辽东地区古元古代花岗岩u-pb年代学研究

辽东地区古元古代花岗岩u-pb年代学研究

连山关-高家沟花岗岩位于中国北方地台东北部的大沽台龙、太子河-浑江坳陷的过渡地带，以及辽东古裂谷的北部边缘。它长约40公里，宽约5.10公里（图1）。它显示了古代元代边界上的nww短轴背斜核。该岩体是一个遭受多期重熔、改造的复式花岗岩体,核部分布片麻状花岗岩和鞍山群“残留体”。区内断裂构造主要有两组:NWW向压性断裂和NE向压扭性断裂,前者被后者错断,它们主要沿接触带附近分布。连山关岩体的平均铀含量为8.33×10-6,是目前我国已探明古元古代铀矿床(点)的主要产区,也是辽东最重要的铀矿远景区之一。区内铀矿床的矿石矿物主要为沥青铀矿,铀成矿年龄为1800～1900Ma。连山关-高家沟花岗岩体除铀矿外还产有一些中小型铅锌矿,是地矿部门历年来重点工作区域之一。岩体核部的片麻状黑云母花岗岩呈灰白色,细粒片麻状构造(局部风化后显浅红色),以发育片麻理为其宏观特征,空间上侵入辽河群和鞍山群。根据前人研究,片麻状黑云母花岗岩的同位素年龄约为2500Ma。该岩石具有高硅、钾,低铝、钙、铁、镁特征,K2O/Na2O均值为1.61,Na2O+K2O含量高(7.42%～10.13%),ACNK均值为1.1,属铝过饱和、钾质过碱系列。ΣREE平均含量为283×10-6,LREE/HREE平均为11.80,δEu、δCe平均分别为0.29、0.94,具明显的负铕异常,基本无Ce异常。其稀土配分模式图为右倾的轻稀土富集型,表明具有成熟度较高的早期陆壳基底物源特征。连山关-高家沟岩体以往的年代学数据大都出自上世纪80年代到上世纪末,限于当时的条件及研究程度,主要是采用Sm-Nd、U-Pb(锆石溶样)法获得的同位素年龄。并且普遍认为,连山关-高家沟岩体是多期岩浆活动的产物,主要为晚太古代形成的钾质花岗岩体,后期经历了2300～2400Ma和1800Ma两期重熔侵位、改造而成。尤其是1800Ma的重熔岩浆侵位作用,在辽河群浪子山组和里尔峪组地层中产生了碱交代岩。由于连山关-高家沟富铀岩体的形成和后期改造对铀成矿有重要的作用,因此,精确厘定构造岩浆事件的年代和性质对铀成矿预测与勘探意义重大。笔者在对岩体广泛踏勘的基础上,选取岩体西北部、中部接触带花岗岩进行了单颗粒锆石测年,得到了锆石U-Pb的精确同位素年龄。同时,根据岩石地球化学特征和岩体与地层接触关系,认为此期构造岩浆活动是在拉伸状态下的基底重熔改造。1年龄及未固结年龄为探讨铀成矿作用与基底花岗岩化作用之间的关系及岩体内几期花岗岩的主要形成年龄,笔者收集了自上世纪80年代以来连山关-高家沟岩体的年龄资料,主要是锆石U-Pb年龄,共24个年龄数据(表1)。上述同位素年龄可分为3种情况:(1)全岩U-Pb年龄:受测年方法限制,虽然总体上年龄范围是正确的,但是有些数据精度值得商榷,如5～7号结果;(2)非单颗粒锆石U-Pb年龄:选出锆石后,主要按形态、颜色和透明度分组,分组溶解后测试定年,U-Pb谐和线线性较好,数据准确性较高,如8～10和17～24号;(3)Sm-Nd模式年龄:反映的可能是壳幔分离的时间或者本地区太古界结晶基底的年龄,不能看作岩体形成的年龄。近年来,连山关岩体出现了一批高精度颗粒锆石U-Pb年龄,如核工业240研究所采用灵敏高分辨离子探针(SHR1MP)分析方法在岩体的256地区获得了花岗岩锆石年龄(片麻状花岗岩,约为2500Ma,与庄延新个人交流,2008),迫切需要更多的不同岩性的精确年龄数据,以便获得岩体早前寒武纪基底构造-岩浆活动精确的年代学定位,并与前人的工作相互对比印证。2锆石u-pb年龄测定结果本文所测定的锆石取自岩体中部(Ld22)和西北部(Ld7),其中Ld22取自3075铀矿床180中段4108巷,岩石为白色中粒黑云母花岗岩;Ld7采自高家沟奥源铁矿围岩,为肉红色中粒二云母花岗岩。样品分别经过粉碎、重选、磁选后,在显微镜下各选出200多粒锆石,从其中每个样选出约40粒晶体形态为自形至半自形、透明至半透明、无包体、无裂纹和杂质的锆石晶体以备U-Pb年龄测定。Ld22样品所测的6粒锆石主要特征为:①无色至浅灰白色、半透明短柱状、双锥柱状自形晶体(4粒);②玫瑰色调浅黄色半透明细长柱状自形晶体(1粒);③玫瑰色调浅黄色半透明短柱状半自形晶体(1粒)。Ld7样品所测的9粒锆石主要特征为:①浅灰白色半透明短柱状、双锥柱状半自形晶体(4粒);②浅黄色透明短柱状晶体(2粒);③微黄色半透明细长柱状半自形、自形晶体(3粒)。这两个样品的锆石形态、大小以及透明度很相似。从显微镜下观察,锆石晶体晶型比较完好,无磨圆和溶蚀现象。此外,所选锆石中不含晶核,表面干净无杂质。在阴极发光电子图上(图2),锆石粒径大小为20～100μm,集中在30～50μm,多数具有明显振荡环带或者同心韵律环带结构,少数为内部相对均匀,外部宽窄有变化的环状结构,边部较清晰、均匀。据此判断它们的来源应以岩浆成因为主(很可能属原地成因性质)。3la-icp-ms定年结果及年代学按照定年的要求,将两个样品的锆石颗粒粘在同一靶子(不同位置)的双面胶上,经烘箱内烘烤一定时间(过夜后),取出进行抛光,之后先在日产JXA-8100EPM电子探针微分析仪上进行放大的阴极射线照相,最后在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室的Agilent7500a等离子体质谱仪进行U-Pb含量、Pb同位素原子比测试。实验中采用He作为剥蚀物质的载气。用美国人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NISTSRM610进行仪器最佳化。测试中锆石U-Pb年龄测定利用标准锆石GJ-1(600Ma)和91500STD(1064Ma)作外标校正方法,每隔4～5个分析点测一次标样进行校正,并在每10次锆石分析前后各测2次NISTSRM610,以29Si(锆石中SiO2含量为32.8%)作为内标测定锆石中U、Th和Pb的含量。年龄计算及谐和图的绘制采用Ludwig的Isoplot(ver2.49)。对粒径大于、等于40μm的锆石采用30μm的激光剥蚀斑径,小于40μm的采用24μm的剥蚀斑径进行LA-ICP-MS定年分析。前期制样的规范、要求以及详细分析方法、流程参照宋彪、袁洪林等人的文献,U-Th-Pb含量分析参照Gao等(2002)资料,分析结果见表2。根据连山关-高家沟花岗岩体为晚太古代至古元古代的同位素演化特点,采用U-Pb谐和线图解法处理数据,相应的图谱见图3。本次测定的Ld7和Ld22两组颗粒锆石U-Pb年龄精度较高,大部分测点显示一定的Pb丢失,但是都构成了线性较好的不一致线,上交点年龄分别为2198±31.5Ma和2162±31Ma,在误差范围内是一致的。结合前述锆石形态和结晶学特征,表明在2100～2200Ma之间,连山关-高家沟岩体发生了一次花岗岩浆事件。由于连山关-高家沟岩体在太古代以后遭受到多期重熔、变质及伴随的交代作用的改造,其下交点年龄的意义还有待进一步确定。根据对辽东地区太古代至古元古代花岗岩锆石U-Pb谐和线年龄分析比较,主要的年龄数据可以分为3组:(1)2500±100Ma,包括连山关-高家沟岩体中细粒片麻状花岗岩锆石U-Pb谐和线年龄2417±36323236Ma,即晚太古宙连山关-高家沟花岗岩主体形成的时间。此外,辽北至吉南大面积英云闪长岩大致形成于2400～2500Ma左右,它反映本区太古宙末期强烈的岩浆-变质-深熔事件。(2)2100～2200Ma左右,代表一期岩体重熔、侵位的年龄,此期岩石广泛分布于海城、弓长岭到连山关地区,主要形成了肉红色中细粒花岗岩,其矿物成分:长石为35%～40%,石英为26%～35%,微斜长石约20%,黑云母(或白云母、二云母)为2%～15%。(3)1800±100Ma,在吕梁运动的影响下,早期形成的岩石发生强烈的重熔改造,此期作用与辽东古元古代裂谷的闭合及本地区铀成矿作用相一致。从区域年代学资料来看,近年来在吉南和辽东地区元古代活动带中获得了一批2100～2200Ma的锆石测年数据,如辽南海城辽河群、大石桥组,辽南虎皮峪岩体、海城牌楼-宽甸花岗岩体、吉南通化花岗岩体的锆石年龄。路孝平等(2004)认为,这些空间上与辽河群共生的辽吉花岗岩与辽河群等一道卷入了古元古代的变形变质作用,是裂陷早期的A型花岗岩。另外,笔者在营口后仙峪也获得了2187±37Ma的花岗岩锆石LA-ICP-MS年龄(207Pb/206Pb加权平均年龄)。这些年龄为2100～2200Ma的花岗岩标志着在辽东地区存在一次古元古代中期地壳张裂事件引发的花岗岩浆活动。从连山关-高家沟岩体的年龄、岩性和锆石特征来看,认为本文所测的颗粒锆石U-Pb年龄是古元古代地壳拉张作用下发生的一次花岗岩浆重熔、侵位活动的年龄。4岩浆与岩体的相互作用此次测定的连山关-高家沟花岗岩锆石U含量较高,平均为1489×10-6,而且锆石大多数为半透明状,表明在重熔结晶过程中,新形成的锆石U含量继承了原岩高U含量的特征(约8×10-6)。实验测得两个花岗岩样品的主要元素含量有高硅、钾,低铝、钙、镁特征,K2O/Na2O均值为1.41,ACNK均值为1.13,属铝过饱和、钾质钙碱系列。稀土元素ΣREE平均为193×10-6,LREE/HREE为3.34,δEu、δCe平均分别为0.34、0.90,具明显的负铕异常和极弱负铈异常。稀土配分模式图为右倾的轻稀土富集型。岩石化学性质与前述2500Ma片麻状黑云母花岗岩接近。多种参数均近似徐克勤等(1984)划分的陆壳改造型花岗岩,形成方式应以原地-半原地重熔为主。从岩体接触关系来看,在连山关3075铀矿床220中段,白色花岗岩与浪子山组石英岩呈挤压侵入接触关系,Ld7样品所在的3075铀矿床180中段花岗岩与石英岩也见到同样现象,花岗岩中还发现有辽河群浪子山组石英岩和云母石英片岩的“残留体”。Ld22样品所在高家沟地区浅红色花岗岩中见有鞍山群磁铁石英岩、变粒岩包裹体或捕虏体(野外见到接触界线清晰,无热变质交代现象)。说明在2200Ma之前,古老克拉通已经发育成裂谷,地幔上涌,地壳减薄,在高热场下岩体局部活化,并处于塑性状态,有些地段达到局部重熔,表现为岩体与下元古界在有些地方呈侵入接触关系。对比邢凤鸣(1999)的研究,连山关-高家沟此期花岗岩类似于安徽沿江地区的两条A型花岗岩带,均富碱高钾,是地壳拉张阶段的产物。据Barbarin等(1994)花岗岩分类,此类花岗岩可以出现在各种地球动力学环境中,如碰撞事件达到顶峰后出现的松弛期,或者产在挤压状态到张性状态的过渡转换期。实际上,这类花岗岩更多地指示构造格局的变化,而不一定是特定的地球动力学环境。综上所述,连山关-高家沟岩体在2500Ma左右发生局部重熔改造和岩浆侵入活动,形成白色中粒黑云母花岗岩和肉红色中粒二云母花岗岩,其岩石地球化学特征与岩体核部片麻状花岗岩相似,两者具有明显的亲缘关系。此期花岗岩浆侵位和基底重熔事件是连山关-高家沟岩体U预富集的主要时期之一。伴随岩浆侵入和花岗岩结晶作用,发生了热液交代作用(不排除深部热液的注入),其基本特征是Na、Ca、Al的带入和K、Si、P的带出,岩石结构、构造同时发生较大的变化,岩石结构由细粒花岗结构变为中粗粒、不等粒结构,由片麻状、条带、条纹状构造变为块状构造。岩石中U元素得到进一步富集,最后在1800～1900Ma左右的改造作用中形成沥青铀矿。5岩石地球化学特征(1)本文获得的2个花岗岩锆石U-Pb年龄与辽东地区锆石年龄结果基本吻合,反映了辽东地区2100～2200Ma的一期基底岩石重熔和花岗岩浆侵位事件。该期岩浆活动有利于U的运移、活化,是连山关-高家沟岩体U预富集的主要时期。(2)从岩石地球化学特征和野外接触关系来看,连山关-高家沟岩体在2100～2200Ma发生的花岗