地质通报  2019, Vol. 38 Issue (7): 1228-1239  
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华永成, 张素梅, 张韶斐, 肖震霞, 张树岐. 黑龙江宝清地区早古生代花岗岩锆石U-Pb年龄及岩石地球化学特征[J]. 地质通报, 2019, 38(7): 1228-1239.
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Hua Y C, Zhang S M, Zhang S F, Xiao Z X, Zhang S Q. U-Pb zircon age and geochemical characteristics of Early Paleozoic granites in the Baoqing area, Heilongjiang Province[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(7): 1228-1239.
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基金项目

黑龙江省国土资源厅项目《黑龙江省宝清幅等三幅1:5万区域矿产地质调查》(编号:HLJKD2008-15)

作者简介

华永成(1989-), 男, 在读硕士生, 矿物学岩石学矿床学专业。E-mail:1098272701@qq.com

通讯作者

张素梅(1977-), 女, 博士, 大地构造专业。E-mail:smzhang2004@163.com

文章历史

收稿日期: 2018-07-27
修订日期: 2019-03-10
黑龙江宝清地区早古生代花岗岩锆石U-Pb年龄及岩石地球化学特征
华永成1 , 张素梅1,2 , 张韶斐1 , 肖震霞1 , 张树岐3     
1. 河北地质大学资源学院, 河北 石家庄 050031;
2. 中国地质科学研究院地质研究所, 北京 100037;
3. 黑龙江地球物理勘察院, 黑龙江 哈尔滨 150036
摘要: 对黑龙江宝清地区七一林场正长花岗岩岩体、干涸沟口二长花岗岩进行了详细的地球化学分析和U-Pb锆石测年,结果表明,正长花岗岩与二长花岗岩的形成年龄分别为523.3±2.4Ma和523.3±2.3Ma,属于早寒武世。地球化学的研究显示,岩石具有准铝质-过铝质钙碱性碱性和高分异I型花岗岩的特点,高硅、高铝、富碱。属于轻稀土元素富集、重稀土元素亏损型;δEu=0.38~1.73,平均值为1.05,根据Eu的正负异常,将宝清地区的花岗岩分为2类,正Eu异常型花岗岩和负Eu异常型花岗岩。富集大离子亲石元素(LILE)Rb、K,亏损高场强元素(HFSE)Nb、Ta、P、Ti。结合区域构造背景与年代学特征,在早古代以前佳木斯-兴凯地块可能属于同一个大陆——冈瓦纳大陆,在泛非运动主峰期之后,由于陆块的碰撞,形成大量的早古生代花岗质岩石。
关键词: 佳木斯地块    正长花岗岩    二长花岗岩    LA-ICP-MS锆石U-Pb测年    地球化学    构造环境    
U-Pb zircon age and geochemical characteristics of Early Paleozoic granites in the Baoqing area, Heilongjiang Province
HUA Yongcheng1, ZHANG Sumei1,2, ZHANG Shaofei1, XIAO Zhenxia1, ZHANG Shuqi3     
1. Hebei Geo University, College of Resource, Shijiazhuang 050031, Hebei, China;
2. Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
3. Geophysical Exploration Institute of Heilongjiang Province, Harbin 150036, Heilongjiang, China
Abstract: Detailed geochemical analysis and U-Pb zircon dating were carried out for Qiyilinchang syenogranite and Ganhegoukou monzonitic granite in Baoqing area, Heilongjiang Province. The results show that the ages of the syenogranite and monzonitic granite are 523.3±2.4Ma and 523.3±2.3Ma respectively, implying early Cambrian. Petrogeochemical studies show that they have the features of quasi aluminous peraluminous calc alkaline and high differentiation Ⅰ-type granite with high silicon, high aluminum and rich alkali. They belong to the type of LREE enrichment and HREE depletion. δEu=0.38~1.73, averaging 1.05. According to positive and negative Eu anomalies, the granites in Baoqing area are divided into positive Eu anomaly granite and negative anomaly granite. They are enriched in large ion rock elements (LILE) Rb and K, and depleted in high field strength elements (HFSE) Nb, Ta, P and Ti. Combined with regional tectonic background and chronology, the authors hold that, before early Proterozoic, Jiamusi-Xingkai massif might have belonged to the same continent of Gondwana and then, after the peak period of the Pan African movement, due to the collision of continental blocks, large quantities of Early Paleozoic granitic rocks were formed.
Key words: Jiamusi massif    syenogranite    monzonitic granite    LA-ICP-MS zircon U-Pb dating    geochemistry    tectonic setting    

研究区位于佳木斯地块东部(图 1-a),该地块是华北克拉通与西伯利亚克拉通之间的多个微陆块之一[2]。佳木斯地块经历了多期次、多阶段的复杂构造演化,形成了大量的花岗质岩[3-5]。花岗岩在佳木斯地块主要经历了早寒武世和中—晚二叠世2期花岗质岩浆作用[5],前人对中—晚二叠世花岗质岩浆作用进行了大量的研究工作,获得了较准确的年龄数据,以及详细的岩石学特征、地球化学特征等资料,认为从晚二叠世开始佳木斯地块由古亚洲洋构造域转变为环太平洋构造域[6-13]。但是,对于早古生代佳木斯地块东部的构造演化与岩浆活动是否与古生代的兴凯地块具有相似的成因机制,有待于进一步研究。笔者通过早古生代花岗岩的岩相学研究、锆石U-Pb同位素测年及地球化学分析,对佳木斯地块东部花岗岩体的形成时代、成因机制和构造意义进行了详细的研究,为揭示古生代的佳木斯地块东南缘与兴凯地块的构造演化历史提供新的地质资料与依据。

图 1 中国东北大地构造图(a, 据参考文献[1]修改)和研究区地质简图(b, 据参考文献修改) Fig.1 Tectonic map of Northeast China (a) and geological sketch map of the study area(b)
1 地质背景

佳木斯地块主要由麻山变质杂岩(麻山群)、黑龙江增生杂岩(黑龙江群)和寒武纪与二叠纪花岗岩组成[12, 14-20]。麻山变质杂岩为一套低压高温角闪岩相-麻粒岩相变质作用的变质岩系, 其主要岩石类型有长英质片麻岩、石墨片岩、矽线石榴片麻岩、石榴矽线黑云片岩、镁质大理岩、紫苏透辉麻粒岩等, 主要分布在麻山—柳毛、大盘道—林口、铁岭山—桦楠镇一带[21]。麻山变质杂岩经历了500Ma左右晚泛非期麻粒岩相的变质作用,具有变质杂岩的特征[21-25]。黑龙江增生杂岩为一套绿片岩相-角闪岩相变质的变质增生岩,主要岩石类型为蓝片岩、云母钠长片岩、绿泥石片岩、透闪石片岩、阳起石片岩、大理岩、变玄武岩、变辉长岩、变质熔岩、含放射虫和几丁虫化石的硅质岩,其原岩与蛇绿混杂岩相当[4, 26-28],沿牡丹江断裂呈带状集中分布,主要见于萝北、依兰和牡丹江地区。可能是佳木斯地块西缘与松嫩地块碰撞增生形成的混杂岩[3, 14, 26-27]。麻山变质杂岩与黑龙江增生杂岩呈构造接触。早寒武世花岗岩具有高钾钙碱性I型花岗岩的特点,其岩体主要分布于腰屯、七星泡、宝石河、岚峰—小城子等地区,形成于加厚造山带地壳发生垮塌构造环境,为古—中元古代下地壳部分熔融的产物[17]。二叠纪花岗岩主要包括美作、青山、楚山、柴河、石场、锦山、方山、永清、六连等岩体,具有活动大陆边缘构造环境的特征[1, 5, 12, 19, 29-30]

2 岩相学特征

在研究区主要鉴别出早古生代正长花岗岩体、二长花岗岩体等(图 1-b)。正长花岗岩(样品号1108)分布零星,以岩瘤、岩枝状产出,出露面积约23km2,主要分布在七一林场等地,岩体岩石类型以似斑状正长花岗岩为主,具似斑状结构,块状构造,岩石主要矿物组成为钾长石(50%~55%):卡氏双晶,条纹结构,粒度1~5mm;斜长石(10%~15%):粒状,聚片双晶和卡钠联合双晶,An29,粒度0.7~2mm;石英(18%~20%):他形粒状集合体,粒度0.5~2mm;副矿物为黑云母(3%~5%):片状,平行消光;含少量角闪石。

二长花岗岩岩体(样品号5142)分布干河沟口、小城子北沟、西南沟、七星河二道沟、小南沟,龙庆河源、泥鳅河上源一带,侵入体大小不等,总面积约100km2,岩石类型为灰红色-灰黄色中细粒二长花岗岩,具中粒半自形结构,块状构造,岩石主要矿物组成为钾长石(20%~23%):微斜长石和条纹长石,半自形板状,见卡氏双晶和条纹结构,粒度0.5~5mm;斜长石(35%~40%):半自形板状,聚片双晶,An28,绢云母化,粒度1.5~5mm;石英(10%~15%):半自形粒状,波状消光,粒度1.5~5mm;副矿物为角闪石(15%~20%),半自形柱状,2组斜交解理,粒度2~5mm;黑云母(5%~7%),片状,平行消光;含少量褐帘石、榍石、磁铁矿。

3 LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb同位素测定结果

用于锆石U-Th-Pb同位素测定的样品为灰黄色正长花岗岩(1108)和灰白色中细粒二长花岗岩(5142),新鲜原岩样品在河北省区域地质矿产调查研究所实验室分选出锆石单矿物。将锆石晶体制成环氧树脂靶,打磨和抛光至锆石晶体核部出露。锆石U-Pb年龄在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室中利用LA-ICP-MS方法测定,实验中采用氦气为剥蚀物质的载气,同位素外标样为标准锆石91500,计算采用标准玻璃NIST600作外标,分析方法及仪器参数见参考文献[32]。每个测点的同位素比值、年龄值和元素含量用GLIT-TER程序计算得到,用Anderson[33]方法扣除普通铅,采用Isoplot程序[34]进行加权平均计算及U-Pb谐和图绘制。

图 2 岩相学特征 Fig.2 Petrographic characteristics of granite rocks a、b—正长花岗岩;c—辉石英云闪长岩;d—黑云母二长花岗岩。Bi—黑云母;Pl—斜长石;Kf—钾长石;Q—石英;Px—辉石

1108样品(灰黑色正长花岗岩)的锆石阴极发光(CL)图像见图 3。锆石大部分呈自形-半自形晶,发育明显的岩浆振荡环带。U-Pb同位素测定年龄见表 1图 4。Th/U值为0.15~0.42,表明锆石为典型的岩浆成因。测得20个数据,鉴于12.1、14.1、15.1、17.1号点明显偏离谐和线,故予以剔除。其余16个点的206Pb/238U年龄介于515~527Ma之间,年龄加权平均值为523.3±2.4Ma(MSWD=0.65)。

图 3 正长花岗岩(1108)和二长花岗岩(5142)锆石阴极发光(CL)图像 Fig.3 CL images of the zircons from syenogranite (1108) and monogranite (5142)
表 1 正长花岗岩(1108)和二长花岗岩(5142)LA-ICP-MS单颗粒锆石U-Th-Pb同位素数据 Table 1 U-Th-Pb isotopic dating results for the single-grain zircon from syenogranite (1108) and monogranite(5142)
图 4 正长花岗岩(1108)和二长花岗岩(5142)锆石U-Pb谐和图 Fig.4 Zircon U-Pb concordia diagrams of syenogranite (1108) and monogranite (5142)

5142样品(灰白色中细粒二长花岗岩)的U-Pb同位素测定结果见表 1图 4,锆石阴极发光(CL)图像见图 3。锆石自形程度高,发育明显的岩浆振荡环带,Th/U值为0.07~0.39,表明锆石为典型的岩浆成因。测得20个数据,剔除4.1、13.1、15.1、19.1共4个点(理由同上)后剩余16个点的206Pb/238U年龄介于517~527Ma之间,年龄加权平均值为523.3±2.3Ma(MSWD=0.45)。

4 地球化学特征

主量、微量和稀土元素的分析由黑龙江省地质矿产测试应用研究所实验室完成,主量元素采用荧光光谱仪(XRF)分析,微量和稀土元素的分析采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)完成。

4.1 主量元素

主量、微量元素分析结果及相关参数见表 2。SiO2含量为66.1%~79.18%,平均为72.63%;Al2O3含量为11.34%~15.01%,平均为13.51%;TiO2含量为0.06%~0.83%,平均为0.29;全碱含量(Na2O+K2O)为6.75%~9.21%,K2O/Na2O值为1.30~2.57;铝饱和度A/CNK值为0.903~1.144,A/NK值为1.50~2.22,在A/CNK-A/NK图解(图 5-a)中,样品点分布在准铝质-过铝质系列,同时样品都在I型花岗岩系列;在AR-SiO2碱度率图解(图 5-b)中,样品点分布在钙碱性-碱性系列。

表 2 花岗质岩石主量、微量和稀土元素分析结果 Table 2 Major, trace and rare earth element data of granite rocks
图 5 花岗质岩石A/CNK-A/NK (a)[35-36]AR-SiO2(b)图解[37] Fig.5 A/CNK versus A/NK (a) and AR-SiO2 (b) diagrams for the granite rocks
4.2 微量和稀土元素

稀土元素总量(ΣREE)为63.43×10-6~233.56×10-6,平均为131.67×10-6;轻稀土元素(LREE)总量为53.22×10-6~215.34×10-6,平均为118.89×10-6;重稀土元素(HREE)总量为3.96×10-6~22.78×10-6,平均为12.78×10-6;LREE/HREE值为4.03~22.69,平均为11.36×10-6;(La/Yb)N=9.18~38.22。稀土元素球粒陨石标准化分布图解(图 6-a)显示,曲线右倾,斜率较大,轻、重稀土元素分馏程度高,轻稀土元素富集,重稀土元素亏损;δEu=0.38~1.73,平均为1.05,当δEu>1时为正异常,反之则为负异常。样品4031、1108、5142和2111具正Eu异常,样品4113、4058、3985和1190具负Eu异常。在微量元素原始地幔标准化蛛网图(图 6-b)上,富集大离子亲石元素(LILE)Rb、K,亏损高场强元素(HFSE)Nb、Ta、P、Ti。

图 6 花岗质岩石球粒陨石标准化稀土元素配分图解(a)和原始地幔标准化蛛网图(b)(标准化数据据参考文献[38]) Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagram (b)
5 讨论 5.1 岩石类型及演化过程

本文分析的早古生代花岗岩属于准铝质-过铝质钙碱性、碱性系列,岩石中的大部分副矿物含有角闪石、磁铁矿等。研究区样品的铝饱和度A/ CNK<1.1,在A/CNK-A/NK图解(图 5-a)中,研究区花岗岩类型以I型花岗岩为主[36, 39]。正长花岗岩与二长花岗岩的主量元素SiO2、K2O+NaO和Al2O3含量较高,FeO、Fe2O3和MgO含量较低,过渡元素Cr、Co、Ni含量较低,微量元素P、Ti、Nb等的负异常可能是岩浆演化过程中磷灰石与磁铁矿发生了分异作用;U、Th、Rb元素含量较高,表明岩浆作用过程中可能有大陆地壳物质的参与[16, 40-41]。在稀土元素球粒陨石标准化分布图解中,曲线整体右倾,轻稀土元素富集、重稀土元素亏损,暗示岩浆源区可能有角闪石等矿物残留。根据Eu的正负异常,将宝清地区的花岗岩分为2类,正Eu异常型花岗岩和负Eu异常型花岗岩。正Eu异常表明,在岩浆演化过程中,斜长石在分离结晶作用过程中没有结晶出大量的斜长石而残留在熔体中,导致Eu呈正异常;负Eu异常显示,斜长石在岩浆分离结晶作用过程中大量晶出导致残余熔体中形成明显负异常[42]。在Harker图解中,随着SiO2含量的增加,MgO、CaO、P2O5、TiO2、MnO含量呈现下降趋势,K2O、Al2O3含量增加(图 7),且所有投影点均呈线性关系,具同源岩浆演化的特征。

图 7 花岗质岩石主量元素Harker图解 Fig.7 Harker plots of selected major elements for the granitic rocks
5.2 花岗岩体形成的时代

对宝清地区的七一林场正长花岗岩岩体、干涸沟口二长花岗岩岩体进行LA-ICP-MS锆石U-Pb测年,所测花岗岩中的锆石大部分呈自形-半自形晶,普遍发育岩浆振荡环带,暗示为岩浆成因锆石。测年结果显示,七星河正长花岗岩体(1108)和干涸沟二长花岗岩体(5142) LA-ICP-MS锆石UPb年龄分别为523.3±2.4Ma和523.3±2.3Ma,与佳木斯地块东部小城子花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄518±10Ma(MSWD=0.26) [18]、柳毛花岗岩体SHRIMP锆石U-Pb年龄530±11Ma(MSWD =0.58) [25]相近,也与兴凯地块的虎头斑状花岗岩体SHRIMP锆石U-Pb年龄518±7Ma、虎头变形花岗岩体SHRIMP锆石U-Pb年龄491±4Ma[43]一致,表明佳木斯地块与兴凯地块应为同一时代,即早古生代。

5.3 构造环境

杨浩等[44]在密山地区的庆仙水库获得正长花岗片麻岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为891±13~898±4Ma,表明在新元古代佳木斯-兴凯地块发生了岩浆活动。吕长禄等[45]在穆棱地区获得麻山群中角闪黑云花岗质片麻岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为892±3Ma,说明新元古代佳木斯地块存在麻山群的结晶基底,发现在新元古代佳木斯-兴凯地块具有相同的岩浆-变质作用,具有一定的构造亲缘性关系。在西伯利亚克拉通南缘贝加尔湖地区获得了Sludyanskiy杂岩麻粒岩相变质作用期间U-Pb锆石年龄为471±2~488±0.5Ma[46],比本文获得的花岗质岩石锆石年龄年轻50Ma左右,表明佳木斯-兴凯地块可能与西伯利亚克拉通没有亲缘性的关系。在冈瓦纳大陆普遍存在530Ma左右的岩浆-变质作用事件[47]。从锆石测年数据看,佳木斯-兴凯地块与冈瓦纳大陆具有亲缘性的关系,在早古生代以前佳木斯-兴凯地块可能属于冈瓦纳大陆的一部分,泛非造山运动导致在古生代表现为大陆块之间的陆-陆碰撞造山过程和大量新生地壳增加的增生-碰撞造山带[2, 47]。研究区花岗岩岩体出露于佳木斯地块东部,本文选取的8个样品在侵入岩(Yb+Ta)-Rb(图 8-a)和(Yb+Nb)-Rb(图 8-b)判别图解中,位于同碰撞花岗岩与火山弧花岗岩的边界处。综上所述,佳木斯-兴凯地块可能在早古生代受到泛非造山运动的影响,陆块发生碰撞,形成大量的早古生代花岗岩。

图 8 花岗质岩石(Yb+Ta)-Rb(a)和(Yb+Nb)-Rb(b)构造环境判别图[48] Fig.8 (Yb+Ta) versus Rb (a) and (Yb+Ta) versus Rb (b) discrimination diagrams of tectonic environment for granite rocks ORG—大洋脊花岗岩;WPG—板内花岗岩;VAG—火山弧花岗岩;syn-COLG—同碰撞花岗岩
6 结论

(1)佳木斯地块东部早古生代花岗质岩石呈现准铝质-过铝质钙碱性碱性、铝饱和度A/CNK<1.1、高分异I型花岗岩的特点,随着SiO2含量的增加,MgO、CaO、P2O5、TiO2、MnO含量呈下降趋势,K2O、Al2O3含量则相对增加,且均呈线性关系,表明这些花岗质岩石具有同源岩浆演化的特征。

(2)锆石U-Pb测年结果表明,七一林场正长花岗岩体和干涸沟口二长花岗岩岩体年龄分别为523.3±2.4Ma和523.3±2.3Ma,应属于早古生代。与其相邻的兴凯地块虎头斑状花岗岩体锆石U-Pb测年结果为518±7Ma,表明佳木斯-兴凯地块在早古生代有类似的岩浆-构造事件。

(3)根据构造环境研究,早古代以前,佳木斯-兴凯地块可能属于同一个大陆——冈瓦纳大陆,然后又经历了泛非期的变质作用(麻粒岩相变质作用),在泛非运动主峰期后由于陆块碰撞,形成大量的早古生代花岗质岩石。

致谢: 黑龙江地球物理勘察院张树岐工程师在野外地质工作中提供帮助,成文过程中王立峰教授和王智慧博士给予悉心指导,中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室对LA-ICP-MS锆石U-Pb测年工作给予支持,审稿专家对本文提出宝贵的修改意见,在此一并表示诚挚的感谢。

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