大興安嶺加格達奇東北部花崗巖類形成時代、地球化學特征及成因

尹志剛，李海娜，張 海，郝 科，龐學昌，宮兆民，李 敏，張圣聽

1.遼寧工程技術大學礦業學院，遼寧 阜新 123000 2.黑龍江省地質調查研究總院齊齊哈爾分院，黑龍江 齊齊哈爾 161005

0 引言

研究區位于興蒙造山帶的東段，興安地塊東北部，北臨額爾古納地塊。其中，額爾古納地塊于早古生代起已經轉為穩定[1-2]，興安地塊于早古生代的中期沿塔源—喜桂圖斷裂增生、拼貼到額爾古納地塊之上[3-5]。研究區古生代時期主要受西伯利亞板塊與華北板塊之間的古亞洲洋構造域控制，主要表現為東北微陸塊拼貼碰撞的造山過程[6]；中生代則主要受蒙古—鄂霍茨克洋板塊俯沖作用的影響，經歷了碰撞后伸展等構造演化過程。由于巖漿作用強烈，花崗巖分布廣泛，使該區的大地構造背景和地質演化歷史復雜，加格達奇地區是研究巖漿作用及其構造背景的良好場所。大興安嶺地區是我國最重要的多金屬成礦帶之一，分布著眾多大型、超大型多金屬礦床。因此，我們通過激光LA-ICP-MS技術對研究區堿長花崗巖和花崗斑巖進行了鋯石U-Pb定年，并根據其地球化學特征，討論了它的形成年代、巖石成因及其地質意義，以期對尋找礦產資源提供依據。

1 地質概況

研究區位于興安地塊東北部，興蒙造山帶東段阿里河—扎蘭屯花崗巖帶內。堿長花崗巖發育于研究區大黑山和圖幅北部(圖1)，總體呈北東向零星展布；出露面積5.13 km2，占研究區總面積的0.38%；規模較小，由4個侵入體組成，呈不規則狀小巖株狀產出。花崗斑巖在研究區內零星分布，規模較小，出露面積11.63 km2，占研究區總面積的0.86%；由26個侵入體組成，呈不規則狀小巖株狀產出。變質巖系多被花崗巖吞噬呈殘塊出露，前人根據變質巖石組合和變質程度差異，將結晶巖系劃分為興華渡口群、落馬湖群、新開嶺群、風水溝河群(組)和扎蘭屯群[7-8]。區內巖漿活動主要發生在燕山期，受斷裂控制。前人根據燕山期各巖體的同位素年齡及區域構造巖漿演化特征，將巖漿活動分為燕山早期和燕山中期2個侵入亞旋回[7]。

2 巖石學特征

本次主要研究中細粒堿長花崗巖和花崗斑巖。

中細粒堿長花崗巖(圖2a)：巖石風化面和新鮮面均呈肉紅色，中細粒花崗結構，塊狀構造。巖石由鉀長石、斜長石、石英和黑云母組成。鉀長石呈他形粒狀，為條紋長石，條紋發育，條紋呈細紋狀、斑點狀，與其他礦物相嵌分布，粒徑大小為0.6～2.6 mm，體積分數為63%；斜長石半自形板狀、粒狀，聚片雙晶細密，部分環帶發育，為更長石、中長石，粒徑0.5～1.8 mm，體積分數為7%；石英呈他形粒狀，波狀消光，粒徑為0.3～2.2 mm，體積分數為28%；黑云母為鐵鎂質黑云母，片狀，黃褐色，部分褪色，粒徑為2.0 mm以下，體積分數為2%。主要副礦物有鋯石、磷灰石、赤褐鐵礦等。

花崗斑巖(圖2b)：巖石新鮮面肉褐色、肉紅色，斑狀結構，基質文象結構。斑晶成分復雜，主要由鉀長石、斜長石和石英組成，粒徑為2.0～6.0 mm。鉀長石呈半自形—他形板狀，為條紋長石，交代斜長石形成，少量包裹斜長石，晶面不干凈被黏土礦物輕微交代，體積分數約占8%；斜長石為更長石—中長石，呈半自形板狀，聚片雙晶較寬，見環帶，邊緣常被鉀長石交代，體積分數約占7%；石英煙灰色，他形粒狀，單晶產出，體積分數約占5%。基質主要由長石和石英組成，礦物粒徑小于2.0 mm，長石和石英形成文象結構。長石多為鉀長石，晶面不干凈，多被黏土礦物輕微交代，見少量顯微晶質黑云母，體積分數約占1%；石英灰色，他形粒狀，體積分數約占23%。副礦物為鋯石、磷灰石、黃鐵礦等。

3 樣品和分析方法

本文對兩個巖石樣品進行測試。挑選新鮮巖石樣品經破碎分選出鋯石，在雙目鏡下挑選透明、晶形較好的鋯石置于玻璃板上，灌上環氧樹脂制靶，固化后磨至一半并拋光，使鋯石內部暴露，進行陰極發光照相(圖3)。詳細實驗測試過程可參見文獻[9]。鋯石U-Pb同位素分析在天津地質礦產研究所LA-ICP-MS實驗室完成。用美國國家標準技術研究院研制的人工合成硅酸鹽玻璃參考物質NIST SRM610進行儀器最佳化，采用91500標準鋯石外部校正法進行鋯石原位U-Pb分析，采用的激光束斑直徑為40 μm。

圖1 研究區地質簡圖Fig.1 Geological sketch map of the study area

a.堿長花崗巖；b.花崗斑巖。Qz.石英；Pl.斜長石；Kf.鉀長石；Bi.黑云母。圖2 研究區花崗巖類巖石顯微照片Fig.2 Microphotographs of the granites in the study area

圖3 研究區花崗巖類巖石鋯石陰極發光圖像Fig.3 Zirconcathodoluminscences(CL) images of the granities in the study area

主量、微量和稀土元素分析在中國科學院地質與地球物理研究所完成。其中：主量元素采用熔片法X-線熒光光譜法(XRF)測定，分析準確度和精度優于2%；微量元素和稀土元素是用Teflon熔樣罐進行熔樣，然后采用Finnigan MAT公司生產的雙聚焦高分辨等離子體質譜儀ICP-MS進行測定，準確度和精度優于10%；Fe2O3、FeO采用容量法(VOL)測定。

4 形成時代

前人對興蒙造山帶東段阿里河—扎蘭屯花崗巖帶內堿長花崗巖做了大量研究表明：興安地塊北緣十二站堿長花崗巖結晶年齡為298 Ma[10]；興安地塊南緣巴音烏拉地區堿長花崗巖結晶年齡為288～290 Ma，為早二疊世侵位形成[11]；內蒙古科爾沁右翼中旗堿長花崗巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb加權平均年齡為(166±1) Ma[12]。

本文對加格達奇東北部堿長花崗巖和花崗斑巖進行鋯石U-Pb定年。堿長花崗巖樣品(PM006TC64)采自大黑山巖體，所測鋯石晶形較好，多為長柱狀，自形到半自形，環帶結構清晰，并且232Th/238U值為0.062 8～2.198 6，其中20個大于0.4，其余在0.4附近(除1個點為0.062 8)，具有巖漿鋯石的成分特征(圖3a)。根據測試結果(表1)，24個鋯石測點均位于諧和線上或其附近(圖4a)，206Pb/238U表面年齡為119～129 Ma，加權平均年齡為(124.19±0.80) Ma，MSWD=4.0，表明堿長花崗巖結晶年代為早白堊世。花崗斑巖樣品(PM21LT36-1)采自四十里大甸子巖體，陰極發光圖像顯示鋯石顆粒均呈自形晶，個別有殘留的結晶核心和固相包體，具有清晰的巖漿型振蕩環帶結構(圖3b)，分析點232Th/238U為0.062 8～1.753 9，均大于0.4(除1個點為0.062 8)，表明其為巖漿結晶鋯石。鋯石年齡為127～131 Ma，測點全部位于諧和線上(圖4b)，加權平均年齡為(128.45±0.54) Ma，MSWD=14，表明巖漿侵位結晶時間為早白堊世。

5 地球化學特征

5.1 主量元素

利用巖石的主量元素在w(K2O+Na2O)-w(SiO2)圖解(圖5)上投影可知，堿長花崗巖和花崗斑巖都落入亞堿性花崗巖區域內，說明堿長花崗巖和花崗斑巖為同一期巖漿產物，花崗斑巖為堿長花崗巖的淺部表現。從主量元素分析數據(表2)來看，堿長花崗巖樣品的w(SiO2)為74.81%～76.22%，w(TiO2)為0.10%～0.17%，w(MgO)為0.11%～0.33%，w(P2O5)為0.02%～0.05%，w(Na2O+K2O)為8.40%～8.93%，Na2O/K2O值為0.84～1.17，A/CNK值為1.06～1.09，巖石固結指數(IS)為1.08～3.34，相對偏低；分異指數(ID)為94.24～96.24，里特曼指數(σ)為2.12～2.51。花崗斑巖樣品的w(SiO2)為74.12%～75.84%；w(TiO2)為0.15%～0.21%和w(P2O5)為0.04%～0.05%，二者比堿長花崗巖稍高；w(MgO)為0.14%～0.20%；全堿w(Na2O+K2O)為8.66%～8.91%，較高；Na2O/K2O值為0.87～1.08，A/CNK值為0.99～1.07；IS為1.22～1.82，ID為93.57～96.17，相對偏高，σ為2.36～2.55。

圖4 研究區花崗巖類巖石鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig.4 Concordian U-Pb diagrams of the granites in the study area

表1 研究區早白堊世花崗巖類鋯石U-Pb定年數據

續表1

堿長花崗巖和花崗斑巖均屬過鋁質巖石(圖6a)；σ顯示巖石為鈣堿性；在w(K2O)-w(SiO2)圖解(圖6b)中投點落入高鉀鈣堿性系列區。總體上看，該期花崗巖屬鋁過飽和、高鉀鈣堿性系列巖石。

5.2 稀土和微量元素

堿長花崗巖樣品稀土元素w(∑REE)為91.21×10-6～130.77×10-6，平均為111.75×10-6，(La/Yb)N為4.70～7.64，輕重稀土分餾程度中等，具明顯的Eu負異常(δEu=0.24～0.62)，暗示巖漿演化過程中有斜長石從巖漿中結晶分離出來或在部分熔融作用過程中有斜長石殘留在源區[13]。花崗斑巖樣品稀土元素總量相對于堿長花崗巖樣品較低，為78.40×10-6～121.21×10-6，平均為93.94×10-6，輕重稀土分餾程度中等，具弱Eu負異常(δEu=0.52～0.61)。

堿長花崗巖和花崗斑巖具有一致的微量和稀土元素地球化學特征。稀土配分模式為輕稀土富集、重稀土虧損的右傾型(圖7a)，在微量元素原始地幔標準化蛛網圖(圖7b)中富集Rb和K，相對富集高場強元素Th、Zr等，明顯虧損大離子親石元素Ba、Sr、P和Ti，可能與巖漿演化過程中斜長石和磷灰石的分離結晶作用有關[14]。

6 討論

6.1 巖石成因

研究區堿長花崗巖和花崗斑巖屬于高鉀鈣堿性系列，w(SiO2)高，均在74.12%以上，巖體TFeO/MgO平均值為7.74，低w(CaO)(均低于0.49%)，w(Al2O)3為12.36%～13.77%，小于14.00%，全堿的質量分數為8.40%～8.93%，貧鎂(w(MgO)為0.11%～0.33%)，低鈦(w(TiO2)為0.10%～0.21%)，親鐵元素V質量分數低(w(V)為(4.10%～13.20)×10-6)，ID值為93.57～96.24，反映巖體經歷了高程度的分異演化作用。在(Na2O+K2O)/CaO-w(Zr+Nb+Ce+Y)圖(圖8a)中，投影點落

入A型和高分異花崗巖的交界部分；在TFeO/MgO-w(Zr+Nb+Ce+Y) 圖(圖8b)中，投影點大部分落入高分異花崗巖區域，因此其可能為高分異花崗巖。巖體的Nb、Ta、Zr、Hf等高場強元素質量分數均較典型A型花崗巖偏低[15]，Nb/Ta值(除1個數值外，平均值為10.6)與分異花崗巖的相應值(2.3～9.9)[16]十分接近，這些特征說明該巖體屬于分異的花崗巖。高分異花崗巖大多含有較多的繼承鋯石，顯示出較高的Hf質量分數，因此使全巖和鋯石均具有較低的Zr/Hf值[17-19]，而本文中Zr/Hf(除1個值為66.5外)平均值為24.8，相對較低。A型花崗巖和高分異花崗巖地球化學特征相似，很難區分，但是A型花崗巖最重要的特征之一就是高溫，因此鋯石飽和溫度為二者的區分提供了可靠的證據。本文鋯石飽和溫度顯示小于800 ℃，表征了巖漿結晶溫度較低為高分異花崗巖。A型花崗巖由于強烈的結晶分異作用而落入高分異花崗巖區，因此高分異花崗巖可能是由A型花崗巖演化來的[20]。本文巖體w(Al2O3)不高，從巖相學的角度分析，花崗巖不含有典型的S型花崗巖所含有的特征富鋁礦物，如堇青石、石榴石和原生的白云母等，并且從w(Al2O3) -w(SiO2)圖(圖9a)可知，w(Al2O3)隨w(SiO2)增加呈降低趨勢，顯示I型花崗巖特征。高分異的S型花崗巖具有更低的w(Na2O)(均值為0.14%)和更高的w(P2O5)(均值為2.81%)[12]，而本區堿長花崗巖和花崗斑巖較低的w(P2O5)(均小于0.05%)和較高的w(Na2O)(均大于3.84%)明顯區別于高分異的S型花崗巖[21]；并且隨著分異程度的增加，S型花崗巖的w(P2O5)會出現升高的趨勢[22-23]。而研究區堿長花崗巖和花崗斑巖w(P2O5)隨w(SiO2)增加明顯降低(圖9b)，同時w(Y)-w(Rb)圖(圖9c)也顯示I型花崗巖特征。因此，研究區堿長花崗巖和花崗斑巖不能歸入S型花崗巖，而為高分異的I型花崗巖。

1.橄欖輝長巖；2a.堿性輝長巖；2b.亞堿性輝長巖；3.輝長閃長巖；4.閃長巖；5.花崗閃長巖；6.花崗巖；7.硅英巖；8.二長輝長巖；9.二長閃長巖；10.二長巖；11.石英二長巖；12.正長巖；13.副長石輝長巖；14.副長石二長閃長巖；15.副長石二長正長巖；16.副長正長巖；17.副長深成巖；18.霓方鈉巖/磷霞巖/粗白榴巖。圖5 研究區花崗巖類巖石(TAS)圖解Fig.5 TAS diagram of granites in the study area

圖6 研究區花崗巖類巖石的A/NK-A/CNK(a)和w(K2O) -w(SiO2)(b)圖解Fig.6 A/NK-A/CNK(a) and w(K2O) -w(SiO2)(b) diagram of granites in the study area

表2 研究區早白堊世花崗巖類樣品主量元素與微量元素分析結果

注：主量元素質量分數單位為10-2；微量元素質量分數單位為10-6；Tzr單位為℃。

圖7 研究區花崗巖類巖石的稀土元素球粒隕石標準化模式(a)和微量元素原始地幔標準化蛛網圖(b)Fig.7 Rare earth element chondrite standardization model (a) and trace element original mantle standardization spider diagram of granites in the study area (b)

FG.分異型I，S或M型花崗巖；OGT.未分異的I，S或M型花崗巖。圖8 研究區花崗巖類巖石(Na2O+K2O)/CaO-w(Zr+Nb+Ce+Y)和TFeO/MgO-w(Zr+Nb+Ce+Y)圖解Fig.8 (Na2O+K2O)/CaO-w(Zr+Nb+Ce+Y) and TFeO/MgO-w(Zr+Nb+Ce+Y)diagram of granites in the study area

圖9 研究區花崗巖類巖石w(Al2O3)-w(SiO2)、w(P2O5)-w(SiO2)和w(Y)-w(Rb)圖解Fig.9 w(Al2O3)-w(SiO2)、w(P2O5)-w(SiO2) and w(Y)-w(Rb) diagram of granites in the study area

在巖漿演化過程中，Ba趨于富集在晶出的高溫鉀礦物和斜長石礦物中，因此隨著巖漿向上侵入，在分異程度高的巖漿中Ba減少[24]。花崗斑巖為堿長花崗巖的淺部表現，正常花崗斑巖Ba的質量分數應該比堿長花崗巖低，而本文花崗斑巖中Ba無異常，且花崗斑巖中有包體發現，說明巖漿可能發生同化混染作用。Miller等[25]根據鋯石飽和溫度，提出熱和冷花崗巖的概念。其中前者的溫度大約在840 ℃，含源區殘留物較少，其形成可能與外來熱的加入有關；而后者的溫度不超過800℃(平均為766 ℃)，含源區殘留物較多，其形成主要與流體加入有關[26]。本文花崗斑巖鋯石飽和溫度平均為767 ℃，說明同化混染過程中可能有流體加入，使巖漿中Ba質量分數出現無異常現象。

研究區堿長花崗巖和花崗斑巖主量元素具有高硅、富鉀和貧鎂、鐵、鈣的巖石化學特征，這說明其原始巖漿起源于地殼火成巖物質的部分熔融[27-28]。大離子親石元素K、Rb等富集，高場強元素Nb、P等虧損，元素地球化學組成指示其與大陸地殼物質具有明顯的親緣性[27]。Nb/Th值為1.24～5.61，平均值為3.22，與殼源巖石接近(均為3)[29]。因此，研究區堿長花崗巖和花崗斑巖可能為殼源成因，來源于火成巖源巖的部分熔融。

6.2 構造背景及其意義

利用R2-R1圖(圖10a)投點，研究區樣品基本都位于非造山區域。并且Th/Ta值為3～10，表明其形成與陸內拉張帶有關[30]。高ID(93.57～96.24)和w(Na2O+K2O)(8.40%～8.93%)，低w(CaO)(0.21%～0.49%)特點，與張性花崗巖(ID值為88.87～91.97，w(Na2O+K2O)為8.40%～8.57%，w(CaO)為0.86%～1.24%)相近；lg[CaO/Na2O+K2O)]-w(SiO2)圖解(圖10b)上落入引張型區域，因此本區堿長花崗巖和花崗斑巖都指示形成于非造山拉張環境。

關于在早白堊世大興安嶺處于伸展環境下的觀點己經普遍得到了地質工作者的認可。葛文春等[1]對大興安嶺中部的烏蘭浩特地區出露的中生代花崗巖進行研究，根據其結晶年齡劃分為3期，其中早白堊世花崗巖形成于板內伸展拉張構造背景；隋振民等[31]研究了大興安嶺東部的大量花崗巖，認為其中的早白堊世花崗巖形成于板內伸展的構造環境，可能與華北克拉通巖石圈的減薄作用有關；張彥龍等[32]研究了大興安嶺北部花崗雜巖體，認為其形成受控于額爾古納地塊和興安地塊拼合后的伸展環境；Fan等[33]通過研究大興安嶺北部的中生代火山巖，認為大興安嶺北段中生代火山巖形成于造山后的彌散性伸展環境，來自于與古亞洲洋或蒙古—鄂霍茨克洋閉合有關的受流體交代的地幔。邵濟安等[34]通過對華北的大興安嶺—燕山地區晚中生代火山-深成巖巖石化學、同位素地質學的分析，認為該地區巖漿的形成和演化與板內伸展環境下的底侵作用有關。聶立軍等[35]對大興安嶺中部的白音高老組流紋巖進行研究，U-Pb測年結果顯示其形成于早白堊世，進一步分析則判斷其形成于受太平洋板塊俯沖影響的板內伸展環境。盡管大興安嶺早白堊世處于伸展背景已無爭議，然而對于何種構造體制引起的伸展還存有爭議。其中蒙古—鄂霍茨克洋閉合碰撞造山后的巖石圈伸展模式[36-37]、地幔柱模式[38-39]、受到古太平洋板塊的俯沖影響模式[10,40]，以及形成于板內構造體制的巖石圈減薄或者殼幔相互作用模式[41-42,1]成為主要爭論焦點。晚古生代時期，在東亞地區位于西伯利亞板塊、古太平洋板塊和華北板塊之間，存在一個長約3 000 km，寬約300 km，大約呈120°夾角、向東張口的蒙古—鄂霍茨克洋。由于西伯利亞板塊與中蒙地塊之間發生旋轉，從而使鄂霍茨克洋由西部向東部發生剪刀式閉合[43]，西部于晚三疊世開始閉合，東部可能在晚侏羅世—早白堊世最終閉合[44,36]，最后形成蒙古—鄂霍茨克縫合帶。中侏羅世(165～170 Ma)期間，大興安嶺西坡的遼西地區發現了一次重要的陸殼加厚，這一過程代表了蒙古—鄂霍茨克縫合帶的閉合，廣泛發育的中—晚侏羅世火山巖就是陸殼加厚后的坍塌或拆沉的產物[45]。早白堊世時期，大興安嶺北部地區發育的火山巖具有與這次陸殼加厚時間的坍塌或拆沉階段形成的伸展構造背景相對應。前人[38,46-47]研究表明，古太平洋板塊最初的俯沖方向向北或者北東方向，直到晚白堊世期間表現出明顯的向西俯沖。Engebretson等[48]根據對伊佐奈歧板塊的古地磁研究結果提出，太平洋板塊向東亞大陸邊緣的俯沖作用最早也在晚白堊世之后。邵濟安等[49-50]也認為太平洋板塊向亞洲大陸的正面俯沖始于晚白堊世。因此，本研究區主要受到蒙古—鄂霍茨克構造域的影響，為陸陸碰撞造山演化晚期地殼伸展背景下的產物。

圖10 研究區花崗巖類巖石R2-R1(a)和lg[CaO/(Na2O+K2O)]-w(SiO2)(b)圖解Fig.10 R2-R1(a) and lg[CaO/(Na2O+K2O)]-w(SiO2)(b) diagram of granites in the study area

7 結論

1)黑龍江省加格達奇東北部主要的巖石類型為堿長花崗巖和花崗斑巖。樣品鋯石U-Pb年齡分別為(124.19±0.80)、(128.45±0.54) Ma，屬于早白堊世。

2)地球化學特征表明，研究區早白堊世花崗質巖石化學成分上屬過鋁質巖石，高鉀鈣堿性巖石系列，相對富集高場強元素Th、Zr等，明顯虧損大離子親石元素Ba、Sr、P和Ti，低CaO(質量分數均低于0.49%)的特征，全堿的質量分數為8.40%～8.93%，貧鎂(0.11%～0.33%)，低鈦(0.10%～0.21%)，并且鋯石飽和溫度幾乎全部低于800 ℃，均屬于高分異I型花崗巖特征。

3)研究區內高分異I型花崗巖是蒙古—鄂霍茨克洋消亡，陸陸碰撞造山演化晚期地殼伸展背景下的產物，巖漿起源于殼內火成巖源巖的部分熔融。