辽北地区太古宙基底壳岩系和g花岗质岩石地球化学特征

辽北地区太古宙基底壳岩系和g花岗质岩石地球化学特征

类似于现代板块运动的结构体系在古老的古代古代起到了作用（霍夫曼，1988）。华北克拉通经吕梁运动完全克拉通化(赵宗溥等,1993;Zhaoetal.,2001)。但是,太古宙晚期华北克拉通是否存在与现代板块构造类似的碰撞拼合作用(伍家善等,1998;Kuskyetal.,2001;Lietal.,2002),还存在争论。另一方面,超大陆的聚合解体和底侵作用都可引起陆壳增生(Duncanetal.,1994;Steinetal.,1994)。新太古代为华北克拉通陆壳增生主要时期,其增生方式的研究对了解华北克拉通早期地壳演化具有重要意义。本文对辽北抚顺、清原地区新太古代表壳岩系和TTG花岗质岩石进行了地球化学研究。结果表明,它们形成于板块聚合的岛弧系统环境,与现代板块运动类似的构造体制在太古宙晚期就已存在。1区域地质背景按以往认识,辽北抚顺—清原地区存在中太古代高级区和新太古代绿岩带两种不同地壳类型(王松山等,1987;沈保丰等,1994;李俊建等,2000;伍家善等,1998)。中太古代高级区浑南群和TTG片麻状花岗质岩石主要分布于浑河断层以南。新太古代绿岩带清原群和TTG花岗质岩石主要分布于浑河断层以北。但是,最近的研究表明,浑河断层南北两侧太古宙基底在形成时代、岩石组合等方面可以对比,其主体都形成于新太古代。浑河断层南侧小莱河表壳岩系获得3.0Ga左右的角闪石40Ar/39Ar年龄和全岩Sm-Nd等时线年龄(王松山等,1987;李俊建等,2000)是辽北地区中太古代地壳物质存在的最重要证据,但该区角闪变粒岩(变质原岩为火山成因)的岩浆锆石SHRIMPU-Pb年龄为2.52Ga(万渝生等,2005)。浑河断裂两侧都以TTG和变质火山(沉积)建造为主,都有角闪岩相和麻粒岩相变质地体存在。不过,与浑河断层南侧相比,其北侧表壳岩系出露更多,总体上角闪岩相变质地体的比例也更大一些,显示两者差异的存在。根据新的研究成果,把原浑南群和清原群合并,统称为清原群,时代为新太古代(图1)。清原群表壳岩系在小莱河、汤图、通什、清原北部等地较多出露。主体为斜长角闪岩、角闪变粒岩、黑云变粒岩,它们互层产出。变质原岩为拉斑玄武岩、安山岩、英安岩及相应的火山碎屑沉积岩组合。在小莱河等地还有条带状磁铁石英岩存在。变质沉积岩系在汤图、红透山等地出露较多,主要由不同类型的变粒岩组成,包括黑云变粒岩、二云变粒岩、石榴蓝晶二云变粒岩、夕线黑云变粒岩等。TTG花岗质岩石在辽北抚顺—清原地区广泛分布,其比例在80%以上,总体上具穹隆构造产出特征(沈保丰等,1994)。有关它们的组成、性质及空间分布等还不十分清楚。在许多地方,TTG花岗质岩石遭受强烈变质变形和深熔作用改造,形成条带状、条纹状构造,显示出混合岩的外貌特征。辽北太古宙基底中还有规模较大的紫苏花岗岩出露,主要分布在抚顺唐力和清原线金厂一带,与麻粒岩共生。本文涉及到的岩石类型如下。(1)斜长石、黑石、闪石岩石呈暗绿色,块状、片麻状。主要由斜长石和角闪石组成,一些岩石中有透辉石存在。斜长石多遭受不同程度的绢云母化。角闪石为黄褐色,部分被绿泥石化。存在少量斜交面理的晚期角闪石。见很少量绿帘石。(2)角闪石的组成岩石呈灰绿色,块状、片麻状,与斜长角闪岩的主要区别在于斜长石和角闪石比例不同。角闪变粒岩以斜长石为主,暗色矿物主要为角闪石,一些岩石中有透辉石和黑云母。其含量有较大变化,但一般不到30%。在小莱河大部分角闪石呈黄褐色,存在少量形成较晚的绿色角闪石。在汤图角闪石为绿色,定向排列,部分绿泥石化,见透辉石和角闪石之间的反应关系。透辉石为粒状,浅绿色。斜长石粒状,部分具聚片双晶,通常遭受绢云母化。(3)黑云黑粒岩主要由斜长石、石英和黑云母组成。黑云母呈棕色,细片状,定向排列。长英质矿物具三连点结构。一些岩石中还含有石榴子石、白云母等。(4)岩石结构组成根据所含矿物不同还可进一步划分为黑云斜长片麻岩、石榴黑云斜长片麻岩等。黑云斜长片麻岩主要由斜长石、黑云母和少量石英组成。斜长石可具三连点结构,部分具聚片双晶,绢云母化蚀变弱。黑云母具棕色—浅黄色多色性,片状,定向排列。部分岩石中黑云母含量很高,可达40%以上。石榴黑云斜长片麻岩中石榴子石含量通常不高,呈粒状,成层分布,可包裹斜长石、石英。(5)斜加量矿细度岩石具片麻状构造,一些地方受变质变形和深熔作用强烈影响,呈条带状、条痕状。主要由斜长石、石英、钾长石、黑云母组成,其比例可有相当变化,但钾长石、黑云母含量通常不高。根据矿物组合和不同矿物含量变化,可进一步划分为奥长花岗质岩石、英云闪长质岩石、花岗闪长质岩石等。(6)角闪石、黑云母石岩石呈灰色,块状,片麻状,中粒结构。主要由斜长石、石英和黑云母、辉石组成,也有少量角闪石和钾长石。斜长石和石英呈粒状,部分斜长石发生绢云母化。辉石为粒状。角闪石多分布于辉石边部,系由辉石退变形成。黑云母呈棕色—黄色多色性。钾长石为微斜长石,可以斑晶形式存在,具卡式双晶和出溶结构。2素分析结果元素分析结果见表1和图2～4,Sm、Nd同位素分析结果见表2。稀土模式标准化值引自Masuda(1975),岩石/MORB—元素图解的标准化值引自Pearce(1983)。(1)稀土不高，标准化值低,总体规划设计(LF9825a):相对高SiO2(51.89%)、K2O(1.10%)(表1),稀土总量不高(ΣREE=20.3×10-6),标准化值低于10,具平坦型稀土模式[(La/Yb)n=1.0],无负铕异常(Eu/Eu*=1.18)(图2a)。P、Ti、Zr、Nb等高场强不相容元素含量低,相容元素Cr含量较高,而大离子亲石元素Rb、Ba、Th等含量也高(图2b)。(2)多步砂基岩型(LQ0107,LF9825b,LF0107-1,LF9817,LF9816,LF9814,LF9813,LQ0104):根据地球化学组成可划分为3种类型。类型1:见于小莱河铁矿区(LQ0107,LF9825b)。与其互层的斜长角闪岩相比,岩石高SiO2(54.97%～55.57%),低MgO(3.65%～3.67%)、TFeO(5.60%～6.09%),但稀土模式与之十分类似,稀土总量低(ΣREE=13.9×10-6～21.9×10-6),具近于平坦型的稀土模式[(La/Yb)n=1.1～2.9](图2a)。在岩石/MORB—元素图解上,它们的元素分布形式也十分类似(图2b)。类型2:见于汤图、清原北部等地(LF9813,LF9814,LF9816,LF9817,LF0103,LF0107-1,LQ0104)。它们常量元素组成上与前一类角闪变粒岩无明显区别,但稀土模式和微量元素组成特征存在较大差异。它们稀土总量高(ΣREE=78.4×10-6～133.0×10-6),轻稀土明显富集[(La/Yb)n=11.4～20.2],无明显负铕异常(Eu/Eu*=0.94～1.05)(图2c和e)。与前一类角闪变粒岩相比,它们相容元素Sc、Cr含量明显降低(图2d,f)。2个样品(LF9813,LF9817)Sm、Nd同位素分析,tDM和εNd(2.5Ga)分别为2.65～2.71Ga和1.69～2.62(表2)。类型3:采于通什水库附近的黑云角闪变粒岩(LF0103)明显高K2O(3.08%)、P2O5(1.02%)、Zr(487×10-6),稀土总量高(ΣREE=457.5×10-6),轻重稀土强烈分离[(La/Yb)n=41.8],无明显负铕异常(Eu/Eu*=0.88)(图2e)。元素组成上与前两类角闪变粒岩有明显区别。(3)样品的lf9833和ko(LF9806,LF9203,LF9202-1,LF9831):岩石高SiO2(58.29%～66.85%)低TFeO(4.33%～7.46%)、MgO(2.12%～4.43%)和CaO(2.75%～4.80%),除LF9831外(Na2O=2.49%,K2O=3.84%),其余3个样品相对高钠低钾(Na2O=3.22%～4.18%,K2O=2.20%～2.80%)。ΣREE=145.9×10-6～165.6×10-6,(La/Yb)n=10.6～23.6,Eu/Eu*=0.52～0.94(图2g)。2个样品(LF9806,LF9831)的Sm、Nd同位素分析,tDM和εNd(2.5Ga)分别为2.65～2.92Ga和-0.14～2.52(表2)。地球化学组成特征总体与类型2角闪变粒岩类似,但演化程度更高。(4)稀土总量及[la/ybn(LQ9205,LF9832):岩石低SiO2,高MgO、TFeO、CaO,K2O和Na2O含量变化大(表1)。稀土总量较低(ΣREE=66.4×10-6～108.7×10-6),轻重稀土分离不强[(La/Yb)n=4.9～7.6],具一定负铕异常(Eu/Eu*=0.63～0.78)(图3)。样品LF9832的tDM和εNd(2.5Ga)分别为3.26Ga和-1.95(表2)。(5)cao、ko、na2o变化常量元素组成为:SiO2=63.56%～70.92%,MgO=0.46%～2.41%,TFeO=1.84%～5.63%,CaO=1.89%～4.08%,K2O=2.09%～4.19%,Na2O=2.69%～4.87%(表1),显示出较大的变化。岩石稀土总量(ΣREE=77.9×10-6～198.7×10-6)、负铕异常(Eu/Eu*=0.75～1.35)、轻重稀土分离程度[(La/Yb)n=25.8～194.4]也存在较大变化,轻重稀土强烈分离是其共同特征(图4a和b)。(6)岩石结构(LF9801,LF9810)和麻粒岩(LQ0111):紫苏花岗岩低SiO2(60.12%～60.80%),高MgO(2.39%～2.70%)、TFeO(5.24%～5.43%)、CaO(4.21%～4.67%)、Na2O(4.80%～5.26%)、K2O(2.91%～3.36%)。稀土总量为158.2×10-6～171.3×10-6,轻重稀土强烈分离[(La/Yb)n=33.3～37.7],无明显负铕异常(Eu/Eu*=0.99～1.10)(图4c),总体特征与TTG花岗质岩石类似。样品LF9810的tDM和εNd(2.5Ga)分别为2.45Ga和5.42(表2)。麻粒岩与紫苏花岗岩的主要区别是大离子亲石元素明显亏损(图4d)。3岩石学和微量元素小莱河斜长角闪岩具近于平坦型的稀土模式,变质原岩玄武质火山物质来自亏损地幔源区,大离子亲石元素富集则表明陆壳物质影响存在。但是,由于岩石无轻稀土富集,这种影响看来不是玄武质岩浆上升过程中受陆壳物质混杂所致。一种普遍认同的解释是,陆壳物质选择性带入发生在玄武质岩浆物源区,并与岛弧系统环境有关。洋壳及上覆沉积物在岛弧构造环境向下俯冲,到达一定深度时发生脱水,大离子亲石元素富集而轻稀土不富集的流体上升交代上覆亏损地幔楔,引起亏损地幔部分熔融,形成大离子亲石元素富集而稀土具平坦型或甚至亏损型的玄武质岩浆(万渝生等,1997)。除具平坦型稀土模式的斜长角闪岩外,该区还存在较多轻稀土富集型的斜长角闪岩存在(沈保丰等,1994)。类型1角闪变粒岩空间上与小莱河斜长角闪岩紧密共生,变质原岩为安山质岩石,具平坦型稀土模式,大离子亲石元素富集,组成特征与共生的斜长角闪岩十分相似,两者变质原岩之间很可能存在物源上的成因联系。前者是后者进一步结晶分异的产物。类型2角闪变粒岩的变质原岩也为安山质岩石。常量元素组成与类型1角闪变粒岩无明显区别,但组成变化较大,最基性岩石样品与斜长角闪岩接近。它们稀土和其他微量元素组成特征与类型1角闪变粒岩有很大不同,稀土总量较高,轻稀土明显富集,不活动性不相容元素P含量较高,相容元素Cr含量低。它们可能是玄武质岩浆进一步结晶分异的产物。岩石tDM和εNd(2.5Ga)分别为2.65～2.71Ga和1.69～2.62(表2),亏损地幔模式年龄tDM大于火山作用时代(2.51Ga),表明陆壳物质影响存在。但是,由于两类角闪变粒岩常量元素组成无明显区别,不能单用陆壳物质混染影响来解释它们稀土组成差异。类型2角闪变粒岩与类型1角闪变粒岩的变质原岩明显不同,前者来自相对富集的地幔源区,与轻稀土富集型斜长角闪岩是否存在物源上的成因联系值得进一步研究。该区很可能存在富集型和亏损型两种不同类型的太古宙地幔源区。类型3黑云角闪变粒岩(LF0103)稀土总量(ΣREE=457.5×10-6)和大离子亲石元素含量(K2O=3.08%)及P2O5含量(1.02%)都很高,变质原岩可能经历了很强的结晶分异,并遭受陆壳物质强烈影响。黑云变粒岩具英安质岩石组成特征,稀土模式和微量元素组成与类型2角闪变粒岩相似,但显示出更为富集的组成特征。存在两种可能的解释:①黑云变粒岩与类型2角闪变粒岩变质原岩存在物源上的成因联系,前者为后者进一步结晶分异的产物;②黑云变粒岩变质原岩为俯冲洋壳部分熔融的产物,其形成与类型2角闪变粒岩变质原岩无关。地球化学和Nd同位素研究表明,与类型2角闪变粒岩相比,黑云变粒岩变质原岩受到陆源物质更强烈的影响。辽北地区也有变质陆源碎屑沉积岩存在。2个样品(LQ9205和LF9832)分析,地球化学组成上显示出低的成熟度。但样品LF9832的tDM和εNd(2.5Ga)分别为3.26Ga和-1.95(表2),碎屑物质来自古老物源区。TTG花岗质岩石构成辽北太古宙基底的主体。它们遭受变质变形,局部地方存在深熔作用改造。岩石轻重稀土强烈分离,无明显负铕异常,与以往研究结果十分类似(沈保丰等,1994;伍家善等,1998)。这一组成特征被认为与玄武质岩石相对高压条件下的部分熔融有关。太古宙时期洋壳具高的地热梯度,具拉班玄武岩组成的洋壳板块俯冲进入石榴子石稳定区之前未发生脱水反应,而在进入石榴子石稳定区转变为含石榴子石斜长角闪岩或榴辉岩之后才发生部分熔融。由于富集重稀土的石榴子石作为残余相存在,引起太古宙TTG花岗质岩石轻重稀土强烈分离(Martin,1986,1994)。这一认识得到了玄武质岩石高温高压熔融实验(Rappetal.,1991;Senetal.,1994)及年轻的adakite和太古宙TTG花岗质岩石对比研究(Martin,1999)的支持。样品LQ0110轻重稀土分离程度较弱[(La/Yb)n=25.8],内部残余锆石年龄为2.56Ga,变质及深熔成因锆石年龄为2.47Ga(万渝生等,2005),可能为角闪变粒岩深熔作用产物。紫苏花岗岩轻重稀土强烈分离,样品LF9810的tDM和εNd(2.5Ga)分别为2.45Ga和5.42(表2),组成上与TTG花岗质岩石十分相似。两者具有物源上的成因联系,但形成条件有所不同。与现代板块运动类似的构造体制在太古宙晚期阶段已起作用,这一认识得到了越来越多的认同(Marin,1986,1994;Drummondetal.,1990;Karstenetal.,1996)。辽北地区新太古代地质记录可用板块构造得到合理的解释。该区新太古代表壳岩系主要由斜长角闪岩、角闪变粒岩和黑云变粒岩组成,另有少量辉石岩、角闪石岩、片麻岩、片岩存在。变质原岩以玄武质、安山质、英安质等火山(沉积)岩为主,加上少量超基性岩和不同成熟度的陆源碎屑沉积岩,岩石组合和地球化学组成特征与岛弧系统十分类似。两种不同类型地球化学组成特征的斜长角闪岩,可能反映其变质原岩形成条件和过程的不同。亏损型玄武质岩石形成于弧前环境,地幔源区未受陆壳物质明显影响,岩浆上升过程中也未受到陆壳物质混合混染。富集型玄武质岩石形成于岛弧或弧后环境,地幔源区受到陆壳物质强烈影响,或岩浆上升过程中受到陆壳物质的混合混染。TTG花岗质岩石形成也与洋壳俯冲有关。表壳岩系和TTG花岗质岩石形成于岛弧环境,共同构成岛弧系统的不同组成部分。与同时代黑云变粒岩相比,TTG花岗质岩石高SiO2,低TFeO、MgO、CaO,轻重稀土分离程度明显增强,但两者都具高Na2O低K2O的组成特征。如果黑云变粒岩变质原岩英安质火山(沉积)岩形成于俯冲洋壳板块的部分熔融,那么,与TTG花岗质岩石常量元素组成上的差异要求前者形成于更高程度部分熔融。另一方面,英安质火山岩形成在前,轻重稀土分离程度更低,与TTG花岗质岩石形成相比,要求熔融作用发生在洋壳板块俯冲更浅