吉林中部西砬子沟花岗闪长岩锆石U--Pb年龄及岩石地球化学特征

孙永刚，王聚胜，张辉，詹天宇，殷大分

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130061

0 引言

吉林中部位于松嫩—张广才岭地块东缘[1]，兴蒙造山带东段(图1a)。在古生代期间，其构造体系受控于古亚洲洋的演变[2, 3]，随着古亚洲洋的持续俯冲收缩，各微陆块先后发生碰撞拼贴[4, 5]，一直到晚二叠世—中三叠世古亚洲的最终闭合[6--8]，随之转入大陆碰撞造山、陆内造山以及造山后伸展减薄的构造环境[1, 9]，同时，构造体系逐渐转变为环太平洋构造体系，但中国东北地区古亚洲洋构造体系向环太平洋构造体系转换的时间与机制存在争论，这一直是地学界的热点问题之一。

因此，对于东北地区晚三叠世构造演化受哪种构造体系所制约的研究显得十分重要，目前这一问题主要有以下两种认识：一部分学者认为晚三叠世的构造背景与古太平洋板块向欧亚板块的俯冲作用有关[10--14]；另有学者认为晚三叠世的构造背景受华北板块和兴蒙造山带碰撞拼合后伸展作用的影响[1, 15, 16]。

争议的关键在于对东北地区晚三叠世火成岩的构造属性认识不足。因此，笔者研究了吉林中部晚三叠世西砬子沟花岗闪长岩的年龄和岩石地球化学特征，旨在揭示其形成时代及构造背景，限定古太平洋构造体系向环太平洋构造体系转换的时限，并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

研究区位于吉林省中部，大地构造位置位于张广才岭带南段[17]，是兴蒙造山带的重要组成部分。夹持于东侧的敦化—密山断裂和西侧的伊通—依兰断裂之间，索伦—西拉木伦—长春—延吉缝合带以北(图1a)。

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。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。

古亚洲洋和环太平洋两大构造体系的叠加与转换导致本区侵入岩浆活动强烈频繁，主要为燕山期侵入岩，由大面积中酸性和零星基性--超基性侵入岩组成，侵入时代主要集中在中生代晚三叠世—早白垩世，其中零星基性--超基性侵入岩形成于晚三叠世(211±1 Ma, 未发表数据),与研究区南部红旗岭铜镍硫化物矿床镁铁质--超镁铁质赋矿侵入岩的成岩时代(～216 Ma)相同[18]，但是该岩体工作程度低，缺乏含矿性评价，在今后的找矿工作中应给予足够的重视。

西砬子沟花岗闪长岩出露于吉林市松花湖北东侧西砬子沟一带(图1b)，呈大小和形状各不相同的岩株状产出。岩体侵位于二叠纪范家屯组和大河深组地层中，后又被侏罗纪花岗岩岩体侵入。

野外露头观察岩石新鲜面为灰白色，中细粒花岗结构，块状构造，主要由石英、钾长石、斜长石以及少量黑云母组成。石英含量20%±，不规则粒状，粒径1～3 mm，可见波状消光；斜长石含量50%±，半自形--自形板状，粒径1～3 mm，发育聚片双晶，个别斜长石表面有弱绢云母化和高岭土化；钾长石含量20%±，自形--半自形板状，粒径1～3 mm，卡式双晶发育；黑云母含量10%±，深褐色，片状，片径0.3～1 mm，少量有绿泥石化(图2)。

2 分析方法

2.1 锆石LA--ICP--MS年代学

西砬子沟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，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年龄测定和锆石微量元素分析均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相关文献[19]。锆石样品的年龄谐和图绘制和年龄计算采用Isoplot程序[20]完成。

2.2 岩石地球化学测试

西砬子沟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相互检测。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。

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. 早--中侏罗世南楼山组; 3. 晚二叠世杨家沟组; 4. 中二叠世范家屯组; 5. 中二叠世大河深组; 6. 晚三叠世花岗岩; 7. 侏罗纪花岗岩; 8. 采样点图1 中国东北地区构造简图(a)[6]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)

3 分析结果

3.1 锆石LA--ICP--MS定年

西砬子沟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)。18个测试点分析结果见表1，U含量为(302～510)×10-6，Th含量为(159～320)×10-6，Th/U比值为0.42～0.67，18个锆石206Pb/238U分析数据的加权平均年龄为216±1 Ma，MSDW=1.9(图4b)，属晚三叠世。

3.2 地球化学特征

岩石SiO2=68.93%～71.78%，Al2O3=13.81%～14.46%，Fe2O3=0.59%～1.03%，TiO2=0.48% ～0.51%，MgO=1.23%～1.79%、Mg#=39.37%～47.97%；P2O5=0.13%～0.14%，CaO=2.14%～2.47%，Na2O=3.59%～3.92%，K2O=3.72%～4.10%，Na2O+K2O=7.61%～7.94%，表现为高SiO2、贫MgO、CaO、TiO2和Fe2O3。在TAS图解中样品落入花岗岩区域，显示亚碱性特征(图5)，A/CNK值为0.96～1.00，在A/CNK-A/NK图解中，岩石显示准铝质特征(图6a)，SiO2-K2O图解中显示岩石属于高钾钙碱性系列(图6b)，岩石为I型花岗岩。

Pl.斜长石；Bt.黑云母；Q.石英；Kfs.钾长石图2 西砬子沟花岗闪长岩显微照片(+)Fig.2 Microphotographs of Xilazigou granodiorite(+)

图3 西砬子沟花岗闪长岩锆石CL图像Fig.3 CL images of zircons from Xilazigou granodiorite

图4 西砬子沟花岗闪长岩锆石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 Xilazigou granodiorite

表1 西砬子沟花岗闪长岩锆石LA--ICP--MS U--Pb测年结果Table 1 LA--ICP--MS zircon U--Pb dating results for Xilazigou granodiorite

岩石稀土元素球粒陨石标准化图解(图7a)显示，稀土元素配分曲线呈右倾型，且较为平坦圆滑，各样品的配分曲线具有较高的相似性，反映了同源岩浆的演化特征。岩石明显富集LREE、亏损HREE，稀土元素总量ΣREE为(140.95～163.62)×10-6，LREE/HREE值为8.56～9.52，

图5 西砬子沟花岗闪长岩TAS图解Fig.5 TAS diagram for Xilazigou granodiorite

(La/Yb)N比值为8.60～10.17，同时存在微弱的负Eu异常(Eu/Eu*= 0.55～0.62)。在原始地幔

图6 西砬子沟花岗闪长岩的A/CNK-A/NK图解(a)和SiO2-K2O 图解(b)Fig.6 A/CNK-A/NK diagram(a)and K2O-SiO2 diagram(b)of Xilazigou granodiorite

图7 西砬子沟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) [21, 22]Fig.7 Chondrite normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle normalized trace element (b) diagrams for Xilazigou granodiorite

4 讨论

4.1 岩石成因类型和岩浆源区

西砬子沟花岗闪长岩具有低的P2O5含量(0.13%～0.15%)，不同于S型花岗岩高的P2O5含量。石榴子石、白云母和堇青石等富铝矿物通过镜下观察不发育，而且样品为准铝质也有别于S型花岗岩的强过铝质特征[23]。

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[24]，计算得出西砬子沟花岗闪长岩锆石饱和温度(TZr℃)为796℃～807℃，平均值为802℃，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[25, 26]，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。

在10000*Ga/Al-K2O/MgO判别图解中(图8a)，样品点均落入I、S和M型花岗岩的分布区域内，而在(Zr+Nb+Ce+Y)-(K2O+Na2O)/CaO判别图解中(图8b)，样品均集中落于I型花岗岩的分布区域。综上认为，西砬子沟花岗闪长岩应属I型花岗岩。

表2西砬子沟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)

Table2Majorelements(10-2),REE(10-6)andtraceelements(10-6)compositionsofXilazigougranodiorite

样品PM412-1PM412-2PM412-3PM412-4PM412-5SiO268.25 69.28 68.98 68.46 68.37 TiO20.51 0.51 0.48 0.51 0.51 Al2O314.16 14.24 13.81 14.38 14.46 Fe2O30.94 1.03 0.59 0.63 1.03 FeO2.63 2.50 2.71 2.90 2.47 MnO0.07 0.07 0.07 0.06 0.07 MgO1.79 1.47 1.55 1.52 1.23 CaO2.47 2.18 2.14 2.26 2.15 Na2O3.73 3.69 3.59 3.92 3.70 K2O3.76 3.88 3.97 3.72 4.10 P2O50.13 0.13 0.13 0.13 0.14 H2O+0.94 0.76 0.59 1.07 0.79 LOI0.90 0.82 1.01 1.20 0.89 Total100.27 100.56 99.62 100.76 99.90 Mg#47.97 43.59 46.20 44.05 39.37 A/NK1.39 1.39 1.35 1.37 1.37 A/CNK0.96 1.00 0.98 0.98 1.00 Cr38.98 38.35 38.08 38.57 31.53 Ga18.10 18.97 17.34 18.78 18.82 Rb139.05 137.81 137.58 125.45 146.58 Sr280.06 263.61 250.30 286.20 268.26 Y20.21 23.18 21.77 22.14 24.21 Zr214.19 224.70 203.79 225.41 228.69 Nb10.94 11.69 9.56 10.56 10.59 Cs10.38 9.33 7.00 4.16 8.21 Ba688.73 668.62 614.83 727.11 758.46 La30.21 33.37 34.70 32.21 32.69 Ce57.52 64.25 67.63 65.95 71.04 Pr6.87 7.62 7.68 7.24 7.67 Nd26.52 29.55 28.05 27.42 28.60 Sm4.76 5.57 5.27 5.06 5.49 Eu0.91 0.95 0.89 0.99 1.04 Gd4.17 4.76 4.41 4.50 4.98 Tb0.68 0.74 0.71 0.73 0.80 Dy3.78 4.26 3.90 4.03 4.43 Ho0.74 0.85 0.79 0.79 0.88 Er2.12 2.45 2.34 2.20 2.73 Tm0.33 0.38 0.35 0.34 0.37 Yb2.01 2.35 2.30 2.15 2.56 Lu0.31 0.33 0.35 0.33 0.35 Hf4.07 5.65 4.09 4.53 4.61 Ta1.09 1.08 1.03 1.00 0.93 U2.40 2.72 2.17 2.08 2.37 ∑REE140.95 157.43 159.37 153.92 163.62 LREE126.80 141.30 144.23 138.86 146.52 HREE14.14 16.13 15.14 15.07 17.11 LREE/HREE8.97 8.76 9.52 9.21 8.56 Eu/Eu∗0.61 0.55 0.55 0.62 0.60 (La/Yb)N10.12 9.57 10.17 10.09 8.60 La/Nb2.76 2.85 3.63 3.05 3.09 Th/Nb1.38 1.28 1.67 1.32 1.45 Th/La0.50 0.45 0.46 0.43 0.47 Rb/Sr0.50 0.52 0.55 0.44 0.55 TZr(℃)796 806 796 804 807

图8 西砬子沟花岗闪长岩10000*Ga/Al-K2O/MgO图解(a)和(Zr+Nb+Ce+Y)-(K2O+Na2O)/CaO图解(b)Fig.8 Crossplots of 10000*Ga/Al vs. K2O/MgO (a) and (Zr+Nb+Ce+Y) vs. (K2O+Na2O)/CaO (b) for Xilazigou granodiorite

西砬子沟花岗闪长岩属于准铝质高钾钙碱性的I型花岗岩，以高SiO2、贫MgO、CaO、TiO2和Fe2O3为特征。在原始地幔标准化图解上，富集轻稀土元素(LREE)、相对富集大离子亲石元素(LILE，如Rb、Th、U、K等)，亏损Nb、Ta和Ti等高场强元素的特征暗示其原始岩浆来源于下陆壳物质的部分熔融[23, 27, 28]。

Mg#值大小可以相当灵敏地反映源区是否受到地幔物质的混染[29]，岩石样品低Mg#(39.37～47.97，平均44.24)值暗示源岩没有和高Mg#的地幔物质发生明显的相互作用。同时存在微弱的Eu负异常(Eu/Eu*=0.55～0.62)，明显不同于幔源岩浆演化所形成的酸性岩石[30]。

而且几种微量元素原始比值的平均值(La/Nb=3.08，Th/Nb=1.42，Th/La=0.46，Rb/Sr=0.51)，与原始地幔的平均值(La/Nb=0.94，Th/Nb=0.177，Th/La=0.125，Rb/Sr=0.034)有显著差异，但与大陆地壳的平均值(La/Nb=2.2，Th/Nb=0.44，Th/La=0.204，Rb/Sr=0.35)[31--33]比较接近。

笔者认为研究区西砬子沟花岗闪长岩是下地壳物质部分熔融的产物。

4.2 构造背景

西砬子沟花岗闪长岩是一套高钾钙碱性I型花岗岩，K2O含量高(3.72%～4.10%)，可能为造山后伸展作用的产物[34--36]。在(Y+Nb)-Rb花岗岩判别图解(图9)上，样点均落于后碰撞花岗岩区域，暗示其具有拉张构造环境特征。而且东北地区晚三叠世广泛发育磨拉石建造[37,38]，也暗示晚三叠世的拉张构造环境。除此之外，包括研究区所在吉林中部地区晚三叠世(230～205 Ma)火成岩不仅有以开原八棵树、桦甸红旗岭、漂河川地区以及长仁—彰项地区为代表的较多镁铁质--超镁铁质岩体[18, 39--41]，而且发育同时代的I型-A型花岗岩和A型流纹岩[1, 26, 42--45]，二者构成典型的双峰式火成岩组合，揭示该区晚三叠世火成岩形成于伸展构造环境。

图9 西砬子沟花岗闪长岩(Y+Nb)-Rb构造环境判别图解[46]Fig.9 Tectonic setting discrimination diagram of (Y+Nb)-Rb for Xilazigou granodiorite

晚三叠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，仍存在争议。

综合前人研究成果，笔者认为兴蒙造山带东段和华北克拉通北缘东段火成岩形成于古亚洲洋最终闭合后的伸展环境。在晚三叠世，东北亚大陆东缘不存在与俯冲环境密切相关的钙碱性火成岩和同期的增生杂岩，此外，佳木斯地块东缘和俄罗斯远东地区发育晚三叠世海陆交互相的沉积建造，显示被动陆缘背景的沉积环境[47]，暗示它们的形成与古太平洋板块俯冲作用无关。晚三叠世火成岩呈近东西向带状展布，与古太平洋板块俯冲作用所形成的近北东向带状分布钙碱性火山岩组合不同[1, 45, 48--51]，暗示研究区晚三叠世岩浆活动与古太平洋板块的俯冲作用无关，古亚洲洋构造体系向环太平洋构造体系的转换发生在晚三叠世之后，古太平洋板块向欧亚板块的俯冲作用发生在晚三叠世之后。通过近年来的研究，古亚洲洋沿索伦—西拉木伦—长春—延吉缝合带最终闭合已为大部分学者所认同，沿西拉木伦—长春缝合带分布着一些晚三叠世(217～216 Ma)镁铁质--超镁铁质岩[18]，与区域上代表伸展构造背景的A型花岗岩同期，但是晚于区域上用于限定古亚洲洋最终闭合时限的呼兰群变质作用年龄(～250 Ma)和同碰撞花岗岩年龄(280～240 Ma)[52]，表明晚三叠世镁铁质--超镁铁质岩的形成与古亚洲洋最终闭合后的伸展环境有关。

在伸展构造背景下，深部软流圈地幔岩浆上涌，幔源岩浆发生底侵作用，导致地壳加热，进一步部分熔融，形成大型花岗岩带和镁铁质--超镁铁质岩体[53--56]。

5 结论

(1)西砬子沟花岗闪长岩锆石LA--ICP--MS U--Pb加权平均年龄为216±1 Ma，属晚三叠世。

(2) 西砬子沟花岗闪长岩富硅，高钾，低铁镁钙，为高钾钙碱性I型花岗岩，是下地壳物质部分熔融的产物。

(3) 西砬子沟花岗闪长岩形成于古亚洲洋闭合后的伸展环境，古太平洋板块向欧亚板块的俯冲作用发生在晚三叠世之后。