內蒙古中部烏拉山-大青山地區富鋁片麻巖年代學特征

夏正霞, 戴朝成*, 王琦, 黃成, 陳佩嘉

(1.東華理工大學地球科學學院, 南昌 330000; 2.內蒙古第七地質礦產勘查開發有限責任公司, 呼和浩特 010000;3.西昌學院土木與水利工程學院, 西昌 615013)

孔茲巖系是指一套含石榴石英巖、石榴夕線片(麻)巖、石墨片巖和大理巖組成的富鋁變質巖系[1]。內蒙古烏拉山-大青山地區位于華北克拉通北緣孔茲巖帶中段,區內分布大面積高級變質巖,變質地層發育齊全且保留較好,記錄了完好的古老地殼演信息,是探討早期大陸地殼的化學組成、巖石成因、大陸動力學機制和構造演化史的一個重要窗口[2]。早前寒武紀變質地層(尤其是構造復雜的高級變質地區地層)的巖石組成及其劃分、對比和年代學的研究是認識全球陸塊早期演化的關鍵[3-4]。

20世紀90年代的1∶5萬區域地質調查以及多項區域地質專題研究使區內高級變質地層研究取得了很大進展[5-8],但由于研究區變質地層具有十分復雜的巖貌,導致各學者對烏拉山-大青山某些地層的劃分、對比以及形成時代仍有不同的認識[9-12]。孔茲巖系變質沉積巖在全球均有出露,且在巖石組合、原巖系列、同位素年代學等各方面都有著極大的相似性[13]。近10年來,有關華北孔茲巖帶的研究主要集中在其東西兩段,以同位素年代學展開對孔茲巖帶東部的大青山-烏拉山變質雜巖的研究[14]。

前人對大青山-烏拉山地區出露的高級變質巖的原巖建造[15-18]及其變質時代進行了大量研究,積累了豐富的資料。目前,大部分學者研究認為～1.95 Ga是孔茲巖帶碰撞拼合的時代,大量的孔茲巖帶變泥質巖石所記錄的～1.95 Ga的變質時代證實了這一觀點[19-21]。但Dong等[22]報道的大青山-烏拉山矽線石榴黑云片麻巖中變質鋯石所記錄的年齡主要為～2.45 Ga,其少部分變質微區記錄的鋯石年齡為1.95～1.85 Ga,與Ma等[23]在興和巖群的高精度同位素定年結果類似,反映了復雜的地殼演化特征,表明華北克拉通變質基底遭受了多期變質事件。大青山-烏拉山變質雜巖樣品鋯石不僅記錄了巖漿作用和相應的地殼生長事件的年齡(～2.50 Ga、1.95～1.85 Ga),還記錄了2.50～2.45 Ga的高級變質事件年齡[24-26]。1978年內蒙古地層表編寫組將烏拉山地區的變質雜巖全部歸入烏拉山群,前人將烏拉山巖群分為上、下兩個亞群,其時代歸屬于太古代,且為中新太古代[2,27-29]。王楫等[30]也將烏拉山巖群的形成時代歸屬于晚太古代;吳昌華等[31]基于當時的同位素年齡認為烏拉山巖群中的麻粒巖表殼巖的年齡不老于中太古代,英云閃長-奧長花崗巖-花崗閃長質(tonalite-trondhjemite-Granodiorite,TTG)片麻巖的年齡歸屬于新太古代。而當代某些學者認為烏拉山巖群形成時代應歸于古元古代[32-35]。

以上研究并未結束對烏拉山巖群時代歸屬的爭論。目前為止,有關烏拉山巖群的同位素年代學等方面的資料雖然不少,但對烏拉山巖群準確的原巖時代與變質時代的年代學框架并不完善,制約了烏拉山-大青山地區前寒武紀變質基底形成、演化與構造歸屬等的深入研究。

在詳細野外地質調查基礎上,現對烏拉山地區富鋁片麻巖和變質深成體之間接觸關系進行厘定,結合烏拉山巖群中富鋁片麻巖和變質深成體巖石學、巖相學和同位素年代學特征進行實驗分析,確定變質深成體和烏拉山巖群形成時代,以期為大青山-烏拉山地區富鋁片麻巖的形成時代、構造演化特征提供重要的基礎資料,為進一步完善烏拉山-大青山地區烏拉山巖群年代學框架提供新的、科學的巖石學和同位素年代學證據。

1 區域地質概況

內蒙古烏拉山-大青山地區位于巴彥淖爾市、包頭市、呼和浩特市、烏蘭察布市內,處于華北克拉通北緣(圖1),橫跨三個不同的構造單元。北部為陰山隆斷,南部為鄂爾多斯盆地北緣隆起帶。

圖1 大青山-烏拉山變質雜巖地質簡圖及采樣位置圖Fig.1 Geological map and sampling location map of Daqingshan-Wulashan metamorphic complex

區內主要出露中太古代興和巖群麻粒巖系、新太古代烏拉山巖群和古元古代美岱召巖群變質表殼巖系、新太古代變質深成體、古元古代花崗質巖石。其中新太古代烏拉山巖群和太古代變質深成體為主要研究對象。新太古代巖群在烏拉山地區分布廣泛,總體呈東西向展布,主要出露由斜長角閃巖、角閃斜長片麻巖、黑云角閃斜長片麻巖、黑云斜長片麻巖、石英巖、矽線榴云斜長片麻巖、磁鐵石英巖、石榴淺粒巖、透輝角閃斜長片麻巖和大理巖組成的一套變質巖層。

太古宙變質深成巖主要位于區內中部和東部,主要巖性為紫蘇花崗質片麻巖、石榴花崗質片麻巖、眼球狀鉀長花崗質片麻巖和石英閃長質片麻巖,巖石化學成分富SiO2、Al2O3、Na2O、Ba、Sr、Mg和LREE(輕稀土元素),具有TTG巖系的特征。變質深成巖在空間上與烏拉山變質巖群榴云片麻巖巖組關系十分密切,野外見石英閃長質片麻巖侵入接觸黑云石榴斜長片麻巖,侵入界面清晰[圖2(a)和圖2(b)]。

圖2 石英閃長質片麻巖和黑云石榴斜長片麻巖野外接觸關系Fig.2 Field contact relationship between quartz diorite gneiss and biotite garnet plagioclase gneiss

古元古代巖漿巖主要分布于區內西部,巖體構造方向與本區一致,呈北西-南東向分布,出露面積為196.19 km2。鋯石U-Pb年齡介于1.85～1.99 Ga,巖石化學成分以富Al2O3為特征,輕稀土富集,重稀土虧損,總體特征與S型花崗巖(sediment type granite)相似,為華北克拉通北緣呂梁期巖漿活動產物。

2 巖相學特征

烏拉山巖群根據巖相組合、顏色、化學特征等特征劃分為上、下兩個亞群。下亞群由角閃片麻巖巖組(Ar3W.hg)和黑云片麻巖巖組(Ar3W.bg)組成,角閃片麻巖巖組巖石組合為:深灰-灰黑色角閃斜長片麻巖[圖3(a)]、黑云角閃斜長片麻巖夾斜長角閃巖,局部發育黑云斜長片麻巖、云母片巖、黑云角閃二長片麻巖和輝石角閃斜長片麻巖,斜長角閃巖[圖3(b)]為該巖組標志層。

圖3 下亞巖群野外巖貌地質特征Fig.3 The field geological characteristics of the lower sub-rock group

黑云片麻巖巖組多以條帶狀、布丁狀、透鏡狀獨立產出于弱片麻狀正長花崗巖中,部分呈包體產出。受多期花崗質脈體貫入或深熔作用影響,巖性多具混合巖化特征[圖3(c)]。巖石組合以黑云二長片麻巖、黑云角閃斜長片麻巖[圖3(d)]、角閃二長片麻巖夾黑云斜長片麻巖為主,以出露連續穩定的巨厚灰白-煙灰色石英巖為特征。

烏拉山巖群上亞群由榴云片麻巖巖組(Ar3W.sg)、石榴淺粒巖巖組(Ar3W.lti)和大理巖巖組(Ar3W.mg)組成,榴云片麻巖巖組主要分布于烏拉山-大青山中部,呈北西向展布,分布范圍廣且連續,巖組中常見有條帶狀磁鐵石英巖。榴云片麻巖巖組巖石組合較為復雜,包括淺灰色、灰褐色石榴黑云斜長片麻巖[圖4(a)]、黑云石榴斜長片麻巖夾含矽線石榴黑云二長片麻巖、石榴黑云二長片麻巖、黑云斜長片麻巖、磁鐵石英巖[圖4(b)],巖石組合較復雜。磁鐵石英巖在區內較為發育,是該巖組的標志層。

圖4 上亞巖群野外巖貌地質特征Fig.4 Field geological characteristics of the upper sub-rock group

石榴淺粒巖巖組與榴云片麻巖巖組相鄰,但兩者在巖性組合上存在明顯差異,該巖組主要出露于研究區西部小廟子溝和達拉蓋溝,出露面積較小,巖性組合為淺褐色、灰白色石榴二長變粒巖夾石榴淺粒巖[圖4(c)]、黑云石榴二長變粒巖、矽線石榴變粒巖。該巖組巖性單一,且石榴淺粒巖中的長英質含量高。石榴淺粒巖巖組—榴云片麻巖巖組的原巖建造為一套由砂巖、頁巖組成的以細碎屑巖為主的沉積建造。

大理巖巖組主要分布于研究區中部,巖石組合特征為一套白色、淺綠色中、粗粒大理巖[圖4(d)]、蛇紋石化大理巖、灰綠色透輝角閃斜長片麻巖夾黑云角閃斜長片麻巖、淺肉紅色鉀長片麻巖,主要為一套高級變質的化學沉積-碎屑沉積的原巖建造。

3 樣品采集與分析方法

本次采樣點位于內蒙古中部烏拉山-大青山地區富鋁片麻巖和變質深成巖中(圖1),其中3件副變質巖樣品包括:矽線石榴黑云斜長片麻巖(TWB19)、黑云斜長片麻巖(TWB20)和含橄欖石方解石大理巖(TWB18);3件變質深成巖樣品是紫蘇花崗質片麻巖(TW7)、石英閃長質片麻巖(TWB6)和花崗閃長質片麻巖(D1227)。

上述6件同位素地質年代學樣品的處理、鋯石挑選及制靶由河北廊坊宇能巖石礦物分選公司進行。鋯石U-Pb同位素在天津地質礦產研究進行,測定方法為激光剝蝕-等離子體質譜儀(laser ablation-inductive coupled plasma-mass spectrometer, LA-ICP-MS)法[36]。193 nm的Neptune激光剝蝕系統由Thermo Fisher公司制造。以He為剝蝕物質的載氣,斑束直徑為35 μm對鋯石進行剝蝕;TEMORA鋯石作為外標,NIST612為外標標定。所測得的鋯石相關數值用ICP MS DataCal程序和Isoplot程序進行處理,對普通鉛進行208Pb校正法校正[37-38]。

4 分析結果

4.1 矽線石榴黑云斜長片麻巖TWB19

由圖5(a)可見,鋯石晶體長度介于50～200 μm,鋯石陰極發光(cathodoluminescene,CL)顏色不均一,總體顯示灰白-灰黑色,鋯石晶形多以渾球粒狀為主,部分長柱狀,棱角基本不發育。鋯石呈弱分帶、面狀分帶環帶、以及扇形環帶,其中部分晶體具巖漿鋯石內核和變質邊,且巖漿環帶常被變質環帶切割而呈弱分帶或面狀分帶。鋯石具有多源性,但以變質鋯石為主,只在部分鋯石晶體核部余留有少量巖漿鋯石的碎屑。

對矽線石榴黑云斜長片麻巖TWB19共計分析28個點。U-Pb年齡結果如表1所示,207Pb/206Pb年齡值介于(1 904±19)～(2 498±14) Ma,將測試數值分為1.9～2.1 Ga和2.3～2.5 Ga兩組年齡,多數集中分布于2.3～2.5 Ga。所測數據點都大致落在諧和曲線上或是附近[圖6(a)],表明晶體形成過程中,成巖體系基本保持封閉。根據測定結果,將這些鋯石的結晶年齡最大限定在2.5 Ga左右。

4.2 黑云斜長片麻巖樣品TWB20

黑云斜長片麻巖的同位素鋯石樣品的CL圖[圖5(b)]中顯示,鋯石晶形以自形較規則狀、渾球狀、短柱狀為主,鋯石晶體長度在100～150 μm,部分中部見明顯包裹體,陰極發光顯示鋯石多具環帶結構的巖漿鋯石內核和變質邊,巖漿環帶常被變質邊切割而呈現無分帶、弱分帶或面狀分帶。總體表現為亞固態的重結晶鋯石。

對黑云斜長片麻巖TWB20共計分析30個點,詳細的U-Pb年齡如表2所示,除1 993 Ma和2 013 Ma兩個異常點外,其余點均在2 272～2 529 Ma,所有年齡基本落在諧和曲線上或曲線附近[圖6(b)],說明體系在固態重結晶過程中基本保持封閉。根據測定數值,將這些鋯石的結晶年齡的最大范圍值限定在2.3～2.5 Ga。

表2 TWB20鋯石LA-ICP-MS U-Pb年齡

4.3 含橄欖石方解石大理巖樣品TWB18

含橄欖石方解石大理巖鋯石顆粒長度在為40～150 μm,呈短柱狀晶形為主,極少晶體有裂隙。CL圖[圖5(c)]表明,鋯石晶體呈環帶、弱環帶、面狀分帶。且多在100 μm以下,鋯石大小差異懸殊,形態及結構復雜,測試分析點數值差異大且分散,明顯具有多元多期變質成因特征。

對橄欖石方解石大理巖TWB18共計分析11個點,詳細的U-Pb年齡如表3所示,所測年齡分散且多數落于諧和曲線上[圖6(c)],其地質意義難以辨析。

表3 TWB18鋯石LA-ICP-MS U-Pb年齡

4.4 紫蘇花崗質片麻巖TW7

紫蘇花崗質片麻巖巖石的結構為中細粒花崗變晶結構、片麻狀-塊狀構造,主要礦物為:斜長石、微斜長石、條紋長石、石英、紫蘇輝石、黑云母,副礦物為磁鐵礦、鋯石。紫蘇輝石多呈撕裂狀、透鏡狀,或不規則粒狀。鋯石晶體長度介于100～200 μm,自形短柱狀晶形為主,長寬比為2∶1～3∶1。從圖5(d)可見,部分鋯石巖漿環帶結構明顯,表明這些鋯石為巖漿鋯石;大部分鋯石呈面狀分布,晶體重結晶特征明顯,表面年齡數值相對較小。

對紫蘇花崗質片麻巖TW7共分析25個點,詳細的U-Pb年齡如表4所示,其中12個分析點位于諧和線上或附近,其余13個分析點沿不一致線分布,原因可能是后期不同程度變質作用影響,導致鋯石重結晶作用疊加造成的。從圖6(d)可知,諧和鋯石的加權平均年齡為(2 464±13) Ma,指示巖巖體實際形成于新太古代晚期。

表4 TW7鋯石LA-ICP-MS U-Pb年齡

4.5 石英閃長質片麻巖TWB6

巖石呈灰綠色,以塊狀構造為主,礦物主要由斜長石、角閃石、石英、黑云母組成,少量微斜長石。樣品鋯石晶體長度介于50～100 μm,渾圓狀晶形為主[圖5(e)],多數鋯石陰極發光強度中等,鋯石無分帶或具弱的云霧狀分帶,顯示變質鋯石特征。部分鋯石中心具有不規則的小的核。

30個點分析結果顯示年齡數值較分散(表5),其樣品數值較分散,19個分析點位于諧和線上或附近[圖6(e)],11個分析點沿不一致線分布,可能是后期不同程度變質熔融,再重結晶造成的,指示巖漿鋯石形成約2 400 Ma,變質年齡為2 200 Ma和1 900 Ma,顯示出該巖體經歷了呂梁期變質事件的影響。結合該變質深成巖與圍巖侵入關系及鋯石U-Pb年齡,可以推斷出烏拉山巖群榴云片麻巖組形成時間應該大于(2 444.4±7.2) Ma。

表5 TWB6鋯石LA-ICP-MS U-Pb年齡

4.6 花崗閃長質片麻巖D1227

鋯石顆粒長度介于100～250 μm,晶形以混球狀、長柱狀、短柱狀混雜,鋯石晶體裂隙較多,鋯石顆粒較為破碎,部分棱角發育。CL圖像[圖5(f)]顯示多數鋯石呈無分帶、弱分帶,部分巖漿環帶被變質環帶切割。

對花崗閃長質片麻巖D1227共做了25個點,測試結果如表6所示,除6個分析點不在諧和線上,其余測定點分布在U-Pb諧和線上[圖6(f)],19個分析點的加權平均年齡為(2 512±24)Ma,表明巖體形成于新太古代。

表6 D1227鋯石LA-ICP-MS U-Pb年齡

5 討論

5.1 原巖形成時代與變質時代

烏拉山地區從元古宙到印支期發育了多期巖漿活動[39],多期巖漿活動疊加改造影響研究區變質巖系的時代劃分。李樹勛[5]認為烏拉山巖群屬于太古宙時期的中新太古代,但截至目前,年齡較大的數據很少有獲得,前人認為這可能是受后期構造熱事件的影響所導致的;而金魏等[40]則認為烏拉山巖群鋯石年齡值主要分布于2.2～2.0 Ga,如果以最年輕的碎屑鋯石年齡為限定,則其沉積年齡小于2.0 Ga,應屬于古元古代后期的沉積巖。有研究表明,烏拉山-大青山變質雜巖與孔茲巖帶東段集寧地區的構造演化相似[41]。

本次同位素鋯石樣品年齡(TW7、TWB19、D1227、TWB20)年齡都主要集中在2.3～2.5 Ga,部分年齡偏小的原因可能與后期構造熱事件強烈改造有關,其真實年齡應更大一些,其中,TW7和D1227的同位素年齡與徐仲元等[42]研究的大青山地區新太古代晚期變質深成巖的鋯石高靈敏度離子探針(sensitive high resolution Ion micro probe,SHRIMP)年齡約2.5 Ga近似,張琳等[43]認為大青山-烏拉山巖群可能包括了新太古代晚期的表殼巖,這表明新太古代晚期巖漿作用在空間上分布廣泛,且巖漿作用發育。早期部分學者認為新太古代晚期-古元古代早期兩期變質事件先后發生在烏拉山地區基底,而后又受到古元古代晚期高級變質事件的疊加改造[44-47]。同位素鋯石U-Pb年齡協和圖(圖6)顯示,除TW7以外的5個樣品的同位素年齡都落在諧和曲線上或是在曲線附近,造成TW7部分同位素數據點偏離協和曲線的原因有兩種,一種可能是作為本次研究對象的鋯石結構復雜,鋯石遭受多期變質作用改造,使得鋯石的形成時間偏離了諧和曲線,一種是某些晶粒的重結晶或環帶模糊導致的誤差。石英閃長質片麻巖(TWB6)雖未獲得鋯石加權年齡,但根據鋯石LA-ICP MS U-Pb年齡和該變質深成巖與榴云片麻巖巖組的黑云石榴斜長片麻巖侵入接觸關系,可以推斷出烏拉山巖群榴云片麻巖組形成時間應該早于(2 444.4±7.2)Ma。因此烏拉山巖群榴云片麻巖巖組原巖形成時代限定為新太古代晚期。

Dong等[48]對大青山的部分孔茲巖系巖石的年代學研究結果限定了2.40～2.45 Ga和1.90～1.95 Ga兩期變質事件。劉平華等[49]根據狼山地區烏拉山巖群變質巖地質特征,提出烏拉山巖群遭受了新太古代晚期變質作用改造,且變質時代為新太古代。段瑞涵[50]報道了孔茲巖帶在古元古代末期間發育一期變質級別達角閃巖相-麻粒巖相的變質作用,該期變質作用在大青山、烏拉山巖體也曾有報道,其變質時代在1.82～1.96 Ga。本文研究對烏拉山巖群變質深成巖進行LA-ICP-MS鋯石測年;其中,D1227得到了具有重結晶特征的巖漿鋯石加權年齡為(2 515±24) Ma,TW7的LA-ICP-MS鋯石加權年齡為(2 464±13) Ma,TWB6的變質鋯石年齡為2.20 Ga和1.90 Ga。本次同位素年代數據大致分為兩組,第一組年齡值為1.90～2.10 Ga,第二組年齡值為2.30～2.50 Ga,以上兩組數值均與大青山-烏拉山地區的兩次較強的熱事件相吻合,相當于新太古代和古元古代末期的熱事件,表明烏拉山巖群形成于新太古代晚期,后期又遭受古元古代晚期高級變質事件影響。

5.2 巖石成因與構造環境

巖石在變質作用過程中壓力(P)和溫度(T)隨時間(t)而變化的軌跡即為P-T-t軌跡(P-T-tpath)。變質作用演化的P-T-t軌跡具有反映地殼演化及其與變質作用關系和動力學機制的意義[51]。劉濤濤等[18]研究表明烏拉山巖群孔茲巖系中富鋁片麻巖原巖主要形成于大洋島弧環境。蔡佳[13]對石拐地區富鋁片麻巖研究發現,該區巖石具有典型的近等溫減壓的順時針P-T演化軌跡。Lu等[52]也同樣發現了大青山-烏拉山變泥質巖同樣具有了典型的順時針P-T軌跡。劉福來等[53]在對冀西北麻粒巖相帶中富鋁片麻巖開展的研究中,根據富鋁片麻巖在變質過程中礦物組合的演化特征,亦得到典型的近等溫減壓的順時針P-T軌跡。賈和義等[54]也報道了烏拉山巖群變質作用P-T軌跡為典型的順時針形式,其峰期變質溫度為830～948 ℃,壓力為0.94 GPa。許亞鑫等[55]在研究烏拉山巖群榴云片麻巖巖組中的泥質片麻巖時也表明,烏拉山巖群泥質片麻巖也具有順時針P-T演化軌。這種順時針的P-T-t軌跡是大陸碰撞造山帶的P-T-t軌跡典型特征,反映了古老造山帶由地殼沉降并發生變質,到地殼抬升并結束變質且趨于穩定的完整演化過程,再現了造山作用旋回由發生、發展演化到結束的全部歷史。

徐仲元等[56]提出,內蒙古大青山—烏拉山地區的烏拉山巖群孔茲巖系至少經歷了兩個造山旋回。根據年代學分析,石英閃長質片麻巖(TWB6)的鋯石U-Pb同位素年齡為(2 444.4±7.2) Ma和紫蘇花崗質片麻巖(TW7)的加權平均年齡為(2 464±13) Ma,再結合野外石英閃長質片麻巖侵入和紫蘇花崗質片麻巖侵入接觸包括黑云片麻巖巖組-榴云片麻巖巖組在內的高級變質雜巖,且石英閃長質片麻巖中含有榴云片麻巖殘留體,兩種變質巖中片麻理方向不一致,這說明在老于2.5 Ga時期區域發生了一次變質作用,在該時間段華北克拉通也許在空間上已經形成了一個整體;于～1.9 Ga又遭受一期變質事件改造,該時期北部陰山陸塊與南部鄂爾多斯陸塊發生俯沖并拼合在一起,最終形成華北克拉通西部陸塊。

6 結論

(1)根據巖相學特征,烏拉山巖群分上、下兩個亞巖群。下亞群由角閃片麻巖巖組和黑云片麻巖巖組組成;上亞群由榴云片麻巖巖組和石榴淺粒巖巖組和大理巖巖組組成。研究區出露紫蘇花崗質片麻巖和石英閃長質片麻巖變質深成體侵入黑云石榴斜長片麻巖中,侵入界面清晰。

(2)紫蘇花崗質片麻巖、花崗閃長質片麻巖樣品的鋯石U-Pb 定年研究結果表明,烏拉山富鋁片麻巖原巖形成時代最晚在2.5 Ga。

(3)根據年代學研究結果顯示,烏拉山巖群富鋁片麻巖經歷或至少了兩期變質作用疊加。一期變質年齡為2.5 Ga左右,在該時間段華北克拉通也許在空間上已經形成了一個整體;二期變質年齡約1.9 Ga,該時期北部陰山陸塊與南部鄂爾多斯陸塊發生俯沖并拼合在一起,最終形成華北克拉通西部陸塊。