显生宙

古太平洋板块俯冲对延边地区深部地壳的置换作用：显生宙花

岗岩的Nd同位素制约

黄秘伟;郭锋;赵亮;李竞妍

【摘要】延边地区晚古生代–早白垩世花岗岩的Nd同位素研究显示,该区可以富

尔河–古洞河断裂为界划分为南北两个岩区。北区显示亏损、年轻的源区特征

(εNd(t)=-0.7~+3.8,tDM2=691~976Ma),南区可能继承了古老富集端元组分

(εNd(t)=–13.6~–0.6,tDM2=1004~2166Ma)。从二叠纪到白垩纪,北区花岗岩

的εNd(t)值随着年龄变新递减,南区的εNd(t)值则随着年龄变新递增,并在早白垩世

时两区花岗岩的εNd(t)值达到基本相同。这种Nd同位素组成的变化趋势,说明南

北两区深部地壳物质组成随时间变新而趋于均一化,反映了北区和南区先前存在的

古亚洲洋型增生地壳和华北克拉通古老再循环地壳,在中生代期间遭受了古太平洋

板块俯冲形成的新增生弧地壳的强烈改造和置换,使得两区深部地壳组成在白垩纪

时基本一致。该研究结果为深入理解中生代古太平洋俯冲作用对东北地区深部地壳

的改造过程提供了可靠的同位素地球化学制约。%AdetailedNdisotopicstudy

ontheLatePaleozoic-EarlyCretaceousgranitoidsfromtheYanbianarea,

NEChina,resultsshowthatthereare

twogranitezonesinthearea,i.e.,theNorthandSouthGraniteZones

paratedbytheFu’thegranitoidsinthe

NorthernZonearecharacterizedbypositiveεNd(t)values(-0.7–+3.8)and

youngertDM2modelages(691–976Ma),suggestingasignificant

rasting,thegranitoidsin

theSouthZoneshownegativeεNd(t)values,rangingfrom–13.6to–0.6,

andoldertDM2agesof1004–2166Ma,implyingthatthePrecambrianold

recycledcrustofNorthChinaCratonplayedasignificantroleinthe

ingtheyoutheningoftheemplacement

age,theεNd(t)valueofthegranitoidsintheNorthZonedecreas

gradually,theEarly

Cretaceous,theεNd(t)valueofthegranitoidsinbothzonestendstobe

disotopicvariationtrendreflectsthatthecompositions

ofthedeepcrustbeneaththetwogranitezoneswerethesameintheEarly

ultsindicatethatthepre-existingdeepcrustal

materials,whichhadbeeninheritedfromtheNorthChinaCratonandthe

CentralAsianAccretionOrogenrespectively,werestronglyreplacedbythe

newlyaccretedcrustformedbyMesozoicsubductionofthePaleo-Pacific

clusionsprovidenewinsightintothedeepcrustal

replacementbeneathNEChinasuperimpodbythesubductionofPaleo-

PacificOcean.

【期刊名称】《大地构造与成矿学》

【年(卷),期】2015(000)003

【总页数】14页(P446-459)

【关键词】古太平洋板块俯冲;置换作用;Nd同位素;花岗岩;延边地区

【作者】黄秘伟;郭锋;赵亮;李竞妍

【作者单位】中国科学院广州地球化学研究所，同位素地球化学国家重点实验室，

广东广州510640;中国科学院大学，北京100049;中国科学院广州地球化学研究

所，同位素地球化学国家重点实验室，广东广州510640;中国科学院广州地球化

学研究所，同位素地球化学国家重点实验室，广东广州510640;中国科学院广州

地球化学研究所，同位素地球化学国家重点实验室，广东广州510640;中国科学

院大学，北京100049

【正文语种】中文

【中图分类】P597

延边地区位于吉林省东部,在大地构造分区上属于兴蒙造山带东南部,东邻新生代

日本海弧后盆地,南接华北克拉通,北靠佳木斯–兴凯地块,属于古亚洲洋构造域与

古太平洋构造域叠加部位(图1),一直以来是地质学家们深入探讨两大构造域叠加与

转换过程最理想的地区之一(Zhangetal.,2004；Jiaetal.,2004；唐克东等,

2004；Guoetal.,2007；彭玉鲸等,2012；ZhouandWilde,2013)。

大陆地壳在形成和演化过程中经历了复杂的增生、改造甚至置换作用(Jahnetal.,

2000；RudnickandGao,2003；Zhaietal.,2007)。延边地区存在华北克拉通

的古老再循环地壳,在古生代期间由于古亚洲洋的俯冲、消减导致了强烈的地壳增

生作用,在中生代由于古太平洋板块的俯冲作用也存在新增生的弧地壳(Wuetal.,

2000；Windleyetal.,2007；Guoetal.,2010；Xuetal.,2013；Maetal.,

2015)。这些发生在不同时期的地壳增生和改造过程势必留下印记。

花岗岩形成于地壳深部物质的大比例部分熔融,现今出露地表的花岗岩,其初始同位

素比值能较好地记录岩浆发生熔融时源区的同位素组成,它们是研究深部地壳物质

组成和改造的重要“窗口”(ChenandJahn,1998)。目前对延边地区大面积出露

的花岗岩的研究,主要局限于锆石U-Pb同位素年代学和Hf同位素方面,对该区花

岗岩的Nd同位素系统性的调查研究仍相对缺乏,这在一定程度上影响了对该区花

岗岩浆的深部物源的深入理解。因此,对研究区不同时代花岗岩的相关同位素体系

开展调查研究,有可能查明区内相应时代深部地壳物质的同位素组成特征及其随时

间演化的规律,同时可能揭示中生代古太平洋板块俯冲作用对区域深部地壳的改造

机制。

钕同位素是一种十分理想的地球化学示踪剂,在岩浆源区和地壳演化等领域的研究

已获得广泛的应用(DePaolo,1981；ChenandJahn,1998；Jahnetal.,2000；

Wuetal.,2000；Guoetal.,2010)。本文报道了延边地区显生宙花岗岩系统的

Nd同位素研究工作,发现该区以富尔河–古洞河断裂为界的南北两岩区内白垩纪之

前形成的花岗岩(下文简称为前白垩纪花岗岩)的源区存在显著差异。从二叠纪到早

白垩世,原本截然不同的北区和南区花岗岩的εNd(t)值随时间变新逐渐趋于一致,这

可能反映了北区和南区先前存在的古亚洲洋型增生地壳和华北克拉通古老再循环地

壳物质,在中生代期间遭受了古太平洋板块向欧亚大陆俯冲形成的新增生弧地壳的

强烈改造和置换,使得两区深部地壳物质在早白垩世时已趋于均一化。

延边地区位于中国、朝鲜和俄罗斯三国交界处,植被覆盖率高,地质研究程度相对较

低。区域内构造断裂发育,位于研究区西部的敦化–密山断裂(带)(图2)是当中最著

名的一条,由走向NE60°的两条高角度断层组成,为一右行走滑的深大断裂带,将延

边地区与张广才岭隔开,为研究区的西界。研究区南部的富尔河–古洞河断裂(图2)

以南出露一套类似华北克拉通基底的太古宙绿片岩–角闪岩相的片麻岩和斜长角闪

岩组合,因而被认为是兴蒙造山带与华北克拉通北缘边界赤峰–开源断裂的东延(吉

林地质矿产局,1989；徐公愉,1993)。另一些学者则认为赤峰–开源断裂的东延应

该是夹皮沟–松江断裂(图2)(Zhangetal.,2005；李超文等,2010)。

延边地区广泛分布有显生宙花岗岩,占区内出露地质体总面积的70%～80%(吉林

地质矿产局,1989)。近年的同位素年代学资料显示,该区显生宙花岗岩可划分为以

下期次:(1)晚二叠世–早三叠世(285～245Ma)；(2)晚三叠世(228～200Ma)；

(3)早侏罗世(195～175Ma)；(4)晚侏罗世(165～159Ma)；(5)早白垩世

(129～110Ma)(Wuetal.,2011；燊刘等,2012；李红霞等,2012；张超等,

2014；Maetal.,2015)。

本文选取分布于富尔河–古洞河断裂两侧的南北两岩区的花岗岩为研究对象,对其

开展了系统的Nd同位素对比研究。为兼顾可靠性和代表性,在两区内报道有可靠

锆石U-Pb同位素年龄的近45个岩体中,采集了分布于不同部位、囊括所有岩性

和各个时代的近35个花岗岩体的新鲜样品。岩石薄片的观察显示,绝大多数花岗

岩类的主要矿物组合和副矿物组合都具有I型花岗岩的特点:钾长石+斜长石+石英

±角闪石±黑云母,磁铁矿–磷灰石–锆石–榍石,且基本无蚀变现象。文中各花岗岩体

样品的年龄、岩性和地理位置等见表1和图2,地理位置主要参考了Wuetal.

(2011)的GPS坐标。

样品的主量元素、Sr-Nd同位素在中国科学院广州地球化学研究所测试完成,微量

元素在中国科学院地球化学研究所完成。样品采用酸淋滤方法进行预处理,以减少

后期蚀变作用对元素、同位素比值的影响。主量元素使用RigakuZSX100e型X

射线荧光光谱仪测定,分析误差总体约在1%；微量元素使用ELAN6000型电感

耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测定,分析误优于5%(分析结果见表2)。实验的具体分

析流程参见刘颖等(1996)。Sr-Nd同位素在MicroMassISOPROBE型多接收电感

耦合等离子质谱仪(MC-ICP-MS)上测试。用大约120mg全岩粉末样品加入纯化

HF-HClO4酸,在高温下完全溶解。Rb-Sr与REE的分离和纯化在装有5ml

AG50W-X12交换树脂(200～400目)的石英交换柱进行,而Sm和Nd分离和纯

化是石英交换柱用1.7mlTeflonò粉末作为交换介质完成。87Sr/86Sr和

143Nd/144Nd比值分别用86Sr/88Sr=0.1194和146Nd/144Nd=0.7219校正。

样品的87Sr/86Sr和143Nd/144Nd比值通过NBSSRM987

(87Sr/86Sr=0.710247±8,2σ)和JNdi-1(143Nd/144Nd=0.512115±4,2σ)进行

校对。岩石标样BHVO-2的Sr同位素分析结果为87Sr/86Sr=0.703496±6(2σ,

n=10),岩石标样BHVO-2和JB-3的Nd同位素分析结果分别

为:143Nd/144Nd=0.512965±4(2σ,n=10)和143Nd/144Nd=0.513041±5

(2σ,n=5)。整个化学分离流程中Sr的空白本底＜200pg,Nd的空白本底约30

pg。

3.1主量元素特征

由表2可知,在白垩纪之前侵位的南北两区花岗岩的岩石类型和主量元素特征基本

一致。北区该时期花岗岩的SiO2和Al2O3含量平均值分别为72.3%和14.1%,

南区则为69.2%和15.3%,相对而言南区花岗岩更富Al(A/NK=1.465、

A/CNK=1.02)。南北两区前白垩纪花岗岩K2O含量整体普遍较高,集中于3.3%～

4.9%,绝大部分属于高钾钙碱性系列(图3a)。早白垩世侵位的南区和北区的花岗岩

的SiO2和Al2O3和A/CNK平均值也基本一致,而在图3a中南区样品投点主要

落入高钾钙碱性系列,北区则落入钙碱性系列。

此外,为了解其源区组分特点,将研究区内花岗岩与中–高钾、低钾系列长英质原岩

熔融的实验熔体进行对比,结果显示南北两区各时代花岗岩的熔融源区主要由中–

高钾长英质原岩组成(图3b)。

3.2微量元素特征

区内花岗岩一般具有明显的轻、重稀土分馏,富集轻稀土元素和大离子亲石元素Rb、

K及Th、U、Zr、Hf,亏损高场强元素Nb、Ta、Ti,具有与陆缘弧、岛弧岩浆岩类

似的特点(图4)。与主量元素特征不同,在白垩纪之前侵位的南北两区花岗岩的微

量元素特征有较明显差异,如相对而言北区岩体的Ba、Sr、P、Eu、Ti负异常比南

区更明显。北区岩体的LREE/HREE、(La/Yb)CN平均值分别为8.85和9.61,而南

区为18.2和30.1,说明南区花岗岩有更强的轻重稀土元素分馏。此外,北区花岗岩

的δEu、Sr/Y平均值分别为0.43和11.4,显著低于南区的平均值0.76和56.0,显

示北区花岗岩具有更加强烈的负Eu异常,而南区具有类似埃达克岩高Sr/Y比值的

特点,可能暗示两区花岗岩形成的深度有所不同。

尽管白垩纪之前两区的花岗岩微量元素特征存在差异,但是早白垩世期间形成的南

北两区花岗岩的REE配分模式和不相容元素模式相似,可能暗示南北两区的花岗岩

源区组分在早白垩世时逐渐趋于一致。

3.3Sr-Nd同位素特征

研究区花岗岩的Sr-Nd同位素组成见表3。通过年龄计算,北区花岗岩的

ISr=0.70000～0.70475,εNd(t)=–0.1～+3.8,tDM2=691～976Ma,显示其熔融

源区主要为年轻的地壳组分,且随着侵位年龄的变新,εNd(t)值逐渐降低,而tDM2

则逐渐增加。南区花岗岩的ISr=0.70427～0.70672,εNd(t)=–13.6～–0.6,

tDM2=1004～2166Ma,其中二叠纪花岗岩εNd(t)最低为–13.6～–8.2,tDM2值

最大为1700～2166Ma,随着侵位时代的变新,εNd(t)值递增,而tDM2则递减,

反映南区二叠纪花岗岩的熔融源区继承了华北克拉通的古老再循环地壳组分,后来

年轻地壳组分的加入比例逐渐增加而成为主体的趋势。

4.1延边南北两区深部地壳物质组成与演化

兴蒙造山带是位于西伯利亚板块、塔里木板块和华北克拉通之间的巨型增生造山带,

造山带内广泛发育的显生宙花岗岩、火山岩,以正的εNd(t)值(0～+5)和年轻Nd

模式年龄(0.4～1.3Ga)为特征,表明该区域在显生宙期间发生了强烈的地壳增生

(Sengöretal.,1993；Jahnetal.,2000；Wuetal.,2000；Xiaoetal.,2003；

Liuetal.,2005；Windleyetal.,2007；Guoetal.,2010)。

区域对比发现,北区花岗岩与兴蒙增生造山带同时期花岗岩具有相似的Sr-Nd同位

素组成(表3和图5),反映了它们可能具有相似的源区组分。兴蒙造山带内(张广才

岭地区和索伦–贺根山–小兴安岭古亚洲洋缝合带附近的林西–霍林河–乌兰浩特、

黑河等地)识别出多套具有正εNd(t)(+3～+5.9)、低tDM(0.42～1.0Ga)和高Pb

(206Pb/204Pb=18.4～18.9)的晚古生代–中生代中酸性岩浆岩组合,研究结果显示

其源区物质可能主要来自与古亚洲洋俯冲有关的新增生地壳物质或俯冲残留大洋板

片(PlankandLangmuir,1998；Wuetal.,2000,2002,2003；Liuetal.,

2005；葛文春等,2005；高晓峰,2007；Guoetal.,2009；周漪等,2011；邵

济安等,2013)。

因此,北区这些年轻的源区物质,可能主要继承了与古亚洲洋演化相关的新增生地

壳或俯冲残留洋壳。为方便讨论,本文将其初步命名为“古亚洲洋型增生弧地

壳”(图6),εNd(t)≈+4。

值得注意的是,自晚古生代到早白垩世,北区花岗岩的εNd(t)值逐渐下降而tDM2

增高(图6),可能暗示中生代期间新加入的地壳物质具有相对这些早先存在的弧地

壳在Nd同位素组成上具有更为演化的特征,比如再循环沉积物或者是受到俯冲沉

积物改造的地幔楔熔融产物。近年来报道的延边地区早白垩世金沟岭组玄武安山岩

与和龙高镁闪长岩就具有相对低εNd(t)(+0.4～+1.6)的特征(李超文,2006；Ma

etal.,2015),可能代表了由古太平洋俯冲作用形成的弧地壳产物,因此本文将该类

弧地壳定义为“古太平洋型增生弧地壳”,其εNd(t)≈+1(图6)。

诚然,古太平洋型增生弧地壳是否由古亚洲洋型增生地壳通过放射性衰变演化而来

是另一个值得关注的问题。为此我们根据新增生地壳的平均Sm(2.9×10-6)、Nd

(11×10-6)含量,147Sm/144Nd=0.16(HawkesworthandKemp,2006),选择其

初始Nd同位素比值εNd(300Ma)=+4来进行估算,获得的早白垩世(120Ma)该

类地壳的εNd(t)值为+3.2,通过180Ma的演化,其εNd(t)值降低大约0.8个单位,

显然明显高于早白垩世同期的基性岩(图6a虚线所示)。因此,北区早白垩世花岗岩

的源区地壳组分并非全部由古亚洲洋型增生地壳通过放射性衰变演化而来。

南区花岗岩的εNd(t)值整体低于北区,但明显高于其南部的桦甸和通化地区的同时

代花岗岩(图5)。桦甸和通化地区出露太古代TTG、古元古代变质岩和花岗岩体等

典型华北克拉通物质,且通化地区中生代花岗岩和火山岩具有类似于克拉通内部同

期岩体的低的Nd和Pb同位素比值(吴福元等,1997；路孝平等,2005；Zhang

etal.,2005；裴福萍,2008；范蔚茗等,2008；李超文等,2010)。

因此,南区地壳物质组成很可能具有华北克拉通与兴蒙造山带过渡区的特点。该区

二叠纪花岗岩具有较低的εNd(t)值(–13.6～–8.2)和高的tDM2值(1700～2166

Ma),反映其源区可能继承了华北克拉通的古老再循环地壳组分。当然,一些研究则

认为这些南区二叠纪花岗岩是由与北区花岗岩源区类似的新生下地壳物质为主体

(占70%以上)熔融而成,并在岩浆上升途中遭受了由华北克拉通推覆而来的古老地

壳残片的混染(Zhangetal.,2005)。本文一方面认为花岗岩形成温度较低,较冷的

花岗岩不太可能在上升侵位途中遭受古老地壳大比例混染后从正的εNd(t)值下降

至–13.6～–8.2；另一方面,我们开展的锆石原位Hf-O同位素分析测试获得的较

为均一的分析结果显示南区二叠纪花岗岩(εHf(t)≈–10,δ18O≈8‰)明显不同于北

区同时期花岗岩(εHf(t)≈+10,δ18O≈5.5‰)(课题组未发表资料),因此,其源区不

太可能是与北区类似的新生下地壳。

另外,随着侵位时代变新,南区花岗岩的εNd(t)值逐渐增大,在早白垩世时期,其

εNd(t)和tDM2值已经与北区同期花岗岩趋于相同(图6),这可能反映了全新的

“古太平洋型弧地壳”已经置换了先存于南区深部的地壳物质组分。

4.2古太平洋板块俯冲对区域深部地壳物质的置换作用

根据上述南区、北区花岗岩Nd同位素的差异和随时间变新而趋同的特点,我们可

以对延边地区地壳的演化进行归纳如下:

前人对研究区及邻区的I型花岗岩、A型花岗岩、火山岩、镁铁质岩墙、高压变质

岩、生物化石组合、海陆相地层及接触关系等各方面研究结果显示,研究区可能主

要经历了古亚洲洋的俯冲闭合(晚古生代末期–早三叠世)、华北克拉通与兴蒙造山

带碰撞后的伸展作用(晚三叠世)和古太平洋俯冲的叠加改造和置换作用(始于侏罗

纪？)等三大过程和作用(Xiaoetal.,2003；Wuetal.,2004b,2007,2011；

Zhangetal.,2004；孙德有等,2004,2005；裴福萍等,2004；Jiaetal.,2004；

葛文春等,2007；Li,2006；王成文等,2009；付长亮等,2010；Liuetal.,

2010；Guoetal.,2010；Xuetal.,2009,2013；李明松等,2011；唐克东等,

2011；邵济安等,2013；Maetal.,2015)。当然,对于研究区的地质演化历史,

一些学者还存在不同的认识(彭玉鲸等,2012；周建波等,2013)。

结合本文及前人研究结果,延边地区花岗岩源区可能包含了至少三种地壳组分端元

(图6):古亚洲洋型增生弧地壳(εNd(t)≈+4)、古太平洋型增生弧地壳(εNd(t)≈+1)

和华北克拉通古老再循环地壳组分(εNd(t)＜–15)。

研究区内各时代的花岗岩的主体是伴随着上述三大地质过程而形成,而各种地质作

用过程伴随的物质与能量的输送(比如岩浆底侵或者弧岩浆岩或者增生楔物质)会使

得研究区深部地壳的物质组成及状态发生不断地调整和改变(Collintal.,2011)。

南北两区花岗岩的εNd(t)和tDM2值从晚古生代到白垩纪趋同的变化趋势,可能正

是先存于北区的古亚洲洋型增生弧地壳和南区的华北克拉通古老再循环地壳,在中

生代期间遭受了古太平洋板块向欧亚大陆俯冲形成的新生弧地壳强烈置换后两区下

地壳物质组分不断调整而趋于均一化的记录。

(1)对延边地区显生宙花岗岩进行的较为系统的元素及Nd同位素研究表明,该地

区以富尔河–古洞河断裂为界的南北两区内白垩纪之前形成的花岗岩的源区存在显

著差异,北区花岗岩显示高εNd(t)和低tDM2的年轻物源特征；南区为华北克拉

通与年轻兴蒙造山带的过渡区,区内二叠纪花岗岩较低的εNd(t)和高tDM2值显示

其源区继承了华北克拉通的古老再循环地壳组分。

(2)综合本文和前人的研究结果,区域内花岗岩的熔融源区包含了至少三种地壳组

分:古亚洲洋型增生弧地壳、古太平洋型增生弧地壳和华北克拉通古老再循环地壳。

(3)南北两区花岗岩的εNd(t)值从晚古生代到早白垩世逐渐趋同的变化趋势反映了

先存于北区的古亚洲洋型增生弧地壳和南区的华北克拉通古老再循环地壳,在中生

代期间遭受古太平洋板块俯冲形成的新生弧地壳的强烈改造和置换,使得区域深部

地壳物质组分在早白垩世时已趋于均一。

致谢：感谢中国科学院广州地球化学研究所马金龙高级工程师、刘颖高级实验师、

张乐实验师在元素、同位素组成分析过程中给予的帮助,同时感谢吉林大学葛文春

教授和孙德有教授在审稿过程中有益的意见和建议。谨以此文纪念陈国达院士诞辰

102周年！

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