孫永剛,李碧樂,王聚勝,王永勝,張旭,詹天宇
1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,長春130061;2. 吉林省地質(zhì)調(diào)查院,長春130102
吉林省中部地區(qū)位于松嫩—張廣才嶺地塊東緣[1],小興安嶺—張廣才嶺地區(qū)南段(圖1a),晚古生代—早中生代經(jīng)歷了古亞洲洋的閉合和多個(gè)微陸塊的碰撞-拼貼過程[2],中生代又疊加了環(huán)太平洋構(gòu)造體系的改造[1]。中生代火成巖出露廣泛,巖石類型復(fù)雜,近年來對中生代花崗巖做了大量研究,側(cè)重于巖石學(xué)、巖石地球化學(xué)和同位素年代學(xué)等方面的研究,但是對于早燕山期的巖漿混合作用則少有研究。此外,關(guān)于古太平洋板塊俯沖開始的具體時(shí)間仍存在爭議,主要有兩種認(rèn)識:①俯沖開始于晚三疊世[3-4];②俯沖開始于早-中侏羅世[1, 5-6]。
圖a: ①喜桂圖—塔源斷裂;②賀根山—黑河斷裂;③索倫—西拉木倫—長春縫合帶;④嘉蔭—牡丹江斷裂;⑤伊通—依蘭斷裂;⑥敦化—密山斷裂。 圖b: 1. 第四系沖洪積層;2. 晚二疊世楊家溝組;3. 早侏羅世花崗閃長巖;4. 早侏羅世二長花崗巖;5. 采樣點(diǎn)。圖1 中國東北地區(qū)構(gòu)造簡圖(a)[9]和研究區(qū)地質(zhì)簡圖(b)Fig.1 Tectonic setting map of Northeast China (a) and simplified geological map of study area (b)
鑒于這些問題,筆者以吉林中部江密峰花崗閃長巖為研究對象,通過對其年齡和巖石地球化學(xué)特征的研究,確定巖石的成因歸屬,討論巖漿的成因和演化,為研究吉林中部地區(qū)早燕山期巖漿作用過程提供新證據(jù),對古太平洋板塊向歐亞板塊俯沖的起始時(shí)間進(jìn)行制約。
吉林省中部地區(qū)[1],北西側(cè)為伊通—依蘭斷裂和松遼盆地,南東側(cè)為敦化—密山斷裂,南西側(cè)為索倫—西拉木倫—長春縫合帶(圖1a)。位于小興安嶺—張廣才嶺成礦帶上,成礦帶呈弧形(長約650 km,寬60~100 km),走向NNW-NS,從黑龍江省東部延伸至吉林省南西部[7],是尋找銅、鉬和金等多金屬礦的有利區(qū)域。
區(qū)內(nèi)出露的地層主要為晚古生代二疊紀(jì)范家屯組、大河深組和楊家溝組,中生代三疊紀(jì)四合屯組和侏羅紀(jì)南樓山組,以及新生代地層[8]。晚古生代地層為一套中酸性火山巖-陸源碎屑巖-夾碳酸鹽巖沉積建造,三疊系—侏羅系地層主要為一套陸相中酸性火山巖建造。新生代地層主要由第四系沉積物和少量軍艦山組玄武巖組成。研究區(qū)以北東向敦化—密山和伊通—依蘭斷裂為主,其次為以松花江斷裂為代表的北西向斷裂,這兩組斷裂構(gòu)成了區(qū)內(nèi)的構(gòu)造格架。古亞洲洋和環(huán)太平洋兩大構(gòu)造體系的疊加與轉(zhuǎn)換導(dǎo)致區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)和火山作用劇烈、頻繁,晚古生代—中生代中酸性火山巖和侵入巖大面積出露,侵入巖主要為大面積的中生代花崗巖[1],巖性主要為花崗閃長巖、二長花崗巖、正長花崗巖和堿長花崗巖等,另外燕山期鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)侵入巖小面積發(fā)育,呈零散分布[1, 9]。
江密峰花崗巖巖體出露于吉林市北東部江密峰鎮(zhèn)一帶,巖性為花崗閃長巖和二長花崗巖。呈巖基狀產(chǎn)出,巖體侵位于二疊紀(jì)楊家溝組地層中。江密峰巖體中存在灰黑色閃長巖包體,包體呈橢球狀和渾圓狀(圖2a, 2b),直徑大小不等,短軸2~10 cm,長軸20~30 cm,多集中于5 cm×10 cm,產(chǎn)狀不規(guī)則,產(chǎn)出密度3~5 個(gè)/m2。
Pl.斜長石;Bt.黑云母;Q.石英。圖2 江密峰花崗閃長巖野外和顯微照片F(xiàn)ig.2 Field photos and microphotographs of Jiangmifeng granodiorite
本文所采樣品為江密峰灰白色中細(xì)?;◢忛W長巖(文中簡稱江密峰花崗閃長巖),風(fēng)化面灰色,新鮮面呈灰白色,中細(xì)?;◢徑Y(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。主要礦物成分由石英、斜長石、鉀長石、角閃石和黑云母組成(圖2c, 2d)。石英呈他形粒狀充填于長石礦物中,粒徑0.5~2.5 mm,見波狀消光,含量25%±;鉀長石呈半自形-自形板柱狀,粒徑0.5~2.5 mm,卡氏雙晶發(fā)育,含量15%±;斜長石呈半自形-自形板狀,細(xì)密的聚片雙晶發(fā)育,粒徑0.5~3 mm,含量50%±;黑云母呈片狀,深褐色,具明顯多色性,片徑1~2 mm,含量10%±;副礦物可見鋯石、榍石和磁鐵礦。
江密峰花崗閃長巖鋯石樣品挑選由河北省廊坊區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室完成,采用標(biāo)準(zhǔn)重礦物分離技術(shù)篩選鋯石,然后在雙目鏡下挑選出裂隙和包裹體少、晶型發(fā)育好、表面干凈的鋯石。鋯石樣品的制靶、反射光、陰極發(fā)光、鋯石U-Pb年齡測定在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司完成。詳細(xì)的儀器參數(shù)、分析流程和數(shù)據(jù)處理等見文獻(xiàn)[10]。鋯石樣品的年齡諧和圖繪制和年齡計(jì)算采用Isoplot程序[11]完成。
江密峰花崗閃長巖樣品的主量和微量元素分析測試在國土資源部長春礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成。主量元素含量用X-射線熒光光譜法(XRF)測定,在美國熱電生產(chǎn)的X-射線熒光光譜儀(ADVANT’X)上完成,由等離子光譜和化學(xué)法測定。采用美國熱電瑞士分公司生產(chǎn)的等離子質(zhì)譜儀(X-series2)測定微量元素和稀土元素的含量。
江密峰花崗閃長巖樣品鋯石陰極發(fā)光圖像顯示鋯石的形態(tài)主要為長柱狀,少數(shù)為短柱狀,具有生長振蕩環(huán)帶和韻律結(jié)構(gòu),為巖漿鋯石(圖3)。江密峰花崗閃長巖樣品22個(gè)測試點(diǎn)分析結(jié)果見表1,U含量為(286~1 508)×10-6,Th含量為(100~321)×10-6,Th/U比值為0.21~0.43,22個(gè)鋯石206Pb/238U分析數(shù)據(jù)的加權(quán)平均年齡為179±1 Ma,MSDW=2.3(圖4a),屬早侏羅世。
圖3 江密峰花崗閃長巖鋯石CL圖像Fig.3 CL images of zircons from Jiangmifeng granodiorite
圖4 江密峰花崗閃長巖鋯石U--Pb年齡諧和圖(a)和加權(quán)平均年齡(b)Fig.4 Zircon U--Pb concordia diagram (a) and weighted average ages diagram (b) from Jiangmifeng granodiorite
表1 江密峰花崗閃長巖LA--ICP--MS鋯石U--Pb測年結(jié)果
Table 1 LA--ICP--MS zircon U--Pb dating results for Jiangmifeng granodiorite
測點(diǎn)含量/10-6同位素比值及誤差年齡/Ma及誤差238U232Th207Pb/206Pb1σ207Pb/235U1σ206Pb/238U1σ207Pb/206Pb1σ207Pb/235U1σ206Pb/238U1σPM002-1-15571730.047 070.001 620.180 470.006 500.027 750.000 34535716861762 PM002-1-23711130.051 330.002 070.198 990.007 950.028 220.000 312567218471792 PM002-1-33841250.050 640.002 120.201 260.008 820.028 620.000 362247818671822 PM002-1-44181340.047 210.001 860.189 640.007 620.029 010.000 30606917671842 PM002-1-54251670.049 560.001 850.196 190.007 890.028 510.000 361747018271812 PM002-1-63271180.047 880.002 370.187 950.009 060.028 630.000 34938617581822 PM002-1-75201480.049 480.002 110.198 960.009 890.028 700.000 381719018481822 PM002-1-83241070.047 400.002 170.184 770.008 150.028 330.000 32697617271802 PM002-1-95942100.049 130.001 630.189 510.006 060.027 940.000 251545817651782 PM002-1-106242430.049 950.002 370.190 650.008 800.027 680.000 3019311117781762 PM002-1-115791930.051 910.002 030.197 710.007 370.027 660.000 312816518361762 PM002-1-127132520.049 160.001 460.190 500.005 740.027 950.000 261565317751782 PM002-1-133071100.050 220.002 500.195 060.009 490.028 170.000 3020511618181792 PM002-1-142861000.051 690.002 870.204 590.011 090.028 710.000 3527213018991822 PM002-1-154271470.050 590.001 830.198 160.007 160.028 300.000 302226418461802 PM002-1-165241680.051 410.001 760.196 220.006 630.027 590.000 272566018261752 PM002-1-176782620.050 480.001 760.192 840.006 710.027 640.000 272176317961762 PM002-1-187372400.047 410.001 660.188 010.006 300.028 890.000 39705217551842 PM002-1-195981990.050 240.001 540.191 350.005 960.027 520.000 282065317851752 PM002-1-206762590.050 180.001 690.190 670.006 140.027 630.000 282035617751762 PM002-1-211 5083210.049 370.001 180.196 750.004 680.028 780.000 251653918241832 PM002-1-226402760.049 480.001 830.196 170.007 320.028 620.000 281821716961822
江密峰花崗閃長巖總體上具有富SiO2、Na2O、K2O、Al2O3和TFe2O3,低MgO和CaO等特征,其中SiO2=65.94%~68.25%,Al2O3=14.49%~15.30%,TFe2O3=4.54%~5.17%,TiO2=0.54%~0.66%,MgO=1.41%~1.69%,Mg#=38.1~39.7,P2O5=0.16%~0.20%,CaO=3.01%~3.53%,Na2O=3.42%~3.68%,K2O=3.20%~3.66%,Na2O+K2O=6.72%~7.08%。在TAS圖解中樣品落入花崗閃長巖區(qū)域,顯示亞堿性特征(圖5),A/CNK值0.95~0.96,在A/CNK-A/NK圖解中,巖石顯示準(zhǔn)鋁質(zhì)特征(圖6a)。在SiO2-K2O圖解中顯示江密峰花崗閃長巖均屬于高鉀鈣堿性系列(圖6b),在哈克圖解上江密峰花崗閃長巖的TiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、Na2O、CaO、P2O5與SiO2呈明顯負(fù)相關(guān),而K2O與SiO2呈正相關(guān)(圖7a-h)。
圖5 江密峰花崗閃長巖TAS圖解Fig.5 TAS diagram of Jiangmifeng granodiorite
圖6 江密峰花崗閃長巖A/CNK-A/NK圖解(a)和SiO2-K2O 圖解(b)Fig.6 A/CNK-A/NK diagram (a) and SiO2-K2O (b) diagram of Jiangmifeng granodiorite
樣品微量元素分析結(jié)果見表2,與張廣才嶺地區(qū)早侏羅世花崗巖的地球化學(xué)特征一致[7]。江密峰花崗閃長巖稀土元素配分曲線的趨勢一致(圖8a),反映了同源巖漿的演化特征,樣品稀土元素總量較高(表2),ΣREE值為193×10-6~212×10-6,明顯富集LREEs、虧損HREEs,LREE/HREE值高,LREE/HREE值為9.74~13.27。巖石稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖解(圖8a)顯示,稀土元素配分曲線呈右傾型,且較為平坦圓滑,存在負(fù)Eu異常(Eu/Eu*= 0.51~0.61,平均值0.58)。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(圖8b)中,相對富集LILEs (Rb、K等)和HFSEs (Th等),虧損LILEs (Ba、Sr)和HFSEs (Nb、Ta、Ti、Zr等)。
根據(jù)花崗巖原巖的不同,花崗巖通常被分為I型、S型、A型和M型[14]。M型花崗巖起源于幔源物質(zhì),迄今為止未曾在東北地區(qū)發(fā)現(xiàn),因此東北地區(qū)中生代花崗巖分類只考慮I型、S型和A型3類。
圖7 江密峰花崗閃長巖的Harker圖解Fig.7 Harker diagrams for Jiangmifeng granodiorite
巖石礦物組合上,主要由石英、斜長石、鉀長石、黑云母和少量角閃石組成,副礦物有鋯石、榍石和磁鐵礦。其中角閃石和磁鐵礦是I型花崗巖的特征礦物。然而,A型花崗巖中鈉鐵閃石和鈉閃石特征礦物[15-16],還有S型花崗巖中石榴子石、白云母和堇青石等富鋁特征礦物[17],通過鏡下觀察并不發(fā)育。巖石地球化學(xué)方面,江密峰花崗閃長巖具有低的P2O5含量(0.16%~0.20%),A/CNK值<1.1(圖6a),而S型花崗巖P2O5含量高,A/CNK值一般>1.1。而且P2O5含量隨著SiO2的增加而減小(圖7g),具有I型花崗巖趨勢[17]。I型花崗巖的Ga/Al值可隨著巖漿分異而升高接近A型花崗巖的特征。本文花崗巖樣品10 000*Ga/Al值普遍>2.6,顯示A 型花崗巖的特征,暗示江密峰花崗閃長巖應(yīng)屬于高分異的I型花崗巖,可能經(jīng)歷了較強(qiáng)烈的斜長石、磷灰石和鈦鐵礦的分離結(jié)晶作用。另外,可以通過計(jì)算鋯石的飽和溫度得出花崗巖從原巖分離結(jié)晶時(shí)的溫度[18],計(jì)算得出江密峰花崗閃長巖鋯石飽和溫度(TZr℃)為618℃~621℃,平均值為620℃,表明該區(qū)花崗巖形成溫度較低,但大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為A型花崗巖形成溫度較高[19-20],一般>800℃,平均溫度為800℃~900℃,巖石形成溫度又與A型花崗巖的偏高溫特點(diǎn)明顯不同。甚至低于典型高分異I型花崗巖形成溫度范圍(730℃~779℃)[21-22],不排除江密峰花崗閃長巖形成過程中有流體加入的可能。綜上,認(rèn)為江密峰花崗閃長巖為高分異I型花崗巖。
表2 江密峰花崗閃長巖主量元素 (10-2)、稀土元素 (10-6) 和微量元素含量 (10-6)
圖8 江密峰花崗閃長巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖解(a)和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(b)[7, 12--13]Fig.8 Chondrite-normalized REE distribution patterns ( a) and primitive mantle-normalized trace elements spider diagrams ( b) for Jiangmifeng granodiorite
討論得出江密峰花崗閃長巖為高分異I型花崗巖,前人資料顯示,高分異I型花崗巖主要有兩種成因:一種是幔源分異巖漿底侵導(dǎo)致的地殼物質(zhì)發(fā)生部分熔融所形成[15-16, 23-24];另一種是幔源巖漿底侵到下地殼,誘發(fā)地殼物質(zhì)部分熔融形成了長英質(zhì)巖漿,二者混合在淺源形成混源巖漿房[22, 25]。筆者傾向于后者,證據(jù)為:測年結(jié)果表明,江密峰花崗閃長巖為早侏羅世(179±1 Ma)巖漿侵入的產(chǎn)物,前人對區(qū)域上同時(shí)代的火成巖已進(jìn)行過研究[26-27],Wu et al.[28]對該期花崗巖體進(jìn)行Sr-Nd同位素研究表明,它們可能形成于殼?;旌衔镔|(zhì)的部分熔融,極有可能是顯生宙的下地殼和底侵的玄武質(zhì)巖漿混合所致。孫德有等[29]通過對張廣才嶺早侏羅世白石山巖體研究認(rèn)為其具有殼?;旌统梢虻奶卣?。唐杰等[30]通過對張廣才嶺早侏羅世帽兒山組粗面安山巖研究認(rèn)為它是玄武質(zhì)巖漿和流紋質(zhì)巖漿混合作用的產(chǎn)物。表明小興安嶺—張廣才嶺地區(qū)早燕山期殼幔巖漿混合作用較為顯著。在巖相學(xué)上,江密峰花崗閃長巖中的鎂鐵質(zhì)包體具有典型的火成結(jié)構(gòu),未見變質(zhì)巖特征,組成礦物的種類與寄主巖相似,但粒度偏細(xì),暗色礦物含量偏高,包體多呈塑變形態(tài),呈渾圓狀和橢球狀。說明江密峰花崗閃長巖中發(fā)育的鎂鐵質(zhì)包體并非圍巖捕擄體或變質(zhì)殘留體,而是塑性變形的產(chǎn)物,是液態(tài)的鎂鐵質(zhì)巖漿與其誘發(fā)地殼物質(zhì)熔融形成的長英質(zhì)巖漿混合的產(chǎn)物[31]。江密峰花崗閃長巖地球化學(xué)特征反映其源區(qū)在巖漿混合后還經(jīng)歷了高程度的結(jié)晶分異作用。主量元素?cái)?shù)據(jù)顯示TiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、Na2O、CaO、P2O5與SiO2呈負(fù)相關(guān)性(圖7a-g),K2O與SiO2呈正相關(guān)性(圖7h),指示在巖漿演化過程中發(fā)生了分離結(jié)晶作用。Al2O3含量隨著SiO2增高而降低(圖7b),Eu、Sr和Ba的虧損都支持斜長石和(或)鉀長石發(fā)生分離結(jié)晶作用。TFe2O3、MgO和CaO含量隨著SiO2增高而降低(圖7b),Er和Dy呈正相關(guān)(圖7i)都支持發(fā)生角閃石的分離結(jié)晶作用。P2O5和TiO2含量隨著SiO2增高而降低(圖7g),Nb、Ta、Ti、Sr、P的虧損指示成巖過程中發(fā)生了含鈦礦物(金紅石、鈦鐵礦和榍石等)和磷灰石的分離結(jié)晶[32]。隨著巖漿演化,花崗巖由Zr不飽和向Zr飽和演化,而鋯石是花崗質(zhì)巖石中Zr和Hf的主要載體,Zr和Hf元素在花崗巖中含量的降低往往和Zr飽和之后的鋯石分離結(jié)晶相聯(lián)系[33]。江密峰高分異I 型花崗巖具有較低的Zr 含量和Zr/Hf比值(3.88~8.60),可能與鋯石的分離結(jié)晶有關(guān)。因此,角閃石、斜長石、鉀長石、磷灰石、鋯石和含鈦礦物不同程度的分離結(jié)晶可能是導(dǎo)致江密峰花崗閃長巖化學(xué)成分變化的主要機(jī)制。
綜上所述,江密峰花崗閃長巖的形成經(jīng)歷了二階段的成巖過程,首先是殼幔物質(zhì)在源區(qū)混合形成原始巖漿,隨后這一殼?;煸磶r漿又經(jīng)歷高程度的分異演化并最終固結(jié)成巖。
江密峰花崗閃長巖富集輕稀土元素(LREEs)和大離子親石元素(LILEs,如Rb、K),虧損重稀土元素(HREEs)和高場強(qiáng)元素(HFSEs,如Nb、Ta、Ti),具有負(fù)Eu異常,表明巖石具島弧花崗巖的特征,而且在構(gòu)造判別圖解(圖9)中樣品全部落入火山弧花崗巖區(qū)域(VGA),暗示花崗巖的成因與洋殼的俯沖作用存在密切的聯(lián)系。
WPG. 板內(nèi)花崗巖;VGA. 火山弧花崗巖;ORG. 洋中脊花崗巖;Syn-COLG. 同碰撞花崗巖。圖9 江密峰花崗閃長巖Y-Nb (a)和(Y+Nb)-Rb (b)構(gòu)造判別圖解Fig.9 Tectonic setting discrimination diagrams of Y-Nb (a) and (Y+Nb)-Rb (b) for Jiangmifeng granodiorite
小興安嶺—張廣才嶺地區(qū)早侏羅世鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)侵入巖和廣泛分布的同時(shí)代花崗巖[1, 5, 34]構(gòu)成了典型的雙峰式巖石組合,表明了伸展構(gòu)造環(huán)境。那么,早侏羅世的伸展構(gòu)造背景是與古太平洋板塊向歐亞大陸下的俯沖作用有關(guān),還是與華北板塊和興蒙造山帶碰撞拼合后的伸展作用有關(guān)?
近年來華北克拉通北緣晚二疊世—早三疊世的同碰撞花崗巖被相繼報(bào)道[35-37],這表明晚二疊世—早三疊世為古亞洲洋閉合后南北向的擠壓構(gòu)造環(huán)境[9]。小興安嶺—張廣才嶺晚三疊世雙峰式火山巖和吉黑東部同時(shí)代發(fā)育的A型流紋巖表明當(dāng)時(shí)的伸展構(gòu)造背景,與古亞洲洋閉合后的造山后伸展有關(guān)[38-39],表明古亞洲洋俯沖作用的結(jié)束,早侏羅世的伸展構(gòu)造背景與古亞洲洋構(gòu)造體系無關(guān)。吉黑東部東寧—旺起—琿春地區(qū)的早侏羅世火山巖屬于鈣堿性系列巖石,與活動(dòng)大陸邊緣火成巖具有相似的地球化學(xué)性質(zhì)[40],小興安嶺—張廣才嶺則為一套雙峰式火成巖組合,二者構(gòu)成了北東-南西向成分分帶[41-43],分別對應(yīng)于古太平洋板塊向歐亞大陸下俯沖形成的活動(dòng)大陸邊緣環(huán)境和弧后伸展環(huán)境,從東向西SiO2、K2O含量具有增高趨勢,εNd(t)值呈降低趨勢,顯示陸殼的成熟度逐漸升高,表明古太平洋板塊向歐亞板塊的俯沖開始于早侏羅世[5, 44]。另外,獲得松嫩—張廣才嶺地塊和佳木斯地塊間黑龍江群蛇綠混雜巖白云母Ar-Ar年齡為180~165 Ma[45-46],表明松嫩—張廣才嶺地塊和佳木斯地塊沿嘉蔭—牡丹江拼合帶最后碰撞的時(shí)間為早侏羅世,是古太平洋板塊早侏羅世已經(jīng)開始俯沖的直接證據(jù)。綜上所述,認(rèn)為小興安嶺—張廣才嶺地區(qū)早侏羅世巖漿作用形成于古太平洋板塊向歐亞板塊下俯沖引起的弧后伸展構(gòu)造環(huán)境,標(biāo)志著環(huán)太平洋構(gòu)造體系在吉黑東部的開始。
(1) 獲得江密峰花崗閃長巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb加權(quán)平均年齡為179 ± 1 Ma,屬早侏羅世。
(2) 江密峰花崗閃長巖屬于高鉀鈣堿性系列,為高分異I型花崗巖,它的形成極可能經(jīng)歷了殼幔物質(zhì)在源區(qū)混合形成原始巖漿,隨后這一殼?;煸磶r漿又經(jīng)歷高程度分異演化的二階段成巖過程。
(3) 古太平洋板塊向歐亞板塊的俯沖開始于早侏羅世,江密峰花崗閃長巖形成于俯沖引起的弧后伸展構(gòu)造環(huán)境。