吉南新太古代高鎂安山巖及其地質(zhì)意義

李承東，許雅雯，張慶紅，周紅英，彭樹(shù)華，陳軍強(qiáng)，張 闊，趙利剛，李省印

1.天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，天津 300170

2.河北省地礦局第十一地質(zhì)大隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000

3.河北區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所，河北 廊坊 065000

0 引言

經(jīng)典高鎂安山巖類(lèi)產(chǎn)于日本Setouchi火山巖帶，形成于中新世。由于它們形成于俯沖帶環(huán)境，所以一直是地學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)。與其地球化學(xué)特征類(lèi)似的太古宙高鎂二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖、高鎂粗面安山巖被稱(chēng)為sanukite（贊岐巖）［1］，在世界各地一些古老地塊中均有出露。它們主要集中出現(xiàn)在新太古代（3.0～2.5Ga）［2－5］，其形成可能與消減環(huán)境有關(guān)，可能標(biāo)志現(xiàn)代類(lèi)型板塊構(gòu)造的開(kāi)始［6］。國(guó)內(nèi)新太古代的高鎂安山巖類(lèi)（高鎂閃長(zhǎng)巖類(lèi)）除內(nèi)蒙古固陽(yáng)色騰爾山群（稱(chēng)贊歧巖）［7］、泰山雜巖［8］、五臺(tái)山新太古代綠巖帶中［9］有報(bào)道外，未見(jiàn)其他相關(guān)的研究。本次在華北板塊東北緣原屬色洛河群中發(fā)現(xiàn)了新太古代高鎂安山巖類(lèi)，并進(jìn)行了詳細(xì)的研究，進(jìn)而探討華北克拉通早期演化及其大地構(gòu)造意義。

1 地質(zhì)背景和樣品來(lái)源

研究區(qū)位于華北板塊東北緣吉南夾皮溝－松江河一帶，構(gòu)造上處于華北板塊與中亞造山帶結(jié)合部位（圖1）。西側(cè)為龍崗陸塊（東北部龍崗－夾皮溝一帶），北東側(cè)為中亞造山帶，二者之間為北西向富爾河斷裂（俗稱(chēng)槽臺(tái)斷裂）。中亞造山帶一側(cè)主要發(fā)育大量花崗巖及少量古生代地層。龍崗陸塊（前寒武紀(jì)基底）主要由花崗片麻巖（70%）及表殼巖組成。花崗片麻巖主要為T(mén)TG（花崗閃長(zhǎng)巖），少量鉀質(zhì)花崗巖，時(shí)代為2.7～2.5Ga，主體在2.5Ga［10］，其中SHRIMP鋯石 U-Pb年齡為（2 522.6±5.9）Ma［11］；在遼寧鞍山還發(fā)現(xiàn)有（3 812±5）Ma（SHRIMP）的片麻巖［12］，表明龍崗陸塊為具有古太古代基底的古老地塊。表殼巖呈捕虜體賦存在灰色片麻巖中，由龍崗巖群和夾皮溝巖群構(gòu)成［13］。夾皮溝巖群呈北西向分布在龍崗陸塊東緣，主要由斜長(zhǎng)角閃巖夾黑云變粒巖、絹云石英片巖、綠泥角閃片巖及磁鐵石英巖組成，原巖為一套中基性、酸性火山巖和碎屑巖，經(jīng)歷了角閃巖相－綠片巖相的變質(zhì)，被認(rèn)為形成于島弧或弧后盆地的構(gòu)造環(huán)境［10，14］，伍家善等［15］將其歸于吉－遼－魯島弧帶。

研究的對(duì)象色洛河群沿富爾河斷裂帶斷續(xù)分布，前人將其置于中－晚元古代［11］。周曉東等［16］對(duì)其重新厘定，將其限定在色洛河一帶，并改稱(chēng)色洛河巖群，時(shí)代歸屬新元古代；將分布在金銀別一帶的色洛河群歸屬中元古代金銀別巖組。陳躍軍等［17］將松江河－海溝一帶的變質(zhì)巖層從色洛河群中單獨(dú)劃出，一部分稱(chēng)張三溝巖組（松江河一帶），一部分劃歸中元古代稱(chēng)東方紅巖組（海溝一帶）（圖1）。

李承東等［18］綜合研究結(jié)果表明，色洛河群并非一套完整的變質(zhì)火山－沉積建造，而是由不同時(shí)代的地層、巖石的巖片組成的構(gòu)造拼貼帶。從其中解體出的古元古代張三溝巖組被重新厘定為新太古代變質(zhì)地層［19］，而所謂的金銀別巖組，其巖石組合特征與張三溝巖組一致，它們應(yīng)屬同一套巖石地層。

樣品取自松江河一帶張三溝巖組和金銀別一帶金銀別巖組。2個(gè)巖組整體呈捕虜體狀分布在顯生宙花崗巖中，頂?shù)撞磺澹瑸橐惶壮蓪訜o(wú)序的構(gòu)造巖石地層，經(jīng)歷了多期變形變質(zhì)作用，后期強(qiáng)烈的構(gòu)造改造和構(gòu)造置換導(dǎo)致構(gòu)造平行化使得變質(zhì)巖層形成貌似簡(jiǎn)單的單斜巖層。該套巖層片狀構(gòu)造非常發(fā)育，同時(shí)還見(jiàn)有布丁、香腸、無(wú)根褶皺、殼褶皺等構(gòu)造，表現(xiàn)出中深構(gòu)造相的特征。早期變質(zhì)達(dá)角閃巖相，晚期受到北西向韌性剪切作用，使之發(fā)生綠片巖相的退變質(zhì)。巖石組合主要由淺灰色黑云斜長(zhǎng)變粒巖、灰綠色變質(zhì)玄武安山巖、灰綠色變質(zhì)輝石安山巖、灰色白云母（二云）片巖、灰色角閃斜長(zhǎng)變粒巖、灰綠色陽(yáng)起斜長(zhǎng)變粒巖、灰黑色斜長(zhǎng)角閃巖、角閃片巖夾少量變質(zhì)礫巖組成，原巖為一套中基－酸性火山巖夾碎屑巖［18］。

G04SJ26－31樣品取自松江河北張三溝巖組（原歸屬色洛河群），10JL12－14樣品取自金銀別巖組，兩組樣品巖性基本相同，但變質(zhì)程度不同。張三溝一帶變質(zhì)程度相對(duì)較深，巖性為石英陽(yáng)起斜長(zhǎng)變粒巖，鱗片柱粒狀變晶結(jié)構(gòu)。黑云母、陽(yáng)起石定向排列構(gòu)成似片狀構(gòu)造。巖石主要由斜長(zhǎng)石（約55%）、石英（約10%）、陽(yáng)起石（20%～25%）、黑云母（約10%）和綠泥石（＜5%）組成。較大的斜長(zhǎng)石呈自形－半自形長(zhǎng)板狀，多黝簾石化；較小的呈他形微粒狀，個(gè)別仍保留長(zhǎng)板狀或板條狀晶形。黑云母呈褐－淺黃褐色片狀。陽(yáng)起石呈淺綠色長(zhǎng)柱狀、針柱狀。石英呈他形微粒狀，具波狀消光。綠泥石呈淡綠色片狀。金銀別一帶變質(zhì)相對(duì)較淺，為變質(zhì)輝石安山巖，具變余安山結(jié)構(gòu)，微晶斜長(zhǎng)石呈板條狀，平行、半平行排列；巖石主要礦物仍由斜長(zhǎng)石（粒度小于0.2 mm）、陽(yáng)起石（少量具有輝石假象）、石英及黑云母組成。

圖1 夾皮溝－松江河地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch geological map of Jiapigou-Songjianghe region

2 SHIRMP定年

2.1 分析方法

SHRIMP鋯石U-Pb測(cè)年在北京離子探針中心完成。在分析過(guò)程中，應(yīng)用TEM（417Ma）進(jìn)行元素間分餾校正，Pb/U 校正公式采用 Pb/U＝A（UO/U）2［20］；采用澳大利亞國(guó)立大學(xué)地學(xué)院標(biāo)準(zhǔn)鋯石樣SL13（年齡572Ma，w（U）為 238×10－6，w（Th）為21×10－6）標(biāo)定TEM標(biāo)樣和所測(cè)鋯石的U、Th、Pb含量。數(shù)據(jù)處理和年齡計(jì)算采用Ludwig SQUID1.0和ISOPLOT 程序［21－22］，普通 鉛根據(jù)實(shí)測(cè)204Pb校正。單個(gè)測(cè)點(diǎn)的分析誤差為1σ，樣品最終年齡加權(quán)平均值誤差則為2σ。吉林松江河地區(qū)張三溝巖組高鎂安山巖的SHRIMP U-Pb分析結(jié)果列于表1。

表1 吉林松江河張三溝巖組新太古代高鎂安山巖鋯石SHRIPM U-Pb分析結(jié)果Table 1 Zircon SHRIPM U-Pb analyses on Neoarchean high Mg andesite from Zhangsangou Formation-Complex ，Jilin Provice，Northeast China

2.2 分析結(jié)果

G04SJ26樣品取自張三溝巖組，鋯石多數(shù)具有核－增生層結(jié)構(gòu)，少數(shù)為球形多面體單晶。鋯石核部發(fā)育振蕩環(huán)帶，具巖漿鋯石特征；邊部相對(duì)較均勻，無(wú)環(huán)帶發(fā)育，在CL圖像上表現(xiàn)為強(qiáng)發(fā)光特性。那些球形多面體單晶鋯石的CL圖像與增生邊具有相同的強(qiáng)發(fā)光和無(wú)環(huán)帶特征，也屬于變質(zhì)成因（圖2）。對(duì)29個(gè)鋯石進(jìn)行了32個(gè)點(diǎn)的分析（表1）。鋯石核部14個(gè)分析點(diǎn)（2.1，4.1，5.1，10.1，11.1，12.1，13.1，14.1，15.1，16.1，17.1，18.1，19.1，20.1）的207Pb/206Pb投點(diǎn)多數(shù)位于諧和線以下，表現(xiàn)鉛丟失的特征，它們與諧和線上交點(diǎn)年齡為（2 493±12）Ma（MSWD＝0.86）（圖3，G04SJ26A），該年齡可能接近巖漿的結(jié)晶年齡，大概代表該巖石的形成時(shí)代。鋯石增生邊（或變質(zhì)鋯石）共有18個(gè)分析點(diǎn)（1.1，3.1，6.1，7.1，8.1，9.1，16.2，18.2，20.2，21.1－29.1），它們的投點(diǎn)均位于諧和線上，其207Pb/206Pb年齡加權(quán)平均值為（2 455±17）Ma（MSWD＝1.76）（圖3，G04SJ26B），該年齡為巖石的變質(zhì)時(shí)代。

圖2 張三溝巖組高鎂安山巖鋯石特征和測(cè)點(diǎn)位置Fig.2 Characteristics and dating spots of zicons of high Mg andesite from Zhangsangou Formation-Complex

3 地球化學(xué)特征

樣品SJ27－SJ31由中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所測(cè)試，JL12－JL14由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所測(cè)試。常量元素為X射線熒光光譜儀分析，其中FeO由氧化－還原化學(xué)容量法完成。微量元素由ICP-MS測(cè)定。根據(jù)其地球化學(xué)特征，在w（MgO）-w（SiO2）圖解［23］（圖4A）中樣品全部投在高鎂安山巖范圍，而TFeO/MgO，即（0.9Fe2O3＋FeO）/MgO 與w（SiO2）圖解（圖4B）表明它們?yōu)殁}堿性系列。其w（SiO2）為53.93%～57.80%，富 Al2O3和 MgO（w（Al2O3）為13.64%～15.46%，w（MgO）為6.54%～8.82%），Mg＃值高（Mg＃＝Mg/（Mg＋Fe＋2），均為分子數(shù)，其中Fe＋2為全鐵，即等于 Fe＋2＋Fe＋3，為0.68～0.71，平均0.69（表2）。與日本中新世Setouchi火山巖帶高鎂安山巖（w（SiO2）為51.87%～58.50%，w（MgO）為6.05%～11.56%，w（Al2O3）為13.30%～16.76%，Mg＃為0.64～0.78）［24－25］相比，主要氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本相當(dāng)。與新太古代高鎂安 山 巖（閃 長(zhǎng) 巖 ）類(lèi) （w（SiO2）為53.01%～58.00%，w（MgO）為5.99%～6.06%，w（Al2O3）為14.30%～17.70%，Mg＃為0.65～0.57）［1］相比，w（SiO2）相 當(dāng)，w（MgO）、Mg＃值 明 顯 偏 高，w（Al2O3）偏低。

圖3 張三溝巖組高鎂安山巖鋯石U-Pb一致曲線圖Fig.3 U-Pb concordia diagrams of zircons of high Mg andesite from Zhangsangou Formation-Complex

圖4 w（MgO）-w（SiO2）和TFeO/MgO-w（SiO2）圖解（底圖據(jù)文獻(xiàn)［23］）Fig.4 w（MgO）-w（SiO2）and TFeO/MgO-w（SiO2）diagram for high-Mg andesites（base map after reference［23］）

表2 張三溝巖組和金銀別巖組高鎂安山巖主量、微量元素分析結(jié)果Table 2 Major，trace elemental results for high-Mg andesites from Zhangsangou and Jinyinbie Formation-Complex

表2（續(xù)）

微量元素和稀土元素，明顯富Cr（（270.66～1 117.30）× 10－6， 平 均 為 443.62× 10－6）、Ni（（141.74～542.98）×10－6，平均為 250.50×10－6）。與Setouchi火山巖帶典型的高鎂安山巖（w（Cr）為 449.25×10－6，w（Ni）為 182.23×10－6）［24－25］相比，w（Cr）基本相當(dāng)，w（Ni）明顯偏高。與新太古代高鎂安山巖（閃長(zhǎng)巖）（w（Cr）為285×10－6，w（Ni）為154×10－6）相比，w（Cr）、w（Ni）明顯偏高［1］。富集LILE（如Cs、K、Pb、Rb、Ba及 Th、Sr），相對(duì)虧損 Nb、Ta、Ti、P；富集 LREE，虧損HREE（w（Yb）為（1.38～1.57）×10－6），無(wú)明顯的負(fù)銪異常（δEu為0.87～1.01）。其微量、稀土元素分布形式與日本Setouchi火山巖帶典型的高鎂安山巖類(lèi)［24－27］很相似（圖5），只是本次的高鎂安山巖類(lèi)輕重稀土分餾較弱（圖5A），微量元素相對(duì)富集Sr（平均635.18×10－6，圖5B），但明顯低于新太古代高鎂安山巖（贊崎巖，w（Sr）為1 170×10－6）［29］。

4 巖石成因討論

高鎂安山巖成因通常認(rèn)為有3種：1）富集地幔部分熔融的產(chǎn)物，富集組分或者來(lái)自消減帶的流體［30－31］，或者來(lái)自榴輝巖穩(wěn)定范圍內(nèi)由含水的玄武巖部分熔融形成的“板片熔體”。2）來(lái)自消減帶板片（或包括俯沖沉積物）部分熔融的熔體與地幔發(fā)生混合形成［32－37］。3）拆沉的下地殼部分熔融產(chǎn)生的熔體與地幔橄欖巖相互作用形成［38］，它們形成于板內(nèi)環(huán)境，與俯沖無(wú)關(guān)［39］。張三溝巖組和金銀別巖組（以下簡(jiǎn)稱(chēng)張三溝）高鎂安山巖類(lèi)具較高的w（MgO）（6.54%～8.82%）、高 Mg＃值（平均0.69），高w（Cr）（443.62×10－6）、w（Ni）（250.50×10－6），表明它不是由基性下地殼鐵鎂質(zhì)巖石部分熔融（Mg＃一般小于40）［40］形成的；太古宙地殼厚度平均約30 km［41］，拆沉可能性不大，即由下地殼部分熔融產(chǎn)生的熔體與地幔橄欖巖相互作用形成的可能性很?。灰膊淮罂赡苁窍麥p板片部分熔融的，因?yàn)閹r石的高Cr、Ni、Mg＃值，必須有地幔參與才可以形成；這種近于原始巖漿的地化特征很可能是地幔直接熔融的。此外，張三溝高鎂安山巖類(lèi)與日本Setouchi火山巖帶典型高鎂安山巖具有相似的稀土和微量元素分布特征（圖5）。后者被認(rèn)為是含水地幔部分熔融的產(chǎn)物［16，42］，其大離子親石元素（Cs、K、Rb、Th、Pb等）明顯富集，高場(chǎng)強(qiáng)元素（Ta、Nb、Ti、P）相對(duì)虧損，被解釋為由于俯沖沉積物質(zhì)對(duì)地幔楔的添加所致［25，43］。但張三溝高鎂安山巖還具有與之明顯不同的高w（Sr）。在Sr/Y-w（Y）圖上（圖6）的投點(diǎn)全部落在埃達(dá)克巖范圍之內(nèi)，暗示交代地幔的物質(zhì)來(lái)源可能與俯沖洋殼板片部分熔融（含有較高的Sr）有關(guān)。在La/Yb-Ba/La圖解中（圖7），大部分的投點(diǎn)近于埃達(dá)克高鎂安山巖范圍，少部分近于OIB范圍，總體也顯示交代地幔的物質(zhì)來(lái)源與洋殼（或板片熔體）有關(guān)。上述研究表明，張三溝新太古代高鎂安山巖可能由富集地幔部分熔融而成，富集組分可能來(lái)自板片熔融的熔體或者流體。

圖5 高鎂安山巖類(lèi)稀土配分（A）和微量元素蛛網(wǎng)圖（B）Fig.5 The REE pattern（A）and spidergram（B）of high-Mg andesites

圖6 張三溝巖組和金銀別巖組高鎂安山巖類(lèi)Sr/Y-w（Y）圖解Fig.6 Sr/Y vs.w（Y）diagram for high-Mg andesites from Zhangsangou and Jinyinbie Formation-Complex

圖7 張三溝巖組和金銀別巖組高鎂安山巖類(lèi)La/Yb-Ba/La圖解（底圖據(jù)文獻(xiàn)［34］）Fig.7 La/Yb-Ba/La diagram for high-Mg andesites from Zhangsangou and Jinyinbie Formation-Complex（base map after references［34］）

5 討論與結(jié)論

張三溝新太古代高鎂安山巖可能由板片脫水流體交代的地幔部分熔融、或板片熔體與地幔混合而成。這種高w（MgO）同時(shí)高w（SiO2）（相對(duì)玄武巖而言）的巖石，通常解釋為形成于板塊消減帶之上的地幔楔環(huán)境。已有的研究也表明，許多太古宙高鎂安山巖（閃長(zhǎng)巖）均形成在消減帶的環(huán)境下。如Abitibi（Superior Province）和Pilbara克拉通，太古宙高鎂安山巖與玻安巖同時(shí)出現(xiàn)，說(shuō)明被消減作用改造的地幔楔的存在。因?yàn)楝F(xiàn)代玻安巖無(wú)例外地形成在匯聚板塊邊緣的島弧和弧前環(huán)境［45］。所以，認(rèn)為張三溝新太古代高鎂安山巖很可能形成于消減帶環(huán)境。

筆者獲得張三溝高鎂安山巖的形成年齡為（2 493±12）Ma，變質(zhì)年齡為（2 455±17）Ma；與之共生的變質(zhì)火山巖或者火山碎屑巖形成年齡（SHRIMP）為（2 517±9）Ma、（2 518±7）Ma，變質(zhì)年齡為（2 439±24）Ma、（2 464±73）Ma［19］。這表明該套中基性火山巖主要的形成時(shí)代為新太古代，而主變質(zhì)時(shí)代為古元古代初。區(qū)域上，緊鄰張三溝巖組和金銀別巖組的北西側(cè)為夾皮溝巖群，原巖為一套中基性、酸性火山巖和碎屑巖，被認(rèn)為形成于島弧或弧后盆地的構(gòu)造環(huán)境［10，14］，它與張三溝巖組、金銀別巖組的高鎂安山巖很可能處于相似構(gòu)造背景?？梢酝茰y(cè)，在新太古代晚期，古龍崗陸塊（東北緣）東北側(cè)邊緣可能處于消減帶環(huán)境，發(fā)育溝－弧盆體系，其東北側(cè)可能存在一個(gè)古洋盆。高鎂安山巖類(lèi)的變質(zhì)時(shí)代可能代表了該?。柘档脑焐剑ㄩ]合）時(shí)代，代表該島弧帶拼貼到古龍崗陸塊的時(shí)代，張三溝巖組、金銀別巖組及夾皮溝巖群等被拼貼到古龍崗陸塊邊緣，暗示新太古代現(xiàn)代類(lèi)型的板塊構(gòu)造開(kāi)始出現(xiàn)。

綜上所述，可以得出如下結(jié)論：1）張三溝巖組、金銀別巖組中賦存一套富MgO、高Cr、Ni的高鎂安山巖，形成時(shí)代為新太古代晚期，變質(zhì)時(shí)代在古元古代初。它們形成于消減帶的構(gòu)造環(huán)境。2）古龍崗陸塊北東緣新太古代時(shí)期可能存在一個(gè)溝－弧盆體系，暗示華北古陸在新太古代可能已經(jīng)存在現(xiàn)代類(lèi)型的板塊構(gòu)造。

李惠民研究員和頡頏強(qiáng)博士就有關(guān)問(wèn)題提出了很好建議，在此表示衷心感謝。

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