華北板塊北緣東段庫倫雜巖的發(fā)現(xiàn)及其構造意義

李東濤，劉 錦，陳井勝，趙 辰，李玉超，彭游博，蒯 兵，楊仲杰，劉文彬

1. 中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心（東北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心），遼寧 沈陽 110034；2. 吉林大學地球科學學院，吉林 長春 130021；3. 遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院有限責任公司，遼寧 沈陽 110031

0 引言

華北板塊北緣東段在古生代處于古亞洲洋裂解—擴展—消亡和同華北板塊俯沖—碰撞對接構造演化階段［1］. 華北板塊自中元古代末成為Rodinia 超大陸的一部分，完成第一次陸緣增生過程后，在800～700 Ma，Rodinia 超大陸開始發(fā)生裂解，新的大洋（古亞洲洋）開始形成. 隨著古亞洲洋洋脊的擴張，洋殼向華北板塊俯沖，沿華北板塊北緣（西拉木倫斷裂及其延伸線）形成一條近東西向的古俯沖帶. 從震旦紀末至寒武紀，古亞洲洋處于擴張期，此擴張帶大致沿溫都爾廟—西拉木倫河—磐石—樺甸—龍孟山—海參崴一線延伸，這也是曾經(jīng)浩瀚的古大洋洋殼的殘余分布線.

近10 年來，越來越多數(shù)據(jù)表明古亞洲洋最終沿索倫—西拉木倫—長春—延吉一線閉合，這是一條延長1 500 km 以上的古生代縫合帶，其分割了華北板塊與北部諸多地塊，是匯聚大陸邊緣上巖漿和構造活動最劇烈的構造帶，其形成和演化過程一直是當前地球科學最關注的主題之一［2-9］. 前人研究成果多集中于此帶西部及東段，在此帶東部內(nèi)蒙古與遼寧接觸地區(qū)仍然缺少新的古生代巖石地層記錄與證據(jù)，致使此帶缺少了關鍵的中部連接點.

2010～2012 年和2016～2018 年，筆者通過區(qū)域地質(zhì)調(diào)查分別在內(nèi)蒙古自治區(qū)庫倫旗地區(qū)新發(fā)現(xiàn)了以晚古生代變質(zhì)火山巖為主體的庫倫雜巖，在遼寧省北部法庫方家屯地區(qū)新發(fā)現(xiàn)了早古生代花崗質(zhì)巖體和變質(zhì)火山巖石地層（圖1），并進一步通過巖相學、鋯石UPb 年代學、地球化學以及鋯石原位Hf 同位素的分析研究，對其源區(qū)性質(zhì)及構造背景進行了探討. 華北板塊北緣東段古生界劃分為志留系、泥盆系、石炭系和二疊系，主要分布于研究區(qū)北部內(nèi)蒙古白音花-奈林皋、遼寧阜新北部彰武到法庫一帶. 其受構造斷裂控制，分布不連續(xù)，呈殘片形式存在，局部變質(zhì)變形現(xiàn)象強烈，剖面中多未見頂?shù)? 通過對其巖性、巖相、巖石地球化學及構造研究，表明在華北板塊北緣東段存在著志留紀弧后盆地沉積、泥盆紀島弧沉積、石炭紀裂陷槽沉積及二疊紀島弧沉積（表1），填補了索倫-西拉木倫-長春-延吉古亞洲洋縫合帶中部古生代構造演化證據(jù)重要一環(huán).

表1 內(nèi)蒙古自治區(qū)庫倫旗-遼寧省彰武法庫地區(qū)古生界構造巖石地層單位一覽表Table 1 Paleozoic stratigraphy of Kulun Qi of Inner Mongolia and Faku of Liaoning areas

圖1 研究區(qū)大地構造位置［2］及地質(zhì)略圖Fig. 1 Tectonic location and geological sketch map of the study area

1 中泥盆世庫倫雜巖特征

1.1 庫倫雜巖的宏觀巖石構造特征

中泥盆世庫倫雜巖（D2kl）出露于內(nèi)蒙古庫倫旗北部（圖1），巖石類型主要為青灰色變質(zhì)英安質(zhì)晶屑巖屑凝灰?guī)r、安山巖、灰白色綠簾變質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥巖、灰黑色碳質(zhì)絹云泥質(zhì)板巖等，構造疊置厚度大于233.2 m.由于第四系掩蓋嚴重，僅在庫倫東北部一處淺坑處發(fā)現(xiàn)與中侏羅世二長花崗巖的侵入接觸關系，局部碳酸鹽含量增高，有夕卡巖及銅礦化出現(xiàn)，被中基性脈巖侵入. 雜巖內(nèi)部沉積巖主要為泥巖，反映了較深的水環(huán)境，其內(nèi)夾有變質(zhì)安山巖及凝灰?guī)r，其中凝灰?guī)r多與泥巖互層，形成多個凝灰?guī)r-泥巖-凝灰?guī)r的沉積旋回，表明形成時火山活動的頻發(fā)（圖2）. 庫倫雜巖產(chǎn)狀陡傾，傾角多為70～80°，推測造成此現(xiàn)象的原因為洋殼俯沖過程的掀斜作用，這也與晚志留世華北板塊北緣發(fā)生弧-陸碰撞這一構造背景相吻合. 庫倫雜巖內(nèi)既發(fā)育有中深層次的韌性剪切作用，又有淺層次的脆性破碎，且多發(fā)生綠片巖相變質(zhì)作用. 這些特征均表明了該套地層經(jīng)歷了復雜強烈的構造運動.

代表剖面：通遼市庫倫旗采石場中泥盆世庫侖雜巖剖面（圖2）.

圖2 通遼市庫倫旗采石場泥盆紀庫倫雜巖實測剖面圖Fig. 2 Section of Devonian Kulun complex at the Kulun Qi quarry in Tongliao City

1.2 庫倫雜巖同位素年代學

本研究鋯石U-Pb 同位素測年樣品采自剖面第26層，巖性為灰黑色變質(zhì)英安質(zhì)晶屑巖屑凝灰?guī)r，測試結(jié)果為391.0±3.7 Ma（表2），時代為中泥盆世. 侵入本組硅質(zhì)碳質(zhì)泥巖中的基性巖脈中獲得鋯石U-Pb 同位素測試結(jié)果為255.7±8.7 Ma，時代為晚二疊世. 由于該基性巖脈為后期侵入，故庫倫雜巖形成至少早于晚二疊世. 通過區(qū)域?qū)Ρ龋Y(jié)合同位素測年數(shù)據(jù)將庫倫雜巖形成時代定為中泥盆世（圖3）.

表2 庫倫雜巖中變凝灰?guī)r樣品中鋯石LA-ICP-MS U-Pb 分析結(jié)果Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results of metamorphic tuff samples in Kulun complex

圖3 庫倫雜巖變凝灰?guī)r鋯石U-Pb 年齡諧和圖及加權平均年齡圖Fig. 3 Zircon U-Pb age concordia and weighted average age diagrams of metamorphic tuff in Kulun complex

1.3 庫倫雜巖巖石地球化學反映出的大地構造環(huán)境

庫倫雜巖巖性為泥質(zhì)板巖夾安山巖及凝灰?guī)r，凝灰?guī)r夾層出現(xiàn)頻率較高，說明當時區(qū)內(nèi)泥盆系的形成大地構造環(huán)境為強烈的構造巖漿活動區(qū). 通過對庫倫雜巖泥巖、泥質(zhì)板巖地球化學分析（表3），在形成環(huán)境判別圖上，部分樣品落在火成巖區(qū)及其邊緣，說明庫倫雜巖主要物質(zhì)來源于火山巖區(qū)，使得本組含有豐富的火山物質(zhì). 在log（K2O/N2O）-SiO2圖解（圖4）上，樣品多落入島弧區(qū)，也說明庫倫雜巖主體環(huán)境為島弧相. 在（Fe2O3+MgO）-TiO2圖解（圖5）中，樣品落在大洋島弧及大陸邊緣弧，說明其形成時處于強構造活動階段. 對剖面中采集的安山巖樣品投入Rb-（Y+Nb）圖解（圖6），判別其成因為火山島弧環(huán)境，在La/Yb-Th 圖解（圖7）落在大陸邊緣弧中，F(xiàn)AM 圖解屬鈣堿性系列安山巖. 通過對構造環(huán)境及巖石地球化學圖解分析，認為庫倫雜巖屬火山-沉積巖系，形成于晚期島弧環(huán)境.

表3 庫倫雜巖碎屑巖巖石化學成分Table 3 Petrochemical compositions of clastic rocks in Kulun complex

圖4 庫倫雜巖log（N2O/K2O）-SiO2 圖解（據(jù)文獻［10］）Fig. 4 The log（N2O/K2O）-SiO2 diagram of Kulun complex（After Reference［10］）

圖5 庫倫雜巖形成構造環(huán)境判別圖解（據(jù)文獻［11］）Fig. 5 Tectonic environment discrimination diagram of Kulun complex（After Reference［11］）

圖6 黑云母安山巖構造環(huán)境Rb（-Y+Nb）判別圖（據(jù)文獻［12］）Fig. 6 The Rb（-Y+Nb）diagram of tectonic environment discrimination for biotite andesite（After Reference［12］）

圖7 黑云母安山巖構造環(huán)境La/Yb-Th 判別圖（據(jù)文獻［13］）Fig. 7 The La/Yb vs. Th diagram of tectonic environment discrimination for biotite andesite（After Reference［13］）

2 區(qū)域上與庫倫雜巖相關的巖石地層特征、同位素年齡、地層古生物及大地構造環(huán)境

從研究區(qū)大地構造位置及地質(zhì)略圖（圖1）看，區(qū)域上與庫倫雜巖相關的巖石地層沿東西走向分布，主要有志留系方家屯巖組（S2f）、西別河巖組（S3x），石炭系白家店組（C1b）、酒局子組（C2j），二疊系佟家屯巖組（P1t）、葉茂臺巖組（P2ym）（表1）. 這些巖石地層的巖石學特征、同位素年齡、地層古生物及反映的大地構造環(huán)境，揭示了庫倫雜巖在大地構造演化過程中的特征.

2.1 中志留統(tǒng)方家屯巖組

方家屯巖組主要分布于法庫縣臥牛石鄉(xiāng)孫家屯、西關屯東溝、陳五十屯、公主陵及康平縣鹿場一帶，出露面積約3.23 km2，巖石類型包括透輝透閃片巖、變粒巖、綠簾綠泥片巖，被二疊紀侵入巖侵入. 原巖為一套火山-沉積巖建造，遭受了綠簾-角閃巖相的區(qū)域變質(zhì)作用. 原1 ∶25 萬鐵嶺幅區(qū)調(diào)將該套地層置于佟家屯巖組，本次工作在花崗閃長糜棱巖取得鋯石年齡433.4±4.2 Ma（數(shù)據(jù)另發(fā)），將該套地層置于本研究新建立的志留系中統(tǒng)方家屯巖組?張志斌，等. 遼寧1∶5 萬后新秋、方家屯、獾子洞、雙臺子、葉茂臺、登仕堡子幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告. 2018.. 此巖組多發(fā)生糜棱巖化，糜棱面理產(chǎn)狀為（260～303°）∠（14～50°），線理產(chǎn)狀為（214～230°）∠（4～16°）. 其中花崗閃長質(zhì)糜棱巖、石英閃長質(zhì)糜棱巖、石英閃長質(zhì)超糜棱巖、長英質(zhì)超糜棱巖變形較強，透輝透閃片巖和黑云斜長變粒巖變形較弱. 花崗質(zhì)糜棱巖變形組構較發(fā)育，石英以扁豆狀至拔絲拉長狀變形為主，部分長石拉長呈條紋、條痕狀，部分長石殘斑以脆性變形為主. 透輝透閃片巖硬度較軟，發(fā)育鱗片變晶結(jié)構，鏡下可見白云母，部分透閃石變斑晶變形較強，定向排列.

2.2 上志留統(tǒng)西別河巖組

西別河巖組也為一套火山沉積地層，主要分布于舊廟拉民搞-蘇子溝及上蘇木土等地區(qū)，出露面積約為71.4 km2，為碳酸鹽巖、陸緣碎屑巖及少量火山巖巖石組合，巖石類型包括灰白色大理巖夾斜長角閃巖、二長淺粒巖及石英二云片巖，反映了相對于庫倫雜巖形成較淺的水環(huán)境. 巖層被肉紅色似斑狀堿長花崗巖侵入，頂部與白家店組灰色鈣質(zhì)碳質(zhì)頁巖碎斑巖以斷層接觸. 西別河巖組中火山巖明顯少于庫倫雜巖，說明其形成時火山活動較火山島弧環(huán)境弱. 此外，西別河巖組地層產(chǎn)狀相對于庫倫雜巖較平緩，這些特征表明西別河巖組可能形成于弧后盆地沉積環(huán)境.

近年來的研究表明，在奧陶紀—志留紀期間，華北板塊北緣處于島弧發(fā)育的活動大陸邊緣環(huán)境，如白乃廟島弧帶、包爾漢圖島弧帶等［14-15］. 本區(qū)方家屯巖組及西別河巖組的確立，也證實了該時期島弧發(fā)育的活動大陸邊緣環(huán)境在整個華北板塊北緣普遍存在.

2.3 石巖系—二疊系

早石炭世，受志留紀末—泥盆紀弧-陸碰撞后伸展作用影響，研究區(qū)北部白音花一帶重新拉張形成新的裂陷槽，并廣泛發(fā)育了一套碳酸鹽巖、陸緣碎屑巖建造（白家店巖組），角度不整合覆蓋于上志留統(tǒng)西別河巖組之上. 本次研究在庫倫旗北白家店巖組中發(fā)現(xiàn)了一套早石炭世古生物化石組合，以腕足類、珊瑚為主，包括Dibunophyllum 延限帶（刺毛蟲） 腕足類Linoproductus-Gigantoproductus 組合帶、Schuchertella富集帶、Neuropteris 與Lepidodendron 組合帶，說明本區(qū)早石炭世海水環(huán)境應為淺?！肷詈Ｏ? 晚石炭世，研究區(qū)形成了一套海陸交互相的陸緣碎屑巖為主夾碳酸鹽巖建造（酒局子巖組），見植物化石. 從白家店巖組的淺海相到酒局子巖組的海陸交互相，代表了一個海退過程，也代表著古亞洲洋的萎縮.

至早中二疊世，研究區(qū)東北部又廣泛發(fā)育了一套島弧型火山巖建造（佟家屯巖組、葉茂臺巖組），同時伴隨強烈的巖漿活動，在舊廟-平安地-哈爾套-法庫一帶近東西向分布了大量的二疊紀花崗巖，這都是華北板塊與古亞洲洋拼合板塊碰撞拼合的產(chǎn)物，縫合線位于西拉木倫河一帶. 至此華北板塊北緣完成最后一次增生過程.

3 內(nèi)蒙古庫倫-遼寧彰武、法庫地區(qū)古生代增生型造山帶構造演化

本研究在內(nèi)蒙古庫倫-遼寧彰武、法庫地區(qū)識別出古生代期間的火山-沉積事件及巖漿事件. 結(jié)合前人研究成果，總結(jié)出華北板塊北緣東段古生代增生型造山帶的構造演化過程：

（1）早古生代志留紀以前，在華北板塊北緣顯示出活動大陸邊緣性質(zhì). 其北側(cè)的洋中脊的擴張，導致洋殼板塊向華北板塊之下俯沖，形成了溝-弧-盆系. 志留紀末發(fā)生弧-陸碰撞，完成一次島弧增生過程［16］，并使研究區(qū)地殼在泥盆紀抬升為陸，同時伴隨有強烈的巖漿活動及變質(zhì)變形作用發(fā)生.

華北板塊北緣志留紀巖漿巖巖石組合及地球化學特征顯示出島弧巖帶特征［16］，泥盆紀巖漿巖巖石組合及地球化學特征顯示出伸展背景的巖漿作用特征. 早古生代期間，在華北板塊北側(cè)發(fā)育了白乃廟島弧巖帶，該巖帶開始于早奧陶世（約475 Ma），結(jié)束于晚志留世（約420 Ma）. 志留紀末期，白乃廟島弧與華北克拉通北緣發(fā)生弧-陸碰撞，白乃廟島弧增生拼貼在華北克拉通北緣之上［17］. 泥盆紀期間，華北板塊北緣進入弧-陸碰撞后伸展階段［18-23］. 華北板塊北緣石炭系的形成可能與此次弧-陸碰撞后的伸展背景有關. 但在東段沒有發(fā)現(xiàn)早奧陶世至晚志留世的侵入巖漿行動. 本研究在法庫地區(qū)獲得早志留世花崗閃長巖鋯石U-Pb 年齡437.1±3.4 Ma，填補了此段侵入巖記錄的空白，也說明在此地區(qū)也存在同白乃廟島弧巖帶時間上大致相近的島弧巖漿巖帶. 該期侵入巖主要分布在葉家溝-大辛屯-姜家溝-小辛屯一帶，在高馬堡一帶零星產(chǎn)出，多呈不規(guī)則、橢圓狀，出露面積29.54 km2. 主要巖石類型為片麻狀花崗閃長巖、糜棱巖化花崗閃長巖、糜棱巖化黑云母花崗閃長巖，巖石后期發(fā)生動力變質(zhì)作用，變形強烈.

研究區(qū)內(nèi)雖未見有與此次弧-陸碰撞有關的泥盆紀巖漿活動，但晚志留世西別河巖組與早石炭世白家店巖組之間的角度不整合可能與這一弧-陸碰撞過程有關.

（2）從石炭紀開始，在華北板塊北緣形成新的裂陷槽，形成了白家店巖組淺?！肷詈Ｏ喑练e、酒局子巖組海陸交互相沉積. 二疊紀末，伴隨古亞洲洋板塊的閉合以及與華北板塊的碰撞，研究區(qū)內(nèi)形成了佟家屯巖組、葉茂臺巖組火山巖及廣泛分布的二疊紀碰撞型花崗巖，完成第二次增生過程. 伴隨強烈造山作用，普遍發(fā)生了綠片巖相的變質(zhì)作用，使佟家屯巖組、葉茂臺巖組、白家店組、酒局子組不同程度地發(fā)生淺變質(zhì)作用，并使庫倫雜巖、西別河巖組、方家屯巖組發(fā)生了退變質(zhì).

早石炭世晚期—中二疊世，侵入巖呈平行于華北板塊北緣邊界的東西向帶狀分布在內(nèi)蒙古隆起之上［24-27］，在巖石組合、礦物組合、巖石地球化學、同位素組成及空間分布等方面均顯示出活動大陸邊緣巖漿弧的特征，并且可以與世界典型大陸邊緣巖漿弧相對比［28-29］. 早石炭世晚期—中二疊世巖漿活動發(fā)育的構造背景應為安第斯型活動大陸邊緣，其形成與古亞洲洋板塊向華北板塊的俯沖有關［30］. 華北板塊北緣內(nèi)蒙古隆起大致代表了這一安第斯型活動大陸邊緣弧的范圍. 同時在古亞洲洋板塊向南俯沖過程中，由于弧后局部擴張作用，在內(nèi)蒙古隆起南側(cè)的沉積盆地中還有少量基性巖漿侵入（如研究區(qū)內(nèi)的不可金石英閃長巖和冀東東灣子基性巖體）. 在早石炭世晚期—中二疊世期間，研究區(qū)內(nèi)存在碰撞前-同碰撞期-造山后構造背景的巖漿巖體，是古亞洲洋板塊向華北板塊俯沖、碰撞造山演化過程的巖漿活動記錄.

（3）從邊緣海槽的封閉時間來看，華北板塊北緣陸殼的形成是在中二疊世. 而于晚二疊世末，古亞洲洋板塊與華北板塊碰撞對接，形成統(tǒng)一的華北板塊.

二疊紀末—三疊紀巖漿巖在巖石組合、巖漿演化、礦物組成、地球化學及同位素組成等方面均顯示后碰撞/后造山巖漿作用的特征［31-36］. 華北板塊與古亞洲洋板塊的拼合過程為弱碰撞過程，因此缺失顯著的同碰撞期高壓變質(zhì)、地殼加厚及強過鋁質(zhì)S 型花崗巖.

研究區(qū)內(nèi)屬于該期巖漿活動的巖體有大趙貝堡二長花崗巖、張大壩閃長巖、大三麻子二長花崗巖、扎蘭營子閃長巖、石場石英閃長巖. 在Rb-（Yb+Nb）圖解中，上述巖體均落入火山弧花崗巖區(qū)域內(nèi)，在Rb-（Yb+Ta）圖解中，除大三麻子二長花崗巖和大趙貝堡二長花崗巖落入板內(nèi)花崗巖區(qū)域外，其余巖體基本落入火山弧花崗巖區(qū)域內(nèi)?李東濤，等. 1∶250 000 阜新市幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告. 2012.，可能反映了在二疊紀末古亞洲洋閉合，華北板塊與古亞洲洋板塊碰撞拼合后的板內(nèi)環(huán)境. 同時，在R1-R2圖解中，上述巖體所采集樣品大部分落入造山晚期區(qū)域內(nèi)?李東濤，等. 1∶250 000 阜新市幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告. 2012.，反映該時期古亞洲洋板塊與華北板塊的陸陸碰撞已經(jīng)進入造山作用的晚期了.

盡管目前對華北板塊與古亞洲洋板塊最終碰撞拼合時代還存在一定爭議，但近期大量的多學科研究結(jié)果均支持華北板塊與古亞洲多島洋拼貼板塊最終碰撞拼合時間為二疊紀末—三疊紀初期，且最終縫合帶位于西拉木倫—長春—延吉一線. 華北板塊北緣二疊紀末—三疊紀巖漿巖形成于后碰撞/后造山構造環(huán)境與這一認識相符合?李東濤，等. 1∶250 000 阜新市幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告. 2012..

4 結(jié)論

（1）庫倫雜巖的發(fā)現(xiàn)與研究結(jié)果證明，在華北板塊北緣東段存在著泥盆紀島弧體系.

（2）該發(fā)現(xiàn)填補了索倫-西拉木倫-長春-延吉古亞洲洋縫合帶中部古生代構造演化證據(jù)的重要一環(huán).