辽北地区奥长花岗岩锆石U-Pb测年及岩石地球化学特征

鲍东明 余超 马力 田毅 杨新宇

辽宁省地质矿产调查院有限责任公司，辽宁 沈阳 110031

华北克拉通是世界上最古老的克拉通之一，拥有约3800Ma漫长演化历史，经历了复杂的构造演化，记录了几乎所有地球早期发展的重大构造事件，备受国内外学者的关注[1-4]。目前，已基本形成了华北克拉通前寒武纪基底是由先存的数个微陆块后期拼贴而成的共识，同时也依然存在一些未形成共识的问题：华北克拉通早期大陆地壳的性质及其形成与演化过程[5]；华北克拉通早期类似于现代的板块构造是否存在[6-7]。TTG岩石作为地球演化早期最主要的花岗岩类型，其岩石成因及形成的构造环境可以为早期地壳演化过程及机制提供重要信息。辽北地区位于华北克拉通北缘，是华北克拉通太古宙基底主要出露区之一，由大规模的TTG和变质表壳岩系组成，其中TTG出露面积占出露岩石的60%以上。对其开展早前寒武纪地质演化的研究，将为华北克拉通东部早期地壳演化提供新的证据。本文选择辽北新立屯地区的奥长花岗岩进行详细的岩石学、岩石地球化学、锆石 U-Pb年代学研究，旨在确定奥长花岗岩的形成年代、成因及其在新太古代晚期大陆地壳生长和演化中的意义。

1 区域地质背景及岩相学特征

辽北地区是华北克拉通北缘东段早前寒武纪变质基底的主要出露区之一，由花岗岩-绿岩带组成，总出露面积达15000km2以上，涵盖抚顺、清原、新宾、苇子峪等地，主要由70%～80%的TTG岩石和钾质花岗岩、紫苏花岗岩、变质火山-沉积岩系组成。区域太古宙基底岩石主要由新太古代深成侵入体和角闪岩相的变质火山-沉积岩系组成，其中深成侵入体占太古宙变质基底出露面积的65%以上，岩性包括英云闪长岩、奥长花岗岩、花岗闪长岩和二长花岗岩侵入体。基于岩石结构、构造，野外地质关系，我们将区域上深成侵入体划分为英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩(TTG)和晚期弱变形的二长花岗岩，以TTG花岗岩的出露面积最大（图1），总体上具穹窿构造产出特征[8]。绿岩带地层多呈长条状、弧形状或孤岛状产出，岩性包括斜长角闪岩、角闪变粒岩、黑云变粒岩，带内赋存有丰富的硫化物铜锌矿床和金矿、铁矿，变质程度主要为角闪岩相。变质原岩为拉斑玄武岩、安山岩、英安岩及相应的火山碎屑沉积岩组合。印支期花岗岩主要在研究区东部零星出露，岩性主要为石英闪长岩。

图1 辽北新立屯地区地质略图Fig.1 Geological sketch map of the Xinlitun area ,Northern Liaoning province

新立屯新太古代奥长花岗岩新鲜面呈灰白色，块状构造，弱片麻状构造（图2a）。主要由斜长石(55%～60%)、石英(25%～40%)、黑云母(0%～5%)组成（图2b）。岩石矿物粒度1～3mm，自形程度较差，矿物多呈半自形-他形状，斜长石发生一定的绢云母化和粘土化。副矿物有磷灰石、锆石和少量磁铁矿等。

图2 奥长花岗岩新鲜标本照片及镜下显微照片Fig.2 Photographs of raw sample and photomicrographs of trondhjemite

2 样品采集及分析方法

锆石挑选在河北省区域地质调查研究院地质实验室完成。样品按照常规粉碎淘洗后，经磁选和重液分离，然后在双目镜下人工挑选纯度99%以上的锆石。锆石制靶、阴极发光（CL）图像观察与照相在南京宏创地质勘查技术服务有限公司完成。LAICP-MS测试在北京燕都中实测试中心完成。激光剥蚀系统为 GeoLasPro，ICP-MS为Agilent 7500，激光剥蚀直径为30μm。U-Pb同位素定年中采用锆石标准 GJ-1作外标进行同位素分馏校正，每分析5～10个样品点，分析2次GJ-1。对于与分析时间有关的U-Th-Pb同位素比值漂移，利用 GJ-1的变化采用线性内插的方式进行了校正。锆石样品的 U-Pb年龄谐和图绘制和年龄权重平均计算均采用Isoplot程序进行处理。岩石地球化学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：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%。

3 分析结果

3.1 锆石LA-ICP-MS U-Pb定年

奥长花岗岩样品（XJP-24）采自新立屯地区，所选岩石样品新鲜无蚀变。样品锆石形态大多呈柱状-长柱状（图3），自形程度较好，长100～150μm，长宽比为1.5∶1.0～2.5∶1.0，具有清晰的岩浆震荡环带。大多数锆石具有相对完整的晶形，只有少数锆石的内部具有裂纹。锆石U质量分 数 为 67×10-6～ 147×10-6， Th 质 量 分 数 为22×10-6～67×10-6，Th/U比值介于0.28～0.55，绝大部分Th/U比值大于0.3，平均值为0.36，显示典型岩浆锆石的特点[9]。选取23颗锆石进行U-Pb同位素测定（表1），获得的上交点年龄为2551±7Ma（MSWD=2.0），23个测试点206Pb/238U加权平均年龄为2553±6Ma（MSWD=1.0）（图4），二者在误差范围内一致，2553±6Ma可以代表奥长花岗岩的成岩年龄。

图3 奥长花岗岩锆石阴极发光图像Fig.3 CL images of the zircons of trondhjemite

图4 锆石U-Pb年龄谐和图Fig.4 Zircon U-Pb concordia diagrams of trondhjemite

表1 奥长花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb测年数据Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb data of trondhjemites

3.2 岩石地球化学特征

奥长花岗岩样品主、微量元素分析结果及相关地球化学参数见表2。奥长花岗岩样品具有较高的SiO2（75.08%～77.62%），平均值77.64%；Al2O3（12.23%～13.40%），平均值 12.73%；Na2O（3.68%～4.05%），平均值 3.89%。较低的 K2O（0.78%～1.09%），平均值0.93%；TiO2（0.08%～0.20%），平均值 0.12%；MgO（0.34%～0.72%），平均值0.45%。在花岗岩SiO2-Na2O+K2O图解中[10]样品落入花岗岩区域内（图5a）；在An-Ab-Or图解中[11]落入奥长闪长岩范围内（图5b）；在K2O-Na2O-CaO图解上，样品总体显示了奥长花岗岩趋势[12]（图5c）；在SiO2-K2O图中[13]，样品落入低钾拉斑系列区域内（图6a）；在A/CNK-A/NK图中[14]，样品落入弱过铝质区域（图6b）。

图5 奥长花岗岩SiO2-Na2O+K2O[10]、An-Ab-Or[11]和K2O-Na2O-CaO[12]图解Fig.5 SiO2 vs.Na2O+K2O，An vs.Ab vs.Or，K2O vs.Na2O vs.CaO diagrams of trondhjemites

图6 奥长花岗岩SiO2-K2O[13]和A/CNK-A/NK[14]图解Fig.6 SiO2 vs.K2O and A/CNK vs.A/NK diagrams of trondhjemites

表2 奥长花岗岩主量(wt%)、微量元素(×10-6)分析结果Table 2 Major element(wt%) and trace element(×10-6) data of trondhjemites

奥长花岗岩样品稀土元素总质量分数较低，REE=38.04×10-6～47.60×10-6，平均值 43.01×10-6；LREE=36.39×10-6～43.57×10-6，平均值 41.25×10-6；HREE=1.66×10-6～1.95×10-6，平均值 1.76×10-6；LREE/HRE=22.08～24.69，平均值 23.43；(La/Yb)N=29.21～33.00，平均值 29.34。稀土元素配分模式图上表现为轻稀土元素富集、重稀土元素亏损的右倾型，轻稀土元素分馏明显，重稀土元素分馏较弱(图7a)。样品δEu=1.35～1.70，表现为较明显的 Eu正异常。在原始地幔标准化微量元素蛛网图上，奥长花岗岩相对富集大离子亲石元素(LILE，Rb、Ba、K)，相对亏损高场强元素(HFSE，Ta、Ti、P、Nb)(图7b)。

图7 奥长花岗岩球粒陨石标准化稀土元素配分曲线和原始地幔标准化微量元素蛛网图[15]Fig.7 Chondrite-normalized rare earth element patterns and primitive mantle-normalized spidergrams of trondhjemites

4 讨论

4.1 岩石类型

奥长花岗岩样品具有高硅、富铝、富钠贫钾的特点，具有奥长花岗岩的演化趋势（图5c），与世界上典型的高铝型TTG十分类似（图8a）。样品普遍富集 Sr(98×10-6～142×10-6)和 LREE，亏损Y(Sr/Y=45～91)和HREE，具有较明显的Eu正异常，地球化学特征类似显生宙埃达克岩石[16]（图8b）。岩石微量元素显示其富集轻稀土元素和大离子亲石元素(LILE)，亏损高场强元素(HFSE)，铝饱和指数A/CNK平均值=1.1，为弱过铝质岩石（图6b），在 1000×Ga/Al-K2O/MgO 和 1000×Ga/Al-Ce图解中[16]，落入I&S型花岗岩区域，表明奥长花岗岩具有I型花岗岩地球化学特点（图9）。以上地球化学特征表明，新立屯奥长花岗岩为具有埃达克岩特征的弱过铝质I型花岗岩。

图8 奥长花岗岩Y-Sr/Y和YbN-（La/Yb）N图解[16]Fig.8 Y vs.Sr/Y and YbN vs.(La/Yb)N diagrams of trondhjemites

图9 奥长花岗岩Ga/Al-K2O/MgO和Ga/Al-Ce图解[17]Fig.9 Ga/Al- K2O/MgO and Ga/Al- Ce diagrams trondhjemites

4.2 原岩性质及成因类型

目前被大家广泛接受的 TTG成因模式是玄武质岩石部分熔融[18]，在Sr/Y-Y和YbN-(La/Yb)N图解中（图8），显示岩石与埃达克岩石具有类似成因，为榴辉岩玄武质地壳部分熔融。岩石亏损Nb、Ta、Ti、P等高场强元素（HFSE），富集 Rb、Ba、K 等大离子亲石元素（LILE），在花岗岩构造环境判别图中[19]，样品落入火山弧和碰撞型花岗岩区域，说明岩石形成于俯冲相关构造环境（图10）。一般认为与大洋俯冲流体交代作用有关的岩浆主要表现出Nb、Ta的亏损，Zr、Hf则相对REE亏损不明显[20]。由于石榴石强烈富集重稀土，在部分熔融过程中与石榴石平衡的熔体将具有陡倾的稀土配分模式，岩石稀土元素配分曲线向右陡倾（图7a），表明源区熔融时以石榴石为主要残留相；岩石亏损高场强元素(HFSE)，暗示板块俯冲过程中有金红石、榍石、磷灰石和角闪石相的残留分离，考虑岩石具有较低的Mg#值和Al2O3含量，较高的Sr含量（平均值 127），说明斜长石在其源区可稳定存在。太古代TTG岩石形成过程中斜长石的存在被解释为古太古代时热流值更高，使洋壳重熔可以发生在更低压力（斜长石稳定）下，而且不会在上升过程中与地慢楔相互作用造成Mg#值的升高[21]。综上所述，本区新太古代奥长花岗岩是在类似古太古代的高热流条件下，岛弧环境中洋壳直接熔融的产物。

图10 奥长花岗岩Y+Nb-Rb和Y-Nb图解[20]Fig.10 Y+Nb vs.Rb and Y vs.Nb diagrams of trondhjemites

4.3 构造环境及地质意义

辽北地区的太古宙变质基底由晚太古代变质火山岩、火山碎屑岩及相伴生的沉积岩等变质表壳岩系和侵位其中的TTG、钾质花岗岩组成。其中TTG岩石组合为一套中-中酸性岩浆演化系列，在造山带中这种岩石组合是岛弧环境产物，形成于俯冲板片的部分熔融；变质火山岩组合形成于2.57～2.50Ga，并可以从中识别出岛弧拉斑变质玄武岩以及钙碱性变质玄武岩-安山岩-英安岩-流纹岩组合[22]。地球化学研究表明，这些火山岩石组合形成于岛弧体系的构造背景，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[23-24]。清原地区奥长花岗岩地球化学特征接近于显生宙的岛弧或大陆边缘弧环境的岩石地球化学特征，为新太古代岛弧体系中洋壳在高温条件下的重熔产物，地球化学特征类似埃达克岩（图8）。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，这一认识得到了越来越多的认同[25-26]。研究显示华北克拉通在新太古代存在一条弧陆碰撞增生型造山带，从辽北抚顺-清原地区向南西经鞍山、大石桥、建平延伸到了河北冀东地区[6-7,27]。以上这些证据都显示，辽北地区在新太古代晚期为俯冲作用相关的构造背景，新立屯奥长花岗岩形成于岛弧环境，辽北地区为华北克拉通新太古弧陆碰撞增生型造山带的重要组成部分。

5 结论

（1）奥长花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为2553±6Ma，形成时代为新太古代。

（2）奥长花岗岩具有高硅、富铝、富钠、贫钾特征，具有世界上典型高铝型TTG岩石的地球化学特征。岩石铝饱和指数A/CNK介于1.08～1.16之间，稀土总量偏低，大离子亲石元素Rb、Ba、K等相对富集，高场强元素Nb、Ta、P、Ti相对亏损，为具有埃达克岩特征的弱过铝质I型花岗岩。

（3）辽北地区在新太古代晚期为俯冲作用相关的构造背景，新立屯奥长花岗岩形成于岛弧环境，辽北地区为华北克拉通新太古弧陆碰撞增生型造山带的重要组成部分。