吉林敦化地區萬寶巖組碎屑鋯石UPbHf同位素組成：對區域構造演化的制約

摘要：為制約古亞洲洋在吉林東部地區的最終閉合時間，本文選取吉林省敦化地區萬寶巖組變質粉砂巖為研究對象，開展系統的碎屑鋯石微量元素組成和UPbHf同位素研究，確定了萬寶巖組的沉積時限和物源區特征，并通過碎屑鋯石微量元素獲得晚古生代地殼厚度的變化規律，探討了華北板塊北緣東段晚古生代的構造演化歷史。萬寶巖組由互層的大理巖、變質粉砂巖和變質細砂巖組成，碎屑鋯石定年結果顯示，萬寶巖組最年輕峰值年齡約為316 Ma，此外還存在355、398、1 842和2 360 Ma的峰值年齡。其中，古生代碎屑鋯石（409～312 Ma）以具有負的εHf（t）值（-15.32～-1.60）及新太古代—古元古代的TDM2年齡（2 293～1 480 Ma）為特征，侵入萬寶巖組閃長巖體的時期為276 Ma。綜合研究認為，敦化地區萬寶巖組沉積時限為312～276 Ma，即早二疊世時期，其沉積時限和巖石組合特征可與延邊地區的廟嶺組相對比。萬寶巖組中的古生代碎屑鋯石來自華北板塊太古宙—古元古代結晶基底物質的部分熔融。結合其中古元古代碎屑鋯石（62.9%）的大量出現，暗示敦化地區或/和附近地區存在華北板塊前寒武紀的結晶基底。通過地殼厚度計算表明，敦化地區和內蒙古地區晚古生代的地殼厚度變化趨勢一致，說明二者晚古生代的演化歷史趨于同步。約245 Ma地殼厚度達到最大（80 km），暗示了古亞洲洋的最終閉合。

關鍵詞：華北板塊北緣；晚古生代；碎屑鋯石；UPbHf同位素；地殼厚度；萬寶巖組；古亞洲洋

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230081

中圖分類號：P597；P56

文獻標志碼：A

Supported by the National Natural Science Foundation of China （41972053）" and the" 2022 Graduate Student Innovative Research Program Project of Jilin University （2022196）

UPbHf Isotopic Compositions of Detrital Zircons from Wanbao Formation in Dunhua Area of Jilin：Constraints on Regional Tectonic Evolution

Guan Zicheng，Pei Fuping，Wei Jingyang，Li Pengyi

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

Abstract： In this paper， the metamorphic siltstones of the Wanbao Formation in Dunhua， Jilin Province， were studied. The research included detailed analysis of detrital zircon trace elements and UPbHf isotopes to determine the sedimentary timeframe and source characteristics of the Wanbaoyan Formation. Further， the variation pattern of Late Paleozoic crustal thickness， inferred from detrital zircon trace elements， was used to explore the Late Paleozoic tectonic evolution history of the eastern part of the Northern margin of the North China plate. The Wanbao Formation consists of interbedded marble， metamorphic siltstone and metamorphic fine sandstone. The detrital zircon dating results show that the youngest peak age of the Wanbao Formation is ～316 Ma， in addition to peak ages of 355 Ma， 398 Ma， 1 842 Ma and 2 360 Ma. The Paleozoic detrital zircons （409312 Ma） have negative" εHf（t） values （-15.32-1.60） and a TDM2 age （2 2931 480 Ma） in the Neo-PaleozoicPaleozoic period， with the age of the amphibolite bodies intruding Wanbao Formation is 276 Ma. The comprehensive study concludes that the depositional timeframe of Wanbao Formation in Dunhua area is 312276 Ma， i.e.， the Early Permian period， and shares similarities in depositional timeframe and rock assemblage characteristics with the Miaoling Formation in Yanbian area. The Paleozoic detrital zircons in Wanbao Formation are derived from partial melting of materials from the Paleozoic-Tertiary crystalline basement of the North China plate. Furthermore， the prevalence of Precambrian detrital zircons （62.9%） implies the presence of Precambrian crystalline basement of the North China plate in or near the Dunhua area. The crustal thickness calculation shows a similar trend in Late Paleozoic crustal thickness between Dunhua and Inner Mongolia regions， indicating synchronized evolutionary histories. The crust reached its maximum （80 km） thickness at ～245 Ma， suggesting the final closure of the Paleo-Asian Ocean.

Key words： Northern margin of the North China plate;Late Paleozoic;detrital zircons;UPbHf isotopes;crustal thickness; Wanbaoyan Formation;Paleo-Asian Ocean

0 引言

中亞造山帶是一條古生代時期的巨型造山帶，夾持于華北板塊和西伯利亞板塊之間。古生代時期，中亞造山帶東段與古亞洲洋的演化密切相關[13]，是古亞洲洋俯沖作用和一系列不同類型的微陸塊相互碰撞拼貼的結果[24]；中、新生代受到環太平洋構造域及蒙古—鄂霍茨克構造域的疊加[3， 57]。目前，絕大多數學者認為古亞洲洋是沿索倫—西拉木倫—長春—延吉一線發生最終閉合[3， 811]。然而，對于古亞洲洋最終閉合時間仍存在爭議，主要包括以下觀點：早古生代末[12]、晚泥盆世—早石炭世[1314]、早中二疊世[1516]、早三疊世[1721]、晚三疊世早期[22]等幾種觀點。

延邊敦化地區位于長春—延吉縫合帶以南，是解決古亞洲洋俯沖歷史的關鍵地區之一。前人已經對延邊地區晚古生代—早中生代火成巖進行了鋯石UPb年代學、地球化學及同位素特征的研究[2， 20， 2325]，但火成巖在判別構造環境方面存在多解性。本文先對延邊敦化地區萬寶巖組進行了碎屑鋯石LAICPMS UPb年代學及Hf同位素研究，查明了萬寶巖組的沉積時限，確定了碎屑鋯石的年齡組成及其物源區；然后通過鋯石微量元素進行地殼厚度模擬計算，探討了索倫—西拉木倫—長春—延吉縫合帶晚古生代—早中生代的演化歷史和古亞洲洋最終閉合的時間。

1 地質背景及樣品描述

位處華北板塊北緣東段的延邊地區廣泛分布上石炭統天寶山組和山秀嶺組灰巖，以及二疊紀含火山巖地層，同時分布著二疊紀不同時期（早二疊世、中二疊世和晚二疊世）的侵入體（圖1a、b）和中生代含火山巖地層以及侵入體。萬寶巖組主要分布在敦化的石門子林場、安圖的萬寶鎮一帶，其北部可達敦化的朱蠻溝，另在龍井的南部也有零星出露，均呈大小不等的捕虜體分布在不同時代的花崗巖體中，分布面積約50 km2。其巖石組合主要為變質砂巖、變質粉砂巖及硅質條帶大理巖等。《吉林省區域地質志》[27]曾將其置于二疊系“廟嶺組”或寒武系—奧陶系“黃鶯屯組”。陳躍軍等[28]通過對萬寶鎮東側變質粉砂巖樣品中的微古植物分析，最終將該套地層的時代暫置于新元古代，并建立了萬寶巖組。該地層的沉積時限缺少同位素定年資料。

本文研究的萬寶巖組樣品11JHD101采于敦化地區萬寶鎮太平屯村東（GPS坐標：42°53′54.18″N、128°20′37.02″E）（圖1c），巖性為變質粉砂巖，變余粉砂結構，主要組成礦物有石英（約50%）、斜長石（約20%）以及黑云母（約30%）。石英呈粒狀，粒徑在0.06～0.50 mm之間；斜長石呈板狀，可見聚片雙晶，粒徑在0.08～0.50 mm之間；黑云母呈片狀，直徑在0.05～1.50 mm之間，呈定向不連續排列，分布在碎屑礦物粒間，應是膠結物和雜基經后期變晶重結晶作用形成（圖2）。

2 分析方法

2.1 年代學分析方法

鋯石礦物挑選在河北省廊坊市巖拓地質服務有限公司完成。鋯石礦物采用標準的重、磁分選技術從全巖樣品中提取。首先在雙目鏡下挑選出晶形較好、無明顯裂隙和礦物包體的鋯石顆粒；然后將選定的鋯石浸入環氧樹脂中，冷卻凝固后打磨拋光以顯示出鋯石的內部結構。鋯石的透射光、反射光和陰極發光圖像的采集工作在中國科學院地質與地球物理研究所完成。鋯石UPb測年實驗在中國地質大學（武漢）地質過程與礦產資源國家重點實驗室完成，應用Agilent 7500a ICPMS儀器上標準測定程序進行，詳細的實驗原理和流程見文獻[2931]。采用鋯石標準91500和玻璃標準物質NIST610作外標分別進行同位素和微量元素分餾校正，實驗儀器測試的激光束斑直徑和頻率分別為32"" μm和10 Hz。采用Andersen[32]提出的方法進行同位素比值的矯正，以扣除普通鉛的影響。利用Isoplot宏程序進行鋯石年齡諧和圖的繪制和年齡加權平均計算[33]。單個分析點的同位素比值和同位素年齡的誤差（標準偏差）為±1σ，206Pb/238U加權平均年齡以95%的置信度得出。

2.2 鋯石Hf同位素分析方法

鋯石Hf同位素測試在中國科學院地質與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室完成。測試工作在配有193 nm激光取樣系統的Neptune多接收電感耦合等離子體質譜儀（MCICPMS）上進行，儀器測試的運行條件和詳細的分析流程見文獻[34]。測定時用標準鋯石91500作外標，分析時激光束斑直徑為44 μm，所用的激光脈沖速率為6 Hz，激光束脈沖能量為100 mJ，對每個分析點的Yb和Hf的校正工作則主要是利用該分析點實測得出的平均值。

此外，基于本文對碎屑鋯石UPbHf同位素的研究分析，我們收集了延邊地區（索倫—西拉木倫—長春—延吉縫合帶以南）已發表晚古生代沉積巖碎屑鋯石數據以及二疊紀—三疊紀中酸性火成巖全巖微量地球化學數據。通過這些數據，利用（La/Yb）N[35]和Eu/Eu*[36]進行地殼厚度擬合，并將地殼厚度變化與該區域構造事件對比。

3 分析結果

3.1 鋯石UPb年代學

本文對敦化地區萬寶巖組變質粉砂巖（11JHD101）進行了LAICPMS碎屑鋯石UPb年代學研究，部分鋯石的陰極發光（CL）圖像見圖3，鋯石定年結果見表1（＞1000 Ma采用207Pb/206Pb的定年結果，＜1000 Ma采用206Pb/238U的定年結果）。樣品11JHD101中的鋯石多為半自形或他形粒狀，少數鋯石呈次圓狀，長直徑介于50～120 μm之間，發育巖漿振蕩生長環帶（圖3），除測試點11JHD10104（Th/U=0.09），其余測試點Th/U值介于0.11～1.45之間，暗示它們為巖漿成因。定年結果顯示，35個測點的206Pb/238U年齡介于2 408～312 Ma之間，最年輕峰值年齡為316 Ma（圖4）。另外還存在355、398、1 842和2 360 Ma的峰值年齡（圖5）以及少量336、1 655和2 109 Ma的碎屑鋯石。

紅色圓圈代表鋯石UPb定年的測點位置，黑色圓圈代表鋯石Hf同位素的分析位置。

3.2 鋯石Hf同位素特征

萬寶巖組變質粉砂巖中的碎屑鋯石Hf同位素組成見圖6，分析結果見表2。樣品共計有21個碎屑鋯石Hf同位素測點。其中：古元古代鋯石（2 370～1 781 Ma）的176Hf/177Hf值介于0.281 118～0.281 631之間，εHf（t）值為-6.39～0.93，Hf同位素二階段模式年齡（TDM2）為3 298～2 483 Ma；晚古生代鋯石（409～312 Ma）的176Hf/177Hf值介于0.282 151～0.282 497之間，εHf（t）值為-15.32～-1.60，Hf同位素二階段模式年齡（TDM2）為2 293～1 480 Ma。

4 討論

4.1 敦化地區萬寶巖組的沉積時限

前人對敦化地區萬寶巖組時代的確定主要依據對地層中微古植物分析，將其時代置于新元古代[27]，或將其歸于下二疊統廟嶺組，但并未對其進行同位素年代學研究。萬寶巖組變質粉砂巖中的碎屑鋯石具有震蕩生長環帶，Th/U值介于0.11～1.45之間（1個點除外），暗示它們為巖漿成因。碎屑鋯石UPb定年結果表明，最年輕的一組諧和年齡為（312±4）Ma，該年齡代表了萬寶巖組沉積的下限年齡，結合本工作組對侵入該地層的閃長巖測年結果（276 Ma，未發表數據），暗示萬寶巖組的沉積時限為312～276 Ma，這與1∶20萬地質圖上將其置于下二疊統廟嶺組是一致的，說明萬寶巖組沉積于早二疊世時期。另外，萬寶巖組典型剖面可見變質細砂巖、變質粉砂巖與大理巖互層，與延邊廟嶺組巖石組合類似。上述特征說明萬寶巖組與延邊地區廟嶺組在地層時代和巖石組合上可對比，應歸于廟嶺組。

4.2 敦化地區萬寶巖組的沉積物質來源及沉積環境

通過對比碎屑鋯石的年齡和Hf同位素組成來確定碎屑巖沉積物質來源的方法已經被廣泛接受[39]。已有的研究成果顯示，來自華北克拉通的碎屑鋯石通常具有新太古代—古元古代的年齡[38]。與之不同的是，位于中亞造山帶東部的松嫩—張廣才嶺地塊和興凱地塊上的古生代沉積巖則以含有明顯的新元古代鋯石年齡為特征[4042]。此外，起源于華北克拉通的古生代鋯石通常具有負的εHf（t）值以及新太古代—古元古代的TDM2年齡，然而來自中亞造山帶東部的同時代鋯石則具有正的εHf（t）值和中元古代古生代的TDM2年齡[38， 43]。基于以上認識，本文對敦化地區萬寶巖組的沉積物源進行了分析。

萬寶巖組的碎屑鋯石UPb同位素分析結果顯示5組加權平均年齡，分別為316、355、398、1 842和2 346 Ma。316和398 Ma峰期年齡與古洞河—富爾河斷裂附近的小河口組峰期年齡一致[37]，并且萬寶巖組中409～312 Ma的碎屑鋯石具有負的εHf（t）值（-15.32～-1.60）以及新太古代—古元古代的TDM2年齡（2 293～1 480 Ma，圖6），表明它們源自華北板塊古老結晶基底的部分熔融。進一步結合約62.9%古元古代碎屑鋯石（1 842和2 346 Ma）的存在，說明敦化地區或其附近存在華北板塊前寒武紀基底。

通過前人[27]資料分析，萬寶巖組剖面可見變質細砂巖、變質粉砂巖與大理巖互層，該組中大理巖原巖為富白云質、白云質至方解質石灰巖，形成于正常淺海碳酸鹽巖臺地相沉積。根據本文對萬寶巖組的沉積環境判別圖解（圖7）分析，該巖組落入了伸展環境區域（C區），說明萬寶巖組沉積于相對穩定的環境。

4.3 敦化地區晚古生代構造背景及演化歷史

關于古亞洲洋在中國東北地區的最終閉合時間問題一直是地學界研究的熱點問題之一[23， 12， 17， 2021， 26， 4447]。本文基于敦化地區的碎屑鋯石微量元素數據對地殼厚度進行了估算，進一步綜合已發表的數據，探討了研究區的構造演化歷史。

已有研究表明，地殼加厚時斜長石不穩定，這會導致巖漿中Eu/Eu*值升高，從中結晶出的鋯石繼承這一源區特征，而地殼減薄過程則相反[36， 4849]。據此，Tang等[36]通過對大量鋯石數據和全巖數據的計算擬合，獲得鋯石Eu/Eu*值計算地殼厚度的經驗公式。基于上述研究，本文對敦化地區萬寶巖組和前人[37]已發表的小河口組碎屑巖中的碎屑鋯石微量元素數據進行鋯石Eu/Eu*值計算（表3），從而模擬了敦化地區晚古生代地殼厚度的變化規律。

圖8a顯示，360～335 Ma期間，敦化地區經歷了地殼加厚，并在335 Ma達到峰值（56 km），335～310 Ma期間地殼厚度經歷了明顯的減薄。根據板片俯沖角度與上覆板塊應力狀態之間關系，高角度俯沖或相對古老的大洋板片后撤式俯沖會導致上覆板片處于伸展應力狀態，低角度的前進式將導致上覆板塊處于擠壓加厚應力狀態[5051]。筆者認為360～335 Ma期間的地殼加厚可能與大洋板片南向低角度前進式俯沖作用有關；而335～310 Ma期間地殼厚度的減薄暗示由低角度向高角度俯沖轉變，上覆板塊處于伸展應力狀態。上述大洋板片南向俯沖作用導致華北板塊北緣古老結晶基底巖石的部分熔融形成火成巖，為萬寶巖組提供了晚古生代碎屑鋯石物源。敦化地區地殼厚度變化趨勢與索倫—西拉木倫基本一致（圖8a）[52]，暗示著索倫—西拉木倫—長春一帶大洋板片南向俯沖的區域構造演化過程是一致的。上述研究成果與吉中地區和延邊地區早二疊世大河深組火成巖所反映的大洋板片俯沖環境一致[20]。

敦化地區自約275 Ma開始，地殼開始快速增厚，并持續加厚至約250 Ma，這與研究區及鄰區263～239 Ma中酸性巖漿巖[16，24，5355]的（La/Yb）N所得到的地殼厚度變化趨勢一致（圖8b）（地殼厚度計算公式：H=21.277ln（1.0204（La/Yb）N）[35]）。根據圖8b中地殼厚度變化趨勢，地殼厚度最終于約245 Ma達到峰值，盡管碎屑鋯石計算地殼厚度值與全巖（La/Yb）N計算結果存在差異，但根據二者一致的變化趨勢，推測地殼厚度在約245 Ma可達到約80 km。綜上所述，在310～275 Ma期間大洋板片南向俯沖的角度變陡，最終于約245 Ma古亞洲洋

最終閉合。上述結論也與區域火成巖的地球化學特征相吻合，同時也與區域早三疊世磨拉石建造[5657]以及陸相沉積巖發育相一致[2]。

5 結論

1）鋯石UPb年代學研究結果顯示，敦化地區萬寶巖組沉積時限為312～276 Ma，即早二疊世。萬寶巖組的沉積時限和巖石組合可與延邊地區廟嶺組對比，建議歸入廟嶺組。

2）萬寶巖組碎屑鋯石最年輕峰值年齡約為316 Ma，此外還存在355、398、1 842和2 360 Ma的峰值年齡，古生代碎屑鋯石εHf（t）值介于-15.32～-1.60之間，TDM2年齡介于2 293～1 480 Ma之間，表明敦化地區或其鄰區存在華北板塊的前寒武紀結晶基底。

3）綜合區域火成巖及碎屑鋯石數據，敦化地區約360 Ma開始處于大洋板片南向俯沖的環境，約245 Ma地殼達到最大厚度（約80 km），暗示古亞洲洋的最終閉合。

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