伊春地区曙光村角闪辉长岩体岩石地球化学、锆石U-Pb年代学及其地质意义

孙珍军，孙丰月，孙国胜，于赫楠，陈旭，杜美艳，敖冬，刘善丽

(吉林大学 地球科学学院，吉林 长春，130061)

摘要：对曙光村角闪辉长岩主量、稀土和微量元素以及锆石LA-ICP-MS U-Pb进行测年分析。研究结果表明：SiO₂平均质量分数为41.38%，具有明显的贫硅特点，明显贫碱，富Al，低K，Ti和P，镁值Mg#平均为40.99, 低于原生岩浆范围(68~75)，表明岩石经历了一定程度的分异演化；稀土模式曲线向右缓倾，轻重稀土分馏程度低，δ(Eu)弱正异常，暗示存在斜长石较弱的堆晶作用；总体上大离子亲石元素(LILE)Rb，Sr和K富集；高场强元素(HFSE)Nb和Zr中等亏损；锆石w(Th)/w(U)为0.66~1.48，且大多具有清晰的生长振荡环带，表明为岩浆锆石；测年结果为(215±2.0) Ma，说明曙光村角闪辉长岩为晚三叠世岩浆活动的产物；形成于太平洋板块俯冲背景下佳木斯地块与松嫩地块碰撞后的伸展构造环境，地幔基性岩浆通过底侵作用，在上升过程中与地壳物质发生混染。

关键词：角闪辉长岩；地球化学；LA-ICP-MS锆石U-Pb定年；曙光村；小兴安岭东北部

中图分类号：P588.124；P597.3             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)01-0257-09

Petro-geochemistry, zircon U-Pb geochronology and tectonic significance of bojite in Shuguang village in Northeast of Lesser Xing’an Range

SUN Zhenjun, SUN Fengyue, SUN Guosheng, YU Henan, CHEN Xu, DU Meiyan, AO Dong, LIU Shanli

(College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China)

Abstract: The main element, rare earth element (REE) and trace element in bojite in Shuguang village and the dating method by zircon LA-ICP-MS U-Pb were analyzed. The results show that in bojite, the average mass fraction of SiO₂ is 41.38%, with obvious characteristics of depleted silicon. And alkali is poor but Al is rich. And K, Ti and P are lower. The average value of Mg# is 40.99, which is lower than primary magma range (68-75). This shows that the rock has experienced a certain degree of differentiation and evolution. It suggests the presence of weak cumulate effect of Plagioclase because the rare earth mode curve is gently inclined to right, and the degree of fractionation of heavy and light REE is low, and δ(Eu) is positive anomaly weakly. On the whole aspects, the large ion lithophile elements (LILE) including Rb, Sr and K in enrichment and the high strength elements (HFSE) including Nb and Zr in medium loss. The ratio of zircon w(Th)/w(U) is 0.66-1.48. And many of them have a clear growth oscillatory zoning, which indicates that they are magmatic zircon. By the dating result of (215±2.0) Ma, we speculat that the bojite in Shuguang village is the product of magma activity in Late Triassic, and is formed in the extensional tectonic environment after the collision of Jia Musi plots and Songnen mass if with the background of the subduction of the Pacific plate. Through the underplating, the mafic magma from the mantle showed contamination with crustal material in the rising process.

Key words: bojite; geochemistry; LA-ICP-MS U-Pb dating; Shuguang village; northeast of Lesser Xingan Range

镁铁质岩石在探索地幔作用、壳幔相互作用等方面起到越来越重要的作用，已迅速成为研究板块碰撞、壳幔相互作用、岩浆演化和地幔属性的窗口。随着国内外地学界对兴蒙造山带岩浆混合作用研究水平的不断提高^[1-3]，小兴安岭显生宙近南北向巨型花岗岩带中壳幔岩浆混合成因花岗岩所揭示的大地构造环境、岩浆底侵作用等动力学重大基础地质问题研究也有了一些进展，认为上地幔玄武质岩浆的底侵作用导致的壳幔混合成因花岗岩是显生宙大陆地壳垂向增生的重要方式之一^[1-2]。东北地区可谓花岗岩的海洋，基性岩侵入体研究较少，这对反演和讨论该区中生代花岗岩的形成和陆壳增长等研究无疑增加了难度。就目前伊春地区花岗岩成因及构造背景还存在着很大的争议，主要有4种不同的观点：(1) 与太平洋板块俯冲有关^[4]；(2) 与陆内造山作用有关^[5]；(3) 与古亚洲洋壳消失后，陆内持续俯冲地壳缩短增厚有关^[6]；(4) 与古亚洲构造域造山后伸展作用有关^[7]。然而，辉长岩作为岩浆源区深度为下地壳层次的典型岩石，记录了陆下岩石圈地幔与地壳相互作用的丰富信息，已成为探索花岗岩类岩石岩浆起源与深部作用过程的重要研究对象^[8]。鉴于此，本研究选取小兴安岭东北部地区曙光村角闪辉长岩为研究对象，对其开展岩石地球化学特征、LA-ICP-MS锆石U-Pb定年研究，讨论该地区早中生代基性岩的成因、形成的构造环境以及形成时代，以便为研究该地区花岗岩的成因及构造环境提供必要的证据。

1  区域地质概况

研究区位于中亚—兴蒙巨型造山带的东段，大地构造位置处于古亚洲洋构造域和环太平洋中生代构造域的交汇部位，松嫩地块的东缘，与佳木斯板块相邻，是东北地区发展历史较长、构造岩浆活动较复杂的造山带之一。研究区地理坐标为：东经129°20′~129°30′；北纬48°20′30″~48°28′(见图1)。区域内地层不发育，由老至新为：古元古界东风山岩群(Pt₁d)、古生界上二叠统五道岭组(P₃w)、新生界渐—上新统孙吴组(E₃N₂s)和第四系全新统(Qh^al)。该地区显生宙花岗岩极为发育，可称之为巨型花岗岩省。侵入岩岩石类型复杂，从基性到酸性岩均有出露，以中深成的花岗岩为主；区内构造复杂，主要以断裂构造为主，其中NE向的汤旺河断裂和NW的西汤旺河断裂控制了区内花岗岩的分布格局。曙光村角闪辉长岩体位于小兴安岭东北部，黑龙江省伊春市汤旺河区曙光村北，岩体呈近椭圆形分布，面积约为0.7 km²。在黑龙江省伊春市石林林场、汤旺河区幅1:5万区域地质矿产调查中，探槽揭露发现岩体东侧被二长花岗岩侵入，西侧石英闪长岩侵入角闪辉长岩中(见图1)。

图1  小兴安岭东北部地区地质简图及曙光村角闪辉长岩体位置图(据文献[1]修改)

Fig.1  Location and geological setting of northeast of Lesser Xing’an Range and Shuguang village bojite

2  样品描述和分析方法

角闪辉长岩手标本呈灰黑、黑绿色，辉长结构，块状构造。岩石中斜长石占50%~70%(质量分数，下同)，角闪石占10%~30%，辉石占10%~20%，黑云母占3%左右，磁铁矿占7%左右，个别样品含有少量橄榄石，其中部分角闪石粒度达到1.5 cm，形成较大的角闪石斑晶，具有堆晶成因的特点。

矿物学特征(图2)：辉石主要为单斜辉石(透辉石)，短柱状或粒状，蚀变强，主要蚀变产物有角闪石(阳起石和次闪石)；角闪石多为不规则状，部分为半自形长柱状，长柱状晶体长度均小于3 mm。棕色-黄绿色多色性明显，部分蚀变较强者显示绿-黄绿色多色性。绿泥石化现象明显。斜长石自形-半自形板状，长度小于1.5 mm。斜长石多具聚片双晶，双晶缝较宽，可见卡钠联合双晶，部分斜长石具环带结构，具绢云母化和轻微的钠黝帘石化。

图2  曙光村角闪辉长岩镜下显微照片

Fig.2  Photomicrography of Shuguang village bojite

副矿物特征：根据人工重砂分析结果，主要副矿物组合为锆石+自然铅+方铅矿+黄铁矿+磁黄铁矿+白钨矿+榍石+磷灰石，其中锆石共出现5种晶形，多为长双锥柱状，颜色为浅黄白色。

在野外采集新鲜的角闪辉长岩样品，样品破碎和锆石挑选由河北省廊坊区域地质调查所实验室完成。主量元素、微量和稀土元素分析在中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所和吉林大学实验测试中心完成。将样品熔制成玻璃饼，然后，采用X线荧光光谱仪XRF-1500进行主元素测定，分析精度高于1%。称取40 mg样品于Teflon罐中，加入HNO₃和HF充分溶解后，用体积分数为l%的HNO₃稀释后，在FinniganMAT公司生产的双聚焦电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)ELEMENT上测定微量和稀土元素，分析精度高于5%^[9]。锆石U-Pb年龄测定在中国科学院地质与地球物理研究所完成。将波长为193 nm的ArF准分子激光与Agilent7500a型ICP-MS仪器连接，采用He作为剥蚀物质的载气，用美国国家标准技术研究院研制的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NIST610进行仪器最佳化，采用91500标准锆石外部校正法进行锆石原位U和Pb质量分数分析。实验所采用的激光束斑直径为30 μm。普通铅校正采用Anderson(2002)的方法，其年龄采用Ludwig(2003)的ISOPLOT3.0程序计算。实验测试过程见文献[9]。

3  测试结果

选择10件辉长岩样品进行岩石地球化学分析。其主量、微量与稀土元素组成见表1。

3.1  主量元素

角闪辉长岩样品地球化学组成结果如表1所示。从表1可见：SiO₂质量分数为38.17%~43.45%，平均为41.69%。其SiO₂质量分数低，可能与岩石蚀变有关，在镜下可见辉石蚀变成为角闪石，角闪石是硅含量比较低的矿物，角闪石的形成，暗示了可能有比较多的流体存在，造成了硅的流失；且岩石存在明显的磁铁矿化现象，SiO₂含量偏低的原因也可能与磁铁矿的存在有关；与中国及世界辉长岩的平均化学成分相比，该岩石明显贫碱(w(Na₂O+K₂O)= 0.60%~1.31%)，富Al和Ca(w(Al₂O₃)=16.25%~21.20%，平均为17.46%；CaO为14.09%~20.67%，平均为18.22%)；低K(w(K₂O)=0.06%~0.33%，平均为0.11%)，Ti(w(Ti₂O)= 0.75%~2.06%)，P(w(P₂O₅)=0.04%~0.13%)，平均w(Na₂O)/w(K₂O)为9.73。该岩体的镁值Mg#即l00w(Mg)/w(Mg+Fe²⁺)]为29.52~49.28，平均为40.99，低于原生岩浆范围(68~75)，表明岩石经历了一定程度的分异演化。辉长岩由于经历了不同程度的分离结晶作用，因此，它的成分不能代表从地幔部分熔融出来的岩浆，也不能使用对玄武岩有效的判别图来讨论岩浆的成因及其形成的构造环境^[10]，但少数判别图例外，如AFM图、V-Ti图和REE图等。在Na₂O+K₂O-FeO^t-MgO(图3)中，投影点落入拉斑玄武岩区域内，具有富铁演化趋势。

表1  曙光村角闪辉长岩主量元素质量分数(%)、微量元素和稀土元素质量分数(μg/g)分析结果

Table 1  Major, REE and trace element of bojite from Shuguang village

图3  曙光村辉长岩的FeO^t-(Na₂O+K₂O)-MgO图解

Fig.3  FeO^t-(Na₂O+K₂O)-MgO diagrams of Shugang village bojite

3.2  稀土和微量元素

稀土总量∑w(REE)较低，为11.49×10^-6~22.804× 10^-6；轻重稀土比值(∑w(LREE)/∑w(HREE))为2.08~ 4.57。在稀土元素球粒陨石标准化配分图(图4(a))^[11]上弱富集轻稀土，稀土模式曲线向右缓倾；[w(La)/w(Yb)]_N为1.70~12.54，轻重稀土分馏程度低；δ(Eu)为0.98~1.42，为Eu弱正异常型，暗示存在斜长石的较弱的堆晶作用。在微量元素原始地幔标准化的“蛛网图”中(图4(b))^[12]，总体上大离子亲石元素(LILE)Sr和(HFSE)Ti富集；高场强元素(HFSE)Nb和Zr中等亏损。

3.3  锆石U-Pb年龄

从角闪辉长岩样品挑选9粒锆石进行了9点U-Pb同位素分析，分析结果如表2所示。图5所示为部分代表性锆石CL图像、测试点位置，w(²⁰⁶Pb)/w(²³⁸U)年龄谐和值见表2，其年龄谐和图见图6。挑选的锆石晶体呈无色或淡黄色，多呈长双锥柱状，部分形态不完整，棱角分明，阴极发光图像(图5)显示大多具有清晰的生长振荡环带。锆石晶体一般长轴为100 μm，研究结果表明：不同成因锆石具有不同的w(Th)/w(U)，岩浆成因锆石的典型w(Th)/w(U)为0.1~1.0^[13]，通常岩浆锆石的w(Th)/w(U)接近1。而曙光村角闪辉长岩中的锆石w(Th)/w(U)(0.66~1.48)均较接近1，因此，应为岩浆锆石。角闪辉长岩的成岩年龄为(215±2.0) Ma(见图6)，为晚三叠世。

图4  曙光村角闪辉长岩稀土元素球粒陨石标准化配分图和微量元素地幔标准化蛛网图

Fig.4  Chondrite-normalized REE distribution patterns and primitive mantle-nonroalized trace element

表2  曙光村辉长岩中锆石LA-ICP-MS U-Pb分析结果

Table 2  Zircon LA-ICP-MS U-Pb analytical results of Shuguang village bojite

图5  曙光村辉长岩中部分典型锆石的CL图像

Fig.5  Part of representative CL images of zircon from Shuguang village bojite

图6  曙光村辉长岩锆石U-Pb年龄谐和图

Fig.6  Zircon U-Pb age of Shugang village bojite

4  讨论

4.1  形成时代研究

小兴安岭地区基性岩出露较少，该地区几乎没有关于基性岩的研究报道，因此，曙光村角闪辉长岩的定年意义显得尤为重要。从锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果为(215±2.0) Ma，曙光村角闪辉长岩的形成时代为晚三叠世。这与小兴安岭东北部清水岩体锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄((222±5) Ma)^[14]、小兴安岭东北部石林公园碱长花岗岩锆石La-ICP-MS U-Pb年龄((207±3.1) Ma)、小兴安岭东部毛家屯岩体(213 Ma)^[15]、小兴安岭中部伊春上游新村花岗岩体(207Ma)^[16]以及张广才岭地区密林岩体(213 Ma)相吻合；但与霍吉河二龙山辉长岩SHRIMP U-Pb年龄((180±1.0) Ma)、张广才岭的白石山岩体Rb-Sr等时线年龄为((196±4) Ma)^[17]、鹿鸣二长花岗岩锆石LA-ICPMS年龄((174.0±1.9) Ma)、翠岭石英二长岩锆石LA-ICPMS年龄((178.3±1.1) Ma)^[18]、霍吉河黑云母二长花岗岩锆石LA-ICPMS年龄((184.3±2.7) Ma)等有明显不同，它们都是燕山早期岩浆活动的产物。根据前人报道的年龄数据分析，从晚三叠世222 Ma到早侏罗世174 Ma之间，该地区持续有岩浆侵入事件发生，是否为连续的岩浆活动还是间歇性岩浆活动还需要更多的研究。上述所有岩体有基性岩体，有酸性岩体，也有碱性岩体，很可能是同源岩浆在不同地点不同时间经过分异结晶作用形成的产物，但它们有一个共同的特征，即均形成于造山后的区域伸展背景中，并且可能与不同的造山作用有关。

4.2  岩石成因

岩石学研究表明曙光村角闪辉长岩具有消减带的特征。弱富集LILE和LREE，亏损Nb，Ta和Zr等特点。w(Nb)/w(Ta)变化范围为2.00~10.53，平均为6.14，小于原始地幔的w(Nb)/w(Ta)范围为14.0~22.5，平均为17.5±2.0；w(Th)/w(Ta)变化范围为1.38~19.88，平均9.05，高于原始地幔w(Th)/w(Ta)平均值(2.3)，部分高于大陆地壳w(Th)/w(Ta)的平均值(10)。在通常情况下，与消减作用有关的玄武质岩石亏损Ta、富集Th，w(Th)/w(Ta)多在4以上，而产生于岛弧环境的玄武岩比值通常大于3^[19]。因此，曙光村角闪辉长岩可能形成于俯冲-消减作用有关的活动大陆边缘环境，类似于岛弧环境产物，这也与活动大陆边缘或岛弧的同类岩石(w(Al₂O₃)＞17.0%，w(Ti₂O)＜1.2%，w(P₂O₅)＜0.4%)相吻合。另外，[w(La)/w(Yb)]_N大于1.4^[20]，表明岩体具有消减板块流体交代的地幔楔部分熔融组分。

总体上大离子亲石元素(LILE)Rb，Sr，K和稀土元素略有富集；高场强元素(HFSE)Nb，Ta和Zr具有中等亏损的特征，与陆壳相似，暗示在成岩过程中可能存在地壳物质的混染。曙光村角闪辉长岩Sr平均质量分数为351.45×10^-6，高于上地幔Sr平均质量分数150×10^-6，而低于大陆地壳Sr平均质量分数480×10^-6[21]，说明其中的Sr不可能完全来源于地幔，也不可能完全来源于地壳，这种特征暗示幔源岩浆在上升过程中与地壳发生了混染所致。因此，曙光村角闪辉长岩体是在俯冲-消减作用背景下，幔源基性岩浆在上侵过程中与地壳物质发生了混染作用；且由于流体的参与，带入了部分成矿物质，在基性岩浆结晶过程中形成了磁铁矿并带走了部分SiO₂，形成了一些微细石英脉。

4.3  构造环境探讨

研究区位于兴蒙造山带东段，其造山带具有以下显著特点：(1) 多阶段增生、缝合及构造域由古亚洲洋域向滨太平洋域转换的特点；(2) 在中生代以前，以额尔古纳-兴安、松嫩-张广才岭、佳木斯-兴凯等微小板块群的离散、聚合及软碰撞造山的非威尔逊旋回为特征；(3) 显生宙花岗岩与壳幔相互作用、地壳垂向增生及岩浆作用相关的Pb，Zn，Mo，Ag，Au及Fe成矿作用强烈为特征^[22]。

兴蒙造山带构造演化长期以来倍受争议。但越来越多的地质事实证明，兴蒙造山带并非简单的西伯利亚板块和华北板块之间的缝合带，而是由两大板块中间的中、小块体群组成的构造拼合带^[23]。

在二叠纪之前，兴蒙造山带东段的额尔古纳-兴安地块、松嫩-张广才岭地块、佳木斯地块和兴凯地块均游移于华北板块和西伯利亚板块之间，随着古亚洲洋的不断收缩，这些地块向西伯利亚板块和华北板块靠拢并导致其间先后碰撞拼合，最终于早石炭世末形成一个整体，并称为黑龙江板块群；在二叠纪末，华北板块和西伯利亚板块沿着西拉木伦河-长春-延吉缝合带碰撞拼合^[22]；在三叠纪该区域已由古亚洲域转为滨太平洋构造域，太平洋与亚洲大陆之间沿西太平洋毕鸟夫带的强烈俯冲，是中国东部滨太平洋构造域强烈活动的开始，它使亚洲东部的稳定大陆边缘转变为活动大陆边缘。

曙光村角闪辉长岩样品在构造判别图解上，均投影于大陆岩浆弧范围(图7)。由于研究区内有大面积的花岗岩出露，因此岩体应形成于活动大陆边缘构造背景。对于前文提到的伊春地区花岗岩成因及构造背景存在着4种不同观点，其实是在不同时期形成的花岗岩构造特征的客观反映，而本次研究识别出的晚三叠纪角闪辉长岩对该地区花岗岩形成和构造环境的探讨起了重要的作用，既在一定程度上反映了该地区岩浆的演化过程，又成为古亚洲域转为滨太平洋构造域转折的一个产物：因此，结合曙光村角闪辉长岩岩石学特征以及锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄，根据佳木斯地块与松嫩地块在泥盆纪之前就完成了拼合的证据，分析其构造环境应该为在太平洋板块俯冲作用影响下，松嫩板块和佳木斯板块碰撞造山后的伸展动力学机制下构造松弛和拉张环境，基性岩浆底侵上升作用的产物。而不是单纯的太平洋板块的俯冲或单纯的古亚洲构造域造山后伸展作用的产物。

图7  w(Nb)/w(Yb)-w(Th)/w(Yb)图解^[24]

Fig.7  w(Nb)/w(Yb)-w(Th)/w(Yb) variation diagram (after Pearce and Peate, 1995)

5  结论

(1) 曙光村角闪辉长岩侵位于(215±2.0) Ma，属晚三叠世。

(2) 曙光村角闪辉长岩具低硅、贫碱、富Al和Ca、低Mg值，属于拉斑玄武岩，具有富铁演化趋势；δEu弱正异常，大离子亲石元素Rb，Sr和K富集，高场强元素(HFSE)Nb和Zr中等亏损，是地幔基性岩浆通过底侵作用，在上升过程中与地壳物质发生混染的产物。

(3) 曙光村角闪辉长岩形成于太平洋板块俯冲背景下，佳木斯地块与松嫩地块碰撞后的伸展构造环境。

致谢：

论文得到了葛文春教授和李殿超教授的帮助，在此表示衷心感谢！

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(编辑  何运斌)

收稿日期：2012-03-29；修回日期：2012-06-12

基金项目：中国地质调查局资助项目(1212011085484)

通信作者：孙国胜(1964-)，男，吉林四平人，副教授，从事矿床地球化学研究；电话：0431-88502341；E-mail: sgsh8888@163.com