遼寧中溝地區條痕狀花崗巖地球化學特征、構造背景及巖石成因意義

李 研，聶逢君，嚴兆彬，李宏宇

(1.東華理工大學地球科學學院，南昌 330013；2.核工業二四○研究所，沈陽 110000)

華北克拉通目前是中國最老、最大的克拉通。橫旦于秦嶺—大別山造山帶和中亞造山帶之間，巖漿活動頻繁，構造極其發育，多年以來吸引了多數學者對其進行研究。前人對華北克拉通東部中生代伸展盆地和變質核雜巖等構造空間展布特征、巖漿巖時空遷移規律進行了詳細研究和綜合解析，并結合區域地球物理資料，認為華北克拉通巖石圈減薄與克拉通破壞的發生機制與過程受到古太平洋板塊俯沖作用的驅動與控制[1-2]；華北克拉通東部中生代大規模的巖漿活動、構造變形、成礦作用與古太平洋板塊向歐亞板塊的俯沖作用密切相關[3-4]；華北克拉通巖石圈減薄與克拉通破壞作用在晚中生代達到峰期，并導致同時代大規模巖漿活動的發生[5]。目前對于華北克拉通東部晚中生代巖漿巖的成因仍存在不同認識，主要集中在地幔柱成因和加厚或拆沉下地殼的部分熔融的產物[6-7]。通過近些年的研究，在華北克拉通共識別出三條古元古代造山帶，分別為中部造山帶、膠遼吉帶和孔慈巖帶。對孔慈巖代和中部造山帶中外學者已經做了詳盡的研究工作[8-10]。但是相比之下，對古元古代巖石出露較好的膠遼吉帶研究工作則相對則明顯不足，尤其對條痕狀花崗巖(主要因具有條帶狀、片麻狀特征)的巖漿物質來源、巖石成因類型及構造背景還尚存在爭議[11]。第一種觀點認為該條痕狀花崗巖為重熔混合花崗巖，原巖應為火山巖和沉積變質巖[12-13]；第二種觀點認為該花崗巖為A型花崗巖[14-15]，其形成于地殼拉張環境；第三種觀認為條痕狀花崗巖屬于I型花崗巖，巖漿來源為下地殼的酸性巖漿并且受到地幔基性巖漿混染作用[16]。區域上，斷裂構造發育，熱液活動明顯，鈾礦化顯示良好，鉛鋅、鐵鈷等多金屬礦床豐富，20世紀90年代時期前人曾在中溝地區開展過鈾礦地質調查工作，在條痕狀花崗巖中發現較多鈾礦化。

而在在早期地質發展過程中，花崗質巖石是大陸形成發展的重要指示劑。然而，關于華北克拉通膠遼吉造山帶內的條痕狀花崗巖的爭議則制約了整個東北地區的構造演化。其蝕變特征與鈾礦化的富集亦不清楚。鑒于此，選取華北克拉通膠遼吉造山帶內的遼寧中溝地區的條痕狀花崗巖進行詳盡的巖相學、地球化學、巖石構造背景及成因的研究工作，旨在進一步深入探討花崗巖的巖石成因、大地構造背景及整個華北克拉通的演化過程。甄別條痕狀花崗巖后生蝕變與鈾礦化的富集關系。

1 地質背景及巖相學特征

遼寧中溝地區位于華北克拉通北部，膠遼吉造山帶南緣，所屬盆地為老虎山盆地。出露地層主要為古元古代遼河群，較為較全，韻律明顯，形成一大型沉積旋回，共可分為四個巖組，主要包括了里爾峪、高家峪、大石橋以及蓋縣組(圖1)。其中的里爾峪組的巖石性質主要是鈉長淺粒巖和有著一定的磁鐵性質的淺粒巖，并且在其中還有少量的云母質片巖、大理巖等。且此處的巖石變質程度較高，因此該處的巖石性質多數為含有硼、鐵、鈾等，被稱為“含硼巖系”，并且鈾的含量也較高，多數達到了5.0×10-6。高家峪組主要分為兩段，一段為淺變質的泥砂質巖，偶見構造片理，二段則包含了泥沙質巖石、火山沉積巖還有變粒巖。大石橋組的巖性主要是碳酸鹽巖以及變粒巖，而相應的其中較為豐富的礦產為鎂礦。大石橋組變化大而快速，區域內既有穩定分布的層面，又存在尖滅和中斷。蓋縣組的巖石組成也有著一定的特點，其主要是片巖、變質粉砂巖以及其他相關巖石組成。其原巖表現為:黏土-碎屑巖(局部夾基性火山巖)碳酸鹽-黏土-碎屑沉積巖建造，沉積旋回明顯，并含有疊層石及微體古植物化石(圖1)。侵入巖主要有兩期，分別為晚三疊世和古元古代，其中古元古代侵入巖主要為條痕狀二長花崗巖，形成于2.2～2.1 Ga[17]，是本次主要研究的巖石，構造則為近EW斷裂和NE斷裂，兩組斷裂相交構成菱形格狀構造格局，其斷裂交匯處亦是鈾礦化集中發育處，EW向斷裂形成較早，規模小、構造破碎帶內見有逆沖擦痕、構造角礫，部分斷裂被石英脈充填，屬壓扭性(圖2)。

1為第四系；2為下白堊統小嶺組；3為下元古代；4為絹云母片巖；5為正長花崗巖；6為二長花崗巖；7為第四系砂礫巖；8為硅化；9為褐鐵礦化；10為產狀

所研究的條痕狀花崗巖位于遼寧中溝地區。巖石主要為中細粒黑云二長花崗巖，礦物成分主要由鉀長石、石英和斜長石組成，暗色礦物為黑云母，具中細粒花崗結構，塊狀構造。鉀長石呈他形板狀，具條紋結構，粒徑為1～4 mm。斜長石呈半自形柱狀、板狀，聚片雙晶發育，(010)∧Np′約7°～12°，即An25～28，斜長石種屬為更長石，粒徑1～2 mm。石英呈他形粒狀分布于其他礦物粒間，黑云母呈褐色，片狀，一組完全解理，多色性和吸收性顯著，片徑0.3～1 mm。受動力變質作用，局部產生亞顆粒，形成核幔結構(圖3)。蝕變主要有和鈾礦相關的幾種類型，主要包括了以下幾種，分別為黃鐵礦化、黏土化、絹云母化、綠泥石化、褐鐵礦化、赤鐵礦化(圖4)。綠泥石化可以吸附鈾元素，為鈾元素的富集提供了空間；水云母化則形成了鈾元素轉移的通道；相應的黃鐵礦變化更是和鈾礦化有著極大的聯系。而這些巖石主要是由于相應的熱液蝕變形成的，其中更是有著極多的含水礦物以及硫化物，鈾則在其裂隙中可見，并且被其中的黏土礦物吸附，而巖石本身的抗壓性隨著降低，其中的孔隙也會增大，于是就對鈾礦形成產生了有利條件，并且伴隨著蝕變的不斷增強，鈾礦化也隨之提高。

Q為石英；2為Pl-斜長石；3為Kfs-鉀長石；Bi為黑云母

圖4 遼寧中溝地區花崗巖野外蝕變照片

2 樣品采集與分析方法

在具有代表性的條痕狀花崗巖樣品10件，樣品分析測試由核工業二四○研究所完成。樣品分析及測試結果如表1所示。

表1 花崗巖地球化學分析結果

3 分析測試結果

遼寧中溝地區條痕狀花崗巖主要為二長花崗巖，巖石中可見鈣質和鎂鐵質角閃石，副礦物為榍石、鋯石和磁鐵礦。屬于高鉀鈣堿性-鈣堿性巖漿系列，A/CNK介于1.09～1.67之間，A/NK變化于1.11～2.18之間[圖5(a)]，為弱過鋁質-過鋁質巖石[圖5(b)]。SiO2含量介于61.91～77.48、富堿(Na2O+K2O=1.78～8.58)、高鋁(Al2O3=11.57%～19.30%)、低鎂鈣(MgO=0.07%～2.79%、CaO=0.19%～2.70%)的特征。稀土總量相對較高(ΣREE=109.72×10-6～320.27×10-6)、輕稀土分餾系數(La/Sm)N=2.86～10.91，重稀土分餾系數(Gd/Yb)N=0.59～7.97，Eu為中等負異常(δEu=0.18～0.75)，具有殼源巖漿特點(圖6)，與東北地區I型花崗巖特征較為相似[18-21]。

圖5 中溝地區花崗巖主量元素圖解

圖6 中溝地區花崗巖稀土元素分布圖

4 討論

4.1 條痕狀花崗巖成因類型

花崗巖是研究造山帶的重要組成部分，其巖石成因與演化是揭示地殼形成，生長作用的重要指示劑。所研究的條痕狀花崗巖為高鉀鈣堿性—鈣堿性系列，A/CNK介于1.09～1.67之間，A/NK變化于1.11～2.18之間，為弱過鋁質—過鋁質巖石，花崗巖普遍具有高硅、高鋁、富堿、低鎂鈣特征，暗示研究區花崗巖來源于殼源巖漿，形成于俯沖帶或者島弧環境。

前人研究表明，磷灰石在弱過鋁質-過鋁質花崗質巖漿中溶解度很低，在其演化過程中總是優先結晶，而在強過鋁質花崗質巖漿(A/CNK>2.0)中則主要呈飽和狀態，并不會優先結晶，因此S型花崗巖中P2O5隨SiO2增加基本保持不變[22-25]。

巖相學特征表明其并不含矽線石、堇青石、石榴子石等富鋁礦物，并且在P2O5-SiO2圖解上呈明顯負相關，說明并非屬于S型花崗巖類型，而與東北地區的I型和A型花崗巖較為相似，初步推斷為I型或A型。為了進一步確定花崗巖成因類型，對該區的花崗質巖石分別做了Y-10000Ga/Al[圖7(a)]、Ce-SiO2成因判別圖解[圖7(b)]，在判別圖解上除一個樣品外，其余條痕狀花崗巖樣品均落入I型以及與高分異的I型花崗巖過渡區域內，認為遼寧中溝地區條痕狀花崗巖應為I型花崗巖。

圖7 中溝地區花崗巖分類圖解

4.2 源區特征

遼寧中溝地區條痕狀二長花崗巖SiO2含量變化較大(SiO2含量介于61.91～77.48之間)，且周圍伴有中基性巖脈，所有條痕狀花崗巖樣品在Harker圖解上具有明顯的線性變化趨勢(圖8)，暗示源巖在巖漿演化過程中可能存在分離結晶作用。條痕狀花崗巖中的SiO2與TiO2及P2O5的負相關變化規律[圖8(a)、圖8(f)]，暗示其磷灰石和Fe、Ti等氧化物亦發生分離結晶作用；MgO、CaO、Fe2O3隨著SiO2升高而降低表明巖漿很可能經歷了角閃石分離結晶[圖8(b)、圖8(d)、圖8(e)]；而SiO2與Al2O3的負相關變化[圖8(c)]規律及稀土元素中微弱的負Eu異常，表明源巖在巖漿演化過程中亦經歷了斜長石分離結晶作用。

圖8 中溝地區花崗巖Haker圖解

此外，前人通過對膠遼吉造山帶的條痕狀花崗巖做了Sr-Nd同位素研究工作，其中εNd(t)值變化范圍較大說明其花崗巖可能來源于基底部分熔融[16]；而年代學數據(2.53～2.78 Ga)也與基底年齡相吻合，也與華北克拉通基底相吻合。因此遼寧中溝地區的條痕狀二長花崗巖巖漿應該來源于華北克拉通基底巖石部分熔融形成，并且在上升侵位過程中經歷了明顯的分離結晶作用。

4.3 構造環境

目前關于華北克拉通膠遼吉造山帶的構造背景主要有陸內裂谷和陸陸碰撞形成的兩種觀點，本文所研究中溝地區條痕狀二長花崗巖在構造圖解上全部落入大陸弧花崗巖區[圖9(a)、(b)]，暗示形成環境應該為大陸弧環境。該推測也從以下事件得到證實。

圖9 中溝地區花崗巖石構造圖解

(1)遼寧中溝地區花崗巖主要為鈣堿性-高鉀鈣堿性系列，具有高硅、富鉀、的特征，與大陸島弧環境較為相似。另外前人通過對帶內的多條條痕狀花崗巖進行系統研究也具有與遼寧中溝地區的花崗巖較為相似。盡管部分巖石表現出A型花崗巖特征，但是為巖漿中含較高的硼所致。

(2)在區域上，亦可見同時期的變質玄武巖，為鈣堿性巖石，具有富集大離子親石元素，虧損高場強元素的特征，為典型的大陸弧特征，而大陸裂谷形成的玄武巖主要為堿性成因，所以遼寧中溝地區的條痕狀花崗巖應該為大陸島弧成因。

(3)在遼寧地區有多個硼-鐵-鈾型礦床，其成因與俯沖的大陸島弧有關，從而形成富硼的巖系。縱觀全球，幾乎所有的含硼巖系的巖石都是形成于匯聚板塊邊緣的位置，其形成的環境與俯沖構造背景密切相關, 而大陸內的裂谷環境下并不能產生富硼巖漿和硼礦，因此，元古代膠遼吉造山帶的條痕狀花崗巖包括該時期的基性巖及富硼巖系均形成與俯沖的大陸島弧環境，而并非裂谷環境。結合區域演化歷史認為這些島弧的巖漿主要形成活動大陸邊緣環境，在古元古代時期，膠-遼-吉造山帶存在向北俯沖的作用。

5 結論

遼寧中溝地區條痕狀花崗巖作為研究對象，通過巖相學、地球化學等方面進行系統研究，在此基礎上探討了整個膠遼吉造山帶的巖石成因型、構造環境、巖漿物質來源和地球動力學意義，主要有以下幾方面認識。

(1)遼寧中溝地區條痕狀花崗巖主要為二長花崗巖，具有高硅、高鋁、富堿等特征，具有明顯殼源巖漿特點，并且在巖漿演化過程中經歷了明顯的分離結晶作用。

(2)遼寧中溝地區條痕狀二長花崗巖形成于活動大陸邊緣環境，具有明顯的俯沖帶巖漿特征。結合區域演化歷史認為，在古元古代期間，膠遼吉造山帶存在向北俯沖的作用。

(3)條痕狀二長花崗巖蝕變類型主要有黃鐵礦化、黏土化、綠泥石化、褐鐵礦化、赤鐵礦化、水云母化、絹云母化等，其中綠泥石化可以吸附鈾元素，為鈾元素的富集提供了空間；水云母化則形成了鈾元素轉移的通道；黃鐵礦化更是和鈾礦化有著非常密切的聯系。這些巖石主要是由熱液蝕變形成的，與鈾礦的形成關系密切。