华北板块北缘开原地区中三叠世辉石闪长岩和晚侏罗世辉长岩的成因及构造意义
doi: 10.19762/j.cnki.dizhixuebao.2024496
刘芸秀1 ， 刘锦1 ， 张大伟2 ， 刘正宏1 ， 程昌泉3 ， 张洪祥1 ， 董亚超1 ， 张媛竹卉1 ， 张积睿1
1. 吉林大学地球科学学院，吉林长春， 130061
2. 吉林省有色金属地质勘查局，吉林长春， 130021
3. 中山大学地球科学与工程学院，广东珠海， 519000
基金项目: 本文为中国地质调查局项目（编号 12120113057900）资助的成果
Genesis and tectonic significance of Middle Triassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbro in the Kaiyuan area, northern margin of the North China Plate
LIU Yunxiu1 ， LIU Jin1 ， ZHANG Dawei2 ， LIU Zhenghong1 ， CHENG Changquan3 ， ZHANG Hongxiang1 ， DONG Yachao1 ， ZHANG Yuanzhuhui1 ， ZHANG Jirui1
1. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun, Jilin 130061 , China
2. Bureau of Non-ferrous Geological Exploration of Jilin Province, Changchun, Jilin 130021 , China
3. School of Earth Sciences and Engineering, Sun Yat-sen University, Zhuhai, Guangdong 519000 , China
摘要
本文对华北板块北缘开原地区的中三叠世辉石闪长岩和晚侏罗世辉长岩开展了锆石U-Pb年代学、全岩地球化学分析和锆石Lu-Hf同位素研究，探究了其岩石成因以及古亚洲洋板块和古太平洋板块俯冲作用对华北克拉通北缘岩石圈地幔的改造作用。锆石U-Pb定年揭示中三叠世辉石闪长岩形成时代为243±1 Ma，属于钙碱性系列岩石，其具有相对富集大离子亲石元素（如Rb、Ba），亏损高场强元素（如Nb、Ta）的弧岩浆岩地球化学特征，Eu异常不明显。锆石Hf同位素组成（εHf(t)=-14.7~-8.9）表明中三叠世辉石闪长岩源自受俯冲熔体改造的富集岩石圈地幔的部分熔融。晚侏罗世辉长岩的锆石U-Pb定年结果为160±1 Ma，属于钙碱性岩石。与中三叠世辉石闪长岩类似，晚侏罗世辉长岩也相对富集大离子亲石元素（Rb、Ba），亏损高场强元素（Nb、Ta、Zr、Hf），具负的εHf(t)值（-10.6~-7.7），表明其主要源自于经历俯冲流体改造的富集地幔的部分熔融。综合前人研究，本文认为中三叠世辉石闪长岩形成于古亚洲洋最终闭合后的碰撞后伸展阶段，而晚侏罗世辉长岩的形成则与古太平洋板块俯冲有关。受古亚洲洋和古太平洋长期俯冲作用的影响，华北克拉通北缘东段的岩石圈地幔在中三叠世—晚侏罗世期间呈现富集地幔的地球化学特征。
Abstract
This paper presents U-Pb geochronology, whole-rock geochemistry, and zircon Lu-Hf isotopic analyses of Middle Triassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbrofrom the Kaiyuan region, located along the northern margin of the North China Plate. We investigate the petrogenesis of these igneous rocks and the influence ofthe Paleo-Asian and Paleo-Pacific Ocean Plates' subductionon the modification of the North China Plate's lithospheric mantle. Zircon U-Pb dating reveals that the Middle Triassic pyroxene diorite crystallized at 243±1 Ma, classifying it as a calc-alkaline, sub-aluminous rock.This diorite shows geochemical signatures typical of arc magmatic rocks, characterized by enrichment in large-ion lithophile elements (Rb and Ba) and depletion in high-field-strength elements (Nb and Ta), without significant Eu anomalies. Zircon Hf isotopic compositions (εHf(t)=-14.7 to -8.9) suggest that the pyroxene diorite originated from partial melting of an enriched lithospheric mantle. Similarly, zircon U-Pb dating of the Late Jurassic gabbro yields an age of 160±1 Ma, also categorizing it as a calc-alkaline, sub-aluminous rock. Consistent withthe Middle Triassic pyroxene diorite, the Late Jurassic gabbro is enriched in large-ion lithophile elements (Rb and Ba) and depleted in high-field-strength elements (Nb, Ta, Zr, and Hf), with negative εHf(t) values (-10.6 to -7.7). These geochemical and isotopic characteristics indicate that the gabbro primarily originated from partial melting of an enriched mantle modified by subduction-related fluids.Integrating previous studies, wepropose that the Middle Triassic pyroxene diorite formed during the post-collision extensional phase following the final closure of the Paleo-Asian Ocean.In contrast, the Late Jurassic gabbro formed in a tectonic environment related to the subduction of the Paleo-Pacific Ocean Plate. The prolonged subduction of the Paleo-Asian and Paleo-Pacific Oceans has imparted enriched mantle characteristics to the lithospheric mantle beneath the northern margin of the North China Plate.
中亚造山带是位于西伯利亚板块与华北板块之间的增生型造山带，是古亚洲洋闭合的产物（Liu Yongjiang et al.，2017）。中亚造山带的东段也被称为兴蒙造山带，可以进一步划分为额尔古纳地块、兴安地块、松辽-锡林浩特地块、佳木斯地块以及它们之间的缝合带（图1；Liu Yongjiang et al.，2017）。尽管多数学者认为古亚洲洋沿着索伦-西拉木伦-长春-延吉缝合带完成最终闭合（Xiao Wenjiao et al.，2003; Liu Yongjiang et al.，2017），但古亚洲洋最终闭合的具体时间仍存在争议，包括晚石炭世（Wang Limin et al.，2014）、中—晚二叠世（Liu Jin et al.，2018）、晚二叠世（Tang Jianzhou et al.，2024; Wang Hongyan et al.，2024）、晚二叠世—早中三叠世（Shi Yi et al.，2019; Xue Jixiang et al.，2023）和中—晚三叠世（Du Qingxiang et al.，2019）等不同观点。上述争论致使对华北板块北缘东段和兴蒙造山带在三叠纪处于造山阶段还是造山后伸展阶段的认识存在不同意见，一些学者倾向于古亚洲洋闭合相关的造山碰撞作用一直持续到中三叠世早期，中三叠世末期进入造山后伸展阶段（张超，2014; Shi Yi et al.，2019; 段东，2023）。对于古亚洲洋闭合后古太平洋板块的俯冲起始时间也有不同观点，包括晚三叠世（Liang Yunyi et al.，2022）、晚三叠世—早侏罗世（崔芳华等，2021）、早侏罗世（Guo Feng et al.，2015; 段东，2023）、早—中侏罗世（张超，2014; 李梦琪，2023）等认识。前人研究表明华北板块北缘东段和兴蒙造山带在中生代早期经历了古亚洲洋构造域向古太平洋构造域的构造体制转换（Wilde et al.，2015），无论古亚洲洋何时最终闭合以及古太平洋板块俯冲何时启动，华北克拉通北缘东段在古生代—中生代期间无疑经历了明显的大洋板片俯冲作用影响。在这一构造背景下，华北克拉通北缘东段岩石圈地幔是否受到明显改造以及其具有亏损或富集地幔的地球化学性质还需要进一步研究。已有研究表明大洋板块的长期俯冲作用会导致上覆大陆岩石圈地幔的物质组成与化学性质发生改变，被俯冲流体/熔体长期改造的克拉通岩石圈地幔将表现出富集型地球化学特征（Zheng Yongfei et al.，2018）。辽北开原地区位于华北板块北缘东段与兴蒙造山带交接部位，记录了丰富的古亚洲洋俯冲—闭合和古太平洋板块俯冲作用的相关地质记录，其三叠纪—侏罗纪期间的构造演化受古亚洲洋构造域与古太平洋构造域的共同影响（Liu Jin et al.，2018，2020）。因此，开原地区是探究大洋板片俯冲对华北克拉通北缘岩石圈地幔改造的理想地区。本次研究对开原地区新识别出的中三叠世辉石闪长岩和晚侏罗世辉长岩开展了年代学、地球化学和锆石Hf同位素分析，以研究其岩石成因、源区性质以及岩浆活动的动力学背景，进一步探讨了大洋板片俯冲作用对华北克拉通北缘东段岩石圈地幔性质的改造。
1 区域地质概况及岩石学特征
研究区位于辽宁省开原市的东部，大地构造位置属于华北板块北缘东段，以近东西向的清河断裂带为界，南侧为华北克拉通北缘，以出露新太古代结晶基底为特征（变质深成岩和红透山组变质表壳岩），北侧为兴蒙造山带南缘，以广泛发育晚古生代—中生代岩浆活动为特征（图1）。沿清河断裂出露一套构造混杂岩，由华北克拉通结晶基底与沉积盖层、古生代海相沉积盖层和岛弧火山岩组成，被称为“开原岩群”（刘锦等，2016）。近年来，在华北板块北缘东段（包括开原地区）内陆续识别出晚古生代及中生代岩浆弧，岩浆活动的具体时代包括泥盆纪、二叠纪、三叠纪、侏罗纪和白垩纪（Wang Limin et al.，2014; Liu Jin et al.，2018; Shi Yi et al.，2019; Xue Jixiang et al.，2023; Tang Jianzhou et al.，2024; Wang Hongyan et al.，2024）。李东涛等（2024）在内蒙古库伦地区识别出了一套晚泥盆世火山岩组合，其中的凝灰岩锆石U-Pb定年结果为391±4 Ma。张丽（2021）通过对辽北地区下二台构造杂岩的研究将华北北缘东段晚古生代岩浆活动划分为六个阶段，并认为晚古生代时期辽北地区处于活动大陆边缘环境。前人研究揭示在辽北法库—开原地区广泛发育早二叠世、中—晚二叠世和晚二叠世—中三叠世等多期岩浆活动（刘锦等，2016; Liu Jin et al.，2020; 时溢等，2022a），包括中二叠世变质玄武岩、晚二叠世花岗岩、晚二叠世—早三叠世的变玄武安山岩与变闪长岩、早三叠世—中三叠世辉长岩、中三叠世花岗闪长岩和晚三叠世闪长岩等。上述晚古生代—早中生代岩浆活动被认为与古亚洲洋闭合过程有关（段东，2023）。进入中生代（晚三叠世），受古太平洋板块俯冲的影响，在华北板块北缘东段地区普遍经历了强烈的中生代岩浆活动，如开原地区大规模出露的早—中侏罗世城子山花岗岩基（以二长花岗岩为主）、呈岩株状产出的中侏罗世三家子石英闪长岩以及八棵树辉长岩、早白垩世砬子山花岗斑岩等（Liu Jin et al.，2020）。本文重点研究在开原地区八棵树镇附近新识别的中三叠世八棵树辉石闪长岩体和晚侏罗世大三家子辉长岩体，具体采样位置见图1。
中三叠世八棵树辉石闪长岩出露于开原市八棵树镇南，呈岩株状产出，侵位于新太古代变质深成岩中。在辉石闪长岩体中可见后期花岗岩脉侵入其中（图2a）。辉石闪长岩样品具有中细粒半自形粒状结构和块状构造，局部可见由暗色矿物（辉石）和浅色矿物（斜长石）形成的条带状构造（图2b）。岩石主要组成矿物包括斜长石、辉石以及少量黑云母，副矿物则包含磁铁矿等（图2c）。斜长石形态板柱状，呈半自形—他形，并多发育有聚片双晶，个别斜长石具有环带结构，主要粒径1~3 mm，含量约60%。辉石主要为紫苏辉石，呈半自形—他形，具弱多色性，含量约35%。此外，辉石闪长岩中还含有少量黑云母和不透明矿物（如磁铁矿）等，含量约5%。晚侏罗世大三家子辉长岩分布于开原市大三家子村一带，呈岩株状产出，其侵位于新太古代变质表壳岩和变质深成岩中（图2d），其内部可见变质表壳岩包体。大三家子辉长岩颜色呈灰黑色，以中粒结构为主，具有块状构造（图2e），主要矿物包括斜长石和角闪石（图2f）。其中斜长石呈自形—半自形的板柱状形态，发育聚片双晶，含量约60%，粒径多2~5 mm，部分颗粒可达1 cm。角闪石多为他形粒状，含量约35%，粒径约2 mm。其他副矿物（如磁铁矿、黑云母等）含量约5%。
图1中亚造山带东段构造单元（a，据Liu Yongjiang et al.，2017）和开原地区地质简图（b，据刘锦，2017修改）
Fig.1Tectonic units of the eastern Central Asian Orogenic Belt (a, after Liu Yongjiang et al., 2017) and geological sketch map of the Kaiyuan area (b, modified from Liu Jin, 2017)
①—额尔古纳地块；②—兴安地块；③—松辽-锡林浩特地块；④—佳木斯地块；⑤—那丹哈达地块；⑥—兴凯地块；⑦—华北克拉通北缘
①—Erguma block；②—Xing'an block；③—Songliao-Xilinhot block；④—Jiamusi block；⑤—Nadanhada block；⑥—Khanka block；⑦—northern margin of North China craton
2 分析方法
在北京燕都中实测试技术有限公司进行了全岩主微量元素分析。测试过程如下：将岩石样品粉碎至厘米级的块体，选取质量为300 g的无蚀变和脉体穿插的新鲜样品，并用纯净水冲洗干净，再烘干并粉碎至200目以下。针对微量元素的测定，先将试样加入到由Li2B4O7和LiBO2组成的助溶剂中，混合均匀后，置于自动熔炼仪中加热到1025℃以上使之熔融，冷却后，使用HNO3、HCI和HF定容，再用电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）分析。而主量元素的测定略有不同，需要先将试样煅烧后，加入由50% Li2B4O7和50% LiBO2组成的助溶剂，充分混合均匀后，在自动熔炼仪器中加热到1000℃以上使之熔融，熔融物倒出后形成扁平玻璃片，再用X荧光光谱仪（XPF）仪分析。所测数据根据监控标样GSR-2显示误差小于5%，部分挥发性元素及极低含量元素分析误差小于10%。
图2开原地区中三叠世辉石闪长岩和晚侏罗世辉长岩典型露头野外照片与样品镜下显微照片
Fig.2Field photographs of typical outcrops and microscopic thin-section images of Middle Triassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbro from the Kaiyuan area
（a）~（c）—中三叠世辉石闪长岩（19LJ10-1）；（d）~（f）—晚侏罗世辉长岩（19LJ14-1）；Pl—斜长石；Hbl—角闪石；Opx—紫苏辉石
(a) ~ (c) —Middle Triassic pyroxene diorite (19LJ10-1) ; (d) ~ (f) —Late Jurassic gabbro (19LJ14-1) ; Pl—plagioclase; Hl—hornblende; Opx—orthopyroxene
在野外工作中选择基岩露头好且风化弱的部位，采集较新鲜的岩石样品进行锆石挑选。样品破碎和锆石挑选的工作在河北省诚谱检测技术（廊坊）有限公司完成。锆石U-Pb定年则是在北京燕都中实测试技术有限公司采用激光烧蚀-电感耦合等离子体质谱法（LA-ICP-MS）进行检测。激光剥蚀系统为GeoLas Pro，ICP-MS为Agilent 7500，激光剥蚀直径为32 μm，使用频率为8 Hz，能量为10 J/cm2。对分析数据的离线处理采用软件ICPMSDataCal完成。U-Pb同位素定年中采用锆石标准91500作外标进行同位素分馏校正，每分析5~10个样品点，分析2次91500。锆石样品的U-Pb年龄谐和图绘制和年龄权重平均计算均采用Isoplot 3.0（Ludwig，2003），单点分析的同位素比值与年龄的误差为1σ，加权平均年龄的置信度为95%。锆石Lu-Hf同位素分析主要依赖于NWR193激光剥蚀系统与多接收器电感耦合等离子体质谱仪（MC-ICP-MS，Neptune），锆石剥蚀频率、能量、直径分别为8 Hz、16 J/cm2、30 μm，其测试过程与矫正方法参照了Wu Fuyuan et al.（2006）的研究。标准锆石91500用于检测仪器状态和分析精度，本次测试91500锆石的加权平均年龄为1063.2±3.8 Ma。
3 测试结果
3.1 锆石U-Pb定年以及Hf同位素
八棵树辉石闪长岩样品19LJ10-1（北纬42°27′14.5″，东经124°32′20.7″）的15颗锆石U-Pb定年分析结果详见表1。辉石闪长岩样品中具有清晰板条状振荡环带的锆石颗粒，指示其岩浆成因。测试锆石颗粒的U和Th含量分别为112×10-6~417×10-6和44×10-6~546×10-6，Th/U比值为0.23~1.31。锆石的206Pb/238U年龄较集中，在250~229 Ma之间，加权平均年龄为243±1 Ma（MSWD=1.5；图3a），这一年龄代表了辉石闪长岩的结晶年龄，形成时代为中三叠世。本次研究还对中三叠世辉石闪长岩样品的10个锆石分析点采用了Lu-Hf同位素分析，分析结果详见表2。这些锆石分析点展现出相对均一的同位素组成特征，具体表现为：176Yb/177Hf值为0.012949~0.074513，176Lu/177Hf值为0.000349~0.002034，176Hf/177Hf值较均一（0.282210~0.282373，平均值为0.282283）。此外，样品一阶段模式年龄为1467~1229 Ma，二阶段模式年龄为2195~1829 Ma，具有负的εHf（t）值（-14.7~-8.9；图4）。
大三家子辉长岩样品19LJ14-1（北纬42°24′39.4″；东经124°34′03.1″）的15颗锆石U-Pb定年分析结果见表1。CL图中锆石颗粒多为棱柱状，具有明显的条状振荡环带，结合它们较高的Th/U比值（0.37~0.81），均指示其岩浆成因。所有分析点分布在和谐线上或附近，具有较高的谐和度和较均一的206Pb/238U年龄，其加权平均206Pb/238U年龄为160±1 Ma（MSWD=0.62；图3b）。这一加权平均年龄代表了大三家子辉长岩样品的结晶年龄，形成时代为晚侏罗世。此外，本次研究还对晚侏罗世辉长岩样品中的10个锆石分析点进行了Lu-Hf同位素分析，分析结果详见表2。这些锆石颗粒在Lu-Hf同位素组成上表现出良好的均一性，具体表现为：176Yb/177Hf值为0.012372~0.020979， 176Lu/177Hf值为0.000411~0.000621，176Hf/177Hf值为0.282386~0.282457（平均值为0.282421）。且具有负的εHf（t）值（-10.6~-7.7；图4），锆石Hf同位素一阶段模式年龄为1874~1113 Ma，二阶段模式年龄为1874~1692 Ma。
3.2 主、微量元素分析
本次共对6个中三叠世辉石闪长岩样品和4个晚侏罗世辉长岩样品进行了全岩主微量元素分析，测试结果见表3。
表1开原地区中三叠世辉石闪长岩与晚侏罗世辉长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素定年结果
Table1LA-ICP-MS zircon U-Pb geochronological data for Middle Triassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbro from the Kaiyuan area
图3开原地区中三叠世辉石闪长岩（a）与晚侏罗世辉长岩（b）锆石U-Pb年龄谐和图及典型锆石阴极发光（CL）图像
Fig.3Zircon U-Pb concordia diagrams and representative cathodoluminescence (CL) images of Middle Triassic pyroxene diorite (a) and Late Jurassic gabbro (b) from the Kaiyuan area
表2开原地区中三叠世辉石闪长岩与晚侏罗世辉长岩锆石Hf同位素分析结果
Table2Zircon Hf isotope analysis results of Middle Triassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbro from the Kaiyuan area
中三叠世辉石闪长岩样品具有低SiO2（50.92%~54.46%）含量，富TFe2O3（8.75%~10.43%）和MgO（3.48%~4.31%）的特点。其Mg#指数为45，低于初生玄武质岩石的Mg#指数70（Dupuy et al.，1984）。中三叠世辉石闪长岩样品的Al2O3含量为17.93%~19.63%，CaO含量为6.46%~7.16%，TiO2含量为1.11%~1.40%。在TAS图解中，样品落在辉长岩至二长闪长岩范围内，结合镜下特征，暗色矿物以辉石为主，综合认为样品是辉石闪长岩（图5a）。它们相对富Na贫K，Na2O/K2O为2.34~4.32，在A-F-M图解（图5b）、Th-Yb图解（图5c）以及La-Yb图解（图5d）中，中三叠世辉石闪长岩样品归于钙碱性系列。在球粒陨石标准化稀土元素配分图中，样品具有轻稀土相对富集，重稀土元素相对平坦的特点（图6a）。（La/Yb）N 值为12.1~20.7，Eu异常（Eu/Eu*为0.99~1.27）和Ce异常（δCe=0.92~1.03）不明显。样品相对富集大离子亲石元素（如Rb、Ba等），亏损高场强元素（Nb、Ta等），与弧岩浆岩地球化学特征相似（图6b）。它们的相容元素Cr、Co、Ni含量相较于正常洋中脊玄武岩含量偏低，但与中国东部大陆地壳的含量相近（Patiňo Douce et al.，1997）。
表3开原地区中三叠世辉石闪长岩与晚侏罗世辉长岩主量元素（%）和微量元素（×10-6）分析结果
Table3Major (%) and trace element (×10-6) composition of Middle Triassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbro from the Kaiyuan area
图4开原地区中三叠世辉石闪长岩与晚侏罗世辉长岩锆石εHf（t）-年龄图解
Fig.4Diagram of zircon εHf (t) vs. age for Middle Triassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbro from the Kaiyuan area
相比于中三叠世辉石闪长岩，晚侏罗世辉长岩样品具有稍低的SiO2（49.25%~50.84%）含量，和稍高的TFe2O3（10.80%~11.66%）和MgO（4.47%~4.85%）含量。其Mg#指数较低（44.7~45.2），低于原生玄武质岩石的Mg#指数70（Dupuy et al.，1984）。这些样品的Al2O3含量为17.79%~18.40%，CaO含量为8.27%~8.85%，TiO2含量为1.40%~1.54%。晚侏罗世辉长岩样品相对富Na贫K，Na2O/K2O为2.92~3.50。在TAS 图图解上，主要落在辉长岩范围内（图5a），属于钙碱性岩石（图5c~d）。晚侏罗世辉长岩样品的稀土元素总量在104×10-6~124×10-6之间，平均值为114×10~6。在球粒陨石标准化微量元素图中（图6a），晚侏罗世辉长岩与中三叠世辉石闪长岩在地球化学特征上具有相似性，具体表现为轻稀土相对富集，（La/Yb）N=6.7~7.8，Eu异常（δEu = 0.91~0.98）和Ce异常（δCe = 0.98~1.03）不明显。样品显示出大离子亲石元素（如Rb、Ba等）相对富集，而在Nb、Ta、Zr、Hf等高场强元素上呈现亏损（图6b）。此外，相容元素Cr（~15×10-6）、Co（~29×10-6）、Ni（~13×10-6）含量远低于正常洋中脊玄武岩的水平。
图5开原地区中三叠世辉石闪长岩和晚侏罗世辉长岩地球化学分类图
Fig.5Geochemical classification diagrams of Middle Triassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbro from the Kaiyuan area
（a）—（Na2O+K2O）-SiO2图解（据Middlemost et al.，1994）；（b）—A-F-M图解（据Irvine et al.，1971）；（c）—Th-Yb图解（据Ross et al.，2009）；（d）—La-Yb图解（据Ross et al.，2009）
(a) — (Na2O+K2O) -SiO2 diagram (after Middlemost et al., 1994) ; (b) —A-F-M diagram (after Irvine et al., 1971) ; (c) —Th-Yb diagram (after Ross et al., 2009) ; (d) —La-Yb diagram (after Ross et al., 2009)
图6开原地区中三叠世辉石闪长岩和晚侏罗世辉长岩球粒陨石标准化稀土元素分配图（a） 与原始地幔标准化微量元素蛛网图（b）（标准化数值据Sun and McDonough，1989）
Fig.6Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (b) of Middle Trassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbro from the Kaiyuan area (normalized values after Sun and McDonough, 1989)
4 讨论
4.1 华北板块北缘中生代岩浆活动
受古亚洲洋和古太平洋板块作用的影响，华北克拉通北缘辽北开原、法库和清原地区以及吉林中南部广泛发育大量晚古生代—中生代岩浆活动（表4）。华北克拉通北缘的中三叠世基性岩浆活动包括：开原地区三叠纪辉长岩（246~24 1Ma; 陈井胜等，2022）、辽北地区五龙山正长岩（247±1.3 Ma; 时溢等，2022a）、辽北地区红土砬子辉长岩（245.4±5.4 Ma; 时溢等，2022a）。上述岩石均与本文的中三叠世辉石闪长岩年龄一致，且均具有相似的地球化学特征，表明在华北板块北缘东段辽北—吉南地区存在一条近东西向展布的中三叠世基性岩浆岩带。华北克拉通东北部侏罗纪岩浆活动包括延边地区埃达克质岩石（~180 Ma; 张超，2014）、吉中地区花岗闪长岩（176 Ma; 李梦琪，2023）和吉林东部苏长岩（187 Ma; Guo Feng et al.，2015）、辽北法库地区辉长苏长岩（163.8±2.4 Ma; 段东，2023）和石英闪长岩（169.2±2.2 Ma; 段东，2023）、开原八棵树—营厂地区早—晚侏罗世二长花岗岩和碱长花岗岩（180~156 Ma; Liu Jin et al.，2018）等。本文在开原地区发现的晚侏罗世辉长岩，与华北板块东北部已报道的晚侏罗世岩浆活动的年龄一致。上述侏罗纪岩浆岩均具有弧相关的地球化学特征，指示华北克拉通东北缘在侏罗纪受到了古太平洋俯冲的影响。
4.2 源区性质与岩石成因
4.2.1 中三叠世辉石闪长岩
中三叠世辉石闪长岩样品表现为低Si、富Mg和Fe、富集轻稀土（LREE）和大离子亲石元素（LILEs），而重稀土元素（HREE）和高场强元素（HFSEs）（如Nb、Ta等）相对亏损。此外无明显Eu异常（1.11），暗示其地幔源区岩浆特征。在Nb/La-La/Yb图解上（图7a），中三叠世辉石闪长岩岩浆来源于岩石圈地幔，锆石Lu-Hf同位素中显著的负εHf（t）值（-14.7~-8.9）表明其母岩浆来源于富集岩石圈地幔。中三叠世辉石闪长岩样品具有LREE/HREE比值高且Yb含量低的特征，指示其源区有石榴子石残留。Sm/Yb-La/Sm图解（图7b）表明中三叠世辉石闪长岩可能源自尖晶石-石榴子石二辉橄榄岩经历了1%~2%的部分熔融。样品在原始地幔归一图解中表现出Nb、Ta负异常（图6b），与典型的弧火成岩地球化学特征相似，表明岩石圈地幔受到俯冲相关物质交代作用（Baier et al.，2008）。岩石的微量元素地球化学特征通常被用于指示样品是否受到地壳混染和俯冲带交代作用等因素的影响。中三叠世辉石闪长岩样品的Nb/U（平均=30.6）和Ta/U（平均=1.8）比值均低于MORB和OIB的平均值（Nb/U: 47，Ta/U: 2.7; Hofmann et al.，1988）以及高于典型地壳的平均值（Nb/U: 12.1，Ta/U: 1.1; McLennan et al.，1995），可据此推断中三叠世辉石闪长岩形成过程中受到地壳污染较明显，同时样品随着MgO含量的减少，SiO2和Al2O3含量增加，TiO2、CaO、TFe2O3含量减少，暗示其母岩浆在演化过程中存在辉石、橄榄石、含钛氧化物以及角闪石的分离结晶作用（图8）。在俯冲作用下，俯冲带上方岩石圈地幔楔的化学组成可以被改造，主要改造方式为俯冲过程中蚀变洋壳或俯冲沉积物脱水产生的流体或者熔体与地幔橄榄岩发生交代作用。当发生熔体交代作用时，岩浆通常会展现出较高的Zr/Hf（＞38）比值，并伴随Zr、Hf正异常现象。中三叠世辉石闪长岩具有较高的Zr/Hf比值（平均=43.3），以及较明显的Zr、Hf正异常现象，这些特征显示其源区受到熔体交代，这一结果与Th/Zr-Nb/Zr以及Nb/Y-Rb/Y图解（图9）中显示的熔体交代趋势相吻合。综上所述，开原地区中三叠世辉石闪长岩的源岩是经历了熔体交代作用富集型岩石圈地幔。其母岩浆起源于尖晶石-石榴子石二辉橄榄岩的1%~2%部分熔融，并在岩浆上升过程中受到分离结晶作用的影响。
图7开原地区中三叠世辉石闪长岩和晚侏罗世辉长岩的岩浆源区判别图解
Fig.7Magma source discrimination diagrams of Middle Triassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbro from the Kaiyuan area
（a）—Nb/La-La/Yb图解（据Smith et al.，1999）;（b）—Sm/Yb-La/Sm图解（据Zhao Junhong et al.，2007）
(a) —Nb/La-La/Yb diagram (after Smith et al., 1999) ; (b) —Sm/Yb-La/Sm diagram (after Zhao Junhong et al., 2007)
4.2.2 晚侏罗世辉长岩
晚侏罗世辉长岩样品表现为富集轻稀土（LREE）和大离子亲石元素（LILEs），同时亏损重稀土元素（HREE）和高场强元素（HFSEs）（如Nb、Ta、Zr、Hf等），这些特征符合岛弧岩浆特征（Peate et al.，1998）。然而，地壳混染也可能导致具备岛弧岩浆的特征，La/Sm比值可以界定受到地壳混染的强度，一般认为La/Sm＞4.5受到地壳混染较强，样品La/Sm比值（平均=3.37）较低，表明受到地壳混染影响较弱。在哈克图解中（图8），晚侏罗世辉长岩部分元素含量与MgO呈线性相关关系表明岩浆演化经历了一定程度的分离结晶作用，MgO与Cr、SiO2、Al2O3呈负相关关系，与Co、CaO、K2O、TiO2、TFe2O3呈正相关关系，表明发生了辉石、橄榄石、含钛氧化物以及角闪石的分离结晶作用。晚侏罗世辉长岩样品Lu/Yb（0.14~0.15）、Nb/Ta（13.0）比值与幔源岩浆平均值相近（0.14~0.15、17.5）。此外Rb/Sr比值在0.02~0.03之间，与幔源岩浆Rb/Sr比值通常小于0.05相对应。在Nb/La-La/Yb图解上（图7a），晚侏罗世辉长岩样品落入岩石圈地幔范围内，指示其母岩浆源自岩石圈地幔的部分熔融。样品显著的负εHf（t）值（-10.6~-7.7）进一步表明岩石圈地幔为富集地幔。在Sm/Yb-La/Sm图解中（图7b），样品主要分布在尖晶石-石榴子石二辉橄榄岩4%~5%部分熔融附近。此外，较低的Rb/Y、Nb/Zr和较高的Th/Zr、Nb/Y比值指示样品源区富集地幔经历了俯冲流体交代（图9）。综上所述，晚侏罗世辉长岩起源于受俯冲板片流体交代的富集地幔楔部分熔融形成的玄武质岩浆，而后经历了一定程度的结晶分异作用。
图8开原地区中三叠世辉石闪长岩和晚侏罗世辉长岩的哈克图解
Fig.8Harker variation diagrams of Middle Triassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbro from the Kaiyuan area
图9开原地区中三叠世辉石闪长岩和晚侏罗世辉长岩Rb/Y-Nb/Y图解（a，据Woodhead et al.，2001）和Nb/Zr-Th/Zr图解（b，据Zhao Junhong et al.，2007）
Fig.9Rb/Y-Nb/Y diagram (a, after Woodhead et al., 2001) and Nb/Zr-Th/Zr diagram (b, after Zhao Junhong et al., 2007) of Middle Triassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbro from the Kaiyuan area
4.3 构造意义
中三叠世辉石闪长岩的Th/Yb＞0.1、Th/Nb＞0.07、Nb/La＜0.8、Hf/Th＜8，符合岛弧火山岩的特征（Condie et al.，2002）。在构造环境判别图解中（图10），中三叠世辉石闪长岩样品多落在岛弧岩浆岩范围内。同时在La/Yb-Th/Yb图解中（图9b），中三叠世辉石闪长岩样品落在大陆弧区域，具有弧相关特征，该类岩石往往来源于与俯冲作用有关的交代岩石圈地幔或受到早期俯冲事件影响而保存了富集型地球化学特点的岩石圈地幔（Yuan Wei et al.，2015）。地壳岩石及壳源熔体往往具有亏损Nb和Ta的地球化学特征（Thompson et al.，1997），导致受到壳源物质混染的亏损地幔源区岩浆也会具有弧岩浆的地球化学特点。根据上文对中三叠世岩石成因的讨论，样品可能受到了壳源物质的混染，但非常低的锆石εHf（t）值（-14.7~-8.9）表明源区与受壳源物质混染的源自亏损地幔源区的基性岩浆不同，综合认为中三叠世辉石闪长岩更可能源自长期受到壳源熔体交代的富集型地幔。因此，受古亚洲洋板片俯冲作用的影响，开原地区的岩石圈地幔在中三叠世时已具有富集岩石圈地幔的特点。华北板块北缘东段晚古生代岩浆活动和变质作用的年代学研究表明，该地区古亚洲洋最终闭合的时间在二叠纪晚期—三叠纪早期（Liu Jin et al.，2020），随后的碰撞后造山作用一直持续到晚三叠世早期（张超，2014; 时溢，2022a; Shi Yi et al.，2022b; Guan Qingbin et al.，2022; 段东，2023），碰撞后造山阶段该地区整体处于伸展环境（时溢，2020）。Shi Yi et al.（2019）认为在中三叠世（~242 Ma），辽北开原地区由于古亚洲洋俯冲板块发生了拆离作用而形成伸展构造背景，开原地区相邻的辽北法库地区发现的中三叠世早期A型花岗岩也证实了这一俯冲板片拆离过程（时溢，2020; Xue Jixiang et al.，2023）。此外，在辽北开原和法库地区还发育了中三叠世的“双峰式”岩石组合，包括开原地区的243~241 Ma辉长岩与流纹岩/二长花岗岩和法库地区的241 Ma辉长岩和花岗闪长岩（Zhang Xiaohui et al.，2009; Wu Fuyuan et al.，2011; 时溢，2020; 陈井胜等，2022）。这些双峰式岩浆岩组合表明研究区在中三叠世（243~240 Ma）期间整体处于伸展拉张环境。综上所述，本文认为开原地区在中三叠世时已经进入了碰撞造山后伸展阶段，可能与俯冲板片的拆离作用有关。
表4华北板块北缘东段中生代岩浆活动年代学数据汇总
Table4Summary of Mesozoic magmatism geochronological data for the eastern section of the northern margin of the North China Plate
图10开原地区中三叠世辉石闪长岩和晚侏罗世辉长岩的构造环境判别图解
Fig.10Tectonic setting discrimination diagrams of Middle Triassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbro from the Kaiyuan area
（a）—Th-Hf/3-Ta图解（据Wood et al.，1979）;（b）—Th-Hf/3-Nb/16图解（据Wood et al.，1979）;（c）—Th-Zr/117-Nb/16图解（据Wood et al.，1979）;（d）—La/Yb-Th/Yb图解（据Pearce，1982）
(a) —Th-Hf/3-Ta diagram (after Wood et al., 1979) ; (b) —Th-Hf/3-Nb/16 diagram (after Wood et al., 1979) ; (c) —Th-Zr/117-Nb/16 diagram (after Wood et al., 1979) ; (d) —La/Yb-Th/Yb diagram (after Pearce, 1982)
前人根据弧相关的岩石组合认为在早侏罗世古太平洋构造域就已经开始影响华北克拉通东部（张超，2014; Guo Feng et al.，2015; 李梦琪，2023）。本文的晚侏罗世辉长岩具有亏损Nb、Ta的地球化学特征并在构造环境判别图解中样品均分布于岛弧环境（图6、10），表明晚侏罗世辉长岩形成于活动大陆边缘弧环境，与古太平洋板块向华北板块之下俯冲作用有关。这一观点也得到如下证据支持：① 吉林东部地区发现的早侏罗世亚碱性和中高钙碱性岩石（二长花岗岩、花岗闪长岩、流纹岩、闪长岩、辉长岩）呈现弧相关的地球化学特征，指示在早侏罗世时受到古太平洋板块俯冲作用影响（Guan Qingbin et al.，2022）；② 在辽北清原地区发现的中侏罗世中基性、酸性侵入岩（段东，2023）被认为是古太平洋持续俯冲的产物，表明其形成与俯冲作用相关的活动大陆边缘构造环境有关；③ 李梦琪（2023）在索伦-西拉木伦-长春-延吉缝合带附近发现大量早—中侏罗世具有岛弧性质的花岗岩；④ 辽北开原地区分布大面积的与地壳加厚有关的侏罗纪（180~156 Ma）埃达克质花岗岩，指示该区早—晚侏罗世受到古太平洋板块俯冲作用的影响（刘锦，2017；Liu Jin et al.，2018）。本文的晚侏罗世辉长岩源自受流体改造的富集岩石圈地幔的部分熔融，也证实研究区经历了古太平洋板块俯冲的改造。综上所述，研究区晚侏罗世辉长岩形成于古太平洋板块俯冲相关的活动大陆边缘弧环境，由流体交代的岩石圈地幔楔部分熔融形成基性岩浆，其岩浆底侵作用导致中—下地壳发生部分熔融，致使广泛的侏罗纪花岗质岩浆的形成。
5 结论
（1）通过LA-ICP-MS锆石U-Pb分析，华北板块北缘开原地区八棵树辉石闪长岩形成于中三叠世（243±1 Ma），大三家子辉长岩形成于晚侏罗世（160±1 Ma）。
（2）中三叠世辉石闪长岩和晚侏罗世辉长岩的母岩浆均起源于富集型地幔。中三叠世辉石闪长岩的地幔源区受熔体改造，其由尖晶石-石榴子石二辉橄榄岩发生1%~2%的低程度部分熔融而成，与古亚洲洋最终闭合后的碰撞后伸展背景有关；而晚侏罗世辉长岩则起源于受流体改造的富集地幔，其形成于古太平洋板块俯冲下的活动大陆边缘弧构造环境，由尖晶石-石榴子石二辉橄榄岩发生4%~5%的低程度部分熔融而成。
图1中亚造山带东段构造单元（a，据Liu Yongjiang et al.，2017）和开原地区地质简图（b，据刘锦，2017修改）
Fig.1Tectonic units of the eastern Central Asian Orogenic Belt (a, after Liu Yongjiang et al., 2017) and geological sketch map of the Kaiyuan area (b, modified from Liu Jin, 2017)
图2开原地区中三叠世辉石闪长岩和晚侏罗世辉长岩典型露头野外照片与样品镜下显微照片
Fig.2Field photographs of typical outcrops and microscopic thin-section images of Middle Triassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbro from the Kaiyuan area
图3开原地区中三叠世辉石闪长岩（a）与晚侏罗世辉长岩（b）锆石U-Pb年龄谐和图及典型锆石阴极发光（CL）图像
Fig.3Zircon U-Pb concordia diagrams and representative cathodoluminescence (CL) images of Middle Triassic pyroxene diorite (a) and Late Jurassic gabbro (b) from the Kaiyuan area
图4开原地区中三叠世辉石闪长岩与晚侏罗世辉长岩锆石εHf（t）-年龄图解
Fig.4Diagram of zircon εHf (t) vs. age for Middle Triassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbro from the Kaiyuan area
图5开原地区中三叠世辉石闪长岩和晚侏罗世辉长岩地球化学分类图
Fig.5Geochemical classification diagrams of Middle Triassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbro from the Kaiyuan area
图6开原地区中三叠世辉石闪长岩和晚侏罗世辉长岩球粒陨石标准化稀土元素分配图（a） 与原始地幔标准化微量元素蛛网图（b）（标准化数值据Sun and McDonough，1989）
Fig.6Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (b) of Middle Trassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbro from the Kaiyuan area (normalized values after Sun and McDonough, 1989)
图7开原地区中三叠世辉石闪长岩和晚侏罗世辉长岩的岩浆源区判别图解
Fig.7Magma source discrimination diagrams of Middle Triassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbro from the Kaiyuan area
图8开原地区中三叠世辉石闪长岩和晚侏罗世辉长岩的哈克图解
Fig.8Harker variation diagrams of Middle Triassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbro from the Kaiyuan area
图9开原地区中三叠世辉石闪长岩和晚侏罗世辉长岩Rb/Y-Nb/Y图解（a，据Woodhead et al.，2001）和Nb/Zr-Th/Zr图解（b，据Zhao Junhong et al.，2007）
Fig.9Rb/Y-Nb/Y diagram (a, after Woodhead et al., 2001) and Nb/Zr-Th/Zr diagram (b, after Zhao Junhong et al., 2007) of Middle Triassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbro from the Kaiyuan area
图10开原地区中三叠世辉石闪长岩和晚侏罗世辉长岩的构造环境判别图解
Fig.10Tectonic setting discrimination diagrams of Middle Triassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbro from the Kaiyuan area
表1开原地区中三叠世辉石闪长岩与晚侏罗世辉长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素定年结果
Table1LA-ICP-MS zircon U-Pb geochronological data for Middle Triassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbro from the Kaiyuan area
表2开原地区中三叠世辉石闪长岩与晚侏罗世辉长岩锆石Hf同位素分析结果
Table2Zircon Hf isotope analysis results of Middle Triassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbro from the Kaiyuan area
表3开原地区中三叠世辉石闪长岩与晚侏罗世辉长岩主量元素（%）和微量元素（×10-6）分析结果
Table3Major (%) and trace element (×10-6) composition of Middle Triassic pyroxene diorite and Late Jurassic gabbro from the Kaiyuan area
表4华北板块北缘东段中生代岩浆活动年代学数据汇总
Table4Summary of Mesozoic magmatism geochronological data for the eastern section of the northern margin of the North China Plate
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