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大兴安岭北段小柯勒河花岗斑岩脉成因及地质意义: 锆石U-Pb年龄、岩石地球化学及Hf同位素制约
宫昀迪1, 李碧乐1, 李治华1, 于润涛1, 孙永刚1, 张森2     
1. 吉林大学地球科学学院, 长春 130061;
2. 吉林大学地球探测科学与技术学院, 长春 130026
摘要: 为了探讨大兴安岭北段小柯勒河花岗斑岩脉的岩石成因、构造背景及地质意义,本文对其进行了锆石U-Pb年代学、岩石地球化学与Hf同位素的研究。岩石地球化学结果显示:花岗斑岩富硅(w(SiO2)为69.85%~70.48%)、富碱(w(Na2O+K2O)为9.74%~9.89%),贫镁(w(MgO)为0.34%~0.40%)、贫钙(w(CaO)为1.04%~1.20%),A/CNK为0.98~1.02,属于准铝质-弱过铝质系列岩石;具有轻稀土元素富集和重稀土元素亏损的特征,中等Eu负异常,富集大离子亲石元素Rb、K和高场强元素Th、U、Hf、Zr,亏损大离子亲石元素Sr、Ba和高场强元素Nb、Ta、Ti、P。花岗斑岩中的104Ga/Al值为2.32~3.68,分异指数ID为87.63~89.01。综合分析认为小柯勒河花岗斑岩属于分异的I型花岗岩。花岗斑岩锆石U-Pb加权平均年龄为(124.0±0.6)Ma,属于早白垩世晚期。锆石εHf(t)值为0.5~3.3,二阶段Hf同位素模式年龄TDM2为1 150~970 Ma。结合岩石地球化学特征分析认为花岗斑岩源岩为由亏损地幔衍生的中-新元古代新增生地壳部分熔融的产物,并有少量古老地壳物质的加入。该花岗斑岩形成于早白垩世晚期蒙古-鄂霍茨克洋闭合背景下的伸展环境,此时太平洋板块持续向欧亚大陆俯冲,但对本区影响有限。
关键词: I型花岗岩    岩石地球化学    锆石U-Pb定年    Hf同位素    大兴安岭    
Petrogenesis and Geological Significance of Granite Porphyry Dike from Xiaokelehe in North Da Hinggan Mountains: Constraints from Zircon U-Pb Age, Geochemistry and Hf Isotopic Composition
Gong Yundi1, Li Bile1, Li Zhihua1, Yu Runtao1, Sun Yonggang1, Zhang Sen2     
1. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China;
2. College of GeoExploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026, China
Abstract: In this paper, the granite porphyry geochemistry, zircon U-Pb geochronology and Hf isotopes are studied to discuss the petrogenesis, tectonic setting of the granitic porphyry dike, and the relationship between the rock vein and mineralization of Xiaokelehe. Our data show that the samples are characterized by high content of SiO2(69.85%-70.48%) and alkali (9.74%-9.89%), and low content of MgO (0.34%-0.40%) and CaO (1.04%-1.20%). The A/CNK values range from 0.98 to 1.02, the granitic porphyry is quasi-aluminum-weak per-aluminum. The rock is rich in LREE and poor in HREE, with obviously negative Eu anomalies. They are rich in LILEs (Rb and K) and HFSEs (Th, U, Hf, and Zr), and depleted of LILEs (Srand Ba) and HFSEs (Nb, Ta, Ti, and P). The samples have 104Ga/Al values ranging from 2.32 to 3.68 and ID values ranging from 87.63 to 89.01. All these characteristics indicate that the granite porphyry is fractionated I-type granite. The zircon U-Pb dating indicates that the rock was formed in the Early Cretaceous ((124.0±0.6) Ma). The Hf isotope results show that the εHf (t) values of the granite porphyry range from 0.5 to 3.3, and two-stage Hf model ages (TDM2) range from 1 150 to 970 Ma, which indicates that the magma originated from the partial melting of Meso-Neoproterozoic juvenile crust that was derived from the depleted mantle, and there was a small amount of ancient crust added. The granite porphyry was formed in the extensional environment under the background of the Mongolia-Okhotsk closure in the Late Early Cretaceous. At that time, the Paleo-Pacific plate continued to subduct toward the Eurasian continent, but its influence on this area was limited.
Key words: I-type granite    petrogeochemistry    zircon U-Pb geochronology    Hf isotopes    Da Hinggan Mountains    

0 引言

大兴安岭位于兴蒙造山带的东段,中生代期间受到环太平洋构造体系和蒙古—鄂霍茨克构造带的双重改造和叠加[1],区域内构造岩浆活动和成矿作用十分强烈,因此大兴安岭地区中生代花岗岩和火山岩分布规模巨大且伴有丰富的矿产资源[2]。大兴安岭中生代花岗岩和火山岩具有复杂的成因机制和特定的构造背景,因此对其进行研究具有重要意义。前人[3]对大兴安岭岩浆岩形成时代、形成机制及构造背景进行了大量研究,认为大兴安岭岩浆岩的形成时代主要为早白垩世和晚侏罗世,但对于其形成的构造背景仍存在很大争议,主要有:地幔柱岩浆成因,可能与地幔柱上涌造成的上覆岩石圈伸展环境有关[4];与蒙古—鄂霍茨克洋闭合的造山后伸展作用有关[5];与古太平洋板块的俯冲作用有关[6]

小柯勒河铜钼矿区位于大兴安岭北段,矿区内广泛分布早白垩世和晚侏罗世侵入岩,是研究岩浆作用及其构造背景的良好场所。因此,本文选取矿区内花岗斑岩脉作为研究对象,通过LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素、全岩地球化学与Hf同位素的分析方法讨论其岩石成因、岩浆源区及构造背景,进而为大兴安岭北段晚侏罗世—早白垩世岩浆岩的构造演化研究提供新的依据。

1 地质背景及岩石学特征 1.1 区域地质特征

大兴安岭位于华北克拉通与蒙古—鄂霍茨克洋缝合带之间,自东向西跨越了松嫩地块、兴安地块、额尔古纳地块3个微地块[7],自中新元古代至中—晚二叠世经历了漫长的构造岩浆作用过程,形成了多个沟、弧、盆体系,组成不同时代的增生体,在古亚洲洋封闭的碰撞造山运动之后又经历了中生代强烈的陆内造山阶段,形成了大面积的中生代火山侵入岩[8]。区域出露地层由老到新为下奥陶统—下志留统倭勒根群吉祥沟组、大网子组,上侏罗统白音高老组,下白垩统光华组、甘河组,第四系上更新统雅鲁河组、全新统。区域内侵入岩有早寒武世蛇纹岩、辉长岩、辉绿岩、花岗岩,晚石炭世二长花岗岩、二长岩、正长花岗岩,晚侏罗世二长闪长岩、正长斑岩,早白垩世二长花岗岩、花岗闪长岩、正长花岗斑岩等。区域内断裂构造发育,主要有NE、NW、EW、NNE、SN向5条大的断裂。区域内与燕山早—中期热液多金属矿床(以斑岩型钼矿为主)有关的中酸性侵入体主要受NE向区域性断裂构造控制,侵入体沿NE向断裂带线型分布,单个岩体往往受NE向断裂与次级的NW向断裂联合控制,如岔路口钼矿[9]、小柯勒河钼矿[10]等。

1.2 矿床地质特征

研究区位于额尔古纳地块额木尔山中间隆起带上,紧邻塔源—喜桂图断裂(图 1a),地质构造复杂,岩浆活动频繁,区域地质背景有利成矿。小柯勒河钼铜矿床属额尔古纳—兴安成矿带大兴安岭中北段的铁、铜、金、银、钼、钨成矿区(带)[12],是近年来在大兴安岭北段发现的斑岩型矿床。矿区处在NNW向大乌苏河断裂与NE向小柯勒河断裂的交汇部位,区内次级小断裂的总体方向为NE向。区内侵入岩主要分布在南部和中东部,可划分为2个时代,包括晚石炭世正长花岗岩和早白垩世石英二长岩、花岗闪长岩与花岗闪长斑岩,其中早白垩世岩株状产出的花岗闪长斑岩为主要赋矿岩体(图 1b)。截止到目前,矿区共发现铜、钼多金属矿体102个,详细划分为铜矿体42个(工业矿体10个、低品位矿体32个),钼矿体44个(工业矿体14个、低品位矿体30个),铜钼矿体16个(工业矿体4个、低品位矿体12个)。矿体厚4.00~76.00 m,其中以4.00~38.00 m居多。根据矿石组分、结构、构造等特征,可将矿区内矿石类型分为铜、钼矿石等。钼矿石呈细脉状或浸染状,工业品位为0.03×10-2~0.06×10-2,最低工业品位≥0.06×10-2;铜矿石呈稀疏浸染状或星散状,工业品位为0.2×10-2~0.4×10-2,最低工业品位≥0.4×10-2,铜、钼矿石工业品级均为低品位。矿区围岩蚀变总体上具有明显的面型分带的特征,由中心向外围大致可划分为钾化带、绢云岩化带和青磐岩化带。空间上蚀变和矿化围绕花岗闪长斑岩分布,可以确定该斑岩是与成矿有关的岩体,在误差范围内成矿年龄与花岗闪长斑岩侵位年龄(约150 Ma)一致[13]。向深部揭露可见闪长斑岩和花岗斑岩岩脉侵位(图 2)。

1. 现代河床河漫滩堆积;2. 雅鲁河组;3. 白音高老组;4. 大网子组;5. 吉祥沟组;6. 早白垩世花岗闪长斑岩;7. 早白垩世石英二长岩;8. 晚石炭世正长花岗岩;9. 闪长质岩脉;10. 正长花岗岩脉;11. 花岗斑岩脉;12. 矿区及勘探线;13. 断裂;14. 取样点及钻孔号。a据文献[11]修编;b据文献[10]修编。 图 1 小柯勒河铜钼矿床大地构造位置(a)和地质简图(b) Fig. 1 Tectonic location (a) and geological sketched map (b) of Xiaokelehe molybdenum-copper deposit

本次研究的花岗斑岩呈脉状侵位于花岗闪长斑岩中,明显穿切上侏罗统白音高老组火山岩和主要钼铜矿体。空间上围绕花岗斑岩脉有弱的绢英岩化蚀变和稀疏浸染状自形黄铁矿化,反映又叠加了一期与该脉岩有关的矿化。从该花岗斑岩脉与其他地质体接触、穿插关系和蚀变特征分析,该脉岩为矿区内最晚的与热液矿化有关的侵入岩,其基本可限定成矿时限的上限。

1.3 岩石学特征

本文选取小柯勒河铜钼矿床ZK320-3在813~818 m的新鲜花岗斑岩,同时在矿区内ZK6100-3、ZK320-1等钻孔中也存在与其特征相似的花岗斑岩(图 2)。本次研究的花岗斑岩新鲜面为灰白色,斑状结构,块状构造(图 3a)。岩石的斑晶体积分数为15%,其中斜长石约占7%,半自形板状,粒径为0.5~1.5 mm,具聚片双晶,发生碳酸盐化、弱的绿泥石化和绿帘石化蚀变(图 3bc);条纹长石约占4%,呈半自形—他形板状,粒径为1.0~2.0 mm,具典型条纹结构,发生碳酸盐化、弱的绿泥石化和绿帘石化蚀变(图 3d);石英约占3%,呈他形粒状,粒径为0.5~1.0 mm,部分石英发生溶蚀,可见暗化边(图 3d);正长石约占1%,呈半自形—他形板状,粒径在1.0 mm左右,具卡式双晶(图 3bc)。岩石基质由石英和长石组成。

1. 白音高老组;2. 吉祥沟组;3. 花岗闪长斑岩;4. 闪长斑岩岩脉;5. 花岗斑岩岩脉;6. 斑岩型钼铜矿床;7. 钻孔及编号;8. 取样点。据文献[10]修编。 图 2 小柯勒河铜钼矿床AB勘探线剖面图 Fig. 2 Geological sections along the A-B exploration line of the Xiaokele molybdenum-copper deposit
Pl. 斜长石;Pth. 条纹长石;Qtz. 石英;Or. 正长石。 图 3 小柯勒河花岗斑岩手标本照片(a)及显微照片(b、c、d) Fig. 3 Hand specimens photograph (a) and microphotographs (b, c, d) of the granite porphyry from Xiaokelehe
2 分析方法

本次选用样品的锆石分选工作在廊坊市宇恒矿岩技术服务有限公司完成,锆石制靶和CL图像采集在北京中兴美科科技有限公司完成。锆石U-Pb年龄测定分析工作在北京燕都中实测试技术有限公司完成,测试所需要的仪器为布鲁克M90等离子质谱与New Wave UP213深紫外激光剥蚀系统。同位素比值及元素含量计算利用GLITTER(Ver4.0, Macquarie University)程序[14],年龄计算及谐和图的绘制利用ISOPLOT (Ver3.0)完成[15]

在北京燕都中实测试技术有限公司进行主、微量元素和稀土元素的测试。首先将岩石粉碎至200目,称量好后用于接下来的测试。主量元素测试使用X射线荧光光谱(XRF)玻璃熔片法,测试结果保证数据误差小于1%。微量元素测试使用电感耦合等离子质谱法ICP-MS(M90, analytikjena)完成,所测数据根据监控标样GSR-2显示误差小于5%,部分挥发性元素及极低含量元素的分析误差小于10%。

锆石Lu-Hf测年在锆石U-Pb同位素分析的基础上进行,在北京燕都中实测试技术有限公司完成,测试所需要的仪器为美国热电Neptune-plus MC-ICP-MS与New Wave UP213激光烧蚀样品系统。测试过程及实验条件可参照[16],实验过程中采用高纯度氦气作为剥蚀物质的载气, 激光束斑直径为44 μm, 能量强度为8 mJ/cm2, 频率为88 Hz。

3 分析结果 3.1 锆石U-Pb年龄

对小柯勒河花岗斑岩样品XKL-ZK320-3进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析,分析结果见表 1。花岗斑岩中的锆石呈自形—半自形柱状,表面较光滑、干净,大小为200~380 μm,长宽比为1.2~1.9,部分锆石颗粒破碎呈不规则棱角状。CL图像(图 4)显示,许多锆石颗粒边部发育震荡生长环带,其Th/U值为0.43~0.60,均大于0.10,指示其为岩浆成因的锆石。锆石点206Pb/238U年龄较集中,变化在126.1~121.8 Ma之间,大多数落在谐和线附近,其206Pb/238U加权平均年龄为(124.0±0.6) Ma(n=24,MSWD=0.67),指示小柯勒河花岗斑岩的成岩时代为早白垩世(图 5)。

表 1 小柯勒河花岗斑岩锆石U-Th-Pb同位素定年数据 Table 1 Zircon U-Th-Pb age data of the granite porphyry from Xiaokelehe
测点 Th/U 同位素比值 年龄/Ma
207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ 207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ
1 0.50 0.049 88 0.001 60 0.132 50 0.004 18 0.019 38 0.000 23 189.4 74.5 126.3 3.7 123.7 1.4
2 0.45 0.049 39 0.002 29 0.131 33 0.005 68 0.019 56 0.000 28 166.3 108.3 125.3 5.1 124.9 1.8
4 0.45 0.048 89 0.002 09 0.127 99 0.005 38 0.019 21 0.000 27 142.6 100.1 122.3 4.8 122.6 1.7
5 0.45 0.048 91 0.001 73 0.129 01 0.004 31 0.019 40 0.000 20 143.3 83.2 123.2 3.9 123.9 1.3
6 0.43 0.049 00 0.002 08 0.128 32 0.005 29 0.019 15 0.000 23 147.8 99.4 122.6 4.8 122.3 1.5
7 0.49 0.051 17 0.001 62 0.133 24 0.004 31 0.019 08 0.000 22 248.6 73.0 127.0 3.9 121.8 1.4
9 0.46 0.049 64 0.001 76 0.134 30 0.004 73 0.019 71 0.000 21 178.3 82.6 128.0 4.2 125.8 1.3
12 0.43 0.049 64 0.001 70 0.130 27 0.004 23 0.019 38 0.000 21 178.4 79.7 124.3 3.8 123.7 1.3
13 0.52 0.050 15 0.002 02 0.134 59 0.005 71 0.019 58 0.000 27 201.8 93.6 128.2 5.1 125.0 1.7
14 0.46 0.048 52 0.001 62 0.129 70 0.004 39 0.019 43 0.000 22 124.5 78.5 123.8 3.9 124.0 1.4
15 0.52 0.050 89 0.001 80 0.134 90 0.004 78 0.019 27 0.000 22 235.9 81.5 128.5 4.3 123.0 1.4
16 0.49 0.049 15 0.001 72 0.128 56 0.004 46 0.019 11 0.000 21 154.8 82.0 122.8 4.0 122.0 1.3
17 0.60 0.050 06 0.001 45 0.132 70 0.003 62 0.019 37 0.000 19 197.7 67.1 126.5 3.2 123.7 1.2
18 0.51 0.048 96 0.001 46 0.130 03 0.003 63 0.019 45 0.000 23 146.1 70.2 124.1 3.3 124.2 1.4
19 0.48 0.050 86 0.001 83 0.135 15 0.004 69 0.019 40 0.000 23 234.3 82.9 128.7 4.2 123.9 1.5
20 0.43 0.049 75 0.002 27 0.133 49 0.005 91 0.019 75 0.000 29 183.2 106.3 127.2 5.3 126.1 1.8
21 0.47 0.049 37 0.001 74 0.132 25 0.004 56 0.019 58 0.000 27 165.4 82.4 126.1 4.1 125.0 1.7
22 0.44 0.046 62 0.001 98 0.125 10 0.005 13 0.019 66 0.000 25 29.8 102.0 119.7 4.6 125.5 1.6
23 0.52 0.049 72 0.001 71 0.132 51 0.004 72 0.019 36 0.000 24 182.0 80.0 126.4 4.2 123.6 1.5
26 0.43 0.050 90 0.001 68 0.137 22 0.004 51 0.019 70 0.000 21 236.5 76.2 130.6 4.0 125.7 1.3
27 0.44 0.051 18 0.002 47 0.136 01 0.006 59 0.019 35 0.000 25 248.9 111.2 129.5 5.9 123.5 1.6
28 0.46 0.050 02 0.002 24 0.132 62 0.005 84 0.019 36 0.000 28 195.8 104.0 126.5 5.2 123.6 1.8
29 0.45 0.050 74 0.002 91 0.138 44 0.008 01 0.019 74 0.000 32 228.9 132.7 131.7 7.1 126.0 2.0
30 0.55 0.049 19 0.002 15 0.129 99 0.005 44 0.019 36 0.000 26 156.7 102.3 124.1 4.9 123.6 1.7
注:样品为XKL-ZK320-3。
图 4 小柯勒河花岗斑岩锆石阴极发光(CL)图像 Fig. 4 Cathodoluminescence images of the granite porphyry from Xiaokelehe
图 5 小柯勒河花岗斑岩锆石U-Pb年龄协和图(a)及加权年龄图(b) Fig. 5 Concordia diagram of zircon U-Pb ages(a) and plot of weighted mean ages(b) for the granite porphyry from Xiaokelehe
3.2 主量元素

小柯勒河花岗斑岩主量元素分析结果见表 2。从表 2可以得出主量元素特征为富硅,w(SiO2)为69.85%~70.48%;富碱,w(Na2O+K2O)为9.74%~9.89%;相对富钾,Na2O/K2O为0.74~0.82;富铁,w(TFe2O3)为2.68%~3.08%;贫钙、贫镁,w(CaO)为1.04%~1.20%,w(MgO)为0.34%~0.40%。TAS图解(图 6a)中,样品全部落入亚碱性的石英二长岩-花岗岩范围内,在w(K2O)-w(SiO2)图解(图 6b)中,样品分布于钾玄岩系列区域;样品饱和指数A/CNK值为0.98~1.02,A/NK值为1.14~1.17,由A/NK-A/CNK图解(图 6c)可知,岩石属于准铝质-弱过铝质系列岩石。

表 2 小柯勒河花岗斑岩主量元素、稀土和微量元素质量分数及有关参数 Table 2 Major, REE and trace element content and parameter of the granite porphyry from Xiaokelehe
样品号 SiO2 TiO2 Al2O3 TFe2O3 MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 烧失量 总量
XKL-ZK320-3-Y1 70.48 0.36 14.97 2.68 0.10 0.34 1.07 4.26 5.61 0.07 1.26 99.32
XKL-ZK320-3-Y2 70.01 0.38 15.05 3.08 0.13 0.39 1.04 4.23 5.56 0.07 1.30 99.33
XKL-ZK320-3-Y3 70.19 0.37 15.25 2.81 0.10 0.38 1.06 4.31 5.42 0.07 1.24 99.62
XKL-ZK320-3-Y4 69.85 0.37 15.22 2.73 0.09 0.39 1.10 4.26 5.50 0.07 0.97 99.60
XKL-ZK320-3-Y5 70.17 0.36 15.12 2.78 0.11 0.34 1.11 4.46 5.42 0.07 1.35 99.50
XKL-ZK320-3-Y6 70.42 0.36 14.94 2.75 0.11 0.35 1.06 4.21 5.68 0.07 1.30 99.41
XKL-ZK320-3-Y7 70.30 0.36 15.00 2.88 0.12 0.35 1.07 4.18 5.59 0.07 1.39 99.60
XKL-ZK320-3-Y8 69.98 0.36 14.97 3.05 0.13 0.40 1.20 4.37 5.40 0.07 1.53 99.65
样品号 Na2O/K2O Na2O+K2O A/CNK Mg# ID T/℃ La Ce Pr Nd Sm Eu
XKL-ZK320-3-Y1 0.76 9.87 1.00 19.96 89.01 876.36 152.09 316.12 26.20 94.85 16.26 1.97
XKL-ZK320-3-Y2 0.76 9.79 1.01 19.98 87.78 875.65 55.38 114.49 10.68 45.62 7.68 1.12
XKL-ZK320-3-Y3 0.80 9.74 1.02 20.98 88.13 875.59 73.06 148.03 13.48 51.39 9.30 1.29
XKL-ZK320-3-Y4 0.77 9.76 1.02 22.04 88.06 876.07 58.75 121.64 11.50 45.30 8.14 1.18
XKL-ZK320-3-Y5 0.82 9.88 0.99 19.68 88.13 866.84 62.00 126.36 11.92 46.18 8.23 1.18
XKL-ZK320-3-Y6 0.74 9.89 0.99 20.22 88.92 874.84 57.62 118.39 11.12 47.39 7.84 1.16
XKL-ZK320-3-Y7 0.75 9.77 1.01 19.48 88.12 877.10 55.87 112.83 10.94 46.09 7.68 1.14
XKL-ZK320-3-Y8 0.81 9.77 0.98 20.58 87.63 866.25 56.57 117.95 10.87 46.32 7.74 1.11
样品号 Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu ΣREE LREE/HREE δEu δCe
XKL-ZK320-3-Y1 12.94 1.64 7.89 1.53 4.83 0.65 4.84 0.73 642.54 17.34 0.40 1.13
XKL-ZK320-3-Y2 6.02 0.95 4.84 0.98 3.15 0.47 3.24 0.52 255.13 11.65 0.49 1.08
XKL-ZK320-3-Y3 7.34 1.12 5.61 1.12 3.65 0.52 3.63 0.57 320.10 12.59 0.46 1.07
XKL-ZK320-3-Y4 6.43 1.02 5.16 1.06 3.41 0.50 3.45 0.55 268.08 11.42 0.48 1.08
XKL-ZK320-3-Y5 6.51 0.98 4.98 0.99 3.27 0.47 3.45 0.51 277.02 12.10 0.48 1.07
XKL-ZK320-3-Y6 6.31 0.99 5.16 1.03 3.30 0.47 3.56 0.53 264.87 11.41 0.49 1.07
XKL-ZK320-3-Y7 6.07 0.96 4.99 0.99 3.21 0.48 3.44 0.52 255.20 11.36 0.49 1.05
XKL-ZK320-3-Y8 6.15 0.96 5.10 0.98 3.14 0.47 3.45 0.52 261.32 11.58 0.48 1.09
样品号 (La/Yb)N Rb Sr Ba Ga Y Zr Nb Ta Hf Th U
XKL-ZK320-3-Y1 22.55 527.31 488.33 1 272 28.57 59.03 425.31 19.79 1.17 11.36 34.93 9.07
XKL-ZK320-3-Y2 12.26 151.44 262.94 1 096 19.38 31.01 455.90 19.45 1.11 11.81 20.75 6.87
XKL-ZK320-3-Y3 14.42 239.04 302.27 1 176 21.51 37.67 497.03 20.66 1.18 12.76 22.98 7.52
XKL-ZK320-3-Y4 12.20 175.20 266.29 1 202 20.15 33.37 482.11 18.28 1.14 12.44 22.14 7.13
XKL-ZK320-3-Y5 12.90 156.58 269.77 1 101 18.58 31.43 477.13 18.70 1.09 12.39 21.06 6.68
XKL-ZK320-3-Y6 11.59 167.47 286.74 1 156 19.00 32.29 462.94 18.46 1.12 12.01 21.64 6.89
XKL-ZK320-3-Y7 11.65 148.71 254.82 1 114 18.70 30.35 472.14 19.12 1.12 12.18 20.40 6.61
XKL-ZK320-3-Y8 11.76 148.97 261.37 1 087 18.03 31.13 449.12 19.08 1.11 11.61 20.88 6.64
注:A/CNK代表Al2O3/(CaO + Na2O + K2O)摩尔比;Mg# = 100(MgO/40.31)/(MgO/40.31+2TFe2O3/159.7)。主量元素质量分数单位为%;稀土和微量元素质量分数单位为10-6。标准化值据文献[20]。
a, b, c底图分别据文献[17]、[18]、[19]。 图 6 小柯勒河花岗斑岩TAS图解(a)、w(K2O)-w(SiO2)图解(b)及A/NK-A/CNK图解(c) Fig. 6 Diagrams of w(Na2O+K2O) -w(SiO2) (a), w(K2O)-w(SiO2) (b), A/NK-A/CNK (c)for the granite porphyry from Xiaokelehe
3.3 微量元素和稀土元素

小柯勒河花岗斑岩稀土元素特征为:LREE值为234.55×10-6~607.50×10-6,HREE值为20.17×10-6 ~35.04×10-6,LREE/HREE值为11.36~17.34,表现为富集轻稀土元素(LREE)和亏损重稀土元素(HREE)的特征;(La/Yb)N值为11.59~22.55,显示轻、重稀土元素分馏显著;δEu值为0.40~0.49,显示为Eu负异常,暗示源区有斜长石残留,也可能与斜长石分离结晶有关。在球粒陨石标准化配分图解(图 7a)中,各稀土配分曲线近一致,说明具同源岩浆演化的特征, 稀土元素配分曲线总体表现为向右倾斜。

图 7 小柯勒河花岗斑岩稀土元素球粒陨石标准化配分图(a)和原始地幔标准化蛛网图(b) Fig. 7 Chondrite-normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element patterns (b)of the granite porphyry from Xiaokelehe

小柯勒花岗斑岩微量元素特征为:富集大离子亲石元素(LILE)Rb、K,亏损Sr、Ba;富集高场强元素(HFSE)Th、U、Hf、Zr,强烈亏损Nb、Ta、Ti、P。在原始地幔标准化蛛网图(图 7b)中,样品的微量元素分布曲线较为相似,总体表现为向右倾斜的形式,说明岩石具地壳混染特点,存在明显的Nb、Ta、Sr、Ti和P负异常。

3.4 Hf同位素

岩石中176Hf/177Hf值范围为0.282 711~0.282 791,根据对应的锆石U-Pb年龄计算得出锆石的初始Hf同位素εHf(t)范围为0.5~3.3,平均值为2.2,一阶段Hf同位素模式年龄TDM1为766~649 Ma,二阶段Hf同位素模式年龄TDM2为1 150~970 Ma(表 3)。

表 3 小柯勒河花岗斑岩锆石Hf同位素数据 Table 3 Zircons Hf isotopic data of the granite porphyry from Xiaokelehe
样品编号 年龄/Ma 176Yb/177Hf 2σ 176Lu/177Hf 2σ 176Hf/177Hf 2σ εHf(t) TDM1/Ma TDM2/Ma fLu/Hf
XKL-ZK320-3-1 124 0.027 191 0.000 254 0.000 930 0.000 011 0.282 711 0.000 025 0.5 766 1 150 -0.97
XKL-ZK320-3-2 124 0.014 239 0.000 064 0.000 493 0.000 002 0.282 769 0.000 024 2.6 676 1 016 -0.99
XKL-ZK320-3-4 124 0.024 288 0.000 841 0.000 807 0.000 027 0.282 766 0.000 022 2.4 685 1 024 -0.98
XKL-ZK320-3-5 124 0.028 300 0.001 064 0.000 937 0.000 033 0.282 784 0.000 023 3.1 661 983 -0.97
XKL-ZK320-3-6 124 0.023 538 0.000 450 0.000 786 0.000 017 0.282 756 0.000 025 2.1 699 1 047 -0.98
XKL-ZK320-3-7 124 0.023 260 0.000 666 0.000 789 0.000 025 0.282 757 0.000 024 2.1 698 1 045 -0.98
XKL-ZK320-3-9 124 0.034 253 0.000 272 0.001 137 0.000 009 0.282 748 0.000 023 1.8 716 1 066 -0.97
XKL-ZK320-3-12 124 0.017 519 0.000 298 0.000 594 0.000 012 0.282 789 0.000 024 3.3 649 971 -0.98
XKL-ZK320-3-13 124 0.050 769 0.000 568 0.001 662 0.000 020 0.282 774 0.000 027 2.7 689 1 010 -0.95
XKL-ZK320-3-14 124 0.034 403 0.000 388 0.001 133 0.000 013 0.282 767 0.000 023 2.5 690 1 023 -0.97
XKL-ZK320-3-15 124 0.037 035 0.000 441 0.001 197 0.000 013 0.282 791 0.000 023 3.3 657 970 -0.96
XKL-ZK320-3-16 124 0.020 516 0.000 293 0.000 705 0.000 013 0.282 722 0.000 023 0.9 745 1 123 -0.98
XKL-ZK320-3-17 124 0.043 288 0.000 257 0.001 412 0.000 007 0.282 742 0.000 028 1.6 730 1 081 -0.96
XKL-ZK320-3-18 124 0.041 116 0.000 337 0.001 330 0.000 008 0.282 734 0.000 022 1.3 741 1 100 -0.96
XKL-ZK320-3-19 124 0.027 796 0.000 719 0.000 921 0.000 026 0.282 778 0.000 020 2.8 671 999 -0.97
4 讨论 4.1 岩石成因类型

目前,花岗岩的分类方案有很多,而应用最广泛的是ISMA分类法[21], 其中M型花岗岩较为少见,为幔源型花岗岩,通常产于蛇绿岩套中[22]。通过野外及镜下观察,花岗斑岩中并未见到石榴石、堇青石、白云母等S型花岗岩特征的富铝矿物,岩石化学成分为准铝质-弱过铝质,不同于S型花岗岩的强过铝质(A/CNK>1.1)。花岗斑岩中w(Na2O)较高(平均值为4.29%),而S型花岗岩w(Na2O)均值为2.81%[23]w(P2O5)低(平均值为0.07%),均低于0.10%,同时w(P2O5)与w(SiO2)呈明显的负相关关系,w(Rb)和w(Th)呈明显的正相关性,明显不同于S型花岗岩的特点。这也符合前人的研究,认为东北地区中生代花岗岩成因类型主要为A型和I型[24]。A型花岗岩在矿物学上,通常含有钠闪石-钠铁闪石、霓石-霓辉石、铁橄榄石等标志性碱性暗色矿物,稀土元素球粒陨石标准化配分图显示“V”字形配分样式,Eu负异常强烈,贫Al2O3,强烈亏损Sr、Ba,富集Nb、Ta[21]。而小柯勒河花岗斑岩没有观察到典型的A型花岗岩矿物,且具有中等的Eu负异常,w(Al2O3)较高(14.94%~15.25%),Sr、Ba亏损程度弱于A型花岗岩,亏损Nb、Ta,明显不同于A型花岗岩的特征。Whalen等[25]认为A型花岗岩以104Ga/Al>2.6区别于其他类型花岗岩,小柯勒河铜钼矿花岗斑岩中104Ga/Al值为2.28~3.67(平均值为2.57),在花岗岩104Ga/Al系列判别图(图 8)中, 花岗斑岩样品大部分落在I & S型花岗岩区域。综上所述,小柯勒河花岗斑岩应属于I型花岗岩。

A. A型花岗岩;I & S. I型花岗岩和S型花岗岩。底图据文献[25]。 图 8 小柯勒河花岗斑岩成因类型判别图解 Fig. 8 Discrimination diagrams for the granite porphyry from Xiaokelehe

前人[26-27]研究显示,δEu值越小、ID值越大,w(Y)越高,指示岩浆的结晶分异程度就越高,小柯勒河花岗斑岩w(Eu)较低,ID(87.63~89.01)、w(Y)较高,且花岗斑岩未出现角闪石,具有较高的w(SiO2)和较低的w(CaO)、w(MgO)、w(TiO2)、w(P2O5),说明经过了一定程度的结晶分异[28]。Harker图解(图 9)中,w(SiO2)与w(CaO)、w(Al2O3)呈负相关关系(图 9d, g),说明发生了斜长石的分离结晶,w(SiO2)与w(TiO2)、w(MgO)、w(TFe2O3)呈负相关关系(图 9c, e, h), 说明黑云母和Fe-Ti氧化物等矿物发生分离结晶。因此,认为小柯勒河花岗斑岩脉为分异的I型花岗岩。

图 9 小柯勒河花岗斑岩哈克图解 Fig. 9 Harker diagram of the granite porphyry from Xiaokelehe
4.2 岩浆源区

小柯勒河花岗斑岩表现为Nb、Ta、P、Ti等高场强元素的亏损以及Rb、Th、U等大离子亲石元素的相对富集,样品具有较低的Mg#值(19.48~22.04,平均值为20.37),表明其源区以陆壳成分为主,而P的亏损及K质量分数较高也反映出该花岗岩的壳源性[29]。小柯勒河铜钼矿花岗斑岩的La/Nb值为2.847~3.536,Th/Nb值为1.067~1.765,Th/La值为0.230~0.376,Ti/Zr值为4.620~5.482,这些比值均显示壳源岩浆的特点[30-31]。花岗斑岩在La/Yb-w(La)和Th/Nd-w(Th)图解(图 10)中与部分熔融形成的岩浆岩成分曲线一致,明显不同于分离结晶成因岩浆岩,指示小柯勒河花岗斑岩是壳源部分熔融岩浆冷凝结晶的产物。小柯勒河花岗斑岩w(Sr)为254.82×10-6~488.33×10-6(平均值为299.07×10-6),w(Yb)为3.24×10-6~ 4.84×10-6(平均值为3.63×10-6),为低Sr高Yb型花岗岩,表明该花岗岩的源区压力较浅,源区有斜长石的残留,无石榴石残留[32],部分熔融程度应在石榴石稳定区以上,暗示源区的温度较高[33]。根据前人的研究成果可知,由于锆石极抗风化且具有很高的Hf同位素体系封闭温度,即使在高级变质条件下,锆石仍可保持原始的Hf同位素组成,因此一般可以通过Hf同位素的基本原理来研究锆石的来源,进而讨论其岩浆源区[34]。样品的锆石176Hf/177Hf值相对较高,范围为0.282 711~0.282 791,εHf(t)范围为0.5~3.3(图 11),均为绝对值不大的正值,一般认为具有正εHf(t)值的岩石来自于亏损地幔或亏损地幔中新生地壳物质的部分熔融[34];部分εHf(t)在0值附近,反映有Hf同位素富集的古老地壳物质加入;锆石Hf同位素TDM2为1 150~970 Ma,反映其源区物质从亏损地幔中被抽取的时间为中—新元古代[35];前人研究发现,额尔古纳地块在中—新元古代发生了一次重要的地壳增生事件[36]。综上认为花岗斑岩的源岩主要为由亏损地幔衍生的中—新元古代新增生地壳的部分熔融的产物,并有少量古老地壳物质的加入。

图 10 小柯勒河花岗斑岩La/Yb-w(La)图解(a)和Th/Nd-w(Th)图解(b) Fig. 10 La/Yb-w(La) diagram (a) and Th/Nd-w(Th) diagram (b) for the granite porphyry from Xiaokelehe
图 11 小柯勒河花岗斑岩εHf(t)-t图解(a)和176Hf/177Hf-t图解(b) Fig. 11 εHf(t)- t diagram (a) and 176Hf/177Hf-t diagram (b) for the granite porphyry from Xiaokelehe
4.3 构造背景

大兴安岭北段地区晚侏罗世—早白垩世构造演化受蒙古—鄂霍茨克洋构造域的控制还是受古太平洋板块俯冲的控制,目前仍存在争议[5]

总结前人研究成果发现,早白垩世晚期古太平洋板块向欧亚大陆下俯冲[5],吉林和黑龙江东部与太平洋板块俯冲有关的浅成热液矿床的成矿作用大爆发,而大兴安岭北段明显减弱,且由西向东成矿年龄呈减小趋势,如大兴安岭北段的砂宝斯金矿床((130.1±1.3) Ma)[37]、宝兴沟金矿床((124.9±1.3)Ma)[38]以及三道湾子金矿床((119.1±3.9)Ma)[39];吉林东部和黑龙江地区的小西南岔金矿床((110.3±1.5)Ma)[40]、东安金矿床((105.1±0.7)Ma)[41]以及高松山金矿床((98.0±1.6)Ma)[42]。同时早白垩世晚期吉黑东部发育的火山岩为钙碱性火山岩组合(标志着古太平洋板块的俯冲),而松辽盆地和大兴安岭地区则主要为双峰式火山岩组合(与早期加厚陆壳的拆沉和/或类似弧后的伸展环境有关),证明太平洋板块俯冲作用影响的空间范围主要在松辽盆地以东地区[5]。前人认为大兴安岭地区晚中生代火山岩形成于造山后伸展环境,而非弧后伸展环境[43]。综上认为远离古太平洋板块俯冲带的大兴安岭岩浆岩活动可能不是由古太平洋板块俯冲引起的[44]

许文良等[5]认为蒙古—鄂霍茨克洋西部可能于晚三叠世开始闭合,东部可能于晚侏罗世—早白垩世完成闭合。晚侏罗世在满洲里—额尔古纳地区发育一套具有碱性-亚碱性过渡属性的火山岩组合,以塔木兰沟组玄武粗安岩-粗安岩-粗面岩(166~158 Ma)为代表,形成于与加厚陆壳垮塌阶段相对应的伸展环境[45]。早白垩世早期以大规模双峰式火山岩喷发和同时代的中酸性岩体侵入为特征,广泛分布一系列NE向的断陷盆地,为走滑断陷盆地和伸展断陷盆地,揭示该区在早白垩世早期处于伸展环境[46]。经前人[47]大量研究,晚侏罗世—早白垩世早期火山岩主要分布在松辽盆地以西地区,证明它们的形成与蒙古—鄂霍茨克缝合带的演化有关。研究表明早白垩世晚期大兴安岭地区仍处于蒙古—鄂霍茨克洋造山后的伸展环境,证据包括:火山事件表现为典型的双峰式火山岩组合,如额尔古纳地区上护林—向阳盆地和嫩江地区双峰式火山岩[48-49];广泛发育变质核杂岩,如内蒙古甘珠尔庙变质核杂岩[50];广泛分布造山后和非造山A型花岗岩,如五岔沟地区A型花岗岩、柴河A型花岗岩[51-52];在大兴安岭北段科洛、嘎拉山等地识别出多处伸展滑脱构造[53];发育裂谷盆地。在伸展构造背景下,岩石圈的减薄和软流圈物质的上涌为成岩提供了减压增温的环境。在减压—增温的挤压向伸展转变过程中,通常是造山带地壳物质大规模熔融形成花岗岩类的最佳时期[54]

小柯勒河花岗斑岩成岩年代属于早白垩世晚期(131~110 Ma),具有钾玄质岩石的特征,一般认为钾玄质岩石大量形成于大陆弧和后碰撞环境[55]。韩宝福[56]也指出后碰撞花岗岩类最突出的特点是岩石类型的多样性,其中包括钾玄岩系列花岗岩。在w(Rb)-w(Y+Nb)和w(Nb)-w(Y)构造判别图解(图 12)中,样品多数落入后碰撞花岗岩范围内,表明小柯勒河花岗斑岩形成于后碰撞构造环境,再结合其年龄,印证了蒙古—鄂霍茨克洋缝合带在早白垩世已经完成了闭合并进入了伸展阶段。综上认为研究区花岗斑岩的形成与蒙古—鄂霍茨克洋缝合带闭合后加厚陆壳的拆沉过程有关,形成于早白垩世蒙古—鄂霍茨克洋闭合后伸展构造环境。

底图据文献[57]。 图 12 小柯勒河花岗斑岩构造环境判别图解 Fig. 12 Tectonic discrimination diagrams for the granite porphyry from Xiaokelehe
5 结论

1) 小柯勒河花岗斑岩脉锆石U-Pb加权平均年龄为(124.0±0.6) Ma,成岩时代为早白垩世晚期。

2) 该岩脉富硅、碱,贫镁、钙,富集Rb、K、Th、U、Hf、Zr,亏损Sr、Ba、Nb、Ta、Ti、P,显示为中等Eu负异常,分异指数ID为87.63~89.01,属于分异的I型花岗岩。

3) 该岩脉的源岩主要为由亏损地幔衍生的中—新元古代新增生地壳部分熔融的产物,并有少量古老地壳物质的加入。

4) 该岩脉形成于早白垩世蒙古—鄂霍茨克洋闭合后的伸展构造环境。

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http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20210073
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文章信息

宫昀迪, 李碧乐, 李治华, 于润涛, 孙永刚, 张森
Gong Yundi, Li Bile, Li Zhihua, Yu Runtao, Sun Yonggang, Zhang Sen
大兴安岭北段小柯勒河花岗斑岩脉成因及地质意义: 锆石U-Pb年龄、岩石地球化学及Hf同位素制约
Petrogenesis and Geological Significance of Granite Porphyry Dike from Xiaokelehe in North Da Hinggan Mountains: Constraints from Zircon U-Pb Age, Geochemistry and Hf Isotopic Composition
吉林大学学报(地球科学版), 2021, 51(6): 1753-1769
Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2021, 51(6): 1753-1769.
http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20210073

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收稿日期: 2021-06-13

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