大興安嶺烏奴耳地區石炭紀花崗閃長巖鋯石U-Pb年齡及形成地質背景

李利陽，韓 瑤，伍光英，侯紅星，劉 博，劉根源

1.中國地質調查局 廊坊自然資源綜合調查中心，河北 廊坊 065000；

2.山東省地質環境監測總站，山東 濟南 250014；

3.中國地質調查局 地球物理調查中心，河北 廊坊 065000

中亞造山帶（CAOB）是世界最大的顯生宙增生型造山帶之一，經歷了漫長而又復雜的增生造山過程，其形成與古亞洲洋的構造演化密切相關.

大興安嶺地區位于中亞造山帶東段，是研究造山帶構造演化的重要窗口之一.該區自北向南依次跨越額爾古納、興安和松嫩3個地塊，各地塊之間分別以新林-喜桂圖縫合帶、黑河-賀根山縫合帶和牡丹江縫合帶為界［1-17］.額爾古納地塊與興安地塊以新林-喜桂圖縫合帶為界，研究區位于新林-喜桂圖縫合帶內.一些學者認為新林-喜桂圖縫合帶形成于新元古代［17-19］，于早古生代（約500 Ma）時期碰撞拼貼.該條縫合帶以新林蛇綠巖、塔源輝長巖、吉峰蛇綠巖、頭道橋藍片巖等為標志，空間展布特征較為清晰［2，5-6］.大烏蘇蛇綠巖的形成時代和侵入新林蛇綠巖的斜長花崗巖的年齡顯示，新林蛇綠巖可能形成于早奧陶世，詳細的地球化學研究表明，其為弧后盆地擴張過程中的早期產物，就位時代可能為早石炭世［20］.近年來，隨著大興安嶺地質工作的深入研究，在頭道橋南側識別出烏爾其汗-烏奴耳多處蛇綠混雜巖，巖石組合為變玄武巖→變輝長巖→變輝綠巖→變輝綠玢巖→放射蟲硅質巖，多以斷塊形式分布于奧陶紀、泥盆紀地層之間，其中烏奴耳地區變輝長巖的鋯石U-Pb年齡為344～328 Ma［15］，烏奴耳東南雅魯地區的扁輝長巖的形成時代為430±8 Ma［9］.因此，額爾古納地塊與興安地塊可能并未是一次性的簡單的地塊拼合，兩者之間可能經歷過多次洋盆俯沖作用與巖漿弧形成事件.

研究區發育大量的晚古生代花崗巖，記錄了這一時期的構造演化過程.但其研究程度很低，一直缺少精確的年代學和系統的地球化學研究，形成環境一直存在爭議.本文通過對牙克石烏奴耳地區的花崗閃長巖進行年代學、巖石地球化學研究，探討巖石成因及形成的構造背景，以期為區域構造演化提供新的依據.

1 地質背景

研究區位于內蒙古大興安嶺北部牙克石市烏奴耳鎮，構造上位于新林-喜桂圖縫合帶內（圖1）.區內古生界為北疆-興安地層大區之興安地層區，主體屬東烏-呼瑪地層分區；中、新生界屬濱太平洋地層區之大興安嶺-燕山地層分區，博克圖-二連浩特地層小區.奧陶紀出露地層主要為多寶山組和裸河組，多寶山組為一套具有島弧特征的中酸性火山巖［21］，裸河組是一套具有活動大陸邊緣性質的陸緣碎屑巖系［22-23］.區內志留紀地層缺失.泥盆紀出露地層主要為泥鰍河組和大民山組，泥鰍河組為一套陸緣碎屑巖［24］，大民山組為一套具有島弧性質的中酸性火山巖地層［25-26］.中生代以來受鄂霍次克洋閉合和環太平洋構造域的雙重影響，早期北東向斷裂復活，形成了一系列受北東向斷裂構造控制的火山隆起及火山斷（拗）陷盆地，發生強烈的火山噴發活動，形成滿克頭鄂博組、瑪尼吐組及白音高老組火山巖.滿克頭鄂博組主體為一套中酸性火山巖，瑪尼吐組主體為一套中性火山巖，白音高老組主體為一套酸性火山巖.研究區發育大量晚古生代花崗巖，主要為閃長巖、花崗閃長巖、二長花崗巖、正長花崗巖，這些花崗巖普遍侵入于奧陶系、泥盆系之中，被中生代火山巖及第四系覆蓋.本研究的花崗閃長巖侵入于閃長巖中，被第四系覆蓋（圖1）.

圖1 大興安嶺烏奴耳地區地質簡圖及采樣位置Fig.1 Geological sketch map and sampling location of Wunuer area，Daxinganling Mountains

2 巖石學特征

本研究的花崗閃長巖位于烏奴耳鎮六十四米橋南西3 km處，呈巖基或巖枝產出.風化面為灰褐色，新鮮面為淺灰黃色，花崗結構（圖2），塊狀構造.主要礦物成分有石英、斜長石、鉀長石、角閃石.斜長石無色，透明，自形—半自形板狀，聚片雙晶，粒徑0.30～2.00 mm，含量50%～60%；石英無色，透明，他形粒狀，粒徑0.20～2.00 mm，含量20%～30%；鉀長石無色，半自形板狀，粒徑0.20～1.50 mm，含量約為10%；角閃石淡綠色，透明，半自形—他形柱狀，粒徑0.10～1.00 mm，含量10%～15%.巖石蝕變現象普遍，可見綠簾石化、綠泥石化、絹云母化.

圖2 大興安嶺烏奴耳地區花崗閃長巖顯微鏡下照片Fig.2 Microphotographs of granodiorites in Wunuer area，Daxinganling Mountains

3 年代學特征

鋯石分選由河北省區域地質礦產調查研究所實驗室完成.經重液浮選和電磁分離分選后，在雙目鏡下挑選出晶型完好、透明度高、無包裹體和無裂紋的鋯石顆粒作為測定對象.挑選好的鋯石和標樣一起固定在環氧樹脂中拋光制靶，進行陰極發光、透射光和單偏光照相.鋯石陰極發光（CL）圖像分析在北京鋯石領航科技有限公司高分辨熱場發射能譜陰極發光室進行，鋯石原位LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡分析測年在北京科薈測試技術有限公進行，測年所用分析儀器為Thermo Fisher Neptune型多接收器電感耦合等離子體質譜儀及SIUP193FXArF型激光剝蝕系統（LA-ICPMS），激光剝蝕斑束35 μm，激光量密度10～13 J/cm2，頻率8～10 Hz，對測試數據進行普通鉛校正，年齡計算及諧和圖繪制采用Isoplot程序［27-29］.

樣品（U-Pb20171003）采自工作區烏奴耳鎮六十四米橋南西（取樣點位置：X 359475.33，Y 5394925.6，由GPS確定），重約5 kg，測年采用單顆粒鋯石激光剝蝕法.鋯石陰極發光圖像顯示，鋯石多呈短柱狀，個別為長柱狀，自形程度較好，棱角平直，晶形完整，顆粒大小不一，長寬比在3∶1～1∶1之間，可觀察到清晰的韻律環帶結構（圖3），較高的Th/U比值（表1）表明其具有巖漿鋯石的特征.鋯石晶體測定位置的選取，需要結合透射光、反射光和CL圖像，以避開鋯石晶體中的裂紋和包裹體，選取的分析點均位于明顯的巖漿環帶部位，剔除早期變質鋯石及后期熱事件形成的鋯石，花崗閃長巖11顆鋯石顆粒的LA-ICP-MS U-Pb年齡測定顯示，花崗閃長巖的年齡在332.6±6.9 Ma（圖4），為早石炭世.

圖4 樣品（U-Pb20171003）U-Pb年齡諧和圖及加權平均年齡Fig.4 U-Pb concordia diagram and weighted mean age for granodiorite sample

表1 花崗閃長巖（U-Pb20171003）LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡結果一覽表Table 1 Zircon LA-ICP-MS U-Pb dating results of granodiorite sample（U-Pb20171003）

圖3 樣品（U-Pb20171003）鋯石CL圖像特征及測年結果Fig.3 CL images of zircons in granodiorite sample and dating results

4 巖石化學特征

4.1 樣品采集及測試方法

巖石地球化學測試樣品均為未風化、未蝕變的新鮮樣品.樣品在核工業北京地質研究院分析中心測試完成.將測試樣品粉碎，研磨至200目以下的粉末備用.主量元素采用X射線熒光分析，使用儀器為AxiosmAX X射線熒光光譜儀，檢測方法和依據參照GB/T 14506.14—2010《硅酸鹽巖石化學分析方法第14部分：氧化亞鐵量測定》，GB/T 14506.28—2010《硅酸鹽巖石化學分析方法第28部分：16個主次成分量測定》；微量元素采用NexION300D等離子體質譜儀，檢測方法和依據參照GB/T 14506.30—2010《硅酸鹽巖石化學分析方法第30部分：44個元素量測定》.

4.2 主量元素

測試結果（表2，掃描首頁OSID二維碼可見）顯示，樣品燒失量范圍在1.76%～2.40%之間，平均值2.15%.首先對所測巖石地球化學數據去掉燒失量以后，將其余的主元素氧化物分析數據換算成100%，而后進行地球化學投圖，識別巖漿巖的巖類.SiO2含量（質量分數）為62.00%～64.74%，平均值為63.92%，屬中性巖范疇.在侵入巖TAS分類圖上（圖5），樣品均落于花崗閃長巖區域，屬亞堿性系列.分異指數DI＝53.09～59.83，平均值為56.87，固結指數SI＝34.01～36.61，平均值為35.06，表明巖漿分異程度一般，符合中性巖演化特征.侵入巖SiO2-K2O圖（圖6）顯示樣品均落于低鉀（拉斑）系列.Al2O3含量為12.81%～13.77%，鋁飽和指數A/CNK為0.79～0.87.在A/CNKA/NK判別圖解（圖7）中樣品落于準鋁質區，因此研究區花崗閃長巖屬準鋁質低鉀（拉斑）系列.

圖5 烏奴耳地區花崗閃長巖TAS分類圖Fig.5 The TAS diagram for granodiorites in Wunuer area

圖6 烏奴耳地區花崗閃長巖SiO2-K2O圖解Fig.6 The SiO2-K2O diagram for granodiorites in Wunuer area

圖7 烏奴耳地區花崗閃長巖A/CNK-A/NK判別圖解Fig.7 The A/CNK-A/NK diagram for granodiorites in Wunuer area

4.3 微量元素特征

花崗閃長巖的微量元素原始地幔標準化蛛網圖（圖8a）顯示整體呈斜率較小的右傾.微量元素分析結果（表2，掃描首頁OSID二維碼可見）顯示，總體富集大離子親石元素，虧損高場強元素.Th、U表現為明顯的正異常，Nb、Ta、Zr、Ti表現為明顯負異常，La、Hf、Lu等富集，符合火山弧花崗巖的特征，表明該侵入巖的形成與俯沖作用有關.

圖8 大興安嶺烏奴耳地區花崗閃長巖微量元素蛛網圖和稀土元素配分曲線圖Fig.8 Primitive mantle-normalized trace element spidergrams and chondrite-normalized REE patterns of granodiorites in Wunuer area

4.4 稀土元素特征

花崗閃長巖稀土元素含量（表2，掃描首頁OSID二維碼可見）顯示：稀土總量ΣREE為48.58×10-6～59.03×10-6，平均值為53.93×10-6，稀土含量較低.LREE/HREE為4.64～4.98，平均值為4.78.LaN/YbN為3.78～4.28，均值為3.98.總體上巖體富集輕稀土，重稀土相對虧損且較平坦，輕重稀土分異明顯.LaN/SmN＝3.14～3.50，均值為3.32.GdN/YbN＝1.13，表明輕稀土分餾程度較高，重稀土基本不分餾.稀土元素配分型式（圖8b）顯示花崗閃長巖樣品具有明顯的負Eu異常，Eu具“V”谷的曲線特征，δEu值為0.61～0.69，平均值為0.65，指示具有基性斜長石的分離結晶作用發生.

5 討論

5.1 巖石成因

研究區花崗閃長巖具有較高的K2O＋Na2O和較低的MgO、P2O5含量，在Whalen等［30］提出的一系列以Ga/Al值為基礎的判別圖解中，所有樣品均落在I＆S型花崗巖區域（圖9）.從巖相學角度來看，典型S型花崗巖常含有堇青石、石榴石和原生的白云母等特征性的富鋁礦物，研究區花崗閃長巖未見典型S型花崗巖所含有的特征性的富鋁礦物；經CIPW標準礦物計算，樣品中普遍含微量剛玉分子，含量均小于2%，從礦物學角度直接證明了巖石的弱過鋁特性；從地球化學的角度來看，早石炭世花崗閃長巖為準鋁質（A/CNK＝0.785～0.869），并沒有變質沉積巖發生部分熔融形成熔體的強過鋁質的特征.綜合分析認為，早石炭世花崗閃長巖為準鋁質I型花崗巖.

圖9 大興安嶺烏奴耳地區花崗閃長巖Ga/Al-Ce和Ga/Al-（K2O＋Na2O）圖解（據文獻［30］）Fig.9 The Ga/Al-Ce and Ga/Al（-K2O＋Na2O）diagrams of granodiorites in Wunuer area（After Reference［30］）

5.2 大地構造背景

在花崗巖（Y＋Nb）-Rb構造判別圖（圖10a）中，花崗閃長巖樣品均落入VAG火山弧花崗巖區.在花崗巖（Yb＋Ta）-Rb構造判別圖（圖10b）中，花崗閃長巖樣品也均落入VAG火山弧花崗巖區.綜合表明花崗閃長巖的形成環境為板塊俯沖作用下的火山弧環境.

圖10 大興安嶺烏奴耳地區花崗閃長巖（Y＋Nb）-Rb和（Yb＋Ta）-Rb構造判別圖解（據文獻［30］）Fig.10 The（Y＋Nb）-Rb and（Yb＋Ta）-Rb tectonic distrimination diagrams of granodiorites in Wunuer area（After Reference［30］）

烏爾其汗、免渡河、多寶山地區發現島弧火山巖（373.2±5.3 Ma）和高鍶低釔（adakitic）花崗閃長巖（331.2±3.7 Ma），表明晚泥盆世—早石炭世發生過大洋板片的俯沖作用［31-34］，牙克石烏奴耳地區發現同碰撞背景下的正長花崗巖（310.8±2.5 Ma）［35-36］，在大興安嶺西部多寶山、嫩江地區發現310 Ma左右具碰撞后伸張的流紋巖，可見沿著頭道橋-新林縫合帶在晚泥盆世—早二疊世期間存在著俯沖→碰撞→后碰撞→造山后伸展的巖漿巖組合，內蒙古狼山地區、錫林浩特毛登牧場、蘇尼特左旗北部阿登錫勒大隊一帶也發現了早石炭世古亞洲洋俯沖作用下的石英閃長巖、花崗閃長巖和二長花崗巖等［37-39］，本研究的花崗閃長巖可能就是這次俯沖作用下的產物.

6 結論

（1）LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年結果顯示：內蒙古牙克石烏奴耳地區花崗閃長巖成巖年齡為332.6±6.9 Ma，為早石炭世.

（2）巖石學、巖相學及地球化學特征顯示：花崗閃長巖為準鋁質低鉀（拉斑）系列I型花崗巖.

（3）結合區域地質特征，花崗閃長巖的區域構造背景屬于俯沖作用下的火山弧環境，揭示了在早石炭世時期，古亞洲洋于研究區附近發生了一次俯沖作用.