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大兴安岭北部凤凰山地区英云闪长岩地球化学特征与锆石U-Pb定年
郭宇飞, 杨言辰, 韩世炯, 谈艳, 薄军委     
吉林大学地球科学学院, 长春 130061
摘要: 凤凰山地区位于大兴安岭北部额尔古纳地块和兴安地块过渡带,该区广泛分布着前寒武纪变质岩系组成的兴华渡口群古老块体。本次研究发现凤凰山地区内还有古老的侵入体——英云闪长岩,零星分布于前寒武纪结晶基底内。本文以凤凰山地区英云闪长岩为研究对象,进行了岩石的主、微量元素测试和LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素定年。岩石地球化学特征显示,英云闪长岩属于过铝质钙碱性岩石系列岩石,富集Rb、K等大离子亲石元素(LILE),亏损Nb、P、Sr、Ta、Ti等高场强元素(HFSE),呈中等负铕异常(δEu=0.64~0.69),表现出火山弧花岗岩的特征。英云闪长岩的锆石呈长柱状,具有清晰的环带,显示出岩浆锆石的特征,其LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(807.7±2.2)Ma,表明其侵位时代为新元古代。结合区域构造演化史,认为该地区新元古代英云闪长岩的形成受Rodinia超大陆裂解-碰撞影响,是额尔古纳地块和兴安地块过渡带地壳增生的产物。
关键词: 锆石U-Pb年龄     地球化学     英云闪长岩     新元古代     凤凰山地区     大兴安岭北部    
Geochemistry and Zircon U-Pb Dating of the Tonalite from Fenghuangshan Area in Northern Daxing'anling
Guo Yufei, Yang Yanchen, Han Shijiong, Tan Yan, Bo Junwei     
College of Earth Science, Jilin University, Changchun 130061, China
Supported by Supported by the Geological Survey Project of China Geological Survey(1212011120342)
Abstract: Fenghuangshan is located in the transition zone between Erguna block in the north part of Daxing'anling Erguna and Xing'an block, where the Neoproterozoic granites are widely developed. According to this study, we found an ancient intrusive tonalite scattered within the Precambrian crystalline basement in Fenghuangshan area. Taking the tonalite developed in the Fenghuangshan area as the study object, we conducted an analysis for its geochemistry and zircon LA-ICP-MS U-Pb dating. The geochemical characteristics show that the tonalite belongs to per-aluminous calc-alkaline rock series, and the trace element compositions are characterized by enrichment of large ionic lithophile elements (LILEs; e.g., Rb, K),depletion of high field strength elements (HFSEs, e.g., Nb, P,Sr,Ta and Ti), and medium negative Eu anomaly (δEu=0.64-0.69),the geochemical characteristic of volcanic arc granite. The zircons from tonalite occurred as columnar in shape with fine-scale oscillatory growth zoning, showing a magmatic origin for these zircons, yield a weighted mean age of (807.7±2.2)Ma, which indicate that tonalite formed in Neoprpterozoic. Combined with the evolvement history of regional tectonics, we inferred that the formation of the tonalite in Fenghuangshan area was affected by the breakup and collision of Rodinia supercontinent, which is the product of crustal accretion of Erguna and Xing'an block.
Key words: zircon U-Pb age     geochemistry     tonalite     Neoproterozoic     Fenghuangshan area     northern Daxing'anling    

0 引 言

东北大兴安岭地区自西向东分布有额尔古纳地块和兴安地块,它们均具有古老的前寒武纪变质结晶基底——兴华渡口群[1-3]。自古生代以来,该区经历了古亚洲洋构造体系的演化,表现为多个微陆块之间的拼合;中、新生代又受到环太平洋构造体系和蒙古—鄂霍茨克海缝合带的影响,大地构造演化历史比较复杂,岩浆构造活动频繁[4]。近年来,有关大兴安岭地区花岗岩的锆石U-Pb定年结果表明,区内绝大多数花岗岩形成于早古生代和侏罗纪[5-6],而本次研究发现额尔古纳和兴安地块的过渡带——凤凰山地区内还存在古老的英云闪长岩侵入体的发育,零星分布于前寒武纪结晶基底内。因此,本文以出露于大兴安岭北部凤凰山地区兴华渡口群中的英云闪长岩为研究对象,进行了锆石U-Pb定年和岩石地球化学研究,进一步确认了该区新元古代岩石的存在,为研究本区前寒武纪地壳形成演化提供了年代学证据,具有重要的地质意义。

1 地质背景及岩相学特征

黑龙江凤凰山地区地处兴蒙造山带,额尔古纳地块南部边缘与兴安地块北缘之间的塔河过渡带之内。区内构造复杂,主要由复向斜褶皱构造、倒转的背斜褶皱构造以及NE向的得尔布干区域断裂的北东段组成[1, 7-8](图 1)。

1.第四系;2.白垩系光华组;3.侏罗系玛尼吐组;4.奥陶系大伊希康河组;5.奥陶系库纳森组;6.新元古兴华渡口群;7.白垩纪花岗闪长岩;8.早侏罗—晚三叠世花岗岩;9.石炭纪花岗岩;10.石炭纪二长花岗岩;11.新元古代花岗岩;12.新元古代花岗闪长岩;13.新元古代辉长岩;14.韧性剪切带;15.断裂;16.样品采集区。 图 1 凤凰山大地构造位置图及区域地质图 Figure 1 Tectonic location and geological map of Fenghuangshan area

研究区出露的地层有:古元古界兴华渡口群变质岩系(Pt3Xh),主要岩性为石榴石大理岩、花岗质片麻岩等;奥陶系库纳森组(O1k)和大伊希康河组(O1-2dy)的砂岩、粉砂岩等陆源碎屑岩;侏罗系玛尼吐组(J1mn)安山岩等;白垩系光华组(K1gn)安山岩、英安岩等。断裂构造极为发育,具多期次活动的特点,主要为NE向和EW向构造。其中,研究区北部的断裂由于侏罗系、白垩系火山喷发作用以及第四系沉积覆盖,使得NE向的区域性断裂在区内呈现断续的特征;EW向断裂为凤凰山韧性剪切断裂,控制了凤凰山地区内的结晶基底展布方向。另外,区内发育的构造还有凤凰山倒转背斜褶皱构造、向斜褶皱构造等。区内岩浆活动强烈,主要以新元古代花岗岩(Pt3γ)、花岗闪长岩(Pt3γδ)、辉长岩(Pt3ν)等为主,其次为海西晚期花岗岩(C2γ)、二长花岗岩(C2ηγ)等,以及燕山期花岗岩(T3J1γ)、二长花岗岩(K1ηγ)等。

本文所研究的岩石样品采自大兴安岭北端凤凰山采石场,岩性主要为英云闪长岩,该岩体与区内兴华渡口群呈侵入接触关系。

英云闪长岩,中细粒半自形粒状结构,块状构造,主要矿物成分为斜长石(50%~55%)、石英(25%~30%)、黑云母(15%),副矿物主要为磷灰石、锆石等(3%);黑云母主要呈片状、细鳞片状,少部分具绿泥石化,有一定程度的扭曲变形,部分可能为钾化产物(图 2)。

Qtz.石英;Pl.斜长石;Bt.黑云母;Ap.磷灰石。A,B.块状构造的英云闪长岩(FHS-02),手标本照片;C,D,E.中细粒英云闪长岩(+);F.英云闪长岩中斜长石发生弯曲变形;G.英云闪长岩中的磷灰石(+);H.英云闪长岩中的磷灰石(-)。 图 2 凤凰山英云闪长岩手标本及镜下显微照片 Figure 2 Photos of the hand specimen and micrographs of the tonalite in Fenghuangshan
2 测试方法

岩石地球化学样品的分析测试工作在广州澳实矿物实验室内完成。主量元素采用玻璃熔片大型X-射线荧光光谱(ME-XRF26)测试;微量元素及稀土元素利用酸溶法制备样品,使用ICP-MS(Element)测试完成,分析精度为:当元素质量分数大于10×10-6的误差小于5%,小于10×10-6的误差小于10%。锆石的挑选在中国地质科学院应用地球化学重点开放实验室完成。经过双目镜下仔细挑选表面平整光洁、晶型和透明度较好的锆石颗粒,然后将它们粘贴在环氧树脂表面,待环氧树脂固化之后对其表面抛光至锆石中心。抛光后将锆石进行透射光、反射光和阴极发光显微照相,通过反射光和CL图像详细研究锆石的晶体形貌和内部结构特征,以选择同位素分析的最佳点。

锆石U-Pb年龄测定和微量元素分析在天津地质矿产研究所实验室完成。锆石测定中采用直径25~30 μm的离子束,阴极发光(CL)图像利用扫描电镜+Gatan阴极发光MonoCL3获得,测试利用LA-ICP-MS进行U-Pb同位素测定,并采用标准锆石GJ-1作为外部年龄标准进行U、Pb同位素分馏校正。并采用ICPMS Data Cal程序和Isoplot程序进行数据处理,利用NIST612玻璃标样作为外标计算锆石样品的Pb、U、Th含量。本文所测定的岩石形成于新元古代,其结果以206Pb/238U年龄计算,年龄误差为2σ。

3 分析结果 3.1 主量元素

本次研究选择的3个样品均为英云闪长岩,SiO2质量分数为61.30%~64.66%,平均值63.29%,属中性岩类;Al2O3质量分数为16.20%~17.18%,平均值16.76%;MgO质量分数为2.45%~3.65%,平均值3.12%;Na2O质量分数为3.17%~3.65%,平均值3.36%;岩石碱的质量分数相对较高,w(Na2O+K2O)为7.43%~10.58%,K2O/Na2O值为1.04~2.34,属于钾质岩石,Na2O、K2O质量分数变化范围不大;P2O5平均质量分数为0.23%,TiO2平均质量分数为0.52%,说明岩浆岩相对贫磷和钛(表 1)。在硅碱图中,多数样品落入亚碱性系列,少数落入碱性系列。在AFM图中,样品落入钙碱性系列,由此确定英云闪长岩属亚碱性系列岩中的钙碱性系列岩石(图 3)。A/CNK-A/NK图(图 4),样品落入过铝质区域,表明英云闪长岩属过铝质岩石。

表 1 英云闪长岩主量元素及微量元素 Table 1 Major element compositions and REE element compositions of tonalite
样品号SiO2Al2O3CaOFe2O3K2OMgOMnONa2OP2O5TiO2A/NKA/CNKK2O/Na2O K2O+Na2OLaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTm YbLuYΣREELREEHREELREE/HREE(La/Yb)N(Gd/Yb)NδEuδCeRbSr BaPZrHfUThKCsGaNbTaCrTi
FHS-0164.66 16.91 1.72 5.08 3.78 3.25 0.08 3.65 0.25 0.58 2.25 1.84 1.04 7.44 49.00 91.30 9.71 32.40 5.39 1.02 4.13 0.62 3.49 0.68 1.95 0.28 1.87 0.25 18.00 220.09 188.82 31.27 6.04 17.67 1.78 0.64 0.95 147.00 269.00 1 620.001 084.59232.00 6.30 1.43 9.20 31 406.633.46 20.90 9.70 0.40 40.00 3 474.66
FHS-0263.90 16.20 1.08 4.40 4.00 3.65 0.06 3.25 0.24 0.55 2.23 1.94 1.23 7.25 62.40 112.00 12.20 41.80 7.11 1.31 4.95 0.67 4.19 0.74 2.21 0.33 2.09 0.31 20.20 272.51 236.82 35.69 6.64 20.13 1.91 0.64 0.92 148.50 169.00 1 145.001 048.80198.00 5.50 1.92 8.97 33 191.493.82 20.20 10.90 1.00 60.00 3 300.00
FHS-0561.30 17.18 2.58 5.17 7.41 2.45 0.07 3.17 0.21 0.43 1.62 1.30 2.34 10.58 42.20 75.90 7.65 30.30 5.42 1.23 5.39 0.82 4.56 0.86 2.55 0.37 2.21 0.33 25.90 205.69 162.70 42.99 3.78 12.87 1.97 0.69 0.94 166.50 196.00 1 455.00923.89 158.00 5.10 4.35 7.67 61 488.462.58 20.40 31.80 2.60 20.00 2 600.42
注:主量元素质量分数单位为%;微量元素和稀土元素质量分数单位为10-6
图 3 凤凰山英云闪长岩体AFM图 Figure 3 AFM diagram of tonalite in Fenghuangshan area
图 4 凤凰山英云闪长岩体A/CNK-A/NK Figure 4 A/CNK-A/NK diagram of tonalite in Fenghuangshan area
3.2 稀土、微量元素

英云闪长岩的稀土元素总质量分数较低,w(ΣREE)=(205.69~272.51)×10-6,平均232.76×10-6(表 1)。w(LREE)=162.70×10-6~236.82×10-6,平均值为196.11×10-6w(HREE)=31.27×10-6 ~42.99×10-6,平均值为36.65×10-6;LREE/HREE变化范围为3.78~6.64,平均值为5.49;(La/Yb)N变化范围为12.87~20.13,平均值为16.89,轻稀土分馏强烈,(Gd/Yb)N变化范围为1.78~1.97,平均值为1.89;δEu=0.64~0.69,平均值为0.66,显示较弱的负异常,表明岩浆演化过程中未经历明显的斜长石分离结晶作用。球粒陨石标准化稀土配分模式显示为轻稀土富集和重稀土元素相对亏损的特征。

从岩石样品的原始地幔标准化的微量元素蛛网图(图 5)可以看出,Rb、K等大离子亲石元素(LILE)具正异常,显示富集大量亲石元素;而Nb、Ta、Sr、P、Ti等高场强元素(HFSE)出现负异常,显示其亏损的特点。

球粒陨石标准化据Boynton[9];原始地幔标准化据Sun and Mc Donough[10] 图 5 英云闪长岩稀土元素球粒陨石标准化图解及微量元素原始地幔标准化图解 Figure 5 Chondrite-normalized REE distribution patterns and primitive mantle-normalized trace elements distribution patterns of tonalite
3.3 锆石U-Pb定年

英云闪长岩测年样品(FHS-01)采自凤凰山地区,样品中的锆石呈灰黑色,多数锆石为长柱或短柱状,长100~150 μm,长宽比为1.5∶1.0~2.5∶1.0,大部分锆石发育有清晰的振荡环带(图 6),U质量分数为581×10-6~2 371×10-6,具有典型岩浆锆石的特点[11]。20个锆石所测定年龄相对集中,均集中分布在谐和线上,20个测点的206Pb/238U年龄加权平均值为(807.7±2.2)Ma(MSWD=0.022)(图 7表 2),代表了英云闪长岩的形成时代为新元古代。

图 6 凤凰山英云闪长岩体部分锆石阴极发光图 Figure 6 CL images of selected zircons from tonalite in Fenghuangshan area
图 7 凤凰山英云闪长岩体锆石U-Pb谐和图 Figure 7 Zircons U-Pb concordia diagram of tonalite in Fenghuangshan area
表 2 凤凰山英云闪长岩锆石LAICPMS UPb同位素分析结果 Table 2 LAICPMS zircon UPb analyses of tonalite in Fenghuangshan
点号wb/10-6 Th/U 同位素比值年龄/Ma
PbUTh 206Pb/238U207Pb/235U207Pb/206Pb206Pb/238U207Pb/235U207Pb/206Pb
FHS-01-12812 0859390.450 50.133 50.001 01.214 20.015 90.066 00.000 880868071180525
FHS-01-22321 6977280.429 30.133 40.000 81.213 80.015 40.066 00.000 880758071080525
FHS-01-32091 5276590.431 80.133 50.000 81.218 70.015 50.066 20.000 880858091081425
FHS-01-42942 1338990.421 50.133 50.000 81.217 10.015 50.066 10.000 880858081081025
FHS-01-5755811090.187 70.133 60.000 81.219 30.016 40.066 20.000 880858091181327
FHS-01-63242 3718210.346 10.133 40.000 81.215 70.015 40.066 10.000 880758081081025
FHS-01-72491 8146130.337 90.133 60.000 81.216 60.015 40.066 10.000 880858081080825
FHS-01-81991 4355480.381 70.133 50.000 81.210 70.015 30.065 80.000 880858061079925
FHS-01-91591 1703880.331 50.133 70.000 81.216 40.015 70.066 00.000 880958081080625
FHS-01-102151 5656750.431 00.133 60.000 81.209 50.015 30.065 70.000 880858051079625
FHS-01-111811 3545300.391 20.133 10.000 81.211 90.015 30.066 00.000 880658061080825
FHS-01-121541 1494900.426 20.133 20.000 81.206 00.015 70.065 60.000 880658031079526
FHS-01-131761 2329190.746 20.133 50.000 81.211 30.015 60.065 8 0.000 880858061080125
FHS-01-141511 1015500.499 60.133 60.000 81.217 10.015 40.066 10.000 880858081080825
FHS-01-151941 3978240.590 10.133 50.000 81.218 70.015 50.066 20.000 880858091081225
FHS-01-161581 1743980.339 40.133 40.000 91.211 20.016 50.065 80.000 980768061180129
FHS-01-171701 2197080.581 20.133 50.000 91.215 30.015 70.06 60.000 880858081080725
FHS-01-181087535350.710 00.133 50.000 91.216 00.017 00.066 10.000 980858081180929
FHS-01-192531 8837490.397 90.133 50.000 81.215 50.015 40.066 00.000 880858081080725
FHS-01-201411 0085720.567 90.133 50.000 91.219 50.017 00.066 30.000 880868101181426
4 讨论 4.1 成岩时代

位于大兴安岭北部的额尔古纳地块是兴蒙造山带内的重要大地构造单元,其结晶基底主要由角闪岩相变质的兴华渡口群和少量新元古代花岗质岩石构成[12]。近年来,随着SHRIMP 锆石U-Pb、LA-ICP-MS 锆石U-Pb和40Ar-39Ar等精细同位素定年技术的提高,一些学者对额尔古纳地块基底性质进行了研究,获得了不少有关额尔古纳地块性质的准确年代学数据(表 3)。有关额尔古纳地块变质基地“兴华渡口群”的形成时代,传统观点认为,其形成时代为新太古代—早中元古代[1, 3, 12]。最新的研究资料显示,其形成时代为早—中寒武世和新元古代[2, 8, 14-15]

表 3 额尔古纳地块主要锆石测年结果 Table 3 Dating results of main zircon in Erguna massif
采样位置岩性测年结果/Ma测年方法资料来源
洛古河兴华渡口群(二云母石英片岩)(892±20)武广[13],2006
绿林林场细粒花岗闪长岩(800~900)SHIRMP武广[13],2006
韩家园子东南兴华渡口群(斜长角闪片岩)(816±27)苗来成等[8],2007
太平川林场西4 500 m混合岩化正长花岗岩(793.4±8.2) LA-ICP-MS 佘宏全等[14],2012
拉莫公路片麻状正长花岗岩(797.4±8.2)
莫尔道嘎—太平川巨斑状花岗岩(791.4±2.0) 孙立新等[2],2012
凤凰山英云闪长岩(807.7±2.2)本文

据最新的研究成果,额尔古纳地块中存在一些成岩时代为新元古代的岩浆锆石和变质锆石,年龄数据非常集中(图 8表 3),且本次研究获得凤凰山英云闪长岩成岩年龄为(807.7±2.2)Ma,进一步证实了该区存在前寒武纪变质基底的形成或裂解,表明额尔古纳和兴安地块过渡地带受新元古代中期构造岩浆活动影响,产生了一些与造山作用有关的岩体。

底图据文献[8] 图 8 额尔古纳地块测年样品位置图 Figure 8 The location of samples for dating in Erguna massif
4.2 构造意义

兴蒙造山带东段由3个主要微地块组成,分别为松嫩地块、兴安地块和额尔古纳地块。中元古代末期,由大陆碰撞初步形成全球性的Rodinia超大陆,在新元古时期Rodinia超大陆最终形成和裂解[16]。而古亚洲洋是在新元古代晚期Rodinia大陆裂解打开,到二叠纪晚期关闭,中国东北正是新元古代Rodinia等古陆形成和裂解碰撞事件的一部分。本文研究的凤凰山地区位于大兴安岭北部的额尔古纳地块和兴安地块结合部位,额尔古纳地块的东北缘,区内广泛分布着前寒武纪变质岩系组成的兴华渡口群古老块体,其形成环境为岛弧或大陆边缘弧后裂谷型火山沉积盆地[2, 14]

额尔古纳凤凰山地区英云闪长岩地球化学特征显示,该区岩石为钙碱性岩石系列,且岩石的全碱质量分数相对较高(7.43%~10.58%),铝饱和指数A/CNK(1.30~1.94)较高,为过铝质岩石。稀土元素特征表现轻重稀土分馏明显,具有明显的右倾式曲线特征,同时显示中等负铕异常(δEu=0.64~0.69);微量元素蛛网图显示具有一致的配分模式,富集大离子亲石元素(LILE)Rb、K等,亏损高场强元素(HFSE)Nb、P、Sr、Ta、Ti等,显示出与弧相关的造山构造环境花岗岩浆的特征。在岩浆源区δEu-(La/Yb)N判别图(图 9)中均落入壳源区域内,具有壳源特征。

底图据[17] 图 9 凤凰山英云闪长岩岩浆源区判别图解 Figure 9 Discrimination diagrams for magma sources of the Fenghuangshan tonalite

w(Nb)-w(Y)和w(Rb)-w(Y+Nb)图解(图 10)中,英云闪长岩大多落入火山弧花岗岩及火山弧同碰撞花岗岩区域,部分落入板内花岗岩区。反映该岩石形成于大陆弧背景下,具有增生在大陆壳边缘的新地壳特征,与分布在大兴安岭地区新元古代花岗岩的特征相似[2, 7, 14-15, 19]

底图据[18] 图 10 英云闪长岩的w(Nb)-w(Y)图解和w(Rb)-w(Y+Nb)图解 Figure 10 w(Nb)-w(Y) diagram and w(Rb)-w(Y+Nb) diagram of tonalite

结合额尔古纳区域构造演化史,新元古代初期(1 000~800 Ma),受新元古代Rodinia超大陆裂解-碰撞事件的影响,额尔古纳地块北缘发生洋壳俯冲、消减和碰撞作用,出现了碰撞型花岗岩侵入(805~793 Ma);同时,兴华渡口群中大量变质锆石年龄也位于900~800 Ma之间。因此,我们认为凤凰山地区英云闪长岩是岛弧活动大陆边缘的陆缘增生碰撞造山环境下的产物,岩浆来源于增生的新地壳物质的部分熔融[19-23],反映了额尔古纳地块和兴安地块过渡带在新元古代时期的一次重要的地壳增生事件。

5 结论

1) 大兴安岭北部额尔古纳和兴安地块过渡带的凤凰山地区英云闪长岩U-Pb年龄为(807.7±2.2)Ma,代表了该区新元古代一期重要的岩浆事件,证实了该区存在前寒武纪基底。

2) 凤凰山地区英云闪长岩为过铝质岩石,其稀土微量元素特征显示具有与大陆壳增生构造环境下花岗岩的特征,推断岩浆来源与增生的新地壳物质的部分熔融有关。

3) 结合大兴安岭地区北部的构造演化历史,认为该区新元古代英云闪长岩属火山弧-同碰撞环境,是受Rodinia超大陆裂解-碰撞影响,额尔古纳地块和兴安地块过渡带地壳增生的产物。

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http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.201605111
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郭宇飞, 杨言辰, 韩世炯, 谈艳, 薄军委
Guo Yufei, Yang Yanchen, Han Shijiong, Tan Yan, Bo Junwei
大兴安岭北部凤凰山地区英云闪长岩地球化学特征与锆石U-Pb定年
Geochemistry and Zircon U-Pb Dating of the Tonalite from Fenghuangshan Area in Northern Daxing'anling
吉林大学学报(地球科学版), 2016, 46(5): 1406-1417
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http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.201605111

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收稿日期: 2015-11-17

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