遼寧中溝地區(qū)條痕狀花崗巖地球化學(xué)特征、構(gòu)造背景及巖石成因意義

李 研，聶逢君，嚴(yán)兆彬，李宏宇

(1.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，南昌 330013；2.核工業(yè)二四○研究所，沈陽(yáng) 110000)

華北克拉通目前是中國(guó)最老、最大的克拉通。橫旦于秦嶺—大別山造山帶和中亞造山帶之間，巖漿活動(dòng)頻繁，構(gòu)造極其發(fā)育，多年以來(lái)吸引了多數(shù)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究。前人對(duì)華北克拉通東部中生代伸展盆地和變質(zhì)核雜巖等構(gòu)造空間展布特征、巖漿巖時(shí)空遷移規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)研究和綜合解析，并結(jié)合區(qū)域地球物理資料，認(rèn)為華北克拉通巖石圈減薄與克拉通破壞的發(fā)生機(jī)制與過程受到古太平洋板塊俯沖作用的驅(qū)動(dòng)與控制[1-2]；華北克拉通東部中生代大規(guī)模的巖漿活動(dòng)、構(gòu)造變形、成礦作用與古太平洋板塊向歐亞板塊的俯沖作用密切相關(guān)[3-4]；華北克拉通巖石圈減薄與克拉通破壞作用在晚中生代達(dá)到峰期，并導(dǎo)致同時(shí)代大規(guī)模巖漿活動(dòng)的發(fā)生[5]。目前對(duì)于華北克拉通東部晚中生代巖漿巖的成因仍存在不同認(rèn)識(shí)，主要集中在地幔柱成因和加厚或拆沉下地殼的部分熔融的產(chǎn)物[6-7]。通過近些年的研究，在華北克拉通共識(shí)別出三條古元古代造山帶，分別為中部造山帶、膠遼吉帶和孔慈巖帶。對(duì)孔慈巖代和中部造山帶中外學(xué)者已經(jīng)做了詳盡的研究工作[8-10]。但是相比之下，對(duì)古元古代巖石出露較好的膠遼吉帶研究工作則相對(duì)則明顯不足，尤其對(duì)條痕狀花崗巖(主要因具有條帶狀、片麻狀特征)的巖漿物質(zhì)來(lái)源、巖石成因類型及構(gòu)造背景還尚存在爭(zhēng)議[11]。第一種觀點(diǎn)認(rèn)為該條痕狀花崗巖為重熔混合花崗巖，原巖應(yīng)為火山巖和沉積變質(zhì)巖[12-13]；第二種觀點(diǎn)認(rèn)為該花崗巖為A型花崗巖[14-15]，其形成于地殼拉張環(huán)境；第三種觀認(rèn)為條痕狀花崗巖屬于I型花崗巖，巖漿來(lái)源為下地殼的酸性巖漿并且受到地幔基性巖漿混染作用[16]。區(qū)域上，斷裂構(gòu)造發(fā)育，熱液活動(dòng)明顯，鈾礦化顯示良好，鉛鋅、鐵鈷等多金屬礦床豐富，20世紀(jì)90年代時(shí)期前人曾在中溝地區(qū)開展過鈾礦地質(zhì)調(diào)查工作，在條痕狀花崗巖中發(fā)現(xiàn)較多鈾礦化。

而在在早期地質(zhì)發(fā)展過程中，花崗質(zhì)巖石是大陸形成發(fā)展的重要指示劑。然而，關(guān)于華北克拉通膠遼吉造山帶內(nèi)的條痕狀花崗巖的爭(zhēng)議則制約了整個(gè)東北地區(qū)的構(gòu)造演化。其蝕變特征與鈾礦化的富集亦不清楚。鑒于此，選取華北克拉通膠遼吉造山帶內(nèi)的遼寧中溝地區(qū)的條痕狀花崗巖進(jìn)行詳盡的巖相學(xué)、地球化學(xué)、巖石構(gòu)造背景及成因的研究工作，旨在進(jìn)一步深入探討花崗巖的巖石成因、大地構(gòu)造背景及整個(gè)華北克拉通的演化過程。甄別條痕狀花崗巖后生蝕變與鈾礦化的富集關(guān)系。

1 地質(zhì)背景及巖相學(xué)特征

遼寧中溝地區(qū)位于華北克拉通北部，膠遼吉造山帶南緣，所屬盆地為老虎山盆地。出露地層主要為古元古代遼河群，較為較全，韻律明顯，形成一大型沉積旋回，共可分為四個(gè)巖組，主要包括了里爾峪、高家峪、大石橋以及蓋縣組(圖1)。其中的里爾峪組的巖石性質(zhì)主要是鈉長(zhǎng)淺粒巖和有著一定的磁鐵性質(zhì)的淺粒巖，并且在其中還有少量的云母質(zhì)片巖、大理巖等。且此處的巖石變質(zhì)程度較高，因此該處的巖石性質(zhì)多數(shù)為含有硼、鐵、鈾等，被稱為“含硼巖系”，并且鈾的含量也較高，多數(shù)達(dá)到了5.0×10-6。高家峪組主要分為兩段，一段為淺變質(zhì)的泥砂質(zhì)巖，偶見構(gòu)造片理，二段則包含了泥沙質(zhì)巖石、火山沉積巖還有變粒巖。大石橋組的巖性主要是碳酸鹽巖以及變粒巖，而相應(yīng)的其中較為豐富的礦產(chǎn)為鎂礦。大石橋組變化大而快速，區(qū)域內(nèi)既有穩(wěn)定分布的層面，又存在尖滅和中斷。蓋縣組的巖石組成也有著一定的特點(diǎn)，其主要是片巖、變質(zhì)粉砂巖以及其他相關(guān)巖石組成。其原巖表現(xiàn)為:黏土-碎屑巖(局部夾基性火山巖)碳酸鹽-黏土-碎屑沉積巖建造，沉積旋回明顯，并含有疊層石及微體古植物化石(圖1)。侵入巖主要有兩期，分別為晚三疊世和古元古代，其中古元古代侵入巖主要為條痕狀二長(zhǎng)花崗巖，形成于2.2～2.1 Ga[17]，是本次主要研究的巖石，構(gòu)造則為近EW斷裂和NE斷裂，兩組斷裂相交構(gòu)成菱形格狀構(gòu)造格局，其斷裂交匯處亦是鈾礦化集中發(fā)育處，EW向斷裂形成較早，規(guī)模小、構(gòu)造破碎帶內(nèi)見有逆沖擦痕、構(gòu)造角礫，部分?jǐn)嗔驯皇⒚}充填，屬壓扭性(圖2)。

1為第四系；2為下白堊統(tǒng)小嶺組；3為下元古代；4為絹云母片巖；5為正長(zhǎng)花崗巖；6為二長(zhǎng)花崗巖；7為第四系砂礫巖；8為硅化；9為褐鐵礦化；10為產(chǎn)狀

所研究的條痕狀花崗巖位于遼寧中溝地區(qū)。巖石主要為中細(xì)粒黑云二長(zhǎng)花崗巖，礦物成分主要由鉀長(zhǎng)石、石英和斜長(zhǎng)石組成，暗色礦物為黑云母，具中細(xì)粒花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。鉀長(zhǎng)石呈他形板狀，具條紋結(jié)構(gòu)，粒徑為1～4 mm。斜長(zhǎng)石呈半自形柱狀、板狀，聚片雙晶發(fā)育，(010)∧Np′約7°～12°，即An25～28，斜長(zhǎng)石種屬為更長(zhǎng)石，粒徑1～2 mm。石英呈他形粒狀分布于其他礦物粒間，黑云母呈褐色，片狀，一組完全解理，多色性和吸收性顯著，片徑0.3～1 mm。受動(dòng)力變質(zhì)作用，局部產(chǎn)生亞顆粒，形成核幔結(jié)構(gòu)(圖3)。蝕變主要有和鈾礦相關(guān)的幾種類型，主要包括了以下幾種，分別為黃鐵礦化、黏土化、絹云母化、綠泥石化、褐鐵礦化、赤鐵礦化(圖4)。綠泥石化可以吸附鈾元素，為鈾元素的富集提供了空間；水云母化則形成了鈾元素轉(zhuǎn)移的通道；相應(yīng)的黃鐵礦變化更是和鈾礦化有著極大的聯(lián)系。而這些巖石主要是由于相應(yīng)的熱液蝕變形成的，其中更是有著極多的含水礦物以及硫化物，鈾則在其裂隙中可見，并且被其中的黏土礦物吸附，而巖石本身的抗壓性隨著降低，其中的孔隙也會(huì)增大，于是就對(duì)鈾礦形成產(chǎn)生了有利條件，并且伴隨著蝕變的不斷增強(qiáng)，鈾礦化也隨之提高。

Q為石英；2為Pl-斜長(zhǎng)石；3為Kfs-鉀長(zhǎng)石；Bi為黑云母

圖4 遼寧中溝地區(qū)花崗巖野外蝕變照片

2 樣品采集與分析方法

在具有代表性的條痕狀花崗巖樣品10件，樣品分析測(cè)試由核工業(yè)二四○研究所完成。樣品分析及測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 花崗巖地球化學(xué)分析結(jié)果

3 分析測(cè)試結(jié)果

遼寧中溝地區(qū)條痕狀花崗巖主要為二長(zhǎng)花崗巖，巖石中可見鈣質(zhì)和鎂鐵質(zhì)角閃石，副礦物為榍石、鋯石和磁鐵礦。屬于高鉀鈣堿性-鈣堿性巖漿系列，A/CNK介于1.09～1.67之間，A/NK變化于1.11～2.18之間[圖5(a)]，為弱過鋁質(zhì)-過鋁質(zhì)巖石[圖5(b)]。SiO2含量介于61.91～77.48、富堿(Na2O+K2O=1.78～8.58)、高鋁(Al2O3=11.57%～19.30%)、低鎂鈣(MgO=0.07%～2.79%、CaO=0.19%～2.70%)的特征。稀土總量相對(duì)較高(ΣREE=109.72×10-6～320.27×10-6)、輕稀土分餾系數(shù)(La/Sm)N=2.86～10.91，重稀土分餾系數(shù)(Gd/Yb)N=0.59～7.97，Eu為中等負(fù)異常(δEu=0.18～0.75)，具有殼源巖漿特點(diǎn)(圖6)，與東北地區(qū)I型花崗巖特征較為相似[18-21]。

圖5 中溝地區(qū)花崗巖主量元素圖解

圖6 中溝地區(qū)花崗巖稀土元素分布圖

4 討論

4.1 條痕狀花崗巖成因類型

花崗巖是研究造山帶的重要組成部分，其巖石成因與演化是揭示地殼形成，生長(zhǎng)作用的重要指示劑。所研究的條痕狀花崗巖為高鉀鈣堿性—鈣堿性系列，A/CNK介于1.09～1.67之間，A/NK變化于1.11～2.18之間，為弱過鋁質(zhì)—過鋁質(zhì)巖石，花崗巖普遍具有高硅、高鋁、富堿、低鎂鈣特征，暗示研究區(qū)花崗巖來(lái)源于殼源巖漿，形成于俯沖帶或者島弧環(huán)境。

前人研究表明，磷灰石在弱過鋁質(zhì)-過鋁質(zhì)花崗質(zhì)巖漿中溶解度很低，在其演化過程中總是優(yōu)先結(jié)晶，而在強(qiáng)過鋁質(zhì)花崗質(zhì)巖漿(A/CNK>2.0)中則主要呈飽和狀態(tài)，并不會(huì)優(yōu)先結(jié)晶，因此S型花崗巖中P2O5隨SiO2增加基本保持不變[22-25]。

巖相學(xué)特征表明其并不含矽線石、堇青石、石榴子石等富鋁礦物，并且在P2O5-SiO2圖解上呈明顯負(fù)相關(guān)，說明并非屬于S型花崗巖類型，而與東北地區(qū)的I型和A型花崗巖較為相似，初步推斷為I型或A型。為了進(jìn)一步確定花崗巖成因類型，對(duì)該區(qū)的花崗質(zhì)巖石分別做了Y-10000Ga/Al[圖7(a)]、Ce-SiO2成因判別圖解[圖7(b)]，在判別圖解上除一個(gè)樣品外，其余條痕狀花崗巖樣品均落入I型以及與高分異的I型花崗巖過渡區(qū)域內(nèi)，認(rèn)為遼寧中溝地區(qū)條痕狀花崗巖應(yīng)為I型花崗巖。

圖7 中溝地區(qū)花崗巖分類圖解

4.2 源區(qū)特征

遼寧中溝地區(qū)條痕狀二長(zhǎng)花崗巖SiO2含量變化較大(SiO2含量介于61.91～77.48之間)，且周圍伴有中基性巖脈，所有條痕狀花崗巖樣品在Harker圖解上具有明顯的線性變化趨勢(shì)(圖8)，暗示源巖在巖漿演化過程中可能存在分離結(jié)晶作用。條痕狀花崗巖中的SiO2與TiO2及P2O5的負(fù)相關(guān)變化規(guī)律[圖8(a)、圖8(f)]，暗示其磷灰石和Fe、Ti等氧化物亦發(fā)生分離結(jié)晶作用；MgO、CaO、Fe2O3隨著SiO2升高而降低表明巖漿很可能經(jīng)歷了角閃石分離結(jié)晶[圖8(b)、圖8(d)、圖8(e)]；而SiO2與Al2O3的負(fù)相關(guān)變化[圖8(c)]規(guī)律及稀土元素中微弱的負(fù)Eu異常，表明源巖在巖漿演化過程中亦經(jīng)歷了斜長(zhǎng)石分離結(jié)晶作用。

圖8 中溝地區(qū)花崗巖Haker圖解

此外，前人通過對(duì)膠遼吉造山帶的條痕狀花崗巖做了Sr-Nd同位素研究工作，其中εNd(t)值變化范圍較大說明其花崗巖可能來(lái)源于基底部分熔融[16]；而年代學(xué)數(shù)據(jù)(2.53～2.78 Ga)也與基底年齡相吻合，也與華北克拉通基底相吻合。因此遼寧中溝地區(qū)的條痕狀二長(zhǎng)花崗巖巖漿應(yīng)該來(lái)源于華北克拉通基底巖石部分熔融形成，并且在上升侵位過程中經(jīng)歷了明顯的分離結(jié)晶作用。

4.3 構(gòu)造環(huán)境

目前關(guān)于華北克拉通膠遼吉造山帶的構(gòu)造背景主要有陸內(nèi)裂谷和陸陸碰撞形成的兩種觀點(diǎn)，本文所研究中溝地區(qū)條痕狀二長(zhǎng)花崗巖在構(gòu)造圖解上全部落入大陸弧花崗巖區(qū)[圖9(a)、(b)]，暗示形成環(huán)境應(yīng)該為大陸弧環(huán)境。該推測(cè)也從以下事件得到證實(shí)。

圖9 中溝地區(qū)花崗巖石構(gòu)造圖解

(1)遼寧中溝地區(qū)花崗巖主要為鈣堿性-高鉀鈣堿性系列，具有高硅、富鉀、的特征，與大陸島弧環(huán)境較為相似。另外前人通過對(duì)帶內(nèi)的多條條痕狀花崗巖進(jìn)行系統(tǒng)研究也具有與遼寧中溝地區(qū)的花崗巖較為相似。盡管部分巖石表現(xiàn)出A型花崗巖特征，但是為巖漿中含較高的硼所致。

(2)在區(qū)域上，亦可見同時(shí)期的變質(zhì)玄武巖，為鈣堿性巖石，具有富集大離子親石元素，虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素的特征，為典型的大陸弧特征，而大陸裂谷形成的玄武巖主要為堿性成因，所以遼寧中溝地區(qū)的條痕狀花崗巖應(yīng)該為大陸島弧成因。

(3)在遼寧地區(qū)有多個(gè)硼-鐵-鈾型礦床，其成因與俯沖的大陸島弧有關(guān)，從而形成富硼的巖系?？v觀全球，幾乎所有的含硼巖系的巖石都是形成于匯聚板塊邊緣的位置，其形成的環(huán)境與俯沖構(gòu)造背景密切相關(guān), 而大陸內(nèi)的裂谷環(huán)境下并不能產(chǎn)生富硼巖漿和硼礦，因此，元古代膠遼吉造山帶的條痕狀花崗巖包括該時(shí)期的基性巖及富硼巖系均形成與俯沖的大陸島弧環(huán)境，而并非裂谷環(huán)境。結(jié)合區(qū)域演化歷史認(rèn)為這些島弧的巖漿主要形成活動(dòng)大陸邊緣環(huán)境，在古元古代時(shí)期，膠-遼-吉造山帶存在向北俯沖的作用。

5 結(jié)論

遼寧中溝地區(qū)條痕狀花崗巖作為研究對(duì)象，通過巖相學(xué)、地球化學(xué)等方面進(jìn)行系統(tǒng)研究，在此基礎(chǔ)上探討了整個(gè)膠遼吉造山帶的巖石成因型、構(gòu)造環(huán)境、巖漿物質(zhì)來(lái)源和地球動(dòng)力學(xué)意義，主要有以下幾方面認(rèn)識(shí)。

(1)遼寧中溝地區(qū)條痕狀花崗巖主要為二長(zhǎng)花崗巖，具有高硅、高鋁、富堿等特征，具有明顯殼源巖漿特點(diǎn)，并且在巖漿演化過程中經(jīng)歷了明顯的分離結(jié)晶作用。

(2)遼寧中溝地區(qū)條痕狀二長(zhǎng)花崗巖形成于活動(dòng)大陸邊緣環(huán)境，具有明顯的俯沖帶巖漿特征。結(jié)合區(qū)域演化歷史認(rèn)為，在古元古代期間，膠遼吉造山帶存在向北俯沖的作用。

(3)條痕狀二長(zhǎng)花崗巖蝕變類型主要有黃鐵礦化、黏土化、綠泥石化、褐鐵礦化、赤鐵礦化、水云母化、絹云母化等，其中綠泥石化可以吸附鈾元素，為鈾元素的富集提供了空間；水云母化則形成了鈾元素轉(zhuǎn)移的通道；黃鐵礦化更是和鈾礦化有著非常密切的聯(lián)系。這些巖石主要是由熱液蝕變形成的，與鈾礦的形成關(guān)系密切。