地质通报  2020, Vol. 39 Issue (5): 670-680  
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彭游博. 辽北开原地区新太古代变质深成岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄及地球化学特征[J]. 地质通报, 2020, 39(5): 670-680.
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Peng Y B. LA-ICP-MS zircon U-Pb age and geochemical characteristics of Neoarchaean metamorphic plutonic rocks in Kaiyuan area of northern Liaoning Province[J]. Geological Bulletin of China, 2020, 39(5): 670-680.
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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, 硕士, 高级工程师, 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: 2019-03-13
修订日期: 2019-03-28
辽北开原地区新太古代变质深成岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄及地球化学特征
彭游博    
辽宁省地质矿产调查院有限责任公司, 辽宁 沈阳 110031
摘要: 辽北开原地区新太古代变质深成岩位于华北板块北缘陆缘活动带东段,主要岩性为二长花岗质片麻岩、花岗闪长质片麻岩和英云闪长质片麻岩,其中英云闪长质片麻岩LA-ICP-MS锆石207Pb/206Pb年龄加权平均值为2489.6±9.1 Ma,为新太古代。新太古代变质深成岩属高钾钙碱性-钾玄岩,准铝-过铝质岩石系列,轻稀土元素较富集,重稀土元素相对亏损,具有下地壳或太古宙沉积岩部分熔融形成的特征。通过岩石学、岩石地球化学和构造环境及就位机制分析,结合邻区构造演化研究,认为辽北开原地区变质深成岩岩浆来自较浅的基性古陆壳局部熔融。大地构造位置可能处在洋壳与陆壳的接触带,说明新太古代清河断裂附近可能出现陆壳碰撞增生活动。闪长质-石英闪长质-花岗闪长质-二长花岗质片麻岩体现了陆壳经历长时间的增生、造陆活动,已由早期的基性陆壳向现今的硅铝质陆壳转变。
关键词: 新太古代    片麻岩    LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄    辽北开原    华北板块    
LA-ICP-MS zircon U-Pb age and geochemical characteristics of Neoarchaean metamorphic plutonic rocks in Kaiyuan area of northern Liaoning Province
PENG Youbo    
Liaoning Survey Academy of Geology and Mineral Resources Co., Ltd., Shenyang 110031, Liaoning, China
Abstract: Located in the Kaiyuan area of northern Liaoning Province on the northern margin of North China, the Neoarchaean metamorphic plutonic rocks are mainly composed of monzonitic granitic gneiss, granodioritic gneiss and quartz dioritic gneiss.According to LA-ICP-MS zircon U-Pb dating, they were formed in Neoarchaean, with the 207Pb/206Pb age of 2489.6±9.1 Ma.Neoarchean metamorphic plutonic rocks belong to high-K calc-alkaline-potassium basalt, quasi-aluminium-peraluminous rock series, and are enriched in LREE and relatively depleted in HREE, characterized by partial melting of the lower crust or Archean sedimentary rocks.Based on an analysis of petrology, petrogeochemistry, tectonic environment and emplacement mechanism, and combined with the study of tectonic evolution in adjacent areas, it is considered that the metamorphic plutonic magma in Kaiyuan area of northern Liaoning came from relatively shallow local melting of basic paleocontinental crust.Geotectonic location was in the contact zone between oceanic crust and continental crust, which indicates that there might have been collision and accretion of continental crust near Qinghe fault in Neoarchean.The diorite-quartz diorite-granodiorite-monzogranitic gneiss body shows that the continental crust has undergone a long period of accretion and continental activity, and has changed from the early basic continental crust to the present silica-alumina continental crust.
Key words: Neoarchean    gneiss    LA-ICP-MS zircon U-Pb age    Kaiyuan of northern Liaoning Province    North China block    

辽宁新太古代变质深成岩主要分布在辽西的建平—阜新、辽东抚顺—清原、鞍山—本溪、辽南金州—庄河及营口地区。岩石类型有闪长质片麻岩、石英闪长质片麻岩、TTG(变质深成岩)片麻岩、斜长(奥长)片麻岩、紫苏英云闪长质片麻岩、英云闪长质片麻岩、花岗闪质片麻岩、二长花岗质片麻岩和花岗质片麻岩。

关于辽北太古宙地质体,现阶段研究多集中于辽东北部的铁岭—抚顺—清源地区,前人采集测定了大量同位素年龄,铁岭孟家寨石英闪长质片麻岩同位素年龄为2562±4 Ma,达子房英云闪长质片麻岩同位素年龄为2513±3 Ma。抚顺新宾平岭后石英闪长质片麻岩,平岭地区锆石U-Pb同位素年龄值为2554±14 Ma,照阳地区锆石U-Pb同位素年龄为2534±24 Ma、2530±10 Ma,清原英云闪长质片麻岩SHRIMP年龄为2497 Ma、2522±15 Ma,锆石U-Pb同位素年龄为2511±27 Ma、2551 Ma,太阳沟顶二长花岗质片麻岩颗粒锆石U-Pb同位素年龄为2579±18 Ma。四方台口似斑状二长花岗质片麻岩同位素年龄为2348.7±7 Ma。但是,对研究区太古宙结晶基底的年龄缺少精确测年,本次通过系统的填图及LA-ICP-MS锆石U-Pb测年,对开原—西丰地区的变质深成侵入体进行了研究,解体出中太古代英云闪长质片麻岩(2857±17 Ma)[1]及新太古代TTG岩系和CA(钙碱性)岩系片麻岩岩性分别为二长花岗质片麻岩、英云闪长质片麻岩和花岗闪长质片麻岩;变质表壳岩主要由斜长角闪岩、角闪变粒岩、黑云角闪变粒岩、浅粒岩等组成。

1 地质背景

研究区位于华北北缘古生代坳陷带及华北陆块龙岗隆起,沙河断裂与寇河断裂之间为中三叠世弧陆碰撞形成的清河构造混杂岩带(图 1)。龙岗隆起内以大面积分布的太古宙基底为特征,后期构造岩浆作用强烈,构造期次复杂多样,从新太古代的鞍山期构造到中生代的燕山期构造均十分发育。西丰晚古生代岩浆弧内主要分布晚二叠世以来的各时期侵入岩,尤以侏罗纪岩浆活动最强烈,其上发育晚侏罗世火山沉积盆地,以印支期、燕山期构造为主。清河构造混杂岩带内中生代以前的地质体均呈构造岩片形式产出,既包括华北陆块太古宙结晶基底及中元古代盖层,又包括陆缘活动带火山岛弧与弧后盆地沉积物。上述地质体的分布受控于近平行的沙河断裂、清河断裂及寇河断裂,被中生代侵入岩焊接在一起[3]

图 1 研究区地质简图(据参考文献[2]修改) Fig.1 Geological map of the study area

本次研究发现,开原八棵树、大孤家地区变质深成岩普遍发生变质变形,原岩结构、构造发生改变。依据岩体特征及分布划分为二长花岗质片麻岩(ηγAr3)、花岗闪长质片麻岩(γδAr3)和英云闪长质片麻岩(γδοAr3)3个岩石单位。

2 岩石学及构造变形特征

英云闪长质片麻岩呈灰色,变余半自形粒状结构,片麻状构造。主要矿物成分为斜长石、角闪石、石英、黑云母。斜长石呈半自形板状,粒径为0.2~3 mm,含量约55%。角闪石呈柱状,粒径为0.2~0.6 mm,含量约5%。石英呈他形粒状,粒径为0.2~1 mm,含量约25%。黑云母为褐色及棕色,鳞片状,片径为0.2~1 mm,含量约15%。

英云闪长岩中发育大量变质表壳岩包体,其形成的面理构造普遍发育在各种类型的变质表壳岩中,由岩石中矿物和矿物集合体定向排列构成。这期片麻理被后期的变质变形作用破坏改造,只有很少被保留下来(图版Ⅰ)。

图版Ⅰ A.英云闪长质片麻岩;B.英云闪长质片麻岩显微照片;C.花岗闪长质片麻岩;D.花岗闪长质片麻岩显微照片;E.二长花岗质片麻岩;F.二长花岗质片麻岩显微照片;G.英云闪长质片麻岩中片麻理S2与表壳岩包体(abl)中S1片麻理斜交;H.英云闪长质片麻岩中的叠加褶皱素描图

后期长英质脉体或变质分异条带形成的肠状褶皱经本次构造叠加作用,形成形态复杂的鞘褶皱、叠加褶皱、“W”、“N”型、“I”型构造置换条带。上述构造置换条带是在早期条带状构造经褶皱变形和构造置换而形成的条带,因而钩状褶皱常见,根据置换作用由弱至强划分为“W”型、“N”型及“I”型。这种叠加褶皱表明了本次构造变形对第二期形成的褶皱构造进行改造[4](图版Ⅰ)。

花岗闪长质片麻岩呈灰白色,变余半自形粒状结构,片麻状构造。主要矿物成分为斜长石、碱性长石、石英、黑云母。斜长石呈半自形板状,粒径为0.2~1.5 mm,含量约50%;碱性长石主要为正长石,呈半自形板状,粒径为0.5~1.5 mm,含量约15%。石英呈他形粒状,粒径为0.3~0.6 mm,含量约20%。黑云母为褐色及棕色,鳞片状,片径为0.2~0.5 mm,含量约15%。

二长花岗质片麻岩呈灰白色,变余半自形粒状结构,片麻状构造。主要矿物成分为斜长石、碱性长石、石英、黑云母。斜长石呈半自形板状,粒径为0.2~1.5 mm,含量约30%;碱性长石主要为条纹长石,呈半自形板状,粒径为0.2~1.5 mm,含量约35%。石英呈他形粒状,粒径为0.2~0.5 mm,含量约25%。黑云母为褐色及棕色,鳞片状,定向平行排列形成片麻状构造,片径为0.1~0.5 mm,含量约10%(图版Ⅰ)。

3 地球化学特征

本次工作共采集主量、稀土、微量元素和硅酸盐样品9件。岩石样品化学分析测试由自然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 新太古代变质深成岩主量、微量和稀土元素分析结果 Table 1 The analytical results of major, trace and rare earth elements of Neoarchaean metamorphic plutonic rocks
3.1 主量元素

岩石主量元素化学成分及含量见表 1。在新太古代片麻岩SiO2-K2O图解(图 2-a)中,英云闪长质和花岗闪长质片麻岩样品落于高钾钙碱性系列,二长花岗质片麻岩样品落于钾玄岩系列。

图 2 新太古代变质深成岩SiO2-K2O图解(a)和铝饱和指数图解(b) (a、b底图分别据参考文献[5][6]) Fig.2 The SiO2-K2O(a)and aluminum saturation index(b)diagrams of the Neoarchaean metamorphic plutonic rocks

英云闪长质片麻岩SiO2含量平均值为54.81%,Al2O3高于正常的平均值,K2O+Na2O平均值为6.62%。K2O平均值为1.97%。A/CNK平均值为0.92,小于1.1,在铝饱和指数图解中落于准铝质区域(图 2-b),反映其属准铝类型岩石;里特曼指数σ平均值为3.7,属碱钙系列;分异指数DI平均值为60.33,分异程度不高。

花岗闪长质片麻岩SiO2含量平均值为58.07%,Al2O3低于正常的平均值,K2O+Na2O平均值为6.40%。K2O平均值为2.42%。A/CNK平均值为0.81,小于1.1,在铝饱和指数图解中落于准铝质区域(图 2-b),反映其属准铝类型岩石;里特曼指数σ平均值为2.87,属钙碱系列;分异指数DI平均值为62.37,分异程度不高。

二长花岗质片麻岩SiO2含量平均值为67.12%,Al2O3平均值15.03%,高于正常的平均值,K2O+Na2O平均值为7.96%。K2O平均值为3.05%。A/CNK平均值为1.07,介于1.0~1.1之间,反映其属准铝-过铝岩石的过渡类型;里特曼指数σ平均值为2.75,属钙碱系列;分异指数DI平均值为81.66,分异程度较高[7]

3.2 微量和稀土元素

英云闪长质片麻岩微量元素Rb、Sr、Ba的平均含量与太古宙英云闪长岩-奥长花岗岩相比,Rb平均含量介于太古宙英云闪长岩-奥长花岗岩之间,Sr远高于太古宙英云闪长岩-奥长花岗岩的平均含量,Ba平均含量略高于太古宙英云闪长岩-奥长花岗岩。K/Rb值为262.82,Rb/Sr值为0.08,Ba/Sr值为0.79,表现出与太古宙英云闪长岩-奥长花岗岩中高Al2O3型值相近。

花岗闪长质片麻岩微量元素Rb、Sr、Ba的平均含量与标准值相比,Rb平均含量接近于陆壳平均值,Ba高于陆壳标准值,与维式花岗岩值相近。K/Rb值为298.88,Rb/Sr值为0.08,Ba/Sr值为0.86。综上表明该花岗岩可能来源于陆壳。

二长花岗质片麻岩微量元素Rb、Sr、Ba的平均含量与太古宙花岗岩相比,Rb平均含量低于太古宙花岗岩,Sr高于太古宙花岗岩的平均含量,Ba高于太古宙花岗岩的平均含量。K/Rb值为394.60,Rb/Sr值为0.23,Ba/Sr值为2.53。以上特征表明该花岗岩可能来源于地壳[8](图 3-a)。

图 3 新太古代变质深成岩微量元素上地壳标准化图(a)和稀土元素球粒陨石标准化模式图(b) (球粒陨石标准值据参考文献[9]; 上地壳标准值据参考文献[10]) Fig.3 The diagram of trace elements(a)and REE patterns(b)of the Neoarchaean metamorphic plutonic rocks

英云闪长质片麻岩稀土元素总量平均值∑REE=224.23×10-6,LREE/HREE=10.97,LaN/YbN=13.30,表明稀土元素具较高的分异程度,轻稀土元素相对富集,重稀土元素相对亏损。δEu=0.81,说明其为古老的花岗岩类,下地壳或太古宙沉积岩部分熔融形成;Sm/Nd =0.17,也显示出英云闪长质片麻岩接近于地壳标准值。

花岗闪长质片麻岩稀土元素总量平均值∑REE=191.74×10-6,LREE/HREE=9.71,LaN/YbN=13.10,表明稀土元素具较高的分异程度,轻稀土元素相对富集,重稀土元素相对亏损。δEu=0.92,说明其为古老的花岗岩类,由下地壳或太古宙沉积岩部分熔融形成;Sm/Nd =0.18,也显示出花岗闪长质片麻岩来源与地壳有关。

二长花岗质片麻岩稀土元素总量平均值∑REE=179.28×10-6,LREE/HREE=16.80,LaN/YbN=19.13,表明稀土元素具较高的分异程度,轻稀土元素相对富集,重稀土元素相对亏损。δEu=1.09,说明其为古老的花岗岩类,由下地壳或太古宙沉积岩部分熔融形成;Sm/Nd =0.17,也显示出二长花岗质片麻岩来源于地壳[11](图 3-b)。

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(RZ09)为英云闪长质片麻岩,采样位置的地理坐标为北纬42°21′44″、东经124°39′21″。

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图像的拍摄由南京宏创地质勘查技术服务有限公司完成,LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb同位素分析在北京燕都中实测试技术有限公司完成。

U-Th-Pb同位素测定中采用标准锆石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参考文献[10]。锆石U-Pb谐和图绘制和加权平均值计算均采用Isoplot/Ex_ver3[12]完成。

从阴极发光图像(图 4-a)可以看出,锆石均具有典型的核幔结构。本次对锆石内核进行了测年,得到的年龄代表了该岩石的成岩年龄。样品锆石的内核形态规则或不规则,大都具有较清晰的岩浆环带,为岩浆成因锆石。20个内核锆石数据点U、Th含量分别为35×10-6 ~ 743×10-6、36×10-6~281×10-6。20个点中Th/U值为0.21~2.01,显示岩浆锆石特点(表 2)。20个核部锆石数据点的207Pb/206Pb年龄加权平均值为2489.6±9.1 Ma(MSWD=1.02),数据点均靠近或在其附近(图 4-b),应代表英云闪长质片麻岩原岩的形成年龄[13-14]

图 4 英云闪长质片麻岩锆石阴极发光(CL)图像、测点编号、207Pb/206Pb年龄(a)及U-Pb谐和图(b) Fig.4 Zircon CL images, measuring point number, 207Pb/206Pb ages(a)and U-Pb concordia diagram of quartz dioritic gneiss
表 2 英云闪长质片麻岩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 quartz dioritic gneiss

此外,在研究区清河断裂以北营厂一带的清河镇岩群[3]中识别出了大量新太古代变质表壳岩(2524±18 Ma、2503±10 Ma)。它们呈规模不等的包体、孤岛状形态赋存于中生代岩体中,或与佟家屯岩组、照北山岩组呈断层接触,出露面积不等。

研究进一步表明,开原地区新太古代变质表壳岩主要由斜长角闪岩、黑云角闪变粒岩、角闪石岩、浅粒岩及黑云角闪斜长片麻岩组成,原岩为一套中性-中基性的火山岩建造,与清河断裂以南华北克拉通北缘广泛分布的红透山岩组可以对比。对八家子处的斜长角闪质糜棱岩进行LA-ICP-MS锆石U-Pb测年[15],结果表明斜长角闪质糜棱岩年龄为2522±15 Ma,时代为新太古代。

5 讨论 5.1 温压及成岩环境探讨

由Ab-Q-Or压力图解(图 5-a)及Ab-Q-Or温度图解(图 5-b)可知,新太古代英云闪长质片麻岩结晶温度为700 ℃左右,压力大于1 GPa,换算成深度应大于33 km。花岗闪长质片麻岩结晶温度为650~700 ℃,1个样品压力0.05~1 GPa,另外2个样品大于1 GPa,换算成深度约为33 km。二长花岗质片麻岩结晶温度为670~700 ℃,压力0.05~1 GPa,平均为0.8 GPa,换算成深度为26.4 km。

图 5 新太古代变质深成岩温度(℃)(a)及压力(GPa)图解(b) Fig.5 The temperature(a)and pressure(b)diagrams of the Neoarchaean metamorphic plutonic dioritic gneiss

新太古代片麻岩在CaO-Na2O-K2O图解(图 6-a)上,英云闪长质片麻岩、花岗闪长质片麻岩、二长花岗质片麻岩呈钙碱岩系变化趋势,σ在1.60~2.87之间,属钙碱岩系。稀土元素分析结果及配分曲线显示,其与太古宙TTG岩石较相似,Eu异常不明显。

图 6 新太古代变质深成岩CaO-Na2O-K2O图解(a)及YbN-(La/Yb)N图解(b) Fig.6 The CaO-Na2O-K2O(a) and YbN-(La/Yb)N(b) diagrams of the Neoarchaean metamorphic plutonic rocks TTG—变质深成岩;CA—钙碱性岩;UM—上地幔;CFB—洋壳

在YbN-(La/Yb)N图解(图 6-b)上,英云闪长质片麻岩与花岗闪长质片麻岩样品点主要落入大陆上部地壳区域之上,二长花岗质片麻岩样品点落于太古宙TTG岩石区附近,其中1个样品点落入含石榴角闪岩区,2个样品点落入太古宙TTG岩石曲线右侧,说明其岩浆可能由地壳部分熔融作用形成。在(Y+Nb)-Rb图解与Yb-Ta图解(图 7)上,除英云闪长质片麻岩有1个样品点落于板内花岗岩与火山弧花岗岩环境接触部位外,其他均落于火山岛弧区域,表明大地构造位置可能处在洋壳与陆壳过渡区域的火山岛弧区域。

图 7 新太古代变质深成岩(Y+Nb)-Rb(a)和Yb-Ta图解(b) Fig.7 The (Y+Nb)-Rb(a)and Yb-Ta(b)diagrams of the Neoarchaean metamorphic plutonic rocks 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
5.2 构造环境及就位机制

综合研究表明,新太古代片麻岩的成因源于地幔物质上涌及“地壳硅铝层”的部分熔融作用,而由这种“地壳硅铝层”构成古陆壳尚不属于传统认识上的硅铝壳,基本上由偏基性岩石组成。在岩石中经常见到基性岩包体(角闪石岩、辉石岩和闪长岩),代表了源区的物质成分,这些物质在古—中太古代的古陆核伴随大规模的岩浆活动,在新太古代形成了闪长质-石英闪长质-花岗闪长质-二长花岗质片麻岩,该新太古代花岗片麻岩岩石类型显示早期以英云闪长质片麻岩为主,中期为英云闪长质片麻岩-花岗闪长质片麻岩,晚期大规模二长花岗岩就位,标志成熟陆壳形成。这也暗示,新太古代末期的陆壳不再是早期的基性,而是偏硅铝质,岩石化学特征显示为钙碱性岩浆系列,但是岩浆分异作用强烈,从Eu异常不明显到负Eu异常,反映来源为地幔源到壳源转化的过程。由于陆壳经历长时间的增生、造陆活动,已由早期的基性陆壳向现今的硅铝质陆壳转变。

6 结论

(1) 辽北开原八棵树—大孤家地区英云闪长质片麻岩锆石207Pb/206Pb年龄加权平均值为2489.6±9.1 Ma(MSWD=1.02),代表了原岩的形成年龄,应为新太古代。

(2) 辽北开原地区变质深成岩呈钙碱岩系演化的趋势,岩浆来自较浅的基性古陆壳局部熔融。大地构造位置可能处在洋壳与陆壳的接触带,说明在清河断裂附近出现陆壳碰撞增生活动。

(3) 在新太古代形成了闪长质-石英闪长质-花岗闪长质-二长花岗质片麻岩,体现了陆壳经历长时间的增生、造陆活动,已由早期的基性陆壳向现今的硅铝质陆壳发生转变。

致谢: 野外工作得到中国地质调查局沈阳地质调查中心李东涛主任、辽宁省地质调查院相关领导、刘锦等同事的指导与帮助,文章编写中得到东北大学王恩德教授的帮助与指导,审稿专家提出的宝贵修改意见,测试工作得到自然资源部沈阳矿产资源监督检测中心、南京宏创、北京燕都中实公司在岩石地球化学、锆石测年中的帮助,在此一并致谢。

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