2020, Vol. 29
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2. 中国地质调查局 沈阳地质调查中心, 辽宁 沈阳 110034
2. Shenyang Center of China Geological Survey, Shenyang 110034, China
内蒙古赤峰地区处于兴蒙造山带与华北板块北缘这两大构造单元的交界位置, 是研究两大构造单元的属性、边界、碰撞拼合历史及岩浆-构造演化历史的有利地区[1-7].赤峰地区存在大量的古生代及早中生代岩浆岩(图 1), 对于了解古亚洲洋及兴蒙造山带的演化历史有着重要的科学意义.众多学者将注意力放在古亚洲洋最终拼合的位置及时限上, 越来越多的资料证明, 西拉沐伦河-长春-延吉一线为南、北两大板块最终碰撞拼合位置[8-12], 拼合时间发生在晚二叠世末-早三叠世[8, 13-16].
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图 1 赤峰哈拉道口地区地质略图 Fig.1 Geological sketch map of Haladaokou area in Chifeng City 1-第四系(Quaternary)；2-中生代地层(Mesozoic strata)；3-晚古生代地层(Late Paleozoic strata)；4-前寒武系地层(Precambrian strata)；5-正长花岗岩(syenogranite)；6-二长花岗岩(monzogranite)；7-花岗闪长岩(granodiorite)；8-采样点及点号(sampling site and number) |
赤峰地区分布有大面积岩浆岩, 一些学者仅仅识别出来早泥盆世和晚泥盆世的火山岩[17-19]、早二叠世末期的火山岩和一些晚二叠世-早三叠世的花岗岩[20-21], 中间缺失石炭纪的演化研究, 主要原因是没有识别出石炭纪岩浆岩.本文对赤峰哈拉道口地区早石炭世早期花岗质岩体进行岩相学、锆石U-Pb年代学及地球化学研究, 以期填补本区石炭纪演化研究空白.
1 区域地质背景及岩石学特征赤峰哈拉道口地区第四系掩盖较严重, 出露的基岩中除有大量的花岗质岩体外还出露有沉积地层, 包括前寒武结晶基底、早古生代地层、晚古生代地层及中生代地层(图 1).区内断裂构造主要为北东向(包括北东东向)逆冲断裂, 次为北西向走滑断裂.下新井岩体出露于哈拉道口镇下新井村附近, 前人将其划归于烧锅营子岩体.笔者经过地质调查将其解体出来, 并重新命名.该岩体岩性为花岗闪长岩, 分布面积12.56 km2, 总体展布沿北东向延伸约为3 km, 被早三叠世正长花岗岩侵入, 南侧被下二叠统三面井组角度不整合压盖.
岩石属中细粒花岗闪长岩, 半自形柱状、粒状结构, 块状构造.岩石矿物组成有石英、斜长石、钾长石、黑云母和角闪石(图 2).石英为他形粒状集合体, 充填于长石之间, 粒径1.4~2 mm, 含量20%；斜长石呈半自形板柱状、板状, 聚片双晶带宽窄不一, 测垂直a轴方向, Np′∧(010)=12°, An=27, 为更长石, 部分边缘弱环带, 表面清晰洁净, 或聚片双晶纹较细密, 中心强绢云母化, 边缘发育环带, 粒径2~3.6 mm, 含量50%；钾长石呈宽板状, 为微斜条纹长石, 格子状双晶清晰, 条纹细脉状, 包含斜长石小晶体交代净边结构, 粒径2~3.6 mm, 含量10%；角闪石, 半自形柱状、板柱状, 绿色, 多色性：Ng-绿, Np-淡黄绿, 柱面一组解理, 斜消光, 见两组解理相交近菱形, 部分边缘退变质为黑云母, 含量8%；黑云母, 宽片状, 边缘齿状, 绿泥石化析出榍石, 含量12%.副矿物有榍石, 多分布于黑云母或角闪石之上, 最大粒径可达1.2~1.5 mm.
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图 2 哈拉道口花岗闪长岩显微照片 Fig.2 Microphotographs of the granodiorites in Haladaokou area Pl-斜长石(plagioclase)；Mic-微斜长石(microcline)；Bt-黑云母(biotite)；Qtz-石英(quartz)；Or-正长石(orthoclase)；Pth-条纹长石(perthite) |
本研究对赤峰地区早石炭世花岗闪长岩进行了锆石U-Pb定年工作.在野外地质工作的基础上, 选取干净无污染样品5 kg左右, 在薄片鉴定后, 选取准备进行年代学测试的样品, 样品破碎和锆石挑选及重砂鉴定工作由廊坊市宇能矿物分选有限公司完成.背散射图像在吉林大学完成, 阴极发光(CL)锆石图像采集在中国科学院地质与地球物理研究所完成.样品锆石U-Pb同位素定年是由中国地质大学(北京)科学研究院地质过程与矿产资源国家重点实验室完成.分析仪器为由激光(波长193 nm)剥蚀进样系统(UPI93SS)和Agilent 7500a型四级杆等离子质谱仪联合构成的激光等离子质谱仪(LA-ICP-MS).采用He作为剥蚀物质的载气, 激光器工作频率为10 Hz.测试点的激光束斑直径为36 μm, 剥蚀时间为45 s.锆石U-Pb及年龄标准选用标准锆石91500, 使用锆石中含量稳定29Si作为内标, 以标准锆石TEMORA(416±5 Ma)和QH(160±1 Ma)作为辅助变样.锆石U-Pb同位素比值由ICP-MS测定, 比值采用GLITTER 4.4程序, 年龄计算采用国际标准程序Isoplot/Ex(3.0).普通铅校正方法同Anderson (2002) [22].
2.2 测试结果本研究选择两件中粗粒花岗闪长岩样品(D3396、D1452)进行锆石LA-ICP-MS U-Pb测试, 测试结果见表 1.
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表 1 哈拉道口早石炭世花岗闪长岩LA-ICP-MS U-Pb分析结果 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb data for the Early Carboniferous granodiorites in Haladaokou area |
D3396样品锆石的晶型较好, 多呈长柱状、短柱状, 长宽比介于3 : 2~4 : 1.在阴极发光图像中, 锆石发育清晰的振荡生长环带(图 3), 同时锆石的Th/U比值较高, 除一个锆石Th/U值为0.37外, 其余锆石Th/U值均大于0.54.上述特征指示为典型的岩浆锆石[23-26].对该样品共进行了20个锆石颗粒的测定, 分析点均位于谐和线上及其附近(图 4), 具有很好的谐和度, 集中分布形成一组谐和年龄, 其206Pb/238U加权平均年龄为352.6±2.6 Ma, MSDW=0.44, 代表了此样品岩浆结晶年龄.
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图 3 早石炭世花岗闪长岩部分锆石CL图像 Fig.3 CL images of zircons in the Early Carboniferous granodiorites |
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图 4 早石炭世花岗闪长岩锆石207Pb/235U-206Pb/238U谐和图和加权平均图 Fig.4 Concordia diagrams and weighted average ages of zircon 207Pb/235U-206Pb/238U in the Early Carboniferous granodiorites |
D1452样品锆石的晶型较好, 多呈长、短柱状, 长宽比介于1 : 1~3 : 1.在阴极发光图像中, 锆石发育清晰的振荡生长环带(图 3), 同时锆石的Th/U比值较高, 介于0.42~1.11之间, 均大于0.4.上述特征指示所测锆石为典型的岩浆锆石[23-26].对该样品共进行了25个锆石颗粒的测定, 其中两个分析点谐和度不高, 在作图时去除, 其余22个分析点位于谐和线上及其附近(图 4), 其206Pb/238U加权平均年龄为355.9±1.4 Ma, MSDW=0.89, 代表了此样品结晶年龄.
从2个测年样品可以看出, 花岗闪长岩的成岩年龄为352.4~355.9 Ma, 表明其形成于早石炭世早期, 代表了本区早石炭世花岗质岩浆作用.这也是首次确认了赤峰地区存在早石炭世岩浆活动事件.前人研究认为, 华北板块北缘早石炭世岩浆活动微弱, 近年来仅有个别报道, 如内蒙古乌拉山地区约353 Ma的大桦背花岗岩[27]、集宁地区约342 Ma的大南沟南部黑云母正长花岗岩[28].
3 花岗闪长岩地球化学特征样品主量元素、微量元素和稀土元素测试在中国地质调查局沈阳地质调查中心检测分析中心完成.岩石化学分析数据见表 2、3.
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表 2 早石炭世花岗闪长岩主量元素分析结果 Table 2 Major element contents of the Early Carboniferous granodiorites |
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表 3 早石炭世花岗闪长岩微量元素、稀土元素分析结果 Table 3 Trace and rare earth element contents of the Early Carboniferous granodiorites |
早石炭世花岗岩样品SiO2含量为63.67%~64.93%, 属酸性岩类, 在TAS分类图解(图 5)中均落在花岗闪长岩区域；Al2O3含量14.49%~15.22%, 含量中等；TiO2、MgO、＜FeO＞和P2O5含量偏低, 分别为0.49%~0.63%、1.69%~2.56%、2.03%~2.97%和0.14%~0.19%；K2O含量相对偏高, 为2.68%~3.45%, 在SiO2-K2O图解(图 6)中投影点均落于高钾钙碱性系列范围内；Na2O+K2O为6.48%~7.25%, Na2O/K2O为1.03与1.42, 均大于1, 为富碱高钠岩石. A/CNK为0.91~0.98, 在ACNK-ANK图解(图 7)中, 投影点均落入准铝质区, 说明岩石属于低铝质岩石, CIPW标准矿物中未出现现刚玉分子(C).总体上看, 该期花岗闪长岩属铝未饱和、高钾钙碱性系列岩石.
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图 5 花岗闪长岩TAS分类图解 Fig.5 The TAS classification diagram of granodiorites |
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图 6 花岗闪长岩SiO2-K2O图解 Fig.6 The SiO2-K2O diagram of granodiorites |
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图 7 花岗闪长岩ACNK-ANK图解 Fig.7 The A/CNK-A/NK diagram of granodiorites |
岩石稀土元素总量(∑REE)介于98.45×10-6~176.19×10-6, 其(La/Yb)N和LREE/HREE值分别为15.31~17.14和12.10~14.04, 具有轻稀土元素富集、重稀土元素亏损的右倾型稀土元素配分模式(图 8).重稀土曲线相对较缓, 而轻稀土曲线较陡, 表明轻稀土元素分异程度较高, 而重稀土元素分异程度相对偏低. δEu值为0.74~0.98, 呈现出轻微的负Eu异常.富集大离子亲石元素(LILE, Rb、Ba、K、La、Sr), 略亏损高场强元素(HFSE, Nb、Ta), 略微富集高场强元素Zr、Hf, 并且具有Ba、La正异常和P、Ti负异常的特征(图 9), 说明花岗闪长岩的原始岩浆起源于地壳物质的部分熔融.考虑其具有轻微Eu负异常或无Eu异常, 暗示其地壳层位可能相对较深.
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图 8 花岗闪长岩球粒陨石标准化稀土元素配分模式图 Fig.8 Chondrite-normalized REE patterns of granodiorites |
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图 9 花岗闪长岩原始地幔标准化微量元素配分模式图 Fig.9 Primitive mantle-normalized trace element spidergram of granodiorites |
岩石化学、地球化学等特征显示出早石炭世中粒花岗闪长岩属铝未饱和、高钾钙碱性系列岩石, 推断为I型花岗岩. Si2O含量为63.67%~64.93%(均大于56%)；Al2O3含量14.49%~15.22%, 含量中等, 处于15%左右；Na2O 3.35%~4.13%(＞3.5 %), Sr含量500.3×10-6~614.73×10-6(＞400×10-6).较低的MgO含量(1.69%~ 2.56%, ＜3 %)、Y含量(11.66×10-6~12.27×10-6, ＜18×10-6)、Yb含量(1.13×10-6~1.49×10-6, ＜1.9×10-6), 具有轻微的负Eu异常(δEu主体为0.94~0.98), 富集LREEs, 亏损HREEs和HFSEs, Sr/Y比值介于34.62~48.43, (La/Yb)N比值为15.31~17.14之间, 具有埃达克岩特征[29-31].在YbN-(La /Yb)N图解(图 10)中, 早石炭世花岗闪长岩落在了埃达克岩区域.
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图 10 早石炭世花岗闪长岩YbN-LaN/YbN图 Fig.10 The YbN-(La/Yb)N diagram of Early Carboniferous granodiorites |
最开始在阿留申群岛发现的具有埃达克岩地球化学特征的岩石是由年轻的(＜25 Ma)并且是热的俯冲洋壳在75~85 km深处发生部分熔融形成的埃达克质熔体[29, 32-33], 被称为经典埃达克岩.此种情况形成的岩浆在上升过程中与上覆地幔楔发生物质交换作用, 通常形成准铝质的钙碱性系列埃达克质岩石, 并具有相对较低的K含量和Rb/Sr比值(0.04~0.05)、较高的Mg#值(Mg#＞47) [33-34]和Cr、Ni含量(Cr＞36×10-6, Ni＞24×10-6).与经典的埃达克岩相比, 早石炭世花岗闪长岩具有较高的K2O含量(2.68%~3.45%)、Rb/Sr比值(0.15~0.22), 较低的Mg#值(38~41)、Cr含量(19.05×10-6~38.41×10-6)、Ni含量(16.31×10-6~22.84×10-6), 所以不属于俯冲型埃达克岩[32].
近年来许多学者认为埃达克岩不仅可以由老的俯冲洋壳形成[32], 还可能与加厚下地壳底部基性岩或底侵玄武岩的部分熔融有关[31, 35-36].地球化学特征显示, 早石炭世花岗闪长岩与华北型埃达克岩相类似[37], 为“C型埃达克岩” [35, 37-38].
中国东部C型埃达克岩有以下两种成因：1)拆沉下地壳物质的熔融[39-40]；2)增厚下地壳镁铁质岩的部分熔融[31, 35-36, 41].下地壳熔融和玄武质岩石在1.0~4.0 GPa的条件下熔融形成的埃达克质岩浆或熔体的Mg#一般小于47 [34, 42].实验岩石学研究表明, MORB发生部分熔融产生的熔体Mg#一般不超过45, 因此Mg#＞50的埃达克岩说明在其形成演化过程中曾受到比玄武岩更基性物质的混染, 因此很多学者用埃达克质熔体与地幔发生混合的模式来解释[32, 42].实验岩石学研究显示, 埃达克岩与橄榄岩发生10%的混染便可导致熔体的Mg#从44提高到55 [32].由于在拆沉下地壳物质熔融形成埃达克质岩浆时, 从下地壳拆离的榴辉岩密度大于地幔, 在重力影响下沉入软流圈的地幔中, 在地幔热力的影响下发生部分熔融形成埃达克质岩石的原始岩浆, 此岩浆会与其周围的地幔橄榄岩发生反应, 所以由此种模式形成的埃达克质岩的Mg#一定很高, 形成富镁的埃达克岩[43].早石炭世花岗闪长岩具有较高的K2O含量(2.68%~3.45%), 较低的Mg#值(38~41)、Cr含量(19.05×10-6~38.41×10-6)、Ni含量(16.31×10-6~22.8×10-6), 不同于拆沉下地壳物质熔融形成的低Th/U比值, 高MgO、Cr和Ni含量的埃达克质岩石[40, 44], 所以推测花岗闪长岩埃达克质岩体不可能是由拆沉下地壳物质的熔融形成, 而是形成于增厚下地壳镁铁质岩的部分熔融.
4.2 早石炭世花岗闪长岩形成的构造背景地球化学等特征显示出早石炭世中粒花岗闪长岩属铝未饱和、高钾钙碱性系列岩石, 为I型花岗岩.地球化学特征显示其可能形成于火山弧环境, 在早石炭世花岗闪长岩Nb-Y、Rb-(Yb+Ta)和Rb-(Y+Nb)图解(图 11)上可以看出, 3个图中样品均落在火山弧的范围内.将花岗闪长岩与Miniar(1999)的造山花岗岩的构造环境判别比值进行对比(表 4), 早石炭世花岗岩类的构造环境应与岛弧花岗岩(IAG)相接近.因此本区早石炭世花岗闪长岩形成于活动大陆边缘弧环境.
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图 11 早石炭世花岗闪长岩Nb-Y、Rb-(Yb+Ta)和Rb-(Y+Nb)图解 Fig.11 The Nb-Y, Rb-(Yb+Ta) and Rb-(Y+Nb) diagrams of Early Carboniferous granodiorites VAG-火山弧花岗岩(volcanic arc granite)；WPG-板内花岗岩(within-plate granite)；syn-COLG-同碰撞花岗岩(syn-collision granite)；ORG-洋中脊花岗岩(oceanic ridge granite) |
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表 4 早石炭世花岗闪长岩与Maniar花岗岩类构造环境化学参数对比表 Table 4 Comparison of geochemical parameters by tectonic settings between the Early Carboniferous granodiorites and Maniar granites |
区域上, 不整合于包尔汗图-白乃庙岛弧和徐尼乌苏组弧后盆地沉积之上的上志留统西别河组磨拉石建造, 标志着华北克拉通北缘的一次弧陆碰撞事件的结束[15, 45-46].随后在泥盆纪早期出现同碰撞环境下的英云闪长岩(417 Ma)以及赤峰地区八当山火山岩(403 Ma) [17, 47], 说明白乃庙岛弧在早泥盆世(约403 Ma)与华北板块碰撞拼贴结束.紧接着在390~370 Ma, 一套“双峰式火山岩”在华北板块北缘及其早古生代增生带两大构造单元呈带状分布, 应该是与白乃庙岛弧与华北板块碰撞拼贴后的伸张作用有关[18-19, 48-49].白乃庙岛弧与华北板块碰撞拼贴完成后, 古亚洲洋板块继续向南俯冲, 在本区形成了早石炭世早期花岗闪长岩, 随后持续的俯冲形成了平行于华北板块北缘边界东西向出露的大面积的早石炭世晚期-晚石炭侵入岩.这些侵入岩在空间分布、矿物组合、岩石组合、岩石地球化学及同位素组成等方面均显示出活动大陆边缘岩浆弧特征[28, 48, 50].
5 结论(1) 在赤峰哈拉道口地区识别出花岗闪长岩, 锆石U-Pb定年结果为352.4~355.9 Ma, 表明其形成于早石炭世早期, 代表了本区早石炭世花岗质岩浆作用.
(2) 地球化学特征显示早石炭世早期具有埃达克岩性质, 属于“C型埃达克岩”, 但其具有较高的K2O含量(2.68%~3.45%), 较低的Mg#值(38~41)、Cr含量(19.05×10-6~38.41×10-6)、Ni含量(16.31×10-6~22.84×10-6), 显示其不可能是由拆沉下地壳物质的熔融形成, 而是形成于增厚下地壳镁铁质岩的部分熔融.
(3) 微量元素特征显示花岗闪长岩形成于活动大陆边缘弧环境.早泥盆世白乃庙岛弧与华北板块碰撞拼贴完成后, 古亚洲洋板块继续向南俯冲, 在本区形成了早石炭世早期花岗闪长岩, 以及随后出露的大面积的早石炭世晚期-晚石炭世侵入岩.
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