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  地质通报  2018, Vol. 37 Issue (9): 1693-1703  
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陈井胜, 蒋职权, 李崴崴, 李斌, 刘淼, 杨帆, 邢德和, 汪岩, 谭红艳. 辽宁本溪连山关地区辽河群浪子山组、里尔峪组形成时代及其地质意义[J]. 地质通报, 2018, 37(9): 1693-1703.
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Chen J S, Jiang Z Q, Li W W, Li B, Liu M, Yang F, Xing D H, Wang Y, Tan H Y. The formation ages of the Langzishan and Lieryu Formations in Lianshanguan area, Benxi, Liaoning Province, and its geological significance.[J]. Geological Bulletin of China, 2018, 37(9): 1693-1703.
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基金项目

中国地质调查局项目《辽宁1:5万台吉、他拉皋、七道岭、十二台营子幅区域地质调查》(编号:DD20160048-05)、《辽吉东部关键地区区域地质调查》(编号:12120113058400)、《内蒙古1:5万敖汉旗、捣各郎营子、新地、铁匠营子幅区域地质矿产调查》(编号:12120113053400))

作者简介

陈井胜(1983-), 男, 博士, 高级工程师, 从事区域地质调查工作。E-mail:5202268@qq.com

通讯作者

李斌(1986-), 男, 硕士, 工程师, 从事区域地质调查工作。E-mail:1171724956@qq.com

文章历史

收稿日期: 2018-03-20
修订日期: 2018-04-09
辽宁本溪连山关地区辽河群浪子山组、里尔峪组形成时代及其地质意义
陈井胜1 , 蒋职权2 , 李崴崴3 , 李斌1 , 刘淼1 , 杨帆1 , 邢德和1 , 汪岩1 , 谭红艳1     
1. 中国地质调查局沈阳地质调查中心, 辽宁 沈阳 110034;
2. 内蒙古自治区第二水文地质工程地质勘查院, 内蒙古 鄂尔多斯 017000;
3. 辽宁省地质矿产研究院, 辽宁 沈阳 110029
摘要: 辽宁省本溪连山关地区出露大面积的古元古代辽河群地层,在朱家沟典型剖面浪子山组中识别出2层斜长角闪岩,镜下观察其原岩为玄武岩;在连山关及河栏镇里尔峪组中识别出一套酸性火山岩。对浪子山组2件斜长角闪岩样品、里尔峪组2件流纹岩样品测定LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄。阴极发光图像显示,样品D020锆石内部结构整体发黑、条痕状吸收程度不等,Th/U值较低,为变质锆石,其1934±45Ma代表了浪子山组的变质年龄。其余3个样品阴极发光图像显示典型的岩浆振荡环带结构和较高的Th/U值,为岩浆锆石。1952±38Ma代表了浪子山组的形成时代,2177±34Ma和2208±12Ma代表了里尔峪组的形成时代。结合前人资料,将辽河群形成时代限制在2.20~1.95Ga,其形成时代持续了250Ma左右。野外接触关系及火山岩年代学特征从另一个方面揭露了辽河群总体为一套无序、局部有序的构造地层,各岩组间不存在上下关系,浪子山组已经不适合置于里尔峪组之下。
关键词: 浪子山组    里尔峪组    斜长角闪岩    酸性火山岩    LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄    辽河群    
The formation ages of the Langzishan and Lieryu Formations in Lianshanguan area, Benxi, Liaoning Province, and its geological significance.
CHEN Jingsheng1, JIANG Zhiquan2, LI Weiwei3, LI Bin1, LIU Miao1, YANG Fan1, XING Dehe1, WANG Yan1, TAN Hongyan1     
1. Shenyang Center of China Geological Survey, Shenyang 110034, Liaoning, China;
2. Inner Mongolia Second Hydrogeology Engineering Geological Prospecting Institute, Ordos 017000, Inner Mongolia, China;
3. Liaoning Institute of Geology and Mineral Resources, Shenyang 110029, Liaoning, China
Abstract: A large area of the Paleoproterozoic Liaohe Group is exposed in Lianshanguan area, Benxi, Liaoning Province. Two layers of amphibolite and a set of felsic volcanic rocks have been identified in the Langzishanand Lieryu Formations of the Liaohe Group. The samples include two amphibolites and two rhyolites. Zircons from D020 for LA-ICP-MS U-Pb dating have black interior structure, unequal striation absorption and low Th/U ratios, indicating typical metamorphic origin. The age of 1934±45Ma represents the metamorphic age of the Langzishan Formation. Zircons from the other three samples for LA-ICP-MS U-Pb dating have oscillatory zoning and high Th/U ratios, indicating typical magmatic origin. The ages of 1952±38Ma and 2177±34Ma, 2208±12Ma represent the formation age of the Langzishan and Lieryu Formations respectively. In consideration of previous data, the authors hold that the formation age of the Liaohe Group is limited in the range of 2.20~1.95Ga, lasting about 250Ma. Field contact relations and chronological characteristics of volcanic rocks reveal that the Liaohe Group is a series of disordered and locally ordered structural strata, and there is no upper and lower relation between the rock groups. The Langzishan Formation is no longer suitable for being placed beneath the Lieryu Formation.
Key words: Langzishan Formation    Lieryu Formation    amphibolites    felsic volcanic rocks    LA-ICP-MS zircon U-Pb age    Liaohe Group    

自从38亿年左右古老岩石在华北克拉通发现以来[1],华北克拉通逐渐成为地质学家关注的焦点。辽东—吉南(辽—吉)地区处于华北克拉通东部,主要由太古宙—古元古代变质岩系组成。其中古元古代地质体由变质岩和花岗岩(辽吉花岗岩)组成,构成“辽吉古裂谷”的主体,包括辽河岩群、光华岩群、集安岩群和老岭岩群。在辽东地区大面积分布的辽河(岩)群由长春地质学院(1960)创名(斋藤林次,1938,辽河系的改称)以来[2],围绕辽河群,学者们做了大量的研究工作,积累了丰富的资料,并取得了一系列重要的科学进展[3-32]。但对所谓的“辽吉古裂谷”地层层序、形成时代及形成环境,至今争论不一。

20世纪70年代辽宁区调队通过对辽东地区的区调工作,认为辽河群内部为有序地层,并将其自下而上分为下亚群浪子山组、里尔峪组和上亚群高家峪组、大石桥组和盖县组[33]。然而由于辽吉古元古代造山带经历了十分复杂的构造演化过程[23],这些多期/多阶段构造变形作用,完全破坏了原有的地层层序及彼此之间的接触关系[34],原有的自上而下由老变新的地层层序及接触关系很难保存。部分学者认为北辽河群底部的浪子山组与盖县组为同一层位[2]

前已提及,有关辽—吉地区古元古代地层形成时代的研究已很久,2000年之前由于测试样品的选择及测试方法的精度问题,年龄偏差比较大[3-10]。2000年以来,主要采用锆石U-Pb(SHRIMP、LA- ICP-MS)法,使该套“地层”的形成年代越来越明朗。但从测年数据的样品选择不难看出,除个别学者采集的火山岩样品外,其他学者无一例外均采集的是变质碎屑岩(碎屑锆石)[28-31]。近两年大部分学者注重了辽河群中火山岩夹层的厘定与测年工作,提供了一批精度较高的同位素年代学数据[32-33, 35-38]

针对以上问题,本次选取本溪连山关地区辽河岩群浪子山组与里尔峪组的(变)火成岩为研究对象。通过LA-ICP-MS锆石U-Pb分析,获得浪子山组、里尔峪组确切的形成年龄,为地层层序的重新厘定与辽河群的形成时代提供支持。

1 地质概况及岩石学特征

研究区处于华北克拉通东部陆块东北段辽吉活动带内,区内分布有新太古代的花岗岩,古元古代辽河群、基性岩墙、青白口系(图 1)。辽宁省地质矿产局等单位对辽河群进行了详细的区域地质调查和研究工作,以传统地层学的观点,建立了辽河群的地层格架,不整合于新太古代鞍山群和连山关花岗岩为代表的变质基底之上,并将辽河群划分为下亚群的浪子山组、里尔峪组和上亚群的高家峪组、大石桥组和盖县组[2]。以盖县—析木城—塔子岭—茳草甸子—叆阳一线为界,分为南、北辽河群,其中北辽河群发育浪子山组。本次研究对象为本溪连山关地区北辽河群下亚群浪子山组及里尔峪组火山岩。在浪子山岩组的本溪朱家沟-甸子剖面上,发现了2层斜长角闪岩(图 2-a),其与变粒岩、变质石英砂岩、二云片岩互层产出。经镜下观察,其原岩为基性火山岩(图 2-b)。在连山关、甜水、铁匠沟、华严寺、河栏镇等地的里尔峪组均发现酸性火山岩夹层,岩性包括流纹质角砾晶屑凝灰岩和流纹岩,二者互层产出,多呈灰粉色(图 2-c)。样品采样地点见图 1

图 1 研究区地质简图及采样位置 Fig.1 Simplified geological map and sampling locations
图 2 连山关地区浪子山组斜长角闪岩及里尔峪组酸性火山岩样品野外及显微照片 Fig.2 Occurrence and microphotographs of amphibolite from Langzishan Formation and acidic volcanic rocks from Lieryu Formation in Lianshanguan area a—D021朱家沟铁道下浪子山组斜长角闪岩;b—D020斜长角闪岩镜下特征;c—D15016里尔峪组流纹岩与流纹质火山角砾凝灰岩互层野外产状

斜长角闪岩(D020、D021):风化面黄色,新鲜面灰黑色。矿物成分:斜长石,柱状,见聚片双晶,粒度0.05~0.8mm,含量50%左右;黄绿色角闪石,柱状,中正突起,粒度0.05~1.6mm,含量35%左右;黑云母,褐黄色-浅黄色,自形片状,平行消光,粒度0.05~0.4mm,含量6%左右。副矿物:榍石、磁铁矿,细粒钛铁矿与榍石伴生,细粒状,可见钛铁矿外围有榍石的反应边;结构构造:变余辉长结构,细粒片状柱状变晶结构,块状构造;原岩为基性火山岩(图 2-b)。

灰粉色流纹岩(TWD15013、TWD15056):风化面灰色,新鲜面灰粉色。隐晶质-微晶结构,流纹构造。长英质隐晶集合体及微晶集合体各自集中,相间分布,构成流纹构造。长英质成分以微斜长石及石英为主,微斜长石显示格子状双晶,最大粒径0.15mm。岩石发生弱硅化和角岩化。

2 样品制备及分析方法

样品的破碎和锆石分选由河北省廊坊市宇能矿物分选有限公司完成。锆石阴极发光(CL)图像采集在北京锆年领航科技有限公司完成。样品LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测试在吉林大学东北亚矿产资源评价自然资源部重点实验室完成。激光剥蚀使用美国相干公司(Coherent)COMPExPro型ArF准分子激光器,质谱仪为美国安捷伦公司7500A型四极杆等离子质谱。激光束斑直径32μm,激光能量密度10J/cm2,剥蚀频率8Hz。剥蚀样品前首先采集30s的空白,随后进行30s的样品剥蚀,剥蚀完成后进行2min的样品池冲洗。载气使用高纯度氦气,气流量为600mL/min;辅助气为氩气,气流量为1.15L/min。对于不用同位素的采集时间,204Pb、206Pb、207Pb和208Pb为20ms,232Th、238U为15ms,49Ti为20ms,其余元素为6ms。使用标准锆石91500(1062Ma)为外标进行同位素比值校正[39-40],标准锆石PLE/GJ-1/Qing Hu为监控盲样。元素含量以标样玻璃样品NIST610为外标,Si为内标元素进行计算,NIST612和NIST614为监控盲样。使用Glitter软件进行同位素比值及元素含量的计算。U-Pb谐和图绘制和年龄加权平均值计算采用Isoplot/Ex_ver3程序完成[41]。普通铅校正使用Anderson的程序计算[42]。分析结果列于表 1

表 1 研究区辽河群浪子山组斜长角闪岩和里尔峪组流纹岩LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb分析结果 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb isotope composition of amphibolite from Langzishan Formation and rhyolite from Lieryu Formatiom in the Liaohe Group
3 分析结果

本次共采集4件样品,其中D020、D021采自浪子山组,岩性为斜长角闪岩;TWD15013、TWD15056采自里尔峪组,岩性为灰粉色流纹岩。

D020采自本溪朱家沟北沟,层位为辽河岩群浪子山组,岩性为斜长角闪岩,原岩为玄武岩。对该样品进行了16个点的测试分析,所有数据明显分成2组。第一组包括12个点,锆石形态多样,长柱状,浑圆状和不规则状皆有发育,内部结构不一,有的整体发黑,有的模糊泛白,条痕状吸收程度不等(图 3),Th/U值均较低(0.05~0.1),为变质锆石[43-45],其207Pb/206Pb年龄分布在1848~2132Ma之间,加权平均值为1934±45Ma(n=12,MSWD=3.4)(图 4)。第二组有3个点,锆石形状大多为自形板柱状,少数为半自形柱状,锆石颗粒均具有显著的振荡环带,Th/U值较高(0.57~0.64),显示岩浆锆石特征[43-45],形成的不一致线与谐和线上交点的年龄为2523±70Ma(n=3),与第11个数据点的207Pb/206Pb年龄2507±19Ma在误差范围内一致(图 4-a)。综合该样品锆石特征、Th/U值、年龄结果和区域地质事实,笔者认为,第一组约1934Ma年龄记录的是区域上一次变质作用的时间;而第二组年龄大于辽河岩群主体岩石的沉积时代,反映的是捕获锆石的年龄。

图 3 连山关地区辽河群火山岩部分锆石阴极发光(CL)图像 Fig.3 CL images of the selected zircons of volcanic rocks from the Liaohe Group in Lianshanguan area 第一排为D020;第二排为D021;第三排为TWD15013;第四排为TWD15056
图 4 连山关地区辽河群火山岩锆石U-Pb谐和图 Fig.4 Zircon U-Pb concordant diagrams of volcanic rocks from the Liaohe Group in Lianshanguan area

D021采自本溪朱家沟高铁桥边,层位为辽河岩群浪子山组,岩性为斜长角闪岩,原岩为玄武岩。该样品中所挑出的锆石粒度比较大(80~110μm),晶形好,长柱状为主,个别为短柱状,长短轴比为1.5~3.5,CL图像显示锆石均具有清晰的振荡环带(图 3),锆石Th/U值较高(0.66~5.67),指示为岩浆锆石[43-45]。该样品共进行了28个点的测试分析,除4个点偏离太远外,其余24个点构成了一条不一致曲线,计算获得其上交点年龄为1952±38Ma(MSWD=2.7)(图 4)。此年龄代表了斜长角闪岩的形成年龄。

TWD15013采自辽阳河拦峪,岩性为变流纹岩,层位为辽河岩群里尔峪组。该样品的锆石多呈自形-半自形菱柱状,次圆状和尖刀状,晶体长宽比多数介于1:1~2:1之间,振荡环带广泛发育(图 3),Th/U值为0.44~1.0,暗示岩浆成因特征[43-45]。对该样品的25颗锆石进行了25个点的测试分析,其中18号点的Th/U值为0.7,207Pb/206Pb年龄较大,为2469±10Ma,代表的是岩浆上升过程中捕获锆石的年龄。其余24个测试点谐和线上或其附近形成一条不一致线,获得的上交点年龄为2177 ± 34Ma(MSWD=1.2)。在谐和线附近分布的20个点的207Pb/206Pb年龄加权平均值为2170±26Ma(MSWD=18,n=20),与不一致线上交点年龄在误差范围内一致(图 4)。综上认为,2170~2177Ma为该样品原岩的结晶年龄。

TWD15056采自辽阳李家堡子,岩性为变流纹岩,所采层位属于辽河岩群里尔峪组,夹少量的流纹质火山角砾凝灰岩。锆石多呈自形-半自形晶,菱柱状和次圆状,具有清晰的生长振荡环带(图 3),结合其较高的Th/U值(0.40~1.21),说明其为典型的岩浆成因锆石[43-45]。对该样品的25颗锆石进行了25个点的测试分析,除2个离群点(15和17号点)外,其余23个数据的207Pb/206Pb年龄介于2129~2250Ma之间,其年龄加权平均值为2205±13Ma(MSWD=7.4, n=23)。这个年龄与不一致线的上交点年龄(2208 ± 12Ma,MSWD=3.9, n=23)一致,代表该样品的原岩结晶时代(图 4)。对于2个离群点:15号点的206Pb/238U年龄较小为335Ma,且偏离谐和线,可能为后期构造事件叠加所致;17号点位于谐和线上,其207Pb/206Pb年龄为3479±9Ma,Th/U值为0.5,应为流纹质岩浆上升过程中捕获的华北克拉通太古宙基底岩石的锆石。

4 讨论 4.1 浪子山组、里尔峪组形成时代及其对辽河群形成时代的制约

前人认为浪子山组为辽河群的最低层位,由于其岩性以片岩为主,前人对其年龄测试仅局限于碎屑锆石。Luo等[16]对辽河岩群浪子山岩组中的石英片岩、泥质片岩和石墨云母片岩继承锆石进行了U-Pb同位素测试,研究结果发现,浪子山岩组变沉积岩石继承性碎屑锆石记录的年龄集中于2.05~2.19Ga之间,结合浪子山组锆石变质边记录的变质时代约为1.9Ga,可以判定浪子山组的沉积时限为1.9~2.0Ga。在传统基础地层学研究的基础上,陈井胜等[36]根据大石桥组中流纹质角砾凝灰岩夹层的测年结果,将浪子山组形成时代限定于2171Ma之前。本文在浪子山组斜长角闪岩中获得了2个年龄1934±45Ma和1952±38Ma。前者代表了一次变质事件,后者直接代表了浪子山组斜长角闪岩的形成时代,也就是说,浪子山组形成时代为1.95Ga左右。这也是首次直接确定浪子山组的形成时代,代表了存在1.95Ga左右的一期岩浆活动。

里尔峪组作为辽河群主要的火山岩层位,近些年除了碎屑锆石外,获得了一批精度比较高的火山岩年代学数据[32-33, 36-38, 46-48]。本文获得的连山关地区流纹岩2208±12Ma、2177±34Ma两个年龄代表了里尔峪组流纹岩的形成时代。TWD15056流纹岩样品2208±12Ma年龄与海城地区南辽河群里尔峪组的变质流纹岩(2201±5Ma)为同一期岩浆活动的产物[38];TWD15013流纹岩样品2177±34Ma年龄与辽阳里尔峪组变流纹质含角砾凝灰岩(2180 ±12Ma)、流纹岩(2185±16Ma)、火山碎屑岩(2174±10Ma)及酸性火山岩(2179±5Ma)为同时期岩浆活动的产物[29, 37, 48]。陈井胜等[37]对辽阳地区酸性火山岩进行了年代学研究,认为里尔峪组岩浆活动有2190~2180Ma、2110~2100Ma、1970~1960Ma三期。本地区里尔峪组的岩浆活动为2208~2180Ma,应该属于第一期岩浆活动,并将此期岩浆活动的上限扩大为2208~2180Ma。

辽河群的形成时代一直是学者们研究的热点,前人多根据变质沉积岩中的碎屑锆石限定辽河群的形成时代,包括2035~1885Ma[30]、1.95~2.05Ga[34],也有根据基底花岗岩或后期侵入辽河群的杂岩限定辽河群的形成时代[17, 49],这些均为间接的方法,不能直接反映其形成时代。近两年部分学者通过辽河群中的火山岩直接限定辽河群的形成时代[32-33, 36-38, 46-48],将辽河群形成时代限定在2.19~1.96Ga。而本文获得的里尔峪组流纹岩2208±12Ma年龄及浪子山组斜长角闪岩1952±38Ma年龄,将辽河群沉积时限扩大为2.20~1.95Ga,大约持续了250Ma。部分学者认为,辽河群的变质作用起点为1.95Ga,代表了辽河群原岩形成的最晚时间[16, 19, 30, 32, 34, 50]。其余学者认为变质作用稍晚,应该在1.93~1.91Ga[32, 38, 51]。本文在浪子山组获得1934±45Ma的变质年龄,也说明本区的变质作用开始于约1.93Ga。

综上认为,本区辽河群从约2.20Ga开始沉积,直至约1.95Ga结束,大约持续了250Ma,在约1.93Ga发生变质作用。

4.2 年龄对浪子山组地层层序的制约

出露于辽东南地区古元古代的巨量变沉积岩系,20世纪30年代末斋藤林次命名为“辽河系”,50年代中期“辽河系”演变为辽河群[2]。在20世纪60—70年代,辽宁省地质矿产局等单位对辽河群进行了详细的区域地质调查和研究工作,以传统地层学的观点,建立了辽河群的地层格架,并将辽河群划分为下亚群的浪子山组、里尔峪组和上亚群的高家峪组、大石桥组和盖县组[2]。其中浪子山组作为辽河群最底部的沉积,不整合于新太古代鞍山群和连山关花岗岩为代表的变质基底之上。近些年,部分学者认为,从古元古代到现在,辽河群经历了十分复杂的构造演化过程,破坏了原有的地层层序及彼此之间的接触关系,原有的自上而下由老变新的地层层序及彼此之间的接触关系很难保存[23, 34, 37]。通过对辽河岩群“典型剖面”进行野外调研,辽河岩群变质岩多为接触变质岩和动力变质岩,且不同岩性均“互层”产出[37]。进而提出辽河群的5个岩组之间不能按照传统的层序地层学划分,它们的关系应该为“整体无序、局部有序”。李壮等[35]根据相同的岩石组合及碎屑锆石年龄图,认为浪子山组和盖县组可对比。因此,浪子山组不宜置于辽河群底部,而应重新厘定为北辽河群顶部。

笔者对浪子山组进行了野外调查,浪子山岩组主要分布于鞍山—本溪地区,岩性主要为片岩,包括含石榴子石墨蓝晶堇青石二云片岩、二云石英片岩,含石墨白云母石英片岩夹石墨变粒岩、浅粒岩。在连山关—草河口一带,该岩组中夹方解大理岩、透闪白云石大理岩(薄片可见长英质碎屑)和斜长角闪岩(D020、D021),底部断续分布有石英岩,在八会镇西一带,多为石榴二云构造片岩。在连山关地区、朱家沟典型剖面上浪子山组与古元古代花岗岩、新太古代弓长岭花岗岩或鞍山岩群均为构造接触或韧性滑脱面接触(图 1),与里尔峪岩组也为构造接触(拆离韧性剪切带) [17, 20, 37, 52]。浪子山组最小碎屑锆石年龄暗示其形成于2.05Ga之后[16],本文获得斜长角闪岩的1952±38Ma年龄代表了浪子山组形成时代。辽阳—连山关地区酸性火山岩测年结果显示,里尔峪组形成时代为2.20~1.96Ga,稍早于浪子山组。结合野外二者之间为构造接触关系,笔者认为,浪子山组置于里尔峪组之下已经不合适。

5 结论

(1)通过对辽宁本溪连山关地区辽河群浪子山组斜长角闪岩、里尔峪组流纹岩LA-ICP-MS锆石U-Pb测年,首次确定了浪子山组的形成时代为1952±38Ma,变质时间为1934±45Ma;里尔峪组流纹岩形成时代为2208~2180Ma。结合前人资料,认为辽河群从约2.20Ga开始沉积,直至约1.95Ga结束,大约持续了250Ma,在约1.93Ga发生变质作用。

(2)野外接触关系的观察揭露辽河群为一套总体无序、局部有序的构造地层,各岩组之间多为构造接触。锆石U-Pb年代学结果显示,里尔峪组形成时代(2.20~1.96Ga)稍微早于浪子山组,且二者为构造接触,故应将浪子山组置于里尔峪组之下已经不合适了。

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