岩石学报  2016, Vol. 32 Issue (9): 2690-2706   PDF    
兴蒙造山带南缘东段和龙地区Ⅰ型花岗岩锆石U-Pb定年、地球化学特征及其地质意义
关庆彬1, 李世超1, 张超2, 时溢3, 李鹏川1     
1. 吉林大学地球科学学院, 长春 130061 ;
2. 山东理工大学资源与环境工程学院, 淄博 255049 ;
3. 沈阳地质矿产研究所, 沈阳 110034
摘要: 本文对兴蒙造山带南缘东段和龙地区八家子岩体和勇新岩体进行了岩相学、地球化学、LA-ICP-MS U-Pb定年和Sr-Nd同位素研究,以便制约该区的区域构造演化。锆石测年结果显示,八家子石英闪长岩结晶年龄为257.8±0.9Ma,形成于晚二叠世早期,勇新二长花岗岩的结晶年龄为243.2±1.1Ma和238.5±2.8Ma,形成于中三叠世。八家子石英闪长岩为钠质钙碱系列、偏铝质的Ⅰ型花岗岩类,富集轻稀土(LREEs)和大离子亲石元素(LILEs,Cs、Ba、K和Sr),亏损重稀土(HREEs)和高场强元素(HFSEs,Nb、Ta和P),结合Sr-Nd同位素特征显示其为壳源成因,形成于俯冲环境下,是玄武质下地壳部分熔融的产物。勇新二长花岗岩富硅、铝和钾,为高钾钙碱性系列、偏铝质-弱过铝质的Ⅰ型花岗岩,富集轻稀土(LREEs)及大离子亲石元素(LILEs,Cs、K、Sr),亏损重稀土(HREEs)和高场强元素(HFSEs,Nb、Ta、P和Ti),结合Sr-Nd同位素特征显示其为壳源成因,形成于同碰撞环境下,是玄武质下地壳部分熔融的产物。花岗岩的侵位反映了研究区晚二叠世早期古亚洲洋板块俯冲于华北克拉通之下,中三叠世华北克拉通与兴凯地块碰撞拼合,说明古亚洲洋应闭合于晚二叠世末期-早三叠世期间。
关键词: 兴蒙造山带南缘     Ⅰ型花岗岩     锆石U-Pb测年     地球化学     古亚洲洋    
Zircon U-Pb dating, geochemistry and geological significance of the I-type granites in Helong area, the eastern section of the southern margin of Xing-Meng Orogenic Belt
GUAN QingBin1, LI ShiChao1, ZHANG Chao2, SHI Yi3, LI PengChuan1     
1. College of Earth Science, Jilin University, Changchun 130061, China ;
2. School of Resources and Environmental Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China ;
3. Shenyang Institute of Geology and Mineral Resource, Shenyang 110034, China
Abstract: Petrography, geochemical data, LA-ICP-MS zircon U-Pb dating and Sr-Nd isotopic have been obtained from Bajiazi pluton and Yongxin pluton in Helong area, with the aim of constraining the tectonic nature of the eastern section of the southern margin of Xing-Meng Orogenic Belt. LA-ICP-MS zircon U-Pb age data indicate that the quartz diorites from Bajiazi pluton formed during the early period of Late Permian and monzogranites from Yongxin pluton formed during Middle Triassic. Furthermore, Bajiazi quartz diorites belong to calc-alkaline, metaluminous I-type granitoids with feature of Na2O content is higher than K2O. They also show strong enrichment in LREEs and LILEs (Cs, Ba, K and Sr), depletions in HREEs and HFSEs (Nb, Ta and P). Combined the Sr-Nd isotopic data indicate the primary magma for Bajiazi pluton could be mainly derived from partical melting of the mafic lower crust under the tectonic setting of subduction. The Yongxin monzogranites belong to high-K calc-alkaline, metaluminous-weakly peraluminous I-type granitoids with features of rich in SiO2, Al2O3 and K2O. They also show strong enrichment in LREEs and LILEs (Cs, K and Sr), depletions in HREEs and HFSEs (Nb, Ta, Ti and P). Combined the Sr-Nd isotopic data indicate the primary magma for Bajiazi pluton could be mainly derived from partical melting of the mafic lower crust under the tectonic setting of syn-collision. The emplacement timing of Bajiazi pluton and Yongxin pluton reflect the Paleo-Asian oceanic plate had been subducting beneath the eastern section of the northern margin of the North China Plate during the early period of Late Permian, and the collision between North China Plate and Khanka Massif took place at the Middle Triassic, which suggests that the Paleo-Asian Ocean closed is between the end of Late Permian and Early Triassic.
Key words: Southern margin of Xing-Meng Orogenic Belt     I-type granites     Zircon U-Pb dating     Geochemistry     The Paleo-Asian Ocean    
1 引言

兴蒙造山带的构造演化一直受到地质学家的关注,延边和龙地区位于兴蒙造山带的东段,本区内古亚洲洋最后闭合于西拉木伦河-长春-延吉一线基本达到共识(王玉净和樊志勇,1997孙德有等, 2004, 2005周新华等,2009Cao et al., 2013张超,2014; Chen et al., 2015)。但是关于闭合时间的问题存在很强的争议。张炯飞(1997)郗爱华等(2006)等认为闭合于晚二叠世-早、中三叠世;Jia et al.(2004)Cao et al.(2013)认为闭合于晚二叠世-早三叠世;孙德有等(2004)冯光英等(2010)Yu et al.(2014)认为闭合于晚二叠世;Zhang et al.(2004)认为闭合于早三叠世;张超(2014)认为其闭合于中三叠世早期。研究区位于和龙-龙井一带,处于华北克拉通增生杂岩带与兴蒙造山带的交接部位,著名的古洞河断裂从研究区内通过,是研究兴蒙造山带构造演化的绝佳位置。八家子岩体和勇新岩体被前人与地层一并划入新元古界“新东村组”地层中,限制了对其的研究,除时溢等(2013)对勇新岩体进行测年与地球化学分析,再无其它资料。本文结合八家子岩体和勇新岩体的野外产状、矿物特征、年代学特征、地球化学特征及Sr-Nd同位素特征,进一步确定了其形成年代,探讨了成因及形成的构造环境。补充了八家子岩体和勇新岩体的年代学资料,为古亚洲洋的闭合时限提供新的证据。

2 地质背景及岩体地质

研究区位于和龙-龙井一带,大地构造位置处于兴蒙造山带南缘东段与华北克拉通北缘交接部位,兴凯地块的西南侧(图 1b),是古亚洲洋构造域与滨太平洋构造域的叠合部位(李之彤和赵春荆,1988刘先文等,1994刘永江等, 2010)。区内地层分为四个部分:华北克拉通太古宙结晶基底,包括鸡南岩组片麻岩和角闪岩组合;早中三叠世新东村组片岩、变粒岩和长仁大理岩;中生代断陷盆地主要由白垩系长财组、泉水村组、大拉子组及龙井组构成,为一套河流-河湖相碎屑岩以及火山岩-火山碎屑岩建造,受断裂构造控制;研究区内还出露新近纪船底山组玄武岩。吉林省地质调查院(2007)认为新东村组地层经过强烈的变形及变质作用改造,为一套构造片岩,将遭受了糜棱岩化作用的勇新岩体、八家子岩体及板岩、千枚岩、变质砂岩、黑云斜长片麻岩一并归入新元古界新东村组,与长仁大理岩统称为青龙村群。而项目组取得新东村组变质细砂岩中碎屑锆石最新年龄为242±3Ma(张超,2014),且被勇新岩体(243.2±1.1Ma,本文)侵入,所以将其归为中三叠统。因长仁大理岩产出于浅变质岩即变质砂岩、板岩、千枚岩、片岩等之上,故项目组将长仁大理岩同样置于早中三叠世。黑云斜长片麻岩的锆石U-Pb测年结果为2948±17Ma(未发表)形成时代为新太古代。勇新岩体锆石U-Pb测年结果为243.2±1.1Ma,形成时代为中三叠世;八家子岩体锆石U-Pb测年结果为257.8±0.9Ma,形成时代为晚二叠世。所以将前人“新东村组”解体重新规划为四个部分:晚二叠世石英闪长岩(八家子岩体);中三叠世二长花岗岩(勇新岩体);黑云斜长片麻岩归为新太古代鸡南岩组;浅变质岩变质砂岩、板岩、千枚岩、片岩归为中三叠统新东村组;鸡南岩组地层、新东村组地层及长仁大理岩以“包体”的形式残留于勇新岩体中(图 1a)。区内北西向断裂构造发育,著名的古洞河断裂从区内通过。沿着古洞河断裂分布着巨大的构造混杂岩带,岩块由鸡南岩组老变质岩、新东村组浅变质岩、长仁大理岩等地层残留体组成,基质主要由糜棱岩化花岗岩、石英闪长岩和闪长岩组成,构成了古洞河-富尔河岩浆杂岩带的东南端(图 1a)。区内早中侏罗世岩浆活动强烈,发育似斑状花岗岩、花岗岩、花岗闪长岩、辉长岩(图 1a)。


图 1 研究区地质简图(a)和大地构造位置图(b,据Wu et al., 2011) Fig. 1 Geological sketch map (a) and geological regional location map (b, after Wu et al., 2011) of the study area

吉林省地质调查院. 2007.汪清县幅、春化幅、延吉市幅、马滴达幅1:25万区域地质调查报告

八家子岩体出露于八家子镇-殷兴村附近(图 1a),岩性为石英闪长岩,呈岩株产出,出露面积较小,约4km2。被白垩纪地层不整合覆盖,被侏罗纪花岗岩和三叠纪糜棱岩化花岗岩侵入。岩石变形作用强烈,发育片麻理,片麻理产状北东向,仅局部变形较弱。

勇新岩体出露于永新盆地两侧(图 1a),岩性为含斑黑云母二长花岗岩、似斑状黑云母花岗岩及少量花岗闪长岩,出露面积很大,约290km2。岩体呈北西方向展布,侵入太古代鸡南岩组变质岩、新东村组浅变质岩、长仁大理岩、晚二叠世闪长岩和石英闪长岩中,鸡南岩组变质岩、新东村组浅变质岩和长仁大理岩以“包体”的形式残留于勇新岩体之中,勇新岩体被白垩纪地层和新近纪玄武岩不整合覆盖,被早-中侏罗世花岗岩侵入。与古洞河断裂相伴生,岩体自身遭受了不同程度的变形改造作用,由岩体中心向外变形作用逐步加强,糜棱叶理和矿物拉伸线理发育,糜棱叶理走向为北西西方向。

3 岩相学特征

八家子岩体岩性稳定为石英闪长岩,新鲜面深灰色-浅灰色,似斑状结构,块状构造(图 2a)。斑晶(25%)以斜长石为主,见少量的微斜长石以及条纹长石;基质为细粒花岗结构,由斜长石(55%)、微斜长石(5%)、石英( < 20%)、普通角闪石(5%)和黑云母(15%)组成;副矿物主要有磁铁矿、柱状磷灰石、双锥锆石、绿帘石、榍石(图 2b)。岩石中发育片麻理,片麻理产状近南北。


图 2 八家子岩体和勇新岩体的宏观和显微特征 (a)石英闪长岩(宏观);(b)石英闪长岩(微观,正交偏光);(c)似斑状二长花岗岩(宏观);(d)似斑状二长花岗岩(微观,正交偏光);(e)含石榴石二长花岗岩(宏观);(f)含石榴石二长花岗岩(微观,正交偏光).Q-石英;Pl-斜长石;Bi-黑云母;Hb-角闪石;Mic-微斜长石;Grt-石榴子石 Fig. 2 Macro and micro characteristics of the Bajiazi pluton and Yongxin pluton (a) quartz diorite (Macro); (b) quartz diorite (Micro, CPL); (c) porphyaceous monzogranite (Macro); (d) porphyaceous monzogranite (Micro, CPL); (e) garnet-monzogranite (Macro); (f) garnet-monzogranite (Micro, PPL). Q-quartz; Pl-plagioclase; Bi-biotite; Hb-hornblende; Mic-microcline; Grt-garnet

勇新岩体的岩性总体上为一套花岗质岩石,其主要岩性为似斑状黑云母二长花岗岩和含石榴石二长花岗岩。浅肉红色似斑状二长花岗岩:新鲜面浅肉红色,似斑状结构,初糜棱结构,块状构造。基质为中细粒花岗结构(图 2c)。斑晶(30%)主要由微斜长石和条纹长石组成;基质由条纹长石(30%)、斜长石(35%)、石英(25%)、普通角闪石(5%)和少量黑云母(5%)组成(图 2d);含副矿物有榍石、磁铁矿、柱状磷灰石、双锥锆石。中细粒含斑(含石榴石)二长花岗岩:新鲜面灰白色,糜棱结构,块状构造(图 2e)。含有少量长石残斑,基质为花岗结构,由斜长石(35%)、钾长石(35%)、石英(>20%)、黑云母(5%)、石榴石( < 5%)、白云母少量等矿物组成(图 2f),岩石变形强烈,矿物破碎严重,矿物定向排列。

4 样品采集及实验方法

在八家子岩体野外露头处采集5块新鲜石英闪长岩,勇新岩体采集了7块新鲜的花岗岩样品进行全岩主量和微量元素分析,其中选取N-8 (42°39′24″N、129°06′27″E)、b5157-1 (42°37′26″N、129°19′49″E)和P4B16-2 (N42°37′23″、129°23′28″E) 3块样品进行LA-ICP-MS U-Pb测年研究(图 1a)。

锆石挑选在河北省廊坊市区域地质调查研究所完成,样品N-8和P4B16-2的制靶、反射光、透射光和阴极发光的采集以及锆石LA-ICP-MS U-Pb测年在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。在Agilent7500型ICP-MS和ComPexl02 ArF准分子激光器及GeoLas200M光学系统联机下对锆石进行U-Pb同位素测试。激光束直径为30μm,剥蚀深度20~40μm。锆石测年的外标为91500国际标准锆石,元素含量采用NISTSRM610为外标,29Si为内标(Yuan et al,2004王兴安等,2012)。样品b5157-1的制靶、反射光、透射光和阴极发光的采集在北京离子探针中心完成,锆石LA-ICP-MS U-Pb测年在天津地质矿产研究所同位素实验室完成。U-Pb同位素测试在Neptune型LA-MC-IPC-MAS和UP193-FX ArF准分子激光器联机下进行。激光束直径35μm,剥蚀深度20~40μm。锆石标样采用GJ-1标准锆石,元素含量采用NISTSRM612为外标(李怀坤等,2010)。使用Andersen(2002)的方法对同位素比值进行校正来去除普通铅的影响,采用Isoplot3.0(Ludwing,2001)绘制年龄谐和图,所得同位素比值和年龄误差为1σ。

样品的全岩地球化学分析在国家地质测试中心完成,使用X射线荧光光谱仪(PW4400)对主量元素分析,采用等离子质谱仪(X-seres)对痕量元素分析。

Sm-Nd同位素测试在天津地质矿产研究所同位素实验室,使用TRITON热电离质谱仪(08-100016sb)完成。测试过程中,所测定的JNDI Nd标样和NBS-987 Sr标样的同位素比值分别为:143Nd/144Nd=0.512104±0.000003(±2σ)和87Sr/86Sr=0.710264±0.000004(±2σ)(贾丽琼等,2013张超等,2014)。

5 分析结果 5.1 年代学

八家子岩体(N-8)和勇新岩体(b5157-1、P4B16-2)LA-ICP-MS定年结果见表 1


表 1 八家子岩体和勇新岩体的锆石LA-ICP-MS U-Pb分析结果 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb isotopic dating results from the Bajiazi pluton and Yongxin pluton

八家子石英闪长岩体的年龄样品N-8中锆石主要呈自形-半自形,柱状,长宽比介于2:1~3:1之间,阴极发光图像显示,多数的锆石具有清晰的振荡环带(图 3a),Th/U比值介于0.21~1.15之间(多为0.4~0.7),表明锆石为岩浆成因(Koschek,1993)。样品中大多数锆石投影在谐和线附近,个别锆石因Pb丢失而有所偏离(图 4a),24个测点的锆石206Pb/238U年龄值介于250~261Ma(1σ),1个测点的206Pb/238U年龄值为282Ma(表 1),应为捕获的早期锆石,其中4个测点的谐和度较低,另外20个测点的206Pb/238U加权平均年龄为257.8±0.9Ma,代表了八家子岩体形成时代为晚二叠世。


图 3 八家子岩体(a)和勇新岩体(b、c)部分锆石CL图像 Fig. 3 CL images of selected zircons from the Bajiazi pluton (a) and Yongxin pluton (b, c)

图 4 八家子岩体(a)和勇新岩体(b-d)的锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图 Fig. 4 Concordia diagrams showing LA-ICP-MS zircon U-Pb dating data for the Bajiazi pluton (a) and Yongxin pluton (b-d)

勇新花岗岩体2个年龄样品b5157-1和P4B16-2中锆石均呈自形-半自形,柱状,样品b5157-1的锆石长宽比介于2:1~3:1之间,样品P4B16-2中锆石长宽比介于1:1~3:1之间。阴极发光图像显示,2个样品中的锆石多数都具有清晰的振荡环带(图 3b, c),样品b5157-1和P4B16-2的Th/U比值分别为0.17~0.53(多为0.24~0.53)和0.20~0.87(多为0.37~0.65),表明锆石为岩浆成因(Koschek,1993)。样品P4B16-2可将年龄值分为三组(图 4c)。3个测点的206Pb/238U年龄值介于274~304Ma(1σ),应为捕获的早期锆石。10个测点的206Pb/238U年龄值介于195~198Ma(1σ),但是大部分测点偏离谐和线(图 4c);锆石CL图像(图 3c)显示有异常亮色边可能是热液改造的结果(林慈銮等,2006); 样品P4B16-2镜下观察显示强烈的蚀变特征,长石发生严重的绢云母化和高岭土化,云母发生了绿泥石化;因研究区存在大量的早侏罗世花岗岩,所以这组年龄应为后期的构造热事件。8个测点的206Pb/238U年龄值介于237~243Ma(1σ),且分布于谐和线附近,加权平均年龄为238.5±2.8Ma(图 4d),可代表勇新岩体的侵位年龄。样品b5157-1所有锆石投影在谐和线附近(图 4b),25个测点的206Pb/238U年龄值介于235~249Ma(1σ),加权平均年龄为243.2±1.1Ma,代表了勇新岩体形成时代为早中三叠世。

5.2 地球化学

八家子石英闪长岩体和勇新二长花岗岩体的主量元素和痕量元素的分析结果见表 2


表 2 石英闪长岩及二长花岗岩的主量元素(wt%)和稀土、微量元素(×10-6)分析结果 Table 2 Compositions of major (wt%), rare earth and trace element (×10-6) for quartz diorites and monzogranites
5.2.1 主量元素

石英闪长岩有高铝的特征,SiO2=50.4%~60.3%,TiO2=1.01%~1.53%,Al2O3=17.00%~19.6%,K2O=1.09%~2.74%,Na2O=3.5%~4.2%,CaO=4.47%~7.85%,Mg#=44.3~59.2,铝指数A/CNK=0.84~0.99(表 2),属于偏铝质,全碱(Na2O+ K2O)=4.59%~6.85%,Na2O/ K2O=1.50~3.43,属于钠质系列,其铁镁质矿物主要为角闪石、黑云母,副矿物为磁铁矿、锆石,表明石英闪长岩属于Ⅰ型花岗岩类。在TAS图解分布在闪长岩、二长岩区域内(图 5a),属亚碱性系列,在SiO2-K2O图解中,主要分布在钙碱性系列中(图 5b)。


图 5 八家子岩体和勇新岩体的TAS图解(a, 据Middlemost, 1985)及SiO2-K2O图解(b, 据Peccerillo and Taylor, 1976) Fig. 5 TAS diagram (a, after Middlemost, 1985) and SiO2 vs. K2O diagram (b, after Peccerillo and Taylor, 1976) for the Bajiazi pluton and Yongxin pluton

二长花岗岩的主量元素特征具有分组性(由于样品P4B16-2发生了蚀变作用,以下不做讨论),一组样品含有相对高的SiO2含量(71.4%~73.7%)和相对低的Al2O3含量(13.9%~14.5%)、FeOT含量(1.54%~2.41%)、MgO含量(0.23%~0.68%)、和CaO含量(0.85%~2.03%),其K2O含量为4.03%~4.31%。A/CNK比值为0.99~1.15,属于准铝质-弱过铝质,在TAS图解中分布于花岗岩的区域内(图 5a),属亚碱性系列,在SiO2-K2O图解中,分布在高钾钙碱性系列-钾玄岩系列中(图 5b)。另一组样品含有相对低的SiO2含量(66.4%~66.8%)和相对高的Al2O3含量(14.5%~16.3%)、FeOT含量(2.84%~4.4%)、MgO含量(0.81%~1.65%)、和CaO含量(1.64%~3.01%),其K2O含量为4.22%~5.3%。A/CNK比值为0.93~1.01,属于准铝质,在TAS图解中分布于石英二长岩的区域内(图 5a),在SiO2-K2O图解中,分布在高钾钙碱性系列中(图 5b)。

5.2.2 痕量元素

石英闪长岩与二长花岗岩稀土配分曲线呈明显的右倾型(图 6a, c),具有相对富集轻稀土(LREEs)、亏损重稀土(HREEs)元素的特征。石英闪长岩的稀土总量(∑REE)为97.66×10-6~189.9×10-6,LREEs/HREEs为2.27~12.5,(La/Yb)N为5.18~18.1,轻重稀土分馏中等偏弱。δEu为0.57~1.35,具有微弱的的负Eu异常到正Eu异常,结合含有较高的Sr含量(536×10-6~733×10-6),暗示源区没有斜长石残留。二长花岗岩中SiO2 < 70%的一组稀土总量(∑REE)为104.8×10-6~183.3×10-6,LREEs/HREEs为7.86~19.1,(La/Yb)N为7.69~25.3,轻重稀土分馏中等,δEu为0.49~0.93,显示弱的负Eu异常;SiO2>70%的一组稀土总量(∑REE)为55.87×10-6~104.5×10-6,LREEs/HREEs为6.61~11.1,(La/Yb)N为6.60~12.1,轻重稀土分流中等,δEu为0.48~0.63(仅1个值为1.54),显示负Eu异常。


图 6 八家子岩体和勇新岩体的球粒陨石标准化稀土元素配分曲线图(a、c, 标准化值据Boynton, 1984)及原始地幔标准化微量元素蛛网图(b、d, 标准化值据Sun and McDonough, 1989) Fig. 6 Chondrite-normalized REE distribution patterns (a, c, normalization values after Boynton, 1984) and primitive mantle-normalized trace element patterns (b, d, normalization values after Sun and McDonough, 1989) for the Bajiazi pluton and Yongxin pluton

微量元素原始地幔标准化蛛网图中,石英闪长岩体具有分组性,一组Zr元素相对富集,一组Zr元素相对亏损,但总体表现为富集Cs、Ba、K、Sr等大离子亲石元素(LILE),亏损Nb、Ta、P等高场强元素(HFSE)(图 6b);二长花岗岩体总体表现为富集Cs、K、Sr等大离子亲石元素(LILE),亏损Nb、Ta、P、Ti等高场强元素(HFSE)和Ba大离子亲石元素(图 6d)。

5.2.3 Sr-Nd同位素

八家子石英闪长岩体和勇新二长花岗岩体Rb-Sr和Sm-Nd同位素分析结果见表 3


表 3 八家子岩体和勇新岩体Sr-Nd同位素数据 Table 3 Sr-Nd isotopic data for the Bajiazi pluton and Yongxin pluton

石英闪长岩的87Sr/86Sr为0.70710,143Nd/144Nd为0.51241,根据岩体侵位年龄(t=257Ma)计算出闪长岩的Isr值为0.70579,其单阶段模式年龄tDM1为1057Ma,两阶段模式年龄tDM2为1151Ma,晚二叠世石英闪长岩的Sr-Nd同位素特点与中亚造山带特点相似(图 7)。


图 7 八家子岩体和勇新岩体Sr-Nd同位素图兴蒙造山带显生宙花岗岩范围吴福元等(1999) Fig. 7 Sr-Nd isotopic compositions for the Bajiazi pluton and Yongxin pluton The data of the Phanerozoic granitoids within the Xinggan-Mongolia Orogenic Belt after Wu et al. (1999)

二长花岗岩的的87Sr/86Sr为0.70531~0.71160,143Nd/144Nd为0.51234~0.51259根据岩体侵位年龄(t=253Ma(时溢等,2013)、243Ma、238Ma)计算出二长花岗岩的ISr值为0.70429~0.70581,其单阶段模式年龄tDM1为1005~1033Ma,两阶段模式年龄tDM2为916~1258Ma,早中三叠世二长花岗岩的Sr-Nd同位素特点与中亚造山带特点相似(图 7)。

6 讨论 6.1 岩体的形成时代

吉林省地质调查院(2007)将八家子岩体和勇新岩体与地层块体一并化入新元古界新东村组,本次(吉林大学地质调查研究院)1:5万填图工作将其划分出来。时溢等(2013)对勇新岩体进行锆石LA-ICP-MS U-Pb测年结果为252.8±0.7Ma,由此可见还缺少年代学资料。八家子岩体和勇新岩体的锆石呈自形-半自形,结构清晰,发育振荡环带,Th/U值较高,为岩浆成因。定年结果显示石英闪长岩的加权平均年龄为257.8±0.9Ma,代表了八家子岩体的侵位结晶年龄,与南丰里英云闪长岩(257.3Ma,张炯飞和祝洪臣,2000)、小西南岔英云闪长岩(256Ma,付长亮,2009)和小西南岔五道沟闪长岩(255Ma,Cao et al., 2011)形成时代一致。二长花岗岩的权平均年龄为243.2±1.1Ma, 代表勇新岩体的侵位结晶年龄,与百里坪二长花岗岩(245Ma,Zhang et al., 2004)、大玉山二长花岗岩(248Ma,孙德有等,2004)和亮兵二长花岗岩(247Ma,Wu et al., 2011)为同一形成时代。

6.2 花岗岩成因类型

主量元素P2O5随着SiO2含量的增加而减少,呈明显的负相关关系(图 8a),显示具有Ⅰ型花岗岩的特征(李献华等,2007)。八家子石英闪长岩和勇新二长花岗岩的A/CNK值小于1.1(仅有2个样品大于1.1,表 2),实际矿物中出现黑云母、角闪石,无原生白云母,显示出Ⅰ型花岗岩的特征(孙德有等,2004)。A/NK-A/CNK图解(图 8b)中,八家子岩体样品全部分布在Ⅰ型花岗岩的区域;勇新岩体样品大部分落入Ⅰ型花岗岩区域,有2个样品A/CNK值较大,可能是因为含有石榴子石。副矿物组合中普遍出现榍石未见富铝矿物,明显不同于强烈富铝的的S型花岗岩(邱检生等,2008)。稀土元素分配曲线显示有弱负Eu至正Eu异常,与A型花岗岩具有明显的负Eu异常有鲜明的对比。综上所述,八家子石英闪长岩为钙碱性Ⅰ型花岗岩,勇新二长花岗岩为高钾钙碱性Ⅰ型花岗岩。


图 8 八家子岩体和勇新岩体P2O5-SiO2图解(a)和A/NK-A/CNK图解(b) Fig. 8 P2O5 vs. SiO2 (a) and A/NK vs. A/CNK (b) diagrams for the Bajiazi pluton and Yongxin pluton
6.3 岩浆源区性质

八家子岩体与勇新岩体虽然在空间上产出位置相近,但是两者具有相似的稀土含量及分配模式特征,且二长花岗岩没有明显的负Eu异常,暗示二者并不是同一岩浆源区演化的产物,且二者的侵位时代相差14Myr也给予了证明。

张旗等(2006)认为Sr和Yb(Y)的含量相对Sr/Yb比值判定花岗岩源区特征更为重要,石英闪长岩的Sr含量(536×10-6~840×10-6>400×10-6)高,但Yb含量(0.69×10-6~2.72×10-6)显示其存在高Yb型和低Yb型两种,高Yb型的∑REE(125.5×10-6~189.9×10-6)含量相对较高,Zr(300×10-6~318×10-6)含量高,相对富集(图 6b);低Yb型∑REE(97.66×10-6~98.93×10-6)含量相对较低,Zr(36×10-6~59.5×10-6)含量低,相对亏损(图 6b);且八家子石英闪长岩SiO2含量变化较大(50.4%~60.3%),说明岩浆演化过程中经历了分离结晶。高Yb型的母岩浆经历斜长石、锆石、磷灰石等矿物分离结晶后,形成了稀土总量低且Zr元素相对亏损的低Yb型岩浆,所以八家子石英闪长岩属于高Sr高Yb型花岗岩,无明显的负铕异常,形成于中等或较高的压力下,残留相为镁铁质岩(张旗等, 2006, 2008张旗,2014)。同时石英闪长岩的Cr(7.27×10-6~24.1×10-6)、Ni(1.310-6~12.510-6)含量低,也表明石英闪长岩不是来源于幔源的原始岩浆(Frey and Prinz, 1978曹花花,2010)。石英闪长岩的Nb/Ta值变化较大(12.7~26.4,仅1个数值大于17.5),介于地壳平均值(约11,Taylor and McLennan, 1985)和地幔平均值(17.5,Sun and McDonough, 1989)之间;而Zr/Hf值(24.0~53.9,平均值40.57)小于地壳平均值(44.68,Weaver and Tarney, 1984),而大于地幔平均值(30.74,Taylor and McLennan, 1985),均反映了壳源成分的贡献。Nb、Ta的亏损(图 6b)也反映了其具有大陆地壳的性质。石英闪长岩高87Sr/86Sr(0.70710)及负的εNd(t)(-1.5)指示岩浆源区为地壳来源(李锦轶等,2007)。其单阶段模式年龄tDM1(1051Ma)说明其来源于新元古代增生地壳的部分熔融。其地球化学特征八家子石英闪长岩岩浆来源于高压环境下新元古代增生玄武质地壳的部分熔融。

勇新二长花岗岩主量元素特征具有分组性,低SiO2高Al2O3一组(以下简称低硅二长花岗岩),高SiO2低Al2O3一组(以下简称高硅二长花岗岩)。在Harker图解中(图略),样品中SiO2含量与Al2O3、CaO、MgO、TiO2、P2O5及FeOT含量呈线性负相关,应暗示了岩浆在源区经历了分离结晶的作用。高硅二长花岗岩具有对较低的∑REE、∑LREE含量和相对较强的负铕异常。榍石和磷灰石的分离结晶会引起残余岩浆中轻稀土亏损(Mittlefehldt and Miller, 1983; Chesner and Ettlinger, 1989),轻稀土的亏损引起残余岩浆中稀土总量降低;斜长石的分离结晶必然引起负铕异常的增强(汪传胜等,2010),所以高硅二长花岗岩形成于低硅二长花岗岩分离结晶后的残余岩浆。低硅二长花岗岩Sr含量(208×10-6~331×10-6<400×10-6,仅有1个值为534×10-6,可能是由于样品斜长石聚集),Yb含量(1.08×10-6~1.83×10-6<2×10-6,有1个3×10-6,可能由于分析样品石榴石聚集),显示其为低Sr低Yb型花岗岩,高硅二长花岗岩总体也显示为低Sr低Yb型花岗岩(表 2)。残留相有石榴石和斜长石,压力至少>0.8GPa,相应的的深度>30km(张旗等, 2006, 2008)。源区有石榴子石等重稀土强烈富集的矿物相残留,说明花岗岩的原岩为铁镁质岩(孙德有等,2004)。勇新二长花岗岩含有少量富铝矿物石榴石,具有较高的SiO2含量、K2O含量、Al2O3含量和全碱成分以及较低的FeOT和MgO含量,其矿物特点和岩石地球化学特征显示其岩浆起源于地壳组分的部分熔融。微量元素Nb、Ta的亏损和Th的相对富集,揭示了形成岩体的岩浆很可能是壳源的(李锦轶等,2007)。Nb/Ta(平均值12.9)介于地壳平均值和地幔平均值之间(Taylor and McLennan, 1985Sun and McDonough, 1989),Zr/Hf值(39.1)介于地壳平均值和地幔平均值之间(Weaver and Tarney, 1984Taylor and McLennan, 1985), 反映了具有地壳的性质。二长花岗岩的87Sr/86Sr(0.70531~0.71160), 及负的εNd(t)(-2.5~3.9)指示岩浆源区为地壳来源(李锦轶等,2007)。其单阶段模式年龄tDM1(976~1162Ma)说明其来源于新元古代增生地壳的部分熔融。综上所述勇新二长花岗岩岩浆来源于加厚玄武质下地壳的部分熔融, 形成深度相对于石英闪长岩较浅,为中压环境。

6.4 变形特征

八家子岩体和勇新岩体都遭受了韧性变形作用,与新东村组变质岩及长仁大理岩组成北西向的韧性剪切带,沿古洞河断裂展布,空间与时间上与延边地区牛心山-大桥村韧性剪切带相接。宏观变形表现为中深层次的韧性剪切带的特征,发育糜棱叶理(图 9a)、拉伸线理(图 9b)、旋转残斑(图 9c)和S-C组构(图 9d);显微构造发育有波状消光(图 10a)、核幔结构(图 10b)、机械双晶(图 10c,来自地层残留体中长仁大理岩的变形特征)、压力条纹结构(图 10d)、亚颗粒(图 10e, f)等结构。时溢(2013)对该韧性剪切带进行了运动学和动力学研究,认为剪切类型为以纯剪切为主的一般剪切模式,在弗林图解中表现压扁型应变类型,表明韧性剪切带形成于较强烈的挤压作用。本文统计统计了变形二长花岗岩和石英闪长岩的糜棱叶理产状,总体产状为190°~245°∠20°~70°。由赤平极射投影图(图 11a)可知,糜棱叶理带内岩石主体上遭受北北东向的挤压作用,形成了以南南西向为主的糜棱叶理。韧性剪切带仅发育在八家子岩体、勇新岩体和新东村组岩石中而被早侏罗世花岗岩侵入,说明韧性变形作用应发生在三叠纪,应为古亚洲洋闭合后,华北克拉通与兴凯地块持续碰撞挤压而形成了北西向的韧性剪切带。


图 9 韧性剪切带宏观变形特征 (a)糜棱叶理;(b)拉伸线理(左行剪切);(c) σ型残斑(右行剪切);(d) S-C组构 Fig. 9 Macroscopic deformation characteristics of the ductile shear zone (a) mylonitic foliation; (b) stretching lineation (sinistral shear); (c) σ-type rolled porphyroblasts (dextral shear); (d) S-C fabrics

图 10 韧性剪切带显微构造特征 (a)长石波状消光;(b)核幔结构;(c)方解石中的机械双晶;(d)长石中的压力条纹结构;(e、f)长石亚颗粒 Fig. 10 Microstructural characteristics of the ductile shear zone (a) wavy extinction of feldspar; (b) core-mantle structure; (c) mechanical twinning of calcite; (d) perthitic texture caused by pressure; (e, f) feldspar subgrain

图 11 研究区糜棱叶理赤平极射投影图(a)和等值线图(b) Fig. 11 Polar stereographic projection (a) and isoline diagrams (b) of mylonitic foliations for the study area
6.5 构造意义

青龙村群是一套复杂的变质变形岩石组合,不能全部作为正常的变质地层单元,其中含有一套花岗质糜棱岩(张春艳等,2007)。八家子石英闪长岩和勇新二长花岗岩便是从青龙村群解体出来的遭受了糜棱岩化作用的岩体。八家子石英闪长岩的结晶年龄为257.8±0.9Ma,属于钙碱性系列,为偏铝质Ⅰ型花岗岩,亏损Ni、Ta、P等元素,反映其具有活动大陆边缘花岗岩的特点。微量元素Y+Rb-Rb、Y-Nb构造环境判别图中(图 12a, b),所有样品分布于火山弧花岗岩和火山弧-同碰撞花岗岩的区域内,表明八家子石英闪长岩为活动陆缘弧花岗岩。与珲春地区同时代的闪长岩(Cao et al., 2011)、小西南岔英云闪长岩和花岗闪长岩(付长亮,2009)组成的一套中钾-高钾钙碱性系列岩石形成构造背景相同,形成于活动大陆边缘,也得到了图们地区形成于活动大陆边缘环境的晚二叠世关门咀子玄武岩(曹花花等,2012)的证实。此外,晚二叠世期间,兴凯地块西部边缘发育有大量磨拉石建造及海陆交互相、陆相火山碎屑岩(张炯飞,1997Jia et al, 2004),反映了典型的活动陆缘火山-碎屑岩建造和磨拉石建造(曹花花等,2012),表明晚二叠世为古亚洲洋板块俯冲的最后阶段。


图 12 八家子岩体和勇新岩体的Y+Rb-Rb图解(a)和Y-Nb图解(b)(据Pearce et al, 1984) Fig. 12 Y+Rb vs. Rb (a) and Y vs. Nb (b) diagrams (after Pearce et al., 1984) for the Bajiazi pluton and Yongxin pluton

勇新二长花岗岩的结晶年龄为243.2±1.1Ma,属于高钾钙碱性-钾玄岩系列Ⅰ型花岗岩,此类岩石主要形成于大陆弧和板块碰撞后两种构造背景下(Roberts and Clemens, 1993孙德有等,2004),微量元素Y+Rb-Rb、Y-Nb构造环境判别图中(图 12a, b),所有样品落入火山弧花岗岩和火山弧-同碰撞花岗岩的区域内,二长花岗岩含有石榴石,Al2O3含量较高,有同碰撞花岗岩的特点。时溢等(2013)根据地球化学图解判定其为同碰撞花岗岩。吴福元等(2003)对吉林中部地区红帘石硅质岩和呼兰群变质作用研究认为其变质作用时间为250~230Ma,且呼兰群具有顺时针演化PTt轨迹特征,为挤压造山所致。所以,勇新二长花岗岩与同时期的大玉山花岗岩(248Ma;孙德有等,2004)和百里坪二长花岗岩(249~245Ma;Zhang et al., 2004)均为同碰撞花岗岩,表明中三叠世华北克拉通与兴凯碰撞。这与青龙村群变质辉长岩的成岩年龄(248±1Ma;周建波等,2013)、黑云斜长片麻岩成岩年龄(250±3.7Ma;周建波等,2013)相一致。

综上所述八家子岩体侵位时代为晚二叠世,形成于俯冲的构造背景,表明晚二叠世早期古亚州洋板块向华北板块俯冲,兴凯地块与华北克拉通之间仅存残余海盆,新元古代地幔分异出来的新生玄武质下地壳由于受到下插板俯冲造成底部上涌热流的加热,发生的部分熔融形成了晚二叠世八家子石英闪长岩;勇新岩体侵位时代为中三叠世,形成于同碰撞的构造背景,说明中三叠世华北克拉通与兴凯地块已发生碰撞拼贴,造山带加厚玄武质地壳的重熔形成勇新二长花岗岩。暗示了古亚洲洋闭合于晚二叠世末期-早三叠世期间,同Jia et al.(2004)Cao et al.(2013)等前人观点一致。

7 结论

(1) 经LA-ICP-MS U-Pb定年研究,八家子石英闪长岩侵位年龄为257.8±0.9Ma(MSWD=2.4),形成时代为晚二叠世;勇新二长花岗岩侵位年龄为243.2±1.1Ma(MSWD=2.4)、238.5±2.8Ma(MSWD=3.6),形成时代为早中三叠世。

(2) 八家子石英闪长岩为钠质钙碱性的Ⅰ型、偏铝质花岗岩类,富集轻稀土及大离子亲石元素Cs、Ba、K、Sr,亏损重稀土及高场强元素Nb、Ta、P,形成于高压环境下,是玄武质下地壳部分熔融的产物;勇新二长花岗岩富硅、铝和钾,为高钾钙碱性Ⅰ型、偏铝质-弱过铝质花岗岩,富集轻稀土及大离子亲石元素Cs、K、Sr,亏损重稀土、大离子亲石元素Ba和高场强元素Nb、Ta、P、Ti,形成于中压环境下,是玄武质下地壳部分熔融的产物。

(3) 晚二叠世早期古亚洲洋板块向华北克拉通俯冲,兴凯地块与华北克拉通之间存在残余海盆,中三叠世华北克拉通与兴凯地块已碰撞拼贴,表明古亚洲洋闭合于晚二叠世末期-早三叠世期间。

致谢 样品分析得到河北省廊坊区域地质调查研究所实验室、西北大学大陆动力学国家重点实验室、天津地质矿产研究所同位素实验室和国家地质测试中心的大力支持,在此表示衷心的感谢。感谢两位审稿专家的修改意见。
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