地质通报  2019, Vol. 38 Issue (2-3): 371-387  
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任云伟, 王惠初, 初航, 相振群, 康健丽, 田辉. 辽吉古元古代活动带中变质富铝沉积岩系地球化学特征及其对物源的制约[J]. 地质通报, 2019, 38(2-3): 371-387.
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Ren Y W, Wang H C, Chu H, Xiang Z Q, Kang J L, Tian H. Geochemistry of the metamorphic Al-rich sedimentary series and its constraint on provenance in the Paleoproterozoic Liao-Ji active belt[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(2-3): 371-387.
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基金项目

中国地质调查局项目《华北克拉通对哥伦比亚超大陆事件的响应及大地构造格架》(编号:1212011120154)和《华北克拉通变质基底大地构造分区及其对成矿作用的制约》(编号:12120114034201)

作者简介

任云伟(1984-), 男, 硕士, 工程师, 从事区域地质和前寒武纪地质研究。E-mail:renyunwei123@163.com

文章历史

收稿日期: 2017-12-12
修订日期: 2018-03-27
辽吉古元古代活动带中变质富铝沉积岩系地球化学特征及其对物源的制约
任云伟 , 王惠初 , 初航 , 相振群 , 康健丽 , 田辉     
中国地质调查局天津地质调查中心, 天津 300170
摘要: 辽吉活动带分布巨量沉积岩系,不仅记录了自身物源信息,也对该带古元古代构造演化过程具有重要指示意义。选择活动带沉积岩系中最具代表性、成分成熟度较低的变质富铝碎屑岩样品进行主量、微量和稀土元素分析,结果表明,变质富铝碎屑岩的砂岩类型判别结果为硬砂岩、页岩,较低的CIA指数、中低等的风化程度及一致的稀土与微量元素配分形式,指示其物源单一,具有相对活动背景下快速堆积的特点,不存在明显的沉积再旋回。物源分析、构造环境判别及微量元素比值,反映富铝碎屑岩物质源为一套形成于大陆岛弧或活动陆缘构造背景下的长英质岩石。结合前人对活动带中变质沉积岩系碎屑锆石的研究成果,认为辽吉活动带中富铝沉积岩系主要物源的形成时代为古元古代,这意味着作为富铝碎屑岩物源区的古元古代地质体具有大陆岛弧或活动大陆边缘的构造属性,而辽吉活动带最终的闭合可能与活动陆缘背景下弧-陆碰撞有关。
关键词: 古元古代    辽吉活动带    辽河群    富铝碎屑岩    地球化学    
Geochemistry of the metamorphic Al-rich sedimentary series and its constraint on provenance in the Paleoproterozoic Liao-Ji active belt
REN Yunwei, WANG Huichu, CHU Hang, XIANG Zhenqun, KANG Jianli, TIAN Hui     
Tianjin Center, China Geological Survey, Tianjin 300170, China
Abstract: Liao-Ji active belt contains various types of rocks and is characterized by widely distributed sedimentary rocks which can record material source information and provide significant evidence of Paleoproterozoic tectonic evolution of the Liao-Ji active belt. In this study, representative low compositional maturity sedimentary rock samples were collected from the active belt and a detailed research on geochemistry was carried out. It is shown by discriminant diagram that the sandstone types of he metamorphic Al-rich clastic rocks are greywacke and shale. Low CIA index, low to mid-degree weathering condition and the consistent rare earth and trace element distribution indicate that all the samples were from the same source which underwent rapid accumulation in an active background with no obvious sedimentary cycle. The geochemical features of the Al-rich clastic rock reveal that the material source was felsic rock formed in a continental island arc or an active continental margin tectonic setting. In combination with previous zircon age obtained in the study area, it is concluded that material source of the Al-rich sedimentary series was formed in Paleoproterozoic, implying that the Paleoproterozoic terrane which served as the material source of the Al-rich clastic rock had tectonic setting features of continental island arc or active continental margin, and that the closing process of the Liao-Ji active belt was probably associated with arc continental collision in an active continental margin tectonic setting.
Key words: Paleoproterozoic    Liao-Ji active belt    Jiehekou Group    Al-rich clastic rocks    geochemistry    

辽吉古元古代活动带位于华北克拉通东部, 是华北克拉通重要的古老造山带之一[1-7]。有关辽吉活动带的构造属性及其演化模式长期以来存在较大争议:部分研究者认为辽吉活动带形成演化与陆内裂谷的开启-闭合有关[2, 8-20]; 另有研究者认为该活动带形成演化与弧-陆碰撞有关[1, 5, 21-26]。前人对辽吉活动带的研究一方面集中在辽吉花岗岩地球化学性质及年代学[13, 27-30]; 另一方面集中在活动带变质沉积岩系的年代学及变质作用[5, 16, 18-19, 21, 23, 25, 31-35], 缺少对活动带中变质沉积岩系原岩建造、源区成分及相应构造背景的研究, 制约了对辽吉活动带早前寒武纪地质演化历史的深入认识。鉴于此, 针对辽吉活动带中变质沉积岩系岩石组成的复杂性, 在综合考虑变质碎屑岩岩石类型、源区风化及再旋回强度的基础上, 本文选择活动带中最具代表性、成分成熟度较低的变质富铝碎屑岩样品进行地球化学分析, 通过其反映的源区物质组成及构造背景, 结合前人从变质沉积岩系中获取的碎屑锆石年龄信息对其物源时代的制约, 揭示辽吉活动带古元古代的大地背景, 为辽东半岛古元古代的构造演化模式提供新的约束。

1 区域地质背景

大地构造位置上, 辽吉活动带位于华北克拉通东部陆块的东北段, 属胶辽吉古元古代活动带的东北延伸部分, 主要由古元古代变质岩系(辽东地区的辽河群与吉南地区的集安群、老岭群)和古元古代花岗质岩石组成(图 1-b)。辽东地区, 辽河群自下而上划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[36], 考虑到辽河群岩石组合、变质作用、构造变形、混合岩化程度等的差异, 通常以盖县-析木城-塔子岭-茳草甸子-叆阳一线为界, 将辽河群分为南、北两区, 俗称南辽河群和北辽河群。吉南地区与辽河群相当的变质地层为集安群(下部)和老岭群(上部), 集安群目前通常划分为蚂蚁河组、荒岔沟组和大东岔组[25, 37]; 老岭群自下而上依次为达台山组、珍珠门组、花山组、临江组和大栗子组[38]。王惠初等[25]在系统总结前人工作的基础上, 指出辽吉古元古代活动带沉积环境为活动大陆边缘弧后盆地, 并对活动带中的古元古界地层单元及构造属性进行了重新划分(表 1; 图 1- a), 认为北辽河群的浪子山组、里尔峪组(含老岭群达台山组)与南辽河群的里尔峪组和集安群的蚂蚁河组是同时异相的产物, 前者沉积在弧后盆地大陆边缘一侧, 以陆缘碎屑沉积为主夹少量酸性火山岩, 后者发生在弧后盆地岩浆弧一侧, 火山作用强烈; 集安群(荒岔沟组和大东岔组)和南辽河群中上部(南高家峪组-大石桥组)构成的孔兹岩系为弧后盆地收缩-俯冲阶段的沉积建造(相当于弧前构造背景); 河栏-草河口地区的大理岩夹变质基性火山岩是形成于弧后盆地构造背景的沉积建造; 狭义的盖县组及其相当地层的变质碎屑岩为残余盆地沉积建造。

图 1 辽吉古元古代造山带地质简图(a, 据参考文献[25]修改)及华北华北克拉通构造分区图(b, 据参考文献[4]修改) Fig.1 Simplified geological map of the Paleoproterozoic Liao-Ji active belt(a)and tectonic subdivision of the North China Craton(b) 1-变质碎屑岩建造(残余盆地沉积建造); 2-陆缘台地变质碳酸盐岩建造(菱镁矿); 3-弧后盆地拉斑玄武岩-大理岩建造; 4-变质陆缘碎屑岩夹火山岩-大理岩建造(弧后盆地大陆一侧); 5-陆缘岛弧沉积建造(弧后盆地岛弧一侧); 6-后碰撞强过铝花岗岩; 7-辽吉花岗岩; 8-太古宙基底; 9-断层或构造接触边界; 10-南辽吉岛弧沉积建造与北辽吉大陆边缘沉积建造界线; 11-样品位置
表 1 辽吉古元古代活动带地层格架[25] Table 1 Stratigraphic framework of the Paleoproterozoic Liao-Ji active belt
2 样品岩相学特征

本次研究的14件样品采样位置如图 1所示, 按照王惠初等[25]的划分方案, 其中的8件样品采自属陆缘岛弧沉积建造(弧后盆地岛弧一侧)的南高家峪组、荒岔沟组、大东岔组, 岩性为石榴矽线黑云片麻岩, 是富铝泥质岩石经高级区域变质作用的产物; 另外6件样品采自属残余盆地沉积建造的盖县组、大栗子组、花山组, 岩性主要为二云母片岩, 1件样品岩性为绢云母千枚岩, 属泥质岩石低级变质作用的产物。上述样品普遍含有大量富铝特征变质矿物, 原岩属富铝碎屑岩, 是一种成分成熟度较低、碎屑物搬运距离较短的变质沉积岩, 能很好地继承和反映源区岩石组分特点, 借此可以判别变质富铝沉积岩系物源区的构造背景, 进而探讨辽吉活动带古元古代构造演化。

石榴矽线黑云片麻岩呈灰色、灰白色, 露头上可见石榴子石变斑晶颗粒及纤柱状矽线石特征变质矿物(图版Ⅰ-a)。岩石具有鳞片柱状粒状变晶结构, 片麻状构造, 主要组成矿物有石榴子石、矽线石、黑云母、长石、石英等。石榴子石变斑晶呈浑圆状, 粒径1~5mm, 内嵌布他形粒状石英, 黑云母有时沿裂纹分布; 矽线石呈毛发状、细针柱状, 沿片麻理方向分布; 黑云母呈鳞片-叶片状, 长轴定向排列; 长石、石英呈他形粒状, 略显拉长定向(图版Ⅰ-c)。

图版Ⅰ   PlateⅠ   a.石榴矽线黑云片麻岩; b.二云母片岩变余层理及层片交切关系; c.正交偏光下石榴矽线黑云片麻岩; d、e.正交偏光下二云母片岩; f.单偏光下绢云母千枚岩。Qtz-石英; Pl-斜长石; Bt-黑云母; Ms-白云母; Grt-石榴子石; Sil-矽线石

二云母片岩变质程度较低, 野外露头上可见保留的变余层理及层片交切关系(图版Ⅰ-b)。岩石具有粒状鳞片变晶结构, 片状构造-变余层理构造, 主要组成矿物有白云母、黑云母、石英, 少量长石。黑、白云母呈鳞片-叶片状, 片直径0.1~0.5mm, 连续平行定向排列; 长石、石英呈他形粒状, 大小0.07~0.35mm, 拉长定向排列, 均匀夹于片状矿物间(图版Ⅰ-de)。

绢云母千枚岩具显微鳞片变晶结构, 千枚状构造, 主要组成矿物有绢云母、黑云母、石英。绢云母呈片状, 片直径0.01~0.05mm, 镶嵌状定向分布, 为岩石的主体部分; 黑云母呈片状, 片直径0.2~0.5mm, 星散状定向分布; 石英呈他形粒状, 大小一般为0.05~ 0.1mm, 集合体似透镜状定向分布(图版Ⅰ-f)。

3 分析方法

本文共对14件变质富铝碎屑岩样品进行了主量、微量元素分析。首先对采集的新鲜样品去除风化壳, 然后用破碎机粉碎, 再用球磨仪研磨至粉末状(大于200目)。主量、微量元素分析测试工作由天津地质矿产研究所实验室完成。主量元素采用X射线荧光光谱仪(XRF)测定, FeO采用氢氟酸、硫酸溶样, 重铬酸钾滴定容量法, 分析精度优于2%;微量元素采用等离子质谱仪(ICP-MS)测定, 分析精度优于5%。

4 地球化学特征

辽吉古元古代活动带中变质富铝碎屑岩样品的岩石化学分析结果及部分参数见表 2。数据表明, 富铝碎屑岩中SiO2含量较低, 除1个样品为72.1%外, 其余样品SiO2含量介于41.90%~64.55%之间; Al2O3含量高, 在14.06%~27.9%之间, 平均值为19.79%;MgO含量在0.96%~4.65%之间, 平均值为2.76%;TFe2O3含量在4.11%~13.37%之间, 平均值为7.99%;TFe2O3 + MgO整体含量高, 介于5.07% ~ 17.58%之间, 平均值为10.74%;Al2O3/SiO2值较高, 在0.21~0.67之间, 平均值为0.35, 说明其成熟度较低, 未经历强烈蚀变、搬运或再改造。相对于二云母片岩、绢云母千枚岩样品, 石榴矽线黑云片麻岩样品的主量元素组成变化较大, 这可能与该类岩石在高级变质过程中长英质熔体的析出有关(镜下显微构造观察表明, 岩石中黑云母常被长英质蠕虫状交代)。在Si-((al+fm)-(c+alk))图解(图 2-a)中, 样品点主要落在泥质沉积岩区, 但有1件样品(09LJ22-3)落在火山岩区, 而同一采样点处的另外2件样品(09LJ22-1、09LJ22-2)则落在泥质沉积岩区域。这3件样品岩性均为石榴矽线黑云片麻岩, 原岩应为泥质沉积岩。岩石矿物组成显示, 样品09LJ22-3中富铝特征变质矿物(石榴子石+矽线石)含量明显低于另外2件样品, 这可能是造成上述投图结果差异的原因。在log (SiO2/Al2O3)-log(Fe2O3/K2O)图解(图 2-b)中, 样品点主要落在硬砂岩及页岩区, 反映沉积物由母岩经机械风化短距离搬运堆积而成的特点。

表 2 辽吉古元古代活动带变质富铝碎屑岩主量、微量和稀土元素分析结果 Table 2 Major, trace and rare earth elements analyses of the metamorphic Al-rich clastic rocks in the Paleoproterozoic Liao-Ji active belt
图 2 辽吉古元古代活动带变质富铝碎屑岩类型判别图解 Fig.2 Classification of the metamorphic Al-rich clastic rocks in the Paleoproterozoic Liao-Ji active belt a-Si-((al+fm)-(c+alk))图解(底图据参考文献[39]); b-log(SiO2/Al2O3)-log(Fe2O3/K2O)图解(底图据参考文献[40])

变质富铝碎屑岩稀土元素总量(∑REE)差异较大, ∑REE最低为86.11×10-6, 最高为392.86×10-6, 平均值为225.45×10-6, 轻、重稀土元素比值介于6.23~10.99之间, 平均值为9.0。在球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(图 3-a)中, 稀土元素配分曲线整体形式较一致, 均显示轻稀土元素相对富集、重稀土元素相对平坦的右倾分布形式, 具有负Eu异常(δEu=0.36~0.85, 平均值为0.60), (La/Yb)N值介于5.42~13.79之间, 平均值为9.89。在原始地幔标准化微量元素蛛网图(图 3-b)上, 样品具有亏损Ba、Nb、Ta、Sr、P、Ti等元素的特征, 曲线分布特征与岛弧或大陆上地壳特征相似。

图 3 辽吉古元古代活动带变质富铝碎屑岩球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(a, 球粒陨石标准化数据据参考文献[41])及原始地幔标准化微量元素蛛网图(b, 原始地幔标准化数据据参考文献[41]) Fig.3 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element patterns (b) of the metamorphic Alrich clastic rocks in the Paleoproterozoic Liao-Ji active belt
5 源区岩石风化及再旋回

沉积岩的化学组分除受物源区岩石类型控制外, 还受化学风化、沉积分选与再旋回等因素的影响。因此, 使用沉积岩化学成分对其物源区岩石组合及地球化学特征进行推断前, 需要评估这些因素的影响。弱化学风化、弱沉积再循环的沉积岩, 才能客观地反映源区岩石特征。

化学蚀变指数(CIA)由Nesbitt等[42]提出, 可定量评价岩石遭受风化作用的强度、搬运过程、成岩-变质作用和源区碎屑组成[43-46]。本文变质富铝碎屑岩的CIA值在52.2~78.39之间, 平均值为70.30。CIA数据投影到Al2O3-(Na2O+CaO)-K2O摩尔百分比图解(图 4)上, 样品点主要落在低级-中等风化强度范围, 反映源区化学风化较弱, 处于活动构造环境, 物源主要为基底抬升导致大量新鲜的火山质基岩遭受剥蚀的产物[47]

图 4 辽吉古元古代活动带变质富铝碎屑岩Al2O3-(Na2O + CaO)-K2O图解(底图据参考文献[44]) Fig.4 Ternary plot of molecular proportions Al2O3-(Na2O + CaO)-K2O for the metamorphic Al-rich clastic in the Paleoproterozoic Liao-Ji activee belt

Zr/Sc值和Th/Sc值可以反映沉积物的成分变化、分选程度和重矿物含量[48]。Th/Sc值一般不受沉积再循环影响[49]; Zr主要赋存于锆石中, 作为稳定矿物的锆石随沉积再旋回而富集, 因此Zr会明显增加且不受后期热液等的影响。Zr/Sc-Th/Sc图解常被用来衡量沉积再循环程度[50]。在Zr/Sc-Th/Sc图解(图 5)中, 变质富铝碎屑岩样品点落在成分演化线附近, 说明碎屑岩成分受源岩控制, 不存在明显的沉积再旋回, 为近源沉积。同时, 样品Th/Sc平均值为0.93, 接近大陆岛弧环境。

图 5 辽吉古元古代活动带变质富铝碎屑岩Zr/Sc-Th/Sc图解 Fig.5 Zr/Sc-Th/Sc diagram of the metamorphic Al-rich clastic rocks in the Paleoproterozoic Liao-Ji active belt (底图据参考文献[47])

由于氧化作用和U的丢失, Th/U值随着风化程度的增加而增大[48, 51]。Th/U> 4时与风化作用有关[52]。富铝碎屑岩Th/U值在4.14~7.29之间, 平均值为5.98, 高于上地壳的Th/U平均值3. 8(图 6), 表明物源区处于中等风化水平。另外, 高Th/U值也可能与源区主要为长英质火山岩有关。

图 6 辽吉古元古代活动带变质富铝碎屑岩Th-Th/U图解 Fig.6 Th-Th/U diagram of the metamorphic Al-rich clastic rocks in the Paleoproterozoic Liao-Ji active belt (底图据参考文献[48])

综上, 根据CIA指数及Zr/Sc-Th/Sc、Th-Th/U图解判别结果, 以及稀土、微量元素相似的配分形式看, 辽吉古元古代活动带中的变质富铝碎屑岩具有较一致的物源, 风化作用并未明显影响到岩石中保留的源区信息, 也不存在再旋回物质的加入, 岩石地球化学成分可以反映源区物质组成及构造背景。同时, 较低的CIA指数及中低等的风化程度也表明物源区具有快速风化、快速剥蚀的特征, 这种高的风化-剥蚀速率也能客观地反映当时较活动的构造背景。

6 讨论 6.1 物源分析

Roser等[53]提出了运用主量元素判别函数F1、F2来确定沉积物源区的类型。在F1-F2图解(图 7)中, 样品点主要落入长英质火山岩物源区和邻近长英质火山岩物源区富含石英质的沉积岩物源区, 仅有3个样品点分别落在相对远离长英质火山岩物源区的富含石英的沉积岩物源区和镁铁质火山岩物源区。

图 7 辽吉古元古代活动带变质富铝碎屑岩物源F1-F2判别图解 Fig.7 F1-F2 discrimination diagram of the metamorphic Alrich clastic rocks in the Paleoproterozoic Liao-Ji active belt (底图据参考文献[53])

稀土元素问题(REE)被认为是非迁移的, 在沉积作用过程中仅显示微小的变化, 因此, 源区岩石稀土元素特征能被可靠地保存在沉积物中[54], 稀土元素的配分形式也可以客观反映沉积物的物源性质[51-52]。富铝碎屑岩具有轻稀土元素富集、重稀土元素平坦和负Eu异常的稀土元素配分曲线(图 2- a), 表明沉积物主要来自长英质组分。

许多微量元素由于具有非迁移性, 也常被用来判断源区源岩类型, 如Zr、Y、Th、Sc、Hf、Ti、La、Co等[51, 55-57]。在Floyd等[58]的Hf-La/Th图解(图 8-a)中, 全部样品点均远离玄武质、安山质物源区, 主要落在长英质物源区范围, 2个样品点显示古老沉积物成分加入的迹象。在Gu等[59]的La/Sc-Co/Th图解(图 8-b)中, 样品点也主要投在长英质火山岩附近, 个别落在长英质火山岩与花岗岩之间。

图 8 辽吉古元古代活动带变质富铝碎屑岩物源区微量元素判别图解 Fig.8 Trace elements discrimination diagrams of the metamorphic Al-rich clastic rocks in the Paleoproterozoic Liao-Ji active belt a-Hf-La/Th图解(底图据参考文献[57]); b-La/Sc-Co/Th图解(底图据参考文献[59])
6.2 物源区构造背景

Bhatia[54, 60]及Bhatia等[61]对已知盆地构造成因类型中砂岩的一些特征参数进行了总结(表 3), 确定了不同构造环境下砂岩稀土、微量元素特征参考值。辽吉古元古代活动带中变质富铝碎屑岩与之对比, Zr、Hf、Zr/Hf、La/Sc、Th/Sc等参数与大陆岛弧型砂岩相似, LREE/HREE、δEu、(La/Yb)N、Ba/ Rb、Zr/Th、Zr/Nb等参数与活动大陆边缘型砂岩相似, 说明富铝碎屑岩的物源区构造背景应为大陆岛弧和活动大陆边缘。

表 3 辽吉古元古代活动带变质富铝碎屑岩与不同构造背景下杂砂岩地球化学参数对比 Table 3 Comparison of geochemical parameters between the metamorphic Al-rich clastic rocks in the Paleoproterozoic Liao-Ji active belt and sandstone in different tectonic settings

基于不同构造环境中砂岩的K2O/Na2O和SiO2/Al2O3值明显不同, Roser等将沉积盆地划分为4种构造类型, 即大洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘和被动边缘[53]。将样品投影到K2O/Na2O- SiO2/ Al2O3图解(图 9-a)中, 样品点基本都落在大陆岛弧和活动大陆边缘区。

图 9 辽吉古元古代活动带变质富铝碎屑岩构造环境判别图解(底图参考文献[61]) Fig.9 Tectonic setting discrimination for the metamorphic Al-rich clastic rocks in the Paleoproterozoic Liao-Ji active belt a-K2O/Na2O图解; b-La/Sc-Ti/Zr图解; c-La-Th-Sc图解; d-Th-Co-Zr/10图解; e-Th-Sc-Zr/10图解。A-大洋岛弧; B-大陆岛弧; C-活动大陆边缘; D-被动大陆边缘

沉积物中微量元素是不活泼的, 在未遭受强烈风化的条件下, 微量元素在沉积过程中表现出微弱变化, 源区母岩是控制沉积物中微量元素的主要因素, 因而其中的一些元素能很好地反映沉积盆地的构造环境[51, 54, 62]。在微量元素La/Sc-Ti/Zr、La-ThSc、Th-Sc-Zr /10、Th-Co-Zr /10构造环境判别图(图 9-b~e)[61]中, 样品点主要落在大陆岛弧区域内, 少量落在活动大陆边缘区域, 表现出与大洋岛弧、被动大陆边缘明显不同的特点。

6.3 碎屑锆石U-Pb年龄对物源的制约

辽吉古元古代活动带中变质沉积岩系的岩石类型十分复杂, 前人对不同地区、不同类型的变质沉积岩进行了大量碎屑锆石U-Pb测年工作, 限定了活动带中变质沉积岩的沉积时限大致在1.9~ 2.0Ga之间[5, 16, 18-19, 23, 25, 32-33, 35], 但对于碎屑锆石年龄谱对活动带中变质沉积岩物源的指示, 则存在较大的争议。不同地区、不同类型的变质沉积岩样品获得的继承性岩浆锆石年龄所映的主要物质来源有明显差异。

Luo等[18-19]对辽东地区南、北辽河群变质沉积岩碎屑锆石U-Pb测年结果显示, 北辽河群中, 海城附近浪子山组中石英片岩与泥质片岩样品中获得的继承性碎屑锆石U-Pb年龄集中在2.05~2.19Ga之间, 隆昌附近里尔峪组样品碎屑锆石的U-Pb测年结果也主要集中在2.0~2.3Ga之间, 显示其物源区主要来自古元古代花岗岩, 但华子峪北侧大石桥组十字云母片岩获得的碎屑锆石U-Pb年龄范围在2.25~2.50Ga之间, 且主要峰值年龄为2485Ma, 意味着样品物源主要来自太古宙TTG片麻岩。同时, 在南辽河群中, 虎皮峪背斜黄土岭一带里尔峪组黑云母变粒岩中获得的碎屑锆石U-Pb年龄主峰期约为2117Ma, 另外, 在2424Ma处也有小的峰值; 从高家峪组黑云变粒岩中获得的碎屑锆石年龄主要为2420Ma, 另外还存在2127Ma、2509Ma、2659Ma等较小峰值, 也指示了二者主要物源的差异。

Lu等[23]对丹东市西南高家峪组中的2个变质砂岩的SHRIMP U-Pb测年也表现出类似的差异, 其中1件样品的8个数据点中4个集中在2192Ma左右, 而另外4个介于1886~2044Ma之间; 另外1件样品主要出现2.7Ga和2.5Ga两组碎屑锆石年龄, 只存在个别古元古代的年龄信息。孟恩等[33]从宽甸大西岔附近里尔峪组黑云石英片岩中获得的碎屑锆石年龄介于2033~2546Ma之间, 最主要峰值为2445Ma, 并存在一系列2033~2234Ma的年龄数据, 显示样品物源区主要为太古宙基底, 其次为古元古代地质体。

在吉南地区, 目前对集安群碎屑锆石U-Pb年龄的研究, 指示其碎屑源区主要来自古元古代花岗岩, 少量为太古宙基底[23]; 而老岭群情况较复杂。Lu等[23]采自大泉源南老岭群粗粒石英岩的碎屑锆石年龄大部分介于2.5~2.6Ga之间, 只记录了新太古代的年龄; 而通化南花山组细粒石英岩碎屑锆石给出2039Ma和2056Ma两个主要峰值年龄, 只含有少量2367~2500Ma的数据, 说明其源区主要为古元古代岩石。王惠初等[25]在老岭群中也采集了2件样品进行锆石U-Pb测年, 其中, 采自通化南花山组的石英岩30个锆石U-Pb年龄的有效数据年龄值均大于2.42Ga, 表明样品碎屑源区比较单一, 主要来自新太古代地质体; 另外1件采自临江附近临江组石英岩样品的U-Pb年龄绝大多数数据点介于2.0~2.35Ga之间, 碎屑锆石年龄谱最大峰值约为2.18Ga, 其次为2.06Ga, 表明样品的物质来源以古元古代中期的地质体为主。

上述研究表明, 根据不同地区、不同类型变质沉积岩样品的碎屑锆石记录的年龄差异进行沉积岩物质来源、源区性质的探讨存在明显的不足。刘福来等[35]针对辽吉古元古代活动带中沉积岩系岩石组成的复杂性, 分别在辽南地区的南、北辽河群与吉南地区的集安群、老岭群中各选择10件最具代表性的富铝片岩-片麻岩进行了锆石LA-ICP-MS U-Pb定年, 结果表明, 南、北辽河群继承性碎屑锆石显示2.05~2.15Ga的主峰和2.45~2.55Ga的弱峰; 集安群与老龄群继承性碎屑锆石显示2.1~2.2Ga和2.45~2.5Ga两个明显峰值, 说明无论是南、北辽河群还是集安群、老岭群, 物质来源主要为古元古代地质体与太古宙变质基底。王惠初等[25]则认为, 从东到西盖县组片岩及老岭群中相当地层的碎屑源区均为古元古代地质体, 太古宙年龄信息稀少, 故推测碎屑物质主要来自造山带南侧的岩浆弧。这一认识得到碎屑锆石测年结果的支持, 如Wan等[32]对大石桥附近盖县组石英岩中的锆石进行了SHRIMP测年, 年龄数据主要集中在2021~2225Ma; Luo等[19]对虎皮峪背斜北侧盖县组黑云母变粒岩碎屑锆石测年, 得到的数据主要介于2.05~2.28Ga之间; 李壮等[63]对草河口镇附近盖县组白云片岩、变质细砂岩及凤城市西北盖县组绢云母千枚岩的碎屑锆石测年结果显示, 3件样品的继承性岩浆锆石年龄均以古元古代为主, 太古宙年龄信息很少, 并获得锆石年龄的主要峰值为2033Ma、2092Ma和2155Ma。本文分析样品主要岩性为富铝片岩-片麻岩, 且采样层位也主要位于盖县组(及其相当地层)与南高家峪组, 相当于王惠初等[25]辽吉古元古代活动带地层格架划分方案中的残余盆地与弧后盆地靠近岛弧一侧的沉积建造。通过上述对辽吉古元古代活动带中不同地区、不同岩石类型及不同地层单元样品碎屑锆石年龄的分析, 有理由认为, 本文富铝沉积岩系的物源主要为古元古代地质体。

6.4 辽吉古元古代造山带形成的大地构造背景

有关辽吉造山带的构造属性及其演化模式的认识一直存在争议。部分研究者认为辽吉活动带经历了陆内裂谷开启-闭合模式[8-20]; 而另一部分研究者则认为辽吉造山带是弧-陆碰撞模式[1, 22-26]或陆-陆碰撞模式[5, 21]

裂谷开启-闭合模式的证据主要有:①"辽吉花岗岩"属典型的A型花岗岩[13, 27-30, 64]; ②大量变基性火山岩和变酸性火山岩构成双峰式火山岩建造[8, 27]; ③活动带两侧具有相似的太古宙基底[8, 14]; ④南辽河群、集安群显示低压逆时针p-T演化轨迹[21, 31, 34]; ⑤非海相成因的硼矿床与典型古元古代裂谷环境形成的含硼建造具有许多相似性[10]。弧-陆碰撞模式的证据主要有:①北辽河群和老岭群显示顺时针pT演化轨迹[21, 34]; ②强过铝质花岗岩是同碰撞-后碰撞阶段的典型岩石组合[20, 25, 29, 65]; ③胶北地区荆山群中大量高压泥质和基性麻粒岩的存在[5, 66-68]; ④岛弧拉斑玄武岩的存在[24, 69]; ⑤裂谷模式缺少封闭造山的动力学模式, 只有活动大陆边缘才能产生汇聚造山作用[24-25]

尽管上述2种构造模式均有相应证据支持, 但从近年来的研究资料看, 笔者更倾向于用弧-陆碰撞模式解释辽吉造山带古元古代构造演化。主要证据如下:①前人认为形成于伸展背景下的A型"辽吉花岗岩", 可能并不局限于裂谷环境, 也可能形成于弧后拉张盆地中[25]。同时, 岩相学方面的的研究表明, 所谓的A型"辽吉花岗岩"富含角闪石、榍石、磁铁矿等矿物, 属于高钾钙碱性系列, 地球化学具有岛弧岩浆亲缘性, 不同于裂谷环境下形成的典型A型花岗岩[35, 70]; ②辽吉活动带中2.2~2.1Ga的岩浆作用表现为连续的岩浆序列, 并不是双峰式岩浆岩组合[26, 70]; ③狼林地块太古宙变质基底残留很少, 却保存了大量古元古代岩浆、变质事件的记录[65, 71-75]。刘福来等[35]认为, 狼林地块无论物质组成、岩浆作用还是变质作用特征均与辽吉古元古代活动带存在密切的亲缘性, 说明所谓的狼林地块曾参与到辽吉活动带古元古代的构造演化过程中, 不能将其简单地与龙岗地块进行对比, 其构造属性有待商榷。吴福元等[75]以发源于狼林山脉的大同江、清川江、城川江、长津江、厚州川、厚昌江和秃鲁江中的河沙样品为研究对象, 通过对锆石样品进行U-Pb测年, 获得狼林地块热事件主要发生在1.8~1.9Ga, 主要由古元古代岩石组成, 太古宙-古元古代早期地质体在该地块发育有限, 进而认为狼林地块是与辽吉岩系基本类似的古元古代地质体, 其可能是华北克拉通在古元古代东南大陆边缘的巨型造山带; ④集安群、南辽河群中泥质麻粒岩和基性麻粒岩具有顺时针变质演化p-T轨迹, 标志着辽吉古元古代活动带中出现过与俯冲碰撞有关的构造演化过程, 不支持辽吉古元古代活动带构造背景属单一裂谷模式的观点[35]

本文通过对活动带中碎屑锆石U-Pb年龄的讨论, 认为富铝沉积岩系的主要物源形成时代为古元古代。目前, 辽吉活动带中存在的古元古代岩浆岩地质体主要为2.2~2.1Ga的辽吉花岗岩与辽河群、集安群火山岩, 但从活动带中沉积岩系继承性碎屑锆石年龄反映的源区信息看, 辽东半岛除上述2.2~ 2.1Ga的岩浆事件外, 至少还存在一期2.1~2.0Ga的岩浆事件[18-19, 23, 25, 33, 35, 63], 且该期中酸性岩浆岩是南、北辽河群与集安群、老岭群沉积岩的重要物源。因此, 该期岩浆事件性质的识别对判断辽吉活动带的形成演化具有重要的意义。辽吉古元古代活动带富铝沉积岩系地球化学的分析结果显示, 其物质源区为一套形成于大陆岛弧或活动陆缘构造背景下的长英质岩浆岩。目前对2.2~2.1Ga的辽吉花岗岩与辽河群火山岩的构造背景认识尚存在较大分歧。与辽吉花岗岩不同, 富铝沉积岩系在微量元素组成上, 具有更加强烈的Nb、Ta亏损, 指示作为沉积岩物源区的古元古代地质体具有岛弧构造属性, 可能正是2.1~2.0Ga岩浆岩构造性质的反映, 说明辽吉活动带在古元古代地质演化过程中有岛弧的形成, 而活动带最终的闭合更可能与弧-陆碰撞相关。

7 结论

(1) 辽吉古元古代活动带中的变质富铝碎屑岩砂岩类型为硬砂岩及页岩, 较低的CIA指数及中低等的风化程度指示其具有较活动背景下快速沉积的特点, 碎屑岩成分受源岩控制, 为近源沉积, 不存在明显的沉积再旋回。

(2) 富铝碎屑岩相似的稀土、微量元素配分形式, 指示其具有统一的物源和源区相同的构造背景。物源分析结果表明, 沉积物主要来自长英质物源, 构造环境判别结果指示物质源区地质体形成于大陆岛弧或活动陆缘背景下。

(3) 前人对辽吉活动带中变质沉积岩系碎屑锆石的研究成果, 指示其中的富铝沉积岩系的主要物源为古元古代地质体, 结合本文对碎屑岩物质源区构造背景的认识, 认为辽吉古元古代活动带最终的闭合可能与活动陆缘背景下的弧-陆碰撞有关。

致谢: 中国地质调查局天津地质调查中心郭虎、耿建珍、张健高级工程师在样品制备及测试过程中给予很大帮助, 刘欢高级工程师、常青松工程师、张阔工程师等参加了野外工作, 审稿专家提出了建设性的修改意见, 在此致以诚挚的谢意。

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