内蒙古东部下二台群盘岭组岩浆成因研究

内蒙古东部下二台群盘岭组岩浆成因研究

华北板块北缘是近年来地质调查的热点地区之一[1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11]。华北板块北缘东段的古生代地层残缺不全,部分岩石遭受到较强烈的变质和变形作用,野外无露头,缺乏系统精确的年代学和岩石地球化学资料。因此,对华北板块北缘东段古生代的演化历史及与古亚洲洋的演化关系还没有统一的认识,目前主要有以下2种观点:(1)华北板块与西伯利亚板块在中志留世末期—晚志留世早期或晚奥陶世—志留纪对接,后期形成泥盆纪和石炭纪裂陷槽;(2)早古生代志留纪末期白乃庙岛弧拼贴到华北板块上,志留纪至早石炭世可能属于被动大陆边缘,石炭纪中期至中二叠世转化为安第斯型活动大陆边缘,古亚洲洋最终于晚古生代—早中生代沿西拉木伦-长春-延吉缝合带闭合[4,5,6,7,8,9,10,11,14,15,16,17,18,19]。四平地区的下二台群火山岩是华北板块北缘东段存在古生代岩浆作用的重要证据,前人将其与早古生代的呼兰群进行区域对比,然而近年来对呼兰群的精确的年代学研究表明其形成于晚古生代,那么下二台群是否也形成于晚古生代呢?尽管部分学者已经对下二台群进行了沉积建造、构造变形、岩石化学及区域对比等方面的研究,但其形成时代仍存在较大的争议[20,21,22,23,24,25,26,27],究其原因,主要是缺乏系统精确的年代学研究。此外,其形成的构造背景也存在岛弧和弧后盆地2种不同的认识。鉴于此,本文对吉林省四平地区下二台群盘岭组中的变质火山岩进行了锆石U-Pb定年研究,并结合岩石组合特征,进一步探讨下二台群盘岭组变质火山岩形成的构造背景。1下二台群特征研究区地处吉林省四平市南部莲花乡与辽宁省昌图县下二台乡交界的盘岭地区(图1-a),大地构造位置上属于华北板块北缘东段,兴蒙造山带(中亚造山带东段)南缘(图1-a),西邻松辽盆地,东邻伊通-依兰断裂。主要出露有前人认为的下古生界下二台群、上古生界石炭系、中—新生界及大量侵入岩。其中石炭系以大理岩、板岩为主,中生界侏罗系—白垩系以中酸性火山岩、砂岩、页岩为主,新生代基性火山岩发育。此外,区内还广泛出露有晚二叠世、早三叠世、侏罗纪、白垩纪花岗岩,其中侏罗纪花岗岩占主体。下二台群最早由辽宁省第一区测队于1969建立,自下而上划分为盘岭组、黄顶子组、烧锅屯组、王相屯组,主要由角闪片岩、角闪变粒岩、黑云变粒岩、变质流纹岩、大理岩、绢云片岩、变质粉砂岩、千枚岩等组成。盘岭组以钠长角闪片岩和黑云变粒岩为主,夹变质流纹岩、(二云母)石英片岩和变质粉砂岩(图2),其上与盘岭组整合接触的黄顶子组以厚层大理岩为主,与黄顶子组呈平行不整合接触的上覆地层烧锅屯组主要由云母石英片岩和晶屑凝灰岩组成,王相屯组与下伏地层整合接触,以板岩、千枚岩为主,夹少量大理岩。本次所研究的盘岭组岩石样品均采自下二台群标准剖面吉林四平-辽宁昌图交界的下二台乡(图1-b),属于下二台群盘岭组底部,位于盘岭背斜核部。样品11LK19-1(钠长角闪片岩)采自下二台乡盘岭山顶(坐标N42°53.662′、E124°21.615′),风化面呈灰黑色,具片状构造及柱状粒状变晶结构;主要由普通角闪石、钠长石和少量不透明矿物组成,矿物分布不均匀(图3-a)。普通角闪石呈蓝绿色,定向连续排列,钠长石表面较脏,双晶不发育。部分样品镜下可见变余斑晶,仅保留了外部轮廓,而且斑晶发生旋转出现拖尾(图3-b),局部可见杏仁构造。岩相学特征显示其原岩为玄武安山岩,后期遭受高绿片岩相变质。样品11LK20-1采自盘岭山腰道路旁(坐标N42°53′36.8″、E124°21′43.1″),位于样品11LK19-1下部,为变质流纹岩,具流纹构造及变余斑状结构,斑晶为斜长石、碱性长石、石英,基质为长英质。在斑晶和长英质基质之间有后期形成的暗色矿物,碱性长石发育卡式双晶,斜长石发育聚片双晶(图3-c,d)。2分析的结果2.1测试和数据处理研究样品的锆石阴极发光图像在中国科学院地质与地球物理研究所拍摄。LA-ICP-MS锆石U-Pb定年分析在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点试验室完成。详细的实验过程见Liu等的资料。锆石年龄采用国际标准锆石91500作为外标标准物质,含量采用NISTSRM610作为外标,同时使用锆石中含量稳定的29Si作为内标。标准锆石TEMORA1作为未知样品测定获得的年龄为415Ma±4Ma(MSWD=0.112,n=24),该锆石的ID-TIMS年龄为416.75Ma±0.24Ma。激光束的束斑为30μm。依据Anderson的方法对所有的数据进行普通铅校正,然后采用Isoplot3.0进行谐和图的绘制。单个分析点的同位素比值和同位素年龄的误差(标准偏差)为1σ。2.2地球化学和年代学四平地区下二台群盘岭组钠长角闪片岩(11LK19-1)和变质流纹岩(11LK20-1)中部分锆石的阴极发光图像如图4所示,U-Pb年龄谐和图如图5所示,锆石的LA-ICP-MSU-Pb分析结果见表1。盘岭组钠长角闪片岩(11LK19-1)中的锆石的CL图像(图4-a)显示,锆石呈半自形—自形晶,晶棱发育,内部结构清晰,发育典型的岩浆振荡环带,显示,揭示其具有岩浆成因的特点,其Th/U比值介于0.77~1.76之间也证明了这一点。在CL图像中少数锆石边部存在白色均匀的变质边。位于谐和线上及其附近的15个测点的206Pb/238U年龄集中在(337±11)~(346±13)Ma之间,206Pb/238U加权平均年龄为342Ma±6Ma(MSWD=0.053,n=15),代表了盘岭组钠长角闪片岩原岩的形成时代(图5-a),仅有1个测点给出了563Ma±11Ma的206Pb/238U年龄,可能代表了捕获锆石的年龄。盘岭组变质流纹岩(11LK20-1)中锆石的CL图像(图4-b)显示,锆石主要呈半自形—自形,少数呈它形。大部分锆石具有清晰的内部结构和典型的岩浆振荡环带,少数发育微弱的振荡环带。Th/U比值介于0.87~1.79之间,具有明显的岩浆锆石成因特点,在少数锆石边部存在后期形成的变质边。该样品的16个测点位于U-Pb谐和线上及其附近,锆石的206Pb/238U年龄介于(341±12)~(351±14)Ma之间,206Pb/238U加权平均年龄为347Ma±5Ma(MSWD=0.116,n=16),该年龄代表了盘岭组流纹岩的形成时代(图5-b)。3讨论3.1形成时代探讨下二台群的形成时代一直存在争议。辽宁省第一区测队于1969年在测制1∶20万四平幅地质图建立下二台群时,认为其形成于奥陶纪—志留纪。王东方获得的下二台群盘岭组火山岩的Rb-Sr等时线年龄为456Ma±36Ma,其时代为寒武纪—志留纪。吉林省地矿局将其时代定为早志留世。也有学者在下二台群黄顶子组下部大理岩中发现小壳化石和小型腹足类化石,结合前人的Rb-Sr等时线年龄(456Ma±36Ma)将下二台群的时代暂定为奥陶纪。吉林省地质矿产局和杨森也将下二台群时代归入奥陶纪。辽宁省地矿局第九地质大队在1975年进行矿产普查时将下二台群的时代定为石炭纪,以小泉头组代替黄顶子组,天桥山组代替烧锅屯组。上述争论存在的原因主要是受后期岩浆热事件的改造,Rb-Sr同位素体系遭受破坏,其定年结果可信度低。此外,对古生物年代学的研究并未给出化石形成的确切时限,并且对该“小壳和小型腹足化石”还存在争议。考虑到锆石中Pb的扩散封闭温度可以达到900℃,并较少受后期地质作用的影响,测年结果较精确,鉴于此,笔者利用锆石原位分析方法对下二台群的形成时代进行限定。锆石的CL图像及Th/U比值(0.77~1.79)显示,它们均具岩浆成因的特征。定年结果显示,下二台群盘岭组变质流纹岩(11LK20-1)形成时代为347Ma±5Ma,钠长角闪片岩(11LK19-1)形成时代为342Ma±6Ma。因此,下二台群底部盘岭组变质火山岩形成于晚古生代石炭纪早期,而非前人认为的早古生代[20,21,22,23,24,25,26]。这与吉林中部地区余富屯组火山岩的形成时代(C1l)、呼兰群中碎屑锆石年龄和九台四楞山碱性花岗岩的形成时代(340Ma)一致(许文良等,未发表数据)。3.2盘岭组火山岩形成的构造背景及沉积特征华北板块北缘东段四平地区石炭纪早期火山岩的岩石组合为玄武安山岩和流纹岩,二者的形成时代相近,缺少中间类型的火山岩,它们组成了一套典型的双峰式火山岩组合。这套岩石组合反映了石炭纪早期研究区处于伸展构造背景,与吉中地区下石炭统余富屯组的一套海相的细碧角斑岩建造表现出的伸展环境一致,暗示石炭纪早期华北板块北缘东段可能处于伸展的构造背景。形成双峰式火山岩的伸展环境可产生于多种构造背景中,如破坏性板块边缘(如岛弧、活动大陆边缘、弧后盆地、碰撞后的伸展环境)、板内环境(如大陆裂谷、大陆减薄环境)以及被动大陆边缘等。那么研究区内石炭纪早期火成岩形成于哪种伸展环境呢?前人认为下二台群形成于早古生代[20,21,22,23,24,25,26],结合放牛沟弧火山岩、桃山弯月沉积盆地的存在,认为下二台群形成于岛弧或弧后盆地环境。笔者对盘岭组变质火山岩的锆石U-Pb研究结果显示,下二台群盘岭组形成于晚古生代,与放牛沟弧火山岩和桃山弯月沉积盆地的形成时限不同(裴福萍,未发表数据)。另外,到目前为止研究区内并未发现石炭纪早期岛弧岩浆作用的存在,因此下二台群盘岭组火山岩形成的构造背景可能与岛弧或弧后盆地无关。盘岭组火山岩中夹有云母石英片岩和变质粉砂岩,其原岩为泥质和泥砂质岩石,以稳定沉积为主,与盘岭组呈整合接触关系的黄顶子组以厚层大理岩为特征,石炭纪早期松辽海盆以浅海-半深海相沉积为特征;另外,结合吉林中部地区广泛分布的早石炭世巨厚碳酸盐沉积特征以及与余富屯组火山岩伴生的岩屑长石杂砂岩的岩石化学成分特征认为,研究区与大西洋型被动大陆边缘环境具有相似的沉积特征。综上所述,研究区石炭纪早期可能处于被动大陆边缘环境,早石炭世华北板块北缘被动大陆边缘可能一直持续到中石炭世。4岩石学和年代学通过对华北板块北缘东段四平地区下二台群盘岭组变质火山岩的锆石U-Pb测年和岩石组合的研究,得出以下结论:(1)四平地区下二台群盘岭组主要由钠长角闪片岩(原岩为玄武安山岩)、变质流纹岩、云母石英片