大興安嶺甘南地區花崗巖LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 年齡、地球化學特征及其地質意義

李曉海，張海華，李文博，丁秋紅，張 健，陳樹旺

中國地質調查局沈陽地質調查中心，遼寧沈陽110034

0 引言

東北地區位于中亞造山帶東段，自西向東依次劃分為額爾古納地塊、興安地塊、松嫩地塊（松遼地塊）、佳木斯地塊.該區構造演化歷史復雜，古生代—早中生代經歷了古亞洲洋構造體系演化［1-6］，中生代又經歷了古太平洋和蒙古-鄂霍克次洋的疊加改造［7-13］.近年來，對東北地區花崗質巖石和火山巖的年代學與地球化學的研究，主要集中在對古亞洲洋構造體系與古太平洋構造體系影響的研究方向［14-16］，相比之下，對蒙古-鄂霍次克構造體系演化及影響范圍討論相對較少.

2016 年，中國地質調查局開展“北方新區、新層系油氣資源調查”項目研究，以松遼盆地北部及外圍深層系石炭—二疊系為主要方向，針對石炭—二疊紀沉積盆地的性質、地層展布特征、地層變質程度、中生代以來巖漿活動、構造運動改造過程等問題，開展了油氣基礎地質調查工作.

筆者通過對大興安嶺中北段甘南地區的二云二長花崗巖進行年代學與地球化學研究，討論二云二長花崗巖的形成時代、巖石成因及其形成的構造背景，以期為東北地區中生代構造演化的認識提供新的證據，同時為石炭—二疊紀沉積盆地經中生代改造和保存特征提供依據.

1 區域地質概況

研究區行政區劃位于黑龍江省齊齊哈爾市甘南縣境內，大地構造位置處于松遼盆地西北部斜坡區.區內主要出露有古生界寒武系和志留系、中生界白堊系、新生界第四系（圖1）.研究區花崗巖分布廣泛，大體呈NE 向展布，侵入到寒武紀和志留紀地層當中，并被白堊系覆蓋.區內構造以NNE—NE 向、NW 向斷裂為主.前人根據巖體與地層之間的侵入關系和少量的鋯石U-Pb 及全巖K-Ar 同位素年齡數據認為，研究區內的花崗質巖石除少量中生代（侏羅紀）花崗巖之外，主體屬于晚古生代（主要是二疊紀）花崗巖體?黑龍江省地質調查研究總院.M51C004003（阿榮旗幅）1∶250 000 區域地質調查報告.2005..

圖1 研究區地質略圖Fig.1 Geological sketch map of the study area1—新生界（Cenozoic）；2—白堊系（Cretaceous）；3—志留系（Silurian）；4—寒武系（Cambrian）；5—侏羅紀花崗巖（Jurassic granite）；6—二疊紀花崗巖（Permian granite）；7—石炭紀花崗巖（Carboniferous granite）；8—采樣點（sampling site）

本研究的二云二長花崗巖（ηγJ3）采樣地點位于甘南縣長吉崗鄉北東2.5 km 處，地表為第四系.樣品采集于中國地質調查局沈陽地質調查中心2018 年實施的地質調查井“黑甘地1 井”巖心（圖1）.該井完鉆井深905 m，自上而下發育的地層：0～57 m 為第四系，57～365.4 m 為晚白堊世沉積地層，365.4～905 m（未穿）為二云二長花崗巖.從過井大地電磁測深（MT）剖面（圖2）可以看出，二云二長花崗巖體分布較大，厚度在600～1 300 m，侵位到石炭—二疊紀地層中.

圖2 黑甘地1 井電磁測深剖面Fig.2 Magnetotelluric sounding profile of HGD-1 well

2 樣品特征與分析方法

2.1 巖石學特征

巖石為淺肉紅色中細粒二云二長花崗巖，中細?；◢徑Y構，蠕蟲結構，塊狀構造（圖3a）.礦物成分由斜長石、堿性長石、石英、白云母及黑云母組成.斜長石：含量25%～45%，粒徑0.4～2.6 mm，半自形寬板狀，聚片雙晶較細密，可見環帶結構，絹云母星點狀分布，部分中心絹云母化強烈；堿性長石：含量20%～35%，粒徑0.3～3.2 mm，他形寬板狀，條紋結構；石英：含量25%～40%，粒徑0.1～2.0 mm，他形粒狀，波狀消光，部分小粒石英為硅化作用，石英和斜長石組成蠕蟲結構；白云母：含量2%～5%，粒徑0.2～0.8 mm，無色，片狀，鮮艷的二級至三級干涉色；黑云母：含量3%～8%，粒徑0.2～1.0 mm 黃褐色，片狀，部分綠泥石化（圖3b）.

圖3 晚侏羅世二云二長花崗巖宏觀和顯微照片Fig.3 Macroscopic and microscopic photographs of the Late Jurassic two-mica monzogranite

2.2 測年方法

將挑選好的晶形完好、透明度高、干凈且無裂紋的鋯石用環氧樹脂固定，待環氧樹脂充分固化后拋光至鋯石露出核部，然后進行鋯石的CL 照相及LA-ICP-MS分析.鋯石靶的制備過程與SHRIMP 方法相似［17］.鋯石U-Pb 測試的儀器為美國New Wave Research Inc.公司生產的激光剝蝕進樣系統（UP 193SS）和美國Agilent科技有限公司生產的Agilent 7500a 型四級桿等離子質譜儀聯合構成的激光等離子質譜系統（LA-ICP-MS）.實驗用36 μm 的激光束斑直徑和10 Hz 的激光頻率，激光取樣過程采用5 s 的預剝蝕時間、20 s 的沖洗樣品池時間以及40 s 的剝蝕取樣時間.實驗采用人工合成硅酸鹽玻璃NIST610 作為外標［18］、Si 作為內標進行元素校正，采用標準鋯石91500 作為外標進行U-Pb同位素分餾效應的校正計算，澳大利亞鋯石標樣TEM［19］和QH［20］作為監控盲樣來監視測試過程中的穩定性和數據質量.數據處理采用澳大利亞Glitter 軟件（ver.4.4，Macquarie University）完成，普通鉛校正方法同Andersen［21］.

3 分析測試結果

3.1 同位素年齡

本研究對甘南地區黑甘地1 井388.5 m 花崗巖樣品（HG388.5TWS）進行了鋯石LA-ICP-MS U-Pb 同位素分析，點測25 個.陰極發光圖（圖4）上可見，樣品鋯石多為自形，大多鋯石具有巖漿結晶鋯石的晶體形態，多為長柱狀，少數呈短柱狀，粒徑主要集中在90～200 μm 之間，長寬比大多為2 ∶1，具有清晰的巖漿震蕩環帶，少部分鋯石有不同程度破碎，Th/U 介于0.09～1.29 間，平均為0.51.以上特征表明樣品鋯石為巖漿成因鋯石.

圖4 花崗巖陰極發光圖像和年齡Fig.4 CL images and ages of the selected zircons from granite samples

鋯石樣品測試結果（表1，掃描首頁OSID 二維碼可見）顯示，3 個測試點數據（15 點、17 點和23 點）偏離諧和線，其余22 個點數據均在諧和線上及其附近，其中15 個分析點206Pb/238U 加權平均年齡為161.4±1.2 Ma（MSWD＝2.8，n＝15）（圖5），另一組206Pb/238U加權平均年齡為210.0±2.5 Ma（MSWD＝3.3，n＝7），應為繼承鋯石年齡.結合上述分析可知，161.4±1.2 Ma 代表了巖體的形成年齡，該巖體為晚侏羅世早期侵入巖.

圖5 鋯石U-Pb 諧和圖及加權平均年齡圖Fig.5 Zircon U-Pb concordia diagram and weighted mean age

3.2 地球化學特征

二云二長花崗巖樣品的主量元素、微量元素和稀土元素測定由中國地質調查局沈陽地質調查中心實驗測試中心完成.其中，主量元素采用X 射線熒光光譜儀測定，相對標準偏差為2%～5%；微量及稀土元素均采用電感耦合等離子體質譜儀測定，相對標準偏差小于10%.經鏡下觀察，剔除風化、蝕變樣品，選取了15 個樣品進行了主量、稀土、微量元素的測試.樣品的分析測試是在等離子體質譜儀ICP-MS（X Series II）上完成的，測試結果的相對標準偏差小于5%.

3.2.1 主量元素

二云二長花崗巖的主要元素分析結果（表2，掃描首頁OSID 二維碼可見）顯示，SiO2含量介于69.81%～74.30%之間，巖石酸性程度較高，Al2O3含量介于13.50%～16.80%，K2O 為2.43%～4.45%，CaO 為0.88%～2.13%，MgO 為0.04%～0.32%，Fe2O3為0.26%～0.6%，K2O/Na2O 值為0.41～1.11，Na2O+K2O＝8.11%～8.81%，鋁飽和指數A/CNK 為1.01～1.07（＜1.1），MgO 含量為0.04%～0.32%，TiO2為0.09%～0.25%.在侵入巖TAS 圖解（圖6a）上，二云二長花崗巖樣品全部落入花崗巖區域，與巖相學觀察特征一致.在SiO2-K2O 圖解（圖6b）上，二云二長花崗巖樣品點多數落入高鉀性區，部分點落入高鉀鈣堿性區.在鋁飽和指數圖解（圖6c）上，樣品落入準鋁-弱過鋁質花崗巖區.在K2O-Na2O 圖解（圖6d）上落入I 型花崗巖區.

圖6 晚侏羅世二云二長花崗巖巖石類型系列圖解（據文獻［6，22-23］）Fig.6 Classification discrimination diagrams of the Late Jurrasic two-mica monzogranite（After References［6，22-23］）

3.2.2 稀土和微量元素

二云二長花崗巖的稀土元素總量（ΣREE）為54.53×10-6～131.02×10-6，輕稀土元素（LREE）變化范圍為49.05×10-6～124.20×10-6，重稀土元素（HREE）變化范圍為5.49×10-6～12.01×10-6（表3，掃描首頁OSID 二維碼可見），顯示輕稀土元素富集、重稀土元素相對虧損的特點；LREE/HREE 值為6.04～18.75；（La/Yb）N＝5.82～27.69，變化范圍較小.輕稀土元素配分曲線相對較陡，而重稀土元素配分曲線近水平分布.主體具有弱的Eu負異常，個別具有Eu 正異常（δEu ＝0.70～1.13，平均0.92）.表明輕、重稀土元素分餾較明顯，而重稀土元素分餾不明顯.二云二長花崗巖稀土元素球粒隕石標準化配分曲線呈右傾型（圖7）.

圖7 二云二長花崗巖稀土元素球粒隕石標準化圖解Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns of two-mica monzogranite

二云二長花崗巖微量元素蛛網圖（圖8）上，富集大離子親石元素Rb、Ba、K 和高場強元素Hf，虧損Nb、Ta、Ti 等高場強元素（表4，掃描首頁OSID 二維碼可見），顯示殼源巖漿的典型特征［24］.

圖8 二云二長花崗巖微量元素蛛網圖Fig.8 Primitive mantle-normalized trace element spidergrams of two-mica monzogranite

4 討論

4.1 花崗巖形成時代、類型及成因

研究區侵入巖較發育，位于大興安嶺構造巖漿帶的中北段，分布在研究區西部和西北部.巖石類型復雜，從基性到酸性巖均有出露，以中深成的花崗巖為主.前人根據巖體與地層之間的侵入關系和少量的鋯石U-Pb 及全巖K-Ar 同位素年齡數據認為，研究區內的花崗質巖石除少量中生代（早侏羅世）花崗巖之外，主體屬于晚古生代（主要是二疊紀）花崗巖體?黑龍江省地質調查研究總院.M51C004003（阿榮旗幅）1∶250 000 區域地質調查報告.2005..黑甘地1 井位于研究區南部，地表為第四系，構造位置屬于松遼盆地西北部斜坡區.通過黑甘地1 井二云二長花崗巖的鋯石CL 圖像（圖4）可以看出鋯石具有典型的巖漿振蕩生長環帶，結合其較高的Th/U 比值（0.09～1.29），說明它們均是巖漿結晶作用的產物，所測定的年齡應代表了巖體的形成時代.鋯石U-Pb 定年結果顯示，研究區黑甘地1 井鉆遇二云二長花崗巖的形成時代為161.4±1.2 Ma，為晚侏羅世早期.該年齡與大興安嶺中段東福二長巖［22］、大興安嶺北段伊勒呼里山二長花崗巖［25］的形成時代一致，指示研究區晚侏羅世早期巖漿事件的存在.

二云二長花崗巖具有高硅、富鋁、富堿、低磷、低鈦的特征，鋁飽和指數A/CNK 值為1.01～1.07，小于1.1，在A/CNK-A/NK 圖解（圖6c）中位于準鋁質-弱過鋁質區域；在稀土元素配分模式圖（圖7）上，呈現輕、重稀土元素的顯著分異、微弱的Eu 負異常到正異常的特征，稀土元素配分曲線呈右傾型.K2O/Na2O 值為0.41～1.11，平均值為0.76，相對富鉀.結合礦物特征和SiO2-K2O 圖解，顯示高鉀鈣堿性系列花崗巖的特點，成因類型屬于I 型花崗巖.高鉀鈣堿性I 型花崗巖的巖漿來源主要為下地殼巖石的部分熔融［26-27］.二云二長花崗巖以富集大離子親石元素和輕稀土元素，虧損Nb、Ta、Ti 等高場強元素，具有微弱的Eu 負異常到正異常，明顯不同于幔源巖漿演化所形成的強烈負Eu 異常的酸性巖石，顯示巖漿為地殼來源或遭受過地殼物質的混染，表明其原始巖漿起源于加厚陸殼物質的部分熔融.在埃達克Sr/Y-Y 判別圖解（圖9）上，二云二長花崗巖大部分落在埃達克型安山巖和英安巖區.前人研究認為埃達克巖形成于高壓背景［23，28-29］，綜合認為甘南地區二云二長花崗巖的原始巖漿起源于新增生的加厚陸殼物質的部分熔融.

圖9 二長花崗巖Sr-Yb 分類圖（據文獻［6，23］）Fig.9 The Sr-Yb classification diagram of monzogranite（After References［6，23］）

4.2 花崗巖形成的構造背景

前人研究認為環太平洋構造體系中生代對東北亞大陸俯沖影響距離可能不會超過長春—沈陽一線［30-34］，影響的范圍主要在松遼盆地及以東地區，并且認為中侏羅世晚期—早白堊世早期為古太平洋板塊俯沖的間歇期，沒有對歐亞大陸進行俯沖［7］，在該時期內整個中國東部受古太平洋板塊的影響有限.而蒙古-鄂霍次克構造體系影響的空間范圍主要在松遼盆地以西以及華北地塊北緣［8，35-36］.結合成巖分析，二云二長花崗巖的原始巖漿起源于新增生的加厚陸殼物質的部分熔融，表明二云二長花崗巖是加厚陸殼物質部分熔融的產物，指示該區二云二長花崗巖產出于陸殼加厚或陸-陸碰撞環境，與R1-R2圖解（圖10）揭示的樣品大部分位于同碰撞期花崗巖成因區吻合.位于大興安嶺北段大索爾珠溝地區的謝尼奇山巖體（161 Ma）、伊勒呼里山巖體（158 Ma）及大興安嶺中段東福巖體（161 Ma），均形成于陸殼加厚的背景，與蒙古-鄂霍次克洋的閉合有關［22，25，37］.

圖10 二云二長花崗巖R1-R2 圖解（據文獻［6，22，25］）Fig.10 The R1-R2 diagram of two-mica monzogranite（After References［6，22，25］）

綜上所述，二云二長花崗巖的形成與蒙古-鄂霍次克洋閉合過程中的陸-陸碰撞環境有關，巖石的形成時代（161 Ma）限定了大興安嶺中北段齊齊哈爾甘南地區的閉合時代為晚侏羅世早期.

5 結論

（1）產于大興安嶺甘南地區的二云二長花崗巖的鋯石U-Pb 定年結果顯示其形成于晚侏羅世早期（161 Ma）.

（2）巖石學和地球化學特征表明，二云二長花崗巖屬準鋁-弱過鋁質高鉀鈣堿性系列巖石，富集大離子親石元素，虧損Nb、Ta、Ti 等高場強元素，顯示微弱的Eu 負異常到正異常，輕、重稀土元素分異顯著，富集輕稀土元素.原始巖漿起源于新增生的加厚陸殼物質的部分熔融，顯示I 型花崗巖的特征，為同碰撞期陸殼加厚過程的產物.

（3）二云二長花崗巖的形成應與蒙古-鄂霍次克洋閉合過程中的陸-陸碰撞環境有關，限定了蒙古-鄂霍次克洋在大興安嶺中北段甘南地區的閉合時代為晚侏羅世早期.