吉林白山新路花岗闪长斑岩LA--ICP--MS锆石U--Pb定年、地球化学特征及构造意义

高天宇，刘正宏，关庆彬，李鹏川，陈煜嵩

吉林大学地球科学学院，长春130061

0 引言

研究区在大地构造位置上位于华北克拉通的北缘东段(图1a)，由基底与盖层两个部分组成，基底由太古代高级变质片麻岩和古元古代中浅变质岩组成，盖层由中元古代—中生代沉积地层组成[1]。

1.第四系沉积物；2.下白垩统砂岩；3.上侏罗统砂岩；4.上侏罗统凝灰岩；5.奥陶系灰岩；6.寒武系灰岩；7.震旦系灰岩；8.震旦系石英砂岩；9.青白口系页岩；10.青白口系石英砂岩；11.老岭群珍珠门组大理岩；12.马鹿沟东升片麻岩；13.小荒沟片麻岩；14.马鹿沟龙爪片麻岩；15.太古界变质表壳岩；16.上侏罗统花岗斑岩；17.闪长玢岩；18.角度不整合界线；19.逆断层；20.正断层；21.性质不明断层及推测断层图1 新路地区地质简图Fig.1 Geological map of Xinlu area

经历了早前寒武纪基底形成演化阶段、中元古代—古生代稳定盖层发展阶段和中生代地壳活化阶段[2]，具有复杂地质演化历史。进入中生代以后遭受古太平洋板块活动的影响[3]，区内地壳构造变形、岩浆活动和成矿作用十分强烈，是中国东部滨太平洋构造成矿带的重要组成部分[4]。区域主要构造格架呈NE向展布，发育一系列NE方向断裂构造控制了区内主要地质构造单元的展布(图1b)。北西部为早前寒武纪基底隆起区，由新太古代花岗质片麻岩、斜长角闪岩和古元古界珍珠门大理岩组成；中部为新元古代—早古生代滨海--浅海沉积碎屑岩和碳酸岩组成，与北部基底变质岩之间呈断层接触；南部为中生代断陷盆地—浑江盆地，发育一套陆相含煤建造[5]。中生代岩浆在区内出露较少，主要发育一套中生代花岗闪长斑岩，呈小的岩株、岩墙和岩床沿着NE向断裂构造侵入新元代和古生代沉积地层中，前人依据岩性特征对比将其形成时代归属于晚印支期。由于出露规模较小，对这些岩浆岩形成时代、地球化学特征缺少系统分析与研究工作。岩浆活动是地壳构造演化的重要组成部分，其形成时代与形成演化特征为研究区域构造演化动力学背景提供重要的信息。

笔者通过研究新路花岗闪长斑岩的年代学特征、矿物特征和地球化学特征，确定其形成时代并探讨成因和形成的构造环境，为讨论区域中生代地壳构造变形特征和古太平洋板块开始向欧亚大陆板块俯冲时间提供新的证据。

1 新路花岗闪长斑岩的地质特征

在研究区中部沿着NE向断裂带发育一系列中生代花岗闪长斑岩侵入体，呈岩株状、岩墙状侵入新元古代和古生代沉积地层中。其中岩墙呈NE向展布，其长约3 km，宽约300～500 m，岩株出露面积则从几十m2至1 km2不等，其总体出露面积较小，且分布分散。新路花岗闪长斑岩出露于板石沟镇南部新路三队地区，呈小岩株状侵入青白口系南芬组页岩中(图2)。岩体处第四系沉积物和植被覆盖严重，但其与南芬组页岩的接触面较清晰(图2)，表面呈强风化的碎块状，本次取样是将其表面风化的岩石剥除后，取其中的新鲜岩石。

新路花岗闪长斑岩的镜下特征(图3)：风化面为黄褐色，新鲜面为青灰色，斑状结构；基质微晶--隐晶质结构，块状构造，斑晶主要由斜长石(10%～15%)、石英(5%)、黑云母(5%±)，以及少量的钾长石和普通角闪石等组成，基质为细粒长石和石英的显微晶体。斜长石多为半自形板柱状或粒状，大小为0.5～2.5 mm，具环带结构，且发育不同程度的绢云母化；石英主要呈粒状，表面干净，大小为 0.5～3.0 mm；钾长石呈板状，大小为1 mm±；角闪石呈半自形柱状，大小0.5～1.0 mm，含量为5%±；黑云母为片状，大小0.5～2.0 mm，含量为5%±。

2 分析方法

取测年样品1件(XN--1)，岩石地球化学全分析样品4件(XH--1、XH--2、XH--3、XH--4)，取样位置为41°58′08″N、126°21′50″E。测年与岩石地球化学全分析样品的岩性均为花岗闪长斑岩。在样品(XN--1)中挑选出22颗具明显环带韵律且晶型较好的锆石进行LA--ICP--MS锆石U--Pb测年。LA--ICP--MS锆石U--Pb测年是在北京燕都中实测试技术有限公司完成的。本次测试锆石U--Pb同位素定年利用LA--ICP--MS同时分析完成。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之前通过一个匀化混合器混合。每个样品点分辨包括大约20～30 s的空白信号和50 s的样品信号。U--Pb同位素定年中采用锆石标准91500和Plesovice作为外标进行同位素分馏校正。锆石微量元素含量利用SRM610作为多外标、Si作内标的方法进行定量计算。使用ICPMSDataCal[6]对实验的原始数据进行处理，通过铅校正以除去普通铅元素对样品的影响[7,8]，采用Isoplot[8]软件绘制U--Pb谐和图，利用Isoplot[8]软件对样品锆石进行谐和曲线的投影和206Pb/238U加权平均年龄的计算，年龄误差为1 σ。本次测试剥蚀光斑直径根据实际情况选择30 μm。地球化学样品主量元素和微量元素分析测试在澳实分析检测有限公司完成，主量元素采用X--射线荧光法，微量元素采用电感耦合等离子体质谱法(ICP--MS)。

3 锆石U--Pb年代学

在样品(XN--1)的锆石阴极发光图(图4)中，

图2 新路花岗闪长斑岩(b)侵入南芬组页岩(a)Fig.2 Shale of Nanfen Formation invaded by Xinlu granodiorite porphyry

Bt：黑云母；Hbl：角闪石；Or：正长石；Pl：斜长石；Qtz：石英图3 新路花岗闪长斑岩岩显微照片Fig.3 Micrograph of Xinlu granodiorite porphyry

可以明显地看出锆石形态多为短柱状或者粒状，少数为长柱状，具有较完好的自形成度，锆石长度100～180 μm，长宽比1∶1～2∶1，锆石内部结构较清晰，具有明显的锆石震荡环带结构，为岩浆锆石。从表1中可以看出，锆石Th/U比为0.15～0.95，均>0.1，表明该样品中的锆石为岩浆成因。根据新路花岗闪长斑岩U--Pb年龄谐和图(图5)，22颗锆石的加权平均年龄为(163.3±0.77)Ma，MSWD=0.86，表明其侵位年龄为晚侏罗世早期。

图4 新路花岗闪长斑岩样品(XN--1)部分锆石阴极发光(CL)图Fig.4 Part of CL images of zircons for sample of Xinlu granodiorite porphyry (XN--1)

表1 新路花岗闪长斑岩样品(XN--1)LA--ICP--MS锆石U--Pb定年数据Table 1 LA--ICP--MS zircon U--Pb data for samples of Xinlu granodiorite porphyry (XN--1)

图5 新路花岗闪长斑岩U--Pb年龄谐和图(a)和加权平均年龄(b)Fig.5 U--Pb concordia diagrams (a) and weighted mean age (b) of Xinlu granodiorite porphyry

4 岩石地球化学

4.1 主量元素

表2为新路花岗闪长斑岩的岩石地球化学分析结果。新路花岗闪长斑岩的岩石地球化学样品具有较高(>2%)的LOI值，说明新路花岗闪长斑岩在形成之后遭受了一定程度的蚀变。次生蚀变作用会改变性质活泼元素的浓度，Na2O与LOI的负相关性表明次生蚀变有Na的带出。同时在岩石薄片中观察到斜长石绢云母化也证实了新路花岗闪长斑岩发生了次生蚀变，因此本文中所用主量元素数据是去掉烧失量之后重新换算成100%的结果。SiO2含量为66.89%～67.29%，属酸性岩；Al2O3含量为16.34%～16.54%；MgO含量为1.27%～1.78%，其中Mg#值为38.22～44.96；Na2O含量为2.54%～3.57%，K2O含量为2.73%～3.05%， K2O+Na2O含量为5.60%～6.40%，K2O/Na2O的比值为0.78～1.20，平均比值为0.89，新路花岗闪长斑岩在TAS分类中为花岗闪长岩。新路花岗闪长斑岩的里特曼指数(σ=(K2O+Na2O)2/(SiO2-43)wt%)为1.31～1.71，均<3.3，表明该岩石为钙碱性岩，在SiO2-K2O(图6a)中，新路花岗闪长斑岩的地球化学样品也落在了钙碱性与高钾钙碱性系列的中间。在A/CNK-A/NK图解(图6b)中，新路花岗闪长斑岩的A/CNK值为1.01～1.09，为弱过铝质岩石。

表2新路花岗闪长斑岩主量元素(%)、稀土元素(10-6)与微量元素(10-6)分析结果

Table2Analysisofmajorelements(%)，rareearthelements(10-6)andtraceelements(10-6)ofXinlugranodioriteporphyry

样品编号XH--1XH--2XH--3XH--4SiO264.0664.6962.8564.74Al2O315.7815.9115.5415.72TiO20.370.390.390.38Fe2O3T3.974.104.054.06K2O2.612.732.872.65Na2O3.313.452.393.40CaO4.033.903.983.82MgO1.241.251.671.22MnO0.060.070.070.07P2O50.140.140.150.15LOI3.342.905.783.08Total98.9199.5399.7499.29Mg#38.2237.6544.9637.31K2O/Na2O0.790.791.200.78A/CNK1.011.011.091.02La20.7020.5017.2020.70Ce39.4038.0033.2037.50Pr4.674.543.864.53Nd18.1017.5015.3016.80Sm3.093.022.953.45Eu0.930.920.930.90Gd2.392.572.462.52Tb0.320.340.350.33Dy1.811.721.621.81Ho0.340.320.310.33Er0.880.870.820.90Tm0.130.130.120.13Yb0.800.850.740.81Lu0.120.130.120.12Y9.6010.008.6010.10δEu1.051.011.060.93δCe0.930.910.940.89LaN/YbN17.4416.2615.6717.23ΣREE93.6891.4179.9890.83LREE86.8984.4873.4483.88HREE6.796.936.546.95LREE/HREE12.8012.1911.2312.07Cs4.654.946.644.89Rb59.0060.3067.3057.20Ba921.00925.00837.00956.00Th3.032.782.362.58U1.171.361.111.09Zr113.00125.00103.00109.00Hf3.003.402.802.80Sr510.00504.00490.00484.00Nb7.107.206.807.30Ta0.500.500.500.50Ga18.7017.5018.5019.50Cr10.0020.0010.0020.00

Mg#=(MgO/40.31)/(MgO/40.31+0.899 8*Fe2O3T/71.85)*100.

4.2 微量元素

新路花岗闪长斑岩的微量元素原始地幔标准化蛛网图(图7a)表现出，相对于原始地幔，微量元素表现出富集Ba、Cs、K等大离子亲石元素的地球化学特征，明显亏损Nb、Ti、P高场强元素。Nb的亏损表明岩浆源区为壳源或可能受到地壳物质的混染，P、Ti的亏损表明岩浆经历了磷灰石等富含P、Ti矿物的分离结晶作用。

图7 新路花岗闪长斑岩微量元素原始地幔标准化蛛网图(a)与稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(b)Fig.7 Primitive mantle normalized trace elements spidergrams (a) and chondrite normalized REE distribution patterns (b) of Xinlu granodiorite porphyry

4.3 稀土元素

新路花岗闪长斑岩的稀土元素球粒陨石标准化配分模式(图7b)显示曲线为右倾型，岩石稀土元素的总量ΣREE变化范围为79.98×10-6～93.68×10-6。LaN/YbN为15.67～17.44，轻重稀土分异度LREE/HREE为11.23～12.80，轻重稀土元素分馏明显。岩石地球化学样品δEu值为0.93～1.06，平均为1.01，无铕异常。

5 讨论

5.1 新路花岗闪长斑岩的花岗岩类型

岩石的手标本及显微照片中出现角闪石和黑云母等矿物，未见白云母；副矿物中未见富铝矿物。根据这些岩相学特征[9]，笔者初步认为新路花岗闪长斑岩属于一种I型花岗岩。

FG：分异的I、S型花岗岩；OGT：未分异的I、S型花岗岩图8 新路花岗闪长斑岩成因判别图解：(Zr+Nb+Ce+Y)/10-6-(FeO/MgO)/%判别图(a)和10 000*Ga/Al-Zr/10-6判别图(b)Fig.8 Discrimination of genesis of Xinlu granodiorite porphyry: discrimination of (Zr+Nb+Ce+Y)/10-6-(FeO/MgO)/%(a) and 10 000*Ga/Al-Zr/10-6(b)

5.2 新路花岗闪长斑岩的成因

新路花岗闪长斑岩具有高SiO2(66.89%～67.29%)、高Al2O3(16.34%～16.54%)、高Na2O(2.54%～3.57%)、低MgO(1.27%～1.78%)；富集Ba、Cs、K、Sr等大离子亲石元素，亏损Nb、Ti、P等高场强元素；高Sr(484×10-6～510×10-6)低Y(8.6×10-6～10.1×10-6)以及具有较高的LaN/YbN比值(15.67～17.44)和Sr/Y比值(47.9～57.0)；轻重稀土元素分馏明显(LREE/HREE为11.23～12.80)；无铕异常，以上均符合典型的埃达克质岩石的地球化学特征[15--17]。并且在(La/Yb)N-YbN和Sr/Y-Y图解(图9)中，新路花岗闪长斑岩的地球化学样品均落入埃达克岩区域。虽然埃达克质岩石的成因依然存在着较大的争议，但是人们普遍接受这样一个学说—埃达克质岩石来源于玄武质成分，并在岩浆演化某些阶段存在石榴子石与角闪石作为残留和早期结晶组合[18--24]。目前普遍认为埃达克质岩石的成因包括：增厚下地壳的部分熔融[16,25--30]；玄武质岩浆的结晶分异[31,32]；拆沉下地壳的部分熔融[17，33--38]。

图9 新路花岗闪长斑岩YbN-LaN/YbN(a)和Y/10-6-Sr/Y(b)图解(据文献[15]修改)Fig.9 The diagram of YbN-LaN/YbN(a) and Y/10-6-Sr/Y (b) of Xinlu granodiorite porphyry

新路花岗闪长斑岩的La-La/Yb和Zr/Sm-Zr图解(图10a、b)表明其岩浆演化的过程中部分熔融占主导作用，分离结晶作用不明显；无铕异常；在研究区目前没有发现与新路花岗闪长斑岩同时代的玄武质岩和超镁铁质岩，根据以上地球化学特征，可以排除其是经由玄武质岩浆结晶分异所形成。由拆沉下地壳部分熔融所形成的埃达克质岩石一般具有高MgO、高Cr含量以及Mg#>50等地球化学特征[40]，因为熔体在上升的过程中无法避免与上覆地幔岩的相互作用[18,19,24,41]。而新路花岗闪长斑岩具有较低的MgO(1.27%～1.78%)与Cr(10×10-6～20×10-6)含量，并且Mg#值为37.31～44.96，表明其也不是源于拆沉下地壳的部分熔融作用。前人的实验结果指出，如果在岩浆演化的过程中没有地幔物质参与作用，那由增厚下地壳部分熔融所产生的熔体Mg#值一般<45[42--44]，并且在SiO2-MgO、SiO2-Mg#的比值图(图10c、d)中，新路花岗闪长斑岩的地球化学样品大部分均落在增厚下地壳区域。埃达克岩石在安迪山脉是一种常见的岩石，其中最重要的成因为安第斯地壳的构造加厚[27]。张旗等人根据不同的成因机制将埃达克质岩石分为O、C两种类型[46]。O型埃达克质岩石分布于大洋周围，与玄武岩的底侵或板块的消减密切相关；而C型埃达克质岩石产于大陆内部，可能与加厚的下地壳中的中基性变质岩被玄武岩岩浆底侵有关。新路花岗闪长斑岩为钙碱性岩石，4个全岩分析化学样品的Al2O3含量均>16%，富K(Na2O/K2O平均比值为1.12)，根据张旗等人对埃达克质岩石的划分，该花岗闪长斑岩属C型埃达克质岩石[46]。综上，新路花岗闪长斑岩为地壳增厚而部分熔融所产生的一种埃达克质岩石。

图10 新路花岗闪长斑岩地球化学分类图解：La/Yb-La/10-6(a)和Zr/10-6-Zr/Sm(b)(据文献[39]修改)；SiO2/%-MgO/%(c)(据文献[45]修改)，SiO2/%-Mg#(d)(据文献[41]修改)Fig.10 Geochemical classification diagrams for Xinlu granodiorite porphyry: La/Yb-La/10-6(a)and Zr/10-6-Zr/Sm(b)，SiO2/%-MgO/%(c)，SiO2/%-Mg#(d)

5.3 新路花岗闪长斑岩的构造意义

新路花岗闪长斑岩的LA--ICP--MS锆石U--Pb定年结果(加权平均年龄)为163.3±0.77 Ma，表明其形成于晚侏罗世早期。笔者在新路地区取样的花岗闪长斑岩岩体与同属吉南地区的荒沟山花岗岩岩体年龄(约为175 Ma)[47,48]；迎门岔地区花岗岩岩体年龄(约为168 Ma)[49]；板庙子地区花岗岩闪长斑岩岩体年龄(约为170 Ma)[50]大致相一致，表明在吉南地区侏罗纪岩浆活动非常活跃。结合辽东半岛—吉南多处出露的中生代花岗质岩体(图11)[1,51]，表明了在华北克拉通东北部中生代，特别是侏罗纪—白垩纪的岩浆活动是广泛而活跃的。

新路地区在进入中生代以后遭受古太平洋板块活动的强烈改造[3]。关于古太平洋板块向欧亚大陆板块俯冲的起始时间目前主要存在3种不同观点，周建波等认为俯冲开始于晚三叠世[52--57]；于介江等认为俯冲开始于早中侏罗世[58]；张允平等则更倾向于晚侏罗世至早白垩世[59]。其开始俯冲时间的确定是划分该地区岩浆活动和探讨构造背景的关键。晚三叠世晚期的侵入岩呈南北向带状分布在绥芬河—珲春一带，岩性为闪长岩、石英闪长岩、英云闪长岩、花岗闪长岩和二长花岗岩，显示了典型的活动大陆边缘弧岩石组合特点[60]。结合Defant et al.对分布在中朝边境的晚三叠世晚期与俯冲板片部分熔融有关的埃达克质侵入岩[15,54]，指示了古太平洋板块在晚三叠世已经开始向欧亚大陆板块俯冲。延边地区的早侏罗世和本文的白山地区的晚侏罗世钙碱性、埃达克质侵入岩与荒山沟、迎门岔和板庙子等地的侵入岩，暗示了古太平洋板块对欧亚大陆板块俯冲作用的加强[60]。

图11 辽南—吉南地区地质略图(据文献[1]修改)Fig.11 Geological map of southern Liaoning-southern Jilin areas

6 结论

(1)LA--ICP--MS锆石U--Pb定年结果显示，新路花岗闪长斑岩的成岩年龄为163.3±0.77 Ma，属于晚侏罗世早期。

(2)岩石地球化学测试结果表明新路花岗闪长斑岩为弱过铝质的钙碱性系列的I型花岗岩，富集Ba、Cs、K、Sr等大离子亲石元素，亏损Nb、Ti、P等高场强元素，轻、重稀土元素分馏明显，为增厚下地壳部分熔融的产物。

(3)吉林白山新路地区花岗闪长斑岩形成于古太平洋板块向欧亚大陆板块俯冲的背景。