岩石学报  2013, Vol. 29 Issue (7): 2465-2480   PDF    
辽东半岛东北部宽甸地区南辽河群沉积时限的确定及其构造意义
孟恩1, 刘福来1, 刘平华1, 刘超辉1, 施JianRong1, 孔庆波2, 廉涛2     
1. 中国地质科学院地质研究所,北京 100037;
2. 辽宁第七地质大队,丹东 118003
摘要: 辽东半岛东北部宽甸地区出露大面积南辽河群变质表壳岩系,本文通过对其中黑云石英片岩、含电气石浅粒岩和花岗质片麻岩进行精确的锆石LA-ICP-MS U-Pb定年及微区痕量元素分析,并结合锆石阴极发光(CL)图像研究来制约其原岩形成时代和变质时代,进而探讨胶-辽-吉活动带的大地构造属性。Cl图像显示锆石可以分为三类,第一类无核边结构,呈灰黑色均质特征;第二类发育核边结构,核部不发育或具弱生长环带,第三类锆石整体或者核部发育明显生长环带或具条痕状吸收特点,而后两类多数发育灰色均质边,与第一类特征一致。微区痕量元素分析结果显示,灰色均质锆石或边部具有高U(731.2×10-6~1383×10-6)、低Th(51.09~85.15×10-6)和Th/U(0.06~0.07) 等特征,为变质成因;第二类锆石核部具有较高Th(97.68~219.7×10-6)和Th/U(0.21~0.27) ,为岩浆成因;第三类具有高Th(249.6×10-6~469.4×10-6)和Th/U(0.60~0.74) ,为岩浆成因。定年结果显示,所有测点均位于谐和线上或附近,三类锆石207Pb/206Pb年龄分别介于1878~1903Ma,2011~2043Ma和2082~3285Ma,前两者峰期年龄分别为1885Ma和2035Ma,表明该区南辽河群的原岩形成于~2035Ma之后,而峰期变质作用应发生在~1885Ma,其沉积作用应发生于2035~1885Ma之间;第三类锆石年龄区域上与古元古代辽吉花岗岩、火山岩及古老结晶基底年龄相吻合,暗示它们为南辽河群提供重要物源。结合前人有关辽吉花岗岩及区域构造变形、变质作用等资料,本文研究认为辽东半岛东北部宽甸地区南辽河群应形成于伸展的构造环境。
关键词: 宽甸     南辽河群     锆石U-Pb年代学     沉积时限     构造背景    
Depositional ages and tectonic implications for South Liaohe Group from Kuandian area in northeastern Liaodong Peninsula, Northeast China
MENG En1, LIU FuLai1, LIU PingHua1, LIU ChaoHui1, SHI JR1, KONG QingBo2, LIAN Tao2     
1. Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
2. The 7th Geological Survey Team, Liaoning Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development, Dandong 118003, China
Abstract: South Liaohe Group widely occurred in Kuandian area of northeastern Liaodong Peninsula. LA-ICP-MS zircon U-Pb ages and micro trace-elements composition for the biotite-quartz schist, tourmaline-bearing leucoleptite and granitic gneiss from this group were carried out with the aim of restricting the ages of the protolith and metamorphism and the tectonic nature of the Jiao-Liao-ji Belt. The cathodoluminescence (CL) images show that the grain could be divided into three groups, i.e., one group with features of showing low luminescence (cinereous) and structureless, one group with a structureless core surrounded by a cinereous rim, similar to grains of the former group, and the final ones with cores displaying striped absorption or fine-scale oscillatory growth zoning. The trace-element results suggest that the first group have low Th (51.09×10-6~85.15×10-6) and Th/U ratios (0.06~0.07) , indicating a metamorphic origin, the second ones have high Th (97.68×10-6~219.7×10-6) and Th/U ratios (0.21~0.27) , implying a magmatic origin, and the last ones show higher Th (249.6~469.4×10-6) and Th/U (0.60~0.74) , suggesting a typical magmatic origin. The dating results show that the 207Pb/206Pb ages of the two former ranging from 1878Ma to 1903Ma (peak at 1885Ma) and from 2011Ma to 2043Ma (peak at 2035Ma), respectively, suggesting that the protoliths of the South Liaohe Group was deposited at some time after 2035Ma and the peak metamorphism occurred at 1885Ma. Besides, the ages of the third ones vary from 2082Ma to 3285Ma, mainly consistent with the formation of regionally distributed granitoids and coeval volcanic rocks in the Jiao-Liao-Ji Belt and the granitoids of the basement, suggesting that these rocks provided the major component of the provenance for the South Liaohe Group. These new zircons ages for the South Liaohe Group and recent data for the Liaoji granite, combined with lithological, structural and metamorphic considerations, indicate that South Liaohe Group from Kuandian area could form under an extensional environment.
Key words: Kuandian     South Liaohe Group     Zircon U-Pb chronology     Depositional age     Tectonic setting    

胶-辽-吉活动带位于华北克拉通东部陆块的东段, 主要分布于胶北、辽东和吉南地区(图 1卢良兆等, 1996李三忠等, 1998, 2001aLuo et al., 2004Zhai et al., 2005Li et al., 2006, 2011, 2012), 是我国古元古代构造带保存相对完整、物质组成及演化最为复杂的地区(伍家善等, 1998Zhao et al., 2001, 2005Li et al., 2006Zhai et al., 2005Lu et al., 2006赵国春, 2009)。近年来, 许多学者通过对胶北地区变质沉积岩、TTG片麻岩、变质镁铁-超镁铁质透镜体和变质表壳岩等的研究, 约束了胶北地体早前寒武基底形成时间、成因模式及其大地构造属性(Faure et al., 2004Zhao et al., 2005Tang et al., 2006, 2007周喜文等, 2004, 2007Jahn et al., 2008Zhou et al., 2008刘平华等, 2010, 2011刘建辉等, 2011);相比之下, 对于出露有我国最古老岩石(Liu et al., 1992, 2008aSong et al., 1996, 万渝生等, 2001刘敦一等, 2007)、早前寒武纪地质工作开展较早(姜春潮, 1987Yang et al., 1988胡国巍, 1992白瑾等, 1993)的辽东地区的研究程度相对滞后, 尤其是对于该区广泛发育的古元古代变质表壳岩系的原岩形成时代、变质时代及其形成环境的研究仍然存在较大争议(卢良兆等, 1996李三忠等, 1998, 2001b路孝平和吴福元, 2004Luo et al., 2004, 2008Lu et al., 2006Li and Zhao, 2007), 这制约了对深化认识胶-辽-吉活动带尤其是辽东南地区早前寒武纪地质演化历史的的深化认识。鉴于此, 本文选取辽宁省东部宽甸地区南辽河群中代表性岩石类型进行详细的岩石学和锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学研究, 并结合区域地质资料来制约其原岩形成时代、变质时代及其形成环境。

图 1 辽东南宽甸地区构造位置(a, 据Zhao et al., 2005修改)和研究区地质简图及采样位置(b)(据辽宁省地质矿产局, 1989;Zhao et al., 2004修改) Fig. 1 The tectonic location(a, modified after Zhao et al., 2005)and geological map(b)of the Kuandian in northeastern Liaodong Peninsula, including representative sample locations(modified after BGMRL, 1989; Zhao et al., 2004)
1 区域地质背景

在大地构造位置上, 辽东半岛位于郯庐断裂以东、北邻兴蒙造山带, 属于华北克拉通东部陆块的东北段(图 1a)。该区基底岩石主要由北部辽北-吉南太古宙杂岩(龙岗地块)、南部金州太古宙杂岩(辽南地块, 向东可能与朝鲜狼林地块相连)和位于其间的辽河群与辽吉花岗岩(古元古代胶-辽-吉活动带组成), 之上广泛出露新元古代-震旦系沉积岩, 中-新生代岩浆岩和火山岩极为发育(辽宁省地质矿产局, 1989)。本文研究区即位于辽东半岛东北部宽甸地区, 位于胶-辽-吉活动带中东部与辽南地块复合部位, 区内古元古代地质体主要为南辽河群和少量的片麻岩类(原定前震旦纪“混合岩”), 前者岩石类型主要为一套绿片岩相至低角闪岩相变质的黑云石英片岩、二云片岩、绿泥石英片岩、黑云浅粒岩和变粒岩等, 后者主要为糜棱岩化花岗质片麻岩和黑云斜长片麻岩(图 1b;辽宁省地质矿产局, 1989;卢良兆等, 1996贺高品和叶慧文, 1998a, b)。本文所选样品均采自辽宁省东部宽甸市大西岔村西北部(坐标:E 125°09′40.9″, N 40°43′47.1″;图 1b), 具体岩相学特征如下:

样品DD07-2为黑云石英片岩, 新鲜面呈灰黑色, 中细粒粒状片状变晶结构, 片状构造。矿物类型主要包括石英、黑云母、白云母和少量不透明矿物(图 2a)。其中石英他形粒状, 波状消光明显, 均匀分布, 粒度变化较大(0.3~1.8mm), 含量较高, 约占65%左右;黑云母呈细小鳞片状, 沿石英颗粒边部不均匀定向分布, 变形明显, 局部绿泥石化, 含量约22%;白云母呈片状、鳞片状, 边部多退变为黑云母或绿泥石, 定向分布, 与黑云母共同构成片理, 粒度为0.1~0.8mm, 含量相对较低, 约占8%~10%左右。

图 2 研究区南辽河群代表性样品的显微照片(正交偏光) (a)-黑云石英片岩;(b)-含电气石浅粒岩;(c)-花岗质片麻岩.Pl斜长石;Kfs钾长石;Q石英;Bt黑云母;Amp角闪石;Chl-绿泥石;Tur-电气石;Mus-白云母 Fig. 2 Micrographs of representative samples for the South Liaohe Group in the studied region (a)-monzogranite;(b)-hornblende biotite monzogranite granite;(c)-amphibole gabbro. Pl-plagioclase; Kfs-potassium feldspar; Q-quartz; Bt-biotite; Amp-amphibole;Chl-chlorite;Tur-tourmaline; Mus-muscovite

样品DD07-4为含电气石浅粒岩, 新鲜面呈灰白色, 中粒等粒粒状变晶结构, 块状或弱片麻状构造。矿物类型主要包括斜长石、石英、钾长石、少量电气石和磁铁矿(Mag)等不透明矿物(图 2b)。其中石英呈他形粒状, 粒度介于0.5~1.2mm之间, 含量约为30%左右;斜长石呈半自形到他形粒状, 聚片双晶发育, 粒度0.3~0.8mm之间, 均匀分布, 含量约65%左右;钾长石呈他形粒状, 格子双晶发育, 粒度介于0.2~1.0mm之间, 含量约5%左右。

样品DD07-5为花岗质片麻岩, 新鲜面呈灰白色, 中粒粒状变晶结构, 片麻状构造。矿物类型主要包括斜长石、石英、钾长石、角闪石、黑云母、绿泥石和少量不透明矿物(图 2c)。其中斜长石呈半自形到他形粒状, 聚片双晶发育, 粒度0.3~1.5mm之间, 均匀分布, 含量约45%左右;钾长石呈他形粒状, 格子双晶发育, 部分晶体可见卡式双晶, 粒度在0.2~1.2mm之间, 含量约20%;石英他形粒状, 波状消光明显, 粒度相对较小(0.3~0.6mm), 约占22%左右;角闪石多呈不规则他形粒状, 边部多发生绿泥石蚀变, 粒度在0.2~0.8mm之间, 含量约8%;黑云母多呈鳞片状, 边部绿泥石化, 含量较低(<5%)。

2 分析方法

本文样品在河北省廊坊区域地质调查研究所采用常规方法进行粉碎, 并用浮选和电磁选方法进行分选, 在双目镜下将锆石颗粒粘贴在环氧树脂表面, 打磨抛光后进行透射光和反射光图像采集。锆石阴极发光(CL)图像的采集是在中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心采用GATAN公司Chroma阴极发光探头的HTACHI S-3000N扫描电镜上完成。锆石LA-ICP-MS U-Pb原位定年及微区微量、稀土元素分析在中国地质大学(北京)地学实验中心元素地球化学实验室进行。分析仪器采用由美国New Wave Research公司生产的激光剥蚀进样系统(UP193SS)和美国AGLENT科技有限公司生产的Agilent 7500a型四级杆等离子体质谱仪联合构成的激光等离子质谱仪, 实验中采用He作为剥蚀物质的载气。分析时采用10Hz的激光频率, 193μm的激光波长, 36μm的激光束斑直径, 激光预剥蚀时间和剥蚀时间分别为5s和45s, U、Th、Pb元素积分时间为20ms, 其它元素积分时间为15ms。年龄计算时以国际标准锆石91500为外标进行同位素比值校正, 以TEM为监控盲样;元素含量以国际标样NIST612为外标, 29Si为内标。测试结果通过GLITTER 4.0软件计算得出, 实验获得的数据采用Andersen(2002)的方法进行同位素比值的校正以扣除普通Pb的影响, 谐和图的绘制采用ISOPLOT 3.0完成(Ludwig, 2001)。详细的实验分析步骤和数据处理方法见文献Song et al.(2010)Liu et al.(2008b)。所给定的同位素比值和年龄的误差均在1σ水平。

3 分析结果

辽东半岛东北部宽甸地区南辽河群中黑云石英片岩、含电气石浅粒岩和花岗质片麻岩中锆石的LA-ICP-MS U-Pb定年结果和痕量元素分析结果分别见表 1表 2, 部分锆石的阴极发光(CL)图像见图 3, 锆石U-Pb谐和图和稀土元素球粒陨石标准化配分图解等分别见图 4图 5图 6

表 1 辽东半岛东北部宽甸地区南辽河群代表性样品中锆石稀土元素和微量元素成分特征(×10-6) Table 1 Mean LA-ICP-MS trace-element composition(×10-6)for the South Liaohe Group in Kuandian area of northeast Liaodong Peninsula

图 3 研究区南辽河群中部分锆石阴极发光图像 Fig. 3 CL images of the selected zircons from the South Liaohe Group in the studied area

图 4 黑云石英片岩(DD07-2)中锆石稀土元素球粒陨石标准化配分图解(a, c, 标准化值据Boynton, 1984)、Th/U-Age图解(b)和U-Pb谐和图(d) Fig. 4 Chondrite-normalized REE patterns(a, c, normalizing data after Boynton, 1984), Th/U vs. Age(b)and U-Pb concordia(d)diagrams for the obtained zircons from the biotite-quartz schist(DD07-2)

图 5 含电气石浅粒岩(DD07-4)中锆石稀土元素球粒陨石标准化配分图解(a, c, 标准化值据Boynton, 1984)、Th/U-Age图解和U-Pb谐和图 Fig. 5 Chondrite-normalized REE patterns(a, c, normalizing data after Boynton, 1984), Th/U vs. Age(b)and U-Pb concordia(d)diagrams for the obtained zircons from the tourmaline-bearing leucoleptite(DD07-4)

图 6 花岗质片麻岩(DD07-5)中锆石稀土元素球粒陨石标准化配分图解(a, c, 标准化值据Boynton, 1984)、Th/U-Age图解(b)和U-Pb谐和图(d) Fig. 6 Chondrite-normalized REE patterns(a, c, normalizing data after Boynton, 1984), Th/U vs. Age(b)and U-Pb concordia(d)diagrams for the obtained zircons from the granitic gneiss(DD07-6)
3.1 样品DD07-2

该样品为黑云石英片岩, 锆石多为自形-半自形短柱状或不规则粒状, 多数呈浅褐色或棕色, 粒径介于30~80μm之间。CL图像显示, 锆石类型复杂, 大体可划分为三类, 第一类锆石成分均一, 内部结构均一, 发光较暗(如点25和51, 图 3a);第二类锆石具核边结构, 边部呈灰色、成分均一, 类似于第一类锆石特点, 而核部不规则状、不发育或具有弱成分环带, 并且发育少量针柱状或粒状包裹体(如点63, 图 3a);第三类锆石包括两种, 一种具核边结构, 核部发育明显成分环带、边部均质发光较暗, 另一种则不具核边结构, 发育生长环带, 且这两类锆石中均有少数颗粒核部发育少量包裹体(如点02和04, 图 3a)。

痕量元素分析结果显示:第一类锆石具有LREEs明显亏损、HREEs相对富集(其中一个样品HREEs具平坦特点), 且具有轻度负Eu异常和正Ce异常等特点(图 4a), 结合其高U(855.6×10-6)低Th(51.09×10-6)以及低Th/U(0.05~0.07)和Zr/Hf(45.54)比值等特征(图 4b表 1表 2), 表明其具有变质成因特点(Dubińska et al., 2004Tomaschek et al., 2003), 并且变质程度相对较低(Hermann et al., 2001Rubatto, 2002), 这也与样品中不发育石榴石特点相吻合;第二类锆石核部具有富集HREEs和明显负Eu异常等特点(图 4a), 结合其U=473.9×10-6, Th=97.68×10-6, 和高Th/U(0.20~0.21)和Zr/Hf(52.43)比值等特征(图 4b表 1表 2), 暗示其岩浆成因特点(Belousova et al., 2002; Hoskin et al., 2001刘福来等, 2009), 而轻稀土丰度相对较高, 这可能与锆石分析点包含富LREEs的磷酸盐矿物(如磷灰石)包体有关(Whitehouse and Kamber, 2002);而第三类锆石或锆石核除个别点可能由于含富LREEs包体引起LREEs轻度亏损、相对平坦分布外(Whitehouse and Kamber, 2002), 其余均显示强烈的正Ce异常、负Eu异常和HREEs强烈富集(图 4c), 结合其高Th(249.5×10-6)和Th/U比值(0.66)等特征, 表明它们均为典型岩浆成因(Belousova et al., 2002; Hoskin et al., 2001刘福来等, 2009)。

锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果显示, 第一类变质锆石3个测点的207Pb/206Pb年龄最小, 介于1881~1887Ma之间, 其加权平均年龄为1884±18Ma(MSWD=0.04)(图 4d), 暗示该黑云石英片岩原岩的变质作用可能发生在~1884Ma;第二类两颗具有岩浆成因特点的锆石核部207Pb/206Pb加权平均年龄为2036±22Ma(MSWD=0.05)(图 4d), 其边部由于相对较窄无法分析;第三类具有典型岩浆成因特点的锆石或锆石核的207Pb/206Pb年龄介于2082~2546Ma, 形成两个主峰期207Pb/206Pb加权平均年龄, 即~2168Ma和~2445Ma(图 4d)。

3.2 样品DD07-4

该样品为含电气石浅粒岩, 锆石主体为半自形至自形的柱状或短柱状、少数呈不规则粒状, 浅褐色, 粒径介于30~120μm之间。CL图像显示, 锆石类型复杂, 主体可划分为三类, 整体上均可与样品DD07-2对比, 第一类锆石成分均一, 呈灰黑色, 包括少数锆石整体颗粒或部分锆石边部(如点03和12, 图 3b);第二类锆石具核边结构, 边部灰色均质, 核部发育弱成分环带(如点06, 图 3b);第三类锆石多数具有核边结构, 核部具有条痕状吸收或生长环带, 边部呈灰色均质特点(如点15和21等, 图 3b), 还有少部分锆石无核边结构, 但发育典型生长环带(如点36, 图 3b)。

痕量元素分析结果显示:第一类锆石具有LREEs明显亏损、强烈正Ce异常和弱或不具负Eu异常等特点(图 5a), 并且显示高U(1382×10-6)、低Th(85.15)及低Th/U(0.06)和Zr/Hf(41.90)比值等特征(图 5b表 1表 2), 与样品DD07-2中第一类锆石一样均具有变质成因特点(Dubińska et al., 2004Tomaschek et al., 2003), 而HREEs的强烈富集(图 5a)明显不同于麻粒岩相或榴辉岩相变质条件下HREEs相对亏损呈平坦分布的特征(Rubatto et al., 2003), 可能与其遭受的变质程度相对较低有关(Hermann et al., 2001);而第二类锆石核部和第三类锆石或锆石核部除个别分析点具有LREEs中度亏损, 可能与分析点包含富磷酸盐矿物(如磷灰石)或与后期地质事件扰动有关外(Whitehouse and Kamber, 2002), 其余均显示强烈的LREEs亏损、HREEs富集、正Ce异常和负Eu异常等特点(图 5a, c), 结合它们高U(分别为779.3×10-6和497.0×10-6)和Th(208.5×10-6和425.2×10-6)含量, 以及高Th/U(0.27和0.74)和Zr/Hf(50.85和60.78)比值等特征(图 5b表 1表 2), 暗示它们均为岩浆成因(Belousova et al., 2002; Hoskin et al., 2001刘福来等, 2009)。

锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果显示, 第一类9颗变质锆石的207Pb/206Pb年龄最小, 介于1878~1895Ma之间, 其中有三个测点分析于具有核边结构的锆石灰色均质变质边, 9个测点的207Pb/206Pb加权平均年龄为1884±12Ma(MSWD=0.09)(图 5d), 完全吻合于黑云石英片岩中变质锆石年龄(图 4d表 2), 暗示该浅粒岩原岩的变质作用也应发生在~1884Ma;第二类两颗具有岩浆成因特点的锆石核部207Pb/206Pb加权平均年龄为2039±26Ma(MSWD=0.07)(图 5d);第三类27颗具条痕吸收或生长环带的锆石核或锆石的207Pb/206Pb年龄介于2086~2220Ma, 其最主要207Pb/206Pb加权平均峰期年龄为~2179Ma(图 4d)。

3.3 样品DD07-5

该样品为花岗质片麻岩, 锆石多为半自形短柱状或浑圆状, 多数呈土黄色或浅褐色, 粒径介于50~150μm之间。CL图像显示, 锆石整体上可以分为两类, 一类无核边结构, 灰黑色均质与上述样品中变质锆石特点类似(如点03, 图 3c), 另一类均发育核边结构, 边部呈灰色均质特点(如点23, 图 3c), 但宽度变化范围较大, 介于5~40(m之间, 而核部可分为有无环带发育两种, 另外部分锆石核呈灰白色(如点29, 图 3c)。

痕量元素分析结果显示, 除个别分析点由于受后期地质事件扰动或分析点包含富磷酸盐矿物(如磷灰石)等影响, LREEs显示中度亏损外(Whitehouse and Kamber, 2002), 锆石主体均具有强烈LREEs亏损、HREEs富集、正Ce异常和负Eu异常等特点(图 6a, c), 但第一类锆石及第二类锆石灰色均质边具有高U(731.2×10-6)低Th(52.05×10-6)以及低Th/U(0.07)和Zr/Hf(44.79)比值等特征(图 6b表 1表 2), 与前述样品中变质锆石特点一致, 暗示其变质成因特点(Dubińska et al., 2004Tomaschek et al., 2003), 而HREEs的富集及负Eu异常则可能与变质程度较低、斜长石可以稳定存在有关(Hermann et al., 2001Rubatto, 2002)。而第二类锆石核部均具有高U(576.1~813.7×10-6)和Th(219.7~469.4×10-6)含量, 以及高Th/U(0.26~0.60)和Zr/Hf(50.53~59.70)比值等特征(图 6b表 1表 2), 暗示它们均为岩浆成因(Belousova et al., 2002; Hoskin et al., 2001刘福来等, 2009)。

锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果显示, 第一类变质成因的锆石或变质边207Pb/206Pb年龄介于1879~1903Ma之间, 其加权平均年龄为1889±12Ma(MSWD=0.13)(图 6d), 暗示该花岗质片麻岩的变质作用可能发生在~1889Ma, 在误差范围内与前述片岩和浅粒岩的变质时代相吻合;10颗核部无环带发育的锆石定年结果显示其207Pb/206Pb年龄介于2011~2042Ma之间, 其加权平均年龄为2024±12Ma(MSWD=0.25)(图 6d);其余23个测点的锆石核部显示成分环带或呈灰白色特点, 除两颗锆石具有2420±20Ma和3285±17Ma年龄外, 其余207Pb/206Pb年龄介于2084~2204Ma之间, 其主要峰期年龄为2167Ma(图 6d)。

3.4 小结

如前所述, 辽东半岛东北部宽甸地区南辽河群中黑云石英片岩、含电气石浅粒岩和花岗质片麻岩中的锆石LA-ICP-MS U-Pb定年和微区痕量元素分析结果显示, 尽管3件样品中锆石在年龄组成上存在一些不同, 但是其主体年龄谱特征、 不同时代锆石内部结构和成分特征均具有高度一致性, 表明它们在原岩形成时代、后期变质作用时代及源区物质成分上均存在可比性, 因而我们可以将其作为一个整体来进行讨论。所有164个测点的207Pb/206Pb年龄频度图显示, 它们主要形成6个峰期年龄, 分别为~1885Ma、~2035Ma、~2096Ma、~2175Ma、~2305Ma和~2445Ma, 此外还有一个锆石具有~3285Ma的古太古代年龄(图 7表 2)。

表 2 辽东半岛东北部宽甸地区南辽河群代表性样品中锆石LA-ICP-MS U-Pb分析结果 Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating data for the South Liaohe in Kuandian area of northeast Liaodong Peninsula

图 7 研究区南辽河群锆石207Pb/206Pb年龄直方图 Fig. 7 Histogram for all selected zircons from the South Liaohe Group in the studied area
4 讨论 4.1 辽东半岛东北部宽甸地区南辽河群的沉积时限

胶-辽-吉活动带内辽河群的沉积时限研究一直以来存在比较大的争议。最早基于K-Ar、Rb-Sr全岩等时线或单颗粒锆石蒸发法年龄研究, 前人认为辽河群的沉积作用发生于2400~2000Ma(张秋生等, 1988)。然而, 由于K-Ar法不能有效限定变质年龄, Rb-Sr等时线法又受同源岩石和体系封闭等限制, 而本文研究结果显示南辽河群年龄组成非常复杂, 因此上述方法研究均不能很好制约辽河群的沉积时限。近年来, Luo et al.(2004, 2008)运用锆石LA-ICP-MS U-Pb定年方法研究认为南、北辽河群的沉积作用均发生于2.03Ga之后, 并且共同经历了1.93~1.90Ga变质作用的改造, 从而认为南、北辽河群的沉积作用均发生于2.03~1.93Ga;然而, Lu et al.(2006)运用同样方法通过对南辽河群中碎屑锆石的年代学研究认为南辽河群没有经历1.93~1.90Ga变质事件, 其沉积作用应发生在2.12~1.85Ga, 但也有学者认为~1.85Ga的变质锆石年龄指示南辽河群对后期热事件的响应(Li and Zhao, 2007Luo et al., 2008), 不能代表南辽河群的最晚沉积时代。

综合整理前人资料, 我们发现当前有关南、北辽河群变质时代(~1.93Ga或~1.85Ga)的限定只是基于很少量的变质锆石年龄, 并且这些年龄多数非常不谐和(Luo et al., 2004, 2008Lu et al., 2006Li and Zhao, 2007), 而且这些年龄在误差范围内也与区域上包括朝鲜半岛等大规模的花岗质岩浆作用时代相吻合(1843~1900Ma, 许保良等, 1998Kim et al., 1999蔡剑辉等, 2002Kim and Cho, 2003李三忠等, 2003路孝平和吴福元, 2004Lee et al., 2005Zhao et al., 2005Lu et al., 2006杨进辉等, 2007Li and Zhao, 2007)。因此, 我们认为上述少量的不谐和变质锆石年龄可能只是对区域构造热事件不同阶段的响应, 并不能代表辽河群的真正峰期变质作用年龄。

本文通过辽东半岛东北部宽甸地区南辽河群中黑云石英片岩、含电气石浅粒岩和花岗质片麻岩中的锆石LA-ICP-MS U-Pb定年和微区痕量元素分析结果显示, 3件样品中均存在具有高U(731.2×10-6~1382×10-6)、低Th(51.09×10-6~85.15×10-6)和低Th/U(0.06~0.07)等典型变质成因特点(Dubińska et al., 2004Tomaschek et al., 2003)的谐和锆石年龄(1878~1903Ma), 其峰期为~1885Ma(图 7), 结合前人研究成果, 表明该区南辽河群的峰期变质作用应发生在~1885Ma, 而~1.93Ga和~1.85Ga的变质锆石年龄可能分别代表了南辽河群变质作用起始和结束的时间(Luo et al., 2004, 2008Lu et al., 2006Li and Zhao, 2007), 因而南辽河群的沉积作用最晚应结束于~1885Ma。此外, 分析结果显示样品中最小岩浆成因锆石年龄峰期为~2035Ma(图 7), 这与前人对南、北辽河群最早沉积年龄的研究结果高度吻合(Luo et al., 2004, 2008Lu et al., 2006)。因此, 我们认为辽东半岛东北部宽甸地区南辽河群的原岩形成时代应为~2035Ma之后, 变质作用峰期年龄为~1885Ma, 其沉积作用应发生于2035~1885Ma之间。

4.2 辽东半岛东北部宽甸地区南辽河群的沉积物源

锆石U-Pb定年和微区痕量元素分析结果显示, 辽东半岛东北部南辽河群样品中除存在较多峰期为~1885Ma的变质锆石年龄以外, 还存在有大量2011~2546Ma的岩浆锆石年龄(表 2), 其中峰期为~2035Ma、~2096Ma、~2175Ma和~2305Ma(图 7)的锆石年龄区域上与前人有关辽吉花岗岩、老岭群和南、北辽河群中碎屑锆石的年代学研究结果相吻合(2032~2282Ma, 张秋生等, 1988Sun et al., 1993伍家善等, 1998路孝平和吴福元等, 2004Luo et al., 2004, 2008Zhao et al., 2005Lu et al., 2006杨进辉等, 2007Li and Zhao, 2007王惠初等, 2011), 也与我们有关辽东半岛东南部(即辽南-狼林地块东部)长海地区花岗质岩石和变质表壳岩系中碎屑锆石的年代学研究结果(2036~2317Ma, 待发表)相一致, 表明这些锆石应直接来源于胶-辽-吉活动带内同时期的花岗质岩石或火山岩(Sun et al., 1993Li and Zhao, 2007);而主峰期为~2445Ma的锆石年龄变化于2406~2546Ma之间, 这与区域基底花岗质岩石(3.85~2.50Ga;Liu et al., 1992, 2008a; Song et al., 1996; Wan et al., 2001; Wu et al., 2005, 2008; Zhang et al., 2011)、南、北辽河群(2435~2536Ma, Luo et al., 2008a)及长海地区基底花岗质岩石和变质表壳岩系中锆石年龄结果相类似(2492~2536Ma, 待发表), 结合样品中古老锆石年龄~3285Ma的存在, 表明区域古老结晶基底也为南辽河群提供了重要物源。

4.3 辽东半岛东北部宽甸地区南辽河群形成的构造环境

有关胶-辽-吉活动带的大地构造属性和演化过程一直以来都存在较大争议(张秋生等, 1988Bai and Dai, 1998贺高品和叶慧文, 1998a, bLi et al., 2005, 2006Li and Zhao, 2007)。一部分学者认为胶-辽-吉活动带的形成演化与陆内裂谷的闭合有关(张秋生等, 1988Li et al., 2005, 2006Luo et al., 2004, 2008Li and Zhao, 2007), 其证据主要包括:(1)大量遭受绿片岩相至角闪岩相变质的双峰式火山岩的存在(张秋生等, 1988, Sun et al., 1993);(2)带内大量出露A型花岗岩(李三忠等, 2003Li and Zhao, 2007);(3)胶-辽-吉活动带两侧具有相似的太古宙基底(张秋生等, 1988李三忠等, 2003);(4)南辽河群、集安群和荆山群变质作用以低压逆时针P-T轨迹为特征(卢良兆等, 1996贺高品和叶慧文, 1998a, b);(5)胶-辽-吉活动带第一幕变形为拉张型(Li et al., 2005);(6)辽吉花岗岩与南北辽河群均有相似的Nd同位素组成(Li et al., 2006);(7)陆相含硼地层的存在(Peng and Palmer, 1995)。然而, 另一部分学者则认为该活动带的形成演化与弧-陆碰撞有关, 其代表性的前寒武纪变质岩系南、北辽河群形成于类弧后盆地环境(胡国巍, 1992白瑾, 1993王惠初等, 2011), 或分属不同古陆块、形成于活动大陆边缘环境(路孝平等, 2004Faure et al., 2004Lu et al., 2006), 其后期变质变形作用与弧-陆碰撞和古郯庐断裂的左旋平移有关(白瑾等, 1993)。然而, 这又与区域上特别是在山东半岛变质基底中缺乏岛弧型钙碱性火山岩(Sun et al., 1993)、早期构造变形为拉张性(李三忠等, 1998, 2001a, 2003Li et al., 2005)以及它们具有相似的年代学特征(Luo et al., 2004, 2008)等研究结果不吻合。

本文有关辽东半岛东北部宽甸地区南辽河群和片麻岩中锆石的LA-ICP-MS U-Pb定年和微区痕量元素分析结果表明, 本区黑云石英片岩中除含有大量与区域古元古代辽吉花岗岩或火山岩类似的年龄信息(2234~2033Ma)以外, 还含有大量2546~2302Ma古老继承锆石年龄, 并且在花岗质片麻岩中还存在~3285Ma的古太古代年龄, 这些特征均与前人有关辽东半岛南、北辽河群碎屑锆石的定年结果相吻合(Luo et al., 2004, 2008)。如前所述, 这些古老锆石年龄均与前人有关辽北-吉南太古宙杂岩(龙岗地块)、南部金州太古宙杂岩(辽南地块, 向东可能与朝鲜狼林地块相连)及胶辽吉活动带基底花岗质岩石年龄相吻合(Liu et al., 1992, 2008Song et al., 1996Wan et al., 2001Wu et al., 2005, 2008Zhang et al., 2011), 暗示本区南辽河群原岩应部分起源于太古代基底。结合区域地质资料表明, 辽北-吉南太古宙杂岩(龙岗地块)和南部金州太古宙杂岩(辽南地块, 向东可能与朝鲜狼林地块相连)至少在古元古代(~1885Ma)已经作为一个整体而存在, 胶辽吉活动带应形成于一种伸展的构造环境, 然而其受控于何种构造机制还有待进一步研究。

5 结论

辽东半岛东北段宽甸地区南辽河群黑云石英片岩、含电气石浅粒岩和花岗质片麻岩中锆石LA-ICP-MS U-Pb定年和微区痕量元素分析结果表明:

(1) 该区南辽河群的原岩形成时代应晚于~2035Ma, 峰期变质作用年龄为~1885Ma, 其沉积作用应发生于2035~1885Ma之间;

(2) 它们的沉积物源主要来自古元古代花岗质岩石和同时期的火山岩, 部分直接来自太古代古老结晶基底;

(3) 它们的原岩应形成于伸展的构造环境。

致谢 感谢河北省廊坊物探勘察院在锆石分选中给与的帮助;同时感谢中国地质大学(北京)地质过程与矿产资源国家重点实验室在锆石La-ICP-MS U-Pb及其痕量元素测试分析中给与的大力帮助;感谢审稿专家中国海洋大学李三忠教授和长安大学胡波老师提出的宝贵意见和建议。
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