大興安嶺甘南地區(qū)花崗巖LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 年齡、地球化學特征及其地質(zhì)意義

李曉海，張海華，李文博，丁秋紅，張 健，陳樹旺

中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧沈陽110034

0 引言

東北地區(qū)位于中亞造山帶東段，自西向東依次劃分為額爾古納地塊、興安地塊、松嫩地塊（松遼地塊）、佳木斯地塊.該區(qū)構(gòu)造演化歷史復(fù)雜，古生代—早中生代經(jīng)歷了古亞洲洋構(gòu)造體系演化［1-6］，中生代又經(jīng)歷了古太平洋和蒙古-鄂霍克次洋的疊加改造［7-13］.近年來，對東北地區(qū)花崗質(zhì)巖石和火山巖的年代學與地球化學的研究，主要集中在對古亞洲洋構(gòu)造體系與古太平洋構(gòu)造體系影響的研究方向［14-16］，相比之下，對蒙古-鄂霍次克構(gòu)造體系演化及影響范圍討論相對較少.

2016 年，中國地質(zhì)調(diào)查局開展“北方新區(qū)、新層系油氣資源調(diào)查”項目研究，以松遼盆地北部及外圍深層系石炭—二疊系為主要方向，針對石炭—二疊紀沉積盆地的性質(zhì)、地層展布特征、地層變質(zhì)程度、中生代以來巖漿活動、構(gòu)造運動改造過程等問題，開展了油氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作.

筆者通過對大興安嶺中北段甘南地區(qū)的二云二長花崗巖進行年代學與地球化學研究，討論二云二長花崗巖的形成時代、巖石成因及其形成的構(gòu)造背景，以期為東北地區(qū)中生代構(gòu)造演化的認識提供新的證據(jù)，同時為石炭—二疊紀沉積盆地經(jīng)中生代改造和保存特征提供依據(jù).

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)行政區(qū)劃位于黑龍江省齊齊哈爾市甘南縣境內(nèi)，大地構(gòu)造位置處于松遼盆地西北部斜坡區(qū).區(qū)內(nèi)主要出露有古生界寒武系和志留系、中生界白堊系、新生界第四系（圖1）.研究區(qū)花崗巖分布廣泛，大體呈NE 向展布，侵入到寒武紀和志留紀地層當中，并被白堊系覆蓋.區(qū)內(nèi)構(gòu)造以NNE—NE 向、NW 向斷裂為主.前人根據(jù)巖體與地層之間的侵入關(guān)系和少量的鋯石U-Pb 及全巖K-Ar 同位素年齡數(shù)據(jù)認為，研究區(qū)內(nèi)的花崗質(zhì)巖石除少量中生代（侏羅紀）花崗巖之外，主體屬于晚古生代（主要是二疊紀）花崗巖體?黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院.M51C004003（阿榮旗幅）1∶250 000 區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告.2005..

圖1 研究區(qū)地質(zhì)略圖Fig.1 Geological sketch map of the study area1—新生界（Cenozoic）；2—白堊系（Cretaceous）；3—志留系（Silurian）；4—寒武系（Cambrian）；5—侏羅紀花崗巖（Jurassic granite）；6—二疊紀花崗巖（Permian granite）；7—石炭紀花崗巖（Carboniferous granite）；8—采樣點（sampling site）

本研究的二云二長花崗巖（ηγJ3）采樣地點位于甘南縣長吉崗鄉(xiāng)北東2.5 km 處，地表為第四系.樣品采集于中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心2018 年實施的地質(zhì)調(diào)查井“黑甘地1 井”巖心（圖1）.該井完鉆井深905 m，自上而下發(fā)育的地層：0～57 m 為第四系，57～365.4 m 為晚白堊世沉積地層，365.4～905 m（未穿）為二云二長花崗巖.從過井大地電磁測深（MT）剖面（圖2）可以看出，二云二長花崗巖體分布較大，厚度在600～1 300 m，侵位到石炭—二疊紀地層中.

圖2 黑甘地1 井電磁測深剖面Fig.2 Magnetotelluric sounding profile of HGD-1 well

2 樣品特征與分析方法

2.1 巖石學特征

巖石為淺肉紅色中細粒二云二長花崗巖，中細?；◢徑Y(jié)構(gòu)，蠕蟲結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造（圖3a）.礦物成分由斜長石、堿性長石、石英、白云母及黑云母組成.斜長石：含量25%～45%，粒徑0.4～2.6 mm，半自形寬板狀，聚片雙晶較細密，可見環(huán)帶結(jié)構(gòu)，絹云母星點狀分布，部分中心絹云母化強烈；堿性長石：含量20%～35%，粒徑0.3～3.2 mm，他形寬板狀，條紋結(jié)構(gòu)；石英：含量25%～40%，粒徑0.1～2.0 mm，他形粒狀，波狀消光，部分小粒石英為硅化作用，石英和斜長石組成蠕蟲結(jié)構(gòu)；白云母：含量2%～5%，粒徑0.2～0.8 mm，無色，片狀，鮮艷的二級至三級干涉色；黑云母：含量3%～8%，粒徑0.2～1.0 mm 黃褐色，片狀，部分綠泥石化（圖3b）.

圖3 晚侏羅世二云二長花崗巖宏觀和顯微照片F(xiàn)ig.3 Macroscopic and microscopic photographs of the Late Jurassic two-mica monzogranite

2.2 測年方法

將挑選好的晶形完好、透明度高、干凈且無裂紋的鋯石用環(huán)氧樹脂固定，待環(huán)氧樹脂充分固化后拋光至鋯石露出核部，然后進行鋯石的CL 照相及LA-ICP-MS分析.鋯石靶的制備過程與SHRIMP 方法相似［17］.鋯石U-Pb 測試的儀器為美國New Wave Research Inc.公司生產(chǎn)的激光剝蝕進樣系統(tǒng)（UP 193SS）和美國Agilent科技有限公司生產(chǎn)的Agilent 7500a 型四級桿等離子質(zhì)譜儀聯(lián)合構(gòu)成的激光等離子質(zhì)譜系統(tǒng)（LA-ICP-MS）.實驗用36 μm 的激光束斑直徑和10 Hz 的激光頻率，激光取樣過程采用5 s 的預(yù)剝蝕時間、20 s 的沖洗樣品池時間以及40 s 的剝蝕取樣時間.實驗采用人工合成硅酸鹽玻璃NIST610 作為外標［18］、Si 作為內(nèi)標進行元素校正，采用標準鋯石91500 作為外標進行U-Pb同位素分餾效應(yīng)的校正計算，澳大利亞鋯石標樣TEM［19］和QH［20］作為監(jiān)控盲樣來監(jiān)視測試過程中的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)質(zhì)量.數(shù)據(jù)處理采用澳大利亞Glitter 軟件（ver.4.4，Macquarie University）完成，普通鉛校正方法同Andersen［21］.

3 分析測試結(jié)果

3.1 同位素年齡

本研究對甘南地區(qū)黑甘地1 井388.5 m 花崗巖樣品（HG388.5TWS）進行了鋯石LA-ICP-MS U-Pb 同位素分析，點測25 個.陰極發(fā)光圖（圖4）上可見，樣品鋯石多為自形，大多鋯石具有巖漿結(jié)晶鋯石的晶體形態(tài)，多為長柱狀，少數(shù)呈短柱狀，粒徑主要集中在90～200 μm 之間，長寬比大多為2 ∶1，具有清晰的巖漿震蕩環(huán)帶，少部分鋯石有不同程度破碎，Th/U 介于0.09～1.29 間，平均為0.51.以上特征表明樣品鋯石為巖漿成因鋯石.

圖4 花崗巖陰極發(fā)光圖像和年齡Fig.4 CL images and ages of the selected zircons from granite samples

鋯石樣品測試結(jié)果（表1，掃描首頁OSID 二維碼可見）顯示，3 個測試點數(shù)據(jù)（15 點、17 點和23 點）偏離諧和線，其余22 個點數(shù)據(jù)均在諧和線上及其附近，其中15 個分析點206Pb/238U 加權(quán)平均年齡為161.4±1.2 Ma（MSWD＝2.8，n＝15）（圖5），另一組206Pb/238U加權(quán)平均年齡為210.0±2.5 Ma（MSWD＝3.3，n＝7），應(yīng)為繼承鋯石年齡.結(jié)合上述分析可知，161.4±1.2 Ma 代表了巖體的形成年齡，該巖體為晚侏羅世早期侵入巖.

圖5 鋯石U-Pb 諧和圖及加權(quán)平均年齡圖Fig.5 Zircon U-Pb concordia diagram and weighted mean age

3.2 地球化學特征

二云二長花崗巖樣品的主量元素、微量元素和稀土元素測定由中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心實驗測試中心完成.其中，主量元素采用X 射線熒光光譜儀測定，相對標準偏差為2%～5%；微量及稀土元素均采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定，相對標準偏差小于10%.經(jīng)鏡下觀察，剔除風化、蝕變樣品，選取了15 個樣品進行了主量、稀土、微量元素的測試.樣品的分析測試是在等離子體質(zhì)譜儀ICP-MS（X Series II）上完成的，測試結(jié)果的相對標準偏差小于5%.

3.2.1 主量元素

二云二長花崗巖的主要元素分析結(jié)果（表2，掃描首頁OSID 二維碼可見）顯示，SiO2含量介于69.81%～74.30%之間，巖石酸性程度較高，Al2O3含量介于13.50%～16.80%，K2O 為2.43%～4.45%，CaO 為0.88%～2.13%，MgO 為0.04%～0.32%，F(xiàn)e2O3為0.26%～0.6%，K2O/Na2O 值為0.41～1.11，Na2O+K2O＝8.11%～8.81%，鋁飽和指數(shù)A/CNK 為1.01～1.07（＜1.1），MgO 含量為0.04%～0.32%，TiO2為0.09%～0.25%.在侵入巖TAS 圖解（圖6a）上，二云二長花崗巖樣品全部落入花崗巖區(qū)域，與巖相學觀察特征一致.在SiO2-K2O 圖解（圖6b）上，二云二長花崗巖樣品點多數(shù)落入高鉀性區(qū)，部分點落入高鉀鈣堿性區(qū).在鋁飽和指數(shù)圖解（圖6c）上，樣品落入準鋁-弱過鋁質(zhì)花崗巖區(qū).在K2O-Na2O 圖解（圖6d）上落入I 型花崗巖區(qū).

圖6 晚侏羅世二云二長花崗巖巖石類型系列圖解（據(jù)文獻［6，22-23］）Fig.6 Classification discrimination diagrams of the Late Jurrasic two-mica monzogranite（After References［6，22-23］）

3.2.2 稀土和微量元素

二云二長花崗巖的稀土元素總量（ΣREE）為54.53×10-6～131.02×10-6，輕稀土元素（LREE）變化范圍為49.05×10-6～124.20×10-6，重稀土元素（HREE）變化范圍為5.49×10-6～12.01×10-6（表3，掃描首頁OSID 二維碼可見），顯示輕稀土元素富集、重稀土元素相對虧損的特點；LREE/HREE 值為6.04～18.75；（La/Yb）N＝5.82～27.69，變化范圍較小.輕稀土元素配分曲線相對較陡，而重稀土元素配分曲線近水平分布.主體具有弱的Eu負異常，個別具有Eu 正異常（δEu ＝0.70～1.13，平均0.92）.表明輕、重稀土元素分餾較明顯，而重稀土元素分餾不明顯.二云二長花崗巖稀土元素球粒隕石標準化配分曲線呈右傾型（圖7）.

圖7 二云二長花崗巖稀土元素球粒隕石標準化圖解Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns of two-mica monzogranite

二云二長花崗巖微量元素蛛網(wǎng)圖（圖8）上，富集大離子親石元素Rb、Ba、K 和高場強元素Hf，虧損Nb、Ta、Ti 等高場強元素（表4，掃描首頁OSID 二維碼可見），顯示殼源巖漿的典型特征［24］.

圖8 二云二長花崗巖微量元素蛛網(wǎng)圖Fig.8 Primitive mantle-normalized trace element spidergrams of two-mica monzogranite

4 討論

4.1 花崗巖形成時代、類型及成因

研究區(qū)侵入巖較發(fā)育，位于大興安嶺構(gòu)造巖漿帶的中北段，分布在研究區(qū)西部和西北部.巖石類型復(fù)雜，從基性到酸性巖均有出露，以中深成的花崗巖為主.前人根據(jù)巖體與地層之間的侵入關(guān)系和少量的鋯石U-Pb 及全巖K-Ar 同位素年齡數(shù)據(jù)認為，研究區(qū)內(nèi)的花崗質(zhì)巖石除少量中生代（早侏羅世）花崗巖之外，主體屬于晚古生代（主要是二疊紀）花崗巖體?黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院.M51C004003（阿榮旗幅）1∶250 000 區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告.2005..黑甘地1 井位于研究區(qū)南部，地表為第四系，構(gòu)造位置屬于松遼盆地西北部斜坡區(qū).通過黑甘地1 井二云二長花崗巖的鋯石CL 圖像（圖4）可以看出鋯石具有典型的巖漿振蕩生長環(huán)帶，結(jié)合其較高的Th/U 比值（0.09～1.29），說明它們均是巖漿結(jié)晶作用的產(chǎn)物，所測定的年齡應(yīng)代表了巖體的形成時代.鋯石U-Pb 定年結(jié)果顯示，研究區(qū)黑甘地1 井鉆遇二云二長花崗巖的形成時代為161.4±1.2 Ma，為晚侏羅世早期.該年齡與大興安嶺中段東福二長巖［22］、大興安嶺北段伊勒呼里山二長花崗巖［25］的形成時代一致，指示研究區(qū)晚侏羅世早期巖漿事件的存在.

二云二長花崗巖具有高硅、富鋁、富堿、低磷、低鈦的特征，鋁飽和指數(shù)A/CNK 值為1.01～1.07，小于1.1，在A/CNK-A/NK 圖解（圖6c）中位于準鋁質(zhì)-弱過鋁質(zhì)區(qū)域；在稀土元素配分模式圖（圖7）上，呈現(xiàn)輕、重稀土元素的顯著分異、微弱的Eu 負異常到正異常的特征，稀土元素配分曲線呈右傾型.K2O/Na2O 值為0.41～1.11，平均值為0.76，相對富鉀.結(jié)合礦物特征和SiO2-K2O 圖解，顯示高鉀鈣堿性系列花崗巖的特點，成因類型屬于I 型花崗巖.高鉀鈣堿性I 型花崗巖的巖漿來源主要為下地殼巖石的部分熔融［26-27］.二云二長花崗巖以富集大離子親石元素和輕稀土元素，虧損Nb、Ta、Ti 等高場強元素，具有微弱的Eu 負異常到正異常，明顯不同于幔源巖漿演化所形成的強烈負Eu 異常的酸性巖石，顯示巖漿為地殼來源或遭受過地殼物質(zhì)的混染，表明其原始巖漿起源于加厚陸殼物質(zhì)的部分熔融.在埃達克Sr/Y-Y 判別圖解（圖9）上，二云二長花崗巖大部分落在埃達克型安山巖和英安巖區(qū).前人研究認為埃達克巖形成于高壓背景［23，28-29］，綜合認為甘南地區(qū)二云二長花崗巖的原始巖漿起源于新增生的加厚陸殼物質(zhì)的部分熔融.

圖9 二長花崗巖Sr-Yb 分類圖（據(jù)文獻［6，23］）Fig.9 The Sr-Yb classification diagram of monzogranite（After References［6，23］）

4.2 花崗巖形成的構(gòu)造背景

前人研究認為環(huán)太平洋構(gòu)造體系中生代對東北亞大陸俯沖影響距離可能不會超過長春—沈陽一線［30-34］，影響的范圍主要在松遼盆地及以東地區(qū)，并且認為中侏羅世晚期—早白堊世早期為古太平洋板塊俯沖的間歇期，沒有對歐亞大陸進行俯沖［7］，在該時期內(nèi)整個中國東部受古太平洋板塊的影響有限.而蒙古-鄂霍次克構(gòu)造體系影響的空間范圍主要在松遼盆地以西以及華北地塊北緣［8，35-36］.結(jié)合成巖分析，二云二長花崗巖的原始巖漿起源于新增生的加厚陸殼物質(zhì)的部分熔融，表明二云二長花崗巖是加厚陸殼物質(zhì)部分熔融的產(chǎn)物，指示該區(qū)二云二長花崗巖產(chǎn)出于陸殼加厚或陸-陸碰撞環(huán)境，與R1-R2圖解（圖10）揭示的樣品大部分位于同碰撞期花崗巖成因區(qū)吻合.位于大興安嶺北段大索爾珠溝地區(qū)的謝尼奇山巖體（161 Ma）、伊勒呼里山巖體（158 Ma）及大興安嶺中段東福巖體（161 Ma），均形成于陸殼加厚的背景，與蒙古-鄂霍次克洋的閉合有關(guān)［22，25，37］.

圖10 二云二長花崗巖R1-R2 圖解（據(jù)文獻［6，22，25］）Fig.10 The R1-R2 diagram of two-mica monzogranite（After References［6，22，25］）

綜上所述，二云二長花崗巖的形成與蒙古-鄂霍次克洋閉合過程中的陸-陸碰撞環(huán)境有關(guān)，巖石的形成時代（161 Ma）限定了大興安嶺中北段齊齊哈爾甘南地區(qū)的閉合時代為晚侏羅世早期.

5 結(jié)論

（1）產(chǎn)于大興安嶺甘南地區(qū)的二云二長花崗巖的鋯石U-Pb 定年結(jié)果顯示其形成于晚侏羅世早期（161 Ma）.

（2）巖石學和地球化學特征表明，二云二長花崗巖屬準鋁-弱過鋁質(zhì)高鉀鈣堿性系列巖石，富集大離子親石元素，虧損Nb、Ta、Ti 等高場強元素，顯示微弱的Eu 負異常到正異常，輕、重稀土元素分異顯著，富集輕稀土元素.原始巖漿起源于新增生的加厚陸殼物質(zhì)的部分熔融，顯示I 型花崗巖的特征，為同碰撞期陸殼加厚過程的產(chǎn)物.

（3）二云二長花崗巖的形成應(yīng)與蒙古-鄂霍次克洋閉合過程中的陸-陸碰撞環(huán)境有關(guān)，限定了蒙古-鄂霍次克洋在大興安嶺中北段甘南地區(qū)的閉合時代為晚侏羅世早期.