吉林中部早三疊世高鎂閃長(zhǎng)巖地球化學(xué)特征、巖石成因及地質(zhì)意義

沈艷杰，陳 博，李錦毓，孫金磊，趙昌吉，鄭 濤，劉金龍

(1.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130061; 2.自然資源部 東北亞礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130061; 3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，沈陽 110000)

0 引 言

古亞洲洋構(gòu)造體系的構(gòu)造演化一直是地學(xué)界爭(zhēng)論的科學(xué)問題之一。尤其以古亞洲洋東段的最終閉合時(shí)間爭(zhēng)議較大。目前，主要存在中晚泥盆世—早石炭世[1-3]和晚二疊世—早三疊世[4-6]之爭(zhēng)。關(guān)于古亞洲洋的閉合位置也存在較大爭(zhēng)議，一些地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為，古亞洲洋最后消失在索倫—西拉木倫—長(zhǎng)春—延吉一帶[7-9]，然而另一批地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為古亞洲在賀根山—嫩江—黑河一線[10-11]。并且，隨著該地區(qū)研究的深入，一些地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為古亞洲洋自西向東從早到晚存在剪刀式閉合[6，12]。

近期，本項(xiàng)目組在吉林省中部頭道溝地區(qū)發(fā)現(xiàn)了一組富鎂的閃長(zhǎng)巖。高鎂安山巖/高鎂閃長(zhǎng)巖類是地質(zhì)研究的熱點(diǎn)問題之一。高鎂安山巖/高鎂閃長(zhǎng)巖類(HMA)是指相較于典型島弧安山巖/閃長(zhǎng)巖類具有MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>5%、Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)<16%、CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)<10%和全鐵與氧化鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值<1.5的安山巖，同時(shí)又以SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于53%～60%、鎂值>45和更富Cr和Ni為特征[13-16]。其常常作為巖漿弧的重要巖石類型，主要形成于板塊會(huì)聚邊緣的大洋俯沖消減帶弧前環(huán)境[13-14]。因此，對(duì)該類巖石的研究可以為揭示大洋俯沖作用提供地球化學(xué)約束和巖石學(xué)證據(jù)[15-17]。

筆者以頭道溝地區(qū)高鎂閃長(zhǎng)巖為研究對(duì)象，運(yùn)用巖石學(xué)、U-Pb年代學(xué)和全巖地球化學(xué)等方法對(duì)其開展了研究，以期查明其形成年代及巖石成因，探討構(gòu)造背景，為古亞洲洋構(gòu)造體系的演化提供新的制約。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于吉林省中部的頭道溝地區(qū)。該區(qū)屬于華北克拉通北緣古生代陸緣增生帶—吉林中東部、興蒙造山帶東端，夾于華北板塊、佳木斯地塊—興凱地塊之間(圖1)。該地區(qū)是一個(gè)大陸邊緣復(fù)合構(gòu)造，在前中生代時(shí)期主要受華北板塊與西伯利亞板塊相互作用的影響，先后經(jīng)歷了古亞洲洋消減、南北兩大板塊陸緣相向增生至最后拼接的演化歷史過程，中生代以來在太平洋板塊活動(dòng)中被強(qiáng)烈影響和改造，是環(huán)太平洋構(gòu)造帶的重要組成部分[9]。

吉林省中部的頭道溝地區(qū)出露地層較為簡(jiǎn)單，主要為下古生界呼蘭群頭道溝組中部斜長(zhǎng)角閃巖段上部，其傾向?yàn)槟蠔|方向。由于該地層遭受了區(qū)域變質(zhì)作用和接觸變質(zhì)作用，因此產(chǎn)出了一套變質(zhì)巖系。這些巖系主要由山斜長(zhǎng)角閃(角)巖類，透閃一陽起角巖類，黑云母硅質(zhì)角巖類等組成。在構(gòu)造區(qū)域上，頭道溝地區(qū)位于口前—小城子斷裂南西段東南側(cè)，其為壓扭性斷裂，以北東走向延至本區(qū)中部，傾向?yàn)楸蔽鞣较?。該斷裂斜交頭道溝—三家向斜構(gòu)造，向斜走向北東方向?？梢妳^(qū)域上構(gòu)造較復(fù)雜。

圖1 東北地區(qū)構(gòu)造劃分Fig. 1 Tectonic division of NE China

2 樣品特征與測(cè)試方法

2.1 樣品特征

筆者對(duì)頭道溝地區(qū)閃長(zhǎng)巖樣品進(jìn)行了LA-ICP-MC U-Pb同位素測(cè)年、全巖地化分析。采樣位置(東經(jīng)126°24′45″—北緯43°29′40″)如圖2所示。閃長(zhǎng)巖為細(xì)粒粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要由斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、角閃石和黑云母等礦物組成(圖3)。礦物粒徑較小，絕大多數(shù)晶體粒徑小于0.4 mm。斜長(zhǎng)石體積分?jǐn)?shù)約為40%，多為自形—半自形板狀，多發(fā)育卡納復(fù)合雙晶。鉀長(zhǎng)石體積分?jǐn)?shù)約為30%，呈自形—半自形板狀。角閃石體積分?jǐn)?shù)約15%，蝕變較為嚴(yán)重。黑云母體積分?jǐn)?shù)約15%，片狀，褐色—淺黃色多色性。

圖2 頭道溝地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig. 2 Simplified geological map of Toudaogou region

圖3 頭道溝閃長(zhǎng)巖巖體顯微照片F(xiàn)ig. 3 Photomicrographs of Toudaogou diorite

2.2 測(cè)試方法

鋯石的分選、制靶、透射光、反射光、陰極發(fā)光工作都在河北廊坊區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究所完成。鋯石U-Pb同位素年齡測(cè)定在自然部東北亞礦產(chǎn)評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。采用ICPMSDataCal程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，普通鉛校正采用Andersen的方法，鋯石年齡諧和圖利用Ludwig K R Isoplot 3.0程序等完成。詳細(xì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試流程參見文獻(xiàn)[18]。

樣品的主量元素和微量元素的測(cè)定分析在自然部東北亞礦產(chǎn)評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。常量元素采用的日本理學(xué)公司X-射線熒光(XRF)光譜儀(ZSX PrimusⅡ)測(cè)定的主量元素分析精度和準(zhǔn)確度≤5%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為25%；微量元素和稀土元素分析采用美國(guó)安捷倫科技有限公司Agilent 7500A型耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)分析測(cè)定，樣品測(cè)試經(jīng)國(guó)際標(biāo)樣BCR-2、BHVO-2和國(guó)家標(biāo)樣GBW07103、GBW07104監(jiān)控，分析精度控制為，微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于10×10-6～10×10-12，RSD≤5%，稀土元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在<10×10-6，RSD≤10%?；瘜W(xué)分析測(cè)試過程見文獻(xiàn)[19]。

3 分析結(jié)果

3.1 LA-ICP-MS鋯石U-Pb年代學(xué)

頭道溝地區(qū)的閃長(zhǎng)巖鋯石LA-ICP-MS U-Pb定年結(jié)果見表1。

表1 頭道溝閃長(zhǎng)巖 LA-ICP-MS U-Pb 同位素分析結(jié)果

閃長(zhǎng)巖樣品的鋯石均為無色或淺黃色，透明或半透明，形態(tài)為典型的柱狀，其長(zhǎng)寬比為1∶1～3∶1。本次共測(cè)定21顆鋯石，其震蕩環(huán)帶發(fā)育，Th與U質(zhì)量比k為0.46 ～0.95，均大于0.1，為典型的巖漿鋯石[13]。其投點(diǎn)全部落在諧和線上及附近，沒有發(fā)現(xiàn)繼承鋯石，其206Pb與238U同位素原子比λ(206Pb)/λ(238U),加權(quán)平均年齡為(250.2±2.50) Ma(MSWD=0.040)，代表該閃長(zhǎng)巖的結(jié)晶年齡，見圖4。

圖4 典型閃長(zhǎng)巖鋯石U-Pb年齡諧和圖和加權(quán)平均年齡Fig. 4 Representative zircon U-Pb concordia diagrams and weighted average

3.2 微量元素特征

頭道溝地區(qū)閃長(zhǎng)巖微量元素測(cè)試結(jié)果及特征值見表2，其單位為10-6，其中，Sr與Y、Nb與Th、Nb與Zr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值分別為γSr/Y、γNb/Th、γNb/Zr，閃長(zhǎng)巖稀土元素總量較低，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為84.9×10-6～140.4×10-6，平均值為100.7×10-6。其w(LREE)/w(HREE)為7.15～8.52，平均值為7.64，w(La)與w(Yb)的標(biāo)準(zhǔn)比值為7.60 ～10.14，w(La)與w(Sm)的標(biāo)準(zhǔn)比值為2.57～3.54，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的右傾配分曲線形式(圖5a)，并具有輕微的正Eu異常(δEu值為1.06～1.27)。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖中,樣品富集大離子親石元素Rb、Ba、K、U,虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb、Ta、Zr、Ti等(圖5b)。

3.3 主量元素特征

頭道溝地區(qū)的閃長(zhǎng)巖樣品的主量元素測(cè)試結(jié)果見表2，其單位為%。該區(qū)閃長(zhǎng)巖所含元素，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55.99%～59.15%，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.12%～17.08%，全堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)(Na2O+K2O)為5.67%～6.35%，CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.00%～7.98%。在TAS圖解中巖石全部投入在亞堿性系列中，如圖6a所示。樣品的鋁飽和指數(shù)α=w(Al2O3)/w(Na2O+K2O)和β=w(Al2O3)/w(Cao+Na2O+K2O)值分別介于1.7～1.9和0.7～0.8之間,在β-α圖解中所有樣品均集中于偏鋁質(zhì)區(qū)間，如圖6b所示。K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于0.82%～1.18%之間，在SiO2-K2O圖解中樣品均落入鈣堿性系列區(qū)域內(nèi)，如圖6c所示。其閃長(zhǎng)巖MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)值介于4.52%～5.00%之間，其相應(yīng)的鎂值介于58.6～65.8 之間。

表2 頭道溝閃長(zhǎng)巖全巖化學(xué)分析結(jié)果

4 討 論

4.1 巖石成因

頭道溝閃長(zhǎng)巖以富集角閃石和黑云母等礦物為特征，表明其母巖漿是富水的(≥ 4%)和相對(duì)氧化的[20]。閃長(zhǎng)巖富集輕稀土元素(LREE)和大離子親石元素(LILE)，虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素(HFSE)，表現(xiàn)出明顯的弧巖漿特征。然而，閃長(zhǎng)巖樣品所含的MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(4.52%～5.00 %)，而全鐵與氧化鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值較低(0.93～1.26)，從而區(qū)別于普通的弧巖漿，而與高鎂閃長(zhǎng)巖類似[21]。除此之外，閃長(zhǎng)巖中還有質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高的Ba、Sr和一些相容元素(如Gr、Ni、V等)。這些特征也與高鎂閃長(zhǎng)巖相符。在相關(guān)的判別圖中(圖7a)，閃長(zhǎng)巖樣品全部落入了高鎂閃長(zhǎng)巖區(qū)域。綜上，筆者認(rèn)為頭道溝閃長(zhǎng)巖為典型的高鎂閃長(zhǎng)巖。

圖6 研究區(qū)頭道溝巖體分類圖解Fig. 6 Classification diagram of Toudaogou rocks in study area

高鎂閃長(zhǎng)巖通?？梢员粍澐譃楦哝V埃達(dá)克巖、贊岐巖、玻安巖和巴哈巖4個(gè)亞類[17]。玻安巖常常具有較低含量的高場(chǎng)強(qiáng)元素、大離子親石元素、稀土元素和TiO2。此外，玻安巖的另一個(gè)特征是MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)極高(>8%)[22]。雖然頭道溝閃長(zhǎng)巖所含TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，但不具備有其他上述特征(圖5b、7b)。高鎂埃達(dá)克巖和巴哈巖具有相似的微量元素特征，它們擁有極高的Sr成分、Sr與Y 、La與Yb標(biāo)準(zhǔn)化比值。此外，它們的另一個(gè)特點(diǎn)使Y和Yb等元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。它們的不同之處在于巴哈巖所含的Sr與Ba的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比高鎂埃達(dá)克巖更高。頭道溝閃長(zhǎng)巖也具有較高的Sr(696×10-6～988×10-6)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但其Y(21.4×10-6～33.1×10-6)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。因此，頭道溝閃長(zhǎng)巖與典型高鎂埃達(dá)克巖和巴哈巖特征不符(圖7c、d)。

典型的贊岐巖具有較高的大離子親石元素和相容元素(如Cr、Ni、和V等)含量，它們的鎂值(>60)也較高，此外它們還擁有相對(duì)較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Y(>10×10-6)和Yb (>0.8×10-6)[17]。頭道溝閃長(zhǎng)巖展示出與Setouchi 火山巖帶贊岐巖相似特點(diǎn)，在相關(guān)的判別圖中，閃長(zhǎng)巖樣品大部分落入了贊岐巖區(qū)域(圖7c、d)。綜上，本文認(rèn)為頭道溝閃長(zhǎng)巖為典型的贊岐巖。

目前高鎂安山巖/閃長(zhǎng)巖的成因主要有以下4種認(rèn)識(shí): (1)含水的地幔橄欖巖直接部分熔融的產(chǎn)物[23]；(2)拆沉下地殼的部分熔融[24];(3)富集地幔直接部分熔融的產(chǎn)物[25];(4)由地幔楔與俯沖板片部分熔融產(chǎn)生的熔體或流體相互反應(yīng)的產(chǎn)物[14,17]。頭道溝閃長(zhǎng)巖富集輕稀土元素和大離子親石元素，虧損重稀土元素和高場(chǎng)強(qiáng)元素，因此，含水的地幔橄欖巖直接部分熔融模式應(yīng)該排除。

頭道溝閃長(zhǎng)巖與文獻(xiàn)[26]所定義的由富集地幔直接熔融形成的贊岐巖特征相類似，其中，w(MgO)>6%,鎂值>60,w(Ni)>100×10-6和w(Cr)>100×10-6，表明富集地幔組分是頭道溝閃長(zhǎng)巖源區(qū)所不可缺少的。然而，閃長(zhǎng)巖樣品富集大離子親石元素,虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素，暗示俯沖沉積巖物質(zhì)的添加。此外，巖石具有較低的 Th與Yb質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值(0.68～1.75)和較高的 Ba與La質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值(25.56～48.64)，表明俯沖洋殼板片產(chǎn)生的流體也參與了成巖過程[27]。頭道溝閃長(zhǎng)巖樣品在Ba與Th-La與Sm標(biāo)準(zhǔn)化和Th與Yb-Ba與La圖解表現(xiàn)出有板片流體交代和沉積物熔體添加的趨勢(shì)(圖8)。因此，筆者認(rèn)為，頭道溝閃長(zhǎng)巖為地幔楔與俯沖板片部分熔融產(chǎn)生的熔體和流體相互反應(yīng)的產(chǎn)物。

圖7 高鎂安山巖的分類Fig. 7 Discrimination diagrams for HMA

圖8 巖石成因判別圖解Fig. 8 Discrimination diagram of rock genesis

4.2 構(gòu)造背景

LA-ICP-MS鋯石U-Pb年代學(xué)顯示，頭道溝閃長(zhǎng)巖形成時(shí)間為(250.2±2.50) Ma，即早三疊世。已有的研究表明,古亞洲洋在晚二疊世—早中三疊世閉合[4-6]，因此，頭道溝閃長(zhǎng)巖可能為古亞洲洋俯沖晚期的產(chǎn)物或者古亞洲洋閉合后兩側(cè)陸塊發(fā)生碰撞的產(chǎn)物。頭道溝閃長(zhǎng)巖富集輕稀土元素(LREE)和大離子親石元素(LILE)，虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素(HFSE)，表現(xiàn)出明顯的弧巖漿特征。在Nb與Th-Nb構(gòu)造環(huán)境判別圖中(圖9a)，閃長(zhǎng)巖均落在弧火山巖區(qū)域內(nèi)或附近。在標(biāo)準(zhǔn)化的Nb與Zr構(gòu)造環(huán)境判別圖上(圖9b)，閃長(zhǎng)巖也都落在俯沖帶巖漿巖區(qū)域內(nèi)。說明其形成環(huán)境應(yīng)與板塊俯沖有關(guān)。在收集前人研究成果時(shí)發(fā)現(xiàn)，高鎂閃長(zhǎng)巖沿索倫—西拉木倫—長(zhǎng)春—延吉一帶出現(xiàn)，如色洛河英安巖(252 Ma)[28]、遼北開原地區(qū)安山巖(250 Ma)[29]等。而高鎂閃長(zhǎng)巖通常形成于俯沖環(huán)境[18]，因此，本文認(rèn)為，上述火成巖與頭道溝閃長(zhǎng)巖形成于古亞洲洋俯沖晚期。

圖9 構(gòu)造環(huán)境判別Fig. 9 Tectonic environment discrimination

4.3 對(duì)古亞洲洋演化的制約

如上所述，在沿索倫—西拉木倫—長(zhǎng)春—延吉一帶發(fā)現(xiàn)有自西向東帶狀分布的一批高鎂閃長(zhǎng)巖/安山巖(圖1)，如遼北開原安山巖(250 Ma)[29]、內(nèi)蒙古梅勞特烏拉巴嘎哈爾閃長(zhǎng)巖(282 Ma)[30]、頭道溝石英閃長(zhǎng)巖(250 Ma)(本文)、吉林色洛河英安巖(252 Ma)[28]、吉林琿春石英閃長(zhǎng)巖(240 Ma)[31]。這些自西向東帶狀分布的高鎂閃長(zhǎng)巖/安山巖的存在(圖1)，表明了古亞洲洋沿索倫—西拉木倫—長(zhǎng)春—延吉一帶俯沖。此外，索倫—西拉木倫—長(zhǎng)春—延吉縫合代中，索倫—西拉木倫縫合代中蛇綠巖研究程度較深，其蛇綠混雜巖帶形成時(shí)代主要為二疊紀(jì)—三疊紀(jì)，其構(gòu)成環(huán)境雖然存在一定爭(zhēng)議，但結(jié)合蛇綠巖帶中硅質(zhì)巖中二疊紀(jì)放射蟲及牙形石化石，地質(zhì)學(xué)家們認(rèn)為其與一個(gè)長(zhǎng)期演化的大洋有關(guān)[12]。長(zhǎng)春—延吉蛇綠混雜巖帶，由西向東大致分布于長(zhǎng)春、舒蘭和延吉地區(qū)。其研究較為薄弱，其巖體形成時(shí)代為早古生代、晚古生代或者前寒武紀(jì)與構(gòu)成環(huán)境有弧后拉張洋盆、島弧邊緣盆地體系或者寬闊大洋盆地之爭(zhēng)，但在長(zhǎng)春—延吉一帶古生代存在古洋盆已是不爭(zhēng)事實(shí)[32-33]。綜上，我們認(rèn)為古亞洲洋應(yīng)該沿索倫—西拉木倫—長(zhǎng)春—延吉一帶閉合。而關(guān)于古亞洲在賀根山—嫩江—黑河一線閉合的觀點(diǎn)[10,11]的產(chǎn)生可能原因?yàn)樵谠摰貐^(qū)存在古亞洲洋分支洋盆。如劉永江等[12]認(rèn)為，二連浩特—賀根山蛇綠巖所代表的前生洋盆應(yīng)該具有一定規(guī)模。

此外，這些高鎂閃長(zhǎng)巖/安山巖沿索倫—西拉木倫—長(zhǎng)春—延吉縫合代自西向東從早到晚依次分布。其中，如最東段的琿春石英閃長(zhǎng)巖(240 Ma)[31]形成最晚。然而，內(nèi)蒙古溫都爾廟地區(qū)的夸子梁花崗斑巖(270 Ma)已處于同碰撞環(huán)境[34]。同時(shí)華北克拉通北緣中段早—中三疊世火成巖主要為堿性巖和雙峰式火成巖組合，它們處于伸展環(huán)境，表明在三疊世以前古亞洲洋在克拉通北緣中段附近早已閉合[35-36]。另外，在縫合帶東段呼蘭群變質(zhì)巖(峰期變質(zhì)年齡晚二疊世)或略晚于其的同碰撞型花崗巖也被發(fā)現(xiàn)，表明在早—中三疊世古亞洲洋在東段終閉合[37-38]。因此，筆者認(rèn)為，古亞洲洋沿索倫—西拉木倫—長(zhǎng)春—延吉縫合代自西向東從早到晚剪刀式閉合。而具有爭(zhēng)議的中晚泥盆世—早石炭世的古亞洲洋閉合觀點(diǎn)可能受古亞洲洋分支洋盆影響。并且，支持這種觀點(diǎn)有一部分原因是基于晚石炭世至二疊紀(jì)(325～260 Ma)時(shí)期興蒙造山帶內(nèi)發(fā)生多期伸展作用，隨著研究的不斷深入，地質(zhì)學(xué)家們認(rèn)為，晚石炭世至二疊紀(jì)時(shí)期的伸展作用可能與弧后盆地有關(guān)[39-40]。

5 結(jié) 論

(1)鋯石U-Pb年代學(xué)結(jié)果表明頭道溝閃長(zhǎng)巖的形成年齡為(250.2±2.50) Ma，屬早三疊世。

(2)頭道溝閃長(zhǎng)巖為高鎂閃長(zhǎng)巖類中的贊岐巖，為地幔楔與俯沖板片部分熔融產(chǎn)生的熔體和流體相互作用的產(chǎn)物。

(3)頭道溝石英閃長(zhǎng)巖形成與古亞洲洋俯沖有關(guān)。高鎂閃長(zhǎng)巖/安山巖沿索倫—西拉木倫—長(zhǎng)春—延吉縫合代自西向東從早到晚依次分布，同時(shí)，沿該帶與同碰撞構(gòu)造環(huán)境有關(guān)的巖體也有西向東從早到晚的趨勢(shì)，表明古亞洲洋自西向東剪刀式縫合。