华北北辽河群变质枕状火山岩的成因及其构造意义

华北北辽河群变质枕状火山岩的成因及其构造意义

0地质及年代学研究辽吉活动带位于中国北方克拉通东部。它是中国北方克拉通的重要古元古代造山带之一。主要由古元古代变质岩系（辽南南、北辽河群、吉南集安群、老岭群）和古元古代花岗岩（辽吉花岗岩和后造山富铝花岗岩）组成。辽吉古元古代活动带的地层对比和构造背景长期以来存在争议:一些学者认为辽吉活动带是一条古元古代的裂谷带,另外一些学者认为辽吉活动带是一条古元古代碰撞造山带。争论的焦点主要在2个方面:1)南、北辽河群是否为同一沉积盆地同时异相的沉积地层;2)辽吉活动带两侧的太古宙基底是同一古陆块裂开的产物还是属于不同的大陆块体。针对这些问题,近几年许多学者开展了大量以同位素年代学为主的研究工作[6,7,11,12,13,14,15];地质调查工作也致力于从建造和含矿性的角度试图解决辽吉活动带的区域地层层序对比问题。作者最近两年也在辽吉地区开展了一些调查和研究工作,侧重于对古元古代辽吉活动带中岩浆作用的研究,包括变质沉积建造中的火山岩和造山过程中的深成侵入岩。本文即是对辽阳河栏地区辽河群(北辽河群)中变质基性火山岩的初步研究成果,希望对解决辽吉活动带中地层对比和构造背景问题有所裨益。1浪子山组—区域地质背景辽河群在20世纪70年代进行区域地质调查时,自下而上被划分为下亚群浪子山组、里尔峪组,上亚群高家峪组、大石桥组和盖县组。由于岩相变化、变质程度、构造变形和混合岩化程度等方面的差异,通常以盖县—析木城—塔子岭—茳草甸子—叆阳一线为界,将辽河群分为南北两区,俗称南辽河群和北辽河群。南北2个地区的大石桥组和盖县组特征基本一致,但大石桥组以下地层尤其是里尔峪组有明显差异。南区(营口—宽甸地区)里尔峪组和高家峪组普遍遭受了较强烈的混合岩化作用,分异条带较发育,未见浪子山组。北区又以辽阳隆昌为界分为东西两区,东区称辽阳河栏—本溪草河口地区,西区称海城—辽阳隆昌地区,东西2个分区的浪子山组和里尔峪组岩性亦有差异。张秋生等将辽河群划分为上辽河群和下辽河群。上辽河群由大石桥组和盖县组组成,属冒地槽建造。下辽河群又分为冒地槽建造和优地槽建造:冒地槽建造由浪子山组、里尔峪组和高家峪组组成;优地槽建造又称辽吉岩套,由辽吉花岗岩系、含硼岩系和浊积岩系组成,含硼岩系相当于南辽河群的里尔峪组,浊积岩系相当于南辽河群的高家峪组。部分学者认为南北辽河群为上下关系,北辽河群主体位于南辽河群之上;还有一种观点认为南、北辽河群既非上下关系,也非同时异相,而是形成于2个不同类型沉积盆地的岩石建造构造拼贴在一起。本次工作区属北区东部的辽阳河栏—本溪草河口地区(图1),位于辽吉活动带的西北部(图1B,据参考文献)。区内辽河群与下伏新太古代片麻状花岗岩及新太古界鞍山群为韧性剪切或断层接触关系,由于浪子山组下部发育变质砾岩和含砾石英岩,推测两者之间初始接触关系为角度不整合覆盖关系。研究区内辽河群之上被新元古代细河群不整合覆盖。在研究区的西部边缘有大量燕山期的花岗岩侵入。在北区海城—草河口的辽河群中,分布着大量的基性杂岩,一部分已变质为斜长角闪岩,称为什司县基性—超基性杂岩(1/25万丹东市幅),另一部分在地质图上被标定为中元古代变辉长岩,岩石保留了辉绿结构。在海城马风镇的斜长角闪岩中曾获得(2060±20)Ma的锆石U-Pb年龄,被解释为基性岩浆侵位的结晶年龄;而在马风镇西南前炒铁河村附近的辉长岩中获得的成岩年龄(锆石SHRIMP年龄)却为(126±4)Ma。两者在1/25万地质图上均标绘为古元古代什司县变质基性岩墙,年龄测试结果的差异使这些基性杂岩的形成时代变得扑朔迷离。由此可见,这些基性杂岩比想象的更复杂,野外观察定性极为关键。2睡眠岩石的岩石学特征辽阳河栏镇南沟的大石桥组大理岩中曾有枕状熔岩的报道,本次工作也观察了河栏镇妈妈街村附近的变质枕状熔岩及变质基性岩(图1)。在妈妈街附近的阳沟门南侧见一层厚约80m(出露宽度百余米)的变质基性熔岩呈夹层状产于大石桥组大理岩中,岩层总体向西南倾斜约30°,岩石中发育良好的枕状构造(图2),枕状体大小不一(10～100cm),形态各异,有椭球状、肾状及不规则状等;枕状体周边多见一层灰白色的钙硅铝质薄壳,厚度为0～4cm;枕状体之间空间较大时有钙质(方解石)充填,钙质充填物经风化流失后呈三角形或不规则形状的空洞。熔岩枕状体冷凝边结构较清楚,但岩石中气孔杏仁构造不发育,且因岩石遭受了一定程度的变形变质作用,露头上判断枕状熔岩的顶底和地层层序较困难。薄片鉴定枕状熔岩主要由斜长石(～15%)和角闪石(韭闪石)(～85%)组成,局部见少量黑云母。据刘永达等的研究,枕状熔岩中枕状体不同部位的矿物组成存在一定的差别:外壳主要矿物成分为方解石、黝帘石、石榴石,并有角闪石、滑石、绿泥石、白云母、黑云母及少量磁铁矿、黄铁矿等金属矿物,从外到内具有矿物分带现象。冷凝边矿物成分单一,几乎全部由微细粒状角闪石组成,仅有少量榍石和金属矿物。枕状熔岩内部主要矿物为角闪石,其次为斜长石。部分枕状体内部可见斜长石呈2mm大小的米粒状集合体球粒,平行岩枕轮廓分布。在阳沟门北侧,大理岩中见一层厚约50m向南缓倾的斜长角闪岩,岩石呈深灰绿色,细粒粒柱状变晶结构,块状或弱片麻状构造,主要矿物为斜长石(20%)和角闪石(75%),少量石英和绿帘石,局部含石榴石,岩石呈变斑状结构。岩石中未见明显的枕状构造。在阳沟门西南约2km处,大理岩中也见一层厚约3m的石榴斜长角闪岩,岩层与大理岩共同卷入了褶皱变形,形成枢纽向东缓倾的褶皱构造,野外观察为片理褶皱。石榴斜长角闪岩主要矿物成分为石榴石(10%～15%)、角闪石(～60%)、黑云母(3%～5%)、斜长石(～25%)和石英(2%～5%),石榴石呈变斑晶产出。附近还见一变辉绿岩岩脉,保留有辉绿结构。在妈妈街村北见一条厚约10m的基性岩墙(辉长辉绿岩)大致顺围岩层理产出,两侧均为大理岩,岩石局部保留有原岩的辉长辉绿结构,且有中间粒度较粗边缘较细的冷凝结构,靠边部略显定向构造。镜下鉴定主要矿物成分为角闪石(～70%)和斜长石(～30%),极少量黑云母和不透明金属矿物。变质辉绿岩与变质玄武岩在镜下观察有明显不同。变质辉绿岩中角闪石多为辉石退变产物,粒度较粗;斜长石多已黝帘石化,颗粒不完整。而变质玄武岩中的角闪石(阳起石)为新生变质矿物,多呈长条状,颜色较鲜艳;长石粒度较细,有一定程度的绢云母化。3汾河群变质基性岩的地球化学特征在阳沟门附近的变质枕状熔岩和其他基性岩中共采集了岩石化学分析样品7件,其中变质枕状熔岩3件,含石榴斜长角闪岩2件,变质辉绿岩2件。3.1不同质区富铁及其他亚碱性样品测试结果见表1。分析结果显示:w(SiO2)变化较大(47.51%～53.16%),低碱低钾;w(Na2O+K2O)为2.19%～4.46%,w(K2O)为0.3%～1.41%;富铁,w(FeO*)为9.17%～15.94%。在TAS图上主要投在玄武岩区,少量投在玄武安山岩区,均属亚碱性系列(图3)。FeO*/MgO为1.25～2.89,w(Al2O3)为12.20%～15.18%,在FAM图解上因富铁具有拉斑系列演化趋势(图略)。在TiO2-MnO×10-P2O5×10图解(图4)上样品点主要投在岛弧拉斑玄武岩区域,少量投在洋脊玄武岩区域。这些特点指示本区的变质火山岩具有岛弧拉斑玄武岩的特点。3.2变质基性火山岩形成环境分析样品稀土总量较低(表1),w(∑REE)为(61.2～149.1)×10-6;稀土分馏程度较低,(La/Yb)N为1.46～3.96,稀土元素分布模式较平坦或弱富轻稀土;轻稀土分馏程度略高于重稀土,(La/Sm)N为1.07～2.00,(Gd/Yb)N为1.01～1.48。Eu异常不明显或略显负Eu异常,δEu为0.75～1.13(图5),表明原始岩浆以斜长石为主要结晶相的分离结晶作用较弱。多数样品的稀土模式与岛弧或弧后盆地背景产出的拉斑玄武岩相当,少部分与岛弧钙碱性玄武岩类似。微量元素上,样品富大离子亲石元素K、Rb、Ba、Th,而Sr和Ce弱富集,相对亏损高场强元素Nb、Ta、Ti、Zr、Hf和重稀土Y、Yb等。在微量元素蛛网图上(图6),微量元素分布型式与岛弧钙碱性玄武岩相近。Ta、Nb略显负异常,也指示它们产于与岛弧相关的构造背景。在Th-Hf-Ta图解上(图7),样品点投在岛弧钙碱性玄武岩区。岩石中w(Cr)为(104～314)×10-6,w(Ni)为(48.6～101)×10-6,低于洋中脊玄武岩,明显高于典型的岛弧拉斑玄武岩,与岛弧钙碱性玄武岩和弧后盆地玄武岩相当。w(TiO2)为0.89%～2.04%,w(Zr)为(5.6～141)×10-6;Ti/Y为322～368,Nb/Y为0.18～0.28,Zr/Y为3.20～5.0,均与岛弧拉斑玄武岩和洋脊玄武岩相当,低于板内拉斑玄武岩和碱性玄武岩。(La/Nb)N为1.22～1.58,明显高于大陆溢流玄武岩,表明玄武岩受陆壳物质混染程度低。样品的主元素偏向岛弧拉斑玄武岩,而微量元素却偏向岛弧钙碱性玄武岩;因此,推测研究区变质基性火山岩的形成构造环境总体与岛弧背景相关,可能相当于弧后盆地。值得注意的是,变质火山岩与变质基性岩脉在主量和微量元素特征上均无明显区别,可能反映了两者源区的相关性。4成岩年龄及地球化学特征本次工作在枕状熔岩中采集了一个同位素年龄样品。为便于相互应证,在妈妈街北变质辉绿岩和红花沟门南花岗伟晶岩中也各采集了一个样品。样品的锆石分选在廊坊区域地质调查研究所实验室完成,变质枕状熔岩和变质辉绿岩样品的锆石送至北京离子探针中心进行制靶和测试;花岗伟晶岩的锆石测年在天津地质矿产研究所同位素实验室完成。变质枕状熔岩样品(09JL28)采自阳沟门南侧(地理坐标:40°53′43″N;123°25′46″E),样品中分选出的锆石为褐色不规则板柱状,粒度60～150μm。显微镜下几乎不透明,抛光面光亮度差,内部可见许多细小的深色包体。锆石的阴极发光图像呈斑杂状,结晶生长条纹不清晰(部分可见模糊的板条状斑块),内部包体多(图8)。锆石的阴极发光图像特点较一致,未见同心环状的震荡环带,可以排除捕获锆石的可能性。锆石晶形和阴极发光图像特征表明它们是基性岩结晶过程中生长的锆石,可以代表岩石的结晶年龄。样品在北京离子探针中心SHRIMPⅡ仪器上共测试了20个测点,除2个无效点外,其他18个测点给出了较一致的年龄值(表2,图9)。17个测点构成的不一致线上交点年龄为(1869±28)Ma。其中谐和度在95%以上的10个锆石测点给出的207Pb/206Pb表面年龄权重平均值为(1859±25)Ma(图10)。辉绿岩样品(09JL29)采自妈妈街北(地理坐标:40°55′19″N;123°26′14.5″E),岩石中分选出的锆石数量少,且大小不易,形态各异。阴极发光图像上明显可以分为2组:一组阴极发光较亮,且可见较明显的锆石结晶生长环带,以浑圆状或柱状为主。锆石的颗粒形状和阴极发光图像均不似基性岩中的锆石,属捕获碎屑锆石的可能性较大(图11);年龄测试数据(207Pb/206Pb表面年龄)大于2060Ma,最大的为2586Ma(表2)。另一组锆石以柱状为主,棱角较分明,阴极发光图像暗淡,基本不发光,但得到的测试数据不均一,6个测点中3个点的207Pb/206Pb表面年龄为1814～1830Ma,权重平均值为(1828±13)Ma;另3个测点的207Pb/206Pb表面年龄为2039～2079Ma(图12)。该样品全部14个测点中,除2586Ma的数据点外,其他13个测试数据可分为两组:一组即(1828±13)Ma,另一组的207Pb/206Pb权重平均值为2080Ma左右,后者与于介江等在马风一带斜长角闪岩中获得的年龄相近。根据上述锆石特征和测试数据结合变质枕状熔岩的年龄,推断辉绿岩的成岩年龄约为1828Ma,侵位过程中捕获了较多2080Ma左右的锆石和少量太古宙基底的锆石。花岗伟晶岩采自红花沟门南(地理坐标:40°51′58.5″N;123°24′43″E),主要矿物成分斜长石20%,钾长石55%,石英20%～25%,白云母3%～5%,岩石中见有黑云母变粒岩包体。从伟晶岩中分选出的锆石为浅棕色,以柱状晶形为主,部分为碎块粒状,粒度一般为100～200μm。自形程度较好的锆石晶体在透射光照片上即可观察到较好的结晶生长环带;但在阴极发光图像上几乎不发光,难以观察结晶生长的震荡环带,显示伟晶岩中的锆石铀含量极高(前人曾将其视为寻找铀矿的目标地质体)。年龄测试数据(表3)显示,多数测点均有不同程度的铅丢失,因异常高铀导致Th/U比值低(0.01～0.06)。24个测点中,3个点的207Pb/206Pb表面年龄为2075.1～2092.7Ma,2个点的207Pb/206Pb表面年龄为1920.2～1926.4Ma;13个谐和度在95%的测点207Pb/206Pb表面年龄权重平均值为(1869.7±7.6)Ma(图13),它们大致构成的一条不一致线上交点年龄为(1863.5±6.5)Ma(图14)。高铀且具结晶生长环带,表明锆石是伟晶岩结晶时形成的可能性大,1860Ma左右的年龄值可以代表伟晶岩的形成年龄。从上述测试结果看,变质枕状熔岩与伟晶岩的年龄数据相当(在误差范围内一致),后者的207Pb/206Pb表面年龄权重平均值甚至还略大于前者。但从野外岩石产出状态看,变质枕状熔岩与大石桥组大理岩呈协调的夹层关系,而伟晶岩则明显侵入到大石桥组大理岩中,枕状熔岩的形成时代明显要早于伟晶岩;两者锆石U-Pb年龄测试结果在误差范围内一致,这可能表明两者形成时代较为接近,同时也意味着对锆石U-Pb年龄做出解释时不能过分依赖测定的绝对年龄值来确定岩石的形成顺序。5结论和讨论5.1岛弧或弧后盆地内的成岩改造研究区变质基性熔岩的岩石化学分析显示了岛弧拉斑玄武岩的特征,稀土和微量元素分析则指示了岛弧拉斑玄武岩与岛弧钙碱性玄武岩的过渡特点;部分地球化学指标与洋脊玄武岩相近,但明显不同于大陆拉斑玄武岩,形成构造环境总体与岛弧或弧后盆地的大地构造背景相关。马立杰等曾对海城马风镇附近北辽河群中的斜长角闪岩进行了研究,认为它们的原岩属于石英拉斑玄武质岩石,形成于大洋岛弧环境。研究区的样品与马立杰等研究的样品地球化学特点具有很大的相似性,考虑到马风附近的斜长角闪岩产于浪子山组和里尔峪组中,而浪子山组和里尔峪组均为一套绿片岩相变质的陆缘碎屑岩,形成于大洋岛弧环境的可能性不大,因此,笔者更倾向于认为北辽河群中的变质基性岩可能形成于弧后盆地,而非大陆裂谷背景。5.2造山阶段u-构造环境转化阶段1)在本次进行锆石U-Pb测年的3个样品中,伟晶岩和蚀变辉绿岩样品均含有～2080Ma的锆石,其中部分锆石阴极发光图像具有同心状的震荡环带,表明它们来自于中酸性岩浆岩。不论样品中的这些锆石是来源于辽河群变质碎屑岩还是深部岩体,均意味着辽吉活动带中存在一期～2080Ma的岩浆活动。前人在变质碎屑岩和深成岩研究中也存在这组锆石年龄信息,表明该期岩浆事件具有普遍性。区域上辽吉活动带中已确定了两期主要的中酸性岩浆事件:早期伸展背景下形成的辽吉花岗岩,包括条痕状磁铁花岗片麻岩(～2.17Ga)和角闪/黑云二长花岗片麻岩(～2.15Ga);晚期同造山或晚造山背景下形成的强过铝花岗岩(巨斑状花岗岩,～1.87Ga)和碱性花岗岩(矿洞沟正长岩,～1.85Ga)。上述～2080Ma的锆石年龄信息意味着辽吉活动带中还存在一期中酸性岩浆活动但未引起足够重视,这期岩浆活动的识别对判断辽吉活动带的构造性质具有重要意义。2)花岗伟晶岩是区域岩浆活动晚期的产物,在造山过程中伟晶岩往往是造山作用结束的标识,具有与后造山“A”型花岗岩类似的大地构造意义。研究区西南盖县梁屯附近的矿洞沟正长岩被认为是造山晚期挤压构造背景向伸展构造背景转化阶段的产物,标志着造山作用的结束。花岗伟晶岩具有与矿洞沟正长岩类似的地质构造意义,从锆石同位素测年结果看两者的的形成时代基本一致,结合前人对矿洞沟正长岩的年代学研究,认为标志造山作用结束的该期岩浆作用应在～1860Ma。3)变质枕状熔岩中锆石较均一,几乎不含其他捕获锆石,意味着玄武岩喷出过程中未遭受明显的陆壳物质混染,能否与弧后盆地张裂出现洋壳联系起来尚需进一步研究。变质枕状熔岩作为北辽河群大石桥组沉积阶段的产物,其形成时代理应早于同碰撞岩浆活动,即其形成时代应早于强过铝花岗岩(含石榴石的巨斑状花岗岩),更应该早于标志造山作用结束时限的矿洞沟正长岩和花岗岩伟晶岩。强过铝花岗岩属典型的“S”型花岗岩,在造山带中强过铝花岗岩是同造山后碰撞阶段典型的岩浆岩构造组合,是大陆俯冲碰撞过程中大陆碎屑物质俯冲到地壳深部发生部分熔融作用的产物。辽吉活动带中强过铝花岗岩广泛分布于宽甸—通化—临江—白山一带,多与南辽河群和集安群岩石共生,并延伸到朝鲜境内。强过铝花岗岩的形成时代目前被限定在～1.87Ga。因此,推断枕状熔岩的形成时代大致为1870～1880Ma。4)变质枕状熔岩的形成时代应早于造山变质作用的形成时代,因此北辽河群的变质作用应晚于1880Ma,前人获得的锆石生长边的年龄值(1955～1914Ma)不一定代表峰期变质作用的时代,而可能与一期岩浆热液作用有关。南辽河群作为更靠近陆缘岛弧的岩石建造,不排除存在1.9Ga以前变质作用的可能性。由于南辽河群(含集安群)中广泛发育1.87Ga左右的后碰撞岩浆作用,它们所反映的变质作用很可能与这期岩浆作用相关,出现反时针的变质p-