2. 中山大学地球科学与工程学院, 广州 510275
2. School of Earth Science and Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China
0 引言
研究区位于华北板块北缘东段,由于该区域中生代岩浆活动较为活跃,岩浆岩分布广泛,因此众多学者对中生代该地区遭受的破坏存在着很多争议,主要观点集中于古亚洲洋如何闭合、扬子板块与华北板块如何碰撞拼贴等[1]。华北板块破坏不是一个特殊的地质现象,而是特定构造环境下大陆岩石圈演化的产物。对华北板块破坏的研究意义,不仅在于其东部破坏程度明显超过世界上其他的板块,成为古老板块遭受破坏的最典型地区,还在于其中、西部岩石圈局部改造或减薄可能还反映了板块演化过程中另一个更为普遍的现象和规律。
华北板块北部三叠纪岩浆岩带主要呈东西向及北东向展布于冀北—辽—吉中地区,是三叠纪对二叠纪构造运动的继承。东西向岩浆岩带主要包括赤峰娄子店二长花岗岩、张家口谷嘴子花岗岩、冀东都山花岗岩、延边二长花岗岩、和龙勇新二长花岗岩、和龙八家子石英闪长岩、凌源柏杖子花岗岩、赛马—柏林川霞石正长岩、建平正长花岗岩和二长花岗岩以及辽宁法库辉长岩等[2]。北东向岩浆岩带主要包括辽东的老尖顶子闪长岩、于家村正长岩、双牙山花岗岩、岫岩花岗岩及其镁铁质包体,吉林南部的龙头石英闪长岩-花岗闪长岩、小苇沙河二长花岗岩、岔信子花岗闪长岩、蚂蚁河辉石闪长岩-二长花岗岩以及胶东的甲子山和槎山岩体等①。锆石U-Pb年龄表明:东西向岩浆岩带岩体形成时代集中在255~220 Ma之间,与华北板块与西伯利亚板块的碰撞拼合有关[3];北东向岩浆岩带岩体形成时代主要集中在221~210 Ma之间,是华北板块与扬子板块碰撞拼合的产物[4]。
① 杨中柱, 陈树良, 董万德, 等.中国区域地质志:辽宁志.大连:辽宁省地质勘查院, 2017.
辽宁1:5万卧龙泉等4幅区域地质矿产调查工作②在详实的野外地质调查基础上[5],在辽宁南部盖州万福—岫岩龙潭地区新识别出多处花岗岩岩体,通过LA-ICP-MS锆石U-Pb测年,年龄多集中于220~205 Ma之间②。本次工作依据野外实际地质填图,对前豹沟岩体(T3ρηγ)、黑砬沟岩体(T3ηγ)两个岩体进行了研究,以确定岩体的岩石学特征、形成时代及地球化学特征,并结合区域岩浆分布特征,以探讨该时期辽宁南部盖州万福—岫岩龙潭地区大地构造背景及侵位机制。
② 彭游博, 赵辰, 刘文彬, 等.辽宁1:5万卧龙泉等4幅区域地质矿产调查报告.沈阳:辽宁省地质矿产调查院, 2019.
1 研究区地质背景研究区位于华北板块东部胶—辽—吉活动带内,区内古元古代的中浅变质岩系构成结晶基底——辽河岩群,主要分布盖县岩组(图 1);其上则由中元古代的榆树砬子组构成似盖层,其在变质变形上与下伏和上覆地质体均存在明显差异;似盖层之上由新元古代永宁组以来的浅变质和未变质沉积岩系构成盖层。区域应力场强烈的位伸应变和收缩作用,导致不同地质体中产生多级组合的韧脆性剪切滑脱变形、褶皱变形,并最终导致脆性断裂系统的形成。
侵入岩主要以古元古代及中生代为主。古元古代侵入岩主要以花岗岩为主,分别为中细粒二长花岗岩、中细粒似斑状黑云母二长花岗岩、细粒黑云母二长花岗岩和细粒正长岩。中生代三叠纪的侵入岩主要为碱性岩类和二长花岗岩类,分布于岫岩地区的西部和北部。侏罗纪、白垩纪是岩浆侵入活动最为强烈的时期,侏罗纪侵入岩以二长花岗岩为主,其次为花岗岩和花岗闪长岩,主要以面状分布于本溪、岫岩、盖州东部、瓦房店东部等地。白垩纪侵入岩主要为黑云母二长花岗岩及少量的花岗闪长岩,主要分布于盖州粱屯及岫岩龙潭沟等地。
2 岩石学特征黑砬沟岩体主要分布在研究区东部黑砬沟一带,呈不规则状产出,侵入到前豹沟中细粒似斑状黑云母二长花岗岩中。岩体主要岩性为浅肉红色中细粒黑云母二长花岗岩(图 2a)。岩石呈灰白色,中细粒花岗结构,块状构造。矿物成分主要由黑云母(体积分数5%)、石英(体积分数20%)、斜长石(体积分数40%)、条纹长石(体积分数25%)及微斜长石(体积分数10%)组成(图 2b)。黑云母呈片状,单偏光下褐红色,发育有一组极完全解理,多色性明显,正中突起,平行消光,二轴晶负光性,方向性分布,具叶绿泥石化,片径为0.5~1.0 mm(图 2c);石英呈他形晶,粒状,单偏光下无色透明,正低突起,正交偏光下干涉色一级黄白,一轴晶正光性,粒径约为1.0 mm;斜长石呈半自形晶,板状,单偏光下无色透明,正交偏光下干涉色一级灰白,发育有聚片双晶,具黝帘石化,粒径为1.0~3.0 mm;条纹长石呈半自形晶,板状,单偏光下无色透明,正交偏光下干涉色一级灰白,发育有条纹双晶,粒径为1.0~2.0 mm;微斜长石呈半自形晶,板状,单偏光下无色透明,正交偏光下干涉色一级灰白,发育有格子双晶,粒径为0.5~3.0 mm(图 2d)。
前豹沟岩体主要分布于研究区东侧,侵入到古元古代坎子岩体中,被黑砬沟中细粒黑云母二长花岗岩侵入。岩体主要岩性为中细粒似斑状黑云母二长花岗岩。岩石呈灰白色,总体为似斑状结构,块状构造(图 2e)。斑晶主要为钾长石(图 2f),呈不规则的粒状,粒径为4~7 mm,有的被后期的硅质交代呈港湾状边缘,体积分数为20%;基质为中细粒结构,平均粒径为1~3 mm,主要由斜长石、钾长石、石英、黑云母组成,体积分数为80%,局部见有少量白云母。斜长石呈半自形晶,板状,单偏光下无色透明,正交偏光下干涉色一级灰白,发育有聚片双晶,具黝帘石化,粒径为1.0~3.0 mm,体积分数占基质的30%(图 2g);钾长石主要为微斜长石、微斜条纹长石,呈半自形板状、宽板状,粒径为0.2~2.0 mm,具高岭土化,体积分数占基质的35%;石英呈他形晶,粒状,单偏光下无色透明,正低突起,正交偏光下干涉色一级黄白,一轴晶正光性,粒径为1.0~3.0 mm,体积分数占基质的25%;黑云母呈片状,单偏光下褐红色,发育有一组极完全解理,多色性明显,正中突起,平行消光,二轴晶负光性,片径为0.5~1.0 mm(图 2h),体积分数占基质的10%。
3 锆石U-Pb测定本次工作用于LA-ICP-MS锆石U-Pb测定的原样品为:中细粒黑云母二长花岗岩(黑砬沟岩体)样品,采自122°59′17″E、40°13′41″N,编号PM10-RZ1;似斑状黑云母二长花岗岩(前豹沟岩体)样品,采自122°58′51″E、N40°13′25″N,编号PM10-RZ2。
3.1 测试方法锆石挑选在河北省区域地质矿产调查所地质实验室完成,将待测年样品经过手工破碎、淘洗、电磁选、重液分选,在双目镜下挑选,得到含包裹体少、无明显裂隙且晶型完好的锆石;然后将锆石置于环氧树脂内研磨,再抛光清洗制成激光样品靶。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,锆石的阴极发光(CL)图像主要是查明锆石内部结构(图 3、4),以便准确选点。LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb同位素分析由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,以此同位素分馏校正,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文献[6]。锆石U-Pb谐和图绘制和权重平均计算均采用Isoplot/Ex_ver3[7]完成。
3.2 分析结果PM10-RZ1样品的LA-ICP-MS锆石U-Pb测年同位素分析数据见表 1。样品PM10-RZ1中所分析的锆石颗粒粒径为80~200 μm,长宽比多为1.1~2.5,半自形双锥柱状及断柱状。在阴极发光图像(图 3a)中可以看出,锆石均具有典型的核幔结构,锆石的内核形态规则或不规则,大都具较清晰的岩浆环带[8]。16个锆石数据点U、Th质量分数分别为273×10-6 ~ 1 515×10-6、75×10-6~482×10-6,Th/U值为0.21~0.67(表 1),显示岩浆锆石特点。黑砬沟岩体的16个测试点数据均落在U-Pb一致线上,数据点分布集中(图 3b)。206Pb/238U年龄为221.8~218.9 Ma,加权平均值为(219.8±0.7)Ma,MSWD为0.23。结果表明,黑砬沟岩体形成于晚三叠世。
PM10-RZ2样品的LA-ICP-MS锆石U-Pb测年同位素分析数据见表 2。样品PM10-RZ2中所分析的锆石颗粒粒径为120~200 μm,长宽比多为1.3~3.0,自形—半自形双锥柱状及断柱状,有铁染。阴极发光图像(图 4a)中,锆石结晶环带明显,显示较均匀的晶域结构,与其快速冷凝结晶有关。25个测点U、Th分别为506×10-6 ~2 280×10-6、162×10-6~866×10-6,Th/U值为1.94~5.52(表 2),为典型的岩浆锆石特征。前豹沟岩体的25个测试点数据均落在U-Pb一致线上,数据点分布集中(图 4b)。206Pb/238U年龄为228.8~210.1 Ma,加权平均值为(220.9±2.1)Ma,MSWD为0.16。结果表明,前豹沟岩体形成于晚三叠世。
4 地球化学特征本次工作共采集8件地球化学分析样品。岩石样品化学分析测试在国土资源部沈阳矿产资源监督检测中心完成,常量元素采用原子吸收分光光度计等分析,稀土、微量元素分析采用等离子体质谱仪完成,分析结果见表 3。
4.1 常量元素研究区两个岩体主量元素化学成分及相应质量分数见表 1。在TAS图解(图 5a)中,中细粒黑云母二长花岗岩和似斑状黑云母二长花岗岩样品落于亚碱性花岗岩区;在铝饱和指数A/NK-A/CNK图解(图 5b)中,大部分样品落于准铝质区域。
与中国二长花岗岩类平均值[8]相比,中细粒黑云母二长花岗岩的常量元素具有高Al2O3、MgO、K2O质量分数,低SiO2、CaO、Na2O质量分数的特点。里特曼指数(σ)平均值为2.67,A/NK平均值为1.73,属钙碱系列。A/CNK平均值为1.04,小于1.1,反映其大部分属准铝质类型岩石。岩浆分异指数ID平均值为88.66,岩浆分异程度较高。
与中国二长花岗岩类平均值[8]相比,似斑状黑云母二长花岗岩的常量元素具有高Al2O3、MgO、CaO、K2O质量分数,低SiO2、Na2O质量分数的特点。里特曼指数平均值为2.27,A/NK平均值为1.83,属钙碱系列。A/CNK平均值为1.05,小于1.1,反映其属准铝质类型岩石。岩浆分异指数平均值为86.62,岩浆分异程度较高。
4.2 微量元素和稀土元素特征从中细粒黑云母二长花岗岩微量元素标准化蛛网图解(图 6a)可以看出,曲线总体为向右陡倾斜,高度富集大离子亲石元素Rb,略富集高场强元素Th、Ce。整体上高场强元素相对于大离子亲石元素亏损,Y、Yb质量分数较低。与陆壳[11]相比:微量元素Rb、K、Ba、Th、Ce、Hf、Sr质量分数较高,其余元素较低;Rb/Sr为0.14,低于陆壳值,高于洋壳与上地幔值;Nb/Ta为10.01,介于陆壳值和洋壳值之间;Ba/Sr为1.21,低于上地壳接近于下地壳值;K/Rb为309.53,低于洋壳与下地壳值,高于洋壳值;大体推断表明其岩浆来源可能为下地壳;岩石样品稀土总量(w(∑REE))平均值为136.24×10-6,LREE/HREE=25.01,(La/Yb)N=52.10,表明其轻稀土相对较富集、重稀土相对亏损;(La/Sm) N=6.17,(Gd/Yb) N=5.24,说明其轻、重稀土经历了较强的分馏;δEu=0.95,负铕异常不明显;Sm/Nd =0.14,显示其具有壳源性质;稀土配分曲线整体向右缓倾,铕异常不明显,为弱铕负异常的轻稀土富集、重稀土亏损类型(图 6b)。
从似斑状黑云母二长花岗岩微量元素原始地幔标准化蛛网图解(图 6a)中可以看出,曲线总体为向右陡倾斜,高度富集大离子亲石元素Rb,略富集高场强元素Th、Ce。整体上高场强元素相对于大离子亲石元素亏损。与陆壳[11]相比:微量元素Rb、K、Ba、Th、Ce、Zr、Hf、Sr质量分数较高,其余元素较低;Rb/Sr为0.19,高于上地壳值;Nb/Ta为11.61,介于陆壳值和洋壳值之间;Ba/Sr为1.38,低于上地壳高于下地壳值;K/Rb为277.67,低于洋壳与上地幔值,接近于上地壳值;推断其岩浆来源可能为地壳。岩石样品稀土总量(w(∑REE))平均值为211.76×10-6,LREE/HREE=20.70,(La/Yb)N =37.58,表明其为轻稀土相对较富集、重稀土相对亏损;(La/Sm) N=7.03,(Gd/Yb) N=3.41,说明其轻稀土经历了较强的分馏,而重稀土分馏较弱;δEu=0.75,Sm/Nd =0.14,也显示出似斑状黑云母二长花岗岩具有壳源性质;稀土配分曲线整体向右缓倾,呈负铕异常,轻稀土部分倾角较陡,重稀土部分倾角较缓近平坦,也说明了轻稀土较重稀土分馏明显,为具有负铕异常的轻稀土富集、重稀土亏损类型(图 6b)。
5 讨论 5.1 成因类型研究区两个侵入岩体(K2O+Na2O)/CaO-w(Zr+Nb+Ce+Y)图解(图 7a)中,黑砬沟岩体、前豹沟岩体样品主要落于未分异的M、I、S型花岗岩区与酸性花岗岩区;在F-A-M图解(图 7b)中,前豹沟岩体主要落于2区、4区,应属于同碰撞I-S型花岗岩,黑砬沟岩体主要落于4区,主要为同碰撞S型花岗岩。黑砬沟岩体、前豹沟岩体的CaO/Na2O平均值分别为0.37和0.46,Al2O3/TiO2值分别为39和36,也说明其成岩深度较浅,形成温度不高,Nb、Ti的亏损及Zr的相对富集,而P的亏损及K的质量分数较高也反映出岩体具有大陆地壳的性质,说明其来源应为以陆壳成分为主的S型花岗岩[13]。
依据邻幅1:5万岫岩、汤池、隈子、小洋河子幅区域地质调查,晚三叠世侵入岩岩石类型主要有花岗闪长岩、二长花岗岩,暗色矿物多为黑云母,副矿物组合类型多为锆石型、磷灰石-锆石型。黑云母为铁质黑云母,多数岩体为S型花岗岩,个别岩体为I和S型花岗岩①。与本次工作同时期开展的1:5万王家堡子、苏子沟等四幅区调地质调查,晚三叠世侵入岩主要为闪长岩、辉长岩、似斑状二长花岗岩,LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素年龄值分别为(216.19±0.87)、(210.6±2.0)、(229.02±0.44) Ma,辉长岩岩体岩浆来源于由板块俯冲消减而形成的富集地幔,闪长岩岩浆来源于角闪尖晶石二辉橄榄岩。二长花岗岩岩体岩浆来源应为被加厚的华北板块东部下地壳中的古太古代地壳岩石的部分熔融,成岩过程中岩浆应受到过地幔物质混染②。
① 王海鹏, 程培起, 雷广新, 等.1:5万岫岩、汤池、隈子、小洋河子幅区域地质调查.沈阳:辽宁省地质勘察院,2010.
② 杨仲杰, 刘锦, 豆世勇, 等.辽宁1:5万王家堡子等四幅区域地质矿产调查地质图及成果报告.沈阳:辽宁省地质矿产调查院,2019.
综合以上论述及邻区相关资料分析,晚三叠世侵入岩在盖县万福—岫岩龙潭地区普遍为S型花岗岩,局部岩体受地幔物质影响反映出I-S型花岗岩的特点。
5.2 构造环境前人②对邻幅辽宁1:5万王家堡子、苏子沟等四幅区调地质调查认为,晚三叠世辉长岩与闪长岩均起源于富集地幔,侵位于碰撞后拉伸构造环境,二长花岗岩为同碰撞挤压环境。
在w(Rb)-w(Y+Nb)图解(图 8a)中,样品均落于火山弧花岗岩中,w(Ta)-w(Yb)图解(图 8b)中,大部分样品落于同碰撞花岗岩与火山弧花岗岩交界处。在w(Al2O3)-w(SiO2)图解(图 9a)中,样品大部分落于IAG+CAG+CCG区域内,表明其可能为岛弧-大陆弧型、陆缘活动带同碰撞花岗岩。
在Rb/10-Hf-3Ta图解(图 9b)中,样品全部落于碰撞大地构造背景上的花岗岩中。结合近年来对岩石构造图解的总结分析[14-15],认为同碰撞花岗岩与火山弧花岗岩类似,都继承了源岩大多来自陆壳的性质,所以在w(Rb)-w(Y+Nb)图解与w(Ta)-w(Yb)图解中所投点之处均在两者界线周边。通过Rb/10-Hf-3Ta图解(图 9b)将其划分为同碰撞花岗岩,又因同碰撞花岗岩与火山弧花岗岩相比Rb的质量分数可能会更高一些,这与前文两个岩体的Rb质量分数(117×10-6、124×10-6)相吻合[16-17]。因此,本次工作并结合临区资料认为研究区二长花岗岩为同碰撞型花岗岩,为板块碰撞、硅铝层增厚重熔的产物。
5.3 地质意义众多学者对该地区晚三叠世构造背景存在着争议,主要是古亚洲洋的闭合、扬子板块与华北板块的碰撞拼贴都可能影响晚三叠世辽东南地区的岩浆活动。早三叠世古亚洲洋板块依然存在,华北板块北缘东段仍处于北部古亚洲洋板块的俯冲挤压作用下,地壳加厚,其下部的岩石圈地幔因俯冲作用形成富集地幔[18-19]。晚三叠世晚期以后华北板块北部东段处于碰撞后的伸展环境,期间岩石圈地幔下沉与软流圈地幔上涌,其下部的岩石圈地幔又恢复成为亏损地幔[20],古亚洲洋构造域影响彻底消失。
因研究区位于苏鲁造山带北部的胶—辽—吉造山带内,苏鲁造山带为三叠纪扬子板块与华北板块碰撞拼贴。秦江锋等[21]对扬子板块北缘碧口地区阳坝二长花岗岩体进行了研究,认为其侵位于后碰撞或者同碰撞向后碰撞转折期,物质来源为加厚基性下地壳的部分熔融。再结合本次对二长花岗岩的研究,笔者认为辽南盖县万福—岫岩龙潭西部地区三叠纪总体构造环境应受扬子板块与华北板块碰撞影响,即早—中三叠世扬子板块向华北板块下俯冲使岩石圈地幔富集,到晚三叠世岩浆折返,软流圈地幔部分熔融,大量陆壳物质加入到华北板块之中,使得地壳厚度不断加大,加厚的地壳下部发生部分熔融,产生大量晚三叠世岩浆。
6 结论1) 辽南盖县万福—岫岩龙潭地区中细粒黑云母二长花岗岩(黑砬沟岩体)与似斑状黑云母二长花岗岩(前豹沟岩体)形成年代为晚三叠世。
2) 辽南盖县万福—岫岩龙潭地区晚三叠世侵入岩为S型花岗岩,为陆缘活动带同碰撞花岗岩。
3) 辽南盖县万福—岫岩龙潭地区晚三叠世侵入岩源岩来自于加厚的下地壳发生的部分熔融,标志着扬子板块与华北板块碰撞影响由前期的挤压、加厚地壳向后期的伸展、垮塌环境的转变。
致谢: 野外工作中,沈阳地质调查中心李东涛、辽宁省地质矿产调查院有限责任公司相关领导和同事给予了指导与帮助,文章编写中,东北大学王恩德教授、吉林大学刘正宏教授和郑常青等教授给予了帮助与指导,测试工作中,国土资源部沈阳矿产资源监督检测中心、南京宏创公司、北京燕都中实公司在岩石地球化学、锆石测年方面给予了帮助,在此一并致谢。
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