大兴安岭中段天险沟石英二长斑岩的成因——锆石U-Pb年龄、地球化学和Sr—Nd同位素特征

贺晓天，黄海涛，俎新许，张焕，何鹏，刘朝阳，赵亚南，李福斌

1)河南省自然资源科技创新中心(深部调查与评价技术方法研究)，郑州，450000；2)河南省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院，郑州，450000

内容提要：笔者等通过岩石学、锆石U-Pb年代学和地球化学等研究，对大兴安岭中段天险沟石英二长斑岩的成因、物质来源和构造背景进行了探讨。通过锆石LA-ICPMS U-Pb定年法，得到天险沟石英二长斑岩的年龄为124.4±1.0 Ma，时代为早白垩世早期。天险沟石英二长斑岩属碱性、准铝质岩，里特曼指数σ为3.86～5.10，K2O+Na2O=9.14%～10.35%，钾钠比为0.93～1.0，A/CNK=0.76～0.93，成因类型为I型花岗岩。岩石富集La、Ba、Ce、U等大离子亲石元素，相对亏损Hf、Zr等高场强元素；(La/Yb)N=11.72～13.90，分馏明显，轻稀土富集，而重稀土亏损，Nb、Ta负异常，具岛弧花岗岩的地球化学特征。δEu=1.00～1.59。[n(87Sr)/n(86Sr)]i=0.705065，εNd(t)=1.93，源区可能为上地幔。结合大兴安岭地区中生代地壳演化背景，认为天险沟石英二长斑岩形成于与洋壳俯冲有关的火山弧环境，区域应力场由挤压向伸展转换，岩浆源区为上地幔。

研究区地处兴蒙造山带东段，大兴安岭弧盆系，东临松辽断陷盆地，南接锡林浩特岩浆弧(图1a)。区内经过多层次、多阶段的地质演化，形成了复杂的构造体系，在古生代隶属于扎兰屯—多宝山岛弧构造带，中生代则位于大兴安岭火山岩带(李林川，2017；梁琛岳等，2018)。区内形成的一系列内生多金属矿产均与早白垩世剧烈的岩浆侵位活动密切相关。为此，一些学者近年来围绕大兴安岭地区岩浆活动，特别是早白垩世岩浆侵位活动开展了大量的研究工作(吴新伟等，2017)，为前期开展的区域矿产调查工作及本次研究工作提供了丰富的理论支撑，同时又具有重要的指导意义。然而，对于其形成的动力学背景到底是受控于蒙古—鄂霍茨克洋的闭合作用，还是受古太平洋板块斜向俯冲作用的影响，仍存在较多争议。以往在区内相继开展过区域地质调查、矿产地质调查等工作，但是对早白垩世花岗岩缺乏系统的研究。针对以上问题，笔者等着重对区内出露的早白垩世石英二长斑岩进行系统的岩石地球化学分析、U-Pb同位素测年，并探讨岩石成因、物质来源及其构造背景等。

1 地质背景及岩石学特征

研究区古生代地处西伯利亚板块东南缘，受控于古亚洲洋板块的构造演化，中生代则受滨太平洋构造域作用(刘金龙等，2019)。早白垩世，东北亚大陆受古太平洋板块斜向俯冲作用的影响，活动大陆边缘应力场方向发生改变，进而导致NE—SW向和NW—SE向深大断裂发生张扭性拉张，诱发深源玄武质岩浆上侵，重熔地壳物质后产生了研究区内的石英二长质—花岗质岩浆，其沿NW和NE向断裂带呈岩株状被动侵位于中侏罗世花岗岩及晚侏罗统火山岩地层中，出露岩石以大面积分布的石英二长斑岩为主(图1b)。

图1 大兴安岭中段天险沟地区大地构造位置图(a，据钱程等，2017)和地质简图(b)

石英二长斑岩，整体呈北东向展布，风化面呈灰白色，新鲜面多呈浅灰黄色，斑状结构，块状构造。岩石由斑晶和基质组成，斑晶约占50%，成分以斜长石(20%～25%)、钾长石(15%～20%)和石英(5%～8%)为主。斜长石，0.8～3.0 mm，多呈半自形板状、他形粒状，可见发育有环带和聚片双晶；钾长石，大小0.8～3.2 mm，他形板状、粒状；石英，0.5～0.25 mm，他形粒状(图2)。

图2 大兴安岭中段天险沟石英二长斑岩野外露头照片和显微照片

2 测试分析方法

区域矿产地质调查工作选取天险沟石英二长斑岩新鲜样品1件进行LA-ICPMS锆石U-Pb同位素测年，编号Y3，采样位置48°04′28″N，121°50′24″E。锆石挑选在河北省区域矿产地质调查研究所实验室进行，样品制作、照相和定年在中国地质调查局天津地质调查中心实验测试室完成。首先通过磁选和重液分离对样品进行分选，然后在双目镜下挑选锆石单矿物颗粒，所选锆石晶体大小较均匀、透明，且纯净。U-Pb同位素年龄测定采用激光剥蚀等离子体质谱仪(LA-ICPMS)，测试中采用直径32 μm的激光束斑。同位素比值选用国际标准锆石91500进行外部标准校正(范晨子等，2012)，谐和图绘制采用Isoplot完成。测试结果见表1。

表1 大兴安岭中段天险沟石英二长斑岩锆石U-Pb同位素测定结果

主量和微量元素分别使用 X射线荧光光谱仪(AxiosmAX型)、X Serise 2电感耦合等离子体质谱仪进行测试，测试分析工作均在河北省区域矿产地质调查研究所实验室进行，大多数元素分析数据相对误差在5%以内。元素分析结果见表2。

表2 大兴安岭中段天险沟石英二长斑岩主量元素(%)、微量和稀土元素(×10-6)分析结果

锶、钕同位素测试先采用离子交换法进行同位素分离、纯化，再利用MAT-262型热电离质谱仪进行含量测试，具体测试工作在国土资源部中南矿产资源监督检测中心完成，详细分析流程见文献(Chen Funkun et al., 2000)。Sr—Nd同位素分析结果见表3。

表3 大兴安岭中段天险沟石英二长斑岩Sr-Nd同位素分析结果

3 分析结果

3.1 年代学

天险沟石英二长斑岩样品的锆石颗粒粒度多在100～300 μm之间，长宽比1∶1～3∶1，锆石颗粒大多呈现无色、透明，晶形多为长柱状、双锥状。从阴极发光图像可以看出(图3)，大部分锆石具有较为清晰的振荡结晶环带，呈现出典型岩浆锆石的特征。本次挑选24颗锆石共24个测点进行分析、定年，样品的Th/U值为0.58～1.67，平均0.97，为岩浆锆石特征。样品各测点的206Pb/238U值较为接近，在谐和图中可见明显的集中分布，表面年龄值在122～130 Ma之间，加权平均值124.41±0.98 Ma(MSWD=3.3)(图3)。

图3 大兴安岭中段天险沟石英二长斑岩样品典型锆石CL图像(圆圈及数字分别代表分析点和点号)和U-Pb年龄谐和图

3.2 地球化学

3.2.1主量元素

天险沟石英二长斑岩SiO2含量为63.84%～64.62%，平均64.09%，属中性岩类；K2O+Na2O=9.14%～10.35%，平均9.87%，富碱；K2O/Na2O值小于1.0，在0.93～1.0之间；里特曼指数σ在3.86～5.1之间，在TAS图解中(图4)，样品点落入石英二长岩和正长岩边界附近，碱性岩区。从SiO2—K2O岩石系列判别图解中可以看出，天险沟石英二长斑岩属钾玄岩系列(图5a)。Al2O3含量为15.54%～16.46%，平均16.03%，富铝；A/NK=1.12～1.24，A/CNK=0.76～0.93，在A/CNK—A/NK铝饱和程度判别图解中，样品点全部位于准铝质区(图5b)。MgO、Fe2O3T含量分别为0.73%～1.31%、3.50%～4.70%。岩石固结指数SI、分异指数DI分别为5.07～8.46、74.06～92.05，表明天险沟石英二长斑岩分异演化程度较高，酸性程度也较高。

图4 大兴安岭中段天险沟石英二长斑岩TAS分类图解(底图据Middlemost，1994修改)

3.2.2稀土和微量元素

天险沟石英二长斑岩稀土元素总量ΣREE=236.02～334.91×10-6，平均273.38×10-6；相对富集轻稀土，轻重稀土含量比LREE/HREE在10.30～10.85之间；LaN/YbN=11.72～13.9，说明天险沟石英二长斑岩中LREE和HREE分异程度较高。δEu值为1.0～1.59，除1件样品无明显δEu异常，其余3件均为正δEu异常，指示岩石源区具有一定深度，且该区内斜长石不稳定；稀土元素配分图呈典型的轻稀土富集型模式，为向右陡倾型(图6a)。微量元素蛛网图中各曲线变化特征近乎一致，且表现为多峰、多谷模式(图6b)；La、Ba、Ce、U这些大离子亲石元素明显富集，而高场强元素Hf、Zr等则表现为相对亏损；Rb、Sr、Nb、Ta负异常明显，Zr弱负异常与Th、La、Nd正异常。

图6 大兴安岭中段天险沟石英二长斑岩稀土元素配分图(a)和微量元素蛛网图(b)(标准化数据自Sun and McDonough，1989)

3.2.3全岩Sr—Nd同位素

图5(a)大兴安岭中段天险沟石英二长斑岩SiO2—K2O图解(底图据Peccerillo and Taylor，1976)及(b)A/CNK—A/NK图解(底图据Maniar and Piccolli，1989)

天险沟石英二长斑岩样品中[n(87Sr)/n(86Sr)]i值为0.705065，εNd(t)值为1.93，具有低锶、εNd弱亏损的特征。n(147Sm)/n(144Nd)值为0.1018，分馏因子fSm/Nd为-0.48，表明可用单阶段模式年龄来计算岩体的模式年龄TDM，计算所得TDM为669 Ma(表3)。

4 讨论

4.1 时代和成因

通过对天险沟石英二长斑岩锆石矿物颗粒的研究表明，所测样品的Th/U值为0.58～1.67，均大于0.5，且具有较为清晰的振荡结晶环带，显示为岩浆锆石特征，所测结果可以作为天险沟石英二长斑岩的结晶年龄。本次挑选24颗锆石共24个测点进行测定，所有测点定年结果集中、有序地散落在谐和线上，加权平均值为124.4±1.0 Ma。因而，笔者等认为研究区天险沟石英二长斑岩的岩浆侵位时代应在早白垩世早期。

天险沟石英二长斑岩富硅、铝，全碱(K2O+Na2O)值偏高；铝饱和指数(A/CNK)为0.76～0.93，小于1.1；K2O/Na2O值在0.93～1.0之间，小于1.0，符合I型花岗岩的地球化学特征。在K+Na+Ca/2—Al图解中，样品落入I型花岗岩区内(图7a)。微量元素方面，稀土元素分异程度较高，重稀土亏损而轻稀土相对富集；大离子亲石元素富集，同时高场强元素相对亏损，Nb、Ta具负异常，指示天险沟石英二长斑岩具有与岛弧花岗岩相似的特征(何鹏等，2021)。有研究表明，S型花岗岩中Y和Th的含量偏低，与Rb呈负相关；而在I型花岗岩中正好相反，二者的含量不仅较高，且与Rb呈正相关(Chappell，1999)。天险沟石英二长斑岩中Rb与Th、Y正相关的特征十分明显(图7b、7c)。以上特征表明，天险沟石英二长斑岩的成因类型应为I型。

图7 大兴安岭中段天险沟石英二长斑岩判别图解

4.2 物质来源

天险沟石英二长斑岩的δEu值在1.0～1.59之间，富集轻稀土却亏损重稀土，且Nb、Ta、Zr、Sr等呈现负异常，这些元素的异常特征暗示天险沟石英二长斑岩可能来源于下地壳，并伴有少量幔源物质参与其中。在A/MF—C/MF图解中，样品落入变质砂岩和基性岩部分熔融的重叠区域(图8)。在花岗岩(La/Yb)N—δEu图解(图9)中，样品落入壳幔混源型花岗岩区域内。另外，相关研究表明，由于锶、钕同位素的可继承性，在一定程度上能够反映其源区的同位素特征(蔡剑辉等，2005)，因而常被用来探讨岩石物质来源(杨祝良等，2002)。而天险沟石英二长斑岩的[n(87Sr)/n(86Sr)]i值为0.705065，接近上地幔的比值，εNd(t)值为1.93，具有低锶、εNd弱亏损的特征，TDM模式年龄为669 Ma，远大于岩石的形成年龄。因而，笔者等认为天险沟早白垩世花岗岩的源区可能为上地幔。

图8 大兴安岭中段石英二长斑岩A/MF—C/MF图解(底图据Altherr et al.，2000修改)

图9 大兴安岭中段石英二长斑岩(La/Yb)N—δEu分类图解(底图据王振强等，2011)

4.3 构造环境

图10 大兴安岭中段天险沟石英二长斑岩构造环境判别图解(底图据肖庆辉等，2002)

图11 大兴安岭中段天险沟石英二长斑岩(Y+Nb)—Rb图解(底图据Pearce，1996)和Rb—Hf—Ta图解(底图据Harris等，1986)

图12 大兴安岭中段天险沟石英二长斑岩图解(底图据Brown，1982)

一直以来，有关大兴安岭地区早白垩世构造岩浆的演化历史一直存在着一定的争议，刘勃然等(2014)认为大兴安岭地区由于受鄂霍茨克造山运动影响，区内地壳加厚并发生崩塌，进而导致区域性伸展作用，李锦轶等(2007)研究认为蒙古—鄂霍茨克洋盆关闭于二叠纪，其远程作用效应持续至晚侏罗世结束，而区内在早白垩世则已进入环太平洋动力演化阶段。周建波等(2016)针对东北地块群进行了细致的研究，重塑了东北地区的构造演化历史，提出那丹哈达迪体是受古太平洋板块的俯冲作用而成，形成时限在晚三叠世—早白垩世。同时，梁琛岳等(2018)在研究大兴安岭北段伸展隆升样式时认为，在早白垩世由于受太平洋板块斜向俯冲作用的影响，改变了东北亚活动大陆边缘的应力场方向，导致NW—SE向和NE—SW向深大断裂发生张扭性拉张。由于长距离俯冲作用，太平洋板块发生断离，造成部分地幔物质上涌。刘阁等(2014)对嫩江地区中生代双峰式火山岩进行了研究，显示该区双峰式火山形成于127.5 Ma，属早白垩世晚期，其形成于与太平洋板块向亚欧大陆俯冲有关的陆内拉张环境。杨文采(2022)在对中—新生代东北和华北的洋陆转换作用开展研究时，指出东北地区侏罗纪受伊佐奈崎洋和蒙古—鄂霍茨克洋双重影响，而在白垩纪，蒙古—鄂霍茨克洋已闭合，太平洋板块发生顺时针旋转，东北地区岩石圈处于拉张状态，导致大兴安岭地区发生更加强烈的岩浆火山活动。

综上所述，天险沟石英二长斑岩形成于太平洋板块向亚欧大陆俯冲后造山背景下火山弧环境，区域应力环境由挤压向伸展转变，之后岩石圈进入伸展环境，进而引发岩浆作用。

5 结论

(1)通过LA-ICPMS 锆石U-Pb同位素测年，天险沟石英二长斑岩结晶年龄为124.4±1.0 Ma，为早白垩世早期。

(2)天险沟石英二长斑岩表现为高硅、高铝和富钠，贫铁、镁，相对亏损高场强元素Hf、Zr和富集大离子亲石元素La、Ba、Ce、U等。岩石3.3<σ>9，A/CNK<1.0，为碱性准铝质花岗岩，具有岛弧花岗岩的地球化学特征，属I型花岗岩。[n(87Sr)/n(86Sr)]i值为0.705065，εNd(t)值为1.93，岩体模式年龄为669 Ma。综合表明区内天险沟石英二长斑岩源区为上地幔。

(3)天险沟石英二长斑岩形成于与洋壳俯冲有关的火山弧环境，区域应力场由挤压向伸展转换。其正是太平洋板块向亚欧大陆俯冲有关的岩浆响应，俯冲时限可追溯至早白垩世早期。

致谢：向审稿专家对本文的审阅和指导表示由衷的敬意和感谢，同时对沃力嘎沟矿调项目组的全体野外工作人员表示感谢。