霍洛台地区位于大兴安岭北段,地处黑龙江省最北部,依据我国东北地区中生代以后大地构造格局,属额尔古纳地块北缘。额尔古纳地块北邻西伯利亚克拉通,是中亚造山带的北段^[1-2]。该地区在古生代受古亚洲洋构造域控制,历经古亚洲洋俯冲碰撞和多个微地块的拼合^[3]。自中生代以来,古亚洲洋关闭,该地区受蒙古-鄂霍茨克洋(Mongolia-Okhotsk)和古太平洋(Paleo-Pacific)双重构造域的影响和改造,地质活动十分强烈且复杂,岩浆活动活跃且在白垩世晚期达到顶峰。在多期岩浆活动和构造运动影响下,大兴安岭地区成为中国重要的多金属成矿带,形成了众多的热液矿床^[4],其中大部分热液矿床都与中生代岩浆-热液活动具有成因联系。近年来,大兴安岭地区白垩世岩浆活动、成岩机制及其形成动力学机制成为学者关注的重点问题。较为主流的观点有以下几种:太平洋板块洋壳的俯冲^[5]、陆内裂谷^[6]、古亚洲洋关闭引起的深部地幔柱上升^[7],蒙古-鄂霍茨克洋俯冲闭合引起的软流圈上涌^[8]等等。这些动力学机制观点的不一致限制了大兴安岭地区白垩世岩浆活动和成岩、成矿机制的研究。为进一步明确晚中生代大兴安岭北段地区岩浆活动和构造机制,笔者对大兴安岭北段霍洛台地区闪长玢岩进行了U-Pb年代学和地球化学特征研究,以期揭示其成因机制和岩浆源区及其动力学背景。

霍洛台地区位于中亚造山带东段额尔古纳地块北缘(见图1)^[9],属于大兴安岭多金属成矿区带北部,距漠河市西约50 km,行政区划归属漠河县。区域上,新古远古代火山岩、中生代岩浆岩、火山岩和陆源沉积碎屑岩广泛出露。研究区内地层出露较少,仅出露下元古界兴华渡口群兴华组,岩石组合为低角闪岩相为主的变质中基性-中酸性火山岩,早侏罗世—晚侏罗世及早白垩世花岗岩类岩石大量发育,分布约占研究区面积90%。同时,研究区脉岩发育广泛(图2),出露有闪长玢岩脉(δμ)、花岗斑岩脉(γπ)、英安岩脉、流纹岩脉等脉岩。

图1 东北地区大地构造
Fig.1 Tectonic of northeast China

图2 霍洛台地区地质简图
Fig.2 Geological map of Huoluotai area

样品采自霍洛台矿区内闪长玢岩的地表露头,新鲜面呈灰绿色-灰黑色,风化面灰白色,斑状结构、块状构造。镜下可见,样品由φ=15%的斜长石斑晶(Pl)、φ=5%角闪石斑晶(Hbl)和φ=80%微晶状基质组成。斜长石斑晶: 粒度为3～4 mm,自形-半自形,板柱状,聚片双晶极为发育,部分斜长石斑晶局部破碎; 角闪石斑晶镜下呈自形-半自形板状; 菱形斜交节理发育,多色性为黄绿色-浅黄色,粒度3～4 mm。基质由较多的斜长石、石英和少量角闪石组成,颗粒细小呈微晶状。

锆石的挑选、制靶及同位素测试实验均在北京市科荟测试技术有限公司进行。利用标准重矿物分离技术将锆石单矿物分离,在双目显微镜下人工精心挑选出结晶形态好、无杂物包裹且内部无明显裂缝表面光滑的锆石颗粒,经制靶剖光后,采取CL图像,分析其晶体形态和结构特征,以便同位素实验测试时优选测试点位。实验过程中全程采用高纯He气体作为激光光斑(32 μm)剥蚀物质吸收载体,剥蚀深度为20～40 μm。年龄计算标样、元素含量外标样品以及内标元素分别为91500、 NIST SRM610和29Si^[10],具体分析方法见

参考文献[11]。同位素比值等参数计算通过ICP-MS Datacal程序处理^[12],锆石年龄计算机图件绘制使用Isoplot 3.3 for Excell^[13]。

样品的主微量元素测试实验工作由东北亚矿产资源评价重点实验室承担。样品经干燥破碎后研磨待用。采用玻璃熔片X-射线荧光光谱法(XRF)测定主量元素,ICP-MS法测定微量和稀土元素。主微量元素测试误差控制标准均优于国标要求。

本次所选用的20个锆石测试点位均符合测试要求。表1为U-Pb同位素结果,记²⁰⁷Pb与²³⁵U同位素原子比为λ(²⁰⁷Pb)/λ(²³⁵U)。图3为测试点位及CL图像。用于测试的锆石晶型较好,无明显核幔结构,长度为146～208 μm,宽度为55～104 μm,长宽比为1:1～2:1,大部分成长柱状,震荡环带明显。锆石加权平均年龄为(142.0±1.6)Ma(NSWD=0.14,n=20),锆石协和一致年龄范围介于140.7～144.7 Ma,如图4所示。

表1 U-Pb同位素测试结果
Table 1 U-Pb isotopic results of zircon

图3 霍洛台闪长玢岩锆石阴极发光图像和测试位置
Fig.3 Cl images and test location of zircons from Huoluotai diorite porphyrite

图4 霍洛台地区闪长玢岩加权平均年龄和协和图
Fig.4 Zircon U-Pb isotope weighted average and concordia plots of Huoluotai diorite porphyrite

霍洛台矿区全岩地球化学测试结果见表2。闪长玢岩SiO₂质量分数较小,为56.08%～58.71%,平均为57.52%; MgO质量分数较高,为4.26%～5.48%,均值为4.89%; 全铁质量分数较高,为6.57%～7.64%,均值为7.21%; Mg值为56.23～58.69,均值为57.28; K₂O质量分数较高,为4.05%～4.92%,平均为4.52%; Na₂O质量分数相对较低,为0.71%～2.19%,平均为1.49%。ω(Na₂O)/ω(K₂O)比值较高,介于0.15～0.54,均值为0.34; 全碱(ω(Na₂O)+ω(K₂O))较高,为5.44%～6.35%,均值为6.01%。

表2 霍洛台闪长玢岩主量、微量和稀土元素测试结果
Table 2 Major,trace elements and REE test results of diorite porphyrite in Huoluotai area

在Si-K图解中落入了钾玄岩区域,见图5。在铝饱和指数图解中落入了偏铝质区域,见图6,记铝饱和指数α=w(Al₂O₃)/w(CaO+Na₂O+K₂O),β=w(Al₂O₃)/w(Na₂O+K₂O)。

图5 硅钾图解
Fig.5 Diagrams of Si-K

图6 A/NK-A/CNK图解
Fig.6 Diagram of A/NK versus A/CNK

闪长玢岩稀土元素总量相对较低,为152.12×10^-6～159.08×10^-6,轻稀土总量w(LREE)介于140.81×10^-6～146.92×10^-6,重稀土总量w(HREE)介于11.31×10^-6～12.16×10^-6,轻重稀土比值为11.81～12.70,平均值为12.27。由稀土元素配分模式图7a(标准化值^[14])可以看出,闪长玢岩相对富集轻稀土元素而亏损重稀土元素,铕负异常不明显(δEu为0.74～0.78)。岩石轻、重稀土元素分馏强烈,w(La)与w(Yb)标准化比值为15.77～16.74,均值为16.16。且轻稀土元素富集分异程度高,w(La)与w(Sm)标准化比值为3.33～3.74,均值为3.51。重稀土元素分异程度较低,w(Gd)与w(Yb)标准化比值为2.52～2.68,均值为2.59。

由微量元素蛛网图7b(标准化值^[15])可见,霍洛台闪长玢岩明显富集强不相容元素Rb、K、Th、U等,而Ba、Sr、Nb、Ta、P、Ti等亏损高场强元素亏损。通常Sr、Ba元素的亏损与岩浆演化过程中斜长石的分离结晶有关,而Nb、Ta、Ti亏损形成的TNT型负异常则与重矿物的分离结晶有关。

图7 霍洛台闪长玢岩稀土配分曲线和微量元素蛛网
Fig.7 Chondrite normalized REE patterns and trace elements spider for Huoluotai diorite porphyrite

前人研究表明,中性岩浆岩成因机制主要有:①部分熔融地幔楔被俯冲流体交代^[16]; ②幔源岩浆分离结晶的直接演化^[17]; ③铁镁质下地壳的部分熔融^[18]。由铁镁质下地壳部分熔融而形成的岩浆岩通常具有较低的Mg值(<40)^[19],而霍洛台地区闪长玢岩Mg值较高,为56.23～58.69,证明了其成因并不是由下地壳铁镁质岩石直接熔融而成。由幔源岩浆或地幔楔部分熔融的岩浆直接演化的中性火成岩通常具有高Cr、Ni元素含量、高MgO含量和较高的Mg值(>40)。这些地球化学特征与霍洛台高Mg值、高Ni特征较为相似,显示其具有幔源岩浆的特征。由于霍洛台地区闪长玢岩呈岩脉状产出侵入地层与火山岩中,周围没有发育规模较大的同期基性-超基性岩体,故霍洛台地区闪长玢岩直接由幔源岩浆分离结晶的可能性较小。霍洛台地区闪长玢岩岩石成因图解和流体来源判别图解如图8、9所示。

图8 Nb/Y-Rb/Y图解
Fig.8 Diagram of Nb/Y versus Rb/Y

图9 La/Sm-Ba/Th图解
Fig.9 Diagram of La/Sm versus Ba/Th

霍洛台地区闪长玢岩具有明显的“TNT”型负异常,亏损Nb、Ni、Ta等元素。这种异常与岩浆受到混染后岩浆源区残留的金红石、钛铁等矿物有关,但需进一步明确交代混染物质的性质。闪长玢岩的w(Nb)/w(Ta)介于19.67～20.68,远高于壳源岩浆(11～12); w(Zr)/w(Hf)介于37.21～39.53,接近原始地幔均值(37),显示其具有明显的幔源特征^[20]。w(Nb)/w(U)比值通常可以作为地壳混染的标志^[21],闪长玢岩w(Nb)/w(U)介于为6.39～8.20,同时低于地壳均值(25和9),也远低于受地壳物质混染的玄武岩(9～40),闪长玢岩的地化特征显示了没有遭受过地壳物质的混染。样品较高的w(U)/w(Th)值和“TNT”负异常都暗示了其源区与俯冲作用相关^[22]。低的w(Nb)/w(Y)值和上升的w(Rb)/w(Y)(图8、图9)暗示了交代地幔楔的是来自俯冲洋壳的脱水流体^[23]。综上所述,霍洛台闪长玢岩的岩浆源区应为受俯冲板片流体交代的地幔楔部分熔融,且其在上升侵位过程中并没有受到明显的地壳物质混染。

霍洛台闪长玢岩明显富集强不相容元素Rb、K、Th、U等,而Ba、Sr、Nb、Ta、P、Ti等亏损高场强元素亏损^[24]。这些特征均指示闪长玢岩具有活动大陆边缘岩浆特点,在Ta/Yb-Th/Yb(图 10a)中落入了活动大陆边缘区域。同时,在Nb-Nb/Th、Zr-Nb/Zr图解中(图 10b),闪长玢岩分别落于俯冲带岩浆岩区域,表明霍洛台闪长玢岩形成于俯冲构造背景环境中。

图 10 霍洛台闪长玢岩构造背景判别图解
Fig.10 Tectonic setting diagram of Huoluotai diorite porphyrite

目前,大量的研究资料表明,早白垩世时期中国东北部处于伸展环境,发育有大量的双峰式火山岩、A型花岗岩,同时也发育变质核杂岩和断陷盆地等。这一时期,中国东北部受蒙古-鄂霍茨克洋俯冲碰撞和古太平洋板块俯冲作用的双重影响。学者对其形成的动力学背景存在较大分歧,包括太平洋俯冲作用、地幔柱或底侵作用、蒙古-鄂霍茨克洋俯冲作用等认识。早白垩世早期古太平洋板块俯冲方向约为33°方向,而大兴安岭地区岩浆岩活动带为NNE向,与太平洋俯冲方向平行,证明了古太平洋板块俯冲作用与早白垩世早期岩浆活动没有直接关系。

近年来研究表明,大兴安岭地区火山岩活动具有自西向东、由南到北年龄逐渐变新的趋势^[25],这应与蒙古-鄂霍茨克洋南向俯冲相关。蒙古-鄂霍茨克缝合带闭合碰撞的远程效应也造成了大兴安岭地区陆壳的加厚。因此,最可能的构造模式为,蒙古-鄂霍茨克洋俯冲碰撞引起大兴安岭北段下地壳的加厚,俯冲板片受热增压而导致流体析出交代岩石圈地幔楔,同时地壳加厚造成的大规模的岩石圈导拆沉引起了软流圈上涌,导致流体交代的地幔楔发生部分熔融,进而地幔岩浆上升侵位形成了霍洛台闪长玢岩。

(1)霍洛台地区闪长玢岩LA-ICP-MS锆石加权平均年龄为(142.0±1.6)Ma,显示形成于早白垩世早期。

(2)霍洛台闪长玢岩Mg、Ni的质量分数较高,微量元素上显示富集大离子亲石元素K、Rb、Ba和轻稀土元素,相对亏损高场强元素Nb、Ta、Ti、P,显示其具有幔源岩浆的特点,且受到了板片流体的交代。

(3)霍洛台地区闪长玢岩来源于地幔楔的部分熔融。蒙古-鄂霍茨克洋俯冲碰撞造成了下地壳加厚,蒙古-鄂霍茨克洋板片流体交代了上覆地幔楔,大规模岩石圈拆沉引起了软流圈上涌,导致流体交代的地幔楔发生部分熔融。