辽东半岛岫岩地区早白垩世侵入岩特征及地质意义①

2022-07-21何俐李琛

化工矿产地质 2022年2期

何俐李琛

辽宁省化工地质勘查院有限责任公司，辽宁锦州 121000

吴福元等[1]对辽东半岛的年代学研究进行了总结，认为辽东地区岩浆作用可划分为3期，即三叠纪、侏罗纪和早白垩世，其中早白垩世的岩浆活动最为剧烈。辽东地区中生代岩浆作用与华北克拉通破坏、减薄有关已是一个不争的事实[2]，但其时限、机制、演化过程等方面仍然存在争议。徐义刚等[3-5]认为其时限在空间上是不连续、不均匀的。许文良等[6-7]认为华北克拉通的破坏、减薄在三叠纪就已开始。Gao等[8]通过对辽西中侏罗世高镁埃达克岩的研究，认为华北的克拉通破坏、减薄至少在中侏罗世已经开始。姜耀辉等[9]认为华北克拉通破坏、减薄应存在两期，分别为 155Ma与 130～120Ma。Zhang等[10]在辽西阜新地区发现110Ma来自软流圈地幔的玄武岩，Zheng等[5,11]也发现该玄武岩携带的地幔橄榄岩特征基本相同于华北克拉通东部的新生代玄武岩，由此认为华北克拉通破坏、减薄在110Ma之前已经发生。而路凤香等[12]则认为华北地区晚白垩世至新生代软流圈来源玄武岩的发现才是岩石圈破坏减薄的直接标志。破坏、减薄机制也是目前激烈争论的问题，包括拆沉作用[8,13-19]，热侵蚀作用[19-24]，橄榄岩、熔体相互作用[25-26]，机械拉张作用[2]，岩浆提取作用[27]，岩石圈地幔水化模型[28]等。关于华北克拉通破坏、减薄动力学的探讨仍就众说纷纭，包括地幔柱[29-32]，扬子板块和华北板块的拼合[33]，太平洋板块的俯冲[34]，多方位板块俯冲[35]等。笔者通过对辽东半岛岫岩王家堡子地区早白垩世二长花岗岩的岩石学特征、岩石地球化学特征及U-Pb年代学特征进行讨论，反演了其岩浆成因及形成构造环境，以期为中生代华北克拉通破坏、减薄时空分布及破坏的机制、过程和动力学的研究提供新的证据。

1 区域地质特征

辽东半岛位于华北克拉通东部，胶-辽-吉造山/活动带中段，北侧以辽阳-通化断裂，南侧以鸭绿江断裂分别与龙岗地块、狼林地块以断层接触相邻[36]。中生代后，岩浆作用强烈，形成了大面积的岩浆岩（图1）。辽宁省地质矿产局对其进行了归类总结，发现该区几乎囊括了所有的侵入岩，岩体间接触关系复杂、规模不等。研究区位于辽东岫岩县王家堡子，区内南辽河群广泛发育，自上而下为盖县组、大石桥组、高家峪组和里尔峪组。盖县组主要为一套变质石英砂岩-二云片岩组合；大石桥组主要为一套大理岩组合；高家峪组主要为一套含石墨的大理岩、变粒岩组合；里尔峪组主要为一套含硼的电气变粒岩、浅粒岩及黄铁、磁铁变粒岩组合。区内广泛发育中生代的侵入岩与岩脉，主要出露于研究区北部区域，依次为早三叠世石英岩，晚三叠世似斑状二长花岗岩、闪长岩，晚侏罗世二长花岗岩及早白垩世似斑状二长花岗岩、二长花岗岩，岩脉岩性为闪长玢岩与花岗岩（图2）。

图1 研究区大地构造位置图Fig.1 Geotectonic location map of the study area

图2 研究区地质简图Fig.2 Geological sketch map of the study area

2 岩相学特征

研究区内二长花岗岩岩体分布广泛，且侵位年代贯穿整个中生代，其中最早的可追溯至晚三叠世，最晚则为早白垩世。本次研究主要针对侵位于早白垩世的二长花岗岩，即杨家堡岩体与石庙沟岩体，选取8件新鲜岩石样品进行全岩地球化学分析与锆石U-Pb定年研究。

中细粒黑云角闪二长花岗岩（杨家堡岩体）：岩体表面呈浅灰白色，新鲜面为肉红色，中细粒花岗结构，块状构造。主要矿物成分有斜长石、钾长石、石英、角闪石和黑云母。斜长石多为半自形-他形，少数为不规则粒状，被钾长石交代呈孤岛状、港湾状，绢云母化，粒径多在 0.35～3.00mm，约占36%；钾长石呈他形粒状充填于其他矿物颗粒间，粒径多在0.3～2.2mm，体积分数约为31%；石英呈不规则粒状，具波状消光，粒径多在0.5～2.0mm，体积分数约为22%；角闪石呈短柱状，粒径多在0.5～1.0mm，体积分数约为5%；黑云母呈片状，绿泥石化，粒径多在0.5～1.5mm，体积分数约为5%（图3a）。

图3 研究区岩体典型岩石显微构造照片Fig.3 Typical rock microstructure of rock mass of the study area

花岗斑岩（石庙沟岩体）：岩体表面呈灰白色，新鲜面为浅肉红色，斑状结构，块状构造（图3b）。主要矿物成分有斜长石、石英、正长石和黑云母。斜长石多为半自形板状，发育有聚片双晶，具绢云母化及黝帘石化，粒径多在 1～2.5mm之间；石英呈他形粒状，具熔蚀结构，粒径多在0.5～2.8mm之间；正长石呈半自形板状，具两组近直交解理，粒径多在 1～2mm之间；黑云母呈片状，发育有一组极完全解理，正中突起，片径1mm（图3b）。

3 样品采集和测试方法

本次采集了 6个地球化学分析样品：YJB-TY1、YJB-TY2、YJB-TY3、SMG-TY1，SMG-TY2、SMG-TY3；2个同位素年龄样品：YJB-TW与SMG-TW。

锆石U-Pb同位素由LA-ICP-MS法测试。锆石单矿物分选在河北省廊坊区域地质调查研究院地质实验室完成。将挑好的锆石置于环氧树脂内固定、抛光，将制好的靶样进行透、反射光照相并采集阴极发光（CL）图像。

锆石制靶和阴极发光照相由北京锆年领航科技有限公司完成。根据锆石 CL图像判断锆石成因，结合透、反射照片，选择无包体、无裂隙的锆石微区圈定激光剥蚀区域。LA-ICP-MS测试在中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成。激光剥蚀系统为Geo Las Pro，ICP-MS为 Agilent7500，激光剥蚀直径为 30μm。对分析数据的离线处理（包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年龄计算）采用9.0版本的ICPMS Data Cal序完成[37]。岩石主量元素、微量元素和稀土元素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，其中FeO质量分数通过湿化学方法测试。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。

4 岩石地球化学特征

4.1 锆石U-Pb测年

将其锆石U-Pb年代学样品进行分析，发现其锆石颗粒均为长柱状或双锥状，长度为 100～200μm，长宽比为2∶1～3∶1，根据阴极发光图可见（图4），锆石均呈现清晰明显的岩浆锆石所特有的振荡环带结构，是典型岩浆结晶型锆石结构。

杨家堡黑云母角闪二长花岗岩 20个测点 U含量为 113.366×10-6～671.381×10-6，Th 含量为137.93×10-6～727.19×10-6，Th/U=0.74～1.12（表1），为岩浆锆石特征，所以应属于岩浆锆石。由普通铅校正，大于1Ga的锆石年龄采用207Pb/206Pb年龄数据，反之则采用206Pb/238U年龄数据。在206Pb/238U-207Pb/235U谐和曲线图上（图5），所有测点数据均落在一致线上，并分布集中。206Pb/238U=117.40～137.07Ma，加权平均值为127.4±0.57Ma，MSWD=8.3。由此可知，杨家堡岩体岩浆侵位年龄为早白垩世。

图5 杨家堡岩体典型锆石U-Pb谐合曲线Fig.5 U-Pb concordia diagrams of Early Cretaceous intrusive rock masses in Yangjiabu area

石庙沟花岗斑岩 24个测点 U含量为118.22×10-6～ 1470.32×10-6， Th 含量为183.94×10-6～1666.19×10-6，Th/U=0.42～1.25（表1），为岩浆锆石特征，所以应属于岩浆锆石。由普通铅校正，大于1Ga的锆石年龄采用207Pb/206Pb年龄数据，反之则采用206Pb/238U年龄数据。

表1 研究区早白垩世侵入岩岩石锆石LA-ICP MS U-Pb分析结果Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb data of Early Cretaceous intrusive rock masses in the study area

在206Pb/238U-207Pb/235U谐和曲线图上（图6），所有测点数据均落在一致线上，并分布集中。206Pb/238U=117.87～135.73Ma，加权平均值为123±1.6Ma，MSWD=4.2。由此可知，石庙沟岩体岩浆侵位年龄为早白垩世。

图6 石庙沟岩体典型锆石U-Pb谐合曲线Fig.6 U-Pb concordia diagrams of Early Cretaceous intrusive rock masses in Shimiaogou area

4.2 主量元素

杨家堡岩体岩石样品 SiO2含量为 69.20%～70.00%，TiO2含量为0.57%～0.60%，Al2O3含量为13.00%～13.70%，MgO含量为2.09%～2.29%，CaO含量为2.02%～2.53%，Fe2O3含量为1.44%～1.69%，FeO含量为1.92%～2.28%，Na2O的含量为3.01%～3.16%，K2O含量3.69%～3.97%，Na2O/K2O比值为0.76～0.84，平均值为0.81（表2）。岩石具有富钾贫铁、镁、钙的特征。岩石里特曼指数为 1.70～1.83，属钙碱性系列。Na2O+K2OSiO2图解（图7）中样品落入花岗岩区域；SiO2-K2O图解（图8）中，样品落入高钾钙碱性系列区域；铝质指数A/CNK为0.95～1.03，平均值为1.00，属于准铝质-过铝质岩石（图8）；Mg#=0.53～0.53。

石庙沟岩体岩石样品 SiO2含量为 75.96%～77.28%（表2），TiO2含量为 0.08%～0.10%，Al2O3含量为 11.64%～12.54%，MgO含量为 0.05%～0.11%，CaO含量为 0.14%～0.20%，Fe2O3含量为0.91%～1.39%，FeO含量为0.26%～0.44%，Na2O的含量为3.16%～3.43%，K2O含量4.75%～5.62%（表2），Na2O/K2O比值为0.56～0.71，平均值为0.66。岩石具有富钾贫铁、镁、钙的特征。岩石里特曼指数为 1.93～2.34，属钙碱性系列。Na2O+K2O-SiO2图解（图7）中样品落入花岗岩区域；SiO2-K2O图解（图8）中，样品落入高钾钙碱性系列区域；铝质指数A/CNK为1.05～1.11，平均值为 1.08，属于过铝质岩石（图8）；Mg#=0.06～0.13。

图7 研究区早白垩世侵入岩Na2O+K2O-SiO2图解（TAS图解）Fig.7 Na2O + K2O-SiO2 diagram of the Early Cretaceous intrusive rocks in the study area (TAS diagram)

图8 研究区早白垩世侵入岩SiO2-K2O与铝饱和指数图解Fig.8 Diagram of SiO2-K2O and aluminum saturation index of the Early Cretaceous intrusive rocks in the study area

表2 研究区早白垩世侵入岩岩石的主量元素（×10-2）和微量元素（×10-6）成分Table 2 Major and trace element compositions of the Early Cretaceous intrusive rock masses in the study area

4.3 稀土、微量元素

杨家堡岩体岩石样品稀土元素总量∑REE为183.32×10-6～ 197.69×10-6，其中轻稀土总量∑LREE 为 173.36×10-6～187.39×10-6，重稀土总量∑HREE为9.96×10-6～10.30×10-6。δEu=0.77～0.82，表现负异常。(La/Yb)N=29.91～31.71，LREE/HREE=17.41～18.19，表明轻重稀土分馏较明显，富集轻稀土，亏损重稀土。（La/Sm）N=7.95～8.09，（Gd/Yb）N=2.60～2.85，表明重稀土分馏程度相对较弱，轻稀土分馏程度相对较强。原始地幔微量元素标准化蛛网图（图9）可以看出，岩石富集大离子亲石元素K、Rb、Ba及高场强元素Th、Zr、Hf，相对亏损大离子亲石元素Sr及高强场元素Nb、Ta、P、Ti。稀土配分模式图（图10）中，曲线呈明显的右倾型。

图9 研究区早白垩世侵入岩原始地幔微量元素标准化蛛网图Fig.9 Spider diagram of trace elements standardized by the primitive mantle in the Early Cretaceous intrusive rocks in the study area

图10 研究区早白垩世侵入岩稀土配分模式图Fig.10 REE distribution pattern of the Early Cretaceous intrusive rocks in the study area

石庙沟岩体岩石样品稀土元素总量∑REE为100.13×10-6～191.25×10-6，其中轻稀土总量∑LREE 为 89.00×10-6～174.23×10-6，重稀土总量∑HREE为11.13×10-6～17.02×10-6。δEu=0.14～0.26，表现强烈的负异常。（La/Yb）N=6.22～8.47，LREE/HREE=8.00～10.24，表明轻重稀土分馏较明显，富集轻稀土，亏损重稀土。（La/Sm）N=4.07～5.44，（Gd/Yb）N=1.05～1.20，表明重稀土分馏程度相对较弱，轻稀土分馏程度相对较强。元素地幔微量元素标准化蛛网图（图9）可以看出，岩石富集大离子亲石元素K、Rb、Ba及高场强元素Th、Zr、Hf，相对亏损大离子亲石元素Sr及高强场元素Nb、Ta、P、Ti。稀土配分模式图（图10）中，曲线呈明显的右倾型。

5 讨论

5.1 岩浆来源

岫岩地区早白垩世杨家堡岩体、石庙沟岩体均具有高 SiO2、Al2O3含量，低 MgO、Co、Cr、Ni含量较低特征，与 Patiño Douce[38]、Rapp and Watson[39]通过实验得出地壳物质部分熔融产物的地球化学特征一致，富集LREE和LILE，亏损HFSE，为地壳物质部分熔融形成的岩浆所具有的特征，其中杨家堡岩体具有活动大陆边缘环境岩浆岩的特点。样品在（Yb+Ta）-Rb图解（图11）与 Ta-Yb图解（图12）中，均落入火山弧-同碰撞区域，在Rb/30-Hf-Ta*3图解（图13）中，落入火山弧花岗岩-碰撞晚期或碰撞后花岗岩，表明其形成与活动大陆边缘有关。将各岩体岩石地球化学样品投入岩石成因类型图解中发现，除石庙沟岩体落入A型花岗岩区域外，其他均落入I&S型花岗岩区域（图14）。早白垩世杨家堡岩体岩石中未发现富铝矿物且具有低的 Zr元素含量（145.3×10-6～183.7×10-6），是区别于 S 型花岗岩的重要特征，因此应为I型花岗岩。早白垩世石庙沟岩体具有高硅富碱贫镁、钙特征；富集大离子亲石元素（K、Rb）和高场强元素（Th、Ta、Nb、Zr、Hf），亏损 Sr、Ba、P、Ti；稀土配分曲线均呈右倾海鸥型，具明显负 Eu异常；稀土元素含量较高，特点与A型花岗岩特征一致。

图11 （Yb+Ta）-Rb图解Fig.11 (Y+Nb)-Rb diagram

图12 Ta-Yb图解Fig.12 Ta-Yb diagram

图13 Rb/30-Hf-Ta*3图解Fig.13 Rb/30-Hf-Ta*3 Diagram

图14 花岗岩成因图解Fig.14 Genetic diagram of granite

早白垩世杨家堡岩体具有高Sr，低Y、Yb与 MgO，高 Al2O3、Na2O，富集 LILE 及 LREE，Eu呈轻微负异常或正异常，亏损 HREE，与Defant and Drummond[40]提出的典型埃达克岩地球化学特征基本一致。在Sr/Y-Y图解（图15）中，早白垩世杨家堡岩体均落入埃达克岩区域及附近区域。由此说明研究区早白垩世杨家堡岩体应为埃达克质花岗岩。在 MgO-SiO2图解（图16）与R1-R2图解（图17）中，早白垩世杨家堡岩体均落入俯冲洋壳成因区域与同碰撞区域，富集LILE与LREE，亏损HFSE，显示出明显 Nb、Ta异常，Ta/Th 值低（0.038～0.074），说明成岩岩浆的形成应与板块的俯冲有关的岛弧环境。发生拆沉作用的前提是地壳加厚，底部转变为榴辉岩相，而由榴辉岩熔融产生的熔体以轻重稀土元素明显分异高 LaN/YbN、Sr/Y值、Th/U值、Mg#但低 Lu/Hf值为特征。而研究区早白垩世杨家堡轻重稀土元素分异明显（LaN/YbN=29.91～31.71），高 Sr/Y（27.14～27.66）、Th/U（5.72～6.84）、Mg#（53）且低Lu/Hf（0.04），与榴辉岩熔融产生的熔体特征一致。并且Ni、Cr、Co、V含量均出现了明显升高，但仍然低于岩石圈地幔原始岩浆丰度，这也说明成岩岩浆中应有地幔物质参与。由此笔者推测其成因应与拆沉作用有关。拆沉作用可以分为两类：（1）大洋岩石圈拆沉，与板块俯冲有关；（2）大陆下地壳拆沉，与板块俯冲无关。由此表明，早白垩世杨家堡应为板块俯冲而导致的拆沉作用产生的岩浆，虽然也出现高K2O含量的“C”型埃达克岩特征，应是成岩岩浆在上升的过程中受到地壳物质混染的结果。

图15 Sr/Y-Y图解Fig.15 Sr/Y-Y diagram

早白垩世石庙沟岩体具有高的 Yb（ 2.08×10-6～ 3.04×10-6）、 Y （ 16.90×10-6～24.90×10-6）含量，低的 LaN/YbN（6.22～8.47）及相对平坦的重稀土分布模式，表明其源区应不存在石榴石残留相；Sr元素的强烈亏损（Sr=19.3～23.7）及明显的负Eu异常（0.14～0.26），表明岩石发生了强烈的分离结晶作用，处于斜长石稳定域内，岩石学特征亦显示样品具有较多的斜长石矿物，表明岩石的源区深度应小于30km。Patiño Douce[41]通过实验进一步提出，铝质A型花岗岩形成于钙碱性花岗质岩石在低压（＜4kbar）条件下的脱水部分熔融；King et al.[42]通过对澳大利亚拉克兰造山带内的铝质A型花岗岩的研究，提出铝质A型花岗岩应源于具有正常水含量的长英质地壳的部分熔融。而早白垩世石庙沟岩体 A/CNK=1.05～1.11，为铝质A型花岗岩。在构造判别图解（图16）与 R1-R2图解（图17）中，其落入火山弧及造山后伸展环境区域。由此笔者认为早白垩世石庙沟岩体岩浆应来自伸展环境下，长英质地壳的脱水部分熔融。

图16 MgO-SiO2图解Fig.16 MgO-SiO2 diagram

图17 R1-R2图解Fig.17 R1-R2 diagram

5.2 地质意义

关于辽东地区燕山期岩浆活动的地球动力学背景，地学界众说纷纭。主要有以下几种观点：（1）与古太平洋板块俯冲作用有关[43]；（2）是华北克拉通下地壳拆沉作用的产物[44]；（3）陆内拉伸作用的结果[45]。由研究区构造判别图解可知，杨家堡岩体为碰撞环境中的产物，而石庙沟岩体则为拉伸环境中的产物，研究区岩石组合符合黑云母花岗岩-二长花岗岩-花岗闪长岩的安第斯山型活动大陆边缘火山弧钙碱性-高钾钙碱性I型花岗岩岩石组合的特征。由此可知，研究区早白垩世应处于构造挤压的活动大陆边缘环境下，后于123Ma转入拉伸环境。Gao S等[8]对辽西中生代火成岩的研究，认为华北克拉通晚中生代岩浆活动是扬子板块与华北板块之间的陆-陆碰撞导致下地壳拆沉作用的结果，但拆沉作用的总体背景应该是伸展的，这与研究区所处的构造环境不同。并且区内同时代软流圈地幔来源的玄武岩分布极其有限，这与下地壳拆沉理论十分矛盾。杨进辉等[46]对辽东半岛小黑山岩体的 U-Pb年代学、岩石地球化学、Sr-Nd同位素和锆石铪同位素组成进行了研究，认为华北东部侏罗纪花岗质岩浆作用是古太平洋板块向西俯冲导致地壳增厚，进而引发下地壳物质部分熔融的结果。吴福元等[1-2]指出华北克拉通东部晚中生代处于构造挤压的大陆活动边缘环境之中，岩浆活动应与古太平洋板块的俯冲有关。由此表明研究区早白垩世岩浆活动应是古太平洋板块俯冲作用的结果。

张旗等[47]提出华北地区在晚中生代是一个高原。山东蒙阴和辽宁复县金伯利岩（470Ma）的发现表明岩石圈当时厚度约为200km[48]，然而由新生代玄武岩中的幔源包体研究获得的岩石圈厚度为80～120km。上述表明自古生代以来华北克拉通发生了近百公里的破环与减薄。岩石圈的拉伸是引起岩石圈减薄的主要原因，翟国明等[49]提出，华北板块东部由挤压构造向伸展构造转折始于150～140Ma，结束于110～100Ma。张颖等[50]提出，在早白垩世时期，因太平洋板块漂移方向的改变使得华北东部处于伸展环境中。Zhang等[10]在辽西阜新地区发现 110Ma来自软流圈地幔的玄武岩，Zheng等[5]发现其携带的地幔橄榄岩的特征基本相同于华北克拉通东部新生代玄武岩，由此认为华北的克拉通破坏与减薄在110Ma之前已经发生。刘杰勋等[51]通过对岫岩地区帽盔山二长花岗岩、荒地花岗闪长岩和朝阳苏长辉长岩进行了岩相学、地球化学、LA-ICP-MS U-Pb定年的研究提出，在早白垩世时期，辽东岫岩地区处于非造山的伸展环境。张允平[52]也提出欧亚大陆东部广泛发育晚侏罗世-早白垩世的小型断陷盆地群、变质核杂岩、碱性-过碱性岩浆岩体及相关的喷出岩，说明欧亚大陆东部在此期间应处于非造山的伸展环境。另外，研究区内多处被发现变质核杂岩和拆离断层构造也是曾发生过大规模伸展作用的有利证据[53]。本次研究在岫岩地区早白垩世（127Ma）的岩体（杨家堡岩体）处于挤压环，但123Ma则出现产于拉伸环境的岩体（石庙沟岩体），因此笔者认为研究区的构造背景由构造挤压向拉伸环境的转变应在127～123Ma之间完成，是华北板块东部构造背景转变的具体体现。