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大兴安岭北段阿里河镇早白垩世高分异花岗岩的确定及其地质意义
徐立明, 刘涛, 郑吉林
中国地质调查局哈尔滨自然资源综合调查中心, 黑龙江 哈尔滨 150086
作者简介：徐立明,硕士,助理工程师,矿物学、岩石学、矿床学专业,主要从事矿床地球化学研究。Email:xlmcugb@126.com。
引用格式:徐立明, 刘涛, 郑吉林. 大兴安岭北段阿里河镇早白垩世高分异花岗岩的确定及其地质意义[J]. 现代地质, 2023, 37(03): 613-626
摘 要
大兴安岭广泛出露中生代花岗岩,本文选择大兴安岭北段阿里河镇岩体进行锆石U-Pb年代学和地球化学研究,通过对比大兴安岭北段、中南段和华南等地中生代花岗岩的地球化学特征,探讨岩石成因和产出的大地构造环境。2件花岗岩样品的锆石U-Pb定年结果分别是(134.6±1.5) Ma和(134.4±1.0) Ma,表明岩石的侵入时代应为早白垩世。阿里河镇岩体主要岩石组合为二长花岗岩-正长花岗岩-碱长花岗岩,暗色矿物含量普遍较低,发育晶洞构造。野外调查可见白岗岩和细晶岩出现,且在花岗岩体边部发育伟晶岩脉。该岩体在化学组成上具有高硅(73.63%~77.81%),富碱(Na2O+K2O=7.78%~8.97%),高分异指数DI(91.71~96.80)、过铝质(A/CNK=1.01~1.11)和贫钙、镁的特征,富集大离子亲石元素Rb、Th、U和K,亏损高场强元素Nb、Ta、P和Ti。其微量元素Zr/Hf比值与Zr含量呈正相关,Nb/Ta比值与Ta含量呈负相关,上述变化特征与华南高分异花岗岩类似。综合地质和地球化学特征认为阿里河镇岩体应为高分异I型花岗岩,其动力学背景可能为与蒙古—鄂霍次克洋闭合导致的后碰撞环境有关。
关键词
高分异花岗岩; 伟晶岩; 晶洞构造; 早白垩世; 阿里河镇岩体
0 引 言
花岗岩是大陆地壳的重要组成且分布广泛,尤其是中国东北地区,素有“花岗岩海”之称[1-3]。大量的高精度锆石U-Pb 年代学资料[4-15]表明,东北地区显生宙花岗岩以中生代为主,且不同构造单元岩浆活动时间有所不同,其年代学格架初步确定。大兴安岭北段中生代岩浆活动的构造背景主要争论在于,是受蒙古—鄂霍次克洋闭合的影响[16-18],还是受古太平洋板块俯冲的影响[19-20],抑或是二者共同作用的结果[2,15,20]。
近年来,花岗岩浆能否发生有效的结晶分异以及发生何种类型的结晶分异作用成为激烈争论的话题[21-22]。高分异花岗岩有可能作为大陆地壳成分成熟度的重要标志,且与W、Sn、Nb、Ta、Li、Be、Rb、Cs和REE等稀有金属成矿作用关系密切,故成为研究热点,但大兴安岭大面积的中生代花岗岩的类型及性质却鲜有报道[23-25]。大兴安岭北段阿里河镇岩体位于大兴安岭大面积中生代花岗岩体的中部,主要岩石组合为二长花岗岩-正长花岗岩-碱长花岗岩,暗色矿物含量普遍较低,发育晶洞构造。本文在前人研究基础上,通过对大兴安岭北段阿里河镇岩体的地质特征、锆石U-Pb年代学及地球化学特征的研究,对比大兴安岭北段、中南段和华南等地中生代花岗岩的岩石地球化学特征,以探讨阿里河镇岩体的岩石成因与区域构造演化。
1 地质概况与岩相学特征
研究区位于兴蒙造山带东段的大兴安岭东北部地区,大地构造上属于大兴安岭弧盆系大相,新林蛇绿混杂岩带与扎兰屯—多宝山岛弧构造带相交部位[26] (图1(a)和(b))。区内出露的地质体主要包括新元古代—早寒武世嘎仙蛇绿混杂岩、晚古生代大乌苏杂岩、玛尼吐组火山岩及中生代花岗岩体(图1(c))。
图1 东北地区大地构造略图((a), 据文献[26]修改)、大兴安岭北段显生宙花岗岩分布图((b), 据文献[14]修改)和研究区地质简图(c)
阿里河镇岩体在研究区内大面积出露(图2(a)(b)),主要岩石组合为似斑状中细粒黑云母二长花岗岩(图2(c))、似斑状细中粒二长花岗岩、细中粒二长花岗岩、粗粒黑云母正长花岗岩、似斑状细中粒正长花岗岩、细粒碱长花岗岩。各岩体间无明显接触界线,呈涌动接触关系。岩石具有粗粒结构、中粒结构、细粒结构、似斑状结构、花岗结构,主要呈块状构造。主要矿物组合为钾长石+斜长石+石英±黑云母±磷灰石±榍石(主要矿物含量见表2),钾长石多数为微斜长石和条纹长石(图2(d))。野外路线调查显示,在阿里河镇东山正长花岗岩相对于二长花岗岩多发育晶洞构造,晶洞内发育石英晶簇,且正长花岗岩的石英晶形要好于二长花岗岩。
图
图2 阿里河镇岩体显微照片
(a)二长花岗岩野外露头; (b)正长花岗岩野外露头; (c)似斑状中细粒黑云母二长花岗岩; (d)似斑状细中粒正长花岗岩;(c)图为正交光, (d)图为单偏光。Pl. 斜长石; Per.条纹长石; Q.石英; Bt.黑云母; Ap.磷灰石; Sph.榍石; Chl.绿泥石
2 测试方法
锆石U-Pb同位素测试在天津地质矿产所的同位素实验室完成,所使用的仪器为Thermo Fisher公司生产的Neptune型质谱仪(LA-MC-ICP-MS)和美国ESI公司生产的UP193-FX ArF准分子激光器。根据所采集的锆石阴极发光、反射光、透射光显微图像选择锆石并利用193 nm激光器对其进行剥蚀,激光器能量密度10~11 J/cm2,激光剥蚀斑束直径为35 μm,频率8~10 Hz,剥蚀深度为20~40 μm。用以进行U-Pb同位素分馏校正的外部锆石年龄标样为TEMORA和GJ-1,锆石样品的Pb、U、Th含量的计算则采用NIST SRM610玻璃标样作为外标[27]。采用208Pb进行普通铅校正[28],应用ICPMS Data Cal[29]和Isoplot程序[30]进行数据处理并绘制图件。
全岩主量元素含量测试在河北省区域地质矿产调查研究所实验室利用AxiosmasX射线荧光光谱仪(XRF)完成,分析准确度和精度优于2%~3%;微量元素和稀土元素用Teflon溶样罐进行溶样,然后采用FinniganMAT公司生产的双聚焦高分辨率等离子体质谱仪ICP-MS进行测定,准确度和精度优于10%。
3 分析结果
3.1 锆石U-Pb年龄
样品Hb170248采样位置地理坐标为123°36'13″E、50°37'42″N,岩性为细中粒黑云母二长花岗岩。23颗锆石主要呈自形-半自形,多数为短柱状或长柱状,粒径范围为100~250 μm,长短轴之比为1：1~5：1。阴极发光图像多数具明显振荡环带(图3(a)),Th/U比值介于0.47~0.88之间,表明其为岩浆成因[31]。23个分析点给出的206Pb/238U年龄具有较好的谐和度(图4(a)),介于143~130 Ma之间(表1),其加权平均年龄为 (134.6±1.5) Ma (MSWD=6.1)。该年龄代表细中粒黑云母二长花岗岩的结晶年龄。
图3 阿里河镇岩体锆石阴极发光照片
图4 阿里河镇岩体锆石U-Pb年龄谐和图
表1 二长花岗岩(Hb170248)和正长花岗岩(Hb170249)的锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果
样品Hb170249采样位置地理坐标为123°43'28″E、50°39'00″N,岩性为细中粒正长花岗岩。24颗锆石主要呈自形-半自形,多数为短柱状或长柱状,粒径范围为100~200 μm,长短轴之比为1：1~3：1。阴极发光图像多数具明显振荡环带(图3(b)),Th/U比值介于0.52~1.34之间,这些特征表明其为岩浆成因[31]。除两颗可能为变质成因的锆石(CL图无环带,Th/U比值均<0.1)给出了较老的年龄外,其余22个分析点给出的206Pb/238U年龄具有较好的谐和度(图4(b)),介于139~129 Ma之间(表1),其加权平均年龄为(134.4±1.0) Ma (MSWD=2.7),该年龄代表细中粒正长花岗岩的结晶年龄。
3.2 全岩地球化学
全岩主量和微量元素分析结果及有关参数列于表2。由表2可以看出,10件花岗岩样品的主量元素特征较为一致:高硅(73.63%~77.81%),低镁(MgO=0.14%~0.49%),低钛(TiO2=0.10%~0.23%),Al2O3含量为12.26%~14.03%,富碱(Na2O+K2O=7.78%~8.97%),及高钾(K2O=3.55%~4.45%),属于高钾钙碱性系列(图5(a))。其K2O/Na2O为0.77~1.06,里特曼指数σ为1.82~2.56,分异指数DI均大于90(91.71~96.80),铝饱和指数(A/CNK)在1.01~1.11之间(图5(b)),表明该套岩石呈现出过铝质特征。
表2 阿里河镇岩体的主量元素(%)、微量元素(10-6)和主要矿物含量(%)
图5 阿里河镇岩体SiO2-K2O ((a)底图据文献[31]) 和A/CNK-A/NK图解 ((b)底图据文献[33])
微量元素组成上,在原始地幔标准化微量元素配分图(图6(a))中,显示富集大离子亲石元素Rb、Th、U和K,亏损高场强元素Nb、Ta、P、Ti。Rb/Sr比值介于0.26~2.34之间,Zr/Hf比值为11.34~29.00,Nb/Ta比值为11.31~74.63。样品的稀土总量较低(ΣREE=73.17×10-6~137.83×10-6)。在稀土元素球粒陨石标准化配分图(图6(b))中显示轻重稀土元素分馏明显,(La/Yb)N=8.48~21.07,富集轻稀土元素,亏损重稀土元素,具有轻度铕负异常(δEu=0.48~1.18)。
图6 阿里河镇岩体微量元素原始地幔标准化蛛网图((a)原始地幔数据来自文献[38]) 和稀土元素球粒陨石标准化配分图((b)球粒陨石数据来自文献[39])
4 讨论
4.1 高分异花岗岩的确定
虽然高分异花岗岩的地质特征并无全面的总结,但Wu等[22]2017年阐述了大部分与高分异花岗岩相关的地质特征,指出花岗细晶岩和花岗伟晶岩在绝大多数情况下都是高分异花岗岩的组成部分,是鉴定岩浆高度分异作用的重要岩石学标志。阿里河镇花岗岩体的边部与超基性岩的接触部位发育约1 m厚的花岗伟晶岩脉[40]。野外路线调查显示,阿里河镇早白垩世花岗岩暗色矿物含量普遍较低,且野外调查路线中可见白岗岩和细晶岩。阿里河镇早白垩世花岗岩中的钾长石多为条纹长石,且多发育晶洞构造,这些矿物学特征与福建北东沿海高分异花岗岩相一致[37]。
4.1.2 地球化学证据
在全岩主量元素组成上,岩石具高的SiO2含量(73.63%~77.81%)、全碱含量(K2O+Na2O=7.78%~8.97%)和FeOT/MgO比值(2.65~3.94),较低的MgO含量(0.14%~0.49%)和Mg#(31.36~40.48),且分异指数较高DI(91.71~96.80),表明岩浆经历了高度的结晶分异作用[41]。
在全岩微量元素组成上,微量元素的比值在衡量岩浆结晶分异程度方面有明显优势。在阿里河镇岩体地球化学元素变异图解中,样品的Hf含量和Zr/Hf值随Zr含量的升高呈正相关趋势(图7(a)和(b)),样品的Nb含量随Ta含量的升高呈正相关趋势(图7(c)),Nb/Ta值随Ta含量的升高呈负相关趋势(图7(d)),与广东佛冈花岗岩的地球化学特征类似[42],表明阿里河镇岩体具有高分异的特征。
图7 阿里河镇岩体地球化学元素变异图解(图例同图5)
近年来,磷灰石在准铝质和过铝质岩浆中溶解度的变化已被应用于区分I型和S型花岗岩[24,43-44]。本文数据显示,阿里河镇岩体呈现出过铝质特征(A/CNK=1.01 ~ 1.11),P2O5含量很低(<0.07%),且随SiO2含量增加而降低(图7(f)),与I型花岗岩演化趋势一致,同时Th-Rb图解的正相关趋势(图7(e))也支持这一观点[43]。由于阿里河镇岩体的10000Ga/Al比值和Zr+Nb+Ce+Y值均低于A型花岗岩的下限值[45],且在10000Ga/Al-FeOT/MgO图解和(Zr+Nb+Ce+Y)-(K2O+Na2O)/CaO图解中,本文数据均落于分异花岗岩区域,大兴安岭北部晚侏罗世花岗岩多数落于未分异花岗岩区域,中南段晚侏罗世花岗岩多数落于A型花岗岩区,华南高分异花岗岩与本文数据类似(图8(a)和(b))。因此,阿里河镇岩体应属于高分异I型花岗岩。
图8 阿里河镇岩体的10000Ga/Al-FeOT/MgO图解(a)和(Zr+Nb+Ce+Y)-(K2O+Na2O)/CaO图解(b)(底图据文献[45])
FG.分异的长英质花岗岩;OGT.未分异的M、I、S花岗岩
高分异花岗岩识别的困难之处主要是较难找到其类似堆晶辉长岩的补体,由于花岗岩浆较高的SiO2含量导致其较高的黏度,单纯的重力分异并不是结晶分异的主导机制[22],所以不会产生类似堆晶辉长岩的堆晶结构。研究表明,较高的Ca含量,反映斜长石的结晶,越来越高的Sr和Ba含量,有些甚至是正的Eu异常,可能指示其为堆晶型花岗岩[46],阿里河镇岩体中二长花岗岩样品Hb170229具有较高的CaO(1.02%)含量、正的铕异常(δEu=1.18)(表2)表明其可能为阿里河镇高分异花岗岩的补体。
4.2 岩浆演化
长岩SiO2与P2O5和SiO2与Th哈克图解中(图8(c)和(d)),随SiO2含量的增加,P2O5呈降低趋势,Th是增高趋势,这符合I型花岗岩的演化趋势。五件花岗闪长岩样品中,有部分样品具有A型花岗岩的地球化学特征,如高硅、富碱、具有较高的(Na2O+K2O)/Al2O3, FeOT/MgO比值,富集Rb、Th、Nb、Ta、Zr、Hf、Y,贫Ba、Sr、Ti、P、Cr、Co、Ni、V等元素。区域上同期早中泥盆世花岗质岩石主要为准铝质-弱过铝质,高钾钙碱性系列。岩石类型判别中主要为I型,部分为A型。综合以上特征,花土沟地区中酸性侵入岩为未分异I型花岗岩,并有向A型过渡的地球化学特征。高分异花岗岩在成岩过程中经历了强烈的分异结晶作用。在微量元素原始地幔标准化蛛网图(图6(a))上,元素的亏损主要受控于相应矿物相的分离结晶,Ba的负异常主要受控于钾长石的分离结晶,Sr、Eu的负异常主要受控于斜长石的分离结晶。在Sr-Ba图解(图9(a))中,Sr含量大于193×10-6时,Ba的含量变化相对平缓(445×10-6~648×10-6);Sr含量小于193×10-6时,Ba的含量快速下降(472×10-6~223×10-6),指示斜长石可能为早期主要结晶相,而钾长石晚于斜长石结晶,而黑云母和角闪石可能作为次要分离结晶相存在。对比发现大兴安岭南段侏罗世花岗岩并未有此特征(图9(a)),但在中国东北部分地区却出现过类似的分异结晶特点[24],并被定义为高分异花岗岩。Ti的亏损主要是由于富Ti矿物相(金红石、钛铁矿等)的分离结晶作用,随着分异程度的增加,Ti含量降低,但Nb含量升高,Nb/Ta比值逐渐降低(图7(c)和(d)),这些特点与佛冈花岗岩类似[42],角闪石和黑云母的分离结晶可能是Nb/Ta分异的重要机制。副矿物的分离结晶同样会导致元素的变异,榍石或者磷灰石的分离结晶可能是导致稀土元素变异的主要因素(图9(b)),P的强烈亏损也应是磷灰石的分离结晶所致。
图9 阿里河镇岩体的Sr-Ba (a)和La-(La/Yb)N (b)关系图及分离结晶趋势
(a)图中Sr、Ba在斜长石中的分配系数据文献[47], 在其余矿物中的分配系数据文献[48], (b)图中副矿物分离结晶趋势线据文献[24]。PlAn10.斜长石(An=10);PlAn50.斜长石(An=50);Kfs.钾长石;Bt.黑云母;Amp.角闪石;Grt.石榴子石;Zr.锆石;Sph.榍石;Ap.磷灰石;Mon.独居石;Allan.褐帘石
4.3 动力学背景
大兴安岭北段早白垩世花岗岩的动力学背景主要争论在于受蒙古—鄂霍次克洋闭合作用的影响,还是受古太平洋向西俯冲的影响,抑或二者共同作用的影响[11,16-19]?近年来随着研究的深入,蒙古—鄂霍次克洋南北双向俯冲且自西向东呈剪刀式闭合的俯冲方式基本达成一致[49-53],但其在大兴安岭北段的闭合时间上主要观点集中在是侏罗世时期就已经闭合[54-57],还是持续到了早白垩世[49,58]。古地磁资料更倾向于蒙古—鄂霍次克洋最终闭合时间持续到早白垩世[59-60],并且其最终闭合是拉萨地块和欧亚大陆碰撞的远程响应[60]。在空间上,大兴安岭北段属于蒙古—鄂霍次克构造带东段南缘。外贝加尔地区具有大量中生代火山岩,其与大兴安岭北段火山岩带组合起来的展布方向与蒙古—鄂霍次克构造带的展布方向一致,且自西向东火山岩年龄逐渐年轻化[15,61],而古太平洋板块在早白垩世时期的俯冲方向还有待商榷[62-63]。因此,从时空关系上看,大兴安岭北段早白垩世时期岩浆活动主要受蒙古—鄂霍次克洋闭合作用的影响。
本文报道的阿里河镇岩体在Rb/30-Hf-3Ta构造环境判别图(图10(a))中样品投点落于火山弧环境和后碰撞环境交汇处,在(Y+Nb)-Rb构造环境判别图(图10(b))中样品投点均落于后碰撞环境区,指示该期花岗岩可能形成于后碰撞环境。早白垩世时期,中国东北地区一系列断陷盆地的形成[64-65]、西伯利亚板块南缘发育的变质核杂岩[58,66-67]、分布广泛的造山后和非造山环境的A型花岗岩[68]以及大兴安岭地区大量的富集岩石圈地幔的钙碱性火山岩[61,69]都表明该时期研究区处于伸展环境。因此,本文认为阿里河镇早白垩世高分异花岗岩的动力学背景应为与蒙古—鄂霍次克洋闭合有关的后碰撞环境。
图10 阿里河镇岩体的Rb/30-Hf-3Ta图解((a),底图据文献[70])和(Y+Nb)-Rb图解((b),底图据文献[71])
5 结 论
(1)阿里河镇岩体锆石U-Pb年龄为(134.6±1.5) Ma和(134.4±1.0) Ma,表明岩石的侵入时代应为早白垩世,是燕山期岩浆活动的产物。
(2)阿里河镇岩体地质特征显示其与伟晶岩相伴生,暗色矿物含量普遍较低,发育晶洞构造,且野外路线调查中可见白岗岩和细晶岩。在化学组成上具有高硅、富碱、过铝质,贫钙、镁,富集大离子亲石元素Rb、Th、U和K,亏损高场强元素Nb、Ta、P、Ti的特征。综合地质和地球化学特征,阿里河镇岩体应为高分异I型花岗岩。
(3)阿里河镇早白垩世高分异花岗岩的动力学背景应为与蒙古—鄂霍次克洋闭合有关的后碰撞环境。
致 谢
本文在成文过程中得到鄂伦春项目组同仁的大力支持与协助,审稿老师提出宝贵意见,在此一并致谢。
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