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    辽宁南芬变质核杂岩核部花岗岩地球化学特征及构造意义

    田茂军 李帝铨 李斌 滕寿仁 周俊鹏

    引用本文:
    Citation:

    辽宁南芬变质核杂岩核部花岗岩地球化学特征及构造意义

      作者简介: 田茂军(1987—), 男, 博士研究生, 地质资源与地质工程, 主要从事构造与成矿方面的研究.
      通讯作者: 李帝铨, 76399509@qq.com
    • 基金项目:

      中国地质调查局项目 1212011220246

    • 中图分类号: P588

    Geochemical Characteristics and Tectonic Significance of Granite from Nanfen Metamorphic Core Complexes in Liaoning

      Corresponding author: Li Diquan, 76399509@qq.com ;
    • CLC number: P588

    • 摘要: 弓长岭花岗岩是南芬变质核杂岩的组成部分,同时也是鞍山-本溪地区前寒武基底的重要组成部分,对其进行探讨对于了解华北克拉通地区在2.50 Ga时期的大地构造背景具有重要意义.选取鞍山-本溪地区的南芬变质核杂岩核部弓长岭花岗片麻岩为研究对象,挑选2件样品中的锆石进行了LA-ICP-MS U-Pb年龄测试,获得不一致线上交点年龄分别为2 505±14 Ma(MSWD=1.30,n=70)和2 507±11 Ma(MSWD=1.16,n=80),代表岩浆结晶的年龄.岩石富SiO2为70.14%~75.36%、K2O为3.12%~6.84%和Al2O3为11.78%~13.75%、全碱(Na2O+K2O)含量在7.8%~9.64%,里特曼指数为1.98~2.94,AR值3.6~9.1显示高硅、富碱特征,A/CNK在0.95~1.23,大部分大于1.11,为强过铝质岩石.较高的稀土含量(∑REE=177.15×10-6~505.64×10-6),轻、重稀土分异明显,LaN/YbN=8.14~29.92,显著富集Rb、Th、Zr、Hf等元素,亏损Nb、Ti等元素,这些特征表明弓长岭花岗岩是在陆块发生碰撞的大地构造背景下由地壳的泥质岩类提供的物源发生部分熔融经分异结晶形成.表明在2.50 Ga时期鞍山-本溪地区处在由陆块发生拼合且向稳定的克拉通化演化的后碰撞阶段.
    • 图 1  南芬地区地质简图

      Figure 1.  Sketch map of Nanfen area

      图 2  露头构造变形现象

      Figure 2.  Photos of deformation behavior in the studied area

      图 3  南芬变质核杂岩显微构造图

      Figure 3.  Microstructure of Nanfen metamorphic core complex

      图 4  弓长岭花岗岩野外照片和镜下照片特征

      Figure 4.  Photograph and microphotograph features of Gongchangling granite

      图 5  南芬变质核杂岩核部花岗岩锆石U-Pb谐和图与阴极发光照片

      Figure 5.  Representative zircon CL images and LA-ICP-MS zircon U-Pb concordia diagrams of granite of Nanfen metamorphic core complex

      图 6  弓长岭花岗岩的地球化学分类及A/NK-A/CNK和A/MF-C/MF图解

      Figure 6.  Geochemical classification and A/NK-A/CNK, A/MF-C/MF diagrams of Gong Changling granite

      图 7  稀土元素球粒陨石标准化配分图解(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)

      Figure 7.  Chondrite-normalized REE patterns(a) and primitive mantle-normalized spidergram(b) for the granite of Nanfen metamorphic core complex

      图 8  弓长岭花岗岩哈克图解

      Figure 8.  Hark diagrams of Zr versus selected trace elements for the Gongchangling granite

      图 9  弓长岭花岗岩的构造环境图解

      Figure 9.  The tectonic environment diagram of Gongchangling granite

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    出版历程
    • 收稿日期:  2018-12-03
    • 刊出日期:  2019-10-01

    辽宁南芬变质核杂岩核部花岗岩地球化学特征及构造意义

      通讯作者: 李帝铨, 76399509@qq.com
      作者简介: 田茂军(1987—), 男, 博士研究生, 地质资源与地质工程, 主要从事构造与成矿方面的研究
    • 1. 中南大学地球科学与信息物理学院, 湖南长沙 410083
    • 2. 有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室, 湖南长沙 410083
    • 3. 辽宁省地质矿产调查院, 辽宁沈阳 110031
    基金项目:  中国地质调查局项目 1212011220246

    摘要: 弓长岭花岗岩是南芬变质核杂岩的组成部分,同时也是鞍山-本溪地区前寒武基底的重要组成部分,对其进行探讨对于了解华北克拉通地区在2.50 Ga时期的大地构造背景具有重要意义.选取鞍山-本溪地区的南芬变质核杂岩核部弓长岭花岗片麻岩为研究对象,挑选2件样品中的锆石进行了LA-ICP-MS U-Pb年龄测试,获得不一致线上交点年龄分别为2 505±14 Ma(MSWD=1.30,n=70)和2 507±11 Ma(MSWD=1.16,n=80),代表岩浆结晶的年龄.岩石富SiO2为70.14%~75.36%、K2O为3.12%~6.84%和Al2O3为11.78%~13.75%、全碱(Na2O+K2O)含量在7.8%~9.64%,里特曼指数为1.98~2.94,AR值3.6~9.1显示高硅、富碱特征,A/CNK在0.95~1.23,大部分大于1.11,为强过铝质岩石.较高的稀土含量(∑REE=177.15×10-6~505.64×10-6),轻、重稀土分异明显,LaN/YbN=8.14~29.92,显著富集Rb、Th、Zr、Hf等元素,亏损Nb、Ti等元素,这些特征表明弓长岭花岗岩是在陆块发生碰撞的大地构造背景下由地壳的泥质岩类提供的物源发生部分熔融经分异结晶形成.表明在2.50 Ga时期鞍山-本溪地区处在由陆块发生拼合且向稳定的克拉通化演化的后碰撞阶段.

    English Abstract

    • 华北克拉通作为全球最古老的克拉通之一,保存有较广泛的前寒武纪地质记录,具有早前寒武纪变质结晶基底和中新元古代沉积盖层的二元结构特征(沈其韩等,2016).华北克拉通基底是微陆块通过弧陆碰撞拼合在太古宙末期(~2.50 Ga)形成,在2.60~2.50 Ga, 胶辽陆块西缘岛弧向迁怀陆块对接而在闭合部位产生大量的同碰撞花岗岩,在1.8 Ga最终克拉通化(伍家善等,1998),更多的学者将其划分为东部陆块、西部陆块和中部造山带, 即华北克拉通基底由东部陆块和西部陆块沿中部碰撞带碰撞拼合而成(赵国春等, 2002赵国春,2009).华北陆块大量的岩浆锆石年龄的统计表明,2.55~ 2.50 Ga是一个高峰期,岩浆热事件最为活跃, 可能代表一次重要的陆块碰撞事件(沈其韩,2005刘敦一等,2007).华北克拉通可能在2.5 Ga左右陆核增大、拼贴增生形成稳定的陆块(李三忠等,2015杨凤超等,2016).2.50 Ga时期的构造与变质-岩浆事件是华北最重要的构造事件,标志着华北微陆块的拼合与克拉通化(Geng et al., 2012).

      以往的研究工作已经在一定程度上搭建太古宙时期年代格架,从始太古代至新太古代大面积的奥长花岗岩、花岗岩、绿岩带、表壳岩(万渝生,1992万渝生和刘敦一,1993Wan et al., 2015朱凯,2016; 万渝生等,2018张家辉等,2019)以及2.47 Ga区域变质年龄(万渝生等,2015曹正琦等,2016),获得了较完整的成岩年代和变质年龄.从弓长岭岩体中以残余包体形式存在的片麻状花岗岩中获得3.0 Ga的锆石U-Pb年龄(万渝生,1992万渝生和刘敦一,1993),后在岩体未变形的钾质花岗岩中获得锆石U-Pb年龄为2.53~2.50 Ga(万渝生,1992周世泰,1994Song et al., 1996Wan et al., 2012, 2015),从时间上厘定了弓长岭花岗岩的时代属于新太古代.

      但是关于鞍山-本溪地区在2.5 Ga时期的大地构造环境及块体拼合机制,是处在岛弧杂岩环境(Nutman et al., 2011)、碰撞挤压环境(Kusky et al., 2007a, 2007b张旗,2011; Wan et al., 2012)、地幔柱侵位机制(Yang et al., 2008; 耿元生等,2010),还是经过碰撞后的俯冲极性倒转在东部形成弧后盆地环境(王军鹏,2015),尚存在争议.

      由于鞍山-本溪地区是华北克拉通为数不多的连续而完整保留有3.80~2.50 Ga地质记录的区域(刘敦一等,2007).因此,鞍山-本溪地区在新太古代至古元古代期间形成的大面积花岗岩,作为研究新太古代晚期地壳生长、演化和开展地球动力学机制转变提供了直接而现实的论据(王军鹏, 2015).

      本文以本溪南芬变质核杂岩核部花岗岩作为研究对象,在详细的野外地质调研基础上,进行精确的锆石U-Pb年代学与岩石地球化学分析,旨在探讨其岩石成因与形成的构造环境,从而为探讨鞍山-本溪地区新太古代晚期的构造环境提供佐证.

      • 研究区处于华北克拉通古板块的东部陆块,经历了漫长而复杂的构造演化过程.晚三叠世以来特别是侏罗纪-白垩纪大规模的构造岩浆活动,叠加在新太古代-古元古代形成的古老变质结晶基底上,使得区内构造形态复杂多样(图 1).

        图  1  南芬地区地质简图

        Figure 1.  Sketch map of Nanfen area

        研究区的基底岩石主要为经高绿片岩相-角闪岩相区域变质作用的火山-沉积建造岩系(伍家善等,1998),主要为新太古代鞍山群茨沟岩组和大峪沟岩组及侵位于其中的花岗岩、片麻岩,岩石具有混合岩化特征;以弓长岭花岗岩为代表的早期侵入岩,侵入到茨沟岩组等太古宙的岩层中.而新太古代基底中有中生代的岩体侵位于其中,以遭硅化、绢云母化作用的柳树底下花岗斑岩体和北大山细中粒黑云母二长花岗岩最为典型.

        在构造序列上,经历了从新太古代至新生代复杂的构造演化阶段,形成了不同的构造形迹和变形特征(翟明国和彭澎,2007).南芬变质核杂岩位于华北克拉通基底之上,核部岩石主要为新太古代茨沟岩组、大峪沟岩组、大面积出露的新太古代岩体以及在平面上表现为椭圆状侵位于新太古代岩体中的未发生变形的中生代花岗岩和花岗斑岩.

      • 南芬变质核杂具有典型的三层结构模式,即太古宙变质结晶基底和侵位于其中的花岗岩组成的内核、拆离断层带及由未变质-浅变质岩组成的上盘.各变形域层次分明,即从浅部至深部表现为脆性断裂-脆韧性断裂-韧性断裂的显著分带.盖层与基底接触关系也各有不同,在NE端松树底下、南芬铁矿和杨木沟地区及柳树底下,盖层钓鱼台组分别与核部马家沟岩体、茨沟岩组和弓长岭花岗片麻岩断层接触.

      • 上拆离盘作为南芬变质核杂岩的一个重要组成部分,地层出露较为齐全,盖层包含了从古元古代到中生代的火山-沉积地层,大部分为前寒武纪的岩层,地层走向整体沿NE向与韧性剪切带走向一致.

        主拆离带上盘的前寒武纪岩石主要为古元古代辽河群里尔峪组和浪子山岩组、新元古代细河群南芬组和钓鱼台组,其中钓鱼台组在南芬及其以西的区域大面积出露,岩性为白色薄-中厚-厚层石英砂岩、含海绿石石英砂岩、含砾石英砂岩及石英岩质砾岩;南芬组整合于钓鱼台组之上,以黄绿色、紫色页岩和泥灰岩为主,局部夹石英砂岩;出露的南华系主要是康家组和桥头组;在桥头组上部则广泛分布呈线状展布的寒武纪地层,在NE向大面积出露奥陶系.在柳树底下出露侵位于寒武系地层中的柳树底下花岗斑岩166±2 Ma(辽宁省地质矿产调查院, 2014, 铁山街幅1:50 000地质图),杨木沟出露早白垩世杨木沟中粗粒碱长花岗岩127.2±1.6 Ma(辽宁省地质矿产调查院, 2014, 铁山街幅1:50 000地质图),在平面上呈椭圆状,均未发生变形.

        在东部拆离断层上盘的盖层中,同时发育由于基底上拱、盖层下滑而导致轴面内倾的横弯(“Z”型拖拉)褶皱(图 2a)和一系列的正断层.上盘底部具有与下伏糜棱岩面理协调一致的变形面理产状,发育有NW向的矿物拉伸线理,显示曾遭受拆离断层带韧性剪切变形的改造.

        图  2  露头构造变形现象

        Figure 2.  Photos of deformation behavior in the studied area

      • 南芬变质核杂岩核部(下盘)分布在拆离断层带的东侧,主要由新太古代茨沟岩组、大峪沟岩组、大面积出露的新太古代岩体(包括弓长岭岩体、马家沟岩体及刘家堡岩体)以及在平面上表现为椭圆状的中生代侵入岩组成.

        南芬变质核杂岩核部深变质结晶基底主要是太古宙的茨沟岩组和大峪沟岩组.茨沟岩组是一套经历了绿片岩相-角闪岩相区域变质作用的变质岩系,岩石组成主要为斜长角闪岩、角闪片岩、角闪变粒岩、黑云变粒岩、绿泥片岩类、磁铁石英岩等,普遍遭受混合岩化,局部具有强烈的片理化,在南芬铁矿和杨木沟可观察到其发生强烈的韧性变形.

        大峪沟岩组是一套以酸性的火山-沉积岩建造为原岩,经历了角闪岩相区域变质作用.主要出露在大房山、张家堡子一带,岩石组成主要为二云石英片岩、黑云变粒岩、二云变粒岩、浅粒岩夹磁铁石英岩扁豆体等,以发育有黑云变粒岩为特征.

        侵位于结晶基底中的新太古代岩体为弓长岭花岗岩、马家沟岩体及刘家堡岩体,大面积出露于核部,地表形态极不规则,局部以包体形式出现.弓长岭花岗岩岩以一套中粒黑云二长片麻岩、黑云斜长片麻岩为主,岩石具花岗变晶结构,片麻状构造.马家沟岩体为一套片麻状中细粒黑云母二长花岗岩,中细粒花岗结构、片麻状构造,暗色矿物以黑云母为主,锆石U-Pb同位素测年为2 482.3±13 Ma(辽宁省地质矿产调查院, 2014, 本溪幅1:50 000地质图), 侵入到弓长岭花岗岩及茨沟岩组中;刘家堡子岩体为似斑状细中粒黑云母二长花岗岩,似斑状结构、块状构造,暗色矿物以黑云母为主,有巨斑晶钾长石、斜长石.岩石中含有变粒岩、浅粒岩包体,锆石SHRIMP U-Pb同位素测年为2 519 ±21 Ma(辽宁省地质矿产调查院, 2014, 本溪幅1:50 000地质图).新太古代岩体测年集中在2 500 Ma左右,这一时期正好处于鞍山运动期间,发生过强烈的地幔岩浆底侵和壳幔分离事件(伍家善等,1998翟明国和彭澎,2007).

        而侵位于核杂岩下盘的中生代侵入岩为一较大的、多期次侵入的复式岩体,岩体由外向内具有明显的环带分布特征,处在岩体中心的晚期侵入体呈椭圆状, 岩体侵入到太古宙地层或岩体中,远离拆离断层带,未发生构造变形.

        中侏罗世岩体主要为黄柏峪岩体(163.3± 2.6 Ma)(辽宁省地质矿产调查院, 2014, 本溪幅1:50 000地质图),中细粒二长闪长岩,中细粒花岗结构;洪家车铺岩体(164.1±2.7 Ma)(辽宁省地质矿产调查院, 2014, 本溪幅1:50 000地质图), 似斑状中粗粒花岗闪长岩, 似斑状结构;小甸子岩体(166±2 Ma)(辽宁省地质矿产调查院, 2014, 铁山街幅1:50 000地质图),中粗粒花岗闪长岩, 花岗结构, 侵入到早古生代地层和古元古代岩体中.早白垩世岩体为太平山岩体(125±2 Ma)(辽宁省地质矿产调查院, 2014, 铁山街幅1:50 000地质图),细中粒黑云母二长花岗岩,细中粒花岗结构.中生代岩体大多为具有斑状结构的中细粒、中粗粒花岗岩、花岗斑岩,锆石测年结果处在160~168 Ma之间和125 Ma两个年龄组.

      • 南芬变质核杂岩作为一个典型构造型式的非对称变质核杂岩,具有发育的线状和面状构造,在变形域中由下而上以发育超糜棱岩-糜棱岩-初糜棱岩为显著标志,拆离断层带在松树底下-孟家堡子一带呈长垣状分布,在石碑岭则呈近椭圆状,长约25 km,出露宽度0.5~1.0 km(图 1),在主拆离断层上部发育有绿泥石片理化带和微角砾岩带,岩石具有绢云母化、泥化及滑石化等特征,针对不同部位测得的产状统计数据结果表明, 在孟家堡子至柳树底下一带拆离断层带的主体是NW向缓倾,矿物拉伸线理主要向320°方向倾伏糜棱岩面理为缓倾状,倾角在24°左右.广泛发育的残斑拖尾、S-C组构、不对称布丁构造等(图 2).

        基底岩石则表现为强烈的韧性变形,具有显著的固态流变特征,长石、石英呈拉长的眼球状,由于强烈的剪切作用,茨沟岩组岩石中的黑云母、角闪石等暗色矿物和长石、石英等浅色矿物发生分异并形成明暗相间的条带,构造岩中的条带表现为石香肠化,边界强烈弯曲,形成不对称流动褶皱(图 2d).

        显微构造研究表明,岩石具有不对称的旋转碎斑系(图 3a, 3b),呈椭圆状、眼球状的长石斑晶具有显著的左行旋转特征,残斑在剪切旋转过程中发生破裂(图 3b).岩石S-C组构发育,石英可见较强的波状消光和强烈的定向特征,发生扭折和亚颗粒旋转动态重结晶作用,呈现出矩形石英多晶条带,部分石英条带在递进变形过程中,进一步透镜化、香肠化,而同时长石则细粒化(图 3c, 3d).

        图  3  南芬变质核杂岩显微构造图

        Figure 3.  Microstructure of Nanfen metamorphic core complex

      • 本文用于锆石U-Pb同位素定年的两件样品BX03、BX04均采自本溪南芬铁矿东边黄柏峪和南边的石碑岭附近,南芬变质核杂岩核部太古宙弓长岭岩体,采样点位于强烈变形的韧性剪切带上,岩石类型为浅灰色二长花岗岩,花岗变晶结构,片麻状构造,岩石遭受一定程度的构造变形.石英、长石呈σ型残斑透镜体,具有一定的定向排列特征(图 4).用于主微量元素测试的9件未变形岩石则呈现出灰白色,花岗结构.主要造岩矿物为石英、斜长石、钾长石、黑云母等.副矿主要为磁铁矿、黄铁矿、磷灰石、绿泥石、电气石、金红石、锆石、赤铁矿等.

        图  4  弓长岭花岗岩野外照片和镜下照片特征

        Figure 4.  Photograph and microphotograph features of Gongchangling granite

      • 锆石单矿物分选和CL拍照在河北省欣航测绘院完成,采用FEI公司XL30型SFEG电子束进行锆石内部结构显微照相分析.测试点的选取首先根据锆石反射光和透射光照片进行初选,再与CL图像反复对比,力求避开内部裂隙和包裹体,以获得较准确的年龄信息.

        锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄测试在武汉上谱分析科技有限责任公司实验室完成, 激光能量80 mJ/cm2, 频率5 Hz, 激光束斑直径32 µm.LA-ICP-MS激光原位分析采用安捷伦公司四级杆质谱Agilent7700与相干公司193 nm准分子激光剥蚀系统(GeoLasPro)联用,光学系统的联机上进行,激光剥蚀深度为20~40 μm.测试数据ICPMSDATACAL 10.2处理.锆石年龄采用标准锆石91500作为外部标准物质,元素含量采用NIST610作为外标,以GJ-1为同位素比值监控标准样品(样品GJ-1测试结果:Concordia Age=602.0 ±2.1 Ma,MSWD (of concordance)=0.052, Probability (of concordance)=0.82).详细分析步骤和数据处理方法参见相关文献(Liu et al., 2008, 2009).

      • 对南芬变质核杂岩核部花岗岩2件样品挑选400颗锆石,进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb内部结构阴极发光(CL)观察(图 5).选取其中的94颗锆石进行LA-ICP-MS U-Pb年龄的测试,所测锆石均大部分为无色透明,自形程度相对较好,形态大多呈次圆状、短柱状及扇形状,锆石长轴长度在80~120 μm,长宽比近1:1~2:1.依据锆石阴极发光内部结构的差异可以将锆石分为两类:(1)锆石从中部至边部发育较好的振荡韵律环带结构,同时具有强阴极发光锆石增生边和暗色增生边,锆石增生边的宽度不等,从数微米到30 μm, 此次测试的锆石大部分为这一类,为典型岩浆成因锆石特征,边部发育不规则的增生边;(2)无韵律环带结构,呈面状,具有弱的阴极发光,晶体生长不规则,发育溶蚀孔洞,部分破裂,占据实验测试的少部分.

        图  5  南芬变质核杂岩核部花岗岩锆石U-Pb谐和图与阴极发光照片

        Figure 5.  Representative zircon CL images and LA-ICP-MS zircon U-Pb concordia diagrams of granite of Nanfen metamorphic core complex

        南芬变质核杂岩核部弓长岭花岗岩的锆石U-Pb分析结果经校正后的有效数据点共150个(见附表1).

        BX03中的锆石主要呈短柱状、次圆状,长轴在80~100 μm, 长宽比介于1:1~2:1,阴极发光图像(CL)显示,锆石具有显著的生长环带,测年数据见附表1,80个测点的锆石Th/U比值均大于0.1,大部分大于0.4,80个测点的拟合不一致上交点年龄为2 507±11 Ma(MSWD=1.16,n=80),31个测点位于上交点,其余位于谐和线下方,所有数据均沿不一致线分布,206Pb/238U表观年龄变化范围较大,谐和U-Pb年龄加权平均值为2 479±11 Ma (95% conf, 0 of 32 rej. MSWD=1.3, probability=0.16),与上交点年龄一致.

        BX04中的锆石主要呈短柱状、次圆状,长轴90~120 μm,长宽比介于1:1~2:1,锆石阴极发光图像(CL)显示,锆石具有明显的振荡环带结构,部分锆石见不规则状的暗色溶蚀,大部分具有亮色强阴极发光的锆石增生边环带,宽度为数微米,70个有效测点Th/U比值介于0.12~1.30,部分锆石虽然没有典型岩浆锆石的环带结构,但其Th/U比值仍然较高,具有岩浆成因特征.70个测点的拟合上交点年龄为2 505±14 Ma(MSWD=1.3, n=70), 所有数据均沿不一致线分布,24个测点交在谐和线上,其余44个测点偏离谐和线, 谐和U-Pb年龄加权平均值为2 498±11 Ma(95% conf, 0 of 24 rej. MSWD=0.59, probability=0.94)与上交点年龄值基本相同.

        数据显示,所测锆石的Th/U值大多大于0.4,极个别Th/U值小于0.4,锆石的Nb/Ta比值较大,在2~13,均值为3.64,所有锆石均为岩浆成因(吴元保和郑永飞,2004李长民,2009).由于后期的岩浆热液和构造事件影响造成锆石表面Pb丢失,导致大部分测点位于不一致线下方,因而不一致线上交点年龄2 505±14 Ma、2 507±11 Ma代表弓长岭花岗岩的结晶年龄, BX03、BX04下交点年龄分别为122±62 Ma和246±150 Ma,但由于误差较大,不宜采用.

      • 弓长岭花岗岩主量元素分析见附表2.较高含量SiO2(70.14%~75.36%)、K2O(3.12%~6.84%);Al2O3在11.78%~13.75%之间,Na2O为2.78%~3.44%,K2O/Na2O在0.60~2.44之间, 均值1.71,属钾质花岗岩;CaO含量在0.07%~0.81%之间,FeOT、MgO的含量较低,FeOT/MgO为0.74~16.30,平均值为7.12;里特曼指数(K2O+Na2O)2/(SiO2-43)在1.98~2.94之间,均值为2.441,属于钙碱性岩系,在SiO2-K2O图解上(图 6b)投影在钾玄岩区域,仅有极个别投影在高钾钙碱性区域;在SiO2-(Na2O+K2O)图解中(图 6a)全部样品均投入花岗岩区,与岩相学特征相一致,铝饱和指数A/CNK在0.95~1.24之间,大部分大于1.1,平均值为1.11,属于过铝质岩(图 6c),且CIPW标准矿物计算所有样品均含有刚玉(C), 含量为0.95%~2.78%,显示强过铝质岩石特征.在Harker图解(图略)中所有样品中的Al2O3、CaO、P2O5、TiO2随SiO2含量的增加而减少,K2O随SiO2含量的增加而增加,均显示较好的相关关系.岩石的分异指数较高, 均值为91.74.因此,弓长岭花岗岩属高SiO2、K2O,低P2O5、MgO、MnO,含过铝质矿物刚玉、白云母和石榴子石,为高钾钙碱性强过铝质岩石.

        图  6  弓长岭花岗岩的地球化学分类及A/NK-A/CNK和A/MF-C/MF图解

        Figure 6.  Geochemical classification and A/NK-A/CNK, A/MF-C/MF diagrams of Gong Changling granite

      • 弓长岭花岗岩稀土含量较高(∑REE=177.15×10-6~505.64×10-6),具有较大的变化范围,LREE/HREE=10.37~19.30,(La/Yb)N=8.14~29.92,(La/Sm)N=4.08~6.94,轻重稀土分馏较为明显,在球粒陨石标准化配分曲线上总体表现为轻稀土富集型(图 7a).轻稀土分馏程度较高,而重稀土分馏程度较低.稀土配分曲线(图 7a)总体呈右倾曲线,轻稀土部分曲线较重稀土部分曲线陡.δEu负异常(δEu=0.11~1.02),均值为0.47,大部分样品的稀土配分曲线具有较强的负Eu异常.

        图  7  稀土元素球粒陨石标准化配分图解(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)

        Figure 7.  Chondrite-normalized REE patterns(a) and primitive mantle-normalized spidergram(b) for the granite of Nanfen metamorphic core complex

        在原始地幔标准化的微量元素蛛网图上(图 7b),岩石富集大离子亲石元素Rb、Th等,略富高场强元素,显著富集Rb、Th、K,亏损P、Ti、Y、Yb、Nb等.K/Rb均值为240.15;Rb/Sr均值为2.94,Ba/Sr均值为9.89,Y/Nb均值为3.63,Nb/Ta平均值为8.27,Zr/Hf平均值为34.74,微量元素比值参数接近陆壳值.

      • 弓长岭花岗岩9件样品采集自岩体核部新鲜岩石,全分析数据变化较小,岩石虽然受到后期多期次的岩浆热液活动的影响,但是所有样品的地球化学数据一致性较好,元素组分和含量相对集中,烧失量较小,无明显的Ce异常(δCe在0.78~1.41间,均值为1.07),因而岩石在后期的区域变质和蚀变的过程中其地球化学属性尚未发生明显变化(Polat and Hofmann, 2003).且岩石中的SiO2与P2O5, SiO2、P2O5、Yb、Sm、Rb与元素Zr含量均呈现出一定的相关关系(图 8),岩石组分在后期地质事件中带入带出的影响较小,表明岩石受后期地质事件的影响较小,可以进行岩石成因和构造环境的相关探讨.

        图  8  弓长岭花岗岩哈克图解

        Figure 8.  Hark diagrams of Zr versus selected trace elements for the Gongchangling granite

        岩石含高铝矿物及刚玉,相对较高的SiO2含量,富碱、低MgO、CaO和P2O5,轻稀土富集、重稀土亏损,显著富集Rb、Th、Zr、Hf等元素,亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素,Ba相对于Rb、Th表现为强烈的亏损特征,SiO2与P2O5具有明显的负相关的线性关系(图 8a),作为判断岩石类型的重要参数的过碱指数AI(n(K2O+ Na2O)/n(Al2O3))为0.76~1.02, 均值为0.84,较低的10 000Ga/Al比值(2.1~2.4,均值为2.2)小于2.6,Zr含量(122×10-6~252×10-6)均值为192×10-6,大部分小于250×10-6,且(Zr+Nb+Ce+Y)为214.9×10-6~599.7×10-6、Y含量为2.6×10-6~31.3×10-6,远小于80×10-6,与典型的A型花岗岩特征有所区别(Whalen et al., 1987).同时据CIPW标准矿物中刚玉分子含量较高,均值1.75,这种强过铝质的白云母花岗岩同时也是S型花岗岩的一些典型特征.因此,这种高分异的花岗岩不能通过元素地球化学特征来准确界定其成因类型.Rb/Sr比值为1.2~4.3,均值为2.94,综合表明成岩物质来自成熟度较高的早期地壳.

        岩石具有明显的强过铝质特征,A/CNK大部分大于1.1,均值为1.11,岩石类型属于过铝质的高钾钙碱性系列岩石.研究表明,SiO2含量在67%~77%的过铝质花岗岩,如果原始岩浆为泥岩部分熔融生成,则其CaO/Na2O比小于0.3 (Sylvester, 1998),弓长岭花岗岩的CaO/Na2O比值均小于0.3,均值为0.15,在A/MF-C/MF图解中(图 6d)投影在变质泥岩熔融区域, 表明弓长岭花岗岩的岩浆起源于泥质岩源区的部分熔融.

      • 前寒武地壳的物理-化学状态在2.7~2.0 Ga发生过大的变化,地壳组分从太古宙以地幔来源的新生物质占优势过渡到大量陆壳重融形成的成熟地壳(赵振华,2016).过铝质花岗岩被认为是在弧-陆碰撞早期挤压环境条件下,由于地壳加厚而发生部分熔融形成,抑或是在碰撞高峰期后的岩石圈伸展背景下的产物(Pitcher,1983Pearce et al., 1984; Williamson et al., 1996; Zhao et al., 1996; Sylvester, 1998),弓长岭花岗岩在Rb-(Y+Nb)图解上(图 9)投影在后碰撞花岗岩区.由于这种广泛存在于地壳加厚环境中产生的岩浆具有壳幔混合特点,同时兼有俯冲地幔、火山弧和板内岩浆的共同特征(赵振华,2016).结合微量元素特征,弓长岭花岗岩属于碰撞型花岗岩,是在陆块发生碰撞拼合的大地构造背景之下,由于西部陆块和东部陆块发生挤压而导致地壳加厚、地壳物质发生部分熔融而成,在2.5 Ga时期进入后碰撞阶段,在这期间,弓长岭岩体在鞍山-本溪地区的广泛侵入,鞍山-本溪地区在2.5 Ga处在由后碰撞向稳定陆块演变的转变阶段.

        图  9  弓长岭花岗岩的构造环境图解

        Figure 9.  The tectonic environment diagram of Gongchangling granite

        华北克拉通在新太古代(2.6~2.5 Ga)时期曾发生一系列构造热事件已被广泛认可(王伟等,2017),在2.56 Ga时期,现代样式的板块构造在华北克拉通大规模作用的开始(赵国春,2007),2.50 Ga钾质花岗岩的大面积侵入,标志着太古宙地壳演化阶段的结束,形成鞍山-本溪地区太古宙基底(韩军,2009),结合本文研究结果表明,在新太古代时期的构造热事件是由于块体发生碰撞使地壳加厚而引起,在2.50 Ga时期的华北克拉通已经进入陆块挤压碰撞的后期.

        由于弓长岭花岗岩在华北克拉通东部陆块的广泛分布,结合本次测试结果,2 505±14 Ma和2 507±11 Ma代表的是华北克拉通在2.56~2.50 Ga这一活跃期的后碰撞岩浆活动的时限,之后便向稳定大陆方向演化,证实了前人关于华北克拉通在2.5 Ga左右发生过陆块拼合的论断和推测.

      • (1)弓长岭花岗岩是一种具有高钾钙碱性特征的过铝质岩石,锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄为2 505±14 Ma和2 507±11 Ma,属于新太古代晚期至早元古代早期.岩石地球化学特征表明弓长岭岩体岩浆可能起源于高成熟度的早期地壳,为地壳变质泥质岩类发生部分熔融经结晶分异形成.

        (2)2.5 Ga时期大面积的花岗岩是在陆块发生碰撞挤压而导致地壳加厚的后碰撞大地构造背景之下侵入,这种高钾钙碱性岩石的广泛出露表明在这一时期华北地区正趋于向稳定的克拉通化演化.

        附表见本刊官网(http://www.earth-science.net).

    参考文献 (74)

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