遼寧昌圖地區下二臺群盤嶺組火山巖年代學及地球化學特征

韓作振，郭志平，高麗華，宋志剛，韓 梅，劉固耀，鐘文健，李晶晶,閆俊磊

(1.山東科技大學 山東省沉積成礦作用與沉積礦產重點實驗室，山東 青島 266590；2.山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590;3.銅陵有色股份天馬山黃金礦業有限公司，安微 銅陵 244000)

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遼寧昌圖地區下二臺群盤嶺組火山巖年代學及地球化學特征

韓作振1,2，郭志平1,2，高麗華1,2，宋志剛1,2，韓 梅1,2，劉固耀3，鐘文健1,2，李晶晶1,2,閆俊磊1,2

(1.山東科技大學 山東省沉積成礦作用與沉積礦產重點實驗室，山東 青島 266590；2.山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590;3.銅陵有色股份天馬山黃金礦業有限公司，安微 銅陵 244000)

本文對昌圖地區下二臺群盤嶺組變質火山巖進行了年代學和地球化學分析。盤嶺組角閃變粒巖中鋯石陰極發光圖像顯示，鋯石呈半自形晶-自形晶，發育晶棱和清晰的巖漿振蕩環帶，且具有較高的Th/U比值(0.31～2.5)，表明其為巖漿成因。LA-ICP-MS U-Pb定年結果顯示，27個測點的206Pb/238U加權平均年齡348±4.4 Ma，代表了角閃變粒巖原巖的形成時代。角閃變粒巖SiO2含量為54.01%，全鐵(TFe2O3)含量為15.04%，Mg#值為33.29，屬于亞堿性拉斑玄武巖系列。巖石地球化學分析表明，角閃變粒巖相對富集輕稀土元素和大離子親石元素，虧損重稀土元素和高場強元素，具有活動大陸邊緣火山巖的特征。通過Hf/3-Th-Nb/16、Hf/3-Th-Ta等圖解投點分析，結合區域構造演化歷史，認為角閃變粒巖原巖形成于活動大陸邊緣。因此，推斷華北板塊北緣東段早石炭世為活動大陸邊緣，并受到古亞洲洋板塊的俯沖作用。

盤嶺組；角閃變粒巖；U-Pb鋯石定年；活動大陸邊緣；古亞洲洋

昌圖地區位于遼寧省北部，大地構造位置位于華北板塊北緣東段(圖1(a))。華北板塊北緣東段是古亞洲洋南支洋閉合后，華北板塊與東北聯合地塊碰撞形成的增生型造山帶。對于華北板塊和東北聯合地塊的碰撞時間、地點及方式，仍存在較大分歧[1-3]。關于古亞洲洋南支洋的沉積和構造演化主要有以下兩種觀點：①晚奧陶世—志留紀或中志留世末期—晚志留世早期，華北板塊與西伯利亞板塊對接，后期演化為泥盆紀和石炭紀裂陷槽[4]；②早古生代志留紀—早石炭世可能屬于被動大陸邊緣[5]，中石炭世—中二疊世轉化為安第斯型活動大陸邊緣[6]，晚二疊世—早三疊世古亞洲洋南支洋沿西拉木倫河—長春—延吉縫合帶閉合[7-9]。對于華北板塊北緣的構造屬性仍存在活動大陸邊緣和被動大陸邊緣兩種認識。

華北板塊北緣東段的古生代地層殘缺不全，野外露頭較少，巖石遭受了強烈的變質和變形作用，同時也缺乏精確的年代學和巖石地球化學研究[9]。前人對于昌圖地區的研究工作較少，部分學者對昌圖地區下二臺群進行了沉積建造、構造變形等方面研究，但對其形成時代仍有較大爭議。前人將下二臺群的形成時代多置于寒武—石炭紀[9-13]，但對其形成的構造背景存在不同認識。鑒于此，本文對遼寧昌圖下二臺鎮下二臺群盤嶺組變質火山巖進行了鋯石U-Pb年代學和巖石地球化學研究，分析盤嶺組變質火山巖原巖的形成時代及其形成時的構造環境，為探討晚古生代古亞洲洋南支洋的構造演化提供新的佐證。

1 地質背景與樣品描述

①西拉木倫河-長春-延吉縫合帶，②牡丹江縫合帶，③同江-月季山縫合帶，④蒙古-鄂霍茨克縫合帶，⑤德爾布干斷裂，⑥嫩江-開魯斷裂，⑦佳木斯-伊通斷裂，⑧敦化-密山斷裂

圖1 中國東北構造單元及昌圖盤嶺地區地質簡圖(圖(a)據周建波(2009)修改;圖(b)據遼寧省地質局區域地質測量隊1∶20萬四平幅地質圖修改)

Fig.1 Tectonic units of northeast China and geological map of Panling area, Changtu (Fig(a) modified from Zhou Jianbo,2009;Fig(b) modified from 1∶200 000 geological map of Siping roll by regional geological survey team of Liaoning geological bureau)

研究區位于遼寧省昌圖縣下二臺鎮盤嶺一帶(圖1(b))，大地構造位置屬于華北板塊北緣東段。遼寧區調隊1969—1971年進行1∶20萬區域地質調查時，將出露于下二臺鎮附近的一套變質巖系命名為下二臺群[11]，自下而上將其劃分為盤嶺組、黃頂子組和燒鍋屯組，時代置于奧陶—志留紀[13]。下二臺群盤嶺組以變質英安巖、二云石英片巖、石英綠簾石巖以及斜長角閃巖為主；黃頂子組以條紋狀大理巖、淺粒巖及黑云變粒巖為主，與盤嶺組整合接觸；燒鍋屯組下部以片巖為主夾變粒巖，中上部為變粒巖夾片巖、淺粒巖，與黃頂子組呈不整合接觸[13]。

盤嶺組巖石樣品采自下二臺鄉盤嶺鞍部，采樣巖層為厚層狀與薄層狀角閃變粒巖互層(圖2(a)，2(b))。結合野外觀察和顯微鏡下鑒定，將樣品定名為角閃變粒巖。角閃變粒巖顯示粒狀變晶結構，石英和長石含量65%～70%，呈粒狀變晶，變晶粒度0.05～0.15 mm不等；角閃石和黑云母含量25%～30%，呈柱粒狀、粒狀變晶，變晶粒度0.1～0.5 mm不等，其中黑云母呈片狀不均勻分布于巖石中；巖石中見2%～3%(占薄片表面積含量)不透明礦物呈稀疏浸染狀及脈狀分布，副礦物有榍石和磷灰石等(圖2(c),2(d))。

圖2 研究區野外照片和鏡下照片

Fig.2 Outcrops and microphotographs of research area

2 分析結果

樣品鋯石挑選工作在河北省廊坊市區域地質礦產調查研究所完成。樣品的鋯石制靶、陰極發光圖像(CL圖像)采集、鋯石LA-ICPMS U-Pb定年以及樣品主微量元素分析均在西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成，實驗過程詳見文獻[14-15]。

2.1 鋯石U-Pb年齡

盤嶺組角閃變粒巖部分鋯石陰極(CL)發光圖像見圖3，U-Pb年齡諧和圖見圖4。下二臺群盤嶺組角閃變粒巖的鋯石CL圖像顯示，鋯石呈半自形-自形晶，內部結構清晰，可見典型的巖漿震蕩環帶，晶棱發育。其Th/U比值0.31～2.5(表1)，顯示巖漿鋯石成因。位于諧和線上及其附近的27個測點的206Pb/238U年齡集中在329±5～372±5 Ma，206Pb/238U加權平均年齡為348±4.4 Ma(MSWD=4.0，n=27)，說明盤嶺組角閃變粒巖原巖的形成時代為早石炭世(圖4)。

圖3 盤嶺組角閃變粒巖鋯石的陰極發光圖像

Fig.3 CL images of selected zircons of the amphibolite leptite of Panling area

2.2 主微量元素

下二臺群盤嶺組角閃變粒巖主微量元素含量分析結果見表1。

由于樣品遭受了較強的變質作用，因此應先對樣品進行原巖恢復。在A-K圖解中(圖5)，角閃變粒巖落在火成巖區域內，結合樣品中鋯石的形態、高的Th/U值以及副礦物中榍石和磷灰石的存在，表明其原巖為火山巖。

表1 盤嶺組角閃變粒巖主量元素(%)和微量元素(μg/g)

Tab.2 Major(%) and trace element(ppm)data of the amphibolite leptite of Panling area

SiO2TiO2Al2O3FeOFe2O3TFe2O3MnOMgOCaONa2OK2OP2O5LOITOTAL54.011.9114.585.239.2315.040.293.797.993.980.550.640.54102.74CrNiScCoVCuZnGaBaRbThUNbTa13.189.7137.6632.36254.3020.20157.4013.12125.807.332.740.766.640.50SrZrHfYPbLaCePrNdSmEuGdTbDy412.0031.801.8061.6916.9819.6044.116.1127.787.142.026.491.4510.27HoErTmYbLuΣREEΣLREEΣHREE(La/Yb)NδEuδCeA/CNKA/NK2.146.331.016.190.94141.58106.7634.822.130.890.961.1643.21

圖4 盤嶺組角閃變粒巖鋯石LA-ICP-MS U-Pb年齡諧和圖

Fig.4 Concordia diagram showing LA-ICP-MS zircon U-Pb dating date of the amphibolite leptite of Panling area

圖5 盤嶺組角閃變粒巖A-K圖解(據周世泰，1981)

Fig.5 A-K diagram of the amphibolite leptite of Panling area(modified from Zhou Shitai,1981)

圖6 盤嶺組火山巖分類圖解

Fig.6 Volcanic categories graphic of Panling area

主量元素特征：盤嶺組角閃變粒巖SiO2含量54.01%，Al2O3含量較高14.58%，鋁飽和指數A/CNK為0.67，TiO2含量1.91%，Mg#值為33.29(Mg#=100Mg/(Mg+Fe2+tot)，全鐵(TFe2O3)含量為15.04%。該樣品具有富鈉(Na2O=3.98%)低鉀(K2O=0.55%)特點，Na2O/K2O值為7.24，在TAS圖解中樣品落在玄武安山巖區域內(圖6(a))；在SiO2-K2O變異圖中，該巖石顯示低鉀(拉斑)系列(圖6(b))；在Zr/TiO2×0.000 1 vs Nb/Y圖解中樣品落入亞堿性玄武巖區域內(圖6(c))；在AFM圖解中樣品落在拉斑玄武巖系列(圖6(d))。上述圖解表明，研究區變質火山巖屬于亞堿性系列，其原巖應為玄武巖。

微量元素特征：樣品的稀土元素球粒隕石標準化圖解顯示(圖7(a))，盤嶺組角閃變粒巖具有右傾形稀土元素配分型式，稀土元素總量(∑REE)141.58 μg/g，輕稀土元素(LREEs)總量106.76 μg/g，重稀土元素(HREEs)總量34.82 μg/g，LREE/HREE比值3.07，(La/Yb)N比值2.13，顯示輕重稀土元素分餾明顯，富集LREEs、虧損HREEs，同時顯示微弱的Eu負異常(δEu=0.89)。在原始地幔標準化微量元素蛛網圖中(圖7(b))，角閃變粒巖相對富集大離子親石元素(LILEs，Rb、Ba、Th、U、K等)，虧損高場強元素(HFSEs，Nb、Ta、P等)，微量元素所表現出的總體特點與華北板塊北緣中段溫都爾廟-集寧一帶石炭紀火成巖類似[17](圖7(a),7(b)陰影區域)。

圖7 盤嶺組角閃變粒巖微量元素圖解(圖(a)標準化值據Boynton,1984；圖(b)標準化值據Sun and Mc Donough,1989；圖中陰影區據王挽瓊,2014)

Fig.7 Trace element diagram of the amphibolite leptite from Panling formatien (Fig(a) Normalized value modified from Boynton,1984;Fig(b) Normalized value modified from Sun and Mc Donough,1989; Shaded area modified from Wang Wanqiong,2014)

3 討論

3.1 下二臺群盤嶺組角閃變粒巖原巖形成時代

研究區構造、巖漿活動的復雜性使該區地層時代的確認和劃分具有很大爭議。遼寧第一區調隊于1969—1970年建立了下二臺群，自下而上將其劃分為盤嶺組、黃頂子組、燒鍋屯組和王相屯組，時代定為奧陶—志留紀?！都质^域地層表》[11]根據原建組單位建議，取消王相屯組，而時代保持不變。1975年，鐵嶺地質隊將下二臺群定為石炭紀，自上而下分為天橋山組、小泉頭組和盤嶺組。王東方[18]采集了下二臺群盤嶺組火山巖，經Rb-Sr測定年齡為456±36 Ma，其時代為寒武—奧陶紀。馮佐峰等[11]認為燒鍋屯組建組剖面多為花崗質糜棱巖，應予取消；下二臺群保留下部盤嶺組，上部為黃頂子組，時代為奧陶紀。賈大成[10]建議下二臺群的王相屯組、黃頂子組、盤嶺組應分別與吉林下古生界(呼蘭群)的桃山組、石縫組、黃鶯屯組對比，時代屬于寒武—志留紀。唐克東等[11]恢復原四組劃分意見，并根據黃頂子組石英鈉長斑巖Rb-Sr等時線年齡456±36 Ma，將其時代定為晚奧陶世，王相屯組則可能屬于早志留世。前人受技術手段所限，缺乏系統精確的年代學研究方法，對下二臺群的形成時代未能達成共識。因此，本文利用鋯石LA-ICP-MS U-Pb定年對下二臺群的形成時代進行限定。

鋯石的CL圖像和Th/U比值(0.31～2.5)均顯示巖石樣品具有巖漿成因特征。定年結果顯示，盤嶺組角閃變粒巖原巖的形成時代為晚古生代石炭紀早期(348.8±4.4 Ma)。

3.2 構造環境

在巖漿演化過程中，Th、Hf、Ta、Nb等元素不易受到后期地質作用的干擾，因此可以利用它們分析火山巖形成的大地構造背景。盤嶺組角閃變粒巖富集大離子親石元素(Rb、U、Th等)及LREE，虧損高場強元素Nb、Ta、Ti等，具有活動大陸邊緣火山巖特征[19-20]。在Hf/3-Th-Nb/16和Hf/3-Th-Ta圖解中(圖8)，樣品均落在鈣堿性玄武巖區內，反映角閃變粒巖形成于陸緣弧環境(活動大陸邊緣)[17]。在Th-Ta構造環境判別圖中(圖9)，樣品落入火山弧區域中，同樣顯示構造環境為活動大陸邊緣。

A、正常型洋脊玄武巖；B、富集型洋脊玄武巖和板內玄武巖；C、板內堿性玄武巖；D、島弧拉斑玄武巖；E、鈣堿性玄武巖。

圖8 構造環境判別圖(圖(a)據Wood,1980,圖(b)據Wood,1979)

Fig.8 Tectonic environment discrimination diagrams(Fig(a) from wood,1980;Fig(b) from wood,1979)

部分學者認為中泥盆世或晚泥盆世到早石炭世華北北緣不存在俯沖作用[21-22]，孟祥化等[23]、Cope等[24]通過對華北克拉通北部晚古生代-早中生代沉積巖中鋯石以及古氣候研究表明，華北克拉通北緣古生代期間為活動陸緣。馬旭等[25]通過對華北克拉通北緣的波羅諾巖體研究，認為該巖體的形成與古亞洲洋板片在古生代期間向華北克拉通之下的俯沖作用有關，暗示華北板塊北緣晚古生代期間為安第斯型活動大陸邊緣。王挽瓊[17]通過對華北板塊北緣中段早石炭世火成巖研究，認為該火成巖形成于大陸邊緣弧環境，古亞洲洋向華北板塊北緣俯沖。

圖9 Th-Ta構造環境判別圖

Fig.9 Th-Ta tectonic discrimination diagram

本文運用巖石地球化學圖解，并與前人研究成果進行對比分析，認為盤嶺組角閃變粒巖原巖形成的構造環境為活動大陸邊緣，結合其形成時代(348±4.4 Ma)，推斷研究區早石炭世的大地構造背景為活動大陸邊緣。

4 結論

1) 昌圖下二臺群盤嶺組角閃變粒巖原巖為玄武巖，LA-ICP-MS定年結果顯示原巖形成時代為石炭紀早期(348±4.4 Ma)，而非前人認為的寒武—志留紀。

2) 巖石地球化學特征研究表明，角閃變粒巖具有相對富集大離子親石元素(LILE)和輕稀土元素(LREE)，虧損Nb、Ta、P、Ti等高場強元素(HSFE)，以及弱的Eu異常的地球化學特征。

3) 盤嶺組角閃變粒巖的巖石地球化學特征研究表明,早石炭世華北板塊北緣為活動大陸邊緣，并受到古亞洲洋板塊的俯沖作用。

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(責任編輯：呂海亮)

Geochronology and Geochemistry Characteristics of Volcanic Rocks from Panling Formation of Xiaertai Group in Changtu Area,Liaoning Province

HAN Zuozhen1,2,GUO Zhiping1,2,GAO Lihua1,2,SONG Zhigang1,2,HAN Mei1,2,LIU Guyao3,ZHONG Wenjian1,2,LI Jingjing1,2,YAN Junlei1,2

(1.Key Laboratory of Depositional Mineralization & Sedimentary Mineral of Shandong Province,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China;2.College of Earth Science and Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China；3.Tongling Nonferrous Shares Tianmashan Gold Mining Co.Ltd,Tongling,Anhui 244000,China)

This paper analyzed the geochronology and geochemistry features of metavolcanic rocks from Panling formation of Xiaertai Group in Changtu area.The CL images of zircons from the Amphibolite leptite of Panling formation show that the zircons are magmatic zircons with euhedral-subhedral crystals,typical magma concussion growth zoning and crystal prism,and a high Th/U(0.31～2.5).LA-ICPMS U-Pb dating results indicate that the weighted average age of 27 measuring points of206Pb/238U is 348±4.4 Ma,which represents the forming age of the volcanic rocks.With 54.01% SiO2,15.04% TFe2O3and 33.29 Mg#,the amphibolite leptite belongs to Sub-alkali tholeiitic series.The lithogeochemical analysis shows that this sample has relatively enriched LILEs and LREEs and depleted HREEs and HSFEs,displaying characteristics of volcanic rocks of active continental margin.The figures of Hf/3-Th-Nb/16,Hf/3-Th-Ta,together with the history of regional tectonic evolution,shows that the formation environment of the amphibolite leptite should be active continental margin.It is concluded that the eastern section of the northern margin of the North China Plate was active continental margin in Early Carboniferous epoch and was subducted by the Paleo-Asian ocean plate.

Panling formation;amphibolite leptite;U-Pb zircon dating;active continental margin;the Paleo-Asian ocean

2016-01-19

國家自然科學基金項目(41372108);高等學校博士學科點專項科研基金項目(20133718130001)

韓作振(1965—),男,河南新鄉人,教授,博士生導師,主要從事沉積地層學方面的研究.E-mail:hanzz@163.com

P588.14

A

1672-3767(2016)05-0001-08