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  地质通报  2017, Vol. 36 Issue (10): 1698-1707  
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彭游博, 宋淑娥, 刘锦, 张文静, 王恩德, 赵辰. 辽北西丰地区宝兴岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄及岩石地球化学特征[J]. 地质通报, 2017, 36(10): 1698-1707.
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Peng Y B, Song S E, Liu J, Zhang W J, Wang E D, Zhao C. LA-ICP-MS zircon U-Pb dating and geochemical characteris-tics of Baoxing rock mass in Xifeng area of northern Liaoning Province[J]. Geological Bulletin of China, 2017, 36(10): 1698-1707.
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基金项目

中国地质调查局项目《辽东-吉南成矿带永吉—凤城地区地质矿产调查》(编号:DD20160049)

作者简介

彭游博(1987-), 男, 在读硕士生, 工程师, 从事区域地质调查与固体矿产勘查工作。E-mail:pyblnddy@163.com

文章历史

收稿日期: 2016-08-02
修订日期: 2017-03-19
辽北西丰地区宝兴岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄及岩石地球化学特征
彭游博1,2, 宋淑娥3, 刘锦1,4, 张文静5, 王恩德2, 赵辰1,2    
1. 辽宁省地质矿产调查院, 辽宁 沈阳 110031;
2. 东北大学资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110004;
3. 辽宁省地质实验研究所, 辽宁 沈阳 110032;
4. 吉林大学地球科学学院, 吉林 长春 130000;
5. 辽宁省地震局, 辽宁 沈阳 110034
摘要: 宝兴岩体位于华北板块北缘陆缘活动带东段,岩性为花岗闪长岩,LA-ICP-MS锆石206Pb/238U年龄加权平均值为235.0±1.3Ma,属于中三叠世。岩石的K2O/Na2O平均值为1.07,属高钾钙碱性系列;富集大离子亲石元素,亏损高场强元素,具有活动陆缘钙碱性岩系特征;稀土元素总量平均值为147×10-6,稀土元素配分曲线右倾,属具中等负Eu异常的轻稀土元素富集、重稀土元素亏损型。通过岩石学、岩石地球化学及年代学研究,结合邻区构造演化研究,认为中三叠世研究区在伸展作用下岩石圈进行拆沉,从而形成大规模的岩浆活动。
关键词: 中三叠世    LA-ICP-MS锆石U-Pb测年    宝兴岩体    花岗闪长岩    辽北地区    华北板块    
LA-ICP-MS zircon U-Pb dating and geochemical characteris-tics of Baoxing rock mass in Xifeng area of northern Liaoning Province
PENG Youbo1,2, SONG Shu'e3, LIU Jin1,4, ZHANG Wenjing5, WANG Ende2, ZHAO Chen1,2     
1. Liaoning Survey Academy of Geology and Mineral Resources, Shenyang 110031, Liaoning, China;
2. School of Resources and Civil Engineering/Northeast University, Shenyang 110004, Liaoning, China;
3. Liaoning Geological Experiment Research Institute, Shenyang 110032, Liaoning, China;
4. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130000, Jilin, China;
5. Seismological Bureau of Liaoning Province, Shenyang 110034, Liaoning, China
Abstract: Located on the northern margin of North China Block, the Baoxing rock mass is mainly composed of granodiorite. According to LA-ICP-MS zircon U-Pb dating, it was formed in Middle Triassic, with the 206Pb/238U age of 235.0±1.3Ma. The average K2O/Na2O ratio is 1.07, indicating that the rocks belong to high-K calc-alkaline series. The rocks are enriched in LILE and depleted in HFSE, showing typical features of calc-alkaline series on an active continental margin. The average total amount of REE is 147×10-6, and the curve exhibits obvious right-inclined feature on REE distribution pattern, suggesting that the rocks are of the type of LREE enrichment and HREE depletion with medium negative Eu anomaly. According to the petrology, geochemistry and geochronology in combination with the tectonic evolution research on adjacent areas, lithospheric delamination occurred under the extension in the study area, and then caused a large-scale magmatic activity in the Middle Triassic.
Key words: Middle Triassic    LA-ICP-MS zircon U-Pb dating    Baoxing rock mass    granodiorite    northern Liaoning Province    North China Block    

兴蒙造山带是古亚洲洋俯冲、消减并最终闭合的产物,因其复杂的构造演化、大规模的成矿作用而备受国内外地质学者的关注。前人研究主要集中在兴蒙造山带古生代以来的构造演化和成矿作用、华北板块与西伯利亚板块碰撞拼合(古亚洲洋闭合)的位置及时限等方面[1-2]。关于古亚洲洋在兴蒙造山带东段闭合时间,存在晚二叠世-中三叠世、晚二叠世-早三叠世、晚二叠世等认识[1]。近年来在华北陆块北缘发现大量的晚古生代-早中生代侵入体,构成了沿华北陆块北缘呈东西向分布的岩浆岩带,并认为华北陆块北缘二叠纪末-三叠纪岩浆岩形成于后碰撞/后造山构造环境,在中晚三叠世发生了明显的软流圈上涌和岩石圈拆沉,代表了岩石圈减薄的开始[2]。华北陆块与兴蒙造山带交接部位,在华北板块与西伯利亚板块碰撞拼合构造背景下,晚古生代-中生代构造岩浆活动十分强烈。笔者在华北地块北缘东段的岩浆活动研究中,在辽北西丰地区新识别出中三叠世宝兴花岗闪长岩岩体,对研究华北板块与西伯利亚板块碰撞拼合的最终时限,以及构造转换等地质问题具有重要意义。本文从岩石学、年代学、岩石地球化学方面探讨宝兴岩体的地质特征、成因及构造背景。

1 地质背景

研究区位于华北陆块及兴蒙造山带交接部位,构造岩浆活动十分强烈。古生代末-中生代始,受西伯利亚板块与华北板块碰撞拼合影响,研究区内形成近北西西向展布的寇河断裂带(图 1)。该断裂带以大型韧性剪切带及脆性断裂为特征,构造变形十分强烈,控制了研究区三叠纪岩浆活动的发生。寇河断裂以北为兴蒙造山带,以南为华北陆块

图 1 研究区地质简图(大地构造位置图据参考文献修改) Fig.1 Geological map of the study area K1d-德仁组火山岩;γπK1-早白垩世花岗斑岩;ρηγJ2-中侏罗世似斑状二长花岗岩;γJ1-早侏罗世黑云母花岗岩;ηγJ1-早侏罗世二长花岗岩;γδT2-宝兴岩体;1-研究区范围;2-同位素采样位置;3-韧性剪切带;4-断层;Ⅰ1-准格尔-兴蒙陆缘造山带;Ⅰ2-锡林浩特微板块;Ⅰ3-松嫩-佳木斯微板块;Ⅱ1-晚古生代陆缘造山带;Ⅱ2-中元古代陆缘造山带;Ⅱ3-华北地块

本次新识别的中三叠世宝兴岩体以花岗闪长岩为主,分布于西丰县宝兴水库、黄金屯一带,受寇河断裂控制,遭受强烈的糜棱岩化作用,岩体呈近北西西向展布,出露面积约10km2。岩体上覆早白垩世德仁组砂岩、砂砾岩,围岩为早侏罗世花岗岩,遭受强烈的糜棱岩化作用(图 1)。

2 岩石学及构造变形特征 2.1 岩石学特征

宝兴岩体岩性为花岗闪长岩,岩石呈灰色,糜棱组构,块状构造,主要矿物有斜长石、碱性长石、石英、角闪石等。岩石由残斑、基质两部分组成。

残斑由钾长石、斜长石组成,粒度为0.3~ 16mm,部分见压力影,阴影部分为石英及黑云母。钾长石为微斜长石,多呈眼球状,少数呈近半自形板状,杂乱分布,显定向,表面干净,具波状消光,有的隐约见格子双晶,局部粒内包裹斜长石,少数交代斜长石,部分碎裂,晶粒微裂隙有铁质、硅质等充填。斜长石呈眼球状、近半自形板状,分布显定向,具绢云母化、粘土化,表面脏,少数被钾长石补片状、蠕虫状交代,个别碎裂明显,晶内裂隙发育并被硅质填充。

基质由糜棱物组成,包括长石、石英、黑云母及新生绢云母,粒度一般小于0.3mm,其中长石多晶集合体与石英多晶集合体相间分布。长石包括钾长石、斜长石,他形粒状、微粒状,集合体呈条带状定向分布,斜长石蚀变同残斑。石英呈他形粒状,亚晶粒旋转重结晶作用明显,新晶集合体呈丝带状、细纹状定向分布,局部绕斑现象明显,粒间齿状镶嵌。黑云母呈鳞片状,相对聚集呈断续线纹状定向分布,多被绿泥石交代呈假像,少数见褐色残留。新生绢云母呈鳞片状,相对聚集断续线纹状定向分布。

2.2 构造变形特征

在晚三叠世,研究区在西伯利亚板块与华北板块碰撞拼合的构造背景下,宝兴岩体发生强烈的韧性剪切作用,岩石遭受较强的糜棱岩化作用,常见糜棱面理、掩卧褶皱、石香肠、旋转残斑、压力影构造[3]等(图版Ⅰ-A~DG)。

图版Ⅰ   PlateⅠ   A.糜棱面理;B.糜棱组构;C.掩卧褶皱;D.A型褶皱;E.压力影构造;F.δ型残斑,示左行剪切;G.糜棱结构、眼球状构造;H.书斜式构造。Pl-斜长石;Kf-钾长石;Bt-黑云母;Qz-石英

宝兴岩体中糜棱面理主要表现为黑云母定向排列及石英拉长现象,多呈北西西向展布,倾角多在40°~50°之间。掩卧褶皱以糜棱面理为构造变形面,其轴面多与糜棱面理平行,且褶皱枢纽与矿物拉伸线理一致,为A型褶皱。该韧性剪切带内的A型褶皱规模一般较小,小者褶幅只有几厘米,大的不超过3m。按其轴面产状可分为斜歪褶皱、倒转褶皱及平卧褶皱。褶皱轴部加厚,翼部减薄。枢纽方向多为北西西向。显微镜下,岩石中的压力影构造十分常见,中心刚性体为长石,影子区矿物主要为石英,少数为云母类矿物。压力影构造多数具有剪切指向意义,据不对称压力影产出状态判断,该剪切运动方式为左行剪切(图版Ⅰ-E)。显微镜下,有时还可见部分糜棱物与残斑构成δ型残斑系(图版Ⅰ-F),指示左行剪切。此外,还可见钾长石斑晶应剪切作用形成的书斜式构造(图版Ⅰ-H),与压力影、旋转残斑等确定的剪切指向一致。

3 地球化学特征

本次共采集主量、微量和稀土元素、硅酸盐样品5件。岩石样品化学分析测试由国土资源部沈阳矿产资源监督检测中心完成,分析结果见表 1

表 1 宝兴岩体主量、微量和稀土元素分析结果 Table 1 The analyses of major, trace and rare earth elements of Baoxing rock mass
3.1 主量元素

宝兴岩体SiO2含量为52.36%~74.06%,平均值为62.53%;TiO2含量为0.16% ~0.82%,平均值为0.65%;Al2O3含量为14.50% ~17.34%,平均值为15.73%;Fe2O3含量为1.27%~3.83%,平均值为2.62%;K2O含量为1.86%~4.27%,平均值为3.16%;Na2O含量为0.76%~3.96%,平均值为3.16%;K2O/Na2O平均值为1.07,显示出富钾特征,里特曼指数σ值为1.55~2.27,平均值为1.92,属钙碱系列。在SiO2-K2O图解(图 2)中,绝大多数样品点落于高钾钙碱性系列。铝质指数A/CNK值介于0.95~1.44之间,平均值为1.22,属过铝型;岩石中MgO含量为0.61%~3.66%,平均值为2.46%。岩浆分异指数DI值为53.89~92.03,平均值为72.80,表明岩浆分异程度较高。综合看,该岩体属于过铝的钙碱性系列岩石19。在F-A-M图解(图 3)中,样品点投于I型活动陆缘科迪勒拉型花岗岩区域[4]

图 2 宝兴岩体花岗闪长岩SiO2-K2O图解 Fig.2 The SiO2-K2O diagram of Baoxing granodiorite rock
图 3 宝兴岩体花岗闪长岩F-A-M图解 Fig.3 The F-A-M diagram of Baoxing granodiorite rock 1-塞浦路斯、阿曼大洋碱性花岗岩(幔源);2-I型科迪勒拉花岗岩(活动陆缘);3-I型加里东花岗岩(碰撞隆起);4-澳大利亚二云母堇青石S型花岗岩(壳源,同碰撞);5-澳大利亚东南褶皱带造山后A型花岗岩;6-尼日利亚非造山A型花岗岩
3.2 微量和稀土元素

宝兴岩体富集大离子亲石元素Rb、Ba、Th,亏损高场强元素Nb、Ta、Zr、Hf,Rb/Sr值为0.27,高于陆壳值[5],Nb/Ta值为20.93,介于陆壳与洋壳值之间;Ba/Sr值为1.72;K/Rb值为252.36。以上分析结果显示,该岩体具有大陆边缘-火山岛弧钙碱性岩系的特征,可能与板块俯冲或局部熔体交代作用相关[6](图 4)。

图 4 宝兴岩体微量元素洋脊花岗岩标准化蛛网图解 Fig.4 The diagram of trace elements in Baoxing rock

稀土元素总量(∑REE)为101×10-6~198×10-6,平均值为147 × 10-6。LREE/HREE值介于6.98~ 15.34之间,平均值为9.47,(La/Yb)N值介于6.81~ 25.64之间,平均值为12.31,表明轻稀土元素相对富集,重稀土元素相对亏损。(La/Sm)N值介于3.00~ 6.46之间,平均值为3.63,(Gd/Yb)N值介于1.36~ 2.72之间,平均值为1.81,说明轻稀土元素经历了较强的分馏,而重稀土元素分馏较弱。δEu值介于0.7~1.0之间,平均值为0.8,具有中等负Eu异常;Sm/Nd值介于0.16~0.21之间,平均值为0.19(上地壳为0.17),显示花岗闪长岩具有壳源性质。稀土元素配分曲线呈右倾,属于具中等负Eu异常的轻稀土元素富集、重稀土元素亏损型(图 5)。

图 5 宝兴岩体稀土元素球粒陨石标准化配分图 Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns of Baoxing rock mass
4 LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测定

用于LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测定的样品(RZ22)为花岗闪长岩,采样位置地理坐标为北纬42°36′10″、东经124°52′30″。

岩石化学样品粉末的制备和锆石单矿物的分选由河北省廊坊区域地质调查研究院地质实验室完成,锆石样品靶制备和阴极发光(CL)图像的拍摄由北京锆年科技公司完成,LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析在中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成。激光剥蚀系统为GeoLas Pro,ICP-MS为Agilent 7500,激光剥蚀直径为40μm。每个时间分辨分析数据包括20~30s的空白信号和50s的样品信号。对分析数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年龄计算)采用软件ICPMSDataCal完成。

U-Th-Pb同位素测定采用标准锆石GJ-1为外标,进行同位素分馏校正,每分析5~10个样品点,分析2次GJ-1。对于与分析时间有关的U-Th-Pb同位素比值漂移,利用GJ-1的变化采用线性内插的方式进行了校正。标准锆石GJ-1的U-Th-Pb同位素比值推荐值据Wiedenbeck等[7]。锆石U-Pb谐和图绘制和权重平均计算均采用Isoplot/Ex_ver3软件[8]完成。

锆石透明,呈粉黄色、弱金刚光泽,长宽比多为1~3,表面多见凹坑沟槽等溶蚀痕迹,裂纹发育故易碎,可见铁染和黑色固相包裹体。

在阴极发光图像(图 6)中,锆石均具有清晰的振荡环带结构,为典型的岩浆锆石[9]。此外,在锆石边缘还存在宽度较窄的亮色增生边,表明锆石在形成后还遭受了较强的动力变质作用,该特点也与岩石遭受了强烈的糜棱岩化作用吻合。本次测定的是锆石核部,锆石核部代表早期岩浆房中结晶的产物,或代表早期岩浆锆石的残余,而并没有对锆石的振荡环带或扇形分带进行测定,因为振荡环带代表其后期动力变质年龄,可能会对分析结果造成影响。

图 6 宝兴岩体花岗闪长岩锆石阴极发光(CL)图像、测点编号和206Pb/238U年龄 Fig.6 Zircon CL images and 207Pb/206Pb measuring point number and age analysis of Baoxing granodiorite rock

本次对25颗锆石进行了U-Th-Pb同位素分析,U、Th含量分别为157 × 10-6~879 × 10-6、62 × 10-6~ 1366×10-6,Th/U值介于0.40~1.55之间(表 2),也表明其为岩浆锆石[10-12]。在锆石U-Th-Pb谐和图(图 7)中,所有测点均落在谐和线上,206Pb/238U年龄值变化在230~238Ma之间,年龄加权平均值为235.0±1.3Ma(MSWD=0.28),表明宝兴岩体形成于中三叠世。

表 2 宝兴岩体花岗闪长岩LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb同位素分析结果 Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb isotope analytical data of Baoxing granodiorite rock
图 7 宝兴岩体花岗闪长岩锆石 U-Pb谐和图 Fig.7 U-Pb concordia diagram of zircons from Baoxing granodiorite rock
5 讨论 5.1 侵位时代

宝兴岩体LA-ICP-MS锆石206Pb/238U年龄加权平均值为235.0±1.3Ma(MSWD=0.28)。笔者在开展1: 5万房木镇等四幅区域地质调查时,在研究区内还识别出中三叠世细粒二长花岗岩(243±5Ma,LA-ICP-MS)及晚三叠世中细粒闪长岩(224.3± 1.0Ma,LA-ICP-MS)。这些中、晚三叠世侵入岩的发现,表明研究区在中、晚三叠世(243~224Ma)相继发生了中性、酸性深成岩岩浆活动。位于同一构造位置的辽西阜新地区,亦有同时期的闪长岩、石英闪长岩岩体存在。这些事实表明,三叠纪在西伯利亚板块与华北板块碰撞拼合构造背景下,华北板块北缘东段发生了广泛的深成岩浆活动。

5.2 构造环境及就位机制

在F-A-M图解(图 3)上,宝兴岩体样品点主要落于2区,仅1个样品落于4区,所以主要为I型活动陆缘科迪勒拉型花岗岩。在(Y+Nb)-Rb(图 8-A)及Yb-Ta(图 8-B)图解[13]中,样品点均落于火山弧花岗岩中。结合研究区三叠纪所处的构造环境及岩体内发育韧性剪切带的事实,认为宝兴岩体为碰撞造山后伸展环境下形成的造山期后花岗岩。

图 8 宝兴岩体花岗闪长岩(Y+Nb)-Rb图解(a)和Yb-Ta图解(b) Fig.8 The (Y+Nb)-Rb (a) and Yb-Ta diagrams (b) of Baoxing granodiorite rock VAG-火山弧花岗岩;WPG-板内花岗岩;ORG-洋脊花岗岩;Syn-COLG-同碰撞花岗岩

二叠纪末期,西伯利亚板块与华北板块发生了碰撞拼合。但三叠纪期间,碰撞造山作用仍在继续。研究区中三叠世宝兴岩体中发育强烈的韧性剪切变形是该碰撞造山后构造运动的直接证据。三叠纪中期,在该造山期后作用下,华北板块北缘形成会聚边界性质的火山弧型东西向印支期岩浆岩带。在挤压应力作用下,印支期花岗岩的区带特征不明显,分布零星,岩体规模较小。通过与区域上同构造位置的该时期富镁火山岩的对比,发现其与经典的陆陆造山带不同,华北板块与西伯利亚蒙古洋板块的碰撞没有产生典型的S型花岗岩及富铝矿物,所以该碰撞应为增生类型的软碰撞。

三叠纪中期-三叠纪末期,在华北板块与西伯利亚板块拼合后的这种伸展机制作用下,下伏地幔熔融分异,底辟上侵,形成超基性-基性杂岩,呈岩席状沿深成水平剪切带分布,显示造山作用火山弧花岗岩的特点。在碰撞期,陆壳重熔,部分幔源组分注入(以壳源为主体),地幔物质上侵与下地壳岩浆混合形成混源岩浆,形成来自于上地幔与下地壳的钙碱性岩浆[14-15]

笔者认为,中三叠世为华北板块岩石圈减薄与构造体制发生的转折点。二叠纪-三叠纪岩浆活动不只局限于内蒙造山带及辽西朝阳等地区,对华北板块北缘东段的辽北地区也存在较大的影响,即华北板块北缘二叠纪末期-三叠纪中期受构造影响,下地壳与岩石圈地幔来源的岩浆就位,三叠纪中期-三叠纪末期,在伸展机制作用下软流圈地幔岩浆上侵,与之前的岩浆岩混合,使岩石圈遭到破坏并开始减薄。处于华北板块北缘东段的辽北西丰地区也受到岩石圈物质拆沉作用的影响,产生符合后碰撞及后造山岩浆演化规律的大面积岩浆活动[16]

6 结论

(1) LA-ICP-MS锆石206Pb/238U年龄加权平均值为235.0±1.3Ma。结果表明,辽北西丰宝兴岩体的侵入年代为中三叠世,代表华北板块陆缘活动带印支期构造转换作用的开始。

(2) 宝兴岩体属富钾、钙碱性、过铝质的I型活动陆缘科迪勒拉型花岗岩。

(3) 辽北地区三叠纪岩浆活动受华北地块与西伯利亚地块增生褶皱带拼合碰撞的影响,在伸展机制作用下,岩石圈进行拆沉并开始减薄。

致谢: 野外工作得到中国地质调查局沈阳地质调查中心邴志波教授级高工、辽宁省地质矿产勘察院卢崇海研究员、辽宁省地质矿产调查院同事的指导,审稿专家提出宝贵修改意见,实验测试过程得到中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室工作人员的指导,在此一并致谢。

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