地质通报  2019, Vol. 38 Issue (4): 603-618  
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杨仲杰, 王伟, 赵岩, 周永恒, 张璟, 孙守亮, 刘长纯. 辽东王家堡子地区古元古代花岗岩地球化学特征、锆石U-Pb年龄、Hf同位素及其地质意义[J]. 地质通报, 2019, 38(4): 603-618.
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Yang Z J, Wang W, Zhao Y, Zhou Y H, Zhang J, Sun S L, Liu C C. Geochemistry and zircon U-Pb-Hf isotopes of Paleoproterozoic granitic rocks in Wangjiapuzi area, eastern Liaoning Province, and their geological significance[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(4): 603-618.
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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

杨仲杰(1987-), 男, 工程师, 从事区域地质调查与固体矿产勘查工作。E-mail:147018374@qq.com

文章历史

收稿日期: 2018-01-02
修订日期: 2018-07-16
辽东王家堡子地区古元古代花岗岩地球化学特征、锆石U-Pb年龄、Hf同位素及其地质意义
杨仲杰1 , 王伟2 , 赵岩3 , 周永恒3 , 张璟3 , 孙守亮3 , 刘长纯1     
1. 辽宁省地质矿产调查院, 辽宁 沈阳 110031;
2. 辽宁省有色地质局一〇三队, 辽宁 丹东 118008;
3. 中国地质调查局沈阳地调中心, 辽宁 沈阳 110034
摘要: 辽东王家堡子地区出露大量古元古代花岗质岩石,前人将其统称为花岗质混杂岩。通过详细的野外地质调查和室内综合研究,将该套花岗质混杂岩解体为条痕状黑云母二长花岗岩和片麻状黑云母二长花岗岩两类。岩石地球化学分析结果显示二者具有一致的地球化学特征。均显示高SiO2、富K2O、贫Al2O3的特征,K2O/Na2O=0.64~2.14,TiO2含量为0.16%~0.3%,MnO、MgO、CaO和P2O5的含量较低,铝指数A/CNK集中分布在1.06~1.1之间,A/NK在1.50~1.62之间,均属于过铝质高钾钙碱性系列;微量元素显示强烈亏损Nb、Ti、Ta等高场强元素,富集Rb、U、K等大离子亲石元素,具有明显的负Eu异常,具有A型花岗岩的特征。条痕状黑云母二长花岗岩大部分锆石为具有清晰振荡环带的岩浆锆石,LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为2188±13Ma,代表该岩石的岩浆结晶年龄。片麻状黑云母二长花岗岩大部分锆石具有明显的变质增生边,部分核部锆石具有清晰的振荡环带,LA-ICP-MS锆石U-Pb测年获得核部年龄为2214±16Ma,代表该岩石的岩浆结晶年龄;增生边年龄为1905±13Ma,应代表该岩石的变质年龄。条痕状黑云母二长花岗岩和片麻状黑云母二长花岗岩的Hf同位素模式年龄分别为2387~2584Ma和2474~2641Ma,平均地壳模式年龄分别为2495~2808Ma和2633~2868Ma,大于岩石形成年龄,暗示研究区古元古代花岗岩源区主要为太古宙基底,混有少量古元古代新生地壳。结合前人报道的埃达克质花岗闪长岩的形成环境,认为胶-辽-吉古元古代造山/活动带早期经历了2.2~2.15Ga的拉伸裂解过程和2.0Ga左右俯冲挤压的构造演化过程。
关键词: 古元古代花岗岩    LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄    Hf同位素    地球化学    辽东王家堡子地区    
Geochemistry and zircon U-Pb-Hf isotopes of Paleoproterozoic granitic rocks in Wangjiapuzi area, eastern Liaoning Province, and their geological significance
YANG Zhongjie1, WANG Wei2, ZHAO Yan3, ZHOU Yongheng3, ZHANG Jing3, SUN Shouliang3, LIU Changchun1     
1. Geological and Mineral Survey Institute of Liaoning Province, Shenyang 110031, Liaoning, China;
2. No. 103 Geological Party, Nonferrous Geological Bureau for Liaoning Province, Dandong 118008, Liaoning, China;
3. Geological and Mineral Resources Institute of Shenyang, Shenyang 110034, Liaoning, China
Abstract: Paleoproterozoic granites are widely distributed in the Wangjiapuzi area of eastern Liaoning Province. In the past, some granitic plutons were considered as granitic melange in this area. In this paper, the authors divided the granitic melange into two types, i.e., striate biotite monzogranites and gneissic biotite monzogranites, on the basis of comprehensive studies of field observation, petrography, geochemistry and isotope chronology. The results of geochemical analysis show that the two components are homogeneous, having uniform geochemical characteristics. They all show high SiO2\, rich K2O and poor Al2O3 features, with K2O/Na2O being 0.64~2.14. Their TiO2 values are between 0.16% and 0.3%, with lower MnO, MgO, CaO and P2O5 content. The saturation index A/CNK is between 1.06 and 1.1, and A/NK is between 1.50 and 1.62, which suggests that the granodiorites should belong to the peraluminum calcium alkaline series. Some trace elements show that high field strength elements such as Nb, Ti, Ta are strongly depleted, with an obvious anomaly of negative Eu. All the geochemical characteristics suggest that they should belong to Atype granites.The most zircon grains of striate biotite monzogranites show clear oscillating zoning structures, and LA-ICP-MS zircon U-Pb weighted mean age is 2188±13Ma(MSWD=0.49), with the age of magma crystallization representing the age of the rock. The most zircons of gneissic biotite monzogranites show obvious metamorphic edge, zircons from the part of the nucleus show clear oscillating zoning structures. LA-ICP-MS nucleus zircon U-Pb weighted mean age is 2214±16Ma(MSWD=1.01), with the age of magma crystallization representing the age of the rock. LA-ICP-MS edge zircon U-Pb weighted mean age is 1905±13Ma(MSWD=4.5), representing the age of metamorphic rock. The model ages of these two types of granites obtained from Hf isotope are respectively 2387~2584Ma and 2474~2641Ma, the average of the crustal pattern is 2495~2808Ma and 2633~2868Ma, older than the age of rock formation. The source area of Paleoproterozoic granite in the study area was mainly Archean basement mixed with a small amount of Paleozoic Neoproterozoic crust. The formation environment of the dike granite diorite is reported by some geologists. It is shown that the early rising of the Jiao-Liao-Ji orogenic/activity belts experienced a tensile cracking process at about 2.2~2.15Ga, and then there was a process of subduction and compression around 2.0Ga.
Key words: Paleoproterozoic granite    LA-ICP-MS zircon U-Pb age    Hf isotope    geochemistry    Wangjiapuzi area of eastern Liaoning Province    

大规模线型古元古代造山带的出现标志着地球上的构造形态由太古宙面状构造向线型构造的转化[1-2]。这些线型构造带与全球哥伦比亚超大陆的形成有关[3-4],其形成、演化和地球动力学背景一直是前寒武纪地质研究的核心问题之一[4-9]。华北克拉通是全球早前寒武纪地学研究的热点地区,通过近些年深入的研究,已积累了大量岩石学、岩石地球化学、同位素年代学等方面的资料,并取得了一系列重要的科学进展,其中一个重要进展是在华北克拉通厘定出3条古元古代构造带,即东部陆块内部的胶-辽-吉带、西部陆块内部的孔兹岩带及2个陆块之间的中部造山带(图 1-a),或称胶-辽-吉造山/活动带、晋豫造山/活动带和丰镇造山/活动带[10]。胶-辽-吉带是华北克拉通最具代表性、最复杂的一条古元古代造山/活动带,不仅接受了古元古代巨量的陆壳物质沉积,而且经历了十分复杂的构造演化过程,并受到多期岩浆变质及构造变形事件的改造。对其构造属性及演化过程的正确认识,对揭示华北克拉通的形成演化、陆块聚-散的动力学过程及构造背景具有重要的科学意义。然而,到目前为止,关于胶-辽-吉带形成的构造背景及演化过程还存在不同的认识,主要包括陆内裂谷开启-闭合模式[11-18]、弧-陆碰撞模式[19-20]、陆-陆碰撞模式[21-23]等,每种模式既有相应的证据,又存在无法合理解释的地质事实[24]。本文研究的辽东王家堡子地区出露的大面积古元古代花岗岩目前还缺少相关报道。因此,通过依托笔者在该地区完成的1: 5万区域地质调查工作,本文对研究区古元古代花岗岩的岩石学、岩石地球化学、锆石U-Pb-Hf年代学及其地质意义进行初步的报道,为今后正确理解胶-辽-吉古元古代构造带的构造属性提供重要的依据。

图 1 研究区大地构造简图(a)及区域地质简图(b)[25] Fig.1 Tectonic map (a) and regional geological map(b) of the study area Q—第四系;Pt1gx—盖县岩组;Pt1d—大石桥岩组;Pt1g—高家峪岩组;Pt1lr—里尔屿岩组;γK1—早白垩世花岗岩;γJ3—晚侏罗世花岗岩;γT3—晚三叠世花岗岩;δT3—晚三叠世闪长岩;ρPt1—古元古代伟晶岩;NPt1—古元古代变质基性岩;γδPt1—古元古代花岗闪长岩;strηγPt1—古元古代条痕状黑云母二长花岗岩;gnηγPt1—古元古代片麻状黑云母二长花岗岩;1—采样点;2—太古宙地质体;3—古元古代地质体;4—推测的古元古代地质体;5—未分的太古宙/元古宙地质体;6—研究区;7—断裂带;8—地质界线;9—断层
1 地质背景

辽东王家堡子地区位于华北克拉通东部的胶-辽-吉带内,该带呈北东—南西向展布,物质组成丰富,以大面积分布的变火山-沉积岩系为主要特征,自北向南分为:吉南地区的集安群和老岭群、辽东地区的南辽河群和北辽河群、胶北地区的荆山群和粉子山群[4, 23]。研究区侵入岩、变质岩及构造均较发育。地层主要为古元古界辽河岩群,主要由一套变质的火山-沉积岩系组成,包括里尔屿岩组、高家屿岩组、大石桥岩组和盖县岩组。侵入岩主要发育古元古代花岗岩、变质基性岩墙和中生代花岗岩(图 1-b)。变质岩主要分布在辽河岩群各岩组中,包括变粒岩、浅粒岩、片岩、大理岩、片麻岩、斜长角闪岩等。王家堡子地区构造十分发育,主要受吕梁期、印支期、燕山期构造作用影响,形成以近东西向、北东向、北西向的断裂带及较大型的褶皱带。

本文研究的古元古代花岗岩大量出露于辽东王家堡子地区,前人区调工作将其划分为花岗质混杂岩等。本次工作发现,研究区这些花岗质混杂岩实际为不同成因类型的古元古代花岗质岩石,并在野外地质调查重新厘定的基础上,进一步对区内出露不同类型的代表性花岗质岩石的成因类型、侵位年代和形成的构造背景进行了详细研究。前人根据野外接触关系,将其形成时代定为古元古代,缺少相应的高精度测年数据的限定。通过本次研究,为解决关于辽吉花岗岩的争议和胶-辽-吉古元古代造山/活动带的构造背景及演化模式提供有价值的资料。

本文对条痕状黑云母二长花岗岩和片麻状黑云母二长花岗岩分别采集1件同位素测年样品和5件套样(主量、稀土、微量元素)进行研究。大满家一带条痕状黑云母二长花岗岩(DMJ-TW1)采样坐标为北纬40°26′37.75″、东经123°08′44.69″;老黑沟一带片麻状黑云母二长花岗岩(LHG-TW1)采样坐标为北纬40°23′04.17″、东经123°12′39.51″,具体采样位置见图 1-b

2 分析方法

选择新鲜的岩石样品,破碎至200目以下的粉末,用于分析全岩主量、微量和稀土元素组成。锆石分选样品重约10kg。首先将每件样品破碎至粒级,清洗、烘干和筛选,采用磁选和重液分离技术分选出不同粒级的锆石晶体,在双目镜下挑选出颗粒相对完整的锆石晶体约500粒制靶,然后进行锆石阴极发光(CL)照相,以观察其内部结构。锆石UPb定年和Hf同位素分析由河北省廊坊区域地质调查院矿物分选实验室完成。

锆石原位微区U-Pb同位素定年利用北京科荟测试技术有限公司的LA-ICP-MS分析完成。U-Pb同位素定年激光剥蚀系统为ESI NWR 193nm,ICPMS为Analytikjena Plasma Quant MS Elite ICP-MS。激光剥蚀过程中采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度,二者在进入ICP之前通过一个Y型接头混合。每个时间分辨分析数据包括15~20s的空白信号和45s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[26-27]完成。U-Pb同位素定年中采用锆石标准GJ-1作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校正[26]。所有样品年龄数据的U-Pb谐和图、年龄分布频率图绘制和年龄加权平均计算采用Isoplot4.0程序完成[28]

锆石Hf同位素测试在北京科荟测试技术有限公司Neptune多接收器电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)和NWR 213nm固体激光取样系统上进行,分析时激光束直径为55μm, 激光剥蚀时间约26s。测定时用锆石标样GJ-1为外标,所用的激光脉冲频率为10Hz,激光束脉冲能量密度为7~ 8J/cm2。仪器的运行条件及详细的分析过程见参考文献[29]。本次实验测定过程中,GJ-1的测定结果是0.282000±28,该值与目前用溶液法获得的值在误差范围内一致[30-31]

3 分析结果 3.1 岩相学特征

研究区古元古代花岗岩主要分布在太阳沟—哈达碑—老黑沟—王家堡子一带。条痕状黑云母二长花岗岩呈近东西向展布,与辽河岩群各岩组主要呈构造接触。岩石具条痕状构造,细粒花岗结构。矿物成分主要由黑云母(5%)、石英(20%)、斜长石(40%)、微斜长石(20%)及条纹长石(15%)组成(图版Ⅰ-ab)。副矿物主要为锆石、榍石、磷灰石、赤褐铁矿等。片麻状黑云母二长花岗岩主要分布在老黑沟一带,近东西向展布,与辽河岩群里尔屿岩组、盖县岩组呈构造接触。岩石具片麻状构造,细粒花岗结构。矿物成分主要由黑云母(8%)、石英(23%)、斜长石(30%)、微斜长石(14%)及条纹长石(25%)组成(图版Ⅰ-cd)。副矿物主要为独居石、钛铁矿、磷灰石、锆石等。

图版Ⅰ   PlateⅠ   a.条痕状黑云母二长花岗岩手标本照片;b.条痕状黑云母二长花岗岩正交偏光镜下显微照片;c.片麻状黑云母二长花岗岩手标本照片;d.片麻状黑云母二长花岗岩正交偏光镜下显微照片
3.2 岩石地球化学特征

本次选取研究区2类花岗岩10件样品进行主量、微量和稀土元素地球化学分析(表 1)。结果显示,二者成分均匀,具有一致的地球化学特征。

表 1 王家堡子地区古元古代花岗岩地球化学数据 Table 1 The geochemical compositions of Paleoproterozoic granite in Wangjiabaozi area
3.2.1 主量元素

主量元素分析结果(表 1)显示,条痕状黑云母二长花岗岩SiO2含量在75.1%~77.04%之间,具有高SiO2含量的特征,Al2O3含量在12.1%~12.83%之间,Na2O含量在3.6%~4.69%之间,K2O含量在3.01% ~4.48%之间,具有相对富钾(K2O/Na2O= 0.64~1.24)的特征,TiO2含量在0.19%~0.3%之间,MnO、MgO、CaO和P2O5的含量较低,分别为0.019% ~0.03%、0.2% ~0.32%、0.33% ~0.45%、0.025%~0.034%。片麻状黑云母二长花岗岩SiO2含量在75.8%~77.31%之间,具有高SiO2含量的特征,Al2O3含量在11.83%~12.51%之间,Na2O+K2O含量在6.96%~8.28%之间,具有相对富钾(K2O/Na2O= 1.40~2.14)的特征,MnO平均含量为0.037%,MgO平均含量为0.25%,CaO平均含量为0.69%,P2O5平均含量为0.031%。在SiO2-(Na2O+K2O)图解中,样品点落入钙碱性花岗岩区域(图 2-a);在SiO2-K2O图(图 2-b)上,样品点落在高钾钙碱性区。2类花岗岩的铝指数A/CNK集中分布在1.06~1.1之间,A/ NK在1.50~1.62之间,在A/CNK-A/NK图解(图 3)中均落入过铝质区域。因此,研究区古元古代花岗岩均属于过铝质高钾钙碱性系列。

图 2 王家堡子地区古元古代花岗岩SiO2-(Na2O+K2O)图解(a)[32]和SiO2-K2O图解(b)[33-34] Fig.2 SiO2 versus Na2O+K2O diagram (a) and SiO2 versus K2O diagram (b) for Paleoproterozoic granite in Wangjiapuzi area 1—橄榄辉长岩;2a—碱性辉长岩;2b—亚碱性辉长岩;3—辉长闪长岩;4—闪长岩;5—花岗闪长岩;6—花岗岩;7—硅英岩;8—二长辉长岩;9—二长闪长岩;10—二长岩;11—石英二长岩;12—正长岩;13—副长石辉长岩;14—副长石二长闪长岩;15—副长石二长正长岩;16—副长正长岩;17—副长深成岩;18—霓方钠岩/磷霞岩/粗白榴岩。Ir—Irvine分界线,上方为碱性,下方为亚碱性
图 3 王家堡子地区古元古代花岗岩A/CNK-A/NK图解[35] Fig.3 A/CNK versus A/NK diagram for Paleoproterozoic granite in Wangjiapuzi area
3.2.2 稀土和微量元素

稀土及微量元素分析结果(表 1)显示,条痕状黑云母二长花岗岩的稀土元素总量(∑REE)较高,在223.23×10-6~246.64×10-6之间,而片麻状黑云母二长花岗岩的稀土元素总量(∑REE)略偏高于条痕状黑云母二长花岗岩,在308.23×10-6~326.58×10-6之间。在稀土元素球粒陨石标准化配分曲线模式图(图 4-a)上,2类花岗岩的轻、重稀土元素分馏较明显,LREE/HREE值分别为6.01~9.65、6.71~ 7.85,配分曲线均表现为明显的右倾型模式,富集轻稀土元素、亏损重稀土元素,(La/Yb)N值分别为4.12~5.45、5.81~7.8。2类花岗岩均具有明显的负Eu异常,δEu在0.26~0.57之间,平均值为0.42。

图 4 王家堡子地区古元古代花岗岩球粒陨石标准化稀土元素配分图(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b) Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element diagram (b) for Paleoproterozoic granite in Wangjiapuzi area (标准化值据参考文献[36])

在原始地幔标准化的微量元素蛛网图(图 4-b)上,2类花岗岩均强烈亏损Nb、Ti、Ta等高场强元素,富集Rb、U、K等大离子亲石元素。

3.3 锆石U-Pb年龄

条痕状黑云母二长花岗岩样品锆石呈玫瑰色,半自形柱状、次浑圆柱状、断柱状,常见凹坑沟槽等溶蚀痕迹,晶棱晶锥略显钝化,部分分辨不清,该类锆石颜色单一,晶群集中,改造程度相近,为同源产物,粒径主要为20~200μm,少数为200~400μm,锆石长短轴比主要为1.2~2.0,少数为2.0~4.0。锆石CL图像显示,大部分锆石具有清晰的振荡环带结构,少量锆石核部结构模糊,基本没有变质增生边(图 5)。所有分析点的Th/U值为0.28~2.38,均大于0.2,具有岩浆锆石的特点。其中22个有效锆石分析点的207Pb /206Pb年龄为2152~2235Ma(表 2),年龄加权平均值为2191±14Ma(MSWD=0.39;图 6-a),应代表该岩石的岩浆结晶年龄。

图 5 王家堡子地区古元古代花岗岩锆石阴极发光(CL)图像及Hf同位素和U-Pb年龄测试位置 Fig.5 The CL images of zircons and the locations of Hf and U-Pb age analyses of Early Paleoproterozoic granite in Wangjiapuzi area (白色30μm实线圆圈代表变质锆石U-Pb年龄测试位置;黑色30μm实线圆圈代表岩浆锆石U-Pb年龄测试位置;白色50μm虚线圆圈代表岩浆锆石Hf同位素测试位置)
表 2 王家堡子地区古元古代花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb数据 Table 2 The LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb isotopic data for Paleoproterozoic granite in Wangjiapuzi area
图 6 王家堡子地区古元古代花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb谐和图 Fig.6 LA-ICP-MS U-Pb concordia diagram of zircon from Paleoproterozoic granite in Wangjiapuzi area a—条痕状黑云母二长花岗岩;b—片麻状黑云母二长花岗岩

片麻状黑云母二长花岗岩样品锆石呈玫瑰色,次浑圆半自形柱粒状、断柱状,常见凹坑沟槽等溶蚀痕迹,晶棱晶锥均已钝化,表面常见粘贴物,该类锆石颜色单一,改造程度相近, 为同源产物,粒径主要在10~200μm之间,少数在200~450μm之间,锆石长短轴比主要在1.2~2.5之间,少数在2.5~4.0之间。锆石CL图像显示,大部分锆石具有明显的变质增生边(图 5),部分核部锆石具有清晰的振荡环带结构,少量锆石核部结构模糊。所有核部锆石分析点的Th/U值在0.32~0.78之间,均大于0.2,具有岩浆锆石的特点。其中16个有效核部锆石分析点的207Pb/206Pb年龄在2147~2261Ma之间(表 2),年龄加权平均值为2214±16Ma(MSWD=1.01;图 6-b),应代表该岩石的岩浆结晶年龄;14个有效变质增生边锆石分析点的207Pb/206Pb年龄在1898~ 1998Ma之间(表 2),年龄加权平均值为1905±13Ma(MSWD=4.5;图 6-b),应代表该岩石的变质年龄。

3.4 锆石Hf同位素

条痕状黑云母二长花岗岩中锆石的176Yb/177Hf和176Lu/177Hf值较低,分别为0.0193~0.1005和0.000529~0.002591(表 3),说明该样品锆石的Lu-Hf同位素体系保持稳定,自结晶后无明显放射性Hf同位素加入。经计算,εHf(t)值为-0.68~+4.66,模式年龄为2387~2584Ma,平均地壳模式年龄为2495~ 2808Ma。片麻状黑云母二长花岗岩的176Lu/177Hf值较低,为0.000631~0.001709,εHf(t)值为-1.09~ +2.45,模式年龄为2474~2641Ma,平均地壳模式年龄为2633~2868Ma。其中,Hf同位素变化范围明显高于数据测试所引的变化范围[37-39]。因此,条痕状黑云母二长花岗岩和片麻状黑云母二长花岗岩中的锆石具有不均一的Hf同位素组成。

表 3 王家堡子地区古元古代花岗岩Hf同位素数据 Table 3 The Hf isotopic data for Paleoproterozoic granite in Wangjiapuzi area
4 讨论

古元古代花岗岩作为胶-辽-吉古元古构造带最主要的物质组成,其形成时代、形成的构造环境、成因及其可能经历的构造-变质热事件能为正确理解胶-辽-吉构造活动带的构造属性及演化过程提供重要的证据和信息[40]

4.1 形成时代

长期以来,辽东地区元古宙的研究主要集中在胶-辽-吉活动带内的变质沉积-火山岩、古元古代花岗质侵入岩和镁铁质侵入岩,并取得了丰硕的成果。近几年,许多学者对辽吉地区古元古代花岗岩的年代学做了较多的研究,对不同地区的古元古代花岗岩均有报道,其形成时代大都在2200~2100Ma之间,并将其侵位时代大体限定在2160Ma左右[6-7, 10, 13-15, 21, 40-46]

本次研究对这2类花岗岩分别选取了1件样品,在锆石阴极发光图像分析的基础上,采用LAICP-MS锆石U-Pb测年方法,得出条痕状黑云母二长花岗岩的成岩年龄为2191±14Ma(MSWD = 0.39),片麻状黑云母二长花岗岩的成岩年龄为2214±16Ma(MSWD=1.01),其变质增生边锆石的变质年龄为1905±13Ma(MSWD=4.5)。这一结果在误差范围内与区域上前人测得的辽吉花岗岩成岩时代基本一致,代表胶-辽-吉带在古元古代2.2~2.1Ca一期最广泛的岩浆事件。其变质年龄(1905±13Ma)与前人对辽河岩群变质锆石测得的变质年龄1930~1850Ma[16-17, 23-24]一致,反映古元古代花岗岩与辽河岩群经历了同一次变质改造作用。

4.2 岩石成因及岩浆源区性质

研究区这2类古元古代花岗岩的岩石地球化学分析结果显示,它们具有高的SiO2、K2O、K2O/ Na2O、Ga/Al值,低的Ga、Zr、Y、Al2O3含量,极低的CaO、MgO、Sc、Cr、Co、Ni、Sr、Eu含量等,与A型花岗岩地球化学特征一致[47-50]。铝饱和指数A/CNK集中分布在1.40~1.54, A/NK在1.51~1.7之间,属于过铝质高钾钙碱性系列。10000Ga/Al值大部分大于2.07,在花岗岩判别图解[48]中,绝大多数花岗岩投影在A型花岗岩区域(图 7)。同时,岩石学特征显示不含角闪石,未出现堇青石、白云母、石榴子石等富铝矿物。以上特征均显示,这2类花岗岩属于铝质A型花岗岩[46]。在Rb/30-Hf-Ta×3图和Y+ Nb-Rb图解中,样品点均落入火山弧花岗岩及火山弧花岗岩和板内花岗岩之间的过渡区域(图 8),也反映出研究区古元古代花岗岩的A型性质。在Ce/ Nb-Y/Nb和Nb-Y-3Ga图解[48]图 9)中,样品点大部分均落入A2型花岗岩区域。

图 7 王家堡子地区古元古代花岗岩A型花岗岩判别图解[48-51] Fig.7 Discrimination diagrams of A-type granite for Paleoproterozoic granite in Wangjiapuzi area
图 8 王家堡子地区古元古代花岗岩微量元素环境判别图解[52] Fig.8 Tectonic discrimination diagrams for Paleoproterozoic granite in Wangjiapuzi area a—Rb/30-Hf-3Ta图解;b—(Y+Nb)-Rb图解;ORG—洋中脊花岗岩;VAG—火山弧花岗岩;WPG—板内花岗岩;syn-COLG—同碰撞花岗岩
图 9 A1-A2型花岗岩Y/Nb-Ce/Nb(a)及Nb-Y-3Ga(b)分类图解[51] Fig.9 Plots of Ce/Nb versus Y/Nb (a) and Nb-Y-3Ga (b) for distinguishing between A1 and A2 granites IAB—岛弧系列;OIB—洋岛系列

关于A型花岗岩的来源,一般认为其可以由地壳物质部分熔融形成,也可以是幔源碱性玄武质岩浆分离结晶作用的产物[45]。本文样品具有较高的SiO2和K2O含量,MgO、Cr、Ni、Co含量极低,表明其为壳源岩浆。A型花岗岩的源区是熔融出花岗岩之后的残余长英质麻粒岩相下地壳[47],但该模式被后来的岩石学实验推翻:A型花岗岩最有可能源自英云闪长质-花岗闪长质地壳岩石15%~40%程度的部分熔融[53]。进一步的实验岩石学研究表明,铝质A型花岗岩形成于钙碱性花岗质岩石在低压(小于4kbar)条件下的脱水部分熔融[54]。另外,这2类花岗岩显示的低Sr、高Yb的地球化学特征进一步暗示其形成于低压环境[55]。在TAS图解中落入花岗岩区Ir分界线下方,属于亚碱性系列花岗岩(图 2-a);在A/CNK-A/NK图解(图 3)中落入过铝质区域,是典型的铝质A型花岗岩,而不是碱性花岗岩。铝质A型花岗岩和碱性A型花岗岩具有不同的地球化学特征及成因,碱性A型花岗岩是幔源碱性镁铁质岩浆分离结晶作用的产物,而铝质A型花岗岩则源于具有正常水含量的长英质地壳的部分熔融[56]。本文样品具有高的Yb(3.77×10-6~7.30×10-6)、Y(31.2×10-6~61.7×10-6)含量,低的(La/Yb)N值和相对平坦的重稀土元素分布模式(图 4-a),反映其源自无石榴子石残留相的熔融源区。Eu负异常和强烈亏损的Sr元素(图 4-b)暗示古元古代花岗岩源区较浅(<30km),处于斜长石稳定域内。本文得到的古元古代花岗岩εHf(t)值分别介于-0.68~+4.66(条痕状二长花岗岩)和-1.09~+2.45(片麻状二长花岗岩)之间,模式年龄分别为2387~2584Ma(条痕状二长花岗岩)和2474~2641Ma(片麻状二长花岗岩),平均地壳模式年龄分别为2495~2808Ma(条痕状二长花岗岩)和2633~2868Ma(片麻状二长花岗岩),大于岩石形成年龄,暗示研究区古元古代花岗岩源区主要为太古宙基底,混有少量古元古代新生地壳。因此,研究区古元古代花岗岩形成于低压条件下长英质太古宙地壳的脱水部分熔融。

4.3 构造演化

长期以来,有关辽吉花岗岩的成因及构造一直存在较大的争议。研究区位于龙岗陆块和狼林陆块之间,区内出露的古元古代花岗质岩石均具A型花岗岩特征。A型花岗岩对源岩没有选择,形成于低压条件下,产于地壳伸展减薄的构造背景中[57]。在微量元素环境判别图解上,本文样品点多数落在板内花岗岩(WPG)和岛弧花岗岩(VAG)交界处(图 9)。在SiO2-lgCaO/(K2O+Na2O)图解中,样品点大部分落入伸展型构造背景(图 10-a)。在花岗岩Yb-Sr分类图(图 10-b)上,样品点主要落在V区,属非常低Sr、高Yb的南岭型花岗岩区,其形成压力小于0.8GPa,深度小于30km,形成的构造背景与减薄地壳有关。结合研究区这2类花岗岩均属于铝质高钾钙碱性系列A型花岗岩及进一步划分的A2型花岗岩的特点,同时考虑截止目前为止,研究区及整个华北克拉通还没有发现在2.2亿年前的古元古代存在过一次造山作用[58]。笔者认为,研究区内这2类花岗岩可能形成于非造山的地壳伸展减薄构造背景中。在后期可能发生的俯冲过程中,古元古代花岗岩与周围岩石共同发生了一期变质变形作用最终构造挤压在一起。

图 10 SiO2-lgCaO/(K2O+Na2O)(a)[59]和Yb-Sr图解(b)[59] Fig.10 SiO2-lgCaO/(K2O+Na2O)(a)and Yb-Sr(b)diagrams Ⅰ—高Sr低Yb型(埃达克型花岗岩);Ⅱ—低Sr高Yb型(喜马拉雅型花岗岩);Ⅲ—高Sr高Yb型(广西型花岗岩);Ⅳ—低Sr高Yb型(浙闽型花岗岩);Ⅴ—非常低Sr高Yb型(南岭型花岗岩)

前人认为辽吉活动带的形成与初始裂解形成的原始洋盆、再经历了俯冲-碰撞导致洋盆闭合的构造演化过程有关,并形成一系列高压麻粒岩、超高温麻粒岩等[61]。结合本次工作及前人对辽河岩群继承性碎屑锆石和古元古代花岗岩岩浆锆石U-Pb定年和Hf同位素研究结果显示,辽河岩群继承性碎屑锆石年龄一致,且主要来自于2000~2200Ma古元古代花岗岩和晚太古代基底岩石,从而认为它们可能属于同一太古宙陆块,而不是2个不同的陆块。

综合以上资料分析,笔者认为,王家堡子地区出露的古元古代花岗岩可能形成于东部陆块内部拉伸减薄一裂解过程中的下地壳部分熔融,因而兼具板内花岗岩和弧花岗岩的特征。该套花岗质岩石成为辽河岩群早期里尔峪岩组的主要物质来源,里尔峪岩组变质基性火山岩岩石地球化学特征显示了与活动大陆边缘有关的沉积环境[62-63]。本次新发现的花岗闪长岩与报道的黄花甸地区出露的埃达克质特征的花岗闪长岩[43]同具有弧花岗岩和同碰撞花岗岩的特征,且形成时代与辽河岩群变质时代接近,可能是在俯冲过程中形成的火山弧或活动大陆边缘岩浆活动的产物。古元古代花岗岩与周围岩石共同发生了一期变质变形作用,最终构造挤压在一起。

5 结论

(1)研究区出露的条痕状黑云母二长花岗岩和片麻状黑云母二长花岗岩均为过铝质高钾钙碱性系列的A型花岗岩,具有高的SiO2、K2O含量及K2O/Na2O、Ga/Al值,低的Ga、Zr、Y、Al2O3含量,极低的CaO、MgO、Sc、Cr、Co、Ni、Sr、Eu含量,反映其形成于低压条件下长英质太古宙地壳的脱水部分熔融。

(2)LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测年结果表明,研究区条痕状黑云母二长花岗岩成岩年龄为2191±14Ma(MSWD =0.39);片麻状黑云母二长花岗岩成岩年龄为2214±16Ma(MSWD=1.01),其变质年龄为1905±13Ma(MSWD=4.5),反映后期在俯冲过程中古元古代花岗岩与辽河岩群同期经历了一次变质改造作用。

(3)Hf同位素结果显示,研究区条痕状黑云母二长花岗岩的模式年龄为2387~2584Ma,平均地壳模式年龄为2495~2808Ma;片麻状黑云母二长花岗岩的模式年龄为2474~2641Ma,平均地壳模式年龄为2633~2868Ma,均大于岩石形成年龄,暗示研究区古元古代花岗岩源区主要为太古宙基底,混有少量古元古代新生地壳。

(4)研究区的这2类古元古代花岗岩是在陆块内部拉伸减薄-裂解过程中由下部地壳部分熔融形成的。结合最近报道的黄花甸地区出露的埃达克质花岗闪长岩形成环境,笔者认为,胶-辽-吉古元古代造山/活动带早期经历了2.2~2.15Ca的拉伸裂解过程和2.0Ca左右俯冲挤压的构造演化过程,与近期报道的相邻地区的观点一致,为今后正确理解胶-辽-吉古元古代构造带的构造属性提供了重要的依据。

致谢: 河北省廊坊区域地质调查院实验室在锆石分选中给予了帮助,北京科荟测试技术有限公司在LA-ICP-MS锆石U-Pb及微量元素测试分析中给予了大力帮助,辽宁省地质矿产调查院豆世勇、邴智武、李艳斌等项目组成员在工作中给予支持,在此一并致谢。

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