0 引言
华北克拉通是中国最古老的克拉通，其上有3条古元古代造山带，分别为孔兹岩带、中部造山带和胶—辽—吉造山带[1-2]。其中，胶—辽—吉造山带位于华北克拉通东部，带内发育巨量的古元古代火山-沉积建造，包括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，总体呈NE向展布，延伸规模长约1 000 km、宽50~300 km[3]。辽河群作为胶—辽—吉造山带重要的古元古代岩石单元，区内岩石经历了低绿片岩—角闪岩相的变质作用，并被多期花岗质岩石和基性岩侵入[2, 4-9]。辽河群研究历史悠久，但有关辽河群的构造环境却一直存在争议。关于辽河群的形成环境有不同的观点：一种观点认为其是在太古宙克拉通基础上由于张裂作用形成的拗拉槽或大陆裂谷[10]；第二种观点认为其地质环境接近俯冲带的活动大陆边缘盆地或弧后盆地[11]；第三种观点认为南、北辽河群是分别形成于两个不同大陆边缘的变质岩系后拼贴在一起的[12]。问题焦点在于南、北辽河群是否为同一盆地内同时异相沉积的地层，以及狼林地块和龙岗地块是否为同一古陆裂开的产物[13]。有鉴于此，本文对南、北辽河群不同组的岩石单元进行采样，并进行了较为详细的岩石学和锆石U-Pb年代学研究，再结合前人的相关研究来探讨南、北辽河群的沉积时代、沉积环境和物源区的差异，以期为深入揭示辽东半岛古元古代构造演化提供有价值的资料。
1 区域构造背景胶—辽—吉造山带位于华北克拉通东部，呈北东—南西向展布(图 1a)，前人研究认为该造山带与北部龙岗地块[14]以及南部辽南—狼林地块这两块太古宙古陆均呈构造接触[15](图 1b)。龙岗地块由大量太古宙英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩(TTG)组合[11]、少量变质表壳岩系[16]，以及古元古代变基性岩(约1.8 Ga)组成。传统观点认为，辽南—狼林地块主要由太古宙—古元古代基底岩石组成[8]，但最近的研究结果表明，辽南—狼林地块主要由古元古代(1.9~1.8 Ga)的岩石组成，太古宙岩石的比例极为有限[17]。据此，传统的辽南—狼林地块可能不存在，其可能是一条古元古代岩浆弧(含有与龙岗地块相似的新太古代基底残留)，是胶—辽—吉造山带的一部分[18]。辽河群分布于胶—辽—吉造山带中部辽南地区，从辽宁省西南部的海城、大石桥和盖县经凤城延伸至东北部的浑江地区。由于区域上辽河群在岩性、变质变形程度和混合岩化程度等方面存在差异，传统上以盖县—析木城—塔子岭—茳草甸子—叆阳一线为界，进一步将辽河群划分为南辽河群和北辽河群[3]。其中，北辽河群自下而上发育浪子山组、里尔峪组、高家峪组、大石桥组和盖县组，“一群五组”发育齐全[19]；而南辽河群自下而上发育里尔峪组、高家峪组、大石桥组和盖县组，无浪子山组，但盖县组比北辽河群发育。变质程度上，南辽河群的变质程度要明显高于北辽河群。
鉴于南辽河群北部已有较多的碎屑锆石数据(图 1b)，本文选取北辽河群和南辽河群南部6件变沉积岩样品进行了碎屑锆石年代学研究，具体采样位置见图 1b。
样品17XW011-2钙质粉砂岩采自连山关镇西部西岔村附近的里尔峪岩组(123°40′49″E，40°58′19″N)。在显微镜下岩石由粒度较细的白云母石英片岩和粒度较粗的石英大理岩两部分组成，说明其原岩形成于浅海潮坪相的环境，并且两部分都有石墨的出现，指示在当时的水深条件下生命活动较为旺盛。主要矿物为：石英(40%~45%)，粒径为0.01 mm；方解石(40%~45%)，粒径约为0.50 mm；白云母，约为10%，粒径约为0.01 mm；石墨，约为5%，粒径约为0.50 mm(图 2a)。
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| a.钙质粉砂岩；b.石英大理岩；c.石英大理岩；d.变质砂岩；e.变质砂岩；f.二云母片岩。Pl.斜长石；Qtz.石英；Ms.白云母；Mag.磁铁矿；Gr.石墨；Cal.方解石；Bt.黑云母；Ser.绢云母。 图 2 辽东半岛辽河群变沉积岩样品显微图像 Fig. 2 Micrographs of metasedimentary samples for the Liaohe Group in the Liaodong Peninsula |
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样品15SM07-4石英大理岩采自河栏镇三道河村附近的高家峪组(123°24′29″E，40°59′33″N)，中粗粒粒状变晶结构，块状构造。主要矿物为：石英(30%~35%)，粒径为0.05~0.15 mm；方解石(65%~70%)，粒径为0.2~0.5 mm；少量不透明暗色矿物(图 2b)。
样品17XW001-2石英大理岩采自连山关镇南部棒槌岭村附近的大石桥组(123°45′43″E，40°55′48″N)，中粗粒粒状变晶结构，块状构造。主要矿物为：石英(30%~35%)，粒径为0.1~0.3 mm；方解石(65%~70%)，粒径约为0.5 mm(图 2c)。
样品XY9-1变质砂岩采自岫岩县瞪眼岭附近的盖县组(123°19′2″E，40°13′5″N)，细粒粒状变晶结构，块状构造。主要矿物为石英(50%~60%)、长石(20%~25%，斜长石多于碱性长石)、黑云母(5%~10%)及少量磁铁矿(3%)，矿物粒径为0.1~0.5 mm(图 2d)。
样品SZ04变质砂岩采自苏子沟镇大岭庙附近的盖县组(123°25′01″E，40°25′05″N)，中细粒粒状变晶结构，块状构造。主要矿物为石英(50%~60%)、长石(20%~25%，斜长石多于碱性长石)、黑云母(5%~10%)及少量磁铁矿(3%)，矿物粒径为0.2~0.8 mm，部分长石发生了绢云母化蚀变(图 2e)。
样品D1093-2二云母片岩采自苏子沟镇大何家堡子附近的盖县组(123°21′05″E，40°26′25″N)，中细粒粒状鳞片变晶结构，片状构造。主要矿物为石英(25%~30%)、长石(20%~25%，斜长石多于碱性长石)、黑云母(25%~30%)、白云母(20%~25%)及少量磁铁矿(3%)，矿物粒径为0.2~1.0 mm(图 2f)。
3 锆石U-Pb年代学 3.1 分析测试方法锆石分选工作在河北省廊坊区域地质调查院矿物分选实验室完成。采用磁选和重液分离技术从样品中分选出不同粒级的锆石，在双目镜下挑选颗粒相对完整的锆石晶体。将挑选出的锆石颗粒制靶，进行透射光和阴极发光照相(CL)，以观察其内部结构和选择合适年龄测试位置。
LA-ICP-MS锆石U-Pb原位定年分析在南京聚谱检测科技有限公司完成。193 nm ArF准分子激光剥蚀系统由Teledyne Cetac Technologies制造，型号为Analyte Excite。四极杆型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)由安捷伦科技(Agilent Technologies)制造，型号为Agilent 7700x。准分子激光发生器产生的深紫外光束经匀化光路聚焦于锆石表面，能量密度为6.0 J/cm2，束斑直径为25 μm，频率为6 Hz，共剥蚀45 s，剥蚀气溶胶由氦气送入ICP-MS完成测试。以标准锆石91500为外标，校正仪器质量歧视与元素分馏；以标准锆石GJ-1为盲样，检验U-Pb定年数据质量；以NIST SRM 610为外标[20-21]。数据处理采用ICPMSDataCal软件离线处理[20, 22]。年龄数据的U-Pb谐和图、年龄分布频率图绘制和年龄权重平均计算同样采用的是Isoplot v. 3.23程序[23]。同位素比值和年龄误差均为1 σ。
3.2 锆石U-Pb年代学测试结果样品17XW011-2钙质粉砂岩的锆石自形程度较高，以短柱状或次圆状为主，部分锆石呈次棱角状，显示出碎屑锆石的特征(图 3a)。晶形相对完整的锆石颗粒长轴以60~80 μm为主，短轴以30~50 μm为主，长/宽比为1.5~2.5。阴极发光(CL)图像显示，大部分锆石具有清晰的振荡环带，Th/U值范围为0.48~1.33(表 1)。
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| 圆代表年龄分析点位，其直径为36 μm。 图 3 辽东半岛辽河岩群变沉积岩典型碎屑锆石阴极发光图像 Fig. 3 Cathodoluminescence images of detrial zircons from meta-sedimentary rocks for the Liaohe Group in the Liaodong Peninsula |
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样品15SM07-4石英大理岩的锆石自形程度较高，以短柱状为主，锆石呈棱角—次棱角状的磨圆，显示出碎屑锆石的特征。大部分锆石颗粒长轴以50~90 μm为主，短轴以30~50 μm为主，长/宽比为1.2~2.5(图 3b)。阴极发光(CL)图像显示，大部分锆石具有清晰的振荡环带，Th/U值范围为0.41~1.24(表 1)。
样品17XW001-2石英大理岩的锆石自形程度较高，以椭球状或次圆状为主，部分锆石呈次棱角状，锆石都具有一定程度的磨圆，显示出碎屑锆石的特征。晶形相对完整的锆石颗粒长轴以50~70 μm为主，短轴以30~60 μm为主，长/宽比为1.5~2.5。阴极发光(CL)图像显示，大部分锆石具有清晰的振荡环带(图 3c)，Th/U值范围为0.57~1.72(表 1)，应为岩浆成因的碎屑锆石。
样品XY9-1、SZ04及D1093-2变沉积岩采自南辽河群的盖县组，其锆石无色透明，呈椭球状、短柱状，部分锆石因破碎而呈不规则状。锆石颗粒大小不一，长轴以80~150 μm为主，短轴以40~100 μm为主，长/宽约为2:1。锆石Th/U值范围为0.30~1.82(表 1)。阴极发光(CL)图像显示，大部分锆石具有清晰的振荡环带，表明其岩浆成因(图 3d, e, f)；也有一小部分锆石发育深灰色或灰白色的均匀窄边，这个边缘是锆石在后期变质过程中所形成的变质边。由于变质程度低，变质边非常狭窄，无法测定岩石的变质年龄，故本文所测锆石年龄均为锆石结晶年龄(图 4)。
整个辽河群的研究程度较高，区域上前人[24-25]所做的碎屑锆石研究也不计其数，由于工作量巨大，笔者选取了最近5年对该区域所做碎屑锆石研究较多的学者们的碎屑锆石数据进行了分析对比。他们的样品多集中于40°20′N—40°50′N的南辽河群，而本文则在北辽河群采集了大石桥组、高家峪组、里尔峪组的样品各1份，以及南辽河群盖县组样品3份(图 1b)，以期对该区碎屑锆石样品有一个整体的把握。里尔峪组碎屑锆石的207Pb/206Pb年龄分布直方图见图 4a。里尔峪组的碎屑锆石集中分布于2 200~ 2 000 Ma，两组数据的峰值年龄分别为2 130和2 159 Ma，本文所测的北辽河群里尔峪组碎屑锆石分析点虽然不多，但这些数据还是呈现出了2 159 Ma峰值年龄，具有一定的意义。高家峪组和大石桥组碎屑锆石的207Pb/206Pb年龄分布直方图见图 4b, c。南、北辽河群高家峪组均呈现出约2 500 Ma年龄是主要峰值的特征；南、北辽河群大石桥组碎屑锆石则都具有约2 160和约2 500 Ma的年龄峰值，不同的是南辽河群大石桥组以年轻碎屑锆石为主导，北辽河群则恰恰相反。盖县组碎屑锆石的207Pb/206Pb年龄分布直方图见图 4d，盖县组碎屑锆石集中分布于2 197~2 044 Ma，并具有约2 040 Ma的主峰值年龄，2 170和2 500 Ma的次峰值年龄，与前人数据对比，本文数据2 500 Ma年龄的碎屑锆石比例略大，这是由于样品分析点相对较少，纵坐标数值较小造成的。总体而言，辽东弓长岭—岫岩一带南、北辽河群同组岩石的碎屑锆石具有相似的年龄分布特征。
4.2 辽东弓长岭—岫岩地区辽河群的物源胶—辽—吉造山带在古元古代经历了多期次岩浆事件[27-31]，产生了2.2~2.0 Ga的花岗质岩石(主要为条痕状花岗岩)和1.87~1.84 Ga斑状花岗岩[32-33]。本次研究的6件变沉积岩样品中除高家峪组样品15SM07-4(表 1)仅含少量2.2~2.1 Ga的岩浆锆石年龄外，其余样品均包含大量的2.2~2.0 Ga碎屑锆石年龄，这与古元古代花岗质岩石的年龄一致，表明古元古代花岗质岩石是辽河群的一个重要的物源。这与前人[4-5, 26, 34]所得出的辽吉花岗岩是辽河群重要物源的观点一致。而峰值年龄为2 500、2 790、3 000和3 160 Ma的锆石年龄变化于3 160~2 500 Ma之间，这与构造带两侧的太古宙基底3.80~2.50 Ga的年龄相一致[35]。其中，胶—辽—吉造山带北侧的龙岗地块主要出露新太古代英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩组合(TTG)以及少量的始太古代至中太古代的基底岩石，其岩石的出露年龄介于3.8~2.5 Ga之间[36]，以约2.5 Ga的岩浆岩的广泛分布为特征。一些学者[28]认为辽南—狼林地块主要由太古宙以及古元古代的表壳岩和花岗岩类组成，但近几年来对贯穿辽南地块数条河流中河沙的碎屑锆石的研究表明，辽南—狼林地块主要由古元古代(1.9~1.8 Ga)的物质组成，太古宙岩石的比例极为有限，所以辽南—狼林地块与传统的胶—辽—吉带可能一起构成了华北克拉通在古元古代期间东南大陆边缘的巨型造山带[17, 37]。一些学者[6, 9-10]认为的裂谷模式，其物源应来自于两侧克拉通基底，碎屑锆石应以约2.5 Ga老的碎屑锆石为主，这与本文数据所得出的结果不符。综上所述，南、北辽河群具有相似的物源，主要物源为辽吉古元古代花岗质岩石，次要物源为太古宙基底岩石，这是裂谷模式[10]和南、北辽河群分属两个不同大陆边缘的“同时异相”模式[12]无法解释的。
4.3 辽东弓长岭—岫岩地区辽河群的构造背景探讨一般而言，同一地区最老变质锆石的变质年龄要晚于发生变质的沉积岩的沉积结束年龄，前人曾对南、北辽河岩群的变质时代进行过大量研究，将辽河群的变质时代的最大年龄值限定在1.93 Ga左右[2, 4-5]，刘福来等[15]在进一步对南、北辽河岩群富铝片岩-片麻岩进行锆石年代学研究的基础上，得到了更高的约1.95 Ga最老变质锆石的变质年龄。这说明在约1.95 Ga辽河群沉积作用基本结束。传统上认为辽河群从下往上依次沉积了浪子山组、里尔峪组、高家峪组、大石桥组和盖县组，但在野外的调查发现各组之间多以构造接触为主。陈井胜等[38]通过对辽阳地区大石桥组大理岩中所发现的酸性火山岩夹层进行测年，得到了(2 171±11)Ma岩浆锆石的年龄，认为大石桥组形成于这个时期。一些学者所做的里尔峪组云母片岩样品中得到了2 079~1 987 Ma的碎屑锆石年龄，峰值年龄为2 010 Ma，这是目前所有辽东半岛里尔峪组样品中最年轻的年龄峰值[24]；Wang等[25]通过对辽东半岛三家子地区南辽河群四大组岩石超过800多个碎屑锆石样品点的分析，排除受后期变质作用影响而导致的部分锆石重结晶或Pb丢失等情况，选取各组中具有振荡环带特征的最年轻谐和锆石年龄，将里尔峪组、高家峪组、大石桥组和盖县组的最大沉积年龄分别限定在(2 050±36)、(2 069±30)，(2 043±37)和(1 915±42)Ma。陈井胜等[39]认为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。结合前人资料，本人认为辽河群的形成时代在2.20~1.95 Ga，但各组形成的准确时代却不能限定。
根据不同构造环境下锆石形成和储存能力的不同，碎屑锆石结晶年龄(CA)与寄主沉积岩沉积年龄(DA)的相关图解能够很好地约束沉积岩的构造环境[40]。将本项目组获得的以及部分前人所做的辽河群各组碎屑锆石投到堆积比例-207Pb/206Pb年龄图中，并考虑分别以2 100~2 050、2 070~2 000、2 040~2 000和2 000~1 950 Ma作为里尔峪组、高家峪组、大石桥组和盖县组的沉积年龄，结果见图 5。在图 5中，所有里尔峪组样品均落入汇聚盆地区域(图 5a)，高家峪组样品则均落入碰撞盆地区域(图 5b)，两组大石桥组样品也均落入碰撞盆地区域(图 5c)，盖县组除样品XY9-1落入碰撞盆地区域外，其余均落入汇聚盆地区域(图 5d)。无论从碎屑锆石年龄分布、物源还是构造环境上来看，本文数据呈现出南、北辽河群具有一致性的特点。
基性岩浆能够直接反映地幔源区特征以及构造环境。南、北辽河群均出露一定规模的基性岩墙群，研究者们也对南、北辽河群基性岩做了大量的研究工作。北辽河群变基性岩呈面状分布，以岩床、岩墙或者脉岩的形式侵入于北辽河群中；南辽河群受古元古代构造变形和变质作用改造强烈，出露其中的很多基性岩石零散分布于变沉积岩中，以往区域调查多将这些变基性岩划归于各个变沉积岩地层中，而没有像北辽河群中那样单独划分出来，导致了南辽河群变基性岩的研究偏少[41-43]。一些学者[42-43]通过对南辽河群少量的变基性岩与大量北辽河群的变基性岩在年代学和地球化学化学等方面进行了对比，发现：1)南、北辽河群变基性岩具有几乎完全一致的岩浆结晶年龄(约2 110 Ma)和变质年龄(约1 880 Ma)；2)南、北辽河群变基性岩具有完全一致的地球化学组成；3)辽河群变基性岩的全岩地球化学和Sm-Nd同位素研究表明，它们是尖晶石稳定域内亏损软流圈地幔部分熔融的产物，受到有限的与俯冲相关的流体交代作用改造，并在岩浆上升过程中伴随有结晶分异和地壳混染；4)辽河群变基性岩同时具有洋中脊玄武岩和部分弧玄武岩的地球化学特征，明显不同于典型火山弧或大陆裂解相关的基性岩，而类似于弧后伸展环境下形成的玄武质岩石。
前人认为北辽河群为顺时针p-T(变质作用)演化轨迹，南辽河群为逆时针p-T变质作用演化轨迹[8, 12, 44]，但近年来的研究发现，南辽河群及与之可对比的集安群、荆山群也均具有顺时针p-T变质作用演化的特点[15, 45-46]。白瑾等[11]认为胶—辽—吉造山带是接近俯冲带的活动大陆边缘或弧后盆地；王惠初等[13]认为辽吉古元古代造山带的沉积环境为弧后盆地，且辽南地块主要表现为一个古元古代岩浆弧；陈斌等[47]也认为胶—辽—吉造山带的形成与弧-陆碰撞有关；结合本文数据以及前人的研究，我们发现出露于南、北辽河群的变基性岩以及变沉积岩具有几乎完全相同的特征，而且它们也都经历了顺时针的p-T变质作用演化过程[45-46]。因此，我们认为南、北辽河群可能是一套沉积建造，它们形成于一个弧后盆地中，一同经历了后期的构造演化。
5 结论1) 辽东弓长岭—岫岩地区南、北辽河群具有相似的碎屑锆石年龄分布特征，并且它们物源一致，其沉积物主要来自古元古代花岗质岩石(2.2~2.0 Ga)，次要物源为相邻太古宙基底(约2.5 Ga)。
2) 结合前人的研究资料，辽东弓长岭—岫岩地区南、北辽河群中的基性岩以及变沉积岩的U-Pb年代学及地球化学数据等方面一致性表明它们是形成于同一个盆地中的一套沉积地层。
3) 辽东弓长岭—岫岩地区南、北辽河群形成于弧后伸展的构造环境，并在古元古代时期经历了相同的构造演化过程。
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