大興安嶺北段龍江地區早白堊世晶洞花崗巖的成因及構造意義

景妍,張彥龍,王清海,劉希雯,陳會軍

1.吉林大學 地球科學學院，長春 130061；2.吉林大學 東北亞國際地學研究與教學中心，長春 130026；3.吉林省水利水電勘測設計研究院，長春 130021；4.中國地質調查局 沈陽地質調查中心，沈陽 110034

0 引言

作為大陸地殼的重要組成部分，花崗巖是地殼內部/殼幔間物質與能量傳輸的表現產物，包含大陸地殼演化的關鍵信息[1--2]。因此，有關花崗巖年代學、成因及構造背景的討論有助于揭示地球演化歷史，尤其對有“花崗巖海”之稱的大興安嶺地區來說，其研究意義更為顯著[3]。前人研究曾認為大興安嶺地區規模巨大的花崗巖大部分形成于古生代[4]，但是缺乏高精度年代學資料的支持。近年來，大量高精度年齡數據的發表，已經證實東北地區大多數花崗巖形成于中生代[5--6]。同時，這些中生代花崗巖和火山巖普遍具有正εNd(t)和εHf(t)值，以及較年輕的二階段模式年齡(TDM2)，暗示東北地區在顯生宙期間曾發生顯著的地殼增生事件[7]。然而，目前關于中國東北地區中生代構造演化歷史的認識還存在很多問題，其中大興安嶺地區中生代花崗巖及火山巖形成的構造背景仍然存在很大爭議：這些中生代巖漿巖的形成是與蒙古—鄂霍茨克洋閉合后造山帶伸展作用有關[8]，還是與古太平洋板塊西向俯沖作用有關[9--10]？其中，大興安嶺中生代花崗巖和火山巖作為研究中國東北地區中生代構造演化歷史的關鍵媒介，將是解決上述問題的重要研究對象。為此，筆者在前人研究的基礎上，通過對大興安嶺北段龍江地區頭道溝巖體進行鋯石 U--Pb 年代學、全巖地球化學以及鋯石Lu--Hf 同位素研究，來探討研究區花崗巖的形成時代、成因類型、源區性質及其相關的地球動力學背景。

1 地質背景與巖石學特征

中國東北地區位于中亞造山帶的東延部分，主要由一系列不同屬性的微陸塊和縫合帶拼貼而成，自西北向東南依次為額爾古納地塊、興安地塊、松嫩—張廣才嶺地塊、佳木斯—興凱地塊和那丹哈達地體[11](圖 1a)。興安地塊作為東北地區重要組成部分，古生代主要遭受古亞洲洋構造域的改造作用，表現為向北與額爾古納地塊沿塔源—喜桂圖縫合帶于早古生代(～490 Ma之前)碰撞拼合[3,12]，向南則與松嫩—張廣才嶺地塊沿賀根山—黑河縫合帶于晚古生代拼貼[3,13]。中生代以來，興安地塊又經歷古太平洋板塊的西向俯沖作用，同時可能遭受蒙古—鄂霍茨克洋構造域的疊加改造作用，巖漿活動劇烈，盆嶺構造發育，具有復雜的構造演化歷史[9]。

研究區位于內蒙古自治區齊齊哈爾市龍江縣頭道溝附近，大地構造位置屬于興安地塊[14](圖1a)。區內零星出露有元古代地層、古生代地層和中生代地層。其中，元古代地層包括郝家溝組(Pt1h)和劉家崴子組(Pt1l)，主要巖石組合類型為絹云母石英片巖、綠泥斜長石英片巖和二云母石英片巖等；古生代地層包括高家窩棚組(C3g)和老龍頭組(P2l)，主要由砂巖、灰巖、花崗質礫巖和中酸性熔巖等組成；中生代地層主要出露南平組(J2n)、太平川組(J2t)、龍江組(J3l)和九峰山組(J3j)，由玄武巖、安山玢巖、火山角礫巖、流紋質晶屑凝灰巖和酸性熔巖等組成。同時，研究區內巖漿作用強烈，其活動期次可大致劃分為華力西期、印支期和燕山期，主要巖石類型為花崗巖、花崗閃長巖、閃長巖和混合花崗巖，多呈巖基產出，少量呈巖株出露[4]。

巖相學研究顯示：大興安嶺北段龍江地區頭道溝巖體主要由二長花崗巖組成，發育晶洞構造，主要礦物組合為石英(～40%)、堿性長石(～32%)、斜長石(～23%)和黑云母(～5%)(圖2)。石英呈他形粒狀，粒徑為0.3～2.5 mm，局部發生熔蝕作用，呈港灣狀，多數具波狀消光；堿性長石主要為正長石，可見少量的條紋長石，粒徑為0.2～1.5 mm，部分可見卡式雙晶；斜長石多為自形--半自形板柱狀，粒徑為0.5～2 mm，聚片雙晶發育，絹云母化蝕變明顯；黑云母呈鱗片狀，平行消光，發育一組極完全解理，可見淺黃--黃綠色吸收性，粒徑變化于0.1～0.8 mm，邊部綠泥石化和暗化現象明顯；含少量鋯石、磷灰石和榍石等副礦物(圖2a)。

圖1 東北地區大地構造圖(a)和龍江地區地質簡圖(b)Fig.1 Geotectonic map of Northeast China(a) and sketched geological map of Longjiang area(b)

Qtz.石英；Kfs.鉀長石；Pl.斜長石；Bi.黑云母.圖2 龍江地區早白堊世二長花崗巖的顯微照片Fig.2 Microphotographs of Early Cretaceous monzogranite from Longjiang area

2 分析方法

測試樣品的鋯石分選和制靶工作分別由河北省廊坊宇能礦物分選技術服務有限公司和北京凱德正科技有限公司完成，鋯石U--Pb同位素測試分析在中國科學院地質與地球物理研究所進行。鋯石U--Pb同位素測試分析采用激光剝蝕電感耦合等離子質譜儀(LA--ICP--MS)，其中激光束斑直徑為36 μm，脈沖頻率為10 Hz，測定過程以高純度氦氣(He)為剝蝕物質的載氣。U--Pb同位素分餾以國際標準鋯石91500作為外部標準進行校正，以澳大利亞標準鋯石GJ--1作為輔助標樣。其中GJ--1的年齡測定范圍為612.2～614.6 Ma (加權平均年齡為612.9 Ma)，該值與GJ--1的標準年齡613±6 Ma在誤差范圍內一致。鋯石U--Pb同位素比值及相應的元素含量的數據處理采用Glitter (ver. 4.4，Macquarie University)程序進行，同位素比值的普通鉛校正采用Andersen (2002)[15]的方法，運行國際標準程序Isoplot/Ex(3.0)完成樣品的年齡計算并繪制諧和圖。實驗原理和具體操作流程參見文獻[16]。

基于鋯石U--Pb同位素年齡的測定，鋯石原位Lu--Hf同位素分析在中國科學院地質與地球物理研究完成。實驗采用193 nm激光取樣系統的多接收電感耦合等離子質譜儀(LA--MC--ICP--MS)，測試過程中激光束斑直徑為60 μm，脈沖頻率為10 Hz，激光脈沖能量為10 J/cm2。使用哈佛大學標準鋯石91500進行儀器最佳化，實驗原理和具體操作流程參見文獻[17]。

待測樣品的全巖主量、微量化學分析在北京核工業地質研究院進行，主量元素和微量元素分析采用的儀器分別是PW2404型熒光光譜儀(XRF)和ELEMENT XR型電感耦合等離子質譜儀(ICP--MS)。實驗測試流程參照相應的國家標準GB/T14506.14--2010和GB/T14506.30--2010。對比國家標樣GDW07104分析，測試樣品的主量和微量元素分析精度和準確度分別優于5%和10%。

3 分析結果

3.1 鋯石U--Pb年代學

圖3 龍江地區早白堊世二長花崗巖的鋯石U--Pb諧和圖及陰極發光(CL)圖像Fig.3 Zircon U--Pb concordia diagram and CL image of Early Cretaceous monzogranite from Longjiang area

為了準確厘定大興安嶺北段龍江地區頭道溝二長花崗巖的形成時代，對樣品(13GW248)進行LA--ICP--MS鋯石U--Pb同位素分析(表1)。陰極發光圖像(CL)顯示鋯石多呈自形--半自形棱柱狀，自形程度較好，具有清晰的振蕩生長環帶和韻律結構(圖3)，結合其較高的Th/U比值(0.35～1.26)，表明其為巖漿成因鋯石[18]。鋯石U--Pb測試結果如表1和圖3所示。

對樣品13GW248(采樣位置坐標：47°39′32.9″N，122°33′21.4″E)的23個鋯石顆粒進行測試分析，結果顯示除13GW248--7測試點的206Pb/238U年齡值為203±3 Ma (圖3)，可能代表捕獲鋯石年齡，其余22個測試點的年齡均較年輕，其206Pb/238U年齡值介于125～133 Ma之間，加權平均年齡為129±2 Ma(n=22，MSWD=0.23)，表明龍江地區頭道溝二長花崗巖的結晶時代為早白堊世。

表1 龍江地區早白堊世二長花崗巖LA--ICP--MS 鋯石U--Pb定年結果

注：13GW248--5點由于鋯石顆粒過小，被打穿，故未將該測試點列入表內。

3.2 巖石地球化學特征

3.2.1 主量元素特征

大興安嶺北段龍江地區早白堊世頭道溝二長花崗巖的SiO2含量為74.23%～75.88%，全堿含量(K2O+Na2O)介于8.26%～9.44%之間，Al2O3含量變化范圍為12.61%～13.60%。此外，花崗巖樣品的TFe2O3(0.86%～1.30%)和MgO含量(0.14%～0.27%， Mg#值=22.5～32.9)明顯較低(表2)。在火山巖(K2O+Na2O)- SiO2分類圖解中(TAS)，花崗巖樣品均落入亞堿性范圍內[19](圖4a)。在SiO2-K2O分類圖中，花崗巖樣品均屬于高鉀鈣堿性系列[20](圖4b)。在A/CNK-A/NK圖解中，樣品表現為準鋁質--弱過鋁質系列特征[21](圖4c)，相應的鋁飽和指數(A/CNK值)為1.03～1.11。

表2 龍江地區早白堊世二長花崗巖主量元素(10-2)和微量元素(10-6)分析結果

3.2.2 微量元素特征

大興安嶺北段龍江地區早白堊世二長花崗巖的稀土元素總量變化范圍較大，其ΣREE介于85.2×10-6～320.0×10-6之間，平均值為169.2×10-6(表2)。在球粒隕石標準化稀土元素配分模式圖上，花崗巖樣品表現為右傾型，富集輕稀土元素(LREEs)，虧損重稀土元素(HREEs)，具有較高的(La/Yb)N比值(7.4～68.9)[22](圖5a)，暗示原始巖漿在演化過程中曾發生強烈的輕重稀土元素分餾作用。此外，花崗巖樣品具有明顯--中等的銪負異常(δEu=0.50～0.85，平均值為0.69)。在原始地幔標準化微量元素蛛網圖中[23](圖5b)，龍江地區頭道溝二長花崗巖樣品具有虧損Nb、Ta、P、Ti等高場強元素，富集Rb、K等大離子親石元素和Th、U等高場強元素的地球化學屬性(表2)。

3.3 Lu--Hf同位素特征

在鋯石U--Pb同位素測試分析的基礎上，本文對14顆鋯石進行Lu--Hf同位素研究(表3)。其中，13顆巖漿鋯石(～129 Ma)的176Hf/177Hf比值介于0.282 883～0.282 976之間，相應的εHf(t)值和Hf二階段模式年齡(TDM2)分別為+6.6～+12.3和549～760 Ma[24](圖6)。此外，單個捕獲鋯石(～203 Ma)的176Hf/177Hf比值為0.283 058，相應的εHf(t)值和Hf二階段模式年齡(TDM2)分別為+12.7和374 Ma[24]。

圖4 龍江地區早白堊世二長花崗巖TAS圖解[19] (a)，K2O- SiO2圖解[20](b)和A /NK-A/CNK圖解[21](c)Fig.4 TAS (a)，K2O versus SiO2 (b) and A/NK versus A/CNK (c) diagrams for Early Cretaceous monzogranite from Longjiang area

圖5 龍江地區早白堊世二長花崗巖稀土元素配分模式圖[22](a)和微量元素蛛網圖(b) [23]Fig.5 Chondrite-normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spidergrams (b) of Early Cretaceous monzogranite from Longjiang area

圖6 龍江地區早白堊世二長花崗巖εHf(t)-T(Ma)圖解[24]Fig.6 Diagram of εHf(t)-T(Ma) for Early Cretaceous monzogranite from Longjiang area

表3 龍江地區早白堊世二長花崗巖鋯石Hf同位素分析結果

4 討論

4.1 形成時代

大興安嶺地區廣泛出露花崗質巖石，其主要巖性包括堿長花崗巖、二長花崗巖和花崗閃長巖[5,7]。前人研究已基本確定大興安嶺地區中生代花崗巖的巖漿期次可劃分為中--晚三疊世(235～225 Ma)、早--中侏羅世(182～175 Ma)和早白堊世(140～125 Ma)[10]。研究區位于大興安嶺北段龍江地區，大規模出露晶洞二長花崗巖，前人依據巖石組合類型類比的方法將其劃為混合花崗巖，但缺少高精度同位素年齡數據的支持[4]。為此，通過對龍江地區頭道溝二長花崗巖進行鋯石U--Pb同位素測試，結果顯示其結晶年齡為129±2 Ma，表明龍江地區頭道溝二長花崗巖為早白堊世巖漿作用的產物。結合鄰區報道的阿爾山綠水堿長花崗巖(139 Ma)[25]、蛤蟆溝林場花崗巖(126～137 Ma)[26]、扎蘭屯西部畢家店巖體(128～139.5 Ma)[27]和愛林源巖體(132～137 Ma)等[28]，以及大興安嶺地區已報道的大規模同時期的火山巖[29--30]，表明早白堊世為大興安嶺地區構造--巖漿活動的高峰期。

4.2 巖石成因

4.2.1 成因類型

依據源區特征和構造背景，花崗巖的成因分類可普遍劃分為I型、S型、M型和A型，為花崗巖的相關研究提供新的思路[31--32]。上述研究表明龍江地區早白堊世二長花崗巖具有高硅、富堿、貧鐵和貧鎂的地球化學屬性，并且富集大離子親石元素Rb、K和高場強元素Th、U，虧損高場強元素Nb、Ta、Ti和P，表明其與大陸地殼物質具有明顯的親緣性。結合花崗巖中少量的捕獲鋯石，因而可以排除其屬于M型花崗巖的可能。其次，龍江地區早白堊世二長花崗巖屬于準鋁質--弱過鋁質系列，巖相學研究也并未發現典型的過鋁質礦物，如紅柱石、堇青石、白云母和石榴子石等，反而出現黑云母、角閃石和榍石等礦物組合類型，表明其并不屬于S型花崗巖。同時，樣品表現出P2O5和SiO2的負相關(表2)以及Rb和Th的正相關(表2)[33]，因此初步推斷大興安嶺龍江地區早白堊世二長花崗巖可能為I型或A型花崗巖。由于A型花崗巖和高分異I型花崗巖在礦物組合和化學成分上的相似性，準確區分二者需要基于多方面的綜合考慮。首先，Whalen等[31]將10 000×Ga/Al值作為區分A型和其他類型花崗巖的重要指標：龍江地區早白堊世二長花崗巖的10 000 Ga/Al介于2.1～2.5，平均值為2.2，明顯<2.6。其次，龍江地區早白堊世二長花崗巖中并未發育堿性暗色礦物，如鈉鐵閃石、鈉閃石和霓輝石等，表明其可能并不屬于A型花崗巖。此外，在Whalen[31]和Eby[2]等提出的以Zr+Nb+Ce+Y為基礎的判別圖解中，所有巖石樣品均落入高分異I型花崗巖區域(圖7)。綜合樣品的鋯飽和溫度(739～751℃)和較低的Zr(<250×10-6)、Nb(<20×10-6)、Ce(<100×10-6)、Y(<80×10-6)含量(均低于典型A型花崗巖)，認為龍江地區早白堊世二長花崗巖為高分異I型花崗巖。

圖7 龍江地區早白堊世二長花崗巖成因類型判別圖解Fig.7 Discrimination diagrams of genetic types for Early Cretaceous monzogranite from Longjiang area

4.2.2 分離結晶

在哈克圖解中，龍江地區早白堊世頭道溝二長花崗巖的主要氧化物與SiO2均顯示良好的線性演化趨勢(除K2O，表2)，結合它們基本一致的不相容元素比值(Ti/Y、Zr/Hf及La/Ce)，表明巖漿曾經歷一定程度的分離結晶作用[34]。其中，樣品具有Al2O3與SiO2的負相關變化(表2)，結合其Eu負異常和Sr虧損特征，暗示巖漿發生了斜長石的結晶分異作用。同時，隨著SiO2含量的升高，TFe2O3和MgO的含量逐漸減少(表2)，暗示角閃石和黑云母等暗色礦物的結晶分異過程[35]。此外，Ti、P 的強烈虧損也反映巖漿經歷了磷灰石和鈦鐵礦的分離結晶作用(圖5 b)。

4.2.3 源區性質與地殼增生

目前，有關花崗巖成因的認識主要存在以下2種主流觀點：①源于地殼物質的部分熔融過程；②中基性巖漿經歷強烈的分離結晶作用。首先，區域地質資料顯示龍江地區頭道溝二長花崗巖分布面積較廣(約80 km2)且多呈獨立的巖基狀產出，結合缺失同時期中基性巖漿活動的報道，基本可以排除結晶分異的成因模式。其次，上述研究表明頭道溝巖體具有高鉀鈣堿性的特性，屬于高分異I型花崗巖，具有高硅，富堿，貧鐵、鎂、鈣的特征，且富集大離子親石元素和輕稀土元素，虧損高場強元素和重稀土元素，暗示其原始巖漿可能為地殼物質部分熔融的產物[34]。同時，該認識得到不相容元素比值特征的支持，例如龍江地區頭道溝二長花崗巖的Zr/Hf與Nb/Ta比值分別為26.2～31.5(平均值27.8)和8.8～14.7(平均值10.9)，它們與原始地幔的相應值(37和17.8)相差甚遠，反而接近地殼的相應值(33和11)[23]。Rb/Sr比值介于0.51～0.74(平均值0.64)，位于殼源巖漿的范圍(>0.5)，而不同于原始地幔(0.03)、E--MORB(0.033)和OIB(0.047)的相應值。同時，Ti/Zr(10.5～13.4)、Ta/U(0.38～0.54)和Nb/U(3.32～7.18)等微量元素比值也更接近地殼的相應值[23]。除此之外，龍江地區早白堊世頭道溝二長花崗巖中巖漿鋯石的Hf同位素組成較為均一(即176Hf/177Hf比值介于0.282 883～0.282 976)，相應的εHf(t)值均為正值(+6.6～+12.3)，在εHf(t)-T(Ma)圖解中(圖6)，所有測試數據點均靠近虧損地幔演化線，偏離古老地殼Hf演化線，落在虧損地幔和球粒隕石演化線之間的區域[24]。結合其較年輕的Hf二階段模式年齡(TDM2為549～760 Ma)，暗示龍江地區頭道溝二長花崗巖源于新元古代新增生的下地殼物質的部分熔融，這與興安地塊新元古代—顯生宙期間發生的大規模地殼增生事件的認識相一致[14]。值得注意的是，龍江地區頭道溝二長花崗巖樣品具有明顯較低的Yb(0.84×10-6～1.88×10-6)和Y(7.25×10-6～15.7×10-6)含量，表明石榴子石可能作為殘留相滯留在巖漿源區[34--35]。

4.3 構造意義

圖8 龍江地區早白堊世二長花崗巖構造環境判別圖解[26]Fig.8 Discrimination diagram for tectonic setting of Early Cretaceous monzogranite from Longjiang area

中生代以來，大興安嶺地區作為東亞大陸邊緣最為活躍的區域之一，構造--巖漿活動強烈，因此，大興安嶺中生代花崗巖和火山巖作為該期巖漿作用的表現產物，可能包含反演東北地區中生代構造體制演化的關鍵信息。上述研究顯示：大興安嶺北段龍江地區主要出露二長花崗巖，形成于早白堊世，并具有高分異I型花崗巖的屬性。同時，花崗巖樣品富集大離子親石元素(Rb、Ba和K)，虧損高場強元素(Nb、Ta、Ti和P)，指示弧型巖漿巖的地球化學特征。在構造環境判別圖解中(圖8)，花崗巖樣品均落入火山弧(VAG)區域，顯示活動大陸邊緣的構造屬性[36]，該認識同時得到研究區頭道溝二長花崗巖鋯石飽和溫度證據的支持(介于739℃～751℃，平均為745℃，屬于低溫花崗巖)，暗示龍江地區頭道溝二長花崗巖的形成過程可能與俯沖作用相關，且存在流體的參與。然而，近期研究顯示：大興安嶺地區除發育包括研究區在內的早白堊世高分異I型花崗巖外，還出露有同時期的A型花崗巖[25--26, 37--39]，如臥都河巖體、明水—吉拉斯臺—索倫軍馬場巖體、碾子山巖體、南興安巖體和蛤蟆溝林場巖體等。Wu et al.[40]認為早白堊 A 型花崗巖屬于非造山 A1型花崗巖，其形成與板內拉張有關，該認識同時得到變質核雜巖(如內蒙古甘珠爾廟變質核雜巖)、拉張盆地(如內蒙古海拉爾盆地)以及同時期的堿性流紋巖(如光華組堿流巖)和雙峰式火山巖(如扎蘭屯地區雙峰式火山巖)的支持[28]。那么，造成這種大規模伸展構造背景的地球動力學機制究竟與蒙古—鄂霍茨克洋碰撞造山后的重力垮塌有關，還是與古太平洋板塊西向俯沖作用相關？前人研究成果顯示，大興安嶺地區早白堊世花崗巖和火山巖均分布在賀根山—黑河縫合線附近和松遼盆地以西的地區，大致呈北北東向(NNE) 展布，其分布模式與由西南向東北呈剪刀式閉合的蒙古—鄂霍茨克洋構造域明顯不同。其次，蒙古—鄂霍茨克洋具有自西向東呈剪刀式閉合的特點，其最終閉合時間目前仍存在較大爭論，且該地區尚未發現典型的后碰撞或后造山階段的巖漿及變質事件，因此筆者認為早白堊世巖漿作用與蒙古—鄂霍茨克洋碰撞造山后的重力垮塌無關。相反，結合龍江地區頭道溝花崗巖活動大陸邊緣的構造屬性和低溫特征，其形成可能與古太平洋板塊西向俯沖作用有關[9]。目前，前人研究成果已基本確定古太平洋板塊在早侏羅世期間對中國東北地區啟動西向俯沖，造就了東北地區南北走向的早侏羅世“弧型”侵入巖和火山巖[41]。中--晚侏羅世期間，大興安嶺地區廣泛發育具俯沖帶性質的埃達克巖，暗示大興安嶺地區遭受古太平洋板塊持續俯沖，使得下地殼增厚[42--43]。晚侏羅世—早白堊世期間，由于古太平洋板塊相對亞洲大陸板塊運動方向的改變，導致東北亞地區的構造應力場由擠壓轉換為伸展機制，壓力釋放使得增厚的下地殼密度失穩而引發拆沉，導致地幔物質上涌，加熱下地殼物質，由此引發新元古代新增生的地殼物質部分熔融，造就東北地區規模巨大的巖漿事件[9]。綜上所述，本文認為大興安嶺北段龍江地區早白堊世二長花崗巖形成于伸展環境，可能與古太平洋板塊西向俯沖引發的拆沉作用相關。

5 結論

(1)大興安嶺北段龍江地區頭道溝二長花崗巖形成于129±2 Ma(早白堊世)。

(2)大興安嶺北段龍江地區早白堊世二長花崗巖屬于高鉀鈣堿性系列，為高分異I型花崗巖，其巖漿源于新元古代新增生的地殼物質的部分熔融。

(3)大興安嶺北段龍江地區早白堊世二長花崗巖的形成與古太平洋板塊西向俯沖引發的拆沉作用相關。