岩石学报  2013, Vol. 29 Issue (2): 485-500   PDF    
乌拉山地区早古元古代花岗质片麻岩的锆石U-Pb年代学、地球化学及成因
刘建辉1, 刘福来1, 丁正江2,3, 陈军强4, 刘平华1, 施建荣1, 蔡佳1, 王舫1     
1. 中国地质科学院地质研究所,北京 100037;
2. 吉林大学地球科学学院,长春 130061;
3. 山东省第三地质矿产勘查院,烟台 264000;
4. 天津地质矿产研究所,天津 300170
摘要: 早古元古代花岗质片麻岩类在华北克拉通孔兹岩带乌拉山地区广泛出露,是记录该区陆壳增生及构造演化的主要物质载体。4件代表性花岗质片麻岩样品的LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学分析表明,它们形成于~2.45Ga,并经历了~2.45Ga及约1.89~1.95Ga多期变质热事件;它们的岩石地球化学分析结果显示,稀土元素含量较高(∑REE=301×10-6~909×10-6),富集轻稀土元素、亏损重稀土元素,(La/Yb)N比值在13~56之间,无明显Eu异常(Eu/Eu*=0.76~1.81,平均为1.18),具有较高的Sr含量(在495×10-6~895×10-6之间),低的Yb含量(在0.5×10-6~2.61×10-6之间);微量元素原始地幔标准化蛛网模式图显示,强烈亏损Nb, Ta, Th, U及Ti等高场强元素,富集Ba, K, Rb及Sr等大离子亲石元素;它们为镁质、准铝质至弱过铝质、高钾钙-碱性系列,指示其可能形成于活动大陆边缘岛弧环境玄武质下地壳的部分熔融。暗示该区早古元古代时期的弧陆增生作用,并经历了从弧陆增生、陆-陆碰撞造山到造山后伸展的构造演化历史。
关键词: 陆壳增生     花岗质片麻岩类     乌拉山     孔兹岩带     华北克拉通    
Zircon U-Pb chronology, geochemistry and their petrogenesis of Early Paleoproterozoic granitoid gneisses in Ulashan area, North China Craton
LIU JianHui1, LIU FuLai1, DING ZhengJiang2,3, CHEN JunQiang4, LIU PingHua1, SHI JianRong1, CAI Jia1, WANG Fang1     
1. Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
2. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China;
3. Exploration Institute of Geology and Mineral Resources, Yantai 264000, China;
4. Tianjin Institute of Geology and Mineral Resources, Tianjin 300170, China
Abstract: Early Paleoproterozoic granitoid gneisses are widely distributed in Ulashan area in the khondalite belt, North China Craton, they record continent-crustal growth and tectonic evolution in the study area. The LA-ICP-MS U-Pb analyses of zircons from four representative granitoid gneiss samples collected from the study area unraveled that they formed at~2.45Ga, and experienced polyphase metamorphic events at~2.45Ga and 1.89~1.95Ga. The geochemical analyses of the Early Paleoproterozoic granitoid gneisses show they are characterized by high REEs contents (∑REE=301×10-6~909×10-6), enrichment in light REE and depletion in heavy REE with (La/Yb)N ratios of 13~56. They have weakly positive and/or negative Eu anomalies (Eu/Eu*=0.76~1.81, average 1.18), high Sr content (495×10-6~895×10-6) and low Yb content (0.5×10-6~2.61×10-6). Their primitive mantle normalized trace element spider diagrams show they are strongly depleted in high field-strength element Nb, Ta, Th, U, and Ti, and are enrich in large ion lithophile element Ba, K, Rb and Sr. They are magnesian, high-K calc-alkalic and metalumous-weakly peraluminous, indicating that they originated from partial melting of basaltic lower crust under island arc on margin of active continent. It is suggested that there existed arc-continent accretionary process during Early Paleoproterozoic, and experienced tectonic evolutional history of arc-continent accretion, continent-continent collision and extensions post-orogen in Ulashan area.
Key words: Continent-crustal growth     Granitoid gneisses     Ulashan     Khondalite belt     North China Craton    
1 引言

华北克拉通孔兹岩带是阴山陆块与鄂尔多斯陆块在古元古代(~1.95Ga)发生俯冲碰撞形成西部陆块的造山带(Zhao et al., 2001, 2005, 2010, 2012; 赵国春,2009),是现今华北克通早前寒武纪地质研究的热点地区。针对孔兹岩带的岩石组合、变质演化、构造变形作用、同位素年代学及地层单元的划分等做了大量的研究工作(金巍, 1989; 徐学纯,1989金巍等, 1991, 1992刘喜山等,1992; 刘喜山, 1994卢良兆等,1996郭敬辉等, 1999, 2002Zhao et al., 1999; 刘建忠等,2000杨振升等,2000徐仲元等, 2001, 2002, 2007Guo et al., 2002, 2005, 2012; 吉林大学地质调查研究院,2005; Xia et al., 2006a, b吴昌华等,2006吴昌华,2007Dong et al., 2007, 2013; 董春艳等,2009Wan et al., 2008, 2009, 2013; Yin et al., 2009, 2011; 周喜文和耿元生,2009; 周喜文等,2010; Peng et al., 2010, 2011; Santosh et al., 2011, 2012; Ma et al., 2012)。研究表明该带具有典型早前寒武纪碰撞造山带的岩石组合及构造变形特征,如近等温减压顺时针P-T演化轨迹的高压麻粒岩相变质作用(金巍等, 1991, 1992Liu et al., 1993; Lu and Jin, 1993赵国春等,2002; Zhao et al., 2005; 周喜文和耿元生,2009; 周喜文等,2010),大规模的韧性剪切带、多期变形的构造岩片及紧闭同斜褶皱等(吴昌华,2007徐仲元等,2007;吉林大学地质调查研究院,2005)。目前将该孔兹岩带作为一条古元古代俯冲碰撞造山带已得到共识,但是对于俯冲碰撞的极性及构造演化模式仍有争议,Zhao et al.(2005, 2010)提出了由南向北的俯冲碰撞模式;Santosh et al. (2011)提出了由北向南俯冲的弧陆增生造山模式;而Zhai and Santosh (2011)则认为其经历了大陆裂解-俯冲-增生-碰撞的构造演化。此外,值得注意的是,一些研究者在该孔兹岩带的大青山及集宁地区相继报道了~1.92Ga的超高温变质事件(Liu et al., 1993; 金巍,1989Guo et al., 2012; Santosh et al., 2006, 2007a, b, 2008, 2009, 2012; 刘守偈等, 2008; Liu et al., 2010),并提出了多种不同的构造成因模式(Santosh et al., 2012),主要包括造山后的地幔上涌模式(赵国春等,2009; Santosh et al., 2009, 2012; Guo et al., 2012Zhao et al., 2012);双变质带模式(刘守偈等, 2008);下地壳剥露模式(翟明国, 2009)以及洋脊俯冲模式(Peng et al., 2010, 2011)等。上述研究资料表明,有关该孔兹岩带的形成及构造演化仍存在许多没能解决的科学问题,有待更深入的综合研究。

①吉林大学地质调查研究院. 2005. 1:25万包头市幅(K49C004002)区域地质调查报告

花岗质岩类作为地壳最主要的岩石组成,是记录地壳增生及造山带构造演化最主要的物质载体,通过对其形成时代、形成的构造环境、成因及其可能经历的构造-变质热事件的研究,能为我们正确理解早期地壳增生的机制及构造演化提供重要的证据和信息。因此,本文选取研究程度相对较低的乌拉山地区出露的早古元古代花岗质片麻岩类为研究对象,对其开展锆石年代学、岩石学及全岩地球化学分析,旨在精确测定它们的形成时代及记录的变质热事件,约束它们的成因及形成构造环境,为该区早期地壳增生、构造演化模式及相关问题的正确理解提供有益的实际资料。

2 地质背景

乌拉山位于内蒙古中部,是华北克拉通孔兹岩带大青山-乌拉山段的西部重要组成部分,北边为稳定的阴山陆块,南边为鄂尔多斯陆块(图 1a)。该区主要由太古代-古元古代花岗质片麻岩及基性麻粒岩侵入岩墙等变质深成岩、早前寒武纪高角闪岩相-麻粒岩相孔兹岩系及麻粒岩、古元古代-中元古代花岗岩类,中生代花岗岩类及显生宙沉积地层组成(图 1b)(吉林大学地质调查研究院,2005及其参考文献)。

图 1 华北克拉通构造单元划分(a, 据Zhao et al., 2005修改)和乌拉山地区地质简图及采样位置(b, 据吉林大学地质调查研究院,2005修改) Fig. 1 Tectonic subdivisions of the North China Craton (a, modified after Zhao et al., 2005) and simplified geological map of Ulashan area and sampling locations (b)

太古代-早古元古代花岗质片麻岩在区内大面积出露,是区内出露最多的一期花岗质岩石,主要由黑云二长花岗闪长质片麻岩,花岗闪长质片麻岩,紫苏黑云斜长花岗质-紫苏黑云花岗闪长质片麻岩,紫苏花岗岩组成(吉林大学地质调查研究院,2005)。这些花岗质片麻岩主要呈岩体产出,与周围岩石接触关系明确,而且同一花岗质片麻岩岩体在矿物成分、化学成分及结构构造等方面较均匀,并与围岩及内部包体(脉体)显示出明显的差异,显示出典型变质深成侵入岩体的特征;它们普遍经历了麻粒岩相变质作用,韧性剪切变形明显,定向构造发育(图 1b图 2),内部分布有大量基性岩墙(图 2e),这些基性岩墙主要形成时代包括~2.45Ga, ~1.95Ga及1.85Ga三期,并记录了~2.45Ga及约1.83~1.95Ga多期变质热事件(Wan et al., 2013; Ma et al., 2012)。目前,对于这些花岗质岩类的形成时代,形成构造背景、成因及构造属性仍没获得精确的限定。古元古代-中元古代花岗岩浆活动主要形成大量的钾质花岗岩和钾质伟晶岩脉体,以及由夕线石榴片麻岩部分熔融形成的含石榴石花岗岩(卢良兆等,1996;吉林大学地质调查研究院,2005; Ma et al., 2012)。另外,在沙德盖出露有印支期花岗岩,岩性以中粗粒黑云母花岗岩为主(图 1b)。

图 2 乌拉山地区早古元古代花岗质片麻岩类野外照片及显微照片 a、b)-黑云二长花岗质片麻岩(BT06-2); (c、d)-花岗闪长质片麻岩(BT15-1); (e-h)-紫苏花岗岩(BT17-2, BT48-2). Pl-斜长石;Kfs-钾长石;Qtz-石英;Bt-黑云母;Hb-角闪石;Opx-斜方辉石 Fig. 2 Photograhps of outcrops and photomicrographs of the Early Paleoproterozoic granitoid gneisses in Ulashan area (a, b)-biotite-bearing monzogranitic gneiss (BT06-2); (c, d)-granodioritic gneiss (BT15-1); (e-h)-charnockite (BT17-2, BT48-2). Pl-plagioclase; Kfs-K-feldspar; Qtz-quartz; Bt-biotite; Hb-hornblende; Opx-orthopyroxene

研究区内早前寒武纪高级变质地层主要包括兴和岩群和乌拉山岩群,乌拉山群通常也称为孔兹岩系(图 1b);两者均经历了麻粒岩相-高角闪岩相变质、深熔作用及韧性剪切变形的改造,同时还伴随有深部幔源岩浆的侵位,复杂的变质变形、岩石深熔作用和构造作用使二者相互混杂在一起,构成空间关系十分密切的高级变质岩体,呈带状东西走向分布(图 1b)。但在岩石组成及原岩建造上,两者明显不同,兴和岩群主要由基性麻粒岩组成,原岩为一套基性火山岩-沉积岩系;乌拉山岩群主要由夕线石榴片麻岩组合和大理岩组合构成,内部含有基性麻粒岩及片麻岩夹层,原岩为一套富铝粘土岩、碳酸盐岩夹火山沉积岩(卢良兆等,1996;吉林大学地质调查研究院,2005)。目前对于该区早前寒武纪高级变质地层的形成时代仍有争议,一些研究者根据高级变质地层与深成侵入岩体的关系,将兴和岩群划为古太古界,而将乌拉山岩群划为中太古界(吉林大学地质调查研究院,2005),另一些研究者根据孔兹岩系的碎屑锆石U-Pb测年结果,认为形成时代应为古元古代,并经历了古元古代(~1.95Ga)具有顺时针P-T演化的麻粒岩相变质作用(卢良兆等,1996; 吴昌华等,2006Xia et al., 2006a; 董春艳等,2009; Wan et al., 2009)。另外,在乌拉山南部石拐区分布有绿片岩相变质的美岱召岩群,其沉积时代及原岩组合可与乌拉山岩群对比(吉林大学地质调查研究院,2005)。

3 样品及其岩相学特征

本文选取在该区出露的早古元古代代表性花岗质岩石,即黑云二长花岗质片麻岩、花岗闪长质片麻岩和紫苏花岗岩进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学及地球化学分析,采样位置见图 1

3.1 黑云母二长花岗质片麻岩(BT06-2)

样品BT06-2为黑云二长花岗质片麻岩,采自乌拉山西南柏树沟北(图 1)。岩石呈浅肉红色,不等粒结构,片麻状构造(图 2a);主要矿物成分有斜长石(25%)、微斜长石(30%)、条纹长石(10%)、石英(30%)及黑云母(5%),具有二长花岗岩的组成特征(图 2b)。斜长石及钾长石主要呈他形,常有长石呈眼球状斑晶产出。石英定向拔丝拉长,糜棱岩化明显,指示强韧性变形,黑云母呈片状,在岩石中定向连续均匀分布(图 2b)。岩石内部有基性麻粒岩呈透镜体或脉体产出,透镜体的长轴方位与黑云二长花岗质片麻岩片麻理走向一致,同样显示遭受强烈剪切变形。

3.2 花岗闪长质片麻岩(BT15-1)

样品BT15-1为花岗闪长质片麻岩,采自忽鸡沟东南(图 1),岩石呈青灰色,片麻状构造,内部分布有浅肉红色含钾长石的浅色条带(图 2c)。其主要矿物成分有斜长石(45%)、微斜长石(10%),条纹长石(10%)、石英(25%)、角闪石(5%)及黑云母(5%);长石呈他形粒状,石英呈他形,具定向拉长变形,角闪石及黑云母呈定向连续均匀分布(图 2d)。

3.3 紫苏花岗岩(BT17-2,BT48-2)

样品BT17-2及BT48-2为强糜棱化紫苏花岗岩,分别采自大庙北及毛忽洞(图 1)。紫苏花岗岩风化表面呈浅肉红至灰白色,糜棱结构,片麻状构造,岩体内部分布有基性麻粒岩墙(图 2e),野外肉眼可见矿物明显定向分布,石英定向拔丝拉长,局部有眼球状长石斑晶,显示强韧性剪切变形(图 2g)。主要矿物成分有斜长石(40%)、石英(30%)、微斜长石(15%)、条纹长石(5%)及紫苏辉石(10%)。在显微镜下,除长石残斑外,矿物细粒化明显,紫苏辉石及石英定向拉伸变形,显示出强糜棱岩化作用,样品BT17-2紫苏辉石呈浅粉色,局部蚀变成磁铁矿,样品BT48-2紫苏辉石均发生磁铁矿蚀变,蚀变形成的磁铁矿沿裂隙(纹)及紫苏辉石周边分布(图 2h)。

4 分析方法

锆石制靶及阴极发光(CL)图像在中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心完成,采用GATAN公司Chroma阴极发光探头HTACHI S-3000N扫描电镜。并根据锆石颗粒的阴极发光(CL)图像对锆石的内部结构进行了详细分析,圈定LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分析微区位置。

LA-ICP-MS锆石U-Pb原位测年在天津地质矿产研究所同位素实验室完成。分析仪器采用由Themo Fisher公司制造的Neptune多接收器电感耦合等离子体质谱仪和193nm激光取样系统。激光剥蚀束斑直径为35μm,激光能量密度为13~14J/cm2,频率为8~10Hz,激光预剥蚀时间和剥蚀时间分别为5s和45s。以标准锆石GJ-1为标样进行同位素比值校正,每8个样品测试点插入2个GJ-1标准锆石测试点;采用208Pb对普通铅进行校正,利用NIST612作为外标计算锆石样品的Pb、U、Th含量。数据处理采用ICPMSDataCal 8.4程序(Liu et al., 2008)及ISOPLOT 3.0程序完成(Ludwig, 2003)。

样品全岩化学成分分析在中国地质科学院国家地质实验测试中心进行,其中常量元素采用XRF (X荧光光谱仪2100)方法分析,分析精度5%。微量元素和稀土元素采用等离子质谱仪X系列分析,分析误差小于5%。

5 分析结果 5.1 锆石U-Pb定年 5.1.1 黑云母二长花岗质片麻岩(BT06-2)

样品BT06-2为黑云母二长花岗质片麻岩,该样品锆石呈紫红色,自形晶,以柱状为主,其次为椭球状或不规则粒状,粒径在100~250μm之间,锆石长短轴之比在1~3之间。阴极发光图像显示大部分锆石具有典型岩浆结晶环带的核以及较宽的变质增生边,部分锆石核部结构模糊,无明显环带,少量锆石内部结构及色调均匀,无锆石核,显示出变质锆石的特征(图 3a)。其中21个具有岩浆结晶环带锆石微区分析点的207Pb/206Pb年龄在2435~2488Ma之间(表 1),加权平均年龄为2459±6.9Ma (MSWD=1.15,图 4a),应代表该岩石的岩浆结晶年龄。15个变质增生边或变质锆石微区分析点的207Pb/206Pb年龄在2406~2471Ma之间,它们具有较低的Th/U比值(绝大部分远小于0.1)(表 1)。其中13个分析点的加权平均年龄为2456±7.2Ma (MSWD=0.79,图 4a),代表该岩石经历的变质作用时间。

图 3 早古元古代花岗质片麻岩类样品不同类型锆石微区阴极发光图像及U-Pb年龄 Fig. 3 The cathodoluminescence (CL) images and U-Pb ages of different zircon domains from Early Paleoproterozoic granitoid gneiss samples

表 1 华北克拉通乌拉山地区早古元古代花岗质片麻岩类LA-ICP-MS锆石U-Pb数据表 Table 1 The LA-ICP-MS zircon U-Pb isotopic data for Early Paleoproterozoic granitoids gneisses in Ulashan area, North China Craton

图 4 早古元古代花岗质片麻岩类样品不同类型锆石微区LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图 Fig. 4 LA-ICP-MS U-Pb condordia diagram for analyses of different zircon domains from Early Paleoproterozoic granitoid gneiss samples
5.1.2 花岗闪长质片麻岩(BT15-1)

样品BT15-1的锆石呈紫红色,晶形较好,以长柱状为主,大部分粒径在100~300μm之间,锆石长短轴之比主要分布在1.5~4之间。阴极发光图像显示该样品的锆石具有较宽的不规则环带,具有岩浆锆石的特点,并且大部分锆石具有窄的变质增生边(图 3b)。21个环带锆石U-Pb分析点的207Pb/206Pb年龄在2404~2492Ma之间,它们的Th/U比值绝大部分大于0.4(表 1),其中16个分析点的加权平均年龄为2454±6.8Ma (MSWD=1,图 4b),为该样品岩石的岩浆结晶年龄。

5.1.3 紫苏花岗岩(BT17-2及BT48-2)

本文对两个紫苏花岗岩样品进行LA-ICP-MS锆石U-Pb分析,其中样品BT17-2的锆石呈淡黄色或无色,晶形及透明度较好,以长柱状为主,锆石长短轴之比在1.5~4之间。阴极发光图像显示该样品的大部分构造具有核边结构,锆石核部主要呈暗色调,内部结构较复杂,韵律环带不清,但部分锆石仍保留有岩浆结晶环带;变质增生边内部结构及色调较均匀,部分锆石的变质增生边较宽大,只剩较小的核部(图 3c)。该样品的21个锆石核部分析点的207Pb/206Pb年龄在2368~2448Ma之间,大部分分析点的Th/U比值大于0.4(表 1),其中11个分析点的加权平均年龄为2430±7.7Ma (MSWD=0.81,n=11,图 4c),可能代表该样品岩石的岩浆结晶年龄。9个锆石变质增生边分析点的207Pb/206Pb年龄在1907~1998Ma之间(表 1),除去分析点29,它们给出的加权平均年龄为1936±20Ma (MSWD=1.8,n=8,图 4c),代表该样品岩石的变质年龄。

样品BT48-2的锆石呈浅黄色或无色,以柱状为主,粒径主要分布100~250μm之间,锆石长短轴之比在1.5~4之间。根据锆石阴极发光图像特征,可将锆石划分为两类:第一类锆石呈柱状,阴极发光图像具有岩浆结晶环带,但环带较模糊,可能指示经历了一定程度的变质改造作用,大部分具有窄的变质增生边(图 3d),该样品大部分为此类锆石。第二类锆石呈自形-半自形柱状,阴极发光图像显示内部结构均匀,为典型的变质锆石,部分锆石具有继承性锆石核以及较宽的变质增生边(图 3d)。11个第一类锆石U-Pb分析点的207Pb/206Pb年龄在2389~2468Ma之间(表 1),上交点年龄为2455±15Ma (MSWD=0.14,图 4d),代表该样品岩石的岩浆结晶年龄。20个变质成因锆石微区U-Pb分析点的207Pb/206Pb年龄在1846~1945Ma之间(表 1),加权平均年龄为1894±39Ma (MSWD=0.094,n=20,图 4d),代表该样品的变质年龄。

5.2 地球化学

本文选取研究区1个黑云二长花岗质片麻岩,4个花岗闪长质片麻岩及2个紫苏花岗岩,总计7个代表性的早古元古代花岗质片麻岩类开展了常量、微量及稀土元素地球化学分析。表 2列出了所分析的7个样品的常量、微量及稀土元素测定结果及计算所得的相关参数。

表 2 华北克拉通乌拉山地区早古元古代花岗质片麻岩类地球化学数据表(主量元素:wt%;稀土和微量元素:×10-6) Table 2 The geochemical compositions for Early Paleoproterozoic granitoids gneisses in Ulashan area, North China Craton (Major elements: wt%; Trace elements: ×10-6)
5.2.1 常量元素

常量元素分析结果(表 2)显示,乌拉山地区7个早古元古代花岗质片麻岩类SiO2含量在62.28%~73.94%之间,Al2O3含量在13.28%~16.67%之间,Na2O含量在2.68%~5.25%之间,TiO2,MnO及P2O5含量较低,分别在0.29%~0.68%,0.01%~0.1%和0.05%~0.28%之间,除了样品BT48-2具有低的Mg#指数(Mg#=9.65)外,另外6个样品的Mg#指数在38~46之间,K2O具有较大的含量范围(1.51%~5.11%),全碱含量(K2O+Na2O)为6.68%~8.24%,K2O/Na2O比值变化较大,在0.3~1.9之间(表 2)。在长石Ab-An-Or标准矿三角图解上,它们在英云闪长岩/奥长花岗岩,花岗闪长岩到花岗岩区域连续分布(图 5)。在SiO2-K2O分类图上,除1个样品分布在钙碱性系列区域外,其它6个样品均分布在高钾钙碱性系列区域或其边缘(图 6a)。铝饱和指数A/CNK集中在0.88~1.12之间,A/NK在1.34~1.64之间(表 2),为准铝质到弱过铝质系列(图 6b)。在SiO2-FeOT/(FeOT+MgO)分类图上,除样品BT48-2的MgO含量低(0.14%)外(表 2),其它均分布在镁质系列区域(图 6c)。在SiO2-(K2O+Na2O-CaO)分类图上,所有样品均落在钙-碱性系列区域(图 6d)。

图 5 早古元古代花岗质片麻岩类An-Ab-Or分类图(底图据Barker, 1979) Fig. 5 An-Ab-Or classification of Early Paleoproterozoic granitoid gneiss (after Barker, 1979)

图 6 早古元古代花岗质片麻岩类地球化学分类图 (a)-SiO2-K2O分类图(据Peccerillo and Taylor, 1976);(b)-A/CNK-A/NK分类图;(c)-SiO2-FeOT/(FeOT+MgO)分类图;(d)-SiO2-(K2O+Na2O-CaO)分类图(b-d据Frost et al., 2001) Geochemical classification diagrams of Early Paleoproterozoic granitoid gneiss from Ulashan area
5.2.2 稀土及其它微量元素

稀土元素及微量元素分析结果(表 2)显示,乌拉山地区7个早古元古代花岗质片麻岩类的稀土元素总量(∑REE)在301×10-6~909×10-6之间,在稀土元素球粒陨石标准化配分曲线模式图上,黑云母二长花岗质片麻岩、花岗闪长质片麻岩及紫苏花岗岩轻重稀土元素分馏明显,配分曲线均表现为明显的右倾型模式,富集轻稀土元素、亏损重稀土元素(图 7a-c),(La/Yb)N比值在13~56范围内变化。具有弱的正或负铕异常(Eu/Eu*=0.76~1.81,平均值为1.18)(表 2)。

图 7 早古元古代花岗质片麻岩类球粒陨石标准化稀土模式图(a-c)及原始地幔标准化微量元素蛛网图(d-f)(标准化值据Sun and McDonough, 1989) Fig. 7 Chondrite normalized REE patterns (a-c) and primitive mantle normalized trace element spider diagrams (d-f) for Early Paleoproterozoic granitoid gneiss (normalization data of chondrite and primitive mantle after Sun and McDonough, 1989)

在原始地幔标准化的微量元素蛛网图上(图 7d-f),黑云母二长花岗质片麻岩、花岗闪长质片麻岩及紫苏花岗岩均表现为强烈亏损Nb, Ta, Th, U及Ti等高场强元素,富集Ba, K, Rb及Sr等大离子亲石元素。它们具有较高的Sr含量(在495×10-6~895×10-6之间)及低的Yb含量(在0.5×10-6~2.61×10-6之间)(表 2)。此外,它们具有较高的Sr/Y及Nb/Ta比值,分别在19~139及18~40之间(表 2)。

6 讨论与结论 6.1 形成时代及变质时代

乌拉山地区做为华北克拉通孔兹岩带的重要组成部分,其主要构造岩浆-变质热事件的精确厘定,对于正确理解孔兹岩带早前寒武纪地壳增生及构造演化具有重要的意义,前人主要通过该区出露的主要岩体及岩石地层的构造变形、相互穿插关系、构造接触及空间产出关系等,对该区主要岩体的形成早晚、期次及时代进行约束(卢良兆等,1996);尽管前人也开展了一些初步的地质年代学研究(吉林大学地质调查研究院,2005及其参考文献),但由于缺少高精度的年代学数据,无法对该区出露的早古元古代花岗质片麻岩类的形成时代及变质事件进行精确的测定。本文选取该区出露的黑云二长花岗质片麻岩、花岗闪长质片麻岩及紫苏花岗岩总计4个代表性样品,在锆石阴极发光图像分析的基础上,利用LA-ICP-MS锆石U-Pb定年方法对它们开展了详细的锆石U-Pb年代学分析,4个样品中具有典型岩浆锆石特征的分析微区分别给出了2459±6.9Ma、2454±6.8Ma、2430±7.7Ma及2455±15Ma的207Pb/206Pb加权平均年龄(图 4),这些分析微区普遍具有高的Th/U比值(表 1),它们应代表岩石的岩浆结晶年龄,表明该区早古元古代花岗质岩的形成时代为~2.45Ga。另外,一些样品中除了典型的岩浆锆石外,还有大量内部结构均匀具有典型变质锆石特征的锆石或增生边,这些锆石的分析微区分别给出了2456±7.2Ma (BT06-2)、1936±20Ma (BT17-2)及1894±39Ma (BT48-2)(图 4a, c, d)三个207Pb/206Pb加权平均年龄,它们应代表该区主要变质作用发生的时间;它们与该区基性岩墙记录的主要变质作用时间(Wan et al., 2013),变质表壳岩记录的主要变质作用时间一致(董春艳等,2009Ma et al., 2012)。这些研究结果表明,乌拉山地区,甚至整个孔兹岩带经历了~2.45Ga及约1.85~1.95多期变质热事件。

6.2 岩石成因

乌拉山地区早古元古代(~2.45Ga)花岗质岩类的岩石地球化学分析结果显示,它们主要为镁质,准铝质至弱过铝质,高钾钙-碱性系列(图 6a-d),A/CNK比值集中在0.88~1.12之间(图 6b表 2),不含白云母,堇青石等矿物,暗色矿物主要为黑云母,角闪石及辉石,显示出活动大陆边缘岛弧环境I型花岗质岩浆的地球化学特征(Frost et al., 2001; Frost and Frost, 2008)。此外,这些花岗质岩类具有较高的稀土总量(在301×10-6~909×10-6之间),在稀土元素球粒陨石标准化配分模式图中,轻重稀土元素分馏明显,配分曲线均表现为明显的右倾型模式,富集轻稀土元素、亏损重稀土元素(图 7a-c),无明显的Eu异常,具有较高的Sr含量(在495×10-6~895×10-6之间),低的Yb含量(在0.5×10-6~2.61×10-6之间)(表 2),在原始地幔标准化蛛网模式图上表现为富集大离子亲石元素K、Rb、Ba及Sr等,亏损Nb, Ta, Th, U及Ti等高场强元素,指示它们为玄武质下地壳部分熔融的产物,源区无斜长石的残留,石榴石、角闪石是主要的残留相。结合乌拉山地区早古元古代(~2.45Ga)花岗质岩类主要为黑云二长花岗岩、花岗闪长岩、紫苏花岗岩及英云闪长岩,为镁质、准铝质或弱过铝质、高钾钙-碱性系列,具有类似于活动大陆边缘花岗岩的岩石组合特征。此外,在乌拉山地区,这些花岗质片麻岩内部还分布有大量约2.45Ga的基性岩墙(Wan et al., 2013),它们均经历与岩浆事件准同期的变质作用。因此,根据乌拉山地区早古元古代(~2.45Ga)花岗质岩类的岩石组合及地球化学特征,暗示其可能形成于活动大陆边缘岛弧环境,与地幔岩浆底侵有关的玄武质下地壳的部分熔融。

6.3 对陆壳增生及构造演化的指示意义

华北克拉通孔兹岩带的陆壳增生机制及构造演化模式一直是华北克拉通早前寒武纪地质研究的热点并仍有争议的焦点问题(Zhao et al., 2012; Santosh et al., 2011)。花岗质岩类作为地壳最主要的岩石组成,是记录地壳增生及造山带构造演化最主要的物质载体,通过对其形成时代、形成的构造环境、成因及其可能经历的构造-变质热事件的研究,能为我们正确理解早期地壳增生的机制及构造演化提供重要的证据和信息。本次研究通过对孔兹岩带中段乌拉山地区早古元古代(~2.45Ga)花岗质片麻岩类的岩石地球化学分析表明,它们可能形成于活动大陆边缘岛弧环境玄武质下地壳的部分熔融。4件代表性样品的LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学分析结果表明,它们的岩浆侵位时间为~2.45Ga,结合该区~2.45Ga的基性岩浆事件(Wan et al., 2013)及碎屑锆石U-Pb年龄分布(Xia et al., 2006a; Ma et al., 2012),暗示~2.45Ga是该区重要的岩浆活动时期。此外,锆石U-Pb年代学分析显示,该区经历了~2.45Ga及约1.85~1.95Ga多期变质热事件,前者与该区最主要的岩浆事件准同时,可能是岛弧环境地幔岩浆底侵作用所致,而后者主要为具有顺时针P-T演化轨迹的高压麻粒岩相变质作用,指示鄂尔多斯陆块与阴山陆块的俯冲碰撞作用(Zhao et al., 2005, 2012),以及可能与碰撞造山后与伸展有关的地幔岩浆底侵导致的高温-超高温麻粒岩相变质作用(金巍,1989; Liu et al., 1993; Guo et al., 2012Zhao et al., 2012Santosh et al., 2012)。值得注意的是,乌拉山地区,甚至整个孔兹岩带,其早前寒武纪时期主要的岩浆事件及经历的变质事件与北部的阴山陆块具有明显的差异(Jian et al., 2012; Zhao et al., 2012; Santosh et al., 2012)。此外,乌拉山地区兴和岩群及孔兹岩系的碎屑锆石U-Pb年龄主要分布在1.85~2.5Ga之间(Xia et al., 2006a, b; Wan et al., 2009; Dong et al., 2013; Ma et al., 2012),其物源区显然不是北边的阴山陆块,而最有可能来自南边的鄂尔多斯陆块边缘弧。综上所述,乌拉山地区包括整个孔兹岩带内广泛出露的早古元古代的花岗质岩类形成于约~2.45Ga,可能主要形成于活动大陆边缘岛弧环境玄武质下地壳的部分熔融,暗示该区早古元古代时期的弧陆增生作用,并经历了从弧陆增生、陆-陆碰撞造山到造山后伸展的构造演化历史。

致谢 感谢刘树文教授百忙之中审阅全文,提出宝贵的修改意见;感谢周喜文研究员、孟恩博士、刘超辉博士及肖玲玲博士在成文过程提供的帮助及交流探讨;感谢天津地质矿产研究所张健工程师在LA-ICP-MS锆石U-Pb测年中提供的帮助。
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