蒙古—鄂霍次克洋早侏罗世构造演化:来自大兴安岭北段新立屯地区花岗岩的证据

  （1.辽宁工程技术大学矿业学院,辽宁 阜新 123000；2.辽宁省地质勘查院有限责任公司,辽宁 大连 116000）

  作者简介：张国宾,副教授,硕士生导师,矿产普查与勘探专业,主要是做矿床学与矿产勘查方向的科研与教学。Email:。

  引用格式:张国宾, 孔金贵, 吴子杰, 冯玥, 何云龙, 陈兴凯. 蒙古—鄂霍次克洋早侏罗世构造演化:来自大兴安岭北段新立屯地区花岗岩的证据[J]. 现代地质, 2023, 37(02): 404-418

  大兴安岭地区显生宙花岗岩极其发育,本文选择大兴安岭北段新立屯地区花岗岩进行了系统的锆石U-Pb同位素年代学和地球化学研究,对比了大兴安岭北段晚中生代花岗岩的地球化学特征,旨在查明其成岩时代和岩石成因,并探讨其构造意义。锆石LA-ICP-MS U-Pb同位素定年结果为,中细粒二长花岗岩和中细粒花岗闪长岩的成岩年龄分别为(187.2±2.3) Ma和(192.4±1.6) Ma,成岩时代为早侏罗世。岩石地球化学结果为,新立屯地区早侏罗世花岗岩具有富硅、高碱、富钾、贫镁、低磷、低钛和较低的TFeO/MgO比值等特征,富集轻稀土元素、亏损重稀土元素,富集Rb、Ba、Th、K等大离子亲石元素,亏损Ta、Nb、P、Ti元素,负铕异常不明显,P2O5和Al2O3含量随SiO2的增加而降低,显示出中等分异I型花岗岩的特征。岩石学及地球化学特征表明,其岩浆来源于壳幔混合源区。结合区域构造演化及构造判别,认为研究区早侏罗花岗岩形成于同碰撞火山弧花岗岩构造背景,与蒙古—鄂霍次克洋向南的俯冲作用密切相关。

  大兴安岭北段; I型花岗岩; 早侏罗世; 锆石U-Pb年龄; 岩石地球化学; 蒙古—鄂霍次克洋

  大兴安岭位于中亚造山带东段,是古亚洲洋、蒙古—鄂霍次克洋和古太平洋三大构造域的叠加区域,构造-岩浆活动强烈,显生宙花岗岩极为发育,与小兴安岭—张广才岭中生代花岗岩一起构成了举世瞩目的“花岗岩海”[1-2]。20世纪80年代以来,地质学者们对大兴安岭地区显生宙花岗岩进行了大量的年代学与地球化学研究[3-28],发现大兴安岭地区显生宙花岗岩主要形成时代为中生代,而非晚古生代,初步构建了大兴安岭显生宙花岗岩的年代学格架。但是关于大兴安岭北段中生代花岗岩成岩的地球动力学机制任旧存在一定争议,主要有以下三种观点:(1)蒙古—鄂霍次克洋板块南向俯冲[3-22];(2)古太平洋板块向中国东部板块俯冲[23-26];(3)蒙古—鄂霍次克洋板块南向俯冲和古太平洋板块西向俯冲共同作用[27-28]。因此,大兴安岭北段中生代花岗岩的动力学背景还有待深入研究。鉴于此,本文选择大兴安岭北段新立屯地区突出山二长花岗岩体和金冠山花岗闪长岩体为研究对象,通过系统的岩石学、岩石地球化学、锆石U-Pb同位素年代学研究,探讨其成岩时代、岩石成因和成岩动力学背景,为区域构造演化提供新的依据。

  研究区位于黑龙江省呼玛县境内,大地构造位置处于中亚造山带东部兴安地块北段,蒙古—鄂霍次克缝合带南部(图1(a)和(b))。研究区构造演化复杂,先后经历了新元古代基底形成阶段,早古生代古亚洲洋陆缘增生演化阶段,中生代三叠世—中晚侏罗世蒙古—鄂霍次克洋俯冲、闭合和陆-陆碰撞阶段,以及中生代古太平洋活动大陆边缘演化阶段[29]。区域出露的地层由老至新主要有兴华渡口岩群、北宽河组、根里河组、龙江组。兴华渡口岩群位于新立屯北部,岩性为十字石、石榴石二云片岩和石英片岩;北宽河组分布在金冠山东北部,呈北西向带状展布,地层向南西倾斜,岩性为灰、黑色板岩和绢云千枚岩;根里河组零星分布于研究区东北部,总体呈近南北向狭长带状展布,地层向南倾斜,岩性为灰、黑色变质砂岩和长英质角岩;龙江组零星分布于研究区东北部和西北部,呈北西向带状展布,岩性为灰、黑色安山质火山熔岩和火山碎屑岩。研究区构造较为发育,自古元古代以来先后经历了古陆块裂解-俯冲碰撞-伸展裂陷-挤压俯冲、碰撞拼合-造山后伸展-多期韧脆性断裂活动-地壳差异性升降等多期构造变形作用。区域构造以北东向、北西向断裂构造为主,北东向构造与地层走向一致,并被北西向断裂错断;北西向构造为张性断裂,贯穿了兴华渡口岩群地层及早侏罗世二长花岗岩岩体。研究区侵入岩极为发育,以酸性岩和中酸性岩为主,呈北东向展布,形成时代为早侏罗世、中侏罗世和晚石炭世,岩性以花岗闪长岩和二长花岗岩为主(图1(c))。

  图1   研究区大地构造位置图(a)(底图据文献[10]修改)、大兴安岭北段显生宙花岗岩分布图(b)(底图据文献[30]修改)和研究区地质简图(c)

  大兴安岭北段新立屯早侏罗世侵入岩岩性为中细粒二长花岗岩与中细粒花岗闪长岩(图2(a)和(b))。中细粒二长花岗岩体分布于突出山—新立屯房店一带,出露面积368.59 km2,呈岩基状产出;中细粒花岗闪长岩分布于金冠山周围,出露面积62.12 km2,呈岩基状产出,与中细粒二长花岗岩为侵入接触关系。

  (a)中细粒二长花岗岩手标本照片;(b)中细粒花岗岩闪长岩手标本照片;(c)中细粒二长花岗岩显微结构照片;(d)中细粒花岗闪长岩显微结构照片;Q.石英;Pl.斜长石;Kfs.钾长石;Bt.黑云母;Hbl.普通角闪石

  中细粒二长花岗岩新鲜面呈灰白-浅肉红色,中细粒花岗结构,块状构造。矿物成分中钾长石含量约为35%,斜长石含量约为32%,石英含量约为30%,黑云母含量约为3%。钾长石呈它形粒状,无色,负低突起,条纹构造发育,可见两组解理,卡氏双晶发育,粒径在1~3.0 mm之间;斜长石呈半自形条板状,无色,正低突起,可见两组近直交解理,环带构造发育,可见聚片双晶,粒径在1.0~2.5 mm之间;石英呈它形粒状,正低突起,无解理,表面十分光滑,波状消光,粒径在0.2~2.5 mm之间;黑云母呈褐色-浅黄色,鳞片状,粒径在0.4~1.0 mm;副矿物主要为磁铁矿(图2(c))。

  中细粒花岗闪长岩新鲜面呈灰白色,中细粒花岗结构,块状构造,矿物成分中斜长石含量约为45%,钾长石含量约为20%,石英含量约为27%,角闪石含量约为5%,黑云母含量约为3%。斜长石呈板柱状、宽板状,环带状构造,正低突起,两组近直交解理,聚片双晶,斜消光,少数被绢云母交代,粒径在0.4~3.5 mm之间;钾长石呈他形粒状,两组解理,可见卡氏双晶,微碎裂,粒径在0.5~3.0 mm之间;石英为近等轴粒状、他形粒状,表面十分光滑,波状消光,粒径在0.5~1.5 mm之间;角闪石为黄绿色,不规则柱状,正中-正高突起,可见角闪石式解理,粒径在0.5~1.5 mm之间;黑云母为棕色片状,沿裂隙分布,强吸收性,粒径在0.5~1.0 mm之间(图2(d))。

  本次共采集锆石U-Pb同位素测年样品2件和岩石地球化学样品6件。测年样品(TPC-1)采自突出山东南部二长花岗岩岩体内,测年样品(TPC-4)采自金冠山东南部花岗闪长岩岩体内。3件地球化学样品(TPC-1、TPC-2、TPC-3)分别采自突出山东南侧、刺尔滨河西南侧及新立屯房店东南侧的二长花岗岩体内,3件地球化学样品(TPC-4、TPC-5、TPC-6)分别采自金冠山东北侧、东南侧和二道河南侧的花岗闪长岩体内,所有样品均为新鲜样品,样品采集位置见图1(c)。

  锆石样品经机械性粉碎、浮选和电磁分选后,在双目显微镜下选取晶形完整、透明度好、无包裹体、具代表性的单颗锆石用于测年工作(图3)。将挑选好的锆石固定在环氧树脂盘表面,经充分固化打磨抛光后,在西北大学大陆动力学国家重点实验室做透射光、反射光、阴极发光(CL)图像采集和锆石U-Pb同位素测年工作。数据测试使用德国Lambda Physik公司生产的ComPex102型ArF准分子激光器(波长193 nm)和Shield Torch的Agilient 7500a ICP-MS仪器,用高纯的He气作为剥蚀物质的载体,用人工合成硅酸盐物质NIT610进行仪器校准,用哈佛大学国际标准锆石91500校正剥蚀、传输和离子化过程中同位素分馏和质量歧视效应。使用ICP-MS DataCal进行数据处理,测年数据年龄加权平均值计算及谐和图的绘制使用Isoplot3.0软件完成[31]。岩石地球化学样品测试分析在自然资源部哈尔滨矿产资源监督检测中心完成,主量元素采用玻璃熔片X射线荧光光谱法(XRF)来测试,分析准确的和精度优于5%;微量元素及稀土元素采用酸溶法制备样品,在ICP-MS上获取数据,测试准确度和精度优于10%;烧失量采用重量法(GR)测试;Fe2O3、FeO采用容量法(VOL)测试。

  大兴安岭北段新立屯地区中细粒二长花岗岩样品TPC-1和中细粒花岗闪长岩样品TPC-4的LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析结果见表1。

  中细粒二长花岗岩和中细粒花岗闪长岩的主量、微量和稀土元素化学分析结果见表2。

  图6   新立屯早侏罗世花岗岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)(标准值据文献[37])

  近年来精确的锆石U-Pb测年多个方面数据显示,大兴安岭中生代岩浆作用大致上可以分为7个期次:早—中三叠世(240~250 Ma)[7-10]、晚三叠世(200~226 Ma ) [7-9,13,19 -20]、早—中侏罗世(168~190 Ma)[3-10,13 -16,22,38-43]、中—晚侏罗世 (151 ~ 168 Ma) [3-9,12,16 -17,28]、早白垩世早期(127~145 Ma ) [7-9,11,13,18,23 ]、早白垩世晚期(106~125 Ma)[7,9,11,24]、晚白垩世(80~97 Ma)[7,10](表3)。然而,大兴安岭北段新立屯地区二长花岗岩和花岗闪长岩的年代学研究未见报道,二者缺乏可靠的高精度同位素年龄,本文选取区内突出山二长花岗岩体和金冠山花岗闪长岩体进行锆石LA-ICP-MS定年,结果显示中细粒二长花岗岩和中细粒花岗岩闪长岩的成岩年龄分别为(187.2±2.3) Ma和(192.4±1.6) Ma,分别代表二长花岗岩和花岗闪长岩的侵位年龄。近年来,有学者报道了大兴安岭北段存在早侏罗世酸性岩浆活动,主要有新天镇北片麻状花岗岩(187.7±2.5 Ma)[8],正棋村中细粒花岗闪长岩(190±1 Ma)、韩家园子岩体(188±1 Ma)[15],塔木兰沟岩体(193±5 Ma)[40],朝阳林场二长花岗岩(187±6 Ma)[41],岩性主要为二长花岗岩-花岗闪长岩组合,属于高钾钙碱性系列,总体上呈北东—南西向展布[10],精确厘定这些二长花岗岩—花岗闪长岩的成岩时代对研究大兴安岭北段早侏罗世构造-岩浆演化过程具备极其重大意义。可见,新立屯地区早侏罗世酸性岩浆事件与区域成岩事件基本一致,是大兴安岭北段早侏罗世构造-岩浆作用的重要组成部分。

  花岗岩的成因分类一直是地质学者们关注的焦点,地质学者们根据花岗岩的岩浆源区和构造背景将花岗岩划分为S型、I型、A型和M型。S型和I型花岗岩根据岩浆源区性质进行划分,A型和M型花岗岩根据构造背景和特殊源区划分。I型和S型花岗岩的化学成分和矿物组成较为相似,成因类型易于混淆,在判别I型或S型花岗岩时需要多种判别方法相结合[15,44]。Chappell和White[45]采用A/CNK=1.1作为判别I型和S型花岗岩的标志,大于1.1为S型花岗岩,小于1.1为I型花岗岩,这种分类方法判别未结晶分异的花岗岩有效,而对分异的花岗岩成因判别无效。Chappell等[46]和Chappell等[47]研究之后发现I型花岗岩的P2O5、Al2O3含量随SiO2的增加而降低,S型花岗岩的P2O5、Al2O3含量随SiO2的增加而增加,这种判别方法有效的弥补了采用A/CNK=1.1判别I型或S型花岗岩的不足。在矿物成分方面,堇青石是判别S型花岗岩的矿物学标志,角闪石是判别I型花岗岩的矿物学标志[48]。

  中细粒二长花岗岩和中细粒花岗闪长岩样品具有富硅、高碱、富钾、低镁、低磷、低钛、较低的TFeO/MgO比值和Mg#,稀土元素配分模式图为轻稀土富集重稀土亏损的右倾型,富集Rb、Ba、Th、K等大离子亲石元素,相对亏损Ta、Nb、P、Ti等高场强元素,负铕异常不明显,与I型花岗岩地球化学特征较为相似[15,44]。中细粒二长花岗岩和中细粒花岗闪长岩样品的A/CNK分别为1.08~1.14和1.16~1.33,平均值分别为1.12和1.26,分异指数(DI)分别为87.02~94.84和86.59~90.67,表明早侏罗世新立屯花岗岩经历了某些特定的程度的分异演化,岩石成因需要结合多种办法来进行判别。岩石样品在(Zr+Nb+Ce+Y)-TFeO/MgO图解(图7(a))中样品均落入分异的花岗岩区域,在SiO2-Ce图解(图7(b))、SiO2-Zr图解(图7(c))和ΣREE-δEu图解(图7(d))中样品均落入I型花岗岩区域,且岩石样品的P2O5、Al2O3含量随SiO2的增加而降低(图8)。此外,Zr/Hf比值可以有明显效果地地反映岩浆分异演化程度,Zr/Hf值可将花岗岩分为高分异花岗岩(

  大兴安岭位于中亚造山带东段,显生宙以来先后经历了古亚洲洋、蒙古—鄂霍次克洋、古太平洋三大构造域的叠加转换作用[20,57],三大构造域的转换时间与空间及其影响区域一直以来都是地质学者研究的热点。研究表明古亚洲洋最终闭合时间为中三叠世[29,58 -60],之后进入蒙古—鄂霍次克洋构造域和古太平洋构造域的演化阶段[20,60 -62]。而中生代蒙古—鄂霍次克洋构造域与古太平洋构造域的空间影响区域是不是达到大兴安岭地区还有待探讨。部分学者觉得大兴安岭地区中生代岩浆作用与古太平洋向西俯冲作用相关[28,63 -64],而有些学者觉得大兴安岭地区与中生代古太平洋俯冲带的水平距离超过2000 km,远超板块俯冲带所能达到的范围[11,26],且古太平洋板块在早侏罗世呈南北向扩张,西向俯冲作用主要发生在125~110 Ma和43~0 Ma两个较短的时间段[26,61],因此大兴安岭地区早侏罗世大规模的岩浆活动受古太平洋板块西向俯冲作用影响极小。蒙古—鄂霍次克洋构造带作为大兴安岭北部历史悠远长久的造山带,在早三叠世—中晚侏罗世自西向东呈“剪刀式”闭合[3,6,20,28,65 -71],闭合过程中产生的远程效应对大兴安岭北部乃至东北地区早中生代岩浆活动产生了不容忽视的影响。早期的研究认为中生代蒙古—鄂霍次克洋闭合过程中仅存在北向的俯冲作用[72],但近年来部分学者研究之后发现蒙古—鄂霍次克洋具有双向俯冲特征[8,20,23,27,40,73 -74]。有些学者在蒙古—鄂霍次克洋两侧发现大量具有活动陆缘特征的早侏罗世二长-正长花岗岩和钙碱性火山岩组合并伴有斑岩型矿床[10,28,41,68,73,75 -77],指示蒙古—鄂霍次克洋在早侏罗世存在双向俯冲作用。

  大兴安岭北段新立屯地区中细粒二长花岗岩和中细粒花岗闪长岩样品在Y-Nb图解(图9(a))中落入火山岛弧和同碰撞花岗岩区域,在(Yb+Ta)-Rb(图9(b))和Yb-Ta构造判别图解(图9(c))中落入火山岛弧花岗岩区域,在R1-R2构造环境判别图解(图9(d))中落入同碰撞花岗岩区域。且本文花岗岩样品负铕异常不明显,Ta、Nb、P、Ti亏损明显,呈现出与俯冲作用相关的岛弧岩浆岩特征[78],这与大兴安岭地区早侏罗I型花岗岩具有相似的地球化学特征[4,6,15,19,36]。由此可知,新立屯地区早侏罗世中细粒二长花岗岩和中细粒花岗闪长岩形成于同碰撞火山弧花岗岩构造背景,与蒙古—鄂霍次克洋向南的俯冲作用密切相关。

  (1)大兴安岭北段新立屯中细粒二长花岗岩和中细粒花岗闪长岩的成岩年龄分别为(187.2±2.3) Ma和(192.4±1.6) Ma,成岩时代为早侏罗世。

  (2)大兴安岭北段新立屯早侏罗世二长花岗岩和花岗闪长岩均具有富硅、富钠、低P2O5、TiO2、MgO、较低的TFeO/MgO比值和Mg#,轻稀土富集重稀土亏损的特征,相对富集Ba、Th、K、Sr等元素,亏损Ta、Nb、P、Ti等元素,属于中等分异I型花岗岩,形成于同碰撞火山弧花岗岩构造背景,与蒙古—鄂霍次克洋向南的俯冲作用密切相关。

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