2016, Vol. 32
2. 大庆油田有限责任公司勘探开发研究院, 大庆 163712
2. Research Institute of Exploration and Development, Daqing Oil Field Company, Ltd., PetroChina, Daqing 163712, China
东北地区古生代至中生代期间经历了多个微板块的拼合过程，形成了复杂的构造样式。经过国内外学者多年研究，古太平洋板块在早白垩世晚期西向俯冲已经从太平洋洋岛移动特征(Sun et al., 2007; Koppers et al., 2001)和东北地区火成岩(Yu et al., 2009; 王微等, 2006)的研究中得到证实，而古亚洲洋消失后至早白垩世晚期之间古太平洋有无向东北地区俯冲以及俯冲开始时间一直是众多学者讨论的焦点。由于研究手段和对象的不同，学者们对这一问题存在分歧，主流观点有以下几种：(1)俯冲作用始于晚三叠世(裴福萍等, 2004; 彭玉鲸等, 2012; 周建波等, 2013)；(2)始于早侏罗世-中侏罗世(Yu et al., 2012; 许文良等, 2013; 付长亮, 2009)；(3)始于早白垩世晚期(李超文等, 2007; Northrup et al., 1995; Engebretson et al., 1985)。目前对该时期吉黑东部构造演化研究主要是从小兴安岭-张广才岭双峰式火成岩或黑龙江杂岩带和高压变质带这两方面展开的，而对是否存在古太平洋板块俯冲形成的钙碱性火成岩带研究非常少，从而限制了我们对吉黑东部构造演化的认识。解决这一问题的关键在于对吉黑东部地区火成岩成因与分布特征的认识。延边地处吉林省东部，有学者对这一区域部分火成岩做过深入研究，这些研究主要集中于晚古生代-早中生代中基性侵入岩(曹花花, 2010; 付长亮, 2009; 张艳斌, 2002)，而该地区出露的侏罗纪侵入岩尚缺乏系统的研究。本文将从延边开山屯地区一个花岗闪长岩-石英闪长岩体的形成时代、地球化学特征入手，结合前人对吉黑东部地区火成岩的研究资料，讨论该岩体的成因及其形成时的构造背景，为研究中生代古太平洋构造域的构造演化提供更多依据。
2 地质背景延边开山屯地处兴蒙造山带东段，夹于龙岗地块、兴凯地块与松嫩地块之间(图 1)，古生代以来先后受古亚洲洋活动与滨太平洋构造运动影响， 特殊的地理位置使之成为研究古亚洲洋构造域演化和滨太平洋构造域演化的关键地区。区内火成岩以侵入岩为主，火山岩分布较少。侵入岩主要由闪长岩、花岗闪长岩、石英闪长岩和少量橄榄岩组成，这些侵入岩主要侵入于新太古界鸡南岩组，二叠系寺洞沟组、开山屯组和新东村岩组，三叠系山谷旗组和托盘沟组。在1 20万大砬子幅中这些侵入岩的年龄被划定为二叠纪(吉林省地质矿产局区域地质调查大队, 1985)，但最新测年结果表示其中二叠纪侵入岩占比较少，大多数侵入岩为侏罗纪形成的(武鹏飞等, 2013; Wu et al., 2011; 张艳斌, 2002)。火山岩主要分布于三仙岭组、屯田营组、天桥岭组、金钩岭组和火山岩组，这些地层原先被划分为三叠系-侏罗系火山岩，后经高精度Ar-Ar年代学研究表明这些火山岩的喷发时代为早白垩世(李超文等, 2007)。
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图 1 研究区地质略图(据吉林省地质矿产局区域地质调查大队, 1985①) 1-闪长岩、石英闪长岩；2-石英闪长岩、花岗闪长岩；3-白岗岩、花岗岩；4-上古生界；5-中生界；6-新生界；7-采样点 Fig. 1 Simplified geological map of the study area 1-diorite, quartz diorite; 2-quartz diorite, granodiorite; 3-alaskite, granite; 4-Upper Paleozoic; 5-Mesozoic; 6-Cenozoic; 7-sampling point |
①吉林省地质矿产局区域地质调查大队. 1985. 1 20万大垃子幅(K-52-ⅩⅥ)、延吉市幅(K-52-X)地质调查报告
3 岩石学特征样品采于开山屯镇南10km处花岗闪长岩-石英闪长岩体，该岩体呈岩株状产出，出露面积约12km2，侵入于二叠系寺洞沟组和大蒜沟组复成分砾岩中。岩体成分不均匀，东部主要为花岗闪长岩，西部石英闪长岩较多，两者没有明显的界线。岩体中存在颜色较深且粒度较细的闪长质包体(图 2a)，包体形态呈椭圆状至长条状，长度3~10cm，包体与主岩边界过度明显，包体边缘未见明显的冷凝边，但显微镜下观察发现包体中存在岩浆经历骤冷的标志性矿物针柱状磷灰石(图 2d)。岩体主体未出现变形，只在岩体边部表现出弱定向构造，但在显微镜下观察发现并无晶内变形，表明这种定向构造为岩体形成时边部流动所致，岩石为半自形粒状结构，块状构造。
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图 2 岩石野外照片和显微镜下照片 (a)包体野外照片；(b)石英闪长岩镜下照片；(c)闪长质包体镜下照片；(d)包体中的针柱状磷灰石.Q-石英；Pl-斜长石；Hb-普通角闪石；Bi-黑云母；Ap-磷灰石 Fig. 2 Field and microstructure photographs (a) dioritic enclaves in field; (b) quartz diorite under microscope; (c) dioritic enclaves under microscope; (d) apatite of dioritic enclaves under microscope. Pl-plagioclase; Hb-hornblede; Bi-biotite; Ap-apatite |
岩体寄主岩石浅色矿物占85%~90%，由石英、碱性长石、斜长石构成，其中石英占10%~25%，粒度为1~2.5mm，呈聚合体状不规则他形填充。斜长石55%~70%，粒度1~2mm，最大5mm±，板条状，半自形-自形，发育聚片双晶和环带结构。碱性长石5%~12%，粒度1~3mm，半自形-他形板状。暗色矿物10%~15%，由角闪石和黑云母组成，角闪石3%~8%，1~2.5mm，长条状或六边形，自形程度高，多色性为绿-黄绿。黑云母7%~8%，1~3mm，呈长条状或他形填充于斜长石之间，部分绿泥石化。
包体岩石粒度较细，浅色矿物占65%，其中斜长石约52%，粒度为0.2~0.8mm，他形-半自形短柱状，同时还存在一些似斑状斜长石，含量约3%，晶形较好，粒度1.5mm左右。碱性长石约5%，粒度0.2~0.8mm。石英约5%，0.2~0.5mm，他形填充于角闪石和斜长石等矿物之间。暗色矿物占35%，由角闪石和黑云母组成。角闪石约25%，0.2~1mm，呈自形-半自形长条状，发育闪石式节理。黑云母约10%，0.5~1mm，薄片上显示为短柱状，颜色为棕色-棕红色。薄片中可见针柱状磷灰石，平行消光，中等突起。
4 锆石U-Pb测年样品采于开山屯南边境公路旁，通过野外详细调查和室内鉴定，选取新鲜的样品D95(42°37′23.04″N，129°45′2.58″E)进行测验，锆石的挑选工作由河北省廊坊市宇能岩石矿物分选技术服务有限公司完成。锆石的制靶、阴极发光图像、透射光和反射光图像采集在北京锆年领航科技有限公司完成。通过对透射光、反射光和CL图像的分析，选取锆石吸收程度均匀、无裂隙、无包裹体的位置进行测定，本次U-Pb定年在中国科学院地质与地球物理研究所完成。实验所采取的激光束斑直径为30μm，测试结果通过GLITTER软件计算得出，实验获得的数据采用Anderson(2002)的方法进行同位素比值的校正以扣除普通Pb的影响，详细测试过程及仪器参数可参见袁洪林等(2003)。最后用ISOPLOT 3.0程序进行年龄谐和图的生成和处理。单个分析点同位素比值和年龄的标准偏差为1σ，206Pb/238U加权平均年龄按95%置信区间给出。
石英闪长岩中锆石呈半自形-自形，内部结构清晰，具有典型的岩浆振荡生长环带(图 3a)和高的Th/U比值0.49~0.84，反映了岩浆成因锆石的特点(吴元保和郑永飞, 2004)。样品的LA-ICP-MS测试结果列于表 1，25个测点的206Pb/238U表面年龄介于192~203Ma之间，加权平均年龄为198±1Ma，MSWD=0.45(图 3b)，所有测点都落在谐和线上，表明该花岗闪长岩-石英闪长岩体的形成时代为早侏罗世。
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图 3 石英闪长岩代表性锆石颗粒CL图像(a)和U-Pb年龄谐和图(b) Fig. 3 Representative zircon CL diagrams (a) and U-Pb age concordia diagram of quartz diorite (b) |
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表 1 开山屯石英闪长岩锆石LA-ICP-MS U-Pb分析结果 Table 1 Zircon LA-ICP-MS U-Pb analytical data of quartz diorite from Kaishantun |
样品主量和微量元素含量分析测定在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成。主量元素分析使用AB-104L，PW2404 X射线荧光光谱仪完成。微量元素、稀土元素分析使用ELEMENT XR等离子体质谱分析仪和PerkinElmer，Elan DCR-e型等离子体质谱分析仪完成。详细的样品处理过程、分析精度和准度同Liu et al.(2008)文章所述。
5.1 主量元素延边地区开山屯花岗闪长岩-石英闪长岩体的主量元素和痕量元素组成见表 2。岩体的SiO2含量为61.46%~68.09%，TiO2含量为0.384%~0.746%，Al2O3为15.04%~16.96%，Na2O+K2O为5.51%~5.90%，Na2O/K2O值为1.46~3.01，里特曼指数σ为1.39~1.65，属钙碱性岩石系列。从SiO2-Na2O+K2O图(图 4a)和SiO2-K2O变异图(图 4b)中可以看出，该岩体落入闪长岩、花岗闪长岩区域，属中钾钙碱性系列。岩石MgO含量为1.26%~3.03%，FeOT含量为3.51%~5.86%，该花岗闪长-石英闪长岩具有较高的镁指数，除样品F95的Mg#值为0.39外，其它样品集中于0.46~0.49(Mg#=Mg/(Mg+Fetot2+))，A/CNK < 1。
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图 4 SiO2-Na2O+K2O图(a)和SiO2-K2O变异图解(b) Fig. 4 SiO2 vs. Na2O+K2O diagram (a) and SiO2 vs. K2O diagram (b) |
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表 2 开山屯岩体主量元素(wt%)及稀土、微量元素(×10-6)分析数据 Table 2 Major element (wt%), trace element and REE (×10-6) composition of Kaishantun rock mass |
样品稀土元素总量(∑REE)为78.78×10-6~135.6×10-6，岩体相对富集轻稀土元素(LREEs)、贫重稀土元素(HREEs)，LREE/HREE=4.50~6.98，(La/Yb)N=3.30~6.91，经球粒陨石标准化的稀土配分曲线(图 5a)可以看出岩石重稀土分馏较弱，标准化曲线较平坦，轻重稀土分馏明显，配分曲线呈明显右倾型，岩石存在中等至弱的铕负异常δEu=0.59~0.80。图中可见石英闪长岩与花岗闪长岩在稀土元素含量及配分形式上差别不大，但在原始地幔标准化微量元素蛛网图中(图 5b)两者差异明显，虽然两种岩石都富集大离子亲石元素(LILEs)Rb、Th、U、K，贫高场强元素(HFSEs)Nb、Ta、Ti，但石英闪长岩还存在明显的Zr、Hf亏损，这也暗示着两种岩石在成因方面的差异。
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图 5 球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(a, 标准化值据Taylor and McLennan, 1985)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b, 标准化值据Sun and McDonough, 1989) Fig. 5 Chondrite-normalized REE patterns (a, normalization values after Taylor and McLennan, 1985) and spider diagram of trace elements (b, normalization values after Sun and McDonough, 1989) |
开山屯岩体中存在暗色细粒闪长质包体，包体为椭圆状外形，显微镜下可见反映岩浆淬冷的针柱状磷灰石，说明岩体的成因为高温基性岩浆与低温酸性岩浆混合后冷凝而成。岩石的Zr/Hf值对其成因具有一定的指示意义，根据Zr/Hf值可以将样品分为两组，石英闪长岩为低Zr/Hf值(17.9~19.9)组，花岗闪长岩为高Zr/Hf值(30.1~32.9)组。从样品Zr/Hf值与Mg#的关系(图 6a)可以看出，开山屯岩体的两组Zr/Hf值并非由同一岩浆分离结晶演化而来，而是不同来源岩浆所造成的。
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图 6 Zr/Hf-Mg#相关性图解(a)和Zr/Nb-Zr/Hf相关性图解(b) Fig. 6 Zr/Hf vs. Mg# Correlation diagram (a) and Zr/Nb vs. Zr/Hf Correlation diagram (b) |
岩石的Zr/Nb值能够反映岩石起源深度，低Zr/Nb比值可被视为深部地幔熔融的证据(Bromiley and Redfern, 2008)，从Zr/Nb-Zr/Hf图解(图 6b)中也可以看出开山屯岩体的形成受到了两种不同起源深岩浆的影响，其中高Zr/Hf组的花岗闪长岩具有较高的Zr/Nb值，暗示其起源深度较浅，这一点与岩石富集K、Rb等大离子亲石元素，亏损Nb、Ta、P、Ti所揭示的其曾受到地壳物质混染或为地壳来源(孙德有等, 2001)相匹配，同时也符合该组岩石的Nb/Ta值9.5~11与大陆地壳Nb/Ta值11~12(Barth et al., 2000)十分接近这一特征。低Zr/Hf组的石英闪长岩具有较低的Zr/Nb值，表示其为深部地幔熔融产物。这也符合由于岩石起源较深，源区存在金红石残留而造成的岩石亏损Nb、Ta、Zr、Hf、Ti的推测。但是该组岩石也具有较低的Nb/Ta值(9.1~13.9)，虽然比花岗闪长岩略高，但是和亏损地幔(DM)平均值15.5(Rudnick et al., 2000)相比还是较小，而造成这一现象的原因可能为来自亏损地幔的岩浆与来自地壳的岩浆发生了混合。
与Nb/Ta值分布不同，大多数硅酸盐储库的Zr/Hf值分异不明显，地壳、地幔似乎均处于球粒陨石值(34.2)(Weyer et al., 2002)。石英闪长岩表现出的低Zr/Hf值有两种可能成因；一种是岩浆演化成因，岩浆演化到后期会形成富硅的酸性岩浆，而Zr属于不相容元素，在岩浆演化中Zr达饱和水平后会析出锆石，锆石具有较高的Zr/Hf值(普遍高于40)(陈璟元和杨进辉, 2015)，所以锆石的分离结晶会导致残余岩浆Zr/Hf值的降低，但是由于石英闪长岩样品是严重亏损Zr元素的，固排除此种可能。除结晶分异和部分熔融作用外，源区物质组分的不同也是导致Zr/Hf比值发生变化的重要因素(严再飞等, 2011)，已有学者通过对大量样品测试得出亏损地幔橄榄岩的Zr/Hf值可以低至10(Weyer et al., 2003)，而由这种亏损地幔部分熔融形成的岩浆也将继承其较低Zr/Hf值的特点，结合低Zr/Nb值对岩浆起源深度的反映，本文认为石英闪长岩表现出以上特征的原因是受到了来自亏损地幔楔部分熔融岩浆的影响。
上文得知参与石英闪长岩形成的基性岩浆起始于较深的亏损地幔楔，而从闪长质包体中存在大量含水矿物角闪石可知，其成因与板块俯冲过程中发生脱水/熔融交代亏损地幔楔有关。石英闪长岩的Nb含量为4.37×10-6~5.28×10-6，陆壳的Nb含量平均值为11.0×10-6(Hofmann, 1988)，而俯冲作用板片熔融易形成Nb含量较高的岩浆，如富Nb玄武岩的Nb含量为7×10-6~16×10-6，所以石英闪长岩不能由陆壳岩浆与经俯冲板块部分熔融交代的地幔楔岩浆混合而成。岩体并没有出现强的Eu负异常(δEu=0.59~0.8)，这可能是因为岩浆富含水，导致斜长石的分离结晶作用受到抑制(武鹏飞等, 2013)。综上所述本文认为开山屯岩体石英闪长岩的形成条件是俯冲板片脱水交代地幔楔产生的岩浆与来自地壳的岩浆混合而成，而具备这种形成条件的环境为活动大陆边缘环境。
6.2 地质意义东北地区先后经历了古亚洲洋构造域和古太平洋构造域的构造演化，要讨论古太平洋板块作用的开始就必需了解古亚洲洋构造作用发展。目前已经有众多学者对古亚洲洋的闭合做过详细研究，认为其沿着西拉木伦-长春-延吉缝合带自西向东剪刀式闭合(Wu et al., 2007)。通过对吉林、延边地区火成岩的年龄、地球化学特征及岩石组合特征研究，认为古亚洲洋最终闭合时间为早-中三叠世(张超, 2014; 李锦轶等, 2007; 孙德有等, 2004)。红旗岭、漂河川等地区发现U-Pb年龄为220.6±2.0Ma的超基性岩，经研究认为是古亚洲洋闭合后拉张环境下形成的(冯光英等, 2011)，证明了古亚洲洋俯冲作用结束。但本次研究的花岗闪长岩-石英闪长岩体并非形成于古亚洲洋闭合后伸展环境。首先，开山屯花岗闪长岩-石英闪长岩体不具有伸展体制下侵位岩体的地球化学特征，也不能与该地区同时代岩体构成双峰式火成岩。其次，开山屯花岗闪长岩-石英闪长岩体的地球化学特征显示其成因与洋-陆俯冲作用有关，表示其形成于活动大陆边缘环境，且岩石的Ba/Nb-La/Nb图解也落入了弧火山区域(图 7)，而在古亚洲洋闭合后的俯冲作用表示其成因可能与古太平洋作用有关。本次研究的钙碱性花岗闪长岩-石英闪长岩体形成于早侏罗世早期(198±1Ma)，位于延边开山屯地区，与吉黑东部的同时代钙碱性火成岩系列(173~195Ma)(Guo et al., 2015; 许文良等, 2008; 裴福萍等, 2008; 吕长禄等, 2012; 武鹏飞等, 2013)联合组成早侏罗世洋-陆俯冲的产物—北东走向的活动陆缘型钙碱性火成岩带(图 8、表 3)。而在此火成岩带西侧的小兴安岭-张广才岭地区存在一套同时代且与之平行展布的双峰式火成岩、A型花岗岩带(唐杰等, 2011; Yu et al., 2012; Wu et al., 2002; 孙德有等, 2005)，这两条火成岩带从岩性特征及产出位置上组成了古太平洋俯冲所形成的大陆边缘弧与弧后拉张区，揭示了古太平洋板块在早侏罗世早期就已经向中国东北地区俯冲现象的存在。
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表 3 吉黑东部早侏罗世双峰式火成岩、A型花岗岩、活动陆缘型火成岩统计表 Table 3 Statistics of Early Jurassic bimodal igneous rock, A-type granite, Active continental margin igneous rock in eastern Jilin and Heilongjiang provinces |
①吉林大学地质调查研究院. 2015.吉黑东部花岗岩与矿产分布图
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图 7 Ba/Nb-La/Nb图解 Fig. 7 Ba/Nb vs. La/Nb diagram |
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图 8 吉黑东部早侏罗世双峰式火成岩、A型花岗岩、活动陆缘型火成岩分布图(据许文良等, 2013修改; 参考数据见表 3) Fig. 8 Distribution map of Early Jurassic bimodal igneous rock, A-type granite, Active continental margin igneous rock in Eastern Jilin and Heilongjiang Provinces (after Xu et al., 2013; reference data from Table 3) |
(1) 开山屯花岗闪长岩-石英闪长岩体成因为受流体交代的亏损地幔楔发生部分熔融产生岩浆和来自地壳的岩浆经不均匀混合作用形成。
(2) 吉黑东部地区存在北东向分布的弧火成岩带，其成因与古太平洋板块俯冲作用有关。
(3) 开山屯花岗闪长岩-石英闪长岩体形成时间为早侏罗世早期(198±1Ma)，表明古太平洋板块至少在早侏罗世早期就已经向中国东北地区俯冲。
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