华北板块北缘东段库伦杂岩的发现及其构造意义

2024-03-12李东涛陈井胜李玉超彭游博杨仲杰刘文彬

地质与资源 2024年1期

李东涛，刘锦，陈井胜，赵辰，李玉超，彭游博，蒯兵，杨仲杰，刘文彬

1. 中国地质调查局沈阳地质调查中心（东北地质科技创新中心），辽宁沈阳 110034；2. 吉林大学地球科学学院，吉林长春 130021；3. 辽宁省地质矿产调查院有限责任公司，辽宁沈阳 110031

0 引言

华北板块北缘东段在古生代处于古亚洲洋裂解—扩展—消亡和同华北板块俯冲—碰撞对接构造演化阶段［1］. 华北板块自中元古代末成为Rodinia 超大陆的一部分，完成第一次陆缘增生过程后，在800～700 Ma，Rodinia 超大陆开始发生裂解，新的大洋（古亚洲洋）开始形成. 随着古亚洲洋洋脊的扩张，洋壳向华北板块俯冲，沿华北板块北缘（西拉木伦断裂及其延伸线）形成一条近东西向的古俯冲带. 从震旦纪末至寒武纪，古亚洲洋处于扩张期，此扩张带大致沿温都尔庙—西拉木伦河—磐石—桦甸—龙孟山—海参崴一线延伸，这也是曾经浩瀚的古大洋洋壳的残余分布线.

近10 年来，越来越多数据表明古亚洲洋最终沿索伦—西拉木伦—长春—延吉一线闭合，这是一条延长1 500 km 以上的古生代缝合带，其分割了华北板块与北部诸多地块，是汇聚大陆边缘上岩浆和构造活动最剧烈的构造带，其形成和演化过程一直是当前地球科学最关注的主题之一［2-9］. 前人研究成果多集中于此带西部及东段，在此带东部内蒙古与辽宁接触地区仍然缺少新的古生代岩石地层记录与证据，致使此带缺少了关键的中部连接点.

2010～2012 年和2016～2018 年，笔者通过区域地质调查分别在内蒙古自治区库伦旗地区新发现了以晚古生代变质火山岩为主体的库伦杂岩，在辽宁省北部法库方家屯地区新发现了早古生代花岗质岩体和变质火山岩石地层（图1），并进一步通过岩相学、锆石UPb 年代学、地球化学以及锆石原位Hf 同位素的分析研究，对其源区性质及构造背景进行了探讨. 华北板块北缘东段古生界划分为志留系、泥盆系、石炭系和二叠系，主要分布于研究区北部内蒙古白音花-奈林皋、辽宁阜新北部彰武到法库一带. 其受构造断裂控制，分布不连续，呈残片形式存在，局部变质变形现象强烈，剖面中多未见顶底. 通过对其岩性、岩相、岩石地球化学及构造研究，表明在华北板块北缘东段存在着志留纪弧后盆地沉积、泥盆纪岛弧沉积、石炭纪裂陷槽沉积及二叠纪岛弧沉积（表1），填补了索伦-西拉木伦-长春-延吉古亚洲洋缝合带中部古生代构造演化证据重要一环.

表1 内蒙古自治区库伦旗-辽宁省彰武法库地区古生界构造岩石地层单位一览表Table 1 Paleozoic stratigraphy of Kulun Qi of Inner Mongolia and Faku of Liaoning areas

图1 研究区大地构造位置［2］及地质略图Fig. 1 Tectonic location and geological sketch map of the study area

1 中泥盆世库伦杂岩特征

1.1 库伦杂岩的宏观岩石构造特征

中泥盆世库伦杂岩（D2kl）出露于内蒙古库伦旗北部（图1），岩石类型主要为青灰色变质英安质晶屑岩屑凝灰岩、安山岩、灰白色绿帘变质泥岩、钙质泥岩、灰黑色碳质绢云泥质板岩等，构造叠置厚度大于233.2 m.由于第四系掩盖严重，仅在库伦东北部一处浅坑处发现与中侏罗世二长花岗岩的侵入接触关系，局部碳酸盐含量增高，有夕卡岩及铜矿化出现，被中基性脉岩侵入. 杂岩内部沉积岩主要为泥岩，反映了较深的水环境，其内夹有变质安山岩及凝灰岩，其中凝灰岩多与泥岩互层，形成多个凝灰岩-泥岩-凝灰岩的沉积旋回，表明形成时火山活动的频发（图2）. 库伦杂岩产状陡倾，倾角多为70～80°，推测造成此现象的原因为洋壳俯冲过程的掀斜作用，这也与晚志留世华北板块北缘发生弧-陆碰撞这一构造背景相吻合. 库伦杂岩内既发育有中深层次的韧性剪切作用，又有浅层次的脆性破碎，且多发生绿片岩相变质作用. 这些特征均表明了该套地层经历了复杂强烈的构造运动.

代表剖面：通辽市库伦旗采石场中泥盆世库仑杂岩剖面（图2）.

图2 通辽市库伦旗采石场泥盆纪库伦杂岩实测剖面图Fig. 2 Section of Devonian Kulun complex at the Kulun Qi quarry in Tongliao City

1.2 库伦杂岩同位素年代学

本研究锆石U-Pb 同位素测年样品采自剖面第26层，岩性为灰黑色变质英安质晶屑岩屑凝灰岩，测试结果为391.0±3.7 Ma（表2），时代为中泥盆世. 侵入本组硅质碳质泥岩中的基性岩脉中获得锆石U-Pb 同位素测试结果为255.7±8.7 Ma，时代为晚二叠世. 由于该基性岩脉为后期侵入，故库伦杂岩形成至少早于晚二叠世. 通过区域对比，结合同位素测年数据将库伦杂岩形成时代定为中泥盆世（图3）.

表2 库伦杂岩中变凝灰岩样品中锆石LA-ICP-MS U-Pb 分析结果Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results of metamorphic tuff samples in Kulun complex

图3 库伦杂岩变凝灰岩锆石U-Pb 年龄谐和图及加权平均年龄图Fig. 3 Zircon U-Pb age concordia and weighted average age diagrams of metamorphic tuff in Kulun complex

1.3 库伦杂岩岩石地球化学反映出的大地构造环境

库伦杂岩岩性为泥质板岩夹安山岩及凝灰岩，凝灰岩夹层出现频率较高，说明当时区内泥盆系的形成大地构造环境为强烈的构造岩浆活动区. 通过对库伦杂岩泥岩、泥质板岩地球化学分析（表3），在形成环境判别图上，部分样品落在火成岩区及其边缘，说明库伦杂岩主要物质来源于火山岩区，使得本组含有丰富的火山物质. 在log（K2O/N2O）-SiO2图解（图4）上，样品多落入岛弧区，也说明库伦杂岩主体环境为岛弧相. 在（Fe2O3+MgO）-TiO2图解（图5）中，样品落在大洋岛弧及大陆边缘弧，说明其形成时处于强构造活动阶段. 对剖面中采集的安山岩样品投入Rb-（Y+Nb）图解（图6），判别其成因为火山岛弧环境，在La/Yb-Th 图解（图7）落在大陆边缘弧中，FAM 图解属钙碱性系列安山岩. 通过对构造环境及岩石地球化学图解分析，认为库伦杂岩属火山-沉积岩系，形成于晚期岛弧环境.

表3 库伦杂岩碎屑岩岩石化学成分Table 3 Petrochemical compositions of clastic rocks in Kulun complex

图4 库伦杂岩log（N2O/K2O）-SiO2 图解（据文献［10］）Fig. 4 The log（N2O/K2O）-SiO2 diagram of Kulun complex（After Reference［10］）

图5 库伦杂岩形成构造环境判别图解（据文献［11］）Fig. 5 Tectonic environment discrimination diagram of Kulun complex（After Reference［11］）

图6 黑云母安山岩构造环境Rb（-Y+Nb）判别图（据文献［12］）Fig. 6 The Rb（-Y+Nb）diagram of tectonic environment discrimination for biotite andesite（After Reference［12］）

图7 黑云母安山岩构造环境La/Yb-Th 判别图（据文献［13］）Fig. 7 The La/Yb vs. Th diagram of tectonic environment discrimination for biotite andesite（After Reference［13］）

2 区域上与库伦杂岩相关的岩石地层特征、同位素年龄、地层古生物及大地构造环境

从研究区大地构造位置及地质略图（图1）看，区域上与库伦杂岩相关的岩石地层沿东西走向分布，主要有志留系方家屯岩组（S2f）、西别河岩组（S3x），石炭系白家店组（C1b）、酒局子组（C2j），二叠系佟家屯岩组（P1t）、叶茂台岩组（P2ym）（表1）. 这些岩石地层的岩石学特征、同位素年龄、地层古生物及反映的大地构造环境，揭示了库伦杂岩在大地构造演化过程中的特征.

2.1 中志留统方家屯岩组

方家屯岩组主要分布于法库县卧牛石乡孙家屯、西关屯东沟、陈五十屯、公主陵及康平县鹿场一带，出露面积约3.23 km2，岩石类型包括透辉透闪片岩、变粒岩、绿帘绿泥片岩，被二叠纪侵入岩侵入. 原岩为一套火山-沉积岩建造，遭受了绿帘-角闪岩相的区域变质作用. 原1 ∶25 万铁岭幅区调将该套地层置于佟家屯岩组，本次工作在花岗闪长糜棱岩取得锆石年龄433.4±4.2 Ma（数据另发），将该套地层置于本研究新建立的志留系中统方家屯岩组❶张志斌，等. 辽宁1∶5 万后新秋、方家屯、獾子洞、双台子、叶茂台、登仕堡子幅区域地质调查报告. 2018.. 此岩组多发生糜棱岩化，糜棱面理产状为（260～303°）∠（14～50°），线理产状为（214～230°）∠（4～16°）. 其中花岗闪长质糜棱岩、石英闪长质糜棱岩、石英闪长质超糜棱岩、长英质超糜棱岩变形较强，透辉透闪片岩和黑云斜长变粒岩变形较弱. 花岗质糜棱岩变形组构较发育，石英以扁豆状至拔丝拉长状变形为主，部分长石拉长呈条纹、条痕状，部分长石残斑以脆性变形为主. 透辉透闪片岩硬度较软，发育鳞片变晶结构，镜下可见白云母，部分透闪石变斑晶变形较强，定向排列.

2.2 上志留统西别河岩组

西别河岩组也为一套火山沉积地层，主要分布于旧庙拉民搞-苏子沟及上苏木土等地区，出露面积约为71.4 km2，为碳酸盐岩、陆缘碎屑岩及少量火山岩岩石组合，岩石类型包括灰白色大理岩夹斜长角闪岩、二长浅粒岩及石英二云片岩，反映了相对于库伦杂岩形成较浅的水环境. 岩层被肉红色似斑状碱长花岗岩侵入，顶部与白家店组灰色钙质碳质页岩碎斑岩以断层接触. 西别河岩组中火山岩明显少于库伦杂岩，说明其形成时火山活动较火山岛弧环境弱. 此外，西别河岩组地层产状相对于库伦杂岩较平缓，这些特征表明西别河岩组可能形成于弧后盆地沉积环境.

近年来的研究表明，在奥陶纪—志留纪期间，华北板块北缘处于岛弧发育的活动大陆边缘环境，如白乃庙岛弧带、包尔汉图岛弧带等［14-15］. 本区方家屯岩组及西别河岩组的确立，也证实了该时期岛弧发育的活动大陆边缘环境在整个华北板块北缘普遍存在.

2.3 石岩系—二叠系

早石炭世，受志留纪末—泥盆纪弧-陆碰撞后伸展作用影响，研究区北部白音花一带重新拉张形成新的裂陷槽，并广泛发育了一套碳酸盐岩、陆缘碎屑岩建造（白家店岩组），角度不整合覆盖于上志留统西别河岩组之上. 本次研究在库伦旗北白家店岩组中发现了一套早石炭世古生物化石组合，以腕足类、珊瑚为主，包括Dibunophyllum 延限带（刺毛虫）腕足类Linoproductus-Gigantoproductus 组合带、Schuchertella富集带、Neuropteris 与Lepidodendron 组合带，说明本区早石炭世海水环境应为浅海—半深海相. 晚石炭世，研究区形成了一套海陆交互相的陆缘碎屑岩为主夹碳酸盐岩建造（酒局子岩组），见植物化石. 从白家店岩组的浅海相到酒局子岩组的海陆交互相，代表了一个海退过程，也代表着古亚洲洋的萎缩.

至早中二叠世，研究区东北部又广泛发育了一套岛弧型火山岩建造（佟家屯岩组、叶茂台岩组），同时伴随强烈的岩浆活动，在旧庙-平安地-哈尔套-法库一带近东西向分布了大量的二叠纪花岗岩，这都是华北板块与古亚洲洋拼合板块碰撞拼合的产物，缝合线位于西拉木伦河一带. 至此华北板块北缘完成最后一次增生过程.

3 内蒙古库伦-辽宁彰武、法库地区古生代增生型造山带构造演化

本研究在内蒙古库伦-辽宁彰武、法库地区识别出古生代期间的火山-沉积事件及岩浆事件. 结合前人研究成果，总结出华北板块北缘东段古生代增生型造山带的构造演化过程：

（1）早古生代志留纪以前，在华北板块北缘显示出活动大陆边缘性质. 其北侧的洋中脊的扩张，导致洋壳板块向华北板块之下俯冲，形成了沟-弧-盆系. 志留纪末发生弧-陆碰撞，完成一次岛弧增生过程［16］，并使研究区地壳在泥盆纪抬升为陆，同时伴随有强烈的岩浆活动及变质变形作用发生.

华北板块北缘志留纪岩浆岩岩石组合及地球化学特征显示出岛弧岩带特征［16］，泥盆纪岩浆岩岩石组合及地球化学特征显示出伸展背景的岩浆作用特征. 早古生代期间，在华北板块北侧发育了白乃庙岛弧岩带，该岩带开始于早奥陶世（约475 Ma），结束于晚志留世（约420 Ma）. 志留纪末期，白乃庙岛弧与华北克拉通北缘发生弧-陆碰撞，白乃庙岛弧增生拼贴在华北克拉通北缘之上［17］. 泥盆纪期间，华北板块北缘进入弧-陆碰撞后伸展阶段［18-23］. 华北板块北缘石炭系的形成可能与此次弧-陆碰撞后的伸展背景有关. 但在东段没有发现早奥陶世至晚志留世的侵入岩浆行动. 本研究在法库地区获得早志留世花岗闪长岩锆石U-Pb 年龄437.1±3.4 Ma，填补了此段侵入岩记录的空白，也说明在此地区也存在同白乃庙岛弧岩带时间上大致相近的岛弧岩浆岩带. 该期侵入岩主要分布在叶家沟-大辛屯-姜家沟-小辛屯一带，在高马堡一带零星产出，多呈不规则、椭圆状，出露面积29.54 km2. 主要岩石类型为片麻状花岗闪长岩、糜棱岩化花岗闪长岩、糜棱岩化黑云母花岗闪长岩，岩石后期发生动力变质作用，变形强烈.

研究区内虽未见有与此次弧-陆碰撞有关的泥盆纪岩浆活动，但晚志留世西别河岩组与早石炭世白家店岩组之间的角度不整合可能与这一弧-陆碰撞过程有关.

（2）从石炭纪开始，在华北板块北缘形成新的裂陷槽，形成了白家店岩组浅海—半深海相沉积、酒局子岩组海陆交互相沉积. 二叠纪末，伴随古亚洲洋板块的闭合以及与华北板块的碰撞，研究区内形成了佟家屯岩组、叶茂台岩组火山岩及广泛分布的二叠纪碰撞型花岗岩，完成第二次增生过程. 伴随强烈造山作用，普遍发生了绿片岩相的变质作用，使佟家屯岩组、叶茂台岩组、白家店组、酒局子组不同程度地发生浅变质作用，并使库伦杂岩、西别河岩组、方家屯岩组发生了退变质.

早石炭世晚期—中二叠世，侵入岩呈平行于华北板块北缘边界的东西向带状分布在内蒙古隆起之上［24-27］，在岩石组合、矿物组合、岩石地球化学、同位素组成及空间分布等方面均显示出活动大陆边缘岩浆弧的特征，并且可以与世界典型大陆边缘岩浆弧相对比［28-29］. 早石炭世晚期—中二叠世岩浆活动发育的构造背景应为安第斯型活动大陆边缘，其形成与古亚洲洋板块向华北板块的俯冲有关［30］. 华北板块北缘内蒙古隆起大致代表了这一安第斯型活动大陆边缘弧的范围. 同时在古亚洲洋板块向南俯冲过程中，由于弧后局部扩张作用，在内蒙古隆起南侧的沉积盆地中还有少量基性岩浆侵入（如研究区内的不可金石英闪长岩和冀东东湾子基性岩体）. 在早石炭世晚期—中二叠世期间，研究区内存在碰撞前-同碰撞期-造山后构造背景的岩浆岩体，是古亚洲洋板块向华北板块俯冲、碰撞造山演化过程的岩浆活动记录.

（3）从边缘海槽的封闭时间来看，华北板块北缘陆壳的形成是在中二叠世. 而于晚二叠世末，古亚洲洋板块与华北板块碰撞对接，形成统一的华北板块.

二叠纪末—三叠纪岩浆岩在岩石组合、岩浆演化、矿物组成、地球化学及同位素组成等方面均显示后碰撞/后造山岩浆作用的特征［31-36］. 华北板块与古亚洲洋板块的拼合过程为弱碰撞过程，因此缺失显著的同碰撞期高压变质、地壳加厚及强过铝质S 型花岗岩.

研究区内属于该期岩浆活动的岩体有大赵贝堡二长花岗岩、张大坝闪长岩、大三麻子二长花岗岩、扎兰营子闪长岩、石场石英闪长岩. 在Rb-（Yb+Nb）图解中，上述岩体均落入火山弧花岗岩区域内，在Rb-（Yb+Ta）图解中，除大三麻子二长花岗岩和大赵贝堡二长花岗岩落入板内花岗岩区域外，其余岩体基本落入火山弧花岗岩区域内❶李东涛，等. 1∶250 000 阜新市幅区域地质调查报告. 2012.，可能反映了在二叠纪末古亚洲洋闭合，华北板块与古亚洲洋板块碰撞拼合后的板内环境. 同时，在R1-R2图解中，上述岩体所采集样品大部分落入造山晚期区域内❶李东涛，等. 1∶250 000 阜新市幅区域地质调查报告. 2012.，反映该时期古亚洲洋板块与华北板块的陆陆碰撞已经进入造山作用的晚期了.

尽管目前对华北板块与古亚洲洋板块最终碰撞拼合时代还存在一定争议，但近期大量的多学科研究结果均支持华北板块与古亚洲多岛洋拼贴板块最终碰撞拼合时间为二叠纪末—三叠纪初期，且最终缝合带位于西拉木伦—长春—延吉一线. 华北板块北缘二叠纪末—三叠纪岩浆岩形成于后碰撞/后造山构造环境与这一认识相符合❶李东涛，等. 1∶250 000 阜新市幅区域地质调查报告. 2012..