內(nèi)蒙古海勒斯臺正長花崗巖鋯石U-Pb年代學(xué)、地球化學(xué)特征

郭雷亮，汪軒辰，王 帥，李英杰，石宏杰

1.河北地質(zhì)大學(xué) 資源學(xué)院，河北 石家莊 050031；2.中國科技出版?zhèn)髅焦煞萦邢薰?石家莊分公司，河北 石家莊 050031

0 引 言

花崗巖是大陸地殼的重要組成部分，其分布廣泛，并且花崗巖的形成過程蘊含了大量造山帶和地殼構(gòu)造演化過程的信息。大陸的生長和演化是地球科學(xué)長期研究前沿問題之一，也是大陸動力學(xué)研究的8個重要科學(xué)問題之一[1]。花崗巖與大地構(gòu)造環(huán)境之間存在密切的聯(lián)系，利用地球化學(xué)標志可以判別花崗巖形成時的大地構(gòu)造環(huán)境[1,2]。研究花崗巖是研究大陸地殼的結(jié)構(gòu)、組成及演化的有效方法。

內(nèi)蒙古海勒斯臺地區(qū)位于興蒙造山帶與濱太平洋構(gòu)造域的疊加部位(圖1a)。該區(qū)域經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造巖漿活動[3-12]，產(chǎn)出大量的多種多樣的花崗巖，包括有大洋俯沖島弧型、碰撞型、造山后A型花崗巖[13,14]。空間上花崗巖呈帶狀分布，前人將內(nèi)蒙古中部劃分為3條規(guī)模宏大的花崗巖帶，包括白云鄂博—赤峰帶、蘇尼特—錫林浩特帶、白音烏拉—東烏珠穆沁旗帶[15]。而海勒斯臺花崗巖研究程度較低，僅停留在基礎(chǔ)地質(zhì)和遙感等基礎(chǔ)研究，缺乏系統(tǒng)的巖石學(xué)、地球化學(xué)、年代學(xué)研究。論文旨在前人研究的基礎(chǔ)上，對海勒斯臺正長花崗巖進行詳細的野外地質(zhì)、巖石學(xué)、地球化學(xué)及年代學(xué)特征研究，探討其巖石成因和形成時構(gòu)造環(huán)境，為該區(qū)域大地構(gòu)造演化提供依據(jù)。

圖1 (a)興蒙造山帶區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)圖(據(jù)文獻[16]修改)；(b)海勒斯臺正長花崗巖地質(zhì)簡圖Fig.1 (a) Regional tectonics map of the Xingmeng orogenic belt (modified from study[16]);(b) Sketch geological map of the Hailesitai syenogranite

1 區(qū)域地質(zhì)背景及巖石學(xué)特征

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古東烏珠穆沁旗海勒斯臺地區(qū)，其大地構(gòu)造位置處于賀根山蛇綠巖—弧—增生雜巖帶的東段[17]，是中朝陸塊和西伯利亞陸塊之間華力西期蘇左旗—西烏旗巖漿巖帶與燕山期北東向濱太平洋構(gòu)造域大興安嶺巖漿巖帶疊加部位(圖1a)。該區(qū)域經(jīng)歷了強烈而復(fù)雜的地質(zhì)變化，發(fā)生大規(guī)模的火山噴發(fā)和斷裂構(gòu)造，形成了獨特的構(gòu)造單元。

研究區(qū)出露中生界地層主要為晚侏羅統(tǒng)滿克頭鄂博組(J3mk)、瑪尼吐組(J3mn)及下白堊統(tǒng)白音高老組(K1b)。區(qū)域內(nèi)侵入巖均為酸性花崗巖，海勒斯臺正長花崗巖侵入晚侏羅世正長花崗巖和下白堊統(tǒng)白音高老地層中(圖1b)，二者接觸界線有冷凝邊。

海勒斯臺正長花崗巖的新鮮面呈淺肉紅色，半自形粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，發(fā)育球形風化。礦物成分主要為鉀長石(50%～55%)、斜長石(10%～15%)和石英(30%～35%)，少量黑云母(<5%)，粒徑以1～3 mm為主。鉀長石主要呈半自形—近半自形板狀，主要為條紋長石，鏡下觀察可見卡式雙晶，多具高嶺土化；石英主要呈他形粒狀充填于長石空隙中，波狀消光，可見熔蝕邊，少部分與長石呈文象交生狀；斜長石呈半自形板狀，鏡下觀察可見聚片雙晶，雙晶紋細密，具絹云母化。黑云母呈鱗片狀，棕褐色，多色性明顯，零散分布(圖2)。

圖2 海勒斯臺正長花崗巖的野外露頭照片(a)和顯微照片(b)Fig.2 Outcrops of Hailesitai syenogranites(a)and micrographs(b)

2 分析方法

主、微量元素分析測試由河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)研究所完成，采用IRIS Intrepid II等離子直讀光譜儀進行全巖分析測定，分析誤差低于5%。鋯石的分選在河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實驗室完成，挑選無包裹體、無裂紋和透明度高的鋯石顆粒，鍍碳后由北京鋯年領(lǐng)航科技有限公司的高分辨熱場發(fā)射能譜陰極發(fā)光室(SEM-EDS-CL)進行高精度全光、單光陰極發(fā)光(CL)圖像的采集。鋯石原位LA-ICP-MS U-Pb同位素年齡分析在中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心實驗測試室完成，激光剝蝕系統(tǒng)為Newwave UP 193。鋯石年齡計算以標準鋯石GJ-1作為外標，每分析8個樣品點，分析2次GJ-1進行同位素分餾校正及儀器監(jiān)測。分析數(shù)據(jù)的處理采用ICP-MS-Data Cal 8.4程序[18](Liu等, 2008)，通過Andersen[19](2002)方法對測試數(shù)據(jù)進行普通鉛校正，年齡計算及諧和圖繪制通過ISOPLOT(3.0版)[20-21](Ludwig, 1991; Yuan等, 2004)完成，U-Pb同位素測試方法及流程見李懷坤等[22](2009)。

3 分析結(jié)果及地球化學(xué)特征分析

3.1 鋯石U-Pb年齡測定結(jié)果

在海勒斯臺正長花崗巖巖體中采集了1個同位素測年樣品。樣品的鋯石顆粒大小在100～200 μm之間。鋯石顆粒結(jié)構(gòu)均一，呈自形—半自形雙錐狀或柱狀。鋯石陰極發(fā)光(CL)圖像顯示鋯石發(fā)育環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖3)。鋯石U-Pb同位素分析結(jié)果見表1。從表1可見，樣品鋯石的Th/U比值為0.55～1.51，為巖漿成因鋯石。測點打在震蕩環(huán)帶發(fā)育的部位，測定的年齡值大多落在諧和線上或附近，206Pb/238U加權(quán)平均年齡為133.2±1.3 Ma，表明正長花崗巖的形成年齡為早白堊世。

圖3 海勒斯臺正長花崗巖鋯石CL圖像及U-Pb諧和圖Fig.3 CL images and the U-Pb concordia diagrams of zircons from the Hailesitai syenogranites

3.2 巖石地球化學(xué)特征

該花崗巖主量元素特征一致(表2)，巖體富硅，SiO2含量介于76.32%～77.23%之間；略富Al2O3(12.17%～12.72%)；富堿(Na2O+K2O=8.03～8.42)，相對富鉀，K2O/Na2O值為1.12～1.24；里特曼指數(shù)δ分布在 1.89～2.1之間，均小于3.3，屬鈣堿性巖石，SiO2-K2O圖解顯示，樣品全部落入高鉀鈣堿性系列范圍內(nèi)(圖4a)。A/CNK 值為 1.02～1.10，在A/NK-A/CNK圖解(圖4b)中，樣品均落于弱過鋁質(zhì)區(qū)。貧TFeO(0.71%～0.99%)、貧MgO(0.11%～0.14%)，高分異指數(shù)(DI=95.17～96.02)，顯示巖石經(jīng)歷了較高程度的分異演化。綜上所述，海勒斯臺正長花崗巖屬于弱過鋁質(zhì)高鉀鈣堿性巖石，富硅、富堿、貧鐵、貧鎂和貧鈣，結(jié)合其主元素特征發(fā)現(xiàn)與典型的A型花崗巖相類似。

圖4 (a) 正長花崗巖SiO2-K2O圖解[23]；(b) A/CNK-A/NK關(guān)系圖[24]Fig.4 (a) SiO2-K2O diagram of syenogranites; (b) A/NKC-A/NK diagram of syenogranites

表1 海勒斯臺正長花崗巖LA -ICP-MS 鋯石U-Pb定年結(jié)果Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results of the Hailesitai syenogranites

圖5 (a)海勒斯臺正長花崗巖稀土元素球粒隕石標準化配分曲線[25]；(b)微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖[26]Fig.5 (a) Primitive mantle-normalized trace element spidergrams;(b) Chondrite-normalized REE distribution patterns for theHailesitai syenogranites

表2 海勒斯臺正長花崗巖主量元素和微量元素分析結(jié)果及相關(guān)參數(shù)Table 2 Analysis results and related parameters of major elements and trace elements of the Hailesitai syenogranites

該巖體稀土元素特征亦表現(xiàn)出較高的一致性，其總量偏低，ΣREE=67.1×10-6～92.61×10-6，平均含量78.84×10-6，在球粒隕石標準化稀土元素配分模式圖(圖5a)上，呈現(xiàn)出一致的、右傾的海鷗型配分模式，LREE/HREE比值為7.21～8.56，平均7.63，(La/Yb)N為4.24～7.59，平均5.79。巖石輕稀土相對富集，表明可能有殼源物質(zhì)加入或殼幔交代的影響；虧損重稀土，通常是認為石榴子石的分離結(jié)晶導(dǎo)致；具顯著的Eu負異常，δEu為0.19～0.26，為斜長石的分離結(jié)晶導(dǎo)致。在原始地幔標準化的微量元素蛛網(wǎng)圖(圖5b)中，樣品的微量元素分布曲線較為相似，其總體向右傾斜，存在Rb、Th、U、K、Ce和Nd正異常，Ba、Nb、Sr、Eu和Ti、P負異常。較低的Sr、Ba表明斜長石和鉀長石發(fā)生了明顯分離結(jié)晶作用。

4 討 論

4.1 巖石成因

目前地質(zhì)工作者對花崗巖成因類型最為常用的分類是ISMA分類[27-38]，海勒斯臺正長花崗巖具弱過鋁質(zhì)特征及富鋁礦物的缺乏，明顯區(qū)別于S型花崗巖。巖石具富硅、富堿、貧鐵、貧鎂和貧鈣的主元素特征，具較高的Ga/Al、(Na2O+K2O)/CaO、TFeO/MgO、和K2O/MgO值。A/CNK比值為1.01～1.10；高場強元Ti明顯虧損，Zr、Hf相對富集；在球粒隕石標準化的稀土元素配分模式圖上(圖5a)，呈現(xiàn)出略微右傾的海鷗型配分模式及明顯的Eu負異常。其地球化學(xué)特征與內(nèi)蒙古中東部地區(qū)A型花崗巖地球化學(xué)特征一致，而明顯不同于I、S和M型花崗巖。故海勒斯臺正長花崗巖歸屬于弱過鋁質(zhì)A型花崗巖。

與此同時，不同的成巖過程和不同原巖的部分熔融可以產(chǎn)生成分相近的花崗巖，A型花崗巖與高分異I型花崗巖的區(qū)分更是困難。在花崗巖的K2O-Na2O(圖6a)、10 000×Ga/Al-(K2O+Na2O)(圖6b)中，樣品全部落在A型花崗巖區(qū)域內(nèi)，進一步表明海勒斯臺正長花崗巖屬于A型花崗巖。

圖6 (a)海勒斯臺正長花崗巖K2O-Na2O圖解[39]；(b)10 000×Ga/Al對(K2O+Na2O)判別圖解[40]Fig.6 (a) K2O Na2O diagram of Helestai syenogranite;(b) K2O+Na2O versus 10 000Ga/Al discrimination diagrams of the Helestai syenogranite

海勒斯臺正長花崗巖的主元素具高硅高堿的特征，暗示其為中下地殼部分熔融的產(chǎn)物[41-42]。微量元素亦可以顯著地區(qū)分幔源和殼源產(chǎn)生的巖漿[43]，樣品中Rb/Sr的值為3.0～5.5，遠高于原始地幔(0.03)和虧損地幔(0.033)的Rb/Sr值；Ti/Zr的值為2.8～6.1，屬于殼源巖漿范圍(>0.5)內(nèi)；(Rb/Nb)N的比值為12.3～18.7，遠高于陸殼的(Rb/Nb)N值(2.3～4.8)，更體現(xiàn)了殼源巖漿的特征。綜上所述，海勒斯臺正長花崗巖應(yīng)來源于地殼巖石的部分熔融。

4.2 構(gòu)造環(huán)境及意義

A型花崗巖形成于伸展(拉張)環(huán)境這一點國內(nèi)外學(xué)者已有廣泛共識[28-34]。Eby[44-45]提出將A型花崗巖進一步細分為A1型和A2型兩個亞類，A1型的形成與陸內(nèi)裂谷和地幔熱柱有關(guān)；A2型則主要產(chǎn)出于地殼伸展或后造山的張性構(gòu)造環(huán)境。

在Nb-Y-Ce、Nb-Y-3Ga構(gòu)造判別圖解(圖7a,7b)上，塔拉查干正長花崗巖樣品均落入A2型花崗巖區(qū)，并可與區(qū)內(nèi)和鄰區(qū)以及興蒙造山帶東部地區(qū)中生代A2型花崗巖相對比[40]，反映了造山帶后造山伸展拉張構(gòu)造環(huán)境形成的后造山花崗巖特征。

為進一步確定海勒斯臺正長花崗巖形成時的構(gòu)造環(huán)境，選取了其他適用于花崗巖構(gòu)造判別的圖解。在Y+Nb-Rb 圖解(圖6c)中，樣品全部落在后碰撞花崗巖區(qū)。在R1-R2圖解中(圖6d)，所有堿長花崗巖樣品均落在后造山區(qū)域。綜上表明，海勒斯臺正長花崗巖屬于A2型花崗巖，其可能是在造山后巖石圈伸展拉張的構(gòu)造背景下產(chǎn)出。

圖7 A型花崗巖(a) Nb-Y-Ce和(b) Nb-Y-3Ga三角圖[45]；(c) Y+Nb-Rb和(d) R1-R2構(gòu)造環(huán)境判別圖[46]Fig.7 (a) Nb-Y-Ce and (b) Y-Nb-3Ga triangular plot of A-type granite;(c) (Y+Nb)-Rb and (d) R1-R2 discrimination diagrams of tectonic setting

伸展構(gòu)造背景一般歸因于板片斷離和拆沉作用[27]。前人研究表明，由拆沉作用形成的巖漿多呈面狀分布，而板片斷離作用形成的巖漿多呈線性分布。而研究區(qū)位于濱太平洋構(gòu)造域大興安嶺巖漿巖帶上，巖漿巖在空間上呈線狀分布，不同于巖石圈地幔拆沉作用形成的面狀分布的巖漿巖，故此推測海勒斯臺正長花崗巖的形成與俯沖板片的斷離有關(guān)。綜上所述，認為海勒斯臺正長花崗巖是俯沖板片斷離引起地殼巖石部分熔融形成，其形成也揭示了海勒斯臺地區(qū)在早白堊世為后造山伸展拉張演化階段。

5 結(jié) 論

(1)海勒斯臺正長花崗巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年結(jié)果為133.2±1.3 Ma，表明其為早白堊世巖漿活動的產(chǎn)物。

(2)海勒斯臺正長花崗巖屬于弱過鋁質(zhì)高鉀鈣堿性A型花崗巖，富硅、富堿，貧鐵、貧鎂、貧鈣，略微右傾的海鷗型稀土元素配分模式，屬于高鉀鈣堿性弱過鋁質(zhì)A型花崗巖。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，推論海勒斯臺正長花崗巖是由俯沖板片的斷離和地殼伸展減壓共同作用形成。

(3)海勒斯臺正長花崗巖的形成表明早白堊世該地區(qū)進入碰撞后伸展拉張演化階段。

【致謝：在此衷心感謝野外工作中項目組成員的支持和無私幫助、各數(shù)據(jù)測試實驗室的幫助以及審稿專家給出的寶貴意見。】