黃秘偉 ,郭 鋒趙 亮李競妍

(1.中國科學院 廣州地球化學研究所,同位素地球化學國家重點實驗室,廣東 廣州 510640;2.中國科學院大學,北京 100049)

0 引 言

延邊地區(qū)位于吉林省東部,在大地構造分區(qū)上屬于興蒙造山帶東南部,東鄰新生代日本?；『笈璧?南接華北克拉通,北靠佳木斯–興凱地塊,屬于古亞洲洋構造域與古太平洋構造域疊加部位(圖1),一直以來是地質學家們深入探討兩大構造域疊加與轉換過程最理想的地區(qū)之一(Zhang et al.,2004;Jia et al.,2004;唐克東等,2004;Guo et al.,2007;彭玉鯨等,2012;Zhou and Wilde,2013)。

大陸地殼在形成和演化過程中經歷了復雜的增生、改造甚至置換作用(Jahn et al.,2000;Rudnick and Gao,2003;Zhai et al.,2007)。延邊地區(qū)存在華北克拉通的古老再循環(huán)地殼,在古生代期間由于古亞洲洋的俯沖、消減導致了強烈的地殼增生作用,在中生代由于古太平洋板塊的俯沖作用也存在新增生的弧地殼(Wu et al.,2000;Windley et al.,2007;Guo et al.,2010;Xu et al.,2013;Ma et al.,2015)。這些發(fā)生在不同時期的地殼增生和改造過程勢必留下印記。

圖1 東北亞地區(qū)大地構造簡圖(據Wilde et al.,2010修改)Fig.1 Tectonic divisions of NE Asia

花崗巖形成于地殼深部物質的大比例部分熔融,現今出露地表的花崗巖,其初始同位素比值能較好地記錄巖漿發(fā)生熔融時源區(qū)的同位素組成,它們是研究深部地殼物質組成和改造的重要“窗口”(Chen and Jahn,1998)。目前對延邊地區(qū)大面積出露的花崗巖的研究,主要局限于鋯石 U-Pb同位素年代學和Hf同位素方面,對該區(qū)花崗巖的 Nd同位素系統(tǒng)性的調查研究仍相對缺乏,這在一定程度上影響了對該區(qū)花崗巖漿的深部物源的深入理解。因此,對研究區(qū)不同時代花崗巖的相關同位素體系開展調查研究,有可能查明區(qū)內相應時代深部地殼物質的同位素組成特征及其隨時間演化的規(guī)律,同時可能揭示中生代古太平洋板塊俯沖作用對區(qū)域深部地殼的改造機制。

釹同位素是一種十分理想的地球化學示蹤劑,在巖漿源區(qū)和地殼演化等領域的研究已獲得廣泛的應用(DePaolo,1981;Chen and Jahn,1998;Jahn et al.,2000;Wu et al.,2000;Guo et al.,2010)。本文報道了延邊地區(qū)顯生宙花崗巖系統(tǒng)的 Nd同位素研究工作,發(fā)現該區(qū)以富爾河–古洞河斷裂為界的南北兩巖區(qū)內白堊紀之前形成的花崗巖(下文簡稱為前白堊紀花崗巖)的源區(qū)存在顯著差異。從二疊紀到早白堊世,原本截然不同的北區(qū)和南區(qū)花崗巖的 εNd(t)值隨時間變新逐漸趨于一致,這可能反映了北區(qū)和南區(qū)先前存在的古亞洲洋型增生地殼和華北克拉通古老再循環(huán)地殼物質,在中生代期間遭受了古太平洋板塊向歐亞大陸俯沖形成的新增生弧地殼的強烈改造和置換,使得兩區(qū)深部地殼物質在早白堊世時已趨于均一化。

1 區(qū)域地質概況和樣品選擇

延邊地區(qū)位于中國、朝鮮和俄羅斯三國交界處,植被覆蓋率高,地質研究程度相對較低。區(qū)域內構造斷裂發(fā)育,位于研究區(qū)西部的敦化–密山斷裂(帶)(圖2)是當中最著名的一條,由走向 NE60°的兩條高角度斷層組成,為一右行走滑的深大斷裂帶,將延邊地區(qū)與張廣才嶺隔開,為研究區(qū)的西界。研究區(qū)南部的富爾河–古洞河斷裂(圖2)以南出露一套類似華北克拉通基底的太古宙綠片巖–角閃巖相的片麻巖和斜長角閃巖組合,因而被認為是興蒙造山帶與華北克拉通北緣邊界赤峰–開源斷裂的東延(吉林地質礦產局,1989;徐公愉,1993)。另一些學者則認為赤峰–開源斷裂的東延應該是夾皮溝–松江斷裂(圖2)(Zhang et al.,2005;李超文等,2010)。

延邊地區(qū)廣泛分布有顯生宙花崗巖,占區(qū)內出露地質體總面積的 70%～80%(吉林地質礦產局,1989)。近年的同位素年代學資料顯示,該區(qū)顯生宙花崗巖可劃分為以下期次:(1)晚二疊世–早三疊世(285～245 Ma);(2)晚三疊世(228～200 Ma);(3)早侏羅世(195～175 Ma);(4)晚侏羅世(165～159 Ma);(5)早白堊世(129～110 Ma)(Wu et al.,2011;燊劉等,2012;李紅霞等,2012;張超等,2014;Ma et al.,2015)。

本文選取分布于富爾河–古洞河斷裂兩側的南北兩巖區(qū)的花崗巖為研究對象,對其開展了系統(tǒng)的Nd同位素對比研究。為兼顧可靠性和代表性,在兩區(qū)內報道有可靠鋯石U-Pb同位素年齡的近45個巖體中,采集了分布于不同部位、囊括所有巖性和各個時代的近35個花崗巖體的新鮮樣品。巖石薄片的觀察顯示,絕大多數花崗巖類的主要礦物組合和副礦物組合都具有 I型花崗巖的特點:鉀長石+斜長石+石英±角閃石±黑云母,磁鐵礦–磷灰石–鋯石–榍石,且基本無蝕變現象。文中各花崗巖體樣品的年齡、巖性和地理位置等見表1和圖2,地理位置主要參考了Wu et al.(2011)的GPS坐標。

2 分析方法

圖2 延邊地區(qū)花崗巖采集樣品分布圖(據Wu et al.,2011修改)Fig.2 Distribution of Phanerozoic granitoids in the Yanbian area,NE China

樣品的主量元素、Sr-Nd同位素在中國科學院廣州地球化學研究所測試完成,微量元素在中國科學院地球化學研究所完成。樣品采用酸淋濾方法進行預處理,以減少后期蝕變作用對元素、同位素比值的影響。主量元素使用RigakuZSX 100e型X射線熒光光譜儀測定,分析誤差總體約在1%;微量元素使用 ELAN 6000型電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)測定,分析誤優(yōu)于 5%(分析結果見表2)。實驗的具體分析流程參見劉穎等(1996)。Sr-Nd同位素在MicroMassISOPROBE型多接收電感耦合等離子質譜儀(MC-ICP-MS)上測試。用大約120 mg全巖粉末樣品加入純化 HF-HClO4酸,在高溫下完全溶解。Rb-Sr與REE的分離和純化在裝有5 ml AG50W-X12交換樹脂(200～400目)的石英交換柱進行,而Sm和Nd分離和純化是石英交換柱用1.7 ml Teflonò粉末作為交換介質完成。87Sr/86Sr和143Nd/144Nd比值分別用86Sr/88Sr=0.1194和146Nd/144Nd= 0.7219校正。樣品的87Sr/86Sr和143Nd/144Nd比值通過NBS SRM 987 (87Sr/86Sr=0.710247±8,2σ)和JNdi-1(143Nd/144Nd=0.512115±4,2σ)進行校對。巖石標樣 BHVO-2的 Sr同位素分析結果為87Sr/86Sr=0.703496±6 (2σ,n=10),巖石標樣 BHVO-2和 JB-3的 Nd同位素分析結果分別為:143Nd/144Nd=0.512965±4(2σ,n=10)和143Nd/144Nd=0.513041±5 (2σ,n=5)。整個化學分離流程中Sr的空白本底<200 pg,Nd的空白本底約30 pg。

3 元素、同位素組成特征

3.1 主量元素特征

由表2可知,在白堊紀之前侵位的南北兩區(qū)花崗巖的巖石類型和主量元素特征基本一致。北區(qū)該時期花崗巖的 SiO2和 Al2O3含量平均值分別為72.3%和 14.1%,南區(qū)則為 69.2%和 15.3%,相對而言南區(qū)花崗巖更富Al (A/NK=1.465、A/CNK=1.02)。南北兩區(qū)前白堊紀花崗巖 K2O含量整體普遍較高,集中于 3.3%～4.9%,絕大部分屬于高鉀鈣堿性系列(圖3a)。早白堊世侵位的南區(qū)和北區(qū)的花崗巖的SiO2和Al2O3和A/CNK平均值也基本一致,而在圖3a中南區(qū)樣品投點主要落入高鉀鈣堿性系列,北區(qū)則落入鈣堿性系列。

表1 延邊地區(qū)花崗巖體時空分布數據Table1 Geochronological data for the granitoids in the Yanbian area

圖3 延邊花崗巖和長英質火山巖SiO2-K2O圖解(a)和K2O-Na2O-CaO圖解(b)(圖3b中的陰影范圍據 Guo et al.,2012)Fig.3 SiO2-K2O (a)and K2O-Na2O-CaO (b)diagrams for the granitoids and felsic volcanic rocks in the Yanbian area,NE China

表2 延邊地區(qū)南北區(qū)各時期代表性花崗巖體主量(%)、微量(×10–6)元素分析結果Table2 Major (%)and trace element (×10–6)contents of the Yanbian granitoids,NE China

續(xù)表2:

此外,為了解其源區(qū)組分特點,將研究區(qū)內花崗巖與中–高鉀、低鉀系列長英質原巖熔融的實驗熔體進行對比,結果顯示南北兩區(qū)各時代花崗巖的熔融源區(qū)主要由中–高鉀長英質原巖組成(圖3b)。

3.2 微量元素特征

圖4 延邊南北區(qū)各時期代表性花崗巖稀土元素球粒隕石標準化配分圖和微量元素原始地幔標準化蛛網圖(球粒隕石和原始地幔值據Taylor and McLennan,1985;Sun and McDonough,1989)Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams for the Yianbian granitoids

區(qū)內花崗巖一般具有明顯的輕、重稀土分餾,富集輕稀土元素和大離子親石元素Rb、K及Th、U、Zr、Hf,虧損高場強元素 Nb、Ta、Ti,具有與陸緣弧、島弧巖漿巖類似的特點(圖4)。與主量元素特征不同,在白堊紀之前侵位的南北兩區(qū)花崗巖的微量元素特征有較明顯差異,如相對而言北區(qū)巖體的Ba、Sr、P、Eu、Ti負異常比南區(qū)更明顯。北區(qū)巖體的LREE/HREE、(La/Yb)CN平均值分別為8.85和9.61,而南區(qū)為18.2和30.1,說明南區(qū)花崗巖有更強的輕重稀土元素分餾。此外,北區(qū)花崗巖的 δEu、Sr/Y平均值分別為0.43和11.4,顯著低于南區(qū)的平均值0.76和56.0,顯示北區(qū)花崗巖具有更加強烈的負Eu異常,而南區(qū)具有類似埃達克巖高Sr/Y比值的特點,可能暗示兩區(qū)花崗巖形成的深度有所不同。

盡管白堊紀之前兩區(qū)的花崗巖微量元素特征存在差異,但是早白堊世期間形成的南北兩區(qū)花崗巖的REE配分模式和不相容元素模式相似,可能暗示南北兩區(qū)的花崗巖源區(qū)組分在早白堊世時逐漸趨于一致。

3.3 Sr-Nd同位素特征

研究區(qū)花崗巖的Sr-Nd同位素組成見表3。通過年齡計算,北區(qū)花崗巖的ISr=0.70000～0.70475,εNd(t)=–0.1～+3.8,tDM2=691～976 Ma,顯示其熔融源區(qū)主要為年輕的地殼組分,且隨著侵位年齡的變新,εNd(t)值逐漸降低,而 tDM2則逐漸增加。南區(qū)花崗巖的ISr=0.70427～0.70672,εNd(t)= –13.6～ –0.6,tDM2=1004～2166 Ma,其中二疊紀花崗巖 εNd(t)最低為–13.6～ –8.2,tDM2值最大為1700～2166 Ma,隨著侵位時代的變新,εNd(t)值遞增,而 tDM2則遞減,反映南區(qū)二疊紀花崗巖的熔融源區(qū)繼承了華北克拉通的古老再循環(huán)地殼組分,后來年輕地殼組分的加入比例逐漸增加而成為主體的趨勢。

表3 延邊地區(qū)花崗巖Sr-Nd同位素數據Table3 Sr-Nd isotopic compositions of the Yianbian granitoids

4 討 論

4.1 延邊南北兩區(qū)深部地殼物質組成與演化

興蒙造山帶是位于西伯利亞板塊、塔里木板塊和華北克拉通之間的巨型增生造山帶,造山帶內廣泛發(fā)育的顯生宙花崗巖、火山巖,以正的 εNd(t)值(0～+5)和年輕Nd模式年齡(0.4～1.3 Ga)為特征,表明該區(qū)域在顯生宙期間發(fā)生了強烈的地殼增生(Seng?r et al.,1993;Jahn et al.,2000;Wu et al.,2000;Xiao et al.,2003;Liu et al.,2005;Windley et al.,2007;Guo et al.,2010)。

圖5 延邊地區(qū)花崗巖的Sr-Nd協(xié)變圖Fig.5 Sr-Nd isotopic plots for the granitoids and mafic volcanic rocks from the Yanbian area

區(qū)域對比發(fā)現,北區(qū)花崗巖與興蒙增生造山帶同時期花崗巖具有相似的Sr-Nd同位素組成(表3和圖5),反映了它們可能具有相似的源區(qū)組分。興蒙造山帶內(張廣才嶺地區(qū)和索倫–賀根山–小興安嶺古亞洲洋縫合帶附近的林西–霍林河–烏蘭浩特、黑河等地)識別出多套具有正 εNd(t)(+3～+5.9)、低 tDM(0.42～1.0 Ga)和高 Pb (206Pb/204Pb=18.4～18.9)的晚古生代–中生代中酸性巖漿巖組合,研究結果顯示其源區(qū)物質可能主要來自與古亞洲洋俯沖有關的新增生地殼物質或俯沖殘留大洋板片(Plank and Langmuir,1998;Wu et al.,2000,2002,2003;Liu et al.,2005;葛文春等,2005;高曉峰,2007;Guo et al.,2009;周漪等,2011;邵濟安等,2013)。

因此,北區(qū)這些年輕的源區(qū)物質,可能主要繼承了與古亞洲洋演化相關的新增生地殼或俯沖殘留洋殼。為方便討論,本文將其初步命名為“古亞洲洋型增生弧地殼”(圖6),εNd(t)≈+4。

值得注意的是,自晚古生代到早白堊世,北區(qū)花崗巖的 εNd(t)值逐漸下降而 tDM2增高(圖6),可能暗示中生代期間新加入的地殼物質具有相對這些早先存在的弧地殼在 Nd同位素組成上具有更為演化的特征,比如再循環(huán)沉積物或者是受到俯沖沉積物改造的地幔楔熔融產物。近年來報道的延邊地區(qū)早白堊世金溝嶺組玄武安山巖與和龍高鎂閃長巖就具有相對低εNd(t)(+0.4～+1.6)的特征(李超文,2006;Ma et al.,2015),可能代表了由古太平洋俯沖作用形成的弧地殼產物,因此本文將該類弧地殼定義為“古太平洋型增生弧地殼”,其 εNd(t)≈+1 (圖6)。

誠然,古太平洋型增生弧地殼是否由古亞洲洋型增生地殼通過放射性衰變演化而來是另一個值得關注的問題。為此我們根據新增生地殼的平均 Sm(2.9×10-6)、 Nd (11×10-6)含 量 ,147Sm/144Nd=0.16(Hawkesworth and Kemp,2006),選擇其初始Nd同位素比值εNd(300 Ma)=+4來進行估算,獲得的早白堊世(120 Ma)該類地殼的εNd(t)值為+3.2,通過180 Ma的演化,其 εNd(t)值降低大約 0.8個單位,顯然明顯高于早白堊世同期的基性巖(圖6a虛線所示)。因此,北區(qū)早白堊世花崗巖的源區(qū)地殼組分并非全部由古亞洲洋型增生地殼通過放射性衰變演化而來。

南區(qū)花崗巖的εNd(t)值整體低于北區(qū),但明顯高于其南部的樺甸和通化地區(qū)的同時代花崗巖(圖5)。樺甸和通化地區(qū)出露太古代TTG、古元古代變質巖和花崗巖體等典型華北克拉通物質,且通化地區(qū)中生代花崗巖和火山巖具有類似于克拉通內部同期巖體的低的Nd和Pb同位素比值(吳福元等,1997;路孝平等,2005;Zhang et al.,2005;裴福萍,2008;范蔚茗等,2008;李超文等,2010)。

圖6 延邊南北區(qū)花崗巖的Nd同位素組成(εNd(t))和虧損模式年齡(tDM2)隨時間的變化趨勢圖(圖例同圖5)Fig.6 Variation trends of εNd(t)(a)and tDM2 (b)vs.age of the Phanerozoic granitoids in the Yanbian area,NE China.

因此,南區(qū)地殼物質組成很可能具有華北克拉通與興蒙造山帶過渡區(qū)的特點。該區(qū)二疊紀花崗巖具有較低的 εNd(t)值(–13.6～ –8.2)和高的 tDM2值(1700～2166 Ma),反映其源區(qū)可能繼承了華北克拉通的古老再循環(huán)地殼組分。當然,一些研究則認為這些南區(qū)二疊紀花崗巖是由與北區(qū)花崗巖源區(qū)類似的新生下地殼物質為主體(占 70%以上)熔融而成,并在巖漿上升途中遭受了由華北克拉通推覆而來的古老地殼殘片的混染(Zhang et al.,2005)。本文一方面認為花崗巖形成溫度較低,較冷的花崗巖不太可能在上升侵位途中遭受古老地殼大比例混染后從正的 εNd(t)值下降至–13.6～ –8.2;另一方面,我們開展的鋯石原位 Hf-O同位素分析測試獲得的較為均一的分析結果顯示南區(qū)二疊紀花崗巖(εHf(t)≈–10,δ18O≈8‰)明顯不同于北區(qū)同時期花崗巖(εHf(t)≈+10,δ18O≈5.5‰)(課題組未發(fā)表資料),因此,其源區(qū)不太可能是與北區(qū)類似的新生下地殼。

另外,隨著侵位時代變新,南區(qū)花崗巖的εNd(t)值逐漸增大,在早白堊世時期,其εNd(t)和 tDM2值已經與北區(qū)同期花崗巖趨于相同(圖6),這可能反映了全新的“古太平洋型弧地殼”已經置換了先存于南區(qū)深部的地殼物質組分。

4.2 古太平洋板塊俯沖對區(qū)域深部地殼物質的置換作用

根據上述南區(qū)、北區(qū)花崗巖Nd同位素的差異和隨時間變新而趨同的特點,我們可以對延邊地區(qū)地殼的演化進行歸納如下:

前人對研究區(qū)及鄰區(qū)的 I型花崗巖、A型花崗巖、火山巖、鎂鐵質巖墻、高壓變質巖、生物化石組合、海陸相地層及接觸關系等各方面研究結果顯示,研究區(qū)可能主要經歷了古亞洲洋的俯沖閉合(晚古生代末期–早三疊世)、華北克拉通與興蒙造山帶碰撞后的伸展作用(晚三疊世)和古太平洋俯沖的疊加改造和置換作用(始于侏羅紀？)等三大過程和作用(Xiao et al.,2003;Wu et al.,2004b,2007,2011;Zhang et al.,2004;孫德有等,2004,2005;裴福萍等,2004;Jia et al.,2004;葛文春等,2007;Li,2006;王成文等,2009;付長亮等,2010;Liu et al.,2010;Guo et al.,2010;Xu et al.,2009,2013;李明松等,2011;唐克東等,2011;邵濟安等,2013;Ma et al.,2015)。當然,對于研究區(qū)的地質演化歷史,一些學者還存在不同的認識(彭玉鯨等,2012;周建波等,2013)。

結合本文及前人研究結果,延邊地區(qū)花崗巖源區(qū)可能包含了至少三種地殼組分端元(圖6):古亞洲洋型增生弧地殼(εNd(t)≈+4)、古太平洋型增生弧地殼(εNd(t)≈+1)和華北克拉通古老再循環(huán)地殼組分(εNd(t)<–15)。

研究區(qū)內各時代的花崗巖的主體是伴隨著上述三大地質過程而形成,而各種地質作用過程伴隨的物質與能量的輸送(比如巖漿底侵或者弧巖漿巖或者增生楔物質)會使得研究區(qū)深部地殼的物質組成及狀態(tài)發(fā)生不斷地調整和改變(Collins et al.,2011)。南北兩區(qū)花崗巖的εNd(t)和tDM2值從晚古生代到白堊紀趨同的變化趨勢,可能正是先存于北區(qū)的古亞洲洋型增生弧地殼和南區(qū)的華北克拉通古老再循環(huán)地殼,在中生代期間遭受了古太平洋板塊向歐亞大陸俯沖形成的新生弧地殼強烈置換后兩區(qū)下地殼物質組分不斷調整而趨于均一化的記錄。

5 結 論

(1)對延邊地區(qū)顯生宙花崗巖進行的較為系統(tǒng)的元素及 Nd同位素研究表明,該地區(qū)以富爾河–古洞河斷裂為界的南北兩區(qū)內白堊紀之前形成的花崗巖的源區(qū)存在顯著差異,北區(qū)花崗巖顯示高εNd(t)和低 tDM2的年輕物源特征;南區(qū)為華北克拉通與年輕興蒙造山帶的過渡區(qū),區(qū)內二疊紀花崗巖較低的εNd(t)和高tDM2值顯示其源區(qū)繼承了華北克拉通的古老再循環(huán)地殼組分。

(2)綜合本文和前人的研究結果,區(qū)域內花崗巖的熔融源區(qū)包含了至少三種地殼組分:古亞洲洋型增生弧地殼、古太平洋型增生弧地殼和華北克拉通古老再循環(huán)地殼。

(3)南北兩區(qū)花崗巖的εNd(t)值從晚古生代到早白堊世逐漸趨同的變化趨勢反映了先存于北區(qū)的古亞洲洋型增生弧地殼和南區(qū)的華北克拉通古老再循環(huán)地殼,在中生代期間遭受古太平洋板塊俯沖形成的新生弧地殼的強烈改造和置換,使得區(qū)域深部地殼物質組分在早白堊世時已趨于均一。

致謝:感謝中國科學院廣州地球化學研究所馬金龍高級工程師、劉穎高級實驗師、張樂實驗師在元素、同位素組成分析過程中給予的幫助,同時感謝吉林大學葛文春教授和孫德有教授在審稿過程中有益的意見和建議。謹以此文紀念陳國達院士誕辰102周年！

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