小興安嶺翠巒地區(qū)早侏羅世A型花崗巖成因與動力學(xué)背景

楊元江，鄧昌州，李成祿，楊文鵬，符安宗，鄭 博，袁茂文，張立東

(1.黑龍江省自然資源調(diào)查院，黑龍江 哈爾濱 150036；2.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所，貴州 貴陽 550081；3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

花崗巖的研究可以解決區(qū)域地質(zhì)演化、大地構(gòu)造環(huán)境以及成巖與成礦等問題[1-2]。東北地區(qū)顯生宙花崗巖廣泛發(fā)育，被稱為巨型花崗巖省[3]，其主要的巖石成因類型是A型和I型[4]。小興安嶺地處興蒙造山帶東段，該地區(qū)花崗巖的時代主要劃分出加里東期[5]、印支期[6]和燕山期[7]。

前人對小興安嶺地區(qū)中生代花崗巖做了大量年代學(xué)與地球化學(xué)方面的研究[8-10]，取得了一些成果，研究內(nèi)容有以下4個方面：(1)松嫩地塊與佳木斯地塊之間拼合(裂解)演化歷史。李偉明研究了區(qū)域425～145 Ma的演化歷史，認(rèn)為185～145 Ma佳木斯地塊與松嫩地塊碰撞拼合[11]；董玉研究了(250～160)Ma的演化歷史，認(rèn)為(180～160)Ma佳木斯與松嫩地塊拼合[10]。(2)小興安嶺地區(qū)中生代A型花崗巖的形成所屬大地構(gòu)造背景。有學(xué)者認(rèn)為主要與古亞洲洋閉合后伸展有關(guān)[12-13]，但更多學(xué)者認(rèn)為與太平洋板塊向西俯沖過程中的伸展更密切[14-23]。(3)古亞洲洋與太平洋構(gòu)造域轉(zhuǎn)換的時間是三疊紀(jì)或者中侏羅世[24-26]。(4)蒙古—鄂霍次克洋構(gòu)造域的南向俯沖是否影響至該地區(qū)的問題[27-28]。由此可見，前人對小興安嶺地區(qū)中生代花崗巖形成的構(gòu)造環(huán)境及地球動力學(xué)機(jī)制的認(rèn)識還存在分歧，一定程度上制約了區(qū)域構(gòu)造演化歷史的反演，也影響了區(qū)域找礦工作的部署。本文以鮮有報道的伊春翠巒地區(qū)堿長花崗巖為研究對象，通過研究其鋯石年代學(xué)及全巖地球化學(xué)特征，結(jié)合鋯石Hf同位素組成特征，探討巖石形成時代、巖石成因與源區(qū)屬性以及成巖動力學(xué)背景等。研究成果為加深對小興安嶺中生代構(gòu)造演化及成巖成礦作用的理解提供新的數(shù)據(jù)支持。

1 地質(zhì)背景

中亞造山帶是西伯利亞板塊與華北、塔里木板塊之間的古亞洲洋消減而形成的巨型造山帶(圖1(a))[29]，在中國境內(nèi)的部分被學(xué)者定義為興蒙造山帶。自西向東主要由額爾古納地塊、興安地塊、松嫩地塊和佳木斯地塊等組成，分割其間的斷裂有新林—喜桂圖斷裂、黑河—賀根山斷裂和牡丹江—嘉蔭斷裂(圖1(b))[11]。

圖1 中亞造山帶構(gòu)造簡圖(a)和中國東北地區(qū)大地構(gòu)造單元劃分圖(b)(據(jù)文獻(xiàn)[11]修改)Fig.1 Tectonic map of the Central Asian Orogenic Belt (a)and NE China (b)(modified after reference [11])EB.額爾古納地塊；HHS.黑河—賀根山斷裂；JB.佳木斯地塊；MYS.嘉蔭—牡丹江斷裂；SB.松嫩地塊；XB.興安地塊；XXS.新林—喜桂圖斷裂

小興安嶺地區(qū)已知的最古老地層為中—新元古界東風(fēng)山巖群，巖漿活動主要有早古生代、晚古生代以及中生代，嘉蔭—牡丹江斷裂為松嫩地塊與佳木斯地塊的南北向分界(圖1(b)和2(a))，該斷裂活動時間為晚古生代—早中生代[30]。研究區(qū)內(nèi)地層由古生代鉛山組灰?guī)r、大理巖，土門嶺組板巖、砂礫巖，五道嶺組流紋巖、火山碎屑巖，中生代寧遠(yuǎn)村組流紋巖、火山碎屑巖及嫩江組細(xì)碎屑砂巖、泥巖等組成。侵入巖有中奧陶世花崗閃長巖、二長花崗巖，早侏羅世堿長花崗巖等(圖2(b))。

圖2 伊春地區(qū)花崗巖分布簡圖(a)(據(jù)文獻(xiàn)[31]修編)和研究區(qū)地質(zhì)圖(b)Fig.2 Distribution map of granite in Yichun area (a)(modified after reference [31])and geological map of the study area (b)Qh.第四系；K2n.上白堊統(tǒng)嫩江組；K1n.下白堊統(tǒng)寧遠(yuǎn)村組；P3w.上二疊統(tǒng)五道嶺組；P2t.中二疊統(tǒng)土門嶺組；1q.下寒武統(tǒng)鉛山組；χργJ1.早侏羅世堿長花崗巖；γδO2.中奧陶世花崗閃長巖；ηγO2.中奧陶世二長花崗巖；γπ.花崗斑巖脈；δμ .閃長玢巖脈

2 樣品信息及測試分析

鋯石U-Pb測年的樣品編號為CL3，采集坐標(biāo)為128°34′14″E和47°42′33″N，平面位置見圖2(b)；6件地球化學(xué)測試樣品采自翠巒堿長花崗巖體鉆探巖心的不同位置。樣品巖性為細(xì)中粒堿長花崗巖，花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造(圖3(a))，由堿性長石(約55%)、斜長石(約17%)、石英(約25%)和黑云母(約3%)組成。其中堿性長石為半自形板狀，主要為條紋長石和微斜長石，粒徑0.8～ 4.2 mm。斜長石呈自形、半自形板狀，聚片雙晶發(fā)育，粒徑1.2～3.5 mm；石英為它形粒狀，粒徑0.5～3.1 mm；黑云母為黑褐色片狀，粒徑0.4～2.5 mm(圖3(b)-(d))。

圖3 翠巒堿長花崗巖(CL3號樣品)巖石照片(a)和鏡下圖像(b)(c)(d)Fig.3 Rock specimen photos and microscopic photos of the Cuiluan alkali feldspar granite (Sample No.CL3)Bi.黑云母；Kfs.鉀長石；Mc.微斜長石；Pl.斜長石；Pth.條紋長石；Qtz.石英

分析測試工作均在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司完成。鋯石制靶、U-Pb同位素測年及微區(qū)原位Lu-Hf同位素分析測試方法見參考文獻(xiàn)[32-33]，主量元素分析測試過程見參考文獻(xiàn) [34]；稀土微量元素測試?yán)肁gilent 7700e ICP-MS分析完成，測試流程見參考文獻(xiàn)[35-37]。

3 分析結(jié)果

3.1 鋯石U-Pb年齡

鋯石U-Pb同位素測試數(shù)據(jù)見表1。陰極發(fā)光圖像顯示鋯石為自形，粒徑50～150 μm，發(fā)育振蕩環(huán)帶(圖4)，Th/U值為0.44～0.81，指示鋯石為巖漿成因。20個鋯石測試點(diǎn)的206Pb/238U年齡變化范圍為(182.6 ± 2.0)～(194.4 ± 3.3)Ma(圖5(a))，諧和年齡為(189.1 ± 1.4)Ma(MSWD=4.7)，206Pb/238U加權(quán)平均年齡為(189.1 ± 1.6)Ma(MSWD=2.1)(圖5(b))，二者在誤差范圍內(nèi)基本一致，反映該年齡為堿長花崗巖的結(jié)晶年齡，與前人報道的同屬松嫩地塊東緣中生代花崗巖的侵位時代相近[12-14，38]。

表1 翠巒堿長花崗巖鋯石U-Pb測年分析結(jié)果

圖4 翠巒堿長花崗巖鋯石陰極發(fā)光(CL)圖像Fig.4 Cathodoluminescence (CL)images of zircon from the Cuiluan alkali feldspar granite

圖5 翠巒堿長花崗巖鋯石U-Pb諧和圖(a)和206Pb/238U年齡分布圖(b)Fig.5 U-Pb concordant diagram (a)and 206Pb/238U age distribution diagram (b)of zircons from the Cuiluan alkali feldspar granite

3.2 全巖主微量元素

樣品富Si(SiO2=72.39%～74.04%)、富Na(Na2O=3.44%～3.88%)和富K(K2O=4.85%～5.87%、K2O/Na2O=1.28～1.71)，貧Ca(Ca2O=0.94%～1.10%)、貧Fe(Fe2O3=1.63%～2.00%)、貧Mg(MgO=0.29%～0.39%，Mg#=14.39～18.18)、貧P(P2O5=0.05%～0.06%)和貧Ti(TiO2=0.24%～0.28%)(表2)，在花崗巖TAS圖解中全部投點(diǎn)于亞堿性花崗巖區(qū)域(Ir線之下)(圖6(a))，在K2O-SiO2圖解(圖6(b))中均落入高鉀鈣堿性和鉀玄巖系列區(qū)域。樣品全堿含量較高(Na2O+K2O=6.58%～8.89%)，鋁含量較高(Al2O3=13.13%～13.91%，堿度指數(shù)A/NK=1.13～1.16，鋁飽和指數(shù)A/CNK=0.99～1.01)，在A/CNK-A/NK關(guān)系圖中樣品點(diǎn)位于偏鋁質(zhì)區(qū)域(圖6(c))。

表2 翠巒堿長花崗巖主量元素(%)和微量元素(10-6)分析結(jié)果及特征參數(shù)

圖6 翠巒堿長花崗巖TAS圖解(a)(底圖據(jù)參考文獻(xiàn)[39])、K2O-SiO2圖解(b)(底圖據(jù)參考文獻(xiàn)[40])和A/NK-A/CNK圖解(c)(底圖據(jù)參考文獻(xiàn)[41])Fig.6 TAS diagram (a)(modified after reference [39])，K2O-SiO2 diagram (b)(modified after reference [40])and A/NK-A/CNK diagram (c)(modified after reference [41])of the Cuiluan alkali feldspar granite

堿長花崗巖稀土元素含量較高(∑REE=192.60 ×10-6～232.80 ×10-6)，輕重稀土元素分餾明顯，富集輕稀土元素(LREE/HREE=8.50～11.54，(La/Yb)N=8.49～11.88)，可能是因?yàn)閹r漿部分熔融源區(qū)存在石榴石相。銪強(qiáng)烈虧損(δEu=0.29～0.36)，Sr/Y比值極低(Sr/Y=2.65～3.60)，表明巖漿在上升侵位過程中發(fā)生斜長石分離結(jié)晶。在稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖解(圖7(a))

圖7 翠巒堿長花崗巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖(a)和微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(b)Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns (a)and primitive mantle-normalized trace element spider diagram (b)of the Cuiluan alkali feldspar granite

中呈現(xiàn)典型“V”字形和輕稀土較重稀土富集的右傾型，微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖解(圖7(b))顯示相對富集K、Rb和Hf等而虧損Ti、Nb、P和Sr等元素的特征。

3.3 鋯石Lu-Hf同位素組成

在鋯石定年基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行了微區(qū)Hf同位素測定，結(jié)果見表3。樣品εHf(t)=1.46～2.27，數(shù)值集中分布于球粒隕石線附近，顯示源區(qū)包含大量低εHf(t)的地殼物質(zhì)。176Hf/177Hf 值在0.28270～0.28272之間，接近EMI型富集地幔值(176Hf/177Hf=0.28260～0.28270)[42]，而明顯有別于源自軟流圈的虧損地幔值(176Hf/177Hf=0.28325)[43]。fLu/Hf的值為-0.98～-0.96，對應(yīng)的一階段虧損地幔模式年齡TDM1=781～751 Ma，地殼模式年齡TDMC=1133～1088 Ma。

表3 翠巒堿長花崗巖鋯石Hf同位素組成

4 討 論

4.1 巖石成因類型

Loiselle[44]將A型花崗巖定義為形成于非造山環(huán)境，具有堿性、無水特征的花崗質(zhì)巖石。Pitcher[45]和King等[46]又將其定義為富鉀長石的花崗巖，并認(rèn)為A 型花崗巖以適度堿性及高的(Na2O+K2O)與典型鈣堿性I型花崗巖明顯不同[47]。

而現(xiàn)在人們對于A型花崗巖的定義更加寬泛，包括了幾乎所有的除典型S型花崗巖和I型花崗巖之外的花崗巖，在化學(xué)成分上有時候與I型呈過渡特征，同樣化學(xué)成分上屬于S型花崗巖的某些巖石也被劃歸A型花崗巖。從目前報道來看，A型花崗巖主量元素特征均富Si，貧Ca和Mg[48]，微量元素一般都富集Ga和Eu以外的稀土元素(國內(nèi)A型花崗巖∑REE值平均為219.03×10-6)和高場強(qiáng)元素，虧損Ba和Sr，具有明顯的Eu負(fù)異常[49]。

本文樣品以富Si、Na和K，貧Ca、Fe和Mg以及高的全堿(Na2O+K2O)值為特征，結(jié)合投圖顯示樣品屬亞堿性富鉀鈣堿性-鉀玄巖系列準(zhǔn)鋁質(zhì)貧鐵、鎂巖石。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖中顯示富集HFSE(Th、Zr和Hf)及Ce、Y元素，Ba、Sr、Eu、P和Ti元素虧損，為典型的A型花崗巖特征；同樣在10000×Ga/Al-(K2O+Na2O)圖解中，全部投入A型花崗巖區(qū)域(圖8(a))。樣品(Zr+Nb+Ce+Y)=332.22×10-6～ 398.70×10-6，平均值366.52×10-6，與A型花崗巖的(Zr+Nb+Ce+Y)下限值(350×10-6)相當(dāng)[50-51]。在(Zr+Nb+Ce+Y)-((K2O+Na2O)/CaO)圖解中絕大部分投點(diǎn)于A型花崗巖區(qū)域(圖8(b))。利用鋯石飽和溫度計算方法[52]得出巖體形成溫度為804～810 ℃，接近于鋁質(zhì)A型花崗巖的平均溫度800 ℃[53]。綜上認(rèn)為本次研究的堿長花崗巖成因類型為A型。

圖8 翠巒堿長花崗巖10000×Ga/Al-(K2O+Na2O)圖解(a)和(Zr+Nb+Ce+Y)-(K2O+Na2O)/CaO圖解(b)(底圖據(jù)參考文獻(xiàn)[54])Fig.8 10000×Ga/Al-(K2O+Na2O)(a)and (Zr+Nb+Ce+Y)-(K2O+Na2O)/CaO (b)discrimination diagrams of the Cuiluan alkali feldspar granite (basemap modified after reference [54])

4.2 巖漿源區(qū)屬性

關(guān)于A型花崗巖的物質(zhì)來源，前人主要提出以下幾種認(rèn)識：幔源巖漿的分異或部分熔融[55]、殼幔物質(zhì)的混合熔融[56]、殼源物質(zhì)的部分熔融和再熔模式[57]以及殼源物質(zhì)的混染作用[58]。樣品的Nb、Ta和Ti等元素虧損和Th元素的富集，顯示巖漿的殼源性質(zhì)[59]。稀土總量值高(∑REE=192.60×10-6～232.80×10-6，平均值216.77×10-6)，高于大陸上地殼的豐度值(146.37×10-6)，為殼源巖漿特征；Rb/Sr值為2.25～2.77，Nb/Ta值為9.64～13.05，符合殼源巖漿值(分別為> 0.50和≈11)[60]。Nd/Th=0.59～1.26，其值接近殼源巖石(約3.0)，明顯有別于幔源巖石值(> 15)；Ti/Y=38.63～51.33，平均值44.09，Ti/Zr=6.15～7.36，平均6.84，均符合陸殼巖石值(Ti/Y < 200，Ti/Zr< 30)[61]。

樣品鋯石具有較為均一的Hf同位素值組成，176Hf/177Hf=0.28270～0.28272，接近EM I型富集地幔值(176Hf/177Hf=0.2826～0.2827)[42]，對應(yīng)的一階段虧損地幔模式年齡TDM1=781～751 Ma，地殼模式年齡TDMC=1133～1088 Ma，指示物源為中元古代源自EM I型富集地幔部分熔融形成的地殼物質(zhì)，也表明該地區(qū)存在中元古代的地殼增生事件。通常認(rèn)為如果花崗巖鋯石的εHf(t)>0，則表明巖漿源于虧損地?；驈奶潛p地幔中新增生的年輕地殼的部分熔融[62]。樣品的εHf(t)=1.46～2.27，變化幅度小且全部為正值，在εHf(t)-t圖解(圖9(a))和176Hf/177Hf-t圖解(圖9(b))中鋯石的投點(diǎn)全部位于球粒隕石和虧損地幔演化線之間，鋯石的εHf(t)值均為正值，反映其源區(qū)物質(zhì)不具有多種來源，主要來源于年輕地殼組分，在巖漿演化中遭受了少量古老地殼物質(zhì)的混染，也即主要源自新生地殼物質(zhì)的部分熔融。

圖9 翠巒堿長花崗巖的εHf(t)-t圖解(a)和176Hf/177Hf-t圖解(b)Fig.9 Zircon age vs.εHf (t)(a)and 176Hf/177Hf-t(b)diagrams for the Cuiluan alkali feldspar granite

4.3 成巖動力學(xué)背景

小興安嶺中生代花崗巖所代表的構(gòu)造環(huán)境方面的研究已有大量報道。東安金礦區(qū)出露的183 Ma的堿長花崗巖被認(rèn)為是殼源物質(zhì)部分熔融形成，反映與洋陸俯沖有關(guān)的火山弧環(huán)境[22]。鹿鳴鉬礦區(qū)發(fā)現(xiàn)的187 Ma的富堿質(zhì)二長花崗巖巖漿物質(zhì)為殼幔混合來源，其形成與地殼由擠壓向拉伸轉(zhuǎn)換的構(gòu)造環(huán)境有關(guān)[7]。伊春地區(qū)堿長花崗巖具有高的ISr值和低的εNd值，韓振哲[8]認(rèn)為主要與古老下地殼物質(zhì)有關(guān)，存在一定程度的殼幔巖漿混合作用，形成于伸展動力學(xué)體制。另外關(guān)于該地區(qū)花崗巖的研究還有諸多報道[12-13，17]，以上花崗巖從巖石成因類型來看可以分為A型和I型。近年來在嘉蔭—伊春—尚志一帶發(fā)現(xiàn)了186～182 Ma的鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)侵入巖[31]，基性侵入巖的發(fā)育被認(rèn)為與伸展背景下幔源巖漿大規(guī)模底侵作用有關(guān)，反映地幔巖漿的上涌，該基性-超基性侵入巖與同時期I-A型花崗巖構(gòu)成了典型的雙峰式花崗巖組合。本文認(rèn)為早侏羅世小興安嶺區(qū)域伸展作用明顯，由此引起了地幔物質(zhì)上涌，形成了區(qū)域基性-超基性侵入巖的發(fā)育，上覆地殼的熔融形成了I-A型花崗巖組合。翠巒堿長花崗巖εHf(t)=1.46～2.27，一階段虧損地幔模式年齡TDM1=781～751 Ma，表明巖漿物質(zhì)源自新生地殼物質(zhì)的部分熔融，微量元素分析同樣也顯示巖漿物質(zhì)主要源自地殼，與小興安嶺早侏羅世伸展背景下地幔物質(zhì)上涌導(dǎo)致的地殼熔融事件相一致。從小興安嶺地區(qū)早侏羅世花崗巖的分布情況來看，黑河?xùn)|安—伊春翠宏山—吉林天橋崗一線分布大量早侏羅世197～178 Ma的A型花崗巖[7，12-14，22-23]，呈明顯北東向展布特征。綜上分析，本文認(rèn)為小興安嶺早侏羅世巖漿活動與太平洋板塊的俯沖過程中伸展作用相聯(lián)系更加合理。

5 結(jié) 論

(1)翠巒地區(qū)堿長花崗巖鋯石U-Pb年齡為(189.1 ± 1.6)Ma，為早侏羅世巖漿活動產(chǎn)物，與小興安嶺地區(qū)大量早侏羅世巖漿活動時間一致。

(2)堿長花崗巖的地球化學(xué)組成具有富Si、富K以及貧Ca、貧Mg特征，樣品富集高場強(qiáng)元素Th、Zr和Hf及Sr，虧損Eu和Ba元素，鋯石飽和溫度804～ 810 ℃，反映巖石成因類型為A型。

(3)巖漿鋯石εHf(t)=1.46～ 2.27，反映巖漿主要源自新生地殼物質(zhì)的部分熔融。176Hf/177Hf=0.28270～0.28272，對應(yīng)的地殼模式年齡TDMC=1133～ 1088 Ma，指示物源為中元古代源自EM I型富集地幔的部分熔融，也表明該地區(qū)存在中元古代地殼增生事件。

(4)翠巒地區(qū)早侏羅世A型花崗巖的形成主要受太平洋板塊西向俯沖過程中區(qū)域構(gòu)造伸展作用控制。

致謝：審稿專家和編輯對本文提出寶貴的修改意見使本文質(zhì)量得到提升，在此表示感謝。