遼北清原地區(qū)紅透山組斜長角閃巖地球化學(xué)特征及成因

楊新宇

遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110031

0 引言

中國早前寒武紀(jì)綠巖帶主要分布在華北克拉通的北緣、西南緣、東部及板塊內(nèi)部的五臺山—恒山等地[1]。前寒武綠巖帶是太古宙地殼的主要物質(zhì)組成，反映了前寒武紀(jì)大陸地殼形成和發(fā)展所特有的火山作用、沉積作用。綠巖帶中的變質(zhì)基性巖的成因和構(gòu)造環(huán)境可以為早期地殼增生及演化機(jī)制提供重要信息。隨著太古宙晚期華北克拉通是否存在與現(xiàn)代板塊構(gòu)造類似的碰撞拼合作用這一前沿科學(xué)問題研究的不斷深入，許多學(xué)者將太古宙TTG片麻巖、殼源花崗巖和表殼巖作為解決華北克拉通太古宙地質(zhì)問題的窗口[2-4]。遼北清原花崗巖-綠巖區(qū)作為華北克拉通北緣重要的太古宙基底出露區(qū)，由60%的花崗質(zhì)巖石和40%的表殼巖組成。以往的研究工作中，系統(tǒng)的地球化學(xué)和同位素年代學(xué)研究主要集中于晚太古代花崗巖，對于綠巖帶地層中變質(zhì)基性巖(斜長角閃巖)的研究相對薄弱[5-7]。對于該階段構(gòu)造熱事件的成因機(jī)制尚存在島弧巖漿作用模式[8-10]和地幔柱或板底墊托(巖漿底侵)模式之爭[3,11]。因此本文以遼北清原地區(qū)紅透山組中斜長角閃巖為研究對象，通過巖石學(xué)、礦物學(xué)、巖石地球化學(xué)等系統(tǒng)研究，進(jìn)行原巖恢復(fù)，試圖解決其形成過程，進(jìn)一步探討同時期地質(zhì)演化背景，進(jìn)而為新太古代華北克拉通早期地殼演化機(jī)制的研究提供地球化學(xué)方面的制約條件。

1 地質(zhì)背景

清原地區(qū)位于華北克拉通東北緣，隸屬遼北—龍崗陸塊，是遼北花崗巖-綠巖地體的重要組成部分。研究區(qū)主要由晚太古代TTG花崗質(zhì)片麻巖、晚太古代花崗巖和變質(zhì)表殼巖(紅透山組和井家溝組)組成(圖1)，印支期和燕山期花崗巖主要在研究區(qū)北部分布，在研究區(qū)南部的清原縣—北三家鎮(zhèn)斷陷盆地內(nèi)沉積有中—新生代地層。研究區(qū)TTG片麻巖廣泛分布，比例在60%以上，紅透山組主要分布于紅透山—樹基溝—夏家堡一帶，井家溝主要分布于井家溝至線金廠一帶(圖1)。前人研究表明清原地區(qū)太古宙TTG片麻巖侵位于2.56～2.53 Ga，太古宙表殼巖形成于2.56～2.51 Ga，太古宙花崗巖侵位于2.51～2.50 Ga[5]。

圖1 遼北清原地區(qū)地質(zhì)略圖Fig.1 Geological sketch map of Qingyuan area, Northern Liaoning Province1.晚太古代TTG片麻巖；2.晚太古代花崗巖；3.古生代花崗巖；4.中生代花崗巖；5.紅透山組；6.井家溝組；7.中生界；8.新生界；9.一般地質(zhì)界線；10.斷層；11.采樣點(diǎn)

2 樣品描述

由于后期太古宙TTG巖漿的侵位，變質(zhì)表殼巖整體被穿插破壞，呈大小不等的長條狀或不規(guī)則狀分布在同構(gòu)造期的TTG花崗巖類內(nèi)(圖1)。紅透山組主體巖石由斜長角閃巖、角閃變粒巖、黑云變粒巖組成，以斜長角閃巖出露面積最大，延伸最為穩(wěn)定。本次采集的斜長角閃巖樣品風(fēng)化面成灰黑色，粒狀柱狀變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造。主要礦物為角閃石和斜長石，部分樣品含少量石英。其中斜長石呈不規(guī)則粒狀，定向排列，粒度在0.2～1.0 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為35%，個別可見聚片雙晶；角閃石呈不規(guī)則粒狀，定向排列，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為65%(圖2)。副礦物為磷灰石、榍石和綠簾石，巖石常出現(xiàn)絹云母化、綠簾石化和綠泥石化。

圖2 清原地區(qū)斜長角閃巖野外照片和顯微鏡下照片(正交偏光)Fig.2 Field photos and microscope photos of plagioclase amphibolite in Qingyuan area (crossed polarized light)a.斜長角閃巖片麻理；b.斜長角閃巖正交偏光鏡下照片；Pl.斜長石；Hb.角閃石

3 樣品測試

本次測試了5件斜長角閃巖樣品的巖石主化學(xué)成分、稀土元素及微量元素，樣品的分析測試由國土資源部沈陽礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成。主量元素使用X射線熒光光譜儀(XRF-1500)完成分析測試。微量元素、稀土元素分析使用等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)ElementⅡ測試完成。分析精度為：當(dāng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10×10-6的誤差小于5%，小于10×10-6的誤差小于10%。

4 巖石地球化學(xué)特征

4.1 主量元素

5件樣品的分析測試結(jié)果見表1。斜長角閃巖SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為47.22%～53.02%，屬基性巖范疇；TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于0.48%～0.82%；Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍15.21 %～16.25%；CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.63%～11.68%；Na2O>K2O，兩者質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別介于1.74%～3.16%、0.59%～1.08%；MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.94%～8.44%，CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高與巖石礦物中角閃石含量較多的特征相符；Mg#值變化范圍46.00～54.15，低于原生玄武質(zhì)巖漿范圍(Mg#=68～75)，說明斜長角閃巖的原巖并不是原生玄武質(zhì)巖漿結(jié)晶的產(chǎn)物，這可能與巖漿中的鐵鎂質(zhì)礦物的分離結(jié)晶作用有關(guān)。巖石全堿(ALK)變化范圍2.68%～5.03%，K2O/Na2O=0.36～0.85，表明巖體較富鈉；堿度(δ)平均值為1.17，顯示為鈣堿性巖；A/CNK=0.67～0.80，平均值為0.71，屬準(zhǔn)鋁質(zhì)巖石。

4.2 微量元素

5件斜長角閃巖樣品ΣREE質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，變化范圍(68.78～ 102.69)×10-6，LREE質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍(60.37～89.66)×10-6，HREE質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍(8.41～13.03)×10-6，LREE/HREE介于6.71 ～ 7.25，稀土分餾參數(shù)(La /Yb)N=7.33～9.72，平均值8.22，說明樣品輕稀土相對富集且輕重稀土分餾較明顯。球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化REE配分模式圖(圖3a)顯示富集輕稀土元素。 (LREE)的右傾型配分模式。δEu值為0.91～1.06，無明顯的Eu異常或稍顯Eu異常，表明斜長角閃巖的原巖沒有經(jīng)歷明顯的分異作用。δCe為0.78～0.95，Ce異常較弱或稍顯負(fù)異常。斜長角閃巖樣品中微量元素中Cr、Ba、Sr的含量較高，而Nb、Ta、Ti的含量較低，各元素之間差距較大(表1)。從原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖中可以看出(圖3b)，微量元素中較富集K、Rb、Ba等大離子親石元素(LILE)，虧損Ti、Nd、Ta等高場強(qiáng)元素。微量元素中Nb、Ta相對虧損，是島弧火山巖的明顯特征[12]。通常島弧火山巖是由洋殼俯沖脫水產(chǎn)生的流體交代地幔楔使之部分熔融產(chǎn)生巖漿而形成。而這種富水的流體虧損高場強(qiáng)元素，且這些流體分配系數(shù)小，因此就會出現(xiàn)Nb、Ta虧損的現(xiàn)象。

圖3 清原地區(qū)斜長角閃巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式圖(a)和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(b)Fig.3 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized cobweb map (b) of plagioclase amphibolite in Qingyuan area

表1 斜長角閃巖化學(xué)成分測試結(jié)果

5 原巖恢復(fù)

在Si-Mg 圖解和在(al+fm)-(c+alk)-Si圖解中(圖4)，樣品全部落在火成巖區(qū)域，說明樣品為正變質(zhì)巖，火山成因?？紤]到變質(zhì)過程中的蝕變，后期元素可能發(fā)生遷移，利用SiO2-Nb/Y進(jìn)行投圖，樣品全部落入亞堿性系列區(qū)域(圖5a)。在對樣品進(jìn)行拉斑玄武巖系列和鈣堿系列區(qū)分時采用Zr-Y圖解(圖5b)，5個樣品均落入拉斑玄武巖區(qū)域內(nèi)，樣品的 Nb /Y 值為0.36～0.56，均<0.7，進(jìn)一步證明其原巖巖性為拉斑玄武巖[13]。綜上所述，清原地區(qū)斜長角閃巖為正變質(zhì)巖，火山成因，原巖屬于拉斑玄武巖系列。

圖4 清原地區(qū)斜長角閃巖Si-Mg(a)和(al+fm)-(c+alk)-Si(b)圖解Fig.4 Diagrams of Si-Mg (a) and (al+fm)-(c+alk)-Si (b) for plagioclase amphibolite in Qingyuan area

圖5 清原地區(qū)斜長角閃巖SiO2-Nb/Y(a)和Zr-Y(b)圖解Fig.5 Diagrams of SiO2 -Nb/Y(a) and Zr-Y(b) for plagioclase amphibolite in Qingyuan area

6 巖石成因

斜長角閃巖的樣品具有較低的Mg#值，說明斜長角閃巖的原巖并非原生玄武質(zhì)巖漿結(jié)晶的產(chǎn)物，可能與鐵鎂質(zhì)礦物分離結(jié)晶有關(guān)，微量元素中較低的Cr和Ni的含量也證實了這一點(diǎn)，表明清原地區(qū)斜長角閃巖原巖經(jīng)歷了廣泛的鐵鎂質(zhì)礦物(橄欖石、單斜輝石等)的結(jié)晶分異作用。樣品具有較高的CaO含量和沒有明顯的負(fù)Eu異常，說明巖漿沒有經(jīng)歷過明顯的斜長石分離結(jié)晶過程。通常大陸地殼物質(zhì)的混染會使巖漿中Th的含量明顯升高，在微量元素蛛網(wǎng)圖解上(圖3)Th沒有明顯的正異常，說明斜長角閃巖的原巖未發(fā)生明顯陸殼物質(zhì)的同化混染作用或受陸殼物質(zhì)混染程度較低。斜長角閃巖原巖為拉斑玄武巖系列，來自于地幔原區(qū)。樣品輕微虧損Zr和Hf虧損，與俯沖帶玄武巖地球化學(xué)特征相似[14]，顯示斜長角閃巖原巖受到了一定的流體交代作用。以上特征表明斜長角閃巖原巖可能來自于與俯沖相關(guān)流體交代的幔源。

7 構(gòu)造環(huán)境分析

斜長角閃巖樣品相對富集大離子親石元素和輕稀土元素，并且具有Ti、Nd、Ta虧損，顯示出其原巖具有消減帶巖漿的特征，Ti、Nd、Ta虧損是島弧構(gòu)造環(huán)境的重要標(biāo)志。在Zr/Y-Zr 圖解(圖6a)中，樣品主要落在了島弧玄武巖區(qū)域。島弧玄武巖往往都具有較低的Nb、Ta 含量和較高的La /Nb比值， Zr含量和Zr /Y 均較低，分別<130×10-6和4，本區(qū)斜長角閃巖中Zr和Zr /Y平均值分別為36.84×10-6和2.13，具有島弧玄武巖的特征。在Hf-Rb/3-3Ta圖解(圖6b)中，樣品均落在了島弧拉斑玄武巖區(qū)域內(nèi)，進(jìn)一步說明斜長角閃巖形成于島弧環(huán)境。

圖6 清原地區(qū)斜長角閃巖Zr/Y-Zr(a)和Rb/30-Hf-3Ta(b)圖解Fig.6 Diagrams of Zr/Y-Zr (a) and Rb/30-Hf-3Ta (b) for plagioclase amphibolite in Qingyuan areaIAB.火山弧玄武巖；MORB.洋中脊玄武巖；WPB.板內(nèi)玄武巖；N-MORB.正常型洋中脊玄武巖；E-MORB.異常型洋中脊玄武巖；CAB.鈣堿性玄武巖；WPB.板內(nèi)玄武巖；IAT.島弧拉斑玄武巖

前人的研究認(rèn)為華北克拉通可能存在新太古代吉—遼—冀弧陸碰撞增生造山帶，與現(xiàn)代板塊運(yùn)動類似的構(gòu)造體制在太古宙晚期階段已起作用[2]。清原地區(qū)紅透山組變質(zhì)表殼巖原巖以玄武質(zhì)、安山質(zhì)、英安質(zhì)等火山(沉積)巖為主，加上少量超基性巖和不同成熟度的陸源碎屑沉積巖，巖石組合和地球化學(xué)組成特征與島弧系統(tǒng)十分類似。區(qū)域上大面積分布的TTG花崗質(zhì)巖石形成也與洋殼俯沖有關(guān)，為陸殼物質(zhì)部分熔融產(chǎn)物，形成于弧陸碰撞或甚至陸陸碰撞[15]。區(qū)域上晚太古代表殼巖系和TTG花崗質(zhì)巖石共同構(gòu)成島弧系統(tǒng)的不同組成部分。

本次的研究進(jìn)一步論證了紅透山組中斜長角閃巖形成于島弧構(gòu)造環(huán)境，原巖可能來自于與俯沖相關(guān)流體交代的幔源。以上這些證據(jù)都顯示，遼北清原地區(qū)的早前寒武紀(jì)基底形成于俯沖相關(guān)的構(gòu)造環(huán)境，為華北克拉通新太古代吉—遼—冀弧陸碰撞增生造山帶的重要組成部分。

8 結(jié)論

(1)巖石學(xué)和地球化學(xué)特征表明，清原地區(qū)斜長角閃巖為正變質(zhì)巖，火山成因，原巖屬拉斑玄武巖系列。

(2) 清原地區(qū)紅透山組斜長角閃巖原巖在形成過程中沒有受到或略微受到大陸地殼物質(zhì)的混染，其巖漿源區(qū)經(jīng)受了俯沖相關(guān)流體的交代作用。

(3)清原地區(qū)斜長角閃巖形成于島弧環(huán)境，遼北清原地區(qū)為華北克拉通新太古代吉—遼—冀弧陸碰撞增生造山帶的重要組成部分。