岩石学报  2017, Vol. 33 Issue (9): 2675-2688   PDF    
辽东宽甸和三家子地区花岗伟晶岩的锆石U-Pb年代学及其地质意义
杨红, 王伟, 刘建辉     
中国地质科学院地质研究所, 北京 100037
摘要: 辽东宽甸和三家子地区辽河群中广泛存在花岗质伟晶岩脉或岩体, 对其进行研究具有重要的构造意义。本文对两个地区侵入辽河群中的花岗伟晶岩样品进行岩石学、锆石LA-ICP-MS稀土微量元素和U-Pb定年的综合研究, 获得侵入不同岩组地层中伟晶岩的原岩年龄, 并对其成因和构造环境进行了探讨。花岗伟晶岩主要矿物组合为石英+钾长石±钠长石±电气石±白云母, 中粗粒结构或伟晶结构, 块状构造。宽甸地区侵入高家峪组大理岩中的二处伟晶岩样品年龄分别为1842±7Ma和1864±8Ma; 三家子地区侵入里尔峪组地层的二处伟晶岩样品年龄分别为1876±11Ma和1871±7Ma, 侵入大石桥组的伟晶岩岩体年龄为1802±15Ma, 侵入盖县组地层的伟晶岩年龄为1740±8Ma。宽甸地区伟晶岩(年龄1.86~1.84Ga)锆石阴极发光具振荡环带, Th/U大多>0.1, 稀土配分模式主要显示岩浆锆石的特征, 在Ce/Ce*-(Sm/La)N图解上显示近岩浆锆石区域, 花岗伟晶岩脉熔体可能是母岩浆初步结晶分异后的产物, 较大保留了母岩浆的性质; 三家子地区3个样品(年龄1.87~1.74Ga)锆石微区具低亮度无结构特征、Th/U < 0.1, 稀土配分模式显示热液锆石特征, 在Ce/Ce*-(Sm/La)N图解上偏热液锆石区域, 此花岗伟晶岩脉可能是母岩浆高度结晶分异后的残余热液结晶而成, 偏热液性质。三家子1个样品(年龄1.87Ga)锆石具弱振荡环带, ∑REE值较低, Eu/Eu*主要介于0.00~0.60, HREE总量低且平缓, 显示深熔成因, 其伟晶岩脉熔体可能直接来自含石榴石的原岩部分熔融而成的深熔脉体。本文研究的多期次花岗伟晶岩或与辽吉造山带周围1.89~1.82Ga的S型或I型花岗岩和深熔脉体具有亲缘关系, 即大部分伟晶岩可能与1.89~1.82Ga的花岗质岩浆作用有关, 一部分则与变质沉积岩系的深熔作用有关。从构造环境来看, 辽吉造山带在碰撞后的构造折返过程中, 从~1.87Ga到~1.74Ga至少130Myr的时间里一直处于伸展的构造机制。在主期花岗质岩浆上涌之后, 大量残余岩浆或深熔脉体上涌至辽河群地层中形成伟晶岩的岩脉、岩墙或岩体。
关键词: 胶-辽-吉带     花岗伟晶岩     辽河群     辽吉花岗岩     锆石U-Pb定年    
Zircon U-Pb dating and its geological significance of granitic pegmatites from the Kuandian and Sanjiazi area in eastern Liaoning Province
YANG Hong, WANG Wei, LIU JianHui     
Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China
Abstract: Granitic pegmatites intruded into the Liaohe Group are widely outcropped in the Kuandian and Sanjiazi area in eastern Liaoning Province, study of which is of important tectonic significance. In this study, petrology, zircon LA-ICP-MS trace element and REE analysis and U-Pb dating were conducted, petrogenesis of pegmatites and tectonic settings are then discussed. Granitic pegmatites have the main mineral assemblages of quartz+K-feldspar±albite±tourmaline±muscovite with medium-coarse grained texture or pegmatitic texture and massive structure. Two samples of pegmatite intruded into Gaojiayu Formation of the Liaohe Group in Kuandian area achieved U-Pb ages of 1842±7Ma and 1864±8Ma. Two samples of pegmatite intruded into Lieryu Formation of the Liaohe Group in Sanjiazi area achieved U-Pb ages of 1876±11Ma and 1871±7Ma. Pegmatite intruded into the Dashiqiao Formation and Gaixian Formation achieved U-Pb ages of 1802±15Ma and 1741±8Ma, respectively. Zircons of pegmatites from the Kuandian area have oscillating band in the cathodoluminescence (CL) images, REE patterns of magmatic zircons and Th/U ratios of >0.1, and are close to the magmatic region in the Ce/Ce*-(Sm/La)N discrimination diagram. The Kuandian pegmatites may be crystallized from residues after the preliminary fraction of parental magma. Zircons of three samples from the Sanjiazi area have weak and textureless CL images, REE patterns resembling hydrothermal zircons and Th/U ratios of < 0.1, and are close to the hydrothermal region in the Ce/Ce*-(Sm/La)N discrimination diagram. The Sanjiazi granitic pegmatites may be originated from hydrothermal fluid after the highly fractional crystallization of parental magma. Zircons of one sample from the Sanjiazi area have weak oscillating band, low ∑REE, Eu/Eu*=0.00~0.60 and low and flat HREE pattern, which indicates the anatectic origin from the partial melting of garnet-bearing host rock. Granitic pegmatites may have genetic relationships with the ambient 1.87~1.82Ga S type or I type granite and anatectic melt, i.e., most of the studied pegmatites were related to the 1.89~1.82Ga granitic magmatism and some were related to the~1.87Ga anatexis in the Liao-Ji terrane. After the arc-continent collision in the Paleoproterozoic Liao-Ji terrane, extensional tectonic mechanism keeps at least 130Myr from 1.87Ga to 1.74Ga with crustal thinning and large quantities of remnant magma and anatectic melt upwelling.
Key words: Jiao-Liao-Ji belt     Granitic pegmatite     Liaohe Group     Liaoji granite     Zircon U-Pb dating    
1 引言

伟晶岩是一种特殊的岩浆岩类, 是由高度分异的、富挥发分的残余岩浆结晶而成(Jahns and Burnham, 1969; London, 1990, 2005)。伟晶岩在封闭的条件才能充分结晶分异, 其特征是矿物晶体颗粒粗大, 在矿物学、同位素地球化学、地质年代学等方面的研究有着便利的条件。伟晶岩研究可得到多方面的集成信息:包括熔流体的物质组成、流体性质与成分、热演化历史、成岩成矿物理化学条件及构造环境乃至于地球深部排气等多方面的信息(Chakoumakos and Lumpkin, 1990)。对于难以确定原岩时代和变形时代的围岩, 伟晶岩定年是还原地质事件先后顺序的理想标尺。伟晶岩虽然出现在大陆演化的不同阶段, 但大规模出现却发生在造山运动后相对宁静的时期, 世界上伟晶岩矿床尤其规模大、分带性好、矿种多、元素全的矿床代表了造山后地壳伸展的产物, 而在非造山带比较缺乏(Kovalenko and Yarmolyuk, 1995; Tkachev, 2011; Lupulescu et al., 2012; Wang et al., 2007; Sánchez-Muñoz et al., 2017; Tang et al., 2017; 王登红等, 2004)。

伟晶岩因研究角度的不同, 其分类方法不同。根据主要矿物成分与各类侵入岩的相似性, 可分为花岗伟晶岩、闪长伟晶岩、正长伟晶岩和辉长伟晶岩等, 其中花岗伟晶岩的分布最为广泛。根据伟晶岩的侵位深度、形成压力和微量元素组成等, 可分为晶洞伟晶岩、稀有金属伟晶岩、白云母-稀有金属伟晶岩、白云母伟晶岩和深成伟晶岩(Černý, 1991, 1992; Černý and Ercit, 2005), 其形成的压力从晶洞伟晶岩的3~4.5kbar到深成伟晶岩的4~9kbar。其中稀有金属伟晶岩根据稀有元素类型又分为LCT型、NYF型和LCT+NYF混合型(Černý, 1992; Černý and Ercit, 2005; London, 2014)。

尽管伟晶岩的分类方法有多种, 其成因类型可总结划规为两类:与岩浆活动有关的岩浆成因和与变质作用有关的变质成因(袁见齐等, 1985; 李建康等, 2007)。分析伟晶岩的母岩浆来源是判断其成因的重要手段, 除运用全岩地球化学和同位素示踪等方法外, 伟晶岩中的锆石是较理想的研究对象。伟晶岩中锆石的形态特征、微量元素特征和REE分配模式可判断成岩介质的性质(Hoskin, 2005), 结合锆石的原位U-Pb定年或同位素示踪结果来判断伟晶岩的母岩浆来源(Liu et al., 2010; Adetunji et al., 2016; Tang et al., 2017; 唐勇等, 2012; 禹丽等, 2015)。如云南保山地块漕涧花岗伟晶岩的锆石微量元素和REE特征指示其成岩介质具有岩浆-热液过渡的性质, U-Pb同位素定年及Hf同位素结果指示其与周围的花岗岩体有亲缘关系(禹丽等, 2015), 伟晶岩应为岩浆成因; 华夏地块南平31号伟晶岩矿脉中锆石的地球化学特征结合U-Pb同位素定年、Hf同位素结果, 排除了伟晶岩与周围花岗岩的亲缘关系, 推断母岩浆产生于变质沉积岩系的深熔作用过程(Tang et al., 2017)。

位于华北克拉通东部陆块内的胶-辽-吉造山带是在中国境内发现的最古老的造山带, 也是华北克拉通内三条古元古代构造带之一(刘福来等, 2015)。辽吉古元古代造山带是胶-辽-吉造山带的北端部分, 该造山带物质组成丰富, 以大面积分布的古元古代(火山)沉积岩系为主要特征。近年来, 许多学者以地层单元、花岗岩、变质基性火山岩(脉)等为研究对象在辽吉古元古代造山带开展了大量的研究工作, 也在物质来源、地层格架、岩浆作用、变质作用性质及演化过程等方面取得了一系列重要的成果和进展(Zhao and Cawood, 2012; 刘福来等, 2015; 王惠初等, 2015), 但是在伟晶岩这一特殊岩类方面的研究有待开展和深入。王集源(1984)曾运用K-Ar定年方法对侵入辽北太古宙基底和辽河群及相应地层的花岗伟晶岩脉进行定年并得到多期伟晶岩脉侵入事件, 但限于当时测年方法的局限性, 其年龄的准确性有待考证。近年, 除王惠初等(2011)对辽东河栏地区一个花岗伟晶岩样品进行锆石U-Pb定年外, 辽吉造山带有关伟晶岩的精确定年资料也比较缺乏。

辽吉造山带辽东三家子、宽甸地区的辽河群中广泛存在岩脉、岩墙、岩体状的花岗伟晶岩, 多数伟晶岩还含有电气石粗大晶体, 这些花岗伟晶岩对于追踪造山演化过程和相关熔流体的活动规律具有重要的意义。本文以侵入辽河群里尔峪组、高家峪组、大石桥组和盖县组中的花岗伟晶岩为研究对象, 通过岩石学、矿物学、锆石地球化学结合精确的锆石U-Pb定年结果, 来限定伟晶岩的侵位年龄并进一步探讨其成因及对辽吉古元古代造山过程与地壳演化的制约。文中出现的矿物缩写依据Whitney and Evans (2010)

2 地质背景 2.1 区域地质背景

胶-辽-吉古元古代造山带呈北东-南西向展布于华北克拉通东南缘, 其南北两侧均以断层接触分别与狼林地块和龙岗地块相邻(图 1a)。其岩系组成主要为:古元古代变质火山-沉积岩系和古元古代花岗质岩石等(姜春潮, 1987; 张秋生等, 1988; 白瑾, 1993)。古元古代变质火山-沉积岩系包括胶北地区的荆山群和粉子山群, 辽东地区的南、北辽河群、吉南地区的集安群和老岭群以及朝鲜半岛北部的摩天岭群, 其原岩为一套玄武岩和英安-流纹岩所构成的双峰式火山岩、灰岩、白云岩和陆源碎屑沉积岩。原各群组地层的上下层位及接触关系已完全破坏, 呈规模不一的构造岩片形式叠置在一起, 呈断层或韧性剪切带接触。变沉积岩系源区物质主要来源于造山带内古元古代花岗质岩石和两侧古老陆块的变质基底, 原岩形成时代为2.15~1.95Ga。变质火山-沉积岩系普遍经历了绿片岩相-低角闪岩相的变质作用, 部分达到了高角闪岩相和麻粒岩相, 变质锆石年龄多集中在1.93~1.85Ga(刘福来等, 2015)。

图 1 辽东地区地质简图及花岗伟晶岩采样地点 (a)研究区地质简图及采样地点(据Li et al., 2006); (b)研究区在华北克拉通的位置(据Zhao et al., 2005) Fig. 1 Simplified geological map of eastern Liaoning and the sample locations of granitic pegmatite (a) simplified geological map of the study area with sample locations (after Li et al., 2006); (b) location of the study area in the North China Craton (after Zhao et al., 2005)

出露于辽东南地区的古元古代变质沉积岩系进一步分为南辽河群和北辽河群(图 1b), 以盖县-析木城-塔子岭-茳草甸子-叆阳一线为界, 以南称为南辽河群, 以北称为北辽河群。辽河群不整合于新太古代鞍山群和连山关花岗岩为代表的变质基底之上, 顶部为中元古代榆树砬子组不整合覆盖, 辽河群自下而上分为浪子山组、里尔峪组、高家峪组、大石桥组和盖县组(辽宁省地质矿产局, 1989)。南辽河群和北辽河群的盖县组岩石组合基本相似, 里尔峪组存在明显差异(王惠初等, 2015)。从变质作用来看, 南辽河群的里尔峪组和高家峪组变质程度明显偏高, 变质程度可达麻粒岩相。前人判定北辽河群的变质P-T轨迹为顺时针, 南辽河群为逆时针模式(贺高品和叶慧文, 1998a, b; 李三忠等, 2001), 而最近的研究表明, 南辽河群和集安群中的泥质麻粒岩和基性麻粒岩均记录了近等温减压的顺时针P-T演化轨迹(刘福来等, 2015)。

2.2 辽吉造山带古元古代岩浆作用

位于胶-辽-吉造山带北端的辽吉造山带古元古代岩浆作用强烈, 约经历了三期主要的岩浆事件, 分别发生在:2.20~2.10Ga、~1.90Ga和1.89~1.82Ga。辽河群内部大量的古元古代A型花岗岩和二长花岗岩传统上称为“辽吉花岗岩”(张秋生等, 1998), 辽吉花岗岩的年代学研究确定其形成于2.20~2.10Ga之间(Li et al., 2006; Li and Zhao, 2007; Lu et al., 2006; Wan et al., 2006; 郝德峰等, 2004; 胡古月等, 2014; 杨明春等, 2015a; 宋运红等, 2016; 李超等, 2017), 被认为是辽河群变沉积岩系的主要物源区。辽吉花岗岩被作为辽吉造山带物质组成的一部分卷入了造山作用, 地球化学特征显示其在伸展减薄的背景下形成(王惠初等, 2014); 辽吉南部的S型花岗岩——过铝花岗岩如巨斑状石榴花岗岩锆石U-Pb年龄多在~1.90Ga(Li and Zhao, 2007; 路孝平等, 2004; 王惠初等, 2014), 与狼林地块含石榴石和夕线石花岗岩的原岩年龄(Zhao et al., 2006)差别不大, S型花岗岩被解释为变泥质岩石在俯冲阶段部分熔融的产物; 此外, 辽东地区的斑状花岗岩、A型花岗岩和正长岩分别记录了1.85~1.82Ga、1.89~1.86Ga、1.87~1.84Ga的年龄, 与狼林地块1.87~1.80Ga的岩浆活动类似(刘福来等, 2015), 此期岩浆活动主要表现为后碰撞——伸展构造背景下花岗质岩浆作用的特点。

① 王惠初, 任云伟, 康健丽, 初航, 相振群, 于宏斌, 王文清. 2014. “华北克拉通对哥伦比亚超大陆事件的响应与大地构造格架”研究报告.天津:中国地质调查局天津地质调查中心

辽吉造山带除广泛出露花岗岩外, 地表还出露大量花岗伟晶岩。相对于辽吉花岗岩, 本区的伟晶岩年龄数据较少。王集源(1984)曾运用传统的K-Ar同位素测年法在本区统计出古元古代2.4~1.6Ga五期伟晶岩脉侵入活动, 其中1.8Ga和1.6Ga的伟晶岩脉事件主要出露在辽河群及相应地层分布区。河栏镇南部侵入大石桥组花岗伟晶岩的年龄为1870±8Ma, 被认为是造山作用结束的标志(王惠初等, 2011)。

3 样品采集及岩相学特征

样品采集于传统界定的南北辽河群界线附近(图 1b), 集中在辽东辽阳市三家子镇周围地区, 在宽甸县红石镇东杨木杆子村附近也有两处采点。采集的6处花岗伟晶岩样品基本信息见表 1。伟晶岩贯穿或侵入的地层涵盖辽河群的里尔峪组、高家峪组、大石桥组和盖县组, 出露宽度从几千米、几米至几十厘米, 外观上呈灰白色、浅灰色, 其出露产状或为顺层侵入的岩脉、岩墙(图 2a, b, e, f), 或为贯穿侵入的岩脉(图 2c), 或为溢流状的岩体(图 2d)。花岗伟晶岩围岩的岩石类型包括大理岩(图 2a, b)、黑云斜长片麻岩(图 2c, d)、长石石英片岩(图 2e)和含石榴石斜长角闪岩(图 2f)等。4处花岗伟晶岩中可见少量电气石单晶或集合体, 或具文象结构(图 3a), 或呈不规则状(图 3b), 或呈放射状(图 3c), 或呈自形板柱状, 其横断面为球面三角形(图 3d)。

表 1 辽吉造山带宽甸和三家子地区花岗伟晶岩采样情况表 Table 1 Sampling table of granitic pegmatites from Kuandian and Sanjiazi area in eastern Liaoning Province

图 2 辽东宽甸和三家子地区花岗伟晶岩及围岩的野外产状照片 (a)侵入高家峪组不纯大理岩中的伟晶岩脉; (b)侵入高家峪组含石墨大理岩的伟晶岩脉; (c)侵入里尔峪组黑云斜长片麻岩的伟晶岩脉; (d)大石桥组中的伟晶岩体; (e)侵入盖县组长石石英片岩的伟晶岩脉; (f)侵入岩斜长角闪岩中的伟晶岩和里尔峪组黑云斜长片麻岩 Fig. 2 Field-photographs showing the relationships between granitic pegmatite and their country-rocks from the Kuandian and Sanjiazi area in eastern Liaoning Province (a) pegmatite intruded into impure marble of Gaojiayu Formation; (b) pegmatite intruded into graphite-bearing marble of Gaojiayu Formation; (c) pegmatite intruded into biotite plagioclase of Lieryu Formation; (d) pegmatite intruded into Dashiqiao Formation; (e) pegmatite intruded into felsic schist of Gaixian Formation; (f) pegmatite intruded into garnet amphibolite within biotite plagioclase of Lieryu Formation

图 3 辽东宽甸和三家子地区含电气石花岗伟晶岩照片 (a)电气石+石英组成的文象结构; (b)电气石不规则形状集合体; (c)放射状电气石集合体; (d)白云母和柱状电气石, 电气石横截面为球面三角形 Fig. 3 Photographs of tourmaline-bearing granitic pegmatites from the Kuandian and Sanjiazi area in eastern Liaoning Province (a) graphic texture composed of tourmaline and quartz; (b) irregular shaped tourmaline aggregates; (c) radiated tourmaline aggregates; (d) muscovite and columnar tourmaline aggregates with cross-sections of spherical triangle

花岗伟晶岩薄片的代表性显微照片见图 4, 矿物结晶粗大, 粒度不均, 多大于2mm, 呈中粗粒结构或伟晶结构、块状构造, 主要矿物组合为Qz+Kfs±Ab±Tur±Ms。显微镜下钾长石呈自形、半自形板柱状, 格子双晶发育(图 4a, b)。斜长石呈板柱状, 聚片双晶发育(图 4b, c)。石英呈不规则粒状, 出现波状消光。偏光镜下文象结构一般是Tur+Qz的组合, 少数为Tur+Ab的组合(图 4c)。样品16KD06-1(图 4b)切到冷凝边部分, 冷凝边具细粒结构, 主要矿物组合为Ab+Ms, 而伟晶岩主体为中粗粒结构, 主要矿物组合为Qz+Kfs。在样品16KD80-2中发育较自形的板状白云母和具球面三角形横断面的电气石(图 4d)。

图 4 辽东宽甸和三家子地区花岗伟晶岩典型矿物组合和结构显微照片(正交偏光) (a)伟晶岩(16KD05-4) 中的主要矿物组合:石英+钾长石, 钾长石具格子双晶; (b)有冷凝边的伟晶岩(16KD06-1), 伟晶岩主体矿物组合:石英+钾长石, 冷凝边主要矿物组合:钠长石+白云母; (c)伟晶岩(16KD54-2) 中的文象结构:电气石+钠长石; (d)伟晶岩(16KD80-2) 中片状白云母和横截面为球面三角形的电气石 Fig. 4 Representative photomicrographs of pegmatites from the Kuandian and Sanjiazi area of eastern Liaoning (cross polarizers) (a) main mineral assemblages of quartz and K-feldspar with crossed twinning in pegmatite, 16KD05-4; (b) pegmatite with chilled margin, 16KD06-1. Pegmatite has mineral assemblages of quartz and K-feldspar, while chilled margin has mineral assemblages of albite and muscovite; (c) graphic texture composed of tourmaline and albite, 16KD54-2; (d) flake muscovite and tourmaline with cross-section of spherical triangle, 16KD80-2
4 分析方法

岩石样品的锆石分选工作在河北省区域地质矿产调查研究所选矿实验室完成, 经过碎样、淘洗、烘干、电磁法、重液法、高频介电法、镜下挑选等步骤后, 挑选的锆石经环氧树胶浇铸制成样品靶。再通过显微单偏光、反射光、阴极发光图像中锆石显微结构的综合分析, 选择合适的锆石微区位置以用于原位年龄、微量、稀土元素的测试。

锆石的原位U-Pb定年及原位微量、稀土元素测试在中国地质调查局西安地质调查中心岩浆作用与找矿重点实验室完成。采用的仪器为德国Coherent公司生产的Geolas Pro型激光剥蚀器与美国Agilent公司生产的7700x型等离子体质谱仪组装的激光等离子质谱仪(LA-ICP-MS)。分析时激光频率7Hz, 激光束斑直径24μm。U-Th-Pb同位素组成分析以标准锆石GJ-1作为外标, 国际标样NIST610作为内标, PLV为监控盲样; 元素分析计算时以NIST612作为外标, Si作为内标。普通Pb校正参照Andersen(2002), 数据采用专用软件Glitter4.4进行处理。

5 锆石LA-ICP-MS测试结果 5.1 锆石微量、稀土元素特征

花岗伟晶岩锆石多呈自形长柱状或短柱状, 颗粒较粗大, 长约150~400μm(长宽比1:1~4:1)。单偏光下呈褐红色或浅褐红色、半透明, 阴极发光较弱, 具振荡环带(图 5a, b)、或弱振荡环带(图 5c, f)、或无结构低亮度(图 5d, e)特征, 其中样品16KD54-2锆石中普遍出现发光稍亮的继承性岩浆锆石核(图 5c)。6个锆石样品的U含量较高(电子版附表 1), 平均值最低为651×10-6、最高为7220×10-6。其中低亮度无结构阴极发光特征的16KD66-1(图 5d)和16KD80-2(图 5e), 其U含量值分别高达3537×10-6~10434×10-6和5247×10-6~8575×10-6。本文6个样品的锆石虽具有岩浆锆石的自形特征, 但其Th/U比值较低(附表 1), 宽甸地区2个样品16KD05-4和16KD06-1的Th/U比值分别为0.03~0.23、0.12~0.31, 其余4个样品的Th/U比值极低, 基本都小于0.1, 平均值分别为0.029、0.021、0.005和0.014。

图 5 辽东宽甸和三家子地区花岗伟晶岩中锆石的阴极发光图像和LA-ICP-MS U-Pb年龄结果 Fig. 5 Cathodoluminescence images and LA-ICP-MS U-Pb ages of zircons from granitic pegmatites in the Kuandian and Sanjiazi area of eastern Liaoning

附表 1 辽东宽甸和三家子地区花岗伟晶岩样品的LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果 AppendixTable1 LA-ICP-MS zircon U-Pb data of granitic pegmatites from the Kuandian and Sanjiazi area of eastern Liaoning

锆石的稀土元素特征见电子版附表 2图 6, 稀土总量较高, ΣREE>5000×10-6, 6个样品的ΣREE平均值分别为7230×10-6、5835×10-6、19080×10-6、16192×10-6、32360×10-6和5088×10-6, 16SJZ07-8锆石的ΣREE含量平均值最低。球粒陨石标准化稀土元素配分曲线整体呈左倾趋势, HREE明显富集、LREE相对亏损。宽甸地区2个样品除个别锆石外, 稀土配分曲线具明显的正Ce异常(Av.=6.08, 4.77) 和负Eu异常(Av.=0.17, 0.66)(图 6a, b), 其稀土元素配分曲线具有似岩浆锆石的特征(Hoskin and Ireland, 2000; Belousova et al., 2002; Rubatto, 2002; Hoskin and Schaltegger, 2003; Liu and Liou, 2011), 这与其阴极发光具振荡环带特征和Th/U比值多>0.1的特征相应; 三家子地区4个样品锆石的Ce异常和Eu异常不如宽甸地区伟晶岩样品明显, 但多数具有正Ce异常和负Eu异常(图 6c-f)。三家子地区3个样品16KD54-2、16KD66-1和16KD80-2的锆石阴极发光显示无结构低亮度的特征, ΣREE高于一般岩浆锆石, 且16KD54-2和16KD66-1具有较高的LREE含量(图 6c-e), 显示似热液锆石的特征(Hoskin and Schaltegger, 2003; Hoskin, 2005)。16SJZ07-8锆石阴极发光具弱的振荡环带, 其ΣREE值较低, 有明显的Eu负异常, Eu/Eu*比值多数变化于0.00~0.60之间, HREE总量较低、变化趋势较平缓(图 6f), 其寄主岩石应富含石榴石且未参与部分熔融, 锆石阴极发光特征和稀土配分模式显示似深熔锆石的特征(Rubatto et al., 2001, 2009; Imayama et al., 2012; 刘福来等, 2012)。总体来看, 三家子4个样品的锆石稀土配分模式较复杂, 其锆石成因有待结合地质背景来进一步考察。

附表 2 辽东宽甸和三家子地区花岗伟晶岩的锆石LA-ICP-MS稀土元素分析结果 AppendixTable2 LA-ICP-MS rare earth element data of zircons from granitic pegmatites in the Kuandian and Sanjiazi area of eastern Liaoning

图 6 宽甸和三家子地区花岗伟晶岩中锆石的球粒陨石标准化稀土元素配分曲线(标准化值据Sun and McDonough, 1989) Fig. 6 Chondrite-normalized REE-patterns of zircons from granitic pegmatite in the Kuandian and Sanjiazi area of eastern Liaoning (normalization values after Sun and McDonough, 1989)
5.2 锆石U-Pb定年结果

宽甸和三家子地区6个样品的LA-ICP-MS锆石U-Pb原位定年结果见附表 1图 7

图 7 辽东宽甸和三家子地区花岗伟晶岩的206Pb/238U-207Pb/235U年龄谐和图 Fig. 7 206Pb/238U-207Pb/235U concordia diagrams of zircons from granitic pegmatite in the Kuandian and Sanjiazi area of eastern Liaoning

宽甸地区16KD05-4样品41个锆石核部207Pb/206Pb加权平均年龄为1842±7Ma(图 7a), 16KD06-1样品30颗代表性锆石的加权平均年龄为1864±8Ma, 锆石发生一定程度铅丢失, 产生了1866±13Ma的上交点年龄, 其加权平均年龄与上交点年龄相似(图 7b)。宽甸地区2个样品16KD05-4和16KD06-1的207Pb/206Pb加权平均年龄介于1842±7~1864±8Ma, 代表伟晶岩脉的形成年龄。

三家子地区4个样品的锆石都发生一定程度的铅丢失, 且加权平均年龄与上交点年龄均相差不大。16KD54-2样品26颗代表性锆石的边部得到1876±11Ma的加权平均年龄, 上交点年龄为1869±22Ma(图 7c); 16KD66-1样品30颗锆石加权平均年龄为1802±15Ma, 上交点年龄为1814±20Ma(图 7d); 16KD80-2样品31颗锆石的加权平均年龄为1740±8Ma, 上交点年龄为1711±39Ma(图 7e); 16SJZ07-8样品37颗代表性锆石的加权平均年龄为1871±7Ma, 上交点年龄为1873±17Ma(图 7f)。三家子地区207Pb/206Pb加权平均年龄范围在1876±11~1740±8Ma之间, 晚于辽吉造山带造山后伸展体制下的第三期岩浆作用(1.89~1.82Ga)。

6 讨论 6.1 花岗伟晶岩的形成时代

虽然三家子和宽甸地区花岗伟晶岩样品的锆石稀土元素特征有一定差别, 但其都具有较弱的阴极发光、较高的U含量和较低的Th/U比值, 均代表伟晶岩脉的原生锆石(Adetunji et al., 2016; Zhang et al., 2016; Tang et al., 2017; 李基宏等, 2004; 唐勇等, 2012; 禹丽等, 2015)。两个地区花岗伟晶岩锆石197个207Pb/206Pb年龄数据如图 8所示, 宽甸地区年龄峰值分布在1870~1850Ma, 三家子地区年龄主峰为~1870Ma、弱峰为~1740Ma。从侵入的地层层序来看, 从辽河群底部里尔峪组至顶部盖县组伟晶岩脉的侵位时代似乎存在逐渐递减的规律:侵入辽河群底部里尔峪组的2件伟晶岩样品(16KD54-2和16SJZ07-8) 原岩年龄为~1.87Ga, 侵入高家峪组的2件宽甸样品(16KD05-4和16KD06-1) 的原岩形成年龄为~1.85Ga, 侵入大石桥组的伟晶岩样品(16KD66-1) 的原岩形成年龄为~1.80Ga, 侵入辽河群顶部盖县组的伟晶岩脉(16KD80-2) 记录了~1.74Ga的形成年龄。但实际上, 在造山变质作用过程中, 辽河群原始地层层序已不存在, 已为非史密斯地层, 且形成时代晚于2.15~1.95Ga变质沉积岩系的花岗伟晶岩, 可侵位到辽河群任何一个组的地层中。此外, 伟晶岩脉侵位的通道也受控于断裂构造, 因此这种地层层序与伟晶岩侵位时代之间的递减对应关系可能只是一种巧合。

图 8 辽东宽甸和三家子地区花岗伟晶岩样品年龄分布直方图 Fig. 8 Zircon U-Pb age histogram diagram for granitic pegmatite samples in the Kuandian and Sanjiazi area of eastern Liaoning

王集源(1984)统计了K-Ar法测得的辽河群及相应地层中的伟晶岩年龄为~1.8Ga和~1.6Ga, 其中~1.6Ga是相对于本研究更年轻的年龄结果, 是测试误差还是确切存在更年轻的伟晶岩脉则有待进一步研究。三家子镇以北的河栏镇大石桥组中伟晶岩脉的年龄为1.87Ga(王惠初等, 2011), 与本研究里尔峪组中的伟晶岩脉年龄相符合, 均代表造山作用的结束和后造山阶段的开始。从整体来看, 辽河群中花岗伟晶岩的侵位时代从~1.87Ga递减至~1.74Ga, 至少持续了130Myr。

6.2 成因机制探讨

伟晶岩锆石外形上虽具有岩浆岩锆石自形的特征, 但在阴极发光、微量和稀土元素特征上与之存在差异。宽甸伟晶岩锆石在阴极发光、稀土元素配分样式、Th/U比值方面更有类似岩浆锆石的特征, 而三家子样品的锆石特征与岩浆锆石不同, 具有无结构低亮度或弱振荡环带的阴极发光特征, 在稀土元素配分样式和Th/U比值方面有类似热液锆石或深熔锆石(样品16SJZ07-8) 的特征。

Hoskin(2005)对比了不同地区岩浆锆石和热液锆石的稀土元素特征, 在(Sm/La)N-La和Ce/Ce*-(Sm/La)N图解上两者有各自的成群区域。鉴于本研究稀土测试中La值多为空值, 故使用Ce/Ce*-(Sm/La)N图解进行伟晶岩锆石的投图(图 9), 分析点落于岩浆锆石和热液锆石的过渡区域, 且宽甸样品较靠近岩浆锆石区域, 三家子样品靠近热液锆石区域。因此, 从锆石成因的角度来推测, 宽甸伟晶岩成岩介质只是母岩浆发生初步结晶分异后的残余岩浆, 仍保留岩浆的性质。而三家子3个伟晶岩样品的成岩介质是母岩浆高度结晶分异后的残余热液, 更具有热液性质; 三家子含深熔锆石的伟晶岩样品(16SJZ07-8) 可能形成于含石榴石的原岩部分熔融而产生的深熔脉体。再结合锆石的形态对比发现, 具长柱状且阴极发光呈无结构状态的伟晶岩锆石(图 5d, e)更偏热液锆石性质(图 9), 其加权平均年龄也较年轻(1.80~1.74Ga, 16KD66-1和16KD80-2), 尤其最年轻的~1.74Ga岩脉(16KD80-2) 出现了大量在热液阶段才形成的板状白云母(图 3d), 这些均说明在伟晶岩脉侵入的后期阶段, 成岩介质主要为挥发分组分含量高的热液。

图 9 辽东宽甸和三家子地区花岗伟晶岩锆石Ce/Ce*-(Sm/La)N图解(据Hoskin, 2005) Fig. 9 Discrimination diagrams of Ce/Ce* vs. (Sm/La)N of zircons in granitic pegmatite samples in the Kuandian and Sanjiazi area of eastern Liaoning (after Hoskin, 2005)

伟晶岩的母岩浆类型多样, 可为不同铝质的S型、I型或A型花岗岩(Černý and Ercit, 2005)。据最新的资料, 研究区周围花岗岩主要分为两期:2.2~2.1Ga的A型花岗岩(部分为高钾钙碱性)和1.89~1.82Ga的钙碱性I型花岗岩或S型花岗岩(刘福来等, 2015; 王惠初等, 2015; 杨明春等, 2015a, b; 宋运红等, 2016; 李超等, 2017)。宋运红等(2016)也报道了三家子地区周围的大顶子细粒二长花岗岩和五磊山似斑状花岗岩(图 1b)分别为1.87Ga的过铝质S型花岗岩和1.83Ga的钙碱性I型花岗岩。从时代对应关系上来看, 三家子和宽甸地区伟晶岩与1.89~1.82Ga的花岗岩具有亲缘性, 但具体为I型还是S型花岗岩还有待岩石地球化学和同位素地球化学资料的进一步确证。辽东矿洞沟地区和三家子-大顶子一带1.89~1.82Ga花岗岩Hf同位素研究表明其主要来源于壳源岩浆和幔源岩浆的混合(杨进辉等, 2007; 宋运红等, 2016), 推测三家子和宽甸地区伟晶岩的母岩浆应具有类似的源区, 也可能为壳源岩浆和幔源岩浆的混合。辽东地区目前尚未见深熔脉体的报道, 但在辽吉造山带的辽南地区和吉南地区发现有1.86~1.85Ga深熔脉体的出现(刘福来等, 2015), 三家子伟晶岩脉(样品16SJZ07-8) 中~1.87Ga的锆石显示深熔锆石的特征, 不排除其来源于周围未出露的含石榴石泥质麻粒岩的深熔脉体。同一地区的伟晶岩具有不同单一岩浆来源或混合来源都是普遍的(Černý, 1991; Černý and Ercit, 2005)。

结合伟晶岩脉的侵位时代、锆石特征和成因关系可以发现, 本文研究的大部分花岗伟晶岩(1.87Ga~1.74Ga, 图 5a-e图 6a-e图 7a-e)与辽吉造山带伸展构造体制下的花岗质岩浆作用有关, 一部分伟晶岩(~1.87Ga, 图 5f图 6f图 7f)则与造山带变质作用或深熔作用有关。如宽甸地区~1.86Ga和~1.84Ga伟晶岩锆石仍具有似岩浆特征, 其成岩介质应处于母岩浆的近源端; 三家子地区~1.87Ga、~1.84Ga和~1.74Ga的伟晶岩锆石具有热液锆石特征, 其成岩介质可能是岩浆深度结晶分异后的残余热液, 三者岩浆源区可能同源亦可非同源; 而三家子~1.87Ga的花岗伟晶岩(样品16SJZ07-8) 锆石则具有深熔锆石特征, 其成岩介质则可能是含石榴石的变质沉积岩系峰期变质之后发生部分熔融而产生的深熔脉体。

6.3 构造意义

有关辽吉造山带的构造环境探讨, 最新发表的资料越来越指征弧陆碰撞模式(Li and Chen, 2014; Li et al., 2015; Meng et al., 2017; 王惠初等, 2011, 2015; 刘福来等, 2015; 李超等, 2017), 尤其南辽河群顺时针P-T轨迹的建立(刘福来等, 2015)和高钾钙碱性花岗岩的确认(刘福来等, 2015; 李超等, 2017)为此模式提供了较为关键的证据。辽吉造山带在古元古代岩浆侵入作用强烈。在造山带早期演化阶段伸展环境下, 2.2~2.1Ga的岩浆侵入作用形成了大面积分布的A型花岗岩(Li et al., 2006; Li and Zhao, 2007; Lu et al., 2006; Wan et al., 2006; 刘福来等, 2015; 杨明春等, 2015a; 李超等, 2017), 此阶段的花岗岩作为造山物质的一部分卷入了造山作用(王惠初等, 2015)。造山带在经历~1.9Ga的挤压碰撞造山作用后, 动力模式又从挤压变为伸展而进入后造山阶段, 大量1.89~1.82Ga的S型或I型花岗质岩浆先后侵位, 不同期次的花岗质岩浆上涌之后, 不断伸展和松弛的地壳环境又为残余岩浆和深熔脉体的上升、赋存和缓慢结晶提供了空间, 最终形成了不同期次的伟晶岩。本文通过对宽甸和三家子伟晶岩成岩时代和成因性质的研究结果进一步表明, 辽吉造山带弧陆碰撞结束后伸展的构造体制至少从~1.87Ga一直延续至~1.74Ga, 后造山阶段至少持续130Myr。

7 结论

(1) 辽东宽甸地区侵入辽河群的伟晶岩样品记录的原岩年龄为1.87~1.85Ga, 三家子地区侵入辽河群的伟晶岩样品记录的原岩年龄为1.87~1.74Ga, 从辽河群底部的里尔峪组到顶部的盖县组, 伟晶岩侵位时代是多期次的, 从~1.87Ga延续至~1.74Ga。

(2) 从锆石微区岩相学和微量稀土元素特征来看, 宽甸地区伟晶岩锆石更似岩浆锆石, 三家子地区一部分伟晶岩锆石似热液锆石, 而另一部分则具有深熔锆石特征。伟晶岩成岩介质有多种来源, 与研究区1.89~1.82Ga的S型或I型花岗岩和深熔脉体具有亲缘关系, 即大部分伟晶岩与辽吉造山带伸展构造体制下的花岗质岩浆作用有关, 一部分则与变质沉积岩系的变质作用或深熔作用有关。

(3) 辽吉造山带弧陆碰撞结束后, 从~1.87Ga到~1.74Ga至少130Myr的时间里一直处于伸展的构造机制, 大量残余岩浆或深熔脉体上涌至辽河群地层中形成伟晶岩的岩脉、岩墙或岩体。

致谢 感谢本项目组其他成员田忠华副研究员、王舫副研究员和博士生冀磊、刘利双、许王、邹雷帮助完成野外工作; 感谢西安地质调查中心实验测试中心李艳广工程师和靳梦琪工程师在实验过程中给予的指导和帮助, 感谢刘哲同学帮助完成实验; 感谢杨崇辉研究员在成文过程中给予的指导和建设性意见; 感谢审稿专家认真审阅了本文并提出宝贵的修改意见。
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