古太平洋板塊早侏羅世俯沖作用：來自吉林延邊和龍地區(qū)輝長巖年代學和地球化學記錄

張 超，王路遠，耿 瑞，劉正宏，張樂彤

(1.山東理工大學 資源與環(huán)境工程學院，山東 淄博 255000；2.自然資源部東北亞礦產資源評價重點實驗室，吉林 長春 130026；3.山東黃金集團有限公司，山東 濟南 250101；4.吉林大學 地球科學學院，吉林 長春 130061；5.黑龍江省地球物理地球化學勘查院，黑龍江 哈爾濱 150036)

0 引 言

與板塊俯沖有關的巖漿弧是研究殼幔相互作用和大陸地殼生長的天然實驗室[1-3]，也是探討大陸地殼增生、再造過程的重要依據(jù)。延邊地區(qū)位于興蒙造山帶南緣東段[4-6]，處于大陸板塊(歐亞大陸)與大洋板塊(古亞洲洋、古太平洋)相互作用的經典地區(qū)。古生代以來，延邊地區(qū)經歷了古亞洲洋構造域和環(huán)太平洋構造域影響，形成大規(guī)模的巖漿作用及與巖漿作用相關的金屬和非金屬礦產[7-17]。近年來，依據(jù)延邊地區(qū)中酸性巖漿巖年代學和巖石成因研究成果，眾多學者認為延邊地區(qū)早侏羅世巖漿活動與古太平洋俯沖作用有關[10,13,15-18]，但對同時期的鎂鐵質—超鎂鐵質巖漿巖研究較少。作為構造巖漿作用的重要組成部分，幔源鎂鐵質—超鎂鐵質巖漿巖在不同的構造演化階段具有不同特征，并攜帶了大量的地幔信息，是研究造山帶演化過程中深部地幔性質、殼幔相互作用和構造環(huán)境演化的重要研究對象。本文對吉林延邊和龍地區(qū)早侏羅世沙松頂子輝長巖進行了巖石學、LA-ICP-MS鋯石U-Pb年代學、鋯石Hf同位素和巖石地球化學分析，探討沙松頂子輝長巖巖漿熔融源區(qū)特征和深部動力學過程，并結合區(qū)域構造演化探討早侏羅世輝長巖形成的大地構造背景，為興蒙造山帶南緣東段早侏羅世巖漿活動及構造演化研究提供新的約束。

1 區(qū)域地質背景

研究區(qū)位于吉林延邊地區(qū)東南部，與朝鮮隔圖們江相望，該區(qū)以富爾河—古洞河斷裂為界，北側為華北克拉通北緣增生帶，南側為以基底和蓋層沉積為主的龍崗—冠帽地塊[8][圖1(a)]。

圖1 吉林延邊和龍地區(qū)構造地質簡圖

研究區(qū)內出露的地層主要包括太古代結晶基底、早古生代—晚白堊世地層和第四系[14][圖1(b)]。依據(jù)現(xiàn)有研究成果[7-21]，研究區(qū)及鄰區(qū)中二疊世—白堊紀巖漿事件可以分為280～240、230～205、205～160和130～105 Ma等4期。其中，280～205 Ma的巖漿事件與古亞洲洋構造域演化有關，主要包括與俯沖碰撞有關的英云閃長巖、石英閃長巖、角閃輝長巖、二長花崗巖，與擠壓造山有關的二長花崗巖、花崗閃長巖，及與造山后伸展有關的A型花崗巖、A型流紋巖和雙峰式巖漿巖；205～160 Ma的巖漿事件與古太平洋的俯沖作用有關，形成一系列SN向展布、與俯沖有關的基性侵入巖、鈣堿性巖漿弧、雙峰式巖漿巖和埃達克巖，巖石類型包括蘇長巖、輝長巖、輝長閃長巖、閃長巖、花崗閃長巖、二長花崗巖和正長花崗巖；受古太平洋板塊俯沖回撤影響，研究區(qū)及鄰區(qū)白堊紀期間(130～105 Ma)巖石類型以花崗閃長巖、二長花崗巖和正長巖為主。

2 巖相學特征及樣品采集

沙松頂子巖體分布在吉林省和龍市福洞鎮(zhèn)南側沙松頂子高地[圖1(b)]，受古洞河斷裂影響呈NNW向展布，出露面積約13 km2，由中細粒輝長巖組成。該巖體侵入到太古代雞南巖組地層中，并被晚期中侏羅世二長花崗巖侵入，與白堊紀地層呈斷層接觸。野外地質工作過程中，在沙松頂子高地附近的人工露頭處采集較新鮮的樣品作為定年樣品(1件，樣品編號為YH45，采樣位置為(42°30′17″N，129°6′16″E))和巖石地球化學分析樣品(5件，樣品編號分別為5010-1、YH45、YH46、B2448-1和B2446-6)。

輝長巖風化面呈灰色，新鮮面呈深灰色，具中細粒結構、塊狀構造。顯微鏡下觀察主要礦物為斜長石(體積分數(shù)為55%)、輝石(40%)和橄欖石(5%)(圖2)。斜長石呈半自形板狀，聚片雙晶發(fā)育，粒度為1～3 mm，多數(shù)顆粒與輝石形成輝長結構；輝石主要為普通輝石，呈短柱狀，粒度為1～2 mm；橄欖石呈他形粒狀，粒度為1～2 mm，裂紋發(fā)育，部分發(fā)生伊丁石化。

Pl為斜長石；Ol為橄欖石；Px為普通輝石

3 分析方法

3.1 鋯石U-Pb定年

鋯石挑選在河北省區(qū)域地質礦產調查研究所進行，鋯石制靶和反射光、透射光、陰極發(fā)光圖像的采集在北京離子探針中心完成。鋯石U-Pb同位素分析在天津地質礦產研究所實驗測試中心完成，所用儀器為THermo FisHer公司制造的Neptune型LA-MC-ICP MS儀和ESI公司生產的UP193-FX ArF準分子激光器聯(lián)機；應用TEMORA和GJ-1作為外部鋯石年齡標樣進行分餾校正，元素含量則采用玻璃標樣NIST SRM610作為外標[22]。用193 nm激光器對鋯石進行剝蝕，激光剝蝕的深度為20～40 μm，斑束直徑為35 μm，每進行8個點的分析進行一次標準鋯石GJ-1的測試。后期通過Anderson提出的方法[23]對實驗測得數(shù)據(jù)進行同位素比值校正以去除普通鉛的影響，鋯石年齡諧和曲線通過Isoplot 3.00軟件[24]繪制而成。

3.2 地球化學分析

樣品的主量、微量元素分析在中國地質調查局天津地質調查中心完成。微量元素使用等離子體質譜(ICP-MS)儀進行分析，分析精度優(yōu)于5%；主量元素采用X射線熒光光譜儀進行分析，分析誤差小于1%。

3.3 Hf同位素分析

在中國地質調查局天津地質調查中心同位素實驗室對樣品YH45進行鋯石原位Hf同位素分析，測試儀器為Neptune型質譜儀和UP193-FXArF準分子激光器，激光器能量密度為10～11 J·cm-2，鋯石國際標樣91500作為外標，激光束直徑為50 μm。分析方法和流程參照文獻[25]，Hf同位素相關計算方法和公式參照文獻[26]。分析中所采用的球粒隕石(176Lu/177Hf)CHUR值為0.033 2，(176Hf/177Hf)CHUR值為0.282 772；現(xiàn)今虧損地幔(176Lu/177Hf)DM值為0.038 4，(176Hf/177Hf)DM值為0.283 250；Lu衰變常數(shù)(λ)為每年1.865×10-11；計算鋯石Hf同位素的地殼模式年齡時，采用的176Lu/177Hf值為-0.34[26]。

4 結果分析

4.1 鋯石U-Pb年齡

吉林延邊和龍地區(qū)沙松頂子輝長巖樣品YH45中的鋯石呈半自形短柱狀，大小為80～120 μm，Th和U含量(質量分數(shù)，下同)分別為(139.78～3 583.32)×10-6和(256～2 843)×10-6，Th/U值大多為0.54～1.27，僅1個分析點為0.06(表1)，陰極發(fā)光圖像顯示鋯石具有條痕狀條帶(圖3)，呈現(xiàn)基性巖漿鋯石成因特征。24顆鋯石的LA-ICP-MS U-Pb分析結果見表1，所有分析點均落在諧和曲線上及其附近(圖4)，鋯石206Pb/238U表面年齡為(182±2)～(172±1)Ma，加權平均年齡為(175.6±1.1)Ma，平均標準權重偏差(MSWD)為2.6(圖4)，該年齡可代表沙松頂子輝長巖的結晶年齡。

圖中實線圓圈為鋯石U-Pb同位素分析點位置；虛線圓圈為Hf同位素分析點位置

圖4 鋯石U-Pb年齡諧和曲線及年齡分布

表1 LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素分析結果

4.2 Hf同位素組成

對沙松頂子輝長巖樣品YH45的10顆鋯石進行Hf同位素分析，分析結果見表2和圖5。Hf同位素分析結果采用加權平均年齡(175 Ma)進行計算，得到10顆鋯石176Lu/177Hf值為0.000 8～0.001 8，初始176Hf/177Hf值((176Hf/177Hf)i)為0.282 735～0.282 860，所計算的εHf(t)為2.5～7.0，單階段模式年齡(TDM1)為731～556 Ma。

圖5 εHf(t)-t圖解

表2 Hf同位素分析結果

4.3 地球化學特征

4.3.1 主量元素

沙松頂子輝長巖具有較低的SiO2含量(42.50%～46.30%)以及較高的Al2O3含量(17.40%～29.30%)、CaO含量(11.20%～15.20%)，TFeO含量(3.15%～14.04%)和MgO含量(2.24%～10.62%)變化范圍較大，Mg#值為51～68，全堿(Na2O+K2O值為1.51%～1.90%)和K2O含量(0.28%～0.48%)極低(表3)。在TAS圖解[圖6(a)]中，多數(shù)樣品落入了亞堿性系列范圍內；在SiO2-K2O圖解[圖6(b)]中，樣品落入了鈣堿性系列范圍內；在AFM圖解[圖6(c)]中，多數(shù)樣品落入了拉斑玄武系列范圍內，只有樣品YH46落入了鈣堿性系列范圍內。沙松頂子輝長巖具有較高的Al含量，與島弧和大陸邊緣地區(qū)產出的高鋁玄武巖化學組成十分相似。巖石地球化學特征表明，沙松頂子輝長巖具有高Al和低Ti、堿的特征，且Na2O含量高于K2O，明顯不同于板內玄武巖，而與亞堿性拉斑玄武巖接近。

4.3.2 微量元素

沙松頂子輝長巖稀土元素總含量較低，為(17.70～36.54)×10-6，(La/Yb)N值為5～7，LREE/HREE值為5～6(表3)。球粒隕石標準化稀土元素配分模式較平坦[圖7(a)]，Eu異常為1.06～1.68，表現(xiàn)出正Eu異常的特征；在原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖[圖7(b)]中，輝長巖明顯富集Cs、K、Sr等大離子親石元素，虧損Nb、Ta等高場強元素，表現(xiàn)出消減帶或受陸殼混染巖漿巖的典型特征[27]。輝長巖Cr含量為(70.5～240.0)×10-6，Ni含量為(16.1～73.6)×10-6，Co含量為(20.5～59.7)×10-6，V含量為(68.7～560.0)×10-6，Sc含量為(9.21～31.80)×10-6，Zr/Hf值為30.55～41.25，Ba/Rb值為6.44～19.05，上述微量元素含量和比值暗示沙松頂子輝長巖的巖漿源區(qū)具有幔源巖漿的特征。

表3 主量、微量元素分析結果

ws為樣品含量；wc為球粒隕石含量；wp為原始地幔含量；同一圖中相同線條對應不同樣品；圖(a)引自文獻[36]；圖(b)引自文獻[30]

5 討 論

5.1 巖石成因與巖漿源區(qū)

吉林延邊和龍地區(qū)沙松頂子輝長巖由橄欖石、普通角閃石、普通輝石和斜長石組成，輝長巖的Sr含量((588～989)×10-6)明顯高于地幔(17.8×10-6)[28]，表明輝長巖中可能存在斜長石堆晶作用[29]。樣品具有較低的SiO2含量(42.50%～46.30%)、稀土元素總含量，以及較高的Mg#值(51～68)，其Cr、Ni、V、Co和Sc含量也較高，巖相學特征和巖石地球化學特征表明沙松頂子輝長巖具有幔源巖漿巖的特征；此外，樣品具有與幔源巖漿巖特征相似的Zr/Hf值和Ba/Rb值(原始地幔Zr/Hf值和Ba/Rb值分別為36.27和11.00[30])，進一步暗示沙松頂子輝長巖巖漿源區(qū)具有幔源巖漿的特征。鎂鐵質巖石通常起源于軟流圈地?；驇r石圈地幔[31]，起源于軟流圈地幔的巖漿通常富集高場強元素和大離子親石元素，而起源于巖石圈地幔的巖漿相對原始地幔虧損高場強元素，富集大離子親石元素和輕稀土元素。沙松頂子輝長巖富集大離子親石元素(Cs、K、Sr)，強烈虧損高場強元素Nb和Ta，具有俯沖環(huán)境下形成的基性巖漿巖或受陸殼混染作用基性巖漿巖的地球化學特征。在源區(qū)判別圖解(圖8)中，樣品位置偏離MORB-OIB趨勢帶，顯示出受俯沖組分影響的特征[32]；在La/Nb-Ba/Nb圖解和La/Yb-Nb/Y圖解(圖9)中，樣品分別落在弧火山和流體交代作用的區(qū)域范圍內，也暗示了沙松頂子輝長巖原始巖漿受到了俯沖流體交代作用的影響，樣品更低的Nb含量((0.67～1.70)×10-6)、P2O5含量(0.054%～0.095%)和TiO2含量(0.29%～1.59%)也表明輝長巖原始巖漿沒有受到熔體交代作用影響，而應是流體交代作用的結果。沙松頂子輝長巖Hf同位素單階段模式年齡為731～556 Ma，遠大于其形成年齡。對于地幔來源的玄武質巖而言，如果Hf同位素模式年齡大于其形成年齡，則表明其巖漿源區(qū)受到過地殼物質的混染或來自富集型地幔[23]。樣品的εHf(t)為2.5～7.0，均為正值，且全部落入虧損地幔線以下(圖5)，說明輝長巖原始巖漿應起源于高度虧損的地幔，而不是富集型地幔。Nb/U值可作為幔源巖漿上升過程中地殼混染的標志，原始地幔和大陸地殼Nb/U平均值分別為33.59和8.93[28]，沙松頂子輝長巖Nb/U值為5.50～8.95，與大陸地殼接近，反映沙松頂子輝長巖原始巖漿在上升過程中有陸殼物質的加入，依據(jù)原始地幔標準化后的元素含量比值，沙松頂子輝長巖原始巖漿可能遭受了上地殼物質的混染(圖10)。因此，沙松頂子輝長巖原始巖漿可能來源于虧損地幔，并遭受俯沖板片析出流體的交代作用和地殼物質的混染。

MORB為洋中脊玄武巖；OIB為洋島玄武巖；E-MORB為富集型洋中脊玄武巖；N-MORB為正常型洋中脊玄武巖；底圖引自文獻[38]，有所修改

底圖引自文獻[59]，有所修改

5.2 形成時代及構造意義

依據(jù)輝長巖與圍巖的接觸關系和所處大地構造位置，陳作文等認為沙松頂子輝長巖侵位時代為晚二疊世，是古亞洲洋構造域活動的產物[37]。本文對沙松頂子輝長巖進行LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年，所選鋯石陰極發(fā)光圖像具有震蕩環(huán)帶，Th/U值高于0.4，具有基性巖漿鋯石特征，因此，其加權平均年齡(175.6±1.1)Ma可代表沙松頂子基性巖漿巖的結晶年齡，該結果與吉黑東部早侏羅世基性巖漿巖的侵位時間[32]一致。

中生代期間，興蒙造山帶經歷了古亞洲洋最終閉合后的碰撞及后碰撞伸展，古太平洋俯沖和蒙古—鄂霍茨克洋俯沖、閉合及其后碰撞伸展過程，形成了面狀發(fā)育的花崗巖帶及巨量礦產資源[7-21,39-46]。延邊地區(qū)大地構造位置處于興蒙造山帶南緣，是古亞洲洋構造域和古太平洋構造域相互作用的直接地區(qū)，古亞洲洋構造域在該地區(qū)閉合時間和古太平洋板塊在該地區(qū)俯沖作用的時間一直受國內外學者的關注[9-21,41,47-51]。晚三疊世方輝橄欖巖、鎂鐵質—超鎂鐵質侵入巖、輝石巖、A2型正長花崗巖等在延邊地區(qū)呈EW向展布，其巖石組合暗示晚三疊世延邊地區(qū)處于伸展構造環(huán)境[7,14,52-54]；結合晚三疊世大醬溝組磨拉石建造[55-56]、柯島組(約210 Ma[57])和呼蘭群(約220 Ma[58])中變質年齡，延邊地區(qū)晚三疊世伸展構造環(huán)境代表古亞洲洋構造域最終閉合時間。鑒于此，吉黑東部侏羅紀具有活動大陸邊緣特點的巖漿巖應與古亞洲洋構造域的演化無關。受蒙古—鄂霍茨克構造域和古太平洋俯沖作用影響，東北及鄰區(qū)發(fā)育大面積早—中侏羅世侵入巖，其中分布于吉黑東部的早—中侏羅世侵入巖主要由輝長巖、閃長巖、花崗閃長巖、二長花崗巖和正長巖組成，呈SN向展布，與蒙古—鄂霍茨克洋俯沖閉合和古太平洋俯沖作用形成的巖漿弧展布方向均基本一致。吉黑東部侏羅紀巖漿活動是蒙古—鄂霍茨克構造域的產物還是古太平洋俯沖作用的結果？亦或是兩種構造體制耦合作用的產物？相關研究表明額爾古納地塊、興安地塊早—中侏羅世侵入巖侵位時代具有逐漸向東南遷移的分帶特征，且其形成與蒙古—鄂霍茨克洋俯沖作用有關[39-41]；而現(xiàn)有研究結果顯示額爾古納地塊和興安地塊廣泛分布的210～160 Ma巖漿活動并未體現(xiàn)時空分帶特征，但與此同時期的吉黑東部及其南部朝鮮盆地侏羅紀巖漿活動卻呈現(xiàn)由西北向東南逐漸年輕的特征，即體現(xiàn)出明顯的時空分帶特征[14]。因此，蒙古—鄂霍茨克構造域和古太平洋構造域大概以松遼盆地及大興安嶺東南段為分界，結合吉黑東部尤其是延邊地區(qū)現(xiàn)今距離蒙古—鄂霍茨克洋閉合達數(shù)百千米的空間位置，吉黑東部早—中侏羅世巖漿活動可能與蒙古—鄂霍茨克洋俯沖閉合無關，而應該是古太平洋俯沖作用下的產物。上述認識也與區(qū)域相關研究結果相符。Guo等對圖們地區(qū)早侏羅世中—基性巖進行了詳細的巖石地球化學分析，認為其形成于活動大陸邊緣下的俯沖環(huán)境[11]；Yu等認為小興安嶺—張廣才嶺早侏羅世基性侵入巖與同時期的I型花崗巖為雙峰式巖漿巖組合，并進一步認為該雙峰式巖漿巖組合屬于古太平洋俯沖過程中弧后盆地伸展環(huán)境下的巖漿事件[47]；同時，吉黑東部早—中侏羅世花崗質巖石具有俯沖背景下的巖石組合和地球化學特征，應形成于古太平洋俯沖構造環(huán)境下；此外，與板片俯沖有關的增生雜巖(中國黑龍江雜巖、俄羅斯哈巴羅夫斯克雜巖、日本美濃丹波雜巖)變形年齡為186～176 Ma[14]，該增生雜巖與同時期的巖漿事件也被解釋為古太平洋早—中侏羅世俯沖的產物?？傊跂|部SN向展布的早—中侏羅世鈣堿性侵入巖[7,14,16,61-62]、小興安嶺—張廣才嶺同時期的雙峰式巖漿巖[47]和與板片俯沖有關的增生雜巖[14,63]均表明，早—中侏羅世吉黑東部處于古太平洋西向俯沖的構造環(huán)境。

延邊和龍地區(qū)沙松頂子輝長巖侵位時代為(175.6±1.1)Ma，具有明顯虧損高場強元素、富集大離子親石元素的特征，與典型的島弧型火山巖地球化學特征一致。在巖石地球化學特征上，沙松頂子輝長巖Th/Nb值為0.44～0.63，Hf/Th值為1.16～1.63，Th/Yb值為0.84～1.60，Nb/La值為0.21～0.30，顯示出島弧玄武巖的巖石地球化學特征(島弧玄武巖Th/Nb值高于0.07，Hf/Th值低于8，Th/Yb值高于0.1，Nb/La值低于0.8[64])。在構造環(huán)境判別圖解(圖11)中，樣品均落入了大陸活動邊緣的范圍內，具有俯沖背景下活動大陸邊緣環(huán)境的巖石地球化學特征。結合區(qū)域演化特征，沙松頂子輝長巖應形成于古太平洋俯沖作用下活動大陸邊緣的構造環(huán)境。

IAT為島弧拉斑玄武巖；CAB為活動陸緣玄武巖；WPT為板內拉斑玄武巖；WPA為板內堿性玄武巖

6 結 語

(1)吉林延邊和龍地區(qū)沙松頂子輝長巖由橄欖石、普通角閃石、普通輝石和斜長石組成，具有低Si、Ti、堿和高Al的特征，且Na2O含量高于K2O，具有較高的Cr、Ni、V、Co和Sc含量，明顯不同于板內玄武巖，而與島弧拉斑亞堿性玄武巖接近。巖相學和巖石地球化學特征表明沙松頂子輝長巖具有幔源巖漿巖的特征。

(2)沙松頂子輝長巖富集大離子親石元素(Cs、K、Sr)，強烈虧損高場強元素Nb和Ta，具有俯沖環(huán)境下形成的基性巖漿巖的地球化學特征。鋯石εHf(t)為2.5～7.0，均為正值，說明輝長巖原始巖漿應起源于高度虧損的地幔；Nb/U值與大陸地殼接近，反映沙松頂子輝長巖原始巖漿在上升過程中有陸殼物質的加入。沙松頂子輝長巖原始巖漿可能來源于虧損地幔，并遭受俯沖板片析出流體的交代作用和地殼物質的混染。

(3)沙松頂子輝長巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb加權平均年齡為(175.6±1.1)Ma，侵位時代為早侏羅世晚期，形成于古太平洋俯沖作用下活動大陸邊緣的構造環(huán)境。