2012, Vol. 28
2. 吉林大学应用技术学院, 长春 130022
2. College of Applied Technique, Jilin University, Changchun 130022, China
经过长期, 特别是近10年来, 华北克拉通早前寒武纪研究取得重要进展。其中之一是大量古元古代中期(2.0~2.25Ga) 地质体的发现和确定, 包括表壳岩系和不同类型基性-酸性侵入岩, 它们主要分布于大青山、中条、吕梁、五台、恒山、阜平、辽吉等地(孙大中等, 1991；耿元生等, 2000, 2006；王凯怡等, 2000, 王凯怡和Wilde, 2002；李基宏等, 2005；刘树文等, 2007；凤永刚等, 2008；董春艳, 2008；杜利林等, 2010；Guan et al., 2002；Zhao et al., 2002, 2008；Peng et al., 2005；Dong et al., 2007；Wilde et al., 2004；Wan et al., 2006, 2009；Kröner et al., 2005, 2006；Lu et al., 2006；Du et al., 2010；Wang et al., 2010)。更大范围古元古代晚期孔兹岩系变泥砂质岩石和中-新元古代盖层也大量存在这一年龄的碎屑锆石(Wan et al., 2006, 2009, 2011)。华北克拉通古元古代中期构造岩浆热事件比以往认识到的更为强烈。这一构造岩浆热事件构造环境的深入认识, 对于华北克拉通早前寒武纪, 特别是新太古代晚期-古元古代晚期地壳演化研究具有重要的意义。本文报道了辽宁鞍山-弓长岭地区古元古代中期变质辉长岩的锆石定年结果和地球化学组成。
2 地质背景鞍山-弓长岭地区存在3.8Ga到2.5Ga长期的地质演化(图 1；Liu et al., 2008)。在其南部, 辽河群广泛分布(Li et al., 2005；Li and Zhao, 2007；Wan et al., 2006；Lu et al., 2006)。辽河群主要由变质碎屑沉积岩、镁质大理岩、变质中-酸性火山沉积岩组成, 绿片岩相-角闪岩相变质, 形成时代为古元古代(~2.18Ga)。它们与古元古代(2.17~2.09Ga) 辽吉花岗岩共生(张秋生, 1988)。在辽河群分布区, 可见变质辉长岩与辽河群呈侵入接触, 但具体空间分布还不十分清楚。在鞍山大孤山幅1:5万地质图中(辽宁省区域地质调查队，1990①), 变质辉长岩有较大范围的分布(图 2)。本文3个变质辉长岩样品位置见图 1和图 2。
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图 1 鞍山-弓长岭地区地质简图 Fig. 1 Geological map of the Anshan-Gongchangling area |
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图 2 鞍山韩家峪地区地质图 Fig. 2 Geological map of the Hanjiayu area, Anshan |
① 辽宁省区域地质调查队.1990. 1:5万大孤山幅地质调查报告
样品A1102取自韩家峪一采石场(图 3a)。与辽河群呈侵入关系。岩石具块状构造(图 3b), 主要由辉石(35%)、斜长石(30%)、角闪石(10%)、黑云母(3%) 和磁铁矿(10%) 等组成, 含少量石英, 自形程度与颗粒大小近相等的辉石和斜长石镶嵌接触构成辉长结构(图 4a, b)。辉石晶体中常定向分布细针状的不透明的铁质矿物, 辉石呈灰褐色, 半自形-他形短柱状-粒状, 粒度0.02~0.1mm, 正高突起。可见一组或两组不完全-完全解理, 最大解理夹角50°。正交偏光下干涉色被矿物本身颜色掩盖, 斜消光。斜长石为自形半自形板状, 有聚片双晶, 部分斜长石表面发生了绢云母化蚀变。角闪石为褐绿-淡灰绿色, 不规则粒状, 短柱状, 边界不平直, 斜消光, 具有鲜艳的二级干涉色, 可能为变质成因, 至少部分为辉石退变的结果。黑云母交代单斜辉石, 细鳞片状, 细鳞片放射状, 本身颜色深呈棕红色。磁铁矿为不规则粒状, 反光镜下呈金属光泽。
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图 3 鞍山-弓长岭地区古元古代变质辉长岩的野外照片 (a、b)-变质辉长岩(A1102)；(c)-变质辉长岩(A1121)；(d)-变质辉长岩(A1122) Fig. 3 Field photographys of Paleoproterozoic meta-gabbro in the Anshan-Gongchangling area (a, b)-meta-gabbro (A1102); (c)-meta-gabbro (A1121); (d)-meta-gabbro (A1122) |
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图 4 鞍山-弓长岭地区古元古代变质辉长岩的岩相学照片 (a、b)-变质辉长岩(A1102)；(c)-变质辉长岩(A1121)；(d)-变质辉长岩(A1122) Fig. 4 Petrographical photographys of Paleoproterozoic meta-gabbro in the Anshan-Gongchangling area (a, b)-meta-gabbro (A1102); (c)-meta-gabbro (A1121); (d)-meta-gabbro (A1122) |
样品A1121取自张家老店北, 出露宽度大于100m。岩石变形(图 3c), 片麻理方向近北西-南东, 由于构造变形，南侧与辽河群界线已平行化。岩石主要由辉石、斜长石、角闪石、不透明矿物组成(图 4c), 存在少量黑云母和石英。半自形-自形短柱粒状辉石与半自形-他形粒状斜长石形成辉长结构。由于变质作用改造, 岩石具变余辉长结构。辉石为灰褐色-灰绿色, 半自形-自形短柱状-粒状。角闪石为褐绿-绿色多色性, 他形不规则粒状, 多与辉石共生, 由辉石转变形成。辉石还蚀变为绢云母、绿泥石和绿帘石。斜长石为灰色-灰白色, 他形-半自形细小粒状, 发生绢云母化。黑云母为褐黄-褐绿色多色性, 细小鳞片状。大多数磁铁矿为半自形-自形粒状, 含量可达5%。石英为他形细小粒状, 与角闪石共生。
样品A1122取自张家村南。变质辉长岩出露宽度大于200m, 与辽河群呈侵入关系, 岩石遭受强烈变质变形(图 3d), 拉伸线理方向近南北向。岩石主要由角闪石、斜长石组成(图 4d), 存在少量石英、绢云母、绿泥石。角闪石为蓝绿色-褐黄色多色性, 自形-半自形细粒柱状集合体, 定向排列。斜长石为他形细粒粒状集合体。石英为他形细粒粒状。磁铁矿为细粒半自形, 含量可达5%。矿物均定向排列, 形成条带状构造。
3 分析方法全岩常量元素含量用X荧光光谱法测定, 稀土和微量元素用等离子质谱测定。测定由国家地质实验测试中心完成。背散射图像和矿物冷谱分析在地质科学院矿床地质研究所的JXA-8230电子探针(日本电子(GEOL) 产品) 上完成。SHRIMP锆石U-Pb定年在北京离子探针中心完成。测年原理和方法见Williams (1998)。一次离子流强度为4nA, 束斑为25μm。标准锆石SL13 (U=238×10-6) 和TEM (年龄=417Ma) 分别用于未知锆石样品的U、Th含量和年龄修正(Williams, 1998；Black et al., 2003)。对于样品, 岩浆锆石数据点测定由5组扫描给出, 捕获锆石数据点测定由3~4组扫描给出。标准锆石为5组扫描。TEM与未知样品测定比例为1:3~4。数据处理采用SQUID和ISOPLOT程序(Ludwig, 2001), 根据实测204Pb进行普通铅校正。锆石年龄使用207Pb/206Pb年龄。单个数据误差为1σ, 加权平均年龄误差为95%置信度。尽管斜锆石SHRIMP定年的206Pb/238U年龄受晶体方位(晶体放置位置和角度) 的影响(Wingate et al., 2000), 但207Pb/206Pb年龄测定与之无关。本文测年的斜锆石时代为古元古代, 其定年方法与锆石的相同。
4 地球化学根据地球化学组成, 可把变质辉长岩划分为两类(表 1)。
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表 1 鞍山-弓长岭地区古元古代变质辉长岩地球化学组成(主量元素：wt%；稀土和微量元素：×10-6) Table 1 Geochemical composition of Paleoproterozoic meta-gabbro in the Anshan-Gongchangling area (Major element: wt%; REE and trace element: ×10-6) |
岩石低MgO (3.32%~4.55%), 高FeOT(16.34%~22.79%)、TiO2(1.94%~4.10%) 和P2O5(0.17%~0.21%), SiO2=43.68%~49.69%, CaO=5.48%~7.56%, Na2O=2.60%~3.70%, K2O=0.36%~1.61%。在AFM图解上位于拉班玄武岩区, 向FeOT端元偏移(图 5)。高的FeOT/MgO比值(3.59~6.86) 表明岩浆经历过强烈的结晶分异作用。岩石稀土总量高(ΣREE=107.5×10-6~114.0×10-6), 轻重稀土分离不强((La/Yb)N=2.6~2.7), 无铕异常(Eu/Eu*=0.94~1.07)(图 6a)。在微量元素蜘蛛网图解上, 样品A1102大离子亲石元素K、Rb、Ba相对富集, 而样品A1122大离子亲石元素无相对富集。它们高场强元素Nb、P、Ti无明显亏损, 相容元素Cr强烈亏损(图 6b)。
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图 5 鞍山-弓长岭地区古元古代变质辉长岩的AFM图解 Fig. 5 AFM diagram of Paleoproterozoic meta-gabbro in the Anshan-Gongchangling area |
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图 6 鞍山-弓长岭地区古元古代变质辉长岩的稀土模式图(a) 和微量元素图解(b) Fig. 6 REE patterns (a) and MORB-normalized trace element (b) diagrams of Paleoproterozoic meta-gabbro in the Anshan-Gongchangling area |
岩石高SiO2(53.00%)、CaO (8.94%), 低MgO (4.07%)、FeOT(8.66%)、TiO2(0.82%), Na2O=3.84%, K2O=0.81%。在AFM图解上位于钙碱性玄武岩区。岩石的FeOT/MgO比值为2.13。与类型1变质辉长岩相比, 稀土含量略低(ΣREE=99.2×10-6), 轻重稀土分离更强((La/Yb)N=6.8), 存在弱的负铕异常(Eu/Eu*=0.86)(图 6a)。在微量元素蜘蛛网图解上, 大离子亲石元素K、Rb、Ba相对富集, 高场强元素Nb和相容元素Cr存在一定程度的亏损(图 6b)。
5 斜锆石和锆石特征及测年结果对样品A1102进行了年龄测定。样品中存在斜锆石, 但仅发现2颗。斜锆石呈长柱状, 阴极发光图像下呈板状环带(图 7a)。斜锆石沿边部局部有锆石形成, 一些锆石在斜锆石中呈穿孔状分布, 显示出交代的结构特征(图 8a, b)。岩浆锆石含量也很低, 仅发现2颗。岩浆锆石呈长柱状或不规则形, 阴极发光下具板状环带(图 7b)。根据冷谱分析, 岩浆锆石中存在角闪石包体(图 8c)。捕获锆石含量高, 与岩浆锆石的比例大约为15:1。捕获锆石粒度大, 呈柱状。阴极发光下具密集震荡环带(图 7b-d), 与花岗岩中的岩浆锆石类似。一些捕获锆石遭受部分或完全重结晶(图 7b-d)。
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图 7 鞍山-弓长岭地区古元古代变质辉长岩(A1102) 的斜锆石和锆石阴极发光图像 (a)-斜锆石；(b)-颗粒5为岩浆锆石, 颗粒7为捕获锆石；(c、d)-捕获锆石和变质锆石.BAD-斜锆石；MA-岩浆锆石；TR-捕获锆石；ME-变质锆石 Fig. 7 Cathodoluminescence images of baddeleyite and zircon from Paleoproterozoic meta-gabbro (A1102) in the Anshan-Gongchangling area (a)-baddeleyite; (b)-grains 5 and 7 are magmatic and trapped zircons; (c, d)-trapped zircon and metamorphic zircon. BAD-baddeleyite; MA-magmatic zircon; TR-trapped zircon; ME-metamorphic zircon |
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图 8 鞍山-弓长岭地区古元古代变质辉长岩(A1102) 的斜锆石和锆石背散射图像 图 8a和b中的斜锆石与图 7a中的相同, 图 8c中的岩浆锆石与图 7b中的颗粒5相同.BAD-斜锆石；MA-岩浆锆石 Fig. 8 Backscattered electron images of baddeleyite and zircon from Paleoproterozoic meta-gabbro (A1102) in the Anshan-Gongchangling area Baddeleyite grains in figures 8a and b are same as those in figure 7a, the magmatic zircon in figure 8c is same as the grain 5 in figure 7b. BAD-baddeleyite; MA-magmatic zircon |
定年结果见表 2和图 9。斜锆石(1.1BAD, 4.1BAD) U含量为183×10-6~313×10-6, Th/U比值很低, 为0.06~0.08, 207Pb/206Pb年龄为2103~2107Ma, 数据点4.1BAD显示斜锆石存在一定铅丢失。岩浆锆石(5.1MA, 6.1MA) U含量和Th/U比值分别为96×10-6~697×10-6和0.99~1.06, 207Pb/206Pb年龄为1967~2124Ma, 数据点6.1MA显示锆石存在强烈铅丢失。斜锆石形成于岩浆锆石之前, 但两者年龄十分相近。2个在谐和线上的数据点(1.1BAD, 5.1MA) 的207Pb/206Pb加权平均年龄为2110±31Ma (MSWD=0.2)。
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表 2 鞍山-弓长岭地区古元古代变质辉长岩(A1102) 的斜锆石和锆石SHRIMP U-Pb年龄 Table 2 U-Pb data for the baddeleyite and zircon from Paleoproterozoic meta-gabbro (A1102) in the Anshan-Gongchangling area |
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图 9 鞍山-弓长岭地区古元古代变质辉长岩(A1102) 的斜锆石和锆石SHRIMP U-Pb年龄谐和图 Fig. 9 Concordia for SHRIMP U-Pb data of baddeleyite and zircon from Paleoproterozoic meta-gabbro (A1102) in the Anshan-Gongchangling area |
大多数捕获锆石沿上交点年龄为~2.95Ga的不一致线分布, 包括结构上显示岩浆环带(例如图 7b中的颗粒7) 和变质结构(例如图 7c中的颗粒18) 的两类锆石。前者(9个数据点) 的U含量和Th/U比值分别为184×10-6~1347×10-6和0.13~1.61, 后者(2个数据点, 16.1ME, 18.1ME) 的U含量和Th/U比值分别为973×10-6~1242×10-6和0.05~0.07。变质锆石数据点17.1ME偏离不一致线上, Th/U比值为0.07, 207Pb/206Pb年龄为2738±15 Ma。一些具变质结构的锆石显示强烈铅丢失。数据点10.1ME、11.1ME和12.1ME显示强烈铅丢失。数据点11.1ME由于Th含量很高, Th/U比值异常的高(9.26), 可能是一次流斑点打在富Th矿物包体的缘故。数据点10.1ME和12.1ME的的Th/U比值为0.21~0.59。
6 讨论和结论类型1变质辉长岩样品A1102的斜锆石和岩浆锆石年龄十分相近, 但斜锆石形成于岩浆锆石之前。斜锆石的存在与岩石低硅特征(SiO2=43.68%) 相吻合。斜锆石具十分低的Th/U比值, 反映了在岩浆演化早期阶段它们结晶时的岩浆组成特征。斜锆石通常无明显铅丢失, 但数据点4.1BAD的U含量不很高, 却显示一定的铅丢失, 其原因还不十分清楚。斜锆石被锆石交代, 表明在岩浆演化过程中岩浆局部有“富硅”流体存在。斜锆石是从基性或偏超基性的岩浆中结晶出来的, 与之相比, 基性岩中可能存在多种成因锆石, 一些情况下它们的地质意义不明确。不过, 在本文研究的辉长岩中, 一些锆石的岩浆特征明显(包括角闪石包体的存在), 尽管它们的数量不多, 但具有明确的成因指示意义。岩浆锆石在阴极发光下与斜锆石的结构十分类似, 都为板状结构(图 7a, b), 但在二次电子图像中斜锆石的亮度更高(图 8a-d)。与斜锆石相比, 岩浆锆石的Th/U比值明显增高, 可能与两个原因有关, 一是岩浆演化的结果, 一是陆壳物质的加入。
本次研究获得的斜锆石和岩浆锆石年龄数据不多, 仅有4个, 但对辉长岩形成时代具有很好的限制。4个数据点构成不一致线, 其中2个在谐和线上的数据点给出207Pb/206Pb加权平均年龄为2.11±0.03Ga, 解释为辉长岩的形成时代。数据点10.1ME, 11.1ME和12.1ME显示强烈铅丢失, 在岩浆锆石数据点构成的不一致线上, 也大致在捕获锆石数据点构成的不一致线上, 其Th/U比值明显大于铅丢失相对较弱的变质锆石(16.1ME, 17.1ME, 18.1ME) 的Th/U比值, 它们可能为捕获锆石在基性岩浆作用过程中被改造的结果。尽管样品A1122与A1102在变质变形方面存在很大区别, 但它们具有类似的地球化学组成, 为同时代产物。类型2变质辉长岩(A1121) 在地球化学组成上与类型1变质辉长岩存在较大区别。但是, 辉长岩侵入辽河群, 本身又遭受变质变形, 其形成时代可限制在1.85~2.18Ga之间。我们倾向于认为它们与类型1辉长岩形成于相近的时代。
类型1变质辉长岩以高FeOT为特征, 其中样品A1102的FeOT含量高达22.79%。由于岩石高TiO2和低SiO2, 高FeOT特征显然不是岩浆作用过程中BIF混染的结果。样品A1102异常的低SiO2和高TFeO, 可能与辉石、磁铁矿等的堆晶作用有关。另一方面, 岩石亲石元素相对富集, 被解释为陆壳物质加入的结果, 这与岩石中存在大量捕获锆石相吻合。捕获锆石年龄主要为~2.95Ga, 表明鞍山南部也有中太古代地壳物质存在。特别是, 部分捕获锆石原为2.95Ga的变质锆石, 表明鞍山地区发育这一时代的构造热事件。样品A1122未受陆壳物质明显影响, 但也不能代表最原始的基性岩浆, 已受到结晶分异作用改造。类型2辉长岩地球化学组成上与类型1辉长岩存在较明显区别, 表明它们的源区组成和形成过程不同。从大离子亲石元素相对富集看, 类型2辉长岩形成过程中也受到陆壳物质的影响。
华北克拉通古元古代中期构造岩浆热事件强烈。关于这一构造岩浆热事件的性质和意义存在不同的认识。Zhao et al.(2002)认为它们与西部陆块和东部陆块从~2.5Ga到~1.8Ga长期碰撞拼合演化有关, 而杨崇辉等(2011)认为它们是陆块内部伸展构造体制的产物。本文研究中, 类型1辉长岩高FeOT、TiO2、P2O5, 低MgO、Cr, 稀土总量高而轻重稀土分离不强, 显示明显的富铁演化趋势。这种趋势是经历过强烈结晶分异基性岩浆的典型代表, 岩浆在深部岩浆房停留了较长的时间, 是伸展体制下地幔岩浆作用的产物。支持了华北克拉通在古元古代中期处于伸展构造环境的认识, 也支持了华北克拉通在太古宙晚期已固结成为统一整体的认识。
致谢 SHRIMP锆石定年得到张玉海高级工程师和杨之青高级工程师帮助；锆石样品靶由杨淳高级工程师制作；锆石阴极发光图像由李宁工程师完成；锆石标准由Ian Williams和Lance Black提供；研究过程中得到杨崇辉研究员、杜利林副研究员的帮助；杨崇辉研究员还审阅了论文, 提出宝贵的修改意见；在此一并深表谢意。| [] | Black LP, Kamo SL, Allen CM, Aleinikoff JN, Davis DW, Korsch RJ, Foudoulis C. 2003. TEMORA 1: A new zircon standard for Phanerozoic U-Pb geochronology. Chemical Geology, 200: 155–170. DOI:10.1016/S0009-2541(03)00165-7 |
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