辽东袁家堡石英二长斑岩的锆石U-Pb年龄、地球化学特征及地质意义

李海洋,王玉平,吴文彬,李 超,刘永俊,王晓亮

(辽宁省地质矿产研究院有限责任公司,沈阳 110032)

晚中生代以来，华北克拉通的破坏主要表现为大规模的岩石圈减薄, 辽东半岛便是其中一处典型的岩石圈强烈减薄的地区, 该地区中生代岩浆活动频繁、 伸展构造发育,形成了大量侵入岩体[1-6]。 前人对中生代岩浆岩的研究, 主要以出露广泛的侵入岩体或典型构造为研究对象, 由于工作程度限制,部分侵入岩体未被发现。原1∶25万区调资料认为，袁家堡一带主要为古元古代辽河群,并发育少量脉岩,但通过本单位承担的区调工作,在袁家堡一带新发现了一处规模较大的石英二长斑岩岩株,这在前人资料中并未提及。因此,本文拟通过对袁家堡石英二长斑岩进行详细的年代学及地球化学特征研究,讨论其形成时代、岩石成因和构造背景,为辽东地区岩石圈演化提供新的研究资料。

1 地质背景及样品描述

辽东半岛属于华北克拉通北部边缘的东段, 位于辽吉古元古代裂谷带的西南部位,其北部与龙岗地块相接,南部与狼林地块相接[1,7],辽东半岛基底岩石便是由龙岗地块、狼林地块及古元古代辽河群、辽吉花岗岩组成,之上发育有中生代岩浆岩[8-9]。

研究区位于庄河-桓仁岩石圈断裂带内,区内构造以北东向的平移断层为主,袁家堡石英二长斑岩紧邻陡岭子-鸡冠山-二道河子断裂,位于其东侧。区内地层以古元古代辽河群为主,包括大石桥岩组(Pt1d)、 里尔峪岩组(Pt1lr)和高家峪岩组(Pt1g), 岩性主要为大理岩、 浅粒岩和变粒岩。 研究区西南部有二叠系莝草沟组(P3c)和温家沟组(P3w)出露,莝草沟组岩性以板岩和千枚岩为主, 温家沟组岩性以复成分砾岩为主。 区内侵入岩以大面积分布的晚三叠世似斑状二长花岗岩(ηγ2T3)、 二长花岗岩(ηγ1T3)为主, 局部有古元古代二长花岗岩(ηγPt1)(辽吉花岗岩)和本次工作新发现的早白垩世石英二长斑岩(ηοπK1)。 袁家堡石英二长斑岩(ηοπK1)位于鸡冠山镇南部, 主体岩性单一,出露面积约10 km2, 侵入周围辽河群及辽吉花岗岩之中。 本次研究的岩石样品即为来自该岩体的石英二长斑岩,采样位置为E 123°54′53″, N 40°28′37″(图1), 岩石新鲜面呈肉红色,斑状结构, 块状构造(图2a)。

基质主要由正长石、 斜长石及石英组成, 具显微文象结构, 含量约85%; 斑晶为正长石(6%)、石英(5%)和斜长石(4%),其中正长石为半自形板状,单偏光下无色透明,正交偏光下干涉色一级灰白,具两组近直交解理,粒径为1～3 mm;石英为他形晶,粒状,单偏光下无色透明,正低突起,正交偏光下干涉色一级黄白,一轴晶正光性,粒径为1～3 mm;斜长石为半自形板状,单偏光下无色透明,正交偏光下干涉色一级灰白,发育有聚片双晶,具绢云母化,粒径为1～3 mm(图2b)。

图1 研究区大地构造位置图(a,据文献[7])和袁家堡地区地质简图(b)Fig.1 Geodetic location map of the study area(a)and geological map of Yuanjiapu area(b)P3c—二叠系莝草沟组;P3w—二叠系温家沟组; Pt1lr—古元古界里尔峪岩组; Pt1g—古元古界高家峪岩组; Pt1d—古元古界大石桥岩组; ηγK1—白垩纪二长花岗岩; ηοπK1—白垩纪石英二长斑岩; ηγPt1—古元古代二长花岗岩; ηγ1T3—三叠纪二长花岗岩; ηγ2T3—三叠纪似斑状二长花岗岩; 1—平移断层;2—采样位置

图2 石英二长斑岩手标本(a)和显微镜下照片(b)Fig.2 Hand specimen(a)and micrograph(b)of beschtauiteQ—石英;Or—正长石;Pl—斜长石

2 分析方法

在袁家堡石英二长斑岩体内采集了1件12 kg的年龄样品和5件岩石全分析样品。锆石挑选工作在河北省区域地质矿产调查研究所完成；在北京锆年领航科技有限公司完成制靶和阴极发光(CL)图像的采集；在天津地质矿产研究所,采用锆石LA-MC-ICP-MS方法完成测年工作,具体的实验操作流程参见文献[10]。测年所得数据用ICPMSDataCal软件[11-12]进行处理,利用铅校正排除普通铅的影响[13],再使用Isoplot 3.0软件进行年龄计算及谐和图绘制。

主量元素、稀土元素和微量元素分析测试在国土资源部沈阳矿产资源监督检测中心完成。主量元素分析采用X射线荧光光谱仪,分析精度优于2%～5%；稀土元素和微量元素分析采用的是电感耦合等离子质谱仪,分析精度优于10%。

3 分析结果

3.1 锆石U-Pb年龄

袁家堡石英二长斑岩的锆石阴极发光CL图像(图3)显示, 锆石晶型发育较好, 形态呈短柱状-长柱状, 长轴长90～240 μm, 短轴宽50～100 μm。 锆石生长环带发育,Th/U值为0.62～1.33(Th/U>0.1),为典型的岩浆锆石[14-15]。本次选取了其中20个晶型较好、表面干净、裂隙和包体少的颗粒进行年龄测试,剔除结果中谐和度低于90%的数据,有14个分析点位于U-Pb谐和线上及其附近,分析结果见表1。206Pb/238U年龄加权平均值为129±1 Ma(MSWD=0.40)(图4),代表了石英二长斑岩形成的时代。

3.2 地球化学特征

袁家堡石英二长斑岩的主量元素、 稀土元素、微量元素分析结果及相关参数见表2。

图3 锆石阴极发光图Fig.3 Cathodoluminescence images of zircon grains

图4 锆石U-Pb年龄谐和图及年龄加权平均值Fig.4 U-Pb concordia diagram and weighted mean age for zircons

3.2.1 主量元素 袁家堡石英二长斑岩的5个样品均具有较高的SiO2(72.20%～74.36%)、 Al2O3(13.14%～14.19%)和K2O(4.78%～5.44%)含量，较低的MgO(0.13%～0.46%)、 MnO(0.03%～0.06%)、 TiO2(0.08%～0.18%)、 P2O5(0.02%～0.06%)含量。 K2O+Na2O为8.22%～9.01%,K2O/Na2O值为1.39～1.67, 相对富钾。 在SiO2-K2O岩石系列判别图解中, 样品落入高钾钙碱性系列范围内(图5)。 含铝指数A/CNK为1.05～1.16,A/NK为1.12～1.28, 均属于过铝质系列岩石(图6)。

3.2.3 稀土元素及微量元素 岩石稀土总量(ΣREE)为162.31×10-6～261.42×10-6, 轻重稀土元素比值(LREE/HREE)为12.31～15.85, δEu值为0.16～0.58。 稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(图7a)显示, 袁家堡石英二长斑岩为轻稀土元素富集的右倾海鸥型, 轻稀土分馏明显, 曲线较陡, 重稀土分馏不明显, 为相对平滑的曲线, 具有明显的铕负异常。 在原始地幔标准化微量元素蛛网图(图7b)中,明显亏损Ba、Sr等大离子亲石元素和Nb、P、Ti等高场强元素,相对富集Rb、Th、La、Nd、Hf等元素。

表1 袁家堡石英二长斑岩U-Pb年龄分析测试结果

图5 SiO2-K2O图解Fig.5 SiO2-K2O diagram

图6 A/CNK-A/NK图解Fig.6 A/CNK-A/NK diagram

表2 袁家堡石英二长斑岩主量元素(wB/%)、稀土元素和微量元素(wB/10-6)分析结果

4 讨 论

4.1 岩体形成时代

辽东半岛侵入岩发育,其中不乏白垩纪岩体[16-18],刘杰勋等[1]对帽盔山二长花岗岩(137 Ma)、 荒地花岗闪长岩(139 Ma)和朝阳苏长辉长岩(139 Ma)进行了研究,三者均属于早白垩世侵入岩,本文研究的袁家堡石英二长斑岩位于三者的东部,与三者紧邻。通过对袁家堡石英二长斑岩进行LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb测年,获得其年龄加权平均值为129±1 Ma,结合前人的研究成果,确定该岩体形成于早白垩世。

4.2 岩石成因类型

袁家堡石英二长斑岩主要由长英质基质和石英、 正长石、 斜长石等斑晶组成, 主量元素具有高硅、 富碱、贫钙、 低镁的特征,Rb含量较高, 强烈亏损Ba、 Sr、 Eu、 P、 Ti, 贫Fe、 Mg, Rb/Sr值为1.67～7.80, 以上特征与吴锁平等[19]和苏玉平等[20]总结的A型花岗岩总体特征相同, 在岩石成因类型判别图(图8)中, 5件样品全部落入A型花岗岩区域。 袁家堡石英二长斑岩稀土总量(ΣREE)高, 具有强烈的铕负异常,稀土配分曲线呈“右倾海鸥型”, 这种稀土配分模式是判别A型花岗岩的较重要标志之一[19,21]。袁家堡石英二长斑岩的Al2O3含量较高(均大于12%),A/CNK值均大于1,属于铝质A型花岗岩[21]。本次研究采集的5件样品,其SiO2含量均大于70%,除P3-5外,其余样品的FeOT/MgO值均大于8,这个比值特征是A型花岗岩区别于I、S型花岗岩的有效判别方法[21]。前人对A型花岗岩的物质来源和成因作了很多研究,主要观点包括壳源物质的部分熔融、壳幔物质的混合熔融和幔源岩浆的分异或部分熔融[1,22-24]。袁家堡石英二长斑岩具有明显的Eu负异常,Sr含量低,Nb和Zr相对富集,表明岩浆源区有大量斜长石残留[25-26],代表其成因为花岗质地壳的部分熔融,而非幔源岩浆分异而来或镁铁质源岩的部分熔融[26]。

图8 袁家堡石英二长斑岩成因类型判别图Fig.8 Discrimination diagrams of beschtauite from Yuanjiapu

4.3 岩体的构造背景

近年来对华北克拉通东部的研究表明,在晚中生代期间其发生了强烈的岩石圈减薄作用,构造格架发生了重大转折,辽东地区便是晚中生代华北克拉通遭受破坏和岩石圈减薄最强烈的典型地区,形成了自侏罗纪以来的强烈构造-岩浆活动事件[1-6],辽东地区发现的变质核杂岩和拆离断层构造便是地壳伸展与岩石圈变薄的有利证明[1，27-29],本次研究新发现的袁家堡石英二长斑岩属于A型花岗岩,A型花岗岩是判断伸展构造环境的重要岩石学标志[26]。辽东地区的构造环境由挤压向伸展的转折起于140～150 Ma,止于100～110 Ma[30],早白垩世时,太平洋板块沿平行欧亚大陆边缘的方向走滑,导致大陆岩石圈发生了大规模的伸展作用,郯庐断裂大幅左行平移[31-32],早白垩世伸展构造发育[30],引起大规模火山活动,增加了上地壳的渗透性,为后期岩浆侵位提供了有利条件[33]。地壳伸展和岩石圈减薄使软流圈地幔岩浆大量底侵,在巨大热能作用下使地壳物质部分熔融,形成花岗质岩浆,岩浆沿断裂侵位,形成不同侵入岩体[1]。

袁家堡石英二长斑岩在成分上属于花岗质岩石,从时空角度看,形成于早白垩世辽东鸡冠山镇附近,结合其岩石学、地球化学特征,认为其形成于华北克拉通东部伸展构造和岩石圈减薄的背景下,是由软流圈幔源岩浆底侵下地壳,使下地壳物质部分熔融,沿活化断裂上升侵位形成,是辽东地区大规模地壳伸展活动和岩石圈减薄的证据[1]。

5 结 论

袁家堡石英二长斑岩LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb测年结果为129±1 Ma,表明该岩体为早白垩世侵入岩；岩石地球化学特征表明，其成因类型为花岗质地壳部分熔融形成的铝质A型花岗岩，形成于辽东地区地壳伸展环境下,是岩石圈减薄过程中的产物。