辽北清原地区红透山组斜长角闪岩地球化学特征及成因

杨新宇

辽宁省地质矿产调查院有限责任公司，辽宁 沈阳 110031

0 引言

中国早前寒武纪绿岩带主要分布在华北克拉通的北缘、西南缘、东部及板块内部的五台山—恒山等地[1]。前寒武绿岩带是太古宙地壳的主要物质组成，反映了前寒武纪大陆地壳形成和发展所特有的火山作用、沉积作用。绿岩带中的变质基性岩的成因和构造环境可以为早期地壳增生及演化机制提供重要信息。随着太古宙晚期华北克拉通是否存在与现代板块构造类似的碰撞拼合作用这一前沿科学问题研究的不断深入，许多学者将太古宙TTG片麻岩、壳源花岗岩和表壳岩作为解决华北克拉通太古宙地质问题的窗口[2-4]。辽北清原花岗岩-绿岩区作为华北克拉通北缘重要的太古宙基底出露区，由60%的花岗质岩石和40%的表壳岩组成。以往的研究工作中，系统的地球化学和同位素年代学研究主要集中于晚太古代花岗岩，对于绿岩带地层中变质基性岩(斜长角闪岩)的研究相对薄弱[5-7]。对于该阶段构造热事件的成因机制尚存在岛弧岩浆作用模式[8-10]和地幔柱或板底垫托(岩浆底侵)模式之争[3,11]。因此本文以辽北清原地区红透山组中斜长角闪岩为研究对象，通过岩石学、矿物学、岩石地球化学等系统研究，进行原岩恢复，试图解决其形成过程，进一步探讨同时期地质演化背景，进而为新太古代华北克拉通早期地壳演化机制的研究提供地球化学方面的制约条件。

1 地质背景

清原地区位于华北克拉通东北缘，隶属辽北—龙岗陆块，是辽北花岗岩-绿岩地体的重要组成部分。研究区主要由晚太古代TTG花岗质片麻岩、晚太古代花岗岩和变质表壳岩(红透山组和井家沟组)组成(图1)，印支期和燕山期花岗岩主要在研究区北部分布，在研究区南部的清原县—北三家镇断陷盆地内沉积有中—新生代地层。研究区TTG片麻岩广泛分布，比例在60%以上，红透山组主要分布于红透山—树基沟—夏家堡一带，井家沟主要分布于井家沟至线金厂一带(图1)。前人研究表明清原地区太古宙TTG片麻岩侵位于2.56～2.53 Ga，太古宙表壳岩形成于2.56～2.51 Ga，太古宙花岗岩侵位于2.51～2.50 Ga[5]。

图1 辽北清原地区地质略图Fig.1 Geological sketch map of Qingyuan area, Northern Liaoning Province1.晚太古代TTG片麻岩；2.晚太古代花岗岩；3.古生代花岗岩；4.中生代花岗岩；5.红透山组；6.井家沟组；7.中生界；8.新生界；9.一般地质界线；10.断层；11.采样点

2 样品描述

由于后期太古宙TTG岩浆的侵位，变质表壳岩整体被穿插破坏，呈大小不等的长条状或不规则状分布在同构造期的TTG花岗岩类内(图1)。红透山组主体岩石由斜长角闪岩、角闪变粒岩、黑云变粒岩组成，以斜长角闪岩出露面积最大，延伸最为稳定。本次采集的斜长角闪岩样品风化面成灰黑色，粒状柱状变晶结构，片麻状构造。主要矿物为角闪石和斜长石，部分样品含少量石英。其中斜长石呈不规则粒状，定向排列，粒度在0.2～1.0 mm，质量分数约为35%，个别可见聚片双晶；角闪石呈不规则粒状，定向排列，质量分数约为65%(图2)。副矿物为磷灰石、榍石和绿帘石，岩石常出现绢云母化、绿帘石化和绿泥石化。

图2 清原地区斜长角闪岩野外照片和显微镜下照片(正交偏光)Fig.2 Field photos and microscope photos of plagioclase amphibolite in Qingyuan area (crossed polarized light)a.斜长角闪岩片麻理；b.斜长角闪岩正交偏光镜下照片；Pl.斜长石；Hb.角闪石

3 样品测试

本次测试了5件斜长角闪岩样品的岩石主化学成分、稀土元素及微量元素，样品的分析测试由国土资源部沈阳矿产资源监督检测中心完成。主量元素使用X射线荧光光谱仪(XRF-1500)完成分析测试。微量元素、稀土元素分析使用等离子体质谱仪(ICP-MS)ElementⅡ测试完成。分析精度为：当元素质量分数大于10×10-6的误差小于5%，小于10×10-6的误差小于10%。

4 岩石地球化学特征

4.1 主量元素

5件样品的分析测试结果见表1。斜长角闪岩SiO2质量分数为47.22%～53.02%，属基性岩范畴；TiO2质量分数较小，质量分数介于0.48%～0.82%；Al2O3质量分数变化范围15.21 %～16.25%；CaO质量分数8.63%～11.68%；Na2O>K2O，两者质量分数分别介于1.74%～3.16%、0.59%～1.08%；MgO质量分数6.94%～8.44%，CaO质量分数偏高与岩石矿物中角闪石含量较多的特征相符；Mg#值变化范围46.00～54.15，低于原生玄武质岩浆范围(Mg#=68～75)，说明斜长角闪岩的原岩并不是原生玄武质岩浆结晶的产物，这可能与岩浆中的铁镁质矿物的分离结晶作用有关。岩石全碱(ALK)变化范围2.68%～5.03%，K2O/Na2O=0.36～0.85，表明岩体较富钠；碱度(δ)平均值为1.17，显示为钙碱性岩；A/CNK=0.67～0.80，平均值为0.71，属准铝质岩石。

4.2 微量元素

5件斜长角闪岩样品ΣREE质量分数较小，变化范围(68.78～ 102.69)×10-6，LREE质量分数变化范围(60.37～89.66)×10-6，HREE质量分数变化范围(8.41～13.03)×10-6，LREE/HREE介于6.71 ～ 7.25，稀土分馏参数(La /Yb)N=7.33～9.72，平均值8.22，说明样品轻稀土相对富集且轻重稀土分馏较明显。球粒陨石标准化REE配分模式图(图3a)显示富集轻稀土元素。 (LREE)的右倾型配分模式。δEu值为0.91～1.06，无明显的Eu异常或稍显Eu异常，表明斜长角闪岩的原岩没有经历明显的分异作用。δCe为0.78～0.95，Ce异常较弱或稍显负异常。斜长角闪岩样品中微量元素中Cr、Ba、Sr的含量较高，而Nb、Ta、Ti的含量较低，各元素之间差距较大(表1)。从原始地幔标准化微量元素蛛网图中可以看出(图3b)，微量元素中较富集K、Rb、Ba等大离子亲石元素(LILE)，亏损Ti、Nd、Ta等高场强元素。微量元素中Nb、Ta相对亏损，是岛弧火山岩的明显特征[12]。通常岛弧火山岩是由洋壳俯冲脱水产生的流体交代地幔楔使之部分熔融产生岩浆而形成。而这种富水的流体亏损高场强元素，且这些流体分配系数小，因此就会出现Nb、Ta亏损的现象。

图3 清原地区斜长角闪岩球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)Fig.3 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized cobweb map (b) of plagioclase amphibolite in Qingyuan area

表1 斜长角闪岩化学成分测试结果

5 原岩恢复

在Si-Mg 图解和在(al+fm)-(c+alk)-Si图解中(图4)，样品全部落在火成岩区域，说明样品为正变质岩，火山成因。考虑到变质过程中的蚀变，后期元素可能发生迁移，利用SiO2-Nb/Y进行投图，样品全部落入亚碱性系列区域(图5a)。在对样品进行拉斑玄武岩系列和钙碱系列区分时采用Zr-Y图解(图5b)，5个样品均落入拉斑玄武岩区域内，样品的 Nb /Y 值为0.36～0.56，均<0.7，进一步证明其原岩岩性为拉斑玄武岩[13]。综上所述，清原地区斜长角闪岩为正变质岩，火山成因，原岩属于拉斑玄武岩系列。

图4 清原地区斜长角闪岩Si-Mg(a)和(al+fm)-(c+alk)-Si(b)图解Fig.4 Diagrams of Si-Mg (a) and (al+fm)-(c+alk)-Si (b) for plagioclase amphibolite in Qingyuan area

图5 清原地区斜长角闪岩SiO2-Nb/Y(a)和Zr-Y(b)图解Fig.5 Diagrams of SiO2 -Nb/Y(a) and Zr-Y(b) for plagioclase amphibolite in Qingyuan area

6 岩石成因

斜长角闪岩的样品具有较低的Mg#值，说明斜长角闪岩的原岩并非原生玄武质岩浆结晶的产物，可能与铁镁质矿物分离结晶有关，微量元素中较低的Cr和Ni的含量也证实了这一点，表明清原地区斜长角闪岩原岩经历了广泛的铁镁质矿物(橄榄石、单斜辉石等)的结晶分异作用。样品具有较高的CaO含量和没有明显的负Eu异常，说明岩浆没有经历过明显的斜长石分离结晶过程。通常大陆地壳物质的混染会使岩浆中Th的含量明显升高，在微量元素蛛网图解上(图3)Th没有明显的正异常，说明斜长角闪岩的原岩未发生明显陆壳物质的同化混染作用或受陆壳物质混染程度较低。斜长角闪岩原岩为拉斑玄武岩系列，来自于地幔原区。样品轻微亏损Zr和Hf亏损，与俯冲带玄武岩地球化学特征相似[14]，显示斜长角闪岩原岩受到了一定的流体交代作用。以上特征表明斜长角闪岩原岩可能来自于与俯冲相关流体交代的幔源。

7 构造环境分析

斜长角闪岩样品相对富集大离子亲石元素和轻稀土元素，并且具有Ti、Nd、Ta亏损，显示出其原岩具有消减带岩浆的特征，Ti、Nd、Ta亏损是岛弧构造环境的重要标志。在Zr/Y-Zr 图解(图6a)中，样品主要落在了岛弧玄武岩区域。岛弧玄武岩往往都具有较低的Nb、Ta 含量和较高的La /Nb比值， Zr含量和Zr /Y 均较低，分别<130×10-6和4，本区斜长角闪岩中Zr和Zr /Y平均值分别为36.84×10-6和2.13，具有岛弧玄武岩的特征。在Hf-Rb/3-3Ta图解(图6b)中，样品均落在了岛弧拉斑玄武岩区域内，进一步说明斜长角闪岩形成于岛弧环境。

图6 清原地区斜长角闪岩Zr/Y-Zr(a)和Rb/30-Hf-3Ta(b)图解Fig.6 Diagrams of Zr/Y-Zr (a) and Rb/30-Hf-3Ta (b) for plagioclase amphibolite in Qingyuan areaIAB.火山弧玄武岩；MORB.洋中脊玄武岩；WPB.板内玄武岩；N-MORB.正常型洋中脊玄武岩；E-MORB.异常型洋中脊玄武岩；CAB.钙碱性玄武岩；WPB.板内玄武岩；IAT.岛弧拉斑玄武岩

前人的研究认为华北克拉通可能存在新太古代吉—辽—冀弧陆碰撞增生造山带，与现代板块运动类似的构造体制在太古宙晚期阶段已起作用[2]。清原地区红透山组变质表壳岩原岩以玄武质、安山质、英安质等火山(沉积)岩为主，加上少量超基性岩和不同成熟度的陆源碎屑沉积岩，岩石组合和地球化学组成特征与岛弧系统十分类似。区域上大面积分布的TTG花岗质岩石形成也与洋壳俯冲有关，为陆壳物质部分熔融产物，形成于弧陆碰撞或甚至陆陆碰撞[15]。区域上晚太古代表壳岩系和TTG花岗质岩石共同构成岛弧系统的不同组成部分。

本次的研究进一步论证了红透山组中斜长角闪岩形成于岛弧构造环境，原岩可能来自于与俯冲相关流体交代的幔源。以上这些证据都显示，辽北清原地区的早前寒武纪基底形成于俯冲相关的构造环境，为华北克拉通新太古代吉—辽—冀弧陆碰撞增生造山带的重要组成部分。

8 结论

(1)岩石学和地球化学特征表明，清原地区斜长角闪岩为正变质岩，火山成因，原岩属拉斑玄武岩系列。

(2) 清原地区红透山组斜长角闪岩原岩在形成过程中没有受到或略微受到大陆地壳物质的混染，其岩浆源区经受了俯冲相关流体的交代作用。

(3)清原地区斜长角闪岩形成于岛弧环境，辽北清原地区为华北克拉通新太古代吉—辽—冀弧陆碰撞增生造山带的重要组成部分。