遼西彰武地區(qū)早白堊世安山巖鋯石u-pb年代學(xué)研究

遼西彰武地區(qū)早白堊世安山巖鋯石u-pb年代學(xué)研究

中國(guó)北方克拉通巖圈的減少效應(yīng)已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1.16]。人們普遍認(rèn)為，減少稀釋過程主要發(fā)生在中生代和代。然而，關(guān)于減少稀釋效果的精確時(shí)間、機(jī)制和時(shí)空分布仍存在許多爭(zhēng)議[3、3、3、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16]。從地幔、地幔、花崗巖和火山巖的角度來看，對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了研究。首先，華北克拉通火山巖的時(shí)空范圍比地幔和下地殼包體都廣泛。例如，華北克拉通地幔和下地殼包體主要產(chǎn)于新生代火山巖。華北克拉通中生代地幔和下地殼包體嚴(yán)格意義上只暴露于遼寧省阜西市和山東省萊蕪、徐淮和信陽(yáng)地區(qū)。第二，火山巖呈現(xiàn)出豐富的成分變化，包括地幔元素。因此，該火山巖是研究華北克拉通巖脈進(jìn)化的重要通道。根據(jù)前人的地球化學(xué)調(diào)查，華北克拉通巖脈的巖漿巖從中生代到新生代隨著時(shí)間的推移而更新。因此，北科倫吉-中國(guó)北方克拉通巖脈的某些特征是，它的起源區(qū)存在于當(dāng)時(shí)的軟流圈中。除亞甲基化發(fā)育成分外，這些酸酐巖脈的性質(zhì)特征包括。徐淮地區(qū)的高脂質(zhì)山地巖石與繁榮湖巖脈相似，具有強(qiáng)烈的硅含量。此外，這些中酸性巖脈的性質(zhì)特征來自地殼，如擠壓地殼。在徐淮地區(qū)，除哈薩夫地區(qū)的晚侏羅世興溝群的高脂質(zhì)巖脈，如高脂質(zhì)流紋巖和中毛巖的包體。除gartan和nit組成的地殼形成的特征外，以及它們的高含量差異。其中，位于中國(guó)北方克拉通北部的早白堊世高脂質(zhì)安山巖被解釋為作為海洋地殼沖裂帶的特征。然而，從印度北部克拉通巖和脊柱巖的性質(zhì)火山巖來看，它們具有相同的地球化學(xué)特征，以及在地球化學(xué)成分中含糊狀巖和包體的特征。因此，它也是星光巖流紋巖和星光巖的結(jié)合體。相反，它具有類似于星龍溝群火山巖的特征。徐淮地區(qū)的高鎂閃長(zhǎng)巖呈現(xiàn)出與永興?；鹕綆r相似的地球化學(xué)特征，以及高。本文報(bào)道了對(duì)來自華北克拉通北緣遼西彰武地區(qū)早白堊世高鎂安山巖的研究,前人僅對(duì)該區(qū)火山巖進(jìn)行了初步研究,對(duì)該套火山巖的年代學(xué)和地球化學(xué)數(shù)據(jù)尚未見系統(tǒng)資料報(bào)道.1地質(zhì)、年代學(xué)和地球化學(xué)遼西是華北克拉通中新生代火山巖發(fā)育的代表性地區(qū)之一.陳義賢和陳文寄于上世紀(jì)90年代圍繞下遼河油田的開發(fā)對(duì)遼西中生代火山巖年代學(xué)開展了系統(tǒng)研究.近年來許多學(xué)者對(duì)遼西中生代火山巖開展了大量地質(zhì)、年代學(xué)和地球化學(xué)研究[6,8,30,37,38,41,42],發(fā)現(xiàn)大量高鎂火山巖.本文研究區(qū)位于遼西彰武地區(qū)(圖1),樣品采自距彰武縣北西約45km處的哈爾套鄉(xiāng).在1:20萬彰武幅地質(zhì)圖上,該套火山巖劃為義縣組,露頭出露情況較差,大多覆蓋.出露火山巖主要由玄武巖和安山巖組成.本文主要討論高鎂安山巖.該套高鎂安山巖具斑狀結(jié)構(gòu),斑晶為橄欖石和輝石,橄欖石大多已蝕變?yōu)橐炼∈?基質(zhì)為?；豢椊Y(jié)構(gòu),斜長(zhǎng)石微晶具半定向排列,在斜長(zhǎng)石間隙中充填有輝石微晶和隱晶質(zhì)(圖2).2礦物主量元素地球化學(xué)所采集的樣品首先經(jīng)薄片顯微鏡下鑒定,選擇其中最新鮮樣品用于地球化學(xué)分析.主量和微量元素分析在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行.用于主量和微量元素分析的樣品粗碎在剛玉顎板破碎機(jī)中進(jìn)行,然后在T1-100型碳化鎢缽體碎樣機(jī)(日本CMTCo.LTD)中最終碎至200目,因此樣品加工過程均在無污染設(shè)備中進(jìn)行.主量元素分析采用XRF(RIGAKU2100型)玻璃熔片法完成.微量元素采用ICP-MS(PerkinElmer公司具動(dòng)態(tài)反應(yīng)池的Elan6100DRC)法完成,樣品溶解采用1.5mLHNO3+1.5mLHF+0.02mLHClO4混合酸在Teflon高壓溶樣彈(bomb)中進(jìn)行.對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)BHVO-1(玄武巖)、BCR-2(玄武巖)和AGV-1(安山巖)的分析結(jié)果表明,主量元素分析精度和準(zhǔn)確度優(yōu)于5%,微量元素分析的精度和準(zhǔn)確度一般優(yōu)于10%.XRF和ICP-MS兩種方法對(duì)Rb,Sr,Ba,Y,Zr,Nb,Y的分析結(jié)果相差一般<10%.LA-ICP-MS鋯石U-Pb原位定年分析在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成,所使用的ICP-MS為Elan6100DRC,激光剝蝕系統(tǒng)為德國(guó)LamdaPhysik公司的GeoLas200M深紫外(DUV)193nmArF準(zhǔn)分子(excimer)激光剝蝕系統(tǒng).該剝蝕體系相對(duì)常規(guī)的266nm或213nmNd:YAG剝蝕系統(tǒng)具有明顯較小的元素分餾效應(yīng),這對(duì)于U-Pb鋯石定年至關(guān)重要.分析中采用的激光斑束直徑為30μm,以29Si作為內(nèi)標(biāo),哈佛大學(xué)標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500作為外標(biāo)校正.91500鋯石的同位素比值和年齡已被前人廣泛研究,是國(guó)際上常用的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鋯石之一.同位素比值數(shù)據(jù)處理采用GLITTER(4.0版)軟件和Yuan等的數(shù)據(jù)平滑方法進(jìn)行,年齡計(jì)算采用ISOPLOT(3.23版)軟件.Nd和Sr同位素位素比值在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室多接收器等離子體質(zhì)譜儀MC-ICPMS(NuPlasmaHR)上完成.整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程本底Sr為2~5×10-10g,Nd小于5×10-10g.Nd同位素標(biāo)樣LaJolla的測(cè)定值為143Nd/144Nd=0.511859±6(2σ,n=20),美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局Sr同位素國(guó)際標(biāo)樣NISTSRM987測(cè)定值為87Sr/86Sr=0.710250±12(2σ,n=15).Sr和Nd的同位素組成分別用86Sr/88Sr=0.1194和146Nd/144Nd=0.7219校正儀器的質(zhì)量分餾.87Rb/86Sr和143Sm/144Nd比值根據(jù)ICP-MS分析獲得的Rb,Sr,Sm和Nd含量計(jì)算獲得.礦物主量元素分析在北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室電子探針(JEOLSuperprobeJXA-8100)上完成,分析條件為加速電壓15kV;束流1×10-8A;束斑1μm;修正方法PRZ;標(biāo)準(zhǔn)樣品采用美國(guó)SPI公司53種礦物.3安山巖地球化學(xué)特征電子探針分析表明,彰武高鎂安山巖的未蝕變新鮮斑晶主要由單斜輝石和橄欖石組成,并含有鈦鉻鐵礦(Cr2O3=37.69~38.79).單斜輝石具核部高Fe(Mg#=76~79)、幔部高M(jìn)g(Mg#=83~85)的反環(huán)帶(表1).在背散射電子圖像上,核部顏色較淺呈淺灰色,幔部呈灰黑色(圖3).所分析的10個(gè)彰武地區(qū)火山巖樣品中除一個(gè)樣品為玄武巖(SiO2=50.23%)外,其余均為安山巖,SiO2含量為53%~59%(表2).這些安山巖均具高M(jìn)g(3.9%~6.1%,Mg#=50~64),Ni(27~197μg/g),Cr(51~478μg/g)特征,Mg含量明顯高于島弧英安巖、太古宙TTD和由實(shí)驗(yàn)獲得的基性巖石部分熔融產(chǎn)生的熔體(圖4).它們的稀土元素分配曲線為輕稀土富集型(LaN/YN=10~30),虧損重稀土元素(Yb<1.8μg/g)和(Y<20μg/g).僅一個(gè)樣品(YX-267)具有較高的Yb(2.04μg/g)和Y(24μg/g).它們基本無銪異常(Eu/Eu*=0.94~1.01)(圖5(a)).在微量元素蛛網(wǎng)圖上(圖5(b)),它們顯示出Nb-Ta負(fù)異常和Pb正異常的典型大陸地殼微量元素配分模式.此外,它們還具有高的Sr(671~1499μg/g)含量,高的Sr/Y比值(34~115).4件安山巖樣品的143Nd/144Nd比值為0.5118352～0.5122341,εNd(126Ma)=-6.36~-13.99;87Sr/86Sr比值為0.706342~0.706884,87Sr/86Sr(126Ma)>0.706(表2).4巖石學(xué)和年代學(xué)特征對(duì)安山巖樣品YX-270的鋯石采用LA-ICP-MS方法進(jìn)行了U-Pb定年.結(jié)果表明,有3組諧和的鋯石年齡(表3,圖6),其206Pb/238U年齡加權(quán)平均值分別是:第1組(253±5)Ma(2σ,MSWD=9.1,n=59),第2組(172±2)Ma(2σ,MSWD=2.2,n=42),第3組(126±2)Ma(2σ,MSWD=3.2,n=19).陰極發(fā)光圖像表明第1(圖7(a),(b))、2組(圖7(c),(d))鋯石均具典型的巖漿環(huán)帶,第3組(圖7(e),(f))陰極發(fā)光很弱且無環(huán)帶.3組鋯石均具典型巖漿鋯石的REE分配特征(如虧損LREE,正Ce異常)(圖7(g),(h),(i)),且Th/U均≥0.2(表4),因此這三組鋯石都是巖漿鋯石.其中第1組年齡與晚二疊至早三疊時(shí)古亞洲洋的閉合導(dǎo)致的蒙古板塊與華北板塊的碰撞造山運(yùn)動(dòng)時(shí)間一致,該期年齡在華北克拉通已有越來越多的年齡記錄.第2組年齡與華北克拉通大量分布的侏羅紀(jì)花崗巖和玄武巖漿底侵事件年齡一致[49~52].第3組最年輕的年齡126Ma應(yīng)代表火山巖噴發(fā)年齡.5彰武高鎂安山巖巖漿混合產(chǎn)物彰武高鎂安山巖與興隆溝組火山巖表現(xiàn)出相似的的地球化學(xué)特征,它們均具高M(jìn)g,高Cr-Ni,高Sr,低Y和高Sr/Y比值的特征.礦物學(xué)上它們具輝石反環(huán)帶.這些地球化學(xué)特征與高鎂安山巖和榴輝巖熔體與橄欖巖反應(yīng)后的產(chǎn)物一致[53~55].高鎂安山巖的形成機(jī)制可能有4種:(1)俯沖板片部分熔融之后與上覆地幔橄欖巖反應(yīng)[56~59];(2)含水地幔的部分熔融;(3)拆沉的下地殼在軟流圈中熔融形成的熔體在上升過程中與地幔橄欖巖反應(yīng)的產(chǎn)物;(4)巖漿混合作用[62~64].彰武高鎂安山巖Sr-Nd同位素組成明顯不同于由洋殼板片俯沖部分熔融形成的高鎂安山巖,這種高鎂安山巖應(yīng)具有與MORB相近的Sr-Nd同位素組成(如εNd>+5).本研究中演化程度最低(對(duì)應(yīng)SiO2最低和Mg#最高)的兩個(gè)高鎂安山巖樣品YX-262和YX-263的εNd(126Ma)值(-6.0)甚至高于共生的玄武巖(εNd(126Ma)=-9.2)(表2),表明它們較少受到地殼混染作用的影響,指示了源區(qū)特征,因而不應(yīng)是洋殼熔融的產(chǎn)物.具有反環(huán)帶的單斜輝石斑晶排除了高鎂安山巖由含水地幔部分熔融形成的可能性,因?yàn)楹蒯２糠秩廴谛纬傻娜垠w在巖漿結(jié)晶過程中應(yīng)向酸性方向演化,單斜輝石只能形正環(huán)帶.此外,彰武安山巖的高M(jìn)g(Mg#>50)和Cr-Ni含量,表明它們也不是榴輝巖等地殼巖石部分熔融的原始巖漿(Mg#<45).根據(jù)以下證據(jù),我們認(rèn)為彰武高鎂安山巖也不是基性巖漿與酸性巖漿混合的產(chǎn)物:(1)如果彰武高鎂安山巖是基性和酸性巖漿兩端元混合的產(chǎn)物,混合產(chǎn)物的元素和同位素組成應(yīng)介于兩端元之間.如果如此,彰武玄武巖樣品YX-261(SiO2=50.23%)是最可能的基性端元,而彰武高鎂安山巖樣品中SiO2含量最高的樣品YX-270(SiO2=58.97%)是最接近酸性端元的樣品,該樣品是對(duì)酸性端元成分極性程度的最小制約.例如,酸性端元的SiO2和不相容元素含量以及87Sr/87Sr初始比值應(yīng)高于YX-270的相應(yīng)含量和比值,相反相容元素(如Cr,Ni)和εNd(126Ma)應(yīng)低于YX-270的相應(yīng)含量和初始值.由表2可見,SiO2介于上述兩樣品之間的高鎂安山巖樣品(YX-262,YX-263)的εNd(126Ma)為-6.4,明顯高于上述基性和酸性端元(兩者的εNd(126Ma)≤-9.15,表2).(2)利用YX-261和YX-270為兩個(gè)端元進(jìn)行簡(jiǎn)單混合計(jì)算表明,對(duì)于SiO2,YX-262(SiO2=54.89%)中需要含47%的YX-261和53%的YX-270.對(duì)于Cr,YX-262需要含72%的YX-261和28%的YX-270.用兩種元素模擬的結(jié)果相差較大.(3)Streck等最近對(duì)MountShasta地區(qū)經(jīng)典的高鎂安山巖進(jìn)行了深入研究,在其中亦發(fā)現(xiàn)了輝石反環(huán)帶.他們根據(jù)這些輝石低的Al2O3含量(斜方輝石Al2O3≤2%,單斜輝石Al2O3≤3%),認(rèn)為這些輝石不是在地幔深度下結(jié)晶出來的,而是代表了基性和酸性巖漿在地殼深度混合形成的.Guo等亦將延吉地區(qū)古新世高鎂安山巖中的單斜輝石反環(huán)帶解釋為巖漿混合產(chǎn)物,其中單斜輝石亦具有低Al2O3(≤3%)的特征,同時(shí)還具有Eu負(fù)異常,表明巖漿混合是在斜長(zhǎng)石穩(wěn)定的地殼深度發(fā)生的.與上述地殼內(nèi)部巖漿混合形成的輝石明顯不同,彰武高鎂安山巖單斜輝石Al2O3含量變化很大,核部最高值可達(dá)5%(表1),表明它們是在地幔深度形成的.因此,現(xiàn)有資料不支持彰武高鎂安山巖的巖漿混合成因.我們認(rèn)為,對(duì)其中輝石反環(huán)帶最好的解釋是拆沉的榴輝巖是地幔深度部分熔融產(chǎn)生的長(zhǎng)英質(zhì)巖漿上升過程中與地幔反應(yīng)的結(jié)果.這也得到這些中酸性火山巖中存在通常出現(xiàn)于基性-超基性巖漿巖中的鉻鐵礦支持.彰武高鎂安山巖中Mg#最高、SiO2最低,即與地幔反應(yīng)程度最大的兩個(gè)樣品YX-262和YX-263具有最高的Nd同位素初始比值εNd(126Ma)進(jìn)一步支持這一解釋.如前所述,彰武高鎂安山巖與興隆溝高鎂中酸性火山巖具有相似的地球化學(xué)和礦物學(xué)特征,它們均具高的Mg,Cr,Ni,Sr含量和低的Y和Yb以及高的Sr/Y比值,均含反環(huán)帶輝石斑晶.因此我們認(rèn)為兩者具有相似的成因,即它們都是下地殼拆沉作用的產(chǎn)物.關(guān)于彰武高鎂安山巖所代表的源區(qū)下地殼性質(zhì)和拆沉的時(shí)間有兩種可能性.第一種可能性是,它們與興隆溝火山巖一樣,指示了華北克拉通原巖為太古宙的下地殼榴輝巖拆沉作用.興隆溝火山巖中的鋯石以華北克拉通前寒武紀(jì)基底特征的年齡為2.5Ga的繼承鋯石為主,而彰武高鎂安山巖中不存在太古代的鋯石,證明與興隆溝火山巖指示的古老下地殼源區(qū)不同,彰武高鎂安山巖源區(qū)應(yīng)是年輕的.我們認(rèn)為,彰武高鎂安山巖指示了~170Ma的中侏羅世玄武質(zhì)巖漿底侵形成的新生下地殼加厚,然后拆沉的過程.興隆溝火山巖的年齡為159Ma,而彰武高鎂安山巖與遼西義縣組高鎂安山巖年齡均為早白堊世(約125Ma),暗示拆沉作用可能從晚侏羅世延續(xù)至早白堊世.目前認(rèn)為拆沉作用伴隨大量軟流圈的物質(zhì)上涌和具有虧損特征玄武巖噴發(fā)是基于拆沉作用是一個(gè)十分快速的過程(<5～10Ma),導(dǎo)致軟流圈物質(zhì)快速上涌,且未與來自拆沉下地殼的熔體反應(yīng).但動(dòng)力學(xué)模擬表明,拆沉的時(shí)間尺度取決于許多因素,例如一個(gè)厚度為250km的巖石圈根拆沉,取決于巖石圈根的寬度、其流變學(xué)強(qiáng)度與周圍地幔之間的差異以及其他因素,拆沉作用的時(shí)間可在55～750Ma之間變化.因此,拆沉作用的時(shí)間尺度可能變化很大.如果是較慢的拆沉作用,軟流圈上涌速度也較慢,軟流圈特征的玄武巖可能不會(huì)在拆沉的早期就出現(xiàn).另一方面,拆沉的榴輝巖產(chǎn)生的熔體會(huì)與軟流圈巖漿反應(yīng)使來自軟流圈的玄武巖具有富集特征.最后,榴輝巖產(chǎn)生的熔體與巖石圈地幔反應(yīng)將產(chǎn)生輝石巖,輝石巖具有比橄欖巖低的熔融溫度,從而更易熔融,同樣產(chǎn)生富集特征的玄武巖[65~69].因此,我們認(rèn)為是否出現(xiàn)具有虧損特征的玄武巖不是判斷拆沉作用發(fā)生的必要條件.關(guān)于~170Ma時(shí)期華北克拉通的底侵作用直接證據(jù)來自對(duì)漢諾壩基性麻粒巖和遼西阜新堿鍋玄武巖中二長(zhǎng)巖包體的研究.前人對(duì)漢諾壩地區(qū)出露的大量基性麻粒巖包體研究表明