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    辽东半岛丹东地区中生代花岗岩锆石U-Pb年龄、Hf同位素特征及其地质意义

    张朋 赵岩 寇林林 沙德铭 毕中伟 杨凤超

    张朋, 赵岩, 寇林林, 沙德铭, 毕中伟, 杨凤超, 2019. 辽东半岛丹东地区中生代花岗岩锆石U-Pb年龄、Hf同位素特征及其地质意义. 地球科学, 44(10): 3297-3313. doi: 10.3799/dqkx.2019.129
    引用本文: 张朋, 赵岩, 寇林林, 沙德铭, 毕中伟, 杨凤超, 2019. 辽东半岛丹东地区中生代花岗岩锆石U-Pb年龄、Hf同位素特征及其地质意义. 地球科学, 44(10): 3297-3313. doi: 10.3799/dqkx.2019.129
    Zhang Peng, Zhao Yan, Kou Linlin, Sha Deming, Bi Zhongwei, Yang Fengchao, 2019. Zircon U-Pb Ages, Hf Isotopes and Geological Significance of Mesozoic Granites in Dandong Area, Liaodong Peninsula. Earth Science, 44(10): 3297-3313. doi: 10.3799/dqkx.2019.129
    Citation: Zhang Peng, Zhao Yan, Kou Linlin, Sha Deming, Bi Zhongwei, Yang Fengchao, 2019. Zircon U-Pb Ages, Hf Isotopes and Geological Significance of Mesozoic Granites in Dandong Area, Liaodong Peninsula. Earth Science, 44(10): 3297-3313. doi: 10.3799/dqkx.2019.129

    辽东半岛丹东地区中生代花岗岩锆石U-Pb年龄、Hf同位素特征及其地质意义

    doi: 10.3799/dqkx.2019.129
    基金项目: 

    国家重点研发计划 2016YFC0600108

    国家重点研发计划 2018YFC0603804

    中国地质调查局地质调查项目 DD20190165

    国家自然科学基金项目 41502093

    中国地质调查局地质调查项目 DD20190042-3

    中国地质调查局地质调查项目 DD20160049

    详细信息
      作者简介:

      张朋(1983—), 男, 工程师, 博士, 从事矿产地质调查及综合研究工作

    • 中图分类号: P581

    Zircon U-Pb Ages, Hf Isotopes and Geological Significance of Mesozoic Granites in Dandong Area, Liaodong Peninsula

    • 摘要: 为了确定辽东半岛丹东地区中生代花岗岩岩石类型、成岩时代及其形成构造背景.选取三股流岩体、五龙背岩体和丁岐山岩体开展岩相学、锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学、岩石地球化学和锆石Hf同位素地球化学研究.结果表明:三股流岩体由花岗闪长岩、似斑状黑云母二长花岗岩和中粗粒黑云母二长花岗岩组成,后两者成岩年龄分别为137.2±1.2 Ma和123.2±1.3 Ma;丁岐山岩体由中细粒碱长花岗岩、石英正长岩和石英二长岩组成,获得中细粒碱长花岗岩成岩年龄为121.1±1.5 Ma;五龙背岩体由中粗粒二长花岗岩组成,成岩年龄为146.8±0.8 Ma.元素和同位素地球化学特征表明,三股流岩体的花岗闪长岩为钾玄岩系列,似斑状黑云母二长花岗岩和中粗粒黑云母二长花岗岩以及五龙背岩体和丁岐山岩体均为高钾钙碱性,3个岩体不同岩石类型的A/CNK均小于1.1,为I型花岗岩;岩体均富集轻稀土元素和大离子亲石元素,亏损重稀土元素和高场强元素,具Eu负异常;εHft)值为-22.40~-9.77,两阶段Hf模式年龄TDM2为2 999~1 915 Ma,揭示三股流岩体、五龙背岩体和丁岐山岩体可能是古元古代古老地壳部分熔融形成.结合区域构造演化认为三股流岩体、五龙背岩体和丁岐山岩体均形成于活动大陆边缘,五龙背岩体形成于古太平洋板块向欧亚板块的俯冲挤压的构造背景,三股流岩体和丁岐山岩体形成于古太平洋板块向欧亚板块的俯冲后的伸展环境.
    • 图 1  中国辽东半岛地质简图

      Figure 1.  Simplified geological map of Liaodong peninsula, China

      Zhang et al.(2016)

      图 2  辽东丹东三股流岩体地质简图(a)和辽东丹东五龙背-丁岐山岩体地质简图(b)

      Figure 2.  Simplified geological map of Sanguliu pluton (a) and Wulongbei-Dingqishan pluton (b), Dandong, Liaodong

      图 3  辽东半岛丹东地区花岗岩手标本和镜下照片

      Figure 3.  Photograghs and microscope photograghs for granite rocks in Dandong, Liaodong peninsula

      a, b.三股流花岗闪长岩;c, d.三股流似斑状黑云二长花岗岩;e, f.三股流中粗粒黑云二长花岗岩;g, h.五龙背中粗粒黑云母花岗岩;i, j.丁岐山中细粒碱厂花岗岩. a, c, e, g, i为岩石标本照片;b, d, f, h, j为显微镜下正交偏光照片图中;Q.石英;Pl.斜长石;Or.钾长石、正长石;Bi.黑云母

      图 4  辽东半岛丹东地区花岗岩的SiO2-Na2O+K2O(a),SiO2-K2O(b)和A/CNK-A/NK(c)图解

      Figure 4.  Plots of SiO2-Na2O+K2O (a), SiO2-K2O (b) and A/CNK-A/NK(c) for granite rocks in Dandong, Liaodong peninsula

      图a据Le Maitre et al.(1989); 图b据Rickwood(1989); 图c据Maniar and Piccoli(1989)

      图 5  辽东半岛丹东地区花岗岩的稀土配分曲线(a,c,e,g,i)和微量蛛网图(b,d,f,h)

      Figure 5.  Rare earth element distribution curves (a, c, e, g, i) and trace element spider diagrams (b, d, f, h) for granite rocks in Dandong, Liaodong peninsula

      标准值据Sun and McDonough(1989)

      图 6  辽东半岛丹东地区花岗岩锆石阴极发光(CL)图像

      Figure 6.  Zircon CL images of granite rocks in Dandong, Liaodong peninsula

      黑色圈为锆石U-Pb测定点;黄色点为Hf测试点

      图 7  辽东半岛丹东地区花岗岩锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图和加权平均年龄图

      Figure 7.  LA-ICP-MS U-Pb age of granite rocks in Dandong, Liaodong peninsula

      图 8  辽东半岛花岗岩的锆石Lu-Hf同位素特征图解

      Figure 8.  Lu-Hf diagram of the granite rocks of Dingqishan rocks in Dandong, Liaodong peninsula

      Yang et al.(2006)

      图 9  丹东地区花岗岩成因类型判别图(Zr+Nb+Ce+Y)-(K2O+Na2O) (a); (Zr+Nb+Ce+Y)-(FeOT/MgO) (b); 10 000Ga/Al-Zr; (d) 10 000Ga/Al-Nb(c)

      Figure 9.  Granite genesis and type discrimination diagrams (Zr+Nb+Ce+Y)-(K2O+Na2O) (a), (Zr+Nb+Ce+Y)-(FeOT/MgO) (b), 10 000Ga/Al-Zr (c); 10 000Ga/Al-Nb(d)

      FG.分异的I型、S型花岗岩分布区; OGT. I型、S型、M型花岗岩分布区;图a~d据Whalen et al.(1987)

      图 10  丹东地区花岗岩Rb /30-Hf-3Ta三元图解(a)和Rb-(Y+Nb)图解(b)

      Figure 10.  Rb/30-Hf-3Ta diagram(a); Rb-(Y+Nb) diagram(b)

      图a据Harris et al.(1986);图b据Pearce et al.(1984)

      表 1  辽东半岛丹东地区花岗岩岩相学基本特征

      Table 1.  Petrographic features of granite rocks in Dandong, Liaodong peninsula

      岩石名称 采样位置 组构和矿物组成 备注
      三股流花岗闪长岩 124°13′42″E、40°06′14″N 中粗粒花岗结构,块状构造;粒度一般在3.5~6.0 mm, 个别2.5~3.0 mm;斜长石(50%)(An=36)、钾长石(20%)、石英(20%)、黑云母(5%)、角闪石(5%),副矿物为磷灰石、磁铁矿、锆石、褐帘石、榍石等 图 3a~3b
      三股流似斑状黑云母二长花岗岩 124°15′20″E、40°05′54″N 似斑状结构,基质为中粒花岗结构,块状构造;粒度一般在2.8~10.0 mm, 少量0.5~1.5 mm, 个别1.6~2.0 mm;斜长石(30%)(An=22)、钾长石(30%)、石英(25%)、黑云母(10%)、角闪石(5%),副矿物为磷灰石、磁铁矿、锆石、褐帘石、榍石等 图 3c~3d
      三股流中粗粒二长花岗岩 124°14′45″E、40°06′15″N 中粗粒花岗结构,块状构造;粒度一般在0.6~2.8 mm, 个别4.0~6.3 mm;斜长石(30%)(An=22)、钾长石(25%)、石英(30%)、黑云母(10%)、角闪石(5%),副矿物为磷灰石、磁铁矿、锆石、褐帘石、榍石等 图 3e~3f
      五龙背岩体中粗粒二长花岗岩 124°16′30″E、40°16′45″N 中粗粒花岗结构,块状构造;粒度一般在0.6~2.8 mm, 个别4.0~6.3 mm;斜长石(30%)、钾长石(35%)、石英(30%)、黑云母(5%),副矿物为磷灰石、锆石、褐帘石、榍石等 图 3g~3h
      丁岐山岩体中细粒碱长花岗岩 124°21′49″E、40°17′29″N 中细粒花岗结构,块状构造;粒度一般在0.3~0.6 mm, 少量0.7~0.8 mm, 个别3~5 mm以上;条纹长石(55%)、斜长石(5%)(An=15±)、石英(30%)、黑云母(5%),副矿物为磷灰石、锆石、磁铁矿、榍石等 图 3i~3j
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    出版历程
    • 收稿日期:  2019-05-29
    • 刊出日期:  2019-10-01

    辽东半岛丹东地区中生代花岗岩锆石U-Pb年龄、Hf同位素特征及其地质意义

      作者简介: 张朋(1983—), 男, 工程师, 博士, 从事矿产地质调查及综合研究工作
    • 中国地质调查局沈阳地质调查中心, 辽宁沈阳 110034
    基金项目:  国家重点研发计划 2016YFC0600108国家重点研发计划 2018YFC0603804中国地质调查局地质调查项目 DD20190165国家自然科学基金项目 41502093中国地质调查局地质调查项目 DD20190042-3中国地质调查局地质调查项目 DD20160049

    摘要: 为了确定辽东半岛丹东地区中生代花岗岩岩石类型、成岩时代及其形成构造背景.选取三股流岩体、五龙背岩体和丁岐山岩体开展岩相学、锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学、岩石地球化学和锆石Hf同位素地球化学研究.结果表明:三股流岩体由花岗闪长岩、似斑状黑云母二长花岗岩和中粗粒黑云母二长花岗岩组成,后两者成岩年龄分别为137.2±1.2 Ma和123.2±1.3 Ma;丁岐山岩体由中细粒碱长花岗岩、石英正长岩和石英二长岩组成,获得中细粒碱长花岗岩成岩年龄为121.1±1.5 Ma;五龙背岩体由中粗粒二长花岗岩组成,成岩年龄为146.8±0.8 Ma.元素和同位素地球化学特征表明,三股流岩体的花岗闪长岩为钾玄岩系列,似斑状黑云母二长花岗岩和中粗粒黑云母二长花岗岩以及五龙背岩体和丁岐山岩体均为高钾钙碱性,3个岩体不同岩石类型的A/CNK均小于1.1,为I型花岗岩;岩体均富集轻稀土元素和大离子亲石元素,亏损重稀土元素和高场强元素,具Eu负异常;εHft)值为-22.40~-9.77,两阶段Hf模式年龄TDM2为2 999~1 915 Ma,揭示三股流岩体、五龙背岩体和丁岐山岩体可能是古元古代古老地壳部分熔融形成.结合区域构造演化认为三股流岩体、五龙背岩体和丁岐山岩体均形成于活动大陆边缘,五龙背岩体形成于古太平洋板块向欧亚板块的俯冲挤压的构造背景,三股流岩体和丁岐山岩体形成于古太平洋板块向欧亚板块的俯冲后的伸展环境.

    English Abstract

      • 辽东半岛和胶东半岛是华北克拉通东部重要组成部分,该地区自中生代以来岩石圈地幔在物理和化学性质上发生了巨大改变,导致大规模的构造岩浆活动和金成矿作用(Zhu et al., 2012刘永俊等,2018).前人对辽东半岛中生代岩浆活动开展了大量研究,在成岩时代、成岩构造背景、岩石成因和岩浆演化对金成矿的制约等方面也取得了较大进展.如:详细的锆石U-Pb年代学研究表明,辽东半岛中生代花岗质岩浆作用可分为3期,分别为晚三叠世(233~212 Ma)、侏罗世(190~156 Ma)和早白垩世(131~117 Ma)(吴福元等,2005张朋等, 2015, 2016),其中以早白垩世岩浆活动最为强烈;辽东半岛晚三叠世岩浆活动与华北克拉通和扬子克拉通碰撞有关;早侏罗世花岗质岩石形成与欧亚大陆下的古太平洋板块俯冲有关;早白垩世岩浆活动与造山后岩石圈减薄的伸展环境有关(Zhang et al., 2019).详细的金成矿作用研究揭示,辽东半岛中生代岩浆活动对金成矿具有明显的制约作用.如:猫岭金矿是与侵入岩有关的金矿床,其形成与矿区内分布的早侏罗世猫岭岩体密切相关(Zhang et al., 2017);五龙金矿在时空分布上与三股流岩体密切相关,是燕山期构造-岩浆活动的产物(彭艳东,1994);五龙金矿和三股流岩体是深部同一岩浆演化不同阶段的产物(魏俊浩等,2003);三股流岩体为五龙金矿和四道沟金矿床早期成矿提供了重要的热源(郝通顺等,2010).有关研究区中生代岩石成因、成岩物质组成主要观点有:中生代花岗岩来源于不同性质的壳幔混合区(Yang et al., 2004);中生代花岗岩源岩以古元古代中酸性壳源岩石为主(李三忠等,2004).胶东半岛是我国重要的黄金生产基地,其金资源量位居全国首位,有关该地区中生代岩浆活动及金成矿作用研究进展有:胶东半岛金矿成矿时代集中在120 Ma左右,是中生代岩石圈减薄背景下构造-岩浆-流体活动的产物(Yang and Zhou, 2001Hu et al., 2013范宏瑞等,2016; Hafizullah et al., 2018).有关胶东地区侏罗世花岗岩成因主要有晚太古代下地壳与榴辉岩相互交代部分熔融(Hou et al., 2007)和加厚下地壳发生拆沉形成具埃达克质岩石(Yang et al., 2012a)两种观点;早白垩世中期花岗岩成因类型为I型花岗岩,其形成可能是与拆沉的榴辉岩地壳来源熔体与上涌的软流圈地幔相互作用有关(Hou et al., 2007),亦或是有幔源物质加入的华北下地壳部分熔融(Yang et al., 2012b).早白垩世晚期花岗岩为幔源基性岩浆与壳源酸性岩浆混合成因(张华锋等,2006);也有研究者认为是幔源基性岩浆与壳源酸性岩浆混合,但经历了混合-分异-再混合的过程(宋明春和严庆利,2000).辽东与胶东相比,金矿床地质特征相似,然而勘探查明的金资源量却无法比拟,因此亟待开展成矿地质背景对比研究.鉴于此,本文以辽东半岛丹东地区三股流岩体、五龙背岩体和丁岐山岩体为研究对象,通过锆石LA-ICP-MS U-Pb定年、元素地球化学和锆石原位Hf同位素研究,揭示其岩石成因、形成时代及构造背景,并与胶东地区中生代花岗岩成因进行对比,为辽东半岛及华北克拉通北缘东部构造岩浆演化对成矿的制约和金矿找矿实践提供理论基础.

      • 辽东半岛位于华北克拉通北缘东段,郯庐断裂带以东地区.基底岩石类型主要为太古代TTG岩系,其上被古元古代浅变质岩及火山岩、中新元古代和新生代沉积岩和火山岩覆盖(图 1).太古代TTG岩石主要分布在辽东半岛鞍山和金州等地区(3.85~3.2 Ga,Yang et al., 2012a).古元古代形成辽河群浅变质岩系以及花岗质侵入岩和镁铁质脉岩等,主要分布在辽阳-海城-岫岩-营口-宽甸等地(2.17~1.85 Ga)(Zhao and Cawood, 2012).这些花岗质侵入岩成因类型主要为A型花岗岩、正长岩和环斑花岗岩.锆石U-Pb定年结果显示其主要形成时代为2.17~2.09 Ga和1.88~1.85 Ga(路孝平等,2004).辽东半岛除古元古代岩浆活动强烈外,中生代岩浆活动亦很强烈,该时期形成约20 000 km2的花岗岩,其形成时代主要有中-晚侏罗世(190~153 Ma)和早白垩世(131~120 Ma)(图 1b),近些年随着大量同位素定年工作的开展,该地区大面积的晚三叠世花岗岩被识别,其形成时代主要为(233~212 Ma).三叠纪侵入岩主要由碱性岩和闪长岩-辉绿岩-花岗岩组合组成(吴福元等,2005);侏罗世侵入岩主要由二云母二长花岗岩-花岗闪长岩-片麻状黑云母花岗岩组成(杨进辉等,2004);早白垩世花岗岩主要由似斑状花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩、A型花岗岩和晶洞花岗岩等组成(吴福元等,2005Yang et al., 2007).

        图  1  中国辽东半岛地质简图

        Figure 1.  Simplified geological map of Liaodong peninsula, China

      • 本次以丹东地区三股流岩体、五龙背岩体和丁岐山岩体为研究对象.三股流岩体分布在丹东市西北部三股流地区,呈椭圆状产出,长轴长11.4 km,短轴长1.5~5.2 km,分布面积约40 km2图 2a);三股流岩体由内向外可分为中心相、中间相和边缘相,岩性分别为似斑状黑云母二长花岗岩、花岗闪长岩、中粗粒黑云母二长花岗岩和石英闪长岩,中间相花岗闪长岩中可见闪长质包体.五龙背岩体主要分布在丹东市五龙背镇东北部,呈大面积岩基产出,分布面积约450 km2图 2b),岩石类型为中粗粒二长花岗岩,岩相分带不明显,暂未见包体.丁岐山岩体主要分布在丹东市五龙背镇刘家堡子地区,呈岩株产出,分布面积53.9 km2图 2b),可分为中心相、中间相和边缘相,岩性分别为中细粒碱长花岗岩、石英正长岩和石英二长岩,碱长花岗岩中偶见闪长质包体.本次研究的样品名称、采样位置、岩相学基本特征见表 1.

        图  2  辽东丹东三股流岩体地质简图(a)和辽东丹东五龙背-丁岐山岩体地质简图(b)

        Figure 2.  Simplified geological map of Sanguliu pluton (a) and Wulongbei-Dingqishan pluton (b), Dandong, Liaodong

        岩石名称 采样位置 组构和矿物组成 备注
        三股流花岗闪长岩 124°13′42″E、40°06′14″N 中粗粒花岗结构,块状构造;粒度一般在3.5~6.0 mm, 个别2.5~3.0 mm;斜长石(50%)(An=36)、钾长石(20%)、石英(20%)、黑云母(5%)、角闪石(5%),副矿物为磷灰石、磁铁矿、锆石、褐帘石、榍石等 图 3a~3b
        三股流似斑状黑云母二长花岗岩 124°15′20″E、40°05′54″N 似斑状结构,基质为中粒花岗结构,块状构造;粒度一般在2.8~10.0 mm, 少量0.5~1.5 mm, 个别1.6~2.0 mm;斜长石(30%)(An=22)、钾长石(30%)、石英(25%)、黑云母(10%)、角闪石(5%),副矿物为磷灰石、磁铁矿、锆石、褐帘石、榍石等 图 3c~3d
        三股流中粗粒二长花岗岩 124°14′45″E、40°06′15″N 中粗粒花岗结构,块状构造;粒度一般在0.6~2.8 mm, 个别4.0~6.3 mm;斜长石(30%)(An=22)、钾长石(25%)、石英(30%)、黑云母(10%)、角闪石(5%),副矿物为磷灰石、磁铁矿、锆石、褐帘石、榍石等 图 3e~3f
        五龙背岩体中粗粒二长花岗岩 124°16′30″E、40°16′45″N 中粗粒花岗结构,块状构造;粒度一般在0.6~2.8 mm, 个别4.0~6.3 mm;斜长石(30%)、钾长石(35%)、石英(30%)、黑云母(5%),副矿物为磷灰石、锆石、褐帘石、榍石等 图 3g~3h
        丁岐山岩体中细粒碱长花岗岩 124°21′49″E、40°17′29″N 中细粒花岗结构,块状构造;粒度一般在0.3~0.6 mm, 少量0.7~0.8 mm, 个别3~5 mm以上;条纹长石(55%)、斜长石(5%)(An=15±)、石英(30%)、黑云母(5%),副矿物为磷灰石、锆石、磁铁矿、榍石等 图 3i~3j

        表 1  辽东半岛丹东地区花岗岩岩相学基本特征

        Table 1.  Petrographic features of granite rocks in Dandong, Liaodong peninsula

        图  3  辽东半岛丹东地区花岗岩手标本和镜下照片

        Figure 3.  Photograghs and microscope photograghs for granite rocks in Dandong, Liaodong peninsula

      • 岩石主量、微量和稀土元素测试在自然资源部沈阳地质调查中心完成.主量元素测试采用飞利浦PW2404 X射线荧光光谱仪测定,分析精度优于5%.微量元素利用HR-ICPMS(Element I)电感耦合等离子体质谱测试.分析精度为:当元素含量大于10×10-6,精度优于5%;当含量小于10×10-6时,精度优于10%(杨凤超等,2016张朋等,2016).

      • 本次锆石定年样品采用常规方法进行粉碎,经过淘洗、采用电磁法分离,在双目镜下选出晶形和透明度好的单颗粒锆石,并进行锆石制靶和阴极发光图像分析,此项工作分别在河北廊坊诚信地质服务有限公司和北京锆年领航科技有限公司完成.锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学分析测试工作在中国科学院青藏高原研究所大陆碰撞与高原隆升重点实验室完成,测试仪器为激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS),剥蚀束斑直径为35 μm.激光剥蚀采样过程以氦气作为载体.采用Plesovice(年龄为337.00±0.37 Ma)和SL标准锆石(TIMS获得谐和年龄为572.2±0.4 Ma)作为外标进行基体校正;成分标样采用NIST SRM 612,其中29Si作为内标元素.具体测试流程及数据处理方法见张朋等(2018).

      • 锆石Lu-Hf同位素测定工作在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成.实验选用的剥蚀直径为55 μm,测试过程中采用He作为剥蚀物质载体,测定时使用锆石国际标样MT作为参考物质,分析点与锆石U-Pb定年分析点相同.分析过程中锆石标准MT的176Hf/177Hf测试加权平均值为0.282 008±0.000 025(2δn=24),具体方法见(张朋等,2016).

      • 丹东地区花岗岩元素地球化学分析结果见附表 1.三股流花岗闪长岩SiO2含量67.52%~67.86%,似斑状和中粗粒黑云母二长花岗岩SiO2含量较高,分别为70.54%~71.02%和70.89%~71.70%,三股流岩体整体具有相对较高的Al2O3(14.34%~14.82%)、K2O(3.87%~4.79%),MgO(0.68%~1.78%),Na2O含量相对较低(2.88%~3.54%).在SiO2-Na2O+K2O图解上除花岗闪长岩落入花岗闪长岩和正长岩边界区域外,二长花岗岩均落入花岗岩区域(图 4a).在SiO2-K2O图解上,花岗闪长岩落入钾玄岩系列并靠近高钾钙碱性区域,其余的样品落入高钾钙碱性区域(图 4b);三股流岩体A/CNK值为0.93~1.07,在A/CNK-A/NK判别图解中,落入准铝质-弱过铝质I型花岗岩区域(图 4c).五龙背中细粒二长花岗岩SiO2含量76.05%~76.21%,具有较高的Al2O3(12.60%~12.81%)、K2O(5.12%~5.24%), MgO(0.2%)和Na2O含量相对较低(3.28%~3.52%).在SiO2-Na2O+K2O图解上落入花岗岩区域(图 4a).在SiO2- K2O图解上,样品落入高钾钙碱性区域(图 4b),五龙背中细粒二长花岗岩A/CNK值为0.99~1.05,在A/CNK-A/NK判别图解中,同样落入准铝质-弱过铝质I型花岗岩区域(图 4c).丁岐山碱长花岗岩SiO2含量73.52%~74.67%;具有较高的Al2O3(14.18%~14.50%)、K2O(4.02%~4.58%)和MgO(0.20%~0.23%),Na2O含量相对较低(3.50%~3.68%).在SiO2-Na2O+K2O图解上落入花岗岩区域(图 4a).在SiO2- K2O图解上,样品落入高钾钙碱性区域(图 4b),丁岐山碱长花岗岩A/CNK值为1.06,在A/CNK-A/NK判别图解中,同样落入准铝质-弱过铝质I型花岗岩区域(图 4c).

        图  4  辽东半岛丹东地区花岗岩的SiO2-Na2O+K2O(a),SiO2-K2O(b)和A/CNK-A/NK(c)图解

        Figure 4.  Plots of SiO2-Na2O+K2O (a), SiO2-K2O (b) and A/CNK-A/NK(c) for granite rocks in Dandong, Liaodong peninsula

      • 三股流岩体、五龙背岩体和丁岐山岩体稀土元素测试结果见附表 1.三股流岩体的∑REE为146.47×10-6~250.83×10-6,平均213.80×10-6;LREE/HREE为14.04~24.78,平均19.42;δEu为0.51~0.80,平均0.62.在球粒陨石标准化图解(图 5a, 5c, 5e)上表现为右倾曲线,具有轻稀土元素富集,重稀土亏损特点,Eu负异常明显,表明源区残留大量斜长石(杨凤超等,2018).在原始地幔标准化的微量元素蛛网图(图 5b, 5d, 5f)上,高场强元素(Nb、P、Ti)明显亏损,大离子亲石元素(Rb、K)富集.丁岐山碱长花岗岩∑REE为60.43×10-6~140.24×10-6,平均102.42×10-6;其LREE/HREE为8.08~19.69,平均15.62;δEu为0.66~0.96,平均0.82.在球粒陨石标准化图解(图 5g)上表现为右倾的轻稀土元素富集,重稀土亏损,负Eu异常特征,在原始地幔标准化的微量元素蛛网图(图 5h)上,Nb、P、Ti等高场强元素亏损,而Rb、Ba、Sr等大离子亲石元素富集.五龙背中细粒二长花岗岩∑REE为59.14×10-6~64.84×10-6,平均62.58×10-6;LREE/HREE为10.16~10.35,平均10.20;δEu为0.78~0.79,平均0.78.稀土总量较低,轻重稀土之间的分馏明显,在球粒陨石标准化图解(图 5i)上表现为右倾曲线、稀土元素富集、重稀土亏损、负Eu异常特征,在原始地幔标准化的微量元素蛛网图(图 5j)上,Nb、P、Ti等高场强元素明显亏损,而Rb、K大离子亲石元素富集.

        图  5  辽东半岛丹东地区花岗岩的稀土配分曲线(a,c,e,g,i)和微量蛛网图(b,d,f,h)

        Figure 5.  Rare earth element distribution curves (a, c, e, g, i) and trace element spider diagrams (b, d, f, h) for granite rocks in Dandong, Liaodong peninsula

      • 三股流岩体花岗闪长岩的锆石阴极发光(CL)图像显示锆石呈柱状-长柱状,均发育振荡环带(图 6a).锆石Th/U=0.45~1.03,锆石Th/U均大于0.1(作者另文发表),表明其为岩浆成因锆石(Belousova et al., 2002).LA-ICP-MS U-Pb得到加权平均年龄为123.8±1.2 Ma(图 7a),代表了花岗闪长岩的结晶年龄(作者另文发表).

        图  6  辽东半岛丹东地区花岗岩锆石阴极发光(CL)图像

        Figure 6.  Zircon CL images of granite rocks in Dandong, Liaodong peninsula

        图  7  辽东半岛丹东地区花岗岩锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图和加权平均年龄图

        Figure 7.  LA-ICP-MS U-Pb age of granite rocks in Dandong, Liaodong peninsula

        三股流岩体似斑状黑云母二长花岗岩锆石阴极发光(CL)图像显示锆石呈长柱状、不规则状,均发育振荡环带,部分具有明显的核部(图 6b).锆石Th/U=0.34~1.21,锆石Th/U均大于0.1,表明其为岩浆成因锆石(Belousova et al., 2002).所测得的19个锆石206Pb/238U单点年龄值介于135.00~139.80 Ma(附表 2),分析测试点均落在U-Pb谐和线及其附近,LA-ICP-MS U-Pb得到加权平均年龄为137.2±1.2 Ma(图 7b),代表了似斑状黑云母二长花岗岩的结晶年龄.

        三股流岩体中粗粒黑云母二长花岗岩锆石阴极发光(CL)图像显示锆石呈长柱状、三角状,均发育振荡环带(图 6c).锆石Th/U=0.89~2.03,锆石Th/U均大于0.1,表明其为岩浆成因锆石(Belousova et al., 2002).所测得的16个锆石206Pb/238U单点年龄值介于120.20~128.00 Ma(附表 3),分析测试点均落在U-Pb谐和线及其附近,LA-ICP-MS U-Pb得到加权平均年龄为123.2±1.3 Ma(图 7c),代表了结晶年龄.

        丁岐山岩体碱长花岗岩锆石阴极发光(CL)图像显示锆石呈长柱状、长宽比多数在1.5:1.0,均发育振荡环带(图 6d).锆石Th/U=0.11~1.06,锆石Th/U均大于0.1,表明其为岩浆成因锆石(Belousova et al., 2002).所测得的18个锆石206Pb/238U单点年龄值介于120.00~125.20 Ma(附表 4),分析测试点均落在U-Pb谐和线及其附近,LA-ICP-MS U-Pb得到加权平均年龄为121.1±1.5 Ma(图 7d),代表了碱长花岗岩的结晶年龄.

        五龙背岩体中细粒花岗岩锆石阴极发光(CL)图像显示锆石呈长柱状、长宽比多数在3:1,振荡环带不明显(图 6e).锆石Th/U=0.53~1.43,锆石Th/U均大于0.1,表明其为岩浆成因锆石(Belousova et al., 2002).所测得的19个锆石206Pb/238U单点年龄值介于145.70~147.90 Ma(附表 5),分析测试点均落在U-Pb谐和线及其附近,LA-ICP-MS U-Pb得到加权平均年龄为146.8±0.8 Ma(图 7e~7f),代表了岩体的结晶年龄.

      • 三股流岩体花岗闪长岩、似斑状黑云母二长花岗岩和中粗粒黑云母二长花岗岩测定结果见附表 6~8,所选测试点均在已经做过定年的锆石颗粒之上(图 6a~6c).花岗闪长岩16个测试点176Yb/177Hf值变化范围为0.017 143~0.036 143,计算εHf(t)值范围为-17.69~-12.72,TDM2值变化范围为2 299~2 061 Ma;似斑状黑云母二长花岗岩16个测试点176Yb/177Hf值变化范围为0.015 053~0.051 164,计算εHf(t)值范围为-20.07~-17.54,TDM2值变化范围为2 489~2 306 Ma;中粗粒黑云母二长花岗岩16个测试点176Yb/177Hf值变化范围为0.012 985~0.022 382,计算εHf(t)值范围为-22.40~-18.53,TDM2值变化范围为2 594~2 316 Ma.三股流岩体岩石每颗测试的锆石TDM1都大于锆石形成年龄,在Hf同位素演化线(图 8)中,样品点均落在球粒陨石演化线之下,在1.8 Ga和3.0 Ga地壳演化之间.丁岐山碱长花岗岩锆石原位Lu-Hf测定结果见附表 9,16个测试点176Yb/177Hf值变化范围为0.033 700~0.163 042,计算εHf(t)值范围为-13.19~-9.74,TDM2值变化范围为2 013~1 975 Ma.五龙背岩体中细粒花岗岩锆石原位Lu-Hf测定结果见附表 10,16个测试点176Yb/177Hf值变化范围为0.046 756~0.102 128,计算εHf(t)值范围为-15.50~-11.33,TDM2值变化范围为2 178~1 915 Ma.样品点均落在球粒陨石演化线之下,在1.8 Ga和3.0 Ga地壳演化线之间(图 8).

        图  8  辽东半岛花岗岩的锆石Lu-Hf同位素特征图解

        Figure 8.  Lu-Hf diagram of the granite rocks of Dingqishan rocks in Dandong, Liaodong peninsula

      • 岩相学研究表明,丹东地区花岗岩暗色矿物以角闪石和黑云母为主,未见富铝的堇青石和白云母,副矿物以富含磷灰石、磁铁矿、锆石、褐帘石、榍石等为特征,说明其不具备S型花岗岩的特点(杨俊泉等,2016).近些年诸多研究者用P2O5、Rb、Y和Th等相关元素判别高分异I型和S型花岗岩(Chappell and White, 1992朱弟成等,2009).地球化学特征显示,丹东地区花岗岩SiO2与P2O5具有明显的负相关,Rb与Th具有正相关关系,显示出I型花岗岩的特点,同时也暗示丹东地区花岗岩分异程度并不高(唐燕文等,2012).Whalen指标和含铝指数适用于未经强烈分异的花岗岩成因类型的划分(吴福元等,2007),被认为是花岗岩分类的有效依据之一.岩石地球化学显示,在(Zr+Nb+Ce+Y)-(K2O+Na2O)判别图解中,五龙背岩体落入分异的I型和S型花岗岩区(图 9a),丁歧山岩体、三股流岩体的似斑状和中粗粒黑云二长花岗岩落入I型、S型和M型花岗岩区(图 9a);在(Zr+Nb+Ce+Y)-FeOT/MgO判别图解中,五龙背岩体和丁歧山岩体落入分异的I型和S型花岗岩区,三股流岩体落入I型、S型和M型花岗岩区(图 9b);在10 000Ga/Al-Zr和10 000Ga/Al-Nb判别图解中丹东地区花岗岩均落入I型、S型和A型花岗岩边界区域(图 9c~9d).丹东地区花岗岩A/CNK介于0.93~1.06,在A/CNK-A/NK图解中位于I型花岗岩区域(图 4a).综合多种方法判别进行综合判别,本文认为丹东地区的三股流岩体、五龙背岩体和丁岐山岩体均具有I型花岗岩属性.

        图  9  丹东地区花岗岩成因类型判别图(Zr+Nb+Ce+Y)-(K2O+Na2O) (a); (Zr+Nb+Ce+Y)-(FeOT/MgO) (b); 10 000Ga/Al-Zr; (d) 10 000Ga/Al-Nb(c)

        Figure 9.  Granite genesis and type discrimination diagrams (Zr+Nb+Ce+Y)-(K2O+Na2O) (a), (Zr+Nb+Ce+Y)-(FeOT/MgO) (b), 10 000Ga/Al-Zr (c); 10 000Ga/Al-Nb(d)

        三股流岩体花岗闪长岩为钾玄岩系列,并有向高钾钙碱性系列过渡的趋势,似斑状黑云母二长花岗岩、中粗粒黑云母二长花岗岩及五龙背岩体和丁岐山岩体均为高钾钙碱性系列岩石,三股流岩体Al2O3介于14.34%~14.82%,Mg#值介于39.2~51.4,主体小于40,五龙背岩体和丁岐山岩体Al2O3分别介于12.60%~12.81%和14.18%~14.50%,Mg#值分别介于21.3~27.9和21.1~23.1,暗示岩浆源区主要来源于深部陆壳(刀艳等,2015).岩石富集轻稀土元素、亏损重稀土元素,Nb、Ta等高场强元素相对亏损,暗示岩浆源区可能残留石榴子石(林博磊和李碧乐,2013王月飞等,2018).三股流岩体、五龙背岩体和丁岐山岩体均具负Eu异常(0.51~0.83),岩浆演化过程中斜长石发生了分离结晶.研究显示,锆石Hf同位素能够很好地反映岩浆源区性质,为源区性质提供精确的信息(Amelin et al., 2000孟勇等,2018),当εHf(t) > 0,暗示花岗岩的岩浆与新生地壳有关;εHf(t) < 0则暗示花岗岩的源岩与古老地壳的部分重熔有关(Amelin et al., 1999).本次获得的三股流花岗闪长岩岩体、似斑状黑云母二长花岗岩、中粗粒黑云母二长花岗岩及五龙背岩体和丁岐山岩体的176Hf/177Hf值分别在0.017 143~0.036 143、0.015 053~0.051 164、0.012 985~0.022 382、0.102 128~0.046 756和0.163 042~0.036 604之间,且变化相对狭小,说明锆石Hf组成均一,岩浆源区单一.所测样品中锆石εHf(t)值均 < 0,εHf(t)-t图解中,样品均分布在亏损地幔演化线之下,在1.8 Ga地壳演化线以下(图 8).样品的二阶段模式年龄(tDM2)均大于单阶段模式年龄(tDM1).本次研究的3个岩体稀土和微量配分模式相似,具有类似的Hf同位素组成,前人对五龙地区燕山期侵入岩Sr-Nd同位素研究,认为该地区燕山期侵入岩具有相似的初始锶比值(魏俊浩等,2003).综合上述分析,它们可能是同源岩浆演化不同阶段的产物,原岩岩浆为古元古代古老地壳部分熔融形成.

      • 本次获得五龙背岩体成岩时代为146.8±0.8 Ma,三股流岩体成岩时代为(137.2±1.2)~(123.2±1.3) Ma之间,丁岐山岩体成岩时代为121.1±1.5 Ma.前者形成时代为晚侏罗世,后两者形成时代为早白垩世.有关辽东半岛侏罗世岩浆活动大地构造背景主要有3种观点:与古太平洋板块俯冲作用有关(Zhou and Li, 2000吴福元等,2005);与华北克拉通下地壳拆沉作用有关(Gao et al., 2004)和与陆内伸展作用有关(Li et al., 2004).辽东半岛区域构造研究表明,辽东半岛丹东地区在晚侏罗世经历了一期NW向挤压变形(李三忠等,2004).杨进辉等(2004)通过对丹东西南部片麻状的黑沟岩体开展Ar-Ar年代学研究,得出该岩体在143 Ma经历推覆挤压,在121~113 Ma经历地壳伸展.前人研究认为华北东部乃至东北地区侏罗纪花岗岩基本都是典型的I型花岗岩,具有埃达克质岩石特征,暂时未发现伸展背景下的A型和碱性岩体,因此研究区侏罗纪成岩构造背景排除与陆内伸展作用有关.下地壳拆沉虽然能够引起地壳的快速隆升,但总体是以伸展构造背景为主,这与研究区侏罗纪处于挤压的构造背景明显不相符.古地磁资料显示,华北、华南和西伯利亚板块的古地磁在早白垩世重合,研究区乃至中国东部地区处于古太平洋构造域控制之下.研究表明古太平洋板块开始向欧亚板块的俯冲时间可能为中侏罗晚期(180~170 Ma)(Isozaki, 1997Maruyama et al., 1997),在145~135 Ma期间,以NW50°方向向欧亚大陆俯冲导致晚侏罗世成岩事件(Engebretson et al., 1985),这与辽东半岛侏罗世发生的挤压事件相符.岩石地球化学数据显示,样品在Hf-Rb/30-3Ta判别图解中(图 10a),均落入火山弧区;在(Y+Nb)-Rb判别图解中,所有数据点同样落入火山弧区(图 10b),说明三股流岩体、五龙背岩体和丁岐山岩体形成于活动大陆边缘构造背景.本次获得的五龙背岩体成岩时代为晚侏罗世,尽管该岩石片麻理不明显,但其成岩时代与古太平洋板块向欧亚板块俯冲挤压的构造背景相符,因此推测五龙背岩体形成的构造背景为古太平洋板块向欧亚板块的俯冲挤压环境.刘俊来等(2011)对辽南地区变质核杂岩开展系统研究,认为在135~106 Ma期间,辽东地区形成了变质核杂岩、低角度拆离断层等伸展构造背景下的构造体系.前人对侵入辽南变质核杂岩中的饮马湾山岩体的年代学和地球化学研究显示,中国东部早白垩世岩浆活动受伸展构造背景控制(郭春丽等,2004).地质研究表明,在辽东半岛及临区的早白垩世岩浆活动普遍存在,如松辽盆地和黑龙江大兴安岭地区的伸展构造背景下形成的流纹岩和玄武岩双峰火山岩(孟恩等,2011);吉林临江地区钙碱性火山岩和辽南饮马泉闪长质岩石(Pei et al., 2011),因此限定研究区早白垩世岩浆活动处于伸展构造背景.综上,推测三股流岩体、五龙背岩体和丁岐山岩体成岩动力学背景属于中生代大陆边缘岩浆弧环境,五龙背岩体形成于古太平洋板块向欧亚板块的俯冲挤压的构造背景,而三股流岩体和丁岐山岩体形成于伸展的构造背景.

        图  10  丹东地区花岗岩Rb /30-Hf-3Ta三元图解(a)和Rb-(Y+Nb)图解(b)

        Figure 10.  Rb/30-Hf-3Ta diagram(a); Rb-(Y+Nb) diagram(b)

      • (1)三股流岩体似斑状黑云母二长花岗岩和中粗粒二长花岗岩LA-ICP-MS U-Pb年龄为137.2±1.2 Ma和123.2±1.3 Ma;五龙背岩体中粗粒二长花岗岩LA-ICP-MS U-Pb年龄为146.8±0.8 Ma;丁岐山岩体中细粒碱长花岗岩LA-ICP-MS U-Pb年龄为121.1±1.5 Ma.

        (2)岩相学和元素地球化学特征显示,三股流岩体、五龙背岩体和丁岐山岩体均有I型花岗岩;锆石Hf同位素显示,三股流岩体、五龙背岩体和丁岐山岩体εHf(t)均小于0,结合二阶段模式年龄,推测三股流岩体、五龙背岩体和丁岐山岩体原岩为古元古代古老地壳部分熔融形成.

        (3)三股流岩体、五龙背岩体和丁岐山岩体均形成于活动大陆边缘,五龙背岩体形成于古太平洋板块向欧亚板块的俯冲挤压的构造背景,三股流岩体和丁岐山岩体形成于古太平洋板块向欧亚板块俯冲后的伸展环境.

        致谢:论文在成文过程中得到了两位匿名审稿人、编辑和沈阳地质调查中心张超工程师提供的宝贵建议,在实验测试过程中得到了中国科学院青藏高原研究所岳雅慧老师和沈阳地质调查中心周永恒高级工程师和吴涛涛工程师的帮助,作者在此表示诚挚的感谢!

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

    参考文献 (86)

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