遼寧撫順、清原太古宙shrimp鋯石u-pb年代學研究

遼寧福順和清原（遼北）是中國北方克拉通古宇坂的主要分布區(qū)之一。以往認為該區(qū)存在中太古代高級區(qū)和新太古代綠巖帶兩種不同地殼類型。中太古代高級區(qū)主體分布于渾河斷層以南,主要由TTG(tonalite-trondhjemite-granodiorite)片麻狀花崗質(zhì)巖石組成。高角閃巖相-麻粒巖相變質(zhì)表殼巖系以不同規(guī)模殘余體存在于花崗質(zhì)巖石中,稱為渾南群(沈保豐等,1994)。小萊河斜長角閃巖2.99Ga角閃石40Ar/39Ar年齡(王松山等,1987)和3.02±0.02Ga全巖Sm-Nd等時線年齡(李俊建等,2000)是遼北地區(qū)存在中太古代地質(zhì)體的主要依據(jù)。綠巖帶主要分布于渾河斷層以北,由TTG和表殼巖系組成。表殼巖系變質(zhì)程度主要為角閃巖相,稱為清原群(沈保豐等,1994)。但是,在線金廠等地也有麻粒巖和紫蘇花崗巖存在。斜長角閃巖Sm-Nd等時線年齡為2.84±0.05Ga,侵入清原群的TTG花崗質(zhì)巖石鋯石年齡多在2.50～2.55Ga范圍內(nèi)(李俊建等,2000)。近年來研究表明,華北克拉通在太古宙晚期存在強烈碰撞造山作用,不同古老陸塊相互碰撞拼合形成了初步統(tǒng)一的華北克拉通太古宙基底。但碰撞造山帶空間分布的具體厘定存在不同認識。一種認為,碰撞造山帶從遼北經(jīng)鞍山、冀東再向南到山東魯西(吉—遼—魯島弧帶,伍家善等,1998),另一種認為,碰撞造山帶從遼北經(jīng)鞍山、冀東再向西南到山西五臺和河南開封(中部造山帶,CentralOrogenicBelt;Kuskyetal.,2001;Lietal.,2002)。不論哪一種劃分方案,都認為遼北地區(qū)是華北克拉通太古宙晚期碰撞造山帶的重要組成部分。顯然,遼北地區(qū)太古宙同位素年代學研究不但對了解該區(qū)自身早期地殼演化具有重要意義,對確定華北克拉通太古宙晚期碰撞造山作用發(fā)生發(fā)展的時間序列也十分必要。本文對遼北地區(qū)太古宙表殼巖系和花崗質(zhì)巖石進行了SHRIMP鋯石U-Pb年代學研究。結(jié)果表明以往認為的中太古代地質(zhì)體,其形成時代主要為新太古代。該研究為華北克拉通太古宙晚期碰撞造山作用時代的確定提供了新資料。1區(qū)域構(gòu)造環(huán)境根據(jù)新的研究,圖1給出了遼北地區(qū)太古宙地質(zhì)簡圖。與以往主要不同之處是把原渾南群和清原群合并,統(tǒng)稱為清原群,時代為新太古代。渾河斷層不具備劃分太古宙不同時代基底的構(gòu)造意義,其南北兩側(cè)太古宙基底的形成時代、巖石組合、變質(zhì)變形可以對比。但是,與渾河斷層南側(cè)相比,其北側(cè)太古宙基底表殼巖系出露更多,角閃巖相變質(zhì)地體比例更大,有一定差異存在。小萊河、湯圖、通什、清原北部等地的表殼巖系較多出露。(透輝)斜長角閃巖、(透輝)角閃變粒巖、黑云變粒巖互層產(chǎn)出,在小萊河還有條帶狀磁鐵石英巖存在。變質(zhì)原巖為拉斑玄武巖、安山巖、英安巖及相應的火山碎屑沉積巖組合。變質(zhì)沉積巖系在紅透山等地較多出露,變質(zhì)地層主要由不同類型變粒巖組成,也有一定數(shù)量斜長角閃巖存在。遼北太古宙基底TTG花崗質(zhì)巖石廣泛分布,比例在80%以上。圖1示意性給出了不同類型TTG花崗質(zhì)巖石的空間分布,總體上具穹窿構(gòu)造產(chǎn)出特征(沈保豐等,1994)。紫蘇花崗巖主要分布在撫順唐力和清原線金廠一帶,與麻粒巖共生。2次離子流o-2數(shù)據(jù)處理鋯石年齡測定在北京離子探針中心SHRIMPII上完成。分析流程與Compston等(1984)所述類似,請參見宋彪等(2002)的文章。一次離子流O-2強度為9nA。標準樣為SL13和TEM。標準樣和待測樣之比為1∶3～1∶4。每個年齡數(shù)據(jù)為5組掃描。用204Pb作年齡校正。數(shù)據(jù)處理采用SQUID1.03d和ISOPLOT程序。表1和圖2中所給出單個數(shù)據(jù)的誤差為1σ。圖3和文中年齡平均值誤差為2σ(95%置信度)。3鋯資源和測定結(jié)果3.1鋯石bse樣品采自撫順小萊河鐵礦區(qū)。角閃變粒巖與斜長角閃巖、BIF互層產(chǎn)出,斜長角閃巖占有更大比例。角閃變粒巖主要礦物為角閃石、斜長石。角閃石大部分呈黃褐色,少量形成較晚的角閃石呈綠色。鋯石呈等軸狀或近等軸狀,細粒(圖2a),部分鋯石表面有壓痕存在。鋯石背散射(BSE)圖像無明顯內(nèi)部結(jié)構(gòu),部分鋯石邊部存在增生現(xiàn)象(圖2b)。12顆鋯石13個數(shù)據(jù)點分析,U、Th含量和Th/U值變化很大,分別為52×10-6～1358×10-6,8×10-6～232×10-6和0.01～2.19(表1)。一些鋯石結(jié)構(gòu)上較難區(qū)分是巖漿或變質(zhì)成因,但一些數(shù)據(jù)點Th/U值小于0.1,有可能為變質(zhì)成因。盡管鋯石U、Th含量及Th/U值變化很大,但年齡卻十分一致。除去偏離的9.1外,其余12個數(shù)據(jù)點集中分布在諧合線上或其附近(圖3a),207Pb/206Pb年齡平均值為2515±6Ma。巖漿鋯石和變質(zhì)鋯石年齡十分相近,表明變質(zhì)作用在表殼巖系形成后馬上就發(fā)生了。3.2鋯石u、th/u值樣品采自撫順湯圖。角閃變粒巖與斜長角閃巖互層產(chǎn)出,主要組成礦物為角閃石、斜長石和少量透輝石、石英。鋯石形態(tài)特征與樣品LQ0107的類似。陰極發(fā)光(CL)圖像中鋯石內(nèi)部結(jié)構(gòu)不明顯,也有增生邊存在(圖2c)。8顆鋯石9個數(shù)據(jù)點分析,U、Th含量和Th/U值分別為63×10-6～156×10-6,14×10-6～71×10-6和0.20～0.52(表1)。除5.1明顯反向外,其余8個數(shù)據(jù)點集中分布在諧合線上(圖3b),給出207Pb/206Pb平均年齡2510±7Ma,為火山作用和相應表殼巖系形成的年齡記錄。3.3鋯石u值/年齡樣品采自清原北部清原群主體出露區(qū),角閃變粒巖和斜長角閃巖互層產(chǎn)出。主要礦物為角閃石和斜長石。鋯石粒度細小,近等軸狀,背散射圖像無明顯內(nèi)部結(jié)構(gòu)(圖2d)。14個數(shù)據(jù)點分析,U、Th含量和Th/U值分別為1113×10-6～2204×10-6,57×10-6～350×10-6和0.03～0.29。除數(shù)據(jù)點1.1的Th/U值為0.29外,其余數(shù)據(jù)點Th/U值都小于0.1(表1)。部分鋯石存在一定程度鉛丟失(圖3c)。選擇鉛丟失較弱的12個數(shù)據(jù)點,207Pb/206Pb年齡平均值為2479±5Ma。由于鋯石具變質(zhì)鋯石的形態(tài)和組成特征,該年齡為角閃變粒巖的變質(zhì)年齡,而不反映角閃變粒巖變質(zhì)原巖所代表的火山作用和表殼巖系形成時代。數(shù)據(jù)點1.1的Th/U值為0.29,207Pb/206Pb年齡為2.49Ga,可能部分繼承了原巖漿鋯石的特點。3.4鋯石u、th-pb年齡樣品采自撫順上馬鄉(xiāng)。巖石遭受深熔作用強烈影響,呈條帶狀、條痕狀,具混合巖外貌特征。這類花崗質(zhì)巖石在區(qū)域上廣泛分布,主要由斜長石、石英、鉀長石、黑云母組成。鋯石粒度較大,晶棱晶面清楚,具巖漿鋯石形態(tài)特征(圖2e)。CL圖像中,鋯石內(nèi)部常見內(nèi)核,形態(tài)規(guī)則或不規(guī)則,部分具巖漿環(huán)帶(圖2f)。9個內(nèi)核鋯石數(shù)據(jù)點U、Th含量和Th/U值分別為63×10-6～692×10-6,21×10-6～2265×10-6和0.27～3.40(表1)。部分鋯石存在不同程度鉛丟失(圖3d),9個數(shù)據(jù)點207Pb/206Pb年齡平均值為2530±22Ma。如選擇靠近諧合線上交點的6個數(shù)據(jù)點(1.1,2.1,3.1,4.1c,8.1,9.1),207Pb/206Pb年齡平均值為2528±27Ma,與前者無明顯區(qū)別。鋯石外帶則為CL無結(jié)構(gòu)的暗色邊,有的整粒鋯石都呈暗色。5個數(shù)據(jù)點(1.1,2.2,7.2,8.2,9.2)分析,U、Th含量和Th/U值分別為370×10-6～1647×10-6,38×10-6～184×10-6和0.03～0.27(表1),存在不同程度鉛丟失(圖3d)。207Pb/206Pb年齡平均值為2477±13Ma。3.5數(shù)據(jù)點u值樣品采自小萊河東。巖石具片麻狀,主要由斜長石、石英、鉀長石、黑云母組成。鋯石形態(tài)和CL結(jié)構(gòu)(圖2g、h)與樣品LF0106相似,但粒度細小一些。內(nèi)核鋯石和外帶鋯石數(shù)據(jù)點分布與樣品LF0106也相似。內(nèi)核鋯石11個數(shù)據(jù)點分析,U、Th含量和Th/U值分別為107×10-6～2110×10-6,51×10-6～2091×10-6和0.24～1.12(表1)。部分數(shù)據(jù)點存在不同程度鉛丟失(圖3e)。以6個靠近上交點的數(shù)據(jù)點(3.1,5.1,6.1,9.1,10.2,12.1)作207Pb/206Pb年齡平均值計算,為2556±18Ma(圖3e)。外帶鋯石9個數(shù)據(jù)點分析,U、Th含量和Th/U值分別為217×10-6～1023×10-6,33×10-6～126×10-6和0.03～0.30(表1),結(jié)構(gòu)和組成與內(nèi)核鋯石有明顯區(qū)別。它們也存在不同程度鉛丟失(圖3f)。除去數(shù)據(jù)點10.1,其余8個數(shù)據(jù)點(1.1,2.1,3.2,4.2,7.1,8.1,11.2,13.1)的207Pb/206Pb年齡平均值為2469±19Ma,擬合的上交點年齡為2519±48Ma(圖3f)。4深熔作用成巖年齡首先對兩個(深熔)片麻狀TTG花崗質(zhì)巖石(LF0106和LQ0110)鋯石年齡作一討論。兩者鋯石都具巖漿鋯石的形態(tài)特征,但CL圖像普遍可見殘余內(nèi)核存在,其占整粒鋯石的比例變化較大。部分具清楚巖漿環(huán)帶,Th/U值具巖漿鋯石組成特征,為巖漿成因。LF0106和LQ0110內(nèi)核鋯石年齡分別為2.53Ga和2.56Ga。外帶鋯石在CL圖像中呈暗色,U含量高,大部分數(shù)據(jù)點Th/U值低于0.1。LF0106外帶鋯石207Pb/206Pb年齡平均值為2.48Ga,大致代表其形成年齡。LQ0110外帶鋯石207Pb/206Pb年齡平均值為2.47Ga,擬合直線上交點年齡為2.52Ga,存在很大區(qū)別,前者可能更接近于外帶鋯石形成年齡。關(guān)于內(nèi)核鋯石和外帶鋯石年齡的地質(zhì)意義,存在兩種可能解釋:①巖體形成后發(fā)生了相當于巖漿期后自交代的熱液作用,外帶鋯石受到熱液作用改造。內(nèi)核鋯石和外帶鋯石年齡分別為巖體形成和自交代作用時代。②內(nèi)核鋯石為殘余鋯石,其年齡代表深熔母巖的形成時代,而外帶鋯石形成于深熔作用,其年齡代表了深熔作用的時代。第二種解釋更為可能。巖漿期后自交代作用雖可解釋鋯石具巖漿鋯石外部形態(tài)和外帶鋯石Th/U值明顯降低的現(xiàn)象,但較難解釋內(nèi)核和外帶鋯石年齡差異較大的現(xiàn)象。而深熔成因可解釋鋯石的巖漿形態(tài),與部分外帶鋯石具低的Th/U值也不矛盾。深熔成因鋯石具變化較大但通常較低的Th/U值,部分可明顯小于0.1。這一現(xiàn)象在其他地區(qū)也可見到(Zecketal.,1999;Keayetal.,2001)。深熔作用和高級變質(zhì)作用為同一作用過程的不同方面,物理化學及其他條件類似,是其基本的原因。支持第二種解釋更為重要的理由是巖石的野外產(chǎn)狀。巖體未顯示出強揮發(fā)份存在的組成和結(jié)構(gòu)特征。深熔片麻狀TTG花崗巖(LF0106)呈條帶狀,有較多新生淺色體存在,具混合巖外貌特征,深熔作用疊加影響明顯存在,但在較大尺度上又顯示出較強的均勻性。巖石具TTG花崗巖組成特征,輕重稀土強烈分離[(La/Yb)N=166.0]。高鉀(K2O=4.09%)可能與深熔作用過程中的鉀的帶入有關(guān)。該巖石為遭受強烈深熔作用改造的TTG花崗巖,內(nèi)核殘余鋯石2.53Ga為TTG花崗巖形成年齡,外帶新生鋯石2.48Ga為TTG花崗巖遭受深熔作用的年齡記錄。樣品LQ0110呈片麻狀,組成均勻,深熔淺色體不發(fā)育。巖石具TTG花崗巖組成特征,但輕重稀土分離程度相對較弱[(La/Yb)N=25.8]。內(nèi)部殘余鋯石粒度比深熔片麻狀TTG花崗巖(LF0106)的要小1倍左右。它們可能為變質(zhì)火山巖類(角閃變粒巖)深熔作用產(chǎn)物,內(nèi)核殘余鋯石2.57Ga為火山作用及表殼巖系形成時代,外帶新生鋯石2.47Ga為熔融母巖變粒巖發(fā)生深熔形成TTG花崗巖的年齡記錄。樣品LF0106和LQ0110輕重稀土分離程度不同,反映了它們?nèi)廴谀笌r的不同。遼北撫順—清原地區(qū)角閃變粒巖LQ0107和LF0107巖漿鋯石年齡分別為2.52Ga和2.51Ga,TTG花崗巖LQ0110中殘余鋯石(可能為早期火山巖鋯石)年齡為2.56Ga,給出了火山作用及相應表殼巖系形成時代為2.51～2.56Ga。在小萊河鐵礦區(qū),王松山等(1987)獲得斜長角閃巖的角閃石40Ar/39Ar坪年齡為2.99Ga,李俊建等(1995)獲得斜長角閃巖全巖Sm-Nd等時線年齡為3.02±0.02Ga。這是遼北地區(qū)存在中太古代穹窿最重要的年齡依據(jù)。筆者在小萊河鐵礦區(qū)獲得與斜長角閃巖互層的角閃變粒巖(LQ0107)變質(zhì)原巖形成年齡為2.52Ga,在原認為屬中太古代的湯圖地區(qū)表殼巖系角閃變粒巖(LF0107)也獲得類似年齡,與前人用其他方法獲得的年齡明顯不同。從現(xiàn)有資料看,小萊河表殼巖系很可能形成于新太古代,而不是中太古代。遼北地區(qū)太古宙基底主體形成于新太古代,不存在大范圍分布的中太古代穹窿。然而,該區(qū)地質(zhì)情況十分復雜,本次研究僅獲得兩個地點表殼巖系鋯石U-Pb年齡。該區(qū)存在新太古代以前地質(zhì)體的可能性不能完全排除。侵入清原群的TTG花崗質(zhì)巖石鋯石年齡多數(shù)在2.50～2.55Ga范圍內(nèi)(李俊建等,2000)。深熔TTG片麻狀花崗巖(LF0106)的殘余鋯石年齡為2.53Ga,但誤差較大(0.02Ga),大致代表了TTG花崗巖形成時代。與表殼巖系形成時代近于一致,表明TTG花崗質(zhì)巖漿作用在表殼巖系形成過程中或稍后就發(fā)生了。小萊河鐵礦區(qū)角閃變粒巖(LQ0107)變質(zhì)年齡為2.52Ga左右,與表殼巖系形成時代十分相近。而遭受強烈變質(zhì)變形改造的清原北部角閃變粒巖(LQ0104)的變質(zhì)年齡為2.48Ga,變粒巖和TTG花崗巖深熔時代也為2.48Ga(LF0106和LQ0110)。太古宙晚期遼北地區(qū)無疑發(fā)生了一次十分強烈的構(gòu)造熱事件。遼北新太古代表殼巖系主要由斜長角閃巖、角閃變粒巖和黑云變粒巖組成,另有少量片麻巖、片巖存在。變質(zhì)原巖以玄武質(zhì)、安山質(zhì)、英安質(zhì)等火山(沉積)巖為主,加上少量超基性巖和成熟度不高的陸源碎屑沉積巖。其巖石組合和地球化學組成特征與島弧系統(tǒng)類似。TTG花崗質(zhì)巖石形成也與洋殼俯沖有關(guān)。表殼巖系和TTG花崗質(zhì)巖石形成于島弧環(huán)境,共同構(gòu)成了島弧系統(tǒng)不同組成部分(萬渝生等,2005)。島弧火山巖系形成和TTG花崗巖侵位之后,發(fā)生強烈變質(zhì)變形。不僅表殼巖系被強烈改造,部分巖石遭受麻粒巖相變質(zhì),發(fā)生深熔,紫蘇花崗巖形成,還有包括二長花崗巖、鉀長花崗巖在內(nèi)的陸殼花崗質(zhì)巖石形成(伍家善等,1998)。所有這些都表明陸殼增厚作用的存在,顯示出弧陸碰撞的構(gòu)造特征。遼北新太古代表殼巖系、TTG花崗質(zhì)巖石及相關(guān)巖石構(gòu)成了一典型的弧陸碰撞增生型造山帶。關(guān)于該帶的空間分布,現(xiàn)有較大把握確定它們從遼寧撫順—清原地區(qū)向南西經(jīng)鞍山、大石橋、建平延伸到了河北冀東地區(qū)(圖4)。在撫順—清原地區(qū),表殼巖系變質(zhì)火山巖形成時代、TTG花崗質(zhì)巖石形成時代和變質(zhì)變形時代為2.56～2.47Ga。在鞍山地區(qū),表殼巖系變質(zhì)火山巖、不同類型花崗質(zhì)巖石形成時代為2.55～2.5Ga。喬廣生等(1990)獲得的斜長角閃巖全巖Sm-Nd等時線年齡為2.72～2.73Ga,該值可能偏大,而弓長嶺黑云變粒巖2.55Ga鋯石SHRIMPU-Pb年齡(萬渝生,1993)才為火山作用和鞍山群表殼巖系的形成時代。在大石橋地區(qū),表殼巖系形成、不同類型花崗質(zhì)巖石侵入和變質(zhì)變形時代為2.52～2.45Ga(萬渝生等)1。在冀東地區(qū),表殼巖系形成、不同類型花崗質(zhì)巖石侵入和變質(zhì)變形時代為2.53～2.46Ga(Liuetal.,1991;齊鴻烈等,1999;萬渝生等1),由表殼巖系Sm-Nd模式年齡確定的雙山子綠巖帶形成年齡2.65～2.75Ga(齊鴻烈等,1999)可能偏大。Kroner等(1998)對遼西建平地區(qū)研究表明,建平巖群表殼巖系形成時代為2.52～2.55Ga,不同類型花崗質(zhì)巖石侵入時代為2.52～2.50Ga,變質(zhì)變形時代為2.48～2.49Ga,構(gòu)造后花崗巖形成年齡為2.47Ga。地殼演化發(fā)展歷史與遼北地區(qū)十分類似?？砂言搸ХQ之為吉(吉林)—遼(遼寧)—冀(河北)(弧陸碰撞增生型)造山帶。它有如下特征。(1)造山帶從遼寧撫順—清原(或更為北東的地區(qū))向南西經(jīng)鞍山、大石橋、建平等地到冀東。空間分布大致與吉—遼—魯碰撞帶(伍家善等,1998)的北部和中央造山帶(Lietal,2002)的西北部相當(圖4)?？臻g形態(tài)的不協(xié)調(diào)性與后期作用,特別是古元古代呂梁運動的強烈改造有關(guān)。(2)表殼巖系巖石組合以斜長角閃巖、黑云變粒巖、角閃變粒巖為主,變質(zhì)原巖為拉斑玄武質(zhì)、安山質(zhì)和英安質(zhì)的火山(沉積)巖,具有島弧系統(tǒng)火山巖系的巖石組合和地球化學組成特征。也有變陸源碎屑沉積巖存在,表明陸殼基底存在或與之相鄰