佳木斯地块东部二叠纪锦山花岗杂岩体的成因及其地质意义
毕君辉+葛文春+张彦龙+杨浩+王智慧
摘要：报道了佳木斯地块东部锦山花岗杂岩体的锆石LAICPMS UPb定年结果、全岩地球化学和锆石Hf同位素特征，确定了花岗质岩石的形成时代、源区性质及其地球动力学背景，同时也为中亚造山带东段的构造演化提供重要线索。花岗岩的锆石主要呈自形—半自形晶，发育显著的震荡生长环带，w（Th）/w（U）值在0.12～1.20之间，显示其典型的岩浆成因。测年结果表明这些花岗质岩石形成于早—中二叠世（260～278 Ma）。地球化学特征显示：花岗质岩石w（SiO2）值为6675%～7010%，w（Na2O）值为440%～523%，w（K2O）值为077%～280%，w（K2O）/w（Na2O）值为018～061，A/CNK值为097～114；这些岩石富集大离子亲石元素（Rb、Ba和K），相对亏损高场强元素（Nb、Ta、P、Zr、Ti和Hf）。锆石原位Hf同位素分析显示，花岗岩的εHf（t）值介于-0.8～7.7之间，两阶段Hf模式年龄介于953～1 578 Ma之间。该区花岗质岩石属于偏铝质—弱过铝质的低钾—中钾钙碱性I型花岗岩，原始岩浆起源于中—新元古代增生的下地壳物质的部分熔融。结合区域研究资料，研究区内早—中二叠世花岗岩就位于活动大陆边缘环境，其形成可能与佳木斯地块东侧古大洋板块的西向俯冲作用有关。
关键词：花岗岩；二叠纪；锆石UPb定年；岩石成因；活动大陆边缘；俯冲作用；佳木斯地块
中图分类号：P595；P597文献标志码：A
0引言
中国东北地区位于中亚造山带东段[12]，为典型的显生宙增生造山带，Sengor等将其称为阿尔泰构造拼贴带[3]。东北地区经历了古亚洲洋和太平洋两大构造域演化阶段以及若干中、小块体复杂拼贴演化历史的构造拼贴[46]，自西北向东南依次为额尔古纳地块、兴安地块、松辽地块、佳木斯地块和兴凯地块[79]。此外，东北地区广泛发育古生代—中生代花岗岩[1013]。近年来，不少学者对大兴安岭地区花岗岩的形成时代、地壳增生以及区域构造演化历史进行了较为详细的研究[1，1422]，而对黑龙江东部花岗岩（特别是古生代花岗岩）的研究则相对薄弱[10]。随着佳木斯地块麻山杂岩约500 Ma变质年龄的报道和显生宙花岗岩年龄的确定，使该地块的基底组成和构造属性等问题成为国内外学者研究的热点之一[78，2329]。目前，佳木斯地块花岗岩的研究主要集中在南部穆棱—牡丹江、鸡西等地区，对佳木斯地块东部的研究十分匮乏，不利于提高和完善对佳木斯地块的整体认识。研究区位于佳木斯地块东部的锦山地区，此前并没有同位素年代学资料记载该区花岗质岩石的形成时代，制约了对本区花岗岩成因及其地质意义的研究。基于此，笔者通过对锦山花岗杂岩体锆石UPb年代学和地球化学研究，明确岩体的形成时代及其成因，并结合区域地质资料，进一步探讨了该区的构造背景及其动力学机制等问题。
1地质概况及样品特征
佳木斯地块是中亚造山带在中国东北的一个重要构造单元[3]，也是兴蒙造山带若干变质地体中最著名的一个，地处西伯利亚克拉通和华北克拉通之间。该地块呈SN向带状展布，向南、北可分别延伸到兴凯地块和俄罗斯境内的布列亚地块[图1（a）]。Wilde等研究认为它们有着一致的早期地壳演化史，称其为佳木斯—兴凯—布列亚地块[2425，30]。佳木斯地块东缘发育晚古生代跃进山增生杂岩，与中生代就位的那丹哈达地体相邻，西以嘉荫—牡丹江断裂为界。
佳木斯地块的结晶基底主要由麻粒岩相角闪岩相变质的麻山杂岩和大面积出露的花岗质岩石组成。黑龙江省地质矿产局报道佳木斯地块形成于太古代[31]，但近期研究结果表明，该地块麻粒岩相变质作用发生在约500 Ma[2332]，并且主要存在515～530、254～270 Ma两期花岗质岩浆作用[910]。其中，两期花岗质岩石分别形成于泛非期变质造山作用和古大洋板块的俯冲作用，共同侵入到麻山杂岩中，是佳木斯地块的重要组成部分。此外，该地块东缘还发育有二叠纪火山岩[33]。
兴凯地块位于中亚造山带最南端[34]，大部分出露于俄罗斯境内，只有少部分延伸到中国东北[图1（a）]。中国的兴凯地块主要由前寒武纪变质基底岩石和各时代的花岗质岩石组成。其中，前寒武纪变质基底岩石零星出露，其变质程度及岩石特征相当于佳木斯地块的麻山杂岩[31]。兴凯地块的花岗质岩石主要有与泛非期变质造山作用有关的花岗岩[8]、大面积未变形的具有活动大陆边缘属性的二叠纪花岗岩[30，35]以及造山后扩张伸展环境下的三叠纪花岗岩[35]。
F1为索伦—西拉木伦—长春断裂；F2为嘉荫—牡丹江断裂；F3为贺根山—黑河断裂；F4为新林—喜贵图断裂；
F5为伊通—依兰断裂；F6为敦化—密山断裂；图（a）引自文献[36]；图（b）引自文献[31]
锦山花岗杂岩体位于黑龙江省富锦市锦山镇西南，大地构造位置属于佳木斯地块东部[图1（a）]。该岩体呈SN向展布的岩株状产出，主要被白垩纪东大岭组和第四系所覆盖。黑龙江省地质矿产局依据岩石类型和地层对比，将本区花岗岩划分为古元古代[31]。本文通过详细的野外地质调查表明，锦山花岗杂岩体主要岩石类型为二长花岗岩和花岗闪长岩，局部可见晚期侵入的辉绿岩脉，但由于受野外出露情况的限制，并未见岩性变化的直接证据。
细粒角闪黑云二长花岗岩呈细粒花岗结构和块状构造。主要矿物为石英（体积分数为20%～25%）、斜长石（30%～40%）、正长石（20%～30%）、黑云母（5%～8%）和角闪石（低于5%）。石英呈他形粒状且波状消光；斜长石呈半自形板柱状，聚片双晶发育，绢云母化蚀变严重，边部可见蠕虫构造，粒径02～0.8 mm；正长石呈半自形板柱状，卡式双晶发育，局部可见高岭土化蚀变；黑云母呈鳞片状，粒径02～05 mm，普遍发育绿泥石化蚀变[图2（a）]。副矿物主要为锆石、磷灰石和少量不透明矿物等。
中细粒黑云花岗闪长岩呈中细粒花岗结构和主体块状构造，局部可见弱片麻状构造。主要矿物为石英（体积分数为25%～30%）、斜长石（40%～50%）、碱性长石（10%～15%）和黑云母（5%～10%），含少量角闪石。石英呈他形粒状且波状消光，粒径为0.2～0.8 mm；斜长石呈半自形板柱状，聚片双晶发育清晰，个别颗粒可见环带结构，粒径大小不等（0.5～3 mm）；碱性长石呈半自形—他形板柱状，以条纹长石为主，局部可见高岭土化蚀变，粒径0.5～1.5 mm；黑云母呈鳞片状，绿泥石化发育，具有普鲁士蓝的异常干涉色；普通角闪石呈柱状，具有浅绿—绿色多色性[图2（b）]。副矿物主要为锆石、榍石，以及少量磷灰石和不透明矿物等。
2分析方法
2.1锆石UPb定年
用于锆石UPb定年的样品均采自天然露头和采石场的新鲜样品。样品的破碎和锆石的挑选工作在河北省廊坊市宇能岩石矿物分选技术服务有限公司完成。在阴极发光（CL）图像基础上，采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱计（LAICPMS）法对锆石进行微区原位单点UPb同位素定年。试验在中国地质大学（武汉）地质过程与矿产资源国家重点实验室完成，分析仪器为由美国New Wave Research Inc.公司生产的激光剥蚀进样系统（UPI93SS）和由美国AGILENT科技有限公司生产的Agilent7500a型四级杆等离子体质谱仪联合构成的激光等离子体质谱仪（LAICPMS），激光束斑直径为36 μm，激光器工作频率为10 Hz。试验中，采用氦气作为剥蚀物质的载气，利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NIST SRM610进行仪器最佳化，利用哈佛大学国际标准锆石91500作为外部校正[37]，单个数据点误差类型为1σ，加权平均年龄误差类型为2σ。样品的同位素比值计算选用澳大利亚Glitter 4.4数据处理软件，并采用Andersen的方法对同位素比值进行校正[38]，以消除普通204Pb的影响。
2.2Hf同位素分析
锆石原位LuHf同位素分析在中国科学院地质与地球物理研究所完成。试验采用Neptune多接收电感耦合等离子体质谱仪和Geolas193 nm准分子激光取样系统（LAMCICPMS），激光束斑直径36 μm，激光频率8 Hz。详细测试流程以及仪器运行原理等参见文献[39]。试验过程中，标准锆石GJ1和MUD测定的N（176Hf）/N（177Hf）值分别为0282 020±0000 008、0282 508±0000 007，该值与目前用溶液法获得的值在误差范围内一致[4041]。在εHf（t）值计算中，采用BlichertToft等所推荐的球粒陨石值[42]，Hf同位素单阶段模式年龄（TDM1）以亏损地幔为参考计算，两阶段模式年龄（TDM2）采用大陆地壳平均组成来计算。
2.3主量、微量和稀土元素分析
主量、微量和稀土元素的分析均在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成。其中，主量元素在RigakuRIX型荧光光谱仪（XRF）上进行，微量、稀土元素的分析采用PEElan6000型电感耦合等离子体质谱仪（ICPMS）完成。测量采用自动进样的方式，以外部标准校正方法进行。对国际标样玄武岩（BHVO1、BCR2）和安山岩（AGV1）的分析结果表明，主量元素分析精度优于5%，微量元素分析精度一般优于10%[43]。
3分析结果
3.1锆石UPb定年结果
3件样品的锆石LAICPMS UPb定年数据列于表1。阴极发光（CL）图像显示：锆石多呈自形—半自形晶，发育有明显的岩浆振荡环带（图3）。较高的w（Th）/w（U）值（0.12～1.20）表明锆石具有典型的岩浆成因[3638]。
样品11GW041采自黑龙江省富锦市锦山镇仁义村西南采石场（47°05′00.2″N，131°42′32.9″E），岩石类型为细粒角闪黑云二长花岗岩。22个锆石分析点的测试结果表明，所测锆石的同位素分析数据均落在谐和线上及其附近[图4（a）]。其中10个锆石分析点的n（206Pb）/n（238U）年龄集中分布在253～267 Ma之间，加权平均值为（261±3）Ma，平均标准权重偏差（MSWD）为090，应代表岩浆结晶年龄；另有11个锆石分析点的n（206Pb）/n（238U）年龄加权平均值为（288±4）Ma，MSWD值为20；1个锆石的谐和年龄为（502±7）Ma，应为岩体捕获的早期岩浆锆石。
样品13GW197采自黑龙江省富锦市锦山镇仁义村西南采石场（47°05′02.6″N，131°42′29.3″E），岩石类型为细粒角闪黑云二长花岗岩。18个锆石分析点的测试数据均分布在谐和线上及其附近。其中16个锆石分析点的n（206Pb）/n（238U）年龄集中分布在272～286 Ma之间，年龄加权平均值为（278±3）Ma，MSWD值为037[图4（b）]，代表了岩浆结晶年龄；另外2个锆石分析点的年龄分别为（342±5）、（345±7）Ma，可能为捕获锆石；其余锆石分析点可能因后期不同程度的放射性成因Pb丢失，导致数据点远离谐和线分布而未参与计算。
样品10GW251采自黑龙江省富锦市锦山镇南采石场（47°02′02.5″N，131°43′12.7″E），岩石类型为中细粒黑云花岗闪长岩。24个锆石分析点的结果表明，18个锆石分析点的同位素分析数据落在谐和线上及其附近[图4（c）]。其中3个锆石分析点的n（206Pb）/n（238U）年龄加权平均值为（260±8）Ma，MSWD 值为0.81，代表样品岩浆结晶年龄；另有13个锆石分析点的n（206Pb）/n（238U）年龄加权平均值为（461±5）Ma，MSWD值为012；2个锆石分析点的谐和年龄分别为（532±13）、（532±12）Ma，应为岩体捕获的早期岩浆锆石；其余锆石分析点可能因放射性成因Pb丢失，导致其远离谐和线分布。
3.2地球化学特征
3.2.1主量和微量元素
主量和微量元素分析结果及相关参数列于表2。由表2可以看出，研究区内6个花岗质岩石样品的主量、微量元素特征较为一致。SiO2含量（质量分数，下同）主要介于6675%～7010%之间，w（Na2O）值为440%～523%，w（K2O）值为077%～280%，w（Na2O）+w（K2O）值为518%～784%，w（K2O）/w（Na2O）值为018～061，w（Al2O3）值为1436%～1567%，A/CNK值为097～114。在A/CNKA/NK图解中，呈现出准铝质—弱过铝质特征[图5（a）]；在SiO2K2O图解上，整体具有中钾钙碱性系列的特征[图5（b）]。
在稀土元素配分模式中，所有样品均表现为轻稀土元素（LREE）富集、重稀土元素（HREE）亏损和Eu异常较弱的特征[图6（a）]。二长花岗岩的稀土元素总含量为（127.88～140.36）×10-6，wLREE/wHREE值为（5.67～6.24）×10-6，w（La）N/w（Yb）N值为5.03～5.77，w（Ce）N/w（Yb）N值为394～446，Eu异常为0.72～0.96；花岗闪长岩的稀土元素总含量为（92.83～97.24）×10-6，wLREE/wHREE值为（11.61～14.63）×10-6，w（La）N/w（Yb）N值为1501～21.09，w（Ce）N/w（Yb）N值为11.32～14.41，Eu异常为0.84～1.05。在原始地幔标准化微量元素蛛网图[图6（b）]中，花岗质岩石整体上表现出富集Rb、Ba和K等大离子亲石元素（LILE），相对亏损Nb、Ta、P、Ti、Zr和Hf等高场强元素（HFSE）的特征。花岗闪长岩的高场强元素亏损较明显，可能暗示着岩浆源区或岩浆结晶分异过程中磷灰石、金红石和含钛（如钛铁矿、榍石等）等副矿物存在分离结晶作用。此外，研究区内样品的w（Nb）/w（Ta）值和w（Zr）/w（Hf）值存在较大分异，可能是花岗质岩浆对源区的继承性造成的。
3.2.2锆石Hf同位素
锆石原位LuHf同位素测试结果见表3和图7。所测锆石在形成后具有较低的放射性成因176Hf积累（n（176Lu）/n（177Hf）值绝大多数小于0002），因此，n（176Lu）/n（177Hf）值基本代表了其形成时的初始值。
二长花岗岩（样品11GW041）共分析了15个锆石分析点（表3），其中7个捕获锆石分析点的年龄介于288～502 Ma，它们的N（176Hf）/N（177Hf）值介于0282 649～0.282 726之间，εHf（t）值为0.2～3.7，TDM1值为765～962 Ma，TDM2值为1 052～1 339 Ma。7个岩浆锆石分析点的年龄介于253～263 Ma之间，N（176Hf）/N（177Hf）值介于0282 642～0282 771之间，εHf（t）值为-0.8～5.3，TDM1值为699～927 Ma，TDM2值为953～1 339 Ma（图7）。花岗闪长岩（样品10GW251）共分析了24个锆石分析点（表3），其中14个捕获锆石分析点的年龄介于461～532 Ma之间，它们的N（176Hf）/N（177Hf）值介于0282 592～0282 731之间，εHf（t）值为35～86，TDM1值为741～932 Ma，TDM2值为1 094～1 527 Ma。3个岩浆锆石的年龄介于257～269 Ma之间，N（176Hf）/N（177Hf）值介于0282 604～0282 770之间，εHf（t）值为1.5～7.7，TDM1值为587～843 Ma，TDM2值为1 013～1 578 Ma（图7）。
锦山地区不同岩性的花岗质岩石具有一致的锆石Hf同位素特征，即锆石εHf（t）值介于-08～77之间，两阶段Hf模式年龄介于953～1 578 Ma之间。另外，捕获锆石也表现出相似的特征。
4讨论
4.1晚古生代花岗岩的形成时代
通过对锦山花岗杂岩体中3个具有代表性的样品进行精确的锆石LAICPMS UPb同位素定年测试研究，所测样品的锆石主要呈自形—半自形晶，振荡生长环带清晰（图2），样品具有相对较高的w（Th）/w（U）值（0.12～1.20），显示其岩浆成因的特征。锆石UPb定年结果表明，3个样品的成岩年龄分别为（261±3）、（278±3）、（260±8）Ma（表1、图4），表明锦山花岗杂岩体形成于早—中二叠世岩浆的多次侵入，并非黑龙江省地质矿产局确定的新元古代[31]。
锦山花岗杂岩体的锆石UPb定年结果与佳木斯地块曾报道过的二叠纪花岗质岩浆活动的时代（254～284 Ma）一致。代表性岩体有美作岩体（年龄为（259±4）Ma）、柴河岩体（（254±5）Ma）、楚山岩体（（256±5）Ma）、石场岩体（（267±2）Ma）、六连岩体（（284±2）Ma）等[9，4849]，反映了佳木斯地块存在二叠纪岩浆活动。这也得到了佳木斯地块东部二叠世（263～293 Ma）火山岩的支持[33]。另外，兴凯地块同样存在该期岩浆活动，代表性花岗岩体有杨田寨南山岩体（年龄为（257±2）Ma）、朝鲜屯岩体（（287±3）Ma）和兴凯镇东发村晚二叠世流纹岩（（264±7）Ma）等[30，35，50]。上述定年结果揭示出，佳木斯—兴凯地块在二叠纪均发生大规模的构造岩浆热事件，表明它们可能有着相同的早期地质演化历史。
4.2岩石成因
花岗质岩石的起源可以分为幔源岩浆的结晶分异[51]、岩浆混合过程[52]和地壳物质的部分熔融[35]。本文所研究的花岗质岩石具有高Si和贫Ca、Fe、Mg以及过渡族元素（Sc、Ti、Cr）的地球化学属性，结合研究区内未发现铁镁质侵入体，表明它们起源于地壳物质的部分熔融，而不是幔源岩浆的结晶分异或壳幔岩浆的混合作用，同时也得到该期花岗岩中含有较老的锆石颗粒或残留的支持[9]。所有样品均具有准铝质—弱过铝质（A/NK值大于10，A/CNK 值小于1.1）的低钾—中钾钙碱性系列岩石特征（图5），并结合岩石中角闪石的出现（图2），揭示出这些花岗质岩石属于壳源成因的I型花岗岩[53]。另外，锆石εHf（t）值介于-08～77之间，两阶段Hf模式年龄介于953～1 578 Ma之间（表3、图7），反映岩浆源区岩石应为新增生的年轻地壳物质。然而，研究区内的花岗岩具有多样性的地球化学组成，强烈地表明这些花岗质岩石具有不同的成因过程。
花岗闪长岩的地球化学特征显示其具有强亏损的重稀土元素和较弱的Eu异常，相对高的w（Sr）值（（394～487）×10-6）、w（Sr）/w（Y） 值（38.25～6118）、w（La）N/w（Yb）N 值（15.01～21.09）、w（Ce）N/w（Yb）N值（11.32～14.41）和低的w（Yb）值（（0.73～0.95）×10-6）、w（Y）值（（7.96～1030）×10-6）（表2、图6），表明其母岩起源于下地壳物质的部分熔融，高压（高于1 500 MPa）残留相中存在石榴子石和辉石，而无斜长石[5456]。试验研究表明，下地壳玄武岩或角闪岩的部分熔融可导致源区石榴子石和辉石的残留[57]。因此，可以认为花岗闪长岩起源于高压条件下地壳基性岩石的部分熔融。
相比之下，二长花岗岩具有相对高的w（Yb）值（（3.13～3.23）×10-6）、w（Y）值（（28.1～30.4）×10-6）和wHREE值以及低的w（Al2O3） 值（14.68%～17.82%）、w（La）N/w（Yb）N值（5.03～5.77）、w（Ce）N/w（Yb）N值（394～446）、w（Sr）值（（227～431） ×10-6），明显亏损Nb、Ta和Ti等高场强元素[图6（b）]。这些地球化学特征同岛弧或活动大陆边缘型钙碱性花岗岩的属性相一致[5859]。其次，由弱到强的Eu负异常[图6（a）]表明斜长石在源区残留相中停留或在岩浆演化过程中分离结晶；最后，相对高的Yb、Y含量排除了残留相中有石榴子石的可能，表明其起源于低压下地壳年轻物质的部分熔融[6061]。上述地球化学特征表明，这些花岗质岩石起源于岛弧型地壳物质的部分熔融。
4.3地质意义
锦山花岗杂岩体的岩性为花岗闪长岩和二长花岗岩，属于准铝质—弱过铝质的低钾—中钾钙碱性I型花岗岩（图5）。它们具有较高的w（Al2O3）值和w（Na2O）/w（K2O）值，富集大离子亲石元素（如Rb、Ba、K）和亏损高场强元素（如Nb、Ta、P、Zr、Ti、Hf），表明二叠纪锦山花岗杂岩体形成于活动大陆边缘的构造背景[62]。同时，Nb、Ta的亏损暗示了岩浆不可能直接由软流圈部分熔融产生，而应该来自地壳或壳幔混染，可能与俯冲作用有关[6364]。根据Pearce等的构造环境判别图[64]（图8），所有样品显示了火山弧花岗岩（VAG）的特征，因此，可以认为造成佳木斯地块东部二叠纪花岗岩类的动力和热力来源可能与古大洋板块的俯冲作用有关。
吴福元等研究表明，佳木斯地块东部除了发育有大量与板块俯冲活动有关的钙碱性花岗岩外[9，30，35，4849]，在其东缘及东南缘的宝清—密山地区发育一套同期具有活动大陆边缘构造属性的钙碱性玄武岩安山岩英安岩流纹岩组合[33]。另外，兴凯地块二叠纪花岗质岩石（年龄为257～287 Ma）和流纹岩（（264±7）Ma）的发现同时反映了兴凯地块亦存在该期岩浆活动[30，35，50]。这些二叠纪岩石（年龄为254～293 Ma）呈近NNE向带状展布[图1（b）]，暗示佳木斯地块东部二叠纪期间处于活动大陆边缘的构造背景，当时应该存在一个自东向西俯冲的大洋板块[33]。
上述结果得到了两方面的支持：首先，在佳木斯地块西侧松嫩—张广才岭地块的小兴安岭和张广才岭地区分别发育一套伸展背景下的早二叠世A型花岗岩[11，65]和双峰式玄武岩玄武质安山岩英安岩流纹岩组合[66]，其形成于佳木斯地块东侧古大洋板块的西向俯冲作用导致该地区产生类似弧后盆地的伸展环境[66]；其次，在佳木斯地块和那丹哈达地体之间存在一套辉石岩辉长岩蛇纹岩组成的岩套，以及具有洋脊玄武岩（MORB型）属性的绿片岩相变质岩被发现[67]。因此，可以认为在佳木斯地块东缘曾发生过一次晚古生代古大洋板块的俯冲增生事件。综上所述，本文认为佳木斯—兴凯地块东部二叠纪期间应处于活动大陆边缘的构造背景，其形成可能与佳木斯地块东侧古大洋板块的西向俯冲作用有关。
5结语
（1）锆石LAICPMS UPb定年结果表明，锦山花岗杂岩体形成于早—中二叠世岩浆（年龄为260～278 Ma）的多次侵入。结合前人确定的二叠纪岩浆活动的空间分布，判定佳木斯地块存在该期构造岩浆热事件。
（2）锦山二叠纪花岗质岩石属于准铝质—弱过铝质的低钾—中钾钙碱性I型花岗岩，其原始岩浆起源于中—新元古代增生的下地壳物质的部分熔融。
（3）佳木斯—兴凯地块东部二叠纪期间应处于活动大陆边缘的构造背景，其形成可能与佳木斯地块东侧古大洋板块的西向俯冲作用有关。
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摘要：报道了佳木斯地块东部锦山花岗杂岩体的锆石LAICPMS UPb定年结果、全岩地球化学和锆石Hf同位素特征，确定了花岗质岩石的形成时代、源区性质及其地球动力学背景，同时也为中亚造山带东段的构造演化提供重要线索。花岗岩的锆石主要呈自形—半自形晶，发育显著的震荡生长环带，w（Th）/w（U）值在0.12～1.20之间，显示其典型的岩浆成因。测年结果表明这些花岗质岩石形成于早—中二叠世（260～278 Ma）。地球化学特征显示：花岗质岩石w（SiO2）值为6675%～7010%，w（Na2O）值为440%～523%，w（K2O）值为077%～280%，w（K2O）/w（Na2O）值为018～061，A/CNK值为097～114；这些岩石富集大离子亲石元素（Rb、Ba和K），相对亏损高场强元素（Nb、Ta、P、Zr、Ti和Hf）。锆石原位Hf同位素分析显示，花岗岩的εHf（t）值介于-0.8～7.7之间，两阶段Hf模式年龄介于953～1 578 Ma之间。该区花岗质岩石属于偏铝质—弱过铝质的低钾—中钾钙碱性I型花岗岩，原始岩浆起源于中—新元古代增生的下地壳物质的部分熔融。结合区域研究资料，研究区内早—中二叠世花岗岩就位于活动大陆边缘环境，其形成可能与佳木斯地块东侧古大洋板块的西向俯冲作用有关。
关键词：花岗岩；二叠纪；锆石UPb定年；岩石成因；活动大陆边缘；俯冲作用；佳木斯地块
中图分类号：P595；P597文献标志码：A
0引言
中国东北地区位于中亚造山带东段[12]，为典型的显生宙增生造山带，Sengor等将其称为阿尔泰构造拼贴带[3]。东北地区经历了古亚洲洋和太平洋两大构造域演化阶段以及若干中、小块体复杂拼贴演化历史的构造拼贴[46]，自西北向东南依次为额尔古纳地块、兴安地块、松辽地块、佳木斯地块和兴凯地块[79]。此外，东北地区广泛发育古生代—中生代花岗岩[1013]。近年来，不少学者对大兴安岭地区花岗岩的形成时代、地壳增生以及区域构造演化历史进行了较为详细的研究[1，1422]，而对黑龙江东部花岗岩（特别是古生代花岗岩）的研究则相对薄弱[10]。随着佳木斯地块麻山杂岩约500 Ma变质年龄的报道和显生宙花岗岩年龄的确定，使该地块的基底组成和构造属性等问题成为国内外学者研究的热点之一[78，2329]。目前，佳木斯地块花岗岩的研究主要集中在南部穆棱—牡丹江、鸡西等地区，对佳木斯地块东部的研究十分匮乏，不利于提高和完善对佳木斯地块的整体认识。研究区位于佳木斯地块东部的锦山地区，此前并没有同位素年代学资料记载该区花岗质岩石的形成时代，制约了对本区花岗岩成因及其地质意义的研究。基于此，笔者通过对锦山花岗杂岩体锆石UPb年代学和地球化学研究，明确岩体的形成时代及其成因，并结合区域地质资料，进一步探讨了该区的构造背景及其动力学机制等问题。
1地质概况及样品特征
佳木斯地块是中亚造山带在中国东北的一个重要构造单元[3]，也是兴蒙造山带若干变质地体中最著名的一个，地处西伯利亚克拉通和华北克拉通之间。该地块呈SN向带状展布，向南、北可分别延伸到兴凯地块和俄罗斯境内的布列亚地块[图1（a）]。Wilde等研究认为它们有着一致的早期地壳演化史，称其为佳木斯—兴凯—布列亚地块[2425，30]。佳木斯地块东缘发育晚古生代跃进山增生杂岩，与中生代就位的那丹哈达地体相邻，西以嘉荫—牡丹江断裂为界。
佳木斯地块的结晶基底主要由麻粒岩相角闪岩相变质的麻山杂岩和大面积出露的花岗质岩石组成。黑龙江省地质矿产局报道佳木斯地块形成于太古代[31]，但近期研究结果表明，该地块麻粒岩相变质作用发生在约500 Ma[2332]，并且主要存在515～530、254～270 Ma两期花岗质岩浆作用[910]。其中，两期花岗质岩石分别形成于泛非期变质造山作用和古大洋板块的俯冲作用，共同侵入到麻山杂岩中，是佳木斯地块的重要组成部分。此外，该地块东缘还发育有二叠纪火山岩[33]。
兴凯地块位于中亚造山带最南端[34]，大部分出露于俄罗斯境内，只有少部分延伸到中国东北[图1（a）]。中国的兴凯地块主要由前寒武纪变质基底岩石和各时代的花岗质岩石组成。其中，前寒武纪变质基底岩石零星出露，其变质程度及岩石特征相当于佳木斯地块的麻山杂岩[31]。兴凯地块的花岗质岩石主要有与泛非期变质造山作用有关的花岗岩[8]、大面积未变形的具有活动大陆边缘属性的二叠纪花岗岩[30，35]以及造山后扩张伸展环境下的三叠纪花岗岩[35]。
F1为索伦—西拉木伦—长春断裂；F2为嘉荫—牡丹江断裂；F3为贺根山—黑河断裂；F4为新林—喜贵图断裂；
F5为伊通—依兰断裂；F6为敦化—密山断裂；图（a）引自文献[36]；图（b）引自文献[31]
锦山花岗杂岩体位于黑龙江省富锦市锦山镇西南，大地构造位置属于佳木斯地块东部[图1（a）]。该岩体呈SN向展布的岩株状产出，主要被白垩纪东大岭组和第四系所覆盖。黑龙江省地质矿产局依据岩石类型和地层对比，将本区花岗岩划分为古元古代[31]。本文通过详细的野外地质调查表明，锦山花岗杂岩体主要岩石类型为二长花岗岩和花岗闪长岩，局部可见晚期侵入的辉绿岩脉，但由于受野外出露情况的限制，并未见岩性变化的直接证据。
细粒角闪黑云二长花岗岩呈细粒花岗结构和块状构造。主要矿物为石英（体积分数为20%～25%）、斜长石（30%～40%）、正长石（20%～30%）、黑云母（5%～8%）和角闪石（低于5%）。石英呈他形粒状且波状消光；斜长石呈半自形板柱状，聚片双晶发育，绢云母化蚀变严重，边部可见蠕虫构造，粒径02～0.8 mm；正长石呈半自形板柱状，卡式双晶发育，局部可见高岭土化蚀变；黑云母呈鳞片状，粒径02～05 mm，普遍发育绿泥石化蚀变[图2（a）]。副矿物主要为锆石、磷灰石和少量不透明矿物等。
中细粒黑云花岗闪长岩呈中细粒花岗结构和主体块状构造，局部可见弱片麻状构造。主要矿物为石英（体积分数为25%～30%）、斜长石（40%～50%）、碱性长石（10%～15%）和黑云母（5%～10%），含少量角闪石。石英呈他形粒状且波状消光，粒径为0.2～0.8 mm；斜长石呈半自形板柱状，聚片双晶发育清晰，个别颗粒可见环带结构，粒径大小不等（0.5～3 mm）；碱性长石呈半自形—他形板柱状，以条纹长石为主，局部可见高岭土化蚀变，粒径0.5～1.5 mm；黑云母呈鳞片状，绿泥石化发育，具有普鲁士蓝的异常干涉色；普通角闪石呈柱状，具有浅绿—绿色多色性[图2（b）]。副矿物主要为锆石、榍石，以及少量磷灰石和不透明矿物等。
2分析方法
2.1锆石UPb定年
用于锆石UPb定年的样品均采自天然露头和采石场的新鲜样品。样品的破碎和锆石的挑选工作在河北省廊坊市宇能岩石矿物分选技术服务有限公司完成。在阴极发光（CL）图像基础上，采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱计（LAICPMS）法对锆石进行微区原位单点UPb同位素定年。试验在中国地质大学（武汉）地质过程与矿产资源国家重点实验室完成，分析仪器为由美国New Wave Research Inc.公司生产的激光剥蚀进样系统（UPI93SS）和由美国AGILENT科技有限公司生产的Agilent7500a型四级杆等离子体质谱仪联合构成的激光等离子体质谱仪（LAICPMS），激光束斑直径为36 μm，激光器工作频率为10 Hz。试验中，采用氦气作为剥蚀物质的载气，利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NIST SRM610进行仪器最佳化，利用哈佛大学国际标准锆石91500作为外部校正[37]，单个数据点误差类型为1σ，加权平均年龄误差类型为2σ。样品的同位素比值计算选用澳大利亚Glitter 4.4数据处理软件，并采用Andersen的方法对同位素比值进行校正[38]，以消除普通204Pb的影响。
2.2Hf同位素分析
锆石原位LuHf同位素分析在中国科学院地质与地球物理研究所完成。试验采用Neptune多接收电感耦合等离子体质谱仪和Geolas193 nm准分子激光取样系统（LAMCICPMS），激光束斑直径36 μm，激光频率8 Hz。详细测试流程以及仪器运行原理等参见文献[39]。试验过程中，标准锆石GJ1和MUD测定的N（176Hf）/N（177Hf）值分别为0282 020±0000 008、0282 508±0000 007，该值与目前用溶液法获得的值在误差范围内一致[4041]。在εHf（t）值计算中，采用BlichertToft等所推荐的球粒陨石值[42]，Hf同位素单阶段模式年龄（TDM1）以亏损地幔为参考计算，两阶段模式年龄（TDM2）采用大陆地壳平均组成来计算。
2.3主量、微量和稀土元素分析
主量、微量和稀土元素的分析均在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成。其中，主量元素在RigakuRIX型荧光光谱仪（XRF）上进行，微量、稀土元素的分析采用PEElan6000型电感耦合等离子体质谱仪（ICPMS）完成。测量采用自动进样的方式，以外部标准校正方法进行。对国际标样玄武岩（BHVO1、BCR2）和安山岩（AGV1）的分析结果表明，主量元素分析精度优于5%，微量元素分析精度一般优于10%[43]。
3分析结果
3.1锆石UPb定年结果
3件样品的锆石LAICPMS UPb定年数据列于表1。阴极发光（CL）图像显示：锆石多呈自形—半自形晶，发育有明显的岩浆振荡环带（图3）。较高的w（Th）/w（U）值（0.12～1.20）表明锆石具有典型的岩浆成因[3638]。
样品11GW041采自黑龙江省富锦市锦山镇仁义村西南采石场（47°05′00.2″N，131°42′32.9″E），岩石类型为细粒角闪黑云二长花岗岩。22个锆石分析点的测试结果表明，所测锆石的同位素分析数据均落在谐和线上及其附近[图4（a）]。其中10个锆石分析点的n（206Pb）/n（238U）年龄集中分布在253～267 Ma之间，加权平均值为（261±3）Ma，平均标准权重偏差（MSWD）为090，应代表岩浆结晶年龄；另有11个锆石分析点的n（206Pb）/n（238U）年龄加权平均值为（288±4）Ma，MSWD值为20；1个锆石的谐和年龄为（502±7）Ma，应为岩体捕获的早期岩浆锆石。
样品13GW197采自黑龙江省富锦市锦山镇仁义村西南采石场（47°05′02.6″N，131°42′29.3″E），岩石类型为细粒角闪黑云二长花岗岩。18个锆石分析点的测试数据均分布在谐和线上及其附近。其中16个锆石分析点的n（206Pb）/n（238U）年龄集中分布在272～286 Ma之间，年龄加权平均值为（278±3）Ma，MSWD值为037[图4（b）]，代表了岩浆结晶年龄；另外2个锆石分析点的年龄分别为（342±5）、（345±7）Ma，可能为捕获锆石；其余锆石分析点可能因后期不同程度的放射性成因Pb丢失，导致数据点远离谐和线分布而未参与计算。
样品10GW251采自黑龙江省富锦市锦山镇南采石场（47°02′02.5″N，131°43′12.7″E），岩石类型为中细粒黑云花岗闪长岩。24个锆石分析点的结果表明，18个锆石分析点的同位素分析数据落在谐和线上及其附近[图4（c）]。其中3个锆石分析点的n（206Pb）/n（238U）年龄加权平均值为（260±8）Ma，MSWD 值为0.81，代表样品岩浆结晶年龄；另有13个锆石分析点的n（206Pb）/n（238U）年龄加权平均值为（461±5）Ma，MSWD值为012；2个锆石分析点的谐和年龄分别为（532±13）、（532±12）Ma，应为岩体捕获的早期岩浆锆石；其余锆石分析点可能因放射性成因Pb丢失，导致其远离谐和线分布。
3.2地球化学特征
3.2.1主量和微量元素
主量和微量元素分析结果及相关参数列于表2。由表2可以看出，研究区内6个花岗质岩石样品的主量、微量元素特征较为一致。SiO2含量（质量分数，下同）主要介于6675%～7010%之间，w（Na2O）值为440%～523%，w（K2O）值为077%～280%，w（Na2O）+w（K2O）值为518%～784%，w（K2O）/w（Na2O）值为018～061，w（Al2O3）值为1436%～1567%，A/CNK值为097～114。在A/CNKA/NK图解中，呈现出准铝质—弱过铝质特征[图5（a）]；在SiO2K2O图解上，整体具有中钾钙碱性系列的特征[图5（b）]。
在稀土元素配分模式中，所有样品均表现为轻稀土元素（LREE）富集、重稀土元素（HREE）亏损和Eu异常较弱的特征[图6（a）]。二长花岗岩的稀土元素总含量为（127.88～140.36）×10-6，wLREE/wHREE值为（5.67～6.24）×10-6，w（La）N/w（Yb）N值为5.03～5.77，w（Ce）N/w（Yb）N值为394～446，Eu异常为0.72～0.96；花岗闪长岩的稀土元素总含量为（92.83～97.24）×10-6，wLREE/wHREE值为（11.61～14.63）×10-6，w（La）N/w（Yb）N值为1501～21.09，w（Ce）N/w（Yb）N值为11.32～14.41，Eu异常为0.84～1.05。在原始地幔标准化微量元素蛛网图[图6（b）]中，花岗质岩石整体上表现出富集Rb、Ba和K等大离子亲石元素（LILE），相对亏损Nb、Ta、P、Ti、Zr和Hf等高场强元素（HFSE）的特征。花岗闪长岩的高场强元素亏损较明显，可能暗示着岩浆源区或岩浆结晶分异过程中磷灰石、金红石和含钛（如钛铁矿、榍石等）等副矿物存在分离结晶作用。此外，研究区内样品的w（Nb）/w（Ta）值和w（Zr）/w（Hf）值存在较大分异，可能是花岗质岩浆对源区的继承性造成的。
3.2.2锆石Hf同位素
锆石原位LuHf同位素测试结果见表3和图7。所测锆石在形成后具有较低的放射性成因176Hf积累（n（176Lu）/n（177Hf）值绝大多数小于0002），因此，n（176Lu）/n（177Hf）值基本代表了其形成时的初始值。
二长花岗岩（样品11GW041）共分析了15个锆石分析点（表3），其中7个捕获锆石分析点的年龄介于288～502 Ma，它们的N（176Hf）/N（177Hf）值介于0282 649～0.282 726之间，εHf（t）值为0.2～3.7，TDM1值为765～962 Ma，TDM2值为1 052～1 339 Ma。7个岩浆锆石分析点的年龄介于253～263 Ma之间，N（176Hf）/N（177Hf）值介于0282 642～0282 771之间，εHf（t）值为-0.8～5.3，TDM1值为699～927 Ma，TDM2值为953～1 339 Ma（图7）。花岗闪长岩（样品10GW251）共分析了24个锆石分析点（表3），其中14个捕获锆石分析点的年龄介于461～532 Ma之间，它们的N（176Hf）/N（177Hf）值介于0282 592～0282 731之间，εHf（t）值为35～86，TDM1值为741～932 Ma，TDM2值为1 094～1 527 Ma。3个岩浆锆石的年龄介于257～269 Ma之间，N（176Hf）/N（177Hf）值介于0282 604～0282 770之间，εHf（t）值为1.5～7.7，TDM1值为587～843 Ma，TDM2值为1 013～1 578 Ma（图7）。
锦山地区不同岩性的花岗质岩石具有一致的锆石Hf同位素特征，即锆石εHf（t）值介于-08～77之间，两阶段Hf模式年龄介于953～1 578 Ma之间。另外，捕获锆石也表现出相似的特征。
4讨论
4.1晚古生代花岗岩的形成时代
通过对锦山花岗杂岩体中3个具有代表性的样品进行精确的锆石LAICPMS UPb同位素定年测试研究，所测样品的锆石主要呈自形—半自形晶，振荡生长环带清晰（图2），样品具有相对较高的w（Th）/w（U）值（0.12～1.20），显示其岩浆成因的特征。锆石UPb定年结果表明，3个样品的成岩年龄分别为（261±3）、（278±3）、（260±8）Ma（表1、图4），表明锦山花岗杂岩体形成于早—中二叠世岩浆的多次侵入，并非黑龙江省地质矿产局确定的新元古代[31]。
锦山花岗杂岩体的锆石UPb定年结果与佳木斯地块曾报道过的二叠纪花岗质岩浆活动的时代（254～284 Ma）一致。代表性岩体有美作岩体（年龄为（259±4）Ma）、柴河岩体（（254±5）Ma）、楚山岩体（（256±5）Ma）、石场岩体（（267±2）Ma）、六连岩体（（284±2）Ma）等[9，4849]，反映了佳木斯地块存在二叠纪岩浆活动。这也得到了佳木斯地块东部二叠世（263～293 Ma）火山岩的支持[33]。另外，兴凯地块同样存在该期岩浆活动，代表性花岗岩体有杨田寨南山岩体（年龄为（257±2）Ma）、朝鲜屯岩体（（287±3）Ma）和兴凯镇东发村晚二叠世流纹岩（（264±7）Ma）等[30，35，50]。上述定年结果揭示出，佳木斯—兴凯地块在二叠纪均发生大规模的构造岩浆热事件，表明它们可能有着相同的早期地质演化历史。
4.2岩石成因
花岗质岩石的起源可以分为幔源岩浆的结晶分异[51]、岩浆混合过程[52]和地壳物质的部分熔融[35]。本文所研究的花岗质岩石具有高Si和贫Ca、Fe、Mg以及过渡族元素（Sc、Ti、Cr）的地球化学属性，结合研究区内未发现铁镁质侵入体，表明它们起源于地壳物质的部分熔融，而不是幔源岩浆的结晶分异或壳幔岩浆的混合作用，同时也得到该期花岗岩中含有较老的锆石颗粒或残留的支持[9]。所有样品均具有准铝质—弱过铝质（A/NK值大于10，A/CNK 值小于1.1）的低钾—中钾钙碱性系列岩石特征（图5），并结合岩石中角闪石的出现（图2），揭示出这些花岗质岩石属于壳源成因的I型花岗岩[53]。另外，锆石εHf（t）值介于-08～77之间，两阶段Hf模式年龄介于953～1 578 Ma之间（表3、图7），反映岩浆源区岩石应为新增生的年轻地壳物质。然而，研究区内的花岗岩具有多样性的地球化学组成，强烈地表明这些花岗质岩石具有不同的成因过程。
花岗闪长岩的地球化学特征显示其具有强亏损的重稀土元素和较弱的Eu异常，相对高的w（Sr）值（（394～487）×10-6）、w（Sr）/w（Y） 值（38.25～6118）、w（La）N/w（Yb）N 值（15.01～21.09）、w（Ce）N/w（Yb）N值（11.32～14.41）和低的w（Yb）值（（0.73～0.95）×10-6）、w（Y）值（（7.96～1030）×10-6）（表2、图6），表明其母岩起源于下地壳物质的部分熔融，高压（高于1 500 MPa）残留相中存在石榴子石和辉石，而无斜长石[5456]。试验研究表明，下地壳玄武岩或角闪岩的部分熔融可导致源区石榴子石和辉石的残留[57]。因此，可以认为花岗闪长岩起源于高压条件下地壳基性岩石的部分熔融。
相比之下，二长花岗岩具有相对高的w（Yb）值（（3.13～3.23）×10-6）、w（Y）值（（28.1～30.4）×10-6）和wHREE值以及低的w（Al2O3） 值（14.68%～17.82%）、w（La）N/w（Yb）N值（5.03～5.77）、w（Ce）N/w（Yb）N值（394～446）、w（Sr）值（（227～431） ×10-6），明显亏损Nb、Ta和Ti等高场强元素[图6（b）]。这些地球化学特征同岛弧或活动大陆边缘型钙碱性花岗岩的属性相一致[5859]。其次，由弱到强的Eu负异常[图6（a）]表明斜长石在源区残留相中停留或在岩浆演化过程中分离结晶；最后，相对高的Yb、Y含量排除了残留相中有石榴子石的可能，表明其起源于低压下地壳年轻物质的部分熔融[6061]。上述地球化学特征表明，这些花岗质岩石起源于岛弧型地壳物质的部分熔融。
4.3地质意义
锦山花岗杂岩体的岩性为花岗闪长岩和二长花岗岩，属于准铝质—弱过铝质的低钾—中钾钙碱性I型花岗岩（图5）。它们具有较高的w（Al2O3）值和w（Na2O）/w（K2O）值，富集大离子亲石元素（如Rb、Ba、K）和亏损高场强元素（如Nb、Ta、P、Zr、Ti、Hf），表明二叠纪锦山花岗杂岩体形成于活动大陆边缘的构造背景[62]。同时，Nb、Ta的亏损暗示了岩浆不可能直接由软流圈部分熔融产生，而应该来自地壳或壳幔混染，可能与俯冲作用有关[6364]。根据Pearce等的构造环境判别图[64]（图8），所有样品显示了火山弧花岗岩（VAG）的特征，因此，可以认为造成佳木斯地块东部二叠纪花岗岩类的动力和热力来源可能与古大洋板块的俯冲作用有关。
吴福元等研究表明，佳木斯地块东部除了发育有大量与板块俯冲活动有关的钙碱性花岗岩外[9，30，35，4849]，在其东缘及东南缘的宝清—密山地区发育一套同期具有活动大陆边缘构造属性的钙碱性玄武岩安山岩英安岩流纹岩组合[33]。另外，兴凯地块二叠纪花岗质岩石（年龄为257～287 Ma）和流纹岩（（264±7）Ma）的发现同时反映了兴凯地块亦存在该期岩浆活动[30，35，50]。这些二叠纪岩石（年龄为254～293 Ma）呈近NNE向带状展布[图1（b）]，暗示佳木斯地块东部二叠纪期间处于活动大陆边缘的构造背景，当时应该存在一个自东向西俯冲的大洋板块[33]。
上述结果得到了两方面的支持：首先，在佳木斯地块西侧松嫩—张广才岭地块的小兴安岭和张广才岭地区分别发育一套伸展背景下的早二叠世A型花岗岩[11，65]和双峰式玄武岩玄武质安山岩英安岩流纹岩组合[66]，其形成于佳木斯地块东侧古大洋板块的西向俯冲作用导致该地区产生类似弧后盆地的伸展环境[66]；其次，在佳木斯地块和那丹哈达地体之间存在一套辉石岩辉长岩蛇纹岩组成的岩套，以及具有洋脊玄武岩（MORB型）属性的绿片岩相变质岩被发现[67]。因此，可以认为在佳木斯地块东缘曾发生过一次晚古生代古大洋板块的俯冲增生事件。综上所述，本文认为佳木斯—兴凯地块东部二叠纪期间应处于活动大陆边缘的构造背景，其形成可能与佳木斯地块东侧古大洋板块的西向俯冲作用有关。
5结语
（1）锆石LAICPMS UPb定年结果表明，锦山花岗杂岩体形成于早—中二叠世岩浆（年龄为260～278 Ma）的多次侵入。结合前人确定的二叠纪岩浆活动的空间分布，判定佳木斯地块存在该期构造岩浆热事件。
（2）锦山二叠纪花岗质岩石属于准铝质—弱过铝质的低钾—中钾钙碱性I型花岗岩，其原始岩浆起源于中—新元古代增生的下地壳物质的部分熔融。
（3）佳木斯—兴凯地块东部二叠纪期间应处于活动大陆边缘的构造背景，其形成可能与佳木斯地块东侧古大洋板块的西向俯冲作用有关。
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