吉林中部早侏羅世A型花崗巖的地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義

錢 燁， 趙昌吉， 張 濤， 張學(xué)海， 劉學(xué)生， 王永勝

(1．吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 長(zhǎng)春 130061； 2.青島地質(zhì)工程勘察院(青島地質(zhì)勘察開發(fā)局)， 山東 青島 266071； 3.吉林省地質(zhì)調(diào)查院， 長(zhǎng)春 130102)

0 引 言

東北地區(qū)地處中亞造山帶的最東段。該地區(qū)自西向東被劃分成額爾古納地塊、興安地塊、松嫩地塊、佳木斯地塊和興凱地塊[1-4]。該地區(qū)在晚古生代—中生代時(shí)期經(jīng)歷了復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)，包括微地塊的拼合、古亞洲洋的最終閉合和古太平洋板塊的俯沖。中生代以來，華北克拉通東北緣巖漿活動(dòng)進(jìn)入頻繁活動(dòng)的地質(zhì)時(shí)期，期間發(fā)育了一系列鈣堿性火山巖，這些火山巖是東亞大陸邊緣中生代構(gòu)造-巖漿活動(dòng)帶的重要部分。巖漿活動(dòng)并最終在晚中生代(約140 Ma)達(dá)到頂峰，在華北克拉通東北緣形成一系列多金屬礦床，因此華北克拉通東北緣也是眾多學(xué)者研究典型礦床成因和巖漿活動(dòng)的重要地點(diǎn)。

目前，前人在小興安嶺—張廣才嶺進(jìn)行了很多研究工作，但是由于花崗巖形成環(huán)境的多樣性[5]，造成了古太平洋板塊向歐亞大陸俯沖開始的時(shí)間仍處于爭(zhēng)議之中，古太平洋板塊向歐亞大陸下俯沖的起始時(shí)間存在多種觀點(diǎn)，分別是早二疊世[6-7]，三疊紀(jì)[8-10]和早—中侏羅世[11-15]。吉林中部地區(qū)(以下簡(jiǎn)稱“吉中地區(qū)”)位于小興安嶺—張廣才嶺地區(qū)最南端，該地區(qū)花崗巖類巖石分布廣泛且早—中侏羅世巖漿活動(dòng)極為劇烈，是研究古環(huán)太平洋構(gòu)造域演化的理想地點(diǎn)。筆者以吉中地區(qū)發(fā)現(xiàn)的二長(zhǎng)花崗巖(老少溝巖體)為對(duì)象，進(jìn)行了鋯石U-Pb測(cè)年和巖石地球化學(xué)研究，探討該巖體形成的時(shí)代和構(gòu)造背景，收集并綜合分析前人數(shù)據(jù)，對(duì)東北地區(qū)古亞洲洋構(gòu)造域向環(huán)太平洋構(gòu)造域轉(zhuǎn)化的時(shí)間進(jìn)行探討。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)大地構(gòu)造位置如圖1所示。吉中地區(qū)廣泛發(fā)育花崗巖，出露地層有晚二疊紀(jì)楊家溝組碎屑巖和古新紀(jì)陸緣碎屑巖、粉砂巖。老少溝巖體位于吉林市楊木鄉(xiāng)附近，采樣點(diǎn)坐標(biāo)為東經(jīng)126°45′49″、北緯44°09′11″，出露面積約為2.32 km2。研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖見圖2。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置Fig. 1 Geotectonic position of study area

圖2 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig. 2 Regional geological map for study area

巖體侵入晚三疊世似斑狀二長(zhǎng)花崗巖中，北側(cè)被中侏羅世二長(zhǎng)花崗巖侵入，第四系覆蓋嚴(yán)重。巖體新鮮面呈肉紅色，中粗粒花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。經(jīng)室內(nèi)鑒定，其主要組成礦物為石英20%～25%(體積分?jǐn)?shù))、斜長(zhǎng)石35%～40%(體積分?jǐn)?shù))、條紋長(zhǎng)石40%～45%(體積分?jǐn)?shù))和少量黑云母。

2 分析方法

鋯石的單礦物分選、制靶和測(cè)試工作均在北京科薈測(cè)試技術(shù)有限公司實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。將破碎后的樣品利用重力分選技術(shù)分選后, 利用雙目顯微鏡人工挑選表面光滑、晶形完整、透明度高且無核幔結(jié)構(gòu)的鋯石顆粒，將挑選出的鋯石粘貼固定在環(huán)氧樹脂表面,待其固化之后,將鋯石表面打磨拋光至中心。

在進(jìn)行鋯石U-Th-Pb同位素測(cè)試前,通過陰極發(fā)光圖像(CL圖像)研究鋯石顆粒的形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，以選擇最合適的測(cè)試分析位置。同位素測(cè)試分析采用He為載氣的激光，剝蝕束斑直徑為30 μm。鋯石年齡校正使用標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500作為外標(biāo)樣,元素含量采用NIST SRM610作為外部標(biāo)樣,每12個(gè)測(cè)試點(diǎn)插入2個(gè)91500標(biāo)樣和1個(gè)使用NIST SRM610。Si作為內(nèi)標(biāo)元素,分析方法見文獻(xiàn)[16]。樣品的同位素?cái)?shù)據(jù)處理采用ICP-MS- Datacal程序[17-18]，鋯石同位素年齡計(jì)算及諧和圖等的繪制采用ISOPLOT 3.0程序[19]完成。

將待進(jìn)行測(cè)試的巖石樣品在65 ℃恒溫干燥24 h后破碎,通過多次縮分出的300 g均勻樣品在振動(dòng)研磨機(jī)上研磨至0.007 4 mm，以備分析測(cè)試樣品的主量元素、微量元素及稀土元素。主量元素利用熔片X-射線熒光光譜法(XRF)測(cè)定,互相檢測(cè)方法為等離子光譜法和化學(xué)法,測(cè)試分析的精確度和準(zhǔn)確度均優(yōu)于5%。微量元素和稀土元素測(cè)定方法為電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)法,測(cè)試分析精確度和準(zhǔn)確度均優(yōu)于10%。

3 結(jié)果與分析

3.1 鋯石U-Pb同位素測(cè)年結(jié)果

對(duì)老少溝巖體樣品中24粒鋯石進(jìn)行U-Th-Pb同位素分析，結(jié)果見表1(1粒鋯石不協(xié)和)。鋯石陰極發(fā)光CL圖像見圖3。圖3顯示分選出的鋯石自形程度較好，呈長(zhǎng)柱狀，少部分呈短柱狀，晶體長(zhǎng)軸介于60～153 μm，短軸介于30～85 μm，長(zhǎng)寬比為1∶1到3∶1，鋯石具明顯的震蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)。鋯石中的Th、U質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較高，范圍變化均較大，w(Th)/w(U)比值在0.32～0.59，除一點(diǎn)外均大于0.40，具有典型巖漿成因鋯石特點(diǎn)。鋯石年齡諧和與加權(quán)平均年齡見圖4、圖5。該樣品共獲得15個(gè)較為諧和的鋯石年齡，記206Pb與238U同位素原子比為λ(206Pb)/λ(238U),年齡范圍介于175～179 Ma，其加權(quán)平均年齡值為(176.3±1.1) Ma，該年齡代表老少溝巖體的結(jié)晶年齡，時(shí)代為中侏羅世。

表1 老少溝巖體鋯石U-Pb同位素測(cè)年結(jié)果

圖3 老少溝巖體鋯石CL圖像及測(cè)試位置Fig. 3 CL images of zircons from Laoshaogou plutone

圖4 老少溝巖體鋯石U-Pb協(xié)和圖Fig. 4 Concordia age of zircons from Laoshaogou plutone

圖5 老少溝巖體加權(quán)平均年齡Fig. 5 Weighted average age of zircons from Laoshaogou plutone

3.2 主微量元素特征

老少溝巖體全巖主微量元素分析結(jié)果見表2。主量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)單位為%，微量及稀土元素單位為10-6。SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)高且變化大，介于64.43%～70.15%；K2O和Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，分別為2.52%～3.35%和3.26%～4.69%，w(K2O)/w(Na2O)比值較低，為0.61～0.93。圖6中樣品集中落于花崗閃長(zhǎng)巖區(qū)域，在SiO2-K2O(圖7)圖解中，樣品落于高鉀鈣堿性區(qū)域。

表2 老少溝巖體主量、微量、稀土元素分析結(jié)果

圖6 TAS圖解Fig. 6 Diagram of TAS for Laoshaogou plutone

圖7 Si-K圖解Fig. 7 Diagram of Si-K for Laoshaogou plutone

在鋁飽和指數(shù)圖解中(圖8)，記鋁飽和指數(shù)α=w(Al2O3)/w(CaO+Na2O+u2O),β=w(Al2O3)/w(Na2O+K2O)。樣品落入過鋁質(zhì)區(qū)域。同時(shí)樣品還具有高全鐵、貧MgO、低P2O5和較高的Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的特征。

圖8 鋁飽和指數(shù)圖解Fig. 8 Diagram of A/NK-A/CNK for Laoshaogou plutone

老少溝巖體稀土元素總量較低，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為164.23×10-6～194.00×10-6，樣品輕稀土和總稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為139.65×10-6～169.05×10-6和15.47×10-6～24.95×10-6,輕稀土與總稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值為6.77～9.03，均值為8.15，反映了樣品輕重稀土元素明顯分餾，富集輕稀土元素且Eu負(fù)異常明顯(圖9)。

圖9 老少溝巖體稀土配分曲線Fig. 9 Chondrie normalized rare earth elements patterns for Laoshaogou plutone

在圖10微量元素蛛網(wǎng)圖中，樣品顯示富集大離子親石元素如Rb、K、Th，虧損Sr、Ba和高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb、P、Ti等，這種異常的形成可能與金紅石、磷灰石和鈦鐵礦等礦物的分離結(jié)晶有關(guān)。

圖10 老少溝巖體微量元素蛛網(wǎng)Fig. 10 Primitive mantle normalized trace element spider for Laoshaogou plutone

4 討 論

4.1 巖石成因

樣品屬于高堿鈣堿性系列，具有高全堿(K2O+Na2O)、高Al2O3，貧Mg、低P，在Zr-10 000×Ga/Al圖解中，大部分樣品落入A型花崗巖區(qū)域(圖11)，同時(shí)微量元素的大離子親石元素如K、Rb和輕稀土(LREE)元素的富集，Ba、Sr強(qiáng)烈的負(fù)異常，高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb、Ta、Ti、P的虧損，以上元素特征與高分異I型花崗巖和A型花崗巖的特征相一致。老少溝巖體相對(duì)于高分異I型的花崗巖的SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低，而較高的全鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)、較低的Rb質(zhì)量分?jǐn)?shù)也佐證了樣品并非高分異的I型花崗巖[20-23]。同時(shí)樣品的高場(chǎng)強(qiáng)元素Zr、Nb、Ce、Y質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較高，總和均值大于A型花崗巖的下限值(350×10-6)，計(jì)算得出樣品鋯飽和溫度均值為806 ℃，遠(yuǎn)大于高分異I型花崗巖的平均值764 ℃，而與A型花崗巖的平均鋯飽和溫度(800 ℃)相近[24-27]。

圖11 花崗巖類型判別圖解Fig. 11 Diagrams of rock type discrimination for Laoshaogou plutone

室內(nèi)鏡下鑒定結(jié)果顯示，樣品礦物組成為石英(體積分?jǐn)?shù))20%、斜長(zhǎng)石(體積分?jǐn)?shù))40%、條紋長(zhǎng)石(體積分?jǐn)?shù))40%，同時(shí)鋁飽和指數(shù)均值為1.13(樣品薄片鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，無白云母、堇青石等富鋁特征礦物，故排除樣品為S型花崗巖的可能性[28-29])，這與鋁質(zhì)A型花崗巖特征一致。目前研究顯示，鋁質(zhì)A型花崗巖巖漿源區(qū)為部分熔融的長(zhǎng)英質(zhì)地殼或鐵鎂質(zhì)下地殼，但無水條件下長(zhǎng)英質(zhì)地殼部分熔融而形成A型花崗巖所需溫度很高(平均為839 ℃)，文中樣品鋯飽和溫度明顯低于此溫度；另外樣品的Nb與Ta、Zr與Hf、La與Nb、Th與Nb、Th與La、Rb與Sr等微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值更接近地殼均值，這些特征都證實(shí)了老少溝巖體巖漿源區(qū)為下地殼物質(zhì)的部分熔融。

4.2 構(gòu)造意義

東北地區(qū)早侏羅世的火成巖組合及其空間分布是研究古太平洋板塊向歐亞大陸下俯沖時(shí)限的關(guān)鍵。前人對(duì)小興安嶺—張廣才嶺南段地區(qū)花崗巖類巖石進(jìn)行了大量的年代學(xué)和地球化學(xué)研究，本文對(duì)前人資料進(jìn)行了總結(jié)。小興安嶺—張廣才嶺地區(qū)早侏羅世發(fā)育的火成巖以基性和酸性火成巖為主，呈北東—南西向帶狀展布。其主體為鈣堿性系列,部分為堿性系列，具有雙峰式火山巖的特點(diǎn)[30-34]。本文的A型花崗巖也顯示了小興安嶺—張廣才嶺早侏羅世時(shí)處于伸展環(huán)境中。吉黑東部發(fā)育的早侏羅世為一套鈣堿性基性-中性-酸性火成巖組合，呈北東—南西向帶狀展布。前人研究的地球化學(xué)數(shù)據(jù)顯示，其具有火山弧巖體的地球化學(xué)屬性，為活動(dòng)大陸邊緣環(huán)境形成[35]。小興安嶺—張廣才嶺和吉黑東部的兩條北東—南西向展布的巖漿巖帶，構(gòu)成了平行于東北亞陸緣的成分分帶，分別對(duì)應(yīng)了歐亞大陸在古太平洋洋殼俯沖下形成的弧后伸展環(huán)境和活動(dòng)大陸邊緣環(huán)境(圖12)。

圖12 早侏羅世構(gòu)造模型Fig. 12 Tectonic evolution model of Early Jurassic

而地球化學(xué)數(shù)據(jù)顯示，這兩條分帶具有從東向西的SiO2、K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)增高、εt(Nd)值降低的趨勢(shì)，顯示了陸殼的成熟度逐漸升高，這些證據(jù)都表明古太平洋板塊向歐亞板塊的俯沖應(yīng)開始于早侏羅世[36-38]。

5 結(jié) 論

(1)老少溝巖體加權(quán)年齡為(176.3±1.1) Ma，形成于早侏羅世。屬于高堿鈣堿性系列，富集輕稀土元素、輕重稀土元素分餾明顯，顯示明顯的負(fù)Eu異常。微量元素顯示老少溝巖體富集大離子親石元素Rb、K、Th，虧損Ba、Sr和高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb、Ta、Ti、P等。

(2) 老少溝巖體形成于古太平洋板塊向歐亞大陸俯沖的弧后伸展環(huán)境，為A型花崗巖，起源于下地殼部分熔融。大量的地球化學(xué)數(shù)據(jù)表明，古太平洋板塊于早侏羅世開始向歐亞大陸俯沖，吉黑東部地區(qū)處于活動(dòng)大陸邊緣環(huán)境，而小興安嶺—張廣才嶺地區(qū)處于弧后伸展環(huán)境。