吉林南部地區老嶺群變質作用特征研究

邢樹文, 李 軍, 馬玉波, 孫永杰, 李孝文, 李宏茂, 張增杰

1)中國地質科學院礦產資源研究所國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室, 北京, 100037;2)吉林省地質調查院, 吉林長春, 130061;3)吉林省通化地質礦產勘查開發研究院, 吉林通化, 134001

吉林南部地區老嶺群變質作用特征研究

邢樹文1), 李 軍2), 馬玉波1), 孫永杰2), 李孝文3), 李宏茂2), 張增杰1)

1)中國地質科學院礦產資源研究所國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室, 北京, 100037;2)吉林省地質調查院, 吉林長春, 130061;3)吉林省通化地質礦產勘查開發研究院, 吉林通化, 134001

吉林南部地區老嶺群變質礦物較為發育, 本文通過對其中發育的變質礦物進行詳細鑒定和大量探針分析, 將老嶺群下亞群主要變質礦物劃分為兩個世代, 分別代表兩期變質作用M1和M2。結合研究區老嶺群變質礦物組合、分布特征以及變質相帶的研究, 認為M1為中-低溫區域動力熱流變質作用, 可以劃分為低綠片巖相和高綠片巖相, 而 M2為局部熱變質作用, 可以劃分為低綠片巖相、高綠片巖相及低角閃巖相。綜合研究認為吉南地區老嶺群下亞群變質作用由早到晚, 范圍逐漸縮小, 強度逐漸降低的特點, 反映出了該地區古元古代地殼由活動向穩定轉化的趨勢。

老嶺群; 變質作用特征; 吉林南部

變質作用主要是在固體狀態下, 巖石中礦物種類與礦物成分、及(或)巖石顯微構造發生變化的過程(Smulikowski et al., 2007; 于振清等, 2009)。變質作用研究的重要性早就引起國內外地質學者的重視,尤其是80年代以后, 對其研究進入了一個新的階段(England et al., 1984; 張壽廣, 1987; 蔣少涌等, 1992;Peter, 1997; 簡平, 1999; Ernst, 2001; 李鵬武等,2007; Shigenori et al., 2010)。

吉林南部地區位于華北地臺北緣東段, 區內結晶基底主要由太古代TTG質片麻巖、變質表殼巖和古元古代集安群和老嶺群變質巖組成(圖 1)(張秋生等, 1987, 1988; 邢樹文等, 1993; Yoshihide et al.,1985; Miao et al., 2005), 蓋層為中上元古界、古生界、中生界和新生界沉積巖或火山沉積巖系, 以古元古代變質巖系十分發育, 與金、鉛鋅成礦最為密切; 主要包括老嶺群和集安群, 并蓋層為中上元古界、古生界、中生界和新生界沉積巖或火山沉積巖系。除太古代、元古代變質變形作用外, 還疊加了中生代強烈的構造-巖漿作用, 使得對老嶺群的變質作用認識爭議較大(張秋生等, 1984)。自50年代以來,很多研究者對該地區不同時代的變質作用進行了研究, 并取得了一系列重要成果(畢守業等, 1991; 葛文春等, 1993; 劉志宏等, 1995)。胡國巍(1990, 1994)對老嶺群的變質變形史、構造演化以及疊加變質作用進行了研究; 賀高品和葉慧文(1998a, b)認為老嶺群和集安群是兩個變質地體的變質巖系在古元古代晚期經構造作用拼貼在一起的; 路孝平等(2004)認為遼吉花崗巖是遼吉地區古元古代地層沉積的基底巖石, 是地層沉積之前地殼拉張作用的結果。

鑒于此, 本文對老嶺群變質礦物進行了系統礦物組合鑒定和成分分析, 從礦物世代和變質作用特征入手, 確立了其變質相帶及疊加方式, 這些研究對該區的地質找礦有重要的科學指導作用。

1 吉林南部老嶺群變質礦物和成分分析

1.1 老嶺群下亞群變質礦物

老嶺群下亞群主要巖石類型為二云片巖、千枚巖、絹云千枚巖、厚層大理巖及絹云千枚狀大理巖互層, 千枚狀片巖夾薄層大理巖、厚層石英巖夾二云片巖, 十字石二云片巖和絹云石英片巖等。

老嶺群下亞群變質礦物主要有黑云母、石榴子石、十字石、綠泥石、綠簾石、絹云母及石英、方解石、白云石、長石等。其主要變質礦物特征和成分如下:

1、黑云母

老嶺群下亞群黑云母可以劃分出兩個世代。

第一世代: 呈棕褐色, 多色性明顯, Ng-棕紅色,Nm-紅褐色, Np-淺褐色。吸收性 Ng＞Nm＞Np, 多呈自形晶、半自形晶, 平行定向排列, 為區域性片理S1的主要構成礦物之一。該期黑云母屬于富鈦鐵質黑云母, 且鈷的含量高于第二世代(圖2)。

第二世代: 該世代黑云母自形程度較好, 多為深褐色, 綠褐色, 多色性也很明顯, Ng-深綠色, Nm-綠色, Np-淺綠褐色。吸收性Ng≥Nm＞Np, 晶體片徑可達2 mm, 橫切片理分布明顯。晶體內部包含有大量定向排列的石英、絹云母微晶, 其排列方向同晶外片理 S1一致, 表現為后期構造重結晶特征, 具有低鈉富鐵鎂的鐵質黑云母成分特征(圖2)。

2、石榴子石

老嶺群下亞群石榴子石也可劃分為兩個世代。

第一世代: 晶體常呈半自形、它形粒狀, 粒度一般＜1.0mm, 內部包含有大量定向排列的石英包體,構成篩狀變晶結構。該世代石榴子石屬于鐵鋁榴石,具有旋轉結構, 具有較高的鈣和錳含量, 它具有屬于低角閃巖相以下變質作用形成的石榴石礦物特征(圖 3)。

第二世代: 單晶石榴子石自形程度較好, 篩狀變晶構造不很發育, 晶體邊界與片理 S1相切, 反映片理之后生成的特點, 該世代石榴子石最典型的特征是在第一世代石榴子石邊部形成環帶。

根據電子探針剖面成分分析數據作出的石榴子石MgO、MnO、FeO成分剖面圖顯示(圖4), 中心部分FeO、MgO、MnO成分變化均不太明顯, 而邊緣部分FeO、MgO含量明顯增高, MnO含量降低, 并形成斷帶, 這種特征表明第二次變質作用發生時溫度明顯高于第一次變質作用。

圖2 黑云母在Mg-(Al+Fe3++Ti)-(Fe2++Mn)三角圖上投影Fig. 2 Projection of biotite on triangular diagram Mg-(Al+Fe3++Ti)-(Fe2++Mn)

圖3 泥質變質巖中石榴子石化學成分與變質程度的關系圖(據Nandi, 1967修改)Fig. 3 Relationship between chemical composition and metamorphic grade of garnet in argillaceous metamorphic rock (modified after Nandi, 1967)

圖4 石榴子石MgO、MnO、FeO成分剖面圖Fig. 4 Compositional profile of MgO、MnO、FeO in garnet

3、十字石

根據十字石共生礦物組合, 結晶習性可以明顯地將其劃分為兩個世代:

第一世代十字石十字雙晶特別發育, 長寬比也較大, 退變質作用強烈, 現已大部分被絹云母交代,顯示構造前生成特點。

第二世代十字石均未受明顯的應力作用。根據其晶型特征及產出位置, 可以劃分出四種類型:

A 型: 十字雙晶極發育, 晶形較好, 基質是由極細粒的長英質礦物和絹云母等組成的絹云片巖。

B型: 呈柱狀, 短柱狀, 十字雙晶不甚發育, 表面呈褐色, 共存礦物主要為第一世代黑云母、石英等。絹云母化也比較強烈。

C型: 單晶較小, 但雙晶比較發育, 長寬比也較大, 一般為 3～4。占巖石 10%左右, 其晶內包裹大量第一世代黑云母、石英, 晶內外片理方向一致。

D 型: 晶體粗大, 無完整晶形, 篩狀變晶結構發育, 內部包含有大量定向排列的第一世代黑云母和石英, 且內外片理方向完全一致。

上述四種類型的十字石實際上是反映了一個遞進變質的過程, 從A型到D型, 其共生礦物和共存礦物由絹云母、黑云母到石榴子石, 反映變質級的逐步升高。

4、綠泥石

根據綠泥石特征及共生礦物, 明顯可以劃分為兩個世代。

第一世代綠泥石, 鏡下見到細小片狀定向性極好的綠泥石小片同絹云母、石英、長石微晶一同構成千枚理, 有時它也呈綠色小斑晶產出。

第二世代: 部分呈不定向的斑晶產出, 另一部分則以交代早期黑云母、十字石等形式產出。推測其成因為在早期變質作用過程中處于高級變質帶的礦物, 在晚期變質作用過程中處于相對較低變質帶中, 而發生退變質作用。

5、綠簾石

可劃分為兩個世代。

第一世代: 自形程度較好, 解理清楚, 粒度同長英質礦物粒度相仿, 常集中呈平行片理的條帶,呈同構造重結晶特征。

第二世代: 呈它形, 晶體粒度變化大, 呈無定向的顆粒狀、團狀, 解理不清, 較大粒度的多呈斑晶狀, 屬后期構造重結晶的產物。

1.2 老嶺群上亞群變質礦物

老嶺群上亞群主要巖石類型上部主要為炭質大理巖, 透閃石條帶、炭質條帶、硅質條帶狀白云質大理巖, 塊狀白云質大理巖。下部石英巖(含底礫巖), 中部大理巖、黑云變粒巖、黑云片巖, 上部炭質板巖。

老嶺群上亞群變質礦物發育相對較少, 且很難將其進行世代的劃分, 對其簡述如下:

1、黑云母: 褐色, 細小片狀, 多色性較明顯, 略具定向排列。在巖石中一般含量10%左右, 片度0.1 mm×0.6 mm, 屬綠泥石轉化產物。

2、石英: 粒狀晶體, 表面較干凈, 粒度 0.01～0.1 mm, 顆粒之間緊密相嵌。

3、斜長石: 它形粒狀為主, 表面絹云母化, 粒度0.1 mm, 主要出現在黑云變粒巖中。

4、方解石、白云石: 重結晶較好, 顆粒之間緊密相嵌, 鏡下見到其內突起明顯, 菱形解理清楚。

5、透閃石: 柱狀、粒狀、纖狀, 晶體較大, 內有碳酸鹽礦物包體, 排列無方向性。

2 吉林南部老嶺群變質相帶劃分

2.1 老嶺群下亞群特征變質礦物組合、分布特征及變質相帶劃分

以上論述可知, 老嶺群下亞群大部分特征變質礦物都具有兩個世代特征。其中: 第一世代的礦物和區域透入性片理S1是同時生成的, 是S1的主要顯示礦物; 而第二世代礦物的形成晚于區域性片理,但沒有沿 S2(折劈理)分布, 顯示老嶺群下亞群至少經歷了兩次變質作用(M1和M2)。前者發生于穩定的原始沉積碎屑、泥質巖的礦物組合中, 后者發生于經M1之后。值得關注的是隨著M2的溫壓范圍不同,按照高于、等于、低于早期變質礦物的穩定區間, 其變質礦物可以發生a、進變質, 形成新礦物; b、不變;c、發生退變質亦形成新礦物; 即發生疊加變質的巖石常有大量早期變質礦物殘留。鑒于第二世代的礦物產出無明顯的優選方位, 顯然早晚兩期變質作用形成的礦物是共存關系, 而不是共生關系。

通過對兩次變質礦物典型的礦物組合的分析以及變質帶的劃分依據, 將第一次變質作用劃分為兩個變質帶, 將第二次變質作用劃分為三個變質帶以及變質相(圖5和圖6), 顯示這兩期變質相在空間上具有明顯的疊加(表1)。

表1 老嶺群下亞群典型礦物組合、分布特征及變質相帶劃分Table 1 Typical mineral assemblage, distribution and metamorphic zone division of lower sub-group of Laoling Group

圖5 老嶺群下亞群第一期變質示意圖Fig. 5 Sketch map showing the first metamorphic stage in lower sub-group of Laoling Group

圖6 老嶺群下亞群第二期變質示意圖Fig. 6 Sketch map showing the second metamorphic stage in lower sub-group of Laoling Group

2.2 老嶺群上亞群變質相帶劃分

老嶺群上亞群主要分布在研究區中部, 由石青溝組和珍珠門組組成。主要變質礦物共生組合有:

石青溝組組合以 Bi+Q+Pl±Mic為典型組合,相當于綠片巖相黑云母帶。其他變質礦物組合有:Cal+Dol+Tr, Q+Bi+Pl。

珍珠門組碳酸鹽巖表現出不同的重結晶作用,當含有碳質、硅質時, 重結晶作用差一些。主要礦物為透閃石、滑石、方柱石、金云母、絹云母、方解石、白云石等, 典型礦物共生組合為 Tc+Tr+Cal+Dol+Q, 將其劃分為綠片巖相透閃石帶。其它變質礦物組合有: Tr+Cal+Dol+Q, Cc+Dol+Phl+Q和 Cal+Bi+Mus+Q±Pl。

綜上所述, 老嶺群上亞群變質程度為綠片巖相透閃石(黑云母)帶。

3 吉林南部老嶺群變質作用溫壓條件及類型

3.1 老嶺群下亞群變質作用溫壓條件及類型

如前所述, 老嶺群下亞群經歷了兩次變質作用,早期為區域變質作用, 可以劃分為低綠片巖相和高綠片巖相, 晚期為局部熱變質作用, 可以劃分為低綠片巖相、高綠片巖相及低角閃巖相。下面重點分析第一次變質作用。

低綠片巖相內典型礦物共生組合為 Ser+Chl+Q±Pl, Bi(雛晶)+Ser+Pl+Q, 低綠片巖相內Ser和Chl兩個礦物的溫度為 355℃和 295℃(圖 7)。這一溫度可能代表變質作用早期溫度下限, 溫度稍微升高時,即發育雛晶黑云母, 臨界反應為: Mus(Ser)+Chl=Bi+富鎂Chl+Q+H2O; 多硅Ser+Chl=Bi+Ser+ H2O+Q。黑云母等變反應度范圍較寬, 一般在溫度低于500℃時即可生成, 但在較貧鋁的巖石或原巖中富含鐵和鉀且 Fe2+/Mg比值較高時, 黑云母可以出現在較低溫度下。

圖7 共存的絹云母-綠泥石Al分配等溫線圖(據 КotoB, 1975)Fig. 7 Allocation isothermal diagram of Al in coexisting sericite and chlorite (after КotoB, 1975)

吉林南部地區低綠片巖相中黑云母、綠泥石與絹云母共生, 由圖 8可以看出, Sti+Mus消失且Bi+Mus出現的臨界條件為 450±15℃, 500～800MPa, Chl+Mus的穩定上限條件約為 500℃,600MPa。黑云母出現以后, 直到矽線石帶都能穩定存在, 但成分變化很大, 這主要和原巖成分、共生礦物及結晶時的P-T條件有關。

高綠片巖相典型礦物共生組合為: Bi+Gt+Mus±Chl+Q, Bi+Gt+Pl+Q, 泥質巖中常見鐵鋁榴石和黑云母交代綠泥石和絹云母, 可能的臨界反應為:Chl+Mus+Q=Gt+Bi+H2O。用上述反應合成石榴子石的溫壓條件為400 MPa, 500℃及500 MPa, 600℃。

綜合分析, 本區早期低綠片巖相形成條件大致在350～450℃, 壓力在300～800 MPa。高綠片巖相的形成溫度大致在400℃～500℃, 壓力在400～800 MPa之間。

以上研究表明研究區早期變質巖系有如下特點:1、變質原巖主要為碎屑巖、泥質巖夾碳酸鹽建造; 2、屬于同一地質單元, 變質特點相似, 為同構造期變質, 并可以劃分變質相帶; 3、變質溫壓條件為300～600 MPa, 300℃～500℃; 4、產生變質的原因主要是區域性熱流的升高。由此推測早期變質作用為中-低溫區域動力熱流變質作用。

圖8 泥質巖石中變質反應(據溫克勒, 1980簡化)Fig. 8 Metamorphic reaction in argillaceous rocks(simplified after Winkler, 1980)

晚期變質作用疊加在早期變質形成的一套巖石組合之上, 從第二次變質作用形成的礦物形態、分布及未受第一次變質作用改造的情況分析, 第二次變質作用形成在第一次變質作用之后, 不具有區域性分布特征, 而具有熱變質事件特征, 其變質相的空間分布所表現的熱流分布形式, 表現出局部異常熱流特征, 所以晚期變質作用應為局部熱流變質作用。

3.2 老嶺群上亞群變質作用類型

老嶺群上亞群變質作用, 相當于綠片巖相黑云母(透閃石帶)。下部石青溝組的石英片巖類、變粒巖類中片狀礦物定向均不十分明顯, 具有埋深變質的特點; 上部珍珠門組典型礦物共生組合為 Tc+Tr+Cal+Dol+Q變質反應如下:

3白云石+4石英+H2O=滑石+3方解石+3CO2

5滑石+6方解石+4石英=3透閃石+6CO2+2H2O

這一反應和變質時 CO2/H2O比值關系較大,CO2/H2O+CO2達 1時, 才會出現透閃石, 且壓力相應也會增大, 否則出現滑石而不出現透閃石。

鑒于本區珍珠門組透閃石多具動力變質成因特點, 所以老嶺群上亞群變質作用為早期埋深, 后期動力剪切變質。

4 吉林南部老嶺群變質作用演化

如前所述, 老嶺群下亞群主要經歷了兩期區域變質作用。

早期變質作用在區內較均勻, 具有普遍意義,是本區一次較重要的熱事件。前人研究表明其時代一般大于18億年, 該期熱事件使老嶺群下亞群普遍發生區域動力熱流變質作用(王集源等, 1984)。伴隨變質作用發生了強烈的變形作用, 形成了區內的主要構造片理。從礦物定向性及礦物之間的穿切關系表明, 變質作用為同構造熱事件的產物。二者具有同時性, 屬同一構造熱事件的結果。

晚期變質作用疊加在早期變質形成的老嶺群下亞群變質巖系之上。變質程度高于早期變質作用,并具有遞增變質帶的特點, 由低綠片巖相、高綠片巖相到低角閃巖相, 變質時代應早于17.68億年, 主要變質變形期應在17～19億年。在變質作用的中間階段發生第二期變形, 之后出現了變質作用的高峰期。第二期變形作用在本區較弱, 沒有形成區域性構造片理, 而僅有少量片柱狀礦物輕微定向排列。

圖9 吉林南部老嶺群下亞群變質作用演化趨勢圖Fig. 9 Metamorphic evolutionary trend of lower sub-group of Laoling Group

根據兩期變質作用的特點和溫壓條件及其與構造變形的關系判斷, 兩期變質作用的時間間隔較小,應屬于相同大地構造環境。

因此, 吉林南部地區老嶺群下亞群變質作用呈現出由早到晚, 范圍逐漸縮小, 強度逐漸降低的特點, 也反映出該地區地殼活動性的逐漸降低。變質程度的局部增高, 反映在地殼的活動性逐漸降低的過程中, 仍有局部不穩定和能量的集中釋放, 導致晚期變質作用的局限性和熱流分布的不均勻性。變質作用演化特點表明在早元古代本區具有活動帶的性質, 隨著時間的推移, 本區由活動向穩定轉化,熱動力條件隨時間的演化也表明了這一演化趨勢(圖 9)。

5 結論

1)吉林南部老嶺群變質礦物較發育, 老嶺群下亞群主要變質礦物可劃分為兩個世代, 兩個時代分別代表兩期變質作用。第一期變質作用可以劃分為低綠片巖相和高綠片巖相兩個變質相, 變質溫壓條件為300～600 MPa, 300℃～500℃, 推測為中-低溫區域動力熱流變質作用; 第二期為局部熱變質作用,可以劃分為低綠片巖相、高綠片巖相和低角閃巖相。

2)吉林南部地區老嶺群下亞群變質作用由早到晚, 影響范圍逐漸縮小, 變質強度逐漸降低, 反映出該地區古元古代的地殼活動性逐漸降低, 由活動向穩定轉化。

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A Study of Metamorphic Characteristics of Laoling Group in Southern Jilin Province

XING Shu-wen1), LI Jun2), MA Yu-bo1), SUN Yong-jie2), LI Xiao-wen3),LI Hong-mao2), ZHANG Zeng-jie1)
1)MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing100037;2)Jilin Institute of Geologicl Exploration, Changchun, Jilin130026;3)Institute of Tonghua Geologic Exploration and Mineral Development, Tonghua, Jilin134001

Metamorphic minerals are widely developed in Laoling Group of southern Jilin Province. Based on a detailed analysis of the metamorphic minerals in rock samples, the authors hold that the main minerals in lower sub-group of Laoling Group can be divided into two generations: M1and M2, which represent two metamorphic stages. Researches on metamorphic assemblage, distribution characteristics and division of metamorphic facies show that M1is characterized by low-to-moderate temperature regional dynamic heat flow metamorphism which can be divided into two metamorphic facies: lower greenschist facies and high greenschist facies. By contrast, M2is represented by local thermal metamorphism which can be divided into three metamorphic facies: lower greenschist facies, high greenschist facies and lower amphibolitic facies. Comprehensive studies show that metamorphism of the sub-group of Laoling Group in southern Jilin Province is characterized by reduction of influencing area and decrease of intensity from early to late. This tendency suggests hat the earth’s crust became stable in Paleo Proterozoic.

southern Jilin Province; Laoling Group; metamorphic characteristics

P534.3; P588.34

A

10.3975/cagsb.2011.03.02

本文由中國地質調查局地質調查工作項目“中國東北部陸緣金、有色金屬多期成礦作用和勘查選區研究”(編號: 1212010012006)資助。

2011-04-08; 改回日期: 2011-04-22。責任編輯: 魏樂軍。

邢樹文, 男, 1963年生。研究員, 1983年畢業于長春地質學院地質系。主要從事地質礦產調查研究及管理工作。通信地址: 100037, 北京市西城區百萬莊大街26號。電話: 010-68320346。E-mail: xxx8844@163.com。