高子越,鞠 楠,2,李經(jīng)緯,楊 群,王可勇
1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100089;2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心,遼寧 沈陽(yáng) 110034;3.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130061
吉林延邊五鳳地區(qū)經(jīng)歷過(guò)晚二疊世—中三疊世古亞洲洋閉合[1-3]、中生代古太平洋板塊俯沖[4-5]等多期構(gòu)造事件,形成了復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和大規(guī)模的巖漿活動(dòng),在環(huán)太平洋造山帶占有重要地位[6]. 延邊地區(qū)也是中國(guó)重要的火山巖型金、銅礦集區(qū)[7-9],礦床的形成與中生代多期巖漿作用有關(guān),包括斑巖型、火山巖型和次火山巖型等多種類型[10]. 五鳳地區(qū)位于延邊斑巖-淺成熱液礦集區(qū)西部,并產(chǎn)出淺成低溫?zé)嵋盒徒鸬V.延邊五鳳金礦床賦礦圍巖為中生代火山巖. 《吉林省區(qū)域地質(zhì)志》[11]將延邊地區(qū)出露的中生代早期火山巖(安山巖、粗面安山巖和角閃安山巖等)劃分到中侏羅世屯田營(yíng)組,將晚期火山巖(玄武巖、安山巖和凝灰?guī)r等)劃分到早白堊世金溝嶺組. 已有的年代學(xué)研究表明,金溝嶺組火山巖時(shí)代最大值為130~140 Ma[12],最小值為106.1 Ma[13],故金溝嶺組火山巖漿活動(dòng)時(shí)間應(yīng)為晚侏羅世—早白堊世. 也有研究者[13-14]認(rèn)為屯營(yíng)田組應(yīng)歸屬于白堊紀(jì)巖漿活動(dòng)產(chǎn)物. 對(duì)于延邊地區(qū)以及礦區(qū)容礦火山巖的巖石成因,研究者多認(rèn)為該區(qū)火山巖形成與太平洋板塊俯沖有關(guān)[15]. 也有學(xué)者推測(cè)五鳳金礦區(qū)火山巖系形成于陸內(nèi)造山帶的構(gòu)造環(huán)境[9]. 前人研究主要集中在白堊紀(jì)安山巖的年代學(xué)限定,然而區(qū)內(nèi)粗面安山巖缺乏詳細(xì)的研究和年代學(xué)限定. 延邊地區(qū)中生代火山巖的形成時(shí)代與地層單元?dú)w屬仍存在爭(zhēng)議,粗面安山巖的地層單元?dú)w屬也未有定論. 本文以五鳳地區(qū)粗面安山巖為研究對(duì)象,開展巖相學(xué)、LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 測(cè)年和巖石主、微量元素地球化學(xué)分析,以查明五鳳粗面安山巖成因及其與古太平洋板塊俯沖的關(guān)系.
延邊朝鮮族自治州地處中國(guó)東北地區(qū)吉林省東部. 延邊地區(qū)大地構(gòu)造位置處于華北克拉通北東陸緣佳木斯地塊及興凱地塊的交匯處[15](圖1),經(jīng)歷了前中生代古亞洲洋演化[1-3]、中生代疊加古太平洋板塊俯沖作用[4-5]. 區(qū)內(nèi)構(gòu)造以呈近東西向展布的古生代構(gòu)造為基礎(chǔ),在其之上疊加有中生代的呈北北東—近南北向、北北西向展布的斷裂[16]. 區(qū)內(nèi)發(fā)育的地層主要是古生界青龍村群、五道溝群以及天寶山組、廟嶺組、柯島組和開山屯組低—中級(jí)變質(zhì)的海相火山-沉積地層,中生界大興溝群(托盤溝組、馬鹿溝組、天橋嶺組)、屯田營(yíng)組、金溝嶺組、泉水村組、大砬子組、龍井組等.該地區(qū)經(jīng)歷了早燕山階段早期(200~170 Ma)、早燕山階段晚期(170~135 Ma)、晚燕山階段晚期(110~80 Ma)多期巖漿活動(dòng)[17-18].
圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置圖(據(jù)文獻(xiàn)[16-19]修編)Fig. 1 Geotectonic location map of the study area(Modified from References[16-19])
五鳳地區(qū)位于延邊地區(qū)西部的延吉市境內(nèi),地處中生代天寶山-刺猬溝火山斷陷帶中央,區(qū)域性朝陽(yáng)川-彩繡嶺北西向斷裂與老頭溝-五鳳北東向斷裂的交匯部位(圖2). 區(qū)內(nèi)分布晚侏羅世—早白堊世金溝嶺組火山巖,其主要巖石類型為角閃安山巖、安山質(zhì)角礫凝灰?guī)r、安山質(zhì)凝灰?guī)r、含斑安山巖、輝石安山巖、石英安山巖和粗面安山巖. 其中,角閃安山巖為礦區(qū)最主要的巖石類型,遍布全區(qū),約占巖石出露面積80%以上;角閃安山質(zhì)角礫凝灰?guī)r分布于礦區(qū)西側(cè),出露面積僅次于安山巖. 礦區(qū)內(nèi)巖漿巖主要以巖脈的形式發(fā)育,如細(xì)粒閃長(zhǎng)巖、石英閃長(zhǎng)玢巖及煌斑巖等,尤以前兩者為主. 這些巖脈長(zhǎng)一般幾十米至百余米,寬幾十厘米,沿北東、北西向斷裂產(chǎn)出.
圖2 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖(據(jù)文獻(xiàn)[16-19]修編)Fig. 2 Regional geological map of the study area(Modified from References[16-19])
本研究樣品采自五鳳地區(qū)粗面安山巖. 粗面安山巖在研究區(qū)內(nèi)僅零星出露,在大比例尺區(qū)域地質(zhì)圖上無(wú)集中體現(xiàn),研究者一般將其劃入金溝嶺組[20]. 對(duì)粗面安山巖在巖相學(xué)研究基礎(chǔ)上,開展了鋯石U-Pb 定年和全巖地球化學(xué)分析研究. 樣品主要呈灰黑色,巖石斑狀結(jié)構(gòu),斑晶含量約為30%,基質(zhì)部分約為68%,有少量不透明金屬礦物(2%). 斑晶主要由斜長(zhǎng)石和少量角閃石組成(圖3),它們?cè)诎呔е械暮糠謩e為70%和30%. 斜長(zhǎng)石斑晶為自形—半自形結(jié)構(gòu),粒徑差別較大,長(zhǎng)軸一般為300~2 000 μm,最大可達(dá)900 μm,最小的僅為100 μm. 長(zhǎng)寬比值變化較大,一般為1~3.斜長(zhǎng)石斑晶有的較為完整,有的具明顯熔蝕現(xiàn)象. 角閃石斑晶為自形—半自形結(jié)構(gòu),長(zhǎng)軸一般為300~700 μm,最大可達(dá)1 500 μm,長(zhǎng)寬比值為1~3. 基質(zhì)部分為微晶—隱晶結(jié)構(gòu),微晶含量約為70%,主要由斜長(zhǎng)石和角閃石組成,含量分別為75%和25%. 不透明金屬礦物呈不均勻分布在巖石中,多為不規(guī)則立方體,粒徑10~20 μm,最大可達(dá)40 μm.
圖3 粗面安山巖巖相圖Fig. 3 Petrographic photographs of trachyandesite
鋯石U-Pb 同位素定年在吉林大學(xué)自然資源部東北亞礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成. 首先將新鮮巖石樣品洗凈并粉碎至約80 目,然后依次進(jìn)行重力分選、磁選和重液分選,最后人工在雙目鏡下挑選鋯石顆粒.在雙目鏡下將無(wú)色透明、晶形完整且不含包裹體、干凈且無(wú)裂紋的鋯石顆粒粘貼在雙面膠上并用環(huán)氧樹脂澆鑄固定,等樹脂固化之后將鋯石表面拋光直至內(nèi)部結(jié)構(gòu)充分暴露. 然后進(jìn)行陰極發(fā)光照相,鋯石靶表面完成鍍碳處理之后,用加載陰極發(fā)光儀的掃描電子顯微鏡完成陰極發(fā)光圖像的采集及LA-ICP-MS 分析. 本次分析的激光束斑和頻率分別為44 μm 和7 Hz. 激光剝蝕過(guò)程中采用He 作為剝蝕物質(zhì)的載氣,Ar 為補(bǔ)償氣以調(diào)解靈敏度,ICP-MS 儀器為Agilent 7900 型,采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500 作外標(biāo)進(jìn)行同位素質(zhì)量分餾校正. 對(duì)分析數(shù)據(jù)的離線處理(包括對(duì)樣品和空白信號(hào)的選擇、儀器靈敏度漂移校正、元素含量及U-Pb 同位素比值和年齡計(jì)算)采用軟件ICPMSDataCal 完成. 鋯石樣品的U-Pb 年齡諧和圖繪制和年齡權(quán)重平均計(jì)算均采用Isoplot4.0 完成.
全巖主、微量元素測(cè)試在吉林大學(xué)測(cè)試科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心完成. 選取新鮮巖石樣品,首先經(jīng)顯微鏡下觀察與鑒定,然后選擇具有代表性且無(wú)蝕變的樣品用于全巖地球化學(xué)分析. 樣品的粉碎加工均在無(wú)污染設(shè)備中進(jìn)行,用蒸餾水清洗干凈后,105 ℃恒溫烘干24 h,破碎、研磨至200 目以上. 主量元素測(cè)定采用X 射線熒光光譜法(XRF),準(zhǔn)確度優(yōu)于10%;稀土及微量元素利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測(cè)定,精度優(yōu)于10%.
粗面安山巖的鋯石U-Pb 同位素比值及定年數(shù)據(jù)見表1. CL 圖像(圖4)顯示,多數(shù)鋯石為自形—半自形的粒狀或柱狀,晶形大多完好,少數(shù)呈渾圓狀,粒徑在90~210 μm,具有明顯的韻律環(huán)帶,為巖漿成因鋯石.對(duì)小于1 Ga 的年輕鋯石,所測(cè)鋯石的207Pb 和235U 含量低,207Pb/235U 以及207Pb/206Pb 的比值精度較差,因此采用206Pb/238U 年齡. 樣品WF13 所測(cè)定的12 粒有效鋯石206Pb/238U 年齡值介于(169±14)~(186±4)Ma 之間,加權(quán)平均年齡為175.5±2.7 Ma,MSWD=1.9(圖5),指示粗面安山巖的成巖年齡為早侏羅世.
表1 五鳳礦區(qū)粗面安山巖LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 定年結(jié)果Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results of the trachyandesite from Wufeng orefield
圖4 粗面安山巖鋯石CL 圖像和測(cè)點(diǎn)位置圖Fig. 4 CL images of selected zircons from trachyandesite and positions of LA-ICP-MS test
圖5 粗面安山巖鋯石U-Pb 諧和年齡圖Fig. 5 U-Pb concordia diagram of zircons from trachyandesite
粗面安山巖的主量元素含量見表2. 粗面安山巖中SiO2(58.33%~61.36%,平均59.67%)含量最高,其次是Al2O3(17.75%~18.90%,平均18.30%)、FeOT(4.03%~6.49%,平均5.33%)、CaO(2.69%~5.05%,平均3.96%)、K2O(1.61%~3.28%,平均2.18%)、Na2O(1.40%~3.88%,平均2.84%)、MgO(1.18%~2.24%,平均1.65%),TiO2(0.74%~1.10%,平均0.94%)、P2O5(0.27%~0.39%,平均0.35%)、MnO(0.13%~0.19%,平均0.15%)含量均較低.巖體堿含量較高,Na2O+K2O=6.77%~10%,Na2O/K2O為1.98~3.56,里特曼指數(shù)σ 分布范圍為3.0~5.46. 火山巖分類的TAS 圖解(圖6a)中,巖體表現(xiàn)出粗安巖、粗面巖(CIPW 計(jì)算石英小于20%)組合,火山巖投點(diǎn)既包含鈣堿性系列,又包含堿性系列,具有鈣堿性和堿性過(guò)渡系列的特征,反映為偏堿性鈣堿質(zhì)火山巖巖石系列. 在Na2O-K2O 圖解(圖6b)上,表現(xiàn)出鈉質(zhì)的特征. 在A/CNK-A/NK 圖解(圖6c)上,表現(xiàn)出準(zhǔn)鋁質(zhì)的特征. 在SiO2-K2O 圖解(圖6d)上,表現(xiàn)出中鉀—高鉀鈣堿性巖石系列的特征.
表2 五鳳礦區(qū)粗面安山巖主量元素含量Table 2 Major element contents of the trachyandesite from Wufeng orefield
圖6 粗面安山巖地球化學(xué)圖解(據(jù)文獻(xiàn)[21-23])Fig. 6 The geochemical diagrams of trachyandesite(From References[21-23])
粗面安山巖的稀土元素含量見表3. 區(qū)內(nèi)粗面安山巖的稀土元素總量為136.15×10-6~175.35×10-6,均值為151.92×10-6. 在稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖(圖7a)上,所有樣品均顯示右傾斜配分曲線,呈輕稀土元素富集、重稀土元素相對(duì)虧損的特征. δEu 值在0.12~0.52 之間,為Eu 富集型;(La/Yb)N值介于13.37~28.16 之間.
表3 五鳳礦區(qū)粗面安山巖稀土元素含量Table 3 Rare earth element contents of the trachyandesite from Wufeng orefield
圖7 粗面安山巖稀土元素和微量元素標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線Fig. 7 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized trace element spidergrams of trachyandesite
五鳳礦區(qū)粗面安山巖的微量元素含量見表4. 圖7b 展示了樣品微量元素相對(duì)含量分布曲線. 區(qū)內(nèi)粗面安山巖的微量元素具有如下特點(diǎn):所有樣品大離子親石元素Rb(51.6×10-6~61.7×10-6)均低于大陸地殼豐度[24],而Ba(748×10-6~2 000×10-6)、Sr(737×10-6~974×10-6)含量與大陸地殼豐度[24]相比較高. 放射性元素Th(2.28×10-6~4.28×10-6)、U(0.68×10-6~1.06×10-6)含量相對(duì)于大陸地殼豐度[24]較低. 高場(chǎng)強(qiáng)元素Hf(1.12×10-6~3.10×10-6)、Ta(0.61×10-6~1.22×10-6)、Nb(6.21×10-6~11.88×10-6)、Zr(64.7×10-6~143×10-6)含量與大陸地殼豐度[24]相比較低. 在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化圖(圖7b)上粗面安山巖富集Rb、K、Th、U、Nb,虧損Ba、Sr、P 和Ti.
表4 五鳳礦區(qū)粗面安山巖微量元素含量Table 4 Trace element contents of the trachyandesite from Wufeng orefield
五鳳粗面安山巖(La/Yb)N值介于13.37~28.16 之間,表明后期巖漿分異強(qiáng)烈[25]. 強(qiáng)不相容元素Rb 的富集也暗示了巖漿可能發(fā)生的高度分異[26]. P、Ti 元素的虧損可能與磷灰石和鈦鐵礦的分離結(jié)晶或作為源區(qū)的殘留礦物相有關(guān). Eu 正異常(圖7a),對(duì)應(yīng)著斜長(zhǎng)石作為粗面安山巖的主要造巖礦物. 粗面安山巖相對(duì)富集輕稀土元素(LREE),相對(duì)虧損重稀土元素(HREE).樣品虧損Nb、Ta、Ti、P 等高場(chǎng)強(qiáng)元素,富集Rb、Ba 和K 等大離子親石元素(LILE),Pb 表現(xiàn)出強(qiáng)烈富集特征(圖7b).
五鳳粗面安山巖的Rb/Sr 比值(平均0.071)遠(yuǎn)低于大陸地殼的平均Rb/Sr 比值(地殼均值0.35),接近地幔值(均值0.034),指示母巖漿可能來(lái)自地幔. 此外,樣品的La/Nb 比值(均值4.21)高于大陸地殼(均值1.7),與地幔來(lái)源(La/Nb>1.7)一致[27-28]. 粗面安山巖相對(duì)富集輕稀土元素、大離子親石元素和強(qiáng)不相容元素(Th、U),相對(duì)虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素(如Nb、Ta、P、Ti),Ba/Nb(均值144.71)和Rb/Nb(均值6.92)較高,與俯沖相關(guān)的弧巖漿巖具有相似的地球化學(xué)特征[29-30]. 一般情況下認(rèn)為在俯沖帶地區(qū),大離子親石元素較容易隨著水等流體從地殼轉(zhuǎn)移到地幔當(dāng)中;相反高場(chǎng)強(qiáng)元素在俯沖過(guò)程中由于溶解性極低故幾乎沒有流動(dòng)性,從而表現(xiàn)出虧損[31]. La/Nb 和Ba/Nb 比值投點(diǎn)也落在弧狀火山巖區(qū)域(圖8a),表明巖漿形成與板塊俯沖密切相關(guān). 其較高的(Hf/Sm)N和(Ta/La)N比值、Nb/Ta(均值8.95)表明巖漿可能形成于與俯沖有關(guān)的交代地幔(圖8b). 同時(shí),俯沖帶地區(qū)火山巖Nb、Ta 負(fù)異常和LREE的富集是由于大陸巖石圈地幔經(jīng)歷不同程度的富集所造成,并且混有古老俯沖地殼的物質(zhì)成分[32-34]. 以上地球化學(xué)特征表明巖漿可能源于地幔,其源區(qū)受到俯沖的殼源物質(zhì)交代.
圖8 巖漿源區(qū)判別圖(據(jù)文獻(xiàn)[35-36])Fig. 8 Discrimination diagrams of magmatic source(From References[35-36])
五鳳地區(qū)粗面安山巖Mg#值較低(29.07~40.35),一般認(rèn)為與下地殼部分熔融有關(guān)的巖漿產(chǎn)物的Mg#值小于40[37],但地球化學(xué)特征更支持粗面安山巖巖漿來(lái)自地幔的部分熔融. 在Th/Nb-Zr 圖解(圖9a)中樣品表現(xiàn)出地殼混染的趨勢(shì). 粗面安山巖K2O/P2O5比值、K2O/TiO2比值變化較大,以及K2O/P2O5、K2O/TiO2與SiO2含量有良好的相關(guān)性(圖9b、c),表明粗面安山巖可能受到地殼混染. 同時(shí)粗面安山巖的Ba/Rb 比值(12.45~32.41)高于大陸地殼的Ba/Rb 比值(8~9),這與地殼混染作用機(jī)制一致[27]. Mg#值較低應(yīng)為受到了較強(qiáng)的地殼混染作用的影響. 因此,五鳳地區(qū)粗面安山巖應(yīng)起源于地幔部分熔融,但受到地殼混染的影響.
圖9 巖漿巖成因判別圖解Fig. 9 Genetic discrimination diagrams of magmatic rocks
根據(jù)元素在部分熔融和分離結(jié)晶過(guò)程中的行為差異,可以分析粗面安山巖的巖漿演化過(guò)程. Th 和La 為強(qiáng)不相容元素,Nd 和Yb 為中等不相容元素. 在部分熔融過(guò)程中,隨著Th 和La 含量的增加,Th-Th/Nd 和La-(La/Yb)N的比值也隨之增加;而在分離結(jié)晶過(guò)程中隨著Th 和La 含量的增加,Th-Th/Nd 和La-(La/Yb)N的比值保持不變[38-39]. 粗面安山巖Th 含量與Th/Nd 值和La 含量與(La/Yb)N值都呈現(xiàn)良好的正相關(guān)關(guān)系(圖9d、e),表明部分熔融在巖漿演化過(guò)程中發(fā)揮了重要作用.
中國(guó)東北吉林延邊五鳳地區(qū)主要受古亞洲洋構(gòu)造體制和環(huán)太平洋構(gòu)造體制的控制. 在晚三疊世末,中國(guó)東北部由古亞洲洋板塊俯沖體制轉(zhuǎn)換為環(huán)太平洋俯沖體制[40]. 有關(guān)古太平洋構(gòu)造體系俯沖于歐亞大陸之下的開始時(shí)間一直存在爭(zhēng)論,目前主要有兩種觀點(diǎn),一種認(rèn)為是晚三疊世[41],而另一種認(rèn)為是早、中侏羅世[42-43];但就古太平洋板塊最終在早、中侏羅世俯沖的認(rèn)識(shí)是一致的. 早侏羅世吉林延邊地區(qū)進(jìn)入了古太平洋構(gòu)造域的俯沖作用,并發(fā)育大面積的與俯沖有關(guān)的巖漿巖.
由于高場(chǎng)強(qiáng)元素受各種地質(zhì)作用的影響比較弱,因此能夠真實(shí)反映源區(qū)的性質(zhì). 在Ba/Nb-La/Nb 圖解(圖8a)中,五鳳粗面安山巖樣品大部分落在火山弧區(qū)域. 在TiO2/Al2O3-Zr/Al2O3圖解(圖10a)中,五鳳粗面安山巖樣品投點(diǎn)大部分落于初始洋弧和晚期洋弧區(qū)域(LOP+IOP),部分落入大陸弧和碰撞后弧區(qū)域(CAP+PAP),指示大洋俯沖系統(tǒng)在時(shí)間上與早侏羅世古太平洋板塊俯沖一致. Zr/Y 值為3.81~8.13,絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)符合大陸邊緣安山巖Zr/Y 值為4~12 的地球化學(xué)特征[44]. 巖石La/Nb 值為2.93~5.70(平均4.21),總體符合活動(dòng)大陸邊緣La/Nb 值高于2 的地球化學(xué)特征. 同時(shí),在Nb/Yb-Th/Yb 圖解(圖10b)中,研究區(qū)樣品投點(diǎn)落入活動(dòng)大陸邊緣區(qū)域.
圖10 巖漿巖構(gòu)造判別圖解(據(jù)文獻(xiàn)[45-46])Fig. 10 Tectonic discrimination diagrams of magmatic rocks(From References[45-46])
綜上所述,筆者認(rèn)為吉林省延邊五鳳地區(qū)粗面安山巖是巖石圈地幔重熔并混染俯沖殼源物質(zhì)的結(jié)果,巖石形成過(guò)程中也經(jīng)歷了分離結(jié)晶作用. 早侏羅世俯沖的古太平洋板塊在弧下深度形成富集輕稀土、大離子親石元素和虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素的熔體/流體,并向上運(yùn)移交代上覆巖石圈地幔形成富集地幔源區(qū). 隨后,由于構(gòu)造轉(zhuǎn)換交代地幔發(fā)生部分熔融形成巖漿源區(qū),巖漿在后期運(yùn)移和噴發(fā)過(guò)程中發(fā)生分離結(jié)晶作用最終形成粗面安山巖.
(1)五鳳地區(qū)粗面安山巖噴發(fā)年齡為175.5±2.7 Ma,屬于早侏羅世巖漿作用產(chǎn)物,早于晚侏羅世—早白堊世五鳳礦區(qū)主要賦礦圍巖金溝嶺組安山巖,為五鳳礦區(qū)賦礦圍巖提供了新的時(shí)間限定.
(2)五鳳地區(qū)粗面安山巖可能起源于地幔部分熔融,后經(jīng)歷了地殼混染,其形成與早侏羅世古太平洋板塊向歐亞板塊俯沖有關(guān).