吉林白山新路花崗閃長斑巖LA
--ICP--MS鋯石U--Pb定年、地球化學特征及構造意義

2019-04-09 02:38:30高天宇劉正宏關慶彬李鵬川陳煜嵩

世界地質 2019年1期

高天宇，劉正宏，關慶彬，李鵬川，陳煜嵩

吉林大學地球科學學院，長春130061

0 引言

研究區在大地構造位置上位于華北克拉通的北緣東段(圖1a)，由基底與蓋層兩個部分組成，基底由太古代高級變質片麻巖和古元古代中淺變質巖組成，蓋層由中元古代—中生代沉積地層組成[1]。

1.第四系沉積物；2.下白堊統砂巖；3.上侏羅統砂巖；4.上侏羅統凝灰巖；5.奧陶系灰巖；6.寒武系灰巖；7.震旦系灰巖；8.震旦系石英砂巖；9.青白口系頁巖；10.青白口系石英砂巖；11.老嶺群珍珠門組大理巖；12.馬鹿溝東升片麻巖；13.小荒溝片麻巖；14.馬鹿溝龍爪片麻巖；15.太古界變質表殼巖；16.上侏羅統花崗斑巖；17.閃長玢巖；18.角度不整合界線；19.逆斷層；20.正斷層；21.性質不明斷層及推測斷層圖1 新路地區地質簡圖Fig.1 Geological map of Xinlu area

經歷了早前寒武紀基底形成演化階段、中元古代—古生代穩定蓋層發展階段和中生代地殼活化階段[2]，具有復雜地質演化歷史。進入中生代以后遭受古太平洋板塊活動的影響[3]，區內地殼構造變形、巖漿活動和成礦作用十分強烈，是中國東部濱太平洋構造成礦帶的重要組成部分[4]。區域主要構造格架呈NE向展布，發育一系列NE方向斷裂構造控制了區內主要地質構造單元的展布(圖1b)。北西部為早前寒武紀基底隆起區，由新太古代花崗質片麻巖、斜長角閃巖和古元古界珍珠門大理巖組成；中部為新元古代—早古生代濱海--淺海沉積碎屑巖和碳酸巖組成，與北部基底變質巖之間呈斷層接觸；南部為中生代斷陷盆地—渾江盆地，發育一套陸相含煤建造[5]。中生代巖漿在區內出露較少，主要發育一套中生代花崗閃長斑巖，呈小的巖株、巖墻和巖床沿著NE向斷裂構造侵入新元代和古生代沉積地層中，前人依據巖性特征對比將其形成時代歸屬于晚印支期。由于出露規模較小，對這些巖漿巖形成時代、地球化學特征缺少系統分析與研究工作。巖漿活動是地殼構造演化的重要組成部分，其形成時代與形成演化特征為研究區域構造演化動力學背景提供重要的信息。

筆者通過研究新路花崗閃長斑巖的年代學特征、礦物特征和地球化學特征，確定其形成時代并探討成因和形成的構造環境，為討論區域中生代地殼構造變形特征和古太平洋板塊開始向歐亞大陸板塊俯沖時間提供新的證據。

1 新路花崗閃長斑巖的地質特征

在研究區中部沿著NE向斷裂帶發育一系列中生代花崗閃長斑巖侵入體，呈巖株狀、巖墻狀侵入新元古代和古生代沉積地層中。其中巖墻呈NE向展布，其長約3 km，寬約300～500 m，巖株出露面積則從幾十m2至1 km2不等，其總體出露面積較小，且分布分散。新路花崗閃長斑巖出露于板石溝鎮南部新路三隊地區，呈小巖株狀侵入青白口系南芬組頁巖中(圖2)。巖體處第四系沉積物和植被覆蓋嚴重，但其與南芬組頁巖的接觸面較清晰(圖2)，表面呈強風化的碎塊狀，本次取樣是將其表面風化的巖石剝除后，取其中的新鮮巖石。

新路花崗閃長斑巖的鏡下特征(圖3)：風化面為黃褐色，新鮮面為青灰色，斑狀結構；基質微晶--隱晶質結構，塊狀構造，斑晶主要由斜長石(10%～15%)、石英(5%)、黑云母(5%±)，以及少量的鉀長石和普通角閃石等組成，基質為細粒長石和石英的顯微晶體。斜長石多為半自形板柱狀或粒狀，大小為0.5～2.5 mm，具環帶結構，且發育不同程度的絹云母化；石英主要呈粒狀，表面干凈，大小為 0.5～3.0 mm；鉀長石呈板狀，大小為1 mm±；角閃石呈半自形柱狀，大小0.5～1.0 mm，含量為5%±；黑云母為片狀，大小0.5～2.0 mm，含量為5%±。

2 分析方法

取測年樣品1件(XN--1)，巖石地球化學全分析樣品4件(XH--1、XH--2、XH--3、XH--4)，取樣位置為41°58′08″N、126°21′50″E。測年與巖石地球化學全分析樣品的巖性均為花崗閃長斑巖。在樣品(XN--1)中挑選出22顆具明顯環帶韻律且晶型較好的鋯石進行LA--ICP--MS鋯石U--Pb測年。LA--ICP--MS鋯石U--Pb測年是在北京燕都中實測試技術有限公司完成的。本次測試鋯石U--Pb同位素定年利用LA--ICP--MS同時分析完成。激光剝蝕系統為New Wave UP213，ICP--MS為布魯克M90。激光剝蝕過程中采用氦氣作載氣、氬氣為補償氣以調節靈敏度，二者在進入ICP之前通過一個勻化混合器混合。每個樣品點分辨包括大約20～30 s的空白信號和50 s的樣品信號。U--Pb同位素定年中采用鋯石標準91500和Plesovice作為外標進行同位素分餾校正。鋯石微量元素含量利用SRM610作為多外標、Si作內標的方法進行定量計算。使用ICPMSDataCal[6]對實驗的原始數據進行處理，通過鉛校正以除去普通鉛元素對樣品的影響[7,8]，采用Isoplot[8]軟件繪制U--Pb諧和圖，利用Isoplot[8]軟件對樣品鋯石進行諧和曲線的投影和206Pb/238U加權平均年齡的計算，年齡誤差為1 σ。本次測試剝蝕光斑直徑根據實際情況選擇30 μm。地球化學樣品主量元素和微量元素分析測試在澳實分析檢測有限公司完成，主量元素采用X--射線熒光法，微量元素采用電感耦合等離子體質譜法(ICP--MS)。

3 鋯石U--Pb年代學

在樣品(XN--1)的鋯石陰極發光圖(圖4)中，

圖2 新路花崗閃長斑巖(b)侵入南芬組頁巖(a)Fig.2 Shale of Nanfen Formation invaded by Xinlu granodiorite porphyry

Bt：黑云母；Hbl：角閃石；Or：正長石；Pl：斜長石；Qtz：石英圖3 新路花崗閃長斑巖巖顯微照片Fig.3 Micrograph of Xinlu granodiorite porphyry

可以明顯地看出鋯石形態多為短柱狀或者粒狀，少數為長柱狀，具有較完好的自形成度，鋯石長度100～180 μm，長寬比1∶1～2∶1，鋯石內部結構較清晰，具有明顯的鋯石震蕩環帶結構，為巖漿鋯石。從表1中可以看出，鋯石Th/U比為0.15～0.95，均>0.1，表明該樣品中的鋯石為巖漿成因。根據新路花崗閃長斑巖U--Pb年齡諧和圖(圖5)，22顆鋯石的加權平均年齡為(163.3±0.77)Ma，MSWD=0.86，表明其侵位年齡為晚侏羅世早期。

圖4 新路花崗閃長斑巖樣品(XN--1)部分鋯石陰極發光(CL)圖Fig.4 Part of CL images of zircons for sample of Xinlu granodiorite porphyry (XN--1)

表1 新路花崗閃長斑巖樣品(XN--1)LA--ICP--MS鋯石U--Pb定年數據Table 1 LA--ICP--MS zircon U--Pb data for samples of Xinlu granodiorite porphyry (XN--1)

圖5 新路花崗閃長斑巖U--Pb年齡諧和圖(a)和加權平均年齡(b)Fig.5 U--Pb concordia diagrams (a) and weighted mean age (b) of Xinlu granodiorite porphyry

4 巖石地球化學

4.1 主量元素

表2為新路花崗閃長斑巖的巖石地球化學分析結果。新路花崗閃長斑巖的巖石地球化學樣品具有較高(>2%)的LOI值，說明新路花崗閃長斑巖在形成之后遭受了一定程度的蝕變。次生蝕變作用會改變性質活潑元素的濃度，Na2O與LOI的負相關性表明次生蝕變有Na的帶出。同時在巖石薄片中觀察到斜長石絹云母化也證實了新路花崗閃長斑巖發生了次生蝕變，因此本文中所用主量元素數據是去掉燒失量之后重新換算成100%的結果。SiO2含量為66.89%～67.29%，屬酸性巖；Al2O3含量為16.34%～16.54%；MgO含量為1.27%～1.78%，其中Mg#值為38.22～44.96；Na2O含量為2.54%～3.57%，K2O含量為2.73%～3.05%， K2O+Na2O含量為5.60%～6.40%，K2O/Na2O的比值為0.78～1.20，平均比值為0.89，新路花崗閃長斑巖在TAS分類中為花崗閃長巖。新路花崗閃長斑巖的里特曼指數(σ=(K2O+Na2O)2/(SiO2-43)wt%)為1.31～1.71，均<3.3，表明該巖石為鈣堿性巖，在SiO2-K2O(圖6a)中，新路花崗閃長斑巖的地球化學樣品也落在了鈣堿性與高鉀鈣堿性系列的中間。在A/CNK-A/NK圖解(圖6b)中，新路花崗閃長斑巖的A/CNK值為1.01～1.09，為弱過鋁質巖石。

表2新路花崗閃長斑巖主量元素(%)、稀土元素(10-6)與微量元素(10-6)分析結果

Table2Analysisofmajorelements(%)，rareearthelements(10-6)andtraceelements(10-6)ofXinlugranodioriteporphyry

樣品編號XH--1XH--2XH--3XH--4SiO264.0664.6962.8564.74Al2O315.7815.9115.5415.72TiO20.370.390.390.38Fe2O3T3.974.104.054.06K2O2.612.732.872.65Na2O3.313.452.393.40CaO4.033.903.983.82MgO1.241.251.671.22MnO0.060.070.070.07P2O50.140.140.150.15LOI3.342.905.783.08Total98.9199.5399.7499.29Mg#38.2237.6544.9637.31K2O/Na2O0.790.791.200.78A/CNK1.011.011.091.02La20.7020.5017.2020.70Ce39.4038.0033.2037.50Pr4.674.543.864.53Nd18.1017.5015.3016.80Sm3.093.022.953.45Eu0.930.920.930.90Gd2.392.572.462.52Tb0.320.340.350.33Dy1.811.721.621.81Ho0.340.320.310.33Er0.880.870.820.90Tm0.130.130.120.13Yb0.800.850.740.81Lu0.120.130.120.12Y9.6010.008.6010.10δEu1.051.011.060.93δCe0.930.910.940.89LaN/YbN17.4416.2615.6717.23ΣREE93.6891.4179.9890.83LREE86.8984.4873.4483.88HREE6.796.936.546.95LREE/HREE12.8012.1911.2312.07Cs4.654.946.644.89Rb59.0060.3067.3057.20Ba921.00925.00837.00956.00Th3.032.782.362.58U1.171.361.111.09Zr113.00125.00103.00109.00Hf3.003.402.802.80Sr510.00504.00490.00484.00Nb7.107.206.807.30Ta0.500.500.500.50Ga18.7017.5018.5019.50Cr10.0020.0010.0020.00

Mg#=(MgO/40.31)/(MgO/40.31+0.899 8*Fe2O3T/71.85)*100.

4.2 微量元素

新路花崗閃長斑巖的微量元素原始地幔標準化蛛網圖(圖7a)表現出，相對于原始地幔，微量元素表現出富集Ba、Cs、K等大離子親石元素的地球化學特征，明顯虧損Nb、Ti、P高場強元素。Nb的虧損表明巖漿源區為殼源或可能受到地殼物質的混染，P、Ti的虧損表明巖漿經歷了磷灰石等富含P、Ti礦物的分離結晶作用。

圖7 新路花崗閃長斑巖微量元素原始地幔標準化蛛網圖(a)與稀土元素球粒隕石標準化配分模式圖(b)Fig.7 Primitive mantle normalized trace elements spidergrams (a) and chondrite normalized REE distribution patterns (b) of Xinlu granodiorite porphyry

4.3 稀土元素

新路花崗閃長斑巖的稀土元素球粒隕石標準化配分模式(圖7b)顯示曲線為右傾型，巖石稀土元素的總量ΣREE變化范圍為79.98×10-6～93.68×10-6。LaN/YbN為15.67～17.44，輕重稀土分異度LREE/HREE為11.23～12.80，輕重稀土元素分餾明顯。巖石地球化學樣品δEu值為0.93～1.06，平均為1.01，無銪異常。

5 討論

5.1 新路花崗閃長斑巖的花崗巖類型

巖石的手標本及顯微照片中出現角閃石和黑云母等礦物，未見白云母；副礦物中未見富鋁礦物。根據這些巖相學特征[9]，筆者初步認為新路花崗閃長斑巖屬于一種I型花崗巖。

FG：分異的I、S型花崗巖；OGT：未分異的I、S型花崗巖圖8 新路花崗閃長斑巖成因判別圖解：(Zr+Nb+Ce+Y)/10-6-(FeO/MgO)/%判別圖(a)和10 000*Ga/Al-Zr/10-6判別圖(b)Fig.8 Discrimination of genesis of Xinlu granodiorite porphyry: discrimination of (Zr+Nb+Ce+Y)/10-6-(FeO/MgO)/%(a) and 10 000*Ga/Al-Zr/10-6(b)

5.2 新路花崗閃長斑巖的成因

新路花崗閃長斑巖具有高SiO2(66.89%～67.29%)、高Al2O3(16.34%～16.54%)、高Na2O(2.54%～3.57%)、低MgO(1.27%～1.78%)；富集Ba、Cs、K、Sr等大離子親石元素，虧損Nb、Ti、P等高場強元素；高Sr(484×10-6～510×10-6)低Y(8.6×10-6～10.1×10-6)以及具有較高的LaN/YbN比值(15.67～17.44)和Sr/Y比值(47.9～57.0)；輕重稀土元素分餾明顯(LREE/HREE為11.23～12.80)；無銪異常，以上均符合典型的埃達克質巖石的地球化學特征[15--17]。并且在(La/Yb)N-YbN和Sr/Y-Y圖解(圖9)中，新路花崗閃長斑巖的地球化學樣品均落入埃達克巖區域。雖然埃達克質巖石的成因依然存在著較大的爭議，但是人們普遍接受這樣一個學說—埃達克質巖石來源于玄武質成分，并在巖漿演化某些階段存在石榴子石與角閃石作為殘留和早期結晶組合[18--24]。目前普遍認為埃達克質巖石的成因包括：增厚下地殼的部分熔融[16,25--30]；玄武質巖漿的結晶分異[31,32]；拆沉下地殼的部分熔融[17，33--38]。

圖9 新路花崗閃長斑巖YbN-LaN/YbN(a)和Y/10-6-Sr/Y(b)圖解(據文獻[15]修改)Fig.9 The diagram of YbN-LaN/YbN(a) and Y/10-6-Sr/Y (b) of Xinlu granodiorite porphyry

新路花崗閃長斑巖的La-La/Yb和Zr/Sm-Zr圖解(圖10a、b)表明其巖漿演化的過程中部分熔融占主導作用，分離結晶作用不明顯；無銪異常；在研究區目前沒有發現與新路花崗閃長斑巖同時代的玄武質巖和超鎂鐵質巖，根據以上地球化學特征，可以排除其是經由玄武質巖漿結晶分異所形成。由拆沉下地殼部分熔融所形成的埃達克質巖石一般具有高MgO、高Cr含量以及Mg#>50等地球化學特征[40]，因為熔體在上升的過程中無法避免與上覆地幔巖的相互作用[18,19,24,41]。而新路花崗閃長斑巖具有較低的MgO(1.27%～1.78%)與Cr(10×10-6～20×10-6)含量，并且Mg#值為37.31～44.96，表明其也不是源于拆沉下地殼的部分熔融作用。前人的實驗結果指出，如果在巖漿演化的過程中沒有地幔物質參與作用，那由增厚下地殼部分熔融所產生的熔體Mg#值一般<45[42--44]，并且在SiO2-MgO、SiO2-Mg#的比值圖(圖10c、d)中，新路花崗閃長斑巖的地球化學樣品大部分均落在增厚下地殼區域。埃達克巖石在安迪山脈是一種常見的巖石，其中最重要的成因為安第斯地殼的構造加厚[27]。張旗等人根據不同的成因機制將埃達克質巖石分為O、C兩種類型[46]。O型埃達克質巖石分布于大洋周圍，與玄武巖的底侵或板塊的消減密切相關；而C型埃達克質巖石產于大陸內部，可能與加厚的下地殼中的中基性變質巖被玄武巖巖漿底侵有關。新路花崗閃長斑巖為鈣堿性巖石，4個全巖分析化學樣品的Al2O3含量均>16%，富K(Na2O/K2O平均比值為1.12)，根據張旗等人對埃達克質巖石的劃分，該花崗閃長斑巖屬C型埃達克質巖石[46]。綜上，新路花崗閃長斑巖為地殼增厚而部分熔融所產生的一種埃達克質巖石。

圖10 新路花崗閃長斑巖地球化學分類圖解：La/Yb-La/10-6(a)和Zr/10-6-Zr/Sm(b)(據文獻[39]修改)；SiO2/%-MgO/%(c)(據文獻[45]修改)，SiO2/%-Mg#(d)(據文獻[41]修改)Fig.10 Geochemical classification diagrams for Xinlu granodiorite porphyry: La/Yb-La/10-6(a)and Zr/10-6-Zr/Sm(b)，SiO2/%-MgO/%(c)，SiO2/%-Mg#(d)

5.3 新路花崗閃長斑巖的構造意義

新路花崗閃長斑巖的LA--ICP--MS鋯石U--Pb定年結果(加權平均年齡)為163.3±0.77 Ma，表明其形成于晚侏羅世早期。筆者在新路地區取樣的花崗閃長斑巖巖體與同屬吉南地區的荒溝山花崗巖巖體年齡(約為175 Ma)[47,48]；迎門岔地區花崗巖巖體年齡(約為168 Ma)[49]；板廟子地區花崗巖閃長斑巖巖體年齡(約為170 Ma)[50]大致相一致，表明在吉南地區侏羅紀巖漿活動非常活躍。結合遼東半島—吉南多處出露的中生代花崗質巖體(圖11)[1,51]，表明了在華北克拉通東北部中生代，特別是侏羅紀—白堊紀的巖漿活動是廣泛而活躍的。

新路地區在進入中生代以后遭受古太平洋板塊活動的強烈改造[3]。關于古太平洋板塊向歐亞大陸板塊俯沖的起始時間目前主要存在3種不同觀點，周建波等認為俯沖開始于晚三疊世[52--57]；于介江等認為俯沖開始于早中侏羅世[58]；張允平等則更傾向于晚侏羅世至早白堊世[59]。其開始俯沖時間的確定是劃分該地區巖漿活動和探討構造背景的關鍵。晚三疊世晚期的侵入巖呈南北向帶狀分布在綏芬河—琿春一帶，巖性為閃長巖、石英閃長巖、英云閃長巖、花崗閃長巖和二長花崗巖，顯示了典型的活動大陸邊緣弧巖石組合特點[60]。結合Defant et al.對分布在中朝邊境的晚三疊世晚期與俯沖板片部分熔融有關的埃達克質侵入巖[15,54]，指示了古太平洋板塊在晚三疊世已經開始向歐亞大陸板塊俯沖。延邊地區的早侏羅世和本文的白山地區的晚侏羅世鈣堿性、埃達克質侵入巖與荒山溝、迎門岔和板廟子等地的侵入巖，暗示了古太平洋板塊對歐亞大陸板塊俯沖作用的加強[60]。