辽宁昌图地区下二台群盘岭组火山岩年代学及地球化学特征

2016-12-22韩作振郭志平高丽华宋志刚刘固耀钟文健李晶晶闫俊磊

山东科技大学学报(自然科学版) 2016年5期

韩作振，郭志平，高丽华，宋志刚，韩梅，刘固耀，钟文健，李晶晶,闫俊磊

(1.山东科技大学山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室，山东青岛 266590；2.山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛 266590;3.铜陵有色股份天马山黄金矿业有限公司，安微铜陵 244000)

韩作振1,2，郭志平1,2，高丽华1,2，宋志刚1,2，韩梅1,2，刘固耀3，钟文健1,2，李晶晶1,2,闫俊磊1,2

本文对昌图地区下二台群盘岭组变质火山岩进行了年代学和地球化学分析。盘岭组角闪变粒岩中锆石阴极发光图像显示，锆石呈半自形晶-自形晶，发育晶棱和清晰的岩浆振荡环带，且具有较高的Th/U比值(0.31～2.5)，表明其为岩浆成因。LA-ICP-MS U-Pb定年结果显示，27个测点的206Pb/238U加权平均年龄348±4.4 Ma，代表了角闪变粒岩原岩的形成时代。角闪变粒岩SiO2含量为54.01%，全铁(TFe2O3)含量为15.04%，Mg#值为33.29，属于亚碱性拉斑玄武岩系列。岩石地球化学分析表明，角闪变粒岩相对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，具有活动大陆边缘火山岩的特征。通过Hf/3-Th-Nb/16、Hf/3-Th-Ta等图解投点分析，结合区域构造演化历史，认为角闪变粒岩原岩形成于活动大陆边缘。因此，推断华北板块北缘东段早石炭世为活动大陆边缘，并受到古亚洲洋板块的俯冲作用。

盘岭组；角闪变粒岩；U-Pb锆石定年；活动大陆边缘；古亚洲洋

昌图地区位于辽宁省北部，大地构造位置位于华北板块北缘东段(图1(a))。华北板块北缘东段是古亚洲洋南支洋闭合后，华北板块与东北联合地块碰撞形成的增生型造山带。对于华北板块和东北联合地块的碰撞时间、地点及方式，仍存在较大分歧[1-3]。关于古亚洲洋南支洋的沉积和构造演化主要有以下两种观点：①晚奥陶世—志留纪或中志留世末期—晚志留世早期，华北板块与西伯利亚板块对接，后期演化为泥盆纪和石炭纪裂陷槽[4]；②早古生代志留纪—早石炭世可能属于被动大陆边缘[5]，中石炭世—中二叠世转化为安第斯型活动大陆边缘[6]，晚二叠世—早三叠世古亚洲洋南支洋沿西拉木伦河—长春—延吉缝合带闭合[7-9]。对于华北板块北缘的构造属性仍存在活动大陆边缘和被动大陆边缘两种认识。

华北板块北缘东段的古生代地层残缺不全，野外露头较少，岩石遭受了强烈的变质和变形作用，同时也缺乏精确的年代学和岩石地球化学研究[9]。前人对于昌图地区的研究工作较少，部分学者对昌图地区下二台群进行了沉积建造、构造变形等方面研究，但对其形成时代仍有较大争议。前人将下二台群的形成时代多置于寒武—石炭纪[9-13]，但对其形成的构造背景存在不同认识。鉴于此，本文对辽宁昌图下二台镇下二台群盘岭组变质火山岩进行了锆石U-Pb年代学和岩石地球化学研究，分析盘岭组变质火山岩原岩的形成时代及其形成时的构造环境，为探讨晚古生代古亚洲洋南支洋的构造演化提供新的佐证。

1 地质背景与样品描述

①西拉木伦河-长春-延吉缝合带，②牡丹江缝合带，③同江-月季山缝合带，④蒙古-鄂霍茨克缝合带，⑤德尔布干断裂，⑥嫩江-开鲁断裂，⑦佳木斯-伊通断裂，⑧敦化-密山断裂

图1 中国东北构造单元及昌图盘岭地区地质简图(图(a)据周建波(2009)修改;图(b)据辽宁省地质局区域地质测量队1∶20万四平幅地质图修改)

Fig.1 Tectonic units of northeast China and geological map of Panling area, Changtu (Fig(a) modified from Zhou Jianbo,2009;Fig(b) modified from 1∶200 000 geological map of Siping roll by regional geological survey team of Liaoning geological bureau)

研究区位于辽宁省昌图县下二台镇盘岭一带(图1(b))，大地构造位置属于华北板块北缘东段。辽宁区调队1969—1971年进行1∶20万区域地质调查时，将出露于下二台镇附近的一套变质岩系命名为下二台群[11]，自下而上将其划分为盘岭组、黄顶子组和烧锅屯组，时代置于奥陶—志留纪[13]。下二台群盘岭组以变质英安岩、二云石英片岩、石英绿帘石岩以及斜长角闪岩为主；黄顶子组以条纹状大理岩、浅粒岩及黑云变粒岩为主，与盘岭组整合接触；烧锅屯组下部以片岩为主夹变粒岩，中上部为变粒岩夹片岩、浅粒岩，与黄顶子组呈不整合接触[13]。

盘岭组岩石样品采自下二台乡盘岭鞍部，采样岩层为厚层状与薄层状角闪变粒岩互层(图2(a)，2(b))。结合野外观察和显微镜下鉴定，将样品定名为角闪变粒岩。角闪变粒岩显示粒状变晶结构，石英和长石含量65%～70%，呈粒状变晶，变晶粒度0.05～0.15 mm不等；角闪石和黑云母含量25%～30%，呈柱粒状、粒状变晶，变晶粒度0.1～0.5 mm不等，其中黑云母呈片状不均匀分布于岩石中；岩石中见2%～3%(占薄片表面积含量)不透明矿物呈稀疏浸染状及脉状分布，副矿物有榍石和磷灰石等(图2(c),2(d))。

图2 研究区野外照片和镜下照片

Fig.2 Outcrops and microphotographs of research area

2 分析结果

样品锆石挑选工作在河北省廊坊市区域地质矿产调查研究所完成。样品的锆石制靶、阴极发光图像(CL图像)采集、锆石LA-ICPMS U-Pb定年以及样品主微量元素分析均在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成，实验过程详见文献[14-15]。

2.1 锆石U-Pb年龄

盘岭组角闪变粒岩部分锆石阴极(CL)发光图像见图3，U-Pb年龄谐和图见图4。下二台群盘岭组角闪变粒岩的锆石CL图像显示，锆石呈半自形-自形晶，内部结构清晰，可见典型的岩浆震荡环带，晶棱发育。其Th/U比值0.31～2.5(表1)，显示岩浆锆石成因。位于谐和线上及其附近的27个测点的206Pb/238U年龄集中在329±5～372±5 Ma，206Pb/238U加权平均年龄为348±4.4 Ma(MSWD=4.0，n=27)，说明盘岭组角闪变粒岩原岩的形成时代为早石炭世(图4)。

图3 盘岭组角闪变粒岩锆石的阴极发光图像

Fig.3 CL images of selected zircons of the amphibolite leptite of Panling area

2.2 主微量元素

下二台群盘岭组角闪变粒岩主微量元素含量分析结果见表1。

由于样品遭受了较强的变质作用，因此应先对样品进行原岩恢复。在A-K图解中(图5)，角闪变粒岩落在火成岩区域内，结合样品中锆石的形态、高的Th/U值以及副矿物中榍石和磷灰石的存在，表明其原岩为火山岩。

表1 盘岭组角闪变粒岩主量元素(%)和微量元素(μg/g)

Tab.2 Major(%) and trace element(ppm)data of the amphibolite leptite of Panling area

SiO2TiO2Al2O3FeOFe2O3TFe2O3MnOMgOCaONa2OK2OP2O5LOITOTAL54.011.9114.585.239.2315.040.293.797.993.980.550.640.54102.74CrNiScCoVCuZnGaBaRbThUNbTa13.189.7137.6632.36254.3020.20157.4013.12125.807.332.740.766.640.50SrZrHfYPbLaCePrNdSmEuGdTbDy412.0031.801.8061.6916.9819.6044.116.1127.787.142.026.491.4510.27HoErTmYbLuΣREEΣLREEΣHREE(La/Yb)NδEuδCeA/CNKA/NK2.146.331.016.190.94141.58106.7634.822.130.890.961.1643.21

图4 盘岭组角闪变粒岩锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图

Fig.4 Concordia diagram showing LA-ICP-MS zircon U-Pb dating date of the amphibolite leptite of Panling area

图5 盘岭组角闪变粒岩A-K图解(据周世泰，1981)

Fig.5 A-K diagram of the amphibolite leptite of Panling area(modified from Zhou Shitai,1981)

图6 盘岭组火山岩分类图解

Fig.6 Volcanic categories graphic of Panling area

主量元素特征：盘岭组角闪变粒岩SiO2含量54.01%，Al2O3含量较高14.58%，铝饱和指数A/CNK为0.67，TiO2含量1.91%，Mg#值为33.29(Mg#=100Mg/(Mg+Fe2+tot)，全铁(TFe2O3)含量为15.04%。该样品具有富钠(Na2O=3.98%)低钾(K2O=0.55%)特点，Na2O/K2O值为7.24，在TAS图解中样品落在玄武安山岩区域内(图6(a))；在SiO2-K2O变异图中，该岩石显示低钾(拉斑)系列(图6(b))；在Zr/TiO2×0.000 1 vs Nb/Y图解中样品落入亚碱性玄武岩区域内(图6(c))；在AFM图解中样品落在拉斑玄武岩系列(图6(d))。上述图解表明，研究区变质火山岩属于亚碱性系列，其原岩应为玄武岩。

微量元素特征：样品的稀土元素球粒陨石标准化图解显示(图7(a))，盘岭组角闪变粒岩具有右倾形稀土元素配分型式，稀土元素总量(∑REE)141.58 μg/g，轻稀土元素(LREEs)总量106.76 μg/g，重稀土元素(HREEs)总量34.82 μg/g，LREE/HREE比值3.07，(La/Yb)N比值2.13，显示轻重稀土元素分馏明显，富集LREEs、亏损HREEs，同时显示微弱的Eu负异常(δEu=0.89)。在原始地幔标准化微量元素蛛网图中(图7(b))，角闪变粒岩相对富集大离子亲石元素(LILEs，Rb、Ba、Th、U、K等)，亏损高场强元素(HFSEs，Nb、Ta、P等)，微量元素所表现出的总体特点与华北板块北缘中段温都尔庙-集宁一带石炭纪火成岩类似[17](图7(a),7(b)阴影区域)。

图7 盘岭组角闪变粒岩微量元素图解(图(a)标准化值据Boynton,1984；图(b)标准化值据Sun and Mc Donough,1989；图中阴影区据王挽琼,2014)

Fig.7 Trace element diagram of the amphibolite leptite from Panling formatien (Fig(a) Normalized value modified from Boynton,1984;Fig(b) Normalized value modified from Sun and Mc Donough,1989; Shaded area modified from Wang Wanqiong,2014)

3 讨论

3.1 下二台群盘岭组角闪变粒岩原岩形成时代

研究区构造、岩浆活动的复杂性使该区地层时代的确认和划分具有很大争议。辽宁第一区调队于1969—1970年建立了下二台群，自下而上将其划分为盘岭组、黄顶子组、烧锅屯组和王相屯组，时代定为奥陶—志留纪。《吉林省区域地层表》[11]根据原建组单位建议，取消王相屯组，而时代保持不变。1975年，铁岭地质队将下二台群定为石炭纪，自上而下分为天桥山组、小泉头组和盘岭组。王东方[18]采集了下二台群盘岭组火山岩，经Rb-Sr测定年龄为456±36 Ma，其时代为寒武—奥陶纪。冯佐峰等[11]认为烧锅屯组建组剖面多为花岗质糜棱岩，应予取消；下二台群保留下部盘岭组，上部为黄顶子组，时代为奥陶纪。贾大成[10]建议下二台群的王相屯组、黄顶子组、盘岭组应分别与吉林下古生界(呼兰群)的桃山组、石缝组、黄莺屯组对比，时代属于寒武—志留纪。唐克东等[11]恢复原四组划分意见，并根据黄顶子组石英钠长斑岩Rb-Sr等时线年龄456±36 Ma，将其时代定为晚奥陶世，王相屯组则可能属于早志留世。前人受技术手段所限，缺乏系统精确的年代学研究方法，对下二台群的形成时代未能达成共识。因此，本文利用锆石LA-ICP-MS U-Pb定年对下二台群的形成时代进行限定。

锆石的CL图像和Th/U比值(0.31～2.5)均显示岩石样品具有岩浆成因特征。定年结果显示，盘岭组角闪变粒岩原岩的形成时代为晚古生代石炭纪早期(348.8±4.4 Ma)。

3.2 构造环境

在岩浆演化过程中，Th、Hf、Ta、Nb等元素不易受到后期地质作用的干扰，因此可以利用它们分析火山岩形成的大地构造背景。盘岭组角闪变粒岩富集大离子亲石元素(Rb、U、Th等)及LREE，亏损高场强元素Nb、Ta、Ti等，具有活动大陆边缘火山岩特征[19-20]。在Hf/3-Th-Nb/16和Hf/3-Th-Ta图解中(图8)，样品均落在钙碱性玄武岩区内，反映角闪变粒岩形成于陆缘弧环境(活动大陆边缘)[17]。在Th-Ta构造环境判别图中(图9)，样品落入火山弧区域中，同样显示构造环境为活动大陆边缘。

A、正常型洋脊玄武岩；B、富集型洋脊玄武岩和板内玄武岩；C、板内碱性玄武岩；D、岛弧拉斑玄武岩；E、钙碱性玄武岩。

图8 构造环境判别图(图(a)据Wood,1980,图(b)据Wood,1979)

Fig.8 Tectonic environment discrimination diagrams(Fig(a) from wood,1980;Fig(b) from wood,1979)

部分学者认为中泥盆世或晚泥盆世到早石炭世华北北缘不存在俯冲作用[21-22]，孟祥化等[23]、Cope等[24]通过对华北克拉通北部晚古生代-早中生代沉积岩中锆石以及古气候研究表明，华北克拉通北缘古生代期间为活动陆缘。马旭等[25]通过对华北克拉通北缘的波罗诺岩体研究，认为该岩体的形成与古亚洲洋板片在古生代期间向华北克拉通之下的俯冲作用有关，暗示华北板块北缘晚古生代期间为安第斯型活动大陆边缘。王挽琼[17]通过对华北板块北缘中段早石炭世火成岩研究，认为该火成岩形成于大陆边缘弧环境，古亚洲洋向华北板块北缘俯冲。

图9 Th-Ta构造环境判别图

Fig.9 Th-Ta tectonic discrimination diagram

本文运用岩石地球化学图解，并与前人研究成果进行对比分析，认为盘岭组角闪变粒岩原岩形成的构造环境为活动大陆边缘，结合其形成时代(348±4.4 Ma)，推断研究区早石炭世的大地构造背景为活动大陆边缘。

4 结论

1) 昌图下二台群盘岭组角闪变粒岩原岩为玄武岩，LA-ICP-MS定年结果显示原岩形成时代为石炭纪早期(348±4.4 Ma)，而非前人认为的寒武—志留纪。

2) 岩石地球化学特征研究表明，角闪变粒岩具有相对富集大离子亲石元素(LILE)和轻稀土元素(LREE)，亏损Nb、Ta、P、Ti等高场强元素(HSFE)，以及弱的Eu异常的地球化学特征。

3) 盘岭组角闪变粒岩的岩石地球化学特征研究表明,早石炭世华北板块北缘为活动大陆边缘，并受到古亚洲洋板块的俯冲作用。

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(责任编辑：吕海亮)

Geochronology and Geochemistry Characteristics of Volcanic Rocks from Panling Formation of Xiaertai Group in Changtu Area,Liaoning Province

HAN Zuozhen1,2,GUO Zhiping1,2,GAO Lihua1,2,SONG Zhigang1,2,HAN Mei1,2,LIU Guyao3,ZHONG Wenjian1,2,LI Jingjing1,2,YAN Junlei1,2

(1.Key Laboratory of Depositional Mineralization & Sedimentary Mineral of Shandong Province,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China;2.College of Earth Science and Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China；3.Tongling Nonferrous Shares Tianmashan Gold Mining Co.Ltd,Tongling,Anhui 244000,China)

This paper analyzed the geochronology and geochemistry features of metavolcanic rocks from Panling formation of Xiaertai Group in Changtu area.The CL images of zircons from the Amphibolite leptite of Panling formation show that the zircons are magmatic zircons with euhedral-subhedral crystals,typical magma concussion growth zoning and crystal prism,and a high Th/U(0.31～2.5).LA-ICPMS U-Pb dating results indicate that the weighted average age of 27 measuring points of206Pb/238U is 348±4.4 Ma,which represents the forming age of the volcanic rocks.With 54.01% SiO2,15.04% TFe2O3and 33.29 Mg#,the amphibolite leptite belongs to Sub-alkali tholeiitic series.The lithogeochemical analysis shows that this sample has relatively enriched LILEs and LREEs and depleted HREEs and HSFEs,displaying characteristics of volcanic rocks of active continental margin.The figures of Hf/3-Th-Nb/16,Hf/3-Th-Ta,together with the history of regional tectonic evolution,shows that the formation environment of the amphibolite leptite should be active continental margin.It is concluded that the eastern section of the northern margin of the North China Plate was active continental margin in Early Carboniferous epoch and was subducted by the Paleo-Asian ocean plate.

Panling formation;amphibolite leptite;U-Pb zircon dating;active continental margin;the Paleo-Asian ocean

2016-01-19

国家自然科学基金项目(41372108);高等学校博士学科点专项科研基金项目(20133718130001)

韩作振(1965—),男,河南新乡人,教授,博士生导师,主要从事沉积地层学方面的研究.E-mail:hanzz@163.com

P588.14

1672-3767(2016)05-0001-08