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辽东地区大兴岩体LA—ICP—MS锆石U—Pb定年、地球化学特征及地质

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 摘 要:以辽东地区大兴岩体为研究对象,对花岗岩的岩石学、岩石地球化学以及锆石U-Pb年龄进行了研究,确定了花岗岩形成的时代,探讨了花岗岩的岩石成因及构造意义。结果表明:大兴花岗岩中锆石具有典型的岩浆振荡生长环带和较高的w(Th)/w(U)值(0.54~1.27),反映了岩浆成因特征;LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果为(120±1)Ma,表明大兴岩体主要形成于早白垩世晚期;地球化学特征显示大兴花岗岩为过铝质高钾钙碱性花岗岩,具有富Si,富碱和贫CaO、Fe2O3、MgO和P2O5的特征,以及稀土元素含量较高,轻稀土元素相对富集和重稀土元素相对亏损的特征,Eu负异常较为明显,稀土元素配分模式具有右斜“V”字型的特征,明显富集 Rb、Th、U、Ta、Hf、Gd 等元素,亏损 Ba、Sr、P 和 Ti 等元素;花岗岩熔体的锆石饱和温度(724 ℃~816 ℃)明显低于白垩纪A型花岗岩(868 ℃~928 ℃)。以上特征表明,辽东大兴地区花岗岩应属于高分异I型花岗岩,形成于局部伸展拉张构造背景。
  关键词:I型花岗岩;锆石U-Pb年龄;岩石地球化学;岩石成因;早白垩世;局部伸展;辽宁
  中图分类号:P597.+3;P595 文献标志码:A
  文章编号:1672-6561(2016)05-0623-15
  Abstract: The petrology, geochemistry and zircon U-Pb ages of Daxing pluton in Liaodong area were studied, and the formation ages of granites were measured, and the petrogenesis and tectonic significance of granites were discussed. The results show that the zircons of Daxing granite have the characteristics of oscillatory growth zonation of typical magmatic origin and high ratios of the contents of Th and U (0.54-1.27), indicating a magmatic origin for the zircons; LA-ICP-MS zircon U-Pb age of Daxing pluton is (120±1)Ma, showing that the granites are formed in the late Early Cretaceous; geochemical characteristics suggest that Daxing granite is peraluminous high-K calc alkaline, and is featured by high SiO2 and alkaline, and low CaO, Fe2O3, MgO and P2O5, and high rare earth element (REE); the chondrite-normalized REE pattern with right oblique and V-shaped feature is characterized by enrichment of light rare earth element(LREE) relative to heavy rare earth element (HREE) and distinct negative Eu anomalies, and Rb, Th, U, Ta, Hf and Gd are enriched, and Ba, Sr, P and Ti are depleted; zircon saturation temperatures (724 ℃-816 ℃) of granite melt are significantly lower than Cretaceous A-type granites (868 ℃-928 ℃). These characteristics indicate that the granites in Daxing area of Liaodong should belong to highly fractionated I-type granites, which are formed in local extensional tectonic surrounding.
  Key words: I-type granite; zircon U-Pb age; petrogeochemistry; petrogenesis; Early Cretaceous; local extension; Liaoning
  0 引 言
  早古生代含金刚石的金伯利岩和新生代的碱性玄武岩对比研究表明,在古生代华北东部岩石圈厚度超过200 km,而白垩纪以来,岩石圈厚度明显减薄(<80 km)。自20世纪90年代开始,许多学者提出:华北克拉通东部自中生代期间曾发生了大规模的岩石圈减薄作用,并且岩石圈地幔的性质也发生了改变,岩浆活动与岩石圈减薄是大陆构造的核心问题之一[1-10]。牛宝贵等根据张家口组火山岩中的锆石SHRIMP年龄提出,华北中生代构造转折点为136 Ma[11];樊祺诚等认为岩石圈减薄时间为120~140 Ma[12];翟明国等认为华北中生代构造体制转折始于140~150 Ma期间,峰期是120 Ma,终于100~110 Ma期间[5-8];许文良等认为岩石圈减薄从侏罗纪开始[10];但多数研究认为110~130 Ma是岩石圈减薄的主要峰期[5-8,10-12]。辽东半岛位于华北板块东部,中生代花岗质岩石较为发育,区内分布近20 000 km2的各类中生代花岗岩,这为深入研究华北板块东部的构造演化提供了优越条件。根据已发表的锆石U-Pb年龄数据,辽东半岛中生代大面积花岗岩可划分为三叠纪(210~231 Ma)、侏罗纪(153~180 Ma)和白垩纪(110~135 Ma)等3期,是研究华北陆块东缘板内构造岩浆活动带的经典地区,区内发育较多同构造侵入岩体,具有重要的地质意义[13-18]。  大兴岩体是该构造岩浆活动带规模最大的岩体之一。辽宁省地质矿产调查院1∶250 000区域地质调查报告对凤凰城地区区域地质概况做了详细的研究,认为其Rb-Sr年龄为125 Ma[19];吴福元等也曾对其进行研究,并给出Rb-Sr年龄为131 Ma[13],但缺少系统性的研究。基于此,本文在前人研究的基础上,采用野外地质调查和室内综合研究相结合的方法,通过岩石的主量、微量元素及U-Pb同位素对该套花岗岩的源岩物质、成岩机理和成岩时代进行研究,探讨其成因和形成的构造环境。
  1 地质背景及岩体特征
  研究区位于华北板块东北缘辽吉古元古代造山带上,是研究华北板块东北缘板内岩浆活动带的经典地区。本区出露地层以前寒武纪变质地层(古元古界辽河群)的发育为特征,辽河群沉积建造成层性较好,其岩石组合具有明显的沉积韵律和旋回特征,遭受后期变质变形作用的改造,发生了不同程度的构造置换,存在地层褶皱和倒转现象,主要分布在岩体的西北侧;钓鱼台组(Qbd)地层出露局限,产状平缓,是一套滨浅海相碎屑沉积岩,位于岩体北部,与下伏辽河群地层呈角度不整合。区内发育少量中生代地层,有长梁子组(J1c)、转山子组(J2z)和小岭组(J3—K1x),其中小岭组(J3—K1x)为一套以中性火山岩为主的陆相火山-沉积建造,皆与下伏辽河群地层呈角度不整合接触。区内发育形态各异的印支期—早燕山期侵入体(图1)。区内构造活动、岩浆活动和变质作用都十分强烈,具有复杂的发展演化历史。
  大兴岩体位于凤凰城北部,岩体整体明显受构造控制,其整体呈NE向展布,南部存在呈近SN向展布岩体,其为浅成裂隙型侵入体。根据野外观察,岩体的风化作用较强,风化面呈浅灰白色,存在一组116°的硅质脉,脉宽多在10~45 cm不等。岩体岩性主要为中细粒二长花岗岩,局部见花岗闪长斑岩。花岗闪长斑岩风化面呈黄褐色,新鲜面呈浅肉红色,具似斑状结构和块状构造。其基质多为细粒长英质矿物,体积分数约为90%,似斑晶以斜长石和石英为主:①条纹长石斑晶(体积分数为5%),发生高岭土化;②斜长石斑晶(20%),发生绢云母化;③石英斑晶(70%);④暗色矿物为黑云母和普通角闪石(5%),角闪石呈异常干涉色,多已绿泥石化。副矿物为细长柱状磷灰石和短柱状双锥锆石[图2(a)、(b)]。中细粒二长花岗岩风化面呈灰褐色,新鲜面为浅肉红色,具有花岗结构和块状构造。其矿物组合为:条纹长石(体积分数为35%)、斜长石(40%)、石英(25%);少量黑云母,但多褪色。副矿物为细长柱状磷灰石和自形双锥锆石[图2(c)、(d)]。
  凤凰山岩体位于凤凰城南部,侵入到晚三叠世侵入岩中。岩性组合主要为中细粒含黑云母二长花岗岩,岩石新鲜面为浅肉红色,具有二长花岗结构和块状构造。其矿物组合为:①钾长石(体积分数为30%),发生高岭土化;②斜长石(35%);③石英(30%);④黑云母(5%)。
  2 分析方法
  在大兴岩体中采集了5块新鲜全岩分析样品和1块年龄分析样品。全岩分析样品编号分别为NP51、NP51-2、NP51-3、NP51-4和NP51-5。锆石挑选是在河北省区域地质矿产调查研究所完成的,制靶及阴极发光(CL)图像的拍摄是在北京锆年领航科技有限公司完成的。首先,将岩石样品粉碎成80~100目(孔径为0.154~0.180 mm),经过淘洗后用电磁法分离得到较高纯度的矿样,在双目镜下挑选晶形完好,没有裂痕,透明度较高且不含包裹体的锆石进行制靶,将其粘贴在树脂上,干燥后将表面打磨抛光,拍摄阴极发光图像。测年采用LA-ICP-MS锆石U-Pb测年方法,在中国地质科学院矿产资源研究所完成,使用仪器为Finnigan Neptune型MC-ICP-MS和Newwave UP 213紫外激光剥蚀系统。根据锆石大小,选择剥蚀直径为35 μm的激光束进行单点剥蚀,使用He作为载气,数据采集前用国际标准锆石GJ-1进行仪器调试,测年过程中使用GJ-1和Plesovice作为外标。获得的测年数据通过ICPMSDataCal软件[20]处理,经过铅校正去除普通铅的影响后[21-22],使用ISOPLOT3.0绘制U-Pb谐和图,年龄误差为1σ。主量元素、微量元素和稀土元素的分析测试由澳实分析检测(广州)有限公司完成,主量元素分析测试采用X射线荧光法,微量元素和稀土元素分析测试采用电感耦合等离子体质谱法。
  3 年代学特征
  对年龄样品NP51(采样位置为(124°12′9″E,40°41′39″N))进行测定,根据其阴极发光图像特征,挑取出30颗晶形完好的典型锆石进行分析测试,由于样品都是燕山期花岗岩,锆石的年龄小于1 000 Ma,所以用n(206Pb)/n(238U)年龄。
  样品NP51的锆石呈无色—浅黄色,主要为长柱状或短柱状,具有较好的自形程度,晶轴比集中在1.4∶1~3∶1之间,最大可达3.5∶1,长度为60~280 μm。锆石的振荡环带清晰可见(图3),指示其岩浆成因。部分锆石在阴极发光图像中是黑暗的,这与锆石具有高Th、U丰度有很大关系。样品w(Th)/w(U)值分布在0.54~1.27之间,平均为0.82,指示其为岩浆成因锆石(w(Th)/w(U)值大于0.4)。对样品NP51进行30个分析点的测试,其中3个分析点由于锆石内部裂隙导致铅丢失,其余27个分析点均位于谐和曲线上或附近(表1)。样品NP51的n(206Pb)/n(238U)年龄介于112~135 Ma之间,加权平均年龄为(120±1)Ma(图4),平均标准权重偏差(MSWD)为0.31。该年龄代表了大兴花岗岩的形成年代,证明了辽东大兴岩体形成于早白垩世晚期。
  4 地球化学特征
  表2列出了所研究的2个岩体的主量元素、微量元素和稀土元素测定结果及经计算所得的相关参数。
  由表2可以得出大兴岩体和凤凰山岩体在主量元素上具有以下共同特征: (1)富Si,SiO2含量(质量分数,下同)介于69.84%~76.44%,分异指数最小值为86.46%,最大值为96.82%。在Q-Ab-Or三角图解中,样品均投影在低共熔花岗岩(Subsolvus Granite)区内及其附近(图5),反映岩体经受了高程度的分异。
  (2)过铝质,在A/CNK-A/NK图解中,样品投影于过铝质区域(图6),A/CNK值为1.04~1.22,CIPW标准矿物中不出现刚玉分子,与S型花岗岩强烈富Al(CIPW标准矿物中刚玉分子含量高于1%)的特点明显有别[24]。
  (3)碱含量较高,全碱为8.02%~9.32%,且相对富钾,w(K2O)/w(Na2O)=0.99~1.68。
  (4)Fe、Mg、Ca、Ti、P含量均低,这一特点同样指示岩石经历了高程度的分异演化作用。大兴岩体与凤凰山岩体具有相似的主量元素特征,总体呈现出富Si、Na、K,贫Ti、Fe、Al、Ca、Mg、P的特征。在TAS图解中,大兴岩体样品都落在花岗岩区域中[图7(a)]。在SiO2-K2O图解中,全部样品基本都落在了高钾钙碱性系列中[图7 (b)],这表明辽东大兴岩体的原始岩浆富K,岩石源岩具有壳源的特点。
  由表2和球粒陨石标准化稀土元素配分模式[图8(a)]可以看出:大兴岩体的稀土元素总含量为(169.06~214.39)×10-6,轻、重稀土元素含量比值为10.39~21.24,Eu异常为0.06~0.68,w(La)N/w(Yb)N值在9.95~31.14之间;凤凰山岩体的稀土元素总含量为(100.71~216.03)×10-6,轻、重稀土元素含量比值为6.60~11.80,Eu异常为0.15~0.44,w(La)N/w(Yb)N值在3.13~15.90之间。在原始地幔标准化微量元素蛛网图[图8(b)]中,大兴岩体与凤凰山岩体具有相对一致的配分型式,样品表现出亏损Sr、Nb、Ti等大离子亲石元素(LILE),亏损Ti、Nb等高场强元素(HFSE),大兴岩体中的大离子亲石元素Ba也有不同程度的亏损(凤凰山岩体没有对Ba元素进行测量,所以在图中未出现亏损),结合岩石镜下观察发现,这是黑云母分离结晶作用的结果。由此可见,大兴岩体和凤凰山岩体的球粒陨石标准化稀土元素配分模式具有相似的特点:稀土元素(除Eu外)含量高,常为轻稀土元素富集型[28-30],且其配分模式具有右斜“V”字型特征,这是由于岩石中主要赋存稀土元素的矿物(如角闪石、黑云母、磷灰石等)稀土元素含量高,这些矿物的稀土元素配分模式与全岩相似[31-34]。两种岩体表现出富K、Na、Si,贫P、Sr、Ba、Eu、Ti,稀土元素分布具有明显的负Eu异常,样品w(Sm)/w(Eu)值约为10,上述微量元素和稀土元素特征相似于中国东北地区的高分异Ⅰ型花岗岩[35-36]。
  5 讨 论
  5.1 岩石成因类型
  由沉积岩部分熔融产生的花岗质岩浆形成的花岗岩被命名为S型花岗岩;由火成岩部分熔融而产生的岩浆结晶形成的花岗岩被命名为Ⅰ型花岗岩。Ⅰ型花岗岩又包括来源于无水陆壳的A型花岗岩[39-40]和来源于俯冲洋壳的重融或上覆地幔的M型花岗岩[41-42]。目前,普遍承认的花岗岩成因类型有 I 型、S 型、M 型和 A 型等。近来研究表明,东北地区花岗岩以I 型和A型花岗岩共生为主,有少量S型花岗岩分布[43-51]。本文研究的大兴花岗岩样品烧失量在0.39%~1.79%之间,说明存在一定的蚀变,高场强元素和稀土元素具有较强的稳定性,其受热液蚀变的影响较弱[52]。在球粒陨石标准化稀土元素配分模式和原始地幔标准化微量元素蛛网图中,其配分模式基本相互平行(图8),因此,样品的稀土元素和高场强元素受蚀变作用的影响相对较小,能够反映其源区特征。笔者借助这些稳定性较高的高场强元素和稀土元素对岩石的类型、成因及形成环境等问题进行了讨论。
  元素地球化学特征显示,本次所研究的大兴岩体及其南部的凤凰山岩体均为过铝质特性,A/CNK值介于1.04~1.22,尽管A/CNK值与分异的S型花岗岩较相似[53],但CIPW标准矿物中不出现刚玉分子,含有少量磷灰石和锆石副矿物而未见富铝矿物,且P2O5含量(0.044%~0.120%)很低,Rb、Th之间呈正消长演化趋势,故排除它们属于S型花岗岩的可能。因此,这两个岩体的成因类型或为A型花岗岩,或为高分异Ⅰ型花岗岩。经过分析和计算,它们具有明显不同于A型花岗岩的一系列化学组成特征,主要表现在:①尽管它们碱含量较高,但贫Fe和Mg,没有(富Fe)镁铁暗色矿物,有别于A型花岗岩显著富Fe的特征[54-55];②岩体的Zr、Nb、Ce、Y等元素含量均低,w(Zr)+w(Nb)+w(Ce)+w(Y)=(199~334)×10-6,明显低于Whalen等建议的A型花岗岩下限值(350×10-6)[55];③根据Zr含量和主量元素含量可以计算出花岗岩熔体的锆石饱和温度介于724 ℃~816 ℃[56-57],明显低于白垩纪A型花岗岩的锆石饱和温度变化范围(868 ℃~928 ℃)。在花岗岩成因类型判别图解中,样品部分落在分异的I、S型花岗岩区域,还存在落入未分异的花岗岩区域中(图9)。综上所述,笔者认为大兴岩体及凤凰山岩体皆为高分异I型花岗岩。
  通过与邻区的高分异凤凰山岩体对比发现,大兴花岗岩与凤凰山花岗岩为同源,主要表现在:
  ①在空间上,大兴岩体南部与凤凰山岩体相连,暗示二者可能具有空间联系(图1);
  ②在时间上,吴福元等测得凤凰山岩体年龄为(130±2)Ma[58],与本文所获得的大兴岩体形成时间((120±1)Ma)很接近;
  ③稀土元素配分模式十分相似[图8(a)],均具有Eu亏损及轻、重稀土元素分馏明显的特征;
  ④微量元素蛛网图形态大体相同[图7(b)],表现出亏损Sr、Nb、Ti、P等元素的特征;

 ⑤在主量元素上,TiO2、Al2O3、MgO、P2O5、FeO、Na2O含量随SiO2含量的增加而表现出一定线性相关[59](图10)。
  目前,主流观点认为花岗岩很难从幔源岩浆中分异产生[54,60-61],只能够间接受到地幔的影响。而强烈的负 Eu 异常和 Sr、Ba 强烈亏损均表明源区存在斜长石的残留,加上低Sr、高Y的特征表明岩浆起源的压力较低(压力低于1 GPa 或深度浅于30 km)。实验岩石学资料和锆石饱和温度计算都已经证明,Ⅰ型花岗岩很难从幔源岩浆分异出来或从铁镁质源岩的部分熔融产出[61-63]。Nb、Ta为强不相容元素,其亲岩浆性同步变化,w(Nb)/w(Ta)值在部分熔融和结晶分异作用过程中变化很小,在没有外来物质加入的情况下,同源岩浆演化过程中w(Nb)/w(Ta)值大致相同,因此,w(Nb)/w(Ta)值成为判断岩浆源区的重要指示
  [64-65]。大兴岩体w(Nb)/w(Ta)值为10.77~14.03,而大陆地壳w(Nb)/w(Ta)值为10~14[65-66],说明岩浆应该来源于地壳,高场强元素Nb、Ta的亏损反映了岩浆来源于地壳或者受到地壳物质的混染,而辽东大兴花岗岩具有高Si、贫CaO、MgO的特征,表明其不可能为壳源物质的混合熔融,因为混合熔融的结果必定会使SiO2含量降低和 CaO、MgO含量升高。综上所述,辽东大兴地区花岗岩有可能是中下地壳岩石部分熔融的产物。
  5.2 构造环境
  张允平认为,在晚侏罗世—早白垩世古欧亚大陆—特提斯洋板块—古太平洋(或Izanaqi板块)构造域之间的联合作用致使欧亚大陆地壳向东蠕散和伸展,华北板块东部地壳活动伴随变质核杂岩、断陷盆地、走滑断裂的广泛发育[67]。翟明国等指出,华北板块东部由挤压构造向伸展构造转折始于140~150 Ma期间,终于100~110 Ma期间,峰期时限为100~120 Ma[5],即华北板块东部自140 Ma以来处于非造山的伸展构造环境。张旗等指出,华北埃达克型花岗岩大多早于127 Ma,最晚125 Ma,而A型花岗岩不早于130 Ma,最晚可持续到早白垩世晚期;125~127 Ma可能是地壳加厚到减薄的转折期,而辽宁略晚一些,有古道岭(转折期为118~122 Ma)、五龙背(120 Ma)和饮马湾山(120~129 Ma)[68]。大量同位素年龄资料显示中国东部早白垩世岩浆活动极为发育[13,69-73]。A型花岗岩的年代学研究结果强有力地支持中国东部早白垩世处于伸展构造阶段:在中国北方的大兴安岭地区,A型花岗岩体有巴尔哲、碾子山、卧都河等;在辽东半岛,A型花岗岩体有千山和四平街;在燕辽带中,A型花岗岩体有甲山、雾灵山、千层山等。几乎上述A型花岗岩都是在120~130 Ma期间形成的。地球化学资料还显示,这些花岗岩基本具有A1型非造山花岗岩的特点[74],这充分说明在早白垩世中国东部的地质演化与伸展体制有关。大兴花岗岩的锆石LA-ICP-MS年龄为120 Ma,在时间上正处于大规模伸展环境中,在拉张背景下压力的降低非常有利于岩石的部分熔融[60],即位于华北东缘的辽东有别于华北板块, 120~129 Ma可能是该地区地壳加厚到减薄的转折期,表明该地区在早白垩世时处于板内构造演化阶段,这与晚中生代冀北、辽西、胶东和辽东地区广泛发育岩浆岩系,中国东部广泛发育晚中生代伸展构造,辽西地区NNE向高镁火山盆地的构造背景整体上相一致。辽东地区广泛发育NE向变质核杂岩、拆离断层系以及断陷盆地,其上叠盆地与断陷盆地充填火山岩系,拆离断层下盘发育大量同构造侵入岩系[15-18,75-76]。
  6 结 语
  (1)大兴花岗岩样品LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(120±1)Ma,确定了辽东大兴岩体形成于早白垩世晚期。
  (2)大兴花岗岩总体呈现出富Si,贫Fe、Mn的特点:稀土元素含量相对较高,具有Eu中等到强烈亏损,球粒陨石标准化稀土元素配分模式整体呈现右倾型,轻、重稀土元素分馏明显;高场强元素Hf、Ta和大离子亲石元素Rb、Th明显富集,而Ba、Nb、Ti、Sr、P等元素亏损较为明显,属高分异I型花岗岩。
  (3)辽东大兴地区早白垩世侵入岩形成于局部伸展拉张构造背景。
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出处:地球科学与环境学报作者:崔维龙 刘正宏 杜洋 王师捷 万乐 转载请注明来源。原文地址:http://m.lw54.com/20161113/6477935.html