吉林延邊五鳳地區(qū)早侏羅世粗面安山巖巖石成因

高子越，鞠 楠，2，李經(jīng)緯，楊 群，王可勇

1.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100089；2.中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034；3.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130061

0 前言

吉林延邊五鳳地區(qū)經(jīng)歷過晚二疊世—中三疊世古亞洲洋閉合［1-3］、中生代古太平洋板塊俯沖［4-5］等多期構(gòu)造事件，形成了復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和大規(guī)模的巖漿活動，在環(huán)太平洋造山帶占有重要地位［6］. 延邊地區(qū)也是中國重要的火山巖型金、銅礦集區(qū)［7-9］，礦床的形成與中生代多期巖漿作用有關(guān)，包括斑巖型、火山巖型和次火山巖型等多種類型［10］. 五鳳地區(qū)位于延邊斑巖-淺成熱液礦集區(qū)西部，并產(chǎn)出淺成低溫?zé)嵋盒徒鸬V.延邊五鳳金礦床賦礦圍巖為中生代火山巖. 《吉林省區(qū)域地質(zhì)志》［11］將延邊地區(qū)出露的中生代早期火山巖（安山巖、粗面安山巖和角閃安山巖等）劃分到中侏羅世屯田營組，將晚期火山巖（玄武巖、安山巖和凝灰?guī)r等）劃分到早白堊世金溝嶺組. 已有的年代學(xué)研究表明，金溝嶺組火山巖時代最大值為130～140 Ma［12］，最小值為106.1 Ma［13］，故金溝嶺組火山巖漿活動時間應(yīng)為晚侏羅世—早白堊世. 也有研究者［13-14］認為屯營田組應(yīng)歸屬于白堊紀巖漿活動產(chǎn)物. 對于延邊地區(qū)以及礦區(qū)容礦火山巖的巖石成因，研究者多認為該區(qū)火山巖形成與太平洋板塊俯沖有關(guān)［15］. 也有學(xué)者推測五鳳金礦區(qū)火山巖系形成于陸內(nèi)造山帶的構(gòu)造環(huán)境［9］. 前人研究主要集中在白堊紀安山巖的年代學(xué)限定，然而區(qū)內(nèi)粗面安山巖缺乏詳細的研究和年代學(xué)限定. 延邊地區(qū)中生代火山巖的形成時代與地層單元歸屬仍存在爭議，粗面安山巖的地層單元歸屬也未有定論. 本文以五鳳地區(qū)粗面安山巖為研究對象，開展巖相學(xué)、LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 測年和巖石主、微量元素地球化學(xué)分析，以查明五鳳粗面安山巖成因及其與古太平洋板塊俯沖的關(guān)系.

1 地質(zhì)背景

延邊朝鮮族自治州地處中國東北地區(qū)吉林省東部. 延邊地區(qū)大地構(gòu)造位置處于華北克拉通北東陸緣佳木斯地塊及興凱地塊的交匯處［15］（圖1），經(jīng)歷了前中生代古亞洲洋演化［1-3］、中生代疊加古太平洋板塊俯沖作用［4-5］. 區(qū)內(nèi)構(gòu)造以呈近東西向展布的古生代構(gòu)造為基礎(chǔ)，在其之上疊加有中生代的呈北北東—近南北向、北北西向展布的斷裂［16］. 區(qū)內(nèi)發(fā)育的地層主要是古生界青龍村群、五道溝群以及天寶山組、廟嶺組、柯島組和開山屯組低—中級變質(zhì)的海相火山-沉積地層，中生界大興溝群（托盤溝組、馬鹿溝組、天橋嶺組）、屯田營組、金溝嶺組、泉水村組、大砬子組、龍井組等.該地區(qū)經(jīng)歷了早燕山階段早期（200～170 Ma）、早燕山階段晚期（170～135 Ma）、晚燕山階段晚期（110～80 Ma）多期巖漿活動［17-18］.

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置圖（據(jù)文獻［16-19］修編）Fig. 1 Geotectonic location map of the study area（Modified from References［16-19］）

五鳳地區(qū)位于延邊地區(qū)西部的延吉市境內(nèi)，地處中生代天寶山-刺猬溝火山斷陷帶中央，區(qū)域性朝陽川-彩繡嶺北西向斷裂與老頭溝-五鳳北東向斷裂的交匯部位（圖2）. 區(qū)內(nèi)分布晚侏羅世—早白堊世金溝嶺組火山巖，其主要巖石類型為角閃安山巖、安山質(zhì)角礫凝灰?guī)r、安山質(zhì)凝灰?guī)r、含斑安山巖、輝石安山巖、石英安山巖和粗面安山巖. 其中，角閃安山巖為礦區(qū)最主要的巖石類型，遍布全區(qū)，約占巖石出露面積80%以上；角閃安山質(zhì)角礫凝灰?guī)r分布于礦區(qū)西側(cè)，出露面積僅次于安山巖. 礦區(qū)內(nèi)巖漿巖主要以巖脈的形式發(fā)育，如細粒閃長巖、石英閃長玢巖及煌斑巖等，尤以前兩者為主. 這些巖脈長一般幾十米至百余米，寬幾十厘米，沿北東、北西向斷裂產(chǎn)出.

圖2 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖（據(jù)文獻［16-19］修編）Fig. 2 Regional geological map of the study area（Modified from References［16-19］）

2 樣品采集及巖相學(xué)特征

本研究樣品采自五鳳地區(qū)粗面安山巖. 粗面安山巖在研究區(qū)內(nèi)僅零星出露，在大比例尺區(qū)域地質(zhì)圖上無集中體現(xiàn)，研究者一般將其劃入金溝嶺組［20］. 對粗面安山巖在巖相學(xué)研究基礎(chǔ)上，開展了鋯石U-Pb 定年和全巖地球化學(xué)分析研究. 樣品主要呈灰黑色，巖石斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶含量約為30%，基質(zhì)部分約為68%，有少量不透明金屬礦物（2%）. 斑晶主要由斜長石和少量角閃石組成（圖3），它們在斑晶中的含量分別為70%和30%. 斜長石斑晶為自形—半自形結(jié)構(gòu)，粒徑差別較大，長軸一般為300～2 000 μm，最大可達900 μm，最小的僅為100 μm. 長寬比值變化較大，一般為1～3.斜長石斑晶有的較為完整，有的具明顯熔蝕現(xiàn)象. 角閃石斑晶為自形—半自形結(jié)構(gòu)，長軸一般為300～700 μm，最大可達1 500 μm，長寬比值為1～3. 基質(zhì)部分為微晶—隱晶結(jié)構(gòu)，微晶含量約為70%，主要由斜長石和角閃石組成，含量分別為75%和25%. 不透明金屬礦物呈不均勻分布在巖石中，多為不規(guī)則立方體，粒徑10～20 μm，最大可達40 μm.

圖3 粗面安山巖巖相圖Fig. 3 Petrographic photographs of trachyandesite

3 測試方法

鋯石U-Pb 同位素定年在吉林大學(xué)自然資源部東北亞礦產(chǎn)資源評價重點實驗室完成. 首先將新鮮巖石樣品洗凈并粉碎至約80 目，然后依次進行重力分選、磁選和重液分選，最后人工在雙目鏡下挑選鋯石顆粒.在雙目鏡下將無色透明、晶形完整且不含包裹體、干凈且無裂紋的鋯石顆粒粘貼在雙面膠上并用環(huán)氧樹脂澆鑄固定，等樹脂固化之后將鋯石表面拋光直至內(nèi)部結(jié)構(gòu)充分暴露. 然后進行陰極發(fā)光照相，鋯石靶表面完成鍍碳處理之后，用加載陰極發(fā)光儀的掃描電子顯微鏡完成陰極發(fā)光圖像的采集及LA-ICP-MS 分析. 本次分析的激光束斑和頻率分別為44 μm 和7 Hz. 激光剝蝕過程中采用He 作為剝蝕物質(zhì)的載氣，Ar 為補償氣以調(diào)解靈敏度，ICP-MS 儀器為Agilent 7900 型，采用國際標準鋯石91500 作外標進行同位素質(zhì)量分餾校正. 對分析數(shù)據(jù)的離線處理（包括對樣品和空白信號的選擇、儀器靈敏度漂移校正、元素含量及U-Pb 同位素比值和年齡計算）采用軟件ICPMSDataCal 完成. 鋯石樣品的U-Pb 年齡諧和圖繪制和年齡權(quán)重平均計算均采用Isoplot4.0 完成.

全巖主、微量元素測試在吉林大學(xué)測試科學(xué)實驗中心完成. 選取新鮮巖石樣品，首先經(jīng)顯微鏡下觀察與鑒定，然后選擇具有代表性且無蝕變的樣品用于全巖地球化學(xué)分析. 樣品的粉碎加工均在無污染設(shè)備中進行，用蒸餾水清洗干凈后，105 ℃恒溫烘干24 h，破碎、研磨至200 目以上. 主量元素測定采用X 射線熒光光譜法（XRF），準確度優(yōu)于10%；稀土及微量元素利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）測定，精度優(yōu)于10%.

4 測試結(jié)果

4.1 年代學(xué)特征

粗面安山巖的鋯石U-Pb 同位素比值及定年數(shù)據(jù)見表1. CL 圖像（圖4）顯示，多數(shù)鋯石為自形—半自形的粒狀或柱狀，晶形大多完好，少數(shù)呈渾圓狀，粒徑在90～210 μm，具有明顯的韻律環(huán)帶，為巖漿成因鋯石.對小于1 Ga 的年輕鋯石，所測鋯石的207Pb 和235U 含量低，207Pb/235U 以及207Pb/206Pb 的比值精度較差，因此采用206Pb/238U 年齡. 樣品WF13 所測定的12 粒有效鋯石206Pb/238U 年齡值介于（169±14）～（186±4）Ma 之間，加權(quán)平均年齡為175.5±2.7 Ma，MSWD＝1.9（圖5），指示粗面安山巖的成巖年齡為早侏羅世.

表1 五鳳礦區(qū)粗面安山巖LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 定年結(jié)果Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results of the trachyandesite from Wufeng orefield

圖4 粗面安山巖鋯石CL 圖像和測點位置圖Fig. 4 CL images of selected zircons from trachyandesite and positions of LA-ICP-MS test

圖5 粗面安山巖鋯石U-Pb 諧和年齡圖Fig. 5 U-Pb concordia diagram of zircons from trachyandesite

4.2 主量元素地球化學(xué)特征

粗面安山巖的主量元素含量見表2. 粗面安山巖中SiO2（58.33%～61.36%，平均59.67%）含量最高，其次是Al2O3（17.75%～18.90%，平均18.30%）、FeOT（4.03%～6.49%，平均5.33%）、CaO（2.69%～5.05%，平均3.96%）、K2O（1.61%～3.28%，平均2.18%）、Na2O（1.40%～3.88%，平均2.84%）、MgO（1.18%～2.24%，平均1.65%），TiO2（0.74%～1.10%，平均0.94%）、P2O5（0.27%～0.39%，平均0.35%）、MnO（0.13%～0.19%，平均0.15%）含量均較低.巖體堿含量較高，Na2O+K2O＝6.77%～10%，Na2O/K2O為1.98～3.56，里特曼指數(shù)σ 分布范圍為3.0～5.46. 火山巖分類的TAS 圖解（圖6a）中，巖體表現(xiàn)出粗安巖、粗面巖（CIPW 計算石英小于20%）組合，火山巖投點既包含鈣堿性系列，又包含堿性系列，具有鈣堿性和堿性過渡系列的特征，反映為偏堿性鈣堿質(zhì)火山巖巖石系列. 在Na2O-K2O 圖解（圖6b）上，表現(xiàn)出鈉質(zhì)的特征. 在A/CNK-A/NK 圖解（圖6c）上，表現(xiàn)出準鋁質(zhì)的特征. 在SiO2-K2O 圖解（圖6d）上，表現(xiàn)出中鉀—高鉀鈣堿性巖石系列的特征.

表2 五鳳礦區(qū)粗面安山巖主量元素含量Table 2 Major element contents of the trachyandesite from Wufeng orefield

圖6 粗面安山巖地球化學(xué)圖解（據(jù)文獻［21-23］）Fig. 6 The geochemical diagrams of trachyandesite（From References［21-23］）

4.3 稀土元素地球化學(xué)特征

粗面安山巖的稀土元素含量見表3. 區(qū)內(nèi)粗面安山巖的稀土元素總量為136.15×10-6～175.35×10-6，均值為151.92×10-6. 在稀土元素球粒隕石標準化配分模式圖（圖7a）上，所有樣品均顯示右傾斜配分曲線，呈輕稀土元素富集、重稀土元素相對虧損的特征. δEu 值在0.12～0.52 之間，為Eu 富集型；（La/Yb）N值介于13.37～28.16 之間.

表3 五鳳礦區(qū)粗面安山巖稀土元素含量Table 3 Rare earth element contents of the trachyandesite from Wufeng orefield

圖7 粗面安山巖稀土元素和微量元素標準化配分曲線Fig. 7 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized trace element spidergrams of trachyandesite

4.4 微量元素地球化學(xué)特征

五鳳礦區(qū)粗面安山巖的微量元素含量見表4. 圖7b 展示了樣品微量元素相對含量分布曲線. 區(qū)內(nèi)粗面安山巖的微量元素具有如下特點：所有樣品大離子親石元素Rb（51.6×10-6～61.7×10-6）均低于大陸地殼豐度［24］，而Ba（748×10-6～2 000×10-6）、Sr（737×10-6～974×10-6）含量與大陸地殼豐度［24］相比較高. 放射性元素Th（2.28×10-6～4.28×10-6）、U（0.68×10-6～1.06×10-6）含量相對于大陸地殼豐度［24］較低. 高場強元素Hf（1.12×10-6～3.10×10-6）、Ta（0.61×10-6～1.22×10-6）、Nb（6.21×10-6～11.88×10-6）、Zr（64.7×10-6～143×10-6）含量與大陸地殼豐度［24］相比較低. 在原始地幔標準化微量元素原始地幔標準化圖（圖7b）上粗面安山巖富集Rb、K、Th、U、Nb，虧損Ba、Sr、P 和Ti.

表4 五鳳礦區(qū)粗面安山巖微量元素含量Table 4 Trace element contents of the trachyandesite from Wufeng orefield

5 討論

5.1 巖漿源區(qū)和巖石成因

五鳳粗面安山巖（La/Yb）N值介于13.37～28.16 之間，表明后期巖漿分異強烈［25］. 強不相容元素Rb 的富集也暗示了巖漿可能發(fā)生的高度分異［26］. P、Ti 元素的虧損可能與磷灰石和鈦鐵礦的分離結(jié)晶或作為源區(qū)的殘留礦物相有關(guān). Eu 正異常（圖7a），對應(yīng)著斜長石作為粗面安山巖的主要造巖礦物. 粗面安山巖相對富集輕稀土元素（LREE），相對虧損重稀土元素（HREE）.樣品虧損Nb、Ta、Ti、P 等高場強元素，富集Rb、Ba 和K 等大離子親石元素（LILE），Pb 表現(xiàn)出強烈富集特征（圖7b）.

五鳳粗面安山巖的Rb/Sr 比值（平均0.071）遠低于大陸地殼的平均Rb/Sr 比值（地殼均值0.35），接近地幔值（均值0.034），指示母巖漿可能來自地幔. 此外，樣品的La/Nb 比值（均值4.21）高于大陸地殼（均值1.7），與地幔來源（La/Nb＞1.7）一致［27-28］. 粗面安山巖相對富集輕稀土元素、大離子親石元素和強不相容元素（Th、U），相對虧損高場強元素（如Nb、Ta、P、Ti），Ba/Nb（均值144.71）和Rb/Nb（均值6.92）較高，與俯沖相關(guān)的弧巖漿巖具有相似的地球化學(xué)特征［29-30］. 一般情況下認為在俯沖帶地區(qū)，大離子親石元素較容易隨著水等流體從地殼轉(zhuǎn)移到地幔當中；相反高場強元素在俯沖過程中由于溶解性極低故幾乎沒有流動性，從而表現(xiàn)出虧損［31］. La/Nb 和Ba/Nb 比值投點也落在弧狀火山巖區(qū)域（圖8a），表明巖漿形成與板塊俯沖密切相關(guān). 其較高的（Hf/Sm）N和（Ta/La）N比值、Nb/Ta（均值8.95）表明巖漿可能形成于與俯沖有關(guān)的交代地幔（圖8b）. 同時，俯沖帶地區(qū)火山巖Nb、Ta 負異常和LREE的富集是由于大陸巖石圈地幔經(jīng)歷不同程度的富集所造成，并且混有古老俯沖地殼的物質(zhì)成分［32-34］. 以上地球化學(xué)特征表明巖漿可能源于地幔，其源區(qū)受到俯沖的殼源物質(zhì)交代.

圖8 巖漿源區(qū)判別圖（據(jù)文獻［35-36］）Fig. 8 Discrimination diagrams of magmatic source（From References［35-36］）

五鳳地區(qū)粗面安山巖Mg＃值較低（29.07～40.35），一般認為與下地殼部分熔融有關(guān)的巖漿產(chǎn)物的Mg＃值小于40［37］，但地球化學(xué)特征更支持粗面安山巖巖漿來自地幔的部分熔融. 在Th/Nb-Zr 圖解（圖9a）中樣品表現(xiàn)出地殼混染的趨勢. 粗面安山巖K2O/P2O5比值、K2O/TiO2比值變化較大，以及K2O/P2O5、K2O/TiO2與SiO2含量有良好的相關(guān)性（圖9b、c），表明粗面安山巖可能受到地殼混染. 同時粗面安山巖的Ba/Rb 比值（12.45～32.41）高于大陸地殼的Ba/Rb 比值（8～9），這與地殼混染作用機制一致［27］. Mg＃值較低應(yīng)為受到了較強的地殼混染作用的影響. 因此，五鳳地區(qū)粗面安山巖應(yīng)起源于地幔部分熔融，但受到地殼混染的影響.

圖9 巖漿巖成因判別圖解Fig. 9 Genetic discrimination diagrams of magmatic rocks

根據(jù)元素在部分熔融和分離結(jié)晶過程中的行為差異，可以分析粗面安山巖的巖漿演化過程. Th 和La 為強不相容元素，Nd 和Yb 為中等不相容元素. 在部分熔融過程中，隨著Th 和La 含量的增加，Th-Th/Nd 和La-（La/Yb）N的比值也隨之增加；而在分離結(jié)晶過程中隨著Th 和La 含量的增加，Th-Th/Nd 和La-（La/Yb）N的比值保持不變［38-39］. 粗面安山巖Th 含量與Th/Nd 值和La 含量與（La/Yb）N值都呈現(xiàn)良好的正相關(guān)關(guān)系（圖9d、e），表明部分熔融在巖漿演化過程中發(fā)揮了重要作用.

5.2 構(gòu)造背景

中國東北吉林延邊五鳳地區(qū)主要受古亞洲洋構(gòu)造體制和環(huán)太平洋構(gòu)造體制的控制. 在晚三疊世末，中國東北部由古亞洲洋板塊俯沖體制轉(zhuǎn)換為環(huán)太平洋俯沖體制［40］. 有關(guān)古太平洋構(gòu)造體系俯沖于歐亞大陸之下的開始時間一直存在爭論，目前主要有兩種觀點，一種認為是晚三疊世［41］，而另一種認為是早、中侏羅世［42-43］；但就古太平洋板塊最終在早、中侏羅世俯沖的認識是一致的. 早侏羅世吉林延邊地區(qū)進入了古太平洋構(gòu)造域的俯沖作用，并發(fā)育大面積的與俯沖有關(guān)的巖漿巖.

由于高場強元素受各種地質(zhì)作用的影響比較弱，因此能夠真實反映源區(qū)的性質(zhì). 在Ba/Nb-La/Nb 圖解（圖8a）中，五鳳粗面安山巖樣品大部分落在火山弧區(qū)域. 在TiO2/Al2O3-Zr/Al2O3圖解（圖10a）中，五鳳粗面安山巖樣品投點大部分落于初始洋弧和晚期洋弧區(qū)域（LOP+IOP），部分落入大陸弧和碰撞后弧區(qū)域（CAP+PAP），指示大洋俯沖系統(tǒng)在時間上與早侏羅世古太平洋板塊俯沖一致. Zr/Y 值為3.81～8.13，絕大部分數(shù)據(jù)符合大陸邊緣安山巖Zr/Y 值為4～12 的地球化學(xué)特征［44］. 巖石La/Nb 值為2.93～5.70（平均4.21），總體符合活動大陸邊緣La/Nb 值高于2 的地球化學(xué)特征. 同時，在Nb/Yb-Th/Yb 圖解（圖10b）中，研究區(qū)樣品投點落入活動大陸邊緣區(qū)域.

圖10 巖漿巖構(gòu)造判別圖解（據(jù)文獻［45-46］）Fig. 10 Tectonic discrimination diagrams of magmatic rocks（From References［45-46］）

綜上所述，筆者認為吉林省延邊五鳳地區(qū)粗面安山巖是巖石圈地幔重熔并混染俯沖殼源物質(zhì)的結(jié)果，巖石形成過程中也經(jīng)歷了分離結(jié)晶作用. 早侏羅世俯沖的古太平洋板塊在弧下深度形成富集輕稀土、大離子親石元素和虧損高場強元素的熔體/流體，并向上運移交代上覆巖石圈地幔形成富集地幔源區(qū). 隨后，由于構(gòu)造轉(zhuǎn)換交代地幔發(fā)生部分熔融形成巖漿源區(qū)，巖漿在后期運移和噴發(fā)過程中發(fā)生分離結(jié)晶作用最終形成粗面安山巖.

6 結(jié)論

（1）五鳳地區(qū)粗面安山巖噴發(fā)年齡為175.5±2.7 Ma，屬于早侏羅世巖漿作用產(chǎn)物，早于晚侏羅世—早白堊世五鳳礦區(qū)主要賦礦圍巖金溝嶺組安山巖，為五鳳礦區(qū)賦礦圍巖提供了新的時間限定.

（2）五鳳地區(qū)粗面安山巖可能起源于地幔部分熔融，后經(jīng)歷了地殼混染，其形成與早侏羅世古太平洋板塊向歐亞板塊俯沖有關(guān).