吉林中部敖花村角閃輝長巖鋯石U-Pb定年、Hf同位素和巖石地球化學特征

孫永剛，李碧樂，王永勝，李 良，張學海，趙昌吉，李翱鵬

(1.吉林大學 地球科學學院，吉林 長春 130061；2.吉林省地質調查院，吉林 長春 130102；3.云南大學 地球科學學院，云南 昆明 650000)

東北地區位于中亞造山帶的最東段，自西向東由額爾古納地塊、興安地塊、松嫩地塊、佳木斯地塊和那丹哈達地體組成(圖1a；Wuetal.，2011)。該地區不僅記錄了古亞洲洋的最終閉合，而且記錄了古太平洋板塊向歐亞大陸下的俯沖作用(Tangetal.，2018；Wangetal.，2019)。但是古太平洋板塊俯沖開始的時間仍有爭議，大多數研究人員認為古太平洋板塊的俯沖開始于早中侏羅世(孫德有等，2005；Wuetal.，2007；裴福萍等，2008；Zhouetal.，2009；Yuetal.，2012；Xuetal.，2013；Guoetal.，2015)，然而也有學者認為俯沖開始于三疊紀(趙春荊等，1996；Wilde，2015；Yangetal.，2015)，甚至是早二疊世(Ernstetal.，2007；Sunetal.，2015)。東北地區顯生宙花崗巖類分布廣泛，前人已經對這些花崗巖進行了大量的地質年代學和地球化學研究(葛茂卉等，2020)，但是花崗巖形成環境的多樣性(Maniar and Piccoli，1989)也造成了關于古太平洋板塊俯沖開始時間的爭議。基性侵入巖對于研究構造背景具有重要意義，但是東北地區基性侵入巖的地質年代學和巖石成因研究很少，這主要是因為基性侵入巖只零星出現，而且相對于花崗巖類的規模小很多(Yuetal.，2012；Guoetal.，2015；Wangetal.，2017)。吉林省中部地區位于松嫩地塊東緣，小興安嶺-張廣才嶺地區南部(圖1a)，是研究古亞洲洋和環太平洋構造域疊加-過渡的理想場所。因此，本文選取吉林中部地區新發現的敖花村角閃輝長巖進行鋯石U-Pb定年、Hf同位素和巖石地球化學研究，對角閃輝長巖的形成時代、巖漿源區和構造背景進行了探討，這些資料對于研究東北地區中生代構造背景和古亞洲洋向環太平洋構造域轉變的時間具有重要意義。

圖1 中國東北地區構造簡圖(a，據Wu et al.，2011修改)和敖花村及周邊地區地質圖(b)Fig.1 Tectonic setting map of Northeast China (a，modified after Wu et al.，2011) and geological map of Aohua Village and its surrounding areas (b)

1 地質背景及樣品描述

角閃輝長巖巖體主要出露在吉林省舒蘭市敖花村附近，角閃輝長巖出露面積約0.67 km2，侵入到中二疊統范家屯組灰綠色變質細砂巖之中，北側被下白堊統登樓庫組灰-灰褐色含礫粗砂巖、粉砂巖不整合覆蓋，西側被第四系沉積物覆蓋，北東側被北東向右行走滑斷層切割(圖1b)。角閃輝長巖的新鮮面呈灰黑色，輝長結構，塊狀構造。巖石主要成分為斜長石(45%～50%，體積分數)、輝石(25%～30%)和角閃石(20%～25%)(圖2)。

圖2 敖花村角閃輝長巖顯微照片(+)Fig.2 Microphotographs of the hornblende gabbro in Aohua Village(+)Pl—斜長石；Hb—角閃石；Px—輝石Pl—plagioclase；Hb—hornblende；Px—pyroxene

2 分析方法

鋯石的分選、制靶和CL圖像的采集均在廊坊市尚藝巖礦檢測技術服務有限公司完成，將分選好的鋯石置于雙目鏡下，選擇無裂隙、透明、無包裹體的鋯石顆粒，將其制成環氧樹脂樣品靶。LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素定年在北京燕都中實測試技術有限公司完成，激光剝蝕系統為New Wave UP213，ICP-MS為德國耶拿M90。測試剝蝕光斑直徑為30 μm，頻率為10 Hz，能量密度約為2.5 J/cm2。采用鋯石標準91500作為外標進行同位素分餾校正，每分析12個樣品點，分析2次91500，并分析1次Plěsovice標樣作為監控。數據處理采用GLITTER 4.0完成，鋯石U-Pb諧和及加權年齡的計算采用ISOPLOT 3.0完成。

全巖主微量和稀土元素的測試在北京燕都中實測試技術有限公司完成，先將巖石粗碎至厘米級，選取新鮮樣品用純化水洗凈，烘干、粉碎至200目以備測試使用。主量元素測試先將粉末樣品稱量后加Li2B4O7(1∶8)助熔劑混合，利用融樣機加熱至1 150 ℃，使其在鉑金坩堝中熔融成均一玻璃片體，再使用XRF(Zetium，Panalytical)測試，測試結果誤差小于1%。全巖的Fe2O3和FeO含量分別采用磺基水楊酸光度法和重鉻酸鉀溶液滴定法測定。微量元素測試先將200目粉末樣品稱量并置放入聚四氟乙烯溶樣罐并加入HF+HNO3，在干燥箱中將高壓消解罐保持在190 ℃溫度72 h，后取出經過趕酸并將溶液定容為稀溶液上機測試。使用ICP-MS(M90，Analytikjena)完成，所測數據根據監控標樣GSR-2顯示誤差小于5%，部分揮發性元素及極低含量元素的分析誤差小于10%。

鋯石原位Lu-Hf同位素測試在北京燕都中實測試技術有限公司完成，儀器為美國熱電Neptune-plus MC-ICP-MS與激光燒蝕進樣系統New Wave UP213。測試步驟與校準方法類似于Wu 等(2006)，鋯石剝蝕使用頻率為8 Hz，能量為16 J/cm2的激光剝蝕31 s，剝蝕出直徑約30 μm的剝蝕坑，測試時，由于鋯石中的176Lu/177Hf值極低(一般<0.002)，176Lu對176Hf的同位素干擾可以忽略不計，每個測試點的173Yb/172Yb平均值用于計算Yb的分餾系數，然后再扣除176Yb對176Hf的同質異位素干擾。173Yb/172Yb的同位素比值為1.352 74。

3 分析結果

3.1 LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年

敖花村角閃輝長巖中的鋯石普遍具有巖漿振蕩環帶，鋯石晶體長軸130～230 μm，短軸80～170 μm，多呈半自形-它形，鋯石的邊部出現港灣狀的外形特征，溶蝕結構明顯，極可能是受到了熱液蝕變作用的影響。但是本次研究只選取未受到熱液蝕變作用影響的鋯石晶域進行U-Pb定年(圖3)，因此同樣可以得到原巖的形成年齡(Liatietal.，2002；Tomascheketal.，2003)。

圖3 敖花村角閃輝長巖鋯石CL圖像(實線圓圈為U-Pb定年位置，虛線圓圈為Lu-Hf同位素分析位置)Fig.3 Cathodoluminescence (CL) images of zircons from the hornblende gabbro in Aohua Village(the solid and dashed circles represent spots for U-Pb and Lu-Hf analysis,respectively)

鋯石24個測試點的Th和U的含量分別為57.82×10-6～947.78×10-6和61.82×10-6～1 091.64×10-6，Th/U值為0.61～1.74(表1)，均大于0.10，表明該組鋯石為巖漿成因的鋯石(Wu and Zheng，2004)。基性-超基性巖由于Si含量低(SiO2<53%)，而且Zr含量相比中酸性巖低，導致基性-超基性巖中鋯石(ZrSiO4)的含量較少，但是通過增加用于鋯石分選的基性-超基性巖石樣品量，可以最大限度地規避這一問題。國內外近年來也有大量關于基性-超基性巖可靠的鋯石成巖年齡數據相繼發表(Yuetal.，2012；王冠等，2014；奧琮等，2015；Guoetal.，2015；劉金龍等，2016；閆佳銘等，2016；Zhaoetal.，2019；葛茂卉等，2020；Sunetal.，2020；Yanetal.，2020)。本次研究采集大量的角閃輝長巖樣品進行鋯石分選，得到24個測試點的206Pb/238U加權平均年齡為180.3 ± 2.3 Ma(圖4b)，代表敖花村角閃輝長巖的結晶年齡，屬于早侏羅世。

圖4 敖花村角閃輝長巖鋯石U-Pb年齡諧和圖(a)和加權平均年齡圖(b)Fig.4 Concordia diagram (a) and weighted average ages diagram (b) showing zircon U-Pb dating result of the hornblende gabbro in Aohua Village

表1 敖花村角閃輝長巖鋯石U-Pb同位素定年數據Table 1 Zircon U-Pb isotopic dating results of the hornblende gabbro in Aohua Village

3.2 巖石地球化學特征

敖花村角閃輝長巖具有低Si和Al，高Fe、Mg和Ca的特點。樣品SiO2含量為45.02%～47.58%，Al2O3含量為12.26%～13.69%，TFe2O3含量為11.20%～13.74%，MgO含量為11.32%～15.13%，CaO含量為7.34%～9.65%，TiO2含量為0.65%～1.30%(表2)。

表2 敖花村角閃輝長巖樣品主量元素(wB/%)、稀土元素和微量元素(wB/10-6)含量及有關參數Table 2 Major (wB/%),REE and trace element (wB/10-6) content and parameters of the hornblende gabbro in Aohua Village

敖花村角閃輝長巖的ΣREE為46.95×10-6～72.37×10-6，Eu具弱負異常(δEu = 0.67～0.98)。LREE/HREE = 4.96～5.97，(La/Yb)N值為4.37～5.70，輕稀土元素富集，重稀土元素虧損，稀土元素配分曲線表現為明顯右傾(圖5a)。原始地幔標準化微量元素蛛網圖中顯示(圖5b)，敖花村角閃輝長巖樣品富集大離子親石元素(如Rb、Ba、U、K和Sr)，虧損高場強元素(如Nb、Ta和Ti)和P元素。

圖5 敖花村角閃輝長巖稀土元素球粒隕石標準化配分曲線(a，球粒隕石標準化值據Boynton，1984；N-MORB值據Sun and Mcdonough，1989)和微量元素原始地幔標準化蛛網圖(b，原始地幔標準化值據Sun and Mcdonough，1989)Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns (a，chondrite-normalized values after Boynton，1984；N-MORB values after Sun and McDonough，1989) and primitive-mantle normalized trace elements spider diagram (b，primitive-mantle normalized values after Sun and Mcdonough，1989) for the hornblende gabbro in Aohua Village

3.3 鋯石Hf同位素

敖花村角閃輝長巖樣品中鋯石的176Hf/177Hf值為0.282 932～0.282 980，εHf(t)值為9.6～11.3，測試點均投在球粒隕石演化線和虧損地幔演化線之間(圖6)，鋯石Hf同位素單階段模式年齡(tDM1)為447～381 Ma，二階段模式年齡(tDM2)為612～504 Ma(表3)。

圖6 敖花村角閃輝長巖鋯石Hf同位素圖解(興蒙造山帶和燕山褶皺帶數據據Yang et al.，2006)Fig.6 Zircon Hf isotopic diagram for the hornblende gabbro in Aohua Village(data for Xing-Meng Orogenic Belt and Yan-shan Fold-Thrust Belt after Yang et al.，2006)

4 討論

4.1 分離結晶、地殼混染和堆晶作用

敖花村角閃輝長巖地球化學成分的變化范圍相對有限，再加上其高的Mg#值(62.7～72.6)和Cr含量(262×10-6～370×10-6)，表明其母巖漿經歷了非常有限的分離結晶作用(Zhangetal.，2015)。角閃輝長巖同樣沒有經歷明顯的地殼混染，證據如下：① 樣品的Lu/Yb值低且恒定(0.14～0.16)，類似于幔源巖漿的范圍(0.14～0.15)，卻低于陸殼巖漿范圍(0.16～0.18)(Sun and McDonough，1989)；② 地殼物質明顯富集Zr和Hf，因此地殼混染會使Zr和Hf富集，但是角閃輝長巖樣品并沒有顯示明顯的Zr和Hf正異常(圖5b)；③ 樣品中沒有地殼捕虜體或捕獲晶，表明沒有或很少發生地殼混染。另外，角閃輝長巖的堆晶作用也不明顯，證據如下：① Eu在斜長石中非常富集，但敖花村角閃輝長巖具有弱的負Eu異常(馮光英等，2018；楊澤黎等，2018)；② 角閃輝長巖巖體不發育堆晶層理(圖略)，同樣鏡下也并未見到典型的堆晶結構(圖2)；③ 在AFM 圖解(圖7)中，樣品均位于鎂鐵質-超鎂鐵質堆晶巖區域之外。

圖7 敖花村角閃輝長巖AFM圖解(據Coleman，1977)Fig.7 AFM diagram for the hornblende gabbro in Aohua Village(after Coleman，1977)UMC—鎂鐵質-超鎂鐵質堆晶巖UMC—mafic-ultramafic cumulates

綜上，分離結晶、地殼混染和堆晶作用對敖花村角閃輝長巖的形成貢獻不大，所以可以利用它的地球化學組成來研究其巖漿源區。

4.2 巖漿源區

基性-超基性巖通常起源于巖石圈地幔或軟流圈地幔(Caietal.，2012；Yanetal.，2019)。敖花村角閃輝長巖富集LILEs和LREEs，虧損HFSEs(Nb、Ta、Zr和Hf)，與親島弧的玄武巖相似，明顯不同于來自軟流圈地幔的正常型洋中脊玄武巖(N-MORB)(圖5a；Pearceetal.，1984；Crawfordetal.，1987；Davidson，1987)。角閃輝長巖樣品較高的La/Nb值(1.69～3.45)和La/Ta值(28.7～85.7)也表明其來源于巖石圈地幔(La/Nb>1，La/Ta>20；Fittonetal.，1988；Thompson and Morrison，1988)而非軟流圈地幔(La/Nb<1，La/Ta≈10；Fittonetal.，1988；Thompson and Morrison，1988)。此外，在Th/Yb-Nb/Yb圖解(圖8a)中，角閃輝長巖樣品的數據投影于MORB-OIB陣列之上，位于俯沖改造的巖石圈地幔起源的原始鎂鐵質熔體數據區域，表明它們的源區經歷了俯沖交代作用(Sunetal.，2020)。通過Th/Nb、Ba/Th、Th/Yb和Ba/La值可以有效地識別俯沖沉積物熔體和板片流體。在Ba/Th-Th/Nb和Ba/La-Th/Yb圖解中(圖8b、8c)，角閃輝長巖樣品顯示源區經歷了板片流體的改造。而且，樣品中存在大量角閃石(20%～25%)，由于角閃石等含水礦物只有在水達到飽和的情況下才結晶(Botcharnikovetal.，2008)，也說明原始巖漿的含水量較高(Ridolfietal.，2010)，與流體交代地幔源區的特征一致(圖8b，c)。在La/Ba-La/Nb圖解(圖8d)中，角閃輝長巖呈現出向大陸巖石圈地幔區域靠攏的趨勢，同樣暗示其巖石圈地幔源區。對于地幔來源的玄武質巖石而言，如果鋯石Hf同位素模式年齡(tDM1)與其形成年齡相近，表明該巖石來源于虧損地幔(吳福元等，2007)，而且來源于虧損地幔的玄武質巖石通常具有高的εHf(t)值(>10；Zhongetal.，2017；Yanetal.，2019)。敖花村角閃輝長巖的鋯石εHf(t)值高且均一(9.6～11.3；表3)，鋯石Hf同位素模式年齡(tDM1)為447～381 Ma，與鋯石結晶年齡相近，顯示其虧損地幔特征。

表3 敖花村角閃輝長巖鋯石Lu-Hf同位素組成Table 3 Zircon Lu-Hf isotopic compositions of the hornblende gabbro in Aohua Village

圖8 敖花村角閃輝長巖Th/Yb-Nb/Yb(a，底圖據Pearce，2008；俯沖改造的巖石圈和軟流圈地幔起源的原始鎂鐵質熔體數據據Leat et al.，2002)、Ba/Th-Th/Nb(b，據Hanyu et al.，2006)、Ba/La-Th/Yb(c，據Hanyu et al.，2006)和La/Ba-La/Nb(d，據Saunders et al.，1992)圖解Fig.8 Th/Yb-Nb/Yb(a，after Pearce,2008；data for primitive mafic melts derived from subduction-modified lithospheric and asthenospheric mantle after Leat et al.，2002)，Ba/Th-Th/Nb(b，after Hanyu et al.，2006)，Ba/La-Th/Yb(c，after Hanyu et al.，2006) and La/Ba-La/Nb(d，after Saunders et al.，1992) diagrams of the hornblende gabbro in Aohua VillageN-MORB—正常型洋中脊玄武巖；E-MORB—富集型洋中脊玄武巖；OIB—洋島玄武巖；HIMU—高U/Pb地幔N-MORB—normal mid-ocean ridge basalt；E-MORB—enriched mid-ocean ridge basalt；OIB—ocean island basalt；HIMU—high U/Pb mantle source

綜上所述，筆者認為敖花村角閃輝長巖起源于板片流體交代的虧損巖石圈地幔。

4.3 構造背景

敖花村角閃輝長巖的源區受到大洋板片俯沖流體的改造，但是俯沖板片流體的來源無法確定，因為小興安嶺-張廣才嶺地區的巖石圈地幔經歷了俯沖板片流體或沉積物熔體的多次改造(Yuetal.，2012)。東北地區顯生宙構造演化主要受控于古亞洲洋俯沖和隨后的古太平洋板塊俯沖疊加(Mengetal.，2011；Wuetal.，2011；Xuetal.，2013；郭鋒，2016)。那么敖花村角閃輝長巖的形成具體是受古亞洲洋還是古太平洋的影響，東北地區東段早中生代火成巖組合及時空分布是討論這一問題的關鍵。

東北地區東段晚三疊世火成巖主要分布于索倫-西拉木倫-長春縫合帶兩側，構成東西向火成巖帶(Xuetal.，2013；Tangetal.，2018)，構成雙峰式火成巖組合(Caoetal.，2013；Xuetal.，2013；Wangetal.，2015；Tangetal.，2018)。而且，華北克拉通北緣東段及其鄰近的縫合帶上均缺失240～225 Ma的沉積作用，但普遍發育晚三疊世磨拉石建造，表明該地區已從造山隆起演化為造山后伸展環境(Liuetal.，2017；Tangetal.，2018；Wangetal.，2018)。因此，東北地區東段晚三疊世巖漿活動形成于與古亞洲洋最終閉合有關的造山后伸展環境，與古太平洋板塊的俯沖無關。

Yu 等(2012)報道了小興安嶺-張廣才嶺地區早侏羅世(186～182 Ma)南北向鎂鐵質侵入巖帶，這些鎂鐵質巖石產于與古太平洋俯沖密切相關的弧后環境，來源于受俯沖流體交代的地幔楔部分熔融，本次的研究也證實了這一巖漿源區。另外，延邊地區早侏羅世(188～173 Ma)鎂鐵質侵入巖同樣顯示出與古太平洋板塊俯沖相關的元素和同位素特征，是由俯沖沉積物熔體交代虧損地幔楔而形成的(Guoetal.，2015；Zhaoetal.，2019)。空間上，延邊地區早侏羅世鎂鐵質侵入體代表了南北向鎂鐵質弧巖漿帶的南部范圍(Zhaoetal.，2019)。值得注意的是，這一南北向鎂鐵質侵入巖帶近平行于歐亞大陸東緣、近垂直于當時古太平洋板塊的運動方向(Engebretsonetal.，1985)。因此，東北地區東段早侏羅世鎂鐵質侵入巖極有可能記錄了古太平洋俯沖作用的開始。與古太平洋板塊俯沖有關的早侏羅世增生雜巖已在歐亞大陸的東緣廣泛發現(Fukuyamaetal.，2013；Safonova and Santosh，2014)，也支持了這一觀點。而且，吉黑東部發育早中侏羅世輝長巖、閃長巖、花崗閃長巖、二長花崗巖和正長花崗巖的侵入巖組合(Tangetal.，2016；Maetal.，2017；Wangetal.,2017)，與活動大陸邊緣環境中的巖石組合一致(Miyashiro，1974；Ewart，1982；Barbarin，1999)。這些巖石屬于鈣堿性系列，富集LILEs和虧損HFSEs(Tangetal.，2016；Maetal.，2017；Wangetal.,2017)，微量元素顯示典型的弧巖漿作用特征，亦表明這些巖石均形成于與俯沖作用有關的活動大陸邊緣環境中(Gill，1981；Wilson，1989)。因此，筆者認為吉黑東部早-中侏羅世巖漿事件與古太平洋板塊俯沖到歐亞大陸之下有關。這一解釋也得到了小興安嶺-張廣才嶺地區同時代雙峰世火成巖和A型花崗巖的支持，該套巖石組合無疑代表了伸展的構造環境，東北地區東段的早-中侏羅世火成巖自東向西由活動大陸邊緣的鈣堿性組合到陸內伸展組合發生變化，對此最好的解釋就是古太平洋板塊早侏羅世向西俯沖到歐亞大陸之下，小興安嶺-張廣才嶺地區包括鎂鐵質侵入巖在內的雙峰世火成巖和A型花崗巖是在俯沖的弧后背景下形成的(Yuetal.，2012；Xuetal.，2013)。

5 結論

(1) 鋯石LA-ICP-MS U-Pb同位素年代學研究表明敖花村角閃輝長巖的加權平均年齡為180.3 ± 2.3 Ma，形成于早侏羅世。

(2) 敖花村角閃輝長巖低Si和Al，富Fe、Mg和Ca，其鋯石εHf(t)值高且均一(9.6～11.3)，它的形成過程中分離結晶、地殼混染和堆晶作用不明顯，起源于板片流體交代的虧損巖石圈地幔。

(3) 古太平洋板塊向西俯沖到歐亞大陸之下開始于早侏羅世，敖花村角閃輝長巖形成于與古太平洋俯沖密切相關的弧后環境。