佳木斯地块林口地区早古生代花岗质岩石的成因及构造背景

井佳浩, 杨浩, 高妍, 兰丽雪, 吴浩然

1.吉林大学 地球科学学院，长春 130061;2.吉林大学 东北亚国际地学研究与教学中心，长春 130026

0 引言

作为全球最大的显生宙增生造山带与陆壳生长区，中亚造山带(CAOB)经历了复杂的大陆增生和陆内改造过程，系统保存了欧亚大陆形成及演化的信息，是研究大陆动力学问题的关键地区[1--3]。中国东北地区处于中亚造山带最东段，夹持于西伯利亚克拉通、华北克拉通以及太平洋板块之间，由多个构造属性不同的微陆块组成，自西北向东南分别为额尔古纳地块、兴安地块、松嫩地块、佳木斯地块、兴凯地块以及那丹哈达地体[4--5]。特殊的构造位置，使其经受多个构造体系叠加演化，从而成为探索东亚大陆边缘演化的重要窗口。佳木斯地块位于黑龙江省东部，是中国东北东部重要的大地构造单元。显生宙期间，该地块经历多次复杂的构造演化：在古生代期间，受古亚洲洋构造域影响；中生代以来，又受到环太平洋构造体系的影响，形成了大规模的花岗质岩石[2, 6--7]。同时，花岗岩作为地壳与地幔间物质与能量交换的产物，蕴含着地壳演化的重要信息。然而，关于佳木斯地块花岗岩的形成时代、成因及动力学背景一直存在争议[5]。目前佳木斯地块主要识别出两期岩浆活动：早古生代(530～484 Ma)与二叠纪(270～254 Ma)。前人对二叠纪岩浆岩进行了较为系统的岩石学、年代学及地球化学研究，认为二叠纪岩浆岩多具有活动大陆边缘环境特征，被认为与古太平洋板块西向俯冲作用有关[6--10]。而佳木斯地块目前发现的早古生代岩浆岩多为花岗质岩石，缺乏相应的基性岩及火山岩的报道。关于早古生代花岗岩的成因及构造背景也存在争议：其是形成于活动大陆边缘环境，与佳木斯地块和松嫩地块之间的洋壳的北西向俯冲有关[11]，还是形成于佳木斯地块麻粒岩相峰期变质作用后的后碰撞伸展环境，与加厚地壳的垮塌有关[12--14]？为解决上述问题，笔者以佳木斯地块西部林口县大二龙村地区6个代表性的花岗质岩石样品为研究对象，在野外地质调查研究基础上，对其进行岩相学、锆石U--Pb年代学以及全岩地球化学研究，探讨其形成时代、岩石成因类型及岩浆源区。同时，结合已有区域地质资料，进一步限制佳木斯地块早古生代岩浆岩形成的动力学背景。

1 地质背景与岩石学特征

本文研究区在构造位置上属于佳木斯地块西部。佳木斯地块是中国东北地区著名的高级变质微陆块，呈南北向带状分布，西以黑龙江杂岩为界与松嫩地块相接，东以跃进山增生杂岩带为界与那丹哈达地体毗邻，向北跨过黑龙江延伸至俄罗斯境内的布列亚地块，向南以敦化--密山断裂为界限与兴凯地块相连(图1a)。近年来研究认为这三个地块具有类似的构造属性，统称为布列亚--佳木斯--兴凯地块，并在后期受到断裂改造[15]。佳木斯地块具有典型的基底--盖层双层结构，主要由麻山杂岩(原“麻山群”)、黑龙江杂岩(原“黑龙江群”)、古生代—中生代沉积地层以及广泛分布的显生宙岩浆岩组成[3, 16--17]。“麻山群”和“黑龙江群”最初被认为是佳木斯地块最古老的地层单位，时代为太古代—元古代[18]。然而最新的研究表明，“黑龙江群”是佳木斯地块与松嫩地块碰撞拼合过程中形成的由不同时代和类型岩石组成的构造混杂岩系，定名为黑龙江杂岩[19]。“麻山群”由具有孔兹岩系特征的表壳岩以及变质变形深成侵入体组成，具有杂岩特征，被定名为麻山杂岩。年代学研究发现，麻山杂岩遭受了晚泛非期高级变质作用，被认为是佳木斯地块的变质基底[20--22]。佳木斯地块经历多期强烈的构造岩浆活动，形成大面积岩浆岩，主要分为早古生代与二叠纪两期[6--10，23--27]。此外，白垩纪岩浆岩零星分布于整个地块，岩性多为火山岩与火山碎屑岩[28]，另有少量新生代大陆溢流玄武岩沿敦密断裂与依舒断裂分布。古生代—中生代沉积地层为佳木斯地块的沉积盖层，主要分布在地块东缘。

本文样品采自黑龙江省东部林口县大二龙村地区，主要岩石类型包括花岗闪长岩与碱长花岗岩(图1b)。花岗闪长岩(17GW170)为中细粒花岗结构，块状构造，主要矿物组合为石英(25%～30%)、斜长石(40%～45%)、碱性长石(15%～20%)、黑云母(7%～10%)和角闪石(3%～5%)。石英为他形粒状，多具有波状消光；斜长石为半自形--自形板柱状，具有聚片双晶；碱性长石；黑云母为片状，一组极完全解理，平行消光；普通角闪石单偏光镜下表现出浅绿色--绿色多色性(图2a)。碱长花岗岩(17GW182)为中细粒花岗结构，块状构造，主要矿物组合为石英(20%～25%)、碱性长石(60%～65%)、斜长石(8%～10%)及少量的黑云母(5%～7%)和角闪石(3%～5%)。石英他形粒状，具有波状消光；碱性长石多为条纹长石，表面遭受高岭土化，单偏光镜下为土褐色；斜长石具有聚片双晶，同样遭受高岭土化；黑云母为鳞片状，发育一组解理，平行消光(图2b)。

图1 中国东北东部构造简图 (a) 和大二龙村地区地质简图 (b)Fig.1 Tectonic sketch map of eastern Northeast China (a) and simplified geological map of Daerlongcun area (b)

Qtz.石英；Kfs.钾长石；Pl.斜长石；Hbl.角闪石；Bi.黑云母。图2 大二龙村地区花岗闪长岩(a)和碱长花岗岩(b)的镜下显微照片Fig.2 Microphotographs of granodiorite (a) and alkali-feldspar granite (b) in Daerlongcun area

2 分析方法

测试样品的分选由河北省廊坊宇能矿物分选技术服务有限公司完成。分选出锆石单矿物后，选择透明高、晶形较好、无明显裂纹和包裹体的锆石进行制靶。锆石靶在北京凯德正科技有限公司制备，并由其完成锆石阴极发光CL图像采集工作。锆石U--Pb同位素测试分析在中国地质大学(北京)科学研究院实验中心元素地球化学实验室完成。实验所用激光剥蚀系统为193 nm ArF准分子激光剥蚀器(束斑直径为36 μm)，与激光器联用的是Agilent 7500a型四极杆电感耦合等离子体质谱仪(Q--ICPMS)。实验采用高纯度He作为剥蚀物质的载气，用标准玻璃NIST610进行仪器最佳化。以国际标准锆石91500作为外部校正进行锆石U--Pb同位素分析，锆石元素含量以NIST610为外标，29Si为内标进行校正。数据处理过程中，先用Glitter软件计算锆石U--Pb同位素比值及相应的元素含量，然后采用Andersen(2002)[29]给出的程序进行普通铅校正，最后用国际标准程序Isoplot(ver.3.0)完成U--Pb年龄的计算以及谐和图的绘制。其中，单点分析的同位素比值及年龄误差为1σ，平均年龄误差为95%置信度。

本文样品的全岩主微量测试是在中国地质大学(北京)科学研究院实验中心元素地球化学实验室完成。主量和微量元素测试分析采用的仪器分别为美国利曼公司(LEEMAN LABS. INC)的Prodigy型等离子发射光谱仪(ICP--OES)和Agilent 7500a 型电感耦合等离子质谱仪(ICP--MS)。以国际标准物质AGV--2、GSR--1、GSR--5为检测标样，得到测试样品主量和微量元素分析精度和准确度分别优于5%和10%。

3 分析结果

3.1 年代学结果

为了限定黑龙江东部大二龙村地区花岗岩的形成时代，选取代表性的花岗闪长岩(17GW170)和碱长花岗岩(17GW182)样品进行LA--ICP--MS锆石U--Pb年代学测试。锆石阴极发光图像(CL图像)显示，绝大多数锆石呈自形--半自形棱柱状，发育有明显的震荡生长环带。结合其较高的Th/U比值(0.03～1.25)，指示其为岩浆成因锆石(图3)。测试分析数据结果见表1与图3。

图3 大二龙村地区花岗闪长岩(a)和碱长花岗岩(b)U--Pb年龄谐和图及阴极发光(CL)图像Fig.3 U--Pb concordia diagrams and CL images of granodiorite (a) and alkali-feldspar granite (b) in Daerlongcun area

表1 大二龙村地区花岗闪长岩和碱长花岗岩锆石LA--ICP--MS U--Pb定年结果

花岗闪长岩样品(17GW170)16个测试点的206Pb/238U年龄值介于529～531 Ma之间，加权平均年龄为(531±2)Ma(n=16，MSWD=0.08)，代表岩浆侵位结晶年龄。对碱长花岗岩样品(17GW182)的25个锆石颗粒进行测年，其中4个测试点因为高度不谐和被排除，剩余21个测试点206Pb/238U年龄值介于495～511 Ma之间，加权平均年龄为(501±3)Ma(n=21，MSWD=0.64)，代表岩浆侵位结晶年龄。综合两个样品的岩浆侵位结晶年龄，表明大二龙村地区花岗岩形成时代为早古生代(501～531 Ma)。

3.2 岩石地球化学特征

3.2.1 主量元素特征

测试样品的主量和微量元素分析结果列于表2。根据岩石学与地球化学特征，本文样品可分为两组：

花岗闪长岩具有高硅、富碱，贫钙、铁、镁的特点，SiO2=69.67%～70.50%、(K2O+Na2O)=5.80%～7.20%、Al2O3=12.74%～14.27%、CaO=2.33%～2.79%、TFe2O3=2.77%～3.90%、MgO=0.95%～1.37%(Mg#=44.5～46.4)。此外，该组样品Na2O/K2O比值为0.89～1.47，A/CNK[Al2O3/(CaO+Na2O+K2O)]值介于0.96～1.02之间。在A/NK-A/CNK图解中(图4a)，表现出准铝质--弱过铝质特征；在(K2O+Na2O)-SiO2(TAS)图解中(图4b)，均落在花岗闪长岩区域；在K2O-SiO2图解中(图4c)，属于中高钾钙碱性系列岩石。

碱长花岗岩具有比Ⅰ组花岗闪长岩更高的SiO2和全碱含量，以及相对更低的钙、铁、镁含量。SiO2=70.07%～71.17%、(K2O+Na2O)=11.30%～12.70%、Al2O3=14.70%～15.66%、CaO=0.18%～0.28%、TFe2O3=0.16%～0.68%、MgO=0.04%～0.19%(Mg#=35.8～39.0)。该组样品Na2O/K2O=0.25～0.28，A/CNK值范围为1.01～1.07。在A/NK-A/CNK图解中(图4a)，表现出弱过铝质特征；在TAS图解中(图4b)，均落在花岗岩区域，属于碱性系列岩石。

图4 大二龙村地区花岗闪长岩和碱长花岗岩A/NK-A/CNK图解 (a)、TAS图解 (b) 和K2O-SiO2图解 (c)Fig.4 A/NK versus A/CNK (a),TAS (b) and K2O versus SiO2 (c) diagrams for granodiorite and alkali-feldspar granite from Daerlongcun area

3.2.2 微量元素特征

花岗闪长岩稀土元素总量∑REE=153.38×10-6～163.23×10-6，平均值为158.12×10-6。在稀土元素球粒陨石标准化配分模式图上(图5a)，花岗闪长岩样品表现出右倾型，具有轻稀土元素(LREE)富集、重稀土元素(HREE)亏损的特点，LREE/HREE=10.37～11.74，轻重元素分馏系数(La/Yb)N介于17.31～20.47之间，轻重稀土元素分馏较弱。此外，该组样品具有弱的Eu负异常(δEu=0.71～0.88)。在原始地幔标准化微量元素蛛网图中(图5b)，花岗闪长岩样品表现为富集Rb、K、Pb等大离子亲石元素(LILEs)，Th、U等高场强元素(HFSE)，亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素、Ba、Sr等大离子亲石元素以及P元素。

碱长花岗岩稀土元素总量变化范围大，介于49.62×10-6～361.20×10-6之间，平均值为155.94×10-6。在稀土元素球粒陨石标准化配分模式图上(图5a)，花岗岩样品表现出右倾的稀土元素分配模式， 富集轻稀土、 亏损重稀土， LREE/HREE=9.91～23.03，(La/Yb)N=37.68～164.01，轻重稀土元素分馏明显。除17GW184具有Eu负异常外(δEu=0.49)，其余样品均表现出显著的Eu正异常(δEu=2.95～3.47)。在原始地幔标准化微量元素蛛网图中(图5b)，该组样品具有富集Rb、K、Pb等大离子亲石元素及Nd等高场强元素，亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素和P元素的特点。

表2 大二龙村地区花岗闪长岩和碱长花岗岩主量元素 (10-2) 和微量元素(10-6)分析结果

图5 大二龙村地区花岗闪长岩和碱长花岗岩稀土元素配分图 (a) 和微量元素蛛网图 (b)Fig.5 Chondrite-normalized REE distribution pattern (a) and primitive mantle-normalized spider diagram (b) for granodiorites and alkali-feldspar granites from Daerlongcun area

4 讨论

4.1 形成时代

前人在区调工作中，基于黑云母K--Ar测年和Rb--Sr全岩等时线测年法将佳木斯地块大面积花岗质岩石认为是元古代岩浆活动的产物，但是缺乏高精度地质年代学数据的支持[18]。为此，笔者对黑龙江东部大二龙村地区的花岗岩样品进行了锆石U--Pb同位素测年。本文测试样品的锆石颗粒自形程度较好，呈自形--半自形晶，发育有清晰的震荡生长环带，并具有较高的Th/U比值，指示岩浆成因锆石特征。因此，得到的最年轻锆石的加权平均年龄(501～531 Ma)代表了研究区花岗岩形成时代，即早古生代，而非之前认为的元古代。近年来，随着SHRMIP和LA--ICP--MS锆石U--Pb测年技术的发展，众多研究者在佳木斯地块识别出了早古生代和二叠纪两期主要的岩浆活动[30]。例如，Bi et al.[12--13]在腰屯、七星泡、宝石河和小城子—岚峰等地区均识别出了早古生代花岗岩(484～530 Ma)；华永成等[27]在宝清地区的七一林场和干涸沟口识别出早古生代岩浆活动。此外，任留东等[23--24]、颉颃强等[25]和黄映聪等[26]在麻山杂岩中也识别出了早古生代花岗质岩石。综上所述，笔者认为早古生代期间佳木斯地块存在一期强烈的岩浆活动。

4.2 岩石成因

4.2.1 成因类型

花岗岩包含着大陆地壳演化的重要信息，其具有复杂的岩浆源区以及岩浆演化过程，一直是地质学研究的热点问题。根据岩浆源区与构造背景，花岗岩一般被分为I型、S型、M型和A型四种类型[31--32]。因而，确定花岗岩的岩石成因类型是花岗岩研究工作的首要问题。M型花岗岩一般由幔源岩浆结晶分异而形成[33]。但是本文的花岗岩表现出高硅、富碱，贫钙、铁、镁的特点，并富集Rb、K、Pb等大离子亲石元素，亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素，指示壳源岩浆源区的特征。同时，研究区内缺乏同时期的镁铁质岩石，进一步排除了M型花岗岩的可能性。S型花岗岩普遍富铝，一般属于强过铝质岩石系列[34]。然而，本文花岗岩样品具有准铝质--弱过铝质特征(A/CNK=0.96～1.07)。此外，岩相学观察也未发现石榴石、白云母和堇青石等富铝矿物，而是普遍发育角闪石、黑云母等I型花岗岩特征矿物。结合本文样品表现出的P2O5和SiO2的负相关，表明其不属于S型花岗岩，而是I型或A型花岗岩[32]。

如上所述，本文样品分为花岗闪长岩和碱长花岗岩两组。花岗闪长岩发育角闪石、黑云母等暗色矿物以及榍石副矿物，同时具有准铝质--弱过铝质地球化学属性，属于中高钾钙碱性系列岩石。此外，该类样品的主量、微量元素特征均表现出壳源源区的亲缘性。结合其较低的锆饱和温度(763℃～775℃)，认为花岗闪长岩属于中高钾钙碱性I型花岗岩。

碱长花岗岩暗色矿物含量较少，出现少量角闪石和黑云母，暗示其可能经历了强烈的分离结晶作用。该组岩石相比花岗闪长岩SiO2与全碱含量更高，钙、铁、镁含量以及TiO2、P2O5含量更低，具有较高的Rb/Sr、Rb/Ba比值，富集Rb等大离子亲石元素和Th、U等高场强元素，亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素以及Ba、Sr等大离子亲石元素，表现出A型花岗岩的地球化学特征[31, 35--37]。然而，高分异I型花岗岩通常具有与A型花岗岩相似的矿物学与地球化学特征，难以将两者区分。Whalen et al.[31]提出以10 000×Ga/Al值为标准区分A型花岗岩(>2.6)与I型花岗岩(<2.6)。该组花岗岩样品具有较低的10 000×Ga/Al值，介于2.24～2.46之间(<2.6)，指示高分异I型花岗岩特征。值得注意的是，A型花岗岩通常具有更高的不相容元素含量(Zr+Nb+Ce+Y>350×10-6)，并且不受分异程度的影响[31，38]。该组花岗岩Zr+Nb+Ce+Y=51.3～262<350×10-6，同样支持其属于高分异I型花岗岩，并得到了10 000×Ga/Al-Zr+Nb+Ce+Y(图6a)和(Na2O+K2O)/CaO-Zr+Nb+Ce+Y图解(图6b)的支持。此外，该组岩石具有较低的锆饱和温度(639℃～721℃)，指示I型花岗岩特征；并有较高的分异指数(DI=96.56～98.74)，指示高分异特征。综合上述证据，笔者认为本文碱长花岗岩岩石类型为高分异I型花岗岩。

图6 大二龙村地区花岗闪长岩和碱长花岗岩成因类型判别图解Fig.6 Discrimination diagrams of genetic types for granodiorite and alkali-feldspar granite from Daerlongcun area

4.2.2 岩浆源区与分离结晶

花岗岩通常被认为起源于幔源玄武质岩浆结晶分异或是地壳物质的部分熔融[39--40]。关于黑龙江东部大二龙村地区花岗岩的岩石成因，笔者认为其起源于地壳物质的部分熔融。首先，研究区内发育有大量的花岗质岩石但是缺乏同时期中基性岩浆活动，结合其高硅和贫钙、铁、镁以及过渡金属元素(Cr、Co、Ni)含量低的特点，基本排除其是幔源岩浆分离结晶作用产物的可能性。此外，本文岩石中普遍发育角闪石，地球化学方面表现出准铝质--弱过铝质特征，属于中高钾钙碱性和碱性系列岩石，并富集大离子亲石元素、亏损高场强元素，暗示其应该是壳源成因的岩石[41]。这同样也得到了不相容元素比值的支持，如Rb/Sr介于0.33～1.54(平均值为0.92)，Ti/Zr介于3.29～17.98(平均值为11.91)，Nd/Th介于1.90～2.84，均位于壳源岩浆范围(Rb/Sr>0.5、Ti/Zr<20、Nd/Th=3)[42]。大多数花岗岩样品具有明显的Eu负异常(0.49～0.88)以及相对较高的Yb(0.40×10-6～1.38×10-6)和Y(11.26×10-6～19.01×10-6)含量，排除了源区存在石榴子石残留相的可能性，暗示其起源于正常厚度的下地壳物质的部分熔融。有两个花岗岩样品表现出强烈的Eu正异常(2.95～3.47)以及较低的Yb(0.19×10-6～0.33×10-6)和Y(3.22×10-6～4.58×10-6)含量，指示其岩浆源区可能来自地壳更深部，即石榴子石作为残留相存在于岩浆源区。

本文样品的哈克图解显示出明显的线性关系，并且其不相容元素比值(Zr/Hf、La/Ce)基本保持一致，指示岩浆在演化过程中经历了一定程度的分离结晶作用[40]。随着分异指数(DI)的上升，CaO含量的下降，指示斜长石和/或磷灰石发生分离结晶[42]。SiO2与Al2O3呈负相关，结合其Eu负异常以及Sr亏损的特征，说明斜长石发生了分离结晶[43]。角闪石的分离结晶得到了Dy与Er之间线性正相关的支持。此外，本文样品亏损Nb、Ta、Ti、P，暗示含钛矿物(钛铁矿、榍石等)和磷灰石发生了分离结晶。

4.3 构造背景

随着大量高精度年代学数据的获得，众多学者普遍认为佳木斯地块存在一期早古生代构造岩浆活动，形成大规模的早古生代岩浆岩。但是关于该期岩浆岩形成的地球动力学机制一直存在争议：①王志伟[11]认为佳木斯地块早古生代岩石形成于活动大陆边缘环境，与佳木斯地块和松嫩地块之间的洋壳的北西向俯冲有关；②Bi et al.[12]、毕君辉[13]、Yang et al.[44]以及杨浩[14]则认为其形成于佳木斯地块麻粒岩相峰期变质作用后的后碰撞伸展环境，可能与加厚地壳的垮塌有关。本文更加支持第二种观点，主要证据如下：本文的花岗质岩石显示从I型花岗岩向高分异I型花岗岩过渡的特点，属于中高钾钙碱性--碱性系列岩石，部分样品具有与A型花岗岩相似的地化特征，指示其形成于后造山或后碰撞的伸展背景，而与大洋俯冲无关[45--46]。本文样品在Rb-(Y+Nb)构造判别图解中(图7)，大多数落在了后碰撞花岗岩区域，进一步支持了碰撞后的伸展环境这一观点[47]。此外，Yang et al.[44]发现密山地区(连珠山岩体与瑶营岩体)约～515 Ma的石英正长岩中发育钠铁闪石碱性暗色矿物，具有后造山碱性岩的地化特征，指示其形成于后造山构造背景。同样，Yang et al.[44]在密山—鸡东地区识别出年龄为～500 Ma的辉长岩与二长花岗岩岩石组合，缺失中间组分，构成典型的双峰式岩石组合，指示了伸展的构造背景。综上所述，佳木斯地块早古生代岩浆活动形成于伸展的构造环境。而这种伸展的背景，可能由麻粒岩相峰期变质作用之后加厚地壳垮塌造成，主要依据为：姜继圣[48]研究发现佳木斯地块经历了麻粒岩相变质作用，并具有近等温降压的顺时针P--T--t轨迹，反映了碰撞造山过程中，加厚地壳快速折返至浅部地壳、重力不均造成造山带垮塌的动力学过程。另外，Yang et al.[9]对林口—勃利地区和密山地区正、副片麻岩进行了详细的年代学研究，得到了～561 Ma的峰期变质年龄以及546～475 Ma的退变质阶段年龄。综合本文及前人研究成果可以发现，佳木斯地块早古生代岩浆活动的时代为530～484 Ma，比峰期变质作用时间晚了至少20 Ma。综上所述，笔者认为佳木斯地块早古生代岩浆岩形成于麻粒岩相峰期变质作用之后，加厚地壳垮塌造成的伸展的构造背景。

图7 大二龙村地区花岗闪长岩和碱长花岗岩构造环境判别图解Fig.7 Tectonic discrimination diagram for granodiorite and alkali-feldspar granite from Daerlongcun area

5 结论

(1)黑龙江东部大二龙村花岗闪长岩与碱长花岗岩为早古生代岩浆活动的产物，年龄分别为531 Ma和501 Ma。

(2)研究区花岗闪长岩与碱长花岗岩分别为高钾钙碱性I型花岗岩与高分异I型花岗岩，起源于下地壳物质的部分熔融，在岩浆演化过程中经历了角闪石、斜长石和磷灰石等矿物的分离结晶。

(3)佳木斯地块早古生代岩浆岩形成于麻粒岩相峰期变质作用之后，由加厚地壳垮塌导致的伸展的构造背景。