2012, Vol. 28
大兴安岭地区在中生代岩浆活动强烈, 形成了大面积的火山岩和众多的花岗岩 (刘俊来等, 2008)。柴河林场位于大兴安岭中段地区, 其北侧钾长花岗岩较为发育, 在空间上呈北北东方向展布, 岩性组合为钾长花岗岩、钾长花岗斑岩和花斑岩, 在1︰20万一二五公里幅区域地质调查报告 (内蒙古自治区第二区域地质调查队, 1990①) 中将其时代定为晚侏罗世, 但没有可信的年代学资料支持。在中生代大兴安岭地区的隆升伴随着强烈的构造-岩浆作用, 柴河林场地区钾长花岗岩就是其众多产物之一。那么, 柴河地区钾长花岗岩的形成时代如何？其岩浆源区和成因类型如何？是否与大兴安岭中生代大规模伸展有关？鉴于此, 本文将通过对柴河地区钾长花岗岩的岩相学、地球化学及年代学研究, 对其岩浆源区、成因类型及构造背景进行了讨论。
①内蒙古自治区第二区域地质调查队.1990.一二五公里幅1:200000区域地质调查报告.北京:全国地质资料馆
1 区域地质背景与岩体地质柴河林场地区位于古亚洲洋构造域与环太平洋构造域交汇部位, 大兴安岭主脊断裂中段, 属于西伯利亚古板块大陆边缘向南增生部分一级构造单元, 夹于乌努尔-鄂伦春断裂和东乌旗-黑河断裂之间, 受全球两大构造域的影响, 区域构造线方向以北东、北北东向为主 (图 1)。柴河林场地区钾长花岗岩主要由巴升河与柴河两个岩体组成, 呈近北北东方向展布, 与区内北东向断裂相伴生, 并侵入到中生代满克头鄂博组火山岩和古生代变质地层中。
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图 1 柴河林场地区钾长花岗岩分布图 Fig. 1 Distribution of K-feldspar granites in Chaihe area |
柴河岩体位于柴河林场西侧, 侵入到中生代满克头鄂博组火山岩中, 被第四系大黑沟组玄武岩覆盖。岩性主要为钾长花岗岩和钾长花岗斑岩, 岩石新鲜面肉红色, 中细粒-似斑状结构, 块状构造 (图 2a)。钾长花岗岩：矿物组成为石英 (25%)、条纹长石 (70%) 和斜长石 (5%)。花岗斑岩：斑晶为条纹长石, 晶体多呈板柱状, 发生高岭土化表面浑浊。基质为石英与条纹长石构成的球粒文象结构, 石英微晶充填, 少量黑云母绿泥石化, 明显析铁。副矿物为浑圆状锆石和磁铁矿。
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图 2 柴河林场地区钾长花岗斑岩显微照片 (a)-柴河岩体；(b)-巴升河岩体. Kf-钾长石；Q-石英；Pl-斜长石 Fig. 2 Microphotographs for the K-feldspar granites in Chaihe area (a)-Chaihe granite; (b)-Bashenghe granite |
巴升河岩体位于柴河林场北部巴升河南部, 侵入到奥陶纪裸河组地层和中生代满克头鄂博组火山岩中。岩性组合主要为钾长花岗斑岩和花斑岩, 岩石新鲜面浅肉红色, 斑状结构, 块状构造 (图 2b)。斑晶矿物为：条纹长石 (30%), 发生绢云母化后表面浑浊, 边部见有文象交生的长石和石英。基质为文象结构, 主要由条纹长石 (70%)、斜长石 (5%) 和石英 (20%) 组成, 少量黑云母 (5%) 绿泥石化析铁。副矿物为磷灰石和磁铁矿。
2 分析方法样品的主量元素和痕量元素分析在国土资源部国家地质测试中心完成。主量元素采用X射线荧光光谱仪 (PW4400) 分析；痕量元素的分析则采用等离子质谱仪 (X-series) 完成。锆石样品的挑选是在河北省廊坊市区域地质调查研究所进行。先用常规方法将样品粉碎至80~100目, 之后经过淘洗和电磁方法进行分离, 并在双目镜下将具有较好晶形且无明显裂痕和包裹体的锆石挑选出来, 粘贴在树脂表面并打磨抛光, 然后进行透射光、反射光和阴极发光 (CL) 图像采集。锆石的制靶、显微图像采集以及U-Pb同位素分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。采用Agilent7500型ICP-MS和ComPexl02 ArF准分子激光器以及GeoLas200M光学系统联机进行, 通过直径为30μm的激光束击打锆石颗粒, 剥蚀样品深度为20~40μm (杨德彬等, 2009；Yuan et al., 2004)。锆石年龄采用国际标准锆石91500作为外标标准物质, 元素含量采用NIST SRM610作为外标, 29Si作为内标。实验测得的数据采用Andersen (2002)的方法进行同位素比值的校正以去除普通Pb的影响, 谐和图的绘制则采用Isoplot3.0完成 (Ludwig, 2001), 所得出的同位素比值和年龄的误差均在1σ水平。
3 分析结果 3.1 主量元素柴河林场地区钾长花岗岩的主量元素和痕量元素分析结果见表 1。从表 1中可以看出, 柴河岩体的SiO2=69.33%~70.26%, TiO2=0.34%~0.4%, Al2O3=15.11%~15.55%, MgO=0.47%~0.68%, CaO=0.47%~1.61%, K2O=4.89%~5.25%, 全碱 (Na2O+ K2O)=9.33%~9.68%, K2O/Na2O=1.1~1.21。巴升河岩体的SiO2=73.61%~74.51%, TiO2=0.19%~0.22%, Al2O3=13.59%~13.88%, MgO=0.22%~0.24%, CaO=0.4%~0.46%, K2O=4.81%~5.24%, 全碱 (Na2O+ K2O)=9.26%~9.42%, K2O/Na2O=1.08~1.28。
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表 1 柴河林场地区钾长花岗岩的主量元素 (wt%)、稀土微量元素 (×10-6) 组成 Table 1 Major (wt%) and trace elements (×10-6) compositions for the K-feldspar granites in Chaihe area |
柴河岩体与巴升河岩体具有相似的主量元素特征, 都具有富Si, 贫Ti、Mg、Ca的特点。在SiO2-K2O图解 (图 3a) 中, 样品多落在钾玄岩系列范围内, 部分点在高钾钙碱性系列中。柴河岩体钾长花岗岩的A/CNK介于1~1.13之间, 巴升河岩体的A/CNK变化范围为1.02~1.06, 两者皆属于弱过铝质岩石 (图 3b)。柴河岩体与巴升河岩体具有较高的碱度率AR, 在3.21~4.53之间, 平均值为3.73, 表现出高钾钙碱性花岗岩的特征。
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图 3 柴河地区钾长花岗斑岩的SiO2-K2O图 (a) 和含铝指数图 (b) Fig. 3 SiO2 vs. K2O diagram (a) and aluminous index diagrams (b) for the K-feldspar granites in Chaihe area |
由表 1和球粒陨石标准化稀土元素配分图 (图 4) 可以看出, 柴河岩体的稀土元素总量 (ΣREE) 在157.9×10-6~179.8×10-6之间, 轻重稀土元素比值 (LREE/HREE) 为3.11~4.01, δEu为0.43~0.63, (La/Yb)N值在6~9.12之间。巴升河岩体的稀土元素总量 (ΣREE) 为134.5×10-6~191.8×10-6, 轻重稀土元素比值 (LREE/HREE) 为4.04~4.20, δEu为0.39~0.5, (La/Yb)N值为9.94~10.49。可见, 柴河岩体与巴升河岩体的稀土元素球粒陨石标准化曲线具有相似的特点：稀土元素含量较高, 相对富集轻稀土元素、亏损重稀土元素, 轻重稀土元素分异程度较强, Eu负异常较为明显, 并具有右斜“V”字型的特征。这些特征表明了两种岩体与典型的A型花岗岩具有相类似的稀土元素配分型式 (苏玉平和唐红峰, 2005)。
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图 4 柴河林场地区钾长花岗岩的球粒陨石标准化稀土元素配分图 (a) 和原始地幔标准化微量元素蛛网图 (b)(球粒陨石标准化值据Boynton, 1984；原始地幔标准化值据Sun and McDonough, 1989) Fig. 4 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (b) for the K-feldspar granites in Chaihe area (chondrite-normalized values after Boynton, 1984; primitive mantle-normalized values after Sun and McDonough, 1989) |
在微量元素原始地幔标准化蛛网图上 (图 4), 柴河岩体与巴升河岩体具有相对一致的配分型式。柴河岩体与巴升河岩体具有较高的的Zr (105×10-6~538×10-6)、U (1.94×10-6~5×10-6) 和Nb (12.5×10-6~17.9×10-6) 值, Sr、P与Ti亏损较强, 具有富集高场强元素和大离子亲石元素的特征, 与典型的A型花岗岩所具有的痕量元素特点相类似。
3.3 锆石U-Pb定年柴河林场地区钾长花岗岩中的锆石颗粒在透射光和反射光下无色, 半透明-透明, 大小在50~200μm, 长宽比2 : 1~1 : 1。锆石颗粒较为破碎, 个别颗粒中见有不透明包裹体。大部分锆石颗粒自形程度中等, 多呈长柱状或短柱状, 表面较光滑、干净；部分颗粒自形程度差, 多破碎呈不规则状棱角状, 表面见有裂纹。阴极发光图像 (图 5) 显示, 锆石颗粒的晶体内部结构清晰, 岩浆振荡生长环带显著, 结合锆石具有较高的Th/U比值 (0.44~1.42), 指示锆石具岩浆成因。通过透射光、反射光和阴极发光图像, 对样品P30b6-3进行了La-ICP-MS U-Pb定年分析, 分析结果见表 2。
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图 5 柴河林场地区钾长花岗岩中锆石CL图像 Fig. 5 CL images of selected zircons for the K-feldspar granites in Chaihe area |
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表 2 柴河林场地区钾长花岗岩中锆石LA-ICP-MS U-Pb定年数据 Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb data of the K-feldspar granites in Chaihe area |
由表 2和锆石U-Pb年龄协和图 (图 6) 可知, 在经过Pb校正之后, 柴河地区钾长花岗斑岩中岩浆锆石的分析结果大部分位于协和线及其附近区域, 且各分析点分布较为集中, 19个分析点206Pb/238U年龄范围在125±1~139±1Ma, 得出其加权平均值年龄为133±2Ma (n=19, MSWD=2.4)。结合被测锆石具岩浆锆石的特征, 我们将该年龄解释为岩体的侵位年龄, 表明柴河地区钾长花岗岩体的侵位时代为早白垩世, 这一结果与该岩体侵入到中生代火山岩地层中的事实相符。
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图 6 柴河林场地区钾长花岗岩中锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄协和图 Fig. 6 U-Pb concordia diagrams summarizing the LA-ICP-MS zircon data for the K-feldspar granites in Chaihe area |
对A型花岗岩的最初定义时将其界定为“3A”特征, 即碱性 (Alkaline)、无水 (Anhydrous) 和非造山 (Anorogenic) 的花岗岩 (Loiselle, 1979)。随着研究的深入, 如今对A型花岗岩的定义与认识发生了很大的变化。铝质A型花岗岩的提出使A型花岗岩的“贫水”特征弱化, 使A型花岗岩中较高的含水量得到了更好的解释 (周宇章, 2011)。柴河岩体与巴升河岩体的主体岩石类型为钾长花岗岩, 主要造岩矿物为碱性长石和石英, 主量元素具有高硅、富碱的特点, 其Al2O3含量大于12%, A/CNK值大于1, 痕量元素具有明显的负Eu异常, 富集高场强元素 (Zr、Hf) 和大离子亲石元素 (Rb、U、Th), Sr、P、Ti明显亏损, 这些岩石学和地球化学特征表明了柴河林场地区花岗岩应属于铝质A型花岗岩 (周宇章, 2011)。在花岗岩成因类型判别图 (图 7) 中, 柴河岩体全部落在A型花岗岩区域中, 巴升河岩体则落在分异的I、S型花岗岩区域中。而巴升河岩体在主量元素和痕量元素地球化学特征上则表现出A型花岗岩的典型特征。A型花岗岩在经历了强烈的结晶分异作用, 其Zr含量甚至可低至100×10-6左右 (King et al., 1997), 从而表现出高分异的I型花岗岩的特点 (吴福元等, 2007), 因此导致在图 7中巴升河岩体数据点落在了高分异的I型花岗岩区域中。由表 1可知, 与柴河岩体相比, 巴升河岩体的SiO2含量更高, 负Eu异常更明显, Ba、Sr的含量更低, 暗示着巴升河岩体比柴河岩体经历了更强的结晶分异作用, 属于高分异的A型花岗岩类。
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图 7 柴河林场地区钾长花岗岩的成因类型判别 (据Whalen et al., 1987) FG-分异的I、S型花岗岩；OTG-未分异的I、S、M型花岗岩；A-A型花岗岩 Fig. 7 Genetic type discrimination for the K-feldspar granites in Chaihe area (after Whalen et al., 1987) FG-differentiation of I-type and S-type granites; OTG-un-differentiation of I-type, S-type and M-type granites; A-A-type granites |
目前对于A型花岗岩的物质来源和成因的解释有着不同的认识, 主要有幔源岩浆的分异或部分熔融 (Kerr and Fryer, 1993)、壳幔物质的混合熔融 (Goodenough et al., 2000)、壳源物质的部分熔融 (许保良和黄福生, 1990, 许保良等, 1998)。张旗等 (2008)认为花岗岩不可能是幔源的, 都是壳源成因, 大致分为洋壳、陆壳以及两者之间过渡的三种源区。柴河林场地区钾长花岗岩具有高SiO2、富K2O、低Al2O3的特征, 为铝质A型花岗岩, 暗示其起源于下地壳的高钾、正常水含量的长英质岩石 (Collins et al., 1982；Landenberger and Collins, 1996；King et al., 1997；Auwera et al., 2003)。实验岩石学资料和锆石饱和温度计算已经证明 (Clemens et al., 1986；King et al., 1997, 2001), A型花岗岩形成于高温低压的环境, 岩石中的U、Pb元素含量较高, Eu负异常明显, 且元素Nb、P、Ti亏损较强, 说明其岩浆源区存在斜长石残留, 因此不可能是幔源岩浆分异而来或来源于镁铁质原岩的部分熔融 (吴福元等, 2007)。柴河林场地区钾长花岗岩为铝质A型花岗岩, 而铝质A型花岗岩源区普遍认为是中下地壳岩石的部分熔融 (Creaser et al., 1991；Skjerlie and Johnston, 1993a, b；Patino Douce, 1997；Wu et al., 2002)。
4.2 构造背景对于A型花岗岩的大地构造背景, 目前比较统一的认识是其形成于伸展的构造环境 (Pitcher, 1993)。葛文春等 (2005年) 认为大兴安岭中段乌兰浩特地区早白垩世花岗岩为板内的构造体制。在花岗岩类lg图解 (图 8a) 中, 柴河林场地区钾长花岗岩主要处于引张的环境中, 个别具有挤压的特征。图 8b为Eby (1992)对不同构造环境下的A型花岗岩数据所进行的Y/Nb-Sc/Nb图解, 得出两种构造环境下A型花岗岩的经验区间。A1型花岗岩代表了大陆裂谷或板内环境, A2型花岗岩代表了后碰撞或后造山环境 (Eby, 1992；赵振华, 2007)。可以看出, 柴河地区的钾长花岗斑岩大部分落在A1区间内, 个别数据分布在区间外不远处, 代表了板内的构造环境, 与大兴安岭地区早白垩世A型花岗岩所具有的A1型地球化学特征相一致 (Jahn et al., 2001；Wu et al., 2002；林强等, 2004)。
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图 8 花岗岩类lg图解 (a, 据Brown, 1982) 和各种A型花岗岩类Y/Nb-Sc/Nb图解 (b, 据Eby, 1992) “O”代表柴河地区钾长花岗岩；“+”代表A1型花岗岩；“×”代表A2型花岗岩 Fig. 8 The granite’s lg diagram (a, after Brown, 1982) and Sc/Nb vs.Y/Nb plots for various A-type granites (b, after Eby, 1992) Symbol "O" represents K-feldspar granites in Chaihe area; symbol "+"represents A1-type granites; symbol "×" represents A2-type granites |
大兴安岭以NE向横跨在古亚洲洋构造域不同构造单元之上, 从晚侏罗世进入强烈的火山喷发阶段, 形成大面积的火山岩, 早白垩世处于主要的隆升时期 (邵济安等, 1999)。柴河林场地区钾长花岗岩的锆石U-Pb年龄为133±3Ma, 在时间上正处于大规模伸展的环境中, 在拉张背景下, 压力的降低非常有利于岩石的部分熔融 (吴福元等, 2007)。柴河林场地区钾长花岗岩在空间上近似NNE分布, 与大兴安岭地区广泛发育的北东向断裂方向相近, 与侏罗世满克头鄂博组火山岩为侵入接触。在地球化学特征上, 满克头鄂博组酸性火山岩具有富硅, 负Eu异常明显, 稀土元素含量高, 轻重稀土分异强, Ba、Sr含量低的特征 (林强等, 2004), 与柴河林场钾长花岗岩特征相似, 他们可能是统一的构造-岩浆体系的产物, 具有同源岩浆演化的特征。由于晚中生代伸展作用引起大规模的火山爆发, 而火山爆发又进一步提高了上部地壳的渗透性, 为以后的岩浆侵位提供条件 (邵济安等, 1999)。柴河林场钾长花岗岩为地壳岩石部分熔融形成, 其形成深度一般不会大于30km (King et al., 1997), 而该类花岗岩的高温要求其形成时具有很高的地热梯度, 显然, 这种环境与伸展的构造背景相吻合 (吴福元等, 2007；Collins, 1994；Costa and Rey, 1995；Sylvester, 1989, 1998；Bonin et al., 1998, 2007)。
5 结论通过对大兴安岭中部柴河林场地区钾长花岗岩的岩石地球化学、锆石U-Pb年代学研究, 可以得出如下结论：
(1) 柴河林场地区钾长花岗岩中的锆石为岩浆成因, LA-ICP-MS U-Pb定年结果为133±3Ma, 表明其形成时代为早白垩世。
(2) 柴河林场地区钾长花岗岩具有富硅、富碱、贫Fe、Mg的特征, 属钾玄岩-高钾钙碱性系列、弱过铝质岩石；岩石中富集轻稀土元素、高场强元素 (如Zr、Hf) 及大离子亲石元素 (如Rb、U、Th), 亏损Sr、P、Eu和Ti, 说明其岩浆源区有斜长石残留, 为长英质地壳部分熔融的产物。
(3) 柴河林场地区钾长花岗岩为铝质A型花岗岩, 属大陆裂谷或板内花岗岩 (A1型花岗岩), 与满克头鄂博组流纹质火山岩为同源岩浆, 形成于拉张的环境, 代表了伸展的大地构造背景。
致谢 衷心感谢西北大学大陆动力学国家重点实验室在锆石显微图像和LA-ICP-MS U-Pb分析中给予的支持。| [] | Andersen T. 2002. Correction of common lead in U-Pb analyses that do not report 204Pb. Chemical Geology, 192: 59–79. DOI:10.1016/S0009-2541(02)00195-X |
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