大興安嶺中段天險溝石英二長斑巖的成因
——鋯石U-Pb年齡、地球化學(xué)和Sr—Nd同位素特征

賀曉天，黃海濤，俎新許，張煥，何鵬，劉朝陽，趙亞南，李福斌

1)河南省自然資源科技創(chuàng)新中心(深部調(diào)查與評價技術(shù)方法研究)，鄭州，450000；2)河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)勘查院，鄭州，450000

內(nèi)容提要：筆者等通過巖石學(xué)、鋯石U-Pb年代學(xué)和地球化學(xué)等研究，對大興安嶺中段天險溝石英二長斑巖的成因、物質(zhì)來源和構(gòu)造背景進行了探討。通過鋯石LA-ICPMS U-Pb定年法，得到天險溝石英二長斑巖的年齡為124.4±1.0 Ma，時代為早白堊世早期。天險溝石英二長斑巖屬堿性、準鋁質(zhì)巖，里特曼指數(shù)σ為3.86～5.10，K2O+Na2O=9.14%～10.35%，鉀鈉比為0.93～1.0，A/CNK=0.76～0.93，成因類型為I型花崗巖。巖石富集La、Ba、Ce、U等大離子親石元素，相對虧損Hf、Zr等高場強元素；(La/Yb)N=11.72～13.90，分餾明顯，輕稀土富集，而重稀土虧損，Nb、Ta負異常，具島弧花崗巖的地球化學(xué)特征。δEu=1.00～1.59。[n(87Sr)/n(86Sr)]i=0.705065，εNd(t)=1.93，源區(qū)可能為上地幔。結(jié)合大興安嶺地區(qū)中生代地殼演化背景，認為天險溝石英二長斑巖形成于與洋殼俯沖有關(guān)的火山弧環(huán)境，區(qū)域應(yīng)力場由擠壓向伸展轉(zhuǎn)換，巖漿源區(qū)為上地幔。

研究區(qū)地處興蒙造山帶東段，大興安嶺弧盆系，東臨松遼斷陷盆地，南接錫林浩特巖漿弧(圖1a)。區(qū)內(nèi)經(jīng)過多層次、多階段的地質(zhì)演化，形成了復(fù)雜的構(gòu)造體系，在古生代隸屬于扎蘭屯—多寶山島弧構(gòu)造帶，中生代則位于大興安嶺火山巖帶(李林川，2017；梁琛岳等，2018)。區(qū)內(nèi)形成的一系列內(nèi)生多金屬礦產(chǎn)均與早白堊世劇烈的巖漿侵位活動密切相關(guān)。為此，一些學(xué)者近年來圍繞大興安嶺地區(qū)巖漿活動，特別是早白堊世巖漿侵位活動開展了大量的研究工作(吳新偉等，2017)，為前期開展的區(qū)域礦產(chǎn)調(diào)查工作及本次研究工作提供了豐富的理論支撐，同時又具有重要的指導(dǎo)意義。然而，對于其形成的動力學(xué)背景到底是受控于蒙古—鄂霍茨克洋的閉合作用，還是受古太平洋板塊斜向俯沖作用的影響，仍存在較多爭議。以往在區(qū)內(nèi)相繼開展過區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查等工作，但是對早白堊世花崗巖缺乏系統(tǒng)的研究。針對以上問題，筆者等著重對區(qū)內(nèi)出露的早白堊世石英二長斑巖進行系統(tǒng)的巖石地球化學(xué)分析、U-Pb同位素測年，并探討巖石成因、物質(zhì)來源及其構(gòu)造背景等。

1 地質(zhì)背景及巖石學(xué)特征

研究區(qū)古生代地處西伯利亞板塊東南緣，受控于古亞洲洋板塊的構(gòu)造演化，中生代則受濱太平洋構(gòu)造域作用(劉金龍等，2019)。早白堊世，東北亞大陸受古太平洋板塊斜向俯沖作用的影響，活動大陸邊緣應(yīng)力場方向發(fā)生改變，進而導(dǎo)致NE—SW向和NW—SE向深大斷裂發(fā)生張扭性拉張，誘發(fā)深源玄武質(zhì)巖漿上侵，重熔地殼物質(zhì)后產(chǎn)生了研究區(qū)內(nèi)的石英二長質(zhì)—花崗質(zhì)巖漿，其沿NW和NE向斷裂帶呈巖株狀被動侵位于中侏羅世花崗巖及晚侏羅統(tǒng)火山巖地層中，出露巖石以大面積分布的石英二長斑巖為主(圖1b)。

圖1 大興安嶺中段天險溝地區(qū)大地構(gòu)造位置圖(a，據(jù)錢程等，2017)和地質(zhì)簡圖(b)

石英二長斑巖，整體呈北東向展布，風(fēng)化面呈灰白色，新鮮面多呈淺灰黃色，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石由斑晶和基質(zhì)組成，斑晶約占50%，成分以斜長石(20%～25%)、鉀長石(15%～20%)和石英(5%～8%)為主。斜長石，0.8～3.0 mm，多呈半自形板狀、他形粒狀，可見發(fā)育有環(huán)帶和聚片雙晶；鉀長石，大小0.8～3.2 mm，他形板狀、粒狀；石英，0.5～0.25 mm，他形粒狀(圖2)。

圖2 大興安嶺中段天險溝石英二長斑巖野外露頭照片和顯微照片

2 測試分析方法

區(qū)域礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查工作選取天險溝石英二長斑巖新鮮樣品1件進行LA-ICPMS鋯石U-Pb同位素測年，編號Y3，采樣位置48°04′28″N，121°50′24″E。鋯石挑選在河北省區(qū)域礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查研究所實驗室進行，樣品制作、照相和定年在中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心實驗測試室完成。首先通過磁選和重液分離對樣品進行分選，然后在雙目鏡下挑選鋯石單礦物顆粒，所選鋯石晶體大小較均勻、透明，且純凈。U-Pb同位素年齡測定采用激光剝蝕等離子體質(zhì)譜儀(LA-ICPMS)，測試中采用直徑32 μm的激光束斑。同位素比值選用國際標準鋯石91500進行外部標準校正(范晨子等，2012)，諧和圖繪制采用Isoplot完成。測試結(jié)果見表1。

表1 大興安嶺中段天險溝石英二長斑巖鋯石U-Pb同位素測定結(jié)果

主量和微量元素分別使用 X射線熒光光譜儀(AxiosmAX型)、X Serise 2電感耦合等離子體質(zhì)譜儀進行測試，測試分析工作均在河北省區(qū)域礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查研究所實驗室進行，大多數(shù)元素分析數(shù)據(jù)相對誤差在5%以內(nèi)。元素分析結(jié)果見表2。

表2 大興安嶺中段天險溝石英二長斑巖主量元素(%)、微量和稀土元素(×10-6)分析結(jié)果

鍶、釹同位素測試先采用離子交換法進行同位素分離、純化，再利用MAT-262型熱電離質(zhì)譜儀進行含量測試，具體測試工作在國土資源部中南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成，詳細分析流程見文獻(Chen Funkun et al., 2000)。Sr—Nd同位素分析結(jié)果見表3。

表3 大興安嶺中段天險溝石英二長斑巖Sr-Nd同位素分析結(jié)果

3 分析結(jié)果

3.1 年代學(xué)

天險溝石英二長斑巖樣品的鋯石顆粒粒度多在100～300 μm之間，長寬比1∶1～3∶1，鋯石顆粒大多呈現(xiàn)無色、透明，晶形多為長柱狀、雙錐狀。從陰極發(fā)光圖像可以看出(圖3)，大部分鋯石具有較為清晰的振蕩結(jié)晶環(huán)帶，呈現(xiàn)出典型巖漿鋯石的特征。本次挑選24顆鋯石共24個測點進行分析、定年，樣品的Th/U值為0.58～1.67，平均0.97，為巖漿鋯石特征。樣品各測點的206Pb/238U值較為接近，在諧和圖中可見明顯的集中分布，表面年齡值在122～130 Ma之間，加權(quán)平均值124.41±0.98 Ma(MSWD=3.3)(圖3)。

圖3 大興安嶺中段天險溝石英二長斑巖樣品典型鋯石CL圖像(圓圈及數(shù)字分別代表分析點和點號)和U-Pb年齡諧和圖

3.2 地球化學(xué)

3.2.1主量元素

天險溝石英二長斑巖SiO2含量為63.84%～64.62%，平均64.09%，屬中性巖類；K2O+Na2O=9.14%～10.35%，平均9.87%，富堿；K2O/Na2O值小于1.0，在0.93～1.0之間；里特曼指數(shù)σ在3.86～5.1之間，在TAS圖解中(圖4)，樣品點落入石英二長巖和正長巖邊界附近，堿性巖區(qū)。從SiO2—K2O巖石系列判別圖解中可以看出，天險溝石英二長斑巖屬鉀玄巖系列(圖5a)。Al2O3含量為15.54%～16.46%，平均16.03%，富鋁；A/NK=1.12～1.24，A/CNK=0.76～0.93，在A/CNK—A/NK鋁飽和程度判別圖解中，樣品點全部位于準鋁質(zhì)區(qū)(圖5b)。MgO、Fe2O3T含量分別為0.73%～1.31%、3.50%～4.70%。巖石固結(jié)指數(shù)SI、分異指數(shù)DI分別為5.07～8.46、74.06～92.05，表明天險溝石英二長斑巖分異演化程度較高，酸性程度也較高。

圖4 大興安嶺中段天險溝石英二長斑巖TAS分類圖解(底圖據(jù)Middlemost，1994修改)

3.2.2稀土和微量元素

天險溝石英二長斑巖稀土元素總量ΣREE=236.02～334.91×10-6，平均273.38×10-6；相對富集輕稀土，輕重稀土含量比LREE/HREE在10.30～10.85之間；LaN/YbN=11.72～13.9，說明天險溝石英二長斑巖中LREE和HREE分異程度較高。δEu值為1.0～1.59，除1件樣品無明顯δEu異常，其余3件均為正δEu異常，指示巖石源區(qū)具有一定深度，且該區(qū)內(nèi)斜長石不穩(wěn)定；稀土元素配分圖呈典型的輕稀土富集型模式，為向右陡傾型(圖6a)。微量元素蛛網(wǎng)圖中各曲線變化特征近乎一致，且表現(xiàn)為多峰、多谷模式(圖6b)；La、Ba、Ce、U這些大離子親石元素明顯富集，而高場強元素Hf、Zr等則表現(xiàn)為相對虧損；Rb、Sr、Nb、Ta負異常明顯，Zr弱負異常與Th、La、Nd正異常。

圖6 大興安嶺中段天險溝石英二長斑巖稀土元素配分圖(a)和微量元素蛛網(wǎng)圖(b)(標準化數(shù)據(jù)自Sun and McDonough，1989)

3.2.3全巖Sr—Nd同位素

圖5(a)大興安嶺中段天險溝石英二長斑巖SiO2—K2O圖解(底圖據(jù)Peccerillo and Taylor，1976)及(b)A/CNK—A/NK圖解(底圖據(jù)Maniar and Piccolli，1989)

天險溝石英二長斑巖樣品中[n(87Sr)/n(86Sr)]i值為0.705065，εNd(t)值為1.93，具有低鍶、εNd弱虧損的特征。n(147Sm)/n(144Nd)值為0.1018，分餾因子fSm/Nd為-0.48，表明可用單階段模式年齡來計算巖體的模式年齡TDM，計算所得TDM為669 Ma(表3)。

4 討論

4.1 時代和成因

通過對天險溝石英二長斑巖鋯石礦物顆粒的研究表明，所測樣品的Th/U值為0.58～1.67，均大于0.5，且具有較為清晰的振蕩結(jié)晶環(huán)帶，顯示為巖漿鋯石特征，所測結(jié)果可以作為天險溝石英二長斑巖的結(jié)晶年齡。本次挑選24顆鋯石共24個測點進行測定，所有測點定年結(jié)果集中、有序地散落在諧和線上，加權(quán)平均值為124.4±1.0 Ma。因而，筆者等認為研究區(qū)天險溝石英二長斑巖的巖漿侵位時代應(yīng)在早白堊世早期。

天險溝石英二長斑巖富硅、鋁，全堿(K2O+Na2O)值偏高；鋁飽和指數(shù)(A/CNK)為0.76～0.93，小于1.1；K2O/Na2O值在0.93～1.0之間，小于1.0，符合I型花崗巖的地球化學(xué)特征。在K+Na+Ca/2—Al圖解中，樣品落入I型花崗巖區(qū)內(nèi)(圖7a)。微量元素方面，稀土元素分異程度較高，重稀土虧損而輕稀土相對富集；大離子親石元素富集，同時高場強元素相對虧損，Nb、Ta具負異常，指示天險溝石英二長斑巖具有與島弧花崗巖相似的特征(何鵬等，2021)。有研究表明，S型花崗巖中Y和Th的含量偏低，與Rb呈負相關(guān)；而在I型花崗巖中正好相反，二者的含量不僅較高，且與Rb呈正相關(guān)(Chappell，1999)。天險溝石英二長斑巖中Rb與Th、Y正相關(guān)的特征十分明顯(圖7b、7c)。以上特征表明，天險溝石英二長斑巖的成因類型應(yīng)為I型。

圖7 大興安嶺中段天險溝石英二長斑巖判別圖解

4.2 物質(zhì)來源

天險溝石英二長斑巖的δEu值在1.0～1.59之間，富集輕稀土卻虧損重稀土，且Nb、Ta、Zr、Sr等呈現(xiàn)負異常，這些元素的異常特征暗示天險溝石英二長斑巖可能來源于下地殼，并伴有少量幔源物質(zhì)參與其中。在A/MF—C/MF圖解中，樣品落入變質(zhì)砂巖和基性巖部分熔融的重疊區(qū)域(圖8)。在花崗巖(La/Yb)N—δEu圖解(圖9)中，樣品落入殼?；煸葱突◢弾r區(qū)域內(nèi)。另外，相關(guān)研究表明，由于鍶、釹同位素的可繼承性，在一定程度上能夠反映其源區(qū)的同位素特征(蔡劍輝等，2005)，因而常被用來探討巖石物質(zhì)來源(楊祝良等，2002)。而天險溝石英二長斑巖的[n(87Sr)/n(86Sr)]i值為0.705065，接近上地幔的比值，εNd(t)值為1.93，具有低鍶、εNd弱虧損的特征，TDM模式年齡為669 Ma，遠大于巖石的形成年齡。因而，筆者等認為天險溝早白堊世花崗巖的源區(qū)可能為上地幔。

圖8 大興安嶺中段石英二長斑巖A/MF—C/MF圖解(底圖據(jù)Altherr et al.，2000修改)

圖9 大興安嶺中段石英二長斑巖(La/Yb)N—δEu分類圖解(底圖據(jù)王振強等，2011)

4.3 構(gòu)造環(huán)境

圖10 大興安嶺中段天險溝石英二長斑巖構(gòu)造環(huán)境判別圖解(底圖據(jù)肖慶輝等，2002)

圖11 大興安嶺中段天險溝石英二長斑巖(Y+Nb)—Rb圖解(底圖據(jù)Pearce，1996)和Rb—Hf—Ta圖解(底圖據(jù)Harris等，1986)

圖12 大興安嶺中段天險溝石英二長斑巖圖解(底圖據(jù)Brown，1982)

一直以來，有關(guān)大興安嶺地區(qū)早白堊世構(gòu)造巖漿的演化歷史一直存在著一定的爭議，劉勃然等(2014)認為大興安嶺地區(qū)由于受鄂霍茨克造山運動影響，區(qū)內(nèi)地殼加厚并發(fā)生崩塌，進而導(dǎo)致區(qū)域性伸展作用，李錦軼等(2007)研究認為蒙古—鄂霍茨克洋盆關(guān)閉于二疊紀，其遠程作用效應(yīng)持續(xù)至晚侏羅世結(jié)束，而區(qū)內(nèi)在早白堊世則已進入環(huán)太平洋動力演化階段。周建波等(2016)針對東北地塊群進行了細致的研究，重塑了東北地區(qū)的構(gòu)造演化歷史，提出那丹哈達迪體是受古太平洋板塊的俯沖作用而成，形成時限在晚三疊世—早白堊世。同時，梁琛岳等(2018)在研究大興安嶺北段伸展隆升樣式時認為，在早白堊世由于受太平洋板塊斜向俯沖作用的影響，改變了東北亞活動大陸邊緣的應(yīng)力場方向，導(dǎo)致NW—SE向和NE—SW向深大斷裂發(fā)生張扭性拉張。由于長距離俯沖作用，太平洋板塊發(fā)生斷離，造成部分地幔物質(zhì)上涌。劉閣等(2014)對嫩江地區(qū)中生代雙峰式火山巖進行了研究，顯示該區(qū)雙峰式火山形成于127.5 Ma，屬早白堊世晚期，其形成于與太平洋板塊向亞歐大陸俯沖有關(guān)的陸內(nèi)拉張環(huán)境。楊文采(2022)在對中—新生代東北和華北的洋陸轉(zhuǎn)換作用開展研究時，指出東北地區(qū)侏羅紀受伊佐奈崎洋和蒙古—鄂霍茨克洋雙重影響，而在白堊紀，蒙古—鄂霍茨克洋已閉合，太平洋板塊發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)，東北地區(qū)巖石圈處于拉張狀態(tài)，導(dǎo)致大興安嶺地區(qū)發(fā)生更加強烈的巖漿火山活動。

綜上所述，天險溝石英二長斑巖形成于太平洋板塊向亞歐大陸俯沖后造山背景下火山弧環(huán)境，區(qū)域應(yīng)力環(huán)境由擠壓向伸展轉(zhuǎn)變，之后巖石圈進入伸展環(huán)境，進而引發(fā)巖漿作用。

5 結(jié)論

(1)通過LA-ICPMS 鋯石U-Pb同位素測年，天險溝石英二長斑巖結(jié)晶年齡為124.4±1.0 Ma，為早白堊世早期。

(2)天險溝石英二長斑巖表現(xiàn)為高硅、高鋁和富鈉，貧鐵、鎂，相對虧損高場強元素Hf、Zr和富集大離子親石元素La、Ba、Ce、U等。巖石3.3<σ>9，A/CNK<1.0，為堿性準鋁質(zhì)花崗巖，具有島弧花崗巖的地球化學(xué)特征，屬I型花崗巖。[n(87Sr)/n(86Sr)]i值為0.705065，εNd(t)值為1.93，巖體模式年齡為669 Ma。綜合表明區(qū)內(nèi)天險溝石英二長斑巖源區(qū)為上地幔。

(3)天險溝石英二長斑巖形成于與洋殼俯沖有關(guān)的火山弧環(huán)境，區(qū)域應(yīng)力場由擠壓向伸展轉(zhuǎn)換。其正是太平洋板塊向亞歐大陸俯沖有關(guān)的巖漿響應(yīng)，俯沖時限可追溯至早白堊世早期。

致謝：向?qū)徃鍖＜覍Ρ疚牡膶忛喓椭笇?dǎo)表示由衷的敬意和感謝，同時對沃力嘎溝礦調(diào)項目組的全體野外工作人員表示感謝。