胡國輝, 張琪琪, 王 偉, 張拴宏, 李建鋒

遼東地區(qū)古元古代變基性巖床的成因和構造意義

胡國輝1, 2, 張琪琪1, 王 偉1, 2, 張拴宏1, 2, 李建鋒1, 2

(1. 中國地質科學院 地質力學研究所, 北京 100081; 2. 自然資源部古地磁與古構造重建重點實驗室, 北京 100081)

遼東地區(qū)膠?遼?吉造山帶發(fā)育大量的變基性巖墻/床, 這些巖墻/床對研究造山帶古元古代構造演化過程具有重要意義。本文通過對遼東地區(qū)遼河群中的變基性巖床進行巖石學、巖石地球化學和鋯石LA-ICP-MS U-Pb年代學研究, 探討其成因和形成的構造背景, 有助于深入認識膠?遼?吉造山帶古元古代地質演化過程。遼東地區(qū)變基性巖床順層侵入于遼河群大石橋組大理巖中, 發(fā)生角閃巖相變質作用, 巖石類型以斜長角閃巖和石榴斜長角閃巖為主, 主要礦物為角閃石和斜長石, 其他礦物有石榴子石、石英、黑云母、磁鐵礦和黃鐵礦等。變基性巖床樣品的鋯石具特征的環(huán)帶結構和較低的Th/U值(0.01～0.34), 指示鋯石為變質成因, 4個樣品的鋯石LA-ICP-MS U-Pb定年結果(1854±11 Ma、1846±12 Ma、1847±9 Ma和1848±7 Ma)表明基性巖床發(fā)生變質作用的時間為～1.85 Ga, 與華北克拉通最終碰撞拼合的時間一致。根據基性巖床與膠?遼?吉造山帶其他地區(qū)～2.1 Ga的基性巖具有相似的野外產狀、巖石學和地球化學特征, 推斷其侵位時代可能為～2.1 Ga。基性巖床樣品的SiO2含量為47.07%～52.18%, K2O+Na2O含量為1.78%～4.70%, MgO含量為3.92%～8.59%, 屬于拉斑玄武巖系列。大部分樣品的稀土總量較低(47.3×10?6～109.5×10?6), 富集輕稀土元素和大離子親石元素(如Rb、Ba、La), 虧損高場強元素(如Nb、Ta), Zr、Hf沒有明顯的虧損且未發(fā)生分餾作用。所有樣品的Al2O3、CaO和Fe2O3T含量在主量元素相關性圖解上分布規(guī)律且與MgO含量呈較好的相關性, Nb/La值(0.52～0.73)隨SiO2和MgO含量的變化較小, 表明巖漿在侵位過程中受地殼混染的程度較低, 似“島弧”型地球化學特征是富集巖石圈地幔源區(qū)遭受古俯沖組分改造的結果。結合已有的遼河群變質火山?沉積巖、遼吉花崗巖和基性巖的研究成果, 膠?遼?吉造山帶在～2.1 Ga處于陸內裂谷環(huán)境。

古元古代; 基性巖床; 鋯石U-Pb定年; 遼東地區(qū); 華北克拉通

0 引 言

華北克拉通太古宙?古元古代基底由不同微陸塊拼合而成, 但是對于微陸塊的劃分及其拼合機制一直存在爭議(沈其韓等, 1992; 伍家善等, 1998; 翟明國等, 2000; Zhao et al., 2001; 趙國春, 2009)。近年來在華北克拉通內部識別出三條古元古代造山/活動帶, 分別為西部的孔茲巖帶、中部造山帶和東部的膠?遼?吉帶(Zhao et al., 2001, 2005; 趙國春, 2009), 這些造山帶/活動帶對研究華北克拉通的形成演化、微陸塊的拼合過程及其構造背景具有重要意義。其中, 膠?遼?吉帶是最具代表性的古元古代造山帶, 不僅接受了巨量的陸殼物質沉積, 而且經歷了多期巖漿?變質事件的改造和復雜的構造演化過程(劉福來等, 2015)。膠?遼?吉帶主要由古元古代花崗質巖石(遼吉花崗巖)、鎂鐵質侵入體和變質火山?沉積巖系組成(遼寧省地質礦產局, 1989; 李三忠等, 2004; Li and Zhao, 2007), 前人對其做了大量研究, 然而有關膠?遼?吉造山帶古元古代構造背景和演化過程仍存在較大爭議, 主要有陸內裂谷(Luo et al., 2004, 2008; Li et al., 2006, 2012; Li and Zhao, 2007; 于介江等, 2007; Wang et al., 2016)和弧?陸碰撞模式(白瑾, 1993; Faure et al., 2004; Lu et al., 2006; 馬立杰等, 2007; Meng et al., 2014; 許王等, 2017), 這制約了對膠?遼?吉造山帶乃至東部陸塊早期地質演化過程的認識。

一般認為基性巖墻/床是幔源巖漿在伸展背景下形成的侵入體(Condie et al., 1987; Rock, 1991; 李江海等, 1997), 與大陸裂谷和地幔柱活動關系密切, 可作為地殼伸展裂解的標志(Ernst et al., 1995; Headman, 1997)。目前在華北克拉通識別出多期1800～541 Ma的基性巖漿活動(Qian and Chen 1987; Halls et al. 2000; Peng et al. 2005, 2011, 2012, 2013; Zhang et al., 2007, 2009, 2012; Peng et al., 2010; Wang et al., 2015, 2020), Peng (2015a, 2015b)認為其與多期次裂谷事件有關。大量年代學研究表明, 古元古代中期(～2.1 Ga)基性巖漿活動在膠?遼?吉造山帶也十分發(fā)育(于介江等, 2007; 董春艷等, 2012; 劉平華等, 2013, 2017; Liu et al., 2013; Meng et al., 2014; Yuan et al., 2015; Wang et al., 2016; 許王等, 2017), 主要侵入于古元古代變質沉積地層中, 大多發(fā)生了綠片巖?角閃巖相變質作用, 目前對這一期基性巖漿活動的構造環(huán)境一直存在活動帶/陸內裂谷(于介江等, 2007; Wang et al., 2016)和大陸弧/弧后盆地(Faure et al., 2004; Lu et al., 2006; 馬立杰等, 2007; Meng et al., 2014; Yuan et al., 2015; 陳斌等, 2016; 許王等, 2017)等不同觀點。因此, 本文選擇遼東地區(qū)遼河群變基性巖床進行年代學和地球化學研究, 分析基性巖的侵位和變質時代, 研究其巖漿源區(qū)性質及形成的構造環(huán)境, 以便更好理解膠?遼?吉造山帶古元古代構造演化歷史。

1 地質背景

Zhao et al. (2005)提出華北克拉通發(fā)育三條古元古代造山帶, 分別為西部陸塊內部的孔茲巖帶、東部陸塊內部的膠?遼?吉帶和兩個陸塊之間的中部造山帶, 其中膠?遼?吉帶是位于龍崗地塊與狼林地塊之間的古元古代造山帶, 呈NE-SW向分布于華北克拉通東部。遼東青城子地區(qū)在大地構造位置上處于郯廬斷裂帶以東, 膠?遼?吉造山帶東南緣(圖1a), 區(qū)內發(fā)育巨厚的遼河群變質沉積地層及大量古元古代侵入巖(圖1b)。遼河群主要為一套中?低級變質的陸源碎屑巖?海相碳酸鹽地層序列, 自下而上包括浪子山組、里爾峪組、高家峪組、大石橋組和蓋縣組, 在青城子地區(qū)僅出露蓋縣組、大石橋組和高家峪組。蓋縣組主要為千枚巖、二云母石英片巖、矽線石云母片巖、透閃石云母片巖、石英片巖和變粒巖, 局部夾薄層石英巖和大理巖, 蓋縣組下部層間構造帶內發(fā)育蝕變巖型金礦床(如白云金礦床和小佟家堡子金礦床等)。大石橋組主要由厚層白云質大理巖和透閃大理巖組成, 夾二云母片巖和碳質板巖, 其中?下部厚層大理巖段主要分布在白云金礦床以北和尖山子斷裂東側, 巖性主要為中厚層白云質大理巖和條帶狀大理巖, 該段大理巖純度高, 含礦性差, 被大量古元古代基性巖床順層侵入, 巖床普遍發(fā)生綠片巖相?角閃巖相變質作用, 局部可見明顯的石榴石等變質礦物。大石橋組上部為大理巖夾碎屑巖, 主要在白云金礦床以南及青城子鎮(zhèn)周邊地區(qū)出露, 以薄層或中厚層白云質大理巖和條帶狀大理巖為主, 夾二云母石英片巖、石英片巖和變粒巖等, 大理巖內發(fā)育大量菱鎂礦和鉛鋅銀多金屬礦床。高家峪組在青城子鎮(zhèn)東南出露, 主要為一套含碳淺粒巖、黑云變粒巖、云母片巖夾少量大理巖(遼寧省地質礦產局, 1989)。

2 樣品及巖相學特征

本文選取遼河群大石橋組厚層大理巖中的變質基性巖床進行研究。基性巖床總體呈NW向分布, 可見明顯的順層侵入接觸關系, 接觸邊界與地層層理平行(圖2a、f), 局部可見基性巖貫穿地層(圖2a)?；詭r床整體上經歷了綠片巖相?角閃巖相變質作用, 巖性主要為斜長角閃巖(圖2b、c)和石榴斜長角閃巖(圖2d、e), 圍巖為遼河群大石橋組大理巖。

斜長角閃巖主要礦物成分為角閃石(60%～70%)和斜長石(25%～30%), 含少量石英(3%～5%), 部分樣品含有少量黑云母(3%)(圖3a、b), 副礦物有磁鐵礦和黃鐵礦等, 蝕變礦物有黝簾石、綠簾石和絹云母等。角閃石為半自形、柱狀, 黃綠?綠色, 粒徑0.2～2 mm, 部分角閃石趨于定向排列呈片狀構造。斜長石為半自形、柱狀, 聚片雙晶, 發(fā)生不同程度的絹云母化, 粒徑為0.1～0.5 mm。石英為它形、粒狀, 粒徑0.1～0.2 mm。黑云母呈自形、片狀, 褐色, 發(fā)生不同程度的綠泥石化, 片徑0.2～2 mm。

石榴斜長角閃巖主要礦物為角閃石(55%～65%)和斜長石(20%～25%), 石榴子石含量約7%～10%, 含少量石英(3%～5%)和黑云母(3%～5%)(圖3c、d), 副礦物可見磁鐵礦和黃鐵礦等, 蝕變礦物有絹云母和綠泥石。角閃石呈黃綠?綠色, 半自形、粒狀或顆粒狀, 部分角閃石定向排列呈片狀結構, 粒徑0.1～1 mm。斜長石為半自形、柱狀, 發(fā)育聚片雙晶, 發(fā)生輕微的絹云母化, 粒徑為0.1～1 mm。石英呈它形粒狀, 粒徑0.1～0.2 mm。石榴子石為自形、粒狀, 粒徑2～5 mm, 呈斑狀變晶結構, 其中含有石英、斜長石、角閃石等包裹體。黑云母為自形、鱗片狀, 發(fā)生不同程度的綠泥石化, 片徑0.1～0.2 mm。

圖1 遼東地區(qū)青城子金礦集區(qū)地質簡圖(據遼寧省有色地質局勘查總院, 2008修改)

圖2 遼河群變基性巖床野外照片

3 分析方法

選取新鮮基性巖床樣品破碎到40～60目, 經過淘洗、電磁和重液分選, 在雙目鏡下挑選鋯石, 然后將鋯石置于環(huán)氧樹脂中, 拋光磨至約1/3, 制成鋯石靶用于陰極發(fā)光照相及LA-ICP-MS分析測試。

鋯石陰極發(fā)光和U-Pb同位素分析在武漢上譜分析科技有限責任公司通過Agilent 7700e型ICP-MS加載COMPexPro 102 ArF 193 nm準分子激光器和MicroLas光學系統(tǒng)完成的。分析時采用的激光束斑直徑為32 μm, 激光頻率和能量密度分別為5 Hz和8 J/cm2, 單顆鋯石的測試時間包括～20 s背景值采集和50 s樣品數據采集。詳細的實驗流程見文獻Zong et al. (2017), 數據處理采用軟件ICPMSDataCal(Liu et al., 2008a, 2010)。鋯石U-Pb同位素分析采用國際標樣91500作為外標進行校正, 元素含量以29Si為內標, 國際標樣NIST 610作外標進行校正。鋯石年齡計算和成圖使用Isoplot軟件(ver 3.0)(Ludwig, 2003)。

巖石主量元素(除FeO)分析在核工業(yè)北京地質研究院采用Axios-mAX波長色散X射線熒光光譜儀完成, FeO含量采用傳統(tǒng)的濕化學法分析完成, 分析精度優(yōu)于1%(P2O5為5%)。巖石微量元素分析在武漢上譜分析科技有限責任公司利用Agilent 7700e ICP-MS分析完成, 分析精度優(yōu)于5%, RSD<5%, 詳細的樣品處理過程同Liu et al. (2008b)。

4 分析結果

4.1 鋯石U-Pb年齡

4個變基性巖床的鋯石大多呈次棱角狀?橢圓狀, 長軸粒徑范圍為50～120 μm, 長寬比為1∶1～2∶1。CL圖像顯示大多數鋯石具特征的環(huán)帶結構, 如斑駁狀環(huán)帶、球形環(huán)帶和面狀生長條帶(圖4), 表明鋯石為變質成因。本次研究分別對4個樣品的24個鋯石顆粒進行分析, 具體的LA-ICP-MS U-Pb分析結果見表1。

樣品19LD012-1分析結果顯示有3顆繼承鋯石(點04、11和13), 其余21個測點的Th、U含量分別為0.58×10?6～4.10×10?6、23.8×10?6～79.3×10?6, 相應的Th/U值為0.02～0.08, 表現出典型變質成因鋯石特征(Hoskin and Black, 2000; Belousova et al., 2002; Hoskin and Schaltegger, 2003)。該21個分析點206Pb/238U年齡介于1810～1889 Ma之間, 得出加權平均年齡為1854±11 Ma(MSWD=1.3)(圖5a)。

礦物代號: Q. 石英; Pl. 斜長石; Hbl. 角閃石; Bt. 黑云母; Grt. 石榴子石。

圖4 遼河群變基性巖鋯石CL圖像(圈內數字為分析點號)

表1 遼河群變基性巖床鋯石LA-ICP-MS U-Pb年齡分析結果

續(xù)表1:

續(xù)表1:

樣品19LD013-1的24個測點數據具有較好的諧和度, 其Th、U含量分別為0.35×10?6～7.56×10?6和34.7×10?6～124×10?6, Th/U值為0.01～0.13, 顯示變質成因鋯石的特點。24個測點206Pb/238U年齡范圍為1780～1903 Ma, 其加權平均年齡為1846±12 Ma (MSWD=2.3)(圖5b)。

樣品19LD015-1去除兩個繼承鋯石(點06和16)和一個混入的三疊紀鋯石顆粒(點11)外, 其余21顆鋯石的Th、U含量分別為4.38×10?6～57.4×10?6和58.4×10?6～419×10?6, Th/U值介于0.07～0.53之間, 結合鋯石CL圖像特征, 表明其為變質成因鋯石。該21個測點的206Pb/238U年齡介于1811～1880 Ma之間, 其加權平均年齡為1847±9 Ma(MSWD=1.4)(圖5c)。

樣品19LD094-2的24個測點均分布于諧和線上及其附近, 具有很好的諧和度, 其Th、U含量分別為1.04×10?6～10.1×10?6和78.6×10?6～170×10?6, Th/U值均小于0.1(0.01～0.07), 指示為變質成因鋯石。所有測點206Pb/238U年齡介于1820～1888 Ma之間, 給出的加權平均年齡為1848±7 Ma(MSWD=0.93)(圖5d)。

4.2 主量元素特征

11個變質基性巖床的主量、微量元素分析結果見表2。

所有樣品SiO2含量為47.07%～52.18%, 具有較高的Al2O3(12.46%～13.93%)、Fe2O3T(13.45%～16.95%)、MgO(3.92%～8.59%)、CaO(6.76%～11.34%)和TiO2(1.12%～3.95%)含量, Mg#值為34.3～54.3。巖石K2O和Na2O含量分別為0.39%～1.83%和1.33%～3.28%, K2O+Na2O含量為1.78%～4.70%, K2O/Na2O值為0.12～0.80。在Nb/Y-Zr/TiO2×0.0001判別圖解中, 10個樣品都落在亞堿性玄武巖區(qū)域(圖6a), 在FeOT-(K2O+Na2O)-MgO(AFM)圖解中表現為拉斑玄武巖系列(圖6b)。在主量元素相關性圖解中, MgO與Al2O3和CaO具有弱正相關性, 而與K2O、Na2O、Fe2O3T和TiO2呈現較好的負相關性(圖7)。

4.3 微量元素特征

在球粒隕石標準化稀土元素配分圖解中, 除樣品19LD111-1外, 其余樣品均表現為輕稀土元素弱富集(La/YbN=1.80～3.92)、重稀土平坦(Gd/YbN= 1.23～1.43)的右傾斜配分模式(圖8a), Eu元素顯示為弱負異常到正異常(dEu=0.75～1.22)。在原始地幔標準化微量元素蛛網圖中, 總體表現為富集大離子親石元素(如Rb、Ba、La), 相對虧損高場強元素(如Nb、Ta)(圖8b)。樣品Nb/Ta值介于14.4～19.0之間, 與球粒隕石和原始地幔的Nb/Ta值(～17.5)較為接近, 明顯高于新太古代大陸地殼平均值(11～12) (Hofmann, 1988; Green, 1995)。

圖5 遼河群變基性巖鋯石U-Pb年齡諧和圖

表2 遼河群變基性巖床主量(%)和微量(×10?6)元素含量

續(xù)表2:

注: Mg#=100×(MgO)/[(MgO)+(FeOT)],為氧化物的摩爾數, FeO為通過傳統(tǒng)的濕化學法測得的氧化物含量, FeOT=Fe2O3T×0.8998;dEu= EuN/(SmN×GdN)1/2。

圖6 遼河群變基性巖床的巖石系列判別圖解(a據Winchester and Floyd, 1977; b據Irvine and Baragar, 1971)

5 討 論

5.1 基性巖床的侵位和變質時代

由于研究區(qū)基性巖床普遍發(fā)生角閃巖相變質作用, 本次研究所測鋯石具有特征的環(huán)帶結構和較低Th/U值, 表明其為變質成因, 因此, 無法獲得基性巖床準確的侵位時代。樣品19LD012-1和19LD015-1中共有5顆繼承鋯石, 其諧和的207Pb/206Pb年齡分別為2213 Ma、2506 Ma、2350 Ma、2339 Ma和2495 Ma, 表明研究區(qū)內基性巖床的侵位時代應該晚于2213 Ma。近年來, 在遼東地區(qū)發(fā)現了大量古元古代變質基性侵入巖, 如遼南海城斜長角閃巖(2060±21 Ma; 于介江等, 2007)、鞍山?弓長嶺地區(qū)變質輝長巖(2110±31 Ma;董春艷等, 2012)、海城?鞍山地區(qū)變質基性巖(～2154 Ma; Meng et al., 2014)、海城變質基性巖床(2125±6 Ma; Yuan et al., 2015; 2115±13 Ma, Wang et al., 2016; 王欣平, 2017)、北遼河變基性巖(～2.1 Ga; 許王等, 2017)和遼東半島北部三家子石榴斜長角閃巖(2.17～2.06 Ga;劉平華等, 2017), 野外調查和研究表明這些基性巖石都侵入于遼河群中, 且發(fā)生了不同程度的綠片巖相?角閃巖相變質作用, 與本次研究區(qū)內的基性巖床具有相似的特征(圖6、8)。因此, 我們認為遼東青城子地區(qū)遼河群大石橋組中的變質基性巖床的侵位時代可能為～2.1 Ga。

圖7 遼河群變基性巖主量元素與MgO含量相關性圖解

圖8 遼河群變基性巖球粒隕石標準化稀土元素配分曲線(a)和原始地幔標準化微量元素蛛網圖(b)(球粒隕石和原始地幔標準化值據Sun and McDonough, 1989)

華北克拉通東部膠遼吉地區(qū)廣泛發(fā)育1.95～ 1.80 Ga的變質作用, 變質程度為綠片巖相?麻粒巖相, 麻粒巖相變質作用在膠東和膠北地區(qū)較為發(fā)育(劉文軍等, 1998; 周喜文等, 2004, 2007; 劉平華等, 2010, 2013)。Liu et al. (2012)認為膠北基底巖石中1.90～1.86 Ga變質鋯石年齡代表了高壓麻粒巖相變質作用時代, 而1.86～1.80 Ga年齡則代表了造山后中?低壓麻粒巖相?角閃巖相退變質時間(劉福來等, 2015)。已有研究表明遼河群普遍發(fā)生低綠片巖相?角閃巖相變質(遼寧省地質礦產局, 1989; 李三忠等, 2001), 變質作用發(fā)生在1.93～1.88 Ga(Yin and Nie, 1996; Luo et al., 2004; Xie et al., 2011; 孟恩等, 2013; 李壯等, 2015)。劉福來等(2015)在南遼河群和集安群也發(fā)現有與膠北地區(qū)相似的近等溫減壓順時針型式的麻粒巖相變質作用, 其峰期變質時代為1.95～ 1.90 Ga。Lu et al. (2006)在吉南地區(qū)發(fā)現老嶺群峰期變質時代為1.93～1.90 Ga, 與南、北遼河群的變質時代基本一致, 而集安群的峰期變質時間在～1.85 Ga, 可能與造山后/非造山伸展過程中巖漿熱事件相關(Lu et al., 2006; Luo et al., 2008; 劉福來等, 2015)。本次研究獲得的4個變質基性巖床樣品的鋯石U-Pb年齡分別為1854±11 Ma、1846±12 Ma、1847±9 Ma和1848±7 Ma, 在誤差范圍內基本一致, 代表基性巖床經歷了～1.85 Ga的變質作用, 該期變質作用在華北克拉通東部膠北和膠東地區(qū)、中部造山帶、西部的大青山和恒山地區(qū)廣泛分布, 具有相似的減壓退變特征, 代表華北克拉通最終碰撞聚合過程。

5.2 后期改造和地殼混染

遼東青城子地區(qū)遼河群基性巖床普遍遭受約1.85 Ga角閃巖相變質作用, 含較多蝕變/變質礦物(如: 角閃石、綠簾石、綠泥石和絹云母), 因此, 需要判斷后期蝕變/變質對巖石化學成分的影響程度。研究表明, 有些元素(如K和Na)在后期蝕變/變質作用過程中比較容易發(fā)生成分的改變(Muecke et al., 1979; Middelburg et al., 1988), 而Al、Ca和Mg在后期蝕變/變質作用過程中相對比較穩(wěn)定, 能夠保持原巖的地球化學特征(Beswick, 1982)。11件變基性巖床樣品Al2O3和CaO含量在主量元素相關性圖解上分布規(guī)律且與MgO含量呈負相關性(圖7), 表明沒有或較少受后期改造的影響, 其含量主要受巖漿分異結晶程度的制約。除了少數活動元素容易受后期改造的影響外, 大多數REE和高場強元素(如Nb、Ta、Ti等)在蝕變/變質過程中具有穩(wěn)定性(Staudigel and Hart, 1983), 可以同主量元素一起用于巖石成因分析。

大多數樣品表現出LREE輕微富集和Nb、Ta負異常特征, 表明有地殼組分或富集巖石圈地幔物質的加入, 這可能是源區(qū)發(fā)生富集, 或者是后期圍巖混染的結果。研究區(qū)變質基性巖床均侵入到遼河群大石橋組中厚層大理巖中, 其CaO含量(6.76%～ 11.34%)與其他地區(qū)侵入到遼河群大理巖和變碎屑巖中的基性巖CaO含量(6.44%～16.17%; 許王等, 2017; 8.00%～12.0%, Meng et al., 2014; 4.08%～ 11.31%, Yuan et al., 2015; 3.54%～13.72%, Wang et al., 2016)相比并沒有發(fā)生顯著的增加, 且與其他地區(qū)的基性巖表現出一致的地球化學特征(圖6、8), 說明巖漿在演化過程中受圍巖混染的程度很小。由于殼源巖石富含Zr和Hf(Rudnick and Gao, 2003), 而基性巖樣品中Zr和Hf沒有表現出正異常也說明巖石沒有遭受明顯的地殼混染。陸殼通常具有較低Nb和較高La含量(Baker et al., 2010; Ghatak and Basu, 2013; Stepanova et al., 2014), 地殼混染會降低巖石Nb/La值, 基性巖床樣品Nb/La值(0.52～0.73)明顯小于1(原始地幔的Nb/La=1; Weaver, 1991), 且隨SiO2和MgO含量變化較小, 表明巖漿在侵位過程中受圍巖混染的程度較低, 主要反映的是巖漿源區(qū)的特征。因此, 基性巖床樣品的主量元素組成、受后期影響較小的高場強元素和稀土元素等可以用來分析巖漿源區(qū)性質。

5.3 巖漿源區(qū)性質

變基性巖床樣品總體富集LREE和LILE、虧損HFSE, 具有明顯Nb、Ta負異常以及Ba、Pb正異常, 表現出富集地幔的特征(Zindler and Hart, 1986)。具有富集地幔特征的巖漿可能來自俯沖帶的陸下巖石圈地幔(Zindler and Hart, 1986; Willbold and Stracke, 2006), 陸下巖石圈地幔通常被大洋地殼或俯沖沉積物交代改造(Elliott et al., 1997)。一般受大洋板片俯沖交代的富集地幔主要表現為Nb、Ta虧損和 Zr、Hf弱虧損, 而受板內流體/熔體交代的富集地幔則表現出Zr、Hf虧損和Zr/Hf分餾的特征(Rudnick and Fountain, 1995; LaFlèche et al., 1998)。本次研究中大多數基性巖床樣品Nb、Ta具明顯負異常, Zr、Hf未分餾且沒有明顯的虧損的特征, 表明富集地幔源區(qū)可能經歷了與大洋板片俯沖有關的交代作用。

研究區(qū)變質基性巖床巖漿源區(qū)特征與遼吉其他地區(qū)古元古代變質基性巖相似, 均受到俯沖組分的交代作用, 如海城?鞍山地區(qū)變質基性巖起源于受俯沖流體交代的虧損地幔源區(qū)(Meng et al., 2014), 北遼河變基性巖在形成過程中也受到有限的俯沖流體交代作用(許王等, 2017), 遼寧海城基性巖床來源于受俯沖改造的陸下巖石圈地幔(Wang et al., 2016)。Wu et al. (2005)綜合華北克拉通東部古元古代幔源鎂鐵質巖石Nd同位素, 認為巖石圈地幔的富集特征是新太古代晚期俯沖作用造成的。萬渝生等(2005a, 2005b)認為遼北地區(qū)太古宙基底表殼巖系和TTG花崗質巖石形成于板塊匯聚的島弧環(huán)境, 洋殼俯沖發(fā)生在新太古代晚期(2.56～2.51 Ga), 遼西花崗?綠巖帶形成于新太古代?早古元古代安第斯型活動大陸邊緣的構造背景(Wang et al., 2012), 膠東和遼北地區(qū)新太古代晚期變質火山巖和閃長質?花崗質巖石來源于被俯沖板片熔體/流體交代的地幔源區(qū)(Guo et al., 2017; Gao et al., 2020; Sun et al., 2020)。因此, 巖石圈地幔受到新太古代末俯沖作用的改造, 繼承了島弧型地球化學的特征, 遼東青城子地區(qū)變質基性巖床正是來源于這一受俯沖交代的巖石圈地幔源區(qū)。

5.4 大地構造背景

膠?遼?吉帶是分布于華北克拉通東部陸塊內部的一條古元古代造山/活動帶, 記錄了多期多階段巖漿?變質事件和復雜的構造演化歷史(劉福來等, 2015)。近年來, 眾多學者對膠?遼?吉帶變質火山?沉積巖、變質基性巖以及中酸性侵入巖等進行了大量研究, 并在其形成時代、成因、變質作用以及構造背景等方面取得了重要進展(方如恒, 1993; 李三忠和劉永江, 1997; 于介江等, 2007; 王惠初等, 2011; 孟恩等, 2013; 李壯等; 2015; 劉福來等, 2015; Wang et al., 2016; 許王等, 2017), 但對于古元古代中期的構造環(huán)境仍有不同認識, 一直存在弧后盆地(劉永達等, 1989; 白瑾, 1993; 王惠初等, 2011; Meng et al., 2014; 許王等, 2017)、大陸弧(Faure et al., 2004; Lu et al., 2006; Yuan et al., 2015)或者大洋島弧(馬立杰等, 2007)以及陸內裂谷(Luo et al., 2004, 2008; Li et al., 2006, 2012; Li and Zhao, 2007; 于介江等, 2007; Wang et al., 2016)等不同觀點。

李三忠和劉永江(1997)根據沉積組合、物源特征以及變質層狀巖系的原巖恢復等研究, 認為遼河群形成于陸內裂谷盆地, 遼河群碎屑鋯石U-Pb年齡結果表明其物源主要來源于古元古代花崗巖、火山巖以及太古宙結晶基底, 而不是新生地殼(Luo et al., 2008; 孟恩等, 2013)。遼吉地區(qū)發(fā)育大量A型花崗巖(李三忠等, 2003; 路孝平等, 2004; Li and Zhao, 2007; 楊明春等, 2015)和由變基性火山巖和變流紋巖組成的“雙峰式火山巖”(張秋生等, 1988; 方如恒, 1993; Sun et al., 1993; 李壯等; 2015; 陳斌等, 2016), 表明其形成于陸內裂谷環(huán)境。遼吉A型花崗巖與南、北遼河群具有相似Nd同位素組成(Nd=0～2)和模式年齡(2.6～2.4 Ga), 這也符合裂谷模型的地球化學特征(Li et al., 2006)。此外, 遼東地區(qū)賦存于鎂質硅酸鹽巖和碳酸鹽巖中的硼礦床(形成于2175～2130 Ma; 張艷飛等, 2010; 胡古月等, 2014; Hu et al., 2015)類似典型裂谷環(huán)境形成的含硼建造(Li and Zhao, 2007; 胡古月等, 2014; 劉福來等, 2015)。而弧后盆地和島弧環(huán)境的觀點主要因為變火山巖和基性巖表現出虧損Nb、Ta、Ti等高場強元素和近似于MORB的“島弧”地球化學特征(王惠初等, 2011; Li and Chen, 2014; Meng et al., 2014; 李壯等, 2015; 許王等, 2017)。

遼河群變基性巖床表現出“島弧”玄武巖的地球化學特征(虧損高場強元素、富集大離子親石元素和輕稀土元素), 因為巖漿在上升到地表的過程中受到的地殼混染程度很小, 更主要的原因是其富集的陸下巖石圈地幔遭受古俯沖組分的改造。研究區(qū)內基性巖床具有較低的U/Th值(0.19～0.28), 明顯低于島弧巖漿U/Th值(～0.5), 與大陸裂谷玄武巖的元素比值相當(Hawkesworth et al., 1997; Bali et al., 2011)。在構造環(huán)境判別圖解中, 樣品主要分布于板內玄武巖與MORB區(qū)域(圖9a)和陸內裂谷與初始裂谷界線附近(圖9b)。汪云亮等(2001)根據原始地幔的Th/Ta值(1.6; Taylor and Mclennan, 1985), 將大陸和大洋玄武巖區(qū)分開, 認為大陸板內及島弧玄武巖Th/Ta值高于原始地幔, 遼河群大部分變基性巖樣品Th/Ta值(3.74～9.01, 除樣品19LD111-1的比值為1.79)遠大于1.6, 并且Ta/Hf值(0.13～0.33)高于島弧玄武巖的比值(<0.1), 反映了陸內拉張或初始裂谷玄武巖特征(汪云亮等, 2001)。因此, 遼吉地區(qū)變質沉積巖系、雙峰式火山巖、遼吉花崗巖以及變質基性巖等特征表明該地區(qū)在2.1 Ga左右處于陸內裂谷環(huán)境。近年來, 在華北克拉通中部帶和東部陸塊相繼發(fā)現了大量2.2～2.0 Ga巖漿活動, 包括基性和酸性火山巖、A型花崗巖以及基性侵入體等, 大多數地球化學特征表明其形成于陸內裂谷環(huán)境(耿元生等, 2003; 杜利林等, 2009; 劉平華等, 2013; Zhou et al., 2014, 2015; 楊崇輝等, 2017), 因此, 華北克拉通在新太古代末克拉通化以后發(fā)生了一次廣泛的陸內伸展裂解事件。

6 結 論

(1) 遼東青城子地區(qū)變基性巖床順層侵入于遼河群大石橋組大理巖中, 發(fā)生角閃巖相變質作用, 巖石類型為斜長角閃巖和石榴斜長角閃巖, 鋯石表現為變質成因的特征, LA-ICP-MS U-Pb年齡分別為1854±11 Ma、1846±12 Ma、1847±9 Ma和1848±7 Ma, 表明變質作用發(fā)生于～1.85 Ga。

(2) 變基性巖床屬于亞堿性拉斑玄武巖系列, 富集輕稀土元素和Rb、Ba、La等大離子親石元素, 虧損Nb、Ta等高場強元素, 巖漿來源于受古俯沖組分交代的富集巖石圈地幔, 在侵位過程中的地殼混染程度較低。

(3) 變基性巖床和遼吉其他地區(qū)同時期基性巖石以及變質沉積巖系等形成于陸內裂谷環(huán)境。

WPB. 板內玄武巖; MORB. 大洋中脊玄武巖; IAB. 島弧玄武巖; Ⅰ. 板塊發(fā)散邊緣N-MORB區(qū); Ⅱ.板塊匯聚邊緣(Ⅱ1. 大洋島弧玄武巖區(qū); Ⅱ2. 陸緣島弧玄武巖區(qū)); Ⅲ. 大洋板內洋島和海山玄武巖區(qū)以及T-MORB、E-MORB區(qū); Ⅳ. 大陸板內玄武區(qū)(Ⅳ1. 陸內裂谷及陸緣裂谷拉斑玄武巖區(qū); Ⅳ2. 陸內裂谷堿性玄武巖區(qū); Ⅳ3. 大陸拉張帶(或初始裂谷)玄武巖區(qū)); Ⅴ. 地幔柱玄武巖區(qū)。

野外工作和樣品測試得到了遼寧省有色地質局一〇三隊王偉高級工程師、邱金柱工程師和中國地質大學(北京)佘一民碩士研究生的大力幫助, 審稿人北京大學劉樹文教授和中國科學院地質與地球物理研究所彭澎研究員對本文提出了寶貴的修改意見, 在此一并表示衷心感謝！

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Petrogenesis and Tectonic Implications of the Paleoproterozoic Metamorphic Mafic Sills in Liaodong Area

HU Guohui1, 2, ZHANG Qiqi1, WANG Wei1, 2, ZHANG Shuanhong1, 2and LI Jianfeng1, 2

(1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China; 2. Key Laboratory of Paleomagnetism and Tectonic Reconstruction, Ministry of Natural Resources, Beijing 100081, China)

The metamorphic mafic sills that widespread in the Jiao-Liao-Ji orogenic belt in Liaodong area are of great significance to study the Paleoproterozoic tectonic evolution of the orogenic belt. To reveal their petrogenesis and tectonic setting, and thus constraint the Paleoproterozoic geological evolution of the Jiao-Liao-Ji orogenic belt, a detailed petrographic observation, zircon U-Pb dating and whole-rock geochemical analyses of the metamorphic mafic sills were carried out. The metamorphic mafic sills in the Liaodong area emplaced into the thick marble of the Dashiqiao Formation of the Liaohe Group and underwent amphibolite facies metamorphism. They consist of amphibolite and garnet amphibolite, mainly composed of hornblende and plagioclase, and minor garnet, quartz, biotite, magnetite and pyrite. The characteristic zoning structures and low Th/U ratios (0.01–0.34) of the zircon grains from the metamorphic mafic sills suggest a metamorphic origin. LA-ICP-MS dating of zircons from four mafic sills yielded U-Pb ages of 1854±11 Ma, 1846±12 Ma, 1847±9 Ma, and 1848±7 Ma, respectively, suggesting a metamorphic age of ～1.85 Ga, which is synchronous with the final amalgamation of the North China Craton. Based on the similar field occurrence, petrographic and geochemical features with those of the2.1 Ga mafic intrusions in the Jiao-Liao-Ji orogenic belt and elsewhere, their emplacement age may be also2.1 Ga. Whole-rock geochemistry shows that the metamorphic mafic sills are tholeiitic in composition (SiO2: 47.07%–52.18%, K2O+Na2O: 1.78%–4.70%, MgO: 3.92%–8.59%), and enriched in light rare earth elements and large ion lithophile elements (i.e., Rb, Ba and La), but depleted in high field strength elements (i.e., Nb and Ta). In addition, there is not significant Zr and Hf depletions and fractionation effect. All mafic samples show regular distributions in Al2O3, CaO and Fe2O3Tcontents and good correlations with MgO contents in major element covariant plots, and Nb/La ratios (0.52–0.73) do not change with SiO2and MgO contents. These geochemical characteristics indicate that crustal contamination during their emplacement is unlikely, and the arc-like features could be the result of the enriched lithospheric mantle source metasomatized by ancient subduction materials. These metamorphic mafic sills, as well as the other metamorphic volcano-sedimentary rocks, Liao-Ji granites and mafic rocks elsewhere, may have formed in an intra-continental rift at ～2.1 Ga.

Paleoproterozoic; mafic sills; zircon U-Pb dating; Liaodong area; North China Craton

2020-06-27;

2021-05-11

國家重點研發(fā)計劃項目(2018YFC0603802)資助。

胡國輝(1984–), 男, 博士, 主要從事前寒武紀構造演化方面的研究。Email: huguohui321@126.com

P581; P595; P597

A

1001-1552(2021)05-1023-021

10.16539/j.ddgzyckx.2021.05.011