2021, Vol. 40
大兴安岭是中国东北地区北东东向的巨型山脉，北起黑龙江，南至西拉木伦河上游谷地，全长约1400 km，宽约200 km。大兴安岭山脉的西侧为蒙古高原，东侧为松辽盆地，其与南部的太行山、巫山、雪峰山共同构成中国地势的第二、三阶梯的分界线。大地构造位置上，大兴安岭位于巨大的中亚造山带东段(图 1-a)，自古生代以来，该地区先后经历了古亚洲洋、蒙古-鄂霍茨克洋和环太平洋构造体系的叠加改造，发育大规模的构造岩浆活动[2, 13-16]。其中，早白垩世岩浆活动最强烈，构成了大兴安岭的主体。伴随着该期岩浆活动，大兴安岭南段地区发育了大规模斑岩型铜钼矿、岩浆热液型银铅锌矿、矽卡岩型银铅锌矿和铁锡矿等成矿作用，成为中国北方一个重要的多金属成矿区[17-20]。因而，大兴安岭南段早白垩世岩浆活动和成矿地质背景一直是研究的热点和焦点之一[20-23]。
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图 1 中亚造山带构造分区[1](a)和大兴安岭南段地区地质简图①(b) Fig.1 Tectonic division of Central Asian Orogenic belt (a) and simplified regional geological map of Southern Great Khingan Range (b) (年龄数据据参考文献[2-12]) |
对于大兴安岭早白垩世岩浆活动形成的地质背景，长期以来，一直存在较大的认识分歧。一些学者认为，大兴安岭处于东北亚地幔柱影响范围内，中生代岩浆活动与地幔柱上涌有关[3, 24-26]；另一些学者认为，太平洋板块的俯冲引起欧亚大陆东侧岩石圈加厚，大兴安岭岩浆活动与加厚的岩石圈的拆沉作用有关[21, 27-30]；还有一些学者认为，大兴安岭岩浆活动与北侧鄂霍茨克洋的闭合引起的造山带的后碰撞伸展有关[30-33]。此外，还有一些学者认为，大兴安岭岩浆活动具有双峰式特征，形成于大陆裂谷环境[34-36]。
在以往的工作中，前人对大兴安岭早白垩世构造背景的研究主要集中在区内分布较广的火山岩和花岗岩[3-4, 34, 36-39]。作为深部来源的岩石探针，尽管中、基性岩浆岩在大兴安岭地区出露较少，但它们对于揭示岩石圈地幔的性质及深部动力学过程具有重要意义[15, 40-41]。本文通过对位于大兴安岭南段内蒙古林西县兰家营子地区早白垩世辉长闪长岩开展详细的岩石学、年代学和地球化学研究，揭示岩体的成因，并结合区域地质资料探讨大兴安岭南段地区早白垩世岩浆岩形成的构造背景。
1 区域地质背景与岩石学特征大兴安岭南段位于中亚造山带东南部(图 1-a)。该地区在古生代经历了与古亚洲洋演化相关的地质作用，发育贺根山、林西、西拉木伦河等多条古生代蛇绿岩带、晚古生代岛弧及增生杂岩带[42-47]。中生代以来，该地区先后经历了蒙古-鄂霍茨克洋的闭合与西太平洋俯冲等作用的叠加改造，发育广泛的火山岩、花岗岩、沉积盆地等。新生代以来，主要发育陆内伸展有关的幔源玄武岩[13, 48]。
研究区位于大兴安岭南段西拉木伦河以北的林西地区(图 1-b)。该区出露最古老的地层单元为早二叠世大石寨组安山岩和熔结凝灰岩，被晚二叠世—早三叠世林西组粉砂质板岩及砂岩覆盖。研究区缺失中、晚三叠世—早侏罗世地层沉积，晚侏罗世—早白垩世陆相火山-沉积岩地层不整合覆盖在上述地层之上(图 2)。侵入岩方面，林西地区发育早三叠世花岗闪长岩、二长花岗岩，以及早白垩世钾长花岗岩、花岗斑岩等[8, 16, 40, 49-51]。早白垩世辉长闪长岩和闪长岩在林西地区多以小岩株或岩脉的形式呈北东向分布。其中，兰家营子岩体位于内蒙古林西县的西北约10 km，岩体南侧侵入林西组，北侧和西侧与中生代花岗岩呈构造接触，中部和东侧被第四系北西向冲沟切割(图 2)。
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图 2 林西地区地质图和采样位置② Fig.2 Geological map with the sampling location of the Linxi area |
辉长闪长岩风化面呈红褐色，新鲜面为灰黑色，致密块状构造(图 3-a)。岩石主要由斜长石和单斜辉石组成，呈半自形粒状结晶结构(图 3-b)。斜长石呈较自形板条状，长0.5~1.5 mm，宽0.2~0.5 mm，含量70%~75%，发育聚片双晶和环带结构(图 3-c)；辉石呈短柱状和粒状，粒径约0.5 mm，含量25%~30%，部分较大的单斜辉石中含不规则的橄榄石，构成典型的包橄结构(图 3-d)。此外，岩石中可见少量锆石、磷灰石等副矿物。
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图 3 兰家营子地区辉长闪长岩结构构造和矿物组成 Fig.3 Textare, structure and mineral assembly of the gabbrodiorite pluton in the Lanjiayingzi area a—辉长闪长岩块状构造；b—辉长闪长岩主要组成矿物(正交偏光)；c—斜长石环带结构；d—单斜辉石包橄结构；Pl—斜长石；Cpx—单斜辉石；Ol—橄榄石 |
岩石化学分析样品的制备在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。经薄片显微镜下鉴定后，选择新鲜样品用于地球化学分析，首先将岩石样品在颚式破碎机上进行粗碎，然后在玛瑙钵体的研磨机上研磨至200目以下，样品加工过程均在无污染设备中进行。主量和微量元素分析测试在武汉上谱分析科技有限公司完成。其中，主量元素分析测试是利用日本理学ZSX Primus Ⅱ X射线荧光光谱仪(XRF)完成的，测定精度均可达0.2%，分析误差一般优于5%。微量元素利用Agilent 7500a ICP-MS分析完成，对美国地质调查局(USGS)标准参考物质BCR-2、BHVO-2和AGV-a的分析结果表明，微量元素的分析精度和准确度一般优于5%，详细的样品处理和分析流程见Liu等[52]。
2.2 锆石U-Pb定年和Lu-Hf同位素分析锆石分选在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。在锆石分选过程中，将挑选出裂隙相对较少，表面干净，透明度较高的锆石制作环氧树脂样品靶，经过打磨和抛光后，在自然资源部大陆构造与动力学重点实验室Nova Nano SEM 450场发射扫描电子显微镜上进行阴极发光(CL)图像采集。锆石定年在武汉上谱分析科技有限责任公司进行，采用激光剥蚀等离子质谱体分析技术(LA-ICP-MS)，应用GeoLas2005准分子激光剥蚀系统和Agilent 7500a型ICP-MS进行锆石U-Pb测定，激光束斑直径为32 μm。U-Pb同位素定年中采用锆石标准91500作外标进行同位素分馏校正，详细的实验原理和流程见参考文献[48]。对分析数据的离线处理采用软件ICPMSDataCal[52-53]完成。锆石样品的U-Pb年龄谐和图绘制和年龄加权平均计算均采用程序Isoplot(ver 3.00)[54]完成。
锆石原位Hf同位素分析测试在锆石U-Pb定年基础上进行，测试工作在中国地质科学院矿产资源研究所Finnigan Neptune型多接收等离子质谱(MC-ICP-MS)和Newwave UP213激光剥蚀系统上完成。分析过程中采用的激光束斑直径为44 μm，使用锆石国际标样GJ1为参考物质，分析点在U-Pb定年分析点的相同位置或附近。仪器的运行条件、详细的分析过程和数据处理见侯可军等[55]。
3 分析结果 3.1 锆石U-Pb同位素年龄测年样品采自兰家营子岩体中部，地理坐标为北纬43°40′45.6″、东经117°56′23.3″(图 2)。所测锆石均为无色-浅褐色，晶体为短柱状和粒状晶体，长宽比介于1:1~2:1之间，粒径为0.1~0.2 mm。在阴极发光图像(图 4-a)上，锆石阴极发光特征较暗，可能与锆石中Th和U含量较高有关[56](表 1)；发育较宽的韵律环带，显示基性岩浆岩中锆石的特征；锆石的Th/U值多介于0.56~1.83之间，反映典型岩浆成因的特征[57-58]。24个分析点均分布在谐和线上，锆石206Pb/238U年龄加权平均值为145.6±0.6 Ma(n=24)，MSWD=0.96(1σ)(图 4-b)，表明岩体形成于早白垩世早期。
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图 4 兰家营子辉长闪长岩部分锆石阴极发光(CL)图像(a)和年龄谐和图(b) Fig.4 Representative CL images (a) and U-Pb concordia diagram (b) of zircons from the Lanjiayingzi gabbrodiorite (小圆圈为U-Pb定年位置，大圆圈为Hf同位素分析位置) |
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表 1 兰家营子地区辉长闪长岩LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb分析数据 Table 1 U-Th-Pb age of LA-ICP-MS zircon from the Lanjiayingzi gabbrodiorite |
兰家营子辉长闪长岩的主量、微量和稀土元素分析结果见表 2。
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表 2 兰家营子辉长闪长岩主量、微量和稀土元素含量 Table 2 Contents of major and trace elements, as well as REE of the Lanjiayingzi gabbrodiorite |
从表 2可以看出，辉长闪长岩的SiO2含量为53.38%~54.45%，MgO和TFe2O3含量分别为5.44%~5.73%和7.53%~8.33%，Mg#值介于36.96~38.24之间。岩石的Al2O3含量为17.95%~18.49%，CaO含量为7.59%~7.81%，Na2O含量为3.85%~4.05%，K2O含量为1.34%~1.43%，A/CNK值为0.82~0.85，属于偏铝质岩石。在侵入岩TAS图解(图 5-a)中，样品点均落在辉长岩和闪长岩之间，属于偏基性岩石；在SiO2-K2O图解中，显示钙碱性系列岩浆岩的特征(图 5-b)。
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图 5 大兴安岭南段早白垩世早期侵入岩TAS图解[62-63](a，数据据参考文献[8, 12, 26, 59-61]) 和兰家营子辉长闪长岩SiO2-K2O图解[64](b) Fig.5 TAS diagram of Early Cretaceous intrusive in Southern Great Khingan Range (a) and SiO2-K2O diagram of the Lanjiayingzi gabbrodiorite (b) |
辉石闪长岩的稀土元素总量(∑REE)为88.76×10-6~136.21×10-6，(La/Yb)N值在7.56~18.64之间。在稀土元素配分图中，表现为轻稀土元素相对富集，重稀土元素相对平坦的右倾型特征(图 6-a)，没有或显示轻微的正Eu异常(δEu=1.13~1.24)。微量元素表现为相对富集Ba、Sr等大离子亲石元素，亏损Nb、Ta等高场强元素的特征(图 6-b)。
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图 6 辉长闪长岩球粒陨石标准化稀土元素配分模式图[65](a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图[66](b) Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns(a) and primitive mantle-normalized trace element patterns (b) of the Lanjiayingzi gabbrodiorite |
兰家营子岩体锆石Hf同位素分析测试结果见表 3。从表 3可以看出，锆石Hf同位素组成均一，176Hf/177Hf值介于0.282838~0.282923之间，对应的εHf(t)值介于+5.4~+9.0之间，加权平均值为7.52±0.25。锆石的亏损地幔模式年龄(TDM)介于443~590 Ma之间，与兴蒙造山带东段显生宙以来的岩浆岩锆石Hf同位素组成特征类似[67](图 7)。
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表 3 兰家营子辉长闪长岩锆石Lu-Hf同位素分析结果 Table 3 Zircon Lu-Hf isotopic data of the Lanjiayingzi gabbrodiorite |
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图 7 兰家营子辉长闪长岩锆石Hf同位素演化图解 Fig.7 Zircon Hf isotope data evolution diagrams of the Lanjiayingzi gabbrodiorite (图a中兴蒙造山带东段和燕山褶皱带岩浆岩锆石εHf(t)范围据参考文献[67]；图b为图a的局部放大) |
兰家营子辉长闪长岩主要由斜长石和辉石组成，SiO2含量介于53.38%~54.45%之间，属于中基性岩浆岩(图 3-b)。对于中基性岩浆岩的成因，一般有如下几种观点：玄武质岩石部分熔融、幔源原始岩浆的同化混染和分离结晶作用(AFC)或岩浆混合作用[68-69]。宏观上，兰家营子辉长闪长岩的岩性较均一，缺少指示岩浆混合作用的暗色微粒包体；微观上，作为主要造岩矿物的斜长石发育成分环带，单斜辉石发育包橄结构，指示岩石是由更基性的岩浆经历基性斜长石、橄榄石等矿物分离结晶作用的产物，而并非岩浆混合作用成因。同时，橄榄石和基性斜长石的存在指示原始岩浆的成分应为玄武质，代表其应为地幔部分熔融的产物。
从地球化学特征看，岩石相对富集Rb、Ba、Sr等大离子亲石元素(LILE)，亏损Nb、Ta等高场强元素(HFSE)，具有俯冲带岩浆岩的地球化学特征[70-71]，指示岩浆形成过程中可能受到地壳混染，或者地幔源区遭受了俯冲板片熔流体的交代作用。如果岩浆在形成过程中受到地壳的混染，在岩石学特征上，辉长闪长岩中可能含有长英质捕虏体，而在岩体中目前未见捕虏体；在地球化学特征上，岩浆表现为相对富集Zr和Hf元素[72-73]和相对亏损Eu元素的特征，但在本文的原始地幔标准化微量元素蛛网图(图 6-b)上，辉长闪长岩并未表现出明显Zr和Hf元素的正异常，也不存在负Eu异常，甚至表现为轻微的正Eu异常，也暗示其受到地壳混染的可能性很小。从模式年龄(图 7)看，锆石的TDM介于443~590 Ma之间，与古亚洲洋俯冲相关的大多数岩浆岩年龄一致。前人研究表明，古亚洲洋在晚二叠世—早三叠世已经闭合。结合岩石地球化学特征，笔者认为，兰家营子岩体的锆石εHf(t)值反映的是古亚洲洋闭合之前或过程中遭受流体交代作用形成的岩石圈地幔在早白垩世发生部分熔融的结果。
大地构造位置上，研究区位于中亚造山带东南部(图 1-a)。在古生代该区经历了古亚洲洋的持续俯冲增生，发育多期与俯冲相关的岩浆活动[40, 74-78]。考虑到岩体的岩石地球化学和锆石Hf同位素组成特征，笔者认为，兰家营子辉长闪长岩源于古生代受俯冲流体交代形成的亏损岩石圈地幔的部分熔融，而后经历了基性斜长石和橄榄石分离结晶作用。
4.2 大兴安岭南段早白垩世早期岩浆岩组合及构造环境除兰家营子辉长闪长岩外，大兴安岭南段地区早白垩世早期还广泛发育辉长岩、石英闪长岩、碱长花岗岩、正长花岗岩、二长花岗岩、花岗斑岩等侵入岩[8, 26, 40, 59-61]，以及玄武质安山岩、英安岩、流纹岩等火山岩[32, 35-36]。在TAS图解(图 5-a)中，显示类似双峰式岩石组合的特征[79]，其中，敖仑敖包二长花岗岩、龙头山碱长花岗岩、敖包吐正长花岗岩等具有A型花岗岩的地球化学特征[8, 26, 59]。
双峰式岩浆活动可形成于大陆裂谷、后碰撞、弧后盆地等构造环境[80-81]，但不同构造环境下，双峰式岩浆岩具有不同的岩石组合和地球化学特征。首先，大兴安岭南段早白垩世不存在海相沉积环境，可以排除弧后盆地的可能。对于大陆裂谷环境而言，基性端元通常包括富碱质的拉斑-碱性玄武岩、SiO2不饱和的碧玄岩、霞石岩和超钾质的白榴岩、碳酸岩等；酸性端元包括偏碱质的粗面岩、响岩、碱性流纹岩、花岗岩等[80]。大兴安岭南段早白垩世早期双峰式组合的基性端元包括玄武质安山岩、辉长闪长岩等，属于钙碱性系列岩石；基性端元包括流纹岩、碱长花岗岩、二长花岗岩等，属于钙碱性-钾玄岩系列岩石，与典型的裂谷环境下双峰式组合不同，且本文辉长闪长岩的地球化学特征表明其形成于岩石圈地幔的部分熔融，而裂谷环境下双峰式火山岩的基性端元具有软流圈地幔的特征，故也可以排除它们属于大陆裂谷环境下的双峰式岩浆活动。后碰撞环境岩浆岩的基性端元表现为相对富集HFSE与LREE，Th/Ta值高(大于5)，相对亏损Nb、Ti等元素，与本文辉长闪长岩的地球化学特征相似；酸性端元具有过碱性花岗岩、碱性花岗岩与钙碱性花岗岩共生，且具有与A型花岗岩相似的地球化学特征的特点[80]，也与该地区早白垩世花岗岩岩石组合及地球化学特征相似[8, 26, 32, 36]。因此，大兴安岭南段在早白垩世早期的双峰式岩浆活动可能与后碰撞的构造环境有关。
前人研究表明，蒙古-鄂霍茨克洋闭合的时间在中—晚侏罗世[82-87]，该洋盆的闭合造成中国东北的碰撞造山和隆升[13]。在时间上，辉长闪长岩的形成时间稍晚于鄂霍茨克洋的闭合时间；在空间上，大兴安岭南段早白垩世早期岩浆活动呈北东东向展布(图 1-b)，平行于蒙古-鄂霍茨克洋缝合带，且与太平洋俯冲带呈大角度斜交。综上所述，笔者认为，大兴安岭南段早白垩世早期岩浆活动与蒙古-鄂霍茨克洋闭合引起的碰撞后伸展背景有关。
5 结论(1) 大兴安岭南段兰家营子辉长闪长岩的锆石U-Pb年龄为145.6±0.6 Ma，属于早白垩世早期侵入体。
(2) 辉长闪长岩起源于受俯冲流体交代的亏损岩石圈地幔，并经历了橄榄石和斜长石的分离结晶作用。
(3) 大兴安岭南段早白垩世早期岩浆岩具有双峰式特征，可能形成于蒙古-鄂霍茨克洋闭合引起的碰撞后伸展环境。
致谢: 写作过程中得到中国地质科学院地质研究所张进研究员和曲军峰副研究员的指导和帮助，分析测试得到武汉上谱分析科技有限公司和中国地质科学院矿产资源研究所实验室老师的帮助，审稿专家对本文也提出了宝贵的意见，在此一并表示由衷的感谢。
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