)引自[6,11,34--36])Fig.5 TAS diagram (a)、SiO2 -K2O diagram (b) and A/NK-A/CNK diagram (c) of Wangqi granodiorite

樣品稀土元素分析結(jié)果顯示(表2)，其具有較高的稀土元素總含量ΣREE=(140.83～183.89)×10-6，其輕稀土元素含量LREE=(130.45～172.65)×10-6，重稀土元素含量HREE=(10.38～12.75)×10-6，LREE/HREE=12.00～15.36。(La/Yb)N=15.23～21.23，(La/ Sm)N=8.99～12.85，(Gd/ Yb)N=0.95～1.07，表明巖石輕、重稀土元素分餾明顯，且相對富集輕稀土元素，輕稀土元素內(nèi)部分餾作用明顯，重稀土元素相對虧損，且內(nèi)部分餾不明顯，在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分圖(圖6a)上表現(xiàn)為明顯的右傾模式，Eu/Eu*=0.74～0.92，具微弱的負(fù)銪異常，表明不存在斜長石分離結(jié)晶作用(或分離結(jié)晶作用不明顯)。

通過原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(圖6b)可以看出，其微量元素含量與原始地幔相比，相對富集大離子親石元素(LILE，Rb、Th、U等)，明顯虧損高場強(qiáng)元素(HFSE，Nb、Ta、P、Ti等)。此外，旺起花崗閃長巖相對富集Sr，可能與斜長石的堆晶有關(guān)，P和Ti的虧損可能與磷灰石和鈦鐵礦的分離結(jié)晶有關(guān)，Nb和Ta的虧損可能與金紅石和榍石的分離結(jié)晶有關(guān)。

圖6 旺起花崗閃長巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖(a)和微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(b) (陰影數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[6,11,34--36])Fig.6 Chondrite normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle normalized trace element spider diagrams (b) of Wangqi granodiorite

4 討論

4.1 吉林中部中侏羅世巖漿作用

前人對研究區(qū)內(nèi)花崗巖的測年主要通過K--Ar法，將吉林中部旺起花崗閃長巖時代歸為三疊紀(jì)，詳細(xì)的鋯石年代學(xué)資料極少。由于K--Ar 體系具有較低的封閉溫度，并且該區(qū)經(jīng)歷了多次后期巖漿構(gòu)造熱事件的改造。因此，K--Ar年齡不能準(zhǔn)確反映巖漿的侵位結(jié)晶年齡。通過旺起花崗閃長巖的鋯石CL圖像(圖3)可以清楚地看出鋯石具有典型的巖漿振蕩生長環(huán)帶，結(jié)合其較高的Th /U 比值(0.35～0.62)，說明它們均是巖漿結(jié)晶作用的產(chǎn)物，所測定的年齡應(yīng)代表了巖體的形成時代。鋯石U--Pb 定年結(jié)果顯示旺起花崗閃長巖的形成時代為172.5 Ma，即中侏羅世，而并不是前人所定三疊紀(jì)。

旺起花崗閃長巖形成時代與鄰區(qū)延邊地區(qū)輝長巖(174 Ma)、閃長巖(172～175 Ma)、花崗閃長巖(172 Ma)[37]和二長花崗巖(171～172 Ma)[29,38]，以及遼源地區(qū)二云母二長花崗巖(172 Ma)、二長花崗巖(171 Ma)和花崗閃長巖(173 Ma)[6,17]的形成時代一致，暗示研究區(qū)及鄰區(qū)中侏羅世巖漿作用的存在。

4.2 巖石成因

通過樣品主、微量分析可知(表2)，旺起花崗閃長巖具有較高的SiO2含量(65.03%～66.25%，>55%)。由于地幔物質(zhì)的部分熔融，只能形成玄武質(zhì)和安山質(zhì)熔體，不可能形成比中性巖(SiO2>55%)酸性程度更高的花崗巖[39,40]；并且?guī)r石屬于鈣堿性系列，明顯富集輕稀土元素(LREE)和大離子親石元素(LILE，Rb、Th、U等)，虧損高場強(qiáng)元素(HFSE，Nb、Ta、P、Ti等)，具微弱的Eu負(fù)異常(幔源花崗巖具強(qiáng)烈的Eu負(fù)異常)，這些巖石地球化學(xué)特征，揭示了旺起花崗閃長巖巖漿來源于下地殼的部分熔融；此外，巖石Rb/Sr值為0.11～0.13，平均值為0.127(地殼平均值0.35，原始地幔平均值0.034)，Th/Nb值為1.40～1.87，平均值為1.64，(地殼平均值0.44，原始地幔平均值0.177)，Th/La值為0.35～0.41，平均值為0.38(地殼平均值0.205，原始地幔平均值0.125)，進(jìn)一步說明巖漿源區(qū)起源于下地殼的部分熔融。

旺起花崗閃長巖與鄰區(qū)同時代花崗質(zhì)巖石具有相似的地球化學(xué)屬性(圖5,圖6)，Na2O含量為4.17%～4.29%(>3.5%)，MgO含量為1.85%～2.01%(<3%)，Sr含量為(514～847)×10-6(>400×10-6)，Y含量為(12.8～15.8)×10-6(<18×10-6)，Yb含量為(0.63～1.60)×10-6(<1.9×10-6)，顯示出埃達(dá)克巖的地球化學(xué)特征[41--43]。在YbN—(La/Yb)N圖解和Y—Sr圖解中(圖7a，b)，旺起花崗閃長巖落入埃達(dá)克巖的范圍內(nèi)，以上巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)特征說明旺起花崗閃長巖與埃達(dá)克質(zhì)巖石具有相似性。目前研究表明，埃達(dá)克巖的成因機(jī)制主要有4種：①與俯沖有關(guān)的洋殼(板片)的部分熔融作用[41,43,44]；②同時期玄武質(zhì)巖漿的分離結(jié)晶作用[45,46]；③來源于加厚下地殼(鐵鎂質(zhì)巖)的部分熔融作用[47,48]；④拆沉下地殼的部分熔融作用[49,50]。那么，吉林中部中侏羅世旺起花崗閃長巖是由哪種機(jī)制形成的呢？首先，與俯沖有關(guān)的洋殼部分熔融的埃達(dá)克巖，其巖石地球化學(xué)特征為具有較低的K2O含量，較高的Mg#值(Mg#>47)，較高的Cr含量(>36×10-6)，Rb/Sr比值為0.04～0.05，而旺起花崗閃長巖為一套準(zhǔn)鋁質(zhì)中鉀鈣堿性花崗巖，具有較高的K2O含量(2.58%～2.69%)，較低的Mg#值(41～44)和Cr含量(22.04～28.97)×10-6，Rb/Sr比值為0.11～0.13，表明其巖漿不可能來源于與俯沖有關(guān)的洋殼部分熔融[41,43]；其次，研究區(qū)未發(fā)現(xiàn)同時代的大型基性巖巖體，僅在研究區(qū)北側(cè)缸窯鎮(zhèn)頭道溝一帶發(fā)現(xiàn)了中侏羅世早期角閃輝長巖巖體(170.3±1.7Ma，未發(fā)表資料)，其野外呈巖柱狀產(chǎn)出，面積約為1 km2，很難通過玄武質(zhì)巖漿的分離結(jié)晶作用來解釋大面積產(chǎn)出的花崗巖，所以表明旺起花崗閃長巖的巖漿也不可能來源于玄武質(zhì)巖漿的分離結(jié)晶[43,49]；此外，與拆沉下地殼部分熔融有關(guān)的埃達(dá)克巖，其巖石地球化學(xué)特征具較高的Mg#值(Mg#>45)，Nb/La比值<0.2[44]，而旺起花崗閃長巖的Mg#值為41～44，Nb/La比值介于0.18～0.26，均值0.23，表明其巖漿不是起源于拆沉下地殼部分熔融；旺起花崗閃長巖與加厚下地殼部分熔融形成埃達(dá)克巖的地球化學(xué)特征相似(MgO<2.5%，Mg#<50，Cr含量<36×10-6，Rb/Sr比值0.01～0.4)[51]，同時在SiO2—Mg#圖解和SiO2—MgO圖解中(圖8a，b)，樣品落入地殼部分熔融埃達(dá)克巖的范圍內(nèi)，進(jìn)一步說明旺起花崗閃長巖起源于加厚下地殼的部分熔融，類似于C型埃達(dá)克巖。

圖7 旺起花崗閃長巖的YbN - (La/Yb) N (a)和Y-Sr/Y(b)圖解Fig.7 YbN-(La/Yb) N (a) and Y-Sr/Y(b) discrimination diagrams of Wangqi granodiorite

圖8 旺起花崗閃長巖的SiO2-Mg# (a) )和SiO2-MgO (b) 巖石成因判別圖解Fig.8 SiO2-Mg# (a) and SiO2-MgO (b) discrimination diagrams for petrogenesis of Wangqi granodiorite

4.3 構(gòu)造背景

吉林中部位于興蒙造山帶東段[52]，經(jīng)歷了復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造演化，那么中侏羅世旺起花崗閃長巖的形成是與古亞洲洋構(gòu)造體系相關(guān)、還是與環(huán)太平洋構(gòu)造體系相關(guān)，還是與蒙古—鄂霍茨克構(gòu)造體系相關(guān)呢？

大興安嶺北段產(chǎn)出168 Ma形成于陸殼加厚背景下的埃達(dá)克質(zhì)白云母花崗巖，表明額爾古納地塊西北部的蒙古—鄂霍茨克洋閉合于中侏羅世[28]。此外，大興安嶺北部的新開嶺群石榴子石二云母片麻巖和風(fēng)水溝河群斜長角閃巖的變質(zhì)時代為170～160 Ma[53]，以及冀北—遼西地區(qū)存在同時代區(qū)域不整合(170 Ma)[54]，進(jìn)一步說明蒙古—鄂霍茨克洋東段閉合時間為中侏羅世。然而，旺起花崗閃長巖的形成時代早于與蒙古—鄂霍茨克洋閉合相關(guān)的巖漿作用、變質(zhì)作用和構(gòu)造推覆作用，因此，筆者認(rèn)為旺起花崗閃長巖的形成與蒙古—鄂霍茨克洋的閉合無關(guān)。

近年來的研究結(jié)果顯示，吉林中部地區(qū)分布有大量的早侏羅世—中侏羅世早期(200～172 Ma)的花崗質(zhì)侵入巖和少量的基性侵入巖[6,11,34--36]。其中花崗質(zhì)侵入巖具有鈣堿性I型花崗巖或埃達(dá)克質(zhì)巖石的巖石地球化學(xué)特征，形成于活動大陸邊緣環(huán)境；基性侵入巖巖漿形成機(jī)制，則與俯沖洋殼的部分熔融作用有關(guān)[11,35,55,56]；近年來在吉黑地區(qū)鑒別出大量與板塊俯沖有關(guān)的增生雜巖帶[19]；此外，小興安嶺—張廣才嶺產(chǎn)出同時代雙峰式火成巖[35]；巖體總體呈NE--SW向分布，與東北亞大陸邊緣近平行。這些特征說明古太平洋板塊在早侏羅世—中侏羅世早期(200～172 Ma)存在向歐亞大陸下的俯沖作用，旺起花崗閃長巖形成于古太平洋板塊俯沖形成的活動大陸邊緣環(huán)境。

東北地區(qū)是由多地塊碰撞--拼合而成，盡管在早--中三疊世古亞洲洋已經(jīng)沿西拉木倫—長春—延吉一線完成了最終閉合[6,11]，但近年來的研究資料表明，在古亞洲洋閉合后，松嫩—張廣才嶺地塊與佳木斯地塊，仍然存在裂解(形成牡丹江洋)與碰撞--拼合，直至早--中侏羅世完成最終閉合，形成聯(lián)合地塊的構(gòu)造事件[11,57]。而吉林中部天橋崗早侏羅世A型花崗巖[58]和鴉鵲村斜方輝橄巖(167.9±1.3 Ma，未發(fā)表數(shù)據(jù))均應(yīng)是這一構(gòu)造事件的產(chǎn)物，代表了碰撞后的伸展環(huán)境。同時在大黑山(175.3 Ma)、石門(175.3 Ma)、旺起(172.5 Ma)、延邊(175 Ma ～171 Ma)等地產(chǎn)出埃達(dá)克巖質(zhì)巖石[29,56,59,60]，說明在吉林中部中侏羅世早期巖漿作用的形成也可能與松嫩—張廣才嶺地塊與佳木斯地塊碰撞--拼合(牡丹江洋閉合)相關(guān)。

綜上所述，吉林中部旺起花崗閃長巖形成于古太平洋板塊向歐亞大陸下俯沖形成的活動大陸邊緣環(huán)境，并可能受到松嫩—張廣才嶺地塊與佳木斯地塊碰撞--拼合的疊加影響。

5 結(jié)論

(1) 鋯石U--Pb年代學(xué)研究表明吉林中部旺起巖體(中細(xì)粒花崗閃長巖)形成于172.5±1.4 Ma，即中侏羅世。

(2) 旺起花崗閃長巖具有高SiO2、Sr含量，低Y、Yb含量，顯示出埃達(dá)克巖的地球化學(xué)特征，巖漿起源于加厚下地殼的部分熔融。

(3) 旺起巖體花崗閃長巖的形成與環(huán)太平洋構(gòu)造體系密切相關(guān)，并可能受到松嫩—張廣才嶺地塊與佳木斯地塊碰撞--拼合的疊加影響。