岩石学报  2016, Vol. 32 Issue (6): 1823-1838   PDF    
东北三江盆地始新世花岗闪长岩的发现及其地质意义:锆石U-Pb年代学、地球化学和Sr-Nd-Hf同位素证据
王智慧, 杨浩, 葛文春 , 毕君辉, 张彦龙, 许文良    
吉林大学地球科学学院, 长春 130061
摘要: 本文报道了三江盆地富锦地区临山花岗质岩体的锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄、全岩地球化学和Sr-Nd同位素与锆石Hf同位素资料,以确定其形成时代、岩石成因、源区性质及其构造属性。花岗闪长岩中的锆石均呈半自形-自形晶,震荡环带发育,Th/U比值=0.31~1.92,指示其岩浆成因。对岩浆锆石的定年结果显示,临山花岗闪长岩形成于~54Ma,这是目前东北地区报道的最年轻的花岗质岩浆作用。该期花岗闪长岩的SiO2含量主要在68.71%~72.42%之间,Na2O=3.29%~4.41%,K2O=2.79%~3.47%,Na2O/K2O=0.95~1.58,A/CNK=0.99~1.12;该区花岗闪长岩富集轻稀土元素(LREEs)和大离子亲石元素(LILEs),亏损重稀土元素(HREEs)和高场强元素(HFSEs),且轻重稀土元素分馏较强[(La/Yb)N=21.8~34.1]。样品无明显Eu异常(δEu=0.84~1.19)。它们的(87Sr/86Sr)i=0.7068~0.7071,εNd(t)介于-2.4~-2.3之间;锆石εHf(t)值介于+1.7~+5.7之间,二阶段Hf模式年龄(tDM2)介于765~1020Ma之间。上述特征表明,该期花岗闪长岩属于弱过铝质高钾钙碱性I型花岗岩,其原始岩浆起源于中元古代末-新元古代期间增生的陆壳物质的部分熔融。对三江盆地与佳木斯地块东缘已发表锆石Hf同位素资料进行总结和时空对比发现,佳木斯地块东缘和三江盆地具有相似的地壳增生历史,暗示三江盆地之下的基底物质可能仍归属于佳木斯地块范畴。另外,新生代临山岩体的识别,限制了富锦隆起的时限为始新世之后,并非前人认为的中生代。
关键词: 始新世花岗闪长岩     锆石U-Pb年龄     地球化学     三江盆地基底     富锦隆起    
Discovery and geological significance of the Eocene granodiorites in the Sanjiang basin, NE China: Evidence from zircon U-Pb chronology, geochemistry and Sr-Nd-Hf isotopes
WANG ZhiHui, YANG Hao, GE WenChun , BI JunHui, ZHANG YanLong, XU WenLiang    
College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China
Abstract: This paper presents zircon LA-ICP-MS U-Pb ages, whole-rock geochemical, whole-rock Sr-Nd and zircon Hf isotopic data of the Linshan hornblende-bearing granodiorites at Fujin in the Sanjiang basin, NE China, to constrain their emplacement age, magmatic sources, petrogenesis and tectonic setting. Zircons grains from these granodiorites are euhedral-subhedral in shape, display fine-scale oscillatory growth zoning with high Th/U ratios of 0.31~1.92, indicating a magmatic origin. U-Pb dating results give the emplacement age of about 54Ma for the granodiorites, which records the youngest granitic magmatic event in the NE China. The granodiorite have high SiO2 contents of 68.71%~72.42%, Na2O concentrations of 3.29%~4.41%, and K2O abundances of 2.79%~3.47%, with Na2O/K2O ratios of 0.95~1.58 and A/CNK values of 0.99~1.12. They are enriched in light rare earth elements (LREEs) and large ion lithophile elements (LILEs), and depleted in heavy rare earth element (HREEs) and high field strength elements (HFSEs), with (La/Yb)N ratios of 21.8~34.1. No obvious negative Eu anomalies (δEu=0.84~1.19) have been identified. They have (87Sr/86Sr)i ratios of 0.7068~0.7071 and εNd(t) values of -2.4 to -2.3. Zircon εHf(t) values range from +1.7 to +5.7, with model ages (tDM2) of 765~1020Ma. Collectively, it is suggested that these granodiorites chemically belong to weak peraluminous and high-K calc-alkaline I-type ones, and their primary magma could be derived from partial melting of Late Mesoproterozoic to Neoproterozoic crustal material. The summary and spatio-temporal compare of zircon Hf isotope data in the Sanjiang basin and the east part of the Jiamusi Massif, suggest that the Sanjiang basin and the east part of Jiamusi Massif have similar history of crustal growth. Therefore, we argue that the basement of the Sanjiang basin may be one part of the Jiamusi Massif. In addition, the identification of the Cenozoic Linshan pluton constrains that the timing of formation of the Fujin uplift should be the Eocene, not the Mesozoic as previously suggested.
Key words: Eocene granodiorites     Zircon U-Pb age     Geochemistry     Basement of Sanjiang basin     Fujin uplift    

中国东北位于中亚造山带的东段(Şengör et al., 1993),区域上分布着巨量花岗质岩石(吴福元等,1999),传统上将其形成时代视为海西期(吉林省地质矿产局,1988;内蒙古自治区地质矿产局,1991;黑龙江省地质矿产局,1993)。然而,最近发表的大量高精度年龄结果显示该区花岗岩主要形成于中生代,只有少量形成于早、晚古生代(葛文春等,2005;Wu et al., 2011;佘宏全等,2012;Zhao et al., 2014;Wang et al., 2012)和新元古代(Tang et al., 2013)。目前,东北地区中生代及以前花岗质岩浆作用的年代学格架已初步建立,那么,该区是否存在新生代花岗岩?虽然在俄罗斯远东地区已有新生代花岗岩的报道(Jahn et al., 2015;Tang et al., 未发表),但在我国境内还没有新生代花岗岩的报道。近年来,随着油气勘探由松辽盆地向外围盆地的转移,三江盆地以面积大、地层埋藏深、保存好,被作为重点靶区开展了初步的研究工作。虽然有一些三江盆地北缘早二叠世和晚白垩世侵入岩的报道并对其构造意义进行了初步的探讨(于介江等, 2013abc),但关于三江盆地基底组成和构造属性,以及富锦隆起时限等问题尚缺乏有效制约,导致认识上存在很大争议(刘杰等,2004;赵霞等,2007;章倩倩,2012;张海东等,2015)。本文报道了三江盆地富锦地区新生代花岗闪长岩的锆石U-Pb年龄、全岩主、微量和Sr-Nd同位素以及锆石Hf同位素分析结果,这对揭示东北地区新生代的构造演化以及讨论三江盆地基底属性具有重要意义。

1 区域地质背景及样品描述

中国东北地区位于中亚造山带东部,古生代期间,该区具有多块体拼合的构造属性,自西北至东南依次为额尔古纳地块、兴安地块、松辽地块和佳木斯-兴凯地块(Şengör et al., 1993;Yu et al., 2014)。中生代早期,古亚洲洋洋盆已经完成闭合,东北地区开始受到后造山伸展、古太平洋和蒙古-鄂霍次克古大洋三种构造机制的叠加作用(Meng et al., 2008;Xu et al., 20092013;Yu et al., 2012;Tang et al., 20142016)。中生代晚期(早白垩世早期)那丹哈达地体拼贴于佳木斯地块东缘(Zhou et al., 2014;Wang et al., 2015)。三江盆地位于佳木斯地块和那丹哈达地体的衔接部位,处在伊通-依兰断裂带和密山-敦化断裂带之间,向北与俄罗斯境内的中阿穆尔盆地相连(图 1a)。盆地自西向东分为绥滨拗陷、富锦隆起、前进拗陷等三个一级构造单元。传统认为,该盆地的基底可以区分出性质不同的三个区(黑龙江省地质矿产局,1993):西部主要由元古宙的兴东群、麻山群变质岩系和古生代花岗岩组成;中部主要由上古生界和早中生代花岗岩组成;东部由三叠系-下侏罗统深海相硅质、泥质页岩、浊积岩及中生代花岗岩组成。其中西部和东部的基底组成分别与佳木斯地块和那丹哈达地体发育的地层岩石组合类似,表明该盆地具有复合基底性质(程瑞玉等,2006;黑龙江省地质矿产局,1993;周建波,2009;章凤奇等,2012;于介江等,2013a)。自早-晚侏罗世以来,该盆地接受了数千米的海相-海陆交互相-陆相沉积,形成的含煤碎屑岩建造角度不整合于基底之上(黑龙江省地质矿产局,1993;章凤奇等,2012;章倩倩,2012)。

图 1 东北及邻区构造图(a,据Wu et al., 2007)和研究区地质简图(b,据黑龙江省地质矿产局,1997)Fig. 1 Tectonic map of Northeast China and its adjacent area(a,after Wu et al., 2007)and geological sketch map of the study area(b,after BGMRH,1997)

临山花岗质岩体位于黑龙江省富锦市东约15km的乌尔古力山西北部,属于三江盆地中间部分。在此之前,黑龙江省地质矿产局将临山岩体所在区域笼统划分为晚古生代地层范畴(黑龙江省地质矿产局,1997)。通过详细的野外地质调查发现,该岩体出露规模不大,侵入到上石炭统至下二叠统珍子山组(C2-P1z)(图 1b;黑龙江省地质矿产局,1997),发育岩石类型单一,均为中细粒含角闪石黑云母花岗闪长岩。

中细粒含角闪石黑云母花岗闪长岩呈中细粒半自形粒状结构和块状构造。主要矿物成分为石英(25%~30%)+斜长石(50%~55%)+碱性长石(10%~15%)+黑云母(5%~7%)±普通角闪石(<3%)。其中石英呈他形粒状,波状消光;斜长石多呈半自形柱状,发育聚片双晶和环带结构(图 2a);碱性长石可见条纹结构;黑云母多呈片状,局部发育绿泥石化蚀变;普通角闪石可见其两组近60°解理(图 2b),局部因蚀变转化成绿泥石和黑云母。副矿物主要有磷灰石、锆石、榍石,偶见少量磁铁矿等不透明矿物。

图 2 临山花岗闪长岩的显微照片Fig. 2 Photomicrographs of Linshan granodiorites
Hb-hornblende; Bi-biotite; Or-orthoclase; Pl-plagioclase; Q-quartz
2 分析方法 2.1 锆石U-Pb定年

用于U-Pb测年的样品(10GW247、11GW248)均采自野外天然露头。样品在河北省廊坊市宇能岩石矿物分选技术服务有限公司采用常规方法进行粉碎,然后用电磁选方法对其进行分选,在双目镜下挑选出晶形较好、透明且无明显裂痕的锆石颗粒置于双面胶上,灌上环氧树脂制靶,将其固化并打磨剖光,使锆石内部的结构露出,用于反射光、透射光和阴极发光(CL)图像的采集以及锆石原位微区单点U-Pb定年和Lu-Hf同位素分析。锆石的CL图像在北京大学物理学院电镜室的阴极荧光分析系统上完成。样品靶的制备和锆石U-Pb同位素测试是在中国地质大学(北京)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。用于锆石U-Pb测试的仪器是由美国New Wave Research Inc.公司生产的激光剥蚀进样系统(UPI93SS)和美国AGILENT科技有限公司生产的Agilent 7500a型四级杆等离子质谱仪联合构成的激光等离子质谱仪(LA-ICP-MS)。实验采用高纯度He作为剥蚀物质的载气,激光器工作频率为10Hz,测试点的激光束斑直径为36μm,质谱仪有效采集时间为45s。U-Pb同位素分馏以国际标准锆石91500作为外部校正,使用锆石中含量最稳定的29Si作为内标,使用TEM(416±5Ma)和QH(160±1Ma)作为监控标样。采用Glitter 4.4程序处理数据,普通铅校正详见Andersen(2002),年龄计算与谐和图的绘制均采用国际标准程序Isoplot(ver3.0)(Ludwig,2003)。本文样品锆石的LA-ICP-MS U-Pb分析结果见表 1

表 1 始新世花岗闪长岩锆石LA-ICP-MS U-Pb分析结果Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb data for the Eocene granodiorites
2.2 全岩主量元素和微量元素

野外采集的样品首先经过显微镜下薄片鉴定,然后选择最新鲜的样品用于地球化学分析。全岩的主量元素和微量元素分析由核工业北京地质研究院分析测试中心完成。其中主量元素在PW2404型荧光光谱仪(XRF)上进行,测试流程参照国家标准GB/T 14506.14—2010;微量元素分析采用ELEMENT XR型电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)完成,测试流程参照国家标准GB/T 14506.30—2010。本文全岩主量元素和微量元素的分析结果见表 2

表 2 临山花岗闪长岩主量元素(wt%)和微量元素(×10-6)分析结果Table 2 Major(wt%)and trace element(×10-6)contents of Linshan granodiorites
2.3 全岩Sr-Nd同位素

全岩Sr-Nd同位素组成分析在中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室的MC-ICP-MS完成。详细的实验流程见韦刚健等(2002)87Sr/86Sr和143Nd/144Nd比值分别用87Sr/86Sr=0.1194和143Nd/144Nd=0.7219校正,在本文样品的分析过程中,该仪器测定的Sr同位素国际标样NBS987的87Sr/86Sr比值为0.710243±14(2σ),Nd的同位素标样Shin Etou的143Nd/144Nd比值为0.512124±11(2σ)。本文样品的全岩Sr-Nd同位素数据见表 3

表 3 临山花岗闪长岩全岩Sr-Nd同位素组成Table 3 Whole rock Sr-Nd isotopic compositions of Linshan granodiorites
2.4 锆石原位Hf同位素

锆石原位Hf同位素分析在中国科学院地质与地球物理研究所LA-MC-ICP-MS实验室完成。实验采用Neptune多接受电感耦合等离子体质谱仪测定锆石的Hf同位素比值,激光束斑直径为63μm,采用哈佛大学国际标准锆石91500(176Hf/177Hf=0.282294±0.000015,176Lu/177Hf=0.00031)对仪器状态进行监控,并对样品进行外部校正,详细实验流程及仪器相关参数见Wu et al.(2006)。本文样品的锆石原位Hf同位素数据见表 4

表 4 始新世花岗闪长岩的锆石Lu-Hf同位素组成分析结果Table 4 Lu-Hf isotopic compositions of zircons from the Eocene granodiorites
3 分析结果 3.1 锆石U-Pb定年

本文对佳木斯地块富锦地区临山岩体的2个花岗闪长岩样品(10GW247和11GW048)进行了LA-ICP-MS U-Pb定年。所测锆石多呈自形-半自形晶,阴极发光图像上具明显震荡环带(图 3),Th/U比值介于0.31~1.92之间,表明它们为岩浆成因锆石(Koschek,1993;Belousova et al., 2002)。由于所测定的岩石形成于新生代早期,其结果以206Pb/238U年龄计算,单点分析年龄误差和加权平均年龄误差均为1σ

图 3 临山花岗闪长岩的代表性锆石阴极发光图像Fig. 3 CL images of the representative zircons from Linshan granodiorites

样品10GW247的采样位置为47°14′07.6″N,132°14′03.4″E,23个锆石分析点均位于U-Pb谐和线上,206Pb/238U年龄介于52~56Ma之间(表 1),其加权平均年龄为54±1Ma(MSWD=1.5,n=23)(图 4a)。样品11GW048的采样位置为47°13′43.4″N,132°15′12.4″E,25个锆石分析点均位于U-Pb谐和线上,206Pb/238U年龄介于51~57Ma之间(表 1),其加权平均年龄为53±1Ma(MSWD=4.3,n=25)(图 4b)。上述2个样品定年结果在误差范围内一致,代表了临山岩体的形成时代为始新世早期(~54Ma)。

图 4 临山花岗闪长岩的锆石U-Pb谐和图Fig. 4 Zircon U-Pb concordia diagrams of Linshan granodiorites
3.2 地球化学特征

临山岩体花岗质岩石的SiO2=68.7%~72.4%,Na2O=3.3%~4.4%,K2O=2.8%~3.5%,Na2O/K2O=0.95~1.58,Na2O+K2O=6.8%~7.5%,Al2O3=14.1%~15.7%,MgO=0.92%~1.2%,Fe2O3T=2.0%~3.0%,Mg#=42~49,A/CNK=0.99~1.12。在A/NK-A/CNK变异图解上(图 5a),呈现出弱过铝质特征。在K2O-SiO2图解中(图 5b),具有高钾钙碱性系列特征。这些始新世花岗闪长岩的地球化学特征与同时代锡霍特阿林造山带和吉黑东部中酸性火成岩类似(图 5ab)。

图 5 临山花岗闪长岩的A/NK-A/CNK图解(a,Maniar and Piccoli, 1989)和K2O-SiO2图解(b,Peccerillo and Taylor, 1976)Fig. 5 A/NK vs. A/CNK diagram(a,after Maniar and Piccoli, 1989)and K2O vs. SiO2 diagram(b,after Peccerillo and Taylor, 1976)for Linshan granodiorites

临山花岗闪长岩显示富含轻稀土元素(LREEs)、贫重稀土元素(HREEs)、无明显Eu异常(图 6a)和明显轻重稀土元素分馏的特征,它们的ΣREEs介于108×10-6~189×10-6之间,(La/Yb)N介于21.8~34.1之间,δEu=0.84~1.19,(Gd/Yb)N=2.56~3.32。其稀土配分型式与Adakite相比,HREEs含量偏高(图 6a)。在微量元素原始地幔标准化蛛网图(图 6b)上,该区花岗闪长岩总体表现出大离子亲石元素(Rb、Ba、Th等)的富集和高场强元素(Nb、Ta、Zr、Hf)及P的亏损。

图 6 临山花岗闪长岩的球粒陨石标准化稀土配分图解(a)和原始地幔标准化蛛网图(b)(标准化值据Sun and McDonough, 1989; adakite引自Yogodzinski et al., 1995)Fig. 6 Chondrite-normalized REE pattern(a)and primitive mantle-normalized trace element spider diagram of Linshan granodiorites(normalization values after Sun and McDonough, 1989; adakite values from Yogodzinski et al., 1995)
3.3 全岩Sr-Nd同位素

本文样品的全岩Sr-Nd同位素组成比较均一(图 7a),87Sr/86Sr和143Nd/144Nd比值分别介于0.707108~0.707559和0.512476~0.512484。根据锆石U-Pb定年结果(54Ma)计算,(87Sr/86Sr)i比值介于0.7068~0.7071之间,εNd(t)介于-2.4~-2.3之间,二阶段Nd模式年龄(tDM2)介于1050~1057Ma之间。

图 7 临山花岗闪长岩的εNd(t)-(87Sr/86Sr)i图解(a)和εHf(t)-t图解(b)Fig. 7 εNd(t)vs.(87Sr/86Sr)i diagram(a)and εHf(t)vs. t diagram(b)for Linshan granodiorites
3.4 锆石Hf同位素

从测试结果可以看出,研究区内两个样品的锆石Hf同位素组成基本一致,它们的176Hf/177Hf值在0.282787至0.282902之间,εHf(t)值介于+1.7~+5.7之间,Hf同位素单阶段模式年龄(tDM1)和二阶段模式年龄(tDM2)分别介于516~661Ma和765~1020Ma,这与中亚造山带东段显生宙火成岩中锆石Hf同位素组成类似,而明显不同于华北克拉通显生宙火成岩中锆石Hf同位素组成(图 7b;Yang et al., 2006)。

4 讨论 4.1 始新世花岗闪长岩的发现

Wu et al.(2011)对中国东北地区的花岗质岩石的形成时代做了系统的总结,初步建立了中生代及以前的年代学格架。研究表明,该区花岗质岩石主要形成于中生代,晚古生代和早古生代次之,另外还有极少量中-新元古代侵入体零星出露。但截至目前,对于该区是否存在新生代花岗质岩浆作用却没有得到证实。本文研究的富锦地区临山岩体,黑龙江地质矿产局(1997)曾对该区开展过初步的区域地质调查工作,将临山岩体所在区域一并划分为上石炭统至下二叠统珍子山组范畴。因此,关于该岩体的形成时代尚没有可靠的地质关系或同位素年代学资料予以约束。

本文所测定的临山岩体中锆石多呈自形-半自形晶,锆石CL图像(图 3)中显示清晰的振荡环带结构,结合较高的Th/U比值(Th/U=0.31~1.92),表明它们均是岩浆成因锆石,所测年龄代表了岩体的形成时代。锆石U-Pb定年结果显示,研究区花岗闪长岩的成岩年龄为~54Ma,表明临山岩体形成时代为始新世。临山岩体的识别和测年结果揭示出,三江盆地存在新生代早期花岗质岩浆作用,这也得到了吉林东部延吉地区发育古新世火山作用(55~58Ma埃达克质安山岩,Guo et al., 2007)的支持。此外,在俄罗斯远东地区的东锡霍特阿林也有古近纪花岗岩的报道(Jahn et al., 2015;Tang et al., 未发表),它们与本区古近纪花岗岩一起在东北亚大陆边缘构成了一条狭窄的古近纪花岗岩带。

4.2 岩石成因及岩浆源区特征

本文所研究的样品后期蚀变作用甚微,保持原始的岩浆结晶矿物的特征,且烧失量值较低(LOI=0.27~1.45)(表 2)。在原始地幔标准化蛛网图上,碱金属和碱土金属元素未表现出异常(图 6b)。这些特征表明后期蚀变作用对原始的化学组分影响很小。因此,全岩主、微量元素和Sr-Nd-Hf同位素组成可以用来反演原始岩浆演化过程及源区特征。

4.2.1 岩石成因类型

传统上,花岗岩可以划分为M、A、S、I四种成因类型(Eby, 19901992;Chappell and White, 2001;Whalen et al., 1987)。临山花岗闪长岩的矿物组成(普通角闪石和榍石)和化学属性-高钾钙碱性系列为弱过铝质岩石(A/CNK比值介于0.99~1.12,大部分小于1.1),可以判定临山花岗闪长岩属于I型花岗岩。另外,样品Al2O3和P2O5随着SiO2含量的增加而降低,进一步验证了其具有I型花岗岩的特征(李献华等,2007)。Guo et al.(2007)在延吉和龙地区识别出一套具有埃达克质岩石属性的古近纪安山岩,详细的全岩主、微量、Sr-Nd同位素和单斜辉石矿物组成分析表明,该期火山岩是伸展环境下岩浆混合作用的产物,它的形成并不需要热的、年轻大洋板片的俯冲过程或加厚下地壳的拆沉机制。本文研究的临山花岗闪长岩的年龄为~54Ma,与上述安山岩时代相当,那么两者之间地球化学属性是否可以类比,成因上是否具有相似性呢?

临山花岗闪长岩SiO2>56%;Al2O3=14.1%~15.7%,多数样品大于15%;Na2O/K2O=0.95~1.58,多数样品大于1.0;高Sr(331×10-6~578×10-6,除一个样品外均大于400×10-6)、低Y(6.64×10-6~13.30×10-6)和HREEs、Sr/Y比值高;轻重REE分异明显[(La/Yb)N=21.8~34.1];在球粒陨石标准化稀土元素配分图和原始地幔标准化微量元素配分图上(图 6ab),无明显Eu异常(δEu=0.84~1.19),Sr呈正异常,HFSEs相对亏损。

然而,临山花岗闪长岩与典型埃达克岩相比,Al2O3和MgO明显偏低,K2O明显偏高(表 1),HREEs相对较为平坦(图 6a)。在(La/Yb)N-SiO2图上(图 8),临山花岗闪长岩呈现出与埃达克岩不同的演化趋势:临山花岗闪长岩的(La/Yb)N随着SiO2的升高而升高,而埃达克岩却呈现与其相反的趋势。上述特征反映临山花岗闪长岩可能与由Defant and Drummond(1990)提出的由年轻的、热的俯冲洋壳部分熔融形成的典型埃达克岩具有不同的成因机制。

图 8 临山花岗闪长岩的(La/Yb)N-SiO2图解(图中埃达克岩数据引自Drummond et al., 1996; Martin,1999; Yogodzinski et al., 1995; Kay et al., 1993; Stern and Kilian, 1996)Fig. 8 (La/Yb)N vs. SiO2 diagram for Linshan granodiorites(data of adakites from Drummond et al., 1996; Martin,1999; Yogodzinski et al., 1995; Kay et al., 1993; Stern and Kilian, 1996)
4.2.2 岩浆演化及源区特征

花岗岩的起源主要有以下三种:(1)幔源岩浆的结晶分异(Han et al., 1997);(2)岩浆混合(Jahn et al., 2000);(3)地壳物质的部分熔融(Yang et al., 2015a)。临山花岗闪长岩样品的Nb/Ta和Zr/Hf比值相对均一,分别介于9.2~12.9(平均值为11.5)和24.3~31.1(平均值为27.4),与原始地幔组成(原始地幔:Nb/Ta=17.8,Zr/Hf=37;McDonough and Sun, 1995)相差甚远,而与地壳组成(Nb/Ta=11.4,Zr/Hf=33;Taylor and McLennan, 1985)更为接近。该区花岗闪长岩的MgO(0.92%~1.2%)、Fe2OT3(2.0%~3.0%)的含量较低,同时岩石具有较低的过渡元素Cr(8.24×10-6~11.7×10-6)、Co(4.04×10-6~6.49×10-6)、Ni(4.79×10-6~8.39×10-6)的含量,以上表明临山花岗闪长岩不可能来自幔源岩浆。对研究区进行野外考察过程中,并未发现有暗色微粒包体及其他岩浆混合的地质现象,且该区岩石的同位素组成变化范围较小,暗示其岩浆源区成分较均一(图 7a,b),故排除岩浆混合成因的可能性。临山花岗闪长岩具有高硅、富铝、富碱、贫镁、贫铁、富集大离子亲石元素,贫高场强元素的特征,表明这些花岗闪长岩应为地壳物质部分熔融的产物(Taylor and McLennan, 1985;Hofmann,1988;吴福元等,2007;张旗等,2008)。花岗闪长岩重稀土元素含量较低且分馏较弱暗示岩浆源区具有富含重稀土元素的矿物(如石榴子石±角闪石)的残留,暗示其原始岩浆应起源于加厚陆壳物质的部分熔融。结合临山花岗闪长岩具有I型花岗岩的特征,表明其原始岩浆应来源于由基性火成岩组成的加厚陆壳物质的部分熔融(Roberts and Clemens, 1993)。

岩石同位素组成分析显示,临山花岗闪长岩中锆石的εHf(t)值和全岩εNd(t)值较为均一,变化范围小。在Hf同位素组成演化图解上(图 7b),所有测试点均位于球粒陨石和亏损地幔演化线之间,远离古老地壳的Hf同位素演化线。锆石Hf二阶段模式年龄介于765~1020Ma之间,全岩二阶段Nd模式年龄介于1050~1057Ma之间。上述同位素特征表明临山花岗闪长岩的源区物质应是中元古代至新元古代时期从亏损地幔中增生的地壳物质。

La/Sm-La判别图解(图 9a)显示,该区花岗闪长岩在岩浆演化过程中主要经历了分离结晶作用(Allègre and Minster, 1978)。样品随着SiO2含量的升高,Al2O3、MgO、Fe2O3T含量降低(表 2),反映岩浆演化过程中普通角闪石发生了分离结晶,这也得到了相对平坦的重稀土元素分配型式和Ba-Sr(图 9b)及Dy-Er(图 9c)图解的支持。在稀土元素的配分图(图 6a)上,样品的Eu异常不明显,表明岩浆演化过程中,斜长石并非主要结晶分离相。由于岩浆中的P2O5主要富集于副矿物磷灰石中,TiO2和V主要富集于磁铁矿中。因此,伴随着岩浆演化的过程,P2O5、TiO2和V的变化(图 9d-f),表明了岩浆演化过程中磷灰石和磁铁矿结晶分异作用的存在。综上可知,在临山花岗闪长岩形成之前的原始岩浆演化过程中主要经历了普通角闪石、磷灰石、磁铁矿的结晶分异作用。

图 9 临山花岗闪长岩的主量元素和微量元素协变图解Fig. 9 Major element and trace element convariant diagrams for Linshan granodiorites

综上表明,富锦地区临山岩体的花岗闪长岩属高钾钙碱性I型花岗岩类,主要起源于年轻火成岩陆壳物质的部分熔融,岩浆源区为石榴子石(±角闪石)稳定区,在原始岩浆演化过程中主要经历了角闪石、磷灰石、磁铁矿的结晶分异作用。

4.3 三江盆地基底性质

三江盆地自西向东由绥滨坳陷、富锦隆起和前进坳陷组成,具有“两坳一隆”地质地貌特征。三江盆地位于佳木斯地块和那丹哈达地体的交汇部位,目前对其基底性质主要存在以下几种认识:(1)对应“两坳一隆”地质格局,三江盆地的基底性质也具有三分性:即西部绥滨坳陷主要由下元古界变质岩及侵入其中的花岗岩组成(董林森,2008;赵传振,2010;关德范,1980)。中部富锦隆起主要为晚古生代变质岩和同时期侵入的花岗岩基底(赵传振,2010;关德范,1980;董林森,2008;胡志方等,2006)。东部前进坳陷主要为早、中侏罗世海相硅质岩系及中生代花岗岩,属于那丹哈达地体的一部分(胡志方等,2006);(2)三江盆地西部绥滨坳陷和中部富锦隆起的基底组成一致,同为与佳木斯地块麻山杂岩具有一致岩相学特征的古老基底物质(刘杰等,2004)。而东部前进坳陷的基底则为具有那丹哈达地体特征的早、中侏罗世海相硅质岩系及其海底喷发辉绿岩(关德范,1980;赵传振,2010;董林森,2008)。上述关于三江盆地基底组成的认识主要来源于区域地质调查和初步的油气勘探等工作,这就导致了基底对比所在层位可能较浅,很难反映其深部地壳的组成和性质。本文统计了三江盆地东北缘勤得利六连、街津口和抚远地区已发表的早二叠世-晚白垩世花岗质岩石的锆石Hf同位素资料,结合临山岩体的同位素数据,与佳木斯地块东部花岗质岩石的锆石Hf同位素组成进行对比,讨论三江盆地基底的深部组成及其与佳木斯地块东部的异同。

统计的锆石Hf同位素资料显示,佳木斯东部密山地区二叠纪花岗岩的εHf(t)值介于-3.0~+4.8,tDM2介于976~2005Ma(Yang et al., 2015ab),三叠纪花岗岩的εHf(t)值介于-0.4~+9.14,tDM2介于664~1710Ma(Yang et al., 2015a);佳木斯地块东部二叠纪锦山花岗岩的εHf(t)值和二阶段模式年龄分别介于-4.0~+5.4和951~1578Ma(毕君辉等,2014)。而三江盆地东北缘早二叠世六连岩体的εHf(t)值介于+6.93~+11.23,tDM2介于628~862Ma(于介江等,2013c);三江盆地东北缘街津口-抚远地区晚白垩世花岗闪长(斑)岩的εHf(t)值介于+4.73~+8.42,tDM2介于617~853Ma(于介江等,2013b;柳佳成,2015)。数据对比和作图分析可以看出,三江盆地和佳木斯地块东部花岗质岩石具有相似的锆石Hf同位素组成:其一,绝大多数锆石测试点具有正的εHf(t)值,且变化范围基本一致(图 10ab);其二,绝大多数锆石测试点的二阶段Hf模式年龄介于610~1600Ma之间,属于中元古代至新元古代范畴(图 10c)。这就表明佳木斯地块东部与三江盆地基底具有相似的地壳演化历史,其深部基底皆是由中元古代至新元古代时期增生的地壳物质组成。需要注意的是,佳木斯地块东部花岗质岩石出现一些tDM2为古元古代、εHf(t)为负值的锆石测试点。另外,在锆石Hf同位素组成对经度的变化图解中,我们发现tDM2εHf(t)值在空间位置上存在线性变异特征,自西向东,tDM2显示由老变新的过渡趋势,εHf(t)值呈现逐渐增大的趋势。上述差异性特征的存在主要是因为:第一,佳木斯地块的基底物质存在不均一性,越是靠近核心部位(鸡西西麻山附近区域)其古老地壳物质的成分可能就越多;第二,三江盆地识别出来的花岗质岩石较为年轻,地壳同位素组成随时间演化本身具有趋向亏损的趋势。

图 10 佳木斯地块东缘和三江盆地东北部代表性岩石的εHf(t)-t图解(a)、εHf(t)-经度图解(b)和tDM2-经度图解(c)(佳木斯地块和三江盆地数据引自Yang et al., 2015ab; 毕君辉等,2014; 于介江等, 2013abc; 柳佳成,2015)Fig. 10 εHf(t)vs. t(a),εHf(t)vs. longitude(b)and tDM2 vs. longitude(c)diagrams for representative rocks in the east part of Jiamusi Massif and the northeast part of Sanjiang basin(data of Jiamusi Massif and Sanjiang basin from Yang et al., 2015ab; Bi et al., 2014; Yu et al., 2013abc; Liu,2015)

综上我们认为三江盆地基底和佳木斯地块可能具有相同的构造属性,即三江盆地应该是在佳木斯地块之上形成的地质单元。

4.4 对富锦隆起时限的制约

研究区位于三江盆地中部富锦地区(也称富锦隆起),该隆起与其西侧的绥滨坳陷和东侧的前进坳陷共同组成了三江盆地“两坳一隆”的格局。目前,对三江盆地“两坳一隆”格局形成时限研究工作较少,主要存在以下两种认识:(1)富锦隆起在早白垩世早期就是三江盆地东西坳陷的分界(章倩倩,2012;张海东等,2015);(2)早白垩世晚期,东亚大陆边缘发生了一次强烈的碰撞造山事件,导致富锦隆起附近发生大规模抬升(和钟铧等,2009)。由于缺少高精度的年代学证据支持,使得富锦隆起时限问题未能得到明确限定。

本文所研究的临山花岗闪长岩岩体位于富锦隆起部位,野外地质接触关系表明,临山岩体侵入到上石炭统至下二叠统的珍子山组中(黑龙江省地质矿产局,1997),该岩体出露地表系地壳抬升使其上覆岩石地层遭受剥蚀所致。因此,富锦地区发生的地壳抬升隆起时间应该晚于该岩体的形成时代。富锦地区临山花岗闪长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学结果显示,该岩体的形成时代为始新世(~54Ma)。由此断定,富锦隆起并非前人认为的中生代隆起(章倩倩,2012;张海东等,2015;和钟铧等,2009),而是发生在始新世(~ 54Ma)之后的新生代隆起。这就暗示,三江盆地不同位置,尤其是西侧绥滨坳陷和东侧的前进坳陷内始新世之前沉积形成的地层单元是可以横向对比的,这对以后的油气勘探和开发可能具有重要指示意义。

4.5 构造意义

目前对于东北及其邻区古近纪火成岩及其构造背景的研究甚少(Guo et al., 2007;Jahn et al., 2015)。三江盆地临山花岗闪长岩侵位时代的确认对东亚大陆边缘新生代构造演化提供了更有效的约束。本文研究的始新世花岗质岩石为弱过铝质的高钾钙碱性I型花岗岩,构造判别图解(图 11)显示,所有样品均落在火山弧环境,暗示其产生可能与大洋板块俯冲过程密切相关。近年来,很多学者在俄罗斯远东锡霍特阿林南端(92~56Ma,Tang et al., 未发表)、滨海地区(90~56Ma,Jahn et al., 2015)、哈巴罗夫斯克地区(131~75Ma,Jahn et al., 2015)识别出大量I型花岗质岩石,它们沿北北东向连续分布,与该区广泛存在的同期火山作用(Khanchuk et al., 2016)共同构成了欧亚大陆东缘火成岩带(Jahn et al., 2015),进而揭示晚白垩世至古近纪末期俯冲环境的存在。此外,在该花岗岩带西南侧的延吉地区存在古新世末期至始新世初期与伸展环境有关的埃达克质安山岩(58~55Ma,Guo et al., 2007),同时代火成岩的空间变异揭示了该时期岩浆作用的动力源应该源于东部,即太平洋板块向欧亚大陆的俯冲作用造成了欧亚大陆东缘白垩纪晚期至古近纪初期岩浆作用的形成。综上所述,三江盆地临山始新世花岗闪长岩形成于太平洋板块向欧亚大陆下俯冲的构造背景。

图 11 临山花岗闪长岩的Nb-Y(a)和Rb-(Y+Nb)图解(b)(据Pearce,1996)Fig. 11 Nb vs. Y(a)and Rb vs.(Y+Nb)(b)diagrams for Linshan granodiorites(after Pearce,1996)
5 结论

通过对三江盆地富锦地区临山岩体花岗闪长岩的锆石U-Pb年代学、地球化学、全岩Sr-Nd同位素及锆石Hf同位素分析,可以得到以下结论:

(1) 本文首次发现中国东北地区新生代花岗质侵入岩体,其锆石U-Pb定年结果显示:其形成于始新世(~54Ma),由此推断,富锦隆起的时限应为始新世之后。

(2) 临山花岗闪长岩属于弱过铝质、高钾钙碱性I型花岗岩。其原始岩浆起源于中元古代末至新元古代增生的加厚陆壳物质的部分熔融。岩浆演化过程中主要经历了普通角闪石、磷灰石、磁铁矿的结晶分异作用。

(3) 三江盆地基底和佳木斯地块可能具有相同的构造属性,其深部基底皆是由中元古代至新元古代时期增生的地壳物质组成。三江盆地临山地区始新世初期花岗闪长岩的形成与太平洋板块向欧亚大陆下俯冲过程密切相关。

致谢 感谢中国科学院地质与地球物理研究所杨进辉和杨岳衡研究员在锆石U-Pb-Hf同位素测试过程中给予的帮助;感谢中国科学院广州地球化学研究所梁细荣研究员在全岩Sr-Nd同位素组成分析过程给予的帮助;感谢核工业北京地质研究院分析测试研究中心在全岩主、微量分析过程中给予的支持。

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