吉林南部荒沟山地区侏罗纪花岗岩地球化学特征及构造意义

秦 亚，梁一鸿，胡兆初，刘雪松

（1.吉林大学 a.地球科学学院；b.地质博物馆，长春130061；2.中国地质大学 地质过程与矿产资源国家重点实验室，武汉430074）

华北板块东部吉南－辽南地区分布着大面积的中生代花岗岩，前人研究认为其主体形成于三叠纪和侏罗纪。随着年龄测定技术的进步，高精度测试方法的出现，进一步的研究工作又有了新的认识，确认这些花岗岩主体形成于白垩纪，而三叠纪和侏罗纪的岩体则相对较少[1，2]。吴福元确认了辽南的小黑山岩体、韩家岭岩体、丹东岩体等形成于侏罗纪[1]；而孙德有等运用CHIME方法，在吉林南部荒沟山地区也确定了一套侏罗纪花岗岩的存在[2]。作者对荒沟山地区的老秃顶子岩体和草山岩体的岩石化学特征进行了测试分析，目的是研究吉林南部侏罗纪花岗岩形成的地球构造环境。同时，运用LA－ICP－MS方法对老秃顶子和草山岩体进行了锆石U－Pb法年龄测定，进一步确认了岩体形成的年代。

1 地质背景及岩石学特征

研究区位于吉林省白山市东南部，大地构造位置上处于华北板块东北部辽吉古元古裂谷带与龙岗隆起交界处附近。

龙岗隆起主要发育一套太古宙的TTG岩系，主要岩性为花岗闪长岩、英云闪长岩和奥长花岗岩。

辽吉裂谷带的吉林南部地区主要发育集安群和老岭群。集安群是一套变质中基性火山岩和变质碎屑岩，是裂陷期火山沉积作用的产物；老岭群为一套变质的碎屑岩和碳酸盐岩，是凹陷期沉积作用的产物。研究区内只发育有裂谷带上部的老岭群。

新元古代－古生代该区接受盖层沉积，中生代为断陷盆地沉积。

在太古代变质岩系和古元古代老岭群变质地层中侵入梨树沟、草山、老秃顶子和遥林4个花岗岩体，岩体呈现不规则的圆形或椭圆形（图1）。我们对其中的老秃顶子岩体和草山岩体进行了岩石地球化学和年代学分析。草山岩体面积为41 km2，老秃顶子岩体面积为61km2，均为小型岩株[3]。

图1 吉南荒沟山地区地质简图Fig.1 Geological sketch of the Huanggoushan area in the south of Jilin

草山岩体与老秃顶子岩体的岩性均为似斑状黑云母花岗岩，呈灰白色、淡红色，似斑状结构，斑晶为粗粒自形结构，基质为中－细粒半自形结构。主要矿物为石英（质量分数为25%±）、钾长石（20%±）、斜长石（35%±）和黑云母（15%±），斑晶矿物主要为钾长石和条纹长石；副矿物主要为磁铁矿、锆石及磷灰石。

2 岩石地球化学特征

岩体的主元素的测定由吉林大学测试科学实验中心用原子吸收光谱（AAS）测试（表1），稀土和痕量元素采用等离子质谱（ICP－MS）测定（表2）。

2.1 主元素

老秃顶子岩体和草山岩体的主元素富硅（SiO2的质量分数为72.04%～73.68%），具有低的铁、镁、钙、钛、磷含量（wTFe2O3＝1.83%～2.98%，wMgO＝0.54%～0.70%，wCaO＝1.44%～1.92%，wTiO2＝0.16%～0.32%，wP2O5＝0.08%～ 0.12%）。Al2O3的质量分数为13.20%～14.34%，A／CNK＝0.92～1.12，A／NK＝1.16～1.42，为准铝质到过铝质（图2）。岩体具有较低的 Mg＃值（35.4～45.2）。全碱含量（AIK，质量分数）为7.31%～8.74%，TAS图解中，落入亚碱性系列花岗岩中，在AFM图解中，无富铁的趋势，为钙碱性系列。其σ值介于1.83～2.62之间，亦为钙碱性系列。wNa2O／wK2O比平均值为1.09，为钠质。在SiO2－K2O岩石系列判别图解中，落入高钾钙碱性系列（图3）。主元素显示具有I型花岗岩的地球化学特征。

2.2 稀土元素

2个岩体稀土元素总量（质量分数）为94.24×10－6～170.14×10－6，具有一致的右倾型球粒陨石标准化稀土元素模式（图4），轻稀土富集，重稀土亏损，wLREE／wHREE比值为9.05～15.43。重稀土呈平坦型，轻重稀土分馏明显，老秃顶子岩体较草山岩体轻重稀土分异更明显，其（wLa／wYb）N值为23.41～24.89；而草山岩体（wLa／wYb）N值为11.07～16.59。具有中等的负铕异常，δEu值为0.51～0.69。

图2 铝质指数图解Fig.2 Aluminous index diagram of granite

图3 SiO2－K2O图解Fig.3 SiO2－K2O diagram

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图4 稀土元素球粒陨石标准化配分模式图Fig.4 Chondrite－normalized REE pattern of granite

2.3 痕量元素

在原始地幔标准化蛛网图中，老秃顶子岩体和草山岩体具有基本一致的亏损富集曲线（图5）。具有较低的Sr、Yb及Y含量（wSr＝177.8×10－6～261.8×10－6，wYb＝1.08×10－6～1.67×10－6，wY＝11.04×10－6～17.51×10－6），在张旗的Sr－Yb分类[4，5]中为喜马拉雅型花岗岩。2个岩体均亏损Nb、Ta、P、Ti；不同程度地富集Th、K、U等元素。

3 锆石U－Pb法年龄测定

运用LA－ICP－MS对荒沟山地区黑云母花岗岩进行了锆石U－Pb法年龄测定。锆石的阴极发光图像在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成，锆石的剥蚀分析在中国地质大学（武汉）地质过程与矿产资源国家重点实验室完成（表3）。详细流程见刘勇胜等[6]的文章。

图5 微量元素原始地幔标准化蛛网图Fig.5 Primitive mantle－normalized spider diagram of trace elements

所测锆石多为长柱状，粒径约为150～300 μm（图6）。草山岩体花岗岩中锆石Th和U的质量分数分别为75.30×10－6～452.43×10－6和170.31×10－6～897.88×10－6，且 wTh／wU比值为0.24～0.65。大多数锆石 wTh／wU＞0.4。阴极发光图像中具有典型的岩浆振荡环带（图6－A），其年龄可以代表岩体的形成年代。老秃顶子岩体中锆石Th和U的质量分数分别为87.73×10－6～1689.59×10－6和 136.85×10－6～1268.94×10－6，wTh／wU为0.31～1.48，绝大多数锆石的wTh／wU＞0.4，且具有明显的岩浆振荡环带（图6－B），为岩浆锆石，其形成可以代表岩体形成的年代。

图6 锆石阴极发光图像Fig.6 CL images of zircon

表3 老秃顶子岩体和草山岩体LA－ICP－MS锆石U－Pb年龄数据Table3 LA－ICP－MS U－Pb age data of zircon in the granite from Laotudingzi pluton and Caoshan pluton

对草山岩体进行了25粒锆石U－Pb年龄测定，同位素分析数据均落在谐和线上及其附近，其加权平均年龄为（180.64±0.81）Ma，MSWD＝0.86（图7－A）。对老秃顶子岩体进行了23粒锆石U－Pb同位素测试，同位素分析数据均落在谐和线上及其附近，其加权平均年龄为（178.74±0.90）Ma，MSWD＝0.82（图7－B）。年龄测定结果揭示2岩体均为早侏罗世侵入体。

华北板块东部广泛发育着一期侏罗纪花岗岩体，如辽南地区的小黑山岩体（170～177Ma）[7]，韩家岭岩体（163～180Ma）[1]，丹东花岗岩（156～173Ma）[8]；但对于吉南地区是否存在侏罗纪花岗岩体，认识上有很大的变迁。吉林南部荒沟山地区花岗岩体的侵位时代，前人根据地质接触关系和地质对比，以及老秃顶子岩体的1个黑云母K－Ar年龄，将老秃顶子、草山和梨树沟3个岩体确定为侏罗纪岩体[3]。后根据梨树沟和老秃顶子2个岩体的全岩Rb－Sr等时线年龄，确定其为印支期岩浆活动产物[9]。孙德有等运用CHIME方法，将其重新厘定为侏罗纪产物[2]。笔者采用LA－ICP－MS测龄结果为178～181Ma，说明华北板块东部侏罗纪岩浆活动广泛存在，在吉南地区也有体现。

4 形成构造环境探讨

荒沟山地区侏罗纪花岗岩主要岩石类型为黑云母花岗岩；岩石富硅，中等的铝含量，较低的Mg＃值；属于准铝质到过铝质钠质花岗岩，高钾钙碱性系列；在QAP岩石成因类型图解中（图8）落入I型花岗岩区，因而草山岩体和老秃顶子岩体为高钾钙碱性I型花岗岩。富集LREE、K、Th、U；亏损 HREE、Nb、Ta、Ti、P；具有中等的负铕异常，具有活动大陆边缘岩浆弧花岗岩的特点[10－12]。

2个岩体均具有较低的Sr和Yb含量（wSr＝177.8×10－6～261.8×10－6，wYb＝1.08×10－6～1.67×10－6），在张旗的Sr－Yb花岗岩分类中，属于低Sr低Yb喜马拉雅型花岗岩[4]，表明岩体可能形成于较大的压力之下。低的Sr含量及中等的负铕异常，说明源区有斜长石的残留；而低的Yb含量，说明残留相中含有石榴石；平坦型的HREE分布形式，暗示角闪石可能是重要的残留相。李承东等在研究冀北中生代花岗岩时，推测这种低Sr低Yb型花岗岩可能是斜长石＋角闪石＋石榴石＋辉石的高压麻粒岩在较高的压力下部分熔融形成的[13]。

LA－ICP－MS测龄表明，荒沟山地区花岗岩形成于178～181Ma B.P.，为侏罗纪产物，属华北板块东部侏罗纪花岗岩的一部分。有关华北板块东部侏罗纪岩浆活动的构造背景主要有以下2种观点：其一是古太平洋向华北板块的俯冲有关；其二是华南板块与华北板块的陆－陆碰撞地壳加厚、伸展作用有关。

中国东部从东北大兴安岭东北部[14]到张广才岭[15]，延至辽东[7，8]、胶东[16]分布着一期 NE向的侏罗纪花岗岩体，其岩性相似，均为I型花岗岩；同时不存在代表伸展构造环境的A型花岗岩或碱性岩，且年龄有从东到西逐渐变新的趋势[14－18]。华北东部与东北地区侏罗纪花岗岩体的这种宏观趋势，说明它们的形成可能与古太平洋板块的俯冲有关。

图7 U－Pb年龄谐和图Fig.7 U－Pb age concordia diagrams of zircon

图8 QAP成因类型图解Fig.8 The QAP genetic type diagram

荒沟山地区花岗岩在lg[CaO／（Na2O＋K2O）]－SiO2图解中（图9），落入挤压型构造环境内，不同于路孝平等[19]在通化地区发现的板内非造山伸展构造环境的印支期花岗岩，应形成于侏罗纪挤压构造背景。在利用Pearce微量元素构造环境图解对构造环境进行判别时（图10、图11），老秃顶子岩体和草山岩体投点主要落在VAG（火山弧花岗岩）区，说明其形成于火山弧环境，与前述的岩体具有活动大陆边缘岩浆弧的特点一致。在R1－R2判别图解中，老秃顶子和草山岩体落入6区，为同碰撞花岗岩；结合区域构造背景，认为其形成与古太平洋板块的俯冲有关。另外荒沟山地区侏罗纪花岗岩与辽南小黑山花岗岩、丹东花岗岩具有一致的岩石学、岩石地球化学及年代学特征，表明其形成于相似的地球动力学背景。杨进辉[7]、李三忠[8]等对辽南侏罗纪花岗岩的研究也得出和本文一致的结论。

图9 lg[w（CaO）／w（Na2O＋K2O）]－w（SiO2）图解Fig.9 lg[w（CaO）／w（Na2O＋K2O）]－w（SiO2）diagram

图10 花岗岩Rb－（Yb＋Ta）判别图解Fig.10 Rb－（Yb＋Ta）discrimination diagram of granites

图11 花岗岩Rb－（Yb＋Nb）判别图解Fig.11 Rb－（Yb＋Nb）discrimination diagram of granites

5 结论

a.LA－ICP－MS锆石 U－Pb年龄测定结果显示：草山岩体形成于（180.64±0.81）Ma B.P.，老秃顶子岩体形成于（178.74±0.90）Ma B.P.，为早侏罗世岩浆活动产物，表明华北板块东部早侏罗世岩浆活动广泛存在。

b.吉南荒沟山地区的老秃顶子和草山岩体具有富Si、低Fe、Mg、Ca、Ti等特点，为高钾钙碱性I型花岗岩；富集Th、K及LREE元素，亏损Eu、Nb、Ta、P和Ti等元素：具有活动大陆边缘岩浆弧的特征。

c.岩体属于低Sr低Y型花岗岩，形成于挤压环境；构造判别图解显示为VAG花岗岩，其形成可能与古太平洋板块的俯冲有关。

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