杨仲杰,邓颖,赵岩,姜春宇,王晓晗,苏特,豆世勇,刘长纯
(1.辽宁省地质矿产调查院,辽宁 沈阳 110031;2.辽宁省地质矿产勘查院,辽宁 沈阳 110031; 3.中国地质调查局沈阳地调中心,辽宁 沈阳 110034)
对克拉通内部古老(新太古—古元古代)造山/活动带的准确识别及其构造背景的深入研究,对于揭示全球古老克拉通的形成演化、陆块聚-散的动力学过程具有重要的科学意义(ZHAI et al.,2011;ZHAO et al.,2012)。华北克拉通是中国境内出露规模最大、记录构造-岩浆-变质热事件最齐全的古老克拉通,自从~38亿年古老岩石在该克拉通发现以来,华北克拉通逐渐成为地质学家关注的焦点,并成为全球热点研究地区之一(刘福来等,2015)。近年来,许多学者通过对胶-辽-吉构造活动带内变质火山-沉积岩、辽吉花岗岩、变质基性岩等的研究,约束了胶-辽-吉构造活动带早前寒武地体形成时间、成因模式及其大地构造属性(姜春潮,1987;张秋生,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,有关辽河岩群研究区域上的许多报道还存在诸多方面的争议。比如:辽河岩群各岩组的地层时代、物质来源以及变质时代等方面(王舫等,2017)。对于辽河岩群里尔峪岩组区域也有一些报道,但笔者依托的1∶5万区调工作区内缺少相应的研究报道。笔者试图选取研究区内辽河岩群里尔峪岩组为重点研究对象,通过对其变沉积岩中碎屑锆石进行U-Pb年代学研究,限定里尔峪岩组的沉积时限、变质变形时限及主要物质来源,为进一步探讨胶-辽-吉活动带构造演化过程提供科学依据。鉴于此,选取辽宁省东部黄花甸—苏子沟地区南辽河群里尔峪岩组中代表性岩石类型进行详细的岩石学和锆石U-Pb年代学研究,并结合区域地质资料来制约其原岩形成时代、变质时代及其物质来源等。
辽东黄花甸—苏子沟地区位于华北克拉通东部的胶-辽-吉造山带上,是最具代表性的一条古元古代造山/活动带,它经历了十分复杂的构造演化过程,记录了多期岩浆-变质事件(刘福来等,2015) (图1a)。研究区内地层、侵入岩、变质岩、火山岩及构造均比较发育。主要出露古元古界南辽河岩群、中生界和古元古代、中生代花岗岩。辽河岩群主要由一套层状变质岩系组成,包括里尔峪岩组、高家峪岩组、大石桥岩组和盖县岩组;中生界分别是一套陆相火山-沉积碎屑岩的小岭组和一套河湖相的大峪组。侵入岩主要发育古元古代的花岗岩、变质基性岩墙和中生代的花岗岩。变质岩主要分布在辽河岩群各岩组中,包括:变粒岩、浅粒岩、片岩、大理岩、片麻岩、斜长角闪岩等。火山岩主要为一套以中性为主,局部夹酸性和基性的火山岩组合,分布在黄花甸断陷盆地内。研究区内构造十分发育,主要受吕梁期、印支期、燕山期构造作用影响,形成了以近东西向、北东向、北西向的断裂带以及较大型的褶皱带。
研究区内里尔峪岩组主要分布在钟家堡子—黄花甸—大房身—核桃沟—苏子沟一带,与古元古代辽吉花岗岩主要呈构造接触和侵入接触关系,与高家峪岩组、大石桥岩组及盖县岩组均呈构造接触关系,为一套原岩以含硼的海相火山-沉积岩建造(MVF)形成的变质岩系,包括变粒岩、浅粒岩、片麻岩、蛇纹大理岩、电气斜长角闪岩等,以含电气石等富硼矿物为特征。
本次采集3件里尔峪岩组代表性岩石样品,即大三家子粉房村旁的透闪斜长变粒岩(FF-N1)、药山镇大红岭村旁的电气黑云二长变粒岩(PM004-TW2) 和黑云斜长变粒岩(PM004-TW3),具体采样位置如图1b所示。
透闪斜长变粒岩(FF-N1), 岩石风化面为灰黑色,新鲜面为深灰色,柱粒状变晶结构,块状构造(图2a)。主要矿物由斜长石、透闪石及石英组成;副矿物有磁铁矿、磷灰石、榍石和锆石等。斜长石呈半自形晶,板状,具绢云母化及绿帘石化,粒径为0.2~1.5 mm±,含量为50%;透闪石呈柱状,粒径为0.2~2mm±,含量为10%;石英呈他形晶,粒状,粒径为0.1~1 mm±,含量为40% (图2b)。
电气黑云二长变粒岩(PM004-TW2),岩石风化面呈黄色,新鲜面呈浅黄白色,细粒鳞片粒状变晶结构,块状构造(图2c)。主要矿物由电气石、黑云母、石英、斜长石、条纹长石及微斜长石组成;副矿物有磁铁矿、锆石、磷灰石等。电气石呈柱状,粒径为0.2~0.5 mm±,含量为10%;黑云母呈片状,片径为0.2~0.5 mm±,含量为10%;石英呈他形晶,粒状,粒径为0.2~0.5 mm±,含量为10%;斜长石呈半自形晶,板状,粒径为0.2~0.8 mm±,含量为30%;条纹长石呈半自形晶,板状,粒径为0.2~0.8 mm±,含量为20%;微斜长石呈半自形晶,板状,粒径为0.2~0.8 mm±,含量为20%(图2d)。
1.第四系;2.中生代地层;3.盖县岩组;4.大石桥岩组;5.高家峪岩组;6.里尔峪岩组;7.白垩纪花岗岩;8.侏罗纪花岗岩;9.三叠纪花岗岩;10.古元古代基性岩;11.古元古代花岗岩;12.地质界线;13.采样点;14.太古宙地质体;15.古元古代地质体;16.推测的 古元古代地质体;17.未分的太古宙/元古宙地质体;18.断层;19.研究区;20.断裂带图1 (a)研究区大地构造简图及(b)区域地质简图(a据ZHAI et al.,2011)Fig.1 (a)Tectonic diagram and (b)Regional geological map of Research Area
黑云斜长变粒岩(PM004-TW3),岩石风化面呈灰色,新鲜面呈灰黑色;细粒鳞片粒状变晶结构,块状构造(图2e)。主要矿物由黑云母(10%)、石英(30%)、斜长石(60%)及不透明矿物(少量)组成;副矿物有磷灰石、锆石、磁铁矿、榍石等。黑云母呈片状,具绿泥石化,断续方向性分布,片径为0.2 mm±,含量为10%;石英呈他形晶,粒状,粒径为0.2~0.5 mm±,含量为30%;斜长石呈半自形晶,板状,粒径为0.2~1 mm±,含量为60%(图2f)。
锆石分选工作由具有多年工作经验、乙级地质实验测试资质的河北省区域地质调查研究所实验室矿物分选实验室完成。U-Pb同位素定年工作由具有多年工作经验、相应地质实验测试资质的北京科荟测试技术有限公司利用LA-Q-ICP-MS同时分析完成,使用德国PQMS、NWR193激光剥蚀系统。
首先将每件样品破碎至粒级,清洗、烘干和筛选,采用磁选和重液分离技术分选出不同粒级的锆石晶体,然后在双目镜下挑选出颗粒相对完整的锆石晶体约500 粒。锆石制靶后,进行锆石阴极发光照相(CL),以观察其内部结构。
锆石微U-Pb同位素定年采用激光剥蚀系统为ESI NWR 193 nm,ICP-MS为Analytikjena Plasma Quant MS Elite ICP-MS。激光剥蚀过程中采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度,二者在进入ICP之前通过一个Y型接头混合。每个时间分辨分析数据包括大约15~20 s的空白信号和45 s的样品信号。对分析数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年龄计算)采用软件ICPMSDataCal(LIU et al., 2010a,2010b)完成。锆石微量元素含量利用SRM610作为外标、Si作内标的方法进行定量计算(LIU et al., 2010a)。玻璃中元素含量的推荐值据GeoReM 数据库。U-Pb同位素定年中采用锆石标准GJ-1 作外标进行同位素分馏校正,每分析5~10个样品点,分析2 次GJ-1。对于与分析时间有关的U-Th-Pb 同位素比值漂移,利用GJ-1的变化采用线性内插的方式进行了校正(LIU et al., 2010a)。所有样品年龄数据的U-Pb 谐和图、年龄分布频率图绘制和年龄权重平均计算采用Isoplot4.0程序完成(LUDWIG,2003)。
该样品中的90颗碎屑锆石U-Pb年代学数据见表1,并图示于图3、图4a。锆石大多为椭球状、次浑圆状。锆石颗粒大小较均一,长轴直径在50~150 μm,长宽比在1∶1~2∶1。阴极发光图像显示,部分锆石具有清晰的岩浆环带,部分锆石呈均匀的灰色或者亮灰色无分带的内部结构,这些锆石大部分具有较明显的核-边结构。Th/U值集中在0.02~1.15(表1),指示大部分锆石属于岩浆成因,少部分锆石属于变质成因(BELOUSOVA et al.,2002;HOSKIN,2001)。从数据和年龄协和图(图4a)中显示,锆石均落在谐和线上或附近,207Pb/206Pb的年龄范围为2 796~1 848 Ma。锆石U-Pb年龄频率直方图(图4a)显示,该样品中碎屑锆石年龄主峰值大致有4组,峰值分别为1 864 Ma、2 107 Ma、2 181 Ma、和2 508 Ma,次峰值年龄为2 301 Ma、2 450 Ma、2 731 Ma 和2 796 Ma。
该样品中的90颗碎屑锆石U-Pb年代学数据见表1,并图示于图3、图4b。锆石以椭球状、次浑圆状为主。锆石颗粒大小不一,长轴直径在50~100μm,长宽比在1∶1~2∶1。阴极发光图像显示,大部分锆石环带不清晰,多见核-边结构,包体较多,颜色不均匀,主要以灰色或者亮灰色为主。Th/U值集中在0.03~1.34(表1),指示大部分锆石属于岩浆成因,少部分锆石属于变质成因。从数据和年龄协和图(图4b)中显示,锆石均落在谐和线上或附近,207Pb/206Pb的年龄范围为3 537~1 837 Ma。锆石U-Pb年龄频率直方图(图4b)显示,该样品中碎屑锆石年龄主峰值大致有3组,峰值分别为1 894 Ma、2 194 Ma、2 529 Ma,次峰值年龄为2 052 Ma、2 294 Ma、2 441 Ma、2 698 Ma和3 537 Ma。
该样品中的75颗碎屑锆石U-Pb年代学数据见表1,并图示于图3、图4c。锆石以椭球状、次浑圆状为主。锆石颗粒大小不一,长轴直径在60~120 μm,长宽比在1∶1~2∶1。阴极发光图像显示,部分锆石环带不清晰,呈斑杂结构,部分锆石见核-边结构,颜色不均匀,主要以灰色或者亮灰色为主。Th/U值集中在0.03~2.37(表1),指示大部分锆石属于岩浆成因,少部分锆石属于变质成因锆石。从数据和年龄谐和图(图4c)中显示,锆石均落在谐和线上或附近,207Pb/206Pb的年龄范围为2 503~1 839 Ma。锆石U-Pb年龄频率直方图(图4c)显示,该样品中碎屑锆石年龄主峰值大致有3组,峰值分别为1 903 Ma、2 033 Ma和2 147 Ma,次峰值年龄为2 311 Ma、2 450 Ma和2 503 Ma。
图4 里尔峪岩组各变沉积岩碎屑锆石U-Pb 年龄谐和图及频率直方图Fig.4 U-Pb ages concordia plots and histograms detrital zircons from each metasedimentary rocks of the Li’eryu Formation
研究区里尔峪岩组的变沉积岩系为南辽河岩群的一部分。前人曾对研究区外的南、北辽河岩群代表性变质沉积岩进行了碎屑锆石U-Pb 年代学研究(LUO et al.,2004,2008;LI et al.,2005;刘福来等,2015)。这些碎屑锆石阴极发光图像普遍显示典型岩浆结晶环带的特征,具有较高的Th/U值,表明其寄主岩石主要来源于岩浆岩。其中LUO et al.(2004,2008) 利用LA-ICP-MS锆石U-Pb技术得到南、北辽河岩群年龄为2 200~2 000 Ma(主要年龄峰值)和~2 500 Ma(次要年龄峰值)。同时通过锆石Lu-Hf同位素测试,认为辽吉花岗岩是辽河岩群主要物源区,少量源区物质则可能来源于北侧龙岗地块的古老变质基底; 刘福来等(2015)对南、北辽河岩群中代表性10件富铝片岩-片麻岩样品中约1 000颗锆石进行定年,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,前人对南、北辽河岩群的变质时代也进行了研究,将其变质时代最大年龄值限定为~1.93 Ga(LUO et al.,2004,2008;ZHAO et al.,2012)。刘福来等(2015)进一步对南、北辽河岩群富铝片岩-片麻岩进行锆石年代学研究,得到最老变质锆石记录的变质年龄为~1.95 Ga。但也有学者认为~1.85 Ga的变质锆石年龄指示南辽河群对后期热事件的响应(LI et al.,2007;LUO et al.,2008),不能代表南辽河岩群的最晚沉积时代。
笔者通过辽东黄花甸—苏子沟地区南辽河岩群里尔峪岩组中透闪斜长变粒岩、电气黑云二长变粒岩和黑云斜长变粒岩这3件代表性样品进行年代学测试,测得有效碎屑锆石255颗。有效碎屑锆石的年龄频率直方图上显示出:~ 1 900 Ma、~2 182 Ma和~2 511 Ma 3个主要的峰值以及~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个次峰值(图5d)。对54颗变质锆石的207Pb/206Pb年龄加权,得出加权年龄值为(1 880.5±5.4)Ma(MSWD=1.4);对48颗较年轻岩浆锆石的207Pb/206Pb年龄加权,得出加权年龄值为(2 054±16)Ma(MSWD=9.0);对103颗与区域上早期辽吉花岗岩年龄接近的岩浆锆石的207Pb/206Pb年龄加权,得出加权年龄值为(2 182.3±3)Ma(MSWD=0.97);对14颗较老的新太古宙岩浆锆石的207Pb/206Pb年龄加权,得出加权年龄值为(2 511.8±8.1)Ma(MSWD=0.58)(图5a)。结合本次工作区3件辽吉花岗岩和2件里尔峪岩组变质火山岩的年代学测试结果分别为2 171~2 184 Ma和2 182~2 189 Ma(待发表)、锆石阴极发光图像特征及Th/U值,通过综合对比研究区内里尔峪岩组变沉积岩中碎屑锆石可以显示:加权年龄值为(2 054±16)Ma(MSWD=9.0) 这一组年龄及~2 030 Ma、~2 076 Ma两组次峰值均来自振荡环带较好的岩浆锆石,可以很好的代表了其沉积下限,同时也显示该区内在2 000~2 100 Ma可能还存在一起中酸性岩浆活动;加权年龄值为(2 182.3±3)Ma(MSWD=0.97) 这一组年龄及~2 182 Ma主峰年龄也均来自振荡环带较好的岩浆锆石,与早期辽吉花岗岩岩浆结晶锆石U-Pb年龄一致,认为辽吉花岗岩为里尔峪岩组提供了主要的物来源;加权年龄值为(2 511.8±8.1)Ma(MSWD=0.58)及~2 511 Ma这一组主峰值及次峰值2 698 Ma、2 731 Ma、2 796 Ma和3 537 Ma与北侧龙岗地块的古老变质基底年龄值接近,说明部分物源则可能来源于北侧龙岗地块的古老变质基底,与前人在邻区的研究结论相吻合。
另外,这3件样品中均存在具有高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) 等典型变质成因特点(DUBI-SKA et al.,2004;TOMASCHEK et al.,2003)的谐和锆石年龄(1 837~1 946Ma),其(1 880.5±5.4)Ma(MSWD=1.4),峰期年龄为~1 900 Ma(图5)。结合前人研究成果,表明该区里尔峪岩组的峰期变质作用应发生在~1 900 Ma,而~1.95 Ga和~1.8 4Ga的变质锆石年龄可能分别代表了里尔峪岩组变质作用起始和结束的时间(LUO et al.,2004,2008;LU et al.,2006;LI et al.,2007),因而该区里尔峪岩组的沉积作用最晚应结束于~1 946 Ma。此外,分析结果显示样品中最小岩浆成因锆石年龄峰期为~2 030Ma(图5b),这与前人对南、北辽河群最早沉积年龄的研究结果高度吻合(LUO et al., 2004,2008;LU et al.,2006;杨崇辉等,2017)。因此,笔者认为辽东黄花甸—苏子沟地区里尔峪岩组的原岩形成时代应为~2 030Ma之后,变质作用峰期年龄为~1 880 Ma,其沉积作用应发生于2 030~1 946 Ma。
根据辽东黄花甸—苏子沟地区南辽河岩群里尔峪岩组透闪斜长变粒岩、电气黑云二长变粒岩和黑云斜长变粒岩3个样品锆石U-Pb定年分析结果,结合前人研究成果,得出如下结论。
(1)研究区南辽河岩里尔峪岩组的3件样品锆石U-Pb年龄结果显示其原岩形成时代应晚于~2 030 Ma,其沉积作用应发生于2 030~1 946 Ma;峰期变质作用年龄为~1 900 Ma,变质变形作用应发生于1 837~1 946 Ma。结合近些年的科研成果,说明辽河岩群最早开始于2 190 Ma,结束于1 946 Ma,前期以强烈的火山活动为主,随着火山活动的减弱,在2 030 Ma以后开始接受大规模沉积作用,直到1 946 Ma沉积作用结束,反映辽河岩群的形成时间至少持续了244 Ma,沉积作用至少持续了84 Ma。
图5 (a)里尔峪岩组变沉积岩碎屑锆石U-Pb年龄谐和图和(b)频率直方图Fig.5 (a)U-Pb ages concordia plotsand (b)histograms detrital zircons from metasedimentary rocks of the Li’eryu Formation
(2)里尔峪岩组碎屑锆石的年龄频谱特征显示,其沉积物主要来源于胶-辽-吉活动带内2 000~2 200 Ma的中酸性岩浆岩、辽吉花岗岩及辽河岩群火山岩,少部分来自北侧龙岗地块的太古宙结晶基底。胶-辽-吉活动带至少还存在一期2 000~2 100 Ma的中酸性岩浆活动。
(3)本次研究成果为该区开展的1∶5万区域地质调查工作提供了可靠的年代学资料,为胶-辽-吉古元古代造山/活动带的成因机制及其形成的大地构造背景研究提供可靠的基础资料。
致谢:感谢河北省廊坊区域地质调查院实验室在锆石分选中给与的帮助; 同时感谢北京科荟测试技术有限公司在锆石La-ICP-MS U-Pb 及其痕量元素测试分析中给与的大力帮助; 感谢刘锦、豆世勇、董洋等项目组成员在工作中给予的支持。审稿专家也提出了许多修改建议,在此一并表示衷心的感谢。