吉林中部江密峰花岗闪长岩锆石U-Pb年代学和岩石地球化学特征

孙永刚，李碧乐，王聚胜，王永胜，张旭，詹天宇

1.吉林大学地球科学学院，长春130061；2. 吉林省地质调查院，长春130102

0 引言

吉林省中部地区位于松嫩—张广才岭地块东缘[1]，小兴安岭—张广才岭地区南段(图1a)，晚古生代—早中生代经历了古亚洲洋的闭合和多个微陆块的碰撞-拼贴过程[2]，中生代又叠加了环太平洋构造体系的改造[1]。中生代火成岩出露广泛，岩石类型复杂，近年来对中生代花岗岩做了大量研究，侧重于岩石学、岩石地球化学和同位素年代学等方面的研究，但是对于早燕山期的岩浆混合作用则少有研究。此外，关于古太平洋板块俯冲开始的具体时间仍存在争议，主要有两种认识：①俯冲开始于晚三叠世[3-4]；②俯冲开始于早-中侏罗世[1, 5-6]。

图a: ①喜桂图—塔源断裂；②贺根山—黑河断裂；③索伦—西拉木伦—长春缝合带；④嘉荫—牡丹江断裂；⑤伊通—依兰断裂；⑥敦化—密山断裂。 图b: 1. 第四系冲洪积层；2. 晚二叠世杨家沟组；3. 早侏罗世花岗闪长岩；4. 早侏罗世二长花岗岩；5. 采样点。图1 中国东北地区构造简图(a)[9]和研究区地质简图(b)Fig.1 Tectonic setting map of Northeast China (a) and simplified geological map of study area (b)

鉴于这些问题，笔者以吉林中部江密峰花岗闪长岩为研究对象，通过对其年龄和岩石地球化学特征的研究，确定岩石的成因归属，讨论岩浆的成因和演化，为研究吉林中部地区早燕山期岩浆作用过程提供新证据，对古太平洋板块向欧亚板块俯冲的起始时间进行制约。

1 地质背景及样品描述

吉林省中部地区[1]，北西侧为伊通—依兰断裂和松辽盆地，南东侧为敦化—密山断裂，南西侧为索伦—西拉木伦—长春缝合带(图1a)。位于小兴安岭—张广才岭成矿带上，成矿带呈弧形(长约650 km，宽60～100 km)，走向NNW-NS，从黑龙江省东部延伸至吉林省南西部[7]，是寻找铜、钼和金等多金属矿的有利区域。

区内出露的地层主要为晚古生代二叠纪范家屯组、大河深组和杨家沟组，中生代三叠纪四合屯组和侏罗纪南楼山组，以及新生代地层[8]。晚古生代地层为一套中酸性火山岩-陆源碎屑岩-夹碳酸盐岩沉积建造，三叠系—侏罗系地层主要为一套陆相中酸性火山岩建造。新生代地层主要由第四系沉积物和少量军舰山组玄武岩组成。研究区以北东向敦化—密山和伊通—依兰断裂为主，其次为以松花江断裂为代表的北西向断裂，这两组断裂构成了区内的构造格架。古亚洲洋和环太平洋两大构造体系的叠加与转换导致区内岩浆活动和火山作用剧烈、频繁，晚古生代—中生代中酸性火山岩和侵入岩大面积出露，侵入岩主要为大面积的中生代花岗岩[1]，岩性主要为花岗闪长岩、二长花岗岩、正长花岗岩和碱长花岗岩等，另外燕山期镁铁质-超镁铁质侵入岩小面积发育，呈零散分布[1, 9]。

江密峰花岗岩岩体出露于吉林市北东部江密峰镇一带，岩性为花岗闪长岩和二长花岗岩。呈岩基状产出，岩体侵位于二叠纪杨家沟组地层中。江密峰岩体中存在灰黑色闪长岩包体，包体呈椭球状和浑圆状(图2a, 2b)，直径大小不等，短轴2～10 cm，长轴20～30 cm，多集中于5 cm×10 cm，产状不规则，产出密度3～5 个/m2。

Pl.斜长石；Bt.黑云母；Q.石英。图2 江密峰花岗闪长岩野外和显微照片Fig.2 Field photos and microphotographs of Jiangmifeng granodiorite

本文所采样品为江密峰灰白色中细粒花岗闪长岩(文中简称江密峰花岗闪长岩)，风化面灰色，新鲜面呈灰白色，中细粒花岗结构，块状构造。主要矿物成分由石英、斜长石、钾长石、角闪石和黑云母组成(图2c, 2d)。石英呈他形粒状充填于长石矿物中，粒径0.5～2.5 mm，见波状消光，含量25%±；钾长石呈半自形-自形板柱状，粒径0.5～2.5 mm，卡氏双晶发育，含量15%±；斜长石呈半自形-自形板状，细密的聚片双晶发育，粒径0.5～3 mm，含量50%±；黑云母呈片状，深褐色，具明显多色性，片径1～2 mm，含量10%±；副矿物可见锆石、榍石和磁铁矿。

2 分析方法

2.1 LA-ICP-MS锆石U-Pb定年

江密峰花岗闪长岩锆石样品挑选由河北省廊坊区域地质调查研究所实验室完成，采用标准重矿物分离技术筛选锆石，然后在双目镜下挑选出裂隙和包裹体少、晶型发育好、表面干净的锆石。锆石样品的制靶、反射光、阴极发光、锆石U-Pb年龄测定在武汉上谱分析科技有限责任公司完成。详细的仪器参数、分析流程和数据处理等见文献[10]。锆石样品的年龄谐和图绘制和年龄计算采用Isoplot程序[11]完成。

2.2 岩石地球化学测试

江密峰花岗闪长岩样品的主量和微量元素分析测试在国土资源部长春矿产资源监督检测中心完成。主量元素含量用X-射线荧光光谱法(XRF)测定，在美国热电生产的X-射线荧光光谱仪(ADVANT’X)上完成，由等离子光谱和化学法测定。采用美国热电瑞士分公司生产的等离子质谱仪(X-series2)测定微量元素和稀土元素的含量。

3 分析结果

3.1 锆石U-Pb定年

江密峰花岗闪长岩样品锆石阴极发光图像显示锆石的形态主要为长柱状，少数为短柱状，具有生长振荡环带和韵律结构，为岩浆锆石(图3)。江密峰花岗闪长岩样品22个测试点分析结果见表1，U含量为(286～1 508)×10-6，Th含量为(100～321)×10-6，Th/U比值为0.21～0.43，22个锆石206Pb/238U分析数据的加权平均年龄为179±1 Ma，MSDW=2.3(图4a)，属早侏罗世。

图3 江密峰花岗闪长岩锆石CL图像Fig.3 CL images of zircons from Jiangmifeng granodiorite

图4 江密峰花岗闪长岩锆石U--Pb年龄谐和图(a)和加权平均年龄(b)Fig.4 Zircon U--Pb concordia diagram (a) and weighted average ages diagram (b) from Jiangmifeng granodiorite

表1 江密峰花岗闪长岩LA--ICP--MS锆石U--Pb测年结果

Table 1 LA--ICP--MS zircon U--Pb dating results for Jiangmifeng granodiorite

测点含量/10-6同位素比值及误差年龄/Ma及误差238U232Th207Pb/206Pb1σ207Pb/235U1σ206Pb/238U1σ207Pb/206Pb1σ207Pb/235U1σ206Pb/238U1σPM002-1-15571730.047 070.001 620.180 470.006 500.027 750.000 34535716861762 PM002-1-23711130.051 330.002 070.198 990.007 950.028 220.000 312567218471792 PM002-1-33841250.050 640.002 120.201 260.008 820.028 620.000 362247818671822 PM002-1-44181340.047 210.001 860.189 640.007 620.029 010.000 30606917671842 PM002-1-54251670.049 560.001 850.196 190.007 890.028 510.000 361747018271812 PM002-1-63271180.047 880.002 370.187 950.009 060.028 630.000 34938617581822 PM002-1-75201480.049 480.002 110.198 960.009 890.028 700.000 381719018481822 PM002-1-83241070.047 400.002 170.184 770.008 150.028 330.000 32697617271802 PM002-1-95942100.049 130.001 630.189 510.006 060.027 940.000 251545817651782 PM002-1-106242430.049 950.002 370.190 650.008 800.027 680.000 3019311117781762 PM002-1-115791930.051 910.002 030.197 710.007 370.027 660.000 312816518361762 PM002-1-127132520.049 160.001 460.190 500.005 740.027 950.000 261565317751782 PM002-1-133071100.050 220.002 500.195 060.009 490.028 170.000 3020511618181792 PM002-1-142861000.051 690.002 870.204 590.011 090.028 710.000 3527213018991822 PM002-1-154271470.050 590.001 830.198 160.007 160.028 300.000 302226418461802 PM002-1-165241680.051 410.001 760.196 220.006 630.027 590.000 272566018261752 PM002-1-176782620.050 480.001 760.192 840.006 710.027 640.000 272176317961762 PM002-1-187372400.047 410.001 660.188 010.006 300.028 890.000 39705217551842 PM002-1-195981990.050 240.001 540.191 350.005 960.027 520.000 282065317851752 PM002-1-206762590.050 180.001 690.190 670.006 140.027 630.000 282035617751762 PM002-1-211 5083210.049 370.001 180.196 750.004 680.028 780.000 251653918241832 PM002-1-226402760.049 480.001 830.196 170.007 320.028 620.000 281821716961822

3.2 地球化学特征

江密峰花岗闪长岩总体上具有富SiO2、Na2O、K2O、Al2O3和TFe2O3，低MgO和CaO等特征,其中SiO2=65.94%～68.25%，Al2O3=14.49%～15.30%，TFe2O3=4.54%～5.17%，TiO2=0.54%～0.66%，MgO=1.41%～1.69%，Mg#=38.1～39.7，P2O5=0.16%～0.20%，CaO=3.01%～3.53%，Na2O=3.42%～3.68%，K2O=3.20%～3.66%，Na2O+K2O=6.72%～7.08%。在TAS图解中样品落入花岗闪长岩区域，显示亚碱性特征(图5)，A/CNK值0.95～0.96，在A/CNK-A/NK图解中，岩石显示准铝质特征(图6a)。在SiO2-K2O图解中显示江密峰花岗闪长岩均属于高钾钙碱性系列(图6b)，在哈克图解上江密峰花岗闪长岩的TiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、Na2O、CaO、P2O5与SiO2呈明显负相关，而K2O与SiO2呈正相关(图7a-h)。

图5 江密峰花岗闪长岩TAS图解Fig.5 TAS diagram of Jiangmifeng granodiorite

图6 江密峰花岗闪长岩A/CNK-A/NK图解(a)和SiO2-K2O 图解(b)Fig.6 A/CNK-A/NK diagram (a) and SiO2-K2O (b) diagram of Jiangmifeng granodiorite

样品微量元素分析结果见表2，与张广才岭地区早侏罗世花岗岩的地球化学特征一致[7]。江密峰花岗闪长岩稀土元素配分曲线的趋势一致(图8a)，反映了同源岩浆的演化特征，样品稀土元素总量较高(表2)，ΣREE值为193×10-6～212×10-6，明显富集LREEs、亏损HREEs，LREE/HREE值高，LREE/HREE值为9.74～13.27。岩石稀土元素球粒陨石标准化图解(图8a)显示，稀土元素配分曲线呈右倾型，且较为平坦圆滑，存在负Eu异常(Eu/Eu*= 0.51～0.61，平均值0.58)。在原始地幔标准化微量元素蛛网图(图8b)中，相对富集LILEs (Rb、K等)和HFSEs (Th等)，亏损LILEs (Ba、Sr)和HFSEs (Nb、Ta、Ti、Zr等)。

4 讨论

4.1 岩石成因类型

根据花岗岩原岩的不同，花岗岩通常被分为I型、S型、A型和M型[14]。M型花岗岩起源于幔源物质，迄今为止未曾在东北地区发现，因此东北地区中生代花岗岩分类只考虑I型、S型和A型3类。

图7 江密峰花岗闪长岩的Harker图解Fig.7 Harker diagrams for Jiangmifeng granodiorite

岩石矿物组合上，主要由石英、斜长石、钾长石、黑云母和少量角闪石组成，副矿物有锆石、榍石和磁铁矿。其中角闪石和磁铁矿是I型花岗岩的特征矿物。然而，A型花岗岩中钠铁闪石和钠闪石特征矿物[15-16]，还有S型花岗岩中石榴子石、白云母和堇青石等富铝特征矿物[17]，通过镜下观察并不发育。岩石地球化学方面，江密峰花岗闪长岩具有低的P2O5含量(0.16%～0.20%)，A/CNK值<1.1(图6a)，而S型花岗岩P2O5含量高，A/CNK值一般>1.1。而且P2O5含量随着SiO2的增加而减小(图7g)，具有I型花岗岩趋势[17]。I型花岗岩的Ga/Al值可随着岩浆分异而升高接近A型花岗岩的特征。本文花岗岩样品10 000*Ga/Al值普遍>2.6，显示A 型花岗岩的特征，暗示江密峰花岗闪长岩应属于高分异的I型花岗岩，可能经历了较强烈的斜长石、磷灰石和钛铁矿的分离结晶作用。另外，可以通过计算锆石的饱和温度得出花岗岩从原岩分离结晶时的温度[18]，计算得出江密峰花岗闪长岩锆石饱和温度(TZr℃)为618℃～621℃，平均值为620℃，表明该区花岗岩形成温度较低，但大多数学者认为A型花岗岩形成温度较高[19-20]，一般>800℃，平均温度为800℃～900℃，岩石形成温度又与A型花岗岩的偏高温特点明显不同。甚至低于典型高分异I型花岗岩形成温度范围(730℃～779℃)[21-22]，不排除江密峰花岗闪长岩形成过程中有流体加入的可能。综上，认为江密峰花岗闪长岩为高分异I型花岗岩。

表2 江密峰花岗闪长岩主量元素 (10-2)、稀土元素 (10-6) 和微量元素含量 (10-6)

图8 江密峰花岗闪长岩球粒陨石标准化稀土元素配分图解(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)[7, 12--13]Fig.8 Chondrite-normalized REE distribution patterns ( a) and primitive mantle-normalized trace elements spider diagrams ( b) for Jiangmifeng granodiorite

4.2 岩石成因

讨论得出江密峰花岗闪长岩为高分异I型花岗岩，前人资料显示，高分异I型花岗岩主要有两种成因：一种是幔源分异岩浆底侵导致的地壳物质发生部分熔融所形成[15-16, 23-24]；另一种是幔源岩浆底侵到下地壳，诱发地壳物质部分熔融形成了长英质岩浆，二者混合在浅源形成混源岩浆房[22, 25]。笔者倾向于后者，证据为：测年结果表明，江密峰花岗闪长岩为早侏罗世(179±1 Ma)岩浆侵入的产物，前人对区域上同时代的火成岩已进行过研究[26-27]，Wu et al.[28]对该期花岗岩体进行Sr-Nd同位素研究表明，它们可能形成于壳幔混合物质的部分熔融，极有可能是显生宙的下地壳和底侵的玄武质岩浆混合所致。孙德有等[29]通过对张广才岭早侏罗世白石山岩体研究认为其具有壳幔混和成因的特征。唐杰等[30]通过对张广才岭早侏罗世帽儿山组粗面安山岩研究认为它是玄武质岩浆和流纹质岩浆混合作用的产物。表明小兴安岭—张广才岭地区早燕山期壳幔岩浆混合作用较为显著。在岩相学上，江密峰花岗闪长岩中的镁铁质包体具有典型的火成结构，未见变质岩特征，组成矿物的种类与寄主岩相似，但粒度偏细，暗色矿物含量偏高，包体多呈塑变形态，呈浑圆状和椭球状。说明江密峰花岗闪长岩中发育的镁铁质包体并非围岩捕掳体或变质残留体，而是塑性变形的产物，是液态的镁铁质岩浆与其诱发地壳物质熔融形成的长英质岩浆混合的产物[31]。江密峰花岗闪长岩地球化学特征反映其源区在岩浆混合后还经历了高程度的结晶分异作用。主量元素数据显示TiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、Na2O、CaO、P2O5与SiO2呈负相关性(图7a-g)，K2O与SiO2呈正相关性(图7h)，指示在岩浆演化过程中发生了分离结晶作用。Al2O3含量随着SiO2增高而降低(图7b)，Eu、Sr和Ba的亏损都支持斜长石和(或)钾长石发生分离结晶作用。TFe2O3、MgO和CaO含量随着SiO2增高而降低(图7b)，Er和Dy呈正相关(图7i)都支持发生角闪石的分离结晶作用。P2O5和TiO2含量随着SiO2增高而降低(图7g)，Nb、Ta、Ti、Sr、P的亏损指示成岩过程中发生了含钛矿物(金红石、钛铁矿和榍石等)和磷灰石的分离结晶[32]。随着岩浆演化，花岗岩由Zr不饱和向Zr饱和演化，而锆石是花岗质岩石中Zr和Hf的主要载体，Zr和Hf元素在花岗岩中含量的降低往往和Zr饱和之后的锆石分离结晶相联系[33]。江密峰高分异I 型花岗岩具有较低的Zr 含量和Zr/Hf比值(3.88～8.60)，可能与锆石的分离结晶有关。因此，角闪石、斜长石、钾长石、磷灰石、锆石和含钛矿物不同程度的分离结晶可能是导致江密峰花岗闪长岩化学成分变化的主要机制。

综上所述，江密峰花岗闪长岩的形成经历了二阶段的成岩过程，首先是壳幔物质在源区混合形成原始岩浆，随后这一壳幔混源岩浆又经历高程度的分异演化并最终固结成岩。

4.3 构造背景

江密峰花岗闪长岩富集轻稀土元素(LREEs)和大离子亲石元素(LILEs，如Rb、K)，亏损重稀土元素(HREEs)和高场强元素(HFSEs，如Nb、Ta、Ti)，具有负Eu异常，表明岩石具岛弧花岗岩的特征，而且在构造判别图解(图9)中样品全部落入火山弧花岗岩区域(VGA)，暗示花岗岩的成因与洋壳的俯冲作用存在密切的联系。

WPG. 板内花岗岩；VGA. 火山弧花岗岩；ORG. 洋中脊花岗岩；Syn-COLG. 同碰撞花岗岩。图9 江密峰花岗闪长岩Y-Nb (a)和(Y+Nb)-Rb (b)构造判别图解Fig.9 Tectonic setting discrimination diagrams of Y-Nb (a) and (Y+Nb)-Rb (b) for Jiangmifeng granodiorite

小兴安岭—张广才岭地区早侏罗世镁铁质-超镁铁质侵入岩和广泛分布的同时代花岗岩[1, 5, 34]构成了典型的双峰式岩石组合，表明了伸展构造环境。那么，早侏罗世的伸展构造背景是与古太平洋板块向欧亚大陆下的俯冲作用有关，还是与华北板块和兴蒙造山带碰撞拼合后的伸展作用有关？

近年来华北克拉通北缘晚二叠世—早三叠世的同碰撞花岗岩被相继报道[35-37]，这表明晚二叠世—早三叠世为古亚洲洋闭合后南北向的挤压构造环境[9]。小兴安岭—张广才岭晚三叠世双峰式火山岩和吉黑东部同时代发育的A型流纹岩表明当时的伸展构造背景，与古亚洲洋闭合后的造山后伸展有关[38-39]，表明古亚洲洋俯冲作用的结束，早侏罗世的伸展构造背景与古亚洲洋构造体系无关。吉黑东部东宁—旺起—珲春地区的早侏罗世火山岩属于钙碱性系列岩石，与活动大陆边缘火成岩具有相似的地球化学性质[40]，小兴安岭—张广才岭则为一套双峰式火成岩组合，二者构成了北东-南西向成分分带[41-43]，分别对应于古太平洋板块向欧亚大陆下俯冲形成的活动大陆边缘环境和弧后伸展环境，从东向西SiO2、K2O含量具有增高趋势，εNd(t)值呈降低趋势，显示陆壳的成熟度逐渐升高，表明古太平洋板块向欧亚板块的俯冲开始于早侏罗世[5, 44]。另外，获得松嫩—张广才岭地块和佳木斯地块间黑龙江群蛇绿混杂岩白云母Ar-Ar年龄为180～165 Ma[45-46]，表明松嫩—张广才岭地块和佳木斯地块沿嘉荫—牡丹江拼合带最后碰撞的时间为早侏罗世，是古太平洋板块早侏罗世已经开始俯冲的直接证据。综上所述，认为小兴安岭—张广才岭地区早侏罗世岩浆作用形成于古太平洋板块向欧亚板块下俯冲引起的弧后伸展构造环境，标志着环太平洋构造体系在吉黑东部的开始。

5 结论

(1) 获得江密峰花岗闪长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb加权平均年龄为179 ± 1 Ma，属早侏罗世。

(2) 江密峰花岗闪长岩属于高钾钙碱性系列，为高分异I型花岗岩，它的形成极可能经历了壳幔物质在源区混合形成原始岩浆，随后这一壳幔混源岩浆又经历高程度分异演化的二阶段成岩过程。

(3) 古太平洋板块向欧亚板块的俯冲开始于早侏罗世，江密峰花岗闪长岩形成于俯冲引起的弧后伸展构造环境。