摘要
黑龙江西北部位于中亚造山带东段，是蒙古—鄂霍茨克洋、古亚洲洋、环太平洋3大构造域重叠部位，构造-岩浆活动强烈，对研究东北地区中生代构造-岩浆演化具有重要意义。本文以黑龙江西北部地区出露的白垩纪二长花岗岩岩体为研究对象，开展了系统的锆石U-Pb同位素测年和岩石地球化学研究，讨论了其岩石成因及地质意义。锆石U-Pb年代学研究结果显示，二长花岗岩成岩年龄为（144.67±0.48） Ma，成岩时代为早白垩世早期。岩石地球化学研究结果显示，二长花岗岩样品具有高硅、富碱、贫镁钙、高FeOT /MgO比值，属准铝质、高钾-钙碱性系列，轻稀土元素（LREE）富集，重稀土（HREE）亏损，铕弱负异常，相对富集大离子亲石元素（LILE）Rb、Ba、Th、K，亏损高场强元素（HFSE）Nb、Ti、P，属于埃达克型（低Sr低Yb）花岗岩，是加厚陆壳被地幔玄武质岩浆底侵，使下地壳物质在高压、高温环境下，部分熔融的产物。结合年代学和地球化学特征，研究区二长花岗岩成岩构造背景受蒙古—鄂霍茨克洋构造域控制，形成于后碰撞构造背景。
Abstract
The northwestern Heilongjiang Province is located in the eastern part of the Central Asian Orogenic Belt. It is the overlapping part of the three major tectonic domains of Mongolia-Okhotsk Ocean, Paleo-Asian Ocean and circum-Pacific Ocean. The strong tectono-magmatic activity is of great significance to the study of Mesozoic tectono-magmatic evolution in Northeast China. Zircon U-Pb isotope dating and geochemical studies were carried out on the Cretaceous monzogranite rock mass in the northwest of Heilongjiang Province, discussing the petrogenesis and geological significance. Zircon U-Pb dating results show that the monzonitic granites age is (144.67±0.48) Ma, falling in the Early Cretaceous period. The geochemical results showed that the granites are high in silica, alkali and low in magnesium, calcium and the FeOT /MgO ratio, falling in the quasi-aluminous and high potash-calcium-alkaline series. The results also showed concentrated light rare earth elements (LREEs), deficient heavy rare earth elements (HREEs) and weakly negative europium, as well as concentrated large ionic lithophilic elements (LILEs) Rb, Ba, Th and K, and deficient high field strength elements (HFSEs) Nb, Ti and P, making them typical low Sr-Yb Adak-types. It is the product of partial melting of the lower crustal material in a high-pressure and high-temperature environment caused by the underplating of the thickened continental crust by the mantle basaltic magma. Combined with chronology and geochemical characteristics, the diagenetic tectonic background of monzonitic granite is controlled by the Mongolia-Okhotsk Ocean tectonic domain and formed in the post-collision tectonic background.
0 引言
黑龙江西北部位于中亚造山带东段，自新元古代以来构造演化可分为 3 个阶段，分别是古亚洲洋构造体系、蒙古—鄂霍茨克洋构造体系和环太平洋构造体系，由北向南依次跨越额尔古纳—兴安和松嫩地块，各地块间分别以新林—喜桂图缝合带、黑河—贺根山缝合带和牡丹江缝合带为界限（李锦轶等，2004；李三忠等，2013；许文良等，2013；杨朝磊等，2021；唐克东等，2022；张允平等，2022；洪文武等，2023）。该地区构造-岩浆作用极其强烈，中生代花岗岩大面积发育。花岗岩作为大陆地壳的主要组成部分，不同成因的花岗岩常产生于不同的大地构造环境，并具有不同的地球化学特征（Pearce et al.，1984；Batchelor and Bowden，1985；Harris et al.， 1986；Liegeois et al.，1998；肖庆辉等，2002；张旗等， 2006，2008，2010；张吉衡，2009；董坤鹏，2012；孟凡超等，2014；陈璟元和杨进辉，2015；邓晋福等， 2015；纪政等，2016；康磊等，2016；唐杰，2016；尹志刚等，2018，2019，2020；赵院冬等，2018；骆念岗等， 2021；洪文武等，2023；李晓海等，2023；吴树宽等， 2023）。基于此，本文以黑龙江西北部早白垩世二长花岗岩为研究对象，在野外调查基础上，结合岩相学特征、岩石地球化学特征及锆石 U-Pb 年代学研究，分析了其岩浆物质来源、岩石成因及形成年代，并进一步探讨了大地构造环境和深部地质作用等重大地质问题，以期为黑龙江西北部地区早白垩世岩石圈的地球动力学演化及岩浆演化提供一定理论基础。
1 区域地质概况
研究区地理位置位于黑龙江西北部，东经 123° 30'00″~124°00'00″，北纬 51°10'00″~51°30'00″，位于额尔古纳地块东南部，塔源—喜贵图旗缝合带于研究区东南缘经过（董坤鹏，2012；孟凡超等，2014；尹志刚等，2018，2019；骆念岗等，2021）（图1a）。区内大面积发育中生代岩浆活动，主要在中部、东部出露，呈北东向带状分布，岩石类型主要为石英二长闪长岩、二长花岗岩、碱长花岗岩。早白垩世二长花岗岩呈北东向带状分布于研究区的东部，出露面积约6.48 km2（图1b）。
2 岩相学特征
研究区早白垩世中细粒二长花岗岩，呈黄灰色，中细粒花岗结构，块状构造。由 3%~10% 黑云母、0%~2% 角闪石、25%~50% 斜长石、15%~32% 钾长石、20%~27%石英组成，矿物粒度0.2~5.0 mm，以 2~4 mm 为主。黑云母：黄褐色，片状，平行消光，粒径为0.2~3.0 mm，部分晶面有绿泥石交代，周围常见副矿物，电子探针分析结果为镁黑云母；角闪石：绿色柱状，多色性明显，粒度0.2~2.0 mm；斜长石：半自形板状，聚片双晶较细，环带发育，为中长石，双晶纹干净，粒度为0.2~5.0 mm，电子探针分析结果为更长石；钾长石：多他形，为条纹长石，微斜长石，格状双晶隐约显示，条纹呈纹状、不规则状，包裹斜长石，0.2~5.0 mm；石英：他形粒状，波状消光，粒度 0.2~4.0 mm（图2）。
图1中国东北地区构造简图（a）和黑龙江西北部中生代侵入岩分布地质简图（b）
1—早白垩世花岗斑岩；2—早白垩世中细粒石英二长闪长岩；3—早白垩世细粒石英闪长岩；4—早白垩世粗中粒、细粒似斑状碱长花岗岩；5— 早白垩世细中粒正长花岗岩；6—早白垩世细中粒二长花岗岩；7—中侏罗世粗中粒二长花岗岩；8—中侏罗世中细粒石英二长闪长岩；9—地质界线；10—同位素采样位置
Ⅰ—额尔古纳—兴安陆块；Ⅱ—松嫩陆块；Ⅲ—佳木斯陆块；Ⅳ—完达山地块；SF1—二连—黑河缝合带；SF2—塔源—喜桂图缝合带；SF3—嘉萌—牡丹江缝合带；SF4—那丹哈达西缘俯冲带；F1—乌奴尔—鄂伦春断裂带；F2—得尔布干断裂带；F3—逊克—铁力断裂；F4—依兰—伊通断裂带；F5—敦化—密山断裂带
3 分析方法
从研究区内采集2件新鲜无蚀变二长花岗岩样品进行岩石地球化学分析，并从所取得的样品中选取 1 件具有代表性样品进行 LA-ICP-MS 锆石 U-Pb 测年研究。测年样品的锆石分选由河北省地矿局区域地质调查大队实验室（廊坊）用常规方法粉碎至 80~100 目，经淘选和电磁选方法进行分离，再通过双目镜挑选出晶形、透明度较好，裂隙和包体较少、表面洁净的锆石颗粒用于测年研究。在北京离子探针中心完成锆石制靶，对样品靶中锆石进行透射光、反射光及阴极发光（CL）图像采集。锆石U-Pb同位素分析在天津地质矿产研究所进行，采用仪器为 ThermoFisHer公司制造的 Neptune型 LA-ICP-MS和 Cetac 公司制造的 GeolasPro193 准分子型激光系统联机，仪器检测采用美国国家标准技术研究院研制的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质 NISTSRM610，外部校正采用国际标准锆石 91500，激光剥蚀束斑直径为35 μm，频率为6~8 Hz，试验载气为 He。采用国家标准程序 Isoplot 软件对测年样品的 U-Pb谐和图和年龄加权平均计算年龄均进行数据处理，所测出的同位素比值和年龄误差均在1σ 水平。岩石地球化学样品主量元素分析测试在黑龙江省地质调查研究总院实验室完成，采用 X 射线荧光光谱法（XRF），相对标准偏差为2%~5%。微量元素和稀土元素的测定由中国地质调查局沈阳地质调查中心实验测试中心完成，采用电感耦合等离子体质谱仪测定（ICP-MS），相对标准偏差小于10%。
表1二长花岗岩LA-ICP-MS 锆石U-Pb定年结果（D3320）
注：测试单位为天津地质矿产研究所测试中心（2012年）。
4 分析结果
4.1 锆石U-Pb年代学
二长花岗岩样品（D3320）锆石 U~Pb 同位素分析结果见表1。从样品中选取 25 颗锆石，锆石呈浅黄白色、淡褐色，粒径约为100~200 μm，长宽比为2∶ 1~3∶1。锆石阴极发光（CL）图像显示，所测锆石具有较明显的振荡环带（图3），样品中的Th、U含量较高，Th/U 介于 0.0628~0.8700，为典型的岩浆成因锆石。25个测试数据完全落在了谐和线上及附近，其中 24个 LA-ICP-MS锆石 U-Pb年龄较为集中，其值介于 147~144 Ma，仅有 1 个锆石 U-Pb 年龄为 204 Ma，可能为捕获锆石（图4）。24 个测点的206Pb/238U 加权平均值为（144.67±0.48） Ma（MSWD=0.64）。
图2二长花岗岩正交偏光镜下照片
Qtz—石英；Kfs—钾长石；Pl—斜长石
图3二长花岗岩锆石阴极发光图（CL）图像及测试位置（D3320）
4.2 岩石地球化学特征
二长花岗岩样品主量、微量、稀土元素分析数据详见表2。二长花岗岩样品 SiO2 质量分数为 69.52%~69.96%，Al2O3质量分数为 13.18%~13.39%， CaO 质量分数为 1.84%~2.23%，TiO2 质量分数 0.43%~0.46%，FeOT 质量分数为 3.44%~5.4%，MgO 质量分数为 1.12%~1.13%，全碱（ALK=Na2O+K2O） 质量分数为7.26%~7.84%，K2O/Na2O比值介于0.85~0.9，FeOT /MgO 比值介于 3.04~4.82，表现为高硅、富碱、相对富钾、铁镁钙含量较低特征。组合指数（σ） 为 2.35~2.52，碱度指数（A.R）为 3.07~3.2。样品在 TAS 图解（图5a）中落入亚碱性系列区域，在 SiO2-K2O 图解（图5b）中落入钾质-高钾钙碱性区域，在 A/CNK-A/NK图解（图5c）中落入准铝质区域。
图4二长花岗岩LA-ICP-MS 锆石U-Pb谐和图（D3320）
图5二长花岗岩（Na2O+K2O）-SiO2图解（a，底图据Middle‐ most，1994）；K2O-SiO2图解（b，底图据Peccerillo and Tay‐ lor，1976；Middlemost，1985）；A/NK-A/CNK图解（c，底图据 Maniar and Piccoli，1989）（前人数据据尹志刚等，2018）
二长花岗岩样品稀土总量（∑REE）为 149.62× 10-6~160.69×10-6 （平均值为155.16×10-6）轻稀土质量分数（LREE）为 126.81×10-6~133.68×10-6，重稀土质量分数（HREE）为 9.91×10-6~11.71×10-6，轻重稀土分馏程度较明显（LREE/HREE=11.42~12.8，（La/Yb）N =12.32~13.23）。稀土配分曲线右倾（图6a），相对富含轻稀土元素（LREE）、贫重稀土元素（HREE），轻稀土富集程度强于重稀土。具铕弱负异常（δEu= 0.64~0.82）。
二长花岗岩样品微量元素蛛网图（图6b）中相对富集大离子亲石元素（LILE）Rb、Ba、Th、K 元素，亏损高场强元素（HFSE）Nb、Ti 和 P。高场强元素 Nb、Ti和 P相对于其他不相容元素为负异常，形成 3 个较明显的亏损槽，而Th、K、Hf形成峰值。
表2二长花岗岩主量、微量和稀土元素组成
注：主量元素含量单位为%，微量和稀土元素为10-6。
5 讨论
5.1 形成时代
前人对大兴安岭进行了大量的年代学研究，研究显示兴安地块中生代花岗岩结晶年龄集中于 173~122 Ma，可以划分为 3 次岩浆活动时期：130~120 Ma、150~140 Ma、170~160 Ma（张国宾等， 2024）。本文对黑龙江西北部二长花岗岩的 1 个样品进行了锆石 U-Pb 同位素分析。测年结果显示，二长花岗岩的结晶年龄为（144.67±0.48） Ma，成岩时代均为早白垩世。与前人划分的3个岩浆期次中的150~140 Ma峰值区对应，表明研究区白垩纪二长花岗岩岩浆活动期次，与兴安地块中生代岩浆活动期次一致。
图6二长花岗岩稀土元素球粒陨石分布型式图（a，球粒陨石数据据Sun and Mcdonough，1989）和微量元素原始地幔标准化蜘蛛图（b，原始地幔数据据Sun and Mcdonough，1989）（前人数据据尹志刚等，2018）
5.2 花岗岩类型及成因
花岗岩成因分类一直都是地质领域研究热点。根据 Sr、Yb 元素特殊的地球化学特性，将中酸性岩浆岩（SiO2>56% 的中酸性火山岩和侵入岩）分成 5 类（张旗等，2006，2010），包括高 Sr 低 Yb、低 Sr 低 Yb、低 Sr 高 Yb、高 Sr 高 Yb 以及常低 Sr 高 Yb。二长花岗岩样品与 Sr-Yb 花岗岩分类中埃达克型（低 Sr 低Yb）花岗岩具有相似的地球化学特征（肖庆辉等， 2002；张旗等，2006，2010；赵院冬等，2018）。样品在 Sr-Yb 分类图解（图7a）中落入埃达克型（低 Sr低 Yb）花岗岩区域，在YbN-（La/Yb）N图解（图7b）中落入埃达克岩区域。岩石学实验表明，埃达克型（低 Sr 低Yb）花岗岩是压力>1.2 GPa（700℃~800℃），深度 >50 km 下地壳物质，被玄武质岩浆底侵，发生部分熔融形成的，残留相为麻粒岩相、榴辉岩相（张旗等，2006，2010）。由加厚的玄武质下地壳部分熔融形成的埃达克岩主要为高钾钙碱性系列，Na2O/K2O >1或接近1（张旗等，2008）。
同时花岗岩岩浆大多上升过程是绝热的形式，岩浆早期结晶的温度近似代表了岩浆形成时的温度，因此，可以通过计算岩浆的早期结晶温度来近似得到其起源温度，从700℃~1300℃的高温试验得出锆石溶解度模拟公式 TZr（℃）=12900/[lnDZr （496000/熔体）+0.85M+2.95]-273.15（Watson and Harrison，1983），计算得到样品形成温度在 762℃~768℃之间，与埃达克型（低 Sr低 Yb）花岗岩形成温度相同。二长花岗岩样品稀土总量（∑REE）为 149.62×10-6~160.69×10-6 （平均值为 155.16×10-6），接近地壳平均值（154.7×10-6）。Nb 呈显负异常，表明其与消减有关，与成熟大陆弧花岗岩相异，反映该花岗岩更具有大陆壳的特征，是增生在大陆边缘的新地壳（张吉衡，2009；唐杰，2016）。大兴安岭地区中生代火山岩具有相似的同位素特征，以及较低的初始Sr比值（（ 86Sr87Sr）i）、正的εNd、εHf值及年轻的模式年龄为特征，反映了明显的地壳增生事件（张吉衡， 2009；唐杰，2016）。
5.3 构造环境
研究发现花岗岩的微量元素组成明显受其成岩的构造环境（Pearce et al.，1984；Batchelor and Bowden，1985；Harris et al.，1986）。利用 Pearce提出的 Lg（Yb+Nb）-lgRb 图解（Pearce et al.，1984），二长花岗岩样品均落入火山弧与后碰撞花岗岩重叠处 （图8a）。在 Rb/30-Hf-Ta*3 图解中（Harris et al.， 1986），二长花岗岩样品均落入碰撞后区域（图8b），进一步区分了火山弧与后碰撞花岗岩。同时二长花岗岩样品的高钾钙碱性地球化学特征，通常也被认为是后碰撞岩浆活动的重要特征之一（Liegeois et al.，1998；肖庆辉等，2002；张旗等，2008；邓晋福等， 2015）。在 R1-R2 因子判别图解中（Batchelor and Bowden，1985），二长花岗岩样品均落入到造山晚期区域（图8c），在 lgCaO/（Na2O+K2O）-SiO2判别图解中 （尹志刚等，2018），二长花岗岩样品均位于挤压-拉张环境重叠区域（图8d）。表明二长花岗岩样品是碰撞后造山晚期阶段，挤压向拉张转换环境的产物。
图8二长花岗岩Rb-（Yb+Ta）图解（a，底图据Pearce et al.，1984）；Rb/30-Hf-Ta*3图解（b，底图据Harris et al.，1986）；R1-R2图解（c，底图据Batchelor and Bowden，1985）；lgCaO/（Na2O+K2O）-SiO2图解（d，底图据尹志刚等，2018）（前人数据来源尹志刚等，2018）
①—地幔斜长花岗岩；②—破坏性活动板块边缘（板块碰撞前）花岗岩；③—板块碰撞后隆起期花岗岩；④—晚造期花岗岩；⑤—非造山区A型花岗岩；⑥—同碰撞（S型）花岗岩；⑦—造山期后A型花岗岩
5.4 动力学背景
已有诸多地质资料显示东北地区早白垩世处于伸展环境（李锦轶等，2004；张吉衡，2009；董坤鹏，2012；李三忠等，2013；许文良等，2013；孟凡超等，2014；纪政等，2016；唐杰，2016；尹志刚等， 2018，2019，2020；骆念岗等，2021；杨朝磊等，2021； 张允平等，2022；李晓海等，2023），但是何种机制引起的东北地区早白垩世早期张性环境值得探讨。大兴安岭北段岩浆岩带主要受古亚洲洋构造体系、蒙古—鄂霍茨克洋构造体系和环太平洋构造体系的影响。研究表明蒙古—鄂霍茨克洋具有自西向东剪刀式闭合的特点，西部可能于晚三叠世开始闭合，东部可能于晚侏罗世—早白垩世完成闭合，同时古太平洋板块在早—中侏罗世开始向欧亚大陆东部边缘俯冲，此时欧亚大陆开始受到古太平洋构造体系的影响（李锦轶等，2004；张吉衡，2009；李三忠等，2013；许文良等，2013；唐杰，2016；杨朝磊等， 2021；唐克东等，2022；张允平等，2022）。因此大兴安岭北段地区在早白垩世期间可能受蒙古—鄂霍茨克洋闭合和古太平洋俯冲的双重影响。但研究表明古太平洋板块在中侏罗世晚期—早白垩世早期阶段为俯冲间歇期，早白垩世早期（145~135 Ma） 古太平洋又以北西方向低速俯冲于欧亚大陆之下，此时受古太平洋俯冲作用的影响较弱（张吉衡， 2009；唐杰，2016；杨朝磊等，2021）。在空间上，中生代时期古太平洋板块俯冲作用的影响达不到大兴安岭地区（杨朝磊等，2021）。因此研究区二长花岗岩成岩构造背景应是受蒙古—鄂霍茨克洋构造域控制，形成于碰撞后构造背景。
6 结论
（1）黑龙江西北部二长花岗岩锆石阴极发光显示，锆石均具有较明显的振荡环带结构，且 Th、U含量较高以及较高的Th/U比值，为典型的岩浆成因锆石。LA-ICP-MS 锆石 U-Pb 定年加权平均年龄显示，二长花岗岩成岩年龄为（144.67±0.48） Ma，成岩时代为早白垩世。
（2）黑龙江西北部早白垩世二长花岗岩样品具有高硅、富碱、贫镁钙、高FeOT /MgO比值，属准铝质、高钾-钙碱性系列，轻稀土元素（LREE）富集，重稀土（HREE）亏损，铕弱负异常，相对富集大离子亲石元素（LILE）Rb、Ba、Th、K，亏损高场强元素（HFSE） Nb、Ti、P，属于埃达克型（低Sr低Yb）花岗岩，是加厚陆壳被地幔玄武质岩浆底侵，使下地壳物质在高压、高温环境下，部分熔融的产物。
（3）黑龙江西北部早白垩世二长花岗岩成岩构造背景受蒙古—鄂霍茨克洋构造域控制，形成于碰撞后构造背景。
致谢 两位匿名审稿专家给论文提出的建设性意见，特此感谢！