內蒙古北山地區小紅山釩鈦磁鐵礦區雙峰式侵入巖
——巖石學、年代學、地球化學特征及其地質意義

潘志龍，李 強，程學芹，王 碩

河北省區域地質調查院，河北 廊坊 065000

0 引言

北山造山帶地處甘肅北部、新疆東南部和內蒙古西部交界處，大地構造位置處于華北板塊、塔里木板塊及哈薩克斯坦板塊交匯部位，屬古亞洲洋構造域的組成部分，經歷了多期次、多階段的板塊裂解－俯沖－碰撞－拼合的復雜地質演化過程，成礦潛力大，備受國內外學者關注［1-10］.許多地質學家認為紅柳河－牛圈子－洗腸井蛇綠巖形成于早古生代洋盆環境，并將其代表的早古生代洋盆稱為“北山洋”，北山洋閉合時限在早泥盆世之前［1］.隸屬于北山造山帶的小紅山釩鈦磁鐵礦床大地構造位于紅柳河－牛圈子－洗腸井早古生代蛇綠巖縫合線南側（圖1a），目前只有少量學者對與釩鈦磁鐵礦及與成礦密切相關的輝長巖做了部分工作：嚴忠等認為其成因為輝長巖巖漿分異及后期構造熱液疊加富集成礦［2］；楊福新等認為小紅山釩鈦磁鐵礦床屬于一種巖漿分異和分凝－貫入疊加復合型的釩鈦磁鐵礦類型，為介于攀枝花式和大廟式釩鈦磁鐵礦特征之間一種新的成礦類型［3］；楊建國等獲得輝長巖體的鋯石SHRIMP U－Pb年齡為424±6 Ma，形成環境為陸緣裂谷環境［4］；張國鵬等認為小紅山釩鈦磁鐵礦具有3期成礦作用，分別為巖漿分異作用、貫入式及熱液疊加成礦作用，屬于與鐵鎂質巖有關的巖漿分異－貫入－熱液型復式成因礦床［5］；王碩等認為小紅山釩鈦磁鐵礦賦礦輝長巖產生于洋殼俯沖誘導的大陸邊緣裂解背景［6］.上述研究集中在釩鈦磁鐵礦和其賦礦圍巖輝長巖，而對區內出露的花崗巖與輝長巖之間的關系缺少系統研究.本研究依托“內蒙古1∶5萬基東、尖山、蒜井子、三道明水等四幅區域地質礦產調查”項目，通過詳細的區域地質調查，對小紅山釩鈦磁鐵礦區內及附近相關侵入體的巖石學、地球化學和年代學進行了詳盡的研究，探討其形成時代、巖石成因和構造背景，以期為進一步研究北山地區大地構造演化提供資料.

圖1 內蒙古北山地區大地構造位置及地質圖Fig.1 Geotectonic location and geological maps of Beishan area，Inner Mongolia

1 地質背景和巖石學特征

研究區位于內蒙古自治區西部，行政區劃屬于阿拉善盟額濟納旗算井子鄉管轄.大地構造位置處于紅柳河－牛圈子－洗腸井早古生代蛇綠混雜巖帶南側（圖1a），塔里木板塊敦煌微陸塊之內.區內以發育寒武紀—奧陶紀海進序列沉積地層為特征，主要為中寒武統—下奧陶統西雙鷹山組、下奧陶統羅雅楚山組及中奧陶統橫巒山組；基底由中新元古界穩定淺海沉積地層構成，主要有中元古界古硐井群、野馬街組和大豁落山組，另有下白堊統赤金堡組角度不整合覆蓋于前述地層之上.侵入巖構成較為簡單，為本次研究的中晚志留世輝長巖和二長花崗巖（圖1b）.輝長巖呈巖株狀產出，出露面積約2.27 km2，侵入長城紀古硐井群變質砂巖，外接觸帶巖石具角巖化、大理巖化，被二長花崗巖侵入.該巖體為小紅山釩鈦磁鐵礦的賦礦巖體，局部受北東向構造影響巖石強劈理化.二長花崗巖亦呈巖株狀產出，侵入長城紀古硐井群和輝長巖，形態不規則，出露面積約2.05 km2，巖體定向特征不明顯.

本次研究對位于小紅山磁鐵礦附近的輝長巖和花崗巖分別進行了取樣（圖1b），樣品采集于巖體內部，采集處露頭較好，巖石樣品新鮮無蝕變、無明顯變質變形現象.

輝長巖：巖石呈灰綠色，中粒半自形粒狀結構（圖2a），似海綿隕鐵結構，塊狀構造.巖石主要由斜長石（55%～70%）、石英（約5%）、輝石（5%～15%）、角閃石（10%～20%）、黑云母（2%～10%）和不透明礦物（約5%）構成.斜長石為拉長石，半自形長板狀，粒徑一般2～5 mm，部分0.2～2.0 mm，具不均勻絹云母化、黝簾石化等，隱約可見聚片雙晶，少見環帶構造.石英為他形粒狀，一般小于2 mm，個別達3 mm，填隙于斜長石粒間，零散可見，粒內具波狀消光，粒內可見有斜長石等嵌布.輝石呈近半自形—他形柱狀、粒狀，一般2～3 mm，部分小于2 mm，分布于斜長石粒間，明顯纖閃石化，常見角閃石、黑云母反應邊.角閃石呈半自形—他形柱粒狀，粒徑0.2～1.8 mm，多以單斜輝石反應邊形式產出，明顯纖閃石化，有的沿斜長石晶內裂紋分布，顯褐綠色，多色性明顯，少見退色為藍綠色.黑云母呈不規則葉片狀，片徑小于2 mm，個別達3.5 mm，零散填隙狀分布，顯深棕色，多色性明顯，有的呈不透明礦物、輝石反應邊.不透明礦物主要呈他形粒狀，少量近半自形粒狀，填隙于斜長石粒間.

二長花崗巖：巖石呈灰紅色，中粒花崗結構（圖2b），塊狀構造.巖石由鉀長石（35%～40%）、斜長石（35%）、石英（20%～25%）、黑云母（3%～5%）組成.鉀長石主要為正條紋長石，半自形板狀，粒徑以0.3～2 mm的細粒為主，2～5 mm的中粒次之，雜亂分布，鈉質斜長石條紋主要呈薄片狀、樹枝狀、網格狀，聚片雙晶較發育，可能為交代成因，鉀長石明顯高嶺土化，少量綠簾石化，部分晶內包嵌少量斜長石晶體，局部交代斜長石.斜長石呈半自形板狀，粒徑一般0.3～2 mm，少部分2～3.5 mm，雜亂分布，不同程度高嶺土化、絹云母化，聚片雙晶較發育，少見環帶構造，局部被鉀長石蠶蝕狀交代，根據⊥（010）晶帶的最大消光角法測得Np′∧（010）＝15，斜長石牌號An＝32，屬于中長石.石英為他形粒狀，粒徑一般0.4～3 mm，雜亂分布，顆粒表面干凈，粒內明顯波狀消光.黑云母為鱗片－葉片狀，片徑一般0.3～1.5 mm，零散狀或細小堆狀分布，多色性明顯：Ng′＝暗褐色，Np′＝淺黃褐色，局部綠泥石化.

圖2 小紅山中晚志留世侵入巖野外露頭及顯微照片Fig.2 Field outcrops and micrographs of Middle-Late Silurian intrusive rocks in Xiaohongshan area

2 分析方法

選擇新鮮均一代表性樣品進行分析測試，全巖主量元素和微量元素分析在河北省區域地質礦產調查研究所實驗室完成.主量元素（SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、MnO、Na2O、K2O、CaO、P2O5）分析測試采用X射線熒光光譜儀（XRF）完成，分析精度為0.05%；FeO采用滴定法分析完成；灼燒減量、H2O＋和H2O用重量法完成；微量元素分析采用HF＋HClO3＋HNO3溶解樣品，王水復溶，在線加入Rh內標溶液，用Thermofisher X SeriesⅡ型ICP－MS完成測定，稀土元素分析精度為0.1×10－6，微量元素≤5×10－6.分析結果如表1（掃描首頁OSID二維碼可見）.

鋯石分選在河北省區域地質礦產調查研究所實驗室完成.雙目鏡下挑選晶形好、無裂隙和包裹體的鋯石，用環氧樹脂制靶.將鋯石靶打磨、拋光后，進行反射光、透射光和陰極發光（CL）顯微觀察照片.鋯石制靶及陰極發光照相在北京鋯年領航科技有限公司完成.LA－MC－ICP－MS鋯石U－Pb測年在天津地質調查中心完成.ICP－MS儀器為Agilent 7500a型，所用激光剝蝕斑束直徑為35 μm，頻率為8～10 Hz，能量密度為13～14 J/cm2，以He為載氣.采用TEMORA為外標.數據處理采用ICP－MS－DataCal程序［11］，采用206Pb校正法對普通鉛進行校正.利用NIST612玻璃作為外標計算鋯石樣品的Pb、U、Th含量.鋯石U－Pb年齡諧和圖采用Isoplot3.0程序獲得.分析結果如表2（掃描首頁OSID二維碼可見）.

3 分析結果

3.1 LA－MC－ICP－MS鋯石U－Pb年代學

本研究對小紅山釩鈦磁鐵礦區輝長巖和二長花崗巖進行了鋯石U－Pb同位素年齡測試.

輝長巖（JDYQ5）樣品中的鋯石呈柱狀，半自形—自形，震蕩環帶較發育（圖3a）.對晶形較好的32顆鋯石共分析了32個測點（表2，掃描首頁OSID二維碼可見）.Th/U值除15號點（0.28）和20號點（0.06）較小外，其余在0.32～0.79之間，平均0.54，顯示巖漿鋯石特征.23和24號點206Pb/238U年齡較大，分別為513 Ma和542 Ma，可能為捕獲鋯石，其余在414～442 Ma之間，均分布在諧和線上，加權平均年齡為431.1±2.4 Ma（N＝30，MSWD＝1.8）（圖3b），代表了輝長巖的結晶年齡，時代為中志留世（圖3c）.

圖3 小紅山輝長巖鋯石陰極發光圖像及U－Pb年齡諧和圖Fig.3 CL images and U-Pb concordia diagrams for zircons in Xiaohongshan gabbros

二長花崗巖（JDYQ4）樣品中的鋯石呈柱狀，半自形—自形，震蕩環帶發育（圖4a）.對晶形較好的30顆鋯石共分析了30個測點（表2，掃描首頁OSID二維碼可見）.Th/U值除20號點（0.06）較小外，其余在0.31～0.99之間，平均0.48，顯示巖漿鋯石特征.14號點206Pb/238U年齡較大（474 Ma），可能為捕獲或繼承鋯石，23和27號點鋯石裂隙造成普通鉛逃逸導致206Pb/238U年齡偏小，分別為388 Ma和344 Ma，其余在413～435 Ma之間，均分布在諧和線上，加權平均年齡為424.9±2.3 Ma（N＝27，MSWD＝2.1）（圖4b），代表了二長花崗巖的形成年齡，時代為晚志留世（圖4c）.

圖4 小紅山二長花崗巖鋯石陰極發光圖像及U－Pb年齡諧和圖Fig.4 CL images and U-Pb concordia diagrams for zircons in Xiaohongshan monzogranites

3.2 主量元素特征

小紅山地區輝長巖SiO2含量較低，為46.12%～51.62%，平均48.87%（質量分數），低于大陸下地殼平均含量（53.4%）［12］；Al2O3含量為14.06%～15.69%；Fe2O3T含量高，為17.11%～18.09%；CaO含量較高，為6.09%～7.27%；K2O＋Na2O含量較低，為3.68%～4.36%；Na2O/K2O比值為2.75～3.49，顯示富鈉低鉀特征；MgO含量較低，為0.98%～2.5%，Mg＃值為11.49～23.84，平均17.67；里特曼指數（σ）為2.00～3.43，平均2.72；鋁飽和指數A/CNK為0.80～0.83，為準鋁質巖石.樣品燒失量（LOI）介于1.73%～2.41%.扣除燒失量，主量元素歸一化計算后再投圖，在侵入巖TAS圖解（圖5a）中，輝長巖樣品落入Irvine線之下及附近的輝長巖、輝長閃長巖區內，與鏡下定名基本一致.在K2O－SiO2圖解（圖5b）中樣品投點于鈣堿性系列中.

小紅山二長花崗巖SiO2含量較高，為71.48%～77.20%，平均74.34%；Al2O3含量為12.50%～14.08%；Fe2O3T含量低，為0.58%～2.38%；CaO為0.62%～1.40%；K2O＋Na2O含量較高，為8.29%～8.69%；Na2O/K2O值為0.68～0.86；MgO含量低，為0.11%～0.40%，Mg＃值為19.42～60.55；里特曼指數為2.01～2.64；鋁飽和指數A/CNK為0.99～1.04，屬偏鋁質—弱過鋁質鈣堿性巖石，A/NK為1.15～1.21.樣品燒失量（LOI）介于0.52%～0.77%.扣除燒失量，主量元素歸一化計算后投圖，在侵入巖TAS圖解（圖5a）中，樣品均落入Irvine線下方的花崗巖區，與鏡下定名一致，為亞堿性系列巖石.在K2O－SiO2圖解（圖5b）中樣品投點于高鉀鈣堿性系列巖石中.

圖5 小紅山地區中晚志留世侵入巖TAS圖解和K2O－SiO2圖解Fig.5 The TAS and K2O-SiO2 diagrams for Middle-Late Silurian intrusive rocks in Xiaohongshan area

小紅山地區侵入巖出現明顯的SiO2成分間斷，具有明顯的雙峰式侵入巖特征.

3.3 微量元素特征

研究區輝長巖稀土元素總量為137.26×10－6～145.10×10－6；輕/重稀土元素比值為4.82～4.83，（La/Yb）N為3.86～4.41，輕稀土分餾程度相對較高，重稀土相對虧損；δEu為1.52～1.83，具明顯的正銪異常，說明斜長石結晶分異作用不明顯.稀土配分曲線（圖6a）總體表現為LREE弱富集的平緩右傾型，明顯不同于N－MORB，類似于E－MORB，而與East Scotia Ridge弧后盆地玄武巖（E－BABB）更為一致［13］.微量元素蛛網圖（圖6b）中，輝長巖相對富集Rb、Ba、Zr、Hf，輕微虧損Nb、Ta和Ti，與E－MORB不同，而與E－BABB相似，Nb、Ta、Ti虧損暗示輝長巖巖漿可能遭受到地殼混染或者俯沖過程中釋放流/熔體的交代作用，亦或是俯沖沉積物加入.

二長花崗巖稀土元素總量為76.17×10－6～254.55×10－6；輕/重稀土元素比值為4.63～6.81，（La/Yb）N為3.76～6.86，輕稀土分餾程度相對較高，重稀土相對虧損；δEu為0.41～0.55，具較明顯的負銪異常，表明其經歷了較明顯的斜長石結晶分異作用或源區殘留有較多的斜長石［14］.稀土元素配分曲線（圖6c）具右傾特征，與上地殼平均組成特征相似［12］.微量元素蛛網圖（圖6d）顯示，巖石具Rb、Th、U、K等大離子親石元素富集，Ta、Nb、Ti高場強元素及Ba、Sr、P等元素明顯虧損，同樣與上地殼平均組成特征相似［12］.

圖6 球粒隕石標準化和微量元素原始地幔標準化配分曲線Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized trace element spidergrams

4 討論

4.1 巖體形成時代

小紅山釩鈦磁鐵礦區一帶巖體出露規模較小，它們侵入中元古界地層，被下白堊統地層覆蓋.根據野外巖體之間的侵位關系，輝長巖侵位時間早，二長花崗巖較晚.本研究在輝長巖和二長花崗巖中分別獲得了431.1±2.4 Ma和424.9±2.3 Ma的LA－MC－ICP－MS鋯石U－Pb年齡，與野外實際情況相符，亦與楊建國等人獲得的輝長巖SHRIMP鋯石U－Pb年齡（424±6 Ma）在誤差范圍內一致［4］.該套雙峰式侵入巖形成時代為中晚志留世.

4.2 構造環境及地質意義

地球化學數據顯示，小紅山地區出露的中晚志留世巖體中的輝長巖和花崗巖分別屬于鈣堿性系列和高鉀鈣堿性系列，微量元素顯示輕稀土元素富集，高場強元素Nb、Ta和Ti相對虧損（圖6），類似于典型俯沖帶組分，暗示本區中晚志留世侵入巖可能形成于俯沖帶條件下與弧有關的構造環境［18］.在Hf/3－Th－Nb/16圖解（圖7a）中，小紅山中晚志留世輝長巖投在島弧拉斑玄武巖區；在Nb/Yb－Th/Yb圖解（圖7b）中，輝長巖投在大陸弧玄武巖區與洋中脊玄武巖區、板內玄武巖區交界處.在花崗巖R1－R2判別圖解（圖8a）中，中晚志留世花崗巖位于同碰撞花崗巖區和同碰撞花崗巖向造山后A型花崗巖過渡區域；在Rb－（Y＋Nb）判別圖（圖8b）中均位于板內花崗巖區.同時，小紅山輝長巖具有E－MORB型REE配分模式，但微量元素虧損Nb、Ta，又與E－MORB不同，而與E－BABB相似，故推測其可能形成于與俯沖帶消減作用相關的弧后盆地環境.

圖7 小紅山地區輝長巖Hf/3－Th－Nb/16圖解和Nb/Yb－Th/Yb圖解Fig.7 The Hf/3-Th-Nb/16 and Nb/Yb-Th/Yb diagrams for Xiaohongshan gabbros

圖8 小紅山地區花崗巖R1－R2圖解和Rb－（Y＋Nb）圖解Fig.8 The R1-R2 and Rb-（Y＋Nb）diagrams for Xiaohongshan granites

從區內有限的資料來看，小紅山構造－巖漿帶的中晚志留世巖漿具雙峰式組合特征，顯示張性構造背景.研究區紅山頭中奧陶世具高鎂安山巖地球化學特性的安山質凝灰巖證實，牛圈子－洗腸井蛇綠巖所代表的北山洋在中奧陶世出現南向初始俯沖［19］.因此，根據上述地球化學數據分析結果和區域地質特征綜合判定，小紅山中晚志留世雙峰式巖漿組合很可能是在洋殼俯沖誘導的大陸邊緣伸展背景下產生的，這為北山洋的構造演化增添了新的資料，并為該地區找礦工作提供了方向.

4.3 巖石成因

小紅山輝長巖明顯的正Eu異常暗示其形成于較深的地幔，輕稀土和Zr、Hf相對富集，Nb－Ta－Ti負異常說明小紅山輝長巖巖漿具有交代形成的富集地幔的特征［20］.前述顯示該套輝長巖形成于與俯沖帶消減作用相關的弧后盆地環境，那么巖漿源區地幔應會受到俯沖洋殼、沉積物及相關流體在內的多種組分的貢獻而富集.所以，小紅山釩鈦磁鐵礦輝長巖很可能是來源于俯沖作用改造的巖石圈地幔.小紅山輝長巖的Mg#值為11.49～23.84，Cr含量為3.89×10－6～7.11×10－6，Ni含量為1.28×10－6～2.58×10－6，遠小于原始巖漿值（Mg#68～75，Cr 300×10－6～500×10－6，Ni 300×10－6～400×10－6）［21-23］，說明其經歷了較為明顯的鎂鐵質礦物（如橄欖石、輝石）分離結晶作用.

一般而言，雙峰式火成巖中高硅花崗巖有3種成因：一是玄武巖漿分離結晶作用的產物，二是玄武質巖漿底侵導致地殼部分熔融形成，三是玄武質巖漿和地殼混合作用的產物［24］.小紅山花崗巖出露面積較大，如果是玄武質巖漿結晶分異的產物，那么區內就會出現規模巨大的基性巖體，這與野外實際情況不符，且小紅山花崗巖與輝長巖具有完全不同的稀土、微量元素分布形式，暗示該花崗巖并非由輝長巖分離結晶作用或AFC過程形成.同時，小紅山花崗巖不具有A型花崗巖特征，暗示花崗巖并非幔源基性巖漿與殼源酸性巖漿混合作用的結果［23］.小紅山花崗巖體具有高的SiO2含量（71.48%～77.20%），類似于大陸中上地殼的組成，稀土、微量元素分布形式與上地殼平均組成特征相似，Rb/Sr比值介于2.24～6.66，平均4.45，遠高于大陸地殼（＞0.23），Zr/Hf比值介于21.24～25.82，低于殼源巖石（約33）［12］，Mg#值較低，為26.33～41.37，與基性下地殼部分熔融產生的巖漿一致（Mg#＜40或45）［25-28］，表明它們來源于地殼，為基性下地殼部分熔融的產物.結合區內出露的同時代輝長巖，認為小紅山花崗巖為張性環境下幔源玄武質巖漿底侵加熱，從而導致下地殼物質在低壓條件下發生部分熔融而形成.

5 結論

（1）小紅山釩鈦磁鐵礦區侵入巖成巖時代為431.1～424.9 Ma，屬中晚志留世，輝長巖和花崗巖形成時代相近，為同一構造事件的產物.侵入巖出現明顯的SiO2成分間斷，是典型的雙峰式火成巖.

（2）小紅山地區中晚志留世輝長巖起源于富集地幔，并經歷了明顯的結晶分離作用；花崗巖起源于下地殼，為玄武質巖漿底侵加熱從而導致下地殼物質在低壓條件下部分熔融的產物，它們形成于活動大陸邊緣環境，為牛圈子－洗腸井蛇綠巖所代表的北山洋南向俯沖誘導的大陸邊緣伸展背景下的產物.

致謝：內蒙古1/5萬基東等四幅區域地質調查項目組成員在野外地質調查工作中付出了艱辛的努力.感謝編輯老師及時高效的送審.