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    张广才岭福兴屯组的形成时代、物源及构造背景

    何雨思 高福红 修铭 许文良

    引用本文:
    Citation:

    张广才岭福兴屯组的形成时代、物源及构造背景

      作者简介: 何雨思(1993—), 女, 硕士研究生, 主要从事岩石学方面研究, ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7191-362X.
      通讯作者: 高福红, E⁃mail: gaofh@jlu.edu.cn
    • 基金项目:

      国家自然科学基金项目 41272075

    • 中图分类号: P588

    Age, Provenance and Tectonic Setting of Fuxingtun Formation in Zhangguangcai Range

      Corresponding author: Gao Fuhong, E⁃mail: gaofh@jlu.edu.cn
    • 摘要: 前人对张广才岭福兴屯组研究程度较低,限制了对区域古生代构造演化的认识.福兴屯组凝灰岩锆石30个测点加权平均年龄为392±3 Ma,砂岩碎屑锆石最小一组年龄为393 Ma,指示福兴屯组形成于中泥盆世.Al2O3/TiO2平均值为19.58,稀土元素球粒陨石标准化曲线具有轻稀土富集、重稀土稳定和负Eu异常特征,结合碎屑锆石年龄峰值,确定福兴屯组物源主要为晚古生代中酸性火成岩和早古生代花岗质岩.地球化学和区域火山岩特征共同揭示福兴屯组形成于伸展构造环境.松嫩-张广才岭地块和佳木斯地块晚古生代早期地层均广泛分布有489~551 Ma的碎屑锆石,暗示两地块在福兴屯组沉积之前已完成拼合,为两地块于早古生代晚期拼合提供了新的证据.
    • 图 1  研究区地质简图

      Figure 1.  Geological sketch map of the study area

      图 2  福兴屯组岩性柱状图及采样位置

      Figure 2.  Column diagram of the Fuxingtun Formation showing lithology and sampling locations

      图 3  福兴屯组野外露头和样品显微照片

      Figure 3.  Outcrop photographs and photomicrographs of samples from the Fuxingtun Formation

      Qz.石英;Pl.长石

      图 4  福兴屯组锆石样品中典型阴极发光图像

      Figure 4.  CL images of the selected typical zircons from the Fuxingtun Formation

      图 5  福兴屯组流纹质晶屑凝灰岩锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图

      Figure 5.  U-Pb concordia diagram summarizing the LA-ICP-MS zircon data for the rhyolitic crystalline tuff in the Fuxingtun Formation

      图 6  福兴屯组细粒长石砂岩碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图

      Figure 6.  U-Pb concordia diagrams summarizing the LA-ICP-MS detrital zircon data for the fine-grained arkose in the Fuxingtun Formation

      图 7  福兴屯组风化特征图解

      Figure 7.  The characteristics of weathering for the Fuxingtun Formation

      图 8  福兴屯组沉积岩稀土元素PAAS和球粒陨石标准化曲线

      Figure 8.  PAAS-normalized and chondrite-normalized REE patterns of sedimentary rocks from the Fuxingtun Formation

      图 9  福兴屯组沉积岩物源区判别图解

      Figure 9.  Provenance discrimination diagrams of sedimentary rocks from the Fuxingtun Formation

      图 10  福兴屯组碎屑锆石U-Pb年龄频率

      Figure 10.  Relative probability of detrital zircons from the Fuxingtun Formation

      图 11  福兴屯组沉积岩构造环境判别图

      Figure 11.  Tectonic setting discriminate diagrams of sedimentary rocks from the Fuxingtun Formation

      PM.被动大陆边缘;ACM.活动大陆边缘;ARC.岛弧;A1.岛弧;A2.演化岛弧

      图 12  福兴屯沉积岩和不同构造环境砂岩稀土元素PAAS和球粒陨石标准化曲线

      Figure 12.  PAAS-normalized and chondrite-normalized REE patterns of sedimentary rocks from the Fuxingtun Formation and sandstones from various tectonic settings

      表 1  福兴屯组沉积岩主量(%)和微量元素(10-6)分析结果

      Table 1.  Major and trace element compositions of the sedimentary rocks from the Fuxingtun Formation

      样品号 14HYS-1-1 14HYS-1-2 14HYS-1-3 14HYS-1-4 14HYS-1-5 14HYS-1-6 14HYS-1-7 14HYS-1-8 14HYS-1-9 14HYS-1-10
      Fe2O3 2.91 1.66 2.56 2.53 0.85 2.59 1.74 3.41 2.46 2.06
      FeO 2.80 4.15 3.18 3.47 4.92 4.18 4.31 3.18 4.38 4.43
      TFe2O3 6.02 6.27 6.09 6.39 6.32 7.23 6.53 6.94 7.33 6.98
      MnO 0.12 0.12 0.11 0.10 0.10 0.13 0.11 0.12 0.13 0.20
      TiO2 0.70 0.86 0.79 0.74 0.74 0.81 0.76 0.70 0.84 1.32
      CaO 1.86 1.70 1.47 1.74 1.58 1.51 1.55 1.74 1.64 1.67
      K2O 1.87 2.04 1.66 1.73 2.53 1.95 1.96 1.47 2.18 1.56
      P2O5 0.22 0.22 0.22 0.21 0.19 0.21 0.22 0.22 0.23 0.29
      SiO2 64.22 64.94 65.04 63.38 63.53 61.02 64.56 62.66 62.56 62.90
      Al2O3 15.33 15.18 15.28 15.48 16.28 16.52 15.33 16.04 15.74 15.49
      MgO 2.36 2.66 2.17 2.51 2.28 2.82 2.51 2.29 2.77 2.66
      Na2O 4.64 4.73 4.96 4.84 4.82 5.49 4.80 4.58 4.45 5.18
      LOI 2.86 1.60 2.36 2.34 1.35 2.28 1.64 3.06 2.05 1.78
      Total 99.89 99.86 99.80 99.07 99.16 99.51 99.49 99.47 99.43 99.54
      Al2O3/TiO2 21.90 17.65 19.34 20.92 22.00 20.40 20.17 22.91 18.74 11.73
      CIA 54.04 53.72 54.75 54.36 54.59 54.33 54.43 56.62 55.42 53.90
      ICV 1.43 1.46 1.37 1.42 1.29 1.45 1.40 1.33 1.43 1.50
      PIA 54.71 54.40 55.45 55.02 55.63 55.03 55.21 57.46 56.50 54.42
      Sc 13.20 14.30 13.50 13.40 15.60 16.40 14.00 14.20 14.20 17.30
      V 108.00 117.00 108.00 112.00 102.00 128.00 117.00 116.00 125.00 149.00
      Cr 77.40 106.00 87.40 80.00 53.60 95.60 86.60 86.10 106.00 185.00
      Co 16.30 16.20 15.00 16.80 10.70 21.70 15.10 19.60 19.90 14.60
      Ni 33.30 37.70 32.40 40.40 27.60 46.60 41.20 40.10 41.10 39.10
      Rb 41.10 50.60 32.20 35.50 74.20 52.70 39.70 37.00 46.60 31.20
      Sr 244.00 246.00 226.00 259.00 198.00 290.00 245.00 268.00 251.00 204.00
      Y 20.30 23.10 18.90 20.90 27.50 29.20 19.50 23.60 22.00 21.30
      Zr 171.00 189.00 187.00 167.00 203.00 228.00 190.00 209.00 216.00 260.00
      Hf 5.69 5.32 5.12 5.12 6.16 7.19 5.27 6.68 7.12 7.60
      Th 6.36 5.24 4.11 4.64 8.54 9.04 4.85 6.05 5.40 3.66
      U 1.37 1.33 1.22 1.30 1.65 2.05 1.36 1.63 1.51 1.59
      Th/U 4.64 3.94 3.37 3.57 5.18 4.41 3.57 3.71 3.58 2.30
      Rb/Sr 0.17 0.21 0.14 0.14 0.37 0.18 0.16 0.14 0.19 0.15
      La 23.30 27.60 21.40 22.60 24.30 30.10 23.70 26.10 30.10 23.90
      Ce 47.50 57.20 44.80 45.80 50.80 66.40 51.30 53.20 60.70 48.90
      Pr 5.99 6.35 5.62 5.61 6.18 7.68 5.83 6.30 7.30 6.07
      Nd 24.50 28.70 22.80 24.90 26.80 34.90 25.50 27.10 30.20 26.60
      Sm 4.94 5.19 4.40 4.97 5.57 6.81 4.91 5.21 5.96 5.33
      Eu 1.25 1.35 1.09 1.26 1.18 1.60 1.22 1.31 1.34 1.43
      Gd 4.11 4.57 3.96 4.24 4.53 5.81 3.90 4.52 4.93 4.56
      Tb 0.69 0.72 0.67 0.66 0.79 0.94 0.65 0.77 0.74 0.74
      Dy 4.26 4.07 3.89 4.02 4.86 5.62 4.00 4.50 4.21 4.34
      Ho 0.75 0.82 0.77 0.78 0.97 1.03 0.77 0.90 0.81 0.83
      Er 2.15 2.15 1.94 2.27 2.91 3.13 2.14 2.48 2.28 2.20
      Tm 0.35 0.32 0.29 0.36 0.46 0.45 0.31 0.37 0.34 0.30
      Yb 2.08 1.97 1.74 1.96 2.97 2.65 1.97 2.22 2.08 1.90
      Lu 0.36 0.37 0.34 0.36 0.50 0.50 0.34 0.41 0.39 0.34
      ∑REE 122.23 141.38 113.71 119.79 132.82 167.62 126.54 135.39 151.38 127.44
      ∑LREE 107.48 126.39 100.11 105.14 114.83 147.49 112.46 119.22 135.60 112.23
      ∑HREE 14.75 14.99 13.60 14.65 17.99 20.13 14.08 16.17 15.78 15.21
      L/H 7.29 8.43 7.36 7.18 6.38 7.33 7.99 7.37 8.59 7.38
      La/Yb 11.20 14.01 12.30 11.53 8.18 11.36 12.03 11.76 14.47 12.58
      (La/Yb)N 7.55 9.45 8.29 7.77 5.52 7.66 8.11 7.93 9.76 8.48
      (Gd/Yb)N 1.59 1.87 1.84 1.75 1.23 1.77 1.60 1.64 1.91 1.94
      δEu 0.83 0.83 0.78 0.82 0.70 0.76 0.83 0.81 0.74 0.87
      δCe 0.95 1.00 0.96 0.95 0.97 1.03 1.02 0.97 0.96 0.95
      注:TFe2O3=Fe2O3+1.111FeO;化学蚀变指数(CIA)=[Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)]×100,成分变异指数(ICV)=(Fe2O3+K2O+Na2O+CaO*+MgO+MnO+TiO2)/Al2O3,斜长石风化程度指数(PIA)=[(Al2O3-K2O)/(Al2O3+CaO*+Na2O-K2O)]×100,以上式子中的主要成分指摩尔分数,CaO*为碳酸盐中的CaO,即全岩中的CaO扣除掉化学沉积的CaO的摩尔分数(McLennan,1993);∑REE不包括Sc和Y元素;L/H=∑LREE/∑HREE;N代表球粒陨石标准化值;δEu=2Eu N/(Sm N / Gd N);δCe=2Ce N/(La N /Pr N).
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      表 2  福兴屯组沉积岩与不同构造背景砂岩稀土元素特征比较

      Table 2.  Geochemical comparison between sedimentary rocks from the Fuxingtun Formation and sandstones from various tectonic settings

      构造背景 La(10-6) Ce(10-6) ∑REE(10-6) La/Yb (La/Yb)N L/H δEu
      大洋岛弧 8.00±1.70 19.00±3.70 58.00±10.00 4.20±1.30 2.80±0.90 3.80±0.90 1.04±0.11
      大陆岛弧 27.00±4.50 59.00±8.20 146.00±20.00 11.00±3.60 7.50±2.50 7.70±1.70 0.79±0.13
      活动大陆边缘 37.00 78.00 186.00 12.50 8.50 9.10 0.60
      被动大陆边缘 39.00 85.00 210.00 15.90 10.80 8.50 0.56
      样品(平均值) 25.31 52.66 133.83 11.94 8.05 7.53 0.80
      注:大洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘数据据Bhatia(1985).
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    出版历程
    • 收稿日期:  2019-06-13
    • 刊出日期:  2019-10-01

    张广才岭福兴屯组的形成时代、物源及构造背景

      通讯作者: 高福红, gaofh@jlu.edu.cn
      作者简介: 何雨思(1993—), 女, 硕士研究生, 主要从事岩石学方面研究
    • 吉林大学地球科学学院, 吉林长春 130061
    基金项目:  国家自然科学基金项目 41272075

    摘要: 前人对张广才岭福兴屯组研究程度较低,限制了对区域古生代构造演化的认识.福兴屯组凝灰岩锆石30个测点加权平均年龄为392±3 Ma,砂岩碎屑锆石最小一组年龄为393 Ma,指示福兴屯组形成于中泥盆世.Al2O3/TiO2平均值为19.58,稀土元素球粒陨石标准化曲线具有轻稀土富集、重稀土稳定和负Eu异常特征,结合碎屑锆石年龄峰值,确定福兴屯组物源主要为晚古生代中酸性火成岩和早古生代花岗质岩.地球化学和区域火山岩特征共同揭示福兴屯组形成于伸展构造环境.松嫩-张广才岭地块和佳木斯地块晚古生代早期地层均广泛分布有489~551 Ma的碎屑锆石,暗示两地块在福兴屯组沉积之前已完成拼合,为两地块于早古生代晚期拼合提供了新的证据.

    English Abstract

      • 松嫩-张广才岭地块位于兴蒙造山带东段,由松辽盆地和小兴安岭-张广才岭构造带两部分构成,东侧以嘉荫-牡丹江断裂与佳木斯地块相邻,西侧以贺根山-黑河断裂与兴安地块相接.松嫩-张广才岭地块在古生代主要表现为与相邻微陆块之间的拼合并经历了古亚洲洋的俯冲消减,中生代以来又受到太平洋构造域的叠加和改造(Şengör et al., 1993李锦轶等,2009).长期以来,松嫩-张广才岭地块与佳木斯地块之间的碰撞拼合历史为区域构造演化的热点问题.目前,对于两地块之间的碰撞拼合时间主要存在两种不同的认识,多数学者认为两地块的拼合发生在早古生代晚期(Meng et al., 2010许文良等,2012Wang et al., 2012b, 2016, 2017Guo et al., 2018),也有部分学者持两者是在早中生代完成拼合的观点(Zhou et al.,2009Zhu et al., 2017).

        传统上认为松嫩-张广才岭地块基底由元古宙变质岩系组成,分别为出露于地块西缘的下元古界东风山群、上元古界张广才岭群、塔东群和出露于滨东地区的上元古界一面坡群以及出露于西北的风水沟河群(黑龙江省地质矿产局,2008).近年来,随着分析技术的不断发展,以往认为松嫩-张广才岭地块上所谓的前寒武纪地质体(或地层)均已经被解体,除部分为新元古代外,其主体主要形成于早古生代-早中生代,如松嫩-张广才岭地块西缘原定为元古代的东风山群、张广才岭群和塔东群,实际上均是由早古生代-早中生代沉积岩和火山岩构成的构造混杂岩(Wang et al., 2012a, 2014);而滨东地区原定为新元古代的一面坡群实际上也是由早二叠世火成岩和早中生代沉积岩所构成(郝文丽等,2014);松嫩-张广才岭地块西北出露的风水沟河群中变质岩形成于晚古生代,其侵入岩形成于早中生代,也并非前人所确定的新元古代(Xu et al., 2012).

        松嫩-张广才岭地块最大的特点是显生宙花岗岩极为发育,传统上认为这些南北向展布的大面积显生宙花岗岩主要形成时代为海西期,而近年来高精度年代学资料显示,这些所谓的海西期花岗岩主体实际形成于早中生代,少部分形成于古生代(Wu et al., 2011Wang et al., 2012bYu et al.,2013),松嫩-张广才岭地块上的古生代地层则呈残片状分布在这些大面积的花岗岩中.随着松嫩-张广才岭地块上前寒武纪地层的解体和花岗岩时代的重新认识,古生代地层具体形成的时代如何?是亟待解决的问题.

        近年来,因碎屑沉积岩和浅变质碎屑沉积岩包含丰富的物源区物质组成、构造环境及早期地壳生长演化的信息,其地球化学研究已经被广泛应用于解释物源区风化程度、制约物源区特征和恢复沉积构造环境等方面(白建科等,2018王启宇等,2018).

        基于以上研究现状,本文选取了研究程度较低的张广才岭福兴屯组作为研究对象.目前,对张广才岭晚古生代福兴屯组的形成时代、物质来源和构造背景均未见有详细的研究报道,其形成时代如何?物质来源于何处?形成于怎样的构造背景?以上问题的解决能否为松嫩-张广才岭晚古生代时期的构造演化历史提供新的线索和证据?张广才岭区域地质构造复杂,且福兴屯组植被覆盖严重、地层出露有限,传统上利用区域地层和古生物对比确定地层时代的方法并不能令人信服.基于此,本文报道了福兴屯组标准剖面仅出露地表的流纹质晶屑凝灰岩和细粒长石砂岩的锆石U-Pb定年结果以及细粒长石砂岩的地球化学结果,重新厘定了福兴屯组的形成时代,讨论了其物质来源、构造背景及其对区域构造演化的意义.

      • 研究区位于兴蒙造山带东段、松嫩-张广才岭地块的东缘、伊通-依兰断裂附近.区域内出露的地层主要为古生界、中生界和新生界地层,同时分布较大面积的海西期和中生代花岗岩(图 1)(黑龙江省地质矿产局,2008).

        图  1  研究区地质简图

        Figure 1.  Geological sketch map of the study area

        福兴屯组主要分布在延寿县马鞍山和福兴屯,其标准剖面位于黑龙江省延寿县寿山屯附近(128°28′42.55″E,45°26′31.25″N)(图 1),岩石组合为陆源碎屑沉积岩夹霏细岩、凝灰岩,岩石组合中板岩自下而上均有夹层存在,受火山活动影响,其中所夹粗碎屑岩的成分成熟度和结构成熟度不协调.福兴屯组顶部被白垩纪宁远村组不整合覆盖,底界不清,整个剖面厚度大于1 316 m(图 2)(黑龙江省地质矿产局,2008).福兴屯组出露地区植被覆盖严重,露头相对较差(图 3a3b),因此只采集其标准剖面仅少量出露地表的流纹质晶屑凝灰岩和细粒长石砂岩进行研究,采样地点大致围绕坐标:128°28′44″E,45°26′29″N.

        图  2  福兴屯组岩性柱状图及采样位置

        Figure 2.  Column diagram of the Fuxingtun Formation showing lithology and sampling locations

        图  3  福兴屯组野外露头和样品显微照片

        Figure 3.  Outcrop photographs and photomicrographs of samples from the Fuxingtun Formation

      • 锆石LA-ICP-MS U-Pb定年样品均在河北省廊坊区域地质调查研究所采用常规方法进行粉碎,并用浮选和电磁选方法进行分选,然后在双目镜下随机挑选出晶形、颗粒大小、磨蚀程度以及颜色不同的锆石颗粒,进而确保所选锆石具有代表性,保证实验的全面性和客观性.然后将锆石粘在双面胶上,用无色透明的环氧树脂浇灌固定,待环氧树脂充分固化后抛光,使锆石暴露内部结构,从而对其进行透射光、反射光以及阴极发光扫描电镜显微照相,根据锆石阴极发光(CL)图像,尽量选择包裹体较少且吸收程度均匀的区域进行分析测试.

        锆石U-Pb同位素分析测年在吉林大学东北亚矿产资源评价国土资源部重点实验室采用标准测定程序进行.使用ICP-MS为Agilient公司生产的Agilient 7900,激光剥蚀系统为COMPEx Pro型193 nm ArF准分子激光器.实验采用直径为32 μm、频率为7 Hz的激光束斑进行样品分析,He作为剥蚀物质的载气,标准锆石91500作为外部标样进行同位素分馏校正,元素含量采用美国国家标样技术研究院的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NIST610为外标,详细参考值及具体实验测试过程参见Yuan et al.(2004)Liu et al.(2008).实验获得的锆石U-Th-Pb同位素数据利用GLITTER软件进行处理,定年数据采用Andersen(2002)的方法进行同位素比值的校正,以扣除普通Pb的影响.锆石年龄谐和图、加权平均年龄和频率图均采用ISOPLOT宏程序完成(Ludwig,2012),单个测试点的同位素比值和年龄的误差(标准误差)均为1σ.福兴屯组锆石LA-ICP-MS U-Pb分析结果见附表1.

      • 在野外地质调查工作中发现,受当地村民建房和耕地的影响,福兴屯组标准剖面已经遭到严重损毁,而且风化严重,只有采集碎屑锆石样品层段的沉积岩样品保持新鲜,在结合室内岩相学研究基础上,选择了此层段上10个新鲜的长石砂岩样品进行岩石地球化学分析工作.样品的主量元素和微量元素分析测试工作均在中国科学院广州地球化学研究所同位素年代学和地球化学重点实验室完成.样品的主量元素分析采用碱熔法制成玻璃饼,用X射线荧光光谱法(XRF)测定样品的主量元素,分析精度优于1%.样品的微量元素分析则在Perkin-Elmer Sciex Elan 6000型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)完成.微量元素中质量分数 > 10×10-6的样品分析精度优于5%(2σ), < 10×10-6的样品分析精度优于10%(2σ),所有稀土元素的分析精度优于5%(2σ).福兴屯组沉积岩主量和微量元素分析结果见表 1.

        样品号 14HYS-1-1 14HYS-1-2 14HYS-1-3 14HYS-1-4 14HYS-1-5 14HYS-1-6 14HYS-1-7 14HYS-1-8 14HYS-1-9 14HYS-1-10
        Fe2O3 2.91 1.66 2.56 2.53 0.85 2.59 1.74 3.41 2.46 2.06
        FeO 2.80 4.15 3.18 3.47 4.92 4.18 4.31 3.18 4.38 4.43
        TFe2O3 6.02 6.27 6.09 6.39 6.32 7.23 6.53 6.94 7.33 6.98
        MnO 0.12 0.12 0.11 0.10 0.10 0.13 0.11 0.12 0.13 0.20
        TiO2 0.70 0.86 0.79 0.74 0.74 0.81 0.76 0.70 0.84 1.32
        CaO 1.86 1.70 1.47 1.74 1.58 1.51 1.55 1.74 1.64 1.67
        K2O 1.87 2.04 1.66 1.73 2.53 1.95 1.96 1.47 2.18 1.56
        P2O5 0.22 0.22 0.22 0.21 0.19 0.21 0.22 0.22 0.23 0.29
        SiO2 64.22 64.94 65.04 63.38 63.53 61.02 64.56 62.66 62.56 62.90
        Al2O3 15.33 15.18 15.28 15.48 16.28 16.52 15.33 16.04 15.74 15.49
        MgO 2.36 2.66 2.17 2.51 2.28 2.82 2.51 2.29 2.77 2.66
        Na2O 4.64 4.73 4.96 4.84 4.82 5.49 4.80 4.58 4.45 5.18
        LOI 2.86 1.60 2.36 2.34 1.35 2.28 1.64 3.06 2.05 1.78
        Total 99.89 99.86 99.80 99.07 99.16 99.51 99.49 99.47 99.43 99.54
        Al2O3/TiO2 21.90 17.65 19.34 20.92 22.00 20.40 20.17 22.91 18.74 11.73
        CIA 54.04 53.72 54.75 54.36 54.59 54.33 54.43 56.62 55.42 53.90
        ICV 1.43 1.46 1.37 1.42 1.29 1.45 1.40 1.33 1.43 1.50
        PIA 54.71 54.40 55.45 55.02 55.63 55.03 55.21 57.46 56.50 54.42
        Sc 13.20 14.30 13.50 13.40 15.60 16.40 14.00 14.20 14.20 17.30
        V 108.00 117.00 108.00 112.00 102.00 128.00 117.00 116.00 125.00 149.00
        Cr 77.40 106.00 87.40 80.00 53.60 95.60 86.60 86.10 106.00 185.00
        Co 16.30 16.20 15.00 16.80 10.70 21.70 15.10 19.60 19.90 14.60
        Ni 33.30 37.70 32.40 40.40 27.60 46.60 41.20 40.10 41.10 39.10
        Rb 41.10 50.60 32.20 35.50 74.20 52.70 39.70 37.00 46.60 31.20
        Sr 244.00 246.00 226.00 259.00 198.00 290.00 245.00 268.00 251.00 204.00
        Y 20.30 23.10 18.90 20.90 27.50 29.20 19.50 23.60 22.00 21.30
        Zr 171.00 189.00 187.00 167.00 203.00 228.00 190.00 209.00 216.00 260.00
        Hf 5.69 5.32 5.12 5.12 6.16 7.19 5.27 6.68 7.12 7.60
        Th 6.36 5.24 4.11 4.64 8.54 9.04 4.85 6.05 5.40 3.66
        U 1.37 1.33 1.22 1.30 1.65 2.05 1.36 1.63 1.51 1.59
        Th/U 4.64 3.94 3.37 3.57 5.18 4.41 3.57 3.71 3.58 2.30
        Rb/Sr 0.17 0.21 0.14 0.14 0.37 0.18 0.16 0.14 0.19 0.15
        La 23.30 27.60 21.40 22.60 24.30 30.10 23.70 26.10 30.10 23.90
        Ce 47.50 57.20 44.80 45.80 50.80 66.40 51.30 53.20 60.70 48.90
        Pr 5.99 6.35 5.62 5.61 6.18 7.68 5.83 6.30 7.30 6.07
        Nd 24.50 28.70 22.80 24.90 26.80 34.90 25.50 27.10 30.20 26.60
        Sm 4.94 5.19 4.40 4.97 5.57 6.81 4.91 5.21 5.96 5.33
        Eu 1.25 1.35 1.09 1.26 1.18 1.60 1.22 1.31 1.34 1.43
        Gd 4.11 4.57 3.96 4.24 4.53 5.81 3.90 4.52 4.93 4.56
        Tb 0.69 0.72 0.67 0.66 0.79 0.94 0.65 0.77 0.74 0.74
        Dy 4.26 4.07 3.89 4.02 4.86 5.62 4.00 4.50 4.21 4.34
        Ho 0.75 0.82 0.77 0.78 0.97 1.03 0.77 0.90 0.81 0.83
        Er 2.15 2.15 1.94 2.27 2.91 3.13 2.14 2.48 2.28 2.20
        Tm 0.35 0.32 0.29 0.36 0.46 0.45 0.31 0.37 0.34 0.30
        Yb 2.08 1.97 1.74 1.96 2.97 2.65 1.97 2.22 2.08 1.90
        Lu 0.36 0.37 0.34 0.36 0.50 0.50 0.34 0.41 0.39 0.34
        ∑REE 122.23 141.38 113.71 119.79 132.82 167.62 126.54 135.39 151.38 127.44
        ∑LREE 107.48 126.39 100.11 105.14 114.83 147.49 112.46 119.22 135.60 112.23
        ∑HREE 14.75 14.99 13.60 14.65 17.99 20.13 14.08 16.17 15.78 15.21
        L/H 7.29 8.43 7.36 7.18 6.38 7.33 7.99 7.37 8.59 7.38
        La/Yb 11.20 14.01 12.30 11.53 8.18 11.36 12.03 11.76 14.47 12.58
        (La/Yb)N 7.55 9.45 8.29 7.77 5.52 7.66 8.11 7.93 9.76 8.48
        (Gd/Yb)N 1.59 1.87 1.84 1.75 1.23 1.77 1.60 1.64 1.91 1.94
        δEu 0.83 0.83 0.78 0.82 0.70 0.76 0.83 0.81 0.74 0.87
        δCe 0.95 1.00 0.96 0.95 0.97 1.03 1.02 0.97 0.96 0.95
        注:TFe2O3=Fe2O3+1.111FeO;化学蚀变指数(CIA)=[Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)]×100,成分变异指数(ICV)=(Fe2O3+K2O+Na2O+CaO*+MgO+MnO+TiO2)/Al2O3,斜长石风化程度指数(PIA)=[(Al2O3-K2O)/(Al2O3+CaO*+Na2O-K2O)]×100,以上式子中的主要成分指摩尔分数,CaO*为碳酸盐中的CaO,即全岩中的CaO扣除掉化学沉积的CaO的摩尔分数(McLennan,1993);∑REE不包括Sc和Y元素;L/H=∑LREE/∑HREE;N代表球粒陨石标准化值;δEu=2Eu N/(Sm N / Gd N);δCe=2Ce N/(La N /Pr N).

        表 1  福兴屯组沉积岩主量(%)和微量元素(10-6)分析结果

        Table 1.  Major and trace element compositions of the sedimentary rocks from the Fuxingtun Formation

      • 流纹质晶屑凝灰岩样品(18HYS-1)锆石粒径为60~110 μm,Th/U比值均大于0.4,多为短柱状-长柱状,呈半自形-自形晶,锆石内部结构较清晰,发育有典型的岩浆成因的振荡生长环带(图 4a).对流纹质晶屑凝灰岩锆石样品随机选取点位进行LA-ICP-MS定年分析,得到数据分析结果及其U-Pb年龄谐和图(不谐和度小于10%),30个测点的206Pb/238U年龄值为(386±9)~(399±11) Ma,其加权平均年龄为392±3 Ma(附表1, 图 5).

        图  4  福兴屯组锆石样品中典型阴极发光图像

        Figure 4.  CL images of the selected typical zircons from the Fuxingtun Formation

        图  5  福兴屯组流纹质晶屑凝灰岩锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图

        Figure 5.  U-Pb concordia diagram summarizing the LA-ICP-MS zircon data for the rhyolitic crystalline tuff in the Fuxingtun Formation

        细粒长石砂岩样品(14HYS-1)碎屑锆石发光图像显示碎屑锆石粒度大小不一,长度最小100 μm,最大可达200 μm.碎屑锆石Th/U比值均大于0.1,多数为短柱状或浑圆状,呈半自形-自形晶,边部发育典型的振荡生长环带,反映岩浆成因锆石的特点(图 4b).对细粒长石砂岩碎屑锆石样品随机选取点位进行LA-ICP-MS定年分析,得到数据分析结果及其U-Pb年龄谐和图(不谐和度小于10%),42个测点给出10组谐和年龄,自下而上分别为:393±8 Ma(MSWD=0.4,n=2)、422±19 Ma(MSWD=10.7,n=5)、511±10 Ma(MSWD=7.9,n=12)、789±11 Ma(MSWD=1.4,n=5)、1 711±38 Ma(MSWD=0.087,n=3)、1 768±39 Ma(MSWD=0.045,n=3)、1 833±65 Ma(MSWD=0.37,n=2)、1 912±28 Ma(MSWD=0.16,n=3)、1 964±51 Ma(MSWD=0.031,n=2)和2 422±31 Ma(MSWD=0.16,n=2)(附表1,图 6).

        图  6  福兴屯组细粒长石砂岩碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图

        Figure 6.  U-Pb concordia diagrams summarizing the LA-ICP-MS detrital zircon data for the fine-grained arkose in the Fuxingtun Formation

      • 福兴屯组沉积岩具有相对集中的主量元素含量(表 1),与澳大利亚后太古代平均页岩(PAAS)相比具有较一致的SiO2和MgO质量分数,高的CaO和Na2O质量分数以及低的Al2O3、TFe2O3和K2O质量分数.根据主量元素分析结果可知,福兴屯组沉积岩的地球化学指数CIA、ICV和PIA值分别为53.72~56.62,1.29~1.50和54.40~57.46(表 1),指示福兴屯组沉积物来源于不成熟的沉积物源区,且物源区物质经历了较弱程度的化学风化作用(Nesbitt and Young, 1982Cox et al., 1995Fedo et al., 1995)(图 7a).

        图  7  福兴屯组风化特征图解

        Figure 7.  The characteristics of weathering for the Fuxingtun Formation

        微量元素分析结果表明,福兴屯组沉积岩Th/U平均值为3.83,接近上地壳平均值(3.80),Rb/Sr平均值为0.18(表 1图 7b),两者比值均较低,指示福兴屯组物源区物质经历了较弱的化学风化作用和相对简单的沉积循环(McLennan, 1993).

        稀土元素分析结果表明,福兴屯组沉积岩∑REE为113.71×10-6~167.62×10-6,平均为133.83×10-6,低于PAAS(183.00×10-6),轻稀土富集,重稀土元素稳定,La/Yb值为8.18~14.47,(La/Yb)N和(Gd/Yb)N值分别为5.52~9.76和1.23~1.94,具Eu负异常,δEu值为0.70~0.87,δCe值为0.95~1.03(表 1).以PAAS数据和球粒陨石数据(Sun and McDonough, 1989)对福兴屯组沉积岩的稀土元素进行标准化处理(图 8),图 8a表明福兴屯组沉积岩PAAS标准化配分曲线均为PAAS型模式,图 8b表明福兴屯组沉积岩球粒陨石标准化配分曲线均为具负Eu异常的右倾型,且轻稀土元素富集,重稀土元素近直线分布,元素分异不明显.

        图  8  福兴屯组沉积岩稀土元素PAAS和球粒陨石标准化曲线

        Figure 8.  PAAS-normalized and chondrite-normalized REE patterns of sedimentary rocks from the Fuxingtun Formation

      • 福兴屯组由黑龙江省区域地层表编写组于1979年创建,指见于延寿县马鞍山、福兴屯,由砂岩、板岩、砂砾岩和少量霏细岩组成的岩石组合,产植物化石.福兴屯组原在1969年的《1:20万木兰县幅区调报告》中被称为马鞍山组,时代置于中-晚石炭世;1979年,《黑龙江地层表》将马鞍山组改称为福兴屯组,时代置于早石炭世;1993年,《黑龙江省区域地质志》沿用福兴屯组,保留建组含义,时代置于中泥盆世;2008年,《黑龙江省岩石地层》继续沿用《黑龙江省区域地质志》中福兴屯组的含义及时代(黑龙江省地质矿产局,2008).前人主要依据区域地层和古生物对比确定福兴屯组的形成时代,由于福兴屯组出露较少且植被覆盖严重,以往厘定地层时代的证据并不充分.因此,对福兴屯组标准剖面中少量出露的流纹质晶屑凝灰岩和细粒长石砂岩锆石U-Pb定年是确定福兴屯组形成时代的关键.

        笔者对福兴屯组流纹质晶屑凝灰岩的锆石样品进行了矿物学定年研究,CL图像显示其为典型的岩浆成因,则其定年结果代表了凝灰岩的形成时代.凝灰岩锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果显示,其加权平均年龄为392±3 Ma,说明研究区内福兴屯组凝灰岩形成于中泥盆世.福兴屯组细粒长石砂岩碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图显示,绝大多数碎屑锆石测点年龄分布在谐和线上(图 6),且207Pb/206Pb、207Pb/235U和206Pb/238U三个表面年龄值在误差范围内基本一致(附表1),排除了Pb丢失的可能性,其谐和年龄值应代表碎屑锆石的真实结晶年龄,且最小一组年龄代表了砂岩沉积年龄的下限,由此可知,细粒长石砂岩形成于393±8 Ma之后,其与凝灰岩的形成时代392±3 Ma基本吻合.综上可进一步确定,福兴屯组形成时代为中泥盆世.

      • 近年来,碎屑沉积岩的地球化学研究被广泛应用于解释物源区风化特征、物源区物质组成及构造背景判别等领域.根据前文讨论的主量和微量元素分析结果可知,福兴屯组沉积物的成熟度较低,物源区物质未经受强烈风化作用且经历了一个相对简单的沉积循环,因此,福兴屯组沉积岩的地球化学特征能够很好地反映其物源区的属性和特征.福兴屯组沉积岩主量元素中Al2O3/TiO2值为11.73~22.91,平均值为19.58(表 1),指示福兴屯组沉积物主要来源于长英质或中酸性火成岩源区(Girty et al., 1996Hayashi et al.,1997).

        福兴屯组沉积岩稀土元素PAAS和球粒陨石标准化曲线几乎走势一致且具有轻稀土富集、重稀土稳定和负Eu异常特征(图 8b),暗示福兴屯组沉积物具有相同的物源特征且源岩可能为长英质或中酸性火成岩.利用物源区判别图解进一步揭示福兴屯组物源区的物质组成,如图 9所示:在主量元素判别函数图解中(图 9a),福兴屯组细粒长石砂岩样品投点落在长英质和中性火成岩区域内;在La/Th-Hf图解(图 9b)中,样品投点分散于长英质物源区周围;在Co/Th-La/Sc判别图解(图 9c)中,样品投点落于长英质火山岩和安山岩之间;在Zr/Sc-Th/Sc判别图解(图 9d)中,样品投点均落在火成岩演化线右侧,且分散于花岗岩和安山岩平均组成成分之间的区域.主量和微量元素物源区判别图解均指示福兴屯组源岩为长英质或中酸性火成岩.

        图  9  福兴屯组沉积岩物源区判别图解

        Figure 9.  Provenance discrimination diagrams of sedimentary rocks from the Fuxingtun Formation

        本次研究中,福兴屯组样品中的碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学研究显示其碎屑年龄组成从古生代到古元古代,时代跨度非常大,暗示了福兴屯组沉积物源区物质组成的复杂性和多样性.福兴屯组锆石年龄主要集中区为391~2 427 Ma,同时具有3个次要年龄集中区391~534 Ma、779~904 Ma和1 695~2 427 Ma(图 10).

        图  10  福兴屯组碎屑锆石U-Pb年龄频率

        Figure 10.  Relative probability of detrital zircons from the Fuxingtun Formation

        约占45%的碎屑锆石年龄介于391~534 Ma,呈现出392 Ma、422 Ma、439 Ma、511 Ma四个显著的峰期年龄(图 10).其中,392 Ma的年龄与区域内中-晚泥盆世(~388 Ma)的岩浆事件相吻合(孟恩等,2011);422 Ma、439 Ma和511 Ma峰期年龄与松嫩-张广才岭地块东缘南北向展布的早古生代花岗岩带年龄相吻合(Wang et al., 2012b),结合年龄介于391~534 Ma的碎屑锆石多呈自形-半自形,且在阴极发光中多发育显示岩浆成因的振荡生长环带,说明沉积盆地周边的晚古生代早期地质体和松嫩-张广才岭地块东缘南北向展布的早古生代花岗岩带共同为福兴屯组提供了一定的沉积物源.

        约占14%的碎屑锆石年龄介于779~904 Ma,其年龄与松嫩-张广才岭地块东缘东风山群和塔东群中新元古代地层相吻合(高福红等,2013Wang et al., 2014),结合近年来松嫩-张广才岭地块东缘古生代地层中发现大量自形-半自形且具有典型岩浆成因的新元古代碎屑锆石的事实(Meng et al., 2010Wang et al., 2012a),表明松嫩-张广才岭地块东缘存在新元古代岩浆事件,新元古代火成岩也为福兴屯组提供了少量沉积物源.

        约占41%的碎屑锆石年龄介于1 695~2 427 Ma,时代介于早元古代至中元古代,呈现1.7 Ga、1.9 Ga和2.4 Ga的峰期年龄,该年龄区间的锆石多呈浑圆状,说明其可能经历过长距离搬运,但古地磁、古生物等资料揭示在泥盆世我国东北地区与西伯利亚克拉通和华北克拉通相距甚远,类似年龄的锆石可能均来源于当地,结合近年来在区域上古生代-早中生代地层均存在大量古元古代年龄锆石的事实(Meng et al., 2010Wang et al., 2012a, 2014),笔者认为福兴屯组沉积期间可能存在一个当地的古老沉积物源区,为福兴屯组的形成提供了一定的物质来源.

        综上所述,地球化学和年代学特征共同指示张广才岭福兴屯组沉积物具有混合物源特征,其沉积物源主要来源于沉积盆地周边的晚古生代早期中酸性火成岩、松嫩-张广才岭地块东缘南北向展布的早古生代花岗质岩和来自地表或地表浅部的古元古代地质体,次要物源由沉积盆地周边的新元古代中酸性火成岩提供.

      • 碎屑沉积岩的地球化学特征主要取决于其物质组成,而其物质组成又与其物源和大地构造环境有着非常密切的关系,因此碎屑沉积岩的地球化学特征可以用来恢复构造背景.主量元素判别图解K2O/Na2O-Si2O和Si2O/Al2O3-K2O/Na2O(图 11)指示福兴屯组沉积物形成于岛弧构造环境.福兴屯组沉积岩与不同构造背景砂岩的稀土元素特征比较,与大陆岛弧构造环境下砂岩的稀土元素特征相似(表 2),与不同构造背景砂岩的稀土元素PAAS和球粒陨石标准化曲线进行比较,与大陆岛弧的标准化曲线最为相似(图 12).综合主量元素和稀土元素结果,初步判定福兴屯组构造背景为大陆岛弧环境.

        图  11  福兴屯组沉积岩构造环境判别图

        Figure 11.  Tectonic setting discriminate diagrams of sedimentary rocks from the Fuxingtun Formation

        构造背景 La(10-6) Ce(10-6) ∑REE(10-6) La/Yb (La/Yb)N L/H δEu
        大洋岛弧 8.00±1.70 19.00±3.70 58.00±10.00 4.20±1.30 2.80±0.90 3.80±0.90 1.04±0.11
        大陆岛弧 27.00±4.50 59.00±8.20 146.00±20.00 11.00±3.60 7.50±2.50 7.70±1.70 0.79±0.13
        活动大陆边缘 37.00 78.00 186.00 12.50 8.50 9.10 0.60
        被动大陆边缘 39.00 85.00 210.00 15.90 10.80 8.50 0.56
        样品(平均值) 25.31 52.66 133.83 11.94 8.05 7.53 0.80
        注:大洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘数据据Bhatia(1985).

        表 2  福兴屯组沉积岩与不同构造背景砂岩稀土元素特征比较

        Table 2.  Geochemical comparison between sedimentary rocks from the Fuxingtun Formation and sandstones from various tectonic settings

        图  12  福兴屯沉积岩和不同构造环境砂岩稀土元素PAAS和球粒陨石标准化曲线

        Figure 12.  PAAS-normalized and chondrite-normalized REE patterns of sedimentary rocks from the Fuxingtun Formation and sandstones from various tectonic settings

        如前文所述,张广才岭福兴屯组形成时代为晚古生代中泥盆世,松嫩-张广才岭地块中泥盆世火山作用主要分布在小兴安岭地区,孟恩等(2011)曾对具有代表性的小兴安岭宝泉组上段火山岩进行了岩石地球化学研究,认为小兴安岭宝泉组流纹岩具有A型流纹岩的地球化学属性,暗示其形成于陆内伸展的构造环境;区域构造演化方面,许文良等(2012)曾提出松嫩-张广才岭地块与佳木斯地块碰撞拼合于早古生代晚期,松嫩-张广才岭地块在中泥盆世处于陆-陆碰撞后的伸展环境.区域内火山岩和区域构造演化共同指示中泥盆世时期松嫩-张广才岭地块处于陆-陆碰撞后的伸展环境,综合福兴屯组沉积岩的岩石地球化学研究,可以判定福兴屯组沉积物形成于大陆岛弧的弧后伸展环境.

      • 长期以来,对于松嫩-张广才岭地块与佳木斯地块的碰撞拼合时间主要存在两种不同的认识,多数学者认为两地块的拼合发生在早古生代晚期,而部分学者持两者是在早中生代完成拼合的观点.本文福兴屯组锆石年代学研究为松嫩-张广才岭地块与佳木斯地块于早古生代晚期拼合提供了新的证据.

        松嫩-张广才岭地块以嘉荫-牡丹江断裂与佳木斯地块相邻,区域内晚古生代早期地层主要分布在嘉荫-牡丹江断裂两侧,西侧以松嫩-张广才岭地块张广才岭地区早泥盆世黑龙宫组和中泥盆世福兴屯组以及小兴安岭地区早-中泥盆世宝泉组为代表,东侧主要以佳木斯地块东缘宝清盆地早-中泥盆世黑台组为代表.前人碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果表明,黑龙宫组沉积下限为403 Ma,宝泉组和黑台组沉积时限分别为413~386 Ma和484~390 Ma,且黑龙宫组、宝泉组和黑台组砂岩中均存在大量489~551 Ma的碎屑锆石(Meng et al., 2010孟恩等,2011),而本文研究的福兴屯组砂岩沉积下限为393±8 Ma,同时也发育有较多489~551 Ma的碎屑锆石,由此可知,松嫩-张广才岭地块上晚古生代早期地层内普遍发育与佳木斯地块上黑台组年龄特征相吻合的碎屑锆石,且这些碎屑锆石也与佳木斯地块上的麻山杂岩和广泛分布的早古生代花岗岩年龄相一致(Wilde,2003Zhou et al., 2010a, 2010b, 2011Wu et al., 2011Bi et al., 2014),结合张广才岭地区几乎缺失早古生代花岗岩体的分布(Wu et al., 2011),表明佳木斯地块为松嫩-张广才岭地块上晚古生代早期地层的形成提供了部分物源,暗示佳木斯地块在黑龙宫组、福兴屯组和宝泉组沉积之前已与松嫩-张广才岭地块完成拼合,即于早泥盆世已完成拼合.

      • (1)张广才岭福兴屯组流纹质晶屑凝灰岩的形成时代为392±3 Ma,细粒长石砂岩沉积下限为393±8 Ma,均属于晚古生代中泥盆世.

        (2)福兴屯组沉积物具有混合物源特征,其沉积物主要来源于沉积盆地周边的晚古生代早期中酸性火成岩、松嫩-张广才岭地块东缘南北向展布的早古生代花岗质岩和地表(浅部)的古元古代地质体,福兴屯组次要物源由沉积盆地周边的新元古代中酸性火成岩提供.

        (3)福兴屯组沉积岩地球化学特征结合区域内火山岩和区域构造演化,指示福兴屯组沉积物形成于大陆岛弧的弧后伸展环境.

        (4)佳木斯地块为松嫩-张广才岭地块上晚古生代早期地层的形成提供了部分物源,与松嫩-张广才岭地块于早泥盆世已完成拼合.

        附表见本刊官网(http://www.earth-science.net).

    参考文献 (46)

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