辽宁中沟地区条痕状花岗岩地球化学特征、构造背景及岩石成因意义

李 研，聂逢君，严兆彬，李宏宇

(1.东华理工大学地球科学学院，南昌 330013；2.核工业二四○研究所，沈阳 110000)

华北克拉通目前是中国最老、最大的克拉通。横旦于秦岭—大别山造山带和中亚造山带之间，岩浆活动频繁，构造极其发育，多年以来吸引了多数学者对其进行研究。前人对华北克拉通东部中生代伸展盆地和变质核杂岩等构造空间展布特征、岩浆岩时空迁移规律进行了详细研究和综合解析，并结合区域地球物理资料，认为华北克拉通岩石圈减薄与克拉通破坏的发生机制与过程受到古太平洋板块俯冲作用的驱动与控制[1-2]；华北克拉通东部中生代大规模的岩浆活动、构造变形、成矿作用与古太平洋板块向欧亚板块的俯冲作用密切相关[3-4]；华北克拉通岩石圈减薄与克拉通破坏作用在晚中生代达到峰期，并导致同时代大规模岩浆活动的发生[5]。目前对于华北克拉通东部晚中生代岩浆岩的成因仍存在不同认识，主要集中在地幔柱成因和加厚或拆沉下地壳的部分熔融的产物[6-7]。通过近些年的研究，在华北克拉通共识别出三条古元古代造山带，分别为中部造山带、胶辽吉带和孔慈岩带。对孔慈岩代和中部造山带中外学者已经做了详尽的研究工作[8-10]。但是相比之下，对古元古代岩石出露较好的胶辽吉带研究工作则相对则明显不足，尤其对条痕状花岗岩(主要因具有条带状、片麻状特征)的岩浆物质来源、岩石成因类型及构造背景还尚存在争议[11]。第一种观点认为该条痕状花岗岩为重熔混合花岗岩，原岩应为火山岩和沉积变质岩[12-13]；第二种观点认为该花岗岩为A型花岗岩[14-15]，其形成于地壳拉张环境；第三种观认为条痕状花岗岩属于I型花岗岩，岩浆来源为下地壳的酸性岩浆并且受到地幔基性岩浆混染作用[16]。区域上，断裂构造发育，热液活动明显，铀矿化显示良好，铅锌、铁钴等多金属矿床丰富，20世纪90年代时期前人曾在中沟地区开展过铀矿地质调查工作，在条痕状花岗岩中发现较多铀矿化。

而在在早期地质发展过程中，花岗质岩石是大陆形成发展的重要指示剂。然而，关于华北克拉通胶辽吉造山带内的条痕状花岗岩的争议则制约了整个东北地区的构造演化。其蚀变特征与铀矿化的富集亦不清楚。鉴于此，选取华北克拉通胶辽吉造山带内的辽宁中沟地区的条痕状花岗岩进行详尽的岩相学、地球化学、岩石构造背景及成因的研究工作，旨在进一步深入探讨花岗岩的岩石成因、大地构造背景及整个华北克拉通的演化过程。甄别条痕状花岗岩后生蚀变与铀矿化的富集关系。

1 地质背景及岩相学特征

辽宁中沟地区位于华北克拉通北部，胶辽吉造山带南缘，所属盆地为老虎山盆地。出露地层主要为古元古代辽河群，较为较全，韵律明显，形成一大型沉积旋回，共可分为四个岩组，主要包括了里尔峪、高家峪、大石桥以及盖县组(图1)。其中的里尔峪组的岩石性质主要是钠长浅粒岩和有着一定的磁铁性质的浅粒岩，并且在其中还有少量的云母质片岩、大理岩等。且此处的岩石变质程度较高，因此该处的岩石性质多数为含有硼、铁、铀等，被称为“含硼岩系”，并且铀的含量也较高，多数达到了5.0×10-6。高家峪组主要分为两段，一段为浅变质的泥砂质岩，偶见构造片理，二段则包含了泥沙质岩石、火山沉积岩还有变粒岩。大石桥组的岩性主要是碳酸盐岩以及变粒岩，而相应的其中较为丰富的矿产为镁矿。大石桥组变化大而快速，区域内既有稳定分布的层面，又存在尖灭和中断。盖县组的岩石组成也有着一定的特点，其主要是片岩、变质粉砂岩以及其他相关岩石组成。其原岩表现为:黏土-碎屑岩(局部夹基性火山岩)碳酸盐-黏土-碎屑沉积岩建造，沉积旋回明显，并含有叠层石及微体古植物化石(图1)。侵入岩主要有两期，分别为晚三叠世和古元古代，其中古元古代侵入岩主要为条痕状二长花岗岩，形成于2.2～2.1 Ga[17]，是本次主要研究的岩石，构造则为近EW断裂和NE断裂，两组断裂相交构成菱形格状构造格局，其断裂交汇处亦是铀矿化集中发育处，EW向断裂形成较早，规模小、构造破碎带内见有逆冲擦痕、构造角砾，部分断裂被石英脉充填，属压扭性(图2)。

1为第四系；2为下白垩统小岭组；3为下元古代；4为绢云母片岩；5为正长花岗岩；6为二长花岗岩；7为第四系砂砾岩；8为硅化；9为褐铁矿化；10为产状

所研究的条痕状花岗岩位于辽宁中沟地区。岩石主要为中细粒黑云二长花岗岩，矿物成分主要由钾长石、石英和斜长石组成，暗色矿物为黑云母，具中细粒花岗结构，块状构造。钾长石呈他形板状，具条纹结构，粒径为1～4 mm。斜长石呈半自形柱状、板状，聚片双晶发育，(010)∧Np′约7°～12°，即An25～28，斜长石种属为更长石，粒径1～2 mm。石英呈他形粒状分布于其他矿物粒间，黑云母呈褐色，片状，一组完全解理，多色性和吸收性显著，片径0.3～1 mm。受动力变质作用，局部产生亚颗粒，形成核幔结构(图3)。蚀变主要有和铀矿相关的几种类型，主要包括了以下几种，分别为黄铁矿化、黏土化、绢云母化、绿泥石化、褐铁矿化、赤铁矿化(图4)。绿泥石化可以吸附铀元素，为铀元素的富集提供了空间；水云母化则形成了铀元素转移的通道；相应的黄铁矿变化更是和铀矿化有着极大的联系。而这些岩石主要是由于相应的热液蚀变形成的，其中更是有着极多的含水矿物以及硫化物，铀则在其裂隙中可见，并且被其中的黏土矿物吸附，而岩石本身的抗压性随着降低，其中的孔隙也会增大，于是就对铀矿形成产生了有利条件，并且伴随着蚀变的不断增强，铀矿化也随之提高。

Q为石英；2为Pl-斜长石；3为Kfs-钾长石；Bi为黑云母

图4 辽宁中沟地区花岗岩野外蚀变照片

2 样品采集与分析方法

在具有代表性的条痕状花岗岩样品10件，样品分析测试由核工业二四○研究所完成。样品分析及测试结果如表1所示。

表1 花岗岩地球化学分析结果

3 分析测试结果

辽宁中沟地区条痕状花岗岩主要为二长花岗岩，岩石中可见钙质和镁铁质角闪石，副矿物为榍石、锆石和磁铁矿。属于高钾钙碱性-钙碱性岩浆系列，A/CNK介于1.09～1.67之间，A/NK变化于1.11～2.18之间[图5(a)]，为弱过铝质-过铝质岩石[图5(b)]。SiO2含量介于61.91～77.48、富碱(Na2O+K2O=1.78～8.58)、高铝(Al2O3=11.57%～19.30%)、低镁钙(MgO=0.07%～2.79%、CaO=0.19%～2.70%)的特征。稀土总量相对较高(ΣREE=109.72×10-6～320.27×10-6)、轻稀土分馏系数(La/Sm)N=2.86～10.91，重稀土分馏系数(Gd/Yb)N=0.59～7.97，Eu为中等负异常(δEu=0.18～0.75)，具有壳源岩浆特点(图6)，与东北地区I型花岗岩特征较为相似[18-21]。

图5 中沟地区花岗岩主量元素图解

图6 中沟地区花岗岩稀土元素分布图

4 讨论

4.1 条痕状花岗岩成因类型

花岗岩是研究造山带的重要组成部分，其岩石成因与演化是揭示地壳形成，生长作用的重要指示剂。所研究的条痕状花岗岩为高钾钙碱性—钙碱性系列，A/CNK介于1.09～1.67之间，A/NK变化于1.11～2.18之间，为弱过铝质—过铝质岩石，花岗岩普遍具有高硅、高铝、富碱、低镁钙特征，暗示研究区花岗岩来源于壳源岩浆，形成于俯冲带或者岛弧环境。

前人研究表明，磷灰石在弱过铝质-过铝质花岗质岩浆中溶解度很低，在其演化过程中总是优先结晶，而在强过铝质花岗质岩浆(A/CNK>2.0)中则主要呈饱和状态，并不会优先结晶，因此S型花岗岩中P2O5随SiO2增加基本保持不变[22-25]。

岩相学特征表明其并不含矽线石、堇青石、石榴子石等富铝矿物，并且在P2O5-SiO2图解上呈明显负相关，说明并非属于S型花岗岩类型，而与东北地区的I型和A型花岗岩较为相似，初步推断为I型或A型。为了进一步确定花岗岩成因类型，对该区的花岗质岩石分别做了Y-10000Ga/Al[图7(a)]、Ce-SiO2成因判别图解[图7(b)]，在判别图解上除一个样品外，其余条痕状花岗岩样品均落入I型以及与高分异的I型花岗岩过渡区域内，认为辽宁中沟地区条痕状花岗岩应为I型花岗岩。

图7 中沟地区花岗岩分类图解

4.2 源区特征

辽宁中沟地区条痕状二长花岗岩SiO2含量变化较大(SiO2含量介于61.91～77.48之间)，且周围伴有中基性岩脉，所有条痕状花岗岩样品在Harker图解上具有明显的线性变化趋势(图8)，暗示源岩在岩浆演化过程中可能存在分离结晶作用。条痕状花岗岩中的SiO2与TiO2及P2O5的负相关变化规律[图8(a)、图8(f)]，暗示其磷灰石和Fe、Ti等氧化物亦发生分离结晶作用；MgO、CaO、Fe2O3随着SiO2升高而降低表明岩浆很可能经历了角闪石分离结晶[图8(b)、图8(d)、图8(e)]；而SiO2与Al2O3的负相关变化[图8(c)]规律及稀土元素中微弱的负Eu异常，表明源岩在岩浆演化过程中亦经历了斜长石分离结晶作用。

图8 中沟地区花岗岩Haker图解

此外，前人通过对胶辽吉造山带的条痕状花岗岩做了Sr-Nd同位素研究工作，其中εNd(t)值变化范围较大说明其花岗岩可能来源于基底部分熔融[16]；而年代学数据(2.53～2.78 Ga)也与基底年龄相吻合，也与华北克拉通基底相吻合。因此辽宁中沟地区的条痕状二长花岗岩岩浆应该来源于华北克拉通基底岩石部分熔融形成，并且在上升侵位过程中经历了明显的分离结晶作用。

4.3 构造环境

目前关于华北克拉通胶辽吉造山带的构造背景主要有陆内裂谷和陆陆碰撞形成的两种观点，本文所研究中沟地区条痕状二长花岗岩在构造图解上全部落入大陆弧花岗岩区[图9(a)、(b)]，暗示形成环境应该为大陆弧环境。该推测也从以下事件得到证实。

图9 中沟地区花岗岩石构造图解

(1)辽宁中沟地区花岗岩主要为钙碱性-高钾钙碱性系列，具有高硅、富钾、的特征，与大陆岛弧环境较为相似。另外前人通过对带内的多条条痕状花岗岩进行系统研究也具有与辽宁中沟地区的花岗岩较为相似。尽管部分岩石表现出A型花岗岩特征，但是为岩浆中含较高的硼所致。

(2)在区域上，亦可见同时期的变质玄武岩，为钙碱性岩石，具有富集大离子亲石元素，亏损高场强元素的特征，为典型的大陆弧特征，而大陆裂谷形成的玄武岩主要为碱性成因，所以辽宁中沟地区的条痕状花岗岩应该为大陆岛弧成因。

(3)在辽宁地区有多个硼-铁-铀型矿床，其成因与俯冲的大陆岛弧有关，从而形成富硼的岩系。纵观全球，几乎所有的含硼岩系的岩石都是形成于汇聚板块边缘的位置，其形成的环境与俯冲构造背景密切相关, 而大陆内的裂谷环境下并不能产生富硼岩浆和硼矿，因此，元古代胶辽吉造山带的条痕状花岗岩包括该时期的基性岩及富硼岩系均形成与俯冲的大陆岛弧环境，而并非裂谷环境。结合区域演化历史认为这些岛弧的岩浆主要形成活动大陆边缘环境，在古元古代时期，胶-辽-吉造山带存在向北俯冲的作用。

5 结论

辽宁中沟地区条痕状花岗岩作为研究对象，通过岩相学、地球化学等方面进行系统研究，在此基础上探讨了整个胶辽吉造山带的岩石成因型、构造环境、岩浆物质来源和地球动力学意义，主要有以下几方面认识。

(1)辽宁中沟地区条痕状花岗岩主要为二长花岗岩，具有高硅、高铝、富碱等特征，具有明显壳源岩浆特点，并且在岩浆演化过程中经历了明显的分离结晶作用。

(2)辽宁中沟地区条痕状二长花岗岩形成于活动大陆边缘环境，具有明显的俯冲带岩浆特征。结合区域演化历史认为，在古元古代期间，胶辽吉造山带存在向北俯冲的作用。

(3)条痕状二长花岗岩蚀变类型主要有黄铁矿化、黏土化、绿泥石化、褐铁矿化、赤铁矿化、水云母化、绢云母化等，其中绿泥石化可以吸附铀元素，为铀元素的富集提供了空间；水云母化则形成了铀元素转移的通道；黄铁矿化更是和铀矿化有着非常密切的联系。这些岩石主要是由热液蚀变形成的，与铀矿的形成关系密切。