黑龙江科技大学学报

钱烨,赵昌吉,张涛,等.吉林中部早侏罗世A型花岗岩的地球化学特征及地质意义[J].2021,(05):562-568，577.[doi:10.3969/j.issn.2095-7262.2021.05.005]
Qian Ye,Zhao Changji,Zhang Tao,et al.Geochemical characteristics and geological significance of Early Jurassic A type granite[J].2021,(05):562-568，577.[doi:10.3969/j.issn.2095-7262.2021.05.005]

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吉林中部早侏罗世A型花岗岩的地球化学特征及地质意义

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钱烨¹, 赵昌吉¹, 张涛², 张学海³, 刘学生³, 王永胜³

(1.吉林大学地球科学学院, 长春 130061; 2.青岛地质工程勘察院(青岛地质勘察开发局),山东青岛 266071; 3.吉林省地质调查院, 长春 130102)

收稿日期: 2021-05-10
第一作者简介: 钱烨(1979-),男,湖北省武汉人,副教授,博士,研究方向:矿物学、岩石学、矿床学专业,E-mail:393322784@qq.com。
编辑晁晓筠校对张永彬

为明确古太平洋向欧亚大陆俯冲开始的时间,以吉林中部老少沟岩体二长花岗岩为研究对象,运用U-Pb同位素年代学和全岩地球化学等方法,研究其形成的构造环境。结果表明:老少沟岩体形成于早侏罗世,加权平均年龄为(176.3±1.1)Ma; 地球化学特征显示老少沟岩体为富硅、富全碱、高全铁、贫镁、钙、磷的特征,属于过铝质高钾钙碱性系列岩石; 岩体富集轻稀土,轻重稀土分馏强烈,微量元素上富集大离子亲石元素(Rb、K、Th),亏损Sr、Ba元素和高场强元素(Nb、P、Ti)等特征,显示老少沟岩体为铝质A型花岗岩。吉黑东部和小兴安岭—张广才岭两条早侏罗世岩浆带分别显示了火山弧和弧后伸展的特征,研究认为古太平洋板块向欧亚板块俯冲开始于早侏罗世,老少沟岩体形成俯冲背景的弧后伸展环境。

关键词：A型花岗岩; 早侏罗世; 地球化学; U-Pb同位素; 古太平洋

Geochemical characteristics and geological significance of Early Jurassic A type granite

Qian Ye¹, Zhao Changji¹, Zhang Tao², Zhang Xuehai³, Liu Xuesheng³, Wang Yongsheng³

(1.College of Earth Science Jilin University, Changchun 130061, China; 2.Qingdao Geo-engineering Exploration Institute(Qingdao Geological Exploration & Development Bureau), Qingdao 266071, China; 3.Geological Survey Insititute of Jilin Province, Changchun 130102, China)

This paper aims to clarify the starting time of the subduction of the Paleo-Pacific Ocean to the Eurasian continent. The clarification is achieved by determining the tectonic setting of its formation by taking as the research object the monzonitic granite from the Laoshaogou plutone in central Jilin and using U-Pb isotopic chronology and whole rock geochemistry.The results show that the Laoshaogou plutone formed in the Early Jurassic has weight average age of(176.3±1.1)Ma; the geochemical characteristics reveal the Laoshaogou pluton as being rich in silicon、total alkali and high total iron, poor in magnesium、calcium and phosphorus, and belonging to the peraluminous high-potassium calcium-alkaline series of rocks; the rock mass is enriched in LREE, with LREE and HREE being strongly fractionated; the trace elements are enriched in large ion lithophiles such as Rb, K, Th, and are depleted in Sr, Ba and high field strength elements Nb, P, Ti, etc.These characteristics show that Laoshaogou rock mass is aluminum A-type granite.The two Early Jurassic magma belts in eastern Jihei and Xiaoxing' anling-Zhangguangcailing respectively show the characteristics of volcanic arc and back-arc extension.The study concludes that the subduction of the Paleo-Pacific plate to the Eurasian plate began in the Early Jurassic and the Laoshaogou rock mass forms a back-arc extensional environment with a subduction background.

Keywords：A-type granite; Early Jurassic; Geochemistry; U-Pb isotopic; Paleo-Pacific

引言

东北地区地处中亚造山带的最东段。该地区自西向东被划分成额尔古纳地块、兴安地块、松嫩地块、佳木斯地块和兴凯地块^[1-4]。该地区在晚古生代—中生代时期经历了复杂的地质构造变动,包括微地块的拼合、古亚洲洋的最终闭合和古太平洋板块的俯冲。中生代以来,华北克拉通东北缘岩浆活动进入频繁活动的地质时期,期间发育了一系列钙碱性火山岩,这些火山岩是东亚大陆边缘中生代构造-岩浆活动带的重要部分。岩浆活动并最终在晚中生代(约140 Ma)达到顶峰,在华北克拉通东北缘形成一系列多金属矿床,因此华北克拉通东北缘也是众多学者研究典型矿床成因和岩浆活动的重要地点。

目前,前人在小兴安岭—张广才岭进行了很多研究工作,但是由于花岗岩形成环境的多样性^[5],造成了古太平洋板块向欧亚大陆俯冲开始的时间仍处于争议之中,古太平洋板块向欧亚大陆下俯冲的起始时间存在多种观点,分别是早二叠世^[6-7],三叠纪^[8-10]和早—中侏罗世^[11-15]。吉林中部地区(以下简称“吉中地区”)位于小兴安岭—张广才岭地区最南端,该地区花岗岩类岩石分布广泛且早—中侏罗世岩浆活动极为剧烈,是研究古环太平洋构造域演化的理想地点。笔者以吉中地区发现的二长花岗岩(老少沟岩体)为对象,进行了锆石U-Pb测年和岩石地球化学研究,探讨该岩体形成的时代和构造背景,收集并综合分析前人数据,对东北地区古亚洲洋构造域向环太平洋构造域转化的时间进行探讨。

1 地质背景

研究区大地构造位置如图1所示。吉中地区广泛发育花岗岩,出露地层有晚二叠纪杨家沟组碎屑岩和古新纪陆缘碎屑岩、粉砂岩。老少沟岩体位于吉林市杨木乡附近,采样点坐标为东经126°45'49″、北纬44°09'11″,出露面积约为2.32 km²。研究区地质简图见图2。

岩体侵入晚三叠世似斑状二长花岗岩中,北侧被中侏罗世二长花岗岩侵入,第四系覆盖严重。岩体新鲜面呈肉红色,中粗粒花岗结构,块状构造。经室内鉴定,其主要组成矿物为石英20%～25%(体积分数)、斜长石35%～40%(体积分数)、条纹长石40%～45%(体积分数)和少量黑云母。

图1 研究区大地构造位置<br/>Fig.1 Geotectonic position of study area

图1 研究区大地构造位置
Fig.1 Geotectonic position of study area

图2 研究区地质简图<br/>Fig.2 Regional geological map for study area

图2 研究区地质简图
Fig.2 Regional geological map for study area

2 分析方法

锆石的单矿物分选、制靶和测试工作均在北京科荟测试技术有限公司实验室进行。将破碎后的样品利用重力分选技术分选后, 利用双目显微镜人工挑选表面光滑、晶形完整、透明度高且无核幔结构的锆石颗粒,将挑选出的锆石粘贴固定在环氧树脂表面,待其固化之后,将锆石表面打磨抛光至中心。

在进行锆石U-Th-Pb同位素测试前,通过阴极发光图像(CL图像)研究锆石颗粒的形态和内部结构特征,以选择最合适的测试分析位置。同位素测试分析采用He为载气的激光,剥蚀束斑直径为30 μm。锆石年龄校正使用标准锆石91500作为外标样,元素含量采用NIST SRM610作为外部标样,每12个测试点插入2个91500标样和1个使用NIST SRM610。Si作为内标元素,分析方法见文献[16]。样品的同位素数据处理采用ICP-MS- Datacal程序^[17-18],锆石同位素年龄计算及谐和图等的绘制采用ISOPLOT 3.0程序^[19]完成。

将待进行测试的岩石样品在65 ℃恒温干燥24 h后破碎,通过多次缩分出的300 g均匀样品在振动研磨机上研磨至0.007 4 mm,以备分析测试样品的主量元素、微量元素及稀土元素。主量元素利用熔片X-射线荧光光谱法(XRF)测定,互相检测方法为等离子光谱法和化学法,测试分析的精确度和准确度均优于5%。微量元素和稀土元素测定方法为电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)法,测试分析精确度和准确度均优于10%。

3 结果与分析3.1 锆石U-Pb同位素测年结果

对老少沟岩体样品中24粒锆石进行U-Th-Pb同位素分析,结果见表1(1粒锆石不协和)。锆石阴极发光CL图像见图3。图3显示分选出的锆石自形程度较好,呈长柱状,少部分呈短柱状,晶体长轴介于60～153 μm,短轴介于30～85 μm,长宽比为1:1到3:1,锆石具明显的震荡环带结构。锆石中的Th、U质量分数均较高,范围变化均较大,w(Th)/w(U)比值在0.32～0.59,除一点外均大于0.40,具有典型岩浆成因锆石特点。锆石年龄谐和与加权平均年龄见图4、图5。该样品共获得15个较为谐和的锆石年龄,记²⁰⁶Pb与²³⁸U同位素原子比为λ(²⁰⁶Pb)/λ(²³⁸U),年龄范围介于175～179 Ma,其加权平均年龄值为(176.3±1.1)Ma,该年龄代表老少沟岩体的结晶年龄,时代为中侏罗世。

表1 老少沟岩体锆石U-Pb同位素测年结果<br/>Table 1 Results of zircon U-Pb of granite in Laoshaogou plutone

表1 老少沟岩体锆石U-Pb同位素测年结果
Table 1 Results of zircon U-Pb of granite in Laoshaogou plutone

图3 老少沟岩体锆石CL图像及测试位置<br/>Fig.3 CL images of zircons from Laoshaogou plutone

图3 老少沟岩体锆石CL图像及测试位置
Fig.3 CL images of zircons from Laoshaogou plutone

图4 老少沟岩体锆石U-Pb协和图<br/>Fig.4 Concordia age of zircons from Laoshaogou plutone

图4 老少沟岩体锆石U-Pb协和图
Fig.4 Concordia age of zircons from Laoshaogou plutone

图5 老少沟岩体加权平均年龄<br/>Fig.5 Weighted average age of zircons from Laoshaogou plutone

图5 老少沟岩体加权平均年龄
Fig.5 Weighted average age of zircons from Laoshaogou plutone

3.2 主微量元素特征

老少沟岩体全岩主微量元素分析结果见表2。主量元素质量分数单位为%,微量及稀土元素单位为10^-6。SiO₂质量分数高且变化大,介于64.43%～70.15%; K₂O和Na₂O质量分数较高,分别为2.52%～3.35%和3.26%～4.69%,w(K₂O)/w(Na₂O)比值较低,为0.61～0.93。图6中样品集中落于花岗闪长岩区域,在SiO₂-K₂O(图7)图解中,样品落于高钾钙碱性区域。

表2 老少沟岩体主量、微量、稀土元素分析结果<br/>Table 2 Results of major elements, trace elements and rare earth elements composition of Laoshaogou plutone

表2 老少沟岩体主量、微量、稀土元素分析结果
Table 2 Results of major elements, trace elements and rare earth elements composition of Laoshaogou plutone

图6 TAS图解<br/>Fig.6 Diagram of TAS for Laoshaogou plutone

图6 TAS图解
Fig.6 Diagram of TAS for Laoshaogou plutone

图7 Si-K图解<br/>Fig.7 Diagram of Si-K for Laoshaogou plutone

图7 Si-K图解
Fig.7 Diagram of Si-K for Laoshaogou plutone

在铝饱和指数图解中(图8),记铝饱和指数α=w(Al₂O₃)/w(CaO+Na₂O+u₂O),β=w(Al₂O₃)/w(Na₂O+K₂O)。样品落入过铝质区域。同时样品还具有高全铁、贫MgO、低P₂O₅和较高的Al₂O₃质量分数的特征。

图8 铝饱和指数图解<br/>Fig.8 Diagram of A/NK-A/CNK for Laoshaogou plutone

图8 铝饱和指数图解
Fig.8 Diagram of A/NK-A/CNK for Laoshaogou plutone

老少沟岩体稀土元素总量较低,其质量分数为164.23×10^-6～194.00×10^-6,样品轻稀土和总稀土质量分数分别为139.65×10^-6～169.05×10^-6和15.47×10^-6～24.95×10^-6,轻稀土与总稀土质量分数比值为6.77～9.03,均值为8.15,反映了样品轻重稀土元素明显分馏,富集轻稀土元素且Eu负异常明显(图9)。

图9 老少沟岩体稀土配分曲线<br/>Fig.9 Chondrie normalized rare earth elements patterns for Laoshaogou plutone

图9 老少沟岩体稀土配分曲线
Fig.9 Chondrie normalized rare earth elements patterns for Laoshaogou plutone

在图 10微量元素蛛网图中,样品显示富集大离子亲石元素如Rb、K、Th,亏损Sr、Ba和高场强元素Nb、P、Ti等,这种异常的形成可能与金红石、磷灰石和钛铁矿等矿物的分离结晶有关。

图 10 老少沟岩体微量元素蛛网<br/>Fig.10 Primitive mantle normalized trace element spider for Laoshaogou plutone

图 10 老少沟岩体微量元素蛛网
Fig.10 Primitive mantle normalized trace element spider for Laoshaogou plutone

4 讨论4.1 岩石成因

样品属于高碱钙碱性系列,具有高全碱(K₂O+Na₂O)、高Al₂O₃,贫Mg、低P,在Zr-10 000×Ga/Al图解中,大部分样品落入A型花岗岩区域(图 11),同时微量元素的大离子亲石元素如K、Rb和轻稀土(LREE)元素的富集,Ba、Sr强烈的负异常,高场强元素Nb、Ta、Ti、P的亏损,以上元素特征与高分异I型花岗岩和A型花岗岩的特征相一致。老少沟岩体相对于高分异I型的花岗岩的SiO₂质量分数相对较低,而较高的全铁质量分数、较低的Rb质量分数也佐证了样品并非高分异的I型花岗岩^[20-23]。同时样品的高场强元素Zr、Nb、Ce、Y质量分数均较高,总和均值大于A型花岗岩的下限值(350×10^-6),计算得出样品锆饱和温度均值为806 ℃,远大于高分异I型花岗岩的平均值764 ℃,而与A型花岗岩的平均锆饱和温度(800 ℃)相近^[24-27]。

图 11 花岗岩类型判别图解<br/>Fig.11 Diagrams of rock type discrimination for Laoshaogou plutone

图 11 花岗岩类型判别图解
Fig.11 Diagrams of rock type discrimination for Laoshaogou plutone

室内镜下鉴定结果显示,样品矿物组成为石英(体积分数)20%、斜长石(体积分数)40%、条纹长石(体积分数)40%,同时铝饱和指数均值为1.13(样品薄片镜下观察发现,无白云母、堇青石等富铝特征矿物,故排除样品为S型花岗岩的可能性^[28-29]),这与铝质A型花岗岩特征一致。目前研究显示,铝质A型花岗岩岩浆源区为部分熔融的长英质地壳或铁镁质下地壳,但无水条件下长英质地壳部分熔融而形成A型花岗岩所需温度很高(平均为839 ℃),文中样品锆饱和温度明显低于此温度; 另外样品的Nb与Ta、Zr与Hf、La与Nb、Th与Nb、Th与La、Rb与Sr等微量元素质量分数比值更接近地壳均值,这些特征都证实了老少沟岩体岩浆源区为下地壳物质的部分熔融。

4.2 构造意义

东北地区早侏罗世的火成岩组合及其空间分布是研究古太平洋板块向欧亚大陆下俯冲时限的关键。前人对小兴安岭—张广才岭南段地区花岗岩类岩石进行了大量的年代学和地球化学研究,本文对前人资料进行了总结。小兴安岭—张广才岭地区早侏罗世发育的火成岩以基性和酸性火成岩为主,呈北东—南西向带状展布。其主体为钙碱性系列,部分为碱性系列,具有双峰式火山岩的特点^[30-34]。本文的A型花岗岩也显示了小兴安岭—张广才岭早侏罗世时处于伸展环境中。吉黑东部发育的早侏罗世为一套钙碱性基性-中性-酸性火成岩组合,呈北东—南西向带状展布。前人研究的地球化学数据显示,其具有火山弧岩体的地球化学属性,为活动大陆边缘环境形成^[35]。小兴安岭—张广才岭和吉黑东部的两条北东—南西向展布的岩浆岩带,构成了平行于东北亚陆缘的成分分带,分别对应了欧亚大陆在古太平洋洋壳俯冲下形成的弧后伸展环境和活动大陆边缘环境(图 12)。

图 12 早侏罗世构造模型<br/>Fig.12 Tectonic evolution model of Early Jurassic

图 12 早侏罗世构造模型
Fig.12 Tectonic evolution model of Early Jurassic

而地球化学数据显示,这两条分带具有从东向西的SiO₂、K₂O质量分数增高、ε_t(Nd)值降低的趋势,显示了陆壳的成熟度逐渐升高,这些证据都表明古太平洋板块向欧亚板块的俯冲应开始于早侏罗世^[36-38]。

5 结论

(1)老少沟岩体加权年龄为(176.3±1.1)Ma,形成于早侏罗世。属于高碱钙碱性系列,富集轻稀土元素、轻重稀土元素分馏明显,显示明显的负Eu异常。微量元素显示老少沟岩体富集大离子亲石元素Rb、K、Th,亏损Ba、Sr和高场强元素Nb、Ta、Ti、P等。

(2)老少沟岩体形成于古太平洋板块向欧亚大陆俯冲的弧后伸展环境,为A型花岗岩,起源于下地壳部分熔融。大量的地球化学数据表明,古太平洋板块于早侏罗世开始向欧亚大陆俯冲,吉黑东部地区处于活动大陆边缘环境,而小兴安岭—张广才岭地区处于弧后伸展环境。

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