吉林南部石灰沟辉石闪长岩的地球化学特征及构造背景

马国骅， 孙永刚

(1.青海省第五地质勘查院， 青海 西宁 810099； 2.宿州学院 资源与土木工程学院， 安徽 宿州 234000)

0 引 言

华北克拉通是世界上最古老的克拉通之一，主要由太古宙至古元古代基底地块构成，上覆中元古代至新生代末期变质盖层[1]。通过对现有地质学资料的分析整合，Zhao等[1]认为华北克拉通变质基底可分为三个太古宙微陆块(阴山地块、鄂尔多斯地块和东部陆块)以及三个元古宙活动带(孔兹岩带、胶-辽-吉带和中部造山带)。对华北克拉通太古代结晶基底以及新太古代地球动力学背景的研究一直是研究的热点[2-4]，但仍然存在一些争议，部分研究人员提出了关于华北克拉通东部陆块新元古代构造背景的地幔柱机制[3]。相比之下，亦有研究人员提出了华北克拉通东部陆块在新太古代运行的现代板块构造体制[2,4]。除此之外，这些对华北克拉通东部陆块新太古代构造演化的研究多集中于花岗岩-绿岩带中的变质火山岩。尽管太古代花岗岩-绿岩带和高级片麻岩构成了早期大陆地壳的主要构造单元，同时保留了太古宙大陆地壳的成分和结构特征，但仅局限于此仍不能很好的明确该地区新太古代的构造背景。

笔者在华北克拉通东部陆块东北缘吉林南部石灰沟地区新发现的新太古代辉石闪长岩为这一问题的解决提供了新窗口。因此，笔者在对石灰沟辉石闪长岩进行锆石U-Pb定年的基础上，同时对其进行了岩石地球化学特征研究，用以探讨其岩石成因和构造背景。

1 地质背景与样品特征

1.1 地质背景

华北克拉通构造分区如图1所示。石灰沟地区位于华北克拉通东部陆块东北缘的吉南地块(图2)，吉南地块的和龙-夹皮沟-桦甸-靖宇-通化-白山等地区大量出露太古宙结晶基底，以新太古代TTG片麻岩、富钾花岗岩类和表壳岩系为主体(图2)。

石灰沟地区出露的地层主要为古元古界老岭群珍珠门组(Pt1z)，岩性主要为块状、中厚层白云石大理岩、角砾状白云石大理岩、透闪白云石大理岩和硅质条带白云石大理岩(图3)。区内发育的岩浆岩主要为脉状辉石闪长岩、辉绿岩和煌斑岩，其中的辉石闪长岩脉与珍珠门组地层为沉积接触。区内发育近NE向断裂。

图1 华北克拉通构造分区Fig. 1 Geotectonic zoning of North China Craton

图2 吉南地块区域地质[5]Fig. 2 Regional geological of South Jilin Block[5]

图3 石灰沟地区地质简图Fig. 3 Geological map of Shihuigou area

1.2 样品特征

辉石闪长岩样品采自石灰沟野外露头，石灰沟辉石闪长岩手标本和镜下特征如图4所示。辉石闪长岩新鲜面呈灰绿色，矿物组成为斜长石、角闪石和少量的辉石和石英，斜长石大小一般在0.5～2.0 mm，少数呈环形，中央有强烈的云母化、黏土化蚀变，聚片双晶可见，以中长石为主，体积分数约占岩石60%；角闪石属黄色或半自形长圆柱体，晶型以自形—半自形长柱状为主，粒径大小在0.3 mm×1.2 mm左右，少数横切面呈六边形，粒径大小在0.1 mm×0.3 mm左右，部分呈现出绿泥石化的蚀变特征，体积分数约占岩石35%；辉石为半自形—他形粒状，粒径在0.1 mm～0.2 mm之间，体积分数小于5%；石英为他形粒状，粒径在0.05 mm左右，不规则地填于矿物粒间，体积分数约占岩石3%。

图4 石灰沟辉石闪长岩手标本和镜下特征Fig. 4 Hand specimens and microscopic characteristics of Shihuigou pyroxene diorite

2 测试分析方法与结果

2.1 测试分析

锆石U-Pb测年在吉林大学东北亚矿产资源评价国土资源部重点实验室利用LA-ICP-MS分析完成。具体实验测试过程参见文献[6]。岩石主量微量元素分析在北京燕都中实测试技术有限公司完成。具体实验测试过程参见文献[7]。

2.2 测试结果

2.2.1 锆石U-Pb定年结果

16个测试点的Pb元素与U元素同位素原子比λ(207Pb)/λ(206U)年龄介于(2 473.8±45.4)～(2 600.0±31.8) Ma(表1)，获得了(2 540±19) Ma的加权平均年龄，代表石灰沟辉石闪长岩的结晶年龄。石灰沟辉石闪长岩锆石U-Pb年龄协和图如图5所示。

表1 石灰沟辉石闪长岩锆石U-Pb年龄测试结果

图5 石灰沟辉石闪长岩锆石U-Pb年龄协和图Fig. 5 Zircon U-Pb isotope concordia plot of selected zircons of Shihuigou pyroxene diorite

2.2.2 主量元素

石灰沟辉石闪长岩样品的SiO2质量分数介于49.89%～51.10%(平均50.67%)，Al2O3测试值介于15.40%～16.21%(平均15.66%)，K2O测试值介于1.54%～1.89%(平均1.73%)，Na2O测试值介于3.23%～3.83%(平均3.47%)，K2O+Na2O结合值介于4.89%～5.52%(表2)。在TAS图解(图6a)中，样品数据落在辉石闪长岩区域内，在K2O-SiO2图解(图6b)中，样品数据落在高钾钙碱性系列区域。记α=w(Al2O3)/w(CaO+Na2O+K2O),β=w(Al2O3)/w(Na2O+K2O),α值介于0.79～0.92，在α-β图解(图6c)中，样品数据落在准铝质区域。此外，样品具有较高的MgO值(7.46%～8.82%，平均8.35%)和Mg#值(62～67)。

表2 石灰沟辉石闪长岩主量元素测试结果

图6 石灰沟辉石闪长岩主量元素图解Fig. 6 Major elements diagrams of Shihuigou pyroxene diorite

2.2.3 微量元素

石灰沟辉石闪长岩的稀土总量介于167×10-6～201×10-6(平均181×10-6)，w(LREE)/w(HREE)比值介于9.74～10.32，(La/Yb)N比值介于11.47～13.33(表3)。球粒陨石标准化的稀土元素表现为富集轻稀土、亏损重稀土。石灰沟辉石闪长岩样品具有微弱的Eu负异常(δEu = 0.90～0.93)(图7a)，富集大离子亲石元素(Rb、K、Th、U等)，亏损高场强元素(Nb、Ti、Zr、Hf等)(图7b)。

表3 石灰沟辉石闪长岩微量元素测试结果

图7 石灰沟辉石闪长岩稀土配分曲线和微量元素蛛网Fig. 7 Chondrite normalized REE patterns and trace elements spider for Shihuigou pyroxene diorite

3 讨 论

3.1 岩石成因

中性岩的岩石成因主要有以下四种：(1)幔源玄武质熔体结晶分异作用[8]；(2)加厚铁镁质下地壳的部分熔融作用[9]；(3)俯冲板片部分熔融作用[10]；(4)受流体或熔体交代的地幔楔的部分熔融作用[11]。

研究区不发育大量的同时期镁铁质岩浆岩，微弱的Eu异常也表明斜长石的结晶分异作用微不足道，因此幔源玄武质熔体结晶分异作用不是该闪长岩的成因机制。加厚铁镁质下地壳的部分熔融作用形成的岩石通常Mg#值<40，同时拥有较低的Cr、Ni值，而石灰沟辉石闪长岩MgO质量分数介于7.46%～8.82%，Mg#值介于62～67，该值高于由下地壳部分熔融作用所形成的中酸性岩，因此加厚铁镁质下地壳的部分熔融作用不是该闪长岩的成因机制。俯冲板片部分熔融作用所形成闪长岩的Mg#值通常高于60，同时拥有较高的Ni、Cr、Co(w(Ni)>75×10-6、w(Cr)>250×10-6、w(Co)>30×10-6)，这种部分熔融作用一般会产生埃达克质岩浆[12]，而在埃达克岩判别图解上(图8)，闪长岩数据落在了经典岛弧岩石区域，表明石灰沟辉石闪长岩并不是埃达克岩，因此俯冲板片的部分熔融作用也不是该闪长岩的成因机制[13]。

图8 埃达克岩判别图解Fig. 8 Discriminant diagrams of adakites

石灰沟辉石闪长岩富集大离子亲石元素(Rb、K、Th、U等)，亏损高场强元素(Nb、Ti、Zr、Hf等)，强烈亏损Nb和Ti，这个特点与俯冲相关岩石元素特征相似[14]，较高的Mg#、Cr、Ni、Co表明为幔源原始岩浆[15]，闪长岩的w(La)/w(Yb)值介于17.01～19.77(平均18.47)，w(La)/w(Ta)值介于62.80～66.68(平均64.66)，符合岩石圈地幔范围值(w(La)/w(Yb)>1，w(La)/w(Ta)>20)[16]，因此，笔者认为石灰沟辉石闪长岩的岩浆源区来自岩石圈地幔，岩石成因可能为受流体或熔体交代的岩石圈地幔楔的部分熔融作用。

3.2 构造背景

在构造背景判别图解上，辉石闪长岩样品投点落在活动大陆边缘区域内(图9)，这些岩石的特征显示出弧亲和力[17]，因此，我们推断，吉林南部石灰沟辉石闪长岩是由与大洋俯冲有关的过程形成的。Wang等[5]对辽北地块和吉南地块约2.6～2.5 Ga的中基性变火山岩(w(SiO2)<63%)进行地球化学统计分析，发现w(Na2O)/w(K2O)的比值存在明显空间分布差异。辽北地块中的岩石通常具有w(Na2O)/w(K2O)比率大多数大于3.46，并具有Na富集的特征，而吉南地块中的岩石具有较低的w(Na2O)/w(K2O)比率(大多数小于1.95)，并具有K富集的特征。随着向内陆推进，火山岩的w(Na2O)/w(K2O)逐渐增大，代表了从大洋弧到大陆弧的过渡。同时，夹皮沟新太古代花岗岩-绿岩带的变质火山岩，是由下地幔楔部分熔融，经板片流体或熔体(原始弧拉斑玄武岩)轻微交代而形成的，吉林南部花岗闪长片麻岩是俯冲大洋板片和少量沉积物部分熔融形成的[18-20]。李鹏川等[21]对吉南地区新太古代表壳岩及TTG片麻岩的研究表明，它们主要形成于活动大陆边缘环境。综上，笔者认为吉林南部约2.5 Ga时的构造背景如下，大洋板片不断向大陆板块俯冲推进，俯冲带地幔楔发生部分熔融形成中性岩浆，如石灰沟辉石闪长岩。

图9 石灰沟辉石闪长岩构造背景判别图解Fig. 9 Tectonic setting diagram of Shihuigou pyroxene diorite

4 结 论

(1)锆石U-Pb年代学结果表明，石灰沟辉石闪长岩λ(207Pb)/λ(206U)的加权平均年龄为(2 540 ± 19) Ma，代表其结晶年龄。

(2)岩石地球化学分析结果表明，石灰沟辉石闪长岩样品具有较低的SiO2含量，较高的MgO、Cr和Ni含量。辉石闪长岩样品富集轻稀土和大离子亲石元素(Rb、K、Th、U等)，亏损重稀土和高场强元素(Nb、Ti、Zr、Hf等)，具有微弱的Eu负异常。岩浆源区为受流体或熔体交代的岩石圈地幔楔，并经历了部分熔融作用。

(3)新太古代石灰沟辉石闪长岩样品形成于与大洋俯冲密切相关的活动大陆边缘环境。