顯生宙

古太平洋板塊俯沖對延邊地區深部地殼的置換作用：顯生宙花

崗巖的Nd同位素制約

黃秘偉;郭鋒;趙亮;李競妍

【摘要】延邊地區晚古生代–早白堊世花崗巖的Nd同位素研究顯示,該區可以富

爾河–古洞河斷裂為界劃分為南北兩個巖區。北區顯示虧損、年輕的源區特征

(εNd(t)=-0.7~+3.8,tDM2=691~976Ma),南區可能繼承了古老富集端元組分

(εNd(t)=–13.6~–0.6,tDM2=1004~2166Ma)。從二疊紀到白堊紀,北區花崗巖

的εNd(t)值隨著年齡變新遞減,南區的εNd(t)值則隨著年齡變新遞增,并在早白堊世

時兩區花崗巖的εNd(t)值達到基本相同。這種Nd同位素組成的變化趨勢,說明南

北兩區深部地殼物質組成隨時間變新而趨于均一化,反映了北區和南區先前存在的

古亞洲洋型增生地殼和華北克拉通古老再循環地殼,在中生代期間遭受了古太平洋

板塊俯沖形成的新增生弧地殼的強烈改造和置換,使得兩區深部地殼組成在白堊紀

時基本一致。該研究結果為深入理解中生代古太平洋俯沖作用對東北地區深部地殼

的改造過程提供了可靠的同位素地球化學制約。%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.

【期刊名稱】《大地構造與成礦學》

【年(卷),期】2015(000)003

【總頁數】14頁(P446-459)

【關鍵詞】古太平洋板塊俯沖;置換作用;Nd同位素;花崗巖;延邊地區

【作者】黃秘偉;郭鋒;趙亮;李競妍

【作者單位】中國科學院廣州地球化學研究所，同位素地球化學國家重點實驗室，

廣東廣州510640;中國科學院大學，北京100049;中國科學院廣州地球化學研究

所，同位素地球化學國家重點實驗室，廣東廣州510640;中國科學院廣州地球化

學研究所，同位素地球化學國家重點實驗室，廣東廣州510640;中國科學院廣州

地球化學研究所，同位素地球化學國家重點實驗室，廣東廣州510640;中國科學

院大學，北京100049

【正文語種】中文

【中圖分類】P597

延邊地區位于吉林省東部,在大地構造分區上屬于興蒙造山帶東南部,東鄰新生代

日本?；『笈璧?南接華北克拉通,北靠佳木斯–興凱地塊,屬于古亞洲洋構造域與

古太平洋構造域疊加部位(圖1),一直以來是地質學家們深入探討兩大構造域疊加與

轉換過程最理想的地區之一(Zhangetal.,2004；Jiaetal.,2004；唐克東等,

2004；Guoetal.,2007；彭玉鯨等,2012；ZhouandWilde,2013)。

大陸地殼在形成和演化過程中經歷了復雜的增生、改造甚至置換作用(Jahnetal.,

2000；RudnickandGao,2003；Zhaietal.,2007)。延邊地區存在華北克拉通

的古老再循環地殼,在古生代期間由于古亞洲洋的俯沖、消減導致了強烈的地殼增

生作用,在中生代由于古太平洋板塊的俯沖作用也存在新增生的弧地殼(Wuetal.,

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

2015)。這些發生在不同時期的地殼增生和改造過程勢必留下印記。

花崗巖形成于地殼深部物質的大比例部分熔融,現今出露地表的花崗巖,其初始同位

素比值能較好地記錄巖漿發生熔融時源區的同位素組成,它們是研究深部地殼物質

組成和改造的重要“窗口”(ChenandJahn,1998)。目前對延邊地區大面積出露

的花崗巖的研究,主要局限于鋯石U-Pb同位素年代學和Hf同位素方面,對該區花

崗巖的Nd同位素系統性的調查研究仍相對缺乏,這在一定程度上影響了對該區花

崗巖漿的深部物源的深入理解。因此,對研究區不同時代花崗巖的相關同位素體系

開展調查研究,有可能查明區內相應時代深部地殼物質的同位素組成特征及其隨時

間演化的規律,同時可能揭示中生代古太平洋板塊俯沖作用對區域深部地殼的改造

機制。

釹同位素是一種十分理想的地球化學示蹤劑,在巖漿源區和地殼演化等領域的研究

已獲得廣泛的應用(DePaolo,1981；ChenandJahn,1998；Jahnetal.,2000；

Wuetal.,2000；Guoetal.,2010)。本文報道了延邊地區顯生宙花崗巖系統的

Nd同位素研究工作,發現該區以富爾河–古洞河斷裂為界的南北兩巖區內白堊紀之

前形成的花崗巖(下文簡稱為前白堊紀花崗巖)的源區存在顯著差異。從二疊紀到早

白堊世,原本截然不同的北區和南區花崗巖的εNd(t)值隨時間變新逐漸趨于一致,這

可能反映了北區和南區先前存在的古亞洲洋型增生地殼和華北克拉通古老再循環地

殼物質,在中生代期間遭受了古太平洋板塊向歐亞大陸俯沖形成的新增生弧地殼的

強烈改造和置換,使得兩區深部地殼物質在早白堊世時已趨于均一化。

延邊地區位于中國、朝鮮和俄羅斯三國交界處,植被覆蓋率高,地質研究程度相對較

低。區域內構造斷裂發育,位于研究區西部的敦化–密山斷裂(帶)(圖2)是當中最著

名的一條,由走向NE60°的兩條高角度斷層組成,為一右行走滑的深大斷裂帶,將延

邊地區與張廣才嶺隔開,為研究區的西界。研究區南部的富爾河–古洞河斷裂(圖2)

以南出露一套類似華北克拉通基底的太古宙綠片巖–角閃巖相的片麻巖和斜長角閃

巖組合,因而被認為是興蒙造山帶與華北克拉通北緣邊界赤峰–開源斷裂的東延(吉

林地質礦產局,1989；徐公愉,1993)。另一些學者則認為赤峰–開源斷裂的東延應

該是夾皮溝–松江斷裂(圖2)(Zhangetal.,2005；李超文等,2010)。

延邊地區廣泛分布有顯生宙花崗巖,占區內出露地質體總面積的70%～80%(吉林

地質礦產局,1989)。近年的同位素年代學資料顯示,該區顯生宙花崗巖可劃分為以

下期次:(1)晚二疊世–早三疊世(285～245Ma)；(2)晚三疊世(228～200Ma)；

(3)早侏羅世(195～175Ma)；(4)晚侏羅世(165～159Ma)；(5)早白堊世

(129～110Ma)(Wuetal.,2011；燊劉等,2012；李紅霞等,2012；張超等,

2014；Maetal.,2015)。

本文選取分布于富爾河–古洞河斷裂兩側的南北兩巖區的花崗巖為研究對象,對其

開展了系統的Nd同位素對比研究。為兼顧可靠性和代表性,在兩區內報道有可靠

鋯石U-Pb同位素年齡的近45個巖體中,采集了分布于不同部位、囊括所有巖性

和各個時代的近35個花崗巖體的新鮮樣品。巖石薄片的觀察顯示,絕大多數花崗

巖類的主要礦物組合和副礦物組合都具有I型花崗巖的特點:鉀長石+斜長石+石英

±角閃石±黑云母,磁鐵礦–磷灰石–鋯石–榍石,且基本無蝕變現象。文中各花崗巖體

樣品的年齡、巖性和地理位置等見表1和圖2,地理位置主要參考了Wuetal.

(2011)的GPS坐標。

樣品的主量元素、Sr-Nd同位素在中國科學院廣州地球化學研究所測試完成,微量

元素在中國科學院地球化學研究所完成。樣品采用酸淋濾方法進行預處理,以減少

后期蝕變作用對元素、同位素比值的影響。主量元素使用RigakuZSX100e型X

射線熒光光譜儀測定,分析誤差總體約在1%；微量元素使用ELAN6000型電感

耦合等離子質譜儀(ICP-MS)測定,分析誤優于5%(分析結果見表2)。實驗的具體分

析流程參見劉穎等(1996)。Sr-Nd同位素在MicroMassISOPROBE型多接收電感

耦合等離子質譜儀(MC-ICP-MS)上測試。用大約120mg全巖粉末樣品加入純化

HF-HClO4酸,在高溫下完全溶解。Rb-Sr與REE的分離和純化在裝有5ml

AG50W-X12交換樹脂(200～400目)的石英交換柱進行,而Sm和Nd分離和純

化是石英交換柱用1.7mlTeflonò粉末作為交換介質完成。87Sr/86Sr和

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

樣品的87Sr/86Sr和143Nd/144Nd比值通過NBSSRM987

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

校對。巖石標樣BHVO-2的Sr同位素分析結果為87Sr/86Sr=0.703496±6(2σ,

n=10),巖石標樣BHVO-2和JB-3的Nd同位素分析結果分別

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

(2σ,n=5)。整個化學分離流程中Sr的空白本底＜200pg,Nd的空白本底約30

pg。

3.1主量元素特征

由表2可知,在白堊紀之前侵位的南北兩區花崗巖的巖石類型和主量元素特征基本

一致。北區該時期花崗巖的SiO2和Al2O3含量平均值分別為72.3%和14.1%,

南區則為69.2%和15.3%,相對而言南區花崗巖更富Al(A/NK=1.465、

A/CNK=1.02)。南北兩區前白堊紀花崗巖K2O含量整體普遍較高,集中于3.3%～

4.9%,絕大部分屬于高鉀鈣堿性系列(圖3a)。早白堊世侵位的南區和北區的花崗巖

的SiO2和Al2O3和A/CNK平均值也基本一致,而在圖3a中南區樣品投點主要

落入高鉀鈣堿性系列,北區則落入鈣堿性系列。

此外,為了解其源區組分特點,將研究區內花崗巖與中–高鉀、低鉀系列長英質原巖

熔融的實驗熔體進行對比,結果顯示南北兩區各時代花崗巖的熔融源區主要由中–

高鉀長英質原巖組成(圖3b)。

3.2微量元素特征

區內花崗巖一般具有明顯的輕、重稀土分餾,富集輕稀土元素和大離子親石元素Rb、

K及Th、U、Zr、Hf,虧損高場強元素Nb、Ta、Ti,具有與陸緣弧、島弧巖漿巖類

似的特點(圖4)。與主量元素特征不同,在白堊紀之前侵位的南北兩區花崗巖的微

量元素特征有較明顯差異,如相對而言北區巖體的Ba、Sr、P、Eu、Ti負異常比南

區更明顯。北區巖體的LREE/HREE、(La/Yb)CN平均值分別為8.85和9.61,而南

區為18.2和30.1,說明南區花崗巖有更強的輕重稀土元素分餾。此外,北區花崗巖

的δEu、Sr/Y平均值分別為0.43和11.4,顯著低于南區的平均值0.76和56.0,顯

示北區花崗巖具有更加強烈的負Eu異常,而南區具有類似埃達克巖高Sr/Y比值的

特點,可能暗示兩區花崗巖形成的深度有所不同。

盡管白堊紀之前兩區的花崗巖微量元素特征存在差異,但是早白堊世期間形成的南

北兩區花崗巖的REE配分模式和不相容元素模式相似,可能暗示南北兩區的花崗巖

源區組分在早白堊世時逐漸趨于一致。

3.3Sr-Nd同位素特征

研究區花崗巖的Sr-Nd同位素組成見表3。通過年齡計算,北區花崗巖的

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

源區主要為年輕的地殼組分,且隨著侵位年齡的變新,εNd(t)值逐漸降低,而tDM2

則逐漸增加。南區花崗巖的ISr=0.70427～0.70672,εNd(t)=–13.6～–0.6,

tDM2=1004～2166Ma,其中二疊紀花崗巖εNd(t)最低為–13.6～–8.2,tDM2值

最大為1700～2166Ma,隨著侵位時代的變新,εNd(t)值遞增,而tDM2則遞減,

反映南區二疊紀花崗巖的熔融源區繼承了華北克拉通的古老再循環地殼組分,后來

年輕地殼組分的加入比例逐漸增加而成為主體的趨勢。

4.1延邊南北兩區深部地殼物質組成與演化

興蒙造山帶是位于西伯利亞板塊、塔里木板塊和華北克拉通之間的巨型增生造山帶,

造山帶內廣泛發育的顯生宙花崗巖、火山巖,以正的εNd(t)值(0～+5)和年輕Nd

模式年齡(0.4～1.3Ga)為特征,表明該區域在顯生宙期間發生了強烈的地殼增生

(Seng?retal.,1993；Jahnetal.,2000；Wuetal.,2000；Xiaoetal.,2003；

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

區域對比發現,北區花崗巖與興蒙增生造山帶同時期花崗巖具有相似的Sr-Nd同位

素組成(表3和圖5),反映了它們可能具有相似的源區組分。興蒙造山帶內(張廣才

嶺地區和索倫–賀根山–小興安嶺古亞洲洋縫合帶附近的林西–霍林河–烏蘭浩特、

黑河等地)識別出多套具有正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–中生代中酸性巖漿巖組合,研究結果顯示

其源區物質可能主要來自與古亞洲洋俯沖有關的新增生地殼物質或俯沖殘留大洋板

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

2005；葛文春等,2005；高曉峰,2007；Guoetal.,2009；周漪等,2011；邵

濟安等,2013)。

因此,北區這些年輕的源區物質,可能主要繼承了與古亞洲洋演化相關的新增生地

殼或俯沖殘留洋殼。為方便討論,本文將其初步命名為“古亞洲洋型增生弧地

殼”(圖6),εNd(t)≈+4。

值得注意的是,自晚古生代到早白堊世,北區花崗巖的εNd(t)值逐漸下降而tDM2

增高(圖6),可能暗示中生代期間新加入的地殼物質具有相對這些早先存在的弧地

殼在Nd同位素組成上具有更為演化的特征,比如再循環沉積物或者是受到俯沖沉

積物改造的地幔楔熔融產物。近年來報道的延邊地區早白堊世金溝嶺組玄武安山巖

與和龍高鎂閃長巖就具有相對低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沖作用形成的弧地殼產物,因此本文將該類

弧地殼定義為“古太平洋型增生弧地殼”,其εNd(t)≈+1(圖6)。

誠然,古太平洋型增生弧地殼是否由古亞洲洋型增生地殼通過放射性衰變演化而來

是另一個值得關注的問題。為此我們根據新增生地殼的平均Sm(2.9×10-6)、Nd

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

初始Nd同位素比值εNd(300Ma)=+4來進行估算,獲得的早白堊世(120Ma)該

類地殼的εNd(t)值為+3.2,通過180Ma的演化,其εNd(t)值降低大約0.8個單位,

顯然明顯高于早白堊世同期的基性巖(圖6a虛線所示)。因此,北區早白堊世花崗巖

的源區地殼組分并非全部由古亞洲洋型增生地殼通過放射性衰變演化而來。

南區花崗巖的εNd(t)值整體低于北區,但明顯高于其南部的樺甸和通化地區的同時

代花崗巖(圖5)。樺甸和通化地區出露太古代TTG、古元古代變質巖和花崗巖體等

典型華北克拉通物質,且通化地區中生代花崗巖和火山巖具有類似于克拉通內部同

期巖體的低的Nd和Pb同位素比值(吳福元等,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,南區地殼物質組成很可能具有華北克拉通與興蒙造山帶過渡區的特點。該區

二疊紀花崗巖具有較低的εNd(t)值(–13.6～–8.2)和高的tDM2值(1700～2166

Ma),反映其源區可能繼承了華北克拉通的古老再循環地殼組分。當然,一些研究則

認為這些南區二疊紀花崗巖是由與北區花崗巖源區類似的新生下地殼物質為主體

(占70%以上)熔融而成,并在巖漿上升途中遭受了由華北克拉通推覆而來的古老地

殼殘片的混染(Zhangetal.,2005)。本文一方面認為花崗巖形成溫度較低,較冷的

花崗巖不太可能在上升侵位途中遭受古老地殼大比例混染后從正的εNd(t)值下降

至–13.6～–8.2；另一方面,我們開展的鋯石原位Hf-O同位素分析測試獲得的較

為均一的分析結果顯示南區二疊紀花崗巖(εHf(t)≈–10,δ18O≈8‰)明顯不同于北

區同時期花崗巖(εHf(t)≈+10,δ18O≈5.5‰)(課題組未發表資料),因此,其源區不

太可能是與北區類似的新生下地殼。

另外,隨著侵位時代變新,南區花崗巖的εNd(t)值逐漸增大,在早白堊世時期,其

εNd(t)和tDM2值已經與北區同期花崗巖趨于相同(圖6),這可能反映了全新的

“古太平洋型弧地殼”已經置換了先存于南區深部的地殼物質組分。

4.2古太平洋板塊俯沖對區域深部地殼物質的置換作用

根據上述南區、北區花崗巖Nd同位素的差異和隨時間變新而趨同的特點,我們可

以對延邊地區地殼的演化進行歸納如下:

前人對研究區及鄰區的I型花崗巖、A型花崗巖、火山巖、鎂鐵質巖墻、高壓變質

巖、生物化石組合、海陸相地層及接觸關系等各方面研究結果顯示,研究區可能主

要經歷了古亞洲洋的俯沖閉合(晚古生代末期–早三疊世)、華北克拉通與興蒙造山

帶碰撞后的伸展作用(晚三疊世)和古太平洋俯沖的疊加改造和置換作用(始于侏羅

紀？)等三大過程和作用(Xiaoetal.,2003；Wuetal.,2004b,2007,2011；

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

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

2010；Guoetal.,2010；Xuetal.,2009,2013；李明松等,2011；唐克東等,

2011；邵濟安等,2013；Maetal.,2015)。當然,對于研究區的地質演化歷史,

一些學者還存在不同的認識(彭玉鯨等,2012；周建波等,2013)。

結合本文及前人研究結果,延邊地區花崗巖源區可能包含了至少三種地殼組分端元

(圖6):古亞洲洋型增生弧地殼(εNd(t)≈+4)、古太平洋型增生弧地殼(εNd(t)≈+1)

和華北克拉通古老再循環地殼組分(εNd(t)＜–15)。

研究區內各時代的花崗巖的主體是伴隨著上述三大地質過程而形成,而各種地質作

用過程伴隨的物質與能量的輸送(比如巖漿底侵或者弧巖漿巖或者增生楔物質)會使

得研究區深部地殼的物質組成及狀態發生不斷地調整和改變(Collintal.,2011)。

南北兩區花崗巖的εNd(t)和tDM2值從晚古生代到白堊紀趨同的變化趨勢,可能正

是先存于北區的古亞洲洋型增生弧地殼和南區的華北克拉通古老再循環地殼,在中

生代期間遭受了古太平洋板塊向歐亞大陸俯沖形成的新生弧地殼強烈置換后兩區下

地殼物質組分不斷調整而趨于均一化的記錄。

(1)對延邊地區顯生宙花崗巖進行的較為系統的元素及Nd同位素研究表明,該地

區以富爾河–古洞河斷裂為界的南北兩區內白堊紀之前形成的花崗巖的源區存在顯

著差異,北區花崗巖顯示高εNd(t)和低tDM2的年輕物源特征；南區為華北克拉

通與年輕興蒙造山帶的過渡區,區內二疊紀花崗巖較低的εNd(t)和高tDM2值顯示

其源區繼承了華北克拉通的古老再循環地殼組分。

(2)綜合本文和前人的研究結果,區域內花崗巖的熔融源區包含了至少三種地殼組

分:古亞洲洋型增生弧地殼、古太平洋型增生弧地殼和華北克拉通古老再循環地殼。

(3)南北兩區花崗巖的εNd(t)值從晚古生代到早白堊世逐漸趨同的變化趨勢反映了

先存于北區的古亞洲洋型增生弧地殼和南區的華北克拉通古老再循環地殼,在中生

代期間遭受古太平洋板塊俯沖形成的新生弧地殼的強烈改造和置換,使得區域深部

地殼物質組分在早白堊世時已趨于均一。

致謝：感謝中國科學院廣州地球化學研究所馬金龍高級工程師、劉穎高級實驗師、

張樂實驗師在元素、同位素組成分析過程中給予的幫助,同時感謝吉林大學葛文春

教授和孫德有教授在審稿過程中有益的意見和建議。謹以此文紀念陳國達院士誕辰

102周年！

付長亮,孫德有,張興洲,魏紅艷等,茍軍.2010.吉林琿春三疊紀高鎂閃長巖的發現

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