李　亮, 孫景貴*, 郭　維, 韓吉龍

(1.吉林大學 地球科學學院, 吉林 長春 130061; 2.天津華北地質(zhì)勘查局地質(zhì)研究所, 天津 300170)

鶴崗北部地區(qū)黑龍江巖群的構造屬性: 來自巖石地球化學、鋯石U-Pb定年和Hf同位素的制約

李亮1, 孫景貴1*, 郭維2, 韓吉龍1

(1.吉林大學 地球科學學院, 吉林 長春 130061; 2.天津華北地質(zhì)勘查局地質(zhì)研究所, 天津 300170)

產(chǎn)于鶴崗北部地區(qū)的黑龍江巖群是由綠簾綠泥鈉長片巖、綠簾藍閃片巖(下部)和二云母片巖、石榴白云鈉長片巖、方解白云鈉長片巖、石榴白云鈉長石英片巖(上部)等巖系組成。本文通過巖石地球化學、鋯石 U-Pb年代學和Hf同位素組成研究, 厘定下巖組原巖為幔源堿性玄武巖(SiO2=47.44%～48.38%)及島弧鈣堿性玄武巖(SiO2=46.84%～49.22%), 有3組鋯石 U-Pb年齡(526±44 Ma, n=3; 249±11 Ma, n=6; 207±4 Ma, n=8); 上巖組原巖為海陸交互相碎屑巖(SiO2=66.70%～93.00%), 有 4組鋯石U-Pb年齡(484±13 Ma, n=3; 429±24 Ma, n=3; 277±4 Ma, n=11; 262±3 Ma, n=6)。結合鋯石的內(nèi)部結構、Hf同位素和區(qū)域構造演化特征, 幔源火山噴發(fā)和沉積作用發(fā)生在277±4 Ma,碰撞造山作用發(fā)生在262～249 Ma, 構造折返發(fā)生在207±4 Ma。這項研究對于深入認識黑龍江巖群性質(zhì)和構造屬性具有重要的意義。

黑龍江巖群; 巖石地球化學; 鋯石U-Pb定年; Hf同位素; 形成環(huán)境; 構造屬性

0　引　言

“黑龍江群”分布于佳木斯地塊西緣, 由南至北依次出露于牡丹江地區(qū)、依蘭?樺南地區(qū)和鶴崗北部(蘿北)地區(qū)(圖 1), 是佳木斯地塊的重要組成部分,曾被認為是古元古代地層單元(姜春潮, 1963; 劉靜蘭, 1991; 曹熹等, 1992; 黑龍江省地礦局, 1993; 黨延松和李德榮, 1993)?！昂邶埥骸痹灰暈楣爬详懞说囊徊糠? 即麻山群為陸核, 向外依次是變質(zhì)變形程度相對較低的興東巖群, 東風山巖群和“黑龍江群”。近些年來, 對佳木斯地塊構造演化的深入研究, 認為佳木斯地塊是外來地體, 形成于古生代(曹熹等, 1992; 李錦軼等, 1999), 直到晚三疊世或早侏羅世才成為中亞造山帶的一部分(吳福元等, 2001; Wu et al., 2007, 2011; 周建波等, 2009; Zhou et al., 2009, 2010b), 其形成時代可能代表了早古生代古洋盆閉合的時間(張興洲, 1992; 李錦軼等, 1999)。然而,“黑龍江群”的變質(zhì)變形特征、形成時代、成因歸屬與麻山群截然不同(張興洲和張元厚, 1991; 曹熹等, 1992; 張興洲等, 2006; 黃映聰?shù)? 2008; 周建波等, 2009; 李旭平等, 2009, 2010)。對分布在依蘭?樺南、牡丹江兩處的“黑龍江群”研究證實它們是晚古生代晚期(275～256 Ma)佳木斯地塊開始向西俯沖, 與松嫩地塊碰撞、經(jīng)折返后形成的一套變質(zhì)巖群(曹熹等, 1992; 宋海峰等, 2006; 黃映聰?shù)? 2008; Zhou et al., 2009, 2010a, 2010b; 周建波等, 2009; 王躍等,2009; 李旭平等, 2009, 2010; 孔凡梅等, 2011; 趙亮亮和張興洲, 2011; Zhou and Wilde, 2013), 被解釋為增生楔的重要組成部分(Wu et al., 2007; 周建波等, 2009; 李旭平等, 2010)。含放射蟲化石的硅質(zhì)巖及含幾丁蟲化石的黑色千枚巖的發(fā)現(xiàn)(張興洲和張元厚, 1991; 李錦軼等, 1999), 以及大量變余枕狀構造基性巖類的野外證據(jù)指明了“黑龍江群”巖石中含洋殼成分(曹熹等, 1992; 張興洲, 1992; 李錦軼等, 1999),是一套混有解體蛇綠巖殘塊并經(jīng)歷了藍片巖相變質(zhì)作用的構造混雜巖。

圖1　佳木斯地塊黑龍江巖群分布地質(zhì)簡圖(據(jù)曹熹等, 1992)Fig.1　Geological schematic map showing the distribution of the Heilongjiang metamorphic rocks in the Jiamusi Massif

雖然“黑龍江群”的主體并非地層單元, 但野外調(diào)查表明, 鶴崗北部地區(qū)大面積出露的“黑龍江群”具明顯的巖層變化規(guī)律和相對層序意義, 即下部主體為一套變質(zhì)基性巖, 上部主體為一套變質(zhì)火山沉積巖, 且在較大范圍內(nèi)可以對比, 因此本文稱黑龍江變質(zhì)巖為“黑龍江巖群”。高福紅等(2013)對區(qū)域上東風山巖群的形成時代與變質(zhì)變形作用研究揭示,東風山鐵礦區(qū)的亮子河組沉積于新元古代晚期, 東風山群亮子河組標準剖面處的黑云石英片巖和變質(zhì)粉砂巖應形成于早古生代晚期和晚古生代, 而研究區(qū)南部東風山群紅林組的形成時代應為晚古生代晚期(275～271 Ma); Cui et al. (2013)對研究區(qū)侵入至興東巖群內(nèi)部的花崗質(zhì)片麻巖形成時代進行了研究,鋯石U-Pb定年結果揭示其年齡為268～264 Ma。那么, 研究區(qū)大面積出露的黑龍江巖群與東風山巖群、興東巖群的關系如何？這引起我們極大關注。為了揭示研究區(qū)黑龍江巖群的物質(zhì)組成、形成環(huán)境和構造屬性, 近年來我們針對鶴崗北部地區(qū)大面積出露的黑龍江巖群開展了地質(zhì)、地球化學、鋯石U-Pb年代學和Hf同位素研究。結果顯示研究區(qū)黑龍江巖群晚古生代時期為一套海相火山?沉積巖,隨后經(jīng)歷了碰撞、折返作用, 這一成果為深入認識該地區(qū)構造演化提供了重要的地質(zhì)依據(jù)。

1　區(qū)域地質(zhì)背景和樣品描述

研究區(qū)位于小興安嶺北部、興蒙造山帶東部、佳木斯地塊北段, 西側以牡丹江斷裂為界與小興安嶺花崗雜巖侵入巖帶相毗鄰, 南側與東風山巖群接壤, 北段是嘉蔭中生代火山沉積盆地, 東側以黑龍江斷裂為界與俄羅斯布列亞地塊毗鄰(圖1)。研究區(qū)內(nèi)出露的地質(zhì)體主要是黑龍江巖群, 其次是中生代花崗雜巖、堿性花崗巖、片麻狀花崗雜巖以及各類中酸性脈巖(圖2)。野外地質(zhì)調(diào)查揭示, 中生代花崗雜巖、堿性花崗巖和晚古生代片麻狀花崗雜巖分布在研究區(qū)的東部, 侵入至興東巖群內(nèi)。黑龍江巖群主體巖石是一套經(jīng)高綠片巖相變質(zhì)變形作用形成的片巖地質(zhì)體, 以發(fā)育片理、線理和各類褶曲構造為特征(圖 3a, b), 片理呈北東向展布, 以寬緩的復式褶皺形態(tài)產(chǎn)出(圖2)。根據(jù)野外地質(zhì)觀察及巖性特征,將研究區(qū)黑龍江巖群劃分為上部、下部巖組: 下部巖組出露于復式褶皺背斜核部, 巖性為綠簾綠泥鈉長片巖、綠簾藍片巖等; 上部巖組出露于復式褶皺兩翼, 巖性為綠泥綠簾白云鈉長片巖、二云母石英片巖、方解白云石英片巖、石榴白云鈉長片巖、方解白云鈉長片巖、石榴白云鈉長石英糜棱片巖等。下部巖組巖石代表性礦物共生組合為鈉質(zhì)閃石+鈉長石、鈉長石+綠簾石+綠泥石+石英, 鈉質(zhì)閃石多呈殘留狀(圖3c, f); 上部巖組巖石代表性礦物共生組合為鈉長石+石榴子石+白云母+石英、鈉長石+白云母+石榴子石+綠泥石+黑硬綠泥石+石英+方解石(圖3d, e)。

實驗樣品分別采自研究區(qū)黑龍江巖群上部、下部巖組, 巖性分別有綠簾綠泥鈉長片巖類(P13-5-1、P13-1-1、P13-8-1、T01和P10-5-6)、石榴白云鈉長片巖類(P6-4-3、P6-3-2和T02)和方解白云石英片巖類(B54、P13-353和P13-351), 總體地質(zhì)、巖相學特征如下:

綠簾綠泥鈉長片巖類: 該組樣品是研究區(qū)黑龍江巖群下部巖組的代表性巖石類型, 巖石類型分別為: 綠簾綠泥鈉長片巖(T01)、含方解綠簾綠泥鈉長片巖(P10-5-6)和綠簾陽起綠泥鈉長片巖(P13-8-1、P13-5-1和P13-1-1)。它們均呈片狀, 互層產(chǎn)出于復式背斜中, 巖石呈灰綠色, 斑狀變晶結構、眼球狀構造或不等粒鱗片狀粒狀變晶結構, 片狀構造。主要礦物有鈉長石(40%～45%)、綠泥石(30%～39%)、綠簾石(6%～9%)和陽起石(8%～10%), 次要礦物有方解石(3%～5%)、石英(3%～4%)、白云母(3%～4%)、石榴子石(2%～3%)和鈉質(zhì)閃石(3%～4%), 副礦物可見榍石、磷灰石和磁鐵礦等。5個樣品所不同的是在礦物含量上略有差別。樣品中鈉長石有兩個世代或以兩種狀態(tài)產(chǎn)出, 一類鈉長石呈變斑晶狀產(chǎn)出, 眼球狀或疙瘩狀, 粒度 0.5～1.3 mm, 眼球狀鈉長石具定向分布, 方向與片理方向協(xié)調(diào)(圖3f), 另一類鈉長石呈不規(guī)則細粒狀產(chǎn)出, 鈉長石局部綠簾石化, 綠簾石呈微晶、隱晶集合體形式產(chǎn)出; 鈉質(zhì)閃石遭受綠泥石化、陽起石化、綠簾石化, 殘留狀產(chǎn)出(圖3c); 綠泥石呈片狀, 定向分布, 綠色?淺黃綠色, 具墨水藍異常干涉色, 為鈉質(zhì)閃石蝕變產(chǎn)物。

圖2　黑龍江鶴崗北部地區(qū)地質(zhì)簡圖及采樣位置Fig.2　Geological schematic map of the northern part of the Hegang area and sample locations

石榴白云鈉長片巖類: 該組樣品是研究區(qū)黑龍江巖群上部巖組的主體巖性。巖石類型分別為: 石榴白云鈉長片巖(T02)、含石榴白云石英鈉長片巖(P6-4-3)和含石榴二云母石英鈉長片巖(P6-3-2)。它們均呈片狀, 互層產(chǎn)出于復式褶皺的兩翼, 巖石為灰白色, 斑狀變晶結構、眼球?片狀構造或不等粒變晶結構, 片狀構造。主要礦物有鈉長石(35%～40%)、白云母(25%～28%)、石英(25%～32%)和黑云母(8%～ 16%), 次要礦物有石榴子石(4%～5%)和綠泥石(3%～ 5%), 副礦物可見磷灰石、磁鐵礦、石墨和鋯石等。3個樣品所不同的是在礦物含量上略有差別。樣品中鈉長石同樣有兩個世代或以兩種狀態(tài)產(chǎn)出, 一類鈉長石呈變斑晶狀(疙瘩狀、眼球狀)產(chǎn)出, 長軸可達2 mm, 晶體內(nèi)常見有石榴子石、白云母、石英等礦物包體(圖 3e), 包體定向并發(fā)生旋轉構成雪球構造,另一類鈉長石呈不規(guī)則微粒細粒狀產(chǎn)出, 常與微細石英顆粒呈條帶狀集合體形式; 白云母和(或)黑云母均呈鱗片狀, 強定向分布, 常繞過眼球狀鈉長石延伸構成糜棱葉理, 多產(chǎn)出于變斑晶外圍; 石英呈粒狀, 粒度<0.4 mm, 與不規(guī)則微細粒鈉長石呈條帶狀集合體形式; 石榴子石粒徑多在0.2 mm左右, 微晶粒狀, 分布不均, 有被包裹在鈉長石斑晶內(nèi)部和斑晶外圍兩種產(chǎn)出形態(tài)。

圖3　黑龍江巖群野外露頭及顯微照片F(xiàn)ig.3　Outcrops and microphotographs of the Heilongjiang metamorphic rocks

方解白云石英片巖類: 該組樣品是研究區(qū)黑龍江巖群上部巖組另一代表性巖石類型。巖石類型分別為: 方解石英片巖(B54)、含墨含石榴白云石英片巖(P13-353)和含石榴方解白云石英片巖(P13-351)。它們均呈片狀, 互層產(chǎn)出于復式褶皺的兩翼, 巖石灰白色, 細粒粒狀、鱗片狀變晶結構, 片狀構造。主要礦物有石英(65%～80%)、白云母(8%～10%)、方解石(4%～6%), 次要礦物有石榴子石(3%～4%)、鈉長石(3%～4%)、綠泥石(2%～5%), 副礦物可見石墨、電氣石和磷灰石等(圖3d)。3個樣品所不同的是在礦物含量上略有差別。樣品中白云母為鱗片狀, 強烈定向,與拉長柱狀石英構成片狀構造; 石英呈粒狀或拉長柱狀, 細?；蛭⒘? 干凈透明, 部分發(fā)育波形消光,但無變形紋、變形帶等現(xiàn)象; 方解石是晚階段蝕變的產(chǎn)物。

2　測試方法

本次實驗先后進行了全巖主量元素、微量元素(稀土元素)、鋯石U-Pb年代學以及Hf同位素測定,各項實驗方法和實驗過程如下。

2.1主量元素和微量元素(稀土元素)

在巖相特征鑒定的基礎上, 采用新鮮巖石樣品,經(jīng)純水洗凈、烤干后, 在無污染的情況下粉碎至200目, 用于實驗測定。實驗是在河北省廊坊市地質(zhì)調(diào)查研究所分析測試中心完成。主量元素采用X射線螢光光譜儀(XRF)測定, 相對誤差在 1%～3%; 微量元素、稀土元素分析采用酸溶法, 用電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)進行測定, 分析精度優(yōu)于5%, 詳細的實驗流程見Gao et al. (2002)。

2.2鋯石U-Pb定年和Hf同位素

實驗樣品選擇研究區(qū)黑龍江巖群上部、下部巖組代表性巖石樣品, 綠泥綠簾鈉長片巖(T01)和石榴白云鈉長片巖(T02)。鋯石分選工作由河北省廊坊市誠信地質(zhì)服務有限公司完成, 鋯石U-Pb同位素和原位 Lu-Hf同位素測試在中國科學院地質(zhì)與地球物理所巖石圈演化國家重點實驗室完成。利用配有193 nm激光剝蝕取樣系統(tǒng)的Neptune多接收離子質(zhì)譜儀(MC-ICP-MS)對鋯石U-Pb和Lu-Hf同位素同時測定, 激光束斑直徑為63 μm, 激光脈沖寬度為15 ns,標樣為 91500鋯石及 NIST610, 實驗中采用高純氦氣(He)作為剝蝕物質(zhì)載氣。詳細的分析方法及實驗過程見Griffin et al. (2000)、Jackson et al. (2004)和Yuan et al. (2004)。普通鉛校正方法詳見 Anderson (2002), 年齡計算、繪圖使用 Isoplot 3.0 (Ludwig, 2003)。初始 Hf值的計算采用176Lu衰變常數(shù)為1.865×10–11(Scherer et al., 2001), 現(xiàn)今球粒隕石的176Hf/177Hf=0.282772,176Lu/177Hf=0.0332 (Blichert-Toft and Albarède, 1997), Hf模式年齡計算采用現(xiàn)今的虧損地幔176Hf/177Hf=0.28325和176Lu/177Hf=0.0384 (Griffin et al., 2000)。

3　實驗結果

3.1主量元素地球化學特征

從表 1可知, 下部巖組綠簾綠泥鈉長片巖類SiO2含量 46.84%～49.22%, Al2O3=13.80%～15.37%, FeOt=9.01%～14.05%, MgO=3.58%～7.24%, CaO=4.98%～ 10.28%, Na2O=3.17%～4.24%, K2O=0.09%～2.08%, Na2O/K2O=1.84～35.20, 該類巖石具有低SiO2、貧鉀、富鐵鎂、Na2O/K2O>1的地球化學特征。Na2O/K2O比值變化范圍較寬, 可能是與后期鉀質(zhì)或鈉質(zhì)交代作用有關。

上部巖組石榴白云鈉長片巖類 SiO2含量為66.70%～77.92%, Al2O3=12.93%～15.77%, FeOt=3.73%～ 4.87%, MgO=0.98%～1.43%, CaO=0.30%～0.98%, Na2O= 1.42%～2.51%, K2O=3.19%～3.90%, Na2O/K2O=0.45～ 0.69; 上部巖組方解白云石英片巖類 SiO2含量為76.18%～93.00%, Al2O3=2.81%～11.81%, FeOt=2.18%～ 3.57%, MgO=0.25%～0.76%, CaO=0.19%～0.30%, Na2O= 0.06%～1.62%, K2O=0.90%～2.68%, Na2O/K2O=0.06～ 0.87。與下部巖組綠簾綠泥鈉長片巖類相比, 上部巖組兩類巖石均具有高SiO2、低鐵鎂、貧鈣、富鉀及Na2O/K2O<1的地球化學特征。其中方解白云石英片巖類SiO2的含量更高一些, Al2O3含量略低, 它們應屬于長英質(zhì)系列變質(zhì)巖; 石榴白云母鈉長片巖類SiO2含量低于方解白云石英片巖類, 而Al2O3含量略高。

3.2微量元素、稀土元素地球化學特征

下部巖組綠簾綠泥鈉長片巖類在球粒隕石標準化稀土配分模式圖(圖 4a)中可見, 2個樣品(T01和P10-5-6)稀土總量高, 輕重稀土分餾明顯, 富集LREE, 虧損HREE; 其余3個樣品(P13-1-1、P13-5-1和 P13-8-1)的稀土元素配分曲線平坦, 輕重稀土分餾弱。在微量元素蛛網(wǎng)圖中(圖4b), 2個樣品(T01和P10-5-6)地球化學特征與大陸溢流玄武巖(CFB)的特征相似, 富集不相容元素(Th、U、Hf、Zr和LREE), Ba元素的微負異?？梢越忉尀樵趲r漿作用過程中,一些特征礦物結晶所致(張鴻翔等, 2001); 另3個樣品(P13-1-1、P13-5-1和 P13-8-1)富集 Rb、Ba、Th和U等元素, 虧損Ti、Nb和Ta元素, 與島弧玄武巖(IAB)地球化學特征相似。

表1　方解白云石英片巖類、石榴白云鈉長片巖類和綠簾綠泥鈉長片巖類主量元素(%)、微量元素(×10–6)實驗結果及尼格里參數(shù)Table 1　Major (%) and trace element (×10–6) content of calcite muscovite quartz schists, garnet muscovite albite schists and epidote chlorite albite schists and their Niggli parameters

圖4　黑龍江巖群下巖組綠簾綠泥鈉長片巖球粒隕石標準化稀土元素配分模式圖(a), 原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖(b),和上巖組方解白云石英片巖及石榴白云鈉長片巖 PAAS標準化稀土元素配分模式圖(c)和微量元素蛛網(wǎng)圖(d)(原始地幔標準化值據(jù)Sun and McDonough, 1989; 球粒隕石和PAAS標準化值據(jù)Taylor and McLennan, 1985)Fig.4　Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagram (b) of the Lower Heilongjiang metamorphic rocks; PAAS-normalized REE patterns (c) and trace element spider diagram (d) of the Upper Heilongjiang metamorphic rocks

上部巖組石榴白云鈉長片巖類(P6-4-3、P6-3-2和 T02)稀土元素特征與后太古代澳大利亞頁巖(PAAS)相似, 3個樣品ΣREE=130.54～183.81 μg/g, 平均158.03 μg/g, 稀土總量略低于PAAS(PAAS稀土元素總量為 184.77 μg/g, 據(jù) Taylor and McLennan, 1985)。在PAAS標準化的稀土元素配分模式圖中(圖4c), 3個樣品(P6-4-3、P6-3-2和T02)曲線平坦, 輕重稀土分餾不明顯, Ce元素輕微正異常; 在 PAAS標準化的微量元素蛛網(wǎng)圖中(圖 4d), 它們(P6-4-3、P6-3-2和T02)曲線趨勢基本一致, 虧損Sr、Co、Ni、Cr等元素, 推斷該類巖石沉積物源類型單一。B54、P13-353和 P13-351總體上具有稀土總量低的特征, ΣREE= 27.21～126.61 μg/g, 平均值是75.91 μg/g。在PAAS標準化的稀土元素配分模式圖中(圖4c), 3個樣品(B54、P13-353和P13-351)同樣是曲線平坦, 輕重稀土分餾不明顯, Ce元素輕微正異常; 但在PAAS標準化的微量元素蛛網(wǎng)圖中(圖 4d), 它們微量元素特征存在明顯差異, 不同樣品的元素富集與虧損趨勢也不同, 反映出沉積物源類型多樣的特征。

3.3鋯石U-Pb年齡

下部巖組綠簾綠泥鈉長片巖(T01)測試的鋯石樣品為自形、半自形粒狀, 長 75～110 μm, 長寬比1.3∶1～2∶1, 可見完好振蕩生長環(huán)帶(圖5), 為典型巖漿鋯石。鋯石均具有核邊結構, 但生長邊窄, 僅5～20 μm, 呈亮白。17個具代表性的單顆粒鋯石測年數(shù)據(jù)顯示(表2), 其年齡范圍可劃分為3組(圖6a, b):第Ⅰ組, 鋯石多為半自形短柱狀, 核部鋯石呈碎屑狀或殘留狀產(chǎn)出, 內(nèi)部不發(fā)育環(huán)帶結構, Th/U比值為0.41～0.63, 加權平均年齡為526±44 Ma(n=3); 第Ⅱ組, 鋯石呈半自形、它形短柱錐狀, 內(nèi)部灰暗不發(fā)育環(huán)帶結構, 亦可見內(nèi)部灰白發(fā)育模糊環(huán)帶結構,內(nèi)部灰暗不發(fā)育環(huán)帶結構的鋯石Th/U比值在0.06～ 0.97,206Pb/238U年齡為260～240 Ma, 內(nèi)部發(fā)育模糊環(huán)帶結構的鋯石只有1顆, Th/U比值為0.40, 年齡為252±8 Ma。該組鋯石成因較復雜, 既具有正變質(zhì)巖成因的鋯石特征, 又有巖漿鋯石屬性(薛懷民等, 2002;程昊等, 2002; 吳元保和鄭永飛, 2004; 劉景波和葉凱, 2005; 劉匯川等, 2013), 加權平均年齡為 249±11 Ma (n=6); 第Ⅲ組, 鋯石呈半自形、它形或交代殘留狀產(chǎn)出, 內(nèi)部呈現(xiàn)清晰的振蕩環(huán)帶結構和相對模糊的環(huán)帶結構, 獲得核部的 Th/U比值高于前兩組(0.36～1.31),該組鋯石形態(tài)、結構特征及其 Th/U比值同樣表明它們既具有巖漿鋯石成因屬性, 又持有正變質(zhì)巖成因的鋯石特征, 加權平均年齡為207±4 Ma(n=8)。

圖5　黑龍江巖群綠簾綠泥片巖(T01)和石榴白云鈉長片巖(T02)鋯石CL圖像Fig.5　Cathodoluminescence (CL) images of zircons from the samples T01 and T02

上部巖組石榴白云鈉長片巖(T02)測試的鋯石樣品多具核、幔、邊結構。鋯石多為渾圓狀、圓柱狀, 自形到半自形, 長 55～150 μm, 長寬比 1.5∶1～3∶1(圖5d～g)。依據(jù)鋯石年齡范圍可劃分為4組(圖 6c, d): 第Ⅰ組, 鋯石呈半自形渾圓狀, 粒度大(120～150 μm), 具扇形結構或溶蝕結構, 屬繼承的碎屑重結晶鋯石或受熱液蝕變作用影響形成的鋯石; Th/U比值為0.44～0.61, 加權平均年齡為484±13 Ma (n=3); 第Ⅱ組, 鋯石呈半自形、它形, 渾圓狀, 顆粒小(55～100 μm), 核部鋯石呈碎屑狀或殘留狀產(chǎn)出,具面形分帶, Th/U比值0.11～0.63, 加權平均年齡為429±24 Ma(n=3), 鋯石屬于繼承的變質(zhì)重結晶鋯石;第Ⅲ組, 鋯石呈半自形渾圓狀, 粒度小(85～95 μm),核部較暗呈碎屑狀或殘留狀產(chǎn)出, 具溶蝕結構, 幔部較寬(30～75 μm)發(fā)育模糊環(huán)帶結構, 邊部灰暗, Th/U比值為0.15～0.91, 加權平均年齡為277±4 Ma (n=11), 該組鋯石數(shù)目多, 核幔邊結構最為明顯, 多階段生長特征顯著, 屬繼承的碎屑增生巖漿鋯石;第Ⅳ組, 鋯石自形呈板條、柱錐狀, 內(nèi)部結構均勻,顆粒具有板狀環(huán)帶(呈條帶狀吸收), 邊部灰暗顯示為變質(zhì)成因的暗色增生邊, Th/U比值高于前 3組(0.45～1.02), 加權平均年齡為262±3 Ma(n=6), 該組鋯石屬于被變質(zhì)流體改造過的巖漿成因鋯石。另外, T0204鋯石粒度小, CL圖像上呈高亮白色, Th/U比值為 1.24, 年齡為 8.5±1 Ma, 該類鋯石數(shù)目只有 1粒, 不具有代表性, 推斷為后期熱事件擾動所至或是鋯石放射性Pb丟失所至。

圖6　黑龍江巖群綠簾綠泥片巖(T01)和石榴白云鈉長片巖(T02)鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig.6　U-Pb concordia diagrams for zircon grains from the samples T01 and T02

表2　綠簾綠泥鈉長片巖(T01)和石榴白云鈉長片巖(T02) LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年結果Table 2　LA-ICP-MS U-Pb dating results for zircon grains from the epidote chlorite albite schist (T01) and garnet muscovite albite schists (T02)

續(xù)表2:

3.4鋯石Hf同位素特征

上部巖組綠簾綠泥鈉長片巖鋯石樣品(T01)原位Hf同位素測試結果見表3, 依據(jù)鋯石年齡階段將Hf同位素劃分為3組: 第1組(對應鋯石諧和年齡為526±44 Ma), 2個數(shù)據(jù)點舍去模式年齡小于鋯石年齡的數(shù)據(jù)點02后, 剩余06數(shù)據(jù)點176Lu/177Hf=0.000980,176Hf/177Hf=0.282600, εHf(t)=+3.8, tDM=923 Ma; 第2組(對應鋯石諧和年齡為249±11 Ma), 4個數(shù)據(jù)點中除05后, 剩余 3個數(shù)據(jù)點176Lu/177Hf=0.001269～0.001652,176Hf/177Hf=0.282676～0.282932, εHf(t)=+2.00～+10.40, tDM=831～458 Ma; 第3組(對應鋯石年齡為206±4 Ma), 2個點舍去數(shù)據(jù)點 01, 數(shù)據(jù)點 07的176Lu/177Hf= 0.001202,176Hf/177Hf=0.282723, εHf(t)= +2.30, tDM=755 Ma。

下部巖組石榴白云鈉長片巖鋯石樣品(T02)原位Hf同位素測試結果見表3, 依據(jù)鋯石年齡階段將Hf同位素劃分為2組: 第1組(對應鋯石諧和年齡為484±13 Ma), 3個數(shù)據(jù)176Lu/177Hf=0.000474～0.001469,176Hf/177Hf=0.282297～0.282514, εHf(t)=–6.10～+1.60, tDM=1347～1031 Ma, tDM2=2409～1720 Ma; 第2組(對應鋯石諧和年齡為277±4 Ma), 11個點舍去數(shù)據(jù)點06后, 剩余 10個數(shù)據(jù)點176Lu/177Hf=0.001168～0.002681,176Hf/177Hf=0.282499～0.282626, εHf(t)= –3.90～0.00, tDM= 1069～901 Ma, tDM2=2063～1709 Ma。

4　討　論

4.1黑龍江巖群物質(zhì)組成和原巖建造

地質(zhì)、巖相學特征表明, 研究區(qū)黑龍江巖群主體為一套高綠片巖相變質(zhì)變形的鎂鐵質(zhì)?長英質(zhì)片巖組合。鎂鐵質(zhì)片巖主要由鈉長石、綠泥石、綠簾石和少量鈉質(zhì)閃石、透閃石、黑云母、白云母、石榴子石組成, 化學成分以 SiO2(46.84%～49.22%)、Al2O3(13.80%～15.37%)、FeOt(9.01%～14.05%)、MgO(3.58%～7.24%)、CaO(4.98%～10.28%)和Na2O(3.17%～ 4.24%)為主; 長英質(zhì)片巖主要由鈉長石、石英、白云母、方解石和少量綠泥石、綠簾石、石榴子石、方解石等組成, 化學成分以SiO2(66.70%～93.00%)、Al2O3(2.81%～15.77%)、FeOt(2.18%～4.87%)、Na2O(0.06%～ 2.51%)和K2O(0.90%～3.90%)為主。在(al+fm)-(c+alk)對Si原巖判別圖上(圖7a), 下部巖組的成分點落在火山巖區(qū), 上部巖組的成分點落在砂質(zhì)沉積巖區(qū)域;在(al-alk)對c圖解上(圖7b), 下部巖組中除1個成分點落在細碧?玄武巖區(qū)與二長質(zhì)安山巖區(qū)之間外,其他成分點均落在細碧?玄武巖區(qū), 上部巖組的成分點落在泥巖(黏土巖)區(qū); 在 MgO-SiO2圖解中, 下部巖組的巖石化學成分點均投到玄武巖區(qū)(圖8)。因此, 下部巖組原巖以鈉質(zhì)玄武巖為主, 上部巖組原巖以陸緣碎屑巖為主, 從某種意義上講, 研究區(qū)黑龍江巖群下部是海相細碧?角斑巖建造, 向上逐漸過渡為淺海相碎屑巖建造。

表3　綠簾綠泥鈉長片巖(T01)及石榴白云鈉長片巖(T02)鋯石Hf同位素組成Table 3　Hf isotopic compositions for zircon grains from the epidote chlorite albite schist (T01) and garnet muscovite albite schist (T02)

4.2物質(zhì)來源與形成環(huán)境

上述有關黑龍江巖群物質(zhì)組成和原巖建造的探討, 揭示黑龍江巖群下部巖組為細碧?角斑巖建造,原巖是在海相火山作用過程形成的。微量元素地球化學特征揭示, 有的巖石(P10-5-6)呈現(xiàn)富集不相容元素(Th、U、Hf、Zr、LREE等) (圖4a、4b), 與大陸裂谷玄武巖地球化學特征相似, 暗示原始巖漿起源于軟流圈富集地幔; 有的巖石(T01)同樣呈現(xiàn)富集不相容元素(Th、U、Hf、Zr、LREE等)特征, 但Nb、Ta元素弱虧損, 暗示幔源巖漿受地殼或巖石圈混染;多數(shù)樣品(P13-1-1、P13-5-1和 P13-8-1)呈現(xiàn)明顯的Nb、Ta虧損和微弱的Ti負異常, 具初始島弧玄武巖特征(耿全如等, 2007; 王立全等, 2008), 暗示巖漿可能來源于俯沖帶富集地幔源區(qū), 且?guī)r漿演化的過程中, 有俯沖洋殼、隨帶的深海沉積物及再循環(huán)進入地幔的地殼物質(zhì)混入。T01中存在繼承性或捕獲的早古生代老年齡鋯石, 指示幔源巖漿在上升過程中經(jīng)歷過地殼物質(zhì)的混染作用; 玄武巖中巖漿鋯石(249±11 Ma) εHf(t)值分散(+2.00～+10.40), 指示鋯石結晶過程中巖漿源區(qū)成分發(fā)生過變化, 結合Hf同位素數(shù)值(表 3)推斷玄武巖漿來源于新元古代(tDM= 831 Ma)巖石圈地幔, 早古生代地殼物質(zhì)或有參與。黑龍江巖群上部巖石來源多樣, 從石榴白云鈉長片巖(T02)獲得的單顆粒鋯石 U-Pb年齡來看, 第Ⅰ組與第Ⅱ組鋯石均為早古生代老年齡鋯石, 且捕獲數(shù)目較少, 結合區(qū)域資料, 推斷這些鋯石均可能來自于佳木斯地塊麻山巖群; 第Ⅲ組與第Ⅳ組捕獲的鋯石均為晚古生代晚期鋯石, 且數(shù)目較多, 指示沉積物質(zhì)來源主體為晚古生代晚期巖漿?構造事件, 這與上述的同時代海相火山事件相對應, 暗示幔源火山噴發(fā)和沉積作用始于277±4 Ma。石榴白云鈉長片巖(T02)捕獲的277±4 Ma年齡碎屑鋯石均具負εHf(t)值(–3.90～0.00, n=10), 同樣反映出該時期巖漿源區(qū)為富集地幔, 且受到地殼或巖石圈混染, 巖漿來源于新元古代(tDM=1069～901 Ma)巖石圈地幔。

圖7　黑龍江巖群尼格里常數(shù)原巖恢復圖解(據(jù)Simonen, 1953; 引自王任民等, 1987)Fig.7　Niggli parameters protolith restoration diagrams

圖8　綠簾綠泥鈉長片巖類MgO-SiO2地球化學分類圖解(據(jù)Le Bas, 2000)Fig.8　MgO vs. SiO2geochemical classification diagram

在巖石形成的構造背景方面, 持有上述地球化學特征的火山巖和碎屑巖通常發(fā)生在大陸邊緣裂谷環(huán)境或板內(nèi)裂谷環(huán)境(于津海等, 1997; 徐夕生和謝昕, 2005; 徐勇航等, 2008; 徐學義等, 2009)。為了深入揭示其形成的構造環(huán)境, 本文采用惰性元素和元素比值法對其展開示蹤。在 Zr/Y-Zr圖解上(圖 9a),持有玄武質(zhì)火山巖地質(zhì)、地球化學特征的樣品分別落在板內(nèi)玄武巖(WPB)區(qū)(P10-5-6、T01)和 IAB區(qū)(P13-1-1、P13-5-1和P13-8-1); 在Th/Yb-Ta/Yb圖解中(圖9b), T01成分點落在大陸邊緣島弧區(qū), P10-5-6成分點落在 WPB區(qū), P13-1-1、P13-5-1和 P13-8-1落在洋弧區(qū)。值得關注的是, T01在并未落入WPB區(qū), 而偏至大陸邊緣島弧區(qū)(圖 9b), 揭示該樣品曾受到地殼或巖石圈混染, 導致Ti、Nb、Ta等元素濃度降低, 而Zr和Y等元素改變不明顯。

黑龍江巖群上部巖組利用 La/Th-Hf判別圖解對砂巖及泥質(zhì)砂巖進行沉積物源區(qū)判別, 成分點主要落在酸性島弧物源(圖10a); 在Co/Th-La/Sc判別圖解上, 指示了物源區(qū)多為長英質(zhì)火山熔巖(圖10b); 同樣選用不活潑微量元素或在搬運沉積過程中微弱變化的微量元素進行構造背景判別, 指示源巖形成的構造背景應屬于大陸邊緣島弧環(huán)境(圖11)。結合T02單顆粒鋯石U-Pb定年結果, 沉積物質(zhì)來源主體為晚古生代晚期巖漿?構造事件, 揭示研究區(qū)裂谷幔源火山噴發(fā)后, 構造環(huán)境逐漸過渡為(初始)島弧環(huán)境, 推斷 262±3 Ma鋯石年齡記錄了這次構造熱事件。

在地質(zhì)上, 鑒于黑龍江巖群呈帶狀分布于松嫩地塊和佳木斯地塊之間(圖 1b), 因此我們很難把其形成環(huán)境歸屬為單一的大洋中脊環(huán)境、大陸邊緣島弧環(huán)境或大洋島弧環(huán)境, 其形成環(huán)境應屬于大陸內(nèi)部裂谷環(huán)境(地體邊界深斷裂環(huán)境)或初始島弧環(huán)境。

圖9　玄武巖微量元素構造環(huán)境判別圖(據(jù)Pearce and Norry, 1979; Pearce and Peate, 1995)Fig.9　Basalt discrimination diagrams

圖10　黑龍江巖群上部巖組方解白云石英片巖類和石榴白云片巖類源巖判別圖解(a, 據(jù)Floyd and Leveridge, 1987; b, 據(jù)Wronkiewicz and Condie, 1987)Fig.10　Sedimentary provenance discrimination diagrams

圖11　黑龍江巖群上部巖組方解白云石英片巖類和石榴白云片巖類沉積構造環(huán)境判別圖(據(jù)Bhatia and Crook, 1986)Fig.11　Tectonic discrimination diagrams

4.3黑龍江巖群構造屬性與地球動力學過程

地質(zhì)、巖相學特征表明, 研究區(qū)的黑龍江巖群已經(jīng)基本失去了原始火山巖和沉積巖的結構構造形跡; 巖石的主要礦物共生組合記錄的是殘留藍片巖相和區(qū)域高綠片巖相變質(zhì)變形作用。從單顆粒鋯石的內(nèi)部結構分析, 除火山噴發(fā)、沉積過程形成和捕獲外來鋯石外(見上文), 記錄變質(zhì)變形作用的鋯石U-Pb年齡有262～249 Ma和206±4 Ma兩組, 鑒于藍片巖相呈殘留狀形式產(chǎn)出, 我們推測262～249 Ma代表藍片巖相變質(zhì)變形年齡, 而207±4 Ma則應是高綠片巖相變質(zhì)變形時代, 這一點與區(qū)域報道的佳木斯地塊周邊發(fā)育大量晚二疊世?早三疊世花崗巖的屬性十分吻合。如: 佳木斯地塊南緣牡丹江地區(qū)出露的片麻狀花崗巖具火山弧花崗巖特點(青山片麻狀花崗閃長巖巖, 270±4 Ma; 石場片麻狀花崗閃長巖, 267±2 Ma; 楚山片麻狀花崗閃長巖, 256±5 Ma; 柴河片麻狀二長花崗巖, 254±5 Ma), 它們均為I型同碰撞花崗巖, 記錄了佳木斯地塊與松嫩地塊的碰撞過程(吳福元等, 2001); 樺南地區(qū)美作花崗巖年齡為259±3 Ma, 同樣具火山弧花崗巖特點, 暗示晚二疊世樺南地區(qū)處于活動大陸邊緣構造環(huán)境下(黃映聰?shù)? 2008); 鶴崗北部地區(qū)與興東巖群伴生的花崗質(zhì)片麻巖年齡為264±4 Ma, 地球化學及變質(zhì)變形特征表明該巖體為佳木斯地塊與松嫩地塊碰撞過程中形成的同構造花崗巖(Cui et al., 2013)。小興安嶺東部及張廣才嶺地區(qū)發(fā)育晚三疊世至早侏羅世A型花崗巖, 如: 毛家屯花崗巖(213±4 Ma)和密林花崗巖(197±2 Ma) (Wu et al., 2002)、紅石砬子花崗巖(210± 1 Ma)和大王折子花崗巖(229±12 Ma)(黑龍江省地礦局, 1993)、清水花崗巖(222±5 Ma)(孫德友等, 2004)、伊春地區(qū)近SN向花崗巖(韓振哲等, 2009)、張廣才嶺群花崗質(zhì)巖石(222～212 Ma)(Wang et al., 2011; 許文良等, 2012)、伊南?鶴崗地區(qū)花崗巖(222～200 Ma) (魏紅艷等, 2012)等, 這些巖體精確的鋯石年代學數(shù)據(jù)證實了晚三疊世后, 研究區(qū)由碰撞環(huán)境已逐漸過渡到伸展環(huán)境。曹熹等(1992)、Wu et al. (2007)、Li et al. (2009)、趙亮亮和張興洲(2010)分別對黑龍江巖群樣品中黑(白)云母進行了 Ar-Ar測年, 測年結果暗示了構造折返作用可能持續(xù)到早?中侏羅世(210～170 Ma)。因此, 出露于鶴崗北部地區(qū)的黑龍江巖群實質(zhì)是一套經(jīng)歷低溫中高壓變質(zhì)變形作用和退變質(zhì)作用后形成的構造片巖, 并揭示佳木斯地塊與松嫩地塊拼貼碰撞發(fā)生在262～249 Ma, 折返作用始于晚三疊世。

5　結　論

(1) 通過地質(zhì)、巖相學研究, 確定黑龍江巖群主體為一套高綠片巖相變質(zhì)變形的鎂鐵質(zhì)?長英質(zhì)片巖組合, 下部巖相主體為綠簾綠泥鈉長片巖類, 上部巖組巖性主體為石榴白云鈉長片巖類和方解白云石英片巖類, 下部為海相細碧?角斑巖建造, 向上逐漸過渡為淺海相碎屑巖建造。

(2) 元素地球化學和Hf同位素特征表明, 下部巖組原巖以起源于富集地幔的鈉質(zhì)玄武巖為主, 上部巖組原巖以陸相碎屑巖為主, 成分來自被剝蝕的相鄰地體或佳木斯地塊, 形成于大陸內(nèi)部初始裂谷或初始島弧環(huán)境。

(3) 結合年代學研究成果, 進一步厘定該巖群原巖形成于早二疊世(277±4 Ma), 于早二疊世發(fā)生高壓藍片巖相變質(zhì)作用(262～249 Ma), 晚三疊世至早?中侏羅世發(fā)生大規(guī)模退變質(zhì)作用(210～170 Ma);因此, 研究區(qū)的黑龍江巖群是晚古生代海相火山?沉積作用和隨后的佳木斯地塊與松嫩地塊拼貼碰撞和折返作用的綜合產(chǎn)物。

致謝: 感謝吉林大學張興洲教授和周建波教授的寶貴評審意見; 本文在研究和撰寫過程中曾與崔培龍博士和孫平昌博士進行了有益的討論, 受益非淺;感謝中國科學院地質(zhì)與地球物理所LA-MC-ICP-MS實驗室相關工作人員的協(xié)助。

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Tectonic Attribute of Heilongjiang Metamorphic Rocks in the Northern Part of Hegang Area, NE China: Constrains from Geochemistry, Zircon U-Pb Dating and Hf Isotopic Composition

LI Liang1, SUN Jinggui1*, GUO Wei2and HAN Jilong1
(1. School of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, Jilin, China; 2. Geological Institute of North China Geological Exploration Bureau of Tianjin, Tianjin 300170, China)

The Heilongjiang metamorphic rocks located in the northern part of the Hegang area, NE China, consist of epidote-chlorite-albite schist, epidote-glaucophane schist (the lower group), and two-mica schist, garnet-muscovite -albite schist, calcite-muscovite-albite schist, garnet-muscovite-quartz schist (the upper group), etc. Detailed research on geochemistry, zircon U-Pb dating and Hf isotopic composition showed that the protoliths of the lower group are alkali basalt derived from mantle (SiO2=47.44% ? 48.38%), and island arc calc alkali basalt (SiO2=46.84% ? 49.22%). The lower group contains three groups of zircon U-Pb age (526±44 Ma, n=3; 249±11 Ma, n=6; 207±4 Ma, n=8), whereas the protolith of the upper group is alternative continent-marine facies clastic rock (SiO2=66.70% ? 93.00%), and contains four groups of detrital zircon U-Pb age (484±13 Ma, n=3; 429±24 Ma, n=3; 277±4 Ma, n=11; 262±3 Ma, n=6). Combined with zircon internal texture, Hf isotopic composition and regional tectonic evolution features, we suggest that the volcanic eruption and sedimentation occurred at 277±4 Ma, and collision orogeny was during 262 Ma to 249 Ma. Tectonic exhumation occurred at 207±4 Ma. The research is significant to identify the nature and tectonic affinity of Heilongjiang metamorphic rocks.

Heilongjiang metamorphic rocks; geochemistry; zircon U-Pb dating; Hf isotopic composition; formation environment; tectonic setting

P595; P597

A

1001-1552(2016)05-1014-017

10.16539/j.ddgzyckx.2016.05.010

2014-05-27; 改回日期: 2014-10-13

項目資助: 國家自然科學基金項目(41172072和40772052)聯(lián)合資助。

李亮(1985–), 男, 博士研究生, 地球化學專業(yè)。Email: liliang850729@163.com

孫景貴(1961–), 男, 教授, 博導, 從事巖漿、熱液礦床研究工作。Email: sunjinggui@jlu.edu.cn