2. 中国地质调查局油气资源调查中心, 北京 100083;
3. 云南省核工业二○九地质大队, 昆明 650031;
4. 自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室, 长春 130061
2. Oil and Gas Survey, China Geological Survey, Beijing 100083, China;
3. No. 209 Geological Party, Geological Bureau of Yunnan Nuclear Industry, Kuming 650031, China;
4. Key Laboratory of Mineral Resources Evaluation in Northeast Asia, Ministry of Natural Resources, Changchun 130061, China
0 引言
大兴安岭地区因其复杂的构造演化,以及显生宙以来强烈的构造-岩浆活动和丰富的矿产资源成为国内外学者的重点研究对象;尤其是中生代时期,该区火山活动强烈,形成了广泛分布的火山岩和花岗岩[1-6],这些岩石为研究大兴安岭地区的构造演化提供了重要的研究对象。近年来,对大兴安岭中生代火山岩和花岗岩的精细同位素定年取得了较大的进展[7-9],积累了大量高精度锆石U-Pb同位素年龄,对不同期次火山岩年代学格架的划分也取得了一定的认识[10-13]。这些研究对于构建该区的构造演化提供了科学依据。然而,笔者发现对于同时代花岗岩的研究,学者们大多集中在大兴安岭中段,且对花岗岩的形成构造背景存在不同观点,而对于大兴安岭北段中生代花岗岩的形成构造背景及其与不同构造体系关系的研究相对较为薄弱。该区中生代花岗岩的形成是受环太平洋构造体系还是蒙古—鄂霍茨克构造体系的影响,或是二者双重影响,仍存在争议。鉴于此,笔者对大兴安岭北段索图罕林场地区碱长花岗岩进行了系统的岩石学、地球化学和年代学研究,对其岩石成因及形成构造背景进行了讨论,以期为进一步完善大兴安岭地区构造演化史提供依据。
1 区域地质背景和岩石学特征大兴安岭地区自北向南划分为额尔古纳地块、兴安地块、松嫩—张广才岭地块。研究区位于兴安地块北端,夹于塔源—喜桂图断裂和贺根山—黑河断裂之间(图 1),是古生代古亚洲构造域与中—新生代环太平洋构造域和蒙古—鄂霍茨克构造域的叠加、复合部位,构造演化复杂。研究区断裂构造以NE、NW向为主。中生代火山岩由5个喷发旋回形成5个火山岩地层,自下而上分别为中侏罗世塔木兰沟组(J2t)中基性火山岩、晚侏罗世满克头鄂博组(J3mk)酸性火山岩、晚侏罗世玛尼吐组(J3mn)中酸性火山岩、早白垩世白音高老组(K1b)酸性火山岩以及早白垩世梅勒图组(K1m)中基性火山岩[14-15]。
研究区出露的侵入岩主要沿着EW、NW向分布,大体与构造线方向一致。侵入岩岩性以花岗斑岩、花岗闪长岩、石英闪长岩和碱长花岗岩为主。其中:花岗斑岩被中生代满克头鄂博组流纹质火山碎屑岩所覆盖;花岗闪长岩侵入到早石炭世莫尔根河组中,被中生代满克头鄂博组覆盖;石英闪长岩侵入到满克头鄂博组中,被第四系所覆盖;碱长花岗岩侵入到满克头鄂博组中,被玛尼吐组所覆盖(图 1)。区内侵入岩的研究资料相对较少。
索图罕岩体位于索图罕林场南部,岩性以碱长花岗岩为主,岩体侵入到中生代满克头鄂博组火山岩中,被梅勒图组中基性火山岩和第四系沉积物所覆盖。
碱长花岗岩(P3b3-4):风化面土黄色,新鲜面浅肉红色,具中细粒花岗结构,块状构造。主要矿物为条纹长石(65%)+石英(30%)+黑云母(5%)。其中:碱长石几乎全为条纹长石,具条纹结构,有高岭土化,大于2 mm;石英,表面干净,大于1 mm;黑云母,小于1 mm(图 2)。
2 分析方法本文样品的锆石分选工作在河北省廊坊市区域地质调查研究所完成。首先用常规方法将样品粉碎,淘洗后用电磁方法进行分离;再在双目镜下挑选晶型较为完好无明显裂痕和包裹体的锆石;然后在北京燕都中实测试技术有限公司完成锆石的制靶,以及反射光、透射光和阴极发光图像的采集。在中国地质科学院矿产资源研究所采用LA-ICP-MS进行锆石U-Pb同位素测年,测定过程中用高纯度氦气作为载气,激光烧蚀的斑束直径为35 μm。用NIST610和国际标准锆石91500进行仪器最佳化和作为外标标准物质。运用Anderson方法[16]进行同位素比值校正,以扣除普通Pb的影响。使用ICPMS DataCal程序处理锆石测年中U-Pb年龄、Pb同位素比值和微量元素质量分数,采用Isoplot3.0[17]绘制谐和图。测试数据、年龄加权平均值的误差均为1σ。由于锆石年龄都较为年轻(<1.0 Ga),因此选用206Pb/238U年龄值[18]。
文中样品的主量、微量和稀土元素的化学分析由澳实分析检测(广州)有限公司完成。主量元素采用X射线荧光光谱(XRF)分析:采用XRF方法,取0.9 g样品,煅烧后加入9.0 g的Li2B4O7-LiBO2助熔物(固体),充分混和后放置在自动熔炼仪中,使之在1 050~1 100 ℃熔融,熔融物倒出后形成扁平玻璃片;再用XRF荧光光谱仪进行分析,分析精度优于5%。稀土和微量元素采用ICP-MS方法分析:取0.2 g样品,加入到0.90 g的LiBO2熔剂中,混合均匀,在1 000 ℃的熔炉中熔化;熔液冷却后,溶解于100 mL 4%的硝酸中,然后用等离子质谱仪(ICP-MS)分析,测试精度为5%~10%。测试过程中选用不同质量分数和不同基体的国家一级地球化学标准物质完成测定,检测下限为0.01%[19]。
3 分析结果 3.1 主量元素索图罕林场地区碱长花岗岩的主量元素和微量元素分析结果见表 1。由分析结果可知:索图罕岩体以富硅、碱,贫钙、镁为特征;SiO2质量分数介于72.54%~76.95%之间;Al2O3质量分数介于11.18%~13.76%之间;全碱(K2O+Na2O)质量分数较高,介于8.21%~9.40%之间;CaO质量分数介于0.02%~0.14%之间;MgO质量分数介于0.06%~0.25%之间。在硅碱图解(图 3a)中,样品全部落入高钾钙碱性系列中。碱长花岗岩样品的A/CNK值介于1.00~1.04之间,为弱过铝质岩石(图 3b)。
索图罕岩体样品号 | SiO2 | TiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | MnO | K2O | Na2O | P2O5 | 烧失量 | 合计 | Na2O+ K2O | A/CNK | |
P3H3-2 | 75.73 | 0.27 | 11.92 | 2.23 | 0.03 | 0.06 | 0.07 | 4.67 | 4.17 | 0.03 | 0.31 | 99.49 | 8.84 | 1.00 | |
P3H5-2 | 76.20 | 0.27 | 12.12 | 2.45 | 0.12 | 0.12 | 0.10 | 4.76 | 3.98 | 0.02 | 0.35 | 100.49 | 8.74 | 1.02 | |
P3H6-1 | 74.32 | 0.28 | 12.68 | 2.49 | 0.06 | 0.11 | 0.07 | 4.49 | 4.63 | 0.02 | 0.38 | 99.53 | 9.12 | 1.01 | |
P3H12-1 | 72.54 | 0.37 | 13.76 | 2.37 | 0.14 | 0.25 | 0.09 | 4.48 | 4.92 | 0.08 | 0.59 | 99.59 | 9.40 | 1.04 | |
P3H12-2 | 76.95 | 0.20 | 11.18 | 2.46 | 0.02 | 0.07 | 0.19 | 4.46 | 3.75 | 0.01 | 0.41 | 99.70 | 8.21 | 1.01 | |
中国东北A型花岗岩* | 75.24 | 0.16 | 11.94 | 1.35 | 0.33 | 0.21 | 0.11 | 4.41 | 4.35 | 0.02 | 0.24 | 99.75 | 8.76 | 1.31 | |
索图罕岩体样品号 | Rb | Sr | Ba | Th | Nb | Ta | Zr | Hf | Cr | La | Ce | Pr | Nd | Sm | Eu |
P3H3-2 | 120.00 | 27.50 | 188.50 | 16.80 | 18.60 | 1.10 | 570.00 | 13.90 | 40.00 | 17.20 | 96.90 | 4.17 | 14.90 | 2.78 | 0.40 |
P3H5-2 | 151.50 | 40.60 | 119.50 | 14.35 | 18.70 | 1.20 | 467.00 | 11.80 | 40.00 | 22.50 | 102.50 | 4.96 | 18.50 | 3.53 | 0.33 |
P3H6-1 | 141.50 | 21.00 | 123.00 | 21.40 | 22.60 | 1.40 | 555.00 | 14.60 | 40.00 | 25.30 | 90.70 | 5.21 | 18.50 | 3.44 | 0.42 |
P3H12-1 | 126.50 | 57.10 | 767.00 | 15.20 | 17.30 | 1.00 | 428.00 | 10.60 | 30.00 | 22.50 | 115.00 | 4.91 | 17.80 | 3.19 | 0.44 |
P3H12-2 | 109.00 | 12.30 | 117.50 | 16.65 | 14.30 | 1.30 | 794.00 | 18.40 | 30.00 | 22.40 | 71.80 | 5.97 | 20.50 | 3.66 | 0.40 |
中国东北A型花岗岩* | 187.30 | 22.36 | 143.80 | 14.18 | 21.18 | 1.73 | 363.10 | 10.17 | — | 38.77 | 94.59 | 10.48 | 40.16 | 8.91 | 0.54 |
索图罕岩体样品号 | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | Y | Cs | V | U | Ga | ΣREE | LREE/HREE |
P3H3-2 | 2.90 | 0.64 | 3.81 | 0.92 | 3.03 | 0.41 | 2.65 | 0.42 | 21.10 | 1.92 | 12.00 | 4.91 | 23.60 | 151.13 | 9.22 |
P3H5-2 | 2.55 | 0.55 | 2.18 | 0.51 | 1.80 | 0.33 | 2.26 | 0.41 | 12.90 | 1.90 | 10.00 | 4.43 | 23.40 | 162.91 | 14.38 |
P3H6-1 | 2.20 | 0.34 | 2.84 | 0.68 | 2.15 | 0.30 | 2.59 | 0.34 | 15.70 | 1.03 | 10.00 | 5.06 | 24.70 | 155.01 | 12.55 |
P3H12-1 | 2.28 | 0.48 | 2.49 | 0.58 | 1.87 | 0.28 | 2.03 | 0.36 | 13.50 | 1.55 | 16.00 | 4.00 | 23.50 | 174.21 | 15.80 |
P3H12-2 | 3.28 | 0.68 | 3.71 | 0.82 | 2.86 | 0.41 | 3.63 | 0.53 | 21.20 | 1.01 | 11.00 | 5.71 | 25.20 | 140.65 | 7.83 |
中国东北A型花岗岩* | 8.00 | 1.42 | 8.73 | 1.81 | 5.19 | 0.82 | 5.29 | 0.83 | 57.25 | 2.23 | — | 3.73 | 26.42 | 225.54 | 6.02 |
注:*数据引自文献[4],为总结东北地区26个A型花岗岩样品地球化学平均值。主量元素质量分数单位为%;微量元素质量分数单位为10-6。 |
由表 1可知:索图罕岩体的稀土元素总量(w(ΣREE))在140.65×10-6~174.21×10-6之间,平均值为156.78×10-6;轻重稀土元素比值(LREE/HREE)介于7.83~15.80之间;轻重稀土元素分馏系数(La/Yb)N值为4.16~7.47;重稀土元素内部分馏系数(Gd/Lu)N值为0.77~0.86;δEu值为0.34~0.50,平均值为0.42。由此可见,索图罕岩体稀土元素质量分数较高,具有明显的轻重稀土元素分馏特点,相对富集轻稀土元素,重稀土元素内部分馏不明显,具有明显的负Eu异常,总体呈现右倾“V”字形特点(图 4a);在原始地幔标准化微量元素蛛网图(图 4b)上,样品表现为富集Rb、Th、U、K等大离子亲石元素,亏损Ba、Nb、P、Ti等高场强元素。
综上所述,索图罕岩体样品具有明显的富Si,贫Al2O3,贫Sr、Eu、Ba、Ti、P,REE元素分布具有明显的负Eu异常,具有典型A型花岗岩的地球化学特点[20]。
3.3 锆石U-Pb定年本次研究对索图罕岩体的1件碱长花岗岩样品(P3N3-4 50°34′20″N,122°50′30″E)进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析,分析结果见表 2。索图罕林场碱长花岗岩的锆石阴极发光图像(图 5)显示,锆石的大小为100~200 μm,大部分锆石自形程度较好,为自形-半自形,多呈长柱状或短柱状,锆石内部结构清晰,岩浆振荡生长环带发育,结合锆石具有较高的Th/U值(0.72~1.71),暗示其为岩浆成因[21-22]。锆石分析点分布较为集中,19个锆石分析点全位于U-Pb谐和线上(图 6a),19个点的206Pb/238U年龄介于133~147 Ma之间,其加权平均年龄为(139.50 ± 0.56)Ma(n=19,MSWD=3.5)。结合岩浆锆石特征,其代表岩浆结晶年龄,表明大兴安岭北段索图罕岩体形成于早白垩世,结果与岩体侵入中生代满克头鄂博组并被梅勒图组覆盖相吻合。
测点 | wB/10-6 | Th/U | 同位素比值 | 年龄/Ma | ||||||||||
Th | U | 207Pb/206Pb | 1σ | 207Pb/235U | 1σ | 206Pb/238U | 1σ | 207Pb/235U | 1σ | 206Pb/238U | 1σ | |||
1 | 449 | 443 | 1.02 | 0.052 5 | 0.002 9 | 0.165 1 | 0.011 1 | 0.022 1 | 0.000 3 | 155 | 10 | 141 | 2 | |
2 | 4 586 | 2 928 | 1.57 | 0.052 8 | 0.001 5 | 0.167 2 | 0.004 9 | 0.022 9 | 0.000 3 | 157 | 4 | 146 | 2 | |
3 | 1 718 | 1 441 | 1.19 | 0.052 3 | 0.002 3 | 0.167 2 | 0.007 2 | 0.0 23 0 | 0.000 3 | 157 | 6 | 147 | 2 | |
4 | 1 481 | 1 293 | 1.15 | 0.046 2 | 0.001 8 | 0.142 9 | 0.005 4 | 0.022 6 | 0.000 3 | 136 | 5 | 144 | 2 | |
5 | 149 | 179 | 0.83 | 0.052 9 | 0.003 0 | 0.150 0 | 0.008 1 | 0.020 9 | 0.000 4 | 142 | 7 | 133 | 2 | |
6 | 1 679 | 1 386 | 1.21 | 0.052 5 | 0.002 1 | 0.154 9 | 0.006 0 | 0.021 8 | 0.000 3 | 146 | 5 | 139 | 2 | |
7 | 701 | 790 | 0.89 | 0.052 8 | 0.0030 | 0.156 0 | 0.008 4 | 0.022 0 | 0.000 4 | 147 | 7 | 140 | 3 | |
8 | 312 | 305 | 1.02 | 0.051 1 | 0.002 3 | 0.148 5 | 0.006 5 | 0.021 2 | 0.000 3 | 141 | 6 | 135 | 2 | |
9 | 2 171 | 1 753 | 1.24 | 0.050 0 | 0.001 5 | 0.154 1 | 0.004 9 | 0.022 3 | 0.000 3 | 145 | 4 | 142 | 2 | |
10 | 2 248 | 1 754 | 1.28 | 0.050 3 | 0.002 4 | 0.147 3 | 0.007 1 | 0.021 3 | 0.000 4 | 140 | 6 | 136 | 3 | |
11 | 1 463 | 1 475 | 0.99 | 0.049 9 | 0.001 8 | 0.151 8 | 0.005 8 | 0.022 0 | 0.000 3 | 143 | 5 | 141 | 2 | |
12 | 4 285 | 2 506 | 1.71 | 0.050 1 | 0.001 4 | 0.149 3 | 0.004 2 | 0.021 7 | 0.000 3 | 141 | 4 | 138 | 2 | |
13 | 194 | 253 | 0.77 | 0.050 1 | 0.002 1 | 0.153 9 | 0.006 9 | 0.022 2 | 0.000 3 | 145 | 6 | 142 | 2 | |
14 | 2 562 | 2 229 | 1.15 | 0.049 9 | 0.001 4 | 0.151 3 | 0.004 3 | 0.022 0 | 0.000 3 | 143 | 4 | 140 | 2 | |
15 | 2 671 | 1 841 | 1.45 | 0.050 3 | 0.001 7 | 0.152 8 | 0.005 6 | 0.022 2 | 0.000 3 | 144 | 5 | 141 | 2 | |
16 | 388 | 377 | 1.03 | 0.049 6 | 0.001 7 | 0.148 4 | 0.005 5 | 0.021 7 | 0.000 4 | 140 | 5 | 138 | 2 | |
17 | 2 373 | 1 972 | 1.20 | 0.048 6 | 0.001 6 | 0.148 0 | 0.005 0 | 0.022 1 | 0.000 3 | 140 | 4 | 141 | 2 | |
18 | 826 | 640 | 1.29 | 0.048 6 | 0.001 4 | 0.145 6 | 0.004 1 | 0.021 8 | 0.000 3 | 138 | 4 | 141 | 2 | |
19 | 170 | 237 | 0.72 | 0.049 9 | 0.002 6 | 0.148 1 | 0.007 6 | 0.022 0 | 0.000 4 | 140 | 7 | 146 | 2 |
索图罕岩体岩性主要为碱长花岗岩,主要矿物成分为碱长石、石英和黑云母。地球化学特征表现为富SiO2,贫Al2O3、Sr、Eu、Ba、Ti、P,具有明显的负Eu异常,A/CNK略大于1,上述岩石学、地球化学特征表明索图罕岩体花岗岩属于弱过铝质A型花岗岩[23]。此外,在Whalen提出的花岗岩成因判别图中,索图罕花岗岩样品全部落入A型花岗岩区域(图 7),结合稀土和微量元素的分布图,可以较为准确地判断,索图罕碱长花岗岩岩石类型为A型花岗岩。
关于A型花岗岩的定义,最初学者将其定义为碱性(alkaline)、贫水(anhydrous)和非造山(anorogenic)的花岗岩。目前,对A型花岗岩的成因认识主要有幔源岩浆的分异或部分熔融、壳幔物质的混合熔融以及壳源物质的部分熔融等观点[24-27]。大家普遍接受的观点则是认为A型花岗岩形成于地壳减薄的环境,形成构造背景为碰撞后(造山后)和板内环境。Patino Douce[28]的实验表明,在压力<0.4 GPa,残留相为斜长石+斜方辉石时,形成的花岗岩具有典型的A型花岗岩的特征。他提出,同一组分的源岩在相对较低的压力下熔融容易生成准铝质的A型花岗岩,也就是说,A型花岗岩岩浆容易产出于地壳浅部。地壳拉伸减薄导致地幔上涌,带来的热使下地壳发生部分熔融,能满足A型花岗岩产生所需要的低压、相对贫水和高温等条件[20],也就是说A型花岗岩是减薄地壳部分熔融的产物。此外,本文样品的Rb/Sr值为2.21~8.86,全部位于壳源岩浆范围内[29]。Nb/Ta值为11.00~ 17.30,接近于地壳[30]。由此说明,索图罕岩体应该是地壳物质部分熔融的产物。纪政等[31]在邻区所测花岗岩岩体二阶段Hf模式年龄,暗示岩体源于新元古代—显生宙时期新增生的地壳物质的部分熔融,这也能为本文说明索图罕岩体碱长花岗岩源于地壳物质部分熔融提供支持。
4.2 构造背景正如前文区域构造背景所说,大兴安岭地区在中生代时期受古太平洋构造域和蒙古—鄂霍茨克构造域的叠加改造,构造演化复杂。对于古太平洋板块的演化,目前大部分学者认为古太平洋板块的俯冲作用开始于早侏罗世,在吉黑东部—朝鲜半岛发育的早侏罗世火成岩属于钙碱性系列,花岗质岩石属于Ⅰ型花岗岩,具有活动大陆边缘的特点。此外,早侏罗世基性岩受俯冲流体交代作用,暗示其形成过程受俯冲板片的影响[32],这些火山岩的分布与东北亚东部大陆边缘平行,说明该区火成岩的形成背景为古太平洋板块向欧亚大陆俯冲形成的活动大陆边缘,这也印证了古太平洋板块的俯冲时间为早侏罗世。中侏罗世—早白垩世为太平洋板块俯冲的间歇期,这一时期的火山岩主要分布在松辽盆地以西,在吉黑东部尚未发现这一时期的火山岩,说明这一时期形成的火山岩与古太平洋板块俯冲无关[33]。早白垩世晚期,古太平洋板块再次向欧亚大陆俯冲,这一时期在大兴安岭地区分布的双峰式火山岩组合[5, 11, 34-37]以及相应的碱性花岗岩[4]伴随自陆缘向陆内碱性组分增高的现象,说明这一时期存在来自东部板块的俯冲作用。
对于蒙古—鄂霍茨克洋的研究,目前学者普遍接受的观点是蒙古-鄂霍茨克洋自西向东呈剪刀式闭合,西部于晚三叠世开始闭合,向东于晚侏罗世-早白垩世完成最终闭合[38-39]。额尔古纳地块发现的形成于晚三叠世的太平川斑岩型铜钼矿,形成背景为蒙古—鄂霍茨克洋板块俯冲于额尔古纳地块之下的活动陆缘环境[40],说明早中生代蒙古—鄂霍茨克洋板块就已经向额尔古纳地块之下俯冲。在黑河—孙吴地区发现的形成时代为(168 ± 2)Ma的S型花岗岩,形成背景为陆壳加厚环境[33];在冀北—辽西地区存在的区域性不整合现象,即在海房沟组之下存在着自北向南的逆冲构造,说明陆壳加厚的存在[41-43];这些证据均表明蒙古—鄂霍茨克洋的闭合与陆壳加厚在大兴安岭西部于中侏罗世就已完成。到了早白垩世,大兴安岭地区广泛分布的双峰式火山岩组合[44-46]说明这一时期处于区域性伸展的构造环境,该背景形成于陆壳加厚之后的拆沉或坍塌。
本文研究的索图罕林场碱长花岗岩(139.50 ± 0.56)Ma离古太平洋构造域较远,受古太平洋板块俯冲的影响较弱,其形成应受蒙古—鄂霍茨克洋闭合的影响。在构造判别图上,索图罕林场碱长花岗岩样品全部落入后碰撞区域(图 8),这正好印证了在早白垩世时期大兴安岭地区处于区域性伸展的构造背景。综上所述,索图罕林场碱长花岗岩的形成构造背景为蒙古—鄂霍茨克洋闭合与陆壳加厚之后岩石圈伸展导致的加厚地壳的拆沉减薄。
5 结论本文通过对大兴安岭北段索图罕林场碱长花岗岩的岩石学、地球化学、锆石U-Pb年代学进行研究,得出以下结论:
1) 索图罕林场碱长花岗岩的锆石U-Pb定年结果为(139.50 ± 0.56)Ma,表明岩体形成于早白垩世。
2) 索图罕林场碱长花岗岩属于高钾钙碱性的弱过铝质A型花岗岩,岩石Rb/Sr值、Nb/Ta值均接近壳源岩浆范围,说明索图罕岩体应该是地壳物质部分熔融的产物。
3) 索图罕林场碱长花岗岩构造判别图解落入后碰撞区域,结合区域特征,其形成与蒙古-鄂霍茨克洋碰撞后的岩石圈伸展相关。
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