大興安嶺科右中旗地區(qū)閃長玢巖年代學、地球化學及構造背景

王強，和鐘鏵，薛吉祥

吉林大學 地球科學學院，長春 130061

0 引言

興蒙造山帶在古生代期間主要受古亞洲洋構造域演化的影響和控制，經歷了額爾古納地塊、興安地塊和松嫩地塊等微陸塊的拼貼和縫合[1--2]；中生代以來受蒙古—鄂霍茨克洋和古太平洋構造體系的疊加影響，發(fā)育大量顯生宙火成巖。很多學者對大興安嶺顯生宙火成巖進行了巖石學、全巖地球化學、年代學及同位素地球化學等綜合研究，通過高精度鋯石U--Pb定年建立了較為完善的年代學格架[3--8]，借助巖石地球化學和同位素分析探討了火成巖成因及形成構造環(huán)境[9--13]，這些成果對探討“興蒙造山帶”的構造演化具有重要的意義。但是，前人的研究主要集中于花崗質巖石和火山巖的研究，鮮有對大興安嶺閃長質巖石的詳細研究[14]。研究區(qū)位于內蒙古科右中旗地區(qū)，處于大興安嶺中南段典型的錫--鎢--銅--鉛--鋅--銀多金屬成礦帶。廣泛發(fā)育的閃長質巖石與成礦關系十分密切，如研究區(qū)南部的蓮花山銅礦、鬧牛山銅礦等出露閃長玢巖、花崗閃長斑巖和次火山巖英安巖等，其中，閃長玢巖是主要的賦礦圍巖[15]。另外研究區(qū)發(fā)現的烏塔其嘎查銅礦化點、哈本扎拉格(道門烏拉)銅礦化點等均與閃長玢巖有關(1)和鐘鏵，馬瑞，楊德明，等．內蒙古1∶5萬寶日根、巴仁哲里木、坤都冷幅區(qū)域地質調查報告[R]．長春：吉林大學地質調查研究院，2013：64--67．。因此對研究區(qū)閃長玢巖年代學、地球化學及其成因的研究不僅是對“興蒙造山帶”的構造演化的完善和補充，而且對于尋找銅及錫--鎢--銀多金屬礦均有一定意義。

1 地質背景及巖石學特征

大興安嶺地區(qū)位于中亞造山帶的東段，由西向東由額爾古納地塊、興安地塊和松嫩地塊3個微陸塊構成。研究區(qū)位于松嫩地塊北部，其北側為賀根山—黑河斷裂。南部為西拉木倫河斷裂(圖1a)，區(qū)內主要發(fā)育上侏羅統滿克頭鄂博組(J3m)和下白堊統瑪尼吐組(K1mn)，白音高老組(K1b)和梅勒圖組(K1m)，其中滿克頭鄂博組流紋巖主要形成于162～142 Ma，瑪尼吐組安山巖主要形成于138～131 Ma，白音高老組流紋巖主要形成于130～121 Ma，梅勒圖組安山巖的年齡在121～100 Ma之間①。晚古生代地層僅見有零星的中二疊世大石寨組(P2d)和晚二疊世林西組(P3l)出露，與晚中生代火山巖地層多呈斷層接觸，或被其不整合覆蓋。區(qū)內廣泛分布有燕山期中酸性巖石，但規(guī)模不大，多呈巖脈或巖株產出，特別是閃長玢巖巖脈(株)及巖墻等，多達數百條，在地質圖上標出來的有200余條；其次為花崗斑巖(株)脈、花崗閃長斑巖(株)脈及花斑巖脈等，而輝綠巖脈則比較少見。閃長玢巖(株)脈沿北東向裂隙貫入，少數為北西向及近南北向展布，空間上各個方向的閃長玢巖脈均呈“之”型延伸(圖2a)，且一組近垂直節(jié)理發(fā)育，地貌上多呈陡峻的山脊(圖2b)，其規(guī)模不大，一般只有幾米寬，長約幾十米至幾百米；其中較大的長約0.5～3.3 km，寬約50～300 m。它們大多切穿了晚侏羅世—早白堊世火山巖地層，表明其時代應屬早白堊世及以后，為燕山運動末期的產物。

閃長玢巖呈斑狀結構，根據斑晶輝石、角閃石、黑云母及石英含量的變化在鏡下可細分為輝石閃長玢巖、角閃閃長玢巖、黑云母閃長玢巖及石英閃長玢巖。本文以測年樣品BB5235為例對其進行描述(圖2c、d)，該巖石呈斑狀結構，塊狀構造，基質為半自形微粒結構，斑晶礦物為斜長石、輝石和角閃石等。斜長石斑晶呈自形--半自形板狀，聚片雙晶，用⊥(010)晶帶最大消光角法測得Np′^(010)=28°，為中長石(An48)，粒徑0.2～4.0 mm，其中有1/2的粒徑為2～4 mm，可見環(huán)帶及十字雙晶，約占25%～30%；輝石斑晶呈半自形粒狀或短粒狀，淡綠色，兩組近正交解理，常見有黑云母化，部分為綠泥石化或綠簾石化，斷面為正八邊形，Ng^C=40°，為普通輝石，粒徑0.2～2.8 mm，約占10%；角閃石斑晶呈自形長柱狀，斷面為六邊形，褐色--淡黃色多色性，兩組斜交解理，Ng^C=16°，為普通角閃石，粒徑0.2～2.5 mm，約占10%～15%。基質為微晶斜長石和角閃石，呈半自形，前者為小板狀，后者為綠色小針粒狀，粒徑多為0.05～0.1 mm，斜長石約占30%～35%；角閃石約占15%。副礦物為磁鐵礦和磷灰石等，約占2%～3%。

a-c.閃長玢巖野外照片；d.閃長玢巖鏡下照片；Pl.斜長石；Bi.黑云母；Am.角閃石；Aug.普通輝石。圖2 閃長玢巖野外與鏡下照片(正交偏光)Fig.2 Field photographs and microphotographs of diorite porphyrite

2 分析方法

由河北省區(qū)域地質礦產調查研究所完成本文樣品鋯石的分選工作。LA--ICP--MS鋯石U--Pb同位素測年，鋯石制靶，透射光，反射光的拍攝以及陰極發(fā)光圖像(CL圖像)的分析等工作均在西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成。樣品鋯石原位Lu--Hf同位素的分析在中國科學院地質與地球物理研究所完成。在實驗過程中，使用193 nm激光系統與Neptune LA--MC--ICP--MS聯用對樣品進行Lu--Hf同位素分析。在LA--ICP--MS鋯石U--Pb定年實驗過程中，剝蝕物質的載體采用高純度的氦氣，激光束斑的直徑為32 μm，激光脈沖的寬度為15 ns，剝蝕采樣的時間為20～24 s，并且采用美國哈佛大學標準鋯石91500對儀器最佳化。按照Andersen的方法進行普通Pb校正[9]，對鋯石U--Pb的年齡計算以及諧和圖的繪制均采用Isoplot 3.0軟件。在εHf(t)和模式年齡計算中，采用平均地殼的fcc=-0.548進行計算[12]。

文中閃長玢巖樣品的主量元素與微量元素的測定均由河北省區(qū)域地質礦產調查研究所完成。采用玻璃熔片法通過XRF對主量元素進行測定，分析精度與準確率一般>5%，采用ICP--MS法對微量元素和稀土元素進行分析，分析精度與準確率一般>10%，實驗的全部過程均依循國家標準[16]。

3 分析結果

3.1 鋯石U--Pb測年結果

對兩件閃長玢巖樣品(B2457、BB5235)進行LA--ICP--MS鋯石U--Pb同位素分析(表1)。所測鋯石樣品呈無色--淡黃色，以無色透明狀為主，多呈長柱狀或短柱狀，鋯石CL圖像顯示其具有震蕩型巖漿生長環(huán)帶(圖3)，結合其較高的Th/U比值(各點均>0.1，平均值分別為0.54和0.53，反映其為典型的巖漿成因鋯石[17]。對樣品B2457共進行了20個鋯石顆粒的U--Pb同位素分析，所有的測點均落在U--Pb諧和線上及其附近(圖4a)，樣品BB5235共進行了15個鋯石顆粒的U--Pb同位素分析，13個測點落在U--Pb諧和線上及其附近(圖4b)，其中點BB5235--07與點BB5235--15因偏離協和線而未參加計算。樣品B2457的鋯石206Pb/238U年齡為 (137±2)～(129±2) Ma，年齡的加權平均值為(132.4±1.2)Ma(MSWD=1.5)；樣品BB5235的鋯石206Pb/238U年齡為(138±2)～(120±6) Ma， 年齡的加權平均值為 (130.8±2.7) Ma(MSWD=2.7)，測試結果表明研究區(qū)閃長玢巖形成于早白堊世。

表1 科右中旗閃長玢巖LA--ICP--MS鋯石U--Pb分析結果

圖3 閃長玢巖代表性鋯石的陰極發(fā)光(CL)圖像Fig.3 CL images of representative zircons of diorite porphyrite

圖4 閃長玢巖鋯石U--Pb年齡諧和圖Fig.4 Zircon U--Pb concordia diagram of diorite porphyrite

3.2 全巖地球化學

科右中旗地區(qū)閃長玢巖的主量元素和微量元素分析結果見表2。樣品中SiO2含量為58.00%～63.60%(平均值為60.56%)，Al2O3含量15.82%～17.49%(平均值為16.72%)，具有高鋁質特點。K2O+Na2O含量5.48%～7.92%(平均值為6.74%)，Na2O含量為3.09%～4.68%(平均值為3.84%)，K2O含量為2.00%～3.72%(平均值為2.90%)，K2O/Na2O的比值為0.34～1.01(平均值為0.74)，表現出相對富鈉的特征。里特曼指數為1.79～3.75(平均值為2.62)，具有鈣堿性巖漿演化的趨勢，鋁飽和指數A/CNK為0.87～0.98，具有準鋁質特征。在A/CNK--A/NK圖解中(圖5a)樣品點落入準鋁質區(qū)域，在SiO2--K2O圖解中(圖5b)，除一個樣品點落入鈣堿性系列區(qū)外，其他均落入高鉀鈣堿性系列區(qū)[18]。因此，研究區(qū)閃長玢巖屬于準鋁質、高鉀鈣堿性系列巖石。

表2 科右中旗地區(qū)閃長玢巖主量元素(10-2)及微量元素(10-6)分析結果

圖5 科右中旗地區(qū)閃長玢巖A/CNK--A/NK圖解(a)和SiO2--K2O圖解(b)Fig.5 A/CNK--A/NK diagram (a) and SiO2--K2O diagram (b)of diorite porphyrite in Keyouzhongqi area

閃長玢巖樣品稀土元素總量∑REE=109.30×10-6～154.42×10-6，平均值126.15×10-6，LREE/HREE值為6.21～10.55，平均值為7.74，(La/Yb)N值為5.35～12.7，平均值為7.54，顯示出輕稀土元素富集、重稀土元素虧損，輕重稀土元素分餾明顯的特征。δEu值在0.69～1.16之間(平均值0.9)，負銪異常不明顯。在球粒隕石標準化稀土元素配分模式圖[19](圖6a)中呈現右傾型。在原始地幔標準化微量元素蛛網圖[20](圖6b)中，大離子親石元素Rb、K和高場強元素Th、U等明顯富集，顯著虧損Ta、Nb、Ti等高場強元素和P元素，顯示了俯沖帶巖漿巖的地球化學特征[21--22]。Ta、Nb、Ti的明顯虧損，同樣也反映了巖漿可能受到了地殼物質的混染或者與俯沖有關的流體交代作用[23]。

圖6 科右中旗地區(qū)閃長玢巖稀土元素球粒隕石標準化配分模式圖(a)和原始地幔標準化微量元素蛛網圖(b)Fig.6 Chondrite normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle normalized trace element spider diagrams (b) of diorite porphyrite in Keyouzhongqi area

3.3 鋯石Hf同位素地球化學特征

科右中旗地區(qū)閃長玢巖樣品(編號BB5235)鋯石Hf同位素測試分析結果見表3。對閃長玢巖樣品(BB5235)共進行了24個鋯石顆粒分析，其結果顯示176Hf/177Hf的值為0.282 862～0.282 943，平均值為0.282 914。εHf(t)的值為+5.82～+10.15，平均值為+7.77。單階段模式年齡為613～444 Ma，二階段模式年齡為826～581 Ma。在鋯石εHf(t)--T圖解(圖7)中，鋯石的投影點全部位于球粒隕石和虧損地幔演化線之間，而距離古老地殼Hf同位素演化線較遠。鋯石的εHf(t)值均為正值，揭示源區(qū)來自于虧損地幔的部分熔融，或是虧損地幔形成的基性下地殼物質再熔融(繼承了幔源源區(qū)的同位素特征)[24]。

表3 科右中旗地區(qū)閃長玢巖(BB5235)鋯石Hf同位素分析結果

圖7 科右中旗地區(qū)閃長玢巖鋯石εHf(t)--t圖解 Fig.7 Plot of εHf(t) versus t for zircons from diorite porphyrite in Keyouzhongqi area

4 討論

4.1 巖漿起源

由于鋯石同位素體系具有較高的封閉溫度，其同位素比值不受巖漿部分熔融或分離結晶作用的影響[25]，研究區(qū)鋯石εHf(t)的值均為正值，二階段模式年齡為826～581 Ma，揭示其巖石可能來自顯生宙—新元古代虧損地?；蛱潛p地幔形成的基性下地殼物質再熔融。與下地殼部分熔融有關的巖漿巖的Mg#一般<40[26]，而科右中旗地區(qū)早白堊世閃長玢巖Mg#值為40.31～51.35，暗示其不可能由下地殼鐵鎂質巖石獨自熔融而成。另外研究區(qū)閃長玢巖呈巖脈和巖株狀產出，它們侵入于中酸性火山巖之中，周圍沒有發(fā)育規(guī)模較大的同時期基性--超基性巖石，所以直接由地幔部分熔融形成研究區(qū)閃長玢巖的可能性不大。閃長玢巖Rb/Sr值為0.083～0.278(平均0.138)，介于上地幔值(0.034)和地殼值(0.5)之間[27]；Nb/Ta值為12.15～14.45(平均13.01)，略高于殼源巖漿的Nb/Ta值(11～12)，低于幔源Nb/Ta值(17.5)；Zr/Hf值為36.64～48.53，遠高于大陸地殼值(11)，接近原始地幔值(37)[28]；Ti/Y的值為166.52～286.15(平均值223.64)；Ti/Zr的值為16.06～35.54(平均值23.02)，明顯不在殼源巖漿的范圍內[29--30]，上述特征表明科右中旗閃長玢巖的形成與殼--幔巖漿混合密切相關。閃長玢巖的鋯石εHf(t)的值為+5.82～+10.15，較大的變化范圍說明其同位素的不均一性，亦揭示其巖漿源于幔源和殼源巖漿的混合。微量元素中Th/Ta、Th/Nb有較高的比值，分別為9.2～19.5和0.64～1.09，較好地反映了源區(qū)受俯沖流體交代作用的影響[31]。在Nb/Y--Yb/Y和Th/Zr--Nb/Zr圖解[32--33](圖8a、b)上，閃長玢巖表現出流體交代富集的趨勢。綜上所述，筆者認為科右中旗地區(qū)閃長玢巖的巖漿源區(qū)應來自于受俯沖板塊流體交代的地幔部分融入，在上升過程中沒有受到明顯的地殼混染，而閃長玢巖所表現出來的輕微混染特征可能受地幔楔與俯沖板片脫水形成的流體交代作用控制。

圖8 科右中旗地區(qū)閃長玢巖Nb/Y--Rb/Y(a)和Th/Zr--Nb/Zr(b)圖解Fig.8 Diagrams of Nb/Y--Rb/Y (a) and Th/Zr--Nb/Zr (b) from diorite porphyrite in Keyouzhongqi area

4.2 構造背景分析

研究區(qū)閃長玢巖明顯富集輕稀土元素、大離子親石元素Rb、K等，虧損重稀土元素及Ta、Nb、Ti等高場強元素和P元素，具有俯沖帶巖漿巖相似的特征。在Nb--Nb/Th圖解[34](圖9a)中，樣品全部落入弧火山巖范圍內。在Zr--NbN/ZrN構造環(huán)境判別圖(圖9b)上，樣品落入俯沖帶巖漿區(qū)。然而由于巖石源區(qū)具有幔源和殼源混合的特點，這種具有弧巖漿巖的地球化學特征可能不是弧型巖漿巖自身，而是弧型巖漿巖再造的產物[35]，因此需根據區(qū)域大地構造背景進一步探討其形成環(huán)境。

圖9 Nb--Nb/Th(a)和 Zr--NbN/ZrN(b)構造環(huán)境判別圖Fig.9 Nb--Nb/Th(a)and Zr--NbN/ZrN (b)discrimination diagrams for tectonic setting

大量的地質事實證明早白堊紀時期大興安嶺地區(qū)處于伸展環(huán)境，此時不僅發(fā)育早白堊世雙峰式火山巖[36]、A型花崗巖[37]和鈉閃石流紋巖[38]等巖漿活動，同時亦發(fā)育變質核雜巖[39]和斷陷盆地[40]。然而由于大興安嶺地區(qū)中生代巖漿活動在構造上同時受古亞洲洋的閉合、蒙古—鄂霍茨克洋的俯沖碰撞和古太平洋板塊俯沖作用的影響[41]，對其形成的動力學背景存在較大爭議，其中包括古太平洋板塊俯沖作用[42--43]、地幔柱或底侵作用[44--45]、蒙古—鄂霍次克洋俯沖作用[46--48]等不同認識。從已有的研究成果中可知，古太平洋板塊擴張的方向至今發(fā)生了多次變化，其中140～125 Ma這個時期的古太平洋板塊并不是向西或西北擴張的,而是向北東方向約33°方向擴張的[49]，在大興安嶺地區(qū)不可能形成與俯沖方向近于平行的巖漿活動帶，因此這一時期的火成巖與古太平洋板塊作用沒有直接關系[50]。近年來隨著對蒙古—鄂霍茨克洋及其演化歷史的研究，認為自西向東、自南向北逐漸變新的晚侏羅世—早白堊火山巖的形成與蒙古—鄂霍茨克大洋板塊向南俯沖作用有關[51]，然而蒙古—鄂霍茨克洋于中侏羅世已經閉合[52]，即便東部閉合的時間可能持續(xù)到晚侏羅世—早白堊世[53]，但也不可能形成早白堊世的巖漿弧。林強等研究認為大興安嶺火山巖并非呈NNE向線性分布，與蒙古、俄羅斯境內同時期火山巖共同構成面型展布的環(huán)狀火山巖帶，其形成與古亞洲洋閉合過程中殼幔相互作用引起的深部熱地幔柱的上升有關[54]。研究區(qū)閃長玢巖時代上與大興安嶺廣泛發(fā)育的早白堊世瑪尼吐組中酸性火山巖時代相當，形成于蒙古—鄂霍茨克洋閉合之后，地球化學具有弧巖漿巖的特點，鋯石εHf(t)的值均為正值，二階段模式年齡為826～581 Ma，與大興安嶺中生代大多數花崗巖和火山巖具有低的(87Sr/86Sr)N值(0.704～0.708)和正的εNd(t)=(1～4)值所反映的源區(qū)特點一致[55]，揭示其巖石源區(qū)可能來自虧損地幔或虧損地幔形成的基性下地殼物質再熔融，并且在形成中有廣泛的流體注入，邵濟安等認為這是底侵作用形成的一套殼?；烊蹘r漿的產物[56]。從空間產出狀態(tài)看，無論是北西、北東向，還是近南北向的閃長玢巖在空間上均呈現“之”型，說明其受張性斷層或節(jié)理控制，而同時導致不同方向斷層張開的動力應來自下部巖漿的底侵作用。值得提出的是遼西地區(qū)晚侏羅世—早白堊世土城子組之前(159～139 Ma) 曾發(fā)生自北向南推覆等重要的陸殼加厚事件[57]，大興安嶺西坡在早、中侏羅世也存在一次重要的陸殼加厚過程，它們應是蒙古—鄂霍茨克縫合帶閉合碰撞的遠程效應[58]，因此研究區(qū)早白堊世閃長玢巖應是蒙古—鄂霍茨克洋閉合碰撞之后加厚陸殼的拆沉、幔源巖漿底侵作用的結果，是幔隆引起的巖石圈伸展與減薄而不是機械拉伸引起的深源巖漿上涌。

5 結論

(1) 科右中旗地區(qū)閃長玢巖LA--ICP--MS鋯石U--Pb年齡為(132.4±1.2)～(130.8±2.7)Ma，表明其形成于早白堊世。

(2) 科右中旗地區(qū)閃長玢巖具有弧巖漿巖的地球化學特點，鋯石Hf同位素揭示其源區(qū)來自虧損地?；蛱潛p地幔形成的基性下地殼物質再熔融，巖漿源區(qū)具有幔源或殼幔巖漿的混合特征。

(3) 科右中旗地區(qū)閃長玢巖形成于早白堊世伸展環(huán)境，應是蒙古—鄂霍茨克洋閉合碰撞之后加厚陸殼的拆沉、幔源巖漿底侵的結果。