2. 吉林大学地球科学学院, 长春 130061;
3. 四川省冶金地质勘查局成都地质调查所, 成都 610203
2. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China;
3. Chengdu Geological Survey, Sichuan Metallurgical Geological Prospecting Bureau, Chengdu 610203, China
0 引言
华北克拉通是全球最为古老的陆块之一，记录了地球早期的重大地质事件[1-4]。华北克拉通中西部是研究我国太古宙—早元古代地质体发育特征的关键地区之一，以阴山地层分区为主体[5-6]，色尔腾山岩群是华北克拉通结晶基底的重要组成部分。色尔腾山岩群创名地在乌拉特前旗色尔腾山地区，原指分布在该区的一套中级变质的绿片岩建造，内含混合岩化片麻岩和混合岩等[6]。20世纪末，在内蒙古色尔腾山地区6幅1:5万区域地质调查工作中①，将色尔腾山岩群划分为5个岩组，自下而上分别为陈三沟岩组、东五分子岩组、柳树沟岩组、北召沟岩组和点力素泰岩组。2007年，陈志勇等[7]综合研究近几年完成的1:5万区域地质调查成果，将分布于内蒙古中西部色尔腾山、大青山、乌拉特后旗等地区的低角闪岩相—高绿片岩相的片岩、大理岩系定义为色尔腾山岩群，划分为4个岩组，自下而上为东五分子岩组、柳树沟岩组、北召沟岩组和点力素泰岩组。区域上东五分子岩组岩石类型主要为斜长角闪岩、黑云角闪斜长片麻岩、黑云斜长片麻岩、黑云斜长片岩、角闪石岩、磁铁石英岩和透闪石大理岩等[6, 8-10]。
① 内蒙古自治区第一区调队.色尔腾山地区1:5万区域地质调查店梁幅、台梁幅、小佘太幅、明安幅地质图说明书.呼和浩特:内蒙古地质调查院, 2001.
色尔腾山岩群的形成时代一直是近几年的研究热点，同时也存在争议，目前主要有两种观点：古元古代和新太古代。目前报道的色尔腾山岩群岩石学和年代学特征等的研究区大部分分布在色尔腾山地区。鉴于此，本文通过研究内蒙古乌拉特中旗乌兰乡东南部查干哈达地区色尔腾山岩群东五分子岩组的岩石学及锆石SHRIMP U-Pb定年特征，为探讨色尔腾山岩群的形成时代及区域地层对比提供证据。
1 地质概况研究区位于华北板块北缘中西段，北邻兴蒙造山带南缘(温都尔庙俯冲-增生杂岩带)，南倚华北前寒武纪克拉通(图 1a)，具有早前寒武纪变质结晶基底和中元古界、中生界、新生界沉积盖层的结构(图 1b)。
区内发育的色尔腾山岩群东五分子岩组和柳树沟岩组为华北克拉通结晶基底，中元古界蓟县系白云鄂博群哈拉霍疙特组和比鲁特组、中生界下白垩统白女羊盘组和新生界构成了盖层(图 1b)。色尔腾山岩群展布于研究区南东部，片麻理发育，倾向南东，倾角为40°~55°。东部出露的中元古界岩蓟县系白云鄂博群为一套浅变质的碎屑岩和碳酸盐岩建造，强烈褶皱变形，并发育较多韧性剪切带，与色尔腾山岩群呈北东向断层接触，局部呈捕掳体产出于晚二叠世花岗岩中。中生界分布在北西部乌兰敖包附近，为一套火山岩夹砂砾岩沉积建造。新生界发育上新统宝格达乌拉组和全新统风成、河流成因的砂砾层，出露于研究区北部。
区内岩浆岩十分发育，有古元古代片麻状花岗闪长岩，早石炭世闪长岩、花岗闪长岩，早—中二叠世花岗岩[12]和晚二叠世花岗岩[13]。古元古代片麻状花岗闪长岩呈南北向岩株出露于希日敖包一带，面积9.3 km2，片麻理倾向南东，倾角为40°~60°，被早石炭世花岗闪长岩和晚二叠世花岗岩侵入破坏。早石炭世闪长岩和花岗闪长岩主体呈岩株产出于中南部，面积共27.3 km2，侵入色尔腾山岩群、白云鄂博群和古元古代片麻状花岗闪长岩中，后被晚二叠世花岗岩侵入。早—中二叠世花岗岩呈东西向岩株出露于乌兰敖包南部，面积2.1 km2；晚二叠世花岗岩呈北东东向岩株产出于整个研究区，面积达54.4 km2。
区内断层发育，在南东部尤为显著。北东向逆断层和性质不明断层被北西向逆断层切割，其中北西向逆断层穿切了晚二叠世花岗岩，指示北西向断层形成时代晚于晚二叠世。柳树沟岩组和晚二叠世花岗岩中发育较多北东向韧性剪切带，但规模较小。
2 东五分子岩组的岩石学特征乌拉特中旗乌兰乡查干哈达地区出露的色尔腾山岩群东五分子岩组受到了晚古生代岩浆作用和断层的强烈破坏(图 1b和图 2)，在实测剖面过程中未见该岩组的顶底，剖面东侧东五分子岩组可能在早石炭世闪长岩侵位过程中，受到挤压后岩层发生了倒转(图 2)。
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| 据实测剖面简化。 图 2 乌拉特中旗乌兰乡查干哈达地区色尔腾山岩群东五分子岩组剖面图 Fig. 2 Section of Dongwufenzi Formation of the Sertengshan Group in Chaganhada area, Urad Zhongqi |
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东五分子岩组实测剖面下部至上部岩石组合依次为中细粒斜长角闪岩、细粒黑云斜长片麻岩、眼球状细粒黑云斜长片麻岩、条带状细粒黑云斜长片麻岩、细粒黑云角闪片岩、条带状细粒黑云斜长片麻岩、眼球状细粒黑云斜长片麻岩夹中细粒斜长角闪岩、条带状细粒黑云斜长片麻岩和细粒黑云角闪片岩。其中，眼球状细粒黑云斜长片麻岩出露相对较厚(图 2)。
东五分子岩组代表性岩石特征为：眼球状细粒黑云斜长片麻岩由斜长石(45%)、石英(＞25%)、微斜长石(10%)、黑云母(15%)和白云母(＜5%)组成，细粒片状、粒状变晶结构，片麻状和眼球状构造，其中眼球主要为石英和黑云母集合体(图 3a)，也见微斜长石集合体；细粒黑云斜长片麻岩主要造岩矿物为斜长石(55%)、石英(30%)和黑云母(15%)，斜长石轻微绢云母化，黑云母多绿泥石化，细粒片状、粒状变晶结构，片麻状构造(图 3b)；细粒黑云角闪片岩主要造岩矿物为石英(55%)、角闪石(40%)和黑云母(5%)，细粒片状、柱状、粒状变晶结构，片状构造(图 3c)；中细粒斜长角闪岩由斜长石(60%)和角闪石(40%)组成，中细粒板状、柱状、粒状变晶结构，片状构造(图 3d)。从矿物组合特征可见，东五分子岩组原岩经历了低绿片岩相—低角闪岩相变质作用。
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| a.眼球状细粒黑云斜长片麻岩(正交偏光)；b.细粒黑云斜长片麻岩(正交偏光)；c.细粒黑云角闪片岩(单偏光)；d.中细粒斜长角闪岩(正交偏光)。Q.石英；Pl.斜长石；Bi.黑云母；Am.角闪石。 图 3 东五分子岩组的主要岩性特征 Fig. 3 Main lithology of Dongwufenzi Formation |
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野外采集新鲜的细粒黑云斜长片麻岩样品(采样位置见图 1b)，在河北廊坊区域地质调查研究所实验室完成锆石挑选，锆石制靶[14]、阴极发光图像采集和锆石SHRIMP U-Pb测年在中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心完成。锆石测年方法和分析流程及标样校正见文献[15]。一次离子流强度为3~4 nA，束斑大小为25~30 μm。元素间的分馏校正和年龄校正的标准锆石为SL13[15]和TEMORA[16]，数据处理采用SQUID 11.03d及ISOPLOT 3.0程序[17]，普通铅根据实测204Pb进行校正。测年岩石形成时代为元古宙，故锆石年龄使用207Pb/206Pb年龄，单个数据误差为1σ，加权平均年龄误差为95%置信度。
4 分析结果锆石多呈自形—半自形，粒径为255~360 μm，大部分锆石具有核-幔-边结构或核-边结构，并且大多数锆石发育白边，为热液或者变质作用的结果，但白边太窄，未能进行SHRIMP U-Pb测年。幔部锆石是大多数锆石的主体，发育明显的震荡环带，为岩浆成因。部分锆石发育核部，多数锆石核部与幔部的结构具有一致性，仅少数核部锆石呈不规则残留状(T3-7)(图 4)。成分较为均一、不具核-幔-边结构的锆石也发育震荡环带(T3-1)(图 4)。显然，锆石主体均为岩浆成因。
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| 图 4 研究区典型锆石阴极发光图像 Fig. 4 Cathodoluminescence images of typical zircons from research area |
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挑选岩石中典型的12颗锆石共测了15个点：5颗锆石核部的Th、U质量分数和Th/U值分别为(32~82)×10-6、(120~1 222)×10-6、0.07~0.36，207Pb/206Pb年龄为1 920.0~2 155.0 Ma；7颗锆石幔部的Th、U质量分数和Th/U值分别为(28~56)×10-6、(209~760)×10-6、0.05~0.23，207Pb/206Pb年龄为1 901.0~1 939.0 Ma；3颗成分均匀且发育震荡环带的锆石Th、U质量分数和Th/U值分别为(40~158)×10-6、(209~417)×10-6、0.19~0.54，207Pb/206Pb年龄为1 943.0~1 958.0 Ma(表 1)。锆石核部测点T3-7和T3-9.1年龄较老(图 4和表 1)，其形状较为浑圆，可能为捕获的更老锆石，剔除这2个测点后的核部锆石207Pb/206Pb年龄为1 920.0~1 954.0 Ma，这与幔部和成分均匀锆石的年龄范围基本一致；13个位于或接近谐和线的数据点加权平均年龄为(1 930.7±9.6)Ma，锆石普遍存在Pb丢失，大部分测点数据落在不一致线上(图 5a)。前人研究显示，东五分子岩组原岩为两个火山-沉积旋回[8]，其中斜长片麻岩类原岩为中酸性火山岩[9]，细粒黑云斜长片麻岩中的锆石发育较窄的震荡环带，长柱状晶形也指示锆石可能发育在中酸性火山岩中。那么加权平均年龄(1 930.7±9.6)Ma代表黑云斜长片麻岩原岩的冷凝结晶年龄。
| 测试点号 | wB/10-6 | Th/U | 同位素比值 | 年龄/Ma | |||||||||||||
| U | Th | 206Pb* | 207Pb*/ 206Pb* |
1σ | 207Pb*/ 235U |
1σ | 206Pb*/ 238U |
1σ | 相关 误差 |
206Pb*/ 238U |
1σ | 207Pb*/ 206Pb |
1σ | 不谐和 度/% |
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| T3-1 | 209 | 40 | 62 | 0.20 | 0.120 1 | 0.005 6 | 5.71 | 0.89 | 0.344 5 | 0.006 9 | 0.779 | 1 908.0 | 12.0 | 1 958.0 | 10.0 | 3 | |
| T3-2(幔) | 760 | 40 | 221 | 0.05 | 0.118 8 | 0.002 7 | 5.55 | 0.49 | 0.338 5 | 0.004 1 | 0.835 | 1 879.0 | 6.7 | 1 939.0 | 4.8 | 3 | |
| T3-3(幔） | 209 | 28 | 59 | 0.14 | 0.116 4 | 0.007 1 | 5.24 | 0.95 | 0.326 6 | 0.006 3 | 0.660 | 1 823.0 | 10.0 | 1 901.0 | 13.0 | 4 | |
| T3-4(幔) | 244 | 53 | 73 | 0.22 | 0.117 0 | 0.006 3 | 5.60 | 0.85 | 0.347 3 | 0.005 7 | 0.670 | 1 922.0 | 9.7 | 1 911.0 | 11.0 | -1 | |
| T3-5 | 417 | 76 | 125 | 0.19 | 0.119 5 | 0.003 9 | 5.75 | 0.89 | 0.349 0 | 0.008 0 | 0.898 | 1 931.0 | 11.0 | 1 949.0 | 7.0 | 1 | |
| T3-6(幔) | 229 | 51 | 65 | 0.23 | 0.116 6 | 0.005 8 | 5.34 | 0.89 | 0.332 4 | 0.006 8 | 0.759 | 1 852.0 | 11.0 | 1 904.0 | 10.0 | 3 | |
| T3-7(核）* | 718 | 56 | 218 | 0.08 | 0.134 3 | 0.003 9 | 6.53 | 0.56 | 0.352 5 | 0.004 1 | 0.719 | 1 949.0 | 6.9 | 2 155.0 | 6.8 | 10 | |
| T3-8(幔) | 407 | 28 | 115 | 0.07 | 0.118 6 | 0.005 5 | 5.37 | 0.81 | 0.328 5 | 0.006 0 | 0.736 | 1 831.0 | 9.6 | 1 935.0 | 9.8 | 5 | |
| T3-9.1(核）* | 120 | 42 | 35 | 0.36 | 0.122 0 | 0.007 7 | 5.73 | 1.10 | 0.340 5 | 0.008 1 | 0.727 | 1 888.0 | 14.0 | 1 985.0 | 14.0 | 5 | |
| T3-9.2(幔) | 726 | 40 | 206 | 0.06 | 0.117 1 | 0.004 2 | 5.33 | 0.56 | 0.329 9 | 0.003 8 | 0.671 | 1 838.0 | 6.1 | 1 913.0 | 7.5 | 4 | |
| T3-10.1(核) | 1 222 | 82 | 343 | 0.07 | 0.117 6 | 0.002 5 | 5.29 | 0.42 | 0.326 6 | 0.003 4 | 0.807 | 1 822.0 | 5.5 | 1 920.0 | 4.5 | 5 | |
| T3-10.2(幔） | 311 | 56 | 91 | 0.19 | 0.118 4 | 0.005 9 | 5.53 | 1.50 | 0.338 8 | 0.014 0 | 0.918 | 1883.0 | 23.0 | 1932.0 | 11.0 | 3 | |
| T3-11 | 299 | 158 | 86 | 0.54 | 0.119 1 | 0.004 4 | 5.51 | 0.64 | 0.335 4 | 0.004 6 | 0.722 | 1 857.0 | 8.1 | 1 943.0 | 7.9 | 4 | |
| T3-12(核) | 253 | 71 | 74 | 0.29 | 0.118 3 | 0.005 1 | 5.56 | 0.71 | 0.341 0 | 0.005 0 | 0.703 | 1 889.0 | 8.5 | 1 931.0 | 9.1 | 2 | |
| T3-13(核） | 462 | 32 | 129 | 0.07 | 0.119 8 | 0.005 8 | 5.37 | 1.60 | 0.320 0 | 0.015 0 | 0.936 | 1 815.0 | 25.0 | 1 954.0 | 10.0 | 7 | |
| 注：T3-1、T3-5和T3-11不具核-幔-边结构、成分均匀的岩浆锆石测点；（核）代表锆石核部；（幔）代表锆石幔部。测试点号中*表示未参与加权平均年龄计算的锆石测点。 | |||||||||||||||||
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| 图 5 研究区锆石SHRIMP U-Pb年龄谐和图(a)和加权平均年龄图(b) Fig. 5 Zircon SHRIMP U-Pb concordia diagram (a) and histogram of weighted average age (b) from research area |
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目前，对于东五分子岩组的岩石组成和原岩建造的认识已达成共识[8-10, 18-19]，但关于其形成时代仍存在新太古代和古元古代两种争议。色尔腾山岩群绢云母化斜长片麻岩中6颗锆石U-Pb(同位素稀释法)不一致线上交点年龄为(2 489±10)Ma，2颗锆石Pb-Pb法表面年龄均值为(2 458±10)Ma；认为色尔腾山岩群的形成时代为2 500 Ma[10]。固阳三合明地区色尔腾山岩群斜长角闪岩原岩可能为玄武岩，SIMS锆石U-Pb年龄(2 562±14)Ma代表其原岩玄武岩冷凝结晶年龄[18]。色尔腾山地区陈三沟岩组黑云角闪斜长片麻岩锆石U-Pb年龄为(2 449.00±30.34)Ma，柳树沟岩组黑云斜长片岩全岩Sm-Nd等时线年龄为(2 807.0±55.9)Ma，认为色尔腾山岩群形成时间为2 800~2 500 Ma[9]。色尔腾山地区绿岩Sm-Nd、Rb-Sr同位素年代学特征表明，色尔腾山绿岩下部的变基性火山岩形成于2 900~2 800 Ma，2 500 Ma左右遭受了绿片岩相—角闪岩相变质作用的改造，1 600 Ma左右受到了华北克拉通与西伯利亚克拉通裂解的影响[19]。内蒙古营盘湾—东五分子一带的色尔腾山岩群东五分子岩组上部细粒长英片麻岩和黑云母片岩的锆石SHRIMP U-Pb年龄分别为(1 980±9)和(1 946±16)Ma，代表原岩(火山岩)结晶年龄，并在1.9 Ga经历了变质作用改造[8]。邵积东[20]通过综合分析近10年来在华北板块北缘中西部区调和科研工作中获得的大量野外地质特征及锆石SHRIMP、LA-ICP-MS U-Pb同位素年龄，认为色尔腾山岩群极有可能形成于古元古代早期。呼和浩特北部二道凹岩群锆石SHRIMP U-Pb年龄(1 890±8)Ma指示其原岩(中基性火山岩)的形成时代[21]，陈志勇等[7]在厘定色尔腾山岩群时将二道凹岩群划入其中。本文获得的锆石SHRIMP U-Pb定年结果为(1 930.7±9.6)Ma，代表黑云斜长片麻岩原岩的冷凝结晶年龄，那么东五分子岩组发生变质的时代应晚于1 930 Ma。
5.2 地质意义研究区东五分子岩组黑云斜长片麻岩原岩(中酸性火山岩)的形成时代与邻区白云鄂博地区古元古代中晚期岩浆作用(2.2~1.9 Ga)同期[22-23]，该期岩浆作用近年来在华北克拉通北部(大青山—集宁—凉城—吕梁—阜平—辽南)逐渐被识别出来[23-29]。同时，研究区附近也存在大规模1.9 Ga左右的变质事件响应，如白云鄂博地区宽沟背斜花岗质片麻岩的变质年龄为(1 929±11)、(1 937±9)Ma，黑脑包片麻状石英闪长岩变质年龄为(1 893±12)Ma，白云镇英云闪长质片麻岩变质年龄为(1 864±12)Ma[21]，西矿南侧糜棱岩化黑云花岗片麻岩变质年龄为(1 892±4)Ma[23]。乌拉山—大青山孔兹岩系岩石变质时代为1 950~1 850 Ma[30-31]，集宁地区孔兹岩系岩石变质时代为2 091~1 852 Ma[32]。该期变质作用在华北板块北缘从西至东到辽南一带均有响应，且原来认为形成时代为2.5 Ga的众多地层实际年龄多集中在2.2~1.9 Ga[33-34]。
以上研究资料表明，华北板块北缘古元古代晚期(2.2~1.9 Ga)普遍存在一次大规模岩浆作用，东五分子岩组中黑云斜长片麻岩的原岩(中酸性火山岩)在该阶段形成。1.9 Ga左右发生了一次大规模变质作用，可能形成了东五分子岩组低绿片岩相—低角闪岩相变质岩。
6 结论通过对内蒙古乌拉特中旗乌兰乡查干哈达地区色尔腾山岩群东五分子岩组岩相学和锆石SHRIMP U-Pb年代学的研究，得出以下结论：
1) 东五分子岩组由中细粒斜长角闪岩、细粒黑云斜长片麻岩、眼球状细粒黑云斜长片麻岩、条带状细粒黑云斜长片麻岩和细粒黑云角闪片岩组成。其中，以眼球状细粒黑云斜长片麻岩为主，矿物组合特征指示其经历了低绿片岩相—低角闪岩相变质。
2) 细粒黑云斜长片麻岩中的锆石大部分发育核-幔-边结构或核-边结构，部分锆石成分均匀且发育震荡环带，锆石主体为岩浆锆石。锆石SHRIMP U-Pb测年结果((1 930.7±9.6) Ma)代表原岩成岩时代。
3) 东五分子岩组遭受变质作用的时代应晚于1 930 Ma。
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