楊宏圖

(中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院，河北 涿州 072750)

0 引言

張廣才嶺位于興蒙造山帶的東端，就目前研究來看，可能是中國發(fā)展歷史最長、構(gòu)造巖漿活動最復(fù)雜的巨型造山帶(任紀舜，1991)。由于興蒙造山帶特殊的大地構(gòu)造位置，致使該構(gòu)造帶不僅是解決東北亞乃至東亞大陸構(gòu)造演化的關(guān)鍵地區(qū)，也是深化全球區(qū)域板塊構(gòu)造演化的關(guān)鍵地區(qū)(李雙林等，1998)。已有研究資料顯示，在興蒙造山帶東段的黑龍江省境內(nèi)，出露了形成于不同地質(zhì)時代的大量花崗巖體，與興蒙造山帶有關(guān)的晚印支期巖漿構(gòu)造活動是黑龍江最強列的一次巖漿活作用，形成了包括東部饒河巖區(qū)和西部張廣才嶺—南樓山、呼瑪—沐河和雞東—老黑山巖區(qū)在內(nèi)的東西2個巨大的花崗巖帶(黑龍江省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1993)。其中，張廣才嶺—南樓山花崗巖帶主要呈南北向分布于小興安嶺上，主要呈巖體產(chǎn)出。關(guān)于該帶花崗巖的巖石學(xué)、地球化學(xué)及地質(zhì)年代學(xué)，已取得了大量研究成果(吳福元等，1999;劉寶山等，2007)。但是，對于單個花崗巖巖體的巖石組合、接觸關(guān)系、不同巖石類型是否同時形成以及巖體成因等詳細解析研究尚未系統(tǒng)開展?；诖?，在對張廣才嶺西北部具有代表性的張家灣巖體進行1∶5萬剖面測量及相應(yīng)面上工作的基礎(chǔ)上，對張家灣巖體巖石組成、巖石地球化學(xué)、形成時代和巖石成因進行了系統(tǒng)研究，為區(qū)域構(gòu)造演化提供了巖石學(xué)及地球化學(xué)的新依據(jù)。

1 地質(zhì)背景及巖石學(xué)特征

張家灣巖體位于南北向展布的張廣才嶺—南樓山花崗巖帶中部，該花崗巖帶規(guī)模巨大，是黑龍江省境內(nèi)最強烈的晚三疊世—早侏羅世早期巖漿活動帶之一。帶內(nèi)巖體眾多，以大型巖體為主。巖石類型以石英閃長巖和二長花崗巖為主。

張家灣巖體位于五常市南東，總體呈東西向展布，東臨張家灣，西、東、北三側(cè)被第四系覆蓋，南側(cè)被正長花崗巖巖株侵入，出露面積約100 km2，主要由石英閃長巖組成。早期1∶20萬地質(zhì)調(diào)查中，全巖K－Ar法對附近巖體中石英閃長巖測定年齡為245 Ma，為晚二疊世侵入巖，花崗閃長巖年齡為232 Ma，二長花崗巖年齡為212 Ma(吉林省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1983)，兩者為早三疊世侵入巖。本次調(diào)查工作中對石英閃長巖、花崗閃長巖、二長花崗巖分別取樣進行LA－ICP－MS鋯石U－Pb測年結(jié)果均顯示為早侏羅世。

野外實測地質(zhì)圖(圖1)顯示，張家灣巖體主要由石英閃長巖、二長花崗巖組成，花崗閃長巖呈小巖體侵入于石英閃長巖內(nèi)部，并被后期二長花崗巖侵入。野外觀察可見不同巖石類型之間呈侵入接觸關(guān)系，花崗閃長巖侵入石英閃長巖，二長花崗巖侵入花崗閃長巖。由此判斷其形成時代最早的為石英閃長巖，其次為花崗閃長巖，最后為二長花崗巖。此外，巖體內(nèi)還出露有花崗細晶巖脈，其在各巖石類型中均可見，形成時代最晚。

圖1 張家灣巖體簡要地質(zhì)圖Fig.1 Simplified geological map of the Zhangjiawan rock mass

圖2 石英閃長巖部分鋯石陰極發(fā)光圖像及U－Pb年齡諧和圖Fig.2 Zircon cathodoluminescence images and U-Pb Concordia ages of the quartz diorite

2 年齡結(jié)果討論

張家灣巖體共采取3件同位素樣品，采用常規(guī)方法進行粉碎、分選，鋯石制靶后進行LA－ICPMS鋯石U－Pb同位素分析(Agilent 7500 ICP－MS上用標準測定程序進行)。測試結(jié)果的處理采用軟件ICPMSDataCal完成，普通Pb校正采用Anderson(2002)方法，年齡計算及諧和圖的繪制均采用國際標準程序Isoplot V3.0(Ludwig，2003)完成。

3件樣品中石英閃長巖鋯石Th/U比值介于0.43～1.37之間，測年數(shù)據(jù)諧和度良好，加權(quán)平均年齡為(176.2±1.8)Ma(MSWD=1.17)(圖2)，花崗閃長巖鋯石Th/U比值介于0.24～1.08之間，測年數(shù)據(jù)諧和度良好，加權(quán)平均年齡為(176.4±2.4)Ma(圖3);二長花崗巖鋯石Th/U比值介于0.43～1.37之間，測年數(shù)據(jù)諧和度良好，加權(quán)平均年齡為(174.7±1.6)Ma(圖4)。3件樣品Th/U比值均表明鋯石為巖漿成因(Chappell，1999)，能夠代表巖石侵位年齡。對應(yīng)地質(zhì)年代表，三者形成時代全部落在早侏羅世。

3 巖石學(xué)及地球化學(xué)特征

3.1 巖石學(xué)特征

圖3 中?；◢忛W長巖U－Pb年齡諧和圖Fig.3 U-Pb concordia age diagrams of the medium-sized granodiorite

圖4 二長花崗巖U－Pb年齡諧和圖Fig.4 U-Pb concordia age diagrams of the monzonitic granite

3.1.1 中(細)粒石英閃長巖 巖石呈灰白色，中細粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物有：斜長石：柱狀，大小1～4 mm，由更長石－中長石組成，聚片雙晶發(fā)育，中長石具環(huán)帶構(gòu)造，質(zhì)量分數(shù)為80%;石英：他形粒狀，大小1～2 mm，質(zhì)量分數(shù)為7%;鉀長石為條紋長石，他形粒狀，粒徑1～3 mm，質(zhì)量分數(shù)為3%;黑云母(5%)和角閃石(5%)分布于斜長石粒間。副礦物有鋯石、榍石、磷灰石和磁鐵礦等(圖5a)。

3.1.2 中(細)?；◢忛W長巖 巖石呈灰白色，具中細?；◢徑Y(jié)構(gòu)，由斜長石(45%)、堿性長石(20%)、石英(25%)和暗色礦物組成。其中斜長石自形程度較好，以更長石為主(An=30±)，聚片雙晶發(fā)育，雙晶個體細、密，還見環(huán)帶結(jié)構(gòu)，粒徑0.5～2.7 mm，發(fā)育不同程度綠泥石化和絹云母化，表面呈土灰色。堿性長石自形程度較斜長石差，主要為正長石和條紋長石，粒徑0.5～3.3 mm，發(fā)育不同程度的泥化，表面呈土褐色，個別被石英交代。石英呈他形粒狀，單偏光下無色透明區(qū)別于堿性長石，正交下干涉色呈一級灰，粒徑大部分都在0.3～0.6 mm，個別在長石中呈嵌晶存在。暗色礦物為角閃石和黑云母，它們聯(lián)生出現(xiàn)，角閃石自形程度較高，單偏光下呈綠色或褐色，多色性明顯，多數(shù)見1組解理，少數(shù)可見夾角為56°的2組解理，多數(shù)部分或輕微綠泥石化，或被后期的黑云母所交代，析出磁鐵礦，嚴重者在黑云母中呈殘晶出現(xiàn)(圖5b)。

本次研究及前人資料均發(fā)現(xiàn)在石英閃長巖內(nèi)普遍含有閃長質(zhì)包體，分布范圍較大，包體灰黑色，細晶—微晶結(jié)構(gòu)，橢圓狀、紡錘狀、長條狀，大小2～10 cm，最大20 cm。主要成分為斜長石、角閃石、黑云母，并普遍見磷灰石雜亂排列。包體分布不均勻，部分巖石內(nèi)較多，質(zhì)量分數(shù)可達30%;其他巖石包體質(zhì)量分數(shù)多為3%～5%。包體與主體巖石界線清晰(圖6c)。此外，花崗閃長巖內(nèi)同樣能見到閃長質(zhì)包體(圖6d)，包體數(shù)量較少，分布范圍較小。

3.1.3 中(細)粒二長花崗巖 巖石呈灰白色，具中(細)粒花崗結(jié)構(gòu)，主要由斜長石(40%)、堿性長石(30%)、石英(20%)及少量暗色礦物組成，黑云母和角閃石(8%)，副礦物主要為磁鐵礦。其中斜長石以更長石為主(An=25±)，呈半自形—自形，多見細而密的聚片雙晶紋，也見環(huán)帶結(jié)構(gòu);堿性長石自形程度較斜長石差，粒徑為0.5～2.4 mm，主要為微斜長石、條紋長石及正長石，分別可見細密的格子雙晶、條紋長石結(jié)構(gòu)和卡氏雙晶，部分被石英交代;石英呈他形粒狀，粒徑0.3～0.9 mm;暗色礦物由角閃石和黑云母組成(圖5c)。

圖5 各巖石鏡下照片F(xiàn)ig.5 Microscopic photos of the rocks

圖6 野外實物照片F(xiàn)ig.6 Field photos

3.2 主量元素地球化學(xué)特征

石英閃長巖：w(SiO2)=61.44% ～67.67%、w(K2O)=1.54% ～2.61%、w(Na2O+K2O)=4.35%～5.71%;氧化度［w(FeO)/w(FeO+Fe2O3)］=0.4～0.6;A/CNK=1.05～1.21，均值1.08(＜1.1)。在TAS圖解(圖7)中落在閃長巖與花崗閃長巖2個區(qū)內(nèi)，屬亞堿性巖石;在FeO*－(Na2O+K2O)－MgO(FAM)圖解、花崗巖類SiO2－K2O圖解中，將其進一步劃分為鈣堿性系列巖石(圖8)。綜合各圖解分析結(jié)果，該巖石屬過鋁質(zhì)鈣堿性巖石系列。

花崗閃長巖：w(SiO2)=67.97% ～73.16%、w(K2O)=3.24% ～3.66%、w(Na2O+K2O)=6.76% ～8.08%);氧化度［w(FeO)/w(FeO+Fe2O3)］=0.6～0.9;A/CNK=1.05～1.21，均值1.04(＜1.1)。在TAS分類圖解(圖7)中位于花崗閃長巖、花崗巖2個區(qū)，均屬亞堿性巖石系列;在FeO*－(Na2O+K2O)－MgO(FAM)、花崗巖類SiO2－K2O圖解(圖8)中，將其進一步劃分為高鉀鈣堿性系列。綜合各圖解分析結(jié)果，該巖石屬過鋁質(zhì)高鉀鈣堿性花崗巖。

二長花崗巖：w(SiO2)=70.61% ～74.68%、w(K2O)=3.88% ～4.18%、w(Na2O+K2O)=7.11%～8.56%;氧化度［w(FeO)/w(FeO+Fe2O3)］=0.6～0.9;A/CNK=1.05～1.21，均值1.04(＜1.1)。在TAS分類圖解(圖7)中位于花崗巖區(qū)，屬亞堿性巖石系列;在FeO*－(Na2O+K2O)－MgO(FAM)、花崗巖類SiO2－K2O圖解(圖8)中，將其進一步劃分為高鉀鈣堿性系列。A/CNK=1.04～1.11，均值1.03(＜1.1)。綜合各分析結(jié)果，二長花崗巖為過鋁質(zhì)高鉀鈣堿性花崗巖。

圖7 TAS分類圖解(據(jù) Le Maitre，1989)Fig.7 TAS diagram(after Le Maitre，1989)

綜合分析3種巖石分析結(jié)果(表1)，發(fā)現(xiàn)隨著Si2O含量的增加，其他氧化物表現(xiàn)出良好的線性演化趨勢，Al2O3、MgO、CaO、FeO+Fe2O3(全鐵含量)、TiO2、P2O5隨 SiO2含量的增加呈良好的負相關(guān)，K2O、Na2O隨SiO2含量增加呈正相關(guān)，表現(xiàn)出典型的巖漿部分熔融或分離結(jié)晶作用演化趨勢，同時也說明3種巖石具有良好的親源性。3種巖石的形成順序為石英閃長巖—花崗閃長巖—二長花崗巖，SiO2含量和巖石氧化度連續(xù)升高，說明巖漿演化過程中揮發(fā)分氣體中的氧氣含量不斷升高，這只能發(fā)生在分離結(jié)晶作用過程中，也就排除了巖漿發(fā)生部分熔融的可能性(表2、表3、表4)。

3.3 稀土元素特征

圖8 巖石系列FAM圖及巖石系列K2O－SiO2圖解Fig.8 FAM diagram and K2O-SiO2diagram of the rocks

石英閃長巖∑REE為123.85～151.52 g/t(平均值為138.13 g/t)，花崗閃長巖∑REE為84.10～277.46 g/t(平均值為 147.5 g/t)，二長花崗巖∑REE介于134.54～188.47 g/t(平均值為153.15 g/t)，它們均遠高于上地幔稀土元素含量(17.70 g/t)，略低于上地殼稀土元素含量(165.35 g/t)，說明巖漿為殼?；旌铣梢?。各巖石類型LREE含量為114.63～146.60、75.91 ～138.72、122.18 ～285.22 g/t;HREE 為 9.11～13.90、8.19～18.05、8.27～21.29 g/t;LREE/HREE比值為9.67～12.51、7.31～11.44、9.08～15.50 g/t。3種巖石之間輕、重稀土分異程度相同，呈現(xiàn)平行排布現(xiàn)象(圖9)。石英閃長巖的δEu=0.89～1.01(平均值為0.95)，基本無異常;花崗閃長巖δEu=0.45～1.03(平均值為0.76)為弱負異常;二長花崗巖δEu=0.35～0.76(平均值為0.52)，為中等程度負異常。

Eu負異常一般被認為是成巖過程中斜長石的分離結(jié)晶或源區(qū)存在斜長石的殘留所致，而鉀長石的分離結(jié)晶又能引起Eu負異常的加劇。張家灣巖體的δEu值表明其巖漿源區(qū)的斜長石的殘留較少，后期隨分離結(jié)晶程度不斷加劇，越來越多的鉀長石分離出來。變化趨勢表明其巖漿源區(qū)斜長石的殘留逐漸增加，稀土元素組成、特征參數(shù)的規(guī)律性變化及稀土配分型式顯示3種巖石類型為同源巖漿演化系列，與巖石化學(xué)表現(xiàn)的結(jié)果一致，陸殼重熔并混合部分地幔巖漿所派生的巖石所具有的稀土元素特征曲線如圖9。

表1 主量元素分析結(jié)果Table 1 Analytical results of the major elements

表2 主量元素換算為CIPW標準礦物Table 2 CIPW standard minerals converted from major elements

表3 稀土元素分析結(jié)果及特征參數(shù)Table 3 Analytical results of rare earth elements and characteristic parameters

表4 早侏羅世侵入巖微量元素分析結(jié)果及特征參數(shù)Table 4 Analytical results of trace elements for the Early Jurassic intrusive rocks and their characteristic parameters

圖9 稀土元素球粒隕石標準化配分曲線Fig.9 Chondrite-normalized REE patterns

3.4 微量元素特征

圖10 微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖(原始地幔標準化值引自Sun et al，1989)Fig.10 Primitive mantle-normalized spider diagram of trace elements(primitive mantle normalized values from Sun et al，1989)

微量元素組成上，各巖石普遍存在富集Rb、Th、U、K 等大離子親石元素，虧損 Ba、Nb、P、Ti等高場強元素特征(圖10)。同時，花崗閃長巖與二長花崗巖還存在虧損Sr元素的現(xiàn)象。前人研究成果表明，Ba、Nb、P、Ti等高場強元素虧損程度隨巖石內(nèi) SiO2含量增加不斷變強，花崗巖中Sr主要代替Ca而富集于長石中，而Ba則主要在巖漿晚階段進入富K的造巖礦物(如鉀長石、黑云母)，占據(jù)早期結(jié)晶含K礦物的K位置。所以斜長石的分離引起了Sr的虧損，而鉀長石和黑云母的分離導(dǎo)致了Ba的虧損;P和Ti負異常主要源于副礦物磷灰石及榍石分離。此外，黑云母分離結(jié)晶還會導(dǎo)致Eu的正異常，而磷灰石則會導(dǎo)致Eu負異常，可以補償由于長石作為殘留相而產(chǎn)生的熔體Eu虧損。這與上述巖相學(xué)分析中石英閃長巖內(nèi)黑云母和榍石含量較多、稀土元素Eu基本沒有出現(xiàn)虧損、而花崗閃長巖和二長花崗巖內(nèi)黑云母和榍石含量較少、Eu負異常強烈，所指示出巖漿源區(qū)斜長石作為殘留在不斷增加、石英閃長巖DI平均值為66、花崗閃長巖DI平均值為79、二長花崗巖DI平均值為85.13、分離結(jié)晶程度不斷變強與微量元素分析結(jié)果是相吻合的。

石英閃長巖Rb/Sr比值較小(0.12～0.16)，Zr/Hf平均值為51.56;而花崗閃長巖、二長花崗巖Rb/Sr比值較高，平均值分別為 0.57、0.58，Zr/Hf平均值分別為26.44、27.09。一般來說，隨著巖漿的分異演化，Rb/Sr比值會增加，而Zr/Hf比值有逐漸降低的趨勢，這表明花崗閃長巖和二長花崗巖相比石英閃長巖分異演化程度較高。

4 巖石成因

張家灣巖體主要由石英閃長巖、花崗閃長巖及二長花崗巖組成，礦物成分中出現(xiàn)角閃石，副礦物有磷灰石、榍石及磁鐵礦。元素地球化學(xué)分析可見上述巖石富堿(Na2O+K2O)，富鋁(Al2O3)，F(xiàn)e2O3/FeO比值＞0.4，A/CNK集中于1.0～1.1之間，CaO含量較高，富集 LREE、Rb、Th、U、K，虧損 Ba、Nb、P、Ti元素，這些特征均屬I型花崗巖特征(Chappell，1999)。在K2O－Na2O圖解中所有樣品均投在I型花崗巖區(qū)域(圖11)，花崗閃長巖和二長花崗巖位于I邊緣靠近A型花崗巖的區(qū)域，這些特征與張廣才嶺已經(jīng)識別出的高分異I型花崗巖(孫德有等，2004;Wu et al，2003a，2003b)及中國境內(nèi)現(xiàn)有報道的高分異I型花崗巖(邱檢生等，2005;朱弟成等，2009)均十分吻合。

圖11 A、I、S型花崗巖類判別圖解(據(jù) Collins et al，1982)Fig.11 Discrimination diagram of A-，I-and S-type granites(after Collins et al，1982)

前人的研究資料表明，區(qū)域上該期花崗巖87Sr/86Sr主要集中在0.705～0.716之間(表5)，顯示出殼?；旌铣梢蛐畔?劉成東等，2003)。該時期的花崗巖普遍含有角閃石、黑云母，副礦物以鋯石、磷灰石、榍石、磁鐵礦等為主，Al2O3/(CaO+Na2O+K2O)分子比＜1.1。早期巖體中普遍含有細粒閃長質(zhì)包體，晚期巖體中極少見細粒閃長質(zhì)包體。巖石學(xué)及巖相學(xué)特征表明它們可能是來自不同源區(qū)的2種巖漿，其較基性巖漿來源于地幔，而中酸性花崗質(zhì)巖漿主要來源于下地殼。早侏羅世巖漿由于分離結(jié)晶作用形成了該巖體的石英閃長巖、花崗閃長巖、二長花崗巖。巖石成分隨SiO2含量的增加由富鈉質(zhì)偏鋁質(zhì)鈣堿性巖向富鉀質(zhì)弱過鋁質(zhì)鈣堿性巖過渡，Eu也隨SiO2含量的增加而虧損加大。從巖石的礦物組成和化學(xué)成分看，由石英閃長巖、花崗閃長巖到二長花崗巖，混入的幔源物質(zhì)逐漸減少。上述特點表明本期花崗巖為殼?；旌铣梢颍毩ｉW長質(zhì)包體為較基性的地幔巖漿進入主巖漿中淬火結(jié)晶而成。

5 結(jié)論

(1)張家灣巖體主要由石英閃長巖、花崗閃長巖、二長花崗巖組成，不同巖石類型形成的先后順序為石英閃長巖—花崗閃長巖—二長花崗巖。

(2)張家灣巖體巖漿通過以分離結(jié)晶作用為主、巖漿混合作用為輔的巖漿演化過程，最終形成了基性程度逐漸降低的石英閃長巖—花崗閃長巖—二長花崗巖演化序列。

(3)張家灣巖體為鈣堿性巖石－高鉀鈣堿性系列，屬準鋁質(zhì)—過鋁質(zhì)高分異I型花崗巖。

(4)張家灣巖體形成于中生代早侏羅世，巖漿由陸殼重熔并混合部分地幔巖漿派生而形成。

表5 Rb-Sr同位素年齡測定結(jié)果Table 5 Age determination of Rb and Sr isotopes

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