遼北西豐地區(qū)晚侏羅世營(yíng)廠巖體LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡及巖石地球化學(xué)特征

彭游博，劉文彬，趙軍，姚玉健，劉錦，梁斯文

(1.遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110031;2.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130061)

0 引言

遼北西豐地區(qū)處于華北陸塊北緣，興蒙造山帶東段，中生代開始進(jìn)入太平洋邊緣活動(dòng)帶發(fā)展階段，主要受太平洋板塊向歐亞板塊俯沖作用影響。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)該區(qū)三疊紀(jì)前的大地構(gòu)造背景頗有爭(zhēng)議，而對(duì)中生代后期巖漿構(gòu)造運(yùn)動(dòng)研究資料較少[1-4]。研究區(qū)在燕山期構(gòu)造作用下發(fā)生強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)，主要分布有晚二疊世以來的各時(shí)期侵入巖，尤以侏羅紀(jì)巖漿活動(dòng)最為強(qiáng)烈，發(fā)育了晚侏羅世火山沉積盆地，構(gòu)造活動(dòng)以印支期、燕山期為主。在1∶5萬(wàn)房木鎮(zhèn)等4幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目填圖過程中①，新厘定出沙河斷裂與寇河斷裂之間的一條構(gòu)造混雜巖帶，即“清河構(gòu)造混雜巖帶”。清河構(gòu)造混雜巖帶內(nèi)中生代以前地質(zhì)體均呈構(gòu)造巖片形式產(chǎn)出，既有華北陸塊太古宙結(jié)晶基底及中元古代蓋層，又有陸緣活動(dòng)帶火山島弧與弧后盆地沉積物。上述地質(zhì)體的分布受控于近平行的沙河斷裂、清河斷裂以及寇河斷裂，被中生代侵入巖焊接在一起(圖1)。本次研究，在詳細(xì)的野外地質(zhì)填圖基礎(chǔ)上，將重點(diǎn)研究營(yíng)廠巖體的巖石特征、地球化學(xué)特征、鋯石U-Pb年齡，以期探討侵入巖的構(gòu)造背景[5]及形成機(jī)制[6]。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)略圖(據(jù)文獻(xiàn)[5]，修編)Fig.1 Geological sketch of the study area

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于華北陸塊北緣東段西豐晚古生代巖漿弧上，地層主要為新太古界紅透山巖組、中元古界樹芽屯群石門巖組、晚元古界南平巖片、中二疊統(tǒng)照北山巖組、早三疊世尖山子火山巖和下白堊統(tǒng)德仁組。侵入巖劃分為中太古代、新太古代、二疊紀(jì)、三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)6個(gè)時(shí)期，其中以侏羅紀(jì)花崗巖為主。結(jié)合本區(qū)構(gòu)造背景，可以總結(jié)出新太古代及之前該區(qū)為華北板塊結(jié)晶基底形成階段，發(fā)育深層次韌性變形；中元古代形成汎河裂陷槽；古生代總體處于隆起狀態(tài)；古生代末—中生代初，研究區(qū)發(fā)生弧陸碰撞，形成近于平行的沙河斷裂、清河斷裂及寇河斷裂，控制了巖漿火山活動(dòng)的發(fā)生。侏羅紀(jì)以后該區(qū)屬于太平洋構(gòu)造域，以發(fā)育NW向、NE向、NNE向構(gòu)造為主；第四紀(jì)以來，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為差異性升降。從構(gòu)造層次來講，既發(fā)育有深層次韌性變形，也有中-淺層次韌脆性變形，構(gòu)造樣式復(fù)雜多樣[7]。

研究區(qū)侏羅紀(jì)侵入巖主要有早侏羅世雙嶺巖體，中侏羅世八棵樹巖體、大三家子巖體、李家臺(tái)巖體、城子山巖體，晚侏羅世營(yíng)廠巖體；巖性分別為中細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖、中細(xì)粒輝長(zhǎng)巖、細(xì)粒石英閃長(zhǎng)巖、中細(xì)?；◢忛W長(zhǎng)巖、似斑狀細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖、片麻狀似斑狀二長(zhǎng)花崗巖。營(yíng)廠巖體是本次研究的重點(diǎn)，采集同位素分析樣品1件及配套的稀土、微量、主量元素樣品3件，以開展相關(guān)測(cè)試分析工作。

2 巖石學(xué)特征

營(yíng)廠巖體分布于西豐縣和隆鎮(zhèn)營(yíng)廠一帶，巖性為片麻狀、似斑狀二長(zhǎng)花崗巖，巖體受構(gòu)造控制，呈NW向展布，呈巖基狀。巖石具較大長(zhǎng)石斑晶(圖2a、圖2b)，大部分遭受糜棱巖化，巖石類型較為單一，包體發(fā)育，主要為閃長(zhǎng)質(zhì)。

圖2 營(yíng)廠巖體野外巖貌及顯微照片F(xiàn)ig.2 Field outline and microscopic photo of the plutona、b.野外巖貌；c、d顯微照片Pl.斜長(zhǎng)石；Afs.堿性長(zhǎng)石；Qz.石英

似斑狀二長(zhǎng)花崗巖：中細(xì)粒變余似斑狀、變余半自形粒狀結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造。黑云母葉片狀，定向排列；主要礦物有斜長(zhǎng)石、堿性長(zhǎng)石、石英、黑云母，以及少量不透明礦物。斜長(zhǎng)石為更-中長(zhǎng)石，部分呈變余斑晶形式存在，粒徑為1～4 mm，含量(體積分?jǐn)?shù))約為30%。堿性長(zhǎng)石，半自形板狀，顆粒邊緣細(xì)?；綖?～3 mm，含量(體積分?jǐn)?shù))約為45%。石英，它形粒狀，具定向拉長(zhǎng)，粒徑為0.1～2 mm，含量(體積分?jǐn)?shù))約為20%。黑云母，鱗片狀，片徑為0.2～0.5 mm，含量(體積分?jǐn)?shù))約為4%。其它為不透明礦物(圖2c、圖2d)。副礦物種類主要有鋯石、磷灰石、榍石。

3 地球化學(xué)特征

本次工作采集營(yíng)廠巖體樣品3件，以開展稀土、微量、主(常)量元素的測(cè)試分析工作。巖石樣品化學(xué)分析測(cè)試由國(guó)土資源部沈陽(yáng)礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心完成。

(1)常量元素特征

表1為營(yíng)廠巖體常量元素分析結(jié)果，圖3為巖體的w(K2O)—w(SiO2)和A/NK—A/CNK圖解。

表1 營(yíng)廠巖體常量元素分析結(jié)果Table 1 Major element analysis of the pluton

營(yíng)廠片麻狀、似斑狀二長(zhǎng)花崗巖的里特曼指數(shù)σ平均值為2.15，屬堿鈣系列；鋁質(zhì)指數(shù)A/CNK平均值為1.28，屬過鋁型。在w(K2O)—w(SiO2)圖解(圖3a)中樣品落于高鉀鈣堿性系列，在A/NK—A/CNK圖解(圖3b)中樣品落入鋁質(zhì)區(qū)，綜合來看該巖體屬于過鋁堿鈣性系列巖石。與國(guó)內(nèi)二長(zhǎng)花崗巖相比，具有富硅、鋁及貧鎂、鉀特點(diǎn)。該巖漿分異指數(shù)DI值為89.94，表明巖漿分異程度比較高。

圖3 營(yíng)廠巖體w(K2O)—w(SiO2)圖解(a)和A/NK—A/CNK圖解(b)(a.底圖據(jù)文獻(xiàn)[8]；b.底圖據(jù)文獻(xiàn)[9])Fig.3 w(K2O)—w(SiO2) (a) and A/NK—A/CNK (b) diagram of the pluton

(2)微量元素和稀土元素特征

表2為營(yíng)廠巖體微量元素、稀土元素分析結(jié)果，圖4為巖體的原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖和稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖。

從表2看出，營(yíng)廠巖體的微量元素含量，除Rb、Sr、Ba、Th、Hf含量普遍略高于維氏值之外，其余元素含量均低于維氏值(圖4a)，微量元素背景值低是該巖體的顯著特點(diǎn)。其中，Cr、Ni、Co、V、Rb、Zr、Nb等元素低，反映出巖體為“S”型花崗巖的基本特征。w(Rb)/w(Sr)=0.38，高于地殼值；w(Nb)/w(Ta)=18.26，介于陸殼值和洋殼值之間，w(Ba)/w(Sr)=1.60，w(K)/w(Rb)=249.15，表明該巖體的巖漿來源可能為地殼[12]。

表2 營(yíng)廠巖體微量、稀土元素分析結(jié)果Table 2 Trace element and REE analysis of the pluton

營(yíng)廠巖體的稀土總量平均值w(ΣREE)=82.80×10-6，w(LREE)/w(HREE)=15.76，w(La)N/w(Yb)N=24.32，表明其輕稀土相對(duì)富集，重稀土相對(duì)虧損。w(La)N/w(Sm)N=3.42，w(Gd)N/w(Yb)N=3.45，說明其輕稀土、重稀土分餾相當(dāng)。δEu=0.80，巖體銪輕微虧損，其成因與板塊運(yùn)動(dòng)或者是下地殼及部分太古宙沉積巖熔融形成的；w(Sm)/w(Nd)=0.20，也顯示出具有殼源性質(zhì)。稀土配分曲線右傾(圖4b)，為銪弱負(fù)異常的輕稀土富重稀土虧損集型。

圖4 營(yíng)廠巖體原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(a)和稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖(b)(a.底圖據(jù)文獻(xiàn)[10]；b.底圖據(jù)文獻(xiàn)[11])Fig.4 Primitive mantle-normalized trace element spider diagram (a) and chondrite-normalized REE pattern of the pluton

4 LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素測(cè)定

(1)樣品采集處理及分析方法

本次工作采集營(yíng)廠巖體同位素樣品1件，用于LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素測(cè)定。原樣品(RZ27)為片麻狀、似斑狀中細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖，采樣位置見圖1，其地理坐標(biāo)為北緯42°25′04″、東經(jīng)124°57′25″。

巖石的破碎和鋯石單礦物的分選由河北省廊坊市區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究所地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室完成，鋯石樣品靶制備和陰極發(fā)光圖像的拍攝由南京宏創(chuàng)地質(zhì)勘查技術(shù)服務(wù)有限公司完成，LA-ICP-MS鋯石U-Th-Pb同位素分析在北京燕都中實(shí)有限公司完成。

U-Th-Pb同位素測(cè)定中采用標(biāo)準(zhǔn)鋯石GJ-1為外標(biāo)，以此進(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(duì)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。標(biāo)準(zhǔn)鋯石GJ-1的U-Th-Pb 同位素比值推薦值據(jù)Wiedenbeck等[13]。鋯石U-Pb諧和圖繪制和權(quán)重平均計(jì)算均采用Isoplot/Ex_ver3[14]完成。

(2)鋯石特征

鋯石黃粉色，自形—半自形柱狀、斷柱狀，晶體裂紋較發(fā)育，部分易碎，表面常見凹坑溝槽等溶蝕痕跡，有鐵染，晶棱晶錐略顯鈍化，可見錐柱不對(duì)稱歪晶。鋯石弱金剛光澤，透明，常見黑色固相包體，長(zhǎng)短軸比值1.3～3.5主、3.5～6.5少，鋯石晶形由(100)、(110)、(111)、(131)、(311)組成。整體上，鋯石顏色單一，晶群集中，改造程度相近為同源產(chǎn)物。

(3)陰極發(fā)光圖像及數(shù)據(jù)分析

圖5為營(yíng)廠巖體鋯石樣品的陰極發(fā)光圖像。從圖5中可以看出，鋯石均具有典型的核幔結(jié)構(gòu)。本樣品鋯石的內(nèi)核形態(tài)大部分規(guī)則，少數(shù)不規(guī)則，大都具較清晰的巖漿環(huán)帶，為巖漿成因鋯石。

圖5 營(yíng)廠巖體鋯石CL圖像、測(cè)點(diǎn)編號(hào)及207Pb/206Pb年齡圖Fig.5 The CL image of zircon from the pluton with sampling point number and 207Pb/206Pb age-dating diagram

本次鋯石U-Pb測(cè)年工作，測(cè)定的是鋯石環(huán)帶邊部，而并沒有選擇鋯石核部代表早期巖漿房中結(jié)晶的產(chǎn)物，或者代表早期巖漿鋯石的殘余，以免對(duì)分析結(jié)果造成影響。

14個(gè)鋯石數(shù)據(jù)點(diǎn)中，w(U)=180.38×10-6～572.39×10-6，w(Th)=82.75×10-6～1114.81×10-6。14個(gè)點(diǎn)中除有1個(gè)點(diǎn)的w(Th)/w(U)值較低外(0.15)，其余測(cè)點(diǎn)的w(Th)/w(U)值均介于0.43～0.81之間，顯示出巖漿鋯石特點(diǎn)(表3)。14個(gè)測(cè)點(diǎn)的206Pb/238U年齡加權(quán)平均值為156.1 Ma±1.5 Ma(MSWD=0.3)，測(cè)點(diǎn)年齡數(shù)據(jù)均靠近諧和線或在諧和線附近很小范圍內(nèi)(圖6)，應(yīng)代表了營(yíng)廠巖體的形成年齡。

圖6 營(yíng)廠巖體U-Pb諧和圖Fig.6 U-Pb concordia diagram of the pluton

表3 RZ27鋯石LA-ICP-MS U-Th-Pb同位素分析數(shù)據(jù)Table 3 LA-ICP-MS and U-Th-Pb analysis of zircon RZ27

5 討論

5.1 成因類型

在1∶25萬(wàn)遼源幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查成果中，營(yíng)廠巖體被認(rèn)為是造山的壓性俯沖同碰撞的Ⅰ型花崗巖②。筆者在基于野外調(diào)查基礎(chǔ)上，結(jié)合室內(nèi)樣品的觀察和測(cè)試工作，認(rèn)為營(yíng)廠似斑狀花崗巖(體)雖受韌性剪切作用，但其巖石化學(xué)特征顯示具有富硅鋁、貧鉀鎂特點(diǎn)，巖石組成礦物主要為斜長(zhǎng)石(更-中長(zhǎng)石)、堿性長(zhǎng)石(條紋長(zhǎng)石)、石英、黑云母，反映巖體為原生巖漿結(jié)晶形成。

營(yíng)廠巖體中的微量元素Cr、Ni、Co、V、Rb、Zr、Nb等含量低，反映出其為“S”型花崗巖的基本特征；巖石屬鉀質(zhì)鈣堿性系列，鋁過飽和類型(圖3)，表明其巖漿來源可能為地殼。營(yíng)廠巖體樣品在w(K2O+Na2O)/w(CaO)—10000w(Ga)/w(Al)圖解中，樣品主要落于Ⅰ&S型區(qū)域內(nèi)(圖7a)；在FAM圖解中，兩個(gè)樣品落于2區(qū)與4區(qū)邊緣，兩個(gè)落于2區(qū)與5區(qū)交界處(圖7b)，屬于“Ⅰ”型活動(dòng)陸緣科迪勒拉型花崗巖和殼源同碰撞澳大利亞二云母堇青石“S”型花崗巖。巖體所體現(xiàn)出的“Ⅰ”型特征，可能是由于混入幔源物質(zhì)造成的。綜上，營(yíng)廠巖體應(yīng)屬于“S”型花崗巖[17-18]。

圖7 營(yíng)廠巖體w(K2O+Na2O)/w(CaO)—10000w(Ga)/w(Al) (a)及FAM圖解(b)(a底圖據(jù)文獻(xiàn)[15]；b底圖據(jù)文獻(xiàn)[16])Fig.7 The diagram of w(K2O+Na2O)/w(CaO)—10000w(Ga)/w(Al) (a) and FAM (b) of the pluton1.塞浦路斯、阿曼大洋堿性花崗巖(幔源)；2.Ⅰ型科迪勒拉花崗巖(活動(dòng)陸緣)；3.Ⅰ型加里東花崗巖(碰撞隆起)；4.澳大利亞二云母堇青石S型花崗巖(殼源同碰撞)；5.澳大利亞東南褶皺帶造山后A型花崗巖；6.尼日利亞非造山A型花崗巖

5.2 構(gòu)造背景

前文已述及，注釋②認(rèn)為營(yíng)廠巖體是造山的壓性俯沖同碰撞的I型花崗巖。本次研究所采巖樣微量稀土元素分析工作表明，在Rb-Y+Nb圖解(圖8a)、w(Ta)—w(Yb)圖解(圖8b)上，營(yíng)廠巖體樣品全部落于火山弧花崗巖區(qū)域。其表明形成的大地構(gòu)造位置可能處在洋殼與陸殼過渡的火山島弧區(qū)域，指示其形成于俯沖擠壓下的大陸邊緣弧環(huán)境。巖體后期的韌性變形與“清河構(gòu)造混雜巖帶”構(gòu)造方向一致，說明其與清河斷裂作用有關(guān)。

圖8 營(yíng)廠巖體w(Y+Nb)—w(Rb)和w(Yb)—w(Ta)圖解(a、b底圖據(jù)文獻(xiàn)[19])Fig.8 w(Y+Nb)—w(Rb)—w(Ta) diagram of the pluton

研究區(qū)除營(yíng)廠巖體外，尚有中侏羅世李家臺(tái)巖體(中細(xì)?；◢忛W長(zhǎng)巖)、城子山巖體(似斑狀細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖)。與李家臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖、城子山二長(zhǎng)花崗特征相似[23-24]，營(yíng)廠似斑狀二長(zhǎng)花崗巖也具有較高的SiO2、Al2O3、Sr含量，較低的MgO、Yb、Y含量，富集輕稀土元素，輕微的負(fù)Eu異常(δEu=0.8)，具有典型的埃達(dá)克巖的貧Yb、Y、K富Sr的特征(圖9)。在w(Y)—w(Sr)/w(Y)圖解(圖9a)和w(Yb)N—w(La)N/w(Yb)N圖解(圖9b)上，樣品落入埃達(dá)克巖的范圍內(nèi)；但營(yíng)廠巖體較低的w(MgO)值(0.39%)，這一特征與拆沉下地殼部分熔融產(chǎn)生的埃達(dá)克巖具有較高的w(MgO)特征明顯不同。研究區(qū)和鄰區(qū)并未發(fā)現(xiàn)晚侏羅世的基性巖體，因此，營(yíng)廠似斑狀二長(zhǎng)花崗巖(體)，并非來自同時(shí)期玄武質(zhì)巖漿的分離結(jié)晶[25]。在w(SiO2)—w(MgO)圖解(圖9c)和w(SiO2)—Mg#圖解(圖9d)上，營(yíng)廠巖體樣品落入地殼部分熔融埃達(dá)克巖的范圍內(nèi)，表明其并非源自俯沖過程中洋殼的部分熔融的。綜上所述，營(yíng)廠似斑狀二長(zhǎng)花崗巖(體)最可能的成因機(jī)制為加厚下地殼的部分熔融作用。

圖9 營(yíng)廠巖體埃達(dá)克巖判別圖解(a、b底圖據(jù)文獻(xiàn)[20]；c底圖據(jù)文獻(xiàn)[21]；d底圖據(jù)文獻(xiàn)[22])Fig.9 Discrimination diagram of adakite of the pluton

吳福元等對(duì)華北板塊北緣東段的巖漿活動(dòng)研究[2，26]表明，在侏羅紀(jì)期間古亞洲洋構(gòu)造域的影響已經(jīng)消失[26]，該時(shí)期華北板塊北緣東段處于新的活動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境下，以擠壓構(gòu)造變形為主，并發(fā)生巖石圈增厚。因此，研究區(qū)侏羅紀(jì)(180 Ma—156 Ma)埃達(dá)克巖石形成環(huán)境與加厚下地殼與古太平洋板塊俯沖下的活動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān)。

6 結(jié)語(yǔ)

本次研究結(jié)果表明，營(yíng)廠似斑狀二長(zhǎng)花崗巖的LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為156.1 Ma±1.5 Ma，時(shí)代歸屬于晚侏羅世；似斑狀二長(zhǎng)花崗巖形成于活動(dòng)大陸邊緣碰撞造山演化過程中，屬于“S”型大陸邊緣弧花崗巖；營(yíng)廠巖體具有典型的埃達(dá)克巖的巖石特征，最可能的成因機(jī)制為加厚下地殼的部分熔融。

致謝：中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院趙辰老師參與了本文部分工作。野外工作得到沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心李東濤、遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院關(guān)玉波等領(lǐng)導(dǎo)、吉林大學(xué)劉正宏老師的指導(dǎo)；野外采樣、論文編寫中的數(shù)據(jù)處理工作，得到了遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院同事的協(xié)助；國(guó)土資源部沈陽(yáng)礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心、南京宏創(chuàng)地質(zhì)勘查技術(shù)服務(wù)有限公司，北京燕都中實(shí)公司實(shí)驗(yàn)測(cè)試人員在巖石樣品地球化學(xué)、鋯石測(cè)年數(shù)據(jù)測(cè)試中給予了幫助，作者在此致以誠(chéng)摯感謝。

注釋：

① 遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院. 房木鎮(zhèn)幅、和隆幅、八棵樹幅、大孤家幅1∶5萬(wàn)區(qū)域礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查報(bào)告[R]. 沈陽(yáng):遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院, 2016.

② 吉林省地質(zhì)調(diào)查院. 1∶25萬(wàn)遼源幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告[R]. 長(zhǎng)春:吉林省地質(zhì)調(diào)查院,2004．