遼北地區(qū)太古宙基底殼巖系和g花崗質(zhì)巖石地球化學(xué)特征

遼北地區(qū)太古宙基底殼巖系和g花崗質(zhì)巖石地球化學(xué)特征

類(lèi)似于現(xiàn)代板塊運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)體系在古老的古代古代起到了作用（霍夫曼，1988）。華北克拉通經(jīng)呂梁運(yùn)動(dòng)完全克拉通化(趙宗溥等,1993;Zhaoetal.,2001)。但是,太古宙晚期華北克拉通是否存在與現(xiàn)代板塊構(gòu)造類(lèi)似的碰撞拼合作用(伍家善等,1998;Kuskyetal.,2001;Lietal.,2002),還存在爭(zhēng)論。另一方面,超大陸的聚合解體和底侵作用都可引起陸殼增生(Duncanetal.,1994;Steinetal.,1994)。新太古代為華北克拉通陸殼增生主要時(shí)期,其增生方式的研究對(duì)了解華北克拉通早期地殼演化具有重要意義。本文對(duì)遼北撫順、清原地區(qū)新太古代表殼巖系和TTG花崗質(zhì)巖石進(jìn)行了地球化學(xué)研究。結(jié)果表明,它們形成于板塊聚合的島弧系統(tǒng)環(huán)境,與現(xiàn)代板塊運(yùn)動(dòng)類(lèi)似的構(gòu)造體制在太古宙晚期就已存在。1區(qū)域地質(zhì)背景按以往認(rèn)識(shí),遼北撫順—清原地區(qū)存在中太古代高級(jí)區(qū)和新太古代綠巖帶兩種不同地殼類(lèi)型(王松山等,1987;沈保豐等,1994;李俊建等,2000;伍家善等,1998)。中太古代高級(jí)區(qū)渾南群和TTG片麻狀花崗質(zhì)巖石主要分布于渾河斷層以南。新太古代綠巖帶清原群和TTG花崗質(zhì)巖石主要分布于渾河斷層以北。但是,最近的研究表明,渾河斷層南北兩側(cè)太古宙基底在形成時(shí)代、巖石組合等方面可以對(duì)比,其主體都形成于新太古代。渾河斷層南側(cè)小萊河表殼巖系獲得3.0Ga左右的角閃石40Ar/39Ar年齡和全巖Sm-Nd等時(shí)線年齡(王松山等,1987;李俊建等,2000)是遼北地區(qū)中太古代地殼物質(zhì)存在的最重要證據(jù),但該區(qū)角閃變粒巖(變質(zhì)原巖為火山成因)的巖漿鋯石SHRIMPU-Pb年齡為2.52Ga(萬(wàn)渝生等,2005)。渾河斷裂兩側(cè)都以TTG和變質(zhì)火山(沉積)建造為主,都有角閃巖相和麻粒巖相變質(zhì)地體存在。不過(guò),與渾河斷層南側(cè)相比,其北側(cè)表殼巖系出露更多,總體上角閃巖相變質(zhì)地體的比例也更大一些,顯示兩者差異的存在。根據(jù)新的研究成果,把原渾南群和清原群合并,統(tǒng)稱為清原群,時(shí)代為新太古代(圖1)。清原群表殼巖系在小萊河、湯圖、通什、清原北部等地較多出露。主體為斜長(zhǎng)角閃巖、角閃變粒巖、黑云變粒巖,它們互層產(chǎn)出。變質(zhì)原巖為拉斑玄武巖、安山巖、英安巖及相應(yīng)的火山碎屑沉積巖組合。在小萊河等地還有條帶狀磁鐵石英巖存在。變質(zhì)沉積巖系在湯圖、紅透山等地出露較多,主要由不同類(lèi)型的變粒巖組成,包括黑云變粒巖、二云變粒巖、石榴藍(lán)晶二云變粒巖、夕線黑云變粒巖等。TTG花崗質(zhì)巖石在遼北撫順—清原地區(qū)廣泛分布,其比例在80%以上,總體上具穹隆構(gòu)造產(chǎn)出特征(沈保豐等,1994)。有關(guān)它們的組成、性質(zhì)及空間分布等還不十分清楚。在許多地方,TTG花崗質(zhì)巖石遭受強(qiáng)烈變質(zhì)變形和深熔作用改造,形成條帶狀、條紋狀構(gòu)造,顯示出混合巖的外貌特征。遼北太古宙基底中還有規(guī)模較大的紫蘇花崗巖出露,主要分布在撫順唐力和清原線金廠一帶,與麻粒巖共生。本文涉及到的巖石類(lèi)型如下。(1)斜長(zhǎng)石、黑石、閃石巖石呈暗綠色,塊狀、片麻狀。主要由斜長(zhǎng)石和角閃石組成,一些巖石中有透輝石存在。斜長(zhǎng)石多遭受不同程度的絹云母化。角閃石為黃褐色,部分被綠泥石化。存在少量斜交面理的晚期角閃石。見(jiàn)很少量綠簾石。(2)角閃石的組成巖石呈灰綠色,塊狀、片麻狀,與斜長(zhǎng)角閃巖的主要區(qū)別在于斜長(zhǎng)石和角閃石比例不同。角閃變粒巖以斜長(zhǎng)石為主,暗色礦物主要為角閃石,一些巖石中有透輝石和黑云母。其含量有較大變化,但一般不到30%。在小萊河大部分角閃石呈黃褐色,存在少量形成較晚的綠色角閃石。在湯圖角閃石為綠色,定向排列,部分綠泥石化,見(jiàn)透輝石和角閃石之間的反應(yīng)關(guān)系。透輝石為粒狀,淺綠色。斜長(zhǎng)石粒狀,部分具聚片雙晶,通常遭受絹云母化。(3)黑云黑粒巖主要由斜長(zhǎng)石、石英和黑云母組成。黑云母呈棕色,細(xì)片狀,定向排列。長(zhǎng)英質(zhì)礦物具三連點(diǎn)結(jié)構(gòu)。一些巖石中還含有石榴子石、白云母等。(4)巖石結(jié)構(gòu)組成根據(jù)所含礦物不同還可進(jìn)一步劃分為黑云斜長(zhǎng)片麻巖、石榴黑云斜長(zhǎng)片麻巖等。黑云斜長(zhǎng)片麻巖主要由斜長(zhǎng)石、黑云母和少量石英組成。斜長(zhǎng)石可具三連點(diǎn)結(jié)構(gòu),部分具聚片雙晶,絹云母化蝕變?nèi)?。黑云母具棕色—淺黃色多色性,片狀,定向排列。部分巖石中黑云母含量很高,可達(dá)40%以上。石榴黑云斜長(zhǎng)片麻巖中石榴子石含量通常不高,呈粒狀,成層分布,可包裹斜長(zhǎng)石、石英。(5)斜加量礦細(xì)度巖石具片麻狀構(gòu)造,一些地方受變質(zhì)變形和深熔作用強(qiáng)烈影響,呈條帶狀、條痕狀。主要由斜長(zhǎng)石、石英、鉀長(zhǎng)石、黑云母組成,其比例可有相當(dāng)變化,但鉀長(zhǎng)石、黑云母含量通常不高。根據(jù)礦物組合和不同礦物含量變化,可進(jìn)一步劃分為奧長(zhǎng)花崗質(zhì)巖石、英云閃長(zhǎng)質(zhì)巖石、花崗閃長(zhǎng)質(zhì)巖石等。(6)角閃石、黑云母石巖石呈灰色,塊狀,片麻狀,中粒結(jié)構(gòu)。主要由斜長(zhǎng)石、石英和黑云母、輝石組成,也有少量角閃石和鉀長(zhǎng)石。斜長(zhǎng)石和石英呈粒狀,部分斜長(zhǎng)石發(fā)生絹云母化。輝石為粒狀。角閃石多分布于輝石邊部,系由輝石退變形成。黑云母呈棕色—黃色多色性。鉀長(zhǎng)石為微斜長(zhǎng)石,可以斑晶形式存在,具卡式雙晶和出溶結(jié)構(gòu)。2素分析結(jié)果元素分析結(jié)果見(jiàn)表1和圖2～4,Sm、Nd同位素分析結(jié)果見(jiàn)表2。稀土模式標(biāo)準(zhǔn)化值引自Masuda(1975),巖石/MORB—元素圖解的標(biāo)準(zhǔn)化值引自Pearce(1983)。(1)稀土不高，標(biāo)準(zhǔn)化值低,總體規(guī)劃設(shè)計(jì)(LF9825a):相對(duì)高SiO2(51.89%)、K2O(1.10%)(表1),稀土總量不高(ΣREE=20.3×10-6),標(biāo)準(zhǔn)化值低于10,具平坦型稀土模式[(La/Yb)n=1.0],無(wú)負(fù)銪異常(Eu/Eu*=1.18)(圖2a)。P、Ti、Zr、Nb等高場(chǎng)強(qiáng)不相容元素含量低,相容元素Cr含量較高,而大離子親石元素Rb、Ba、Th等含量也高(圖2b)。(2)多步砂基巖型(LQ0107,LF9825b,LF0107-1,LF9817,LF9816,LF9814,LF9813,LQ0104):根據(jù)地球化學(xué)組成可劃分為3種類(lèi)型。類(lèi)型1:見(jiàn)于小萊河鐵礦區(qū)(LQ0107,LF9825b)。與其互層的斜長(zhǎng)角閃巖相比,巖石高SiO2(54.97%～55.57%),低MgO(3.65%～3.67%)、TFeO(5.60%～6.09%),但稀土模式與之十分類(lèi)似,稀土總量低(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](圖2a)。在巖石/MORB—元素圖解上,它們的元素分布形式也十分類(lèi)似(圖2b)。類(lèi)型2:見(jiàn)于湯圖、清原北部等地(LF9813,LF9814,LF9816,LF9817,LF0103,LF0107-1,LQ0104)。它們常量元素組成上與前一類(lèi)角閃變粒巖無(wú)明顯區(qū)別,但稀土模式和微量元素組成特征存在較大差異。它們稀土總量高(ΣREE=78.4×10-6～133.0×10-6),輕稀土明顯富集[(La/Yb)n=11.4～20.2],無(wú)明顯負(fù)銪異常(Eu/Eu*=0.94～1.05)(圖2c和e)。與前一類(lèi)角閃變粒巖相比,它們相容元素Sc、Cr含量明顯降低(圖2d,f)。2個(gè)樣品(LF9813,LF9817)Sm、Nd同位素分析,tDM和εNd(2.5Ga)分別為2.65～2.71Ga和1.69～2.62(表2)。類(lèi)型3:采于通什水庫(kù)附近的黑云角閃變粒巖(LF0103)明顯高K2O(3.08%)、P2O5(1.02%)、Zr(487×10-6),稀土總量高(ΣREE=457.5×10-6),輕重稀土強(qiáng)烈分離[(La/Yb)n=41.8],無(wú)明顯負(fù)銪異常(Eu/Eu*=0.88)(圖2e)。元素組成上與前兩類(lèi)角閃變粒巖有明顯區(qū)別。(3)樣品的lf9833和ko(LF9806,LF9203,LF9202-1,LF9831):巖石高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個(gè)樣品相對(duì)高鈉低鉀(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(圖2g)。2個(gè)樣品(LF9806,LF9831)的Sm、Nd同位素分析,tDM和εNd(2.5Ga)分別為2.65～2.92Ga和-0.14～2.52(表2)。地球化學(xué)組成特征總體與類(lèi)型2角閃變粒巖類(lèi)似,但演化程度更高。(4)稀土總量及[la/ybn(LQ9205,LF9832):巖石低SiO2,高M(jìn)gO、TFeO、CaO,K2O和Na2O含量變化大(表1)。稀土總量較低(ΣREE=66.4×10-6～108.7×10-6),輕重稀土分離不強(qiáng)[(La/Yb)n=4.9～7.6],具一定負(fù)銪異常(Eu/Eu*=0.63～0.78)(圖3)。樣品LF9832的tDM和εNd(2.5Ga)分別為3.26Ga和-1.95(表2)。(5)cao、ko、na2o變化常量元素組成為: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),顯示出較大的變化。巖石稀土總量(ΣREE=77.9×10-6～198.7×10-6)、負(fù)銪異常(Eu/Eu*=0.75～1.35)、輕重稀土分離程度[(La/Yb)n=25.8～194.4]也存在較大變化,輕重稀土強(qiáng)烈分離是其共同特征(圖4a和b)。(6)巖石結(jié)構(gòu)(LF9801,LF9810)和麻粒巖(LQ0111):紫蘇花崗巖低SiO2(60.12%～60.80%),高M(jìn)gO(2.39%～2.70%)、TFeO(5.24%～5.43%)、CaO(4.21%～4.67%)、Na2O(4.80%～5.26%)、K2O(2.91%～3.36%)。稀土總量為158.2×10-6～171.3×10-6,輕重稀土強(qiáng)烈分離[(La/Yb)n=33.3～37.7],無(wú)明顯負(fù)銪異常(Eu/Eu*=0.99～1.10)(圖4c),總體特征與TTG花崗質(zhì)巖石類(lèi)似。樣品LF9810的tDM和εNd(2.5Ga)分別為2.45Ga和5.42(表2)。麻粒巖與紫蘇花崗巖的主要區(qū)別是大離子親石元素明顯虧損(圖4d)。3巖石學(xué)和微量元素小萊河斜長(zhǎng)角閃巖具近于平坦型的稀土模式,變質(zhì)原巖玄武質(zhì)火山物質(zhì)來(lái)自虧損地幔源區(qū),大離子親石元素富集則表明陸殼物質(zhì)影響存在。但是,由于巖石無(wú)輕稀土富集,這種影響看來(lái)不是玄武質(zhì)巖漿上升過(guò)程中受陸殼物質(zhì)混雜所致。一種普遍認(rèn)同的解釋是,陸殼物質(zhì)選擇性帶入發(fā)生在玄武質(zhì)巖漿物源區(qū),并與島弧系統(tǒng)環(huán)境有關(guān)。洋殼及上覆沉積物在島弧構(gòu)造環(huán)境向下俯沖,到達(dá)一定深度時(shí)發(fā)生脫水,大離子親石元素富集而輕稀土不富集的流體上升交代上覆虧損地幔楔,引起虧損地幔部分熔融,形成大離子親石元素富集而稀土具平坦型或甚至虧損型的玄武質(zhì)巖漿(萬(wàn)渝生等,1997)。除具平坦型稀土模式的斜長(zhǎng)角閃巖外,該區(qū)還存在較多輕稀土富集型的斜長(zhǎng)角閃巖存在(沈保豐等,1994)。類(lèi)型1角閃變粒巖空間上與小萊河斜長(zhǎng)角閃巖緊密共生,變質(zhì)原巖為安山質(zhì)巖石,具平坦型稀土模式,大離子親石元素富集,組成特征與共生的斜長(zhǎng)角閃巖十分相似,兩者變質(zhì)原巖之間很可能存在物源上的成因聯(lián)系。前者是后者進(jìn)一步結(jié)晶分異的產(chǎn)物。類(lèi)型2角閃變粒巖的變質(zhì)原巖也為安山質(zhì)巖石。常量元素組成與類(lèi)型1角閃變粒巖無(wú)明顯區(qū)別,但組成變化較大,最基性巖石樣品與斜長(zhǎng)角閃巖接近。它們稀土和其他微量元素組成特征與類(lèi)型1角閃變粒巖有很大不同,稀土總量較高,輕稀土明顯富集,不活動(dòng)性不相容元素P含量較高,相容元素Cr含量低。它們可能是玄武質(zhì)巖漿進(jìn)一步結(jié)晶分異的產(chǎn)物。巖石tDM和εNd(2.5Ga)分別為2.65～2.71Ga和1.69～2.62(表2),虧損地幔模式年齡tDM大于火山作用時(shí)代(2.51Ga),表明陸殼物質(zhì)影響存在。但是,由于兩類(lèi)角閃變粒巖常量元素組成無(wú)明顯區(qū)別,不能單用陸殼物質(zhì)混染影響來(lái)解釋它們稀土組成差異。類(lèi)型2角閃變粒巖與類(lèi)型1角閃變粒巖的變質(zhì)原巖明顯不同,前者來(lái)自相對(duì)富集的地幔源區(qū),與輕稀土富集型斜長(zhǎng)角閃巖是否存在物源上的成因聯(lián)系值得進(jìn)一步研究。該區(qū)很可能存在富集型和虧損型兩種不同類(lèi)型的太古宙地幔源區(qū)。類(lèi)型3黑云角閃變粒巖(LF0103)稀土總量(ΣREE=457.5×10-6)和大離子親石元素含量(K2O=3.08%)及P2O5含量(1.02%)都很高,變質(zhì)原巖可能經(jīng)歷了很強(qiáng)的結(jié)晶分異,并遭受陸殼物質(zhì)強(qiáng)烈影響。黑云變粒巖具英安質(zhì)巖石組成特征,稀土模式和微量元素組成與類(lèi)型2角閃變粒巖相似,但顯示出更為富集的組成特征。存在兩種可能的解釋:①黑云變粒巖與類(lèi)型2角閃變粒巖變質(zhì)原巖存在物源上的成因聯(lián)系,前者為后者進(jìn)一步結(jié)晶分異的產(chǎn)物;②黑云變粒巖變質(zhì)原巖為俯沖洋殼部分熔融的產(chǎn)物,其形成與類(lèi)型2角閃變粒巖變質(zhì)原巖無(wú)關(guān)。地球化學(xué)和Nd同位素研究表明,與類(lèi)型2角閃變粒巖相比,黑云變粒巖變質(zhì)原巖受到陸源物質(zhì)更強(qiáng)烈的影響。遼北地區(qū)也有變質(zhì)陸源碎屑沉積巖存在。2個(gè)樣品(LQ9205和LF9832)分析,地球化學(xué)組成上顯示出低的成熟度。但樣品LF9832的tDM和εNd(2.5Ga)分別為3.26Ga和-1.95(表2),碎屑物質(zhì)來(lái)自古老物源區(qū)。TTG花崗質(zhì)巖石構(gòu)成遼北太古宙基底的主體。它們?cè)馐茏冑|(zhì)變形,局部地方存在深熔作用改造。巖石輕重稀土強(qiáng)烈分離,無(wú)明顯負(fù)銪異常,與以往研究結(jié)果十分類(lèi)似(沈保豐等,1994;伍家善等,1998)。這一組成特征被認(rèn)為與玄武質(zhì)巖石相對(duì)高壓條件下的部分熔融有關(guān)。太古宙時(shí)期洋殼具高的地?zé)崽荻?具拉班玄武巖組成的洋殼板塊俯沖進(jìn)入石榴子石穩(wěn)定區(qū)之前未發(fā)生脫水反應(yīng),而在進(jìn)入石榴子石穩(wěn)定區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楹褡邮遍L(zhǎng)角閃巖或榴輝巖之后才發(fā)生部分熔融。由于富集重稀土的石榴子石作為殘余相存在,引起太古宙TTG花崗質(zhì)巖石輕重稀土強(qiáng)烈分離(Martin,1986,1994)。這一認(rèn)識(shí)得到了玄武質(zhì)巖石高溫高壓熔融實(shí)驗(yàn)(Rappetal.,1991;Senetal.,1994)及年輕的adakite和太古宙TTG花崗質(zhì)巖石對(duì)比研究(Martin,1999)的支持。樣品LQ0110輕重稀土分離程度較弱[(La/Yb)n=25.8],內(nèi)部殘余鋯石年齡為2.56Ga,變質(zhì)及深熔成因鋯石年齡為2.47Ga(萬(wàn)渝生等,2005),可能為角閃變粒巖深熔作用產(chǎn)物。紫蘇花崗巖輕重稀土強(qiáng)烈分離,樣品LF9810的tDM和εNd(2.5Ga)分別為2.45Ga和5.42(表2),組成上與TTG花崗質(zhì)巖石十分相似。兩者具有物源上的成因聯(lián)系,但形成條件有所不同。與現(xiàn)代板塊運(yùn)動(dòng)類(lèi)似的構(gòu)造體制在太古宙晚期階段已起作用,這一認(rèn)識(shí)得到了越來(lái)越多的認(rèn)同(Marin,1986,1994;Drummondetal.,1990;Karstenetal.,1996)。遼北地區(qū)新太古代地質(zhì)記錄可用板塊構(gòu)造得到合理的解釋。該區(qū)新太古代表殼巖系主要由斜長(zhǎng)角閃巖、角閃變粒巖和黑云變粒巖組成,另有少量輝石巖、角閃石巖、片麻巖、片巖存在。變質(zhì)原巖以玄武質(zhì)、安山質(zhì)、英安質(zhì)等火山(沉積)巖為主,加上少量超基性巖和不同成熟度的陸源碎屑沉積巖,巖石組合和地球化學(xué)組成特征與島弧系統(tǒng)十分類(lèi)似。兩種不同類(lèi)型地球化學(xué)組成特征的斜長(zhǎng)角閃巖,可能反映其變質(zhì)原巖形成條件和過(guò)程的不同。虧損型玄武質(zhì)巖石形成于弧前環(huán)境,地幔源區(qū)未受陸殼物質(zhì)明顯影響,巖漿上升過(guò)程中也未受到陸殼物質(zhì)混合混染。富集型玄武質(zhì)巖石形成于島弧或弧后環(huán)境,地幔源區(qū)受到陸殼物質(zhì)強(qiáng)烈影響,或巖漿上升過(guò)程中受到陸殼物質(zhì)的混合混染。TTG花崗質(zhì)巖石形成也與洋殼俯沖有關(guān)。表殼巖系和TTG花崗質(zhì)巖石形成于島弧環(huán)境,共同構(gòu)成島弧系統(tǒng)的不同組成部分。與同時(shí)代黑云變粒巖相比,TTG花崗質(zhì)巖石高SiO2,低TFeO、MgO、CaO,輕重稀土分離程度明顯增強(qiáng),但兩者都具高Na2O低K2O的組成特征。如果黑云變粒巖變質(zhì)原巖英安質(zhì)火山(沉積)巖形成于俯沖洋殼板塊的部分熔融,那么,與TTG花崗質(zhì)巖石常量元素組成上的差異要求前者形成于更高程度部分熔融。另一方面,英安質(zhì)火山巖形成在前,輕重稀土分離程度更低,與TTG花崗質(zhì)巖石形成相比,要求熔融作用發(fā)生在洋殼板塊俯沖更淺