大興安嶺北段盤古河上游早古生代中基性雜巖體U-Pb年齡、地球化學特征及其地質意義

李強,程學芹,王艷凱,李志敏,劉洪章,楊寧,申晉青,羅善霞

河北省區域地質調查院(河北省地學旅游研究中心),河北廊坊,065000

內容提要：額爾古納地塊出露的早古生代巖漿巖的成因、源區特征及動力學背景對于揭示恢復額爾古納地塊及其周緣地區的構造演化歷史具有重要意義。筆者等選取大興安嶺北段盤古河上游地區早古生代中基性雜巖體進行了巖石學研究和鋯石U-Pb年代學及巖石地球化學分析。野外調查及室內研究表明雜巖體的巖石類型以角閃輝長巖和輝長巖為主,少見石英閃長巖、閃長巖、輝石巖、橄欖輝長巖等中性巖和超基性巖。測年結果顯示,角閃輝長巖的成巖年齡為479.2±2.1 Ma,表明該雜巖體形成時代為早奧陶世。地球化學組成上,盤古河上游早古生代中基性雜巖體SiO2含量介于40.74%～54.95%,Fe2O3T含量為3.99%～14.66%,MgO含量介于3.36%～17.78%,Mg#值為47～79,為(高鉀)鈣堿性系列巖石,相對富集輕稀土元素,虧損重稀土元素,δEu=0.77～2.06,相對富集Rb、Ba、U、K、Pb和Sr等大離子親石元素及放射性元素,虧損Nb、Ta、Ti等高場強元素,與俯沖帶弧巖漿巖地球化學特征類似。巖漿來源于以俯沖流體交代為主、沉積物熔體交代為輔的巖石圈地幔部分熔融。源區以含尖晶石的石榴二輝橄欖巖為主,少量為尖晶石二輝橄欖巖,并在上升過程中經歷了不同程度的結晶分異作用。結合區域巖石地層資料,綜合分析表明盤古河上游早古生代中基性雜巖體形成于大陸拉張帶(或初始裂谷)的構造環境,很可能與西伯利亞板塊和額爾古納地塊碰撞后巖石圈伸展背景有關。

額爾古納地塊位于中亞造山帶東段興蒙造山帶的東北部,呈北東向延伸,長達1500 km以上,是興蒙造山帶內的重要大地構造單元(武廣等,2005)。該地塊西北側為中生代蒙古—鄂霍茨克縫合帶,西南毗鄰中蒙古地塊(李錦軼,1998),東北部與莫梅恩(馬門)地塊相連(Sorokin et al., 2004,2015a,2015b),東南部以新林—喜桂圖縫合帶為界與興安地塊相鄰,并被晚古生代—中生代巖漿作用改造(許文良等,2019)。關于額爾古納地塊的性質、古亞洲洋及興—蒙造山帶的演化歷史等重大基礎問題,一直是國內外地質界關注的重點(武廣等,2005;孫立新等,2013;邵軍等,2015;趙碩,2017;徐備等,2014,2018;Li Gongyu et al., 2019;Hou Wenzhu et al., 2020;劉永江等,2022;李皓東等,2022;徐文良等,2022;杜兵盈等,2022;楊文采,2022),其中額爾古納地塊和興安地塊之間的拼貼位置及時代是東北地區古生代構造—巖漿演化研究的熱點問題(趙碩,2017;Gou Jun et al., 2020;景妍等,2022;劉永江等,2022)。因此,對額爾古納地塊早古生代地質體進行綜合研究,特別是對火成巖進行重點研究是解決上述問題的關鍵。

近年來隨著測試技術的提高,額爾古納地塊內部有越來越多的早古生代火成巖被識別出來,并分別對其進行了分析研究。武廣等(2005)報道的漠河西北洛古河花崗巖體SHRIMP鋯石U-Pb年齡為517～504 Ma;秦秀峰等(2007)報道的漠河地區早古生代花崗巖TIMS鋯石U-Pb年齡為502 Ma;王佰義等(2019)報道的漠河地區花崗巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為485 Ma;吳瓊等(2019)報道的漠河地區A型花崗巖鋯石U-Pb年齡為481 Ma;張冬冬等(2022)報道的砂寶斯I型花崗巖體鋯石U-Pb年齡為509 Ma;周傳芳等(2022)報道的洛古河地區I型花崗巖鋯石U-Pb年齡為486 Ma;鞏鑫等(2023)報道的前哨林場A型黑云母二長花崗巖鋯石U-Pb年齡為458 Ma;認為以上早古生代花崗巖是額爾古納地塊與西伯利亞板塊之間相互作用的產物。葛文春等(2005)報道的塔河巖體LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為494～480 Ma;隋振民等(2006)報道的十八站東哈拉巴巖體鋯石U-Pb年齡為500～461 Ma;葛文春等(2007)報道的十八站巖體、內河巖體、白銀納巖體、查拉班河巖體LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡分別為499 Ma、500 Ma、460 Ma和465～481 Ma;任邦方等(2012)報道的永慶林場—十八站花崗巖鋯石U-Pb年齡為447.5～443.5 Ma;趙碩(2017)報道的翠崗石英閃長巖鋯石U-Pb年齡約為500 Ma、阿龍山輝長巖為439 Ma、恩和輝長巖為465 Ma、韓家園子花崗巖為501 Ma、翠崗花崗巖為475 Ma、十九站花崗巖為481 Ma、永慶林場花崗巖為481 Ma、塔林花崗巖為465 Ma、白鹿島花崗巖為480 Ma、南大窯花崗巖為460～454 Ma、阿龍山花崗巖為455 Ma;汪巖等(2017)在塔河瓦拉干林場一帶發現的中基性火山巖鋯石U-Pb年齡約為500 Ma;柴明春等(2018)報道的十八站—韓家園地區中酸性巖體鋯石U-Pb年齡為512 Ma;杜兵盈等(2019)報道的壯志林場高分異I型花崗巖鋯石U-Pb年齡為489 Ma;景妍等(2022)報道的漠河地區I型花崗巖鋯石U-Pb年齡為482～456 Ma;認為以上火成巖是額爾古納地塊與興安地塊構造拼貼的產物。

從上述研究可以看出,前人對額爾古納地塊之上早古生代火成巖的研究主要集中在酸性單元,而對同時代基性單元的研究較少,同時對其形成的構造背景有不同的認識,一種觀點認為是額爾古納地塊與興安地塊拼貼后的后造山構造背景(葛文春等,2005;隋振民等,2006;張彥龍等,2010;馮志強等,2014;Zhou Jianbo et al., 2015;趙碩,2017;汪巖等,2017;柴明春等,2018;杜兵盈等,2019;景妍等,2022);另一種觀點則認為是額爾古納地塊與西伯利亞板塊后碰撞構造背景(武廣等,2005;秦秀峰等,2007;王佰義,2019;吳瓊等,2019;張冬冬等,2022;周傳芳等,2022);還有學者認為額爾古納地塊北緣早古生代花崗巖形成于額爾古納地塊與西伯利亞古陸及蒙古—圖瓦地塊碰撞、拼接后伸展背景,而東北緣形成于額爾古納與興安地塊碰撞伸展背景下(鞏鑫等,2022)。筆者等在詳細區域地質調查和前人資料分析研究的基礎上,對盤古河上游中基性雜巖體開展了巖石學、鋯石U-Pb年代學及巖石地球化學研究,旨在探討該雜巖體的形成時代、巖石成因、巖漿源區及其動力學背景,為額爾古納地塊乃至興蒙造山帶的構造演化提供新的資料。

1 地質背景及樣品特征

研究區位于大興安嶺北段盤古河上游,行政區劃屬于塔河縣盤古鎮管轄。大地構造位置處于額爾古納地塊之上的額木爾山中間隆起與漠河盆地的過渡地帶。區內出露地層主要有中元古界興華渡口群、新元古界—下寒武統倭勒根群、下侏羅統塔木蘭溝組、下白堊統光華組和少量下白堊統甘河組,最新研究資料顯示,區內還發育有與蒙古—鄂霍茨克洋南向俯沖相關的早中三疊世火山地層(李強等,2021)。研究區侵入巖構成十分復雜,時代從新元古代到白堊紀均有發育(圖1b),包括新元古代基性—酸性雙峰式侵入巖、寒武紀酸性侵入巖、早奧陶世中基性雜巖體、晚二疊世—三疊紀基性至酸性侵入體、早侏羅世中酸性侵入巖和早白堊世中酸性及偏堿性侵入巖,它們對研究區乃至額爾古納地塊及其周緣的構造演化研究提供了豐富的材料。

圖1 研究區所在位置(a)(據紀政等,2018修改)及地質簡圖(b)Fig.1 The tectonic location (a, modified from Ji Zheng et al., 2018&) and geological sketch map (b) of study area

本次工作以1∶5萬區域地質調查為基礎,并結合前人研究資料,通過野外調查對位于盤古河上游的中基性雜巖體進行了綜合分析研究。該雜巖體分布于盤古林場十三支線1088高地一帶,區內出露面積約1 km2,向東延出區外,巖石類型以角閃輝長巖和輝長巖為主,少見石英閃長巖、閃長巖、輝石巖、橄欖輝石巖等中性巖和超基性巖,不同巖石類型間一般為漸變過渡或斷層接觸,被下白堊統火山巖覆蓋,且與圍巖二長花崗巖之間未見斷層跡象,應為侵入接觸關系,但限于較差的基巖露頭,在野外并未能觀察到它們的先后順序。上述雜巖體主要巖石類型巖相學特征詳述如下:

角閃輝長巖:巖石新鮮面深灰色,中細粒半自形粒狀結構(圖2a),塊狀構造。巖石主要由斜長石(35%～50%)和角閃石(50%～65%)組成,可見不等量的黑云母(0%～10%),少見石英。斜長石呈半自形板狀,粒徑一般0.2～2 mm,部分為2～4 mm的中粒,雜亂分布,不同程度絹云母化、綠簾石化,聚片雙晶較發育,部分可見環帶構造,根據⊥(010)晶帶的最大消光角法測得NP′∧(010)=20°～28°,斜長石牌號An=38～53,屬于中拉長石。角閃石半自形柱粒狀,粒徑一般0.2～2 mm,部分為2～3.5 mm的中粒,與斜長石一起均勻混雜分布,單偏光鏡下具綠色—淺黃色多色性,多具次閃石化,輕綠簾石化,部分顆粒表面有少量鐵質析出,少量邊部被黑云母交代,偶見粒內嵌布斜長石,呈嵌晶含長結構(圖2b)。黑云母呈暗褐色,鱗片—葉片狀,片徑一般0.2～1 mm,雜亂分布,局部少量聚集分布,不同程度綠泥石化,表面有少量鐵質析出,少數呈假象產出。副礦物主要有鋯石、磷灰石、榍石、鈦鐵礦、綠簾石、黃鐵礦、磁鐵礦等。

圖2 大興安嶺盤古河上游早古生代中基性雜巖體顯微照片: (a)細粒角閃輝長巖;(b)中細粒角閃輝長巖具嵌晶含長結構;(c)輝長巖;(d)輝長巖具輝長結構Fig.2 Microscopic photomicrographs of intermediate—basic complex in the upper reaches of Pangu River, Great Hinggan Mountains: (a) fine-grained hornblende gabbro; (b) medium—fine grainedhornblende gabbro with plagioclase in hornblende; (c) gabbro; (d) gabbro with gabbro structurePl—斜長石;Hb—角閃石;Px—輝石;顯微照片均在正交偏光下拍攝Pl—plagioclase; Hb—hornblende; Px—pyroxene; the micrographs were all taken under orthogonally polarized light

輝長巖:巖石新鮮面為灰綠色,輝長結構,塊狀構造。巖石主要由輝石(5%～45%)、角閃石(5%～10%)、斜長石(40%～60%)組成(圖2c、d)。輝石呈半自形柱狀,粒徑多為0.5～2 mm的細粒,個別為2～2.5 mm的中粒,雜亂分布,部分具次閃石化,多具綠色角閃石反應邊,少量粒內包嵌斜長石構成嵌晶含長結構。角閃石呈半自形柱狀,粒徑0.1～1.5 mm不等,單偏光下具黃褐—淺黃色多色性。斜長石呈半自形板狀—半自形粒狀,粒徑多為0.4～2 mm的細粒,少量為2～3 mm的中粒,可見聚片雙晶,根據⊥(010)晶帶的最大消光角法測得NP′∧(010)=24°～30°,斜長石牌號An=48～55,屬于中拉長石,具黏土化、絹云母化。副礦物主要有磷灰石、鈦鐵礦、黃鐵礦、磁鐵礦等。

石英閃長巖:巖石新鮮面為灰色,細粒半自形粒狀結構,塊狀構造。巖石主要由角閃石(50%)、黑云母(5%)、斜長石(40%)、石英(5%±)組成。角閃石呈半自形柱狀,粒徑0.2～1.5不等,雜亂分布,部分具次閃石化。黑云母呈鱗片狀,粒徑0.02～0.2 mm不等,局部聚集狀分布,單偏光下具多色性,Ng′=黃褐色,Np′=淺黃色,沿解理具褐鐵礦化,部分具綠泥石化。斜長石呈半自形板狀,粒徑0.2～1.75 mm不等,雜亂分布,可見聚片雙晶,具黏土化、絹云母化。石英呈他形粒狀,粒徑0.2～1 mm不等,似填隙狀分布,粒內具波狀消光。副礦物為不透明礦物、磷灰石、榍石等。

為更好更全面分析研究區早古生代中基性雜巖體的巖石地球化學情況,筆者等分析討論的數據除了本次工作所測角閃輝長巖和輝長巖數據外,還包含了前人在同一雜巖體內獲得的相同及不同巖性數據資料(前人引用數據詳見表1)。引用的數據有趙碩(2017)測的2件角閃輝長巖樣品,其形成年齡為483±2 Ma(定年位置如圖1);另有黑龍江省地質調查總院齊齊哈爾分院?測得的5件樣品,巖性有角閃輝長巖、輝長巖、橄欖輝石巖、石英閃長巖等。

表1 大興安嶺盤古河上游中基性雜巖體全巖主量元素(%)、微量元素和稀土元素(×10-6)數據Table 1 Major (%), trace elements and REE (×10-6) of intermediate-basic complex in the upper reaches of Pangu River, Great Hinggan Mountains

2 分析方法

樣品的全巖主量和痕量元素分析由河北省區域地質調查院實驗室完成。主量元素分析采用常規濕法(AF)和X-熒光光譜儀(XRF)相結合測試完成,分析相對誤差在1%(SiO2)和2%(其他氧化物);微量元素和稀土元素運用高分辨率電感耦合等離子質譜法(ELEMENT)測試,分析相對誤差為1%～5%。分析結果見表1。

鋯石樣品的挑選、制靶和陰極發光(CL)圖像由河北省區域地質調查院實驗室完成。結合透反射顯微鏡觀察和陰極發光圖像選擇合適的鋯石顆粒進行鋯石U-Pb定年,避開包體和裂隙。鋯石LA-MC-ICP-MS測年在中國地質科學院礦產資源研究所“自然資源部成礦作用和資源評價重點實驗室”完成,鋯石定年分析所用儀器為Finnigan Neptune型MC-ICP-MS及其配套的Newwave UP 213激光剝蝕系統。所用激光剝蝕斑束直徑為30μm,頻率為10Hz,能量密度約為2.5J/cm2,以He為載氣。信號較小的207Pb,206Pb用離子計數器(multi-ion-counters)接收,208Pb,232Th,238U信號用法拉第杯接收,實現了所有目標同位素信號的同時接收且不同質量數的峰基本平坦,進而獲得高精度的數據。均勻鋯石顆粒n(207Pb)/n(206Pb),n(206Pb)/n(238Pb),n(207Pb)/n(235U)的1σ均為2%左右,對鋯石標準的1σ在1%左右。LA-ICP-MS激光剝蝕采樣采用單點剝蝕的方式,數據分析前先用鋯石GJ-1進行儀器調試,使之達到最優狀態,鋯石U-Pb定年以鋯石GJ-1為外標。測試過程中每測定10個樣品前后重復測定兩個鋯石標準進行樣品校正,并測量一個鋯石標準Plesovice,觀察儀器的狀態以保證測試的精度。數據處理采用ICPMSDataCal程序,鋯石年齡諧和圖用Isoplot 3.0程序獲得。詳細實驗測試過程可參見侯可軍等(2009)的文章。分析結果見表2。

3 分析結果

3.1 LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb年代學

本次工作對盤古河上游中基性雜巖體中的角閃輝長巖樣品(RZ4791-1)進行了LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb年齡測試(圖1)。雙目鏡下,該樣品中的鋯石多呈粉色透明的半自形柱狀,金剛光澤,晶內可見黑色固相包體,粒徑以80～200 μm為主,聚型由晶面(110)、(100)、(111)、(311)、(131)組成,長寬比在2∶1到1.5∶1之間。CL圖像中鋯石生長環帶清晰,環帶寬度較大(圖3),顯示出基性巖漿冷卻結晶特點,同時可以看出,部分鋯石具有核幔結構,核部亮度低呈灰黑色,幔部亮度較高呈灰白色,但它們的Th/U值為0.17～1.02,絕大多數大于0.4(表2),同樣表明其為巖漿鋯石。

圖3 盤古河上游角閃輝長巖鋯石陰極發光(CL)圖像與n(206Pb)/n(238U)年齡Fig.3 Cathodoluminescence(CL)images and n(206Pb)/n(238U) ages of zircons from hornblende gabbro in the upper reaches of Pangu River

此次對RZ4791-1樣品共選擇了25顆鋯石進行測試。其中2號鋯石測點由于測年諧和度差不參與討論;另外14號鋯石測點n(206Pb)/n(238U)年齡為522±7 Ma,應為繼承或捕獲的鋯石;無論測點位于核部還是幔部,其余23顆鋯石測試年齡都較為一致,均分布在諧和線上或其附近,n(206Pb)/n(238U)加權平均年齡為479.2±2.1 Ma(MSWD=0.57)(圖4),代表了角閃輝長巖的侵位結晶年齡,表明盤古河上游基性雜巖體形成于早奧陶世。

圖4 大興安嶺盤古河上游角閃輝長巖(RZ4791-1)鋯石U-Pb年齡諧和圖(a)和年齡分布圖(b)Fig.4 U-Pb concordiadiagram(a) and ages distribution diagram(b) of the zircons from hornblende gabbro in the upper reaches of Pangu River, Great Hinggan Mountains

3.2 主量元素特征

盤古河上游基性雜巖體SiO2介于40.74%～54.95%之間,平均值48.09%,小于大陸下地殼平均含量(53.4%)(Rudnick and Gao,2003);Al2O3介于10.70%～26.28%,變化較大,平均值17.81%,略高于大陸下地殼平均含量(16.9%)(Rudnick and Gao,2003);Fe2O3T含量為3.99%～14.66%,平均值9.86%;CaO含量較高,為4.99%～14.29%,平均值9.35%;MgO含量變化大,介于3.36%～17.78%,平均值7.76%,Mg#值為47～79;TiO2含量介于0.12%～1.87%;K2O含量為0.50%～2.28%,平均值1.19%;Na2O含量為0.45%～4.19%,平均值2.30%;Na2O/K2O值為0.46～3.64,平均值為2.10,整體顯示了相對富鈉低鉀的特征。樣品燒失量(LOI)介于1.20%～7.39%,扣除燒失量,對主量元素組成進行歸一化計算后再投圖(鄧晉福等,2015a)。在火成巖TAS圖解中,樣品落入橄欖輝長巖、輝長巖和輝長閃長巖區內(圖5a),與鏡下鑒定基本一致,且多屬于亞堿性系列巖石;在K2O—SiO2圖解中,樣品多屬于鈣堿性系列和高鉀鈣堿性系列,個別落入鉀玄巖系列(圖5b)。

圖5 大興安嶺盤古河上游中基性雜巖體TAS(a)和K2O—SiO2(b)圖解(底圖據Middlemost,1994)Fig.5 Diagrams of TAS (a) and K2O—SiO2(b) for intermediate—basic complex in the upper reaches of Pangu River, Great Hinggan Mountains (after Middlemost, 1994)

3.3 稀土和微量元素特征

在稀土元素球粒隕石標準化配分曲線圖上(圖6a),盤古河上游中基性雜巖體各樣品均表現為右傾曲線,輕重稀土元素比值(LREE/HREE)介于3.79～9.22,(La/Yb)N介于3.37～10.08,輕稀土分餾程度高,重稀土相對虧損,但不同樣品間的曲線形態差異較大,反映其具有不同的源區。已有研究結果表明,基性巖中Eu異常的發生最主要與斜長石有關,高的δEu值與斜長石的堆晶有關,而低的δEu值則與斜長石的分離結晶有關。盤古河上游早古生代中基性雜巖體各巖石樣品δEu=0.77～2.06,多數樣品具微弱的負Eu異常,表明大多數巖石樣品斜長石的結晶分異不明顯,少量樣品(PM05YQ3、PM05YQ4)具正Eu異常,暗示經歷了不同程度的斜長石堆晶作用。在玄武質巖漿中,除了2+、3+價過渡元素和石榴子石中的重稀土之外,大多數元素具有較低的礦物—熔體分配系數,隨著玄武質巖漿演化程度的提高,稀土總量逐漸升高(White,2001)。研究區基性雜巖體巖石樣品稀土元素總量(ΣREE)變化大,介于12.50×10-6～220.15×10-6,值得注意的是,隨著稀土總量的升高,δEu值逐漸降低,即從正銪異常向弱的負銪異常轉變(圖6a),共同顯示該雜巖體原生巖漿經歷了不同程度的演化。

圖6 大興安嶺盤古河上游中基性雜巖體球粒隕石標準化配分曲線(a)和微量元素原始地幔標準化配分曲線(b)(球粒隕石和原始地幔數據引自Sun and McDonough, 1989)Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized spider diagrams (b) for intermediate—basic complex in the upper reaches of Pangu River, Great Hinggan Mountains(after Sun and McDonough, 1989)

從微量元素原始地幔標準化蛛網圖(圖6b)上可以明顯看出,所有巖石樣品具有較為一致的曲線模型,相對富集Rb、Ba、U、K、Pb和Sr等大離子親石元素及放射性元素,而明顯虧損Nb、Ta、Ti等高場強元素,具有類似俯沖帶巖石的特征(Rudnick and Gao,2003),與火山弧玄武巖的地球化學特征相似。

4 討論

4.1 形成時代

盤古河上游早古生代中基性雜巖體出露面積較小,不同巖石類型間一般為漸變過渡或斷層接觸,其上被白堊紀地層不整合覆蓋,局部被早白堊世正長斑巖侵入,由于植被覆蓋嚴重,該巖體與周圍花崗質巖體接觸關系不明。黑龍江省地質調查總院齊齊哈爾分院?在橄欖輝石巖中取得的Sm-Nd全巖模式年齡為600±44 Ma,故將其時代置于新元古代,并認為圍巖二長花崗巖侵入其中。最近,趙碩(2017)對該雜巖體邊部位置的角閃輝長巖進行了測年工作,獲得了483±2 Ma(MSWD=0.36,n=15)和499±3 Ma(MSWD=0.33,n=9)兩組206Pb/238U加權平均年齡,并認為483±2 Ma代表了該巖體的形成時代。

為準確厘定該雜巖體的形成時代,筆者等通過LA-MS-ICP-MS鋯石U-Pb同位素分析方法對盤古河上游雜巖體中心位置的角閃輝長巖做了詳細的年代學分析測試工作,同時對其南側的細粒斑狀含黑云二長花崗巖也進行了同位素測年。其中,角閃輝長巖樣品測年結果為479.2±2.1 Ma(MSWD=0.57,n=23),與趙碩(2017)獲得的年齡在誤差范圍內一致,表明它們的侵位時代為早奧陶世,共同為該雜巖體的形成時代提供了精準約束。在雜巖體南側含黑云二長花崗巖中獲得的鋯石U-Pb年齡為774.1±3.8 Ma(待發表數據),表明該花崗質圍巖的形成時代為新元古代,而并非前人認為的寒武紀,故盤古河上游中基性雜巖體侵入于二長花崗巖之中。

4.2 地殼混染與分離結晶作用

基性巖一般起源于巖石圈地?；蜍浟魅Φ蒯?而大陸地殼常強烈虧損Nb、Ta等元素(Rudnick and Gao,2003),如果幔源巖漿經歷了一定規模的陸殼混染作用往往會形成類似俯沖帶巖漿巖的特征(Ernst et al., 2005;夏林圻等,2007;Xia Linqi,2014)。盤古河上游早古生代中基性雜巖體樣品均表現為富集大離子親石元素和輕稀土,而虧損高場強元素,顯示明顯的Nb、Ta負異常(圖5b),具有俯沖帶巖漿特征,暗示幔源巖漿可能受到了地殼混染作用,而細粒角閃輝長巖樣品中出現有少量寒武紀捕獲或繼承鋯石,表明巖漿上升過程中受到了圍巖的混染作用。前人研究表明,來自深部地幔物質的巖漿在上升過程中受到地殼物質混染作用時,其La/Sm值會迅速升高(>5)(Lassiter et al., 1997;徐義剛,1999;張招崇和王福生,2004;贠杰等,2017),盤古河上游早古生代中基性雜巖體樣品的La/Sm值為2.30～6.83,平均4.64,大多數樣品的La/Sm值小于5,暗示陸殼物質混染的程度較低。此外,樣品低SiO2(40.74%～54.95%,平均48.09%)和較高的Mg#值(47～79,平均61),同樣說明巖漿侵位過程中地殼物質的混染是有限的,因此判定其并未受到明顯的地殼混染作用,它們的Nb、Ta元素負異常是繼承巖漿源區的地球化學特征。

盤古河上游早古生代中基性雜巖體具有變化范圍較大的Mg#值(47～79)和Cr(17.4×10-6～603×10-6)、Ni(6×10-6～123×10-6)含量,多數樣品的含量明顯低于原生基性巖漿的Mg#值(68～75)(Tatsumi and Ishizaka,1981;Wilson,1989)、Cr(500×10-6～600×10-6)和Ni(250×10-6～350×10-6)含量(Perfit,1980;Hergt et al., 1991),暗示其在巖漿演化過程中存在一定程度的鎂鐵質礦物(如尖晶石、輝石、角閃石等)的分離結晶,這與樣品中暗色礦物主要為輝石和角閃石相一致。微量元素蜘蛛圖顯示樣品具有強度不等的Ti、P負異常,表明巖漿演化過程中可能發生了不同程度的Ti—Fe氧化物和磷灰石的分離結晶作用。

4.3 巖石成因及源區特征

盤古河上游早古生代中基性雜巖體具有低硅(SiO2=40.74%～54.95%)和高鎂(MgO=3.36%～17.78%)的特征,暗示其巖漿來源于地幔物質的部分熔融,且所有樣品Mg#值(47～79)均大于45,與下地殼基性巖部分熔融所形成的低硅、低Mg#(常小于40)熔體明顯不同(Rapp and Watson,1995;Rapp et al.,1999),進一步表明其來源于地幔物質的部分熔融。起源于巖石圈地幔的巖石相對原始地幔常富集大離子親石元素和輕稀土元素,虧損高場強元素(Nb、Ta),而起源于軟流圈地幔的物質往往同時富集大離子親石元素和高場強元素(Sun and McDonough,1989;Ewart et al., 1998;Elliott et al., 2003;張永明等,2019;那福超等,2022)。研究區早古生代中基性雜巖體富集大離子親石元素,虧損Nb、Ta、Ti和P等高場強元素,與起源于軟流圈地幔的巖石存在明顯差異。源于軟流圈地幔的基性巖La/Nb值一般小于1.5,La/Ta值小于22,而巖石圈地幔來源的基性巖則恰恰相反(Thompson and Morrison,1988;Watson,1993;Smith et al., 1999)。研究區早古生代中基性雜巖體La/Nb和La/Ta值分別為2.16～32.75(平均值6.96)、7.53～61.23(平均值35.89,僅Gs34樣品小于22),表明其巖漿源區主要為巖石圈地幔。另外,區內早奧陶世雜巖體普遍含有角閃石和黑云母,說明巖漿中富含揮發分,其源區是濕的而不是干的,這種特點同樣說明其源區為巖石圈地幔(張招崇等,2009;鄧晉福等,2015b)。

前期分析顯示盤古河上游早古生代中基性雜巖體未遭受明顯的地殼混染作用,其地球化學特征是繼承巖漿源區的,該中基性雜巖體以(高鉀)鈣堿性為特征(圖5b),蛛網圖中富集大離子親石元素和輕稀土元素,相對虧損Nb、Ta、Ti、P等高場強元素,與弧巖漿巖特征相似,表明地幔源區曾遭受俯沖流體或熔體的改造(Rudnick and Gao,2003)。研究結果顯示,弧巖漿中90%的Th來自俯沖的沉積物(Hawkesworth et al., 1997),有俯沖沉積物熔體加入的源區部分熔融產生的巖漿Th/Yb值通常大于2,而流體交代富集源區部分熔融產生的巖漿Th/Yb值通常小于1(Woodhead et al., 2001)。盤古河上游早古生代中基性雜巖體Th/Yb值為0.75～3.04,絕大多數樣品小于2,顯示巖漿源區巖石圈地幔以俯沖流體交代為主,沉積物熔體交代為輔的特征。

區域上,在研究區東南側不遠的塔河和翠崗地區發育有476～490 Ma的“雙峰式”火成巖(葛文春等,2005;趙碩,2017),與區內中基性雜巖體的成巖時代相近,而且它們的地球化學特征和鋯石Hf同位素也十分相似(張彥龍等,2010;趙碩,2017),應具有相同的構造環境和巖石成因。鋯石Hf同位素組成很少受到后期地質作用的影響,可以作為探討巖漿源區屬性的重要約束。趙碩(2017)在研究區內～483 Ma角閃輝長巖中獲得的鋯石εHf(t)為+1.9～+4.0,表明其來源于源區相對虧損組分的部分熔融,對應的一階段模式年齡TDM1為927～1012 Ma,二階段模式年齡TDM2變化范圍為1099～1229 Ma,說明區內早古生代中基性雜巖體來源于中—新元古代虧損巖石圈地幔。

盤古河上游早古生代中基性雜巖體樣品稀土配分曲線均呈明顯的右傾型,HREE不平坦,暗示其源區為石榴石穩定區域(Henderson,1982;McKenzie et al., 1991),部分熔融作用發生在巖石圈地幔較深的位置。稀土元素含量和比值在限定幔源巖漿源區及其部分熔融程度過程中十分有效,石榴子石強烈富集重稀土元素,對輕稀土元素則為強不相容元素,而尖晶石對輕、重稀土元素均不相容。因此,Sm/Yb值可以用來判斷地幔源區的礦物相,如果巖漿源區是石榴子石二輝橄欖巖部分熔融時,產生的熔體具有高于地幔源區的Sm/Yb值,而當巖漿源區為尖晶石二輝橄欖巖部分熔融時,會形成與地幔源區相似的Sm/Yb值(Aldanmaz et al., 2000,Xu Yigang et al., 2005)。在Sm/Yb—Sm圖解中(圖7),盤古河上游早古生代中基性雜巖體絕大多數巖石樣品位于尖晶石—石榴子石(50∶50)二輝橄欖巖與石榴子石二輝橄欖巖部分熔融線之間,而PM05YQ4樣品落在尖晶石二輝橄欖巖部分熔融線上,可能受堆晶作用影響,造成其Sm值偏低而顯示較高的部分熔融程度;在Sm/Yb—La/Yb圖解中(圖8),多數樣品位于尖晶石二輝橄欖巖與石榴子石二輝橄欖巖之間的部分熔融線上,而PM05YQ4樣品落在尖晶石二輝橄欖巖部分熔融線上;以上綜合表明該雜巖體多數樣品巖漿源區為含尖晶石的石榴子石二輝橄欖巖源區,其源區部分熔融程度可能在10%～20%之間不等,個別巖石樣品(PM05YQ4)源區為尖晶石二輝橄欖巖,可能是尖晶石二輝橄欖巖低程度部分熔融的產物。

圖7 大興安嶺盤古河上游早古生代中基性雜巖體Sm/Yb—Sm判別圖解(據Aldanmaz et al., 2000)Fig.7 Diagramsof Sm/Yb—Sm for intermediate—basic complex in the upper reaches of Pangu River, Great Hinggan Mountains (after Aldanmaz et al., 2000)

綜上所述,盤古河上游早古生代中基性雜巖體巖漿起源于以遭受俯沖流體交代為主、沉積物熔體交代為輔的中—新元古代虧損巖石圈地幔,源區主體為含尖晶石的石榴子石二輝橄欖巖,少數為尖晶石二輝橄欖巖,它們經歷了不同程度的巖漿演化。

4.4 構造環境

額爾古納地塊位于大興安嶺北部,傳統上將興華渡口群、佳疙瘩群視為該地塊的古老基底,認為其形成于古元古代。隨著高精度鋯石U-Pb定年技術的發展,上述古老基底已被解體,其主體形成于古生代,少量為新元古代(苗來成等,2007;Zhou Jianbo et al., 2011;Wu Fuyuan et al., 2011)。近年來,一些學者對額爾古納地塊基底性質進行了研究并取得了重要進展。邵軍(2015)在對得爾布爾鎮西南部比利亞谷鉛鋅多金屬礦床鉆孔內的片麻狀二長花崗巖中得到了2606±17 Ma鋯石U-Pb加權平均年齡。Hou Wenzhu等(2020)在漠河附近發現了2464±26 Ma的正片麻巖。另外,在額爾古納地塊東北部的韓家園鎮附近,孫立新等(2013)、Li Gongyu等(2019)和Sun Chenyang等(2019)在此分別報道了1741±30 Ma、1837±5 Ma、1785±45 Ma、1860±20 Ma和1861±4 Ma的花崗片麻巖鋯石U-Pb年齡。以上工作均證實額爾古納地塊是一個具有新太古代—古元古代基底的古老陸塊。

盤古河上游早古生代中基性雜巖體地處額爾古納地塊內部,但巖石樣品均富集大離子親石元素Rb、Ba、U、K、Pb和Sr等大離子親石元素及放射性元素,虧損高場強元素Nb、Ta、Ti,具有消減帶巖漿巖的標志性特征。在適合玄武質巖漿巖的Th/Yb—Ta/Yb構造環境判別圖解中(圖9a),區內早古生代中基性雜巖體除一個樣品(Gs34)外,其余樣品均落入活動大陸邊緣區域及附近;在Hf/3—Th—Nb/16圖解上全部落入島弧鈣堿性玄武巖區域內(圖9b)。以上分析顯示研究區早古生代中基性雜巖體可能形成于活動大陸邊緣弧。但上述特征同樣可以出現在陸內伸展環境,可能是由經歷了古板塊俯沖改造的巖石圈地幔部分熔融而成(夏林圻等,2007)。這是因為上述判別標志大多數是根據對大洋環境的研究而建立的,不能很好地解決大陸及洋陸結合帶這種復雜構造環境的判別(汪云亮等,2001),以至于火山弧、弧后伸展環境及陸內裂谷等構造背景的火成巖在上述判別圖解中常落在相同的區域。對于上述具有消減帶信號的基性巖,可以根據Zr含量和Zr/Y值,或利用Zr/Y—Zr圖解,判斷它們是否真正是島弧或活動大陸邊緣玄武巖(夏林圻等,2007)。在Zr/Y—Zr判別圖解(圖9c)中,研究區古生代中基性雜巖體則多屬于Zr/Y值較大的板內玄武巖區域范疇,指示其侵位于板內拉張構造背景。Th/Hf—Ta/Hf圖解也能夠有效區分大陸板內與俯沖帶環境玄武巖(汪云亮等,2001),區內早古生代中基性雜巖體樣品在Th/Hf—Ta/Hf圖解上多投點于大陸拉張帶(或初始裂谷)玄武巖區及其附近(圖9d),同樣顯示其形成于大陸板內張性環境,與前人對同時代花崗巖的研究結果一致(Wu Fuyuan et al., 2011;趙碩,2017;吳瓊等,2019;景妍等,2022),個別落入了地幔熱柱玄武巖區,暗示可能有軟流圈物質的貢獻。

圖9 大興安嶺盤古河上游早古生代中基性雜巖體的構造環境地球化學判別圖解: (a)Th/Yb—Ta/Yb圖解(據Pearce,1982);(b)Hf/3—Th—Nb/16圖解(據Wood,1980);(c)Zr/Y—Zr圖解(據Pearce and Norry,1979);(d)Th/Hf—Ta/Hf圖解(據汪云亮等,2001)Fig.9 Tectonic discrimination diagrams for intermediate—basic complex in the upper reaches of Pangu River, Great Hinggan Mountains: (a)Th/Yb vs. Ta/Yb (after Pearce, 1982);(b)Hf/3—Th—Nb/16(after Wood, 1980);(c)Zr/Y vs. Zr(after Pearce and Norry, 1979);(d)Th/Hf vs. Ta/Hf(after Wamg Yunliang et al., 2001)

判斷一個地區玄武質巖石是形成于大陸板內環境還是形成于島弧或活動大陸邊緣環境,比較可行的辦法除了仔細分析研究火成巖系的巖石共生組合特點及其地球化學特征,還有就是對該區同時期火山巖系產出的區域地質背景和與火山巖系共生的沉積巖系特點進行全面的綜合研究分析(夏林圻等,2007)。汪巖等(2017)在塔河瓦拉干林場發現的一套～500 Ma的中基性火山巖,該套巖石無任何變質變形,巖石類型以粗面玄武巖和玄武粗安巖為主,少見玄武安山巖,巖石中普遍含有橄欖石斑晶,且具有與研究區中基性雜巖體十分相似的地球化學特征,均屬(高鉀)鈣堿性系列,輕稀土富集,重稀土相對虧損,富集Rb、Ba、Sr、K,虧損Nb、Ta、Ti,且同樣具有較高的Zr/Y值。鄭全波等(2018)在富克山地區原興華渡口群中發現了一套早奧陶世(～487 Ma)基性火山巖,該套火山巖經過了高綠片巖相—低角閃巖相的變質作用。另外,包括研究區在內的額爾古納地塊東南緣廣泛發育有倭勒根群,前人將其歸屬為新元古代—早寒武世。最新研究資料顯示,倭勒根群是一套時間跨越寒武紀到志留紀的火山-沉積巖石地層組合,且整體表現為淺海相沉積的特征(苗來成等,2007;孫巍等,2014;杜海濤,2016;劉玉等,2016;姜迎久等,2019;蔣立偉,2019;杜兵盈等,2022),而并非前人認為的新元古代—早寒武世,其中新林地區倭勒根群之中的477 Ma細碧巖形成于板內構造環境(劉玉等,2016)。

上述研究表明,盤古河上游早古生代中基性雜巖體形成于大陸拉張帶(或初始裂谷)的構造背景,額爾古納地塊在早古生代(至少在～500 Ma以后)為板內張性環境,產生了包括研究區在內的一系列中基性雜巖體和酸性巖,同時在拉張環境下沉積了一套以早古生代倭勒根群為代表的連續的淺海相沉積建造。

4.5 構造演化及動力學意義

目前,對額爾古納地塊大量新元古代伸展巖漿事件(851～738 Ma)和以額爾古納河群(795～738 Ma)為代表陸相—淺海相沉積建造的構造背景已基本達成一致,為Rodinia超大陸裂解事件的產物(Wu Fuyuan et al., 2011;Tang Jie et al., 2013;Zhang Yihan et al., 2014;馮志強,2015;趙碩,2017),且與塔里木克拉通具有構造親緣性(趙碩,2017)。但對額爾古納地塊早古生代地質體的構造背景存在不同認識。多數學者認為是額爾古納地塊與興安地塊拼貼后的后造山構造背景(葛文春等,2005;隋振民等,2006;張彥龍等,2010;馮志強等,2014;Zhou Jianbo et al., 2015;趙碩,2017;柴明春等,2018;杜兵盈等,2019;景妍等,2022),塔河雜巖體為該構造背景的產物(葛文春等,2005;張彥龍等,2010);另有部分學者認為額爾古納地塊早古生代地質體形成于西伯利亞板塊與額爾古納地塊碰撞造山后構造背景(武廣等,2005;秦秀峰等,2007;王佰義,2019;吳瓊等,2019;張冬冬等,2022;周傳芳等,2022);還有學者認為額爾古納地塊北緣及東北緣早古生代花崗巖形成機制不同,前者形成于額爾古納地塊與西伯利亞古陸及蒙古—圖瓦地塊碰撞、拼接后伸展背景下,而后者主要形成于額爾古納與興安地塊碰撞伸展背景下(鞏鑫等,2022)。

從前述分析可知包括研究區中基性雜巖體在內的額爾古納地塊早古生代火成巖均形成于板內拉張環境,那么這種伸展構造背景到底與何種構造體系有關?亦或是同時受上述兩種構造體系控制?回答上述問題關鍵在于新林—喜桂圖洋閉合時限的界定及額爾古納與興安地塊的碰撞拼合時代。

額爾古納地塊早古生代地質體很可能不是額爾古納地塊與興安地塊拼貼后造山構造背景的產物,而與西伯利亞板塊和額爾古納地塊之間的俯沖碰撞有關。理由如下:新林—喜桂圖蛇綠混雜巖帶中環二庫696.8 Ma輝長巖(杜兵盈等,2017)、吉峰647 Ma輝長巖(馮志強,2015)和嘎仙628 Ma輝石巖(佘宏全等,2012)的出現,表明額爾古納地塊與興安地塊之間已經發育有成熟的新元古代古洋盆。Zhou Jianbo等(2015)在該蛇綠混雜巖帶西南段頭道橋地區發現的具OIB和N-MORB性質的藍片巖原巖為玄武巖,測得原巖鋯石U-Pb年齡為511～517 Ma,其形成環境與寒武紀的洋內(新林—喜桂圖洋)俯沖有關。孫巍等(2014)對新林地區倭勒根群大網子組火山巖和沉積巖進行了鋯石U-Pb定年,結果表明倭勒根群淺變質巖系是一套從寒武紀到早志留世的巖石地層組合,認為新林蛇綠巖的構造侵位時間不早于早奧陶世。最近,陳洋(2020)提出額爾古納地塊與興安地塊在寒武紀晚期至早奧陶世并未完全拼合在一起,烏奴耳—新林蛇綠混雜巖帶西南段仍存在洋盆。以上研究表明額爾古納地塊與興安地塊在寒武紀至早奧陶世并未拼合在一起,故該時期也就不存在所認為的額爾古納地塊與興安地塊拼貼后的后造山構造背景。

最新資料顯示,額爾古納地塊東南緣未見有大規模新元古代晚期—寒武紀早期與俯沖相關的火成巖,僅在環二庫和新林蛇綠混雜巖中分別見有零星二長花崗巖(574～571 Ma)和花崗閃長巖(557 Ma)(劉宇崴等,2017;Gou Jun et al., 2020),且認為環二庫花崗閃長巖形成于洋內俯沖島弧環境(劉宇崴等,2017),頭道橋地區在寒武紀(511～517 Ma)仍存在新林—喜桂圖洋內俯沖(Zhou Jianbo et al., 2015),同時在額爾古納地塊東南緣早古生代雙峰式火成巖中少有新元古代晚期繼承或捕獲鋯石(葛文春等,2005;隋振民等,2006;馮志強等,2014;Zhou Jianbo et al., 2015;趙碩,2017;柴明春等,2018;杜兵盈等,2019),上述情況均不支持新林—喜桂圖洋在新元古代晚期持續向額爾古納地塊之下俯沖。而俄羅斯境內的額爾古納地塊北緣存在較大規模與俯沖作用相關的石英閃長巖(607±8 Ma)、輝長巖(583±6 Ma)和英安巖(546±14 Ma),說明額爾古納地塊北部邊緣在新元古代晚期處于活動大陸邊緣環境(Sorokin et al., 2015a,b)。同時額爾古納地塊上少有542～517 Ma的巖漿事件和沉積記錄(趙碩,2017),表明額爾古納地塊在寒武紀早期整體處于隆升剝蝕階段,可能處于同碰撞階段(主碰撞期不利于巖漿上升)。隨后在額爾古納地塊北緣發育的517～504 Ma洛古河巖體形成于擠壓體制向拉張體制轉換的構造環境(武廣等,2005)。漠河地區發育的502 Ma Ⅱ型“埃達克質”巖表明該區早古生代存在加厚的地殼(秦秀峰等,2007),在西伯利亞克拉通南側的貝加爾地區、蒙古—圖瓦地塊北側也存在同期巖漿行動(Salnikova et al., 1998;2001),位于北極村、漠河和紅旗一帶出露的變質雜巖是由一系列～500 Ma高級變質成因的孔茲巖系構成,以上均暗示額爾古納地塊與西伯利亞克拉通南側在早古生代早期可能已經完成了構造拼貼,先前分隔二者的古大洋業已關閉(秦秀峰等,2007;周建波等,2011)。之后進入后造山板內伸展階段,形成了500～480 Ma后碰撞花崗巖到A型花崗巖的過渡(吳瓊等,2019),也會有部分顯示I型花崗巖特征(景妍等,2022),并伴有塔河、盤古河上游等同時期中基性火成巖(本文;葛文春等,2005;汪巖等,2017;趙碩,2017),構成了額爾古納地塊早古生代顯著的“雙峰式”火成巖。

綜合以上研究,額爾古納地塊早古生代(雙峰式)火成巖可能的成巖地球動力學過程描述如下:在新元古代晚期(>540 Ma),額爾古納地塊北緣處于俯沖作用的大陸邊緣弧環境,在形成陸緣弧火山巖的同時,弧巖漿底侵逐步形成富水巖石圈地幔;在早古生代早期(540～504 Ma),額爾古納地塊與西伯利亞板塊碰撞擠壓形成加厚地殼并逐漸向拉張體制轉變;在寒武紀苗嶺世(<504 Ma),隨著俯沖洋殼斷裂,軟流圈地幔上涌,該區進入后碰撞伸展環境,先前的富水巖石圈地幔發生減壓熔融,基性—超基性巖漿沿著深大斷裂上升侵位,形成了包括塔河、盤古河上游等雜巖體在內的早古生代鎂鐵質—超鎂鐵質侵入體,局部噴出地表形成板內玄武巖;底侵基性—超基性巖漿的巨大熱量導致下地殼物質部分熔融,形成了額爾古納地塊廣泛發育的早古生代多種類型的酸性侵入體,局部巖漿混合可以形成閃長質巖石。

5 結論

(1)LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年結果顯示大興安嶺北段盤古河上游角閃輝長巖形成時代為479.2±2.1 Ma。結合前人年代學資料,盤古河上游中基性雜巖體形成于早奧陶世。

(2)盤古河上游早古生代中基性雜巖體屬(高鉀)鈣堿性系列,富集輕稀土和大離子親石元素(Rb、Ba、U、K、Pb和Sr),虧損Nb、Ta、Ti、P等高場強元素,顯示與島弧巖漿巖相似的地球化學特征,巖漿源自以板片流體交代為主、沉積物熔體交代為輔的虧損巖石圈地幔,源區主體為含尖晶石石榴子石二輝橄欖巖,少量巖石為尖晶石二輝橄欖巖部分熔融的產物。

(3)盤古河上游早古生代中基性雜巖體形成于大陸拉張帶(或初始裂谷)的構造環境,可能與西伯利亞板塊和額爾古納地塊碰撞后巖石圈伸展背景有關。

致謝：在野外調查過程中得到了項目組成員吳連亨高級工程師、賈立民高級工程師、王建儒高級技師、李豐工程師、鞠佳興助理工程師等人的幫助。感謝審稿專家及編委會對論文認真的審閱和提出的寶貴意見。

注 釋 / Note

? 黑龍江省地質調查總院齊齊哈爾分院. 2000. 黑龍江省1∶25萬呼中鎮幅區域地質調查報告.