辽北西丰地区晚侏罗世营厂岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄及岩石地球化学特征

彭游博，刘文彬，赵军，姚玉健，刘锦，梁斯文

(1.辽宁省地质矿产调查院有限责任公司，沈阳 110031;2.吉林大学地球科学学院，长春 130061)

0 引言

辽北西丰地区处于华北陆块北缘，兴蒙造山带东段，中生代开始进入太平洋边缘活动带发展阶段，主要受太平洋板块向欧亚板块俯冲作用影响。国内外众多学者对该区三叠纪前的大地构造背景颇有争议，而对中生代后期岩浆构造运动研究资料较少[1-4]。研究区在燕山期构造作用下发生强烈的岩浆活动，主要分布有晚二叠世以来的各时期侵入岩，尤以侏罗纪岩浆活动最为强烈，发育了晚侏罗世火山沉积盆地，构造活动以印支期、燕山期为主。在1∶5万房木镇等4幅区域地质调查项目填图过程中①，新厘定出沙河断裂与寇河断裂之间的一条构造混杂岩带，即“清河构造混杂岩带”。清河构造混杂岩带内中生代以前地质体均呈构造岩片形式产出，既有华北陆块太古宙结晶基底及中元古代盖层，又有陆缘活动带火山岛弧与弧后盆地沉积物。上述地质体的分布受控于近平行的沙河断裂、清河断裂以及寇河断裂，被中生代侵入岩焊接在一起(图1)。本次研究，在详细的野外地质填图基础上，将重点研究营厂岩体的岩石特征、地球化学特征、锆石U-Pb年龄，以期探讨侵入岩的构造背景[5]及形成机制[6]。

图1 研究区地质略图(据文献[5]，修编)Fig.1 Geological sketch of the study area

1 地质背景

研究区位于华北陆块北缘东段西丰晚古生代岩浆弧上，地层主要为新太古界红透山岩组、中元古界树芽屯群石门岩组、晚元古界南平岩片、中二叠统照北山岩组、早三叠世尖山子火山岩和下白垩统德仁组。侵入岩划分为中太古代、新太古代、二叠纪、三叠纪、侏罗纪和白垩纪6个时期，其中以侏罗纪花岗岩为主。结合本区构造背景，可以总结出新太古代及之前该区为华北板块结晶基底形成阶段，发育深层次韧性变形；中元古代形成汎河裂陷槽；古生代总体处于隆起状态；古生代末—中生代初，研究区发生弧陆碰撞，形成近于平行的沙河断裂、清河断裂及寇河断裂，控制了岩浆火山活动的发生。侏罗纪以后该区属于太平洋构造域，以发育NW向、NE向、NNE向构造为主；第四纪以来，构造运动主要表现为差异性升降。从构造层次来讲，既发育有深层次韧性变形，也有中-浅层次韧脆性变形，构造样式复杂多样[7]。

研究区侏罗纪侵入岩主要有早侏罗世双岭岩体，中侏罗世八棵树岩体、大三家子岩体、李家台岩体、城子山岩体，晚侏罗世营厂岩体；岩性分别为中细粒二长花岗岩、中细粒辉长岩、细粒石英闪长岩、中细粒花岗闪长岩、似斑状细粒二长花岗岩、片麻状似斑状二长花岗岩。营厂岩体是本次研究的重点，采集同位素分析样品1件及配套的稀土、微量、主量元素样品3件，以开展相关测试分析工作。

2 岩石学特征

营厂岩体分布于西丰县和隆镇营厂一带，岩性为片麻状、似斑状二长花岗岩，岩体受构造控制，呈NW向展布，呈岩基状。岩石具较大长石斑晶(图2a、图2b)，大部分遭受糜棱岩化，岩石类型较为单一，包体发育，主要为闪长质。

图2 营厂岩体野外岩貌及显微照片Fig.2 Field outline and microscopic photo of the plutona、b.野外岩貌；c、d显微照片Pl.斜长石；Afs.碱性长石；Qz.石英

似斑状二长花岗岩：中细粒变余似斑状、变余半自形粒状结构，片麻状构造。黑云母叶片状，定向排列；主要矿物有斜长石、碱性长石、石英、黑云母，以及少量不透明矿物。斜长石为更-中长石，部分呈变余斑晶形式存在，粒径为1～4 mm，含量(体积分数)约为30%。碱性长石，半自形板状，颗粒边缘细粒化，粒径为1～3 mm，含量(体积分数)约为45%。石英，它形粒状，具定向拉长，粒径为0.1～2 mm，含量(体积分数)约为20%。黑云母，鳞片状，片径为0.2～0.5 mm，含量(体积分数)约为4%。其它为不透明矿物(图2c、图2d)。副矿物种类主要有锆石、磷灰石、榍石。

3 地球化学特征

本次工作采集营厂岩体样品3件，以开展稀土、微量、主(常)量元素的测试分析工作。岩石样品化学分析测试由国土资源部沈阳矿产资源监督检测中心完成。

(1)常量元素特征

表1为营厂岩体常量元素分析结果，图3为岩体的w(K2O)—w(SiO2)和A/NK—A/CNK图解。

表1 营厂岩体常量元素分析结果Table 1 Major element analysis of the pluton

营厂片麻状、似斑状二长花岗岩的里特曼指数σ平均值为2.15，属碱钙系列；铝质指数A/CNK平均值为1.28，属过铝型。在w(K2O)—w(SiO2)图解(图3a)中样品落于高钾钙碱性系列，在A/NK—A/CNK图解(图3b)中样品落入铝质区，综合来看该岩体属于过铝碱钙性系列岩石。与国内二长花岗岩相比，具有富硅、铝及贫镁、钾特点。该岩浆分异指数DI值为89.94，表明岩浆分异程度比较高。

图3 营厂岩体w(K2O)—w(SiO2)图解(a)和A/NK—A/CNK图解(b)(a.底图据文献[8]；b.底图据文献[9])Fig.3 w(K2O)—w(SiO2) (a) and A/NK—A/CNK (b) diagram of the pluton

(2)微量元素和稀土元素特征

表2为营厂岩体微量元素、稀土元素分析结果，图4为岩体的原始地幔标准化微量元素蛛网图和稀土元素球粒陨石标准化图。

从表2看出，营厂岩体的微量元素含量，除Rb、Sr、Ba、Th、Hf含量普遍略高于维氏值之外，其余元素含量均低于维氏值(图4a)，微量元素背景值低是该岩体的显著特点。其中，Cr、Ni、Co、V、Rb、Zr、Nb等元素低，反映出岩体为“S”型花岗岩的基本特征。w(Rb)/w(Sr)=0.38，高于地壳值；w(Nb)/w(Ta)=18.26，介于陆壳值和洋壳值之间，w(Ba)/w(Sr)=1.60，w(K)/w(Rb)=249.15，表明该岩体的岩浆来源可能为地壳[12]。

表2 营厂岩体微量、稀土元素分析结果Table 2 Trace element and REE analysis of the pluton

营厂岩体的稀土总量平均值w(ΣREE)=82.80×10-6，w(LREE)/w(HREE)=15.76，w(La)N/w(Yb)N=24.32，表明其轻稀土相对富集，重稀土相对亏损。w(La)N/w(Sm)N=3.42，w(Gd)N/w(Yb)N=3.45，说明其轻稀土、重稀土分馏相当。δEu=0.80，岩体铕轻微亏损，其成因与板块运动或者是下地壳及部分太古宙沉积岩熔融形成的；w(Sm)/w(Nd)=0.20，也显示出具有壳源性质。稀土配分曲线右倾(图4b)，为铕弱负异常的轻稀土富重稀土亏损集型。

图4 营厂岩体原始地幔标准化微量元素蛛网图(a)和稀土元素球粒陨石标准化图(b)(a.底图据文献[10]；b.底图据文献[11])Fig.4 Primitive mantle-normalized trace element spider diagram (a) and chondrite-normalized REE pattern of the pluton

4 LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测定

(1)样品采集处理及分析方法

本次工作采集营厂岩体同位素样品1件，用于LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测定。原样品(RZ27)为片麻状、似斑状中细粒二长花岗岩，采样位置见图1，其地理坐标为北纬42°25′04″、东经124°57′25″。

岩石的破碎和锆石单矿物的分选由河北省廊坊市区域地质调查研究所地质实验室完成，锆石样品靶制备和阴极发光图像的拍摄由南京宏创地质勘查技术服务有限公司完成，LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb同位素分析在北京燕都中实有限公司完成。

U-Th-Pb同位素测定中采用标准锆石GJ-1为外标，以此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。标准锆石GJ-1的U-Th-Pb 同位素比值推荐值据Wiedenbeck等[13]。锆石U-Pb谐和图绘制和权重平均计算均采用Isoplot/Ex_ver3[14]完成。

(2)锆石特征

锆石黄粉色，自形—半自形柱状、断柱状，晶体裂纹较发育，部分易碎，表面常见凹坑沟槽等溶蚀痕迹，有铁染，晶棱晶锥略显钝化，可见锥柱不对称歪晶。锆石弱金刚光泽，透明，常见黑色固相包体，长短轴比值1.3～3.5主、3.5～6.5少，锆石晶形由(100)、(110)、(111)、(131)、(311)组成。整体上，锆石颜色单一，晶群集中，改造程度相近为同源产物。

(3)阴极发光图像及数据分析

图5为营厂岩体锆石样品的阴极发光图像。从图5中可以看出，锆石均具有典型的核幔结构。本样品锆石的内核形态大部分规则，少数不规则，大都具较清晰的岩浆环带，为岩浆成因锆石。

图5 营厂岩体锆石CL图像、测点编号及207Pb/206Pb年龄图Fig.5 The CL image of zircon from the pluton with sampling point number and 207Pb/206Pb age-dating diagram

本次锆石U-Pb测年工作，测定的是锆石环带边部，而并没有选择锆石核部代表早期岩浆房中结晶的产物，或者代表早期岩浆锆石的残余，以免对分析结果造成影响。

14个锆石数据点中，w(U)=180.38×10-6～572.39×10-6，w(Th)=82.75×10-6～1114.81×10-6。14个点中除有1个点的w(Th)/w(U)值较低外(0.15)，其余测点的w(Th)/w(U)值均介于0.43～0.81之间，显示出岩浆锆石特点(表3)。14个测点的206Pb/238U年龄加权平均值为156.1 Ma±1.5 Ma(MSWD=0.3)，测点年龄数据均靠近谐和线或在谐和线附近很小范围内(图6)，应代表了营厂岩体的形成年龄。

图6 营厂岩体U-Pb谐和图Fig.6 U-Pb concordia diagram of the pluton

表3 RZ27锆石LA-ICP-MS U-Th-Pb同位素分析数据Table 3 LA-ICP-MS and U-Th-Pb analysis of zircon RZ27

5 讨论

5.1 成因类型

在1∶25万辽源幅区域地质调查成果中，营厂岩体被认为是造山的压性俯冲同碰撞的Ⅰ型花岗岩②。笔者在基于野外调查基础上，结合室内样品的观察和测试工作，认为营厂似斑状花岗岩(体)虽受韧性剪切作用，但其岩石化学特征显示具有富硅铝、贫钾镁特点，岩石组成矿物主要为斜长石(更-中长石)、碱性长石(条纹长石)、石英、黑云母，反映岩体为原生岩浆结晶形成。

营厂岩体中的微量元素Cr、Ni、Co、V、Rb、Zr、Nb等含量低，反映出其为“S”型花岗岩的基本特征；岩石属钾质钙碱性系列，铝过饱和类型(图3)，表明其岩浆来源可能为地壳。营厂岩体样品在w(K2O+Na2O)/w(CaO)—10000w(Ga)/w(Al)图解中，样品主要落于Ⅰ&S型区域内(图7a)；在FAM图解中，两个样品落于2区与4区边缘，两个落于2区与5区交界处(图7b)，属于“Ⅰ”型活动陆缘科迪勒拉型花岗岩和壳源同碰撞澳大利亚二云母堇青石“S”型花岗岩。岩体所体现出的“Ⅰ”型特征，可能是由于混入幔源物质造成的。综上，营厂岩体应属于“S”型花岗岩[17-18]。

图7 营厂岩体w(K2O+Na2O)/w(CaO)—10000w(Ga)/w(Al) (a)及FAM图解(b)(a底图据文献[15]；b底图据文献[16])Fig.7 The diagram of w(K2O+Na2O)/w(CaO)—10000w(Ga)/w(Al) (a) and FAM (b) of the pluton1.塞浦路斯、阿曼大洋碱性花岗岩(幔源)；2.Ⅰ型科迪勒拉花岗岩(活动陆缘)；3.Ⅰ型加里东花岗岩(碰撞隆起)；4.澳大利亚二云母堇青石S型花岗岩(壳源同碰撞)；5.澳大利亚东南褶皱带造山后A型花岗岩；6.尼日利亚非造山A型花岗岩

5.2 构造背景

前文已述及，注释②认为营厂岩体是造山的压性俯冲同碰撞的I型花岗岩。本次研究所采岩样微量稀土元素分析工作表明，在Rb-Y+Nb图解(图8a)、w(Ta)—w(Yb)图解(图8b)上，营厂岩体样品全部落于火山弧花岗岩区域。其表明形成的大地构造位置可能处在洋壳与陆壳过渡的火山岛弧区域，指示其形成于俯冲挤压下的大陆边缘弧环境。岩体后期的韧性变形与“清河构造混杂岩带”构造方向一致，说明其与清河断裂作用有关。

图8 营厂岩体w(Y+Nb)—w(Rb)和w(Yb)—w(Ta)图解(a、b底图据文献[19])Fig.8 w(Y+Nb)—w(Rb)—w(Ta) diagram of the pluton

研究区除营厂岩体外，尚有中侏罗世李家台岩体(中细粒花岗闪长岩)、城子山岩体(似斑状细粒二长花岗岩)。与李家台花岗闪长岩、城子山二长花岗特征相似[23-24]，营厂似斑状二长花岗岩也具有较高的SiO2、Al2O3、Sr含量，较低的MgO、Yb、Y含量，富集轻稀土元素，轻微的负Eu异常(δEu=0.8)，具有典型的埃达克岩的贫Yb、Y、K富Sr的特征(图9)。在w(Y)—w(Sr)/w(Y)图解(图9a)和w(Yb)N—w(La)N/w(Yb)N图解(图9b)上，样品落入埃达克岩的范围内；但营厂岩体较低的w(MgO)值(0.39%)，这一特征与拆沉下地壳部分熔融产生的埃达克岩具有较高的w(MgO)特征明显不同。研究区和邻区并未发现晚侏罗世的基性岩体，因此，营厂似斑状二长花岗岩(体)，并非来自同时期玄武质岩浆的分离结晶[25]。在w(SiO2)—w(MgO)图解(图9c)和w(SiO2)—Mg#图解(图9d)上，营厂岩体样品落入地壳部分熔融埃达克岩的范围内，表明其并非源自俯冲过程中洋壳的部分熔融的。综上所述，营厂似斑状二长花岗岩(体)最可能的成因机制为加厚下地壳的部分熔融作用。

图9 营厂岩体埃达克岩判别图解(a、b底图据文献[20]；c底图据文献[21]；d底图据文献[22])Fig.9 Discrimination diagram of adakite of the pluton

吴福元等对华北板块北缘东段的岩浆活动研究[2，26]表明，在侏罗纪期间古亚洲洋构造域的影响已经消失[26]，该时期华北板块北缘东段处于新的活动大陆边缘构造环境下，以挤压构造变形为主，并发生岩石圈增厚。因此，研究区侏罗纪(180 Ma—156 Ma)埃达克岩石形成环境与加厚下地壳与古太平洋板块俯冲下的活动大陆边缘构造运动有关。

6 结语

本次研究结果表明，营厂似斑状二长花岗岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为156.1 Ma±1.5 Ma，时代归属于晚侏罗世；似斑状二长花岗岩形成于活动大陆边缘碰撞造山演化过程中，属于“S”型大陆边缘弧花岗岩；营厂岩体具有典型的埃达克岩的岩石特征，最可能的成因机制为加厚下地壳的部分熔融。

致谢：中山大学地球科学与工程学院赵辰老师参与了本文部分工作。野外工作得到沈阳地质调查中心李东涛、辽宁省地质矿产调查院关玉波等领导、吉林大学刘正宏老师的指导；野外采样、论文编写中的数据处理工作，得到了辽宁省地质矿产调查院同事的协助；国土资源部沈阳矿产资源监督检测中心、南京宏创地质勘查技术服务有限公司，北京燕都中实公司实验测试人员在岩石样品地球化学、锆石测年数据测试中给予了帮助，作者在此致以诚挚感谢。

注释：

① 辽宁省地质矿产调查院. 房木镇幅、和隆幅、八棵树幅、大孤家幅1∶5万区域矿产地质调查报告[R]. 沈阳:辽宁省地质矿产调查院, 2016.

② 吉林省地质调查院. 1∶25万辽源幅区域地质调查报告[R]. 长春:吉林省地质调查院,2004．