大兴安岭北段盘古河上游早古生代中基性杂岩体U-Pb年龄、地球化学特征及其地质意义

李强,程学芹,王艳凯,李志敏,刘洪章,杨宁,申晋青,罗善霞

河北省区域地质调查院(河北省地学旅游研究中心),河北廊坊,065000

内容提要：额尔古纳地块出露的早古生代岩浆岩的成因、源区特征及动力学背景对于揭示恢复额尔古纳地块及其周缘地区的构造演化历史具有重要意义。笔者等选取大兴安岭北段盘古河上游地区早古生代中基性杂岩体进行了岩石学研究和锆石U-Pb年代学及岩石地球化学分析。野外调查及室内研究表明杂岩体的岩石类型以角闪辉长岩和辉长岩为主,少见石英闪长岩、闪长岩、辉石岩、橄榄辉长岩等中性岩和超基性岩。测年结果显示,角闪辉长岩的成岩年龄为479.2±2.1 Ma,表明该杂岩体形成时代为早奥陶世。地球化学组成上,盘古河上游早古生代中基性杂岩体SiO2含量介于40.74%～54.95%,Fe2O3T含量为3.99%～14.66%,MgO含量介于3.36%～17.78%,Mg#值为47～79,为(高钾)钙碱性系列岩石,相对富集轻稀土元素,亏损重稀土元素,δEu=0.77～2.06,相对富集Rb、Ba、U、K、Pb和Sr等大离子亲石元素及放射性元素,亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素,与俯冲带弧岩浆岩地球化学特征类似。岩浆来源于以俯冲流体交代为主、沉积物熔体交代为辅的岩石圈地幔部分熔融。源区以含尖晶石的石榴二辉橄榄岩为主,少量为尖晶石二辉橄榄岩,并在上升过程中经历了不同程度的结晶分异作用。结合区域岩石地层资料,综合分析表明盘古河上游早古生代中基性杂岩体形成于大陆拉张带(或初始裂谷)的构造环境,很可能与西伯利亚板块和额尔古纳地块碰撞后岩石圈伸展背景有关。

额尔古纳地块位于中亚造山带东段兴蒙造山带的东北部,呈北东向延伸,长达1500 km以上,是兴蒙造山带内的重要大地构造单元(武广等,2005)。该地块西北侧为中生代蒙古—鄂霍茨克缝合带,西南毗邻中蒙古地块(李锦轶,1998),东北部与莫梅恩(马门)地块相连(Sorokin et al., 2004,2015a,2015b),东南部以新林—喜桂图缝合带为界与兴安地块相邻,并被晚古生代—中生代岩浆作用改造(许文良等,2019)。关于额尔古纳地块的性质、古亚洲洋及兴—蒙造山带的演化历史等重大基础问题,一直是国内外地质界关注的重点(武广等,2005;孙立新等,2013;邵军等,2015;赵硕,2017;徐备等,2014,2018;Li Gongyu et al., 2019;Hou Wenzhu et al., 2020;刘永江等,2022;李皓东等,2022;徐文良等,2022;杜兵盈等,2022;杨文采,2022),其中额尔古纳地块和兴安地块之间的拼贴位置及时代是东北地区古生代构造—岩浆演化研究的热点问题(赵硕,2017;Gou Jun et al., 2020;景妍等,2022;刘永江等,2022)。因此,对额尔古纳地块早古生代地质体进行综合研究,特别是对火成岩进行重点研究是解决上述问题的关键。

近年来随着测试技术的提高,额尔古纳地块内部有越来越多的早古生代火成岩被识别出来,并分别对其进行了分析研究。武广等(2005)报道的漠河西北洛古河花岗岩体SHRIMP锆石U-Pb年龄为517～504 Ma;秦秀峰等(2007)报道的漠河地区早古生代花岗岩TIMS锆石U-Pb年龄为502 Ma;王佰义等(2019)报道的漠河地区花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为485 Ma;吴琼等(2019)报道的漠河地区A型花岗岩锆石U-Pb年龄为481 Ma;张冬冬等(2022)报道的砂宝斯I型花岗岩体锆石U-Pb年龄为509 Ma;周传芳等(2022)报道的洛古河地区I型花岗岩锆石U-Pb年龄为486 Ma;巩鑫等(2023)报道的前哨林场A型黑云母二长花岗岩锆石U-Pb年龄为458 Ma;认为以上早古生代花岗岩是额尔古纳地块与西伯利亚板块之间相互作用的产物。葛文春等(2005)报道的塔河岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为494～480 Ma;隋振民等(2006)报道的十八站东哈拉巴岩体锆石U-Pb年龄为500～461 Ma;葛文春等(2007)报道的十八站岩体、内河岩体、白银纳岩体、查拉班河岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分别为499 Ma、500 Ma、460 Ma和465～481 Ma;任邦方等(2012)报道的永庆林场—十八站花岗岩锆石U-Pb年龄为447.5～443.5 Ma;赵硕(2017)报道的翠岗石英闪长岩锆石U-Pb年龄约为500 Ma、阿龙山辉长岩为439 Ma、恩和辉长岩为465 Ma、韩家园子花岗岩为501 Ma、翠岗花岗岩为475 Ma、十九站花岗岩为481 Ma、永庆林场花岗岩为481 Ma、塔林花岗岩为465 Ma、白鹿岛花岗岩为480 Ma、南大窑花岗岩为460～454 Ma、阿龙山花岗岩为455 Ma;汪岩等(2017)在塔河瓦拉干林场一带发现的中基性火山岩锆石U-Pb年龄约为500 Ma;柴明春等(2018)报道的十八站—韩家园地区中酸性岩体锆石U-Pb年龄为512 Ma;杜兵盈等(2019)报道的壮志林场高分异I型花岗岩锆石U-Pb年龄为489 Ma;景妍等(2022)报道的漠河地区I型花岗岩锆石U-Pb年龄为482～456 Ma;认为以上火成岩是额尔古纳地块与兴安地块构造拼贴的产物。

从上述研究可以看出,前人对额尔古纳地块之上早古生代火成岩的研究主要集中在酸性单元,而对同时代基性单元的研究较少,同时对其形成的构造背景有不同的认识,一种观点认为是额尔古纳地块与兴安地块拼贴后的后造山构造背景(葛文春等,2005;隋振民等,2006;张彦龙等,2010;冯志强等,2014;Zhou Jianbo et al., 2015;赵硕,2017;汪岩等,2017;柴明春等,2018;杜兵盈等,2019;景妍等,2022);另一种观点则认为是额尔古纳地块与西伯利亚板块后碰撞构造背景(武广等,2005;秦秀峰等,2007;王佰义,2019;吴琼等,2019;张冬冬等,2022;周传芳等,2022);还有学者认为额尔古纳地块北缘早古生代花岗岩形成于额尔古纳地块与西伯利亚古陆及蒙古—图瓦地块碰撞、拼接后伸展背景,而东北缘形成于额尔古纳与兴安地块碰撞伸展背景下(巩鑫等,2022)。笔者等在详细区域地质调查和前人资料分析研究的基础上,对盘古河上游中基性杂岩体开展了岩石学、锆石U-Pb年代学及岩石地球化学研究,旨在探讨该杂岩体的形成时代、岩石成因、岩浆源区及其动力学背景,为额尔古纳地块乃至兴蒙造山带的构造演化提供新的资料。

1 地质背景及样品特征

研究区位于大兴安岭北段盘古河上游,行政区划属于塔河县盘古镇管辖。大地构造位置处于额尔古纳地块之上的额木尔山中间隆起与漠河盆地的过渡地带。区内出露地层主要有中元古界兴华渡口群、新元古界—下寒武统倭勒根群、下侏罗统塔木兰沟组、下白垩统光华组和少量下白垩统甘河组,最新研究资料显示,区内还发育有与蒙古—鄂霍茨克洋南向俯冲相关的早中三叠世火山地层(李强等,2021)。研究区侵入岩构成十分复杂,时代从新元古代到白垩纪均有发育(图1b),包括新元古代基性—酸性双峰式侵入岩、寒武纪酸性侵入岩、早奥陶世中基性杂岩体、晚二叠世—三叠纪基性至酸性侵入体、早侏罗世中酸性侵入岩和早白垩世中酸性及偏碱性侵入岩,它们对研究区乃至额尔古纳地块及其周缘的构造演化研究提供了丰富的材料。

图1 研究区所在位置(a)(据纪政等,2018修改)及地质简图(b)Fig.1 The tectonic location (a, modified from Ji Zheng et al., 2018&) and geological sketch map (b) of study area

本次工作以1∶5万区域地质调查为基础,并结合前人研究资料,通过野外调查对位于盘古河上游的中基性杂岩体进行了综合分析研究。该杂岩体分布于盘古林场十三支线1088高地一带,区内出露面积约1 km2,向东延出区外,岩石类型以角闪辉长岩和辉长岩为主,少见石英闪长岩、闪长岩、辉石岩、橄榄辉石岩等中性岩和超基性岩,不同岩石类型间一般为渐变过渡或断层接触,被下白垩统火山岩覆盖,且与围岩二长花岗岩之间未见断层迹象,应为侵入接触关系,但限于较差的基岩露头,在野外并未能观察到它们的先后顺序。上述杂岩体主要岩石类型岩相学特征详述如下:

角闪辉长岩:岩石新鲜面深灰色,中细粒半自形粒状结构(图2a),块状构造。岩石主要由斜长石(35%～50%)和角闪石(50%～65%)组成,可见不等量的黑云母(0%～10%),少见石英。斜长石呈半自形板状,粒径一般0.2～2 mm,部分为2～4 mm的中粒,杂乱分布,不同程度绢云母化、绿帘石化,聚片双晶较发育,部分可见环带构造,根据⊥(010)晶带的最大消光角法测得NP′∧(010)=20°～28°,斜长石牌号An=38～53,属于中拉长石。角闪石半自形柱粒状,粒径一般0.2～2 mm,部分为2～3.5 mm的中粒,与斜长石一起均匀混杂分布,单偏光镜下具绿色—浅黄色多色性,多具次闪石化,轻绿帘石化,部分颗粒表面有少量铁质析出,少量边部被黑云母交代,偶见粒内嵌布斜长石,呈嵌晶含长结构(图2b)。黑云母呈暗褐色,鳞片—叶片状,片径一般0.2～1 mm,杂乱分布,局部少量聚集分布,不同程度绿泥石化,表面有少量铁质析出,少数呈假象产出。副矿物主要有锆石、磷灰石、榍石、钛铁矿、绿帘石、黄铁矿、磁铁矿等。

图2 大兴安岭盘古河上游早古生代中基性杂岩体显微照片: (a)细粒角闪辉长岩;(b)中细粒角闪辉长岩具嵌晶含长结构;(c)辉长岩;(d)辉长岩具辉长结构Fig.2 Microscopic photomicrographs of intermediate—basic complex in the upper reaches of Pangu River, Great Hinggan Mountains: (a) fine-grained hornblende gabbro; (b) medium—fine grainedhornblende gabbro with plagioclase in hornblende; (c) gabbro; (d) gabbro with gabbro structurePl—斜长石;Hb—角闪石;Px—辉石;显微照片均在正交偏光下拍摄Pl—plagioclase; Hb—hornblende; Px—pyroxene; the micrographs were all taken under orthogonally polarized light

辉长岩:岩石新鲜面为灰绿色,辉长结构,块状构造。岩石主要由辉石(5%～45%)、角闪石(5%～10%)、斜长石(40%～60%)组成(图2c、d)。辉石呈半自形柱状,粒径多为0.5～2 mm的细粒,个别为2～2.5 mm的中粒,杂乱分布,部分具次闪石化,多具绿色角闪石反应边,少量粒内包嵌斜长石构成嵌晶含长结构。角闪石呈半自形柱状,粒径0.1～1.5 mm不等,单偏光下具黄褐—浅黄色多色性。斜长石呈半自形板状—半自形粒状,粒径多为0.4～2 mm的细粒,少量为2～3 mm的中粒,可见聚片双晶,根据⊥(010)晶带的最大消光角法测得NP′∧(010)=24°～30°,斜长石牌号An=48～55,属于中拉长石,具黏土化、绢云母化。副矿物主要有磷灰石、钛铁矿、黄铁矿、磁铁矿等。

石英闪长岩:岩石新鲜面为灰色,细粒半自形粒状结构,块状构造。岩石主要由角闪石(50%)、黑云母(5%)、斜长石(40%)、石英(5%±)组成。角闪石呈半自形柱状,粒径0.2～1.5不等,杂乱分布,部分具次闪石化。黑云母呈鳞片状,粒径0.02～0.2 mm不等,局部聚集状分布,单偏光下具多色性,Ng′=黄褐色,Np′=浅黄色,沿解理具褐铁矿化,部分具绿泥石化。斜长石呈半自形板状,粒径0.2～1.75 mm不等,杂乱分布,可见聚片双晶,具黏土化、绢云母化。石英呈他形粒状,粒径0.2～1 mm不等,似填隙状分布,粒内具波状消光。副矿物为不透明矿物、磷灰石、榍石等。

为更好更全面分析研究区早古生代中基性杂岩体的岩石地球化学情况,笔者等分析讨论的数据除了本次工作所测角闪辉长岩和辉长岩数据外,还包含了前人在同一杂岩体内获得的相同及不同岩性数据资料(前人引用数据详见表1)。引用的数据有赵硕(2017)测的2件角闪辉长岩样品,其形成年龄为483±2 Ma(定年位置如图1);另有黑龙江省地质调查总院齐齐哈尔分院❶测得的5件样品,岩性有角闪辉长岩、辉长岩、橄榄辉石岩、石英闪长岩等。

表1 大兴安岭盘古河上游中基性杂岩体全岩主量元素(%)、微量元素和稀土元素(×10-6)数据Table 1 Major (%), trace elements and REE (×10-6) of intermediate-basic complex in the upper reaches of Pangu River, Great Hinggan Mountains

2 分析方法

样品的全岩主量和痕量元素分析由河北省区域地质调查院实验室完成。主量元素分析采用常规湿法(AF)和X-荧光光谱仪(XRF)相结合测试完成,分析相对误差在1%(SiO2)和2%(其他氧化物);微量元素和稀土元素运用高分辨率电感耦合等离子质谱法(ELEMENT)测试,分析相对误差为1%～5%。分析结果见表1。

锆石样品的挑选、制靶和阴极发光(CL)图像由河北省区域地质调查院实验室完成。结合透反射显微镜观察和阴极发光图像选择合适的锆石颗粒进行锆石U-Pb定年,避开包体和裂隙。锆石LA-MC-ICP-MS测年在中国地质科学院矿产资源研究所“自然资源部成矿作用和资源评价重点实验室”完成,锆石定年分析所用仪器为Finnigan Neptune型MC-ICP-MS及其配套的Newwave UP 213激光剥蚀系统。所用激光剥蚀斑束直径为30μm,频率为10Hz,能量密度约为2.5J/cm2,以He为载气。信号较小的207Pb,206Pb用离子计数器(multi-ion-counters)接收,208Pb,232Th,238U信号用法拉第杯接收,实现了所有目标同位素信号的同时接收且不同质量数的峰基本平坦,进而获得高精度的数据。均匀锆石颗粒n(207Pb)/n(206Pb),n(206Pb)/n(238Pb),n(207Pb)/n(235U)的1σ均为2%左右,对锆石标准的1σ在1%左右。LA-ICP-MS激光剥蚀采样采用单点剥蚀的方式,数据分析前先用锆石GJ-1进行仪器调试,使之达到最优状态,锆石U-Pb定年以锆石GJ-1为外标。测试过程中每测定10个样品前后重复测定两个锆石标准进行样品校正,并测量一个锆石标准Plesovice,观察仪器的状态以保证测试的精度。数据处理采用ICPMSDataCal程序,锆石年龄谐和图用Isoplot 3.0程序获得。详细实验测试过程可参见侯可军等(2009)的文章。分析结果见表2。

3 分析结果

3.1 LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb年代学

本次工作对盘古河上游中基性杂岩体中的角闪辉长岩样品(RZ4791-1)进行了LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb年龄测试(图1)。双目镜下,该样品中的锆石多呈粉色透明的半自形柱状,金刚光泽,晶内可见黑色固相包体,粒径以80～200 μm为主,聚型由晶面(110)、(100)、(111)、(311)、(131)组成,长宽比在2∶1到1.5∶1之间。CL图像中锆石生长环带清晰,环带宽度较大(图3),显示出基性岩浆冷却结晶特点,同时可以看出,部分锆石具有核幔结构,核部亮度低呈灰黑色,幔部亮度较高呈灰白色,但它们的Th/U值为0.17～1.02,绝大多数大于0.4(表2),同样表明其为岩浆锆石。

图3 盘古河上游角闪辉长岩锆石阴极发光(CL)图像与n(206Pb)/n(238U)年龄Fig.3 Cathodoluminescence(CL)images and n(206Pb)/n(238U) ages of zircons from hornblende gabbro in the upper reaches of Pangu River

此次对RZ4791-1样品共选择了25颗锆石进行测试。其中2号锆石测点由于测年谐和度差不参与讨论;另外14号锆石测点n(206Pb)/n(238U)年龄为522±7 Ma,应为继承或捕获的锆石;无论测点位于核部还是幔部,其余23颗锆石测试年龄都较为一致,均分布在谐和线上或其附近,n(206Pb)/n(238U)加权平均年龄为479.2±2.1 Ma(MSWD=0.57)(图4),代表了角闪辉长岩的侵位结晶年龄,表明盘古河上游基性杂岩体形成于早奥陶世。

图4 大兴安岭盘古河上游角闪辉长岩(RZ4791-1)锆石U-Pb年龄谐和图(a)和年龄分布图(b)Fig.4 U-Pb concordiadiagram(a) and ages distribution diagram(b) of the zircons from hornblende gabbro in the upper reaches of Pangu River, Great Hinggan Mountains

3.2 主量元素特征

盘古河上游基性杂岩体SiO2介于40.74%～54.95%之间,平均值48.09%,小于大陆下地壳平均含量(53.4%)(Rudnick and Gao,2003);Al2O3介于10.70%～26.28%,变化较大,平均值17.81%,略高于大陆下地壳平均含量(16.9%)(Rudnick and Gao,2003);Fe2O3T含量为3.99%～14.66%,平均值9.86%;CaO含量较高,为4.99%～14.29%,平均值9.35%;MgO含量变化大,介于3.36%～17.78%,平均值7.76%,Mg#值为47～79;TiO2含量介于0.12%～1.87%;K2O含量为0.50%～2.28%,平均值1.19%;Na2O含量为0.45%～4.19%,平均值2.30%;Na2O/K2O值为0.46～3.64,平均值为2.10,整体显示了相对富钠低钾的特征。样品烧失量(LOI)介于1.20%～7.39%,扣除烧失量,对主量元素组成进行归一化计算后再投图(邓晋福等,2015a)。在火成岩TAS图解中,样品落入橄榄辉长岩、辉长岩和辉长闪长岩区内(图5a),与镜下鉴定基本一致,且多属于亚碱性系列岩石;在K2O—SiO2图解中,样品多属于钙碱性系列和高钾钙碱性系列,个别落入钾玄岩系列(图5b)。

图5 大兴安岭盘古河上游中基性杂岩体TAS(a)和K2O—SiO2(b)图解(底图据Middlemost,1994)Fig.5 Diagrams of TAS (a) and K2O—SiO2(b) for intermediate—basic complex in the upper reaches of Pangu River, Great Hinggan Mountains (after Middlemost, 1994)

3.3 稀土和微量元素特征

在稀土元素球粒陨石标准化配分曲线图上(图6a),盘古河上游中基性杂岩体各样品均表现为右倾曲线,轻重稀土元素比值(LREE/HREE)介于3.79～9.22,(La/Yb)N介于3.37～10.08,轻稀土分馏程度高,重稀土相对亏损,但不同样品间的曲线形态差异较大,反映其具有不同的源区。已有研究结果表明,基性岩中Eu异常的发生最主要与斜长石有关,高的δEu值与斜长石的堆晶有关,而低的δEu值则与斜长石的分离结晶有关。盘古河上游早古生代中基性杂岩体各岩石样品δEu=0.77～2.06,多数样品具微弱的负Eu异常,表明大多数岩石样品斜长石的结晶分异不明显,少量样品(PM05YQ3、PM05YQ4)具正Eu异常,暗示经历了不同程度的斜长石堆晶作用。在玄武质岩浆中,除了2+、3+价过渡元素和石榴子石中的重稀土之外,大多数元素具有较低的矿物—熔体分配系数,随着玄武质岩浆演化程度的提高,稀土总量逐渐升高(White,2001)。研究区基性杂岩体岩石样品稀土元素总量(ΣREE)变化大,介于12.50×10-6～220.15×10-6,值得注意的是,随着稀土总量的升高,δEu值逐渐降低,即从正铕异常向弱的负铕异常转变(图6a),共同显示该杂岩体原生岩浆经历了不同程度的演化。

图6 大兴安岭盘古河上游中基性杂岩体球粒陨石标准化配分曲线(a)和微量元素原始地幔标准化配分曲线(b)(球粒陨石和原始地幔数据引自Sun and McDonough, 1989)Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized spider diagrams (b) for intermediate—basic complex in the upper reaches of Pangu River, Great Hinggan Mountains(after Sun and McDonough, 1989)

从微量元素原始地幔标准化蛛网图(图6b)上可以明显看出,所有岩石样品具有较为一致的曲线模型,相对富集Rb、Ba、U、K、Pb和Sr等大离子亲石元素及放射性元素,而明显亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素,具有类似俯冲带岩石的特征(Rudnick and Gao,2003),与火山弧玄武岩的地球化学特征相似。

4 讨论

4.1 形成时代

盘古河上游早古生代中基性杂岩体出露面积较小,不同岩石类型间一般为渐变过渡或断层接触,其上被白垩纪地层不整合覆盖,局部被早白垩世正长斑岩侵入,由于植被覆盖严重,该岩体与周围花岗质岩体接触关系不明。黑龙江省地质调查总院齐齐哈尔分院❶在橄榄辉石岩中取得的Sm-Nd全岩模式年龄为600±44 Ma,故将其时代置于新元古代,并认为围岩二长花岗岩侵入其中。最近,赵硕(2017)对该杂岩体边部位置的角闪辉长岩进行了测年工作,获得了483±2 Ma(MSWD=0.36,n=15)和499±3 Ma(MSWD=0.33,n=9)两组206Pb/238U加权平均年龄,并认为483±2 Ma代表了该岩体的形成时代。

为准确厘定该杂岩体的形成时代,笔者等通过LA-MS-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析方法对盘古河上游杂岩体中心位置的角闪辉长岩做了详细的年代学分析测试工作,同时对其南侧的细粒斑状含黑云二长花岗岩也进行了同位素测年。其中,角闪辉长岩样品测年结果为479.2±2.1 Ma(MSWD=0.57,n=23),与赵硕(2017)获得的年龄在误差范围内一致,表明它们的侵位时代为早奥陶世,共同为该杂岩体的形成时代提供了精准约束。在杂岩体南侧含黑云二长花岗岩中获得的锆石U-Pb年龄为774.1±3.8 Ma(待发表数据),表明该花岗质围岩的形成时代为新元古代,而并非前人认为的寒武纪,故盘古河上游中基性杂岩体侵入于二长花岗岩之中。

4.2 地壳混染与分离结晶作用

基性岩一般起源于岩石圈地幔或软流圈地幔,而大陆地壳常强烈亏损Nb、Ta等元素(Rudnick and Gao,2003),如果幔源岩浆经历了一定规模的陆壳混染作用往往会形成类似俯冲带岩浆岩的特征(Ernst et al., 2005;夏林圻等,2007;Xia Linqi,2014)。盘古河上游早古生代中基性杂岩体样品均表现为富集大离子亲石元素和轻稀土,而亏损高场强元素,显示明显的Nb、Ta负异常(图5b),具有俯冲带岩浆特征,暗示幔源岩浆可能受到了地壳混染作用,而细粒角闪辉长岩样品中出现有少量寒武纪捕获或继承锆石,表明岩浆上升过程中受到了围岩的混染作用。前人研究表明,来自深部地幔物质的岩浆在上升过程中受到地壳物质混染作用时,其La/Sm值会迅速升高(>5)(Lassiter et al., 1997;徐义刚,1999;张招崇和王福生,2004;贠杰等,2017),盘古河上游早古生代中基性杂岩体样品的La/Sm值为2.30～6.83,平均4.64,大多数样品的La/Sm值小于5,暗示陆壳物质混染的程度较低。此外,样品低SiO2(40.74%～54.95%,平均48.09%)和较高的Mg#值(47～79,平均61),同样说明岩浆侵位过程中地壳物质的混染是有限的,因此判定其并未受到明显的地壳混染作用,它们的Nb、Ta元素负异常是继承岩浆源区的地球化学特征。

盘古河上游早古生代中基性杂岩体具有变化范围较大的Mg#值(47～79)和Cr(17.4×10-6～603×10-6)、Ni(6×10-6～123×10-6)含量,多数样品的含量明显低于原生基性岩浆的Mg#值(68～75)(Tatsumi and Ishizaka,1981;Wilson,1989)、Cr(500×10-6～600×10-6)和Ni(250×10-6～350×10-6)含量(Perfit,1980;Hergt et al., 1991),暗示其在岩浆演化过程中存在一定程度的镁铁质矿物(如尖晶石、辉石、角闪石等)的分离结晶,这与样品中暗色矿物主要为辉石和角闪石相一致。微量元素蜘蛛图显示样品具有强度不等的Ti、P负异常,表明岩浆演化过程中可能发生了不同程度的Ti—Fe氧化物和磷灰石的分离结晶作用。

4.3 岩石成因及源区特征

盘古河上游早古生代中基性杂岩体具有低硅(SiO2=40.74%～54.95%)和高镁(MgO=3.36%～17.78%)的特征,暗示其岩浆来源于地幔物质的部分熔融,且所有样品Mg#值(47～79)均大于45,与下地壳基性岩部分熔融所形成的低硅、低Mg#(常小于40)熔体明显不同(Rapp and Watson,1995;Rapp et al.,1999),进一步表明其来源于地幔物质的部分熔融。起源于岩石圈地幔的岩石相对原始地幔常富集大离子亲石元素和轻稀土元素,亏损高场强元素(Nb、Ta),而起源于软流圈地幔的物质往往同时富集大离子亲石元素和高场强元素(Sun and McDonough,1989;Ewart et al., 1998;Elliott et al., 2003;张永明等,2019;那福超等,2022)。研究区早古生代中基性杂岩体富集大离子亲石元素,亏损Nb、Ta、Ti和P等高场强元素,与起源于软流圈地幔的岩石存在明显差异。源于软流圈地幔的基性岩La/Nb值一般小于1.5,La/Ta值小于22,而岩石圈地幔来源的基性岩则恰恰相反(Thompson and Morrison,1988;Watson,1993;Smith et al., 1999)。研究区早古生代中基性杂岩体La/Nb和La/Ta值分别为2.16～32.75(平均值6.96)、7.53～61.23(平均值35.89,仅Gs34样品小于22),表明其岩浆源区主要为岩石圈地幔。另外,区内早奥陶世杂岩体普遍含有角闪石和黑云母,说明岩浆中富含挥发分,其源区是湿的而不是干的,这种特点同样说明其源区为岩石圈地幔(张招崇等,2009;邓晋福等,2015b)。

前期分析显示盘古河上游早古生代中基性杂岩体未遭受明显的地壳混染作用,其地球化学特征是继承岩浆源区的,该中基性杂岩体以(高钾)钙碱性为特征(图5b),蛛网图中富集大离子亲石元素和轻稀土元素,相对亏损Nb、Ta、Ti、P等高场强元素,与弧岩浆岩特征相似,表明地幔源区曾遭受俯冲流体或熔体的改造(Rudnick and Gao,2003)。研究结果显示,弧岩浆中90%的Th来自俯冲的沉积物(Hawkesworth et al., 1997),有俯冲沉积物熔体加入的源区部分熔融产生的岩浆Th/Yb值通常大于2,而流体交代富集源区部分熔融产生的岩浆Th/Yb值通常小于1(Woodhead et al., 2001)。盘古河上游早古生代中基性杂岩体Th/Yb值为0.75～3.04,绝大多数样品小于2,显示岩浆源区岩石圈地幔以俯冲流体交代为主,沉积物熔体交代为辅的特征。

区域上,在研究区东南侧不远的塔河和翠岗地区发育有476～490 Ma的“双峰式”火成岩(葛文春等,2005;赵硕,2017),与区内中基性杂岩体的成岩时代相近,而且它们的地球化学特征和锆石Hf同位素也十分相似(张彦龙等,2010;赵硕,2017),应具有相同的构造环境和岩石成因。锆石Hf同位素组成很少受到后期地质作用的影响,可以作为探讨岩浆源区属性的重要约束。赵硕(2017)在研究区内～483 Ma角闪辉长岩中获得的锆石εHf(t)为+1.9～+4.0,表明其来源于源区相对亏损组分的部分熔融,对应的一阶段模式年龄TDM1为927～1012 Ma,二阶段模式年龄TDM2变化范围为1099～1229 Ma,说明区内早古生代中基性杂岩体来源于中—新元古代亏损岩石圈地幔。

盘古河上游早古生代中基性杂岩体样品稀土配分曲线均呈明显的右倾型,HREE不平坦,暗示其源区为石榴石稳定区域(Henderson,1982;McKenzie et al., 1991),部分熔融作用发生在岩石圈地幔较深的位置。稀土元素含量和比值在限定幔源岩浆源区及其部分熔融程度过程中十分有效,石榴子石强烈富集重稀土元素,对轻稀土元素则为强不相容元素,而尖晶石对轻、重稀土元素均不相容。因此,Sm/Yb值可以用来判断地幔源区的矿物相,如果岩浆源区是石榴子石二辉橄榄岩部分熔融时,产生的熔体具有高于地幔源区的Sm/Yb值,而当岩浆源区为尖晶石二辉橄榄岩部分熔融时,会形成与地幔源区相似的Sm/Yb值(Aldanmaz et al., 2000,Xu Yigang et al., 2005)。在Sm/Yb—Sm图解中(图7),盘古河上游早古生代中基性杂岩体绝大多数岩石样品位于尖晶石—石榴子石(50∶50)二辉橄榄岩与石榴子石二辉橄榄岩部分熔融线之间,而PM05YQ4样品落在尖晶石二辉橄榄岩部分熔融线上,可能受堆晶作用影响,造成其Sm值偏低而显示较高的部分熔融程度;在Sm/Yb—La/Yb图解中(图8),多数样品位于尖晶石二辉橄榄岩与石榴子石二辉橄榄岩之间的部分熔融线上,而PM05YQ4样品落在尖晶石二辉橄榄岩部分熔融线上;以上综合表明该杂岩体多数样品岩浆源区为含尖晶石的石榴子石二辉橄榄岩源区,其源区部分熔融程度可能在10%～20%之间不等,个别岩石样品(PM05YQ4)源区为尖晶石二辉橄榄岩,可能是尖晶石二辉橄榄岩低程度部分熔融的产物。

图7 大兴安岭盘古河上游早古生代中基性杂岩体Sm/Yb—Sm判别图解(据Aldanmaz et al., 2000)Fig.7 Diagramsof Sm/Yb—Sm for intermediate—basic complex in the upper reaches of Pangu River, Great Hinggan Mountains (after Aldanmaz et al., 2000)

综上所述,盘古河上游早古生代中基性杂岩体岩浆起源于以遭受俯冲流体交代为主、沉积物熔体交代为辅的中—新元古代亏损岩石圈地幔,源区主体为含尖晶石的石榴子石二辉橄榄岩,少数为尖晶石二辉橄榄岩,它们经历了不同程度的岩浆演化。

4.4 构造环境

额尔古纳地块位于大兴安岭北部,传统上将兴华渡口群、佳疙瘩群视为该地块的古老基底,认为其形成于古元古代。随着高精度锆石U-Pb定年技术的发展,上述古老基底已被解体,其主体形成于古生代,少量为新元古代(苗来成等,2007;Zhou Jianbo et al., 2011;Wu Fuyuan et al., 2011)。近年来,一些学者对额尔古纳地块基底性质进行了研究并取得了重要进展。邵军(2015)在对得尔布尔镇西南部比利亚谷铅锌多金属矿床钻孔内的片麻状二长花岗岩中得到了2606±17 Ma锆石U-Pb加权平均年龄。Hou Wenzhu等(2020)在漠河附近发现了2464±26 Ma的正片麻岩。另外,在额尔古纳地块东北部的韩家园镇附近,孙立新等(2013)、Li Gongyu等(2019)和Sun Chenyang等(2019)在此分别报道了1741±30 Ma、1837±5 Ma、1785±45 Ma、1860±20 Ma和1861±4 Ma的花岗片麻岩锆石U-Pb年龄。以上工作均证实额尔古纳地块是一个具有新太古代—古元古代基底的古老陆块。

盘古河上游早古生代中基性杂岩体地处额尔古纳地块内部,但岩石样品均富集大离子亲石元素Rb、Ba、U、K、Pb和Sr等大离子亲石元素及放射性元素,亏损高场强元素Nb、Ta、Ti,具有消减带岩浆岩的标志性特征。在适合玄武质岩浆岩的Th/Yb—Ta/Yb构造环境判别图解中(图9a),区内早古生代中基性杂岩体除一个样品(Gs34)外,其余样品均落入活动大陆边缘区域及附近;在Hf/3—Th—Nb/16图解上全部落入岛弧钙碱性玄武岩区域内(图9b)。以上分析显示研究区早古生代中基性杂岩体可能形成于活动大陆边缘弧。但上述特征同样可以出现在陆内伸展环境,可能是由经历了古板块俯冲改造的岩石圈地幔部分熔融而成(夏林圻等,2007)。这是因为上述判别标志大多数是根据对大洋环境的研究而建立的,不能很好地解决大陆及洋陆结合带这种复杂构造环境的判别(汪云亮等,2001),以至于火山弧、弧后伸展环境及陆内裂谷等构造背景的火成岩在上述判别图解中常落在相同的区域。对于上述具有消减带信号的基性岩,可以根据Zr含量和Zr/Y值,或利用Zr/Y—Zr图解,判断它们是否真正是岛弧或活动大陆边缘玄武岩(夏林圻等,2007)。在Zr/Y—Zr判别图解(图9c)中,研究区古生代中基性杂岩体则多属于Zr/Y值较大的板内玄武岩区域范畴,指示其侵位于板内拉张构造背景。Th/Hf—Ta/Hf图解也能够有效区分大陆板内与俯冲带环境玄武岩(汪云亮等,2001),区内早古生代中基性杂岩体样品在Th/Hf—Ta/Hf图解上多投点于大陆拉张带(或初始裂谷)玄武岩区及其附近(图9d),同样显示其形成于大陆板内张性环境,与前人对同时代花岗岩的研究结果一致(Wu Fuyuan et al., 2011;赵硕,2017;吴琼等,2019;景妍等,2022),个别落入了地幔热柱玄武岩区,暗示可能有软流圈物质的贡献。

图9 大兴安岭盘古河上游早古生代中基性杂岩体的构造环境地球化学判别图解: (a)Th/Yb—Ta/Yb图解(据Pearce,1982);(b)Hf/3—Th—Nb/16图解(据Wood,1980);(c)Zr/Y—Zr图解(据Pearce and Norry,1979);(d)Th/Hf—Ta/Hf图解(据汪云亮等,2001)Fig.9 Tectonic discrimination diagrams for intermediate—basic complex in the upper reaches of Pangu River, Great Hinggan Mountains: (a)Th/Yb vs. Ta/Yb (after Pearce, 1982);(b)Hf/3—Th—Nb/16(after Wood, 1980);(c)Zr/Y vs. Zr(after Pearce and Norry, 1979);(d)Th/Hf vs. Ta/Hf(after Wamg Yunliang et al., 2001)

判断一个地区玄武质岩石是形成于大陆板内环境还是形成于岛弧或活动大陆边缘环境,比较可行的办法除了仔细分析研究火成岩系的岩石共生组合特点及其地球化学特征,还有就是对该区同时期火山岩系产出的区域地质背景和与火山岩系共生的沉积岩系特点进行全面的综合研究分析(夏林圻等,2007)。汪岩等(2017)在塔河瓦拉干林场发现的一套～500 Ma的中基性火山岩,该套岩石无任何变质变形,岩石类型以粗面玄武岩和玄武粗安岩为主,少见玄武安山岩,岩石中普遍含有橄榄石斑晶,且具有与研究区中基性杂岩体十分相似的地球化学特征,均属(高钾)钙碱性系列,轻稀土富集,重稀土相对亏损,富集Rb、Ba、Sr、K,亏损Nb、Ta、Ti,且同样具有较高的Zr/Y值。郑全波等(2018)在富克山地区原兴华渡口群中发现了一套早奥陶世(～487 Ma)基性火山岩,该套火山岩经过了高绿片岩相—低角闪岩相的变质作用。另外,包括研究区在内的额尔古纳地块东南缘广泛发育有倭勒根群,前人将其归属为新元古代—早寒武世。最新研究资料显示,倭勒根群是一套时间跨越寒武纪到志留纪的火山-沉积岩石地层组合,且整体表现为浅海相沉积的特征(苗来成等,2007;孙巍等,2014;杜海涛,2016;刘玉等,2016;姜迎久等,2019;蒋立伟,2019;杜兵盈等,2022),而并非前人认为的新元古代—早寒武世,其中新林地区倭勒根群之中的477 Ma细碧岩形成于板内构造环境(刘玉等,2016)。

上述研究表明,盘古河上游早古生代中基性杂岩体形成于大陆拉张带(或初始裂谷)的构造背景,额尔古纳地块在早古生代(至少在～500 Ma以后)为板内张性环境,产生了包括研究区在内的一系列中基性杂岩体和酸性岩,同时在拉张环境下沉积了一套以早古生代倭勒根群为代表的连续的浅海相沉积建造。

4.5 构造演化及动力学意义

目前,对额尔古纳地块大量新元古代伸展岩浆事件(851～738 Ma)和以额尔古纳河群(795～738 Ma)为代表陆相—浅海相沉积建造的构造背景已基本达成一致,为Rodinia超大陆裂解事件的产物(Wu Fuyuan et al., 2011;Tang Jie et al., 2013;Zhang Yihan et al., 2014;冯志强,2015;赵硕,2017),且与塔里木克拉通具有构造亲缘性(赵硕,2017)。但对额尔古纳地块早古生代地质体的构造背景存在不同认识。多数学者认为是额尔古纳地块与兴安地块拼贴后的后造山构造背景(葛文春等,2005;隋振民等,2006;张彦龙等,2010;冯志强等,2014;Zhou Jianbo et al., 2015;赵硕,2017;柴明春等,2018;杜兵盈等,2019;景妍等,2022),塔河杂岩体为该构造背景的产物(葛文春等,2005;张彦龙等,2010);另有部分学者认为额尔古纳地块早古生代地质体形成于西伯利亚板块与额尔古纳地块碰撞造山后构造背景(武广等,2005;秦秀峰等,2007;王佰义,2019;吴琼等,2019;张冬冬等,2022;周传芳等,2022);还有学者认为额尔古纳地块北缘及东北缘早古生代花岗岩形成机制不同,前者形成于额尔古纳地块与西伯利亚古陆及蒙古—图瓦地块碰撞、拼接后伸展背景下,而后者主要形成于额尔古纳与兴安地块碰撞伸展背景下(巩鑫等,2022)。

从前述分析可知包括研究区中基性杂岩体在内的额尔古纳地块早古生代火成岩均形成于板内拉张环境,那么这种伸展构造背景到底与何种构造体系有关?亦或是同时受上述两种构造体系控制?回答上述问题关键在于新林—喜桂图洋闭合时限的界定及额尔古纳与兴安地块的碰撞拼合时代。

额尔古纳地块早古生代地质体很可能不是额尔古纳地块与兴安地块拼贴后造山构造背景的产物,而与西伯利亚板块和额尔古纳地块之间的俯冲碰撞有关。理由如下:新林—喜桂图蛇绿混杂岩带中环二库696.8 Ma辉长岩(杜兵盈等,2017)、吉峰647 Ma辉长岩(冯志强,2015)和嘎仙628 Ma辉石岩(佘宏全等,2012)的出现,表明额尔古纳地块与兴安地块之间已经发育有成熟的新元古代古洋盆。Zhou Jianbo等(2015)在该蛇绿混杂岩带西南段头道桥地区发现的具OIB和N-MORB性质的蓝片岩原岩为玄武岩,测得原岩锆石U-Pb年龄为511～517 Ma,其形成环境与寒武纪的洋内(新林—喜桂图洋)俯冲有关。孙巍等(2014)对新林地区倭勒根群大网子组火山岩和沉积岩进行了锆石U-Pb定年,结果表明倭勒根群浅变质岩系是一套从寒武纪到早志留世的岩石地层组合,认为新林蛇绿岩的构造侵位时间不早于早奥陶世。最近,陈洋(2020)提出额尔古纳地块与兴安地块在寒武纪晚期至早奥陶世并未完全拼合在一起,乌奴耳—新林蛇绿混杂岩带西南段仍存在洋盆。以上研究表明额尔古纳地块与兴安地块在寒武纪至早奥陶世并未拼合在一起,故该时期也就不存在所认为的额尔古纳地块与兴安地块拼贴后的后造山构造背景。

最新资料显示,额尔古纳地块东南缘未见有大规模新元古代晚期—寒武纪早期与俯冲相关的火成岩,仅在环二库和新林蛇绿混杂岩中分别见有零星二长花岗岩(574～571 Ma)和花岗闪长岩(557 Ma)(刘宇崴等,2017;Gou Jun et al., 2020),且认为环二库花岗闪长岩形成于洋内俯冲岛弧环境(刘宇崴等,2017),头道桥地区在寒武纪(511～517 Ma)仍存在新林—喜桂图洋内俯冲(Zhou Jianbo et al., 2015),同时在额尔古纳地块东南缘早古生代双峰式火成岩中少有新元古代晚期继承或捕获锆石(葛文春等,2005;隋振民等,2006;冯志强等,2014;Zhou Jianbo et al., 2015;赵硕,2017;柴明春等,2018;杜兵盈等,2019),上述情况均不支持新林—喜桂图洋在新元古代晚期持续向额尔古纳地块之下俯冲。而俄罗斯境内的额尔古纳地块北缘存在较大规模与俯冲作用相关的石英闪长岩(607±8 Ma)、辉长岩(583±6 Ma)和英安岩(546±14 Ma),说明额尔古纳地块北部边缘在新元古代晚期处于活动大陆边缘环境(Sorokin et al., 2015a,b)。同时额尔古纳地块上少有542～517 Ma的岩浆事件和沉积记录(赵硕,2017),表明额尔古纳地块在寒武纪早期整体处于隆升剥蚀阶段,可能处于同碰撞阶段(主碰撞期不利于岩浆上升)。随后在额尔古纳地块北缘发育的517～504 Ma洛古河岩体形成于挤压体制向拉张体制转换的构造环境(武广等,2005)。漠河地区发育的502 Ma Ⅱ型“埃达克质”岩表明该区早古生代存在加厚的地壳(秦秀峰等,2007),在西伯利亚克拉通南侧的贝加尔地区、蒙古—图瓦地块北侧也存在同期岩浆行动(Salnikova et al., 1998;2001),位于北极村、漠河和红旗一带出露的变质杂岩是由一系列～500 Ma高级变质成因的孔兹岩系构成,以上均暗示额尔古纳地块与西伯利亚克拉通南侧在早古生代早期可能已经完成了构造拼贴,先前分隔二者的古大洋业已关闭(秦秀峰等,2007;周建波等,2011)。之后进入后造山板内伸展阶段,形成了500～480 Ma后碰撞花岗岩到A型花岗岩的过渡(吴琼等,2019),也会有部分显示I型花岗岩特征(景妍等,2022),并伴有塔河、盘古河上游等同时期中基性火成岩(本文;葛文春等,2005;汪岩等,2017;赵硕,2017),构成了额尔古纳地块早古生代显著的“双峰式”火成岩。

综合以上研究,额尔古纳地块早古生代(双峰式)火成岩可能的成岩地球动力学过程描述如下:在新元古代晚期(>540 Ma),额尔古纳地块北缘处于俯冲作用的大陆边缘弧环境,在形成陆缘弧火山岩的同时,弧岩浆底侵逐步形成富水岩石圈地幔;在早古生代早期(540～504 Ma),额尔古纳地块与西伯利亚板块碰撞挤压形成加厚地壳并逐渐向拉张体制转变;在寒武纪苗岭世(<504 Ma),随着俯冲洋壳断裂,软流圈地幔上涌,该区进入后碰撞伸展环境,先前的富水岩石圈地幔发生减压熔融,基性—超基性岩浆沿着深大断裂上升侵位,形成了包括塔河、盘古河上游等杂岩体在内的早古生代镁铁质—超镁铁质侵入体,局部喷出地表形成板内玄武岩;底侵基性—超基性岩浆的巨大热量导致下地壳物质部分熔融,形成了额尔古纳地块广泛发育的早古生代多种类型的酸性侵入体,局部岩浆混合可以形成闪长质岩石。

5 结论

(1)LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果显示大兴安岭北段盘古河上游角闪辉长岩形成时代为479.2±2.1 Ma。结合前人年代学资料,盘古河上游中基性杂岩体形成于早奥陶世。

(2)盘古河上游早古生代中基性杂岩体属(高钾)钙碱性系列,富集轻稀土和大离子亲石元素(Rb、Ba、U、K、Pb和Sr),亏损Nb、Ta、Ti、P等高场强元素,显示与岛弧岩浆岩相似的地球化学特征,岩浆源自以板片流体交代为主、沉积物熔体交代为辅的亏损岩石圈地幔,源区主体为含尖晶石石榴子石二辉橄榄岩,少量岩石为尖晶石二辉橄榄岩部分熔融的产物。

(3)盘古河上游早古生代中基性杂岩体形成于大陆拉张带(或初始裂谷)的构造环境,可能与西伯利亚板块和额尔古纳地块碰撞后岩石圈伸展背景有关。

致谢：在野外调查过程中得到了项目组成员吴连亨高级工程师、贾立民高级工程师、王建儒高级技师、李丰工程师、鞠佳兴助理工程师等人的帮助。感谢审稿专家及编委会对论文认真的审阅和提出的宝贵意见。

注 释 / Note

❶ 黑龙江省地质调查总院齐齐哈尔分院. 2000. 黑龙江省1∶25万呼中镇幅区域地质调查报告.