楊仲杰,鄧穎,趙巖,姜春宇,王曉晗,蘇特,豆世勇,劉長純
(1.遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院,遼寧 沈陽 110031;2.遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,遼寧 沈陽 110031; 3.中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地調(diào)中心,遼寧 沈陽 110034)
對克拉通內(nèi)部古老(新太古—古元古代)造山/活動(dòng)帶的準(zhǔn)確識(shí)別及其構(gòu)造背景的深入研究,對于揭示全球古老克拉通的形成演化、陸塊聚-散的動(dòng)力學(xué)過程具有重要的科學(xué)意義(ZHAI et al.,2011;ZHAO et al.,2012)。華北克拉通是中國境內(nèi)出露規(guī)模最大、記錄構(gòu)造-巖漿-變質(zhì)熱事件最齊全的古老克拉通,自從~38億年古老巖石在該克拉通發(fā)現(xiàn)以來,華北克拉通逐漸成為地質(zhì)學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn),并成為全球熱點(diǎn)研究地區(qū)之一(劉福來等,2015)。近年來,許多學(xué)者通過對膠-遼-吉構(gòu)造活動(dòng)帶內(nèi)變質(zhì)火山-沉積巖、遼吉花崗巖、變質(zhì)基性巖等的研究,約束了膠-遼-吉構(gòu)造活動(dòng)帶早前寒武地體形成時(shí)間、成因模式及其大地構(gòu)造屬性(姜春潮,1987;張秋生,1988;白瑾,1994,1996;李三忠等,1997a,1997b,1998,2001,2003;路孝平等,2004;LUO et al.,2004,2008;LU et al.,2006;LI et al.,2007; 王博等,2017)。目前,有關(guān)遼河巖群研究區(qū)域上的許多報(bào)道還存在諸多方面的爭議。比如:遼河巖群各巖組的地層時(shí)代、物質(zhì)來源以及變質(zhì)時(shí)代等方面(王舫等,2017)。對于遼河巖群里爾峪巖組區(qū)域也有一些報(bào)道,但筆者依托的1∶5萬區(qū)調(diào)工作區(qū)內(nèi)缺少相應(yīng)的研究報(bào)道。筆者試圖選取研究區(qū)內(nèi)遼河巖群里爾峪巖組為重點(diǎn)研究對象,通過對其變沉積巖中碎屑鋯石進(jìn)行U-Pb年代學(xué)研究,限定里爾峪巖組的沉積時(shí)限、變質(zhì)變形時(shí)限及主要物質(zhì)來源,為進(jìn)一步探討膠-遼-吉活動(dòng)帶構(gòu)造演化過程提供科學(xué)依據(jù)。鑒于此,選取遼寧省東部黃花甸—蘇子溝地區(qū)南遼河群里爾峪巖組中代表性巖石類型進(jìn)行詳細(xì)的巖石學(xué)和鋯石U-Pb年代學(xué)研究,并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料來制約其原巖形成時(shí)代、變質(zhì)時(shí)代及其物質(zhì)來源等。
遼東黃花甸—蘇子溝地區(qū)位于華北克拉通東部的膠-遼-吉造山帶上,是最具代表性的一條古元古代造山/活動(dòng)帶,它經(jīng)歷了十分復(fù)雜的構(gòu)造演化過程,記錄了多期巖漿-變質(zhì)事件(劉福來等,2015) (圖1a)。研究區(qū)內(nèi)地層、侵入巖、變質(zhì)巖、火山巖及構(gòu)造均比較發(fā)育。主要出露古元古界南遼河巖群、中生界和古元古代、中生代花崗巖。遼河巖群主要由一套層狀變質(zhì)巖系組成,包括里爾峪巖組、高家峪巖組、大石橋巖組和蓋縣巖組;中生界分別是一套陸相火山-沉積碎屑巖的小嶺組和一套河湖相的大峪組。侵入巖主要發(fā)育古元古代的花崗巖、變質(zhì)基性巖墻和中生代的花崗巖。變質(zhì)巖主要分布在遼河巖群各巖組中,包括:變粒巖、淺粒巖、片巖、大理巖、片麻巖、斜長角閃巖等?;鹕綆r主要為一套以中性為主,局部夾酸性和基性的火山巖組合,分布在黃花甸斷陷盆地內(nèi)。研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造十分發(fā)育,主要受呂梁期、印支期、燕山期構(gòu)造作用影響,形成了以近東西向、北東向、北西向的斷裂帶以及較大型的褶皺帶。
研究區(qū)內(nèi)里爾峪巖組主要分布在鐘家堡子—黃花甸—大房身—核桃溝—蘇子溝一帶,與古元古代遼吉花崗巖主要呈構(gòu)造接觸和侵入接觸關(guān)系,與高家峪巖組、大石橋巖組及蓋縣巖組均呈構(gòu)造接觸關(guān)系,為一套原巖以含硼的海相火山-沉積巖建造(MVF)形成的變質(zhì)巖系,包括變粒巖、淺粒巖、片麻巖、蛇紋大理巖、電氣斜長角閃巖等,以含電氣石等富硼礦物為特征。
本次采集3件里爾峪巖組代表性巖石樣品,即大三家子粉房村旁的透閃斜長變粒巖(FF-N1)、藥山鎮(zhèn)大紅嶺村旁的電氣黑云二長變粒巖(PM004-TW2) 和黑云斜長變粒巖(PM004-TW3),具體采樣位置如圖1b所示。
透閃斜長變粒巖(FF-N1), 巖石風(fēng)化面為灰黑色,新鮮面為深灰色,柱粒狀變晶結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造(圖2a)。主要礦物由斜長石、透閃石及石英組成;副礦物有磁鐵礦、磷灰石、榍石和鋯石等。斜長石呈半自形晶,板狀,具絹云母化及綠簾石化,粒徑為0.2~1.5 mm±,含量為50%;透閃石呈柱狀,粒徑為0.2~2mm±,含量為10%;石英呈他形晶,粒狀,粒徑為0.1~1 mm±,含量為40% (圖2b)。
電氣黑云二長變粒巖(PM004-TW2),巖石風(fēng)化面呈黃色,新鮮面呈淺黃白色,細(xì)粒鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造(圖2c)。主要礦物由電氣石、黑云母、石英、斜長石、條紋長石及微斜長石組成;副礦物有磁鐵礦、鋯石、磷灰石等。電氣石呈柱狀,粒徑為0.2~0.5 mm±,含量為10%;黑云母呈片狀,片徑為0.2~0.5 mm±,含量為10%;石英呈他形晶,粒狀,粒徑為0.2~0.5 mm±,含量為10%;斜長石呈半自形晶,板狀,粒徑為0.2~0.8 mm±,含量為30%;條紋長石呈半自形晶,板狀,粒徑為0.2~0.8 mm±,含量為20%;微斜長石呈半自形晶,板狀,粒徑為0.2~0.8 mm±,含量為20%(圖2d)。
1.第四系;2.中生代地層;3.蓋縣巖組;4.大石橋巖組;5.高家峪巖組;6.里爾峪巖組;7.白堊紀(jì)花崗巖;8.侏羅紀(jì)花崗巖;9.三疊紀(jì)花崗巖;10.古元古代基性巖;11.古元古代花崗巖;12.地質(zhì)界線;13.采樣點(diǎn);14.太古宙地質(zhì)體;15.古元古代地質(zhì)體;16.推測的 古元古代地質(zhì)體;17.未分的太古宙/元古宙地質(zhì)體;18.斷層;19.研究區(qū);20.斷裂帶圖1 (a)研究區(qū)大地構(gòu)造簡圖及(b)區(qū)域地質(zhì)簡圖(a據(jù)ZHAI et al.,2011)Fig.1 (a)Tectonic diagram and (b)Regional geological map of Research Area
黑云斜長變粒巖(PM004-TW3),巖石風(fēng)化面呈灰色,新鮮面呈灰黑色;細(xì)粒鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造(圖2e)。主要礦物由黑云母(10%)、石英(30%)、斜長石(60%)及不透明礦物(少量)組成;副礦物有磷灰石、鋯石、磁鐵礦、榍石等。黑云母呈片狀,具綠泥石化,斷續(xù)方向性分布,片徑為0.2 mm±,含量為10%;石英呈他形晶,粒狀,粒徑為0.2~0.5 mm±,含量為30%;斜長石呈半自形晶,板狀,粒徑為0.2~1 mm±,含量為60%(圖2f)。
鋯石分選工作由具有多年工作經(jīng)驗(yàn)、乙級地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試資質(zhì)的河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室礦物分選實(shí)驗(yàn)室完成。U-Pb同位素定年工作由具有多年工作經(jīng)驗(yàn)、相應(yīng)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試資質(zhì)的北京科薈測試技術(shù)有限公司利用LA-Q-ICP-MS同時(shí)分析完成,使用德國PQMS、NWR193激光剝蝕系統(tǒng)。
首先將每件樣品破碎至粒級,清洗、烘干和篩選,采用磁選和重液分離技術(shù)分選出不同粒級的鋯石晶體,然后在雙目鏡下挑選出顆粒相對完整的鋯石晶體約500 粒。鋯石制靶后,進(jìn)行鋯石陰極發(fā)光照相(CL),以觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
鋯石微U-Pb同位素定年采用激光剝蝕系統(tǒng)為ESI NWR 193 nm,ICP-MS為Analytikjena Plasma Quant MS Elite ICP-MS。激光剝蝕過程中采用氦氣作載氣、氬氣為補(bǔ)償氣以調(diào)節(jié)靈敏度,二者在進(jìn)入ICP之前通過一個(gè)Y型接頭混合。每個(gè)時(shí)間分辨分析數(shù)據(jù)包括大約15~20 s的空白信號(hào)和45 s的樣品信號(hào)。對分析數(shù)據(jù)的離線處理(包括對樣品和空白信號(hào)的選擇、儀器靈敏度漂移校正、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年齡計(jì)算)采用軟件ICPMSDataCal(LIU et al., 2010a,2010b)完成。鋯石微量元素含量利用SRM610作為外標(biāo)、Si作內(nèi)標(biāo)的方法進(jìn)行定量計(jì)算(LIU et al., 2010a)。玻璃中元素含量的推薦值據(jù)GeoReM 數(shù)據(jù)庫。U-Pb同位素定年中采用鋯石標(biāo)準(zhǔn)GJ-1 作外標(biāo)進(jìn)行同位素分餾校正,每分析5~10個(gè)樣品點(diǎn),分析2 次GJ-1。對于與分析時(shí)間有關(guān)的U-Th-Pb 同位素比值漂移,利用GJ-1的變化采用線性內(nèi)插的方式進(jìn)行了校正(LIU et al., 2010a)。所有樣品年齡數(shù)據(jù)的U-Pb 諧和圖、年齡分布頻率圖繪制和年齡權(quán)重平均計(jì)算采用Isoplot4.0程序完成(LUDWIG,2003)。
該樣品中的90顆碎屑鋯石U-Pb年代學(xué)數(shù)據(jù)見表1,并圖示于圖3、圖4a。鋯石大多為橢球狀、次渾圓狀。鋯石顆粒大小較均一,長軸直徑在50~150 μm,長寬比在1∶1~2∶1。陰極發(fā)光圖像顯示,部分鋯石具有清晰的巖漿環(huán)帶,部分鋯石呈均勻的灰色或者亮灰色無分帶的內(nèi)部結(jié)構(gòu),這些鋯石大部分具有較明顯的核-邊結(jié)構(gòu)。Th/U值集中在0.02~1.15(表1),指示大部分鋯石屬于巖漿成因,少部分鋯石屬于變質(zhì)成因(BELOUSOVA et al.,2002;HOSKIN,2001)。從數(shù)據(jù)和年齡協(xié)和圖(圖4a)中顯示,鋯石均落在諧和線上或附近,207Pb/206Pb的年齡范圍為2 796~1 848 Ma。鋯石U-Pb年齡頻率直方圖(圖4a)顯示,該樣品中碎屑鋯石年齡主峰值大致有4組,峰值分別為1 864 Ma、2 107 Ma、2 181 Ma、和2 508 Ma,次峰值年齡為2 301 Ma、2 450 Ma、2 731 Ma 和2 796 Ma。
該樣品中的90顆碎屑鋯石U-Pb年代學(xué)數(shù)據(jù)見表1,并圖示于圖3、圖4b。鋯石以橢球狀、次渾圓狀為主。鋯石顆粒大小不一,長軸直徑在50~100μm,長寬比在1∶1~2∶1。陰極發(fā)光圖像顯示,大部分鋯石環(huán)帶不清晰,多見核-邊結(jié)構(gòu),包體較多,顏色不均勻,主要以灰色或者亮灰色為主。Th/U值集中在0.03~1.34(表1),指示大部分鋯石屬于巖漿成因,少部分鋯石屬于變質(zhì)成因。從數(shù)據(jù)和年齡協(xié)和圖(圖4b)中顯示,鋯石均落在諧和線上或附近,207Pb/206Pb的年齡范圍為3 537~1 837 Ma。鋯石U-Pb年齡頻率直方圖(圖4b)顯示,該樣品中碎屑鋯石年齡主峰值大致有3組,峰值分別為1 894 Ma、2 194 Ma、2 529 Ma,次峰值年齡為2 052 Ma、2 294 Ma、2 441 Ma、2 698 Ma和3 537 Ma。
該樣品中的75顆碎屑鋯石U-Pb年代學(xué)數(shù)據(jù)見表1,并圖示于圖3、圖4c。鋯石以橢球狀、次渾圓狀為主。鋯石顆粒大小不一,長軸直徑在60~120 μm,長寬比在1∶1~2∶1。陰極發(fā)光圖像顯示,部分鋯石環(huán)帶不清晰,呈斑雜結(jié)構(gòu),部分鋯石見核-邊結(jié)構(gòu),顏色不均勻,主要以灰色或者亮灰色為主。Th/U值集中在0.03~2.37(表1),指示大部分鋯石屬于巖漿成因,少部分鋯石屬于變質(zhì)成因鋯石。從數(shù)據(jù)和年齡諧和圖(圖4c)中顯示,鋯石均落在諧和線上或附近,207Pb/206Pb的年齡范圍為2 503~1 839 Ma。鋯石U-Pb年齡頻率直方圖(圖4c)顯示,該樣品中碎屑鋯石年齡主峰值大致有3組,峰值分別為1 903 Ma、2 033 Ma和2 147 Ma,次峰值年齡為2 311 Ma、2 450 Ma和2 503 Ma。
圖4 里爾峪巖組各變沉積巖碎屑鋯石U-Pb 年齡諧和圖及頻率直方圖Fig.4 U-Pb ages concordia plots and histograms detrital zircons from each metasedimentary rocks of the Li’eryu Formation
研究區(qū)里爾峪巖組的變沉積巖系為南遼河巖群的一部分。前人曾對研究區(qū)外的南、北遼河巖群代表性變質(zhì)沉積巖進(jìn)行了碎屑鋯石U-Pb 年代學(xué)研究(LUO et al.,2004,2008;LI et al.,2005;劉福來等,2015)。這些碎屑鋯石陰極發(fā)光圖像普遍顯示典型巖漿結(jié)晶環(huán)帶的特征,具有較高的Th/U值,表明其寄主巖石主要來源于巖漿巖。其中LUO et al.(2004,2008) 利用LA-ICP-MS鋯石U-Pb技術(shù)得到南、北遼河巖群年齡為2 200~2 000 Ma(主要年齡峰值)和~2 500 Ma(次要年齡峰值)。同時(shí)通過鋯石Lu-Hf同位素測試,認(rèn)為遼吉花崗巖是遼河巖群主要物源區(qū),少量源區(qū)物質(zhì)則可能來源于北側(cè)龍崗地塊的古老變質(zhì)基底; 劉福來等(2015)對南、北遼河巖群中代表性10件富鋁片巖-片麻巖樣品中約1 000顆鋯石進(jìn)行定年,得到2.15~2.05 Ga 的主要峰值和2.55~2.45 Ga的次要峰值(孟恩等,2013)。另外,前人對南、北遼河巖群的變質(zhì)時(shí)代也進(jìn)行了研究,將其變質(zhì)時(shí)代最大年齡值限定為~1.93 Ga(LUO et al.,2004,2008;ZHAO et al.,2012)。劉福來等(2015)進(jìn)一步對南、北遼河巖群富鋁片巖-片麻巖進(jìn)行鋯石年代學(xué)研究,得到最老變質(zhì)鋯石記錄的變質(zhì)年齡為~1.95 Ga。但也有學(xué)者認(rèn)為~1.85 Ga的變質(zhì)鋯石年齡指示南遼河群對后期熱事件的響應(yīng)(LI et al.,2007;LUO et al.,2008),不能代表南遼河巖群的最晚沉積時(shí)代。
筆者通過遼東黃花甸—蘇子溝地區(qū)南遼河巖群里爾峪巖組中透閃斜長變粒巖、電氣黑云二長變粒巖和黑云斜長變粒巖這3件代表性樣品進(jìn)行年代學(xué)測試,測得有效碎屑鋯石255顆。有效碎屑鋯石的年齡頻率直方圖上顯示出:~ 1 900 Ma、~2 182 Ma和~2 511 Ma 3個(gè)主要的峰值以及~2 030 Ma、~2 076 Ma、~2 110 Ma、~1 900 Ma、~2 312 Ma、~2 452 Ma、~2 715 Ma、~2 796 Ma、~3 537 Ma等8個(gè)次峰值(圖5d)。對54顆變質(zhì)鋯石的207Pb/206Pb年齡加權(quán),得出加權(quán)年齡值為(1 880.5±5.4)Ma(MSWD=1.4);對48顆較年輕巖漿鋯石的207Pb/206Pb年齡加權(quán),得出加權(quán)年齡值為(2 054±16)Ma(MSWD=9.0);對103顆與區(qū)域上早期遼吉花崗巖年齡接近的巖漿鋯石的207Pb/206Pb年齡加權(quán),得出加權(quán)年齡值為(2 182.3±3)Ma(MSWD=0.97);對14顆較老的新太古宙巖漿鋯石的207Pb/206Pb年齡加權(quán),得出加權(quán)年齡值為(2 511.8±8.1)Ma(MSWD=0.58)(圖5a)。結(jié)合本次工作區(qū)3件遼吉花崗巖和2件里爾峪巖組變質(zhì)火山巖的年代學(xué)測試結(jié)果分別為2 171~2 184 Ma和2 182~2 189 Ma(待發(fā)表)、鋯石陰極發(fā)光圖像特征及Th/U值,通過綜合對比研究區(qū)內(nèi)里爾峪巖組變沉積巖中碎屑鋯石可以顯示:加權(quán)年齡值為(2 054±16)Ma(MSWD=9.0) 這一組年齡及~2 030 Ma、~2 076 Ma兩組次峰值均來自振蕩環(huán)帶較好的巖漿鋯石,可以很好的代表了其沉積下限,同時(shí)也顯示該區(qū)內(nèi)在2 000~2 100 Ma可能還存在一起中酸性巖漿活動(dòng);加權(quán)年齡值為(2 182.3±3)Ma(MSWD=0.97) 這一組年齡及~2 182 Ma主峰年齡也均來自振蕩環(huán)帶較好的巖漿鋯石,與早期遼吉花崗巖巖漿結(jié)晶鋯石U-Pb年齡一致,認(rèn)為遼吉花崗巖為里爾峪巖組提供了主要的物來源;加權(quán)年齡值為(2 511.8±8.1)Ma(MSWD=0.58)及~2 511 Ma這一組主峰值及次峰值2 698 Ma、2 731 Ma、2 796 Ma和3 537 Ma與北側(cè)龍崗地塊的古老變質(zhì)基底年齡值接近,說明部分物源則可能來源于北側(cè)龍崗地塊的古老變質(zhì)基底,與前人在鄰區(qū)的研究結(jié)論相吻合。
另外,這3件樣品中均存在具有高U(172.8×10-6~2 114×10-6)、低Th( 7.7×10-6~165×10-6)和低Th/U(0.02~0.1) 等典型變質(zhì)成因特點(diǎn)(DUBI-SKA et al.,2004;TOMASCHEK et al.,2003)的諧和鋯石年齡(1 837~1 946Ma),其(1 880.5±5.4)Ma(MSWD=1.4),峰期年齡為~1 900 Ma(圖5)。結(jié)合前人研究成果,表明該區(qū)里爾峪巖組的峰期變質(zhì)作用應(yīng)發(fā)生在~1 900 Ma,而~1.95 Ga和~1.8 4Ga的變質(zhì)鋯石年齡可能分別代表了里爾峪巖組變質(zhì)作用起始和結(jié)束的時(shí)間(LUO et al.,2004,2008;LU et al.,2006;LI et al.,2007),因而該區(qū)里爾峪巖組的沉積作用最晚應(yīng)結(jié)束于~1 946 Ma。此外,分析結(jié)果顯示樣品中最小巖漿成因鋯石年齡峰期為~2 030Ma(圖5b),這與前人對南、北遼河群最早沉積年齡的研究結(jié)果高度吻合(LUO et al., 2004,2008;LU et al.,2006;楊崇輝等,2017)。因此,筆者認(rèn)為遼東黃花甸—蘇子溝地區(qū)里爾峪巖組的原巖形成時(shí)代應(yīng)為~2 030Ma之后,變質(zhì)作用峰期年齡為~1 880 Ma,其沉積作用應(yīng)發(fā)生于2 030~1 946 Ma。
根據(jù)遼東黃花甸—蘇子溝地區(qū)南遼河巖群里爾峪巖組透閃斜長變粒巖、電氣黑云二長變粒巖和黑云斜長變粒巖3個(gè)樣品鋯石U-Pb定年分析結(jié)果,結(jié)合前人研究成果,得出如下結(jié)論。
(1)研究區(qū)南遼河巖里爾峪巖組的3件樣品鋯石U-Pb年齡結(jié)果顯示其原巖形成時(shí)代應(yīng)晚于~2 030 Ma,其沉積作用應(yīng)發(fā)生于2 030~1 946 Ma;峰期變質(zhì)作用年齡為~1 900 Ma,變質(zhì)變形作用應(yīng)發(fā)生于1 837~1 946 Ma。結(jié)合近些年的科研成果,說明遼河巖群最早開始于2 190 Ma,結(jié)束于1 946 Ma,前期以強(qiáng)烈的火山活動(dòng)為主,隨著火山活動(dòng)的減弱,在2 030 Ma以后開始接受大規(guī)模沉積作用,直到1 946 Ma沉積作用結(jié)束,反映遼河巖群的形成時(shí)間至少持續(xù)了244 Ma,沉積作用至少持續(xù)了84 Ma。
圖5 (a)里爾峪巖組變沉積巖碎屑鋯石U-Pb年齡諧和圖和(b)頻率直方圖Fig.5 (a)U-Pb ages concordia plotsand (b)histograms detrital zircons from metasedimentary rocks of the Li’eryu Formation
(2)里爾峪巖組碎屑鋯石的年齡頻譜特征顯示,其沉積物主要來源于膠-遼-吉活動(dòng)帶內(nèi)2 000~2 200 Ma的中酸性巖漿巖、遼吉花崗巖及遼河巖群火山巖,少部分來自北側(cè)龍崗地塊的太古宙結(jié)晶基底。膠-遼-吉活動(dòng)帶至少還存在一期2 000~2 100 Ma的中酸性巖漿活動(dòng)。
(3)本次研究成果為該區(qū)開展的1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作提供了可靠的年代學(xué)資料,為膠-遼-吉古元古代造山/活動(dòng)帶的成因機(jī)制及其形成的大地構(gòu)造背景研究提供可靠的基礎(chǔ)資料。
致謝:感謝河北省廊坊區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院實(shí)驗(yàn)室在鋯石分選中給與的幫助; 同時(shí)感謝北京科薈測試技術(shù)有限公司在鋯石La-ICP-MS U-Pb 及其痕量元素測試分析中給與的大力幫助; 感謝劉錦、豆世勇、董洋等項(xiàng)目組成員在工作中給予的支持。審稿專家也提出了許多修改建議,在此一并表示衷心的感謝。