大興安嶺北段松嶺地區(qū)早白堊世花崗巖年代學(xué)及地球化學(xué)特征

鄒孝文, 張彥龍,2, 嚴(yán)維兵, 董玉, 陳會軍

1.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長春 130061；2.國土資源部東北亞礦產(chǎn)資源評價重點實驗室，長春 130061；3. 江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院，南京 210049；4.中國地質(zhì)調(diào)查局 沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，沈陽 110034

0 引言

中國東北地區(qū)廣泛出露的顯生宙花崗巖是當(dāng)前地質(zhì)學(xué)研究的熱點，而大興安嶺地區(qū)花崗巖尤為引人注目[1]。大多學(xué)者認(rèn)為大興安嶺“花崗巖?！钡男纬墒芄艁喼扪蟾_消減和閉合拼貼作用控制，多形成于海西期[2--3]。近20多年，隨著同位素測試技術(shù)的發(fā)展，大量中生代花崗質(zhì)巖石陸續(xù)被識別出來，但對于這些花崗巖形成的構(gòu)造背景仍存在爭議，由于其所處的特殊構(gòu)造位置，不少學(xué)者認(rèn)為其形成與蒙古—鄂霍茨克洋的閉合作用有關(guān)，也有學(xué)者認(rèn)為其形成受古太平洋板塊俯沖作用影響[1,4--7]。本文所研究的松嶺地區(qū)花崗巖，其中松樹林巖體因巖貌特征原被定為海西期巖漿活動產(chǎn)物，而二根河巖體被認(rèn)為是燕山早期侵入巖體[8--9]。由于缺乏精確的年代學(xué)資料，嚴(yán)重影響對研究區(qū)花崗巖形成時代及成因等方面的正確認(rèn)識。因此，筆者對上述兩巖體中代表性樣品進(jìn)行巖石學(xué)、地球化學(xué)和鋯石U

--Pb同位素分析，探討花崗巖的形成時代、成因類型及其相關(guān)的地球動力學(xué)背景。

1 地質(zhì)背景

位于中國東北地區(qū)的興蒙造山帶是一個在古生代—中生代期間由額爾古納地塊、興安地塊、松嫩—張廣才嶺地塊、佳木斯—興凱地塊和那丹哈達(dá)地體等拼貼而成的增生型造山帶?；◢弾r出露廣泛的大興安嶺以南北向貫穿額爾古納地塊、興安地塊和松嫩地塊。松嶺地區(qū)位于大興安嶺北部，緊鄰加格達(dá)奇，大地構(gòu)造的位置屬于興安地塊(圖1)。研究區(qū)變質(zhì)結(jié)晶基底有興華渡口群、落馬湖群、新開嶺群、風(fēng)水溝河群和扎蘭屯群，主要巖石類型包括片麻巖類、片巖類、變粒巖類、斜長角閃巖和大理巖等[10--11]。出露的古生代地層以泥鰍河組(D1n)為代表，主要巖石類型為砂巖、粉砂巖、黏土巖和黏土巖夾細(xì)砂巖等；中生代地層包括龍江組(J3l)、九峰山組(J3j)和甘河組(J3g)，主要由火山--沉積巖組成。區(qū)內(nèi)燕山期花崗巖巖漿活動強(qiáng)烈，受斷裂控制。按1∶200 000加格達(dá)奇幅和松嶺幅地質(zhì)圖將其劃分為松樹林巖體和二根河巖體。

松樹林巖體分布于翠峰地區(qū)，以巖基狀產(chǎn)出，出露面積達(dá)1 672 km2。該巖體多被第四紀(jì)沉積物覆蓋，根據(jù)巖性巖貌特征，原被認(rèn)為是海西晚期巖漿活動的產(chǎn)物[8--9]。該巖體主要巖石類型為二長花崗巖，并出現(xiàn)少量花崗閃長巖和正長花崗巖。二長花崗巖風(fēng)化面呈土黃色，新鮮面呈淺灰色--灰白色，常呈細(xì)粒半自形粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，暗色礦物含量較低；主要礦物組成：斜長石(40%～45%)+石英(20%～25%)+堿性長石(25%±)+黑云母(5%±)，斜長石聚片雙晶、環(huán)帶結(jié)構(gòu)較為普遍，中心位置易發(fā)生絹云母化，堿性長石多為條紋長石和微斜長石；副礦物有磷灰石、鋯石及榍石等(圖2a)。

圖1 東北地區(qū)大地構(gòu)造圖及松嶺地區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Geotectonic map of Northeast China and sketched geological map of Songling area

Qtz.石英；Kfs.鉀長石；Pl.斜長石；Bi.黑云母。圖2 松嶺地區(qū)早白堊世花崗巖類顯微照片F(xiàn)ig.2 Microphotographs of Early Cretaceous granites in Songling area

二根河巖體出露于二根河上游，由于后期構(gòu)造破壞影響，各相帶出露不規(guī)則，該巖體整體呈近南北向巖基狀產(chǎn)出，南北長約25 km，東西寬約14 km。巖體從內(nèi)部相過渡到邊緣相粒度逐漸變細(xì)，因巖石中暗色礦物較少而被前人定為燕山早期的“白崗巖”[8--9]。該巖體巖石類型主要為二長花崗巖和正長花崗巖，巖石風(fēng)化面呈灰白色--淡肉紅色，細(xì)粒、中粒花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造；礦物組成：石英(30%±)+ 堿性長石(35%～50%)+ 斜長石 (25%) + 黑云母(2%～3%)，堿性長石以條紋長石和微斜長石為主，斜長石發(fā)育聚片雙晶；副礦物有鋯石、榍石及磷灰石等(圖2b)。

2 分析方法

本次鋯石U--Pb同位素分析及全巖主、微量元素測定在西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系大陸動力國家重點實驗室完成。用于測年的樣品先進(jìn)行粉碎挑選鋯石，之后在雙目鏡下挑選出晶形較完整、透明度較好，無裂痕無包裹體的鋯石顆粒，將其粘貼在雙面膠上固定，并用環(huán)氧樹脂制靶。測試過程以He作為剝蝕物質(zhì)的載氣，8 Hz的激光頻率、80 mJ的激光強(qiáng)度和40 μm束斑直徑的激光進(jìn)行單點剝蝕，采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)NIST SRM610進(jìn)行儀器最佳化，利用哈佛大學(xué)國際標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500作為外部校正。其詳細(xì)步驟與袁洪林等[12]所述相同。

全巖主、微量元素測定時，選擇最新鮮的樣品在無污染設(shè)備中磨至200目。主量元素分析在X熒光光譜儀(XRF, RIGAKU 2100)上完成，對于含量>10%的元素，其分析誤差<1%，而含量<1%的樣品，其誤差大約為10%。微量元素則由ICPMS(Agilent 7500a)分析，測試精度分析精度和準(zhǔn)確度分別優(yōu)于5%和10%，樣品制備流程可見劉曄等[13]。

3 分析結(jié)果

3.1 鋯石U--Pb年代學(xué)

本文選擇兩個代表性樣品進(jìn)行鋯石LA--ICP--MS鋯石U--Pb同位素分析，測試結(jié)果見表1。由于所測定的巖石形成于中生代，其結(jié)果以206Pb/238U年齡計算，年齡誤差為2 σ。鋯石U--Pb測試結(jié)果如表1和圖3所示。

樣品GW04459采自松樹林巖體(采樣位置坐標(biāo)：50°47′58.1″N，124°07′32.7″E)，巖性為中細(xì)粒黑云母二長花崗巖。21個鋯石測試分析結(jié)果顯示：Th/U值介于0.53～2.08，屬巖漿成因鋯石。測試數(shù)據(jù)中有5個測試點的206Pb/238U表面年齡為170～355 Ma，代表其為捕獲鋯石。其余16個測試數(shù)據(jù)都集中分布在諧和線上及附近，206Pb/238U表面年齡集中在120～125 Ma(圖3a)，加權(quán)平均年齡為122±1 Ma(MSWD=4.3)，代表該二長花崗巖的形成時代為早白堊世。

圖3 松嶺地區(qū)早白堊世花崗巖類的鋯石U--Pb諧和圖Fig.3 Zircon U--Pb concordia diagrams of Early Cretaceous granites in Songling area

樣品編號含量/10-6PbThUTh/U同位素比值±1σ年齡/Ma±1σ207Pb/235U206Pb/238U207Pb/235U206Pb/238UGW04459--0110.902974290.690.147070.002700.019570.0001313921251GW04459--027.391153260.350.125980.003290.019340.0001512031241GW04459--0316.204627270.640.145660.003490.019260.0001513831231GW04459--0425.5014208701.640.129450.002410.018710.0001212421201GW04459--0529.5019608882.210.132520.002440.019190.0001312621231GW04459--0630.2024114200.170.129030.001760.018790.0001112321201GW04459--072.4610386.71.180.134990.006990.019200.0002312961231GW04459--0812.105124271.200.130800.002600.019330.0001312521231GW04459--094.471301760.740.130370.005910.019000.0002112451211GW04459--1022.4041710000.420.130990.002100.019430.0001212521241GW04459--1112.502385340.440.135700.003020.019060.0001412931221GW04459--129.454063241.250.130590.003950.019540.0001612541251GW04459--1310.202783200.870.200060.006190.026860.0002418551712GW04459--147.771113280.340.128550.003150.019050.0001412331221GW04459--1538.3011105442.040.403970.005000.054680.0003234543432GW04459--168.58781370.570.344160.007330.047460.0003430062992GW04459--1732.7036914600.250.130880.001910.018810.0001112521201GW04459--1851.2091.27390.120.436490.005130.056570.0003036843552GW04459--1911.701903300.580.183370.003290.026730.0001717131701GW04459--205.893071851.660.129690.005460.019050.0002012451221GW04459--2121.904999260.540.154050.004640.019320.0001714541231GW04448--012.6812883.71.530.129270.007410.019340.0002412371232GW04448--029.983683351.100.142540.002900.020020.0001413531281GW04448--0311.103863920.990.134370.002960.020000.0001412831281GW04448--0411.404144001.030.129520.006270.018890.0001712461211GW04448--059.922943630.810.142520.004240.019530.0001413541251GW04448--0617.107765851.330.143840.003210.019200.0001413631231GW04448--0723.8010307751.330.136270.001640.020040.0001113011281GW04448--0866.90423020402.080.130600.001390.019400.0001112511241GW04448--0913.104503751.200.128980.005750.019170.0001312351221GW04448--106.321892350.810.136280.003510.019650.0001513031251GW04448--1117.9057904991.160.153790.006280.019710.0001314561261GW04448--1220.9012506182.030.142140.002960.019570.0001413531251GW04448--1315.107064621.530.135340.004610.020000.0001312941281GW04448--1414.405875041.160.130740.002580.019460.0001312521241GW04448--1511.504843891.250.131730.002750.019710.0001312621261GW04448--1614.206864841.420.133600.004720.019140.0001812741221GW04448--176.261762410.730.135180.004140.019460.0001712941241GW04448--189.293663171.150.134460.005070.020040.0002012851281GW04448--1910.602214140.530.141940.002590.019590.0001313521251GW04448--2013.905134881.050.136070.002250.019930.0001213021271

樣品GW04448采自二根河巖體(采樣位置坐標(biāo)：50°35′25.6″N，124°16′36.1″E)，巖性為細(xì)粒正長花崗巖。20個鋯石測試分析結(jié)果顯示：Th/U比值介于0.12～2.21，屬巖漿成因鋯石。測試數(shù)據(jù)中20個測試數(shù)據(jù)都集中分布在諧和線上，206Pb/238U表面年齡集中在121～128 Ma(圖3b)，加權(quán)平均年齡為125±1 Ma(MSWD=5.9)，反映該正長花崗巖形成時代為早白堊世。

3.2 巖石地球化學(xué)特征

由于松嶺地區(qū)花崗巖巖性單一，每個巖體都只選擇了1件樣品進(jìn)行地球化學(xué)分析。筆者總結(jié)了研究區(qū)同時代花崗巖地球化學(xué)數(shù)據(jù)[14--17]，并與兩巖體進(jìn)行對比分析。

3.2.1 主量元素

松嶺地區(qū)早白堊世花崗巖的SiO2含量較高，介于74.33%～76.63%之間，Al2O3含量為12.06%～13.76%，CaO含量變化較大，松樹林二長花崗巖CaO含量為1.32%，二根河正長花崗巖含量僅為0.28%?；◢弾r全堿K2O+Na2O含量為7.84%～8.93%，Na2O/K2O為0.98～1.18，里特曼指數(shù)(σ)為1.96～2.37，屬鈣堿性系列巖石(表2)。在SiO2-K2O圖解上(圖4a)，樣品都落在高鉀鈣堿性系列區(qū)，與區(qū)內(nèi)其他類型花崗巖特征相似。樣品的鋁飽和指數(shù)A/CNK值為0.95～1.04， 在A/CNK-A/NK圖解上樣品與區(qū)內(nèi)其他類型花崗巖一并表現(xiàn)出準(zhǔn)鋁質(zhì)--弱過鋁質(zhì)的特征(圖4b)。

表2 松嶺地區(qū)早白堊世花崗巖類主量元素(10-2)和微量元素(10-6)分析結(jié)果

圖4 松嶺地區(qū)早白堊世花崗巖類K2O- SiO2圖解[14](a)和A/NK-A/CNK圖解(b)[15](引用數(shù)據(jù)[16--19])Fig.4 K2O versus SiO2 (a) and A/NK versus A/CNK (b) diagrams for Early Cretaceous granites in Songling area

3.2.2 微量元素

松嶺地區(qū)花崗巖稀土元素測試分析結(jié)果顯示，兩巖體地球化學(xué)特征基本一致，樣品的(La/Yb)N比值10.4～11.9，都表現(xiàn)為輕稀土富集、重稀土虧損的“右傾”配分型式(圖5a)。松樹林巖體稀土元素總量略低為89.5×10-6，銪負(fù)異常不明顯(Eu/Eu*=0.65)；而二根河巖體稀土元素總量相對偏高(∑REE=254.1×10-6)，銪負(fù)異常明顯(Eu/Eu*=0.16)，這與巖相學(xué)中斜長石和CaO含量低的特征相一致，說明巖漿經(jīng)歷了較高程度的演化。在微量元素蛛網(wǎng)圖(圖5b)中，兩巖體均富集Rb、K、Pb等，虧損Sr、P、Ti及高場強(qiáng)元素Nb、Ta等。松樹林巖體具有明顯高Sr和低Y、Yb的特征；而二根河巖體相對富集Th、U，明顯低Ba、Sr高Y、Yb。

圖5 松嶺地區(qū)早白堊世花崗巖類稀土元素配分模式[20](a)和微量元素蛛網(wǎng)圖(b) [21]Fig.5 Chondrite-normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spidergrams (b) of Early Cretaceous granites in Songling area

4 討論

4.1 花崗巖的形成時代

花崗質(zhì)巖石在大興安嶺地區(qū)分布廣泛，準(zhǔn)確厘定其形成時代對花崗巖成因及地球動力學(xué)研究具有重要意義。早期由于測年技術(shù)落后，前人多利用巖石、巖相特征及巖體侵入關(guān)系確定花崗巖的形成時代。本次研究的松嶺地區(qū)的松樹林巖體原本認(rèn)為是海西晚期巖漿活動產(chǎn)物，因其被上二疊統(tǒng)星火組(P2x)和中--上侏羅統(tǒng)壯志組(J2-3z)地層覆蓋。但新的鋯石U--Pb測年結(jié)果證明研究區(qū)原定星火組和壯志組中火山巖均形成于早白堊世(120～123 Ma)[22]，因而二根河巖體形成時代存在極大的不確定性，需要高精度同位素測年數(shù)據(jù)的支持。本次研究所選樣品為松樹林巖體和二根河巖體的主體巖石類型，通過鋯石原位LA--ICP--MS U--Pb測試，結(jié)果顯示其結(jié)晶年齡分別為122±1 Ma和125±1 Ma，代表松嶺地區(qū)花崗巖為早白堊世巖漿活動的產(chǎn)物。結(jié)合鄰區(qū)報道的大黑山堿長花崗巖(124±1 Ma)[16]、四十里甸子花崗斑巖(128±1 Ma)[16]、新林花崗雜巖體(124 Ma)[17]、林?；◢忛W長巖(132±3 Ma)[23]和前進(jìn)林場花崗巖(131±3 Ma)[23]等，以及本區(qū)龍江組火山巖，表明早白堊世巖漿活動在興安地塊北部廣泛發(fā)育。

4.2 巖石成因

由于成因類型的不同，花崗巖可以分為I型、S型、M型和A型[24--25]。松嶺地區(qū)早白堊世花崗巖主要由石英、堿性長石、斜長石、黑云母，以及鋯石、榍石和磷灰石等副礦物組成，以巖基狀產(chǎn)出。從礦物組合及結(jié)構(gòu)特征來看，不具有典型M型花崗巖特征。巖體均未出現(xiàn)典型過鋁質(zhì)礦物(如堇青石、白云母和石榴子石等)及堿性暗色礦物(如霓石、鈉閃石和鈉鐵閃石等)，因此不具有S和A型花崗巖的成因特征。松嶺地區(qū)早白堊世花崗巖出現(xiàn)榍石，地球化學(xué)上屬高鉀鈣堿性系列，A/CNK值<1.05，富集Rb、K、Pb等，虧損Ta、Sr、Ba、P、Ti等，上述特征說明松嶺地區(qū)早白堊世花崗巖成因類型為I型花崗巖。

松樹林巖體與二根河巖體雖然形成時代接近，但其不同的地球化學(xué)特征(圖4、圖5)，暗示其可能具有不同的巖漿起源。林強(qiáng)[26]將中生代花崗巖與流紋巖地球化學(xué)特征進(jìn)行對比，劃分出高Sr和低Sr兩類花崗巖。在Zr-Ba-Sr圖解(圖6)中，本文所研究的松樹林巖體樣品(Sr：344×10-6)與大黑山堿長花崗巖[16]、四十里甸子花崗斑巖[16]和新林花崗雜巖體[17--18]落入高Sr花崗巖區(qū)，而二根河巖體樣品(Sr：4.1×10-6)以及甘河堿長花崗巖[18]落入低Sr花崗巖區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)，大部分高Sr花崗巖中有巖漿混合成因的暗色微粒包體。因此認(rèn)為在殼幔相互作用過程中，起源于地幔的基性巖漿底侵下地殼，導(dǎo)致新生下地殼物質(zhì)發(fā)生部分熔融形成的中酸性巖漿，并與基性巖漿發(fā)生混合作用形成了高Sr花崗巖[16--18]。低Sr花崗巖與低Sr流紋巖具有相同的地球化學(xué)特征，其巖漿可能來源于大興安嶺堿性系列玄武巖的低程度部分熔融作用[26]。

圖6 大興安嶺中生代花崗巖Zr-Ba-Sr圖解[16--19]Fig.6 Zr-Ba-Sr plot for Mesozoic granitoids from Great Xing’an Range

4.3 構(gòu)造意義

東北地區(qū)中生代花崗巖形成的構(gòu)造背景是地學(xué)研究的熱點問題之一[1]。興安地塊北部早白堊世花崗巖為一套高鉀鈣堿性系列的花崗閃長巖--二長花崗巖--正長花崗巖--堿長花崗巖的巖石組合，地球化學(xué)上富集大離子親石元素及Th、U，虧損高場強(qiáng)元素Nb、Ta等，整體表現(xiàn)出活動大陸邊緣環(huán)境的巖石組合和地球化學(xué)特征。此外，(La/Yb)N-(Yb)N圖與構(gòu)造環(huán)境判別圖解(圖7)中所有樣品均落入典型的火山島弧區(qū)，暗示了該研究區(qū)在早白堊世花崗巖的形成與俯沖作用關(guān)系密切。

中生代以來大興安嶺地區(qū)構(gòu)造巖漿事件受多重構(gòu)造域控制。部分學(xué)者認(rèn)為大興安嶺北部蒙古—鄂霍茨克洋在中侏羅世自西向東呈剪刀式閉合[27--28]，而后在早白堊世因重力垮塌而形成大規(guī)模與伸展背景有關(guān)的巖漿事件[29--30]；也有部分學(xué)者認(rèn)為古太平洋板塊從侏羅紀(jì)時開始向亞洲大陸東部俯沖，并在其邊緣發(fā)育大量侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)拼貼雜巖[6, 31]，俯沖導(dǎo)致巖石圈加厚，因拆沉而引起的巖石圈減薄是形成早白堊世大規(guī)模巖漿作用的最主要原因。大興安嶺地區(qū)早白堊世花崗巖呈北北東向展布，筆者對這些花崗巖的形成時代進(jìn)行統(tǒng)計(圖8)，結(jié)果顯示自北向南，額爾古納地塊、興安地塊和松嫩地塊上花崗質(zhì)巖漿事件未出現(xiàn)出明顯差異，其活動時間集中于124～141 Ma，峰值為129～134 Ma。顯然，大興安嶺早白堊世花崗巖的時空分布特征與蒙古—鄂霍茨克洋閉合的縫合帶展布方向明顯不同，這說明蒙古—鄂霍茨克構(gòu)造域的構(gòu)造演化背景很難解釋大興安嶺早白堊世花崗巖的形成。

圖7 松嶺地區(qū)早白堊世花崗巖類構(gòu)造環(huán)境判別圖解(引用數(shù)據(jù)[16--19])Fig.7 Discrimination diagrams for tectonic setting of Early Cretaceous granites in Songling area

圖8 大興安嶺早白堊世花崗巖類巖漿作用年齡頻譜圖Fig.8 Probability plots of magmatic age for Early Cretaceous granite from Great Xing’an Range

Ji et al.[32]將整個東北地區(qū)已發(fā)表的早白堊世火山巖年代學(xué)資料進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，早白堊世火山巖從西北向東南依次劃分出大興安嶺、松遼盆地和黑吉東部3條平行分布的北北東向火山巖帶，其巖漿活動峰期逐漸變年輕，依次為128 Ma、113 Ma和100 Ma。上述特征顯然受古太平洋板塊俯沖作用控制。晚侏羅世末期，低角度俯沖的大洋板片達(dá)到大興安嶺地區(qū)，由于洋殼俯沖方向的改變，導(dǎo)致區(qū)域構(gòu)造環(huán)境開始由擠壓向伸展轉(zhuǎn)換[33]。早白堊世期間，加厚的下地殼由于重力失衡致使在大興安嶺地區(qū)最先開始巖石圈發(fā)生拆沉，拆沉作用引起俯沖板片后撤，而使巖漿活動逐漸向大陸邊緣遷移[32,34--35]。綜上所述，研究區(qū)受古太平洋板塊俯沖引起的拆沉作用影響，拆沉作用導(dǎo)致地幔物質(zhì)上涌加熱新元古代—顯生宙新增生的地殼物質(zhì)，形成的花崗質(zhì)巖漿上升就位造就了大興安嶺地區(qū)廣泛分布的早白堊世花崗巖和酸性火山巖。

6 結(jié)論

(1)松嶺地區(qū)的花崗巖主要巖石類型為二長花崗巖和正長花崗巖，鋯石U--Pb年齡表明花崗巖形成于125±1 Ma和122±1 Ma，屬早白堊世巖漿活動產(chǎn)物。

(2)松嶺地區(qū)的早白堊世花崗巖為高鉀鈣堿性系列的I型花崗巖，松樹林二長花崗巖具有高鍶花崗巖特征，二根河正長花崗巖與低鍶花崗巖類似，暗示其巖漿可能經(jīng)歷了不同起源和演化過程。

(3)松嶺地區(qū)早白堊世花崗巖形成與古太平洋板塊西向俯沖引起的拆沉作用有關(guān)。