辽东半岛北辽河群浪子山组巴罗式变质带的特征

辽东半岛北辽河群浪子山组巴罗式变质带的特征

0巴罗式变质带的出现巴罗式变质带（或变质带的附加性质带）。需要指出的是，这些学者认为巴罗式变质带的形成可能与岩浆作用相关是基于其拥有一个快速热源的推断，并没有提出岩浆侵入直接造成巴罗式变质作用的证据，而且苏格兰高地没有大规模的岩浆活动能造成如此大面积的巴罗式变质作用.故笔者较为赞成华北克拉通内发育古元古代的巴罗式变质带.1地质背景与采样描述1.1辽河群地质组成胶-辽-吉带是华北克拉通东部呈北东-南西向展布的一条典型的古元古代造山带，同时也是连接龙岗地块和狼林地块的桥梁（图1）.胶-辽-吉带的岩石组合为绿片岩相-麻粒岩相的火山-沉积岩系，以及基性侵入体和花岗质侵入体（前人对位于胶-辽-吉带中部胶东半岛内的辽河群进行了大量的研究工作.地层划分方面，从下到上依次可以分为浪子山组、里尔峪组、高家峪组、大石桥组和盖县组.其中，浪子山组和盖县组为一套变质碎屑岩，里尔峪组和高家峪组为一套变质火山岩，大石桥组为一套碳酸盐岩.沉积物源方面，野外地质调查表明，辽河群最底部浪子山组的岩石组合从下到上依次为石英岩、云母石英片岩、蓝晶十字石榴云母片岩、十字石榴云母片岩、石榴云母片岩、二云母片岩、千枚岩和板岩，部分地区可见大理岩夹层.浪子山组底部与太古宙基底呈断层接触，上部与里尔峪变质火山岩呈沉积接触，局部呈构造接触.1.2样品的岩相学分析本文对研究区内黑云母带、石榴石带、十字石带和蓝晶石带的岩石进行了系统采样，编号分别为D1013-2（黑云母带）、D1028-2（石榴石带）、D1024-1（十字石带）、D1034-6（蓝晶石带）和18FLY12（蓝晶石带），见图2和图3所示.其中，对样品D1034-6进行了全岩主量元素分析以及电子探针分析，根据其实验数据，进一步进行相平衡模拟；对样品18FLY12进行了U-Pb锆石定年.矿物缩写：Sil.矽线石、Ky.蓝晶石、St.十字石、Grt.石榴子石、And.红柱石、Ctd.硬绿泥石、Crd.堇青石、Zo.黝帘石、Bt.黑云母、Ms.白云母、Ser.绢云母、Pl.斜长石、Chl.绿泥石、Qz.石英、Tur.电气石、Ru.金红石、Ilm.钛铁矿.2分析方法及处理流程本文对野外采集的样品进行系统的分类整理，并进行相关室内分析.首先，在显微镜下对巴罗式变质带内的各类薄片进行了详细的岩相学观察与分析.然后，选择具有代表性的探针片在中国地质科学院地质研究所进行矿物间相互转变关系以及矿物化学特征分析，进一步厘定各期次的变质矿物组合.最后，选择典型的变质矿物或变质矿物组合（D1034-6）进行化学成分分析，实验是在中国地质科学院地质研究所大陆构造与动力学自然资源部重点实验室JXA8100型电子探针上进行，测试条件为加速电压15kV，电子流1×10全岩主量元素分析（D1034-6）在武汉上谱分析科技有限责任公司利用日本理学PrimusⅡX射线荧光光谱仪（XRF）完成.用于XRF分析的样品处理流程如下：（1）将200目样品置于105℃烘箱中烘干12h;(2）称取～1.0g烘干样品置于恒重陶瓷坩埚中，在1000℃马弗炉中灼烧2h，取出待冷却至室温再称量，计算烧失量；（3）分别称取6.0g助熔剂（Li锆石分选是在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成.首先，将样品破碎至适当粒级，经过清洗、烘干和筛选等基本过程后，采用磁选和重液分选出不同粒度的锆石晶体，然后在双目镜下挑选出200粒相对完整的锆石晶体.锆石制靶完成后，首先在显微镜下对锆石颗粒进行透射光和反射光的观察，便于了解锆石颗粒中包裹体发育情况和表面裂纹发育情况.然后将锆石靶镀金，进行阴极发光图像（CL）的拍摄，便于观察锆石内部结构，CL图像的拍摄是在武汉上谱分析科技有限责任公司完成.仪器为高真空扫描电子显微镜（JSM-IT100），配备有GATANMINICL系统.工作电场电压为10.0～13.0kV，钨灯丝电流为80～85µA.锆石U-Pb定年（18FLY12）在武汉上谱分析科技有限责任公司利用LA-ICP-MS分析完成.3野外分布和岩石相学特征3.1逆冲推覆动力学分析从地理位置来看，研究区位于辽东本溪地区连山关-祁家堡一带（图2）；从大地构造位置来看，研究区位于华北克拉通胶-辽-吉构造带中段.笔者对连山关-祁家堡一带的浪子山组进行了详细的野外地质填图工作.野外填图表明，浪子山组主要呈南东-北西向展布，东北方向以拆离断层与太古宙基底相接触，南西方向可见里尔峪组火山岩或大石桥组碳酸岩逆冲推覆于浪子山组上（图3a）.在垂直于该地层走向的方向上，发育走滑断层.填图区由北向南，主要岩性包括太古宙花岗岩，浪子山组的石英岩、云母石英片岩、蓝晶十字石榴云母片岩、十字石榴云母片岩、石榴云母片岩、二云母片岩、千枚岩和板岩，并含有少量碳酸岩夹层，里尔峪组火山岩，大石桥组碳酸岩，以及少量第四系（图3）.浪子山组内可见明显的递增变质带，由南向北初步分为黑云母带、石榴石带、十字石带和蓝晶石带.在图3a中，各递增变质带出露相对完整，但出露宽度不一致，出露最宽的为十字石带约400m，蓝晶石带、石榴石带和黑云母带出露宽度分别约100m、130m、180m.研究区逆冲推覆构造强烈，表现为各变质带呈叠瓦状分布，即可见部分变质程度较高的岩石叠置于变质程度较低的岩石之上（如图3b中，可见蓝晶石带片岩叠置于板岩之上）；在靠近太古宙花岗岩的十字石带内，可见局部岩层产状发生变化，倾向由南变为北，指示了局部褶皱的形成或者断层相关褶皱的发育（图3b).3.2石榴子石成因黑云母带（二云母片岩：D1013-2）：岩石主要为银灰色，鳞片变晶结构，片状构造，部分岩石可见轻微的褶皱现象（图4a）.室内研究可知，其主要矿物组合为：Bt+Ms+Qz+Pl，另见磁铁矿和钛铁矿等副矿物.黑云母存在于两个区域：（1）以变斑晶的形式出现，可见石英和斜长石包体，可以看出该变斑晶由大小不同的黑云母片组成，逐渐形成一个完整的黑云母雏晶，指示黑云母正在经历一个进变质生长过程；（2）与白云母、斜长石和石英等矿物出现在基质中，呈定向排列构成面理，并见有褶劈理现象（图5a).石榴石带（石榴云母片岩：D1028-2）：岩石主要呈浅黄灰色，鳞片-粒状变晶结构，片状构造，野外明显可见浑圆粒状石榴子石（图4b）.镜下观察可知，其主要矿物组合为Grt+Bt+Ms+Qz+Pl+Chl，以及电气石、钛铁矿和磁铁矿.石榴子石呈自形-半自形，以变斑晶的形式出现.白云母、黑云母、石英和斜长石有两种产出形态：（1）出现在基质中，呈定向排列构成面理（图5b);(2）以细小的包体出现在石榴子石内部，逐渐有定向排列的趋势，表明石榴子石在生长过程中受到了构造变形的影响.十字石带（十字石榴云母片岩：D1024-1）：岩石主要为黄灰色，鳞片-粒状变晶结构，片状构造，部分岩石野外可见针柱状十字石（图4c）.镜下观察可知，其矿物组合为St+Grt+Bt+Ms+Pl+Qz，以及电气石、钛铁矿等副矿物.十字石与石榴子石均以变斑晶的形式出现，另见十字石中含有石榴子石包体（图5c），表明十字石是在石榴子石之后生长的.白云母、黑云母、石英和斜长石有两种产出形态：（1）出现在基质中，呈定向排列构成面理；（2）以细小的包体出现在十字石或石榴子石内部，逐渐有定向排列的趋势，表明十字石在生长过程中受到了构造变形的改造.蓝晶石带（蓝晶十字石榴云母片岩：18FLY12）：岩石主要为银灰色，鳞片-柱状变晶结构，片状构造（图4d）.室内研究表明，其矿物组合为Sil+Ky+St+Grt+Bt+Ms+Qz+Pl+Chl，以及电气石、钛铁矿和磁铁矿等副矿物.蓝晶石、十字石和石榴子石均以变斑晶的形式出现，另见石榴子石以包体形式出现于蓝晶石中，表明蓝晶石是在石榴子石之后生长的.白云母、黑云母、石英和斜长石有两种产出形态：（1）出现在基质中，呈定向排列构成面理（图5d);(2）以细小的包体出现在蓝晶石、十字石或石榴子石内部，并呈定向排列，表明变斑晶在生长过程中受到了构造变形的改造.绿泥石主要存在于两个区域：（1）存在于石榴子石的包体中，为早期变质矿物的残留；（2）存在于各变质矿物的边缘或裂隙中，代表着晚期的退变质作用（图5e）.矽线石主要存在于基质中，但并未发现矽线石与钾长石的高温矿物组合，只有矽线石与白云母的矿物组合（图5f).3.3变质作用阶段蓝晶石带是该区域最高的变质带，它很好地保留了多期变质矿物组合.结合岩相学观察及矿物之间的变质反应，本研究将该变质作用划分为3个阶段.第1阶段（M4石榴子石微区成分特征石榴子石是变质岩研究中最为普遍的矿物，记录了变质作用过程中的大量信息.根据石榴子石中包裹的早期矿物组合、生长环带或一些反应结构，能很好地反演变质演化过程.为进一步了解石榴子石微区成分变化，本文对样品D1034-6中的石榴子石进行了线剖面分析工作（图6b），结果如图6c和附表1所示.石榴子石核部相对富集Mn和Ca，边部富集Fe和Mg，这是变泥质岩中典型的进变质石榴子石（5相平衡模拟与压力估算的关系5.1系统模型为了模拟蓝晶十字石榴云母片岩不同变质演化阶段的P-T轨迹，笔者基于MnNCKFMASH(MnO-Na5.2结果早期变质阶段M峰期变质阶段M退变质阶段M6u-pb时期6.1锆石cl图像特征样品为蓝晶十字石榴云母片岩（18FLY12，见图2），岩石中的锆石大多数为柱状，长轴约为100μm，长宽比介于2:1～3.5:1，少数锆石呈椭圆状或不规则粒状，少数颗粒表面具有不规则裂纹（图8）.根据CL图像，锆石主要可以分为以下3种：（1）磨圆较好且岩浆振荡环带较为明显，可能为物源碎屑锆石；（2）部分锆石具有明显的核-边结构，大部分核部呈灰色的阴极发光特征，变质增生边发育，呈现不均匀的灰色；（3）完全呈不均匀的灰色，可能为变质锆石.6.2锆石微区分析结果样品18FLY12的定年结果如图9，具体数据见附表3.其中56个岩浆锆石微区分析结果显示，其Th和U含量变化较大，Th含量为21.71×10此外，该样品包含8个变质锆石，其Th和U含量变化较小，Th含量为169.68×107讨论7.1巴罗式变质带结果分析关于辽东半岛巴罗式变质带的分布，部分学者已做相关的野外调查和室内研究，认为北辽河群内发育中压的巴罗式递增变质带（在连山关-祁家堡地区浪子山组内（图3a、3b），巴罗式变质带从南向北整体上依次出现黑云母带、石榴石带、十字石带和蓝晶石带，而且每个带的宽度仅为几十至几百米，最宽的十字石带也仅为400m左右.例如，根据变质程度的递增特征，朱家沟剖面从南向北大致可以分为3个部分（图3b).(1)：该段的巴罗式变质带出露有蓝晶石带、石榴石带和黑云母带，缺失十字石带，这部分整体宽度约300m;(2)：该段只出现黑云母带，宽度约为50m;(3)：该段的巴罗式变质带出露有十字石带、石榴石带和黑云母带，整体宽度约为600m.由该剖面可以得出以下信息：（1）巴罗式变质带受构造影响强烈，巴罗式变质带反复出现.此外，以上3个部分也断层接触，表现为巴罗式变质带呈叠瓦状分布；（2）该剖面中经历过多次叠瓦状构造影响的巴罗式变质带还剩950m（约1km);(3）简单计算巴罗带从蓝晶石带到黑云母带最大的地表距离为800m，受3条以上断裂控制的话，原始的宽度应该能达到2km以上；（4）巴罗式变质带下盘北侧断层接触岩石为太古宙花岗岩；（5）巴罗式变质带周围未见任何同时代岩浆侵入.上述可知，辽东地区连山关-祁家堡朱家沟剖面中巴罗式变质带现今地表宽度在（垂直走向）1km左右，整个区域最大宽度约1.5km.首先，对于剥蚀时间来说，相比于显生宙造山带，古元古代造山带经历了漫长的地质过程，受到多期多阶段造山作用的影响，大量的地表沉积物遭到破坏及剥蚀，所以长时间的剥蚀是古元古代巴罗式变质带地表出露宽度小的一个重要原因.其次，对于原始沉积厚度及宽度来说，前人研究表明，浪子山组的沉积厚度在200～2000m之间（7.2辽河群浪子山组p-t-t演化轨迹及构造意义）在岩相学观察的基础上，采用传统温压计对北辽河群不同变质演化阶段的P-T条件进行估算，厘定北辽河群的峰期变质P-T条件为600～640℃/6.4～7.3kbar，并建立了北辽河群自升温升压-等温减压-降温降压的顺时针P-T-t演化轨迹.此外，前人对吉林的集安群和老岭群，胶北地区的粉子山群和荆山群也进行了变质作用研究.根据传统温压计及相平衡模拟，厘定吉林地区的集安群和老岭群经历了自升温升压-等温减压-降温降压的顺时针P-T-t演化轨迹（以上所述表明，不仅老岭群、北辽河群和粉子山群经历了顺时针P-T-t演化轨迹，而且集安群、南辽河群和荆山群也经历了顺时针P-T-t演化轨迹，并且变质程度达到了麻粒岩相，结合构造地质学及其他相关证据，大部分研究者认为整个胶辽吉带在1.95～1.90Ga经历了与俯冲-碰撞相关的造山事件.根据岩相学、矿物化学与相平衡模拟结果，本文建立了辽河群浪子山组蓝晶十字石榴云母片岩的P-T-t演化轨迹（图7）.根据岩相学观察及相平衡模拟，识别出了早期矿物组合为Pl+Qz+Ms+Bt+Chl+Ctd±Grt，峰期矿物组合为Ky+St+Grt+Bt+Ms+Qz+Pl+Ilm.早期到峰期经历了一个升温升压的进变质过程.峰后为降温降压的退变质过程，主要分为2个阶段：第1阶段主要以矽线石的出现为特征，并未发现矽线石和钾长石的高温矿物组合，推测矽线石的出现可能代表一个近等温降压的过程，这与前人研究的北辽河群变质演化类似（故此，笔者认为研究区浪子山组巴罗式变质带的形成可能与胶-辽-吉带造山作用引起的地壳增厚有关（图10），原因如下：（1）岩相学观察可知，变泥质岩中的石榴子石和十字石等特征变质矿物中的包体呈定向排列，可能受到了同期构造作用的影响；（2）同期逆冲推覆构造的发育；（3）没有同时代的岩浆作用；（4）研究区内的蓝晶石十字石榴云母片岩经历了顺时针P-T-t演化轨迹.7.3巴罗式变质带研究的问题对古元古代巴罗式变质带的深入研究，能够反映前寒武纪地壳增厚过程及反演前寒武纪碰撞或增生造山过程.因此，对于全球其他前寒武纪造山带来说，除了从岩浆作用、年代学等方面进行研究，如果存在巴罗式变质带，则可以从这个方面入手，进行全面的野外地质调查，以及岩相学、矿物化学、相平衡模拟、变质变形、年代学等多角度的研究.例如，巴西中部的MaraRosa区域的变沉积岩包含