大兴安岭五一林场花岗岩体地球化学特征及成因_张超.pdf

收稿日期 2013 01 04 修订日期 2013 01 25 资助项目 中国地质调查项目 古亚洲洋构造体制与滨太平洋构造体制叠加转变的综合调查和研究 编号 1212011085473 兴蒙造山 带基本构造格局综合调查和研究 编号 1212011085476 与国家自然科学基金项目 辽西医巫闾山变质核杂岩形成与岩浆活 动 批准号 41272223 和 中国东北和俄罗斯远东东南部深部构造及构造 沉积演化 批准号 41211120171 作者简介 张超 1986 男 在读硕士 构造地质学专业 E mail congray 通讯作者 刘正宏 1960 男 博士 教授 要从事构造地质学和区域地质调查研究 E mail zhliu 研究区位于西伯利亚与华北两大古板块所夹持 的中亚构造带东部 中生代之前主要受古亚洲洋构 造体系活动的影响 中生代以来则受到太平洋板块 活动的强烈改造 是环太平洋构造带的重要组成部 分 这一地区是研究东北乃至东亚大陆构造演化的 关键地区 1 中亚造山带东段 又称兴蒙造山带 的大 兴安岭 主要由额尔古纳 兴安和松嫩地块组成 图 1 a 这些块体的划分和相互间的拼合过程是探讨 兴蒙造山带东段构造演化的重要基础地质 研究认为 早古生代额尔古纳地块与兴安地块 沿太原 喜桂图断裂发生碰撞拼合为一体 2 3 对于 兴安地块和松嫩地块 刘永江等 4 认为两者具有统 大兴安岭五一林场花岗岩体地球化学特征及成因 张超 刘正宏 徐仲元 李世超 范志伟 李刚 ZHANG Chao LIU Zheng hong XU Zhong yuan LI Shi chao FAN Zhi wei LI Gang 吉林大学地球科学学院 吉林 长春130061 College of Earth Sciences Jilin University Changchun 130061 Jilin China 摘要 东北大兴安岭地区的五一岩体主要由正长花岗岩 碱长花岗岩组成 通过系统的SHRIMP U Pb测年和地球化学研究 对其成因进行约束 结果表明 五一岩体中锆石发育震荡生长环带 且具有较高的Th U比值 0 43 0 57 反映其为岩浆成因锆 石 SHRIMP U Pb定年结果为299Ma 3Ma 表明该岩体的形成时代为早二叠世 五一岩体的SiO2和K2O含量分别介于 77 63 81 83 和3 64 5 1 之间 全碱 K2O Na2O 含量为6 43 8 02 碱度率 AR值 为3 18 3 62 该类岩石富集轻稀土 元素和Th Nd Rb K等元素 明显亏损Ba Sr P和Ti等元素 上述特征表明 五一岩体为后造山I型花岗岩 形成于伸展的构 造背景 关键词 晚古生代 花岗岩 SHRIMP U Pb测年 地球化学 大兴安岭 中图分类号 P588 12 1文献标志码 A文章编号 1671 2552 2013 02 03 0365 09 Zhang C Liu Z H Xu Z Y Li S C Fan Z W Li G Characteristics and genesis of the Wuyi Forestry Center granite in the Da Hinggan Mountains Geological Bulletin of China 2013 32 2 3 365 373 Abstract The Wuyi intrusion located in the Da Hinggan Mountains is mainly composed of orthogranite and alkali feldspar granite Chronological and geochemical studies of the Wuyi intrusion was carried out in order to constrain their petrogenesis Zircons from the intrusion display oscillatory zoning and high Th U ratios 0 43 to 0 57 implying its magmatic origin Zircon SHRIMP U Pb dating of the Wuyi intrusion indicates that it was formed in early Permian with the age of 299Ma 3Ma Its SiO2and K2O content range from 77 63 to 81 83 and 3 64 to 5 1 respectively the K2O Na2O and the A R are in the range of 6 43 to 8 02 and 3 18 to 3 62 Moreover the Wuyi intrusion is enriched with light rare earth elements as well as Th Nd Rb and K but markedly depleted in Ba Sr P and Ti It is inferred that the Wuyi intrusion belongs to post orogenic I type granite formed in an extensional tectonic setting Key words Late Paleozoic granites SHRIMP U Pb dating geochemistry Da Hinggan Mountains 地质通报 GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA 第32卷第2 3期 2013年3月 Vol 32 Nos 2 3 Mar 2013 地 质 通 报GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA2013年地 质 通 报GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA2013年地 质 通 报GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA2013年地 质 通 报GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA2013年 一的基底 期间发育的晚古生代火山岩 和花岗岩带 图1 b 应该是沿贺根山 嫩江 黑河构造带拼接后区域拉张构 造背景下的产物 但对该构造带的拼合 时间存在较大争议 主要有晚古生代拼 合 5 7 和早中生代拼合 1 8 9 2种观点 其 拼合时间的确定 是确定西伯利亚古板 块与中朝古板块之间缝合位置及时间 的关键 因此具有重要的研究意义 鉴 于此 笔者主要报道大兴安岭中部兴安 地块与松嫩地块接触地区的晚古生代 花岗岩的锆石U Pb年龄 地球化学特 征 并结合前人资料 探讨其形成的构 造背景及兴安地块的地壳增生问题 为 该区域晚古生代的构造演化提供岩石 学和地球化学方面的依据 1地质概况及岩石学特征 大兴安岭中部的柴河地区 构造位 置上属于兴安地块 北部与额尔古纳地 块相邻 南部为松嫩地块 图1 a 区内 出露的地质体主要包括古生代佳疙瘩 组 裸河组 中生代火山岩及一系列的 侵入岩体 其中最古老的地层单元佳疙 瘩组主要分布在研究区北部的希力格 特河流域上游 河中林场与一支沟林场 之间 岩性以石英闪长质片麻岩为主 含斜长角闪岩质 角闪质和透辉变粒片 麻杂岩 片麻理走向近南北向 经历角闪岩相变质作 用 呈不规则残块状产出 早古生代裸河组为一套陆 源 浅海沉积的浅变质岩 中生代火山岩较为发育 主要以晚侏罗世的塔木兰沟组 满克头鄂博组 玛尼 吐组及白音高老组流纹岩 安山岩 玄武岩及火山碎 屑岩等为主 五一岩体位于柴河地区的西北部五一林场一带 图2 沿北东 北北东方向展布 出露面积为 122km2 主要以正长花岗岩 碱长花岗岩为主 正长花岗岩 图3 a b c 岩石呈浅黄灰色 中 粒 中粗粒花岗结构 主要由黑云母 斜长石 条纹 长石和石英组成 黑云母呈片状 鳞片状集合体 红 褐色 具多色性与吸收性 可见有绿泥石化与碳酸盐 化 含量约为5 斜长石呈半自形板柱状 聚片双晶 发育 局部发育环带构造 多发生弱绢云母化 表面 混浊 含量为20 25 条纹长石呈它形粒状 条纹 结构发育 主晶为钾长石 客晶为钠质斜长石 客晶 呈细脉状 滴状 含量为45 40 石英呈它形粒 状 波状消光强烈 多数发生动态重结晶 表现为缝 合线状集合体 含量为25 30 副矿物有磁铁矿 褐帘石 磷灰石 锆石及榍石 碱长花岗岩 图3 d 为中粒花岗结构 岩石由 条纹长石 石英和少量黑云母组成 条纹长石为较 粗大的板状 粒状晶体 颗粒表面中的条纹呈脉 状 干涉色一级灰白 含量约为70 石英为它形 粒状 少数显示熔蚀现象 发育波状消光 个别颗 粒有裂纹 含量约为30 可见少量黑云母 析铁 褪色 366 第32卷 第2 3期第32卷 第2 3期第32卷 第2 3期第32卷 第2 3期 2分析方法 选择5件代表性岩体样品进行主量 微量元素 的测试 对采自河中岩体的正长花岗岩样品 N3 进 行了锆石SHRIMP U Pb同位素测年 地球化学分 析样品的粗碎及磨样工作在吉林大学地球科学学院 实验室内完成 整个过程在无污染的流程中进行 主 量元素和微量元素分析在中国地质科学院地质研究 所国家地质测试中心完成 主量元素采用X射线荧 光光谱仪 PW4400 进行分析 微量元素的分析则 采用等离子质谱仪 X series 来完成 测试结果如 表1 花岗岩锆石的挑选在河北省廊坊市区域地质调 查研究所进行 先用常规方法将样品粉碎至80 100 目 之后经过淘洗和电磁方法进行分离 并在双目镜 下将具有较好晶形且无明显裂痕和包裹体的锆石挑 选出来 将所选锆石晶体与标准样品TME一起置 于环氧树脂中做成样品靶 打磨并抛光至靶上锆石 的中心部位暴露出来 对样品靶上的锆石进行透射 光 反射光和阴极发光照相 以便在进行SHRIMP 测定时选取合适的分析部位 锆石阴极发光照相和 U Th Pb同位素分析在北京离子探针中心完成 使用SHRIMP 进行U Th Pb同位素分析的分析 流程及常用实验参数见参考文献 10 在样品测定过 程中 根据锆石可见光图像 尽量选择阴极发光图像 中无包裹体和无裂纹的部位 根据阴极发光图像 尽 量选择看起来是同一个世代的区域 标准样品和未 知样品按照1 3的比例交替测定 原始数据的处理 和锆石U Pb谐和图的绘制采用Ludwig博士编写 的Squid程序和Isoplot程序 11 12 测试结果见表2 3锆石特征及分析结果 测年样品 N3 取自五一林场西北部 47 39 19 1 N 张超等 大兴安岭五一林场花岗岩体地球化学特征及成因 367 地 质 通 报GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA2013年地 质 通 报GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA2013年地 质 通 报GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA2013年地 质 通 报GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA2013年 120 59 50 4 E 所选锆石多呈无色透明 具有金刚 光泽 晶体形态多为短柱状 长柱状 长宽比多为 2 1 锆石内部裂纹和包裹体较少 锆石有清晰规则 的韵律环带 颜色均匀 以灰色为主 其中Th U比 值介于0 43 0 57之间 显示明显岩浆成因锆石的 特征 图4 a 在所测的9个数据点中 有8个测 点集中分布于谐和线上及附近 图4 b 1个测点 偏离谐和线 显示有铅丢失 无年龄意义 8个测点 的 206Pb 238U 加权平均年龄为299Ma 3Ma MSWD 1 08 属于早二叠世 4岩石地球化学特征 五一花岗岩体样品的主量元素分析数据 表1 显 示 Si2O含 量 为77 63 81 83 Al2O3含 量 为 9 84 11 92 K2O和Na2O含 量 分 别 为3 64 5 1 和2 79 3 07 全碱含量为6 43 8 02 平 均为7 62 A NK A CNK图解 图5 a 表明 本 区早二叠世花岗岩属于弱过铝质花岗岩 A CNK 主要介于1 03 1 11 其中1个样品的A CNK为 1 11 在Si2O K2O图解 图5 b 中 多数样品落在 高钾钙碱性范围内 偏向钾玄岩系列的分界线 有1 个样品落于钙碱性系列 反映了明显的富K特征 在哈克图解中 图略 氧化物的近线性变化反 映了岩浆的总体特点 具有成因联系的岩石通常具 有相似的氧化物含量和连续的变异关系 随Si2O含 量的增高Al Fe Ca Mg P Ti和Na氧化物的含量 呈规律性连续降低 表明岩浆演化过程中结晶分异 程度显著 具有同源岩浆演化分异的特征 稀土元素及微量元素测定结果列于表1 由表 中数据可以看出 岩体的稀土元素总量为86 18 368 第32卷 第2 3期第32卷 第2 3期第32卷 第2 3期第32卷 第2 3期 10 6 324 10 6 La Yb N 4 47 19 25 La Sm N 3 26 14 4 LREE富集 轻重稀土元素分馏明显 随着 REE总量的增大 分配曲线近平行上移 出现了明显 的负Eu异常 Eu 0 11 0 79 指示成岩过程中存在 富轻稀土元素矿物 如磷灰石 褐帘石等 和斜长石 分离结晶作用 稀土元素球粒陨石标准化配分曲线 呈明显的右倾斜 图6 a 与典型的S型花岗岩所表 现出来的 海鸥型 稀土元素配分型式明显不同 在微量元素组成上 五一岩体样品的突出特点 是明显富集Th Nd Rb K 亏损Ba Sr P Ti 图 6 b 由于花岗岩中的Sr主要代替Ca富集于斜长 石中 Ba则占据早期结晶含K矿物中K的位置 所 以K的富集 Ba和Sr的亏损 可能是母岩浆本身就 富K 并在其成岩过程中结晶分离出斜长石 钛铁矿 的结果 P和Ti的亏损说明岩浆可能经历了磷灰石 和榍石等含P Ti矿物的分离结晶作用 5讨论 5 1成因类型 五一岩体以正长花岗岩 碱长花岗岩为主 含有 少量的黑云母 不含角闪石 副矿物组合中出现磁铁 矿 锆石等而未见富铝矿物 岩石化学特征具有富 碱 特别是高K的特征 属于弱过铝质 钾玄质 Eu 负异常显著 Eu 0 05 0 28 明显富集LREE和 Th Nd Rb K等元素 亏损Ba Sr P和Ti等元素 在区分A型花岗岩与分异的I型花岗岩的有关判 别图解 图7 上 样品点均落在分异的I型花岗岩 区 综合岩相学及地球化学特征认为 本区的早二 叠世花岗岩应属于高分异的高钾钙碱性I型花岗 岩 来源于火成岩的部分熔融 5 2构造环境及地质意义 对兴安地块晚古生代岩浆作用构造背景的认 识 有助于正确理解区内花岗岩的成因 从图1 b 中可以看出 在兴安地块上晚古生代岩浆岩比较发 育 但对其形成的构造环境一直存有争议 有学者认 为 古亚洲洋于早古生代末期就已闭合 晚古生代岩 浆岩形成于裂谷 裂陷槽 环境 17 而多数学者认为 古亚洲洋于晚古生代末期闭合 18 20 岩浆岩形成于 俯冲背景 Chen等 21 及刘建峰等 22 在苏左旗 西乌 旗一线发现并证实了石炭纪岩浆弧的存在 Meng 等 23 在张广才岭地区出露的双峰式火山岩中获取的 最新LA ICP MS锆石U Pb年龄为292Ma 并认 为其形成于类似弧后盆地的伸展环境 张兴洲等 24 根据东北地区花岗岩的峰期年龄 认为320Ma的花 岗岩主要发育在大兴安岭地区 呈北东向展布 具有 张超等 大兴安岭五一林场花岗岩体地球化学特征及成因 369 地 质 通 报GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA2013年地 质 通 报GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA2013年地 质 通 报GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA2013年地 质 通 报GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA2013年 由俯冲到碰撞后成因的地球化学特点 是松嫩地块 和额尔古纳 兴安地块碰撞拼合 形成统一佳蒙地 块的重要事件 25 因此 根据五一岩体的锆石U Pb 测年结果 299Ma 3Ma 判断 该岩体的形成演化与 这次构造事件有关 五一花岗岩体化学成分上富K 属于高钾钙碱性 岩石 Liegeois等 26 认为高钾钙碱性岩石的岩浆源区 通常与先期的俯冲作用有关 主要形成于同碰撞岩石 圈加厚之后的伸展垮塌向非造山板内过渡的阶段 在 主量元素SiO2 A12O和SiO2 TFeO TFeO MgO 判别图 图8 a b 中 五一岩体花岗岩类投影点基 本上落入POG区域 显示其为后造山花岗岩类 在 花岗岩类形成环境的微量元素Rb Ta Nb 判别 图 图8 c 中 五一花岗岩体投影点全部落入Post COLG区 即后碰撞花岗岩区 在R1 R2判别图 图8 d 中 投影点全部落入造山期后花岗岩区 综 合上述研究表明 五一岩体形成于后造山阶段 属后 造山花岗岩 近年来 许多学者的研究表明 花岗岩的地球化 学成分取决于源岩的矿物组成 化学成分 熔融时的 370 第32卷 第2 3期第32卷 第2 3期第32卷 第2 3期第32卷 第2 3期 物理化学条件和其后岩浆的演化 其成因类型并不 是与构造背景呈简单的一一对应关系 30 31 所以 只 有把地层沉积特征与岩浆岩特征相结合才能正确地 判别其形成的构造背景 大兴安岭地区早在泥盆纪 早石炭世 沉积有 以浅海相碎屑岩与碳酸盐岩为主的化石丰富的地 层 晚石炭世 二叠纪沉积岩广泛分布在东北中南 部地区 沉积环境也发生重大转化 晚石炭世形成 北陆南海的沉积格局 二叠纪转为北窄南宽的巨大 海相沉积盆地 24 25 另外 吴福元等 31 32 对东北地区各 地块开展的Nd模式年龄研究表明 兴安地块和松嫩 地块具有一致的Nd同位素模式年龄 1200 500 Ma 说明兴安地块和松嫩地块具有相同时代的基底 二者 很可能为统一的兴安 松嫩地块 其现今不同构造演 化的差异主要是由中生代以来的构造演化造成的 说 明石炭纪 二叠纪该地块处于一个相对稳定统一的 佳蒙地块 从这个意义上讲 五一岩体的形成标志着 兴安地块与松嫩地块间的碰撞作用至少在299Ma时 已经结束 之后进入碰撞后的伸展引张环境 6结 论 基于大兴安岭五一林场花岗岩体的岩相学 SHRIMP锆石U Pb定年和地球化学特征的研究 得出如下结论 1 大兴安岭五一林场地区晚古生代碱长花岗 岩为岩浆成因 其岩浆锆石SHRIMP U Pb定年结 果为299Ma 3Ma 形成时代为早二叠世 2 以五一岩体为代表的大兴安岭中部的早二 张超等 大兴安岭五一林场花岗岩体地球化学特征及成因 371 地 质 通 报GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA2013年地 质 通 报GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA2013年地 质 通 报GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA2013年地 质 通 报GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA2013年372 第32卷 第2 3期第32卷 第2 3期第32卷 第2 3期第32卷 第2 3期 叠世花岗岩属于高钾钙碱性系列 岩石类型为正长 花岗岩 碱长花岗岩 3 五一岩体具有后造山花岗岩类的岩石组合 特征和地球化学特征 为兴安地块和松嫩地块碰撞 拼贴作用结束后后造山阶段的产物 致谢 在论文撰写过程中 得到了杨振升教 授 董晓杰老师的大力帮助与指导 在此表示诚挚 的谢意 参考文献 1 Wu FY Sun DY Li HM et al A type granites in northeastern China age and geochemical constraints on their petrogenesis J Chem ical Geology 2002 187 143 173 2 葛文春 吴福元 周长勇 等 大兴安岭北部塔河花岗岩体的时代及对 额尔古纳地块构造归属的制约 J 科学通报 2005 12 50 1239 1247 3 苗来成 刘敦一 张福勤 等 大兴安岭韩家同子和新林地区兴华渡 口群和扎兰屯群锆石SHRIMP U Pb年龄 J 科学通报 2007 52 5 591 601 4 刘永江 张兴洲 金巍 等 东北地区晚古生代区域构造演化 J 中国 地质 2010 4 37 943 951 5 洪大卫 黄怀曾 肖宜君 等 内蒙古中部二叠纪碱性花岗岩及其地 球动力学意义 J 地质学报 1994 68 3 219 230 6 施光海 苗来成 张福勤 等 内蒙古锡林浩特A型花岗岩的时代及 区域构造意义 J 科学通报 2004 49 4 384 389 7 李双林 欧阳自远 兴蒙造山带及邻区的构造格局与构造演化 J 海 洋地质与第四纪地质 1998 27 4 533 544 8 Chen B Jahn BM Wilde S et al Two contrasting Paleozoic magmatic belts in northern Inner Mongolia China Petrogenesis and tectonic implications J Tectonophysics 2000 328 157 182 9 苗来成 范蔚茗 张福勤 等 小兴安岭西北部新开岭 科洛杂岩锆石 SHRIMP年代学研究及其意义 J 科学通报 2003 48 22 2315 2323 10 宋彪 张玉海 万渝生 等 锆石SHRIMP样品靶制作 年龄测定及 有关现象讨论 J 地质论评 2002 5 26 30 11 Ludwig K R Squid 1 02 A user manual J Berkeley Geochrono logical Center Special Publication 2001 2 19 12 Luding K R User s Manual for Isoplot 3 00 a geolocronolgical Toolkit for Microsoft Excel J Berkeley Geochronological Center Special Publication 2003 4 25 32 13 隋振民 葛文春 徐学纯 等 大兴安岭十二站晚古生代后造山花岗 岩的特征及其地质意义 J 岩石学报 2009 25 10 2679 2686 14 曲晖 李成禄 赵忠海 等 大兴安岭东北部多宝山地区花岗岩锆石 U Pb年龄及岩石地球化学特征 J 中国地质 2011 2 38 292 300 15 Boynton W V Geochemistry of the rare earth elements meteorite studies C Henderson P ed Rare Earth Elements Geochemistry Elservier 1984 63 114 16 Sun S S Mcdonough W F Chemical and isotopic systematics of o ceanic basalts implications for mantle composition and processes J Geological Society London Special Publications 1989 42 1 313 345 17 唐克东 中朝陆台北侧褶皱带构造发展的几个问题 J 现代地质 1989 3 2 195 204 18 孙德有 吴福元 张艳斌 等 西拉木伦河 长春 延吉板块缝合带的 最后闭合时间 来自吉林大玉山岩体的证据 J 吉林大学学报 地球科学版 2004 34 2 174 181 19 Li J Y Permian geodynamic setting of Northeast China and adjacent regions Closure of thePaleo Asian Ocean and subduction of the Paleo Pacific Plate J Journal of Asian Earth Sciences 2006 26 3 4 207 224 20 童英 洪大卫 王涛 等 中蒙边境中段花岗岩时空分布特征及构造 和找矿意义 J 地球学报 2010 31 3 395 412 21 Chen B Jahn B M Wilde S et al Two contrasting Paleozoic mag matic belts in northern Inner Mongolia China Petrogenesis and tectonic implications J Tectonophysics 2000 328 1 2 157 182 22 刘建峰 迟效国 张兴洲 等 内蒙古西乌旗南部石炭纪石英闪长岩 地球化学特征及其构造意义 J 地质学报 2009 83 3 365 376 23 Meng E Xu WL Pei FP et al Permian geodynamic setting of Northeast China and adjacent regions Closure of thePaleo Asian Ocean and subduction of the Paleo Pacific Plate J Journal of Asian Earth Sciences 2011 41 2 119 132 24 张兴洲 乔德武 迟效国 等 东北地区晚古生代构造演化及其石油 地质意义 J 地质学报 2011 30 2 3 205 213 25 张兴洲 周建波 迟效国 等 东北地区晚古生代构造 沉积特征与 油气资源 J 吉林大学学报 地球科学版 2008 38 5 719 725 2