2. 吉林省有色金属地质勘查局研究所, 长春 130012;
3. 长春工程学院机电工程学院, 长春 130012;
4. 吉林大学, 长春 130026;
5. 吉林大学地球科学学院, 长春 130061
2. Institute of Bureau of Nonferrous Metals Geological Prospecting of Jilin Province, Changchun 130012, China;
3. School of Mechanical & Electronic Engineering, Changchun Institute of Technology, Changchun 130012, China;
4. Jilin University, Changchun 130026, China;
5. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China
0 引言
中基性深成岩是一类从基性向中性转变的中深成岩石类型，其岩浆源区主要来自下地壳，因此它是记录了地壳性质或层次的典型岩石，亦是陆下岩石圈地幔与壳-幔间的相互作用、深部能量分配、构造环境演化等岩石探针之一[1-6]，它既可在洋中脊、大洋岛弧(增生楔)就位，也可以在活动大陆边缘以及陆内裂谷或深断裂、地幔柱等构造环境形成[2, 7-9]。其成因主要有：一种是由富集地幔部分熔融产生的岩浆经分异结晶作用形成[10]；另一种是幔源岩浆被地壳混染[11]；第三种是堆晶作用形成[2, 12]；还有一种可能是拆沉陆壳熔融的熔体与地幔橄榄岩反应形成[13-15]。这些研究成果推动了大陆动力学的发展，特别是为岩石圈地幔演化等一系列地质科学问题提供了理论依据。大兴安岭地区以发育大量的显生宙花岗岩和火山岩为特征，超基性、基性、中基性杂岩岩体较少，且研究程度较低。目前仅有10余处超基性、基性、中基性杂岩岩体(如塔河、塔源、富西里、乌拉山等地)有所报道。从报道的研究结果来看：塔河和塔源地区角闪辉长岩形成时代为下石炭世晚阶段(330 Ma), 被认为是来自于交代地幔辉石岩的部分熔融，交代流体由大洋板块俯冲消减提供[12]；富西里地区辉长岩形成时代为798.0~780.0 Ma，岩浆源区为富集地幔，被认为是拉张环境——裂谷或弧后盆地环境部分熔融产生[16]；内蒙古东部碧流台地区辉长岩形成时代为晚二叠世晚阶段—早三叠世早阶段(249 Ma)，是古亚洲洋闭合后，西伯利亚古板块和中朝古板块碰撞造山带受流体交代过的岩石圈地幔部分熔融作用的产物[17]。
本文将报道大兴安岭东坡北段大杨树盆地西侧小奎勒河下游花岗岩区内的中基性岩体的年代学、元素地球化学和Hf同位素地球化学特征，并结合前人的相关研究成果，探讨其岩石成因、形成环境、陆下岩石圈地幔性质以及壳-幔间的相互作用等问题。
1 区域地质概况研究区位于中国东北部大兴安岭东坡北段，地处兴蒙造山带东部兴安地块北部、大兴安岭主脊断裂与黑河—嫩江断裂之间，大杨树中生代火山盆地与大兴安岭东坡花岗杂岩隆起带之间的花岗杂岩区内(图 1)，是一个经历了古亚洲洋演化、兴蒙造山、鄂霍茨克洋演化、古太平洋俯冲和新生代超壳断裂作用的多期构造、岩浆、沉积作用的复合构造域，是我国造山带中发展历史最长、构造演化最复杂的一条巨型造山带[20]。区域内发育的地质体主要是晚古生代花岗岩、中生代火山-沉积岩以及第四纪沉积物，少量新元古代—早寒武纪(吉祥沟组)、志留纪(卧都河组)浅变质岩[21]；发育的侵入岩有晚古生代和中生代花岗杂岩及小规模的中基性杂岩。区域上以NNE向断裂和中生代花岗杂岩和火山岩发育为特征(图 1b)。研究区发育的地质体主要是石炭纪花岗杂岩(待发表)、基性杂岩(301 Ma)、中生代白垩纪二长斑岩(待发表)、第四纪陆相沉积物以及大黑沟组玄武岩(0.58 Ma[19])(图 1c)。
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| 图 1 大兴安岭地区构造图(a)、区域地质图(b)及研究区地质简图(c) Figure 1 Tectonic map of the Great Xing'an range (a), geology map of the area(b) and simplified geological map of study area(c) |
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研究区出露的中基性侵入岩体，主要分布在小奎勒河下游两侧的花岗岩区，它们呈不规则岩株状产出，侵位石炭纪花岗杂岩，出露总体面积约为6.58 km2，岩性接近。东侧主体岩石为灰绿色中粒角闪辉长岩，出露面积约为4.52 km2；岩石风化面呈黄褐色，新鲜面灰黑色或灰绿色(图 2a)，显晶粒状结构，块状构造(图 2b)；主要矿物为斜长石(40%~45%)、普通角闪石(35%~40%)、普通辉石(8%~10%)和碱性长石(5%~8%)，副矿物(< 1%)主要为磁铁矿、榍石、磷灰石、锆石等，可见钠长石化、绢云母化、绿帘石化等蚀变。其中：斜长石呈自形、半自形状，粒度主要为0.25 mm×0.50 mm~1.00 mm×2.00 mm，发育聚片双晶，在其边部普遍发生一定程度的钠长石化(d < 1.5 mm)、绢云母化、绿帘石化；碱性长石呈半自形板状，粒度主要为0.25 mm×0.50 mm，部分高岭土化；普通角闪石多呈墨绿色、浅棕色多色性，粒径为0.50~1.50 mm，最小粒径为0.20 mm，最大粒径可达2.50 mm，部分发生绿帘石化，并析出磁铁矿等矿物；普通辉石呈无色—浅棕色，不规则板状-粒状，粒径为0.50~0.80 mm，最小粒径为0.20 mm，最大粒径可达2.00 mm，多发生角闪石化、绿帘石化和绿泥石化等蚀变，呈残留状产出。西侧为灰白色细粒辉长闪长岩，呈不规则岩株状产在浅肉红色中粒二长花岗岩的内部，出露面积约为2.06 km2；岩石风化面呈黄褐色，新鲜面为灰白色(图 2c)，他形粒状结晶结构，块状构造(图 2d)；主要矿物为斜长石(40%~45%)、普通角闪石(40%~45%)和少量斜方辉石(< 5%)，副矿物(约占±1%)主要为磁铁矿、榍石、磷灰石、锆石等，粒度为0.25 mm×1.00 mm~0.50 mm×1.50 mm。主要矿物中：斜长石呈自形、半自形板柱状，粒度为0.40 mm×0.60 mm~1.20 mm×2.00 mm，发育聚片双晶，可见绢云母化、钠长石化等蚀变；普通角闪石呈自形长柱状，粒径为0.70~2.80 mm，淡黄色-绿色多色性；斜方辉石多呈他形粒状或残余状产出，发生较强的透闪石化、绿帘石化、绿泥石化等热液蚀变。
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| a, b分别为灰绿色中粒角闪辉长岩(D7225B2)手标本和镜下显微组构特征(奎中林场南东小奎勒河东侧); c, d分别为灰白色细粒辉长闪长岩(D7207B2)手标本和镜下显微结构特征(奎中林场南西小奎勒河西侧)。Pl.斜长石；Hbl.普通角闪石；Px.普通辉石；Ab.碱性长石。 图 2 研究区中基性侵入岩的手标本和镜下结构特征 Figure 2 Rock samples and microscopic structural features of intermediate intrusive rocks in the study area |
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本研究采用实验样品为小奎勒河两侧的角闪辉长岩和辉长闪长岩，采样位置见图 1c。测年采用单颗粒锆石U-Pb同位素测年法，全岩主量元素采用AxiosMaxX-荧光光谱仪，其中FeO采用50 mL滴定管滴定，微量元素和稀土元素的分析用X-serise2等离子质谱仪测试完成。
3.1 单颗粒锆石U-Pb同位素测年法和Hf同位素测试方法在采集样品的基础上，进行样品加工分离，实验过程首先将样品粉碎，经过浮选和磁选，在双目镜下手选得到单颗粒锆石(> 1 000粒)；然后由廊坊市区域地质矿产调查研究所完成；最后由地时科技有限公司完成。
3.1.1 锆石U-Pb同位素测年LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析由北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室完成，采用仪器为美国安捷伦科技有限公司电感耦合等离子体质谱仪Agi-lent ICPMS 7500ce和德国相干公司(Coherent)准分子激光COMPexPro102，激光束斑为32 μm，激光波长为193 nm，激光能量密度为10 J/cm2，激光频率为5 Hz。试验中采用载气流速0.68 L/min He气作为剥蚀物质的载气，采用国际标准锆石91500对其进行校正。由LAM-ICP-MS获得的铅同位素数据，采用Andersen的3D坐标矫正普通Pb，然后用GLITTER程序计算样品的同位素比值及元素含量，最后用geokit2014内部的isplot程序完成谐和图解和加权平均年龄。
3.1.2 Hf同位素分析采用原位测定法进行锆石的Hf同位素组成测定，实验在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成，利用New wave UP193激光剥蚀系统和Neptune Plus MC-ICP-MS进行联机测试；激光束斑的直径根据锆石的大小使用45 μm采用He气作为剥蚀物质的载气, 将剥蚀物质从激光剥蚀系统传送到MC-ICP-MS, 并在进入MC-ICP-MS之前与Ar气混合, 形成混合气。用179Hf/177Hf=0.732 5和172Yb/173Yb=1.352 74进行仪器质量歧视校正。同质异位干扰校正176Lu和176Yb对176Hf的干扰采用文献[22]的方法, 计算测定样品的176Lu/177Hf和176Hf/177Hf值。
3.2 全岩主微量元素分析分析样品由河北省区域地质矿产调查所地质实验室粉碎至200目后，开展主量元素分析和微量元素分析，主量元素分子采用AxiosMaxX-荧光光谱仪，FeO采用50 mL滴定管作为仪器滴定；样品按照1:5的比例放入Li2B4O7溶液中，在1 050~1 250 ℃温度下熔化，将熔化样品制成玻璃薄片进行分析，分析精度估计在1%(SiO2)和2%(其他氧化物)。
微量元素和稀土元素的分析均在X-serise2等离子质谱仪上完成；依照国标方法GB/T14501将50 mg全岩粉末(200目)置于聚四氟乙烯坩埚中分别用HNO3和HF、HClO4溶解。HClaq浸取到50 mL，最后做微量元素分析；分析过程中带入2个GBW系列标样同批测定：一个标样校正Li、Ba、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Cs、Ba、Pb、Th、U、Sc、Y及稀土元素；另一个标样校正W、Mo、Nb、Ta、Zr和Hf等元素，分析误差 < 5%。
4 分析结果 4.1 单颗粒锆石U-Pb同位素测年角闪辉长岩 实验样品为石炭纪角闪辉长岩(D7225B2)，CL图像(图 3a)和22个单颗粒锆石U-Pb年龄测定结果(表 1)揭示，它们整体可分3组：第一组为捕获锆石，其以内部结构不发育、浑圆状为特征(图 3a)，*Pb、Th、U质量分数分别为(94.80~222.25)×10-6、(862~2 562)×10-6、(1 524~3 542)×10-6，Th/U值为0.57~0.81，其具有较高的w(Th)和w(U)，5颗粒锆石206Pb/238U年龄为332~316 Ma(表 1)，加权平均年龄(320.0±4.4)Ma(n=5，MSWD=2.70)，这组锆石可能为捕获早期碎屑锆石；第二组为角闪辉长岩的主体锆石，其特征是明显发育内部环带结构，*Pb、Th、U质量分数分别为(8.32~62.92)×10-6、(60~667)×10-6、(156~989)×10-6(其中两件分别为1 012×10-6、1 102×10-6)，Th/U值为0.33~0.65，单颗粒锆石谐和年龄为(300.7±2.2)Ma (n=15，MSWD=1.50)(图 3b)，加权平均年龄(301.9±2.6) Ma(n=15，MSWD=2.50)；第三组为岩浆演化晚期锆石，内部发育条带或环带构造2粒锆石，*Pb、Th、U质量分数分别为12.09×10-6和14.51×10-6、70×10-6和133×10-6、245×10-6和282×10-6，Th/U值为0.29和0.47；2个单颗粒锆石的206Pb/238U年龄分别为286 Ma和283 Ma，加权平均年龄(284.5±4.2)Ma(n=2，MSWD=0.50)(图 3c)。
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| 图 3 研究区角闪辉长岩(D7225B2)的单颗粒锆石CL图像(a)、207Pb/238U-206Pb/235U年龄谐和曲线(b)和加权平均年龄图谱(c) Figure 3 Single zircon CL images(a), zircon 207Pb/238U-206Pb/235U diagrams (b)and weighted mean age profiles(c) of bojite(D7225B2)in the study area |
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| 测点号 | wB/10-6 | Th/U | 同位素比值 | 年龄/Ma | |||||||||||||
| *Pb | Th | U | 207Pb/ 206Pb |
1σ | 207Pb/ 235U |
1σ | 206Pb/ 238U |
1σ | 207Pb/ 206Pb |
1σ | 207Pb/ 235U |
1σ | 206Pb/ 238U |
1σ | |||
| D7225-01 | 40.07 | 277 | 748 | 0.37 | 0.053 0 | 0.000 8 | 0.351 3 | 0.004 9 | 0.048 1 | 0.000 4 | 328 | 16 | 306 | 4 | 303 | 3 | |
| D7225-02 | 32.67 | 321 | 594 | 0.54 | 0.053 4 | 0.000 9 | 0.348 0 | 0.005 2 | 0.047 3 | 0.000 4 | 347 | 18 | 303 | 4 | 298 | 3 | |
| D7225-03 | 49.99 | 551 | 843 | 0.65 | 0.053 1 | 0.000 8 | 0.360 2 | 0.004 8 | 0.049 2 | 0.000 4 | 333 | 15 | 312 | 4 | 310 | 3 | |
| D7225-04 | 14.51 | 133 | 282 | 0.47 | 0.051 2 | 0.001 2 | 0.316 1 | 0.006 7 | 0.044 8 | 0.000 5 | 248 | 31 | 279 | 5 | 283 | 3 | |
| D7225-05 | 22.07 | 155 | 418 | 0.37 | 0.052 9 | 0.001 0 | 0.345 3 | 0.005 8 | 0.047 4 | 0.000 5 | 324 | 22 | 301 | 4 | 298 | 3 | |
| D7225-06 | 26.52 | 249 | 468 | 0.53 | 0.052 3 | 0.000 9 | 0.350 2 | 0.005 6 | 0.048 5 | 0.000 5 | 300 | 20 | 305 | 4 | 306 | 3 | |
| D7225-07 | 55.93 | 616 | 989 | 0.62 | 0.052 9 | 0.000 7 | 0.345 5 | 0.004 4 | 0.047 4 | 0.000 4 | 323 | 14 | 301 | 3 | 299 | 3 | |
| D7225-08 | 24.90 | 174 | 474 | 0.37 | 0.053 9 | 0.000 9 | 0.350 3 | 0.005 3 | 0.047 1 | 0.000 4 | 368 | 18 | 305 | 4 | 297 | 3 | |
| D7225-09 | 12.09 | 70 | 245 | 0.29 | 0.052 1 | 0.001 2 | 0.326 1 | 0.007 1 | 0.045 4 | 0.000 5 | 292 | 31 | 287 | 5 | 286 | 3 | |
| D7225-10 | 62.92 | 667 | 1 102 | 0.60 | 0.053 3 | 0.000 7 | 0.353 1 | 0.004 3 | 0.048 1 | 0.000 4 | 342 | 13 | 307 | 3 | 303 | 3 | |
| D7225-11 | 99.58 | 1 224 | 1 605 | 0.76 | 0.053 2 | 0.000 7 | 0.368 9 | 0.004 1 | 0.050 3 | 0.000 4 | 337 | 12 | 319 | 3 | 316 | 3 | |
| D7225-12 | 25.93 | 238 | 449 | 0.53 | 0.054 0 | 0.001 0 | 0.366 9 | 0.006 2 | 0.049 3 | 0.000 5 | 369 | 21 | 317 | 5 | 310 | 3 | |
| D7225-13 | 35.79 | 241 | 666 | 0.36 | 0.052 0 | 0.000 8 | 0.348 3 | 0.004 9 | 0.048 6 | 0.000 4 | 284 | 17 | 303 | 4 | 306 | 3 | |
| D7225-14 | 25.88 | 225 | 468 | 0.48 | 0.052 5 | 0.000 9 | 0.348 4 | 0.005 6 | 0.048 2 | 0.000 5 | 306 | 20 | 304 | 4 | 303 | 3 | |
| D7225-15 | 8.32 | 60 | 156 | 0.38 | 0.053 7 | 0.001 6 | o0.353 2 | 0.009 9 | 0.047 7 | 0.000 5 | 360 | 43 | 307 | 7 | 300 | 3 | |
| D7225-16 | 32.76 | 305 | 607 | 0.50 | 0.053 1 | 0.000 8 | 0.340 6 | 0.005 0 | 0.046 6 | 0.000 4 | 332 | 17 | 298 | 4 | 293 | 3 | |
| D7225-17 | 14.42 | 91 | 274 | 0.33 | 0.053 6 | 0.001 1 | 0.353 7 | 0.007 0 | 0.047 9 | 0.000 5 | 355 | 27 | 308 | 5 | 301 | 3 | |
| D7225-18 | 56.00 | 485 | 1 012 | 0.48 | 0.054 0 | 0.000 8 | 0.356 8 | 0.004 5 | 0.048 0 | 0.000 4 | 370 | 14 | 310 | 3 | 302 | 3 | |
| D7225-19 | 116.63 | 1 464 | 1 808 | 0.81 | 0.053 5 | 0.000 7 | 0.379 0 | 0.004 3 | 0.051 4 | 0.000 5 | 351 | 12 | 326 | 3 | 323 | 3 | |
| D7225-20 | 222.25 | 2 562 | 3 542 | 0.72 | 0.052 7 | 0.000 6 | 0.372 7 | 0.003 8 | 0.051 3 | 0.000 4 | 316 | 10 | 322 | 3 | 323 | 3 | |
| D7225-21 | 98.17 | 1 013 | 1 625 | 0.62 | 0.056 1 | 0.000 7 | 0.391 3 | 0.004 5 | 0.050 6 | 0.000 5 | 458 | 12 | 335 | 3 | 318 | 3 | |
| D7225-22 | 94.80 | 862 | 1 524 | 0.57 | 0.054 1 | 0.000 7 | 0.394 6 | 0.004 5 | 0.052 9 | 0.000 5 | 376 | 12 | 338 | 3 | 332 | 3 | |
| 注：*Pb=206Pb×0.224+207Pb×0.221+208Pb×0.524。 | |||||||||||||||||
辉长闪长岩 实验样品为灰白色细粒辉长闪长岩(D7207B2)，CL图像(图 4a)和18个单颗粒锆石U-Pb年龄测定结果(表 2)揭示，它们整体可分3组：第一组为形成相对早的锆石，晶体呈自形、内部发育环带结构(图 4a)，2个锆石*Pb、Th、U质量分数分别为103×10-6和218×10-6、206×10-6和474×10-6、14.42×10-6和16.84×10-6，Th/U值为0.50和0.46，2个单颗粒锆石206Pb/238U年龄为306和305 Ma(表 2)，加权平均年龄为(305.5±4.2) Ma(n=2，MSWD=0.06)；第二组为辉长闪长岩的主体锆石，其特征是有的明显发育内部环带结构，有的不发育内部环带，*Pb、Th、U质量分数分别为(26~271)×10-6、(100~721)×10-6、(1.97~39.47)×10-6，Th/U值为0.26~0.56，单颗粒锆石谐和年龄为(299.8±1.8) Ma(n=13，MSWD=1.30) (图 4b)，加权平均年龄细化为(300.8±2.3) Ma(n=8，MSWD=0.90)和(296.3±2.4) Ma(n=5，MSWD=0.34)两组(图 4c)；第三组为热液锆石，发育在主体锆石边部，内部不发育环带构造，*Pb、Th、U质量分数分别为(63~89)×10-6、(194~238)×10-6、(4.69~12.97)×10-6，Th/U值为0.32~0.37，3个单颗粒锆石的206Pb/238U年龄为297~276 Ma，加权平均年龄为(278.3±3.4) Ma(n=3，MSWD=0.70) (图 4c)。
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| 图 4 研究区辉长闪长岩(D7207B2)的单颗粒锆石CL图像(a)、207Pb/238U-206Pb/235U年龄谐和曲线(b)和加权平均年龄图谱(c) Figure 4 Single zircon CL images (a), zircon 207Pb/235U-206Pb/238U diagrams (b)and weighted mean age profiles(c) of gabbro-diorite(D7207B2)in the study area |
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| 测点号 | wB/10-6 | Th/U | 同位素比值 | 年龄/Ma | |||||||||||||
| *Pb | Th | U | 207Pb/ 206Pb |
1σ | 207Pb/ 235U |
1σ | 206Pb/ 238U |
1σ | 207Pb/ 206Pb |
1σ | 207Pb/ 235U |
1σ | 206Pb/ 238U |
1σ | |||
| D7207-01 | 123 | 414 | 38.63 | 0.30 | 0.052 40 | 0.000 98 | 0.340 00 | 0.005 98 | 0.047 07 | 0.000 45 | 303 | 23 | 297 | 5 | 297 | 3 | |
| D7207-02 | 141 | 497 | 34.50 | 0.28 | 0.052 59 | 0.000 91 | 0.345 29 | 0.005 58 | 0.047 63 | 0.000 45 | 311 | 20 | 301 | 4 | 300 | 3 | |
| D7207-03 | 235 | 472 | 2.08 | 0.50 | 0.053 10 | 0.000 94 | 0.342 69 | 0.005 66 | 0.046 82 | 0.000 44 | 333 | 21 | 299 | 4 | 295 | 3 | |
| D7207-04 | 236 | 721 | 38.63 | 0.33 | 0.053 02 | 0.000 80 | 0.349 59 | 0.004 86 | 0.047 83 | 0.000 43 | 330 | 16 | 304 | 4 | 301 | 3 | |
| D7207-06 | 189 | 608 | 9.16 | 0.31 | 0.052 55 | 0.000 86 | 0.340 69 | 0.005 17 | 0.047 03 | 0.000 44 | 309 | 18 | 298 | 4 | 296 | 3 | |
| D7207-08 | 218 | 474 | 16.84 | 0.46 | 0.052 18 | 0.000 90 | 0.349 05 | 0.005 59 | 0.048 53 | 0.000 45 | 293 | 20 | 304 | 4 | 305 | 3 | |
| D7207-09 | 147 | 402 | 6.79 | 0.36 | 0.052 00 | 0.000 96 | 0.343 40 | 0.005 93 | 0.047 91 | 0.000 46 | 285 | 22 | 300 | 4 | 302 | 3 | |
| D7207-10 | 271 | 509 | 7.90 | 0.53 | 0.053 13 | 0.000 89 | 0.349 14 | 0.005 43 | 0.047 67 | 0.000 44 | 334 | 19 | 304 | 4 | 300 | 3 | |
| D7207-11 | 133 | 335 | 16.84 | 0.40 | 0.053 72 | 0.001 08 | 0.355 79 | 0.006 75 | 0.048 05 | 0.000 47 | 359 | 25 | 309 | 5 | 303 | 3 | |
| D7207-12 | 100 | 194 | 8.23 | 0.51 | 0.053 44 | 0.001 42 | 0.328 61 | 0.008 36 | 0.044 61 | 0.000 47 | 348 | 38 | 289 | 6 | 281 | 3 | |
| D7207-13 | 26 | 100 | 39.47 | 0.26 | 0.053 92 | 0.002 10 | 0.354 65 | 0.013 40 | 0.047 72 | 0.000 59 | 368 | 63 | 308 | 10 | 301 | 4 | |
| D7207-14 | 103 | 206 | 14.42 | 0.50 | 0.051 44 | 0.001 29 | 0.344 85 | 0.008 23 | 0.048 63 | 0.000 50 | 261 | 36 | 301 | 6 | 306 | 3 | |
| D7207-15 | 89 | 238 | 6.12 | 0.37 | 0.052 49 | 0.001 25 | 0.316 49 | 0.007 15 | 0.043 74 | 0.000 45 | 307 | 33 | 279 | 6 | 276 | 3 | |
| D7207-16 | 46 | 144 | 3.92 | 0.32 | 0.053 32 | 0.001 72 | 0.342 57 | 0.010 69 | 0.046 60 | 0.000 53 | 342 | 50 | 299 | 8 | 294 | 3 | |
| D7207-17 | 210 | 381 | 6.11 | 0.56 | 0.053 70 | 0.001 01 | 0.351 98 | 0.006 17 | 0.047 55 | 0.000 46 | 358 | 23 | 306 | 5 | 299 | 3 | |
| D7207-18 | 143 | 266 | 1.97 | 0.54 | 0.054 03 | 0.001 17 | 0.354 35 | 0.007 26 | 0.047 57 | 0.000 48 | 372 | 28 | 308 | 5 | 300 | 3 | |
| D7207-19 | 63 | 194 | 4.69 | 0.32 | 0.053 08 | 0.001 48 | 0.321 94 | 0.008 62 | 0.044 00 | 0.000 48 | 332 | 41 | 283 | 7 | 278 | 3 | |
| D7207-20 | 75 | 201 | 12.97 | 0.37 | 0.050 49 | 0.001 38 | 0.327 83 | 0.008 59 | 0.047 10 | 0.000 51 | 218 | 41 | 288 | 7 | 297 | 3 | |
| 注：*Pb=206Pb×0.224+207Pb×0.221+208Pb×0.524。 | |||||||||||||||||
上述测年结果揭示，细-中粒角闪辉长岩成岩年龄为310~293 Ma，加权平均年龄为(301.9±2.6) Ma，成岩结束在286~283 Ma。辉长闪长岩第一组206Pb/238U年龄为306~305 Ma；第二组单颗粒锆石谐和年龄为(299.8±1.8) Ma，加权平均年龄存在(300.8±2.3) Ma和(296.3±2.4) Ma两个年龄段；第三组年龄在单颗粒锆石的206Pb/238U年龄为297~276 Ma，加权平均年龄为(278.3±3.4)Ma。进一步认证细-中粒角闪辉长岩为早期结晶形成，而灰白色细粒辉长闪长岩结晶略晚，整体岩浆阶段为310~293 Ma，岩浆热液期为297~276 Ma；体现岩浆期经历17 Ma，采用加权平均则为5.6 Ma，岩浆热液期经历21 Ma。因此，研究区中基性岩体的岩浆就位发生在晚石炭世与早二叠世初期构造转化过程。
4.2 元素地球化学特征主量元素 从岩石主量元素分析结果(表 3)可知：研究区角闪辉长岩的主要氧化物w(SiO2)为46.64%~51.73%、w(TiO2)为0.83%~1.58%、w(Al2O3)为12.29%~14.92%、w(Fe2O3)为1.91%~4.17%、w(FeO)为6.38%~7.42%、w(CaO)为9.80%~10.80%、w(MgO)为7.84%~10.20%、w(K2O)为0.93%~1.17%、w(Na2O)为2.15%~2.26%、w(P2O5)为0.245%~0.506%，K2O/Na2O值为0.42~0.52，Mg#为55.90~66.87，分异指数(ID)为25.04~26.73，固结指数(IS)为34.30~45.24，属基性岩石；辉长闪长岩的主要氧化物w(SiO2)为52.57%和52.97%、w(TiO2)为0.98%和0.96%、w(Al2O3)为15.40%和14.23%、w(Fe2O3)为3.51%和3.34%、w(FeO)为5.20%和5.63%、w(CaO)为9.71%和9.22%、w(MgO)为6.25%和6.98%、w(K2O)为1.05%和1.17%、w(Na2O)为2.93%和2.60%、w(P2O5)为0.264%和0.280%，K2O/Na2O值为0.36和0.45，Mg#为57.12和59.04，分异指数(ID)为34. 86和34.48，固结指数(IS)为32.98和35.39，属中基性过渡岩性。在w(Na2O +K2O)-w(SiO2)岩石化学分类图解(图 5a)上，成分点落在角闪辉长岩区和辉长闪长岩区；在R2-R1图解(图 5b)上，成分点落在辉长闪长岩与角闪辉长岩、辉长苏长岩分界线两侧；在w(K2O)-w(SiO2)岩系分类图解(图 6a)上，角闪辉长岩和辉长闪长岩的多数成分点落在钙碱性岩系列区，少部分碱性角闪辉长岩的样品落在高钾钙碱性岩系区；在w(K2O)-w(Na2O)碱性分类图解(图 6b)上，两者的成分点落在钠质与钾质分界线两侧；在A/NK-A/CNK图解(图 6c)上，所有样品成分点均落在准铝质岩系区；在TFeO-Na2O+K2O-MgO图解(图 6d)上，成分点分别落在分界线两侧的拉斑玄武岩系列和钙碱性系列分界线的两侧。因此，我们厘定所研究的两类岩石分异程度低，为准铝质、钠质-钾质、拉斑玄武岩与钙碱性系列过渡的中基性岩系。
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| a底图据文献[25]；b底图据文献[26]；c底图据文献[27]；d底图据文献[28]。 图 6 研究区中基性侵入岩体w(K2O)-w(SiO2)(a)、w(K2O)-w(Na2O)岩石系列(b)、A/NK-A/CNK图解(c)和AFM岩石系列图(d) Figure 6 w(K2O)-w(SiO2)(a), w(K2O)-w(Na2O) rock series(b), A/NK-A/CNK diagrams (c) and AFM rock series diagram (d) of the intermediate-basic intrusive rocks in the study area |
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稀土元素 从表 3可知:角闪辉长岩的w(∑REE)为(112.22~159.41)×10-6，w(LREE)为(98.37~123.22)×10-6、w(HREE)为(13.56~20.47)×10-6，LREE/HREE值为6.79~7.30、LaN/YbN值为4.83~5.91，δEu为0.88~0.93；辉长闪长岩的w(∑REE)为99.83×10-6和103.32×10-6，w(LREE)为87.43×10-6和89.43×10-6、w(HREE)为12.40×10-6和13.89×10-6，LREE/HREE值为7.05和6.44、LaN/YbN值为5.84和4.42，δEu为0.97和0.89。两者在稀土元素球粒陨石标准化图谱上，均呈现轻稀土元素富集、重稀土元素亏损，分馏程度较低，铕异常不明显的右倾型分布形式，所不同的是角闪辉长岩REE质量分数略高(图 7a)。
微量元素 表 3测试数据显示：角闪辉长岩与辉长闪长岩具有较接近的微量元素质量分数，它们的w(Li)为(13.40~22.70)×10-6、w(Rb)为(10.00~16.00)×10-6、w(Cs)为(0.88~2.02)×10-6、w(Sr)为(305.00~596.00)×10-6、w(Ba)为(217.00~288.00)×10-6、w(Nb)为(6.33~9.05)×10-6、w(Ta)为(0.44~0.50)×10-6、w(Th)为(2.13~4.35)×10-6、w(U)为(1.26~2.28)×10-6、w(Zr)为(71.10~107.00)×10-6、w(Hf)为(3.78~5.59)×10-6；所不同的是角闪辉长岩Th、U的质量分数偏低，而Nb、Ta、Nd、Y的质量分数偏高。在微量元素对原始地幔成分的曲线上，大离子亲石元素Cs、Ba、K等富集，Li、Rb、Nd等亏损，且亏损Ta、Nb、Zr、Ti高场强元素，相对富集Th、U等高场强元素，整体具有岛弧、大陆边缘岩浆属性(图 7b)。
4.3 Hf同位素地球化学特征在测年工作的基础上，进行了原位角闪辉长岩(D7225B2)单颗粒锆石Lu-Hf同位素测定。所测原位数据表明：年龄为332~316 Ma(第一组)的Lu-Hf同位素特征是176Yb/177Hf为0.017 521~0.041 282、176Lu/177Hf为0.000 816~0.001 920、176Hf/177Hf为0.282 739~0.282 939，εHf (t)为5.5~13.0、TDM 为746~443 Ma、TDMC为1 255~584 Ma、fLu/Hf为-0.98~-0.94(表 4，图 8)；年龄为310~293 Ma(第二组)的Lu-Hf同位素特征是176Yb/177Hf为0.007 451~0.044 565、176Lu/177Hf为0.000 358~0.002 099、176Hf/177Hf为0.282 820~0.282 980、εHf(t)为8.0~13.8、TDM为615~388 Ma、TDMC为1 014~494 Ma、fLu/Hf为-0.99~-0.94(表 4，图 8)；年龄为283和286 Ma(第三组)的Lu-Hf同位素特征是176Yb/177Hf为0.021 369和0.019 708、176Lu/177Hf为0.001 01和0.000 908、176Hf/177Hf为0.282 944和0.282 917、εHf(t)为12.1和11.2、TDM 为437和475 Ma、TDMC为631和714 Ma、fLu/Hf均为-0.97(表 4，图 8)。整体fLu/Hf为-0.99~-0.94，变化范围较小，表明岩浆源区相对均一，岩浆演化过程发生混染作用较弱或未发生混染。
| 测试号 | 年龄/ Ma |
176Yb/177Hf | 176Lu/177Hf | 176Hf/177Hf | 176Hf/ 177Hfi |
εHf(0) | εHf(t) | TDM/ Ma |
TDMC/ Ma |
fLu/Hf | |||||
| 数值 | 误差 | 数值 | 误差 | 数值 | 误差 | ||||||||||
| D7225-01 | 303 | 0.024 973 | 0.000 277 | 0.001 235 | 0.000 013 | 0.282 980 | 0.000 029 | 0.282 973 | 7.4 | 13.8 | 388 | 494 | -0.96 | ||
| D7225-02 | 298 | 0.027 307 | 0.000 271 | 0.001 284 | 0.000 014 | 0.282 882 | 0.000 024 | 0.282 875 | 3.9 | 10.2 | 529 | 815 | -0.96 | ||
| D7225-03 | 310 | 0.029 710 | 0.000 075 | 0.001 381 | 0.000 003 | 0.282 893 | 0.000 031 | 0.282 885 | 4.3 | 10.8 | 515 | 768 | -0.96 | ||
| D7225-04 | 283 | 0.021 369 | 0.000 163 | 0.001 010 | 0.000 008 | 0.282 944 | 0.000 024 | 0.282 939 | 6.1 | 12.1 | 437 | 631 | -0.97 | ||
| D7225-05 | 298 | 0.016 742 | 0.000 163 | 0.000 856 | 0.000 008 | 0.282 924 | 0.000 025 | 0.282 919 | 5.4 | 11.7 | 464 | 675 | -0.97 | ||
| D7225-06 | 306 | 0.011 205 | 0.000 524 | 0.000 518 | 0.000 022 | 0.282 878 | 0.000 029 | 0.282 875 | 3.8 | 10.4 | 524 | 804 | -0.98 | ||
| D7225-07 | 299 | 0.035 444 | 0.000 111 | 0.001 657 | 0.000 006 | 0.282 835 | 0.000 025 | 0.282 826 | 2.2 | 8.5 | 602 | 971 | -0.95 | ||
| D7225-08 | 297 | 0.021 716 | 0.000 063 | 0.001 052 | 0.000 002 | 0.282 820 | 0.000 025 | 0.282 814 | 1.7 | 8.0 | 615 | 1 014 | -0.97 | ||
| D7225-09 | 286 | 0.019 708 | 0.000 264 | 0.000 908 | 0.000 011 | 0.282 917 | 0.000 029 | 0.282 912 | 5.1 | 11.2 | 475 | 714 | -0.97 | ||
| D7225-10 | 303 | 0.009 043 | 0.000 057 | 0.000 429 | 0.000 003 | 0.282 873 | 0.000 028 | 0.282 871 | 3.6 | 10.1 | 530 | 823 | -0.99 | ||
| D7225-11 | 316 | 0.017 980 | 0.000 048 | 0.000 893 | 0.000 004 | 0.282 910 | 0.000 029 | 0.282 905 | 4.9 | 11.6 | 484 | 696 | -0.97 | ||
| D7225-12 | 310 | 0.017 652 | 0.000 022 | 0.000 808 | 0.000 001 | 0.282 910 | 0.000 032 | 0.282 905 | 4.9 | 11.5 | 483 | 704 | -0.98 | ||
| D7225-13 | 306 | 0.034 185 | 0.000 287 | 0.001 570 | 0.000 010 | 0.282 843 | 0.000 033 | 0.282 834 | 2.5 | 8.9 | 590 | 937 | -0.95 | ||
| D7225-14 | 303 | 0.014 592 | 0.000 170 | 0.000 709 | 0.000 006 | 0.282 910 | 0.000 027 | 0.282 906 | 4.9 | 11.4 | 481 | 709 | -0.98 | ||
| D7225-15 | 300 | 0.007 451 | 0.000 254 | 0.000 358 | 0.000 011 | 0.282 908 | 0.000 029 | 0.282 906 | 4.8 | 11.3 | 480 | 714 | -0.99 | ||
| D7225-16 | 293 | 0.026 336 | 0.000 380 | 0.001 222 | 0.000 017 | 0.282 898 | 0.000 029 | 0.282 891 | 4.5 | 10.7 | 505 | 770 | -0.96 | ||
| D7225-17 | 301 | 0.009 586 | 0.000 092 | 0.000 484 | 0.000 005 | 0.282 882 | 0.000 030 | 0.282 879 | 3.9 | 10.4 | 518 | 799 | -0.99 | ||
| D7225-18 | 302 | 0.044 565 | 0.000 030 | 0.002 099 | 0.000 003 | 0.282 885 | 0.000 023 | 0.282 873 | 4.0 | 10.2 | 537 | 817 | -0.94 | ||
| D7225-19 | 323 | 0.019 957 | 0.000 183 | 0.000 971 | 0.000 010 | 0.282 870 | 0.000 023 | 0.282 864 | 3.5 | 10.4 | 542 | 818 | -0.97 | ||
| D7225-20 | 323 | 0.041 282 | 0.000 342 | 0.001 920 | 0.000 014 | 0.282 739 | 0.000 037 | 0.282 728 | -1.2 | 5.5 | 746 | 1 255 | -0.94 | ||
| D7225-21 | 318 | 0.017 521 | 0.000 035 | 0.000 816 | 0.000 003 | 0.282 822 | 0.000 022 | 0.282 817 | 1.8 | 8.6 | 607 | 975 | -0.98 | ||
| D7225-22 | 332 | 0.018 357 | 0.001 441 | 0.000 862 | 0.000 063 | 0.282 939 | 0.000 026 | 0.282 933 | 5.9 | 13.0 | 443 | 584 | -0.97 | ||
研究区地质、岩相学、元素地球化学和U-Pb年代学研究揭示，本文研究的角闪辉长岩与辉长闪长岩在空间上伴生、成岩时代基本相同，分别为(301.9±2.6)、(300.8±2.3)和(296.3±2.4)Ma，且两者具有相似的微量元素和稀土元素特征，并且从角闪辉长岩到辉长闪长岩，随SiO2质量分数的增加，MgO、FeO质量分数降低，Fe3O2、Al2O3、MnO、Na2O质量分数略有升高，这种特征说明两者是同期、同源岩浆演化或以辉石为结晶矿物相控制岩浆演化形成的侵入体；并且在TFeO-Na2O+K2O-MgO图解(图 6d)上，成分点分别落在拉斑玄武岩与钙碱性岩区；在Al2O3-CaO-MgO三组分图解(图 9a)上[28]，角闪辉长岩、辉长闪长岩成分点落在镁铁质堆晶岩区域边界线的上部。因此，研究区的角闪辉长岩和辉长闪长岩形成是拉斑玄武质岩浆深成就位的产物，结晶过程以分离结晶作用为主，伴生堆晶作用两种方式形成，这一点与研究区两类岩石含有相对较高的角闪石质量分数一致。
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| a底图据文献[28]；b底图据文献[29]；c底图据文献[30]；d底图据文献[31]。MORB.洋中脊玄武岩；OIB.洋岛玄武岩；HIMU.代表具有极高238U/204Pb值的地幔；IAB.岛弧玄武岩；A.泥质沉积物、近海沉积物；B.生物沉积物；N-MORB.正常型洋中脊玄武岩。 图 9 研究区中基性侵入岩体Al2O3-CaO-MgO三组分(a)、w(V)- Ti/10-3(b)、La/Ba-La/Nb(c)、(Ba/La)N-(La/Sm)N(d)岩浆源区判别图解 Figure 9 Discriminant diagrams of Al2O3-CaO -MgO diagram(a), w(V)-Ti/10-3(b), La/Ba -La/Nb(c) and(Ba/La)N-(La/Sm)N(d)for magmatic source area of the intermediate-basic intrusive rocks in the study area |
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微量元素方面，与原始地幔成分相比，强烈亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素，显示岩浆形成环境为与大洋板块俯冲有关的岛弧或大陆边缘岩浆弧成因的岩浆属性(图 7b)；但在w(V)- Ti/10-3图解(图 9b)上，成分点落在靠近岛弧玄武岩区的洋底玄武岩区，表现洋底玄武岩向岛弧玄武岩过渡的元素地球化学特征。前人[28-32]根据岩石元素相容性、不相容性地球化学特征，采用元素与元素比值(La/Ba、La/Nb、Nb/Ta等)之间的相关关系来探讨源区、岩浆作用等。本文运用La/Ba-La/Nb、(La/Ba)N-(La/Sm)N、La/Sm-La、Sm/Yb-Sm和Sm/Yb-La/Sm岩浆源区和部分熔融程度图解对本文研究的中基性深成岩进行对比判别，结果表明：在La/Ba-La/Nb图解(图 9c)上，明显区别于MORB、原始地幔、OIB源区，成分点均落在La/Ba高的富集地幔区或接近原始地幔区，岩浆属性不具有典型与大洋板块俯冲作用提供以H2O为主的流体交代地幔楔形成的Ⅱ型富集地幔；在(Ba/La)N-(La/Sm)N图解(图 9d)上，成分点均落在下地壳平均值附近，明显远离N-MORB、IAB、PM区域，且没有明显的泥质沉积物、近海沉积物和生物沉积物加入；在Nb/Zr-Th/Zr图解(图 10a)上，成分点落在熔体与流体交代之间的区域，暗示岩浆作用过程是熔-流体交代的特征；在Ba/Zr-Th/Zr图解(图 10b)上，成分点落在以蚀变洋壳流体为主的演化区域；在Ba/Th-(La/Sm)N图解(图 10c)上，成分点落在受蚀变洋壳流体和沉积物加入影响不明显的区域；在La/Sm-w(La)(图 10d)、Sm/Yb-w(Sm)(图 10e)、Sm/Yb-La/Sm(图 10f)有关的DM(亏损地幔)、PM、N-MORB、E-MORB以及WAM相关的两种地幔岩(尖晶石二辉橄榄岩、石榴石二辉橄榄岩)部分熔融程度演化线图解上，成分点分别落在WAM(石榴石二辉橄榄岩)部分熔融的演化线上，并指示熔融程度5%左右，或落在WAM(gt+sp二辉橄榄岩)部分熔融的演化线上，并指示熔融程度也在5%，或落在E-MORB(gt+sp二辉橄榄岩)部分熔融演化线上，指示部分熔融程度 < 5%。
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| a底图据文献[33]；b底图据文献[34]；c, d, e, f底图据文献[35]。E-MORB.富集型洋中脊玄武岩；PM.原始地幔；DMM.亏损MORB地幔；WAM.西部安纳托利亚地幔。 图 10 研究区中基性侵入岩体的Nb/Zr-Th/Zr(a)、Ba/Zr -Th/Zr(b)、Ba/Th-(La/Sm)N(c)、La/Sm-w(La)(d)、Sm/Yb-w(Sm)(e)和Sm/Yb-La/Sm(f)源区性质和部分熔融程度图解 Figure 10 Diagrams of Nb/Zr-Th/Zr(a), Ba/Zr-Th/Zr(b), Ba/Th -(La/Sm)N(c), La/Sm - w(La)(d), Sm/Yb - w(Sm)(e) and Sm/Yb -La/Sm(f) for source region nature and partial melting degree of the intermediate-basic intrusive rocks in the study area |
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以上论述可知，研究区的角闪辉长岩、辉长闪长岩的岩浆源区不具备典型以H2O为主的流体交代地幔楔形成的Ⅱ型富集地幔、原始地幔、E-MORB、DM，也不具备有泥质沉积物、近海沉积物以及生物沉积物和陆壳物质加入的特征；其持有较高La/Ba值的特征揭示，源区是石榴石二辉橄榄岩和尖晶石二辉橄榄岩混生地幔，其部分熔融作用可能与软流圈提供熔体-流体作用有关，致使与岩石明显的富集U、Pb元素一致；并鉴于εHf(t)为5.5~13.8、TDM为746~388 Ma、TDMC为1 255~494 Ma，我们更倾向于源区应该是年轻的下地壳或先期形成的尖晶石二辉橄榄岩，并在造山过程大部分转化为石榴石二辉橄榄岩。
5.2 岩浆作用及地球动力学背景众所周知，镁铁质岩浆主要形成于大洋洋中脊、洋岛、地幔柱、俯冲岛弧-大陆边缘以及大陆内部深断裂环境。大兴安岭地区新的锆石年龄数据统计显示，古生代和前寒武纪地质时间主体存在840~780 Ma(前寒武纪基底形成)、780~550 Ma(额尔古纳被动陆缘)、550~460 Ma(西侧额尔古纳兴安)、485~420 Ma(多宝山—伊尔斯岛弧及其碰撞造山)、420~340 Ma(兴安地块边缘沟-弧-盆系)、340~305 Ma(松嫩地块-兴安地块碰撞拼合)、305~250 Ma(华北板块与蒙古兴安地块的碰撞拼合)、250~230 Ma(兴蒙造山后伸展，蒙古—鄂霍茨克洋被动陆缘)、200~175 Ma(蒙古—鄂霍茨克洋碰撞晚造山阶段)、155~120 Ma(古太平洋斜向俯冲)[18, 36-37]。研究区的角闪辉长岩、辉长闪长岩形成时代发生在301.9~296.3 Ma，适值松嫩地块-兴安地块碰撞拼合晚期的初始大洋岛晚期大洋弧环境(340~305 Ma)[18]，可能预示着此时蒙古—鄂霍茨克洋在大兴安岭北段打开；这一点与岩浆源区持有岩熔-流体交代地幔(石榴石+尖晶石二辉橄榄岩)、发生在活动陆缘弧(图 11a，b)，没有泥质沉积物、近海沉积物以及生物沉积物加入的下地壳源区(图 11c)以及在Zr/Al2O3-TiO2/Al2O3图解(图 11d)上成分点落在初始大洋岛-晚期大洋弧区域相适应。但是，岩石明显亏损Nb、Ta、Ti以及富集轻稀土等特征，一方面说明熔融程度低，另一方面可能反映岩浆源区是以辉石和石榴石、尖晶石等作为残留矿物相而导致的。
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| a底图据文献[36]；b底图据文献[37]；c底图据文献[36]；d底图据文献[37]。图a：SHO.钾玄岩；CAB.钙碱性玄武岩；TH.拉斑玄武岩；N-MORB.正常型洋中脊玄武岩；E-MORB.富集型洋中脊玄武岩；OIB.洋岛玄武岩；PM.原始地幔；CC.大陆地壳。图b：A. N-MORB系列(正常型洋中脊玄武岩系列)；B. P-MORB系列(地幔柱型洋中脊玄武岩系列); IAB.岛弧玄武岩。图c：A.泥质沉积物、近海沉积物；B.生物沉积物; C.板内碱性玄武岩系列；D.岛弧钙碱性玄武岩系列。图例同图 10。 图 11 研究区中基性侵入岩体的构造判别图 Figure 11 Tectonic discrimination plots of the intermediate-basic intrusive rocks in the study area |
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上述有关研究区中基性岩体的年代学、元素地球化学特征和Hf同位素地球化学特征研究揭示：
1) 研究区两个中基性岩体由细粒角闪辉长岩岩相和辉长闪长岩岩相构成，为准铝质、钾质-钠质、拉斑玄武质-钙碱性过渡岩系。
2) 初始岩浆起源于来自软流圈提供的熔体-流体交代作用的富集地幔低程度(< 5%)部分熔融作用，源区主要残留矿物相为辉石和石榴石、钙钛矿等；岩浆演化过程以结晶分离作用为主，伴随堆晶作用。
3) 岩浆侵位发生在310~293 Ma，适值松嫩地块-兴安地块碰撞拼合晚期向初始大洋岛晚期大洋弧初始环境。
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