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    大兴安岭北段扎兰屯地区斜长角闪岩年代学、地球化学和Hf同位素特征及其构造意义

    钱程 汪岩 陆露 秦涛 李林川 崔天日 陈会军 杨柳

    引用本文:
    Citation:

    大兴安岭北段扎兰屯地区斜长角闪岩年代学、地球化学和Hf同位素特征及其构造意义

      作者简介: 钱程(1985—), 男, 硕士, 工程师, 构造地质学专业, 主要从事区域地质研究.
    • 基金项目:

      中国地质调查局项目 1212011220435

      中国地质调查局项目 DD20190039

      中国地质调查局项目 DD20160345-17

      中国地质调查局项目 D20160048-01

    • 中图分类号: P581;P595

    Geochronology, Geochemistry and Hf Isotopic Composition of Amphibolite from Zhalantun Region in Northern Great Xing'an Range and Its Tectonic Significance

    • CLC number: P581;P595

    图(9) / 表(1)
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    出版历程
    • 收稿日期:  2019-02-21
    • 刊出日期:  2019-10-01

    大兴安岭北段扎兰屯地区斜长角闪岩年代学、地球化学和Hf同位素特征及其构造意义

      作者简介: 钱程(1985—), 男, 硕士, 工程师, 构造地质学专业, 主要从事区域地质研究
    • 1. 中国地质调查局沈阳地质调查中心, 辽宁沈阳 110034
    • 2. 沈阳师范大学古生物学院, 辽宁沈阳 110034
    • 3. 自然资源部东北亚古生物演化重点实验室, 辽宁沈阳 110034
    基金项目:  中国地质调查局项目 1212011220435中国地质调查局项目 DD20190039中国地质调查局项目 DD20160345-17中国地质调查局项目 D20160048-01

    摘要: 扎兰屯地区位于贺根山-黑河构造带中段,发育叠加韧性变形的晚古生代岩浆岩,可较好地记录这一时期的构造演化历史,但其研究程度较低.在野外调查基础上,对扎兰屯头道沟花岗质糜棱岩中的斜长角闪岩构造透镜体进行年代学和地球化学研究,探讨其成岩、变质及构造意义.头道沟斜长角闪岩原岩为玄武安山岩,锆石LAICP-MS U-Pb年龄为373.0±2.6 Ma,相当于大民山组火山岩.该岩石属钠质岩石,富集大离子亲石元素和轻稀土元素,亏损高场强元素,锆石原位εHft)为+5.39~+10.06,类似兴安岛弧的Hf同位素特征.上述特征暗示其原岩可能起源于蚀变洋壳流体交代亏损地幔演化而来的年轻下地壳,形成于板块消减带之上的前弧盆地.晚泥盆世在额尔古纳-兴安地块东南缘发育弧后、弧间和弧前盆地.斜长角闪岩变质年龄为~241.5±9.6 Ma,该变质可能与天山-兴蒙造山带演化晚期的伸展作用有关.

    English Abstract

    • 中亚造山带夹持于西伯利亚板块、华北板块和塔里木板块之间,是古生代大陆增生改造最为典型的地区(Jahn et al., 2004),一直以来备受国内外学者关注(图 1a).其形成与古亚洲洋的形成、演化和闭合密切相关,主体是由俯冲作用形成的增生杂岩、岩浆弧及夹杂其中的微陆块、洋底高原和洋岛等构造单元构成(Windley et al., 2007).其东段被称为兴蒙造山带,由若干微地块、岛弧及夹杂其间的构造带或缝合带组成(图 1b),是研究造山带构造演化的重要地区之一,中新生代受蒙古-鄂霍茨克洋和古太平洋构造域叠加作用(Feng et al., 2015).

      图  1  研究区地质简图

      Figure 1.  Geological sketch map of the study area

      大兴安岭地处兴蒙造山带东部,南侧以西拉木伦蛇绿岩带为界与华北板块北缘相接,主要由额尔古纳地块、兴安岛弧、松嫩地块及塔源-喜桂图构造带和二连-贺根山-黑河构造带组成(图 1b)(洪大卫等, 1994; Xu and Chen, 1997; Li, 2006; 葛文春等, 2007; 潘桂棠等, 2009; 徐备等, 2014; Feng et al., 2015; Chen et al., 2018).沿塔源-喜桂图构造带发育新元古代-早古生代蛇纹岩、变辉长岩、辉石岩、蓝片岩等(李瑞山, 1991),近年来发现奥陶纪后造山双峰式侵入岩,较为准确地限定该带为早古生代早期额尔古纳地块和兴安岛弧的构造拼合带(葛文春等, 2007; Feng et al., 2015).而就二连-贺根山-黑河构造带而言,其构造属性和形成时限争议极大.有学者将该构造带厘定为古亚洲洋的最终闭合位置(洪大卫等, 1994),但更多学者将其厘定为额尔古纳-兴安地块和松嫩地块的拼合位置(唐克东, 1989; 苏养正, 1996; 孙德有等, 2000; Wu et al., 2002; Feng et al., 2015).形成时限上也存在很大争议,大体存在3种观点:(1)早古生代末,如中晚志留世(唐克东, 1989)、晚志留世-早泥盆世(Xu and Chen, 1997);(2)晚古生代,如泥盆纪(Xu and Cheng, 1997; 徐备等, 2014)、晚泥盆世(苏养正, 1996)、晚泥盆世-早石炭世(洪大卫等, 1994)、早石炭世晚期(赵芝等, 2010; Zhang et al., 2015)、前二叠纪(孙德有等, 2000; Li et al., 2016)、晚石炭世-早二叠世(孙凡婷等, 2018)等;(3)中生代初,如三叠纪(Chen et al., 2009).

      目前,学者们对二连-贺根山-黑河构造带西南段(二连—贺根山段)和东北段(嫩江-黑河段)的物质组成及接触关系、岩石成因及构造背景、生物地层及年代格架等进行了大量的研究(赵芝等, 2010; 付俊彧等, 2015; Zhang et al., 2015; 赵院冬等, 2015).而对该构造带中段(扎兰屯-霍林郭勒段)的资料报道较少.近年来,笔者调查发现扎兰屯地区发育晚古生代岩浆岩,可较好地记录这一时期的构造演化历史,但其研究程度较低.本文对扎兰屯市南部头道沟花岗质糜棱岩中的斜长角闪岩构造透镜体进行年代学和地球化学研究,分析其原岩成岩时代,探讨该原岩的岩石成因,厘定其变质时代,并结合区域资料,探究其成岩、变质等所揭示的大地构造意义,为兴蒙造山带的构造格局及演化历史研究提供新材料.

      • 研究区位于内蒙古自治区东北部扎兰屯市南部地区,属大兴安岭东坡与松辽平原过渡地带.大地构造上,研究区属兴蒙造山带、大兴安岭弧盆系、二连-贺根山-黑河构造带中段,是额尔古纳-兴安地块和松嫩地块拼接的重要区段(图 1b).

        额尔古纳-兴安地块为早古生代早期额尔古纳地块和兴安岛弧拼合增生而成(葛文春等, 2007; Feng et al., 2015).额尔古纳地块西南侧与蒙古国东北部的伊伦达瓦(Ereendavaa)地块相连,以发生角闪岩相的兴华渡口群和新太古代-古元古代花岗质片麻岩和黑云斜长片麻岩(邵军等, 2015)为基底,经历了中新元古代地壳增生(葛文春等, 2007),被大面积分布的晚古生代浅海相-海陆交互相火山-碎屑沉积和中生代陆相火山-碎屑沉积覆盖,并伴有强烈的晚古生代-中生代花岗质岩浆活动.兴安岛弧位于额尔古纳地块东南侧,南西与蒙古国南部Mandalovoo和Gurvansayhan地体相连,由北向南可划分为多宝山岛弧、扎兰屯岛弧、博客图岛弧和东乌旗岛弧等,其以发生绿片岩相的新开岭岩群和倭勒根岩群为基底,经历了新元古代-早古生代地壳增生(Han et al., 2015; 王照元等, 2018),早古生代-石炭纪发育岛弧岩浆活动(葛文春等, 2007; 赵芝等, 2010; 付俊彧等, 2015; Wu et al., 2015; 张渝金等, 2016; Chen et al., 2018; 李良等, 2018),被大面积分布的晚石炭世-早二叠世海陆交互相和陆相火山-碎屑沉积、晚二叠世陆相碎屑沉积及中生代火山-碎屑沉积覆盖,并伴有强烈的花岗质岩浆活动(中国地质调查局沈阳地质调查中心, 2016, 大兴安岭北段关键地区区域地质调查报告).

        松嫩地块位于额尔古纳-兴安地块东南侧,东侧以牡丹江构造带为界与佳木斯地块相接、北侧接蒙古-鄂霍茨克中生代造山带、南侧以吉中造山带与华北板块北侧的弧盆系相隔,其主体包括小兴安岭岩块、张广才岭岩块、松辽盆地北侧覆盖区及部分南大兴安岭地区.松嫩地块以发生角闪岩相的东风山群(权京玉等, 2013)和新太古代-古元古代花岗质片麻岩和斜长角闪岩(钱程等, 2018a)为基底,早古生代发育浅海相陆缘碎屑沉积(权京玉等, 2013),晚古生代受古亚洲洋闭合影响在地块的南缘和西缘发育陆缘弧岩浆活动,中新生代上叠火山盆地,并伴有强烈的晚三叠世-早白垩世花岗质岩浆活动.

        研究区内出露的地层主要为中生代火山-沉积地层,局部出露晚古生代地层(图 1c).晚古生代地层主要包括:上石炭统宝力高庙组陆相中酸性火山岩和正常沉积碎屑岩、上石炭统-下二叠统格根敖包组海陆交互相安山质火山岩和正常碎屑岩夹灰岩透镜体、下二叠统大石寨组海相中酸性火山岩夹正常碎屑岩、中二叠统哲斯组浅海相正常碎屑岩夹灰岩透镜体、上二叠统林西组湖相黑灰色为主的砂板岩.区内侵入岩分布面积较大,主要为花岗质岩石(图 1c),成岩时代可划分为泥盆纪-早石炭世、晚石炭世、早二叠世、晚三叠世和早白垩世等5个时期(中国地质调查局沈阳地质调查中心, 2012, 内蒙古1:50 000大旗等4幅区域地质调查报告).泥盆纪-早石炭世的花岗质岩石普遍叠加不同程度的韧性变形,被二叠纪之后的地质体肢解或覆盖,其内夹杂有斜长角闪岩、黑云角闪斜长片岩、变玄武岩、绿泥斜长片岩、绿帘黑云斜长片岩等构造透镜体,构造面理与糜棱页理一致.

        本文所研究的斜长角闪岩产于头道沟花岗质糜棱岩中.采样点(D704)位于扎兰屯市中和镇头道沟村,经纬度为N47°41′45″、E122°32′50.5″,斜长角闪岩呈构造透镜体状产出于花岗质糜棱岩中,出露宽度约8~10 m,走向延伸约15 m.花岗质糜棱岩面理产状150°∠50°、拉伸线理185°∠35°,S-C组构发育、呈右行运动学特征,原岩结晶时代为晚泥盆世末-早石炭世初(约为356~361 Ma);斜长角闪岩发育条带状构造,面理产状165°∠45°(图 2a).本次在斜长角闪岩中采集薄片样品及配套的锆石U-Pb测年和Hf同位素分析样品1套、采集主微量地球化学分析样品8套.

        图  2  扎兰屯市头道沟斜长角闪岩岩貌(a)及显微岩石学照片(b)

        Figure 2.  The field and microscopic characteristics of the amphibolite from Toudaogou in Zhalantun

        头道沟斜长角闪岩(D704b)风化面颜色为灰黄色、新鲜面颜色为灰绿色,条带状构造,粒状变晶结构,岩石主要由辉石(20%±)、角闪石(40%±)及斜长石(40%±)组成.辉石呈淡绿色,他形粒状或不完整八边形粒状,与角闪石镶嵌共生,粒径为0.05~0.25 mm;角闪石呈黄绿色,显著多色性,半自形板柱状、宽板状,表面新鲜洁净,长轴略定向,粒径为0.15~0.70 mm;斜长石呈半自形粒状,聚片双晶带较宽,表面泥化、绢云母化,粒径为0.05~0.20 mm;共生矿物组合为Hb+Cpx+Pl(图 2b).本套岩石周边出露大量黑云角闪斜长片岩、变玄武岩、绿泥斜长片岩等构造透镜体,他们可能为同一套中基性火山岩地层变质而来,岩相上本套斜长角闪岩矿物粒度较细且均匀,推测其原岩为中基性火山岩,变质程度达低角闪岩相.

      • 样品的锆石挑选由河北省廊坊市宇恒矿岩技术服务有限公司完成.锆石U-Pb同位素分析在中国地质科学院地质所深地动力学实验室完成.对待测样品的锆石与标样环氧树胶浇铸,制成薄片、抛光,然后对其进行反射光、透射光和阴极发光(CL)图像的采集,以确定锆石的内部结构和成因.锆石U-Pb定年工作所用的MC-ICP-MS为美国Thermo Fisher公司最新一代Neptune Plus型多接收等离子体质谱仪.采用的激光剥蚀系统为美国Coherent公司生产的GeoLasPro 193nm.激光剥蚀所用束斑直径为30 μm,频率为10 Hz,能量密度为2.5 J/cm2,以He为载气.结合锆石反射、透射照片,避开锆石内部裂隙和包裹体.实验标样为91500,206Pb/238Pb年龄的加权平均值误差为±1σ.本文样品锆石的LA-ICP-MS U-Pb分析结果见附表 1.

        测点号 年龄(Ma) 176Yb/177Hf 176Lu/177Hf 176Hf/177Hf IHf εHf(0) εHf(t) TDM1 (Ma) TDM2(cc) (Ma) fLu/Hf
        1 373.0 0.038 875 0.001 321 0.282 707 0.282 710 -2.2 5.69 774 928 -0.96
        2 0.028 970 0.001 021 0.282 716 0.282 719 -1.9 6.09 755 906 -0.97
        3 0.030 143 0.001 044 0.282 754 0.282 758 -0.5 7.43 702 831 -0.97
        4 0.038 843 0.001 281 0.282 726 0.282 729 -1.5 6.37 746 890 -0.96
        5 0.027 357 0.000 956 0.282 723 0.282 726 -1.6 6.35 744 891 -0.97
        6 0.046 786 0.001 575 0.282 719 0.282 722 -1.8 6.05 762 908 -0.95
        7 0.035 180 0.001 199 0.282 707 0.282 710 -2.2 5.72 772 926 -0.96
        8 0.029 675 0.001 025 0.282 737 0.282 741 -1.1 6.85 725 863 -0.97
        9 0.054 850 0.001 822 0.282 730 0.282 733 -1.4 6.39 751 889 -0.95
        10 0.024 972 0.000 864 0.282 783 0.282 787 0.5 8.51 657 770 -0.97
        11 0.029 171 0.001 004 0.282 828 0.282 832 2.1 10.06 596 684 -0.97
        12 0.071 996 0.002 355 0.282 705 0.282 709 -2.2 5.39 798 945 -0.93

        表 1  扎兰屯市头道沟斜长角闪岩锆石Lu-Hf同位素测试结果

        Table 1.  The results of zircon Lu-Hf isotopic analysis of the amphibolite from Toudaogou in Zhalantun

      • 本次测试样品(D704b)的锆石主体为半透明浅褐色,粒度大小80~150 μm,长宽比约为2:1.该组锆石具有较为一致的结构构造特征,呈现核边或核幔构造,内部具有较大的锆石继承核,外侧普遍包裹一宽约5~40 μm厚度不等的暗色环带,二者之间隐约可见灰白色变质细边(图 3).内部核较大,呈灰白色-浅灰色,多为短柱状,晶面和锥体形态完好,锆石阴极发光图像显示其发育明显的同心状、扇状环带、韵律环带,锆石的Th/U比值> 0.2,为岩浆锆石;外侧变质环带颜色较深,韵律环带不发育,锆石的Th/U比值< 0.2,为变质增生边(图 3).本次工作对锆石的继承核和变质增生边均进行测试.

        图  3  扎兰屯市头道沟斜长角闪岩锆石阴极发光CL图及U-Pb年龄

        Figure 3.  CL images and U-Pb data of zircons of the amphibolite from Toudaogou in Zhalantun

        本次选择49颗不同特征的锆石进行测试分析,测点共49个.其中点10、13、17、22、30、33、37等7个数据存在Pb丢失偏离谐和曲线,其他42个数据落到谐和曲线上,其206Pb/238U表面年龄介于(237.5±6.4)~(392.5±11.3) Ma(图 4a).42个数据在谐和图上分布呈现3个集中区:(1)39个数据,测点均位于锆石核部,Th/U值为0.27~1.23,206Pb/238U表面年龄介于(357.4±7.1)~(392.5±11.3) Ma,加权平均年龄为373.0±2.6 Ma,MSWD=1.03,代表了一期岩浆事件(图 4b);(2)1个数据,测点均位于锆石核部,Th/U值为0.94,206Pb/238U表面年龄为336.1±5.9 Ma,该年龄可能与中高级变质岩采用LA-ICP-MS测试方法(束斑大、剥蚀深)得到核边的混合年龄有关,实际意义不大;(3)2个数据,测点均位于锆石变质增生边上,Th/U值为 < 0.01和0.16,206Pb/238U表面年龄为237.5±6.4 Ma和247.0±7.5 Ma,加权平均年龄为241.5±9.6 Ma,MSWD=0.91,代表了样品的变质年龄.

        图  4  扎兰屯市头道沟斜长角闪岩锆石U-Pb年龄谐和图(a)和206Pb/238U加权平均年龄柱状图(b)

        Figure 4.  The zircon U-Pb concordia diagram (a) and 206Pb/238U weighted average histogram (b) of the amphibolite from Toudaogou in Zhalantun

      • 本文对配套的8件样品进行了主量、稀土及微量元素测试,测试结果见附表2.主量、稀土及微量元素分析在国土资源部东北矿产资源监督检测中心完成,整个过程均在无污染设备中进行,主量元素采用X射线荧光光谱法(XRF),其中FeO分析采用的是重铬酸钾容量法,分析精度优于1%~5%;稀土元素和微量元素采用电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)完成,分析精度和准确度优于5%~10%.锆石微区原位Hf同位素分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室进行,激光剥蚀系统是193nm准分子激光剥蚀系统(RESOlutionM-50,ASI),激光能量密度为6 J/cm2,频率为5 Hz,斑束为43 μm,Hf同位素分析采用多接收等离子体质谱(Nu PlasmaⅡ MC-ICPMS),分析过程采用国际标准锆石样品91500和Mudtank作为监控样品,测试结果见表 1.

      • 本套斜长角闪岩为中基性火山岩经历低角闪岩相变质作用的产物,其样品的烧失量(LOI)较小(1.26%~1.85%),具可靠性和代表性.本套岩石主量元素含量及特征较为一致,均具有较低的SiO2、TiO2、MnO和P2O5,分别为50.40%~53.64%、0.98%~1.08%、0.16%~0.19%和0.63%~0.66%;中等的FeOT和MgO,分别为7.69%~8.50%和4.95%~5.85%;较高的Al2O3、Na2O+K2O和CaO,分别为15.22%~16.21%、5.13%~6.13%和7.98%~11.03%;并具较高Mg#和较低的m/f,分别为52.16~56.60和0.76~0.91,具体见附表2.在K2O+Na2O-SiO2图(图 5a)中样品落入玄武质粗面安山岩和粗面玄武岩区,在Zr/TiO2*0.000 1-Nb/Y图(图 5b)中样品落入安山岩和玄武安山岩区.样品的σ为3.23~3.67,属碱性和亚碱性过渡的区域,而在Zr/TiO2*0.000 1-Nb/Y图中(图 5b)样品属亚碱性系列,考虑到变质作用可能对Na2O和K2O产生影响,因此将本套样品岩石系列归属于亚碱性系列,在FeOT/MgO-SiO2图(图 5c)中样品落入拉斑系列与钙碱性系列的过渡区域,Na2O/K2O为2.04~2.74,属偏钠质岩石.结合岩相学分析,认为本套斜长角闪岩的原岩为玄武安山岩,属钠质兼具拉斑性和钙碱性特征.

        图  5  扎兰屯市头道沟斜长角闪岩原岩名称及岩石系列图解

        Figure 5.  Classification and series diagrams of the amphibolite from Toudaogou in Zhalantun

      • 本套斜长角闪岩变质程度达低角闪岩相,可能会对一些较为活泼元素(如Cs、Rb等)产生影响,因此在相关分析和讨论过程中将避免使用这些元素,主要讨论受变质作用影响较小的REE和高场强元素等.

        本套斜长角闪岩的总稀土含量较高(∑REE=199.90×10-6~341.78×10-6),轻稀土相对富集(LREE=177.44×10-6~312.45×10-6)、重稀土相对亏损(HREE=21.43×10-6~29.32×10-6),轻重稀土分馏较强(LREE/HREE=7.90~10.66、LaN/YbN=8.27~14.12),δCe异常不明显,δEu呈负异常(0.63~0.91),稀土元素曲线呈右倾型,相似于OIB配分曲线(图 6a).样品的微量元素原始地幔标准化蛛网图显示,相对原始地幔整体富集,大离子亲石元素(LILE)相对富集、高场强元素(HFSE)相对亏损,与OIB相比,富集Rb、U、Nd,强烈亏损Nb、Ta、Zr、Hf、Ti(图 6b).

        图  6  扎兰屯市头道沟斜长角闪岩稀土元素模式(a)及微量元素蛛网图(b)

        Figure 6.  Chondrite-normalized REE patterns(a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagram(b) of the amphibolite from Toudaogou in Zhalantun

      • 在测年工作基础上,对斜长角闪岩(D704b)进行锆石原位Lu-Hf同位素测定.测试的12颗岩浆锆石原位微区Hf同位素特征为:176Yb/177Hf介于0.024 972~0.071 996(平均为0.038 068)、176Lu/177Hf介于0.000 956~0.002 355(平均为0.001 289)、176Hf/177Hf介于0.282 705~0.282 828(平均为0.282 736).以其原岩形成年龄373.0 Ma计算锆石初始Hf同位素值(εHf(t))介于+5.39~+10.06 (平均为+6.74),位于亏损地幔演化线和球粒陨石演化线之间(图 7);Hf同位素单阶段模式年龄(TDM1)介于596~798 Ma(平均为731 Ma),二阶段模式年龄(TDM2)介于684~945 Ma(平均为869 Ma),与兴蒙造山带中兴安岛弧显生宙岩浆锆石原位微区Hf同位素特征一致(图 7a);fLu/Hf介于-0.93~-0.97(平均为-0.96),变化范围较小,暗示岩浆源区相对均一.

        图  7  扎兰屯市头道沟斜长角闪岩锆石Hf同位素特征图解

        Figure 7.  Diagrams of zircon Hf isotopic of the amphibolite from Toudaogou in Zhalantun

      • 如前已述,样品的锆石具有核幔构造,核幔具有不同的成因结构和测年数据.核部表现为岩浆锆石特征,获得39个206Pb/238U表面年龄的加权平均值为373.0±2.6 Ma,可代表了斜长角闪岩原岩的结晶年龄,属晚泥盆世.幔部表现为变质边特征,获得2个206Pb/238U表面年龄的加权平均值为241.5±9.6 Ma,可能代表了样品的变质年龄,属中晚三叠世.

        兴安岛弧发育上泥盆统大民山组海相中基性-酸性火山岩、火山碎屑岩及碎屑岩、碳酸盐岩及硅质岩、放射虫硅质岩等沉积建造.大民山组是1959年在扎敦河大民山地区建组,分为下、上大民山组,依据其内的生物化石将其时代分别归属于晚泥盆世弗拉斯期和法门期;1981年黑龙江省区调二队在该地区开展地质调查,沿用下、上大民山组,并确定二者为整合接触,并将下大民山组的时代归属为中泥盆世晚期-晚泥盆世早期;1996年内蒙古岩石地层清理,将原霍博山组、下大民山组和上大民山组统一归并为大民山组,时代归属为中晚泥盆世.近年来,学者在扎兰屯市跟头河大民山组中采集到大量珊瑚、三叶虫、腹足类、苔藓虫、海百合茎等中上泥盆统中的常见分子,并在安山岩中获得锆石U-Pb年龄为362.2 Ma(张渝金等, 2016),在牙克石免渡河大民山组玄武岩中获得锆石U-Pb年龄为373.2 Ma(赵芝等, 2010).本套斜长角闪岩原岩为玄武安山岩,获得原岩成岩年龄为373.0±2.6 Ma(锆石U-Pb年龄),相当于区域上大民山组火山岩.

        本套斜长角闪岩呈构造透镜体状产于头道沟花岗质糜棱岩中,笔者在斜长角闪岩周围的花岗质糜棱岩中获得2个锆石U-Pb年龄(356.1 Ma和360.5 Ma),暗示花岗质糜棱岩原岩形成于晚泥盆世晚期-早石炭世早期,略晚于斜长角闪岩原岩的成岩时代.斜长角闪岩和花岗质糜棱岩具有相似的变质变形特征,二者的构造面理及斜长角闪岩构造透镜体产状一致,变质程度均可达到绿片岩-低角闪岩相,因此推测二者可能经历了相同的变质变形作用.扎兰屯市牤牛沟花岗质糜棱岩Rb-Sr年代学研究显示其变形年龄为173 Ma(黎广荣等, 2006),扎兰屯地区花岗质糜棱岩原岩年代学研究及四分村花岗质糜棱岩中未变形的花岗岩岩枝年代学分析认为其变形发生于308 Ma之后、290 Ma之前(钱程等, 2018b),本次在头道沟斜长角闪岩中获得241.5±9.6 Ma变质年龄.综上,扎兰屯地区斜长角闪岩及同变形的花岗质糜棱岩经历了多期韧性变形,变形时代为晚石炭世-早二叠世(308~290 Ma)、中晚三叠世(~241.5±9.6 Ma)和中侏罗世(~173 Ma)等.

      • 前人对大民山组进行了大量研究,主要有以下几种观点:(1)双重成因模式,即基性和中酸性火山岩具有不同的成因模式,基性火山岩为拉张背景的产物,以碱性和拉斑玄武岩为特征,为大陆弧后拉张岩石成因(祝新友和刘国平, 1995)或陆间洋盆伸展岩石成因(张渝金等, 2016),中酸性火山岩挤压背景的产物,以岛弧钙碱性火山岩为特征,为俯冲带火山岩成因(祝新友和刘国平, 1995; 张渝金等, 2016);(2)单成因模式,主要包括大民山裂陷槽即裂谷岩石成因(苏养正, 1996)、弧后盆地火山岩成因(许文良等, 1999)、活动大陆边缘岩石成因(赵芝等, 2010).张渝金等(2016)认为大民山组基性火山岩为陆间洋盆伸展背景下具OIB特征的软流圈地幔低程度部分熔融的产物,而赵芝等(2010)认为大民山组中基性-酸性火山岩均为活动大陆边缘背景下俯冲板片流体交代的亏损地幔楔部分熔融的产物.此外,学者对兴安岛弧泥盆纪-石炭纪的基性侵入也进行研究,主要有以下几种认识:(1)洋陆俯冲背景下消减洋壳脱水促发地幔楔部分熔融(周长勇等, 2005);(2)碰撞伸展背景下软流圈上涌派生流体交代的次大陆岩石圈部分熔融(Feng et al., 2015);(3)熔体-流体交代作用的富集地幔低程度部分熔融(孙凡婷等, 2018).与大民山组基性火山岩相比,本套斜长角闪岩主量元素特征和岩石系列相似于免渡河大陆弧火山岩(赵芝等, 2010),Hf同位素小于免渡河火山岩(赵芝等, 2010),稀土和微量元素特征相似于跟头河OIB火山岩(张渝金等,2016),不同之处在于本套岩石亏损Nb、Ta、Zr、Hf、Ti等高场强元素.与石炭纪中基性侵入岩相比,岩石系列和Nb、Ta、Zr、Hf、Ti等元素的亏损特征相似于塔源辉长岩(周长勇等, 2005; Feng et al., 2015)和小奎勒河中基性侵入岩(孙凡婷等, 2018),Hf同位素与小奎勒河中基性侵入岩(孙凡婷等, 2018)相近.综上,本套斜长角闪岩原岩(玄武安山岩)与兴安岛弧同期基性岩具有相似的岩石成因.

        头道沟斜长角闪岩具有较低的SiO2和TiO2,略高的MgO、CaO、Mg#,暗示其原岩不可能来源于地壳或存在大量的大陆地壳物质参与.本套岩石的Sm/Nd值(0.20~0.21)略高于地壳平均值、接近下地壳平均值,Th/Ce、La/Sm和Th/La比值(分别为0.04~0.07、3.27~3.48和0.09~0.14)略低于地壳平均值、接近下地壳平均值,Zr、Hf亏损,不同于受地壳混染的后Zr、Hf正异常特征(Feng et al., 2015),暗示其原岩性质相似于玄武质下地壳、在成岩过程中地壳混染作用较弱或未发生混染.本套岩石普遍存在负Eu异常,Mg、Fe、Ti含量较低,Ca、Al含量较高,La与∑REE、LREE、HREE、LREE/HREE和La/Y呈正相关关系,La/Sm比值相对稳定,指示其原岩在成岩过程中存在镁铁质矿物、钛铁氧化物和斜长石等结晶分异作用.综上,本套岩石原岩(玄武安山岩)属钠质、镁铁质、亚碱性系列岩石,兼具拉斑性和钙碱性特征,性质相似于玄武质下地壳,在成岩过程中经历了一定程度的结晶分异,地壳混染程度较弱或未发生混染.

        本套岩石Mg#(53.71~56.6)、V(240×10-6~303×10-6)、Co(24.3×10-6~36.8×10-6)、Ni(33.2×10-6~54.4×10-6)、Cr(65.4×10-6~71.8×10-6)明显低于原始地幔派生岩浆.其LILE(如Th、U、K)和LREE富集,轻重稀土分馏,Nb、Ta、Ti亏损,La/Ta比值(44.46~142.73)高,显示该岩石原岩形成于大洋俯冲背景,岩石成因可能与俯冲流体或熔体交代岩石圈地幔(周长勇等, 2005; 赵芝等, 2010; Feng et al., 2015)、俯冲流体或熔体交代的富集地幔低程度部分熔融(孙凡婷等, 2018)或地幔柱与亏损上地幔相互作用(Donnelly et al., 2004)等有关.本套岩石具较低的Sm/Th和Nb/Th(分别为2.18~3.43和1.36~2.41),较高的Th/Y、Ba/Nb和Ba/Th (分别为0.11~0.16、42.38~70.48和90.74~124.59),暗示源区受到俯冲板片熔体或流体的交代作用.在Th/Zr-Nb/Zr图中,样品落入熔体交代和流体交代之间的区域(图 8a);在Ba/Zr-Th/Zr图中,样品落入蚀变洋壳流体区域,明显不同于地壳沉积物加入特征(图 8b).在La/Sm-Sm/Yb和La/Yb-Zr/Nb有关的两种地幔部分熔融程度演化曲线中,样品落入亏损地幔和原始地幔的石榴石二辉橄榄岩演化线之间(图 8c8d),部分熔融程度较低(约5%~10%) (图 8c),明显不同于富集地幔和OIB源区特征,这与岩石高Al2O3、Sr和Sr/Y比值所指示的石榴子石残留相源区特征相似.锆石原位εHf(t)和Hf同位素位于亏损地幔演化线和球粒陨石演化线之间(图 7a7b),单阶段模式年龄(TDM1=596~798 Ma,平均为731 Ma)明显老于角闪岩原岩的结晶年龄(373.0 Ma),暗示本套岩石原岩源区可能为亏损地幔或亏损地幔演化而来的年轻地壳,在εHf(t)-t图解(图 7a7c)中测点落入兴蒙造山带的兴安岛弧区、分布于古生代演化线和底侵下地壳演化线之间,明显区别于亏损地幔演化线.综上论述,本套岩石原岩(玄武安山岩)的源区不具有PM、N-MORB、E-MORB和OIB源区特征;其较低的La/Sm、较高的Sr/Y和Zr/Nb及正εHf(t)特征,显示源区可能为亏损地幔演化而来的年轻下地壳,受到蚀变洋壳流体交代,在石榴石二辉橄榄岩演化区发生较低程度的部分熔融(5%~10%),致使岩石富集Rb、Ba、Th、U等大离子亲石元素(LILE)相对富集、强烈亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素(HFSE).

        图  8  扎兰屯市头道沟斜长角闪岩原岩成因判别图解

        Figure 8.  Petrogenesis discrimination diagrams of the amphibolite from Toudaogou in Zhalantun

      • 前人根据晚古生代区域构造演化,认为在额尔古纳地块东南部地区存在一巨型活动陆缘带,大体沿南蒙古-北大兴安地区呈北东向展布(Li, 2006; 赵芝等, 2010).大兴安岭北段晚泥盆世火山岩较为发育,可能形成于弧后拉张盆地(祝新友和刘国平, 1995; 许文良等, 1999)、陆缘裂陷槽(苏养正, 1996)、大陆边缘弧(赵芝等, 2010)或大洋板内(张渝金等, 2016)等背景.扎兰屯市头道沟斜长角闪岩为玄武安山岩变质而来,地球化学显示俯冲带火山岩特征,其εHf(t)为+5.39~+10.06、单阶段模式年龄(TDM1)为596~798 Ma,与兴安岛弧北段小奎勒河中基性侵入岩(孙凡婷等, 2018)一致,反映在新元古代时期古亚洲洋地幔经历了大比例的玄武质岩浆熔融和抽提作用,是兴安岛弧的重要增生阶段,也是额尔古纳地块和兴安岛弧拼合增生的重要时期(葛文春等, 2007),暗示本套岩石原岩形成于俯冲背景下的陆缘岩浆弧环境.在La/Nb-La图解(图 9a)和Ti-Zr图解(图 9b)中均落入岛弧钙碱性玄武岩区,在Th/Yb-Ta/Yb图解(图 9c)中落入活动大陆边缘(陆缘弧)区,支持了上述认识.但本套岩石呈钠质,兼具拉斑性和钙碱性特征,在Zr/Y-Zr图解(图略)中落入板内玄武岩区,亦显示洋壳板内玄武岩的特征,同时本套岩石具高V低Ti的特征,Ti/V值为20.5~25.9,在V-Ti/1 000图解(图 8d)中落入岛弧拉斑玄武岩和洋底玄武岩的叠置区,在Th/Hf-Ta/Hf图解(图 8e)中落入陆缘火山弧玄武岩和初始裂谷玄武岩区,在Cr-Y图解(图 9f)中落入岛弧拉斑玄武岩和板内玄武岩区,在TiO2/10-MnO-P2O5图解(图略)中落入钙碱性玄武岩和洋岛碱性玄武岩区,在Nb×2-Zr/4-Y图解(图略)中落入火山弧玄武岩和板内拉斑玄武岩区,暗示头道沟斜长角闪岩原岩产出的构造背景可能兼具岛弧和(洋壳)板内背景.近年来学者在研究区南西侧的大石寨构造带和北东侧的嫩江构造带中发现若干镁铁质-超镁铁质岩和前弧火山岩岩石记录,大石寨构造带马鞍山高镁安山岩与赞岐岩相似,形成于与俯冲消减有关的构造背景(杨宾等, 2018),嫩江构造带哈达阳镁铁质-超镁铁质岩形成于板块消减带之上的前弧地区(付俊彧等, 2015),年代学研究显示俯冲消减作用在早石炭世-晚泥盆世已经发生(付俊彧等, 2015; 杨宾等, 2018),大石寨构造带向北东可与嫩江构造带相连共同作为兴安与松嫩锡林浩特块体的构造边界,具有SSZ型蛇绿岩构造属性,蛇绿岩的形成可延伸至早二叠世(Zhou et al., 2019),综上晚泥盆世时期兴安地块与松嫩地块尚未拼合,大石寨-爱民屯向北东至嫩江-黑河一带属兴安地块东南侧俯冲前缘的前弧地区.结合区域资料及前文岩石成因和源区特征的分析,本文认为扎兰屯市头道沟斜长角闪岩原岩(玄武安山岩)与哈达阳镁铁质-超镁铁质岩的形成背景相似,形成于板块消减带之上的前弧盆地.

        图  9  扎兰屯市头道沟斜长角闪岩原岩构造环境判别图解

        Figure 9.  Tectonic discrimination diagrams of the amphibolite from Toudaogou in Zhalantun

        奥陶纪,古亚洲洋开始向额尔古纳-兴安地块俯冲,在兴安岛弧上形成NE向展布的弧岩浆岩(Wu et al., 2015).晚古生代初期,俯冲作用持续增强,额尔古纳-兴安地块形成“北陆南洋”古地貌格局(葛文春等, 2007).泥盆纪时期,额尔古纳-兴安地块与其东南侧的松嫩地块隔洋向望(李守军等, 2014; 张渝金等, 2016),额尔古纳-兴安地块上(贺根山-嫩江一线以西)海相化石以西伯利亚分子为主,而松嫩地块上(贺根山-嫩江一线以东)则以北美和华南分子为主(李守军等, 2014).早石炭世中晚期额尔古纳-兴安地块和松嫩地块发生拼合(赵芝等, 2010; Feng et al., 2015),晚石炭世-二叠纪沿贺根山-黑河构造带发育后碰撞岩浆活动(Feng et al., 2015).扎兰屯地区晚古生代早期存在3期花岗质岩浆活动,Ⅰ期(405~380 Ma)和Ⅱ期(365~350 Ma)为古亚洲洋向额尔古纳-兴安地块北西向俯冲时期,Ⅲ期(335~325 Ma)为额尔古纳-兴安地块与松嫩地块拼合后碰撞时期(钱程等, 2018b).晚泥盆世为Ⅰ和Ⅱ两个主俯冲期之间,俯冲作用相对较弱,由额尔古纳-兴安地块内部向东南方向的俯冲前缘地区出现弧后、弧间和弧前盆地,在扎敦河-头道桥地区和乌奴耳地区出现大陆弧后新生拉张盆地(祝新友和刘国平, 1995; 许文良等, 1999),在兴安岛弧内部出现弧间裂陷槽(苏养正, 1996),在扎兰屯跟头河地区出现与钙碱性岛弧火山岩伴生的洋岛玄武岩(张渝金等, 2016).该体制下,在额尔古纳-兴安地块东南缘的前弧地区蚀变洋壳流体交代亏损地幔演化而来的年轻下地壳,发生前弧火山活动,形成头道沟斜长角闪岩原岩(玄武安山岩).

        本套斜长角闪岩及周围的扎兰屯地区花岗质糜棱岩经历了前早二叠世、中晚三叠世和中侏罗世等多期变质变形.其中前早二叠世(308~290 Ma)变质变形是额尔古纳-兴安地块与松嫩地块碰撞造山过程中侧向逃逸构造的产物(钱程等, 2018b);中侏罗世(~173 Ma)变质变形事件与漠河地区的逆冲推覆带和黑河-嫩江-白城构造带(赵院冬等; 2015)活动时限一致,可能与西太平洋板块向欧亚大陆俯冲过程中俯冲角度变化及其导致的相关地块或地体拼贴过程中的走滑调整有关(Maruyama et al., 1997).本次厘定的中晚三叠世(~241.5±9.6 Ma)变质事件与东北地区a型花岗岩侵位的时限(Wu et al., 2002)和北山-内蒙古南部-吉林南部东西向巨型后造山岩浆岩带侵位的时限(李锦轶等, 2007)一致,在大兴安岭地区表现为韧性变形和构造岩浆作用(马永非等, 2017),可能与古亚洲洋闭合后天山-兴蒙巨型造山带演化晚期的伸展作用有关(李锦轶等, 2007).

      • (1) 扎兰屯头道沟斜长角闪岩原岩为玄武安山岩,锆石U-Pb年龄为373.0±2.6 Ma,相当于区域上泥盆统大民山组火山岩,岩石成因研究显示其可能来源于亏损地幔演化而来的年轻下地壳,受到了蚀变洋壳流体交代,为板块消减带之上前弧盆地火山活动的产物.

        (2) 晚古生代早期古亚洲洋向额尔古纳-兴安地块俯冲消减,晚泥盆世期间在额尔古纳-兴安地块东南缘发育弧后、弧间和弧前盆地.

        (3) 斜长角闪岩经历了中晚三叠世(~241.5±9.6 Ma)变质作用,该作用可能与古亚洲洋闭合后天山-兴蒙巨型造山带演化晚期的伸展作用有关.

    参考文献 (80)

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