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内蒙古红山子地区新太古代变质侵入岩年代学及地球化学特征
王春光1, 董晓杰1, 徐仲元1, 任云伟2, 王文龙2, 陈煜嵩1     
1. 吉林大学地球科学学院, 长春 130061;
2. 中国地质调查局天津地质调查中心, 天津 300170
摘要: 华北克拉通西部陆块阴山地块花岗-绿岩带中出露的花岗岩类型比较复杂,研究其类型、成因及其与绿岩带之间的联系,对于探讨花岗-绿岩带的形成和演化有重要意义。本文对内蒙古三合明铁矿西侧红山子地区的花岗-绿岩带进行了研究。其不仅包含有大量的变质科马提岩、科马提质玄武岩和拉斑玄武岩等绿岩带的表壳岩,而且发育着多种变质侵入岩。研究表明,区内与绿岩带相关的侵入岩主要有3种,即变质英云闪长岩、变质花岗闪长岩、变质花岗岩,本文对其中的变质英云闪长岩和变质花岗岩两种岩石进行了地球化学和锆石测年的研究。变质英云闪长岩是一套富铝、低钾、贫铁镁和稀土元素强烈分异的太古宙高铝型TTG岩,SHRIMP锆石U-Pb测年为(2 534±7)Ma(MSWD=1.3),与研究区南部的赞岐岩和TTG的年龄相同;而变质花岗岩具有高硅、富碱,低铁、镁、钛、锰的特点,是一套钙碱性的过铝质岩石,SHRIMP锆石U-Pb测年为(2 509±7)Ma(MSWD=1.5),野外地质现象表明变质花岗岩明显地侵入到区内的绿岩地层和变质英云闪长岩之中。研究发现变质英云闪长岩形成于板块俯冲时TTG岩系岩浆弧构造环境,而变质花岗岩成因则可能与加厚地壳中变沉积岩的熔融有关。
关键词: 阴山地块    花岗-绿岩带    变质侵入岩    锆石U-Pb年代学    地球化学    
Chronology and Geochemistry of Neoarchean Metamorphic Intrusive Rocks in Hongshanzi, Inner Mongolia
Wang Chunguang1, Dong Xiaojie1, Xu Zhongyuan1, Ren Yunwei2, Wang Wenlong2, Chen Yusong1     
1. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China;
2. Tianjin Center, China Geological Survey, Tianjin 300170, China
Supported by National Nature Science Foundation of China(41872194) and Project of China Geological Survey(1212010510515)
Abstract: A set of complicated granites are exposed in the Yinshan granite-greenstone belt of the western block of North China craton. The research on the types, genesis and relationship with greenstone belt is of great significance to discuss the formation and evolution of the granite-greenstone belt. The authors studied the granite greenstone belt in the red mountain area in the west side of the Sanheming iron deposit in Inner Mongolia. The greenstone belts contain not only a large amount of epi-crust rocks such as metamorphic Komatite, Komatite basalt, and tholeiite, but also a variety of metamorphic intrusive rocks. The study shows that there are mainly three types of intrusive rocks related to the greenstone belt in this area, namely metamorphic quartz diorite, metamorphic granite diorite, and metamorphic granite. The geochemistry and zircon dating of metamorphic quartz diorite and metamorphic granite were obtained in this study. Metamorphic quartz diorite is Archean high-alumina TTG rocks, with higher aluminum and potassium, lower magnesium, and strong differentiation of REEs. The SHRIMP zircon U-Pb age is 2534±7 Ma (MSWD=1.3), which is cotemporary with Sanukite and TTG in the southern part of the study area. The metamorphic granites belong chemically to a calcalkaline per-aluminous series, rich in silica and alkali, and low in iron, magnesium, titanium and manganese. The SHRIMP zircon U-Pb age is 2509±7 Ma (MSWD=1.5). The field geological phenomena show that metamorphic granite obviously intruded into greenstone strata and metamorphic quartz diorite. The study found that the metamorphic quartz-dolomite diorite was formed in TTG magmatic arc tectonic environment during plate subduction; while metamorphic granite genesis may be related to the melting of thick crust metasedimentary rocks.
Key words: Yinshan block    granite-greenstone belt    metamorphic intrusive rocks    zircon U-Pb chronology    geochemistry    

0 引言

太古宙绿岩带和相关的花岗质岩石构成了地球表面最多样的岩石类型,形成于地球从古太古代到新太古代早期的发展阶段(4 000~2 500 Ma)[1]。由于它们反映了大陆壳早期的形成和构造演化,多年来一直受到国内外地质学家的广泛关注,近年来许多花岗-绿岩带中赞岐岩的发现更加有力地推动了太古宙尤其是新太古代与绿岩带有关的花岗质岩石及相应构造体制的研究[2-3]。因此,太古宙花岗-绿岩带中的花岗质岩石研究对讨论新太古代构造体制有着十分重要的意义。目前多数学者[4-6]的研究表明,许多太古宙花岗-绿岩带中花岗质岩石类型复杂,不仅有各类TTG组合,还有赞岐岩和各类花岗岩。位于华北克拉通西部陆块阴山地块[4-8]中的固阳花岗-绿岩带也是如此,其中的花岗质岩石既有大面积的赞岐岩,也发育着TTG[9-10],本次的研究还发现,固阳花岗-绿岩带北部分布广泛的白岗质花岗岩具有过铝质花岗岩的特征,其穿切绿岩地层和早期的TTG,这意味着固阳花岗-绿岩带具有复杂的构造演化历史。为此,本文将以内蒙古武川西部红山子地区的花岗-绿岩带为研究对象,对区内与绿岩地层密切相关的变质侵入岩进行详细的岩相、地球化学和同位素年代学的研究,结合近年来对固阳花岗-绿岩带的研究成果,讨论这些变质侵入岩形成的构造背景。

1 区域地质背景及岩相学

Zhao等[11]将华北克拉通分为东部陆块、中部碰撞造山带和西部陆块,并将西部陆块从南向北进一步划分为鄂尔多斯地块、近东西向孔兹岩带和阴山地块(图 1a)。在阴山地块中,花岗-绿岩带广泛出露,其中在固阳-武川一带尤为典型(图 1b)。其中,绿岩地层被定名为色尔腾山岩群,由下部的变质科马提质和拉斑玄武质超镁铁质、镁铁质火山岩夹磁铁石英岩[13-14],中部钙碱性的镁铁质和长英质火山岩、火山碎屑岩夹拉斑玄武质火山岩和上部长英质火山碎屑岩、碎屑岩[15-16]组成,呈不规则残片在新太古代变质侵入岩中产出(图 1图 2);刘利等[14]获得三合明铁矿斜长角闪岩的SIMS锆石U-Pb年龄为(2 562 ± 14) Ma,马旭东等[17]获得东五分子附近科马提岩的Re亏损模式年龄(TRD)为2 454~1 346 Ma,认为其中最大值2 454 Ma代表了科马提岩的最早形成年龄。与绿岩带相关的花岗质岩石包括赞岐岩和TTG。其中,赞岐岩的具体岩性包括片麻状闪长岩、石英闪长岩、角闪二长花岗岩、花岗闪长岩和角闪花岗岩[9-10],主要分布于花岗-绿岩地体的南部,富Mg、Al、Cr、Ni,富LREE,亏损HREE和Y,SHRIMP锆石U-Pb年龄为(2 556±14)~(2 520±9)Ma[10]。TTG主要分布在花岗-绿岩带的北部,主要有英云闪长岩、花岗闪长岩和奥长花岗岩,但实际上,关于花岗-绿岩带北部花岗质岩石的研究相对较少。

a.据文献[11]修编; b.据文献[12]修编。 图 1 华北克拉通构造单元划分(a)和固阳-武川地区阴山地块早前寒武纪地质图(b) Fig. 1 Tectonic subdivision of the North Chinacraton (a)and Simplified geological map of the Yinshan block in the Guyang and Wuchuan areas (b)
图 2 研究区地质简图 Fig. 2 Regional geological map of the study area

本文研究区位于内蒙古中部的武川县西部,是阴山地块[4-6]中大面积分布的新太古代花岗-绿岩地体的一部分。在区内绿岩地层呈不规则残片出露,由石榴斜长角闪岩、角闪石岩、石榴斜长透辉石岩、金云母透辉石岩、石榴二辉麻粒岩夹透辉磁铁石英岩组成,富镁、贫铝,具有科马提质橄榄岩和科马提质玄武岩的地球化学特征[18],属于色尔腾山岩群的下部。新太古代花岗岩在区内大面积出露,主要有变质英云闪长岩、变质花岗闪长岩和变质花岗岩3种类型,变质英云闪长岩和变质花岗闪长岩呈规模不等的岩株侵入绿岩地层,而后,大面积的变质花岗岩侵入其中,在绿岩地层和变质英云闪长岩、变质花岗闪长岩中均有变质花岗岩脉侵入。之外,还有少量的中元古界渣尔泰山群覆盖在上述新太古代变质基底之上,并有晚三叠世石榴花岗岩和二叠纪花岗岩侵入其中(图 2)。

变质英云闪长岩出露于泉子沟—南毛忽洞以及西高湾和厂汉本坝—灰吞合少等地区,呈不规则的形态出露,侵入绿岩地层。岩石呈灰色,中细粒变晶结构,片麻状构造,主要由斜长石(50%~65%)、角闪石(15%~35%)、石英(5%~20%)、黑云母(1%~5%)等组成,见少量微斜长石。副矿物组合为磷灰石-磁铁矿-锆石型。斜长石多为半自形板状,少量的颗粒可以看到聚片双晶,但边界较为模糊,有明显的黝帘石化和绢云母化现象;角闪石多发生阳起石化和黑云母化,只有个别的角闪石颗粒能识别出解理;石英呈他形镶嵌状;黑云母在岩石中较为常见,但含量较少。岩体中还含有一定数量的绿岩包体,包体类型为(石榴)斜长角闪岩。

变质花岗闪长岩出露于研究区西部的大纳令河一带,呈不规则条带状或透镜状出露,侵入绿岩地层,并被变质花岗岩和二叠纪花岗岩侵入和改造,出露面积较小。岩石的风化面为浅灰色,中粒花岗变晶结构,部分具有斑状结构,片麻状—弱片麻状构造,斑晶为钾微斜长石,体积分数为5%~15%。主要矿物组成为斜长石、钾长石、石英和黑云母。其中:斜长石主要呈不规则粒状,绢云母化、绿帘石化比较明显,体积分数为35%~40%;钾微斜长石不规则粒状,体积分数为25%~30%;石英体积分数为20%~25%,不规则粒状、扁豆状;黑云母呈褐色,不规则片状,呈残余产出,多数退变为绿泥石,体积分数为10%~15%。

变质花岗岩在研究区内大面积出露,侵入绿岩地层和变质石英闪长岩、变质花岗闪长岩之中。岩石呈灰白色,细粒-中细粒花岗变晶结构,块状构造-弱片麻状构造。主要矿物为斜长石、条纹长石和石英。其中:斜长石主要呈半自形-自形板状,多数已经呈现绢云母化;条纹长石呈不规则粒状,部分已发生高岭土化;石英呈不规则粒状,体积分数为35%~45%。岩石中暗色矿物的体积分数非常少,主要为不规则片状的黑云母(2%~5%),多已退变为绿泥石。根据条纹长石和斜长石在岩石中体积分数的多少,又将变质花岗岩分为片麻状斜长花岗岩和片麻状花岗岩。片麻状斜长花岗岩中,斜长石体积分数略高,为55%~60%,条纹长石体积分数较少,为5%~10%;在片麻状花岗岩中,斜长石体积分数为20%~25%,条纹长石体积分数为30%~35%。

2 实验方法

样品的锆石分选在河北省廊坊市科大岩石矿物分选技术服务有限公司按标准程序完成。样品经历了破碎、淘洗以及重液分离等过程,然后又进行了电磁分离,最后将在镜下挑选出的锆石重砂样与标准样(TEM)一起制成标准离子探针样靶。锆石的阴极发光图像在北京离子探针中心电镜室采集,锆石的定年也是在北京离子探针中心SHRIMPⅡ上完成的,测年的原理和具体的流程参见文献[19]。一次离子流O2-强度为9 nA,束斑大小为25~30 μm。标准锆石BR266中w(U)为909×10-6[20]和TEMORA(年龄为417 Ma)[21]用于未知样品U质量分数标定和年龄校正。TEMORA标准和待测锆石测年之比为1:3~1:4。用204Pb进行普通铅年龄校正[22]。数据处理采用SOUID11.03d4和ISOPLOT程序[23]。单个数据的误差为1σ,加权平均年龄误差为95%置信度。

3 锆石特征及分析结果

在出露于泉子沟地区的变质英云闪长岩(2P3B14-2)(坐标41°17′23″N,110°39′41″E)样品中,锆石多数呈长柱状或少量的椭圆状以及浑圆状。粒径通常在200~300 μm之间。锆石的内部结构变化较大, 大部分锆石具有核-幔-边结构,但有些不是非常明显:核部的锆石具有黑白相间的环带结构,表现为岩浆锆石(图 3中的9.1 C),而且这些核部岩浆锆石都有一个很窄的浅灰色变质锆石边(图 3中1、3、9号锆石),有些核部锆石环带模糊甚至完全形成变质锆石;幔部锆石多数具有浅灰和深灰相间的震荡环带(图 3中1.1 M、3.1 M、9.2 M),但少量为深灰色变质锆石(图 3中9号锆石上方的幔部锆石);边部锆石浅灰色—灰白色,为变质锆石(图 3中的1.2 R、3.2 R)。这意味着核部锆石可能是源区岩石的残留锆石,在深熔过程中发生变质,并逐渐深熔形成以深熔锆石为主、变质锆石为辅的幔部锆石,变质英云闪长岩在结晶成岩后又遭受到了变质作用的改造。

C.锆石核部;M.锆石幔部;R.锆石边部。图中小椭圆(~30 μm)为锆石SHRIMP U-Pb测年位置,其编号与表 1中的一致。 图 3 研究区变质英云闪长岩(2P3B14-2)的典型阴极发光图 Fig. 3 Typical CL images of zircons metamorphic tonalite(2P3B14-2) in the study area
表 1 中细粒变质英云闪长岩(2P3B14-2)的锆石SHRIMP U-Pb年龄 Table 1 SHRIMP U-Pb zircon age datas for medium fine-grained metamorphic tonalite(2P3B14-2)
样品号 wB/10-6 Th/U 同位素比值 年龄/Ma
Pb U Th 207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ 206Pb/238U 1σ 207Pb/206Pb 1σ
1.1 M 0.09 108 82 0.78 0.166 3 0.007 1 11.460 0.021 0.499 6 0.020 0 2 612 43 2 521 12
1.2 R 0.00 444 30 0.07 0.166 4 0.003 8 11.150 0.019 0.486 0 0.019 0 2 553 39 2 522 6
2.1 M 0.11 72 42 0.60 0.162 6 0.012 0 10.680 0.025 0.476 0 0.022 0 2 512 46 2 483 20
2.2 R 1.57 12 86 7.28 0.152 1 0.055 0 9.020 0.070 0.430 0 0.043 0 2 306 82 2 370 94
3.1 M 0.03 215 22 0.11 0.167 9 0.006 2 11.620 0.025 0.502 0 0.024 0 2 623 52 2 537 10
3.2 R 0.00 9 58 6.47 0.160 1 0.023 0 9.930 0.042 0.450 0 0.035 0 2 394 69 2 457 40
4.1 C 0.08 680 130 0.20 0.159 1 0.003 2 9.750 0.019 0.444 6 0.019 0 2 371 37 2 446 5
4.2 M 0.06 100 19 0.19 0.164 6 0.008 0 9.550 0.022 0.420 9 0.020 0 2 265 39 2 504 13
5.1 M 0.04 472 214 0.47 0.165 2 0.004 5 10.270 0.019 0.451 0 0.019 0 2 400 37 2 510 8
6.1 R 0.57 16 2 0.16 0.172 7 0.023 0 10.630 0.037 0.447 0 0.029 0 2 380 58 2 584 39
7.1 M 0.30 21 152 7.55 0.172 6 0.017 0 11.260 0.032 0.473 0 0.027 0 2 497 56 2 583 28
7.2 C 0.00 182 119 0.68 0.166 5 0.006 6 10.400 0.021 0.453 2 0.019 0 2 409 39 2 522 11
8.1 M 0.00 62 49 0.81 0.169 1 0.011 0 11.330 0.024 0.486 0 0.022 0 2 553 47 2 549 18
9.1 C 0.00 166 80 0.50 0.160 4 0.008 4 10.240 0.022 0.462 8 0.021 0 2 452 42 2 460 14
9.2 M 0.01 698 107 0.16 0.167 4 0.002 7 11.680 0.018 0.506 3 0.018 0 2 641 40 2 532 5
10.1C 0.09 179 151 0.87 0.159 6 0.006 2 10.340 0.020 0.469 7 0.019 0 2 482 40 2 452 10
11.1 R 0.75 12 57 5.10 0.156 9 0.033 0 10.210 0.055 0.472 0 0.044 0 2 492 91 2 423 57
12.1 M 0.00 74 48 0.67 0.170 0 0.008 4 11.390 0.023 0.486 0 0.021 0 2 552 44 2 558 14
13.1 C 0.00 167 102 0.63 0.163 8 0.006 6 10.810 0.021 0.478 6 0.020 0 2 521 41 2 495 11

该样品测试了12个锆石颗粒,共获得了19组年龄数据,包括5个核部残留锆石数据、9个幔部岩浆锆石数据以及5个浅灰色变质锆石边数据。在5个核部残留锆石数据点中,w(U)为(166~680) ×10-6w(Th)为(80~151)×10-6、二者的比值Th/U=0.20~0.87(表 1)。从数据上可以看出核部锆石年龄可以分为两部分,有4个核部锆石数据点的207Pb/206Pb年龄在2 446~2 495 Ma之间,有1个核部锆石数据点的207Pb/206Pb年龄是(2 522±11) Ma(表 1, 图 4),这组年龄数据明显低于幔部岩浆锆石年龄,这与岩石经历的后期变质作用和岩浆作用所引发的重结晶作用有关。

5个样品分别为1.1 M、3.1 M、8.1 M、9.2 M、12.1 M。 图 4 中细粒片麻状英云闪长岩(2P3B14-2)的锆石SHRIMP U-Pb年龄 Fig. 4 SHRIMP U-Pb zircon age datas for medium fine-grained metamorphictonalite(2P3B14-2)

对9个幔部岩浆锆石数据点进行分析,得到w(U)为(21~698)×10-6w(Th)为(19~214)×10-6,二者的比值Th/U= 0.11~7.55(表 1)。这9个幔部锆石的207Pb/206Pb年龄数据明显地可以被分成两组(图 4),有6个(1.1 M、3.1 M、7.1 M、8.1 M、9.2 M、12.1 M)207Pb/206Pb年龄数据在2 521~2 583 Ma之间,这其中除了7.1 M外,其余5个年龄数据在谐和线上的207Pb/206Pb加权平均年龄为(2 534±7) Ma(MSWD=1.3)(图 4),而这5个数据都是幔部岩浆锆石,所以可以认为其是变质英云闪长岩的结晶年龄(或是成岩年龄);另外3个(2.1 M、4.2 M、5.1 M)207Pb/206Pb年龄数据在谐和线上得到的年龄在2 483~2 510 Ma之间,这3个年龄数据在一条不一致的线上,其中仅有一个在谐和线上的207Pb/206Pb年龄为(2 483±20) Ma,该年龄可以代表这3个数据的平均年龄,也可以被认为是岩石发生变质作用时的年龄记录。

剩余5个浅灰色变质锆石边数据点的w(U)为(9~444)×10-6w(Th)为(2~86)×10-6、Th/U值为0.07~7.28(表 1),207Pb/206Pb年龄变化范围较大,在2 370~2 584 Ma之间,并且多数有不同程度的Pb丢失,误差也比较大。其中一些数据点的年龄偏大,原因可能是一次离子流部分打在了“核部锆石上”。在这些年龄数据中,最小的年龄数据(2 370±94) Ma在谐和线上,但误差较大,只能大致确定2.4 Ga左右存在一次强烈构造热事件。

综合上述对锆石年龄的分析,可以认为变质英云闪长岩的结晶成岩作用年龄为(2 534±7) Ma,并且在岩石成岩后于2 400 Ma左右受到了变质作用的改造。

岗岗村附近的变质花岗岩(B4206-1)(坐标41°18′03″N, 110°43′09″E)样品中,锆石多呈短柱状和椭球状,也可见少量的长柱状。粒径(250~300 μm)比较均匀,主要分为核部残留锆石和深熔锆石。核部残留锆石,多是深灰色变质锆石(图 5中3.1 C、9.1 C),少量为岩浆锆石,具有明显的结晶环带(图 5中12.1 C、14.2 C),许多残留锆石周围有一圈5~10 μm的变质边(图 5中9.1 C,12.1 C),多呈短柱状和不规则粒状。而灰色深熔锆石具有不规则的结晶环带,围绕残留锆石分布。

图中小椭圆(~30 μm)为锆石SHRIMP U-Pb测年位置,其编号与表 2中的一致。 图 5 变质花岗岩(B4206-1)的典型阴极发光图像 Fig. 5 Typical CL images of zircons from metamorphic granite(B4206-1)
表 2 中细粒变质花岗岩(B4206-1)的锆石SHRIMP U-Pb年龄 Table 2 SHRIMP U-Pb zircon age datas for medium fine-grained metamorphic granite(B4206-1)
样品号 wB/10-6 Th/U 同位素比值 年龄/Ma
Pb U Th 207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ 206Pb/238U 1σ 207Pb/206Pb 1σ
1.1 C 0.08 118 214 1.87 0.163 3 0.007 5 9.420 0. 210 0.418 4 0.002 0 2 253 38 2 490 13
2.1 R 0.00 57 65 1.17 0.167 4 0.014 0 10.010 0.270 0.433 7 0.023 0 2 322 44 2 532 24
2.2 C 0.07 76 98 1.34 0.158 7 0.016 0 9.460 0.036 0.432 0 0.032 0 2316 63 2 441 26
3.1 C 0.10 146 149 1.05 0.164 8 0.007 9 9.800 0.021 0.431 4 0.020 0 2 312 38 2 505 13
4.1 C 0.09 108 209 2.00 0.163 0 0.007 2 10.230 0.021 0.454 9 0.020 0 2 417 40 2 487 12
5.1 R 0.19 50 54 1.10 0.163 1 0.014 0 10.200 0.027 0.454 0 0.023 0 2 411 46 2 488 24
6.1 C 0.03 131 199 1.58 0.165 1 0.006 9 10.410 0.021 0.457 3 0.020 0 2 428 40 2 509 12
6.2 R 0.06 81 102 1.31 0.164 9 0.012 0 10.980 0.024 0.483 0 0.021 0 2 540 45 2 506 19
7.1 R 0.21 53 64 1.25 0.162 2 0.012 0 10.180 0.029 0.455 0 0.027 0 2 419 54 2 478 19
8.1 R 0.07 82 100 1.26 0.163 0 0.009 0 10.270 0.023 0.457 0 0.021 0 2 426 43 2 487 15
9.1 C 0.07 108 117 1.12 0.167 3 0.009 7 10.750 0.023 0.466 0 0.021 0 2 466 44 2 530 16
9.2 R 0.24 52 58 1.15 0.163 3 0.013 0 10.080 0.031 0.448 0 0.028 0 2 386 56 2 490 23
10.1 R 0.10 61 70 1.18 0.163 0 0.014 0 10.140 0.028 0.451 0 0.024 0 2 401 48 2 487 23
11.1 C 0.07 160 238 1.53 0.158 5 0.008 3 9.440 0.022 0.431 9 0.020 0 2 314 39 2 439 14
11.2 R 0.16 47 47 1.04 0.163 9 0.018 0 10.620 0.033 0.470 0 0.028 0 2 484 57 2 496 30
12.1 C 0.05 227 59 0.27 0.1673 3 0.005 6 10.320 0.020 0.447 2 0.019 0 2 383 38 2 531 9
12.2 R 0.28 49 57 1.22 0.166 3 0.015 0 10.500 0.028 0.458 0 0.024 0 2 430 48 2 521 25
13.1C 0.02 260 24 0.10 0.166 7 0.005 5 10.730 0.020 0.466 9 0.019 0 2 470 39 2 525 9
14.1 R 0.06 62 71 1.19 0.164 9 0.011 0 10.390 0.025 0.457 0 0.023 0 2 426 46 2 507 19
14.2 C 0.42 245 45 0.19 0.162 3 0.009 9 8.240 0.022 0.368 3 0.019 0 2 021 33 2 480 17

变质花岗岩总共测得了20个锆石数据。对其中的10个核部锆石数据点进行分析,按照U和Th质量分数以及Th/U值可以将核部残留锆石大致分为两类:第一类(1.1 C、2.2 C、3.1 C、4.1 C、1.61C、9.1C、11.1C)Th的质量分数较高,为(98~238)×10-6、U的质量分较低,为(76~160)×10-6、Th/U的值也较高,为1.05~2.00;而第二类则Th的质量分数较低,为(24~59)×10-6、U的质量分数较高,为(227~260)×10-6、Th/U的值较低,为0.10~0.27,但这两类都有不同程度的Pb丢失,207Pb/206Pb年龄在2 439~2 531 Ma之间(表 2)。对另外10个边部锆石数据点进行分析,U的质量分数为(47~82)×10-6、Th质量分数为(47~102)×10-6和Th/U的值为1.04~1.31,测得的207Pb/206Pb年龄在2 478~2 532 Ma之间(表 2)。

核部锆石与边部锆石的207Pb/206Pb年龄数据基本保持重合,推断是因为岩石经历了一次大规模的变质、深熔事件。这其中有3组数据(2.2C,11.1C,14.2C)是明显的Pb丢失,去掉后剩余的17个数据点的207Pb/206Pb加权平均年龄为(2 509±7)Ma,(MSWD=1.5)(图 6),这一年龄可以认为是变质花岗岩的成岩年龄。

图 6 变质花岗岩(b4206-1)的锆石SHRIMP U-Pb年龄 Fig. 6 SHRIMP U-Pb zircon age datas for metamorphic granite(b4206-1)
4 岩石地球化学特征 4.1 岩石化学成分

变质英云闪长岩SiO2质量分数介于61.05%~64.50%之间,均值为63.12%;TiO2质量分数介于0.38%~0.59%之间,均值为0.50%;TFeO质量分数介于4.00%~4.89%之间,均值为4.30%;Al2O3质量分数介于16.05%~17.11%之间,均值为16.62%,属高铝型;MnO质量分数介于0.04%~0.07%之间,均值为0.05%;MgO质量分数介于1.70%~2.66%之间,均值为2.26%;K2O质量分数介于0.65%~2.68%之间,均值为1.44%;Na2O质量分数介于4.92%~5.30%之间,均值为5.08%;K2O/Na2O为0.04~0.53,均值为0.53%,显示出富钠的特征;Mg#为43.07~51.85,均值为48.05(表 3);变质英云闪长岩样品富SiO2、Al2O3、Na2O而贫K2O,符合高铝岩系TTG的地球化学特征。A/CNK (分子数比)介于0.83~0.95之间,均值为0.88,在A/NK-A/CNK图解(图 7a)中全部落入准铝质的区域里,表现为准铝质岩石的特征,说明这套岩石具有Ⅰ型花岗岩源岩的特征,标准矿物中含有单斜辉石、紫苏辉石和原生绿帘石分子这也证明其为偏铝质岩石。AFM图解(图 7b)表明样品全部为钙碱性系列岩石;在K-Na-Ga图解中,由于K2O的质量分数较低,岩石属于Na质系列,变质英云闪长岩的两个样品落入到TTG岩区(图 8a)。在CIPW标准矿物An-Ab-Or分类图解中,变质英云闪长岩的样品两个落入到了英云闪长岩的分类区域中,另一个落入了花岗闪长岩的区域里(图 8b),这也符合TTG岩系的特征。

表 3 变质英云闪长岩和变质花岗岩的岩石化学成分及相关参数 Table 3 Petrochemical composition and related parameters of metamorphic tonalite and metamorphic granite
岩性 样品号 SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO TFeO MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 H2O+ CO2 烧失量 总和 Mg# A/CNK
变质
花岗岩
2p2b24-1 75.44 0.02 14.80 0.19 0.45 0.62 0.01 0.32 2.97 5.46 0.20 0.01 0.40 0.20 0.29 100.76 47.87 1.01
2p4b1-1 73.34 0.01 16.30 0.06 0.31 0.36 0.01 0.27 1.94 6.08 1.29 0.01 0.46 0.29 0.48 100.85 57.20 1.09
2p3b22-1 75.58 0.03 14.42 0.04 0.41 0.45 0.01 0.25 0.55 4.70 3.36 0.01 0.72 0.20 0.65 100.93 49.75 1.17
B4143-1 75.59 0.01 14.21 0.07 0.11 0.17 0.01 0.14 0.71 3.32 5.13 0.01 0.76 0.12 0.53 100.72 59.33 1.15
2p4b6-2 74.19 0.04 15.22 0.04 0.27 0.31 0.03 0.14 0.99 5.06 4.23 0.01 0.20 0.12 0.25 100.79 44.91 1.04
变质英云
闪长岩
2p2b23-2 61.05 0.59 17.11 2.07 3.02 4.89 0.07 2.66 6.21 5.30 0.65 0.14 0.48 0.29 0.77 100.41 49.24 0.83
2p2b25-1 64.50 0.38 16.05 1.85 2.34 4.00 0.05 2.42 5.23 4.92 1.00 0.12 0.42 0.29 0.64 100.21 51.85 0.86
2p3B14-1 63.82 0.52 16.70 1.95 2.25 4.00 0.04 1.70 3.57 5.02 2.68 0.20 0.82 0.37 0.70 100.34 43.07 0.95
  注:常量元素质量分数单位为%。
T.拉斑玄武系列; C.钙碱性系列。 图 7 红山子地区变质侵入岩过铝饱和指数图解(a)和AFM图解(b) Fig. 7 Diagram of saturation exponent of peraluminous (a) and AFM diagram (b) from metamorphic intrusion in Hongshanzi area
a中:CA.岛弧钙碱性演化趋势;Tdj.奥长花岗质岩浆演化趋势。b中:A.英云闪长岩;B.花岗闪长岩;C.石英二长岩;D.奥长花岗岩;E.花岗岩。 图 8 红山子地区变质侵入岩K-Na-Ga图解(a)和An-Ab-Or分类图解(b) Fig. 8 K-Na-Ga diagram (a) and An-Ab-Or diagram (b) from metamorphic intrusion in Hongshanzi area

变质花岗岩SiO2质量分数介于73.34%~75.59%之间,均值为74.83%;TiO2质量分数介于0.01% ~0.04%之间,均值为0.02%;TFeO质量分数介于0.17%~0.62%之间,均值为0.38%;Al2O3质量分数介于14.21%~16.30%之间,均值为14.99%;Na2O和K2O质量分数变化较大,在片麻状斜长花岗岩(2p2b24-1、2p4b1-1)中Na2O质量分数为5.46%和6.08%,均值为5.77%,K2O质量分数为0.20%和1.29 %,均值为0.75%;而在片麻状花岗岩(2p3b22-1、B4143-1、2p4b6-2)中Na2O质量分数为3.32%~5.06%,均值为4.36%;K2O质量分数为3.36%~5.13%,均值为4.24%;Mg#为44.91~59.33,均值为51.33。总体上来看,变质花岗岩样品具有高硅、富碱,低铁、镁、钛、锰的特征。其中片麻状斜长花岗岩相对富钙、富铁镁、富钠,贫钾,片麻状花岗岩则相对富钾,贫钙、镁、钠。其A/CNK主要在1.01~1.17之间(表 3),表现出过铝质岩石的特征(图 7a),为S型花岗岩,标准矿物中有刚玉分子的存在也说明这一问题,表明变质花岗岩在形成过程中有大陆壳物质的加入。

4.2 微量元素

在微量元素蛛网图(图 9a)上,变质英云闪长岩和变质花岗岩都表现为右倾的曲线。变质英云闪长岩富集大离子不相容元素Rb、Ba、Sr、K和轻稀土元素La、Ce、Nd、Sm,亏损Th、Nb、P、Ti。而变质花岗岩与变质英云闪长岩相比,变质花岗岩的高场强元素和重稀土元素含量明显低于变质英云闪长岩的。变质花岗岩也同样富集大离子不相容元素Rb、Ba、Sr,但强烈亏损Th、Nb、Pr、P、Sm和Ti元素。高场强元素Nb和Ti的亏损则可以说明变质花岗岩形成时有大陆壳物质的参与。

图 9 研究区微量元素蛛网图(a)和稀土元素分配曲线图(b) Fig. 9 Primitive mantle-normalized trace element spider diagrams(a) and chondrite-normalized REE(b) in the study area
4.3 稀土元素

变质英云闪长岩的稀土总量∑REE在(70.08~107.07)×10-6之间,(La/Yb)N= 9.19~25.43,其稀土元素分配曲线为轻重稀土明显分馏的向右倾斜曲线,LREE富集而HREE亏损,δEu在0.90~1.39之间,弱铕异常,这与太古宙TTG的稀土曲线特征相同(图 9b)。结合其含有较高的Sr质量分数(551.00~670.00)×10-6,暗示源区没有斜长石残留,残留矿物主要为角闪石和石榴子石[24]。变质花岗岩的稀土总量相比较低,∑REE在(7.53~28.28)×10-6之间,(La/Yb)N=21.61~128.47,(Gd/Yb)N =2.15~11.36,δEu可以分为两组,一组正异常δEu =3.15~9.58,一组负异常δEu为0.51和0.56,稀土曲线也表现为向右倾斜,LREE富集,分馏较好,HREE亏损,分馏不明显。

综上所述,变质英云闪长岩以富铝、低钾、贫铁和镁以及强烈分异的稀土分配形式等特征表明其属于太古宙高铝型TTG岩; 而变质花岗岩则具有高硅、富碱,低铁、镁、钛、锰的特点,是一套钙碱性的过铝质岩石。

5 讨论 5.1 变质英云闪长岩的成因和构造背景探讨

变质英云闪长岩w(SiO2)在61.05~64.50%之间,w(Na2O)>4.92%,K2O/Na2O<0.58,A/CNK<1.0。副矿物为磁铁矿+磷灰石+锆石,具有I型花岗岩的特点[25]。另外,该岩石具有富铝、低钾、贫铁镁和强烈分异的稀土分配形式等特征,弱Eu异常, w(Al2O3)>15%,所以表明该岩石属于太古宙高铝型TTG[26-27]。关于高铝型TTG的成因,现在被多数学者解释为角闪岩或石英榴辉岩的部分熔融, 并且在其形成过程中有角闪石和石榴石的参与[28]。岩石(La/Yb)N=9.19~25.43,Sr/Y=40.22~68.77,二者比值都较高,这与埃达克岩的地球化学特征相类似,为榴辉岩相玄武质地壳部分熔融形成的[29]。在Sr/Y-w (Y)图解(图 10a)中,变质英云闪长岩样品均落在埃达克岩区域, 与现代埃达克岩接近,可以认为其形成与板块消减作用有关[29]

图 10 红山子地区变质侵入岩Sr/Y-w(Y)图解(a)和w(Sr)-w(Yb)图解(b) Fig. 10 Sr/Y-w(Y)diagram (a) and w(Sr)-w(Yb) diagram (b)from metamorphic intrusion in Hongshanzi area

TTG岩类是花岗岩类岩石中重要的一个岩石组合,由英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩组成,广泛分布于太古宙-古元古代的花岗-绿岩带和显生宙的岛弧-活动大陆边缘岩浆弧[30-35]。目前,关于太古宙TTG的成因主要存在两种观点:一种是认为其与O型的现代埃达克岩类似的成因,是由于俯冲板块部分熔融形成的;另一种则认为其是由于加厚地壳玄武岩浆底侵作用导致下地壳底部变质岩部分熔融形成的。而研究区内的变质石英闪长岩的地球化学数据显示其为高铝花岗岩,可以认为其形成于俯冲板块部分熔融。

在花岗岩压力分类w(Sr)-w(Yb)图解(图 10b)中,变质英云闪长岩的样品全部落入高压的区域内。而太古宙TTG是高Sr、低Yb型的,其形成环境与岛弧环境下的俯冲板块部分熔融或下地壳的部分熔融有关[36]。在R2-R1图解(图 11a)中,变质英云闪长岩样品中有两个落在了板块碰撞前消减带花岗岩区域内,而另一个则落在了碰撞后隆起花岗岩区域内,但因为这个样品K含量较高,显然是受到后期变质交代作用的影响(图 11a)。在Hf-Rb/30-3Ta三角形图解(图 11b)中,变质英云闪长岩也全部都落入在火山弧花岗岩区域里。

a中:1.地幔斜长花岗岩;2.板块碰撞前花岗岩;3.板块碰撞后隆起期花岗岩;4.造山晚期花岗岩;5.非造山花岗岩;6.同碰撞花岗岩;7.造山期后花岗岩。 图 11 红山子地区变质侵入岩R2-R1图解(a)和Hf-Rb/30-3Ta(b) Fig. 11 R2-R1 diagram (a) and Hf-Rb/30-3Ta diagram (b) from metamorphic intrusion in Hongshanzi area
表 4 变质英云闪长岩和变质花岗岩的微量元素和稀土元素质量分数及相关参数 Table 4 Trace element and REE mass fractions and related parameters of metamorphic toinalite and metamorphic granite
岩性 样品号 La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er
变质花岗岩 2p2b24-1 9.82 12.50 1.17 3.25 0.26 0.60 0.33 0.02 0.08 0.02 0.05
2p4b1-1 8.27 10.10 1.03 3.07 0.31 0.05 0.30 0.01 0.07 0.01 0.04
2p3b22-1 7.52 9.70 0.79 2.36 0.27 0.29 0.30 0.02 0.08 0.03 0.08
B4143-1 3.89 4.41 0.30 0.93 0.17 0.75 0.34 0.01 0.02 0.01 0.03
2p4b6-2 1.68 3.73 0.31 1.17 0.19 0.04 0.25 0.01 0.05 0.01 0.03
变质英云闪
长岩
2p2b23-2 17.10 36.00 4.50 18.50 3.55 0.99 3.21 0.43 2.26 0.43 1.21
2p2b25-1 14.90 27.40 3.68 14.50 2.73 0.83 2.28 0.30 1.58 0.28 0.74
2p3B14-1 27.10 44.60 5.27 19.20 2.94 1.33 2.96 0.30 1.58 0.28 0.74
岩性 样品号 Tm Yb Lu Y Ba Co Cr Ni Sr V Zr
变质花岗岩 2p2b24-1 0.01 0.09 0.02 1.70 318.00 2.13 255.00 9.15 412.00 6.77 35.10
2p4b1-1 0.01 0.04 0.01 1.28 2 010 1.40 159.00 6.78 895.00 5.26 56.30
2p3b22-1 0.02 0.11 0.02 1.25 2 797 1.26 2.45 4.55 624.00 7.38 127.00
B4143-1 0.01 0.02 0.01 0.40 10 510 0.66 3.88 2.08 563.00 1.66 50.40
2p4b6-2 0.01 0.05 0.01 1.05 2 259 0.72 198.00 3.61 511.00 6.68 68.40
变质英云闪
长岩
2p2b23-2 0.16 1.13 0.15 13.70 354.00 17.50 355.00 154.00 551.00 103.00 65.20
2p2b25-1 0.10 0.64 0.09 8.83 523.00 14.90 435.00 160.00 670.00 65.40 83.30
2p3B14-1 0.11 0.65 0.09 9.57 2 089 10.70 184.00 23.90 658.00 61.10 230.00
岩性 样品号 Rb Sc U Th Ta Hf Nb ∑REE (La/Yb)N (Gd/Yb)N δEu
变质花岗岩 2p2b24-1 1.64 2.45 0.04 0.08 0.05 0.86 0.32 28.28 65.42 2.93 6.31
2p4b1-1 9.20 2.56 0.05 0.28 0.03 1.35 0.13 23.31 128.47 6.09 0.51
2p3b22-1 38.60 4.32 0.15 0.11 0.05 3.22 0.36 21.58 41.06 2.15 3.15
B4143-1 49.80 1.06 0.04 0.03 0.01 1.10 0.11 10.91 98.28 11.36 9.58
2p4b6-2 40.10 1.86 0.10 0.09 0.04 1.71 0.42 7.53 21.61 4.35 0.56
变质英云闪
长岩
2p2b23-2 4.36 13.20 0.04 0.14 0.16 1.74 3.52 89.54 9.19 2.29 0.90
2p2b25-1 4.77 8.33 0.04 0.07 0.10 2.10 2.42 70.08 14.01 2.85 1.02
2p3B14-1 22.70 7.36 0.10 0.11 0.11 5.19 3.64 107.07 25.43 3.68 1.39
注:微量元素和稀土元素质量分数单位为10-6

变质英云闪长岩Nb/Ta值在22.0~33.1之间,远远大于地壳的平均值(约11)[37]和地幔平均值为(17.5)[38];而Zr/Hf值在37.4~44.3之间,也同样大于地幔的平均值(30.74)[37],但却小于地壳平均值(44.68[39]),这都可以推测出变质英云闪长岩的岩浆来源受幔源或初生地壳的影响。

综上,变质英云闪长岩具有I型花岗岩的特点,属于太古宙高铝型TTG岩系,其形成于板块俯冲时TTG岩系岩浆弧构造环境。

5.2 变质花岗岩的成因和构造背景探讨

研究区内的变质花岗岩总体上为浅色花岗岩,根据其岩相和地球化学等特征来看,变质花岗岩w(SiO2)在73.34%~75.59%之间,刚玉分子大于1%,A/CNK在1.01~1.17之间,具有S型花岗岩的特征[40]

过铝质花岗岩的概念最早是由Shand在1927年提出的。目前对过铝质花岗岩的成因和构造环境主要存在两种观点:一种观点认为其形成于陆块间同碰撞时期挤压环境下地壳的熔融[41-42];另一种观点则认为其形成于碰撞作用之后的岩石圈拉伸环境之下[43]。这两种成因都表示其形成环境与碰撞作用造成的地壳加厚作用相关。

在花岗岩压力分类w(Sr)-w(Yb)图解(图 10b)中,变质花岗岩的样品同样落入高压的区域内,而其稀土分配曲线显示轻稀土富集,重稀土较为平坦,具有明显的正铕和负铕异常,稀土总量较低,可能是受到深熔作用的影响,这些说明研究区的变质花岗岩是在压力较高的挤压环境下形成的。在R2-R1图解(图 11a)中,变质花岗岩样品落点都在同碰撞花岗岩区内。在Hf-Rb/30-3Ta三角形图解(图 11b)中,变质花岗岩也都落入火山弧花岗岩区。

变质花岗岩的Nb/Ta值在6.4~11.0之间,小于地壳的平均值(约11)[37],而Zr/Hf值在39.4~45.8之间,与地壳的平均值(44.68)[39]较为接近,这都表现出变质花岗岩源区可能为上部地壳,因此推测变质花岗岩的岩浆可能来源于原地或者半原地部分熔融[44]

综上,可以推测变质花岗岩岩浆来源可能与加厚地壳中变沉积岩的熔融有关。

5.3 花岗-绿岩带的演化

阴山地块位于华北克拉通的西部陆块,是太古宙基底出露最大且最完整的地区(图 1),前人对其进行了大量的研究,并得到了很多成果。在新太古代中晚期及末期, 华北克拉通在2.5 Ga左右发生了一系列的变质-构造-热事件[45]。在这期间内, 有大规模的TTG岩系侵入到华北克拉通之中, 在2 530~2 450 Ma时期,以中低压麻粒岩相变质为代表的基底区域变质作用发生,呈面状分布和逆时针的p-t轨迹特征与克拉通基底的板底垫托或地幔柱上隆有关,标志着克拉通的形成[46]

赞岐岩(Sanukite)目前被大多数人认为有两种成因:一种是受到俯冲板片相关的熔体或流体与地幔楔发生部分熔融的产物[47-56];另一种是俯冲板片部分熔融产生的熔体受到地幔楔的混染[56-57]。而固阳地区的赞岐岩具有较低的TiO2质量分数并且具有高正值εHf (1.5~6.3)[58],所以,这些赞岐岩的形成与大洋俯冲消减板块熔体与上覆地幔楔相互作用有关[16],获得的SHRIMP锆石年龄为2 520 Ma[10, 16]。在赞岐岩的北部,研究区内分布的TTG岩系普遍具有俯冲板块部分熔融的特点[29],笔者在红山子地区探讨的TTG的成因也证实了这一点,并且获得锆石年龄为2 534 Ma。随后区域内出现了大面积的过铝质变质花岗岩,其岩浆来源可能与加厚地壳中变沉积岩的熔融有关,锆石年龄为2 509 Ma。同时固阳地区还存在2.56 Ga的玄武岩、2.53~2.51 Ga的高镁安山岩和安山岩、2.52 Ga的玄武岩-英安岩、2.52 Ga的花岗岩及2.52~2.47 Ga的高镁闪长岩等岩浆活动[12, 16]。这些年龄数据的获得表明固阳地区在2.54~2.47 Ga期间出现了多种类型的岩浆活动,而在这个期间内又可以分为两个变质时期:一是早期的具有逆时针的p-t演化轨迹并且多具有等压冷却(IBC)演化过程,与大洋中脊俯冲消减有关;二是晚期的具有顺时针的p-t演化轨迹,暗示着板块俯冲的结束,并在这一时期出现了大量的高级区同碰撞花岗岩,反映了碰撞造山演化过程[59]

基于所收集的前人的一些研究成果,结合本文对变质英云闪长岩和变质花岗岩的岩石地球化学特征、锆石年龄以及构造背景的研究,可以得出研究区内花岗-绿岩带的形成演化过程:研究区在约2.56 Ga时期受到洋壳由北向南的俯冲作用形成绿岩带,其后俯冲的大洋板块开始脱水、熔融形成TTG岩浆;在2.53 Ga时期,TTG岩浆上升侵入到绿岩带中,并且继续向南俯冲,形成赞岐岩。而在2 509~2 483 Ma期间内板块俯冲结束,发生了碰撞造山作用,形成了大量的过铝质花岗岩,侵入到绿岩带中。

6 结论

基于对阴山地块红山子地区变质英云闪长岩和变质花岗岩的锆石U-Pb、岩石地球化学的研究,以及结合区域地质背景,得出以下几点观点:

1) 前人对阴山地块花岗-绿岩带所出露侵入岩的划分大多为新太古代TTG岩石和赞岐岩,而这次发现的高铝变质花岗岩在研究区内大面积出露,并且侵入到绿岩带中,为绿岩带岩浆的演化过程提供了新的证据。研究区内的变质英云闪长岩具有富铝、低钾、贫铁镁和强烈分异的稀土分配形式等特点,属于太古宙TTG岩系,而变质花岗岩具有高硅、富碱,低铁、镁、钛、锰的特点,是S型花岗岩,是一套钙碱性的过铝质岩石。

2) 变质英云闪长岩的结晶成岩作用年龄为(2 534±7) Ma(MSWD=1.3),在成岩后先后在(2 483±20) Ma、2 400 Ma又遭受到变质作用的改造。变质花岗岩的锆石结晶成岩作用年龄为(2 509±7) Ma(MSWD=1.5),与变质石英闪长岩的变质作用时间相对应。

3) 变质英云闪长岩形成于板块俯冲时TTG岩系岩浆弧构造环境,而变质花岗岩成因则可能与加厚地壳中变沉积岩的熔融有关。

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http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20180266
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王春光, 董晓杰, 徐仲元, 任云伟, 王文龙, 陈煜嵩
Wang Chunguang, Dong Xiaojie, Xu Zhongyuan, Ren Yunwei, Wang Wenlong, Chen Yusong
内蒙古红山子地区新太古代变质侵入岩年代学及地球化学特征
Chronology and Geochemistry of Neoarchean Metamorphic Intrusive Rocks in Hongshanzi, Inner Mongolia
吉林大学学报(地球科学版), 2019, 49(3): 709-726
Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2019, 49(3): 709-726.
http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20180266

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收稿日期: 2018-10-19

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