吉林延边五凤地区早侏罗世粗面安山岩岩石成因

高子越，鞠 楠，2，李经纬，杨 群，王可勇

1.中国地质大学地球科学与资源学院，北京 100089；2.中国地质调查局沈阳地质调查中心，辽宁 沈阳 110034；3.吉林大学地球科学学院，吉林 长春 130061

0 前言

吉林延边五凤地区经历过晚二叠世—中三叠世古亚洲洋闭合［1-3］、中生代古太平洋板块俯冲［4-5］等多期构造事件，形成了复杂的地质构造和大规模的岩浆活动，在环太平洋造山带占有重要地位［6］. 延边地区也是中国重要的火山岩型金、铜矿集区［7-9］，矿床的形成与中生代多期岩浆作用有关，包括斑岩型、火山岩型和次火山岩型等多种类型［10］. 五凤地区位于延边斑岩-浅成热液矿集区西部，并产出浅成低温热液型金矿.延边五凤金矿床赋矿围岩为中生代火山岩. 《吉林省区域地质志》［11］将延边地区出露的中生代早期火山岩（安山岩、粗面安山岩和角闪安山岩等）划分到中侏罗世屯田营组，将晚期火山岩（玄武岩、安山岩和凝灰岩等）划分到早白垩世金沟岭组. 已有的年代学研究表明，金沟岭组火山岩时代最大值为130～140 Ma［12］，最小值为106.1 Ma［13］，故金沟岭组火山岩浆活动时间应为晚侏罗世—早白垩世. 也有研究者［13-14］认为屯营田组应归属于白垩纪岩浆活动产物. 对于延边地区以及矿区容矿火山岩的岩石成因，研究者多认为该区火山岩形成与太平洋板块俯冲有关［15］. 也有学者推测五凤金矿区火山岩系形成于陆内造山带的构造环境［9］. 前人研究主要集中在白垩纪安山岩的年代学限定，然而区内粗面安山岩缺乏详细的研究和年代学限定. 延边地区中生代火山岩的形成时代与地层单元归属仍存在争议，粗面安山岩的地层单元归属也未有定论. 本文以五凤地区粗面安山岩为研究对象，开展岩相学、LA-ICP-MS 锆石U-Pb 测年和岩石主、微量元素地球化学分析，以查明五凤粗面安山岩成因及其与古太平洋板块俯冲的关系.

1 地质背景

延边朝鲜族自治州地处中国东北地区吉林省东部. 延边地区大地构造位置处于华北克拉通北东陆缘佳木斯地块及兴凯地块的交汇处［15］（图1），经历了前中生代古亚洲洋演化［1-3］、中生代叠加古太平洋板块俯冲作用［4-5］. 区内构造以呈近东西向展布的古生代构造为基础，在其之上叠加有中生代的呈北北东—近南北向、北北西向展布的断裂［16］. 区内发育的地层主要是古生界青龙村群、五道沟群以及天宝山组、庙岭组、柯岛组和开山屯组低—中级变质的海相火山-沉积地层，中生界大兴沟群（托盘沟组、马鹿沟组、天桥岭组）、屯田营组、金沟岭组、泉水村组、大砬子组、龙井组等.该地区经历了早燕山阶段早期（200～170 Ma）、早燕山阶段晚期（170～135 Ma）、晚燕山阶段晚期（110～80 Ma）多期岩浆活动［17-18］.

图1 研究区大地构造位置图（据文献［16-19］修编）Fig. 1 Geotectonic location map of the study area（Modified from References［16-19］）

五凤地区位于延边地区西部的延吉市境内，地处中生代天宝山-刺猬沟火山断陷带中央，区域性朝阳川-彩绣岭北西向断裂与老头沟-五凤北东向断裂的交汇部位（图2）. 区内分布晚侏罗世—早白垩世金沟岭组火山岩，其主要岩石类型为角闪安山岩、安山质角砾凝灰岩、安山质凝灰岩、含斑安山岩、辉石安山岩、石英安山岩和粗面安山岩. 其中，角闪安山岩为矿区最主要的岩石类型，遍布全区，约占岩石出露面积80%以上；角闪安山质角砾凝灰岩分布于矿区西侧，出露面积仅次于安山岩. 矿区内岩浆岩主要以岩脉的形式发育，如细粒闪长岩、石英闪长玢岩及煌斑岩等，尤以前两者为主. 这些岩脉长一般几十米至百余米，宽几十厘米，沿北东、北西向断裂产出.

图2 研究区区域地质图（据文献［16-19］修编）Fig. 2 Regional geological map of the study area（Modified from References［16-19］）

2 样品采集及岩相学特征

本研究样品采自五凤地区粗面安山岩. 粗面安山岩在研究区内仅零星出露，在大比例尺区域地质图上无集中体现，研究者一般将其划入金沟岭组［20］. 对粗面安山岩在岩相学研究基础上，开展了锆石U-Pb 定年和全岩地球化学分析研究. 样品主要呈灰黑色，岩石斑状结构，斑晶含量约为30%，基质部分约为68%，有少量不透明金属矿物（2%）. 斑晶主要由斜长石和少量角闪石组成（图3），它们在斑晶中的含量分别为70%和30%. 斜长石斑晶为自形—半自形结构，粒径差别较大，长轴一般为300～2 000 μm，最大可达900 μm，最小的仅为100 μm. 长宽比值变化较大，一般为1～3.斜长石斑晶有的较为完整，有的具明显熔蚀现象. 角闪石斑晶为自形—半自形结构，长轴一般为300～700 μm，最大可达1 500 μm，长宽比值为1～3. 基质部分为微晶—隐晶结构，微晶含量约为70%，主要由斜长石和角闪石组成，含量分别为75%和25%. 不透明金属矿物呈不均匀分布在岩石中，多为不规则立方体，粒径10～20 μm，最大可达40 μm.

图3 粗面安山岩岩相图Fig. 3 Petrographic photographs of trachyandesite

3 测试方法

锆石U-Pb 同位素定年在吉林大学自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室完成. 首先将新鲜岩石样品洗净并粉碎至约80 目，然后依次进行重力分选、磁选和重液分选，最后人工在双目镜下挑选锆石颗粒.在双目镜下将无色透明、晶形完整且不含包裹体、干净且无裂纹的锆石颗粒粘贴在双面胶上并用环氧树脂浇铸固定，等树脂固化之后将锆石表面抛光直至内部结构充分暴露. 然后进行阴极发光照相，锆石靶表面完成镀碳处理之后，用加载阴极发光仪的扫描电子显微镜完成阴极发光图像的采集及LA-ICP-MS 分析. 本次分析的激光束斑和频率分别为44 μm 和7 Hz. 激光剥蚀过程中采用He 作为剥蚀物质的载气，Ar 为补偿气以调解灵敏度，ICP-MS 仪器为Agilent 7900 型，采用国际标准锆石91500 作外标进行同位素质量分馏校正. 对分析数据的离线处理（包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素含量及U-Pb 同位素比值和年龄计算）采用软件ICPMSDataCal 完成. 锆石样品的U-Pb 年龄谐和图绘制和年龄权重平均计算均采用Isoplot4.0 完成.

全岩主、微量元素测试在吉林大学测试科学实验中心完成. 选取新鲜岩石样品，首先经显微镜下观察与鉴定，然后选择具有代表性且无蚀变的样品用于全岩地球化学分析. 样品的粉碎加工均在无污染设备中进行，用蒸馏水清洗干净后，105 ℃恒温烘干24 h，破碎、研磨至200 目以上. 主量元素测定采用X 射线荧光光谱法（XRF），准确度优于10%；稀土及微量元素利用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定，精度优于10%.

4 测试结果

4.1 年代学特征

粗面安山岩的锆石U-Pb 同位素比值及定年数据见表1. CL 图像（图4）显示，多数锆石为自形—半自形的粒状或柱状，晶形大多完好，少数呈浑圆状，粒径在90～210 μm，具有明显的韵律环带，为岩浆成因锆石.对小于1 Ga 的年轻锆石，所测锆石的207Pb 和235U 含量低，207Pb/235U 以及207Pb/206Pb 的比值精度较差，因此采用206Pb/238U 年龄. 样品WF13 所测定的12 粒有效锆石206Pb/238U 年龄值介于（169±14）～（186±4）Ma 之间，加权平均年龄为175.5±2.7 Ma，MSWD＝1.9（图5），指示粗面安山岩的成岩年龄为早侏罗世.

表1 五凤矿区粗面安山岩LA-ICP-MS 锆石U-Pb 定年结果Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results of the trachyandesite from Wufeng orefield

图4 粗面安山岩锆石CL 图像和测点位置图Fig. 4 CL images of selected zircons from trachyandesite and positions of LA-ICP-MS test

图5 粗面安山岩锆石U-Pb 谐和年龄图Fig. 5 U-Pb concordia diagram of zircons from trachyandesite

4.2 主量元素地球化学特征

粗面安山岩的主量元素含量见表2. 粗面安山岩中SiO2（58.33%～61.36%，平均59.67%）含量最高，其次是Al2O3（17.75%～18.90%，平均18.30%）、FeOT（4.03%～6.49%，平均5.33%）、CaO（2.69%～5.05%，平均3.96%）、K2O（1.61%～3.28%，平均2.18%）、Na2O（1.40%～3.88%，平均2.84%）、MgO（1.18%～2.24%，平均1.65%），TiO2（0.74%～1.10%，平均0.94%）、P2O5（0.27%～0.39%，平均0.35%）、MnO（0.13%～0.19%，平均0.15%）含量均较低.岩体碱含量较高，Na2O+K2O＝6.77%～10%，Na2O/K2O为1.98～3.56，里特曼指数σ 分布范围为3.0～5.46. 火山岩分类的TAS 图解（图6a）中，岩体表现出粗安岩、粗面岩（CIPW 计算石英小于20%）组合，火山岩投点既包含钙碱性系列，又包含碱性系列，具有钙碱性和碱性过渡系列的特征，反映为偏碱性钙碱质火山岩岩石系列. 在Na2O-K2O 图解（图6b）上，表现出钠质的特征. 在A/CNK-A/NK 图解（图6c）上，表现出准铝质的特征. 在SiO2-K2O 图解（图6d）上，表现出中钾—高钾钙碱性岩石系列的特征.

表2 五凤矿区粗面安山岩主量元素含量Table 2 Major element contents of the trachyandesite from Wufeng orefield

图6 粗面安山岩地球化学图解（据文献［21-23］）Fig. 6 The geochemical diagrams of trachyandesite（From References［21-23］）

4.3 稀土元素地球化学特征

粗面安山岩的稀土元素含量见表3. 区内粗面安山岩的稀土元素总量为136.15×10-6～175.35×10-6，均值为151.92×10-6. 在稀土元素球粒陨石标准化配分模式图（图7a）上，所有样品均显示右倾斜配分曲线，呈轻稀土元素富集、重稀土元素相对亏损的特征. δEu 值在0.12～0.52 之间，为Eu 富集型；（La/Yb）N值介于13.37～28.16 之间.

表3 五凤矿区粗面安山岩稀土元素含量Table 3 Rare earth element contents of the trachyandesite from Wufeng orefield

图7 粗面安山岩稀土元素和微量元素标准化配分曲线Fig. 7 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized trace element spidergrams of trachyandesite

4.4 微量元素地球化学特征

五凤矿区粗面安山岩的微量元素含量见表4. 图7b 展示了样品微量元素相对含量分布曲线. 区内粗面安山岩的微量元素具有如下特点：所有样品大离子亲石元素Rb（51.6×10-6～61.7×10-6）均低于大陆地壳丰度［24］，而Ba（748×10-6～2 000×10-6）、Sr（737×10-6～974×10-6）含量与大陆地壳丰度［24］相比较高. 放射性元素Th（2.28×10-6～4.28×10-6）、U（0.68×10-6～1.06×10-6）含量相对于大陆地壳丰度［24］较低. 高场强元素Hf（1.12×10-6～3.10×10-6）、Ta（0.61×10-6～1.22×10-6）、Nb（6.21×10-6～11.88×10-6）、Zr（64.7×10-6～143×10-6）含量与大陆地壳丰度［24］相比较低. 在原始地幔标准化微量元素原始地幔标准化图（图7b）上粗面安山岩富集Rb、K、Th、U、Nb，亏损Ba、Sr、P 和Ti.

表4 五凤矿区粗面安山岩微量元素含量Table 4 Trace element contents of the trachyandesite from Wufeng orefield

5 讨论

5.1 岩浆源区和岩石成因

五凤粗面安山岩（La/Yb）N值介于13.37～28.16 之间，表明后期岩浆分异强烈［25］. 强不相容元素Rb 的富集也暗示了岩浆可能发生的高度分异［26］. P、Ti 元素的亏损可能与磷灰石和钛铁矿的分离结晶或作为源区的残留矿物相有关. Eu 正异常（图7a），对应着斜长石作为粗面安山岩的主要造岩矿物. 粗面安山岩相对富集轻稀土元素（LREE），相对亏损重稀土元素（HREE）.样品亏损Nb、Ta、Ti、P 等高场强元素，富集Rb、Ba 和K 等大离子亲石元素（LILE），Pb 表现出强烈富集特征（图7b）.

五凤粗面安山岩的Rb/Sr 比值（平均0.071）远低于大陆地壳的平均Rb/Sr 比值（地壳均值0.35），接近地幔值（均值0.034），指示母岩浆可能来自地幔. 此外，样品的La/Nb 比值（均值4.21）高于大陆地壳（均值1.7），与地幔来源（La/Nb＞1.7）一致［27-28］. 粗面安山岩相对富集轻稀土元素、大离子亲石元素和强不相容元素（Th、U），相对亏损高场强元素（如Nb、Ta、P、Ti），Ba/Nb（均值144.71）和Rb/Nb（均值6.92）较高，与俯冲相关的弧岩浆岩具有相似的地球化学特征［29-30］. 一般情况下认为在俯冲带地区，大离子亲石元素较容易随着水等流体从地壳转移到地幔当中；相反高场强元素在俯冲过程中由于溶解性极低故几乎没有流动性，从而表现出亏损［31］. La/Nb 和Ba/Nb 比值投点也落在弧状火山岩区域（图8a），表明岩浆形成与板块俯冲密切相关. 其较高的（Hf/Sm）N和（Ta/La）N比值、Nb/Ta（均值8.95）表明岩浆可能形成于与俯冲有关的交代地幔（图8b）. 同时，俯冲带地区火山岩Nb、Ta 负异常和LREE的富集是由于大陆岩石圈地幔经历不同程度的富集所造成，并且混有古老俯冲地壳的物质成分［32-34］. 以上地球化学特征表明岩浆可能源于地幔，其源区受到俯冲的壳源物质交代.

图8 岩浆源区判别图（据文献［35-36］）Fig. 8 Discrimination diagrams of magmatic source（From References［35-36］）

五凤地区粗面安山岩Mg＃值较低（29.07～40.35），一般认为与下地壳部分熔融有关的岩浆产物的Mg＃值小于40［37］，但地球化学特征更支持粗面安山岩岩浆来自地幔的部分熔融. 在Th/Nb-Zr 图解（图9a）中样品表现出地壳混染的趋势. 粗面安山岩K2O/P2O5比值、K2O/TiO2比值变化较大，以及K2O/P2O5、K2O/TiO2与SiO2含量有良好的相关性（图9b、c），表明粗面安山岩可能受到地壳混染. 同时粗面安山岩的Ba/Rb 比值（12.45～32.41）高于大陆地壳的Ba/Rb 比值（8～9），这与地壳混染作用机制一致［27］. Mg＃值较低应为受到了较强的地壳混染作用的影响. 因此，五凤地区粗面安山岩应起源于地幔部分熔融，但受到地壳混染的影响.

图9 岩浆岩成因判别图解Fig. 9 Genetic discrimination diagrams of magmatic rocks

根据元素在部分熔融和分离结晶过程中的行为差异，可以分析粗面安山岩的岩浆演化过程. Th 和La 为强不相容元素，Nd 和Yb 为中等不相容元素. 在部分熔融过程中，随着Th 和La 含量的增加，Th-Th/Nd 和La-（La/Yb）N的比值也随之增加；而在分离结晶过程中随着Th 和La 含量的增加，Th-Th/Nd 和La-（La/Yb）N的比值保持不变［38-39］. 粗面安山岩Th 含量与Th/Nd 值和La 含量与（La/Yb）N值都呈现良好的正相关关系（图9d、e），表明部分熔融在岩浆演化过程中发挥了重要作用.

5.2 构造背景

中国东北吉林延边五凤地区主要受古亚洲洋构造体制和环太平洋构造体制的控制. 在晚三叠世末，中国东北部由古亚洲洋板块俯冲体制转换为环太平洋俯冲体制［40］. 有关古太平洋构造体系俯冲于欧亚大陆之下的开始时间一直存在争论，目前主要有两种观点，一种认为是晚三叠世［41］，而另一种认为是早、中侏罗世［42-43］；但就古太平洋板块最终在早、中侏罗世俯冲的认识是一致的. 早侏罗世吉林延边地区进入了古太平洋构造域的俯冲作用，并发育大面积的与俯冲有关的岩浆岩.

由于高场强元素受各种地质作用的影响比较弱，因此能够真实反映源区的性质. 在Ba/Nb-La/Nb 图解（图8a）中，五凤粗面安山岩样品大部分落在火山弧区域. 在TiO2/Al2O3-Zr/Al2O3图解（图10a）中，五凤粗面安山岩样品投点大部分落于初始洋弧和晚期洋弧区域（LOP+IOP），部分落入大陆弧和碰撞后弧区域（CAP+PAP），指示大洋俯冲系统在时间上与早侏罗世古太平洋板块俯冲一致. Zr/Y 值为3.81～8.13，绝大部分数据符合大陆边缘安山岩Zr/Y 值为4～12 的地球化学特征［44］. 岩石La/Nb 值为2.93～5.70（平均4.21），总体符合活动大陆边缘La/Nb 值高于2 的地球化学特征. 同时，在Nb/Yb-Th/Yb 图解（图10b）中，研究区样品投点落入活动大陆边缘区域.

图10 岩浆岩构造判别图解（据文献［45-46］）Fig. 10 Tectonic discrimination diagrams of magmatic rocks（From References［45-46］）

综上所述，笔者认为吉林省延边五凤地区粗面安山岩是岩石圈地幔重熔并混染俯冲壳源物质的结果，岩石形成过程中也经历了分离结晶作用. 早侏罗世俯冲的古太平洋板块在弧下深度形成富集轻稀土、大离子亲石元素和亏损高场强元素的熔体/流体，并向上运移交代上覆岩石圈地幔形成富集地幔源区. 随后，由于构造转换交代地幔发生部分熔融形成岩浆源区，岩浆在后期运移和喷发过程中发生分离结晶作用最终形成粗面安山岩.

6 结论

（1）五凤地区粗面安山岩喷发年龄为175.5±2.7 Ma，属于早侏罗世岩浆作用产物，早于晚侏罗世—早白垩世五凤矿区主要赋矿围岩金沟岭组安山岩，为五凤矿区赋矿围岩提供了新的时间限定.

（2）五凤地区粗面安山岩可能起源于地幔部分熔融，后经历了地壳混染，其形成与早侏罗世古太平洋板块向欧亚板块俯冲有关.