2018, Vol. 34
辽吉构造带是发育于华北克拉通东部的一条古元古代造山/构造带。辽河群是该构造带的重要岩石构造单元，由低绿片岩-角闪岩相变质火山-沉积岩系组成，被花岗质岩石和基性岩侵入(Luo et al., 2004, 2008; Li et al., 2005, 2006; Zhao et al., 2005; Li and Zhao, 2007; Zhao and Cawood, 2012)，主要出露于辽东南地区。通过对带内辽河群变沉积岩、古元古代岩浆岩以及变质变形作用等方面的研究，前人提出大陆裂谷(张秋生等，1988；Luo et al., 2004, 2008；李三忠等，2004；Li et al., 2005, 2006；Li and Zhao, 2007)、弧-陆碰撞(白瑾，1993)和陆-陆碰撞(贺高品和叶慧文, 1998a, b)三种截然不同构造演化模式。确定辽河群沉积时代和物质来源，对探讨辽吉构造带构造演化过程具有重要意义。盖县组被认为是辽河群最顶部层位。与辽河群下部层位相似，盖县组变沉积岩中普遍含有2.2~2.0Ga年龄峰，并记录1.90~1.85Ga变质年龄。因此，前人认为盖县组沉积时代与辽河群其它层位沉积时代一致，沉积于2.0~1.9Ga之间。最近，我们在辽南岫岩地区开展地质调查工作，发现该区盖县组变质长石石英砂岩中还含有大量~1.86Ga岩浆成因碎屑锆石，指示盖县组中存在形成于古元古代变质作用之后的变沉积岩。本文报道了岫岩县黄花甸-苏子沟一带两件盖县组变沉积岩样品的碎屑锆石年龄，深入探讨研究区盖县组沉积物质来源和沉积时代，为辽河群更全面的地层对比划分提供基本依据。
1 地质背景与样品描述辽东半岛位于华北克拉通东部陆块的东北段，北邻中亚造山带、南邻秦岭-大别造山带，由辽北-吉南地块、辽南地块以及辽-吉构造带共同组成。其中辽河群和辽吉花岗岩是辽-吉构造带的主要构造岩石地层单元(路孝平等, 2004a; Li and Zhao, 2007)。区域上，辽河群呈南西-北东向展布于辽南地区(图 1a)，自西南部的海城、大石桥和盖县经凤城向东北部延伸至浑江地区，主要出露于大石桥-宽甸一带，同时在庄河以及长山群岛有零星分布。前人根据岩性组合、变质变形作用以及混合岩化程度的差异，以营口-草河口复向斜轴(即盖县-析木城-塔子岭-茳草甸子-叆阳一线)(王惠初等，2011)或者青龙山-枣儿岭断裂为界(Zhao and Zhai, 2013; Li et al., 2005)，将辽河群进一步划分为南辽河群和北辽河群。其中北辽河群自下而上依次被划分为浪子山组、里尔峪组、高家峪组、大石桥组和盖县组；南辽河群地层出露不全，自下而上依次被划分为里尔峪组、高家峪组、大石桥组和盖县组。前人研究认为南、北辽河群的大石桥组和盖县组具有相似的岩石组合，但其下伏地层尤其是里尔峪组存在明显差异(王惠初等, 2011, 2015)。
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图 1 胶-辽-吉构造带及邻区地质图(a，据Zhao et al., 2005)、苏子沟地区区域地质图及样品分布图(b，据辽宁省第一区域地质测量队，1976①) Fig. 1 Regional geological map of Jiao-Liao-Ji orogenic belt and its surrounding (a, after Zhao et al., 2005) and regional geological map of the Suzigou area, showing the distribution of the Liaohe Group and samples locations (b) |
① 辽宁省第一区域地质测量队.1976. 1：200, 000岫岩幅区域地质图
盖县组位于辽河群顶部，岩性组合和岩相比较稳定、厚度大、分布面积广(李壮等，2014；刘福来等，2015)，分布于盖县-草河口复式向斜的核部，主要出露于塔子岭-青城子-茳草甸子-张家堡子一带以及东瓜林、哨子河、黄土坎等地，宽甸二台子和丹东等地也有零星出露(刘福来等，2015)。其下部主要岩性为夕线二云片岩、含石墨黑云片岩夹长英质粒状岩石和钙镁硅酸盐类岩石以及黑云斜长片麻岩等；上部主要为变质长石石英砂岩、变质砂岩、绿泥石千枚岩、变质粉砂岩等，局部夹大理岩等(辽宁省地质矿产局，1989)。为了确定该套组合的形成时代和沉积物源区，本文对采自辽宁省鞍山市岫岩县苏子沟镇与黄花甸镇交界附近2件变质长石石英砂岩和变质石英砂岩样品(图 1b)进行进行LA-ICP-MS碎屑锆石U-Pb分析。
变质长石石英砂岩样品GX1采自岫岩县苏子沟镇龙王线公路附近(坐标：N40°28′36″、E123°25′56″)。岩石新鲜面呈青灰色，中粗粒变余砂状结构，块状构造(图 2a)。主要矿物包括斜长石(20%~30%)、钾长石(20%~30%)和石英(30%~40%)；此外，黑云母+白云母(~5%)，其它矿物含量~5%。石英呈他形粒状，粒径以0.4~1.0mm为主。斜长石呈半自形-他形粒状，颗粒大小为0.4~0.8mm，聚片双晶发育。钾长石呈他形粒状，粒径变化于0.4~0.8mm之间，发育格子双晶。黑云母和白云母呈细小鳞片状，均匀分布于石英和长石颗粒之间(图 2c)。
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图 2 南辽河群盖县组变质砂岩野外及显微照片 Bt-黑云母；Kfs-钾长石；Ms-白云母；Pl-斜长石；Qz-石英 Fig. 2 Representative field and microtexture photographs of metamorphosed sandstone in the Gaixian Formation, the South Liaohe Group Bt-biotite; Kfs-K-feldspar; Ms-muscovite; Pl-plagioclase; Qz-quartz |
变质石英砂岩样品GX2采自岫岩县黄花甸镇关门山村附近(坐标：N40°29′02″、E123°29′05″)。露头上，变质石英砂岩与云母片岩互层产出；新鲜面呈青灰色，中细粒变余砂状结构，块状构造(图 2b)。主要矿物包括石英(80%~85%)和黑云母(10%~15%)，其它不透明矿物含量~5%。石英为他形粒状，颗粒大小0.1~0.5 mm。黑云母为细小鳞片状，均匀分布于石英颗粒之间(图 2d)。
2 分析测试方法锆石分选工作由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。193nm 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6.0J/cm2，束斑直径为25μm，频率为6Hz，共剥蚀45s，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(Liu et al., 2010a; Hu et al., 2011)。数据处理采用ICPMSDataCal软件离线处理(Liu et al., 2010a, b)。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(Ludwig，2003)。同位素比值和年龄误差均为1σ。
3 分析结果 3.1 变质长石石英砂岩(样品GX1)该样品中锆石自形程度较高，以椭球状或短柱状为主，部分锆石破碎呈不规则状(图 3a)。晶形相对完整的锆石颗粒长轴以60~100μm为主，短轴以40~60μm为主，长/宽比约为2~2.5。阴极发光图像显示，大部分锆石发育核-边结构，核部呈自形-半自形、灰白色或者灰黑色，具清晰的振荡环带，少数核部呈均匀灰白色无环带结构；边部狭窄呈均匀的深灰色，偶见灰白色窄边。另外少部分锆石结构简单，未发育深灰色-灰白色的窄边，该类锆石具有清晰或者模糊的振荡环带。
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图 3 南辽河群盖县组变质砂岩碎屑锆石阴极发光图像 圆代表年龄分析点位，U-Pb年龄结果亦在图中标出 Fig. 3 Cathodoluminescence images of detrial zircons from metamorphosed sandstone in the Gaixian Formation of the South Liaohe Group Circles show positions of U-Pb analytical sites; U-Pb ages are also plotted |
由于锆石边部较窄，无法满足测试分析要求，因此所有测试点均选取具核-边结构锆石的核部或者无核-边结构锆石的环带微区，测试结果见电子版附表 1。其中113个分析点获得谐和年龄(图 4b)。两颗谐和锆石核部207Pb/206Pb年龄>2300Ma，阴极发光显示环带发育，具有明显的核-边结构(图 3a)。其余大部分锆石207Pb/206Pb谐和年龄主要集中于2233~1825Ma之间。在锆石U-Pb年龄频率直方图中明显呈两个年龄峰值，分别为~2178Ma和~1863Ma(图 4a)。稀土元素分析结果(表 1)显示，这两个峰值的碎屑锆石具有相似的稀土配分模式，均表现出明显轻稀土元素亏损、重稀土元素富集以及明显的Ce正异常、Eu负异常特征(图 5a, b)。年龄分布在~2178Ma峰值附近的锆石平均的Th、U平均含量分别为224×10-6和361×10-6，Th/U比值较高(0.07~0.81，平均0.62)。年龄分布在~1863Ma峰值附近的锆石Th、U平均含量分别为234×10-6和681×10-6，Th/U比值同样较高(0.20~1.05，平均0.34)。振荡环带以及高的Th/U比值表明这些碎屑锆石均为岩浆成因(Hoskin and Ireland, 2000; Belousova et al., 2002; 刘福来等，2009)。
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附表 1 变质长石石英砂岩(样品GX1)谐和锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄 Appendix1 LA-ICP-MS U-Pb data for concordia zircons from metamorphosed feldspathic quartz sandstone (Sample GX1) |
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图 4 南辽河群盖县组变质砂岩谐和锆石U-Pb年龄谐和图和U-Pb年龄分布频率直方图 Fig. 4 206Pb/235U vs. 207Pb/238U diagrams and histograms of U-Pb ages for zircon analyses from the metamorphosed sandstone in the Gaixian Formation of the South Liaohe Group |
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表 1 变质砂岩谐和锆石稀土元素和微量元素平均成分特征(×10-6) Table 1 Mean trace element compositions (×10-6) of concordia zircons from the metamorphosed quartz sandstone |
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图 5 南辽河群盖县组变质砂岩谐和锆石球粒陨石标准化稀土元素配分图解(标准化值据Sun and McDonough, 1989) Fig. 5 Chondrite-normalized REE patterns of concordia zircons from the metamorphosed sandstone in the Gaixian Formation of the South Liaohe Group (normalization values after Sun and McDonough, 1989) |
该样品中锆石呈自形-半自形，以浑圆状、或短柱状为主，部分锆石破碎呈不规则状(图 3b)。锆石颗粒大小不等，晶形相对完整的锆石长轴以80~150μm为主，短轴以60~100μm为主，长/宽比约为1~2。阴极发光图像显示，锆石基本无核-边结构，具有清晰或略模糊的振荡环带。117个分析点给出谐和年龄(见电子版附表 2和图 4c，d)。除六颗锆石207Pb/206Pb年龄较老(>2500Ma)，其余锆石的207Pb/206Pb年龄范围为2478~1950Ma，最突出的年龄峰值为~2149Ma(图 4)。稀土元素分析结果(表 1)显示，该样品中76个测试点具有轻稀土元素亏损、重稀土元素相对富集以及明显的Ce正异常、Eu负异常的特征(图 5c)。Th、U平均含量分别为156×10-6和275×10-6，比值较高Th/U(平均为0.57)，表明其岩浆成因(Belousova et al., 2002; Hoskin and Ireland, 2000; 刘福来等，2009)。
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附表 2 变质石英砂岩(样品GX2)谐和锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄 Appendix2 LA-ICP-MS U-Pb data for concordia zircons from the metamorphosed quartz sandstone (Sample GX2) |
盖县组是辽河群的重要组成部分，前人曾开展了部分碎屑锆石U-Pb测年工作，并通过碎屑锆石最小U-Pb年龄和变质锆石综合限定其可能沉积时代。Luo et al.(2008)对虎皮峪背斜北侧南辽河群盖县组黑云母片麻岩中锆石进行年代学研究，得到2080±5Ma(主要)和2402±17Ma(次要)的207Pb/206Pb年龄峰值，认为盖县组黑云母片麻岩原岩在2080±5Ma之后沉积。王惠初等(2015)在宽甸步达远镀金盖县组堇青石二云片岩中锆石测得2259~1937Ma的主体年龄(主要峰值为~2.15Ga，次要峰值为~2.21Ga和~2.02Ga)，另外存在1861±16Ma和1906±16Ma的变质年龄。李壮等(2014, 2015)研究结果表明盖县组最年轻的碎屑锆石年龄为1.98±0.02Ga，结合~1.9Ga的变质时代，说明其沉积时限为2.0~1.9Ga。Wang et al.(2017)利用同样的方法对塔子岭附近盖县组两件富铝片岩中碎屑锆石和变质锆石进行年代学研究，分别得到2045Ma和2035Ma的碎屑锆石年龄峰值以及1853±19Ma变质锆石年龄。根据以上结果，我们可以发现盖县组中普遍含有2.2~2.0Ga的年龄峰值，部分样品还给出了1.90~1.85Ga的变质年龄。盖县组沉积时代被限定在2.0~1.9Ga之间。与前人获得的结果相似，本次研究的变质石英砂岩(GX2)中大量锆石的207Pb/206Pb年龄集中在2.2~2.0Ga之间，峰值为2149Ma。而变质长石石英砂岩(GX1)中除2.2~2.0Ga的年龄峰外，更大的年龄峰分布在1.95~1.80Ga，峰值为1863Ma。该年龄峰的碎屑锆石普遍具有清晰的振荡环带，高Th/U(0.20~1.05)，指示为岩浆成因。这些结果表明该样品最大沉积时代为~1.86Ga。综上所述，我们认为南辽河群盖县组除部分沉积于2.0~1.9Ga外，还有部分沉积于1.86Ga之后。
4.2 南辽河群盖县组的沉积物源辽-吉构造带内大量发育2.2~2.0Ga条痕状花岗岩(郝德峰等，2004；路孝平等, 2004a, 2005；Li and Zhao, 2007; 杨明春等，2015)和1.87~1.84Ga斑状花岗岩(路孝平等，2004b；Lu et al., 2006)。构造带两侧广泛分布太古宙基底岩石(Liu et al., 1992; Song et al., 1996; Zhao et al., 2006; Wu et al., 2008; 张晓晖等，2016；Wan et al., 2012; 赵磊等，2016；Guo et al., 2017)。本次研究的2件盖县组变沉积岩均含有大量2.2~2.0Ga碎屑锆石，与辽吉条痕状花岗岩侵位时代一致，表明条痕状花岗岩可能是盖县组重要的沉积源区。这与前人所获得辽吉条痕状花岗岩是辽河群重要物源的观点一致(Luo et al., 2004, 2008；李壮等, 2014, 2015；刘福来等，2015；Wang et al., 2017)。除2.2~2.0Ga的年龄峰外，变质长石石英砂岩(GX1)中碎屑锆石另一个重要的年龄峰值为1863Ma，该年龄与辽吉活动带内斑状花岗岩侵位时代在误差范围内吻合，指示斑状花岗岩可能也作为重要的源区为盖县组提供碎屑物质。此外，少量较老锆石的存在，它们可能来自辽吉活动带两侧的太古宙基底。
4.3 地质意义辽河群是辽吉活动带内最重要的地质单元之一。近年来随着锆石U-Pb定年技术的发展，大量年代学数据相继发表，为限定辽河群的沉积时代提供了丰富的资料。部分研究者通过辽河群变质表壳岩中碎屑锆石年龄和变质锆石年龄来限定辽河群的沉积时代。例如，Luo et al.(2004, 2008)对南、北辽河群各组变质碎屑岩中碎屑锆石进行定年，得到辽河群2200~2000Ma和~2500Ma的207Pb/206Pb年龄峰值，结合1.93~1.90Ga的变质时代，将辽河群沉积时代限定在2.05~1.93Ga之间；刘福来等(2015)对南、北辽河群富铝片岩-片麻岩中大量锆石进行U-Pb定年，得到2.15~2.05Ga(主要)和2.55~2.45Ga(次要)的峰值，结合最老变质锆石(~1.95Ga)年龄，限定辽河群沉积时代为2.05~1.95Ga；Li et al.(2015)通过对辽河群变沉积岩进行定年，将其沉积时代限定在1.98~1.90Ga之间；Lu et al.(2006)对南辽河群变质砂岩中碎屑锆石以及变质锆石进行年代学研究，认为南辽河群沉积作用发生在2.12~1.85Ga之间；孟恩等(2013)通过对宽甸地区南辽河群变质表壳岩中不同性质锆石微区进行U-Pb定年，限定其原岩形成时代晚于~2035Ma，峰期变质作用年龄为~1885Ma，沉积作用发生于2035~1885Ma之间；Wang et al.(2017)通过对南辽河群各组变沉积岩中碎屑锆石进行定年得到各组最小的谐和锆石年龄分别为2050±36Ma、2069±30Ma、2043±37Ma和1915±42Ma，限定了各组沉积时代的上限，1860±15Ma的变质锆石年龄限定了沉积时代的下限。此外，也有研究者通过火山岩年代学研究的方法来限定辽河群的形成时代。例如，Li and Chen(2014)、李壮等(2015)限定南辽河群里尔峪组(火山作用)时代为2204~2158Ma，变质年龄为1919~1895Ma；王惠初等(2015)在南辽河群里尔峪组中获得多个~2.18Ga的中酸性火山岩年龄，表明其形成时代不晚于~2.10Ga；陈井胜等(2017a)通过对辽河群里尔峪组和高家峪组中酸性火山岩进行定年，得到2190~2180Ma、2110~2100Ma和1970~1960Ma三期岩浆活动，限定辽河群的形成时代为2.19~1.96Ga；高铂森等(2017)对黄花甸地区南辽河群里尔峪组中斜长角闪岩中锆石进行年代学研究，得到2150±21Ma和1995±13Ma两组原岩年龄，认为其代表了里尔峪主要的形成时代；陈井胜等(2017b)对大石桥组大理岩中的酸性火山岩的岩浆锆石进行定年，将大石桥组形成时代精确的限定为2171±11Ma。
综合以上结果可以发现，尽管前人围绕辽河群沉积时代开展了大量研究工作，但还存在一些问题。最小碎屑锆石年龄和变质锆石年龄限定的辽河群沉积时代大多为2.0~1.9Ga(Luo et al., 2004, 2008; 李壮等, 2014, 2015；刘福来等，2015；Wang et al., 2017)，而辽河群中火山岩形成时代明显偏早(普遍早于2.1Ga)。此外，同一组中存在多期火山岩作用，且时代跨度较大(陈井胜等，2017a；高铂森等，2017)。辽河群上部的大石桥组酸性火山岩形成于2171±11Ma(陈井胜等，2017b)，早于辽河群下部里尔峪组和高家峪组部分中酸性火山岩的形成时代(陈井胜等，2017a)，也早于辽河群下部里尔峪组斜长角闪岩原岩的形成时代(高铂森等，2017)。造成这些问题的原因很多，例如，可能与受变质所用影响，碎屑锆石Pb轻微丢失，造成年龄偏年轻有关，也可能与最小的岩浆成因碎屑锆石年龄缺乏代表性有关。此外，由于遭受后期变质变形改造强烈，导致地层划分工作开展困难，特别一些相近的岩性难以确定其归属。最近，李壮等(2014)详细分析了南北辽河群各组的野外地质关系和室内工作结果，尤其是锆石年代学研究结果，提出原属北辽河群底部的浪子山组与辽河群盖县组层位相当，建议将浪子山组置于辽河群顶部。
区域上的盖县组存在东西差异，同时也存在南北差异，并且容易与大石桥组和高家峪组中富铝片岩混淆(王惠初等，2015)。本研究两件盖县组样品中碎屑锆石年龄分布特征明显不同，指示它们在物源、沉积时代方面都存在差异。这些差异可能是因为它们分别归属于盖县组的不同层位，或者由于该区地层单元划分混乱所致。虽然辽河群沉积时代、地层对比还存在很多问题，但是普遍认为辽河群沉积于古元古代变质作用(1.93~1.85Ga)之前。本研究中盖县组变质长石石英砂岩(GX1)的沉积时代应在辽河群古元古代变质作用之后，其存在~1.86Ga的年龄峰值与辽河群其它变沉积岩明显不同。鉴于此，我们认为盖县组部分变沉积岩应从辽河群中解体出来。
5 结论(1) 南辽河群盖县组变质石英砂岩中岩浆成因碎屑锆石U-Pb年龄峰值为~2149Ma；而变质长石石英砂岩中岩浆成因碎屑锆石呈现~2163Ma和~1863Ma两个年龄主峰，表明沉积时代晚于~1.86Ga。
(2) 盖县组变质砂岩碎屑组成来自于太古代和古元古代多个物源区，但是辽-吉构造带内古元古代条痕状花岗岩和斑状花岗岩是其主要碎屑沉积物供给者。
(3) 盖县组变质砂岩~1.86Ga碎屑锆石年龄峰值和相对应的沉积物源区明显不同于辽河群其它变沉积岩系，表明辽河群中至少部分变沉积岩原岩形成时代晚于~1.86Ga，因此建议黄花甸-苏子沟一带盖县组变质长石石英砂岩可从辽河群中解体出来。
致谢 本文部分样品锆石LA-ICP-MS U-Pb定年测试在南京聚谱检测科技有限公司完成，实验得到李亮的帮助。闫臻研究员和匿名审稿人对本文提出了许多宝贵的修改意见，在此一并致谢。
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