Chronology and spatiotemporal distribution of Pre-Mesozoic granites in northeast China
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摘要:
通过东北1：150万、1：250万地质编图，系统梳理总结了东北地区花岗岩类时空格局。东北地区的花岗岩类岩石分布广泛，活动时代漫长，从太古宙直到新生代呈多幕式展现。收集、梳理了394件前中生代花岗岩类同位素测年数据，锆石年龄总体上出现3350 Ma，3150 Ma，2550~2450 Ma，2200 Ma，1800 Ma，950 Ma，800 Ma，500 Ma和300 Ma九个明显高峰值和大于3600 Ma，2900~2700 Ma，2400~2250 Ma，2100~1900 Ma，1700~1500 Ma，1400~1300 Ma，和1150~950 Ma 7个空白年龄段，年龄数据的高峰值恰好与研究区基底形成、陆壳生长、超大陆汇聚及分离、地块俯冲、碰撞、拼贴等主要构造事件时间点吻合，反映了研究区构造演化历史。在时空分布上，太古宙花岗岩类主要分布于华北古陆区的辽东鞍山、本溪、清原，辽西建平、锦州，辽南大连和吉南地区；加里东期花岗岩类集中分布在额尔古纳、佳木斯、张广才岭、大兴安岭北端，但在华北古陆上较少；华力西期花岗岩类分布在额尔古纳、大兴安岭主脊、张广才岭—小兴安岭、延边-绥芬河及沿索伦—西拉木伦—长春—延吉一线两侧。
Abstract:Based on the 1:1 500 000 scale and 1:2 500 000 scale geological mapping, the spatial and temporal pattern of granitoids in northeast China is systematically summarized.The granitoids in northeast China are characterized by wide distribution and long active age with multistage from Archean to Cenozoic.The zircon dating of 394 samples reveals 9 distinct peaks of ages, namely 3350 Ma, 3150 Ma, 2550~2450 Ma, 2200 Ma, 1800 Ma, 950 Ma, 800 Ma, 500 Ma, and 300 Ma, and seven blank segments, namely > 3600 Ma, 2900~2700 Ma, 2400~2250 Ma, 2100~1900 Ma, 1700~1500 Ma, 1400~1300 Ma and 1150~950 Ma.The peak value of data coincides with the time points of major tectonic events such as basement formation, continental crust growth, supercontinental convergence and separation, subduction, collision and collage, reflecting the tectonic evolution history of the study area.In terms of spatial and temporal distribution, Archean granites are mainly distributed in Anshan, Benxi, Qingyuan of eastern Liaoning, Jianping and Jinzhou in western Liaoning, Dalian in southern Liaoning and southern Jilin.Caledonian granitoids are concentrated in the northern part of Erguna, Jiamusi, Zhangguangcailing and Greater Khingan Range, but a few in the North China craton.Variscan granitoids are distributed in Erguna, Daxinganling main ridge, and two sides of Zhangguangcailing-Xiaoxinganling line, Yanbian-Suifen River line and Soren-Silamulun-Changchun-Yanji line.
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Keywords:
- northeast China /
- granite /
- Pre-Mesozoic /
- isotopic age
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中亚造山带是世界上最大的古生代增生带和最大的显生宙大陆地壳生长带[1-7], 是一个持续俯冲增生造山带[8-10]。北山造山带作为中亚造山带的重要组成部分(图 1-a)，是研究和支撑中亚造山带古生代构造格局的关键地区[12]。
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图 1 北山造山带蛇绿岩时空分布(a)和中亚造山带构造简图(b)(据参考文献[11]修改)Figure 1. Temporal and spatial distribution of ophiolites in the Beishan orogenic belt(a) and structural sketch map of the Central Asian orogenic belt(b)内蒙古北山地区位于中亚造山带南缘，西邻东天山，东接阿拉善，其大地构造位置较复杂[13-16]。经历了多阶段的俯冲拼贴过程，形成了从南向北依次出露的柳园-账房山、洗肠井-白云山-牛圈子-红柳河、小黄山-芨芨台子、红石山-百合山等多条蛇绿混杂岩带(图 1-b)，前人对不同的蛇绿岩进行了研究，获得了丰富的资料[17-24]。近年的研究资料表明，北山造山带中部的洗肠井-白云山-牛圈子-红柳河蛇绿岩最早形成于寒武纪[13, 20, 25]，奥陶纪向北强烈俯冲[10]。对于早泥盆世的构造属性，存在柳园蛇绿岩向北俯冲[26-28]、同碰撞或弧陆拼贴[29]、造山后伸展[30]等多种认识，泥盆纪岩浆岩成为研究古生代洋陆转化的重要载体之一。然而，前人的研究集中在花岗岩类，对火山岩的研究很少。李向民等[31]及Guo等[26]报道了在牛圈子地区的志留纪—泥盆纪三个井组火山岩，该火山岩地层的东西向延伸、区域对比亟需进一步研究。
鉴于此，本文以最新的1:5万填图资料及测试数据为基础，通过岩石学、岩石地球化学、锆石Lu-Hf同位素等特征的综合分析，对白云山南侧三个井组火山岩的时代归属进行重新厘定，研究其岩石成因及形成的大地构造环境，为探讨白云山洋盆的闭合时限提供重要的依据。
1. 区域地质
白云山东距额济纳旗约250 km，东临月牙山-洗肠井蛇绿构造混杂岩带，西部为牛圈子蛇绿岩带(图 1)。白云山蛇绿岩带呈北西西向带状展布，东西长约26 km，南北宽2~4.5 km。下部主要出露橄榄岩、辉橄岩、二辉橄榄岩等超基性杂岩，普遍蛇纹石化，构造混杂岩带强糜棱岩化，辉长岩和斜长花岗岩呈岩株状侵出地表；上部为红褐色-紫红色含放射虫硅质岩，构造作用强烈，多呈岩块分布于蛇绿构造混杂岩带中，表现出远洋沉积的特征并被后期辉绿岩脉侵入。蛇绿构造混杂岩带北部为晚奥陶世白云山组弧前盆地沉积建造及中志留世石英闪长岩，被认为是哈萨克斯坦板块与塔里木板块之间大洋俯冲的产物[13]。混杂岩带南部出露二叠纪、泥盆纪侵入体，地层主要为被动陆缘沉积的晚奥陶世锡林柯博组，主要岩性为灰绿色变质长石岩屑砂岩、灰绿色变质长石石英砂岩、灰褐色白云岩等，被敦煌地块中新元古界碳酸盐岩沉积盖层逆冲掩覆。研究区三个井组是从前人认为的横峦山群中新识别而来的，与北侧的锡林柯博组呈断层接触，岩石组合主要为一套凝灰质长石岩屑砂岩、凝灰质粉砂岩、硅质粘土岩夹基性-中基性火山岩。火山岩主要由玄武岩、玄武安山岩、流纹质凝灰岩等组成，玄武岩以层状构造为主，部分发育枕状构造及气孔杏仁状构造(图 2-a)。
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图 2 月牙山幅地质简图(a)和三个井组PM06实测剖面(b)①a图：1—中、新元古界；2—寒武纪—奥陶纪西双鹰山组；3—晚奥陶世锡林克博组；4—晚奥陶世白云山组；5—早泥盆世三个井组二段；6—晚泥盆世墩墩山组；7—早白垩世赤金堡组；8—新近系；9—第四系；10—白云岩透镜体；11—蛇绿岩带；12—超基性岩块；13—花岗闪长岩；14—石英闪长岩脉；15—闪长岩脉；16—断层；17—PM06剖面位置；b图：1—安山质晶屑凝灰岩；2—长石岩屑砂岩；3—凝灰质长石岩屑砂岩；4—杏仁状安山岩；5—玄武岩；6—流纹斑岩；7—闪长岩；8—硅质白云岩；9—结晶灰岩；10—安山岩；11—断层破碎带；12—不整合界线；13—产状；14—采样位置Figure 2. Geological map of Yueyashan Sheet(a)and measured profile PM06 of Sangejing Formation(b)2. 岩石学特征
枕状玄武岩：中等风化程度，风化面呈灰色-灰绿色，新鲜面呈深灰色-灰色，局部枕状构造明显，表面常见小气孔。主要矿物组成为斜长石+辉石(75%)，暗色矿物(25%)，岩石由斑晶、基质组成。斑晶主要由矿物假象组成，粒径约1 mm，零星分布，后期被帘石交代呈假象产出，含量约为2%。基质由斜长石、暗色矿物组成，粒径小于0.2 m。斜长石呈板条状，长轴多显定向排列，略显残余间粒结构，后期具帘石化、粘土化、褐铁矿化、碳酸盐化、次闪石化；暗色矿物后期多具帘石化、褐铁矿化、次闪石化呈假象产出。岩内可见被硅质、褐铁矿、少量碳酸盐矿物充填的微裂纹。
气孔-杏仁状玄武岩：风化作用较强，风化面和新鲜面都为深灰色，岩内未见斑晶。岩石由斜长石、辉石和暗色矿物组成，斜长石含量约为65%，辉石含量约20%，暗色矿物约为15%。斜长石呈半自形板状、板条状，粒径为0.1~1 mm，长轴定向排列，显交织结构，后期具粘土化、绢云母化、碳酸盐化、褐铁矿化。暗色矿物后期具帘石化、褐铁矿化、碳酸盐化、绿泥石化，呈假象产出，杂乱分布于斜长石间。岩内多见被碳酸盐、硅质、帘石充填的杏仁体，呈云朵状、不规则状，大小为0.5~10 mm，长轴多显定向排列，岩内另见被碳酸盐矿物充填的裂隙。杏仁体占岩石体积的10%~15%。
3. 实验方法
用于岩石地球化学研究的玄武岩样品采自白云山一带锡林柯博组南部三个井组剖面(PM06)(图 2-b)，样品采集过程中避开脉体发育地段。样品分别进行主量和微量元素测试。样品磨碎至200目后，在中国地质调查局天津地质调查中心实验室进行主量和微量元素分析测试。主量元素使用X-射线荧光光谱仪(XRF-1500)法测试，误差优于2%~3%。微量及稀土元素利用酸溶法制备样品，使用ICP-MS(ElementⅡ)测试，分析误差优于10%。化学分析测试流程见参考文献[32-33]。
本次选取(PM06)实测剖面中的气孔状玄武岩样品(4206-1)，采样位置为北纬98°29′44″、东经41°32′36″。锆石分选由河北省廊坊诚信地质服务有限公司完成，首先进行粉碎分选，分选出的锆石在双目镜下挑选，选择透明度较高、晶形较完好且内部无裂隙具有代表性的锆石进行制靶，锆石阴极发光图像制备、制靶工作由北京锆年领航科技有限公司完成。通过反射光、透射光及阴极发光图像综合分析，选择晶形好、环带清晰的锆石样品进行测试。锆石LA-ICP-MS测试在天津地质调查中心实验室完成，利用激光剥蚀等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)进行锆石U-Pb同位素测试。
激光剥蚀系统为New Wave UP213，ICP-MS为布鲁克M90。激光剥蚀过程中采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度，二者在进入ICP之前通过一个Y型接头混合。每个时间分辨分析数据包括20~30 s的空白信号和50 s的样品信号。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-Th-Pb同位素比值和年龄计算)采用软件ICPMSDataCal[34]完成。锆石样品的U-Pb谐和图绘制和年龄加权平均计算均采用Isoplot/Ex_ver3[35]完成。本次测试剥蚀直径根据实际情况选择25 μm。
锆石Hf同位素组成的分析是在阴极发光(CL)图像分析和锆石U-Pb定年的基础上进行的，分析前将锆石再次清洗干净并晾干。测试在天津地质调查中心实验室ThermoFinnigan Neptune型多接收电感耦合等离子质谱仪MC-ICP-MS上进行，各颗粒分析点的位置与锆石U-Pb分析的位置相同，激光频率为8 Hz，束斑直径为44 μm，信号采集时间26 s，详细分析流程见参考文献[36]。在计算初始176 Hf/177Hf值时，Lu的衰变常数采用1.867×10-11a-1[37]，εHf值的计算采用[38]推荐的球粒陨石Hf同位素值，176 Lu/177Hf = 0.0336，176Hf/177Hf = 0.282785。在Hf单阶段模式年龄计算中，亏损地幔176Hf/177Hf现在值采用0.28325，176Lu/177Hf采用0.0384[39]，两阶段模式年龄计算时采用平均地壳的176Lu/177Hf = 0.015[40]。
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图 3 三个井组玄武岩宏观(a、b)和镜下特征(c、d)Pl—斜长石；Px—辉石Figure 3. Macroscopic (a, b)and microscopic(c, d) characteristics of basalts in Sangejing Formation4. 分析结果
4.1 主量元素
白云山地区三个井组玄武岩的主量元素分析结果见表 1，SiO2含量为41.48%~48.36%，平均为46.03%，Na2O为2.93%~3.75%，平均为3.27%，K2O质量分数变化较大，为0.08%~2.06%，可能反映岩石后期变质较强。TiO2含量为1.76%~2.66%，平均为2.10%，Al2O3含量较高为14.55%~16.55%，平均为15.43%，FeO含量较高，为3.58%~6.13%，平均为5.22%。Fe2O3含量为2.74%~7.06%，平均为4.60%。Mg#值为43.19~67.93，平均为56.71，明显低于原生岩浆范围(Mg#=68~75)[41]，同样低于典型的MORB的Mg#[42]，表明岩浆经历了结晶分异作用。
表 1 三个井组玄武岩主量、微量和稀土元素分析结果Table 1. Geochemical data of major, trace elements and REE for Sangejing Formation basalt样号 P6YQ18-1 P6YQ25-1 P6YQ25-2 YQ4206-1 SiO2 41.48 48.36 46.87 47.41 Al2O3 16.55 14.92 14.55 15.68 Fe2O3 2.74 4.24 7.06 4.37 FeO 5.34 5.82 3.58 6.13 CaO 11.50 11.82 11.89 9.28 MgO 2.83 6.08 6.37 6.84 K2O 2.06 0.45 0.20 0.08 Na2O 3.75 2.93 3.12 3.28 TiO2 2.66 1.76 1.98 1.99 P2O5 0.47 0.21 0.22 0.24 MnO 0.13 0.16 0.19 0.15 灼失量 9.91 2.61 2.99 3.87 总计 99.42 99.36 99.02 99.32 Mg# 43.19 56.96 58.77 67.93 Hf 5.73 3.55 4.06 4.21 Zr 213 124 137 142 Cr 154 211 239 236 Ni 57.00 73.60 93.70 73.80 Ga 22.50 19.20 20.40 19.10 Rb 29.40 6.22 5.20 1.84 Sr 230 476 478 371 Y 282 267 32.2 392 Nb 18.50 8.05 9.61 9.39 Cs 2.29 0.13 0.24 0.15 Ba 173 554 237 94.4 Ta 1.35 0.63 0.74 0.68 Pb 1.94 1.83 2.12 2.18 Th 1.93 1.20 1.14 1.05 U 0.94 0.31 0.31 0.33 La 18.30 9.90 10.40 14.60 Ce 41.80 23.90 24.50 20.80 Pr 6.07 3.63 3.70 4.25 Nd 27.40 17.60 18.20 18.60 Sm 6.90 4.85 4.97 5.15 Eu 2.22 1.75 1.74 1.65 Gd 7.63 5.73 4.97 5.49 Tb 1.30 1.00 1.02 0.92 Dy 7.70 6.22 6.37 5.99 Ho 1.50 1.23 1.28 1.26 Er 3.88 3.31 3.39 3.46 Tm 0.56 0.48 0.51 0.52 Yb 3.61 3.30 3.35 3.39 Lu 0.54 0.50 0.51 0.50 ∑LREE 102.69 61.63 63.51 65.05 ∑HREE 26.72 21.77 21.4 21.53 LREE/HREE 3.84 2.83 2.97 3.02 (La/Yb)N 3.42 2.02 2.09 2.9 δEu 0.94 1.02 1.07 0.95 Nb/Y 0.50 0.26 0.30 0.54 ΔNb 0.79 0.86 0.01 0.97 注：Mg#＝100×Mg/(Mg+Fe)，△Nb=1.74+lg(Nb/Y)-1.92×lg(Zr/Y)；主量元素含量单位为%，微量和稀土元素含量单位为10-6 本次采集的4个三个井组火山岩样品，在火山岩TAS图解(图 4-a)上有3件落入玄武岩区域。Pearce提出的Nb/Y-Zr/TiO2×10-4图解被认为是划分蚀变、变质火山岩系列的有效图解[44]。由图 4-b可以看出，全部样品落入亚碱性玄武岩区域。进一步通过AFM图解(图 5)可知，亚碱性玄武岩基本为拉斑玄武岩系列。
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图 4 火山岩TAS图解(a)[43]和玄武岩Nb/Y-TiO2×10-4图解(b)Pc—苦橄玄武岩；B—玄武岩；O1—玄武安山岩；O2—安山岩；O3—英安岩；R—流纹岩；S1—粗面玄武岩；S2—玄武质粗面安山岩；S3—粗面安山岩；T—粗面岩、粗面英安岩；F—副长石岩；U1—碱玄岩、碧玄岩；U2—响岩质碱玄岩；U3—碱玄质响岩；Ph—响岩；Ir—Irvine分界线，上方为碱性，下方为亚碱性Figure 4. TAS diagram for volcanic rock(a)and Nb/Y-TiO2×10-4 diagram for basalts(b)4.2 稀土和微量元素
白云山地区蛇绿混杂岩带南侧三个井组玄武岩稀土元素分析结果见表 1。稀土元素总量(∑REE)为83.40×10-6~129.41×10-6, 平均为96.08×10-6，其中轻稀土元素(∑LREE)为67.36×10-6~110.32×10-6，平均为79.18×10-6，重稀土元素(∑HREE)为16.04×10-6~19.09×10-6，平均为16.90×10-6，轻、重稀土元素分馏明显，LREE/HREE值为4.17~5.78，平均为4.64，轻稀土元素较重稀土元素明显富集。(La/Yb)N值为2.15~3.64，稀土元素球粒陨石标准化配分曲线整体呈现轻稀土元素富集的右倾型(图 6-a)，显示岛弧玄武岩的地球化学特征。δEu值为0.94~1.07，没有明显的Eu异常，表明没有发生斜长石结晶分异作用。
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微量元素分析结果见表 1。Nb/Y值为0.26~0.54，主体小于1，是源区低压熔融的结果[33]。微量元素原始地幔标准化蛛网图(图 6-b)显示，大离子亲石元素具有强烈的分异特征，Rb、Ba、Th、U、K等大离子亲石元素变化较大，可能与海相玄武岩形成时遭受海水热液蚀变及后期绿泥石、透闪石蚀变有关[48]。高场强元素整体含量变化不大，Nb等高场强元素呈亏损的特征。
4.3 锆石U-Pb年龄
本次分析获得32个测点的数据(表 2)，由锆石阴极发光图像(图 7)可知，锆石颗粒多为暗黑，大部分锆石具有清晰的岩浆振荡环带。Th/U值介于0.06~1.62之间，绝大多数大于0.4，说明绝大多数锆石为岩浆成因[49-51]。玄武岩锆石通常为自形-半自形的板柱状或不具有韵律生长环带的浑圆状、不规则状。由CL图像可知，本次挑选的32颗锆石不完全属于玄武岩锆石，如15、16、19、25、30号等均属于花岗岩类的锆石，所以最终挑选出9颗玄武岩锆石进行研究(图 8-a)。
表 2 三个井组玄武岩样品(4206-1)LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb数据Table 2. LA-ICP-MS zircons U-Th-Pb data of Sangejing Formation basalt(4206-1)测点号 Th/10-6 U/10-6 Pb/10-6 Th/U 同位素比值 年龄/Ma 207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ 207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ 4206.1.01 86 105 7 0.82 0.057 0.002 0.494 0.014 0.057 0.002 484 58 408 11 394 4 4206.1.02 100 195 13 0.52 0.057 0.002 0.501 0.017 0.057 0.002 471 80 413 14 402 5 4206.1.03 105 998 34 0.11 0.053 0.001 0.266 0.006 0.053 0.001 329 30 240 5 231 4 4206.1.04 91 125 9 0.73 0.055 0.002 0.486 0.014 0.055 0.002 430 62 402 12 397 4 4206.1.05 19 62 4 0.31 0.053 0.003 0.469 0.026 0.053 0.003 326 120 390 21 401 5 4206.1.06 57 115 7 0.50 0.054 0.005 0.416 0.041 0.054 0.005 383 221 353 35 349 4 4206.1.07 147 116 6 1.26 0.052 0.002 0.304 0.012 0.052 0.002 270 86 270 10 270 3 4206.1.08 88 300 19 0.29 0.056 0.001 0.492 0.010 0.056 0.001 465 43 406 8 396 4 4206.1.09 140 182 13 0.77 0.055 0.002 0.487 0.018 0.055 0.002 397 84 403 15 404 4 4206.1.10 66 82 4 0.80 0.052 0.002 0.321 0.015 0.052 0.002 263 107 282 13 285 3 4206.1.11 90 172 12 0.52 0.055 0.001 0.496 0.012 0.055 0.001 424 51 409 10 406 4 4206.1.12 418 555 40 0.75 0.056 0.001 0.504 0.007 0.056 0.001 457 28 414 6 406 4 4206.1.13 51 246 115 0.21 0.163 0.002 0.109 0.156 0.163 0.002 2486 19 2445 38 2396 30 4206.1.14 383 294 23 1.30 0.057 0.001 0.495 0.009 0.057 0.001 485 37 409 7 395 4 4206.1.15 65 110 7 0.59 0.056 0.003 0.490 0.030 0.056 0.003 461 135 405 25 395 4 4206.1.16 133 162 10 0.82 0.054 0.001 0.398 0.010 0.054 0.001 387 52 340 8 333 4 4206.1.17 135 282 18 0.48 0.055 0.002 0.468 0.014 0.055 0.002 396 66 390 11 388 4 4206.1.18 538 332 206 1.62 0.166 0.002 0.910 0.144 0.166 0.002 2521 19 2515 33 2509 25 4206.1.19 223 587 38 0.38 0.056 0.001 0.493 0.009 0.056 0.001 449 39 407 8 399 4 4206.1.20 40 56 4 0.72 0.057 0.002 0.496 0.022 0.057 0.002 499 94 409 18 393 4 4206.1.21 44 58 4 0.76 0.056 0.003 0.483 0.027 0.056 0.003 460 119 400 22 390 4 4206.1.22 261 337 13 0.77 0.052 0.001 0.259 0.006 0.052 0.001 286 43 234 5 229 3 4206.1.23 122 226 75 0.54 0.110 0.001 4.704 0.062 0.110 0.001 1791 21 1768 23 1748 17 4206.1.24 257 710 46 0.36 0.056 0.001 0.486 0.008 0.056 0.001 431 34 402 7 397 4 4206.1.25 136 175 12 0.78 0.058 0.001 0.491 0.011 0.058 0.001 519 45 406 9 386 4 4206.1.26 176 623 38 0.28 0.056 0.001 0.488 0.007 0.056 0.001 464 27 403 6 393 4 4206.1.27 198 558 36 0.35 0.056 0.001 0.496 0.008 0.056 0.001 447 30 409 6 402 4 4206.1.28 87 215 14 0.41 0.058 0.001 0.502 0.011 0.058 0.001 518 41 413 9 395 4 4206.1.29 152 424 27 0.36 0.056 0.001 0.496 0.007 0.056 0.001 468 28 409 6 399 4 4206.1.30 249 399 31 0.62 0.056 0.001 0.496 0.012 0.056 0.001 448 44 409 9 402 4 4206.1.31 17 280 95 0.06 0.116 0.001 5.523 0.073 0.116 0.001 1900 21 1904 25 1908 19 4206.1.32 661 1208 137 0.55 0.068 0.001 1.029 0.016 0.068 0.001 882 24 718 11 667 8 ![]()
图 8 三个井组玄武岩锆石阴极发光(CL)图像(a)和207Pb/235U-206Pb/238U谐和图(b)(虚线圈为Lu-Hf测试点位)Figure 8. Zircorn CL images(a)and 207Pb /235U-206Pb /238U concordia diagram(b)of Sangejing Formation basalt4206-1样品中9颗玄武岩锆石的测试结果显示，9颗锆石的数据点都位于谐和线上或附近(图 8-b)，其206Pb/238U年龄值明显分为2组，第一组7颗锆石的206Pb/238U年龄介于393~406 Ma之间，年龄加权平均值为396.6±3.3 Ma(MSWD=1.9)(图 8-b)；第二组为270 Ma、285 Ma两个较年轻的锆石年龄。通过分析认为，数据较多且较集中的第一组年龄是玄武岩的岩浆结晶年龄，即早泥盆世，而第二组2个年轻的年龄可能是后期混入的岩浆碎屑锆石。
4.4 锆石Lu-Hf同位素
本次对白云山一带三个井组玄武岩U-Pb年龄测定的样品进行了锆石Lu-Hf同位素测试，测点尽量与U-Pb年龄测定位置相同或靠近，结果见表 3。通过5个点的测定，εHf(t)=+4.67~+8.02，176Hf/177Hf=0.282662~0.282762;一阶段锆石Hf模式年龄tDM1=692~826 Ma。
表 3 三个井组玄武岩锆石Lu-Hf同位素数据Table 3. Lu-Hf isotope data of Sangejing Formation basalt测点号 t/Ma 176Yb/177Hf 176Lu/177Hf 176Hf/177Hf 176Hf/177Hfi 2σ εHf(0) εHf(t) tDM1/Ma tDM2/Ma fLu/Hf 4206.01.11 406 0.020250 0.000876 0.282678 0.282672 0.000029 -3.31 5.40 811 1052 -0.97363 4206.01.14 395 0.017497 0.000782 0.282692 0.282686 0.000029 -2.82 5.67 789 1026 -0.97646 4206.01.20 393 0.013875 0.000589 0.282664 0.282660 0.000027 -3.82 4.68 825 1087 -0.98225 4206.01.21 390 0.019975 0.000787 0.282762 0.282756 0.000069 -0.36 8.02 692 873 -0.97630 4206.01.28 395 0.012072 0.000507 0.282662 0.282658 0.000022 -3.90 4.67 826 1090 -0.98474 5. 讨论
5.1 火山岩地层形成时代及归属讨论
白云山地区“横峦山群或咸水湖组”的时代及地层归属一直备受争议②[52]。甘肃省第二区测队1972年开展石板井幅1:20万区测时，依据岩石组合特征，将该套火山岩划分为横峦山群；甘肃地质力学测量队1977年、1979年开展五道明幅、黑鹰山幅、六驼山幅1:20万区测时，又将该套火山岩划分为咸水湖群。李文国等[52]通过对比研究，认为北山地区该套火山岩地层仍属于咸水湖组，同样缺乏确凿证据。尽管本次研究的该套火山岩与前人划分的横峦山群或咸水湖组火山岩的岩性组合、颜色具有相似性，然而，本次获得玄武岩锆石206Pb/238U年龄加权平均值为396.6±3.3 Ma(MSWD=1.9)，属早泥盆世，并非前人划分的中奥陶世。前人在甘肃北山红柳园地区测得三个井组火山岩形成于420±15 Ma，所以将红柳园地区蛇绿岩带南侧的三个井组时代更新为晚志留世[31, 53]，红柳园地区三个井组岩石组合为杏仁玄武岩、凝灰质砂岩夹粉砂岩及灰岩透镜体砾岩；白云山地区三个井组一段为灰黑色玄武岩、灰黑色细砂岩夹薄层灰白色-浅灰色灰岩、硅质岩等，二段为灰绿色长石岩屑细砂岩、中细砂岩夹复成分砾岩、灰岩透镜体、灰绿色枕状玄武岩、晶屑凝灰岩等。从年代学及岩石组合看，二者极相似，笔者认为，白云山一带所谓的横峦山群或咸水湖组应划分为下泥盆统三个井组。
5.2 构造环境
北山造山带是天山-兴蒙造山带的关键枢纽地带[20]，该地区经历了南华纪前大陆地壳基底演化、超大陆裂解和洋壳演化、碰撞期后板内伸展-陆内叠覆造山4个演化阶段[54]。研究区蛇绿岩岩块仅出露于晚奥陶世锡林柯博组中，在三个井组未发现蛇绿岩岩块，因此蛇绿岩就位于早泥盆世之前，三个井组可能为洋盆闭合后伸展背景下形成。而且，本文厘定的三个井组拉斑玄武岩与区域大面积出露的泥盆纪S型、A型花岗岩[29]在空间上紧密伴生，在区域上并未发现同时代的安山岩等中性岩浆活动，即SiO2含量存在明显的Daly间断。由此可见，北山造山带中部早泥盆世为伸展构造背景。
地球化学特征是判别火山岩形成环境的重要标志之一。对于发生蚀变或弱变质作用的火山岩，使用在蚀变和变质作用过程中受影响最小、稳定性较好的Zr、Th、Nb、Ta、Y等高场强元素进行构造环境判别比较有效。玄武岩构造环境Nb/Zr-Th/Zr判别图解(图 9)显示，玄武岩具有裂谷背景的地球化学特征，TiO2/Al2O3-Zr/Al2O3及Zr/TiO2-Ce/P2O5构造环境判别图解(图 10)显示，玄武岩投点位于后碰撞弧范围，判别图解显示的弧岩浆岩地球化学特征与稀土元素配分曲线显示的岛弧玄武岩配分曲线特征吻合。综上所述，三个井组玄武岩形成于伸展的构造背景，源区具有岛弧玄武岩的部分特征。
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图 9 玄武岩大地构造环境Nb/Zr-Th/Zr双对数判别图[55]Ⅰ—大洋板块发散边缘N-MORB区; Ⅱ—板块汇聚边缘(Ⅱ1—大洋岛弧玄武岩区; Ⅱ2—陆缘岛弧及陆缘火山弧玄武岩区); Ⅲ—大洋板内(洋岛、海山玄武岩区、T-MORB、E-MORB区); Ⅳ—大陆板内(Ⅳ1—陆内裂谷及陆缘裂谷拉斑玄武岩区; Ⅳ2—大陆拉张带(或初始裂谷)玄武岩区; Ⅳ3—陆-陆碰撞带玄武岩区); Ⅴ—地幔热柱玄武岩区Figure 9. Th /Zr and Nb /Zr double logarithmic plot for identification of tectonic settings for basalts![]()
图 10 三个井组玄武岩TiO2/Al2O3-Zr/Al2O3图解(a)和Zr/TiO2-Ce/P2O5图解(b)[56]WIP—板内；CAP—陆弧；PAP—后碰撞弧；IOP—初始洋弧；LOP—晚期洋弧Figure 10. TiO2/Al2O3-Zr/Al2O3 (a)and Zr/TiO2-Ce/P2O5 (b)diagrams of Sangejing Formation basalts5.3 岩石成因
锆石的Lu-Hf同位素体系有很高的封闭温度，且相对于U-Pb同位素体系更不易被后期流体、热事件改造[57]，使得锆石可以记录岩浆源区的信息。因此，采用Hf同位素研究岩浆的来源。
三个井组玄武岩εHf(t)为较高的正值(+4.67~+8.02)，为地幔物质部分熔融的产物。在t-176Hf/177Hf图解(图 11-a)上，数据点落入球粒陨石Hf同位素演化线和亏损地幔之间区域，相对集中，且tDM1=692~826 Ma，表明三个井组玄武岩源区主要为新元古代亏损地幔。其微量元素Ni(154.00×10-6~522.00×10-6)和Cr(57.00×10-6~453.00×10-6)含量主体低于原始岩浆的参考数值[58](Ni≈250.00×10-6、Cr≈300.00×10-6)，仅有1个样品Ni、Cr含量高于该参考值，表明该玄武岩浆早期演化过程中可能发生过橄榄石、辉石的结晶分离作用，这与该区玄武岩较低的Mg#值吻合。研究表明，Dy/Yb值代表来源于不同矿物相源区、不同部分熔融程度的玄武岩浆[59]。一般认为，当Dy/Yb＞2.50时，部分熔融发生在含石榴子石地幔源区，当Dy/Yb＜1.50时，则为尖晶石地幔源区[60]。三个井组玄武岩的Dy/Yb值为1.77~2.13，在La/Yb-Dy/Yb图解(图 11-b)中，处于石榴子石二辉橄榄岩熔融趋势线以下，尖晶石二辉橄榄岩熔融趋势线以上，部分熔融程度接近20%。
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6. 结论
(1) LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果表明，北山地区白云山蛇绿岩带南部玄武岩锆石的206Pb/238U年龄加权平均值为396.6±3.3 Ma，应为早泥盆世三个井组火山岩。
(2) 三个井组玄武岩岩浆来自新元古代亏损地幔的局部熔融，可能是亏损尖晶石相地幔橄榄岩向石榴子石相地幔橄榄岩过渡相较高程度部分熔融的产物，且在上升过程中可能受到一定程度的地壳物质混染。
(3) 三个井组玄武岩主要为拉斑玄武岩系列，与区域上同期的S型、A型花岗岩构成双峰式岩浆岩，结合地球化学研究认为其处于造山后伸展构造环境。
致谢: 本文以东北地区花岗岩地质编图、东北地区重大岩浆事件及其构造背景和成矿作用综合研究和东北显生宙岩浆事件及其构造背景调查与研究3轮项目的基础资料和成果报告为基础写作而成；3轮项目实施历时8年，得到了东北地区长期从事地质工作的李之彤、赵春荆、王五力、张允平等先生的亲切关怀和指导，吉林大学葛文春教授团队、迟效国教授团队，黑龙江省地质研究总院唐臣、梁科伟，吉林省区域地质矿产调查所于宏斌等同志的参与、帮助，也得到了中国地质调查局科技外事部(前期)及中国地质科学院地质所王涛研究员及其团队张磊、黄河等同志(后期)的指导和大力支持，积累了丰富的资料，提炼了丰硕的成果。笔者谨以此文向多年来一直给予支持和帮助的老师、领导和同志们表示真挚的感谢；同时，向杜玉春博士生和刘洋硕士在CDR图件处理上给予的帮助表示感谢。 -
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图 1 东北地区及各地花岗岩年龄频谱分布图
Figure 1. Age frequency distribution of granitoids in northeast China ang other regions
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图 2 东北地区前中生代花岗岩类岩浆-构造事件格架
Figure 2. Pre-Mesozoic granitoid magma-tectonic event framework in northeast China
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图 3 东北地区前寒武纪花岗岩分布示意图
F1—塔源-喜桂图断裂；F2—贺根山-黑河断裂；F3—索伦-西拉木伦河-延吉断裂；F4—嘉荫-牡丹江断裂
Figure 3. Distribution of Precambrian granite in northeast China
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图 4 东北地区早古生代花岗岩分布示意图
F1—塔源-喜桂图断裂；F2—贺根山-黑河断裂；F3—索伦-西拉木伦河-延吉断裂；F4—嘉荫-牡丹江断裂
Figure 4. Distribution of Early Paleozoic granite in northeast China
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图 5 东北地区晚古生代花岗岩分布示意图
F1—塔源-喜桂图断裂；F2—贺根山-黑河断裂；F3—索伦-西拉木伦河-延吉断裂；F4—嘉荫-牡丹江断裂
Figure 5. Distribution of Late Paleozoic granite in northeast China
表 1 东北地区太古宙典型花岗岩体分布
Table 1 Statistics of typical granite of Archean in northeast China
地区 年龄/Ma 代表性岩体 时代 岩体 松嫩地块 2579±15 Ar 3 龙江山泉 额尔古纳地块 2606±17 Ar 3 额尔古纳比列亚铅锌多金属矿区钻孔 辽吉古陆块 3321~2501 Ar3 东山、小莱河、上马乡、汤圆、董家沟、会全栈、老金厂、北甸子、大荒顶子 Ar2 白家坟、陈台沟、东山、铁架山 Ar1 白家坟、铁架山、东山 注：Ar3—新太古代；Ar2—中太古代；Ar1—古太古代 
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表 2 东北地区元古宙典型花岗岩体分布
Table 2 Statistics of typical granite of Proterozoic in northeast China
地区 年龄/Ma 代表性岩体 时代 岩体 辽吉古陆块 2479~1769 Pt1 牌坊店、亮甲店、清园、坊店、亮甲店、泉山村、钱桌沟、清河、双岔、卢家堡子、矿洞沟、后仙峪、连山关、高家沟、清原、金城洞 额尔古纳地块 1847~791 Pt1 满归 Pt2-Pt3 满归 Pt3 洛古河、奇乾、碧水、太平川、 兴安地块 1837~601 Pt1-Pt3 韩家园子 佳木斯地块 1004~627 Pt3 穆棱、东风山、楚山、西北楞 松嫩地块 1808±14 Pt1 龙江马山 注：Pt3—新元古代；Pt2—中元古代；Pt1—古元古代
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表 3 东北地区早古生代典型花岗岩体分布
Table 3 Statistics of typical granite of Early Paleozoic in northeast China
地区 年龄/Ma 代表性岩体 时代 岩体 额尔古纳地块 504~491 ∈3 哈拉巴奇、西门都里河、洛古河 ∈4 十九站、塔河 485~440 O1 兴华渡口、塔河、满归、查拉班河 O2 莫尔道嘎、哈拉巴河、管护站、十八站 O3 佳疙瘩、永庆林场、洛古河、阿龙山、十八站 417~416 S4 管护站南 大兴安岭地区兴安地块 501~499 ∈3 韩家园子、十八站、内河 485~441 O1 多宝山、大岭、霍龙门、查拉班河 O2 九三站、查拉班河 O3 霍龙门、九三站 小兴安岭-张广才岭松嫩地块 517~492 ∈2 孟山 ∈3 鸡岭岩、东风山岩、乌拉嘎老沟林场、黄泥岭 ∈4 鸡岭、小北湖岩体 474~442 O1 汤旺河、朝鲜屯、英城子 O3 尚志黑龙宫、小龙宫 433~432 S1 晨明岩体 佳木斯地块 534~491 ∈1 东麻山、柳毛 ∈2 萝北、虎头 ∈3 虎头、三兴村、双鸭山、柳毛、三道沟、西麻山马家街、鸡西 485~474 O1 佳木斯、勃利、新兴村、虎头 注：∈4、∈3—晚寒武世；∈2—中寒武世；∈1—早寒武世；O3—晚奥陶世；O2—中奥陶世；O1—早奥陶世；S4—晚志留世；S1—早志留世
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表 4 东北地区晚古生代典型花岗岩体分布
Table 4 Statistics of typical granite of Late Paleozoic in northeast China
地区 年龄/Ma 代表性岩体 时代 岩体 辽吉古陆块 320~338 C1 海沟、小梨河岩体 302 C2 雁脖岭 285 P1 百里坪岩体 260~277 P2 小捕屯岩、六颗松岩、万宝、大顶子岩体 251~253 P3 龙岩洞岩体 兴安地块南部林西地区 358.7 D3 林西-赤峰 321~354 C1 杜社也图、金星、白音高勒、达其浑迪、毛山东 301~316 C2 梅林达巴、米生庙、乌兰沟、锡林格勒 280~287 P1 特勒古特、板山图 259~276 P2 下海苏沟、毛山东、元宝山、前进场、房框子沟、达青牧场、锡林浩特 250~254 P3 毛山东、东荒、双井 额尔古纳地块 322~-336 C1 塔源、抓洛古 304~318 C2 甘河、伊和乌拉、塔源 259~260 P2 白鹿岛、查干银矿 254 P3 八道卡 兴安地块大兴安岭地区 381 D1 博克图 356~364 D3 罕达气-新开岭、九三站、罕达盖 320~352 C1 塔尔其、梅山岩体、嫩江、狼峰、罕达气-新开岭、博克图-扎兰屯、霍龙门 296~319 C2 霍龙门、宝力格、大狼沟、兴安岭顶、免渡河林场、十二站、罕达气-新开岭、宝山、扎兰屯、兴安岭西、阿日盖岩体、塔尔气铁矿、兴安、塔尔气、依克特、梅山岩体、原林钼矿、检查站、正达山、卧都河 278~295 P1 红花尔基二道桥、四站林场、小山屯、劲松桥东、东方红、大黑山、嫩江、霍龙门、五道沟、多宝山、免渡河林场、博克图-扎兰屯 259~267 P2 松木山、查干银矿、固固河、噶仙镍钴矿、兴安 松嫩地块小兴安岭- 张广才岭地区 366~400 D 新田、磐石县呼兰北 323~352 C1 泉眼沟、榆树川、新村屯岩体、后庙岭、新田、磐石县呼兰北 310~320 C2 棉田、梨树、四楞山岩体、伊春新青南沟、海沟岩体 293 P1 大洞 258~267 P2 鹰嘴砬子、青阳岩体、四号林场、三道林场、大架山、鹤岗大驾山、大红石砬子、大岭、白云林场、放牛沟岩体、大砬子、丰林林场、红石屯岩体、大炕山 251~257 P3 大红石砬子、安逸岩体、石人岩体、柳树河岩体、宝山、尖山子岩体、西大河岩体 佳木斯地块 306~312 C2 大安屯、山洞村、柴河、石场 278~290 P1 萝北杜家河、光复屯、岗子沟 258~275 P2 岗子沟、美作、石场、青山、金厂、萝北杜家河 254~257 P3 柴河、岗子沟、楚山、杨田寨南山 注：D—泥盆纪；D2—晚泥盆世；D1—早泥盆世；C2—晚石炭世；C1—早石炭世；P3—晚二叠世；P2—中二叠世；P1—早二叠世
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