內(nèi)蒙古北山地區(qū)三個(gè)井輝長巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡及地球化學(xué)特征

陳海東， 高勇， 何國強(qiáng)， 邱錦雄， 魯寧

(1.內(nèi)蒙古地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，呼和浩特 010010; 2.錫林郭勒應(yīng)急管理局，錫林浩特 026000)

0 引言

內(nèi)蒙古北山地區(qū)位于中亞造山帶南緣中段，是西伯利亞、塔里木和哈薩克斯坦3大板塊的交匯部位，是研究古亞洲洋最終閉合過程的重要區(qū)域[1-3]。由于其復(fù)雜的構(gòu)造背景，構(gòu)造演化一直存在不同的認(rèn)識(shí)，尤其對(duì)古亞洲洋的閉合時(shí)限與閉合位置存在不同的認(rèn)識(shí)。楊合群等[4]認(rèn)為以紅柳河—牛圈子—洗腸井蛇綠巖帶代表早古生代板塊縫合帶； 左國朝等[5]認(rèn)為以明水—石板井—小黃山縫合帶為界，將早古生代北山地區(qū)分為北部哈薩克斯板塊和南部塔里木板塊； 劉雪亞等[6]認(rèn)為由北向南分別以紅石山—黑鷹山斷裂帶和柳園—大奇山斷裂帶為界，劃分為西伯利亞、哈薩克斯坦和塔里木板塊； 龔全勝等[2]、何世平等[7]認(rèn)為以紅石山—百合山—蓬勃山蛇綠混雜巖帶為界，將北山地區(qū)由北向南劃分為哈薩克斯坦板塊和塔里木板塊。因此，對(duì)北山地區(qū)巖漿巖的形成時(shí)代、巖石地球化學(xué)特征和構(gòu)造環(huán)境等方面研究，有助于對(duì)北山地區(qū)構(gòu)造演化及大地構(gòu)造歸屬等問題的認(rèn)識(shí)。筆者在1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，以內(nèi)蒙古北山地區(qū)三個(gè)井輝長巖為研究對(duì)象，通過年代學(xué)、巖石學(xué)和地球化學(xué)特征的分析，揭示三個(gè)井輝長巖的形成時(shí)代、巖石成因及形成的構(gòu)造環(huán)境，這將對(duì)研究北山地區(qū)晚古生代構(gòu)造演化史提供基本依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

在中亞造山帶中南緣的北山地區(qū)，前人認(rèn)為從北向南分布著4條蛇綠巖帶，依次為紅石山—百合山—蓬勃山、岌岌臺(tái)子—小黃山、紅柳河—牛圈子—洗腸井和輝銅山—賬房山[4]。研究區(qū)位于紅石山—百合山—蓬勃山蛇綠巖帶和岌岌臺(tái)子—小黃山蛇綠巖帶之間的東段(圖1)，額濟(jì)納旗三個(gè)井南12 km處。區(qū)內(nèi)出露地層為古元古界北山巖群，巖性為黑云母片巖、石英巖、黑云變粒巖、含石榴黑云石英片巖和大理巖。侵入巖極為發(fā)育，主要有呈巖基產(chǎn)出的早志留世弱片麻狀黑云石英閃長巖和呈巖株、巖脈產(chǎn)出的早泥盆世二長花崗巖、黑云母花崗閃長巖、輝長巖。野外露頭上，輝長巖呈多個(gè)不規(guī)則的巖株產(chǎn)出，總體呈近EW向展布，總出露面積約2.2 km2。輝長巖體內(nèi)部多見黑云母花崗閃長巖脈體侵入，另外見幾處不規(guī)則狀灰白色斜長巖脈體，規(guī)模較小(0.5 m×2 m)。輝長巖侵入早志留世黑云石英閃長巖，被早泥盆世二長花崗巖、黑云母花崗閃長巖侵入(圖2)。輝長巖呈灰綠色，輝長結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石主要由輝石和斜長石組成。巖石中斜長石多數(shù)2～5 mm，呈半自形板狀、柱狀，部分5～8 mm，少數(shù)1～2 mm，比較干凈，發(fā)育聚片雙晶，為拉長石，含量60%左右； 普通輝石0.5～3 mm，呈柱狀或柱粒狀，多數(shù)發(fā)生強(qiáng)烈次閃石化，含量40%左右，綠簾石少量。

圖1 北山蛇綠巖帶分布(左)及三個(gè)井地區(qū)地質(zhì)簡圖(右)[4]Fig.1 Distribution of ophiolites in Beishan area(left) and geological sketch of Sangejing area(right)[4]

(a) 輝長巖手標(biāo)本特征 (b) 輝長巖體中不規(guī)則狀灰白色 (c) 黑云母花崗閃長巖侵入輝長巖的接觸關(guān)系

圖2 輝長巖野外露頭和手標(biāo)本特征

Fig.2Photosoffieldoutcropsandhandpickfeaturesofthegabbro

2 分析方法

鋯石挑選工作在河北省區(qū)域礦產(chǎn)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室完成，將所取的樣品粉碎至80～100目，用常規(guī)的重液浮選和電磁分離方法進(jìn)行分選后，再在雙目鏡下挑選出晶形和透明度較好的鋯石顆粒。將樣品鋯石置于環(huán)氧樹脂中，待固結(jié)后拋磨至鋯石粒徑的大約二分之一，使鋯石內(nèi)部充分暴露，然后進(jìn)行鋯石反射光、透射光和陰極發(fā)光(CL)顯微照相。在天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行LA-ICP-MS鋯石微區(qū)U-Pb定年。測試點(diǎn)的選取首先根據(jù)鋯石反射光和透射光照片進(jìn)行初選，再與CL照片反復(fù)對(duì)比，力求避開內(nèi)部裂隙和包裹體，以獲得較準(zhǔn)確的年齡信息。分析測試使用儀器為Neptune多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀和193 nm激光取樣系統(tǒng)(LA-MC-ICP-MS)。激光剝蝕的斑束為35 μm，能量密度為13～14 J/cm2，頻率為8～10 Hz，激光剝蝕物質(zhì)以He為載氣送入Neptune(MC-ICP-MS)。樣品處理、詳細(xì)流程及數(shù)據(jù)處理見參考文獻(xiàn)[8]。

樣品主量元素和微量元素分析由河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室完成。主量元素用X射線熒光光譜儀(Axiosmax)分析，微量元素用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(X-serise 2)分析，相對(duì)誤差小于5%。

3 測試結(jié)果

3.1 LA-ICP-MS 鋯石U-Pb年齡

三個(gè)井輝長巖(樣品D6003)中的鋯石的結(jié)晶程度較好，大多數(shù)呈無色透明的長柱粒狀自形—半自形晶體，在陰極發(fā)光圖像(圖3)上可見明顯的巖漿震蕩和生長環(huán)帶，具典型的巖漿鋯石特征[9]。對(duì)隨機(jī)挑選的24粒鋯石進(jìn)行LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年，分析結(jié)果見表1。其中繼承鋯石3個(gè)測點(diǎn)，可能是捕獲的基底古元古界北山巖群的鋯石，鋯石邊部渾圓，206Pb/238U的年齡在654～1 429 Ma之間，5個(gè)測點(diǎn)206Pb/238U的年齡在328～387 Ma之間，可能是侵位后所受到的構(gòu)造熱事件的影響，另外3個(gè)測點(diǎn)諧和度低。在年齡計(jì)算中，這11個(gè)測點(diǎn)年齡被剔除，其余13個(gè)測點(diǎn)鋯石U-Pb年齡諧和度高，在諧和圖上樣品基本都集中在諧和線上(圖4)，206Pb/238U年齡集中在400～409 Ma之間，加權(quán)平均年齡為(404.9 ±1.6)Ma(MSWD=1.00)，解釋為巖漿結(jié)晶年齡。

圖3 三個(gè)井輝長巖的鋯石陰極發(fā)光圖像Fig.3 Cathodoluminescence images of zircon of Sangejing gabbro

表1 三個(gè)井輝長巖LA-ICP-MS 鋯石U-Pb分析結(jié)果

注：帶刪除線的數(shù)據(jù)為年齡計(jì)算中剔除部分。

3.2 巖石地球化學(xué)特征

三個(gè)井輝長巖樣品的地球化學(xué)測試結(jié)果列于表2。SiO2含量為49.62%～50.83%，全堿含量低，w(K2O+Na2O)為2.40%～3.01%，在TAS圖解(圖5)上投于亞堿性輝長巖區(qū)域，為亞堿性系列基性巖。在AFM圖解(圖6)中投于鈣堿系列，里特曼指數(shù)(σ)為0.87～1.16(<3.3)，屬于鈣堿性。Al2O3含量為18.99%～21.12%(大于17%)，劃入高鋁玄武巖類，而高鋁玄武巖目前僅限于俯沖帶相關(guān)環(huán)境，即島弧和活動(dòng)陸緣[10]。

表2 三個(gè)井地區(qū)輝長巖主量元素、微量元素分析結(jié)果

Ir.分界線，上方為堿性，下方為亞堿性; 1.橄欖輝長巖； 2a.堿性輝長巖； 2b.亞堿性輝長巖； 3.輝長閃長巖； 4.閃長巖； 5.花崗閃長巖； 6.花崗巖； 7.硅英巖； 8.二長輝長巖； 9.二長閃長巖； 10.二長巖； 11.石英二長巖； 12.正長巖； 13.副長石輝長巖； 14.副長石二長閃長巖； 15.副長石二長正長巖； 16.副長正長巖； 17.副長深成巖； 18.霓方鈉巖/磷霞巖/粗白榴巖

圖5 SiO2-K2O+Na2O圖解

Fig.5SiO2-K2O+Na2Odiagram

CA.鈣堿系列； TH.拉斑系列

樣品中稀土總量(∑REE)較低，在36.54×10-6～50.23×10-6之間。在稀土球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線圖(圖7)上，配分曲線明顯右傾斜，為輕稀土富集型，輕、重稀土分餾明顯，(La/Yb)N為7.16～9.07，明顯的銪正異常，δEu值在1.65～1.66之間。

圖7 輝長巖的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土分配模式(底圖據(jù)文獻(xiàn)[11])Fig.7 Chondrite normalized REE distribution patterns of the gabbro(according to the reference[11])

從微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(圖8)可以看出，大離子親石元素Rb、Ba、K和Sr明顯富集，而高場強(qiáng)元素Ta、Nb和元素P虧損明顯。大離子親石元素的富集和Ta、Nb虧損是島弧火成巖突出的地球化學(xué)特征[11-15]。

圖8 輝長巖的原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(底圖據(jù)文獻(xiàn)[11])Fig.8 Primitive mantle normalized spider diagram of the gabbro(according to the references[11])

4 討論

研究區(qū)出露大量的巖漿巖，鄧晉福等[16]將該區(qū)的構(gòu)造巖漿系統(tǒng)劃為公婆泉?dú)埩艋?。高勇等[17]以公路井—三個(gè)井韌性剪切帶作為明水巖漿弧與公婆泉島弧的構(gòu)造邊界，在該韌性剪切帶以北的明水巖漿弧中主要出露石炭紀(jì)—早二疊世火成巖[18-19]，而在剪切帶以南主要出露奧陶紀(jì)—早泥盆世巖漿巖[20]。本次研究的三個(gè)井輝長巖體位于該剪切帶南側(cè)，距剪切帶約12 km。輝長巖鋯石U-Pb定年獲得加權(quán)平均年齡為(404.9±1.6) Ma，表明該巖體的侵位結(jié)晶年齡為早泥盆世。

三個(gè)井輝長巖體具有顯著的Sr、Ba正異常(這是由于Sr、Ba在斜長石中的分配系數(shù)較大)，顯著的Eu正異常(δEu為1.65～1.66)和較高的Mg#值(78～79)，暗示巖漿發(fā)生了結(jié)晶分離，存在斜長石的堆晶作用[21]，這與輝長巖巖體中出露不規(guī)則脈狀灰白色斜長巖的地質(zhì)現(xiàn)象相符。該輝長巖屬高鋁玄武巖系列(Al2O3含量大于17%)，而高鋁玄武巖類巖漿來源都與俯沖帶有關(guān)[10]。Zr/Hf比值為23.9～27.9，Nb/Ta比值為10.4～11.1，其較為接近大陸殼(Zr/Hf=33，Nb/Ta=11)，而低于洋中脊玄武巖的值(Zr/Hf=36.1，Nb/Ta=17.7)[11]，表明巖漿在上升過程中可能受到地殼物質(zhì)的混染。巖石輕稀土富集，明顯富集大離子親石元素Rb、Ba、K和Sr，而明顯虧損高場強(qiáng)元素Ta、Nb和元素P，顯示了島弧火成巖的地球化學(xué)特征[11-15]。其主量元素和微量元素特征均反映與俯沖帶巖漿弧關(guān)系密切。在2Nb-Zr/4-Y圖解(圖9(a))中，數(shù)據(jù)點(diǎn)均投到板內(nèi)拉斑玄武巖和火山弧玄武巖的區(qū)域，在Th/Yb-Nb/Yb圖解(圖9(b))中均投影在火山弧區(qū)域，進(jìn)一步說明三個(gè)井輝長巖的巖漿來源與俯沖帶相關(guān)。

宋泰忠等[22]通過對(duì)小黃山蛇綠巖進(jìn)行地球化學(xué)分析，認(rèn)為其是弧后擴(kuò)張時(shí)的產(chǎn)物，形成時(shí)代為晚寒武世—早奧陶世。王國強(qiáng)等[23]認(rèn)為紅石山蛇綠巖中的玄武巖顯示類似MORB型玄武巖的地球化學(xué)特征，依據(jù)蛇綠巖中的輝長巖年齡，認(rèn)為該蛇綠巖形成時(shí)代為早石炭世。鄧晉福等[16]認(rèn)為紅石山蛇綠巖帶具南北雙向俯沖的特征，往西延伸通過康古爾，往東延伸進(jìn)入蒙古國境內(nèi)(前人認(rèn)為向東延伸至蓬勃山一帶，而近些年在蓬勃山一帶完成的1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中未發(fā)現(xiàn)蛇綠巖的存在)，該條蛇綠巖帶代表了最晚消失的洋。

(a) 2Nb-Zr/4-Y圖解 (b) Th/Yb-Nb/Yb圖解

A1.板內(nèi)堿性玄武巖； A2.板內(nèi)堿性玄武巖和板內(nèi)拉斑玄武巖； B.E-MORB； C.板內(nèi)拉斑玄武巖和火山弧玄武巖； D.N-MORB和火山弧玄武巖； N-MORB.正常型洋中脊玄武巖； E-MORB.富集型洋中脊玄武巖； OIB.洋島玄武巖

圖9 輝長巖微量元素構(gòu)造環(huán)境判別圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[11-12])

Fig.9Diagramsoftectonicsettingsoftraceelementsforthegabbro(accordingtothereferences[11-12])

綜上所述，在北山地區(qū)，沿紅石山一帶的主洋盆向南俯沖的早期，形成了公婆泉巖漿弧，時(shí)代為奧陶紀(jì)—早泥盆世，三個(gè)井輝長巖可能是該構(gòu)造環(huán)境下的產(chǎn)物。晚期形成了明水巖漿弧，時(shí)代為早石炭世—早二疊世[18-19]。其后二者在公路井—三個(gè)井一帶碰撞對(duì)接在一起。

5 結(jié)論

(1)北山地區(qū)三個(gè)井輝長巖的LA-ICP-MS鋯石U-Pb加權(quán)平均年齡為(404.9 ±1.6)Ma，該年齡代表了輝長巖的形成時(shí)代，為早泥盆世。

(2)三個(gè)井輝長巖屬高鋁玄武巖系列，具有明顯富集大離子親石元素Rb、Ba、K和Sr，而明顯虧損高場強(qiáng)元素Ta、Nb和元素P的特征，主微量元素特征均顯示巖漿在上升過程中可能受到地殼物質(zhì)的混染，其構(gòu)造環(huán)境與俯沖帶相關(guān)。該輝長巖可能是沿紅石山一帶的主洋盆向南俯沖早期的產(chǎn)物。