小柯勒地區(qū)早白堊世閃長玢巖的年代學(xué)與地球化學(xué)特征

王佰義

(黑龍江省齊齊哈爾地質(zhì)勘查總院， 黑龍江 齊齊哈爾 161006)

0 引 言

中國東北部位于西伯利亞克拉通和華北克拉通之間，是古生代造山組合帶—中亞造山帶東北部分[1-2]。該地區(qū)由西向東可劃分為額爾古納、興安、松嫩、佳木斯等地塊，發(fā)育有塔源-喜桂圖、賀根山—黑河等超殼斷裂[3]。中國東北部古生代時經(jīng)歷了古亞洲洋俯沖和幾個微陸塊的陸續(xù)拼合[1,3]，古亞洲洋閉合后，該地區(qū)在中生代時期又受到蒙古—鄂霍茨克、古太平洋構(gòu)造區(qū)的影響和改造。由于經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造運動，在多期構(gòu)造-巖漿作用的演化過程中，中國東北部的大興安嶺地區(qū)形成了許多熱液礦床[4-6]，是中國重要的多金屬成礦帶。除多寶山、銅山斑巖型銅鉬礦外，大部分礦床都與中生代巖漿-熱液活動相關(guān)，在晚中生代達到高峰。近年來，有關(guān)大興安嶺晚中生代火山成巖機制及構(gòu)造背景的觀點主要有太平洋板塊向歐亞大陸俯沖作用[7]、擴張裂谷作用[8]、古亞洲洋閉合過程中的殼幔相互作用下引起的深部地幔柱上升[9]等等。這些爭議限制了大興安嶺地區(qū)成巖成礦機制的研究，小柯勒地區(qū)位于大興安嶺地區(qū)北部，晚中生代巖漿活動劇烈，為研究晚古生代大興安嶺地區(qū)巖漿活動機制提供了可供研究的實例，因此，文中對小柯勒閃長玢巖進行年代學(xué)和地球化學(xué)研究，以期揭示該地區(qū)早白堊世閃長玢巖巖石成因和形成的構(gòu)造背景。

1 地質(zhì)背景與樣品特征

小柯勒地區(qū)位于興安地塊與額爾古納地塊交接處[10]，見圖1，屬于大興安嶺多金屬成礦區(qū)帶中北部。區(qū)域內(nèi)出露地層包括新遠(yuǎn)古代變質(zhì)表殼巖、古生代淺海沉積巖、分布廣泛的中生代火山巖和少量的陸源碎屑巖。區(qū)域內(nèi)發(fā)育廣泛的花崗巖，呈東北向分布。小柯勒地區(qū)出露的地層為白音高老組和吉祥溝組，侵入巖為早二疊世正長花崗巖和早白堊世花崗閃長斑巖，同時發(fā)育有大量脈巖，巖性為花崗斑巖、閃長玢巖、石英脈等。

測試樣品采取自地表閃長玢巖露頭，進行了鋯石U-Pb年代學(xué)和主、微量元素測試。巖石樣品新鮮面呈灰綠色-灰色，為斑狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造。巖石由體積分?jǐn)?shù)約25%～30%的斑晶和體積分?jǐn)?shù)約為70%～75%的基質(zhì)組成。其中，斑晶由體積分?jǐn)?shù)20%～25%的斜長石和體積分?jǐn)?shù)5%～10%的角閃石組成；斜長石鏡下呈自形-半自形板狀，粒度約4～6 mm，發(fā)育聚片雙晶；角閃石鏡下呈自形-半自形板狀，粒度約3～4 mm，可見明顯的兩組斜交節(jié)理，多色性明顯?；|(zhì)成分由微晶斜長石、角閃石和少量的石英組成。

圖1 小柯勒地區(qū)大地構(gòu)造位置Fig. 1 Geotectonic position of Xiaokele area

2 分析方法

2.1 鋯石U-Pb同位素測試

鋯石的單礦物分選、制靶、陰極發(fā)光圖像(CL)采集和測試工作均在北京市燕都中實測試技術(shù)有限公司完成。將破碎的巖石樣品通過磁性法和重液法對鋯石進行分離，在雙目顯微鏡下人工精心挑選出結(jié)晶形態(tài)良好、表面光滑、內(nèi)部無裂紋、無明顯夾雜物的鋯石。然后將挑選出的鋯石粘貼固定在環(huán)氧樹脂表面，待其固化后，再將鋯石表面打磨拋光至中心位置。

在進行鋯石原位U-Pb同位素測試準(zhǔn)備階段，通過透射光和陰極發(fā)光圖像分析鋯石顆粒的形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，用以選擇最優(yōu)測試分析點位。分析測試使用高純氦氣作為剝蝕吸收物質(zhì)載氣，激光剝蝕束斑直徑為32 μm。鋯石年齡外部標(biāo)樣為國際標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500，元素含量外部標(biāo)樣為NIST SRM610、內(nèi)標(biāo)元素為29Si，具體分析方法詳見文獻[11]。樣品的同位素比值及元素含量計算使用ICP-MS Datacal程序[12-13]，鋯石同位素年齡計算及諧和圖、加權(quán)均值年齡繪圖等使用Isoplot 3.0程序[14]。

2.2 全巖主微量元素測試

樣品的主微量元素測試實驗均在北京市燕都中實測試技術(shù)有限公司完成。將待進行測試的巖石樣品在65 ℃恒溫干燥24 h后破碎，通過多次縮分后獲得300 g均勻樣品，將其在振動研磨機上研磨至0.074 mm以備分析測試。主量元素利用熔片X射線熒光光譜法(XRF) 測定，測試儀器為PANalytical公司生產(chǎn)的Axios，微量元素和稀土元素測定方法為電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)法，采用儀器為美國PerkinElmer公司生產(chǎn)的Elan900，測試分析精確度和準(zhǔn)確度均優(yōu)于5%。

3 測試結(jié)果

3.1 鋯石U-Pb同位素測試結(jié)果

對小柯勒閃長玢巖樣品中挑選出的20粒鋯石進行U-Pb同位素分析，測試結(jié)果見表1，鋯石陰極發(fā)光圖像見圖2。所選測試鋯石自形程度較好，呈長柱狀，少部分呈短柱狀，長度介于53～105 μm，寬度介于20～85 μm，長寬比為1∶1至3∶1，所測試的鋯石具有明顯的震蕩環(huán)帶且無核幔結(jié)構(gòu)。該樣品共獲得20個諧和鋯石年齡，206Pb與238U同位素原子比λ(206Pb)/λ(238U)一致年齡范圍介于125.1～128.2 Ma，見圖3，加權(quán)平均年齡，見圖4。

圖2 閃長玢巖鋯石陰極發(fā)光圖像和測試位置Fig. 2 Cathodo lumine scence images of zircons from Xiaokele diorite porphyry

表1 閃長玢巖鋯石U-Pb同位素測年結(jié)果

圖3 閃長玢巖鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig. 3 Zircon U-Pb concordia age of diorite porphyry

圖4 閃長玢巖加權(quán)平均年齡Fig. 4 Zircon weighted average age of diorite porphyry

3.2 主微量元素測試結(jié)果

小柯勒礦區(qū)全巖地球化學(xué)測試數(shù)據(jù)見表2。其中，主量元素單位%，微量元素及稀土元素單位10-6。閃長玢巖SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低且變化較小，為54.05%～54.87%，高K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.70%～3.01%,高Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.35%～4.62%，ω(Na2O)/ω(K2O)比值較高，介于1.51～2.68，顯示Na元素相對富集。在鋁飽和指數(shù)圖解中落入了偏鋁質(zhì)區(qū)域，見圖5，其中α=w(AL2O3)/w(CaO+Na2O+K2O),β=w(Al2O3)/w(Na2O+K2O)。同時，閃長玢巖w(MgO)較高(2.74%～3.25%)，全鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.93%～8.04%，鎂值為40.6～44.6。

閃長玢巖稀土元素總量相對較低，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為104.30×10-6～120.43×10-6，輕稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(LREE)介于91.39×10-6～107.21×10-6之間，重稀土w(HREE)介于12.91×10-6～13.22×10-6之間。稀土元素配分模式如圖6所示。從圖6中可以看出，閃長玢巖富集輕稀土元素，虧損重稀土元素，存在輕微的銪正異常(δEu=1.07～1.08)，w(LREE)/w(HREE)為7.08～8.11，平均值為7.56；w(La)/w(Yb)的標(biāo)準(zhǔn)值為6.77～8.74，均值為7.78；w(La)/w(Sm)的標(biāo)準(zhǔn)值為2.62～3.40，均值為2.95；w(Gd)/w(Yb)的標(biāo)準(zhǔn)值為1.67～2.00，均值為1.82。這些參數(shù)表明,巖石輕、重稀土元素分餾明顯，且富集輕稀土元素，輕稀土分異程度較高，重稀土分異程度較低。

小柯勒地區(qū)閃長玢巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式圖和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖見圖6、7。

圖6 小柯勒閃長玢巖稀土配分曲線Fig. 6 Chondrie normalized rare earth elements patterns for Xiaokele diorite porphyry

圖7 小柯勒閃長玢巖微量元素蛛網(wǎng)Fig. 7 Primitive mantle normalized trace element spider diagrams for Xiaokele diorite porphyry

在微量元素蛛網(wǎng)圖中顯示，樣品富集大離子親石元素(LILE)如K、Rb、Ba、Pb等，虧損高場強元素(HFSE)，如Nb、Ta、Ti、P等，具有明顯的“TNT”負(fù)異常，導(dǎo)致這種異常出現(xiàn)的原因可能與金紅石、磷灰石和鈦鐵礦等礦物的分離結(jié)晶有關(guān)。

4 討 論

4.1 巖漿源區(qū)和巖石成因

3個巖漿機制可以解釋中性巖：①鎂鐵質(zhì)的下地殼部分熔融[15];②幔源巖漿的分離結(jié)晶[16-17]；③上覆的地幔楔被俯沖演化流體(熔體)交代(部分熔融)[18-19]。通常，由地幔楔或幔源巖漿的直接分離結(jié)晶而形成的中性巖石具有高MgO、Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)和高鎂值(>40)[15]。小柯勒閃長玢巖中鎂值較高，為40.6～44.6，Ni含量也相對較高，為13×10-6～15×10-6。閃長巖中的Th含量為2.20×10-6～4.45×10-6，與分離結(jié)晶形成的閃長巖具有相同的地球化學(xué)特征，顯示其具有幔源特征。閃長玢巖具有明顯的Nb、Ni、Ta ，虧損的“TNT”型負(fù)異常，Mckenzie[20]認(rèn)為，“TNT”型負(fù)異常產(chǎn)生的原因可能有巖漿受到地殼物質(zhì)混染、巖漿源區(qū)殘留有富Nb、Ta、Ti的礦物(如金紅石、鈦鐵礦等)和俯沖帶幔源巖漿等原因，所測樣品w(Nb)/w(Ta)均高于19，也同樣顯示其具有明顯的幔源特征[21]。w(Nb)/w(U)值常作為判別地殼混染的指標(biāo)[22]，小柯勒地區(qū)w(Nb)/w(U)值為5.46～6.72，低于MORB和OIB的w(Nb)/w(U)值(47±10)，同時低于下地殼w(Nb)/w(U)值(25)和上地殼w(Nb)/w(U)值(9)，與通常遭受到地殼混染的玄武巖的w(Nb)/w(U)比值(9～40)也不相同。這些特征排除了小柯勒閃長玢巖經(jīng)歷了明顯的地殼混染作用的可能。

明顯富集大離子親石元素(如K、Rb、Ba等)、輕稀土元素和活潑的不相容元素，如U元素，相對虧損高場強元素(如Nb、Ta、Ti、P等)、較高的w(Th)/w(Yb)和w(Ta)/w(Yb)值(圖8)[23-24]，這些特征均顯示閃長玢巖具有活動大陸邊緣巖漿特點。

圖8 閃長玢巖巖漿源區(qū)判別圖解 Fig. 8 Discriminant diagrams of source regions of diorite porphyry

研究表明，U元素相對于Th元素更容易從俯沖板片遷移到地幔楔而顯示相對富集[25]，這與閃長玢巖中富集U而相對貧Th的特征相一致。同時，樣品正Pb和負(fù)的P、Ti、Nb和Ta元素異常較為明顯，也表明巖漿作用與洋-陸俯沖相關(guān)。低的w(Th)/w(Yb)值和上升的w(Ba)/w(Th)值進一步證明了控制交代作用的是流體并非熔體(圖9)，而這種流體來自洋殼脫水而非大洋沉積物(圖10)[26-30]。

圖10 流體來源判別圖解Fig. 10 Discriminant diagram of fluid sources

4.2 構(gòu)造背景

小柯勒閃長玢巖巖漿源區(qū)為被洋殼脫水流體交代的地幔楔的部分熔融，其形成背景與大洋俯沖密切相關(guān)，屬早白堊世。中國東北部處于伸展環(huán)境中[31-34]，廣泛發(fā)育早白堊世A型花崗巖、變質(zhì)核雜巖、大型伸展盆地和許多雙峰式火山巖的基性-酸性巖脈。此外，中國東北部晚侏羅世(約160 Ma)至晚白堊世(約80 Ma)的火山巖向由北西-東南有逐漸變年輕的趨勢，這可能表明了中國東北部早白堊世火山巖與古太平洋板塊向歐亞板塊俯沖并存在一定程度的折返有關(guān)。同時，這一推論也得到了松遼盆地早白堊世火山巖的同位素和地球化學(xué)數(shù)據(jù)的支持。鑒于這些研究成果，筆者認(rèn)為，小柯勒地區(qū)閃長玢巖形成于古太平洋板塊向歐亞大陸俯沖并發(fā)生折返，同時大規(guī)模的下地殼拆沉導(dǎo)致了軟流圈的上涌，形成了自晚侏羅世到早白堊世的大規(guī)模巖漿活動。

5 結(jié) 論

(1)小柯勒閃長玢巖形成于早白堊世，加權(quán)平均年齡為(126.36±0.54) Ma。

(2)小柯勒閃長玢巖富集輕稀土元素，輕重稀土元素分異明顯，顯示微弱的Eu正異常，微量元素富集大離子親石元素(如K、Rb、Ba、Pb)，虧損高場強元素(Nb、Ta、Ti、P)，具有明顯的“TNT”負(fù)異常，同時虧損Th元素,富集U元素。

(3)小柯勒閃長玢巖形成于古太平洋板塊向歐亞板塊俯沖環(huán)境下，折返洋殼板片脫水流體交代了上覆的地幔楔，同時大規(guī)模的拆沉引起的軟流圈上涌導(dǎo)致了被交代的地幔楔的部分熔融。