吉林南部石灰溝輝石閃長巖的地球化學(xué)特征及構(gòu)造背景

馬國驊， 孫永剛

(1.青海省第五地質(zhì)勘查院， 青海 西寧 810099； 2.宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院， 安徽 宿州 234000)

0 引 言

華北克拉通是世界上最古老的克拉通之一，主要由太古宙至古元古代基底地塊構(gòu)成，上覆中元古代至新生代末期變質(zhì)蓋層[1]。通過對現(xiàn)有地質(zhì)學(xué)資料的分析整合，Zhao等[1]認(rèn)為華北克拉通變質(zhì)基底可分為三個(gè)太古宙微陸塊(陰山地塊、鄂爾多斯地塊和東部陸塊)以及三個(gè)元古宙活動(dòng)帶(孔茲巖帶、膠-遼-吉帶和中部造山帶)。對華北克拉通太古代結(jié)晶基底以及新太古代地球動(dòng)力學(xué)背景的研究一直是研究的熱點(diǎn)[2-4]，但仍然存在一些爭議，部分研究人員提出了關(guān)于華北克拉通東部陸塊新元古代構(gòu)造背景的地幔柱機(jī)制[3]。相比之下，亦有研究人員提出了華北克拉通東部陸塊在新太古代運(yùn)行的現(xiàn)代板塊構(gòu)造體制[2,4]。除此之外，這些對華北克拉通東部陸塊新太古代構(gòu)造演化的研究多集中于花崗巖-綠巖帶中的變質(zhì)火山巖。盡管太古代花崗巖-綠巖帶和高級(jí)片麻巖構(gòu)成了早期大陸地殼的主要構(gòu)造單元，同時(shí)保留了太古宙大陸地殼的成分和結(jié)構(gòu)特征，但僅局限于此仍不能很好的明確該地區(qū)新太古代的構(gòu)造背景。

筆者在華北克拉通東部陸塊東北緣吉林南部石灰溝地區(qū)新發(fā)現(xiàn)的新太古代輝石閃長巖為這一問題的解決提供了新窗口。因此，筆者在對石灰溝輝石閃長巖進(jìn)行鋯石U-Pb定年的基礎(chǔ)上，同時(shí)對其進(jìn)行了巖石地球化學(xué)特征研究，用以探討其巖石成因和構(gòu)造背景。

1 地質(zhì)背景與樣品特征

1.1 地質(zhì)背景

華北克拉通構(gòu)造分區(qū)如圖1所示。石灰溝地區(qū)位于華北克拉通東部陸塊東北緣的吉南地塊(圖2)，吉南地塊的和龍-夾皮溝-樺甸-靖宇-通化-白山等地區(qū)大量出露太古宙結(jié)晶基底，以新太古代TTG片麻巖、富鉀花崗巖類和表殼巖系為主體(圖2)。

石灰溝地區(qū)出露的地層主要為古元古界老嶺群珍珠門組(Pt1z)，巖性主要為塊狀、中厚層白云石大理巖、角礫狀白云石大理巖、透閃白云石大理巖和硅質(zhì)條帶白云石大理巖(圖3)。區(qū)內(nèi)發(fā)育的巖漿巖主要為脈狀輝石閃長巖、輝綠巖和煌斑巖，其中的輝石閃長巖脈與珍珠門組地層為沉積接觸。區(qū)內(nèi)發(fā)育近NE向斷裂。

圖1 華北克拉通構(gòu)造分區(qū)Fig. 1 Geotectonic zoning of North China Craton

圖2 吉南地塊區(qū)域地質(zhì)[5]Fig. 2 Regional geological of South Jilin Block[5]

圖3 石灰溝地區(qū)地質(zhì)簡圖Fig. 3 Geological map of Shihuigou area

1.2 樣品特征

輝石閃長巖樣品采自石灰溝野外露頭，石灰溝輝石閃長巖手標(biāo)本和鏡下特征如圖4所示。輝石閃長巖新鮮面呈灰綠色，礦物組成為斜長石、角閃石和少量的輝石和石英，斜長石大小一般在0.5～2.0 mm，少數(shù)呈環(huán)形，中央有強(qiáng)烈的云母化、黏土化蝕變，聚片雙晶可見，以中長石為主，體積分?jǐn)?shù)約占巖石60%；角閃石屬黃色或半自形長圓柱體，晶型以自形—半自形長柱狀為主，粒徑大小在0.3 mm×1.2 mm左右，少數(shù)橫切面呈六邊形，粒徑大小在0.1 mm×0.3 mm左右，部分呈現(xiàn)出綠泥石化的蝕變特征，體積分?jǐn)?shù)約占巖石35%；輝石為半自形—他形粒狀，粒徑在0.1 mm～0.2 mm之間，體積分?jǐn)?shù)小于5%；石英為他形粒狀，粒徑在0.05 mm左右，不規(guī)則地填于礦物粒間，體積分?jǐn)?shù)約占巖石3%。

圖4 石灰溝輝石閃長巖手標(biāo)本和鏡下特征Fig. 4 Hand specimens and microscopic characteristics of Shihuigou pyroxene diorite

2 測試分析方法與結(jié)果

2.1 測試分析

鋯石U-Pb測年在吉林大學(xué)東北亞礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)國土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用LA-ICP-MS分析完成。具體實(shí)驗(yàn)測試過程參見文獻(xiàn)[6]。巖石主量微量元素分析在北京燕都中實(shí)測試技術(shù)有限公司完成。具體實(shí)驗(yàn)測試過程參見文獻(xiàn)[7]。

2.2 測試結(jié)果

2.2.1 鋯石U-Pb定年結(jié)果

16個(gè)測試點(diǎn)的Pb元素與U元素同位素原子比λ(207Pb)/λ(206U)年齡介于(2 473.8±45.4)～(2 600.0±31.8) Ma(表1)，獲得了(2 540±19) Ma的加權(quán)平均年齡，代表石灰溝輝石閃長巖的結(jié)晶年齡。石灰溝輝石閃長巖鋯石U-Pb年齡協(xié)和圖如圖5所示。

表1 石灰溝輝石閃長巖鋯石U-Pb年齡測試結(jié)果

圖5 石灰溝輝石閃長巖鋯石U-Pb年齡協(xié)和圖Fig. 5 Zircon U-Pb isotope concordia plot of selected zircons of Shihuigou pyroxene diorite

2.2.2 主量元素

石灰溝輝石閃長巖樣品的SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于49.89%～51.10%(平均50.67%)，Al2O3測試值介于15.40%～16.21%(平均15.66%)，K2O測試值介于1.54%～1.89%(平均1.73%)，Na2O測試值介于3.23%～3.83%(平均3.47%)，K2O+Na2O結(jié)合值介于4.89%～5.52%(表2)。在TAS圖解(圖6a)中，樣品數(shù)據(jù)落在輝石閃長巖區(qū)域內(nèi)，在K2O-SiO2圖解(圖6b)中，樣品數(shù)據(jù)落在高鉀鈣堿性系列區(qū)域。記α=w(Al2O3)/w(CaO+Na2O+K2O),β=w(Al2O3)/w(Na2O+K2O),α值介于0.79～0.92，在α-β圖解(圖6c)中，樣品數(shù)據(jù)落在準(zhǔn)鋁質(zhì)區(qū)域。此外，樣品具有較高的MgO值(7.46%～8.82%，平均8.35%)和Mg#值(62～67)。

表2 石灰溝輝石閃長巖主量元素測試結(jié)果

圖6 石灰溝輝石閃長巖主量元素圖解Fig. 6 Major elements diagrams of Shihuigou pyroxene diorite

2.2.3 微量元素

石灰溝輝石閃長巖的稀土總量介于167×10-6～201×10-6(平均181×10-6)，w(LREE)/w(HREE)比值介于9.74～10.32，(La/Yb)N比值介于11.47～13.33(表3)。球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的稀土元素表現(xiàn)為富集輕稀土、虧損重稀土。石灰溝輝石閃長巖樣品具有微弱的Eu負(fù)異常(δEu = 0.90～0.93)(圖7a)，富集大離子親石元素(Rb、K、Th、U等)，虧損高場強(qiáng)元素(Nb、Ti、Zr、Hf等)(圖7b)。

表3 石灰溝輝石閃長巖微量元素測試結(jié)果

圖7 石灰溝輝石閃長巖稀土配分曲線和微量元素蛛網(wǎng)Fig. 7 Chondrite normalized REE patterns and trace elements spider for Shihuigou pyroxene diorite

3 討 論

3.1 巖石成因

中性巖的巖石成因主要有以下四種：(1)幔源玄武質(zhì)熔體結(jié)晶分異作用[8]；(2)加厚鐵鎂質(zhì)下地殼的部分熔融作用[9]；(3)俯沖板片部分熔融作用[10]；(4)受流體或熔體交代的地幔楔的部分熔融作用[11]。

研究區(qū)不發(fā)育大量的同時(shí)期鎂鐵質(zhì)巖漿巖，微弱的Eu異常也表明斜長石的結(jié)晶分異作用微不足道，因此幔源玄武質(zhì)熔體結(jié)晶分異作用不是該閃長巖的成因機(jī)制。加厚鐵鎂質(zhì)下地殼的部分熔融作用形成的巖石通常Mg#值<40，同時(shí)擁有較低的Cr、Ni值，而石灰溝輝石閃長巖MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于7.46%～8.82%，Mg#值介于62～67，該值高于由下地殼部分熔融作用所形成的中酸性巖，因此加厚鐵鎂質(zhì)下地殼的部分熔融作用不是該閃長巖的成因機(jī)制。俯沖板片部分熔融作用所形成閃長巖的Mg#值通常高于60，同時(shí)擁有較高的Ni、Cr、Co(w(Ni)>75×10-6、w(Cr)>250×10-6、w(Co)>30×10-6)，這種部分熔融作用一般會(huì)產(chǎn)生埃達(dá)克質(zhì)巖漿[12]，而在埃達(dá)克巖判別圖解上(圖8)，閃長巖數(shù)據(jù)落在了經(jīng)典島弧巖石區(qū)域，表明石灰溝輝石閃長巖并不是埃達(dá)克巖，因此俯沖板片的部分熔融作用也不是該閃長巖的成因機(jī)制[13]。

圖8 埃達(dá)克巖判別圖解Fig. 8 Discriminant diagrams of adakites

石灰溝輝石閃長巖富集大離子親石元素(Rb、K、Th、U等)，虧損高場強(qiáng)元素(Nb、Ti、Zr、Hf等)，強(qiáng)烈虧損Nb和Ti，這個(gè)特點(diǎn)與俯沖相關(guān)巖石元素特征相似[14]，較高的Mg#、Cr、Ni、Co表明為幔源原始巖漿[15]，閃長巖的w(La)/w(Yb)值介于17.01～19.77(平均18.47)，w(La)/w(Ta)值介于62.80～66.68(平均64.66)，符合巖石圈地幔范圍值(w(La)/w(Yb)>1，w(La)/w(Ta)>20)[16]，因此，筆者認(rèn)為石灰溝輝石閃長巖的巖漿源區(qū)來自巖石圈地幔，巖石成因可能為受流體或熔體交代的巖石圈地幔楔的部分熔融作用。

3.2 構(gòu)造背景

在構(gòu)造背景判別圖解上，輝石閃長巖樣品投點(diǎn)落在活動(dòng)大陸邊緣區(qū)域內(nèi)(圖9)，這些巖石的特征顯示出弧親和力[17]，因此，我們推斷，吉林南部石灰溝輝石閃長巖是由與大洋俯沖有關(guān)的過程形成的。Wang等[5]對遼北地塊和吉南地塊約2.6～2.5 Ga的中基性變火山巖(w(SiO2)<63%)進(jìn)行地球化學(xué)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)w(Na2O)/w(K2O)的比值存在明顯空間分布差異。遼北地塊中的巖石通常具有w(Na2O)/w(K2O)比率大多數(shù)大于3.46，并具有Na富集的特征，而吉南地塊中的巖石具有較低的w(Na2O)/w(K2O)比率(大多數(shù)小于1.95)，并具有K富集的特征。隨著向內(nèi)陸推進(jìn)，火山巖的w(Na2O)/w(K2O)逐漸增大，代表了從大洋弧到大陸弧的過渡。同時(shí)，夾皮溝新太古代花崗巖-綠巖帶的變質(zhì)火山巖，是由下地幔楔部分熔融，經(jīng)板片流體或熔體(原始弧拉斑玄武巖)輕微交代而形成的，吉林南部花崗閃長片麻巖是俯沖大洋板片和少量沉積物部分熔融形成的[18-20]。李鵬川等[21]對吉南地區(qū)新太古代表殼巖及TTG片麻巖的研究表明，它們主要形成于活動(dòng)大陸邊緣環(huán)境。綜上，筆者認(rèn)為吉林南部約2.5 Ga時(shí)的構(gòu)造背景如下，大洋板片不斷向大陸板塊俯沖推進(jìn)，俯沖帶地幔楔發(fā)生部分熔融形成中性巖漿，如石灰溝輝石閃長巖。

圖9 石灰溝輝石閃長巖構(gòu)造背景判別圖解Fig. 9 Tectonic setting diagram of Shihuigou pyroxene diorite

4 結(jié) 論

(1)鋯石U-Pb年代學(xué)結(jié)果表明，石灰溝輝石閃長巖λ(207Pb)/λ(206U)的加權(quán)平均年齡為(2 540 ± 19) Ma，代表其結(jié)晶年齡。

(2)巖石地球化學(xué)分析結(jié)果表明，石灰溝輝石閃長巖樣品具有較低的SiO2含量，較高的MgO、Cr和Ni含量。輝石閃長巖樣品富集輕稀土和大離子親石元素(Rb、K、Th、U等)，虧損重稀土和高場強(qiáng)元素(Nb、Ti、Zr、Hf等)，具有微弱的Eu負(fù)異常。巖漿源區(qū)為受流體或熔體交代的巖石圈地幔楔，并經(jīng)歷了部分熔融作用。

(3)新太古代石灰溝輝石閃長巖樣品形成于與大洋俯沖密切相關(guān)的活動(dòng)大陸邊緣環(huán)境。