岩石学报  2016, Vol. 32 Issue (7): 2029-2040   PDF    
内蒙古巴林右旗新开坝地区大石寨组火山岩形成时代及构造背景
关庆彬1, 刘正宏1 , 白新会2, 李鹏川1, 万乐1, 李世超1    
1. 吉林大学地球科学学院, 长春 130061;
2. 四川省冶金地质勘查局成都地质调查所, 成都 610203
摘要:对内蒙古巴林右旗新开坝地区大石寨组玄武安山岩进行了锆石U-Pb年代学、锆石原位Hf同位素分析及地球化学研究,定年结果表明玄武安山岩结晶年龄为280Ma,形成于早二叠世。地球化学特征显示高场强元素Nb、Ta强烈亏损, Ti轻微亏损,大离子亲石元素Sr、Ba、Rb、K富集,表现出岛弧火山岩特征。地球化学结果和Hf同位素的不同来源(亏损地幔及古老地壳的再循环),表明岩浆起源于俯冲沉积物熔体和流体交代地幔楔橄榄岩。与大石寨地区玄武安山岩进行了对比研究,表明巴林右旗大石寨组玄武安山岩在俯冲的构造背景,形成于岛弧-活动大陆边缘弧的环境,古亚洲洋板块由南向北进行俯冲,说明早二叠世古亚洲洋未闭合。
关键词巴林右旗地区     大石寨组     U-Pb年代学     锆石Hf同位素     地球化学     俯冲    
Age and tectonic setting of volcanic rocks of the Dashizhai Formation from Xinkaiba, Balinyouqi area, Inner Mongolia
GUAN QingBin1, LIU ZhengHong1 , BAI XinHui2, LI PengChuan1, WAN Le1, LI ShiChao1    
1. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China;
2. Chengdu Geological Research Institute of Sichuan Metallurgical and Geological Exploration Bureau, Chengdu 610203, China
Abstract: Zircon U-Pb chronological, geochemical and in situ Hf isotope research have been undertaken on the basaltic andesites of the Dashizhai Formation in Xinkaiba, Balinyouqi area, southeast part of the Central Asian Orogenic Belt in Inner Mongolia, China. The basaltic andesites, which yield age of ~280Ma (the Early Permian), display an enrichment in large ion lithophile elements (Sr, Ba, Rb and K) and depletion in high field-strength elements (Nb, Ta and Ti),exhibited the transitionary geochemical features of island arc volcanics. The results of geochemistry and different sources of Hf isotopes (depleted mantle and ancient crust), indicate the magma originated from the subduction sediment melt and fluid metasomatism peridotite which from the mantle wedge. A comparative study on the basaltic andesites of the Dashizhai Formation, in Dashizhai area, indicates that basaltic andesites from Balinyouqi area are formed under the island arc-active continental margin environment in a subduction tectonic setting. It's demonstrated that the ocean crust was subducting from south to north and Paleo-Asian Ocean wasn't closed in Early Permian.
Key words: Balinyouqi area     Dashizhai Formation     Zircon U-Pb dating     Zircon Hf isotopes     Geochemistry     Subduction    
1 引言

1965年内蒙古区测二队在科尔沁右翼前旗大石寨地区创建了大石寨组,定义为一套海相喷发的中、酸性熔岩及凝 灰岩,夹有不稳定的泥质、 砂质沉积岩组合(赵芝,2008)。大石寨组火山岩主要分布于内蒙古自治区的中部和东部地区,属中亚造山带的东南段,夹持于华北板块和西伯利亚板块之间。近年来大量的学者对不同地区的大石寨组火山岩进行了同位素年代学研究,获得的年龄范围比较宽泛,介于242~439Ma(汪润洁,1987; 高德臻和蒋干清,1998; Zhu et al.,2001; 陶继雄等,2003; Zhang et al.,2008; 郭锋等,2009; 曾维顺等,2011; 张健,2012; 陈彦等,2014; 梅可辰等,2015),由此可见不同地区的大石寨组火山岩形成时代存在差异(表 1)。而且大石寨组火山岩的形成环境是学者们争论的焦点,主要由以下几种观点:耿明山(1998)陶继雄等(2003)赵芝(2008)郭锋等(2009)张健(2012)樊航宇等(2014)梅可辰等(2015)等认为火山岩形成于俯冲的构造环境;邵济安(1991)吕志成等(2002ab)、Zhang et al.(2008)张晓晖和翟明国(2010)等认为火山岩形成于裂谷或裂陷槽的拉张环境;汪润洁(1987)陈彦等(2014)等认为火山岩形成于碰撞后伸展的构造环境。本文在对巴林右旗地区的大石寨组玄武安山岩进行了年代学、锆石原位Hf同位素及地球化学研究,并与大石寨地区玄武安山岩进行对比研究,进而讨论了玄武安山岩的形成时代、成因类型、岩浆来源及构造背景,补充了大石寨组中性火山岩的年龄值,为大石寨组火山岩形成环境和成因机制提供新的证据,同时为古亚洲洋闭合的时限提供可靠的信息。

表 1 大石寨组同位素年龄列表 Table 1 Ages of Dashizhai Formation
2 区域地质背景及岩石学特征

研究区位于中亚造山带的东南段索伦-西拉木伦缝合带的北部,夹持于华北板块和西伯利亚板块之间,属于古亚洲洋构造域和古太平洋构造域的范畴(图 1a)。区内出露的地层较多,呈北东向展布。古生代的地层单元有寿山沟组、哲斯组、林西组碎屑岩和大石寨组火山岩,其中大石寨组和哲斯组为海相沉积,林西组为海陆交互相沉积(李文国等,1996);中生代以火山岩沉积为主,出露有新民组、白音高老组、梅勒图组等地层。区内发育北东向和北西向两组断裂构造,广泛出露晚古生代至中新生代火山岩及花岗岩侵入体。区内大石寨火山岩北部与白音高老组断层接触;东部和西部分别与林西组和寿山沟砂岩呈断层及不整合接触;西部和南部被白垩纪花岗岩侵入(图 1b)。

图 1 内蒙古东南部区域构造简图(a,据Xiao et al.,2003)和巴林右旗新开坝地区地质简图(b) Fig. 1 Sketch regional tectonic map of SE Inner Mongolia(a,after Xiao et al.,2003)and geological map illustrating the distribution of Dashizhai Formation in Balinyouqi Xinkaiba area(b)

由于大石寨组火山岩分布范围广,岩石组合也不尽相同。苏尼特左旗地区发育安山岩、英安岩及流纹岩为主的中酸性喷发岩(李述靖等,1998);林西地区发育细碧岩、玄武岩及安山岩为主的中基性熔岩(邵济安,1991; 吕志成等,2002b);乌兰浩特地区发育英安岩和流纹岩为主的酸性熔岩(邵济安,1991)。研究区的大石寨组岩性以变质砂岩、变质粉砂岩和板岩为主,火山岩为夹层状产出,火山岩以中性岩为主,岩石组合为玄武安山岩、安山岩、安山质凝灰熔岩、流纹岩。虽然在剖面中未见流纹岩,但在勘查路线中见有不均匀分布的流纹岩,可见研究区内不同地段的岩性差别较大,中基性、酸性火山岩及砂板岩分布不均匀,体现了岩性变化大不稳定的特点。本文的大石寨组地层的实测剖面位于新开坝地区(图 1b),剖面的下部与哲斯组断层接触,剖面的主要岩性组合为安山晶屑凝灰熔岩、安山质凝灰岩及变质砂岩、变质粉砂岩夹有少量流纹质凝灰岩(图 2)。

图 2 新开坝地区大石寨组实测剖面 Fig. 2 The measured section of Dashizhai Formation in Xinkaiba area

安山质含角砾晶屑凝灰熔岩  风化面褐色,新鲜面浅灰色,凝灰熔岩结构,块状构造。角砾含量少于5%;晶屑:普通角闪石,棱角状,阳起石化,粒度小于2mm,含量约15%;斜长石,棱角状,聚片双晶明显,绢云母化,粒度小于2mm,含量约20%。安山岩胶结,基质为交织结构(图 3a)。

图 3 大石寨组岩石显微特征

(a)安山质含角砾晶屑凝灰熔岩;(b)蚀变角闪安山岩;(c)流纹岩;(d)凝灰质粉砂岩 Fig. 3 Microscopic characteristics of rocks from Dashizhai Formation

蚀变角闪安山岩  风化面灰褐色,新鲜面灰黑色,斑状结构,块状构造。斑晶:普通角闪石,具六边形横截面,粒度1~2mm,含量小于5%;斜长石,聚片双晶发育,含量5%左 右。基质为交织结构,斜长石微晶平行分布,内部充填有细粒角闪 石,主要蚀变特征为斜长石斑晶发生绢云母化(图 3b)。

流纹岩  风化面灰褐色,新鲜面灰白色,斑状结构,流纹构造。斑晶为石英和斜长石,粒度小于1mm,含量小于5%,斜长石具有绢云母化。基质为细粒显微晶体结构,流纹构造十分明显(图 3c)。

凝灰质粉砂岩  风化面黄褐色,新鲜面浅灰色,粉砂质结构,薄层构造。晶屑为长石和石英,呈细小的棱角状,粒径小于0.1mm,含量约10%,其余为火山灰,见有少量变质重结晶的绢云母(图 3d)。

3 样品制备与分析方法

本文在巴林右旗新开坝地区采集了1件新鲜玄武安山岩的年龄样品(43°58′20″N、118°32′37″E),在不同位置采集6件地球化学分析样品(采集位置见图 1b)。锆石的挑选是在河北省廊坊市区域地质调查研究所进行的。野外采集的测年样品W41N-1重约10kg,用常规的方法将样品粉碎至80~100目,之后用淘洗和电磁的方法将其进行挑选分离。在双目镜下选择裂隙和包体少、晶型发育好、表面洁净的锆石100~150粒进行制靶。锆石制靶和阴极发光(CL)图像采集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U-Pb同位素分析在中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成。测试由带有多个离子计数器的Finnigan Neptune型多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)及与之配套的New wave UP 213激光剥蚀系统联机下进行。MC-ICP-MS激光器剥蚀采样采用单点剥蚀的方式,实验中采用He气作为剥蚀物质的载气,用213nm激光器对锆石进行剥蚀的深度为20~40μm,激光剥蚀斑束直径25μm。用锆石GJ-1作为外部锆石年龄标准进行分馏校正,元素含量则采用玻璃标样NIST 612作为外标(侯可军等,2009)。通过Andersen(2002)的方法对两个年龄样实验测得数据进行同位素比值校正以去除普通铅的影响,锆石年龄谐和图通过Isoplot 3.0(Ludwing,2001)绘制而成,均匀锆石颗粒207Pb/206Pb、206Pb/238U、207Pb/235U的测试精度(2σ)均为2%左右,对锆石标准的测试精度和准确度在1%(1σ)左右。详细的实验测试过程可参考侯可军等(20072009)。

样品的主量元素和痕量元素分析由澳实分析检测(广州)有限公司测试完成。采用(ME-XRF)测试方法,使用X射线荧光光谱仪(HK-8100)对样品进行主量元素分析,采用(ME-MS)测试方法,使用等离子体质谱仪(ICP-MS)对样品进行痕量元素分析。

锆石原位Hf同位素分析测试是在锆石U-Pb定年基础上进行的,测试工作是在中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室Neptune多接收等离子质谱和Newwave UP213紫外激光剥蚀系统(LA-MC-ICP-MS)上进行的,实验过程中采用He作为剥蚀物质载气,根据锆石大小,剥蚀直径采用55μm或40μm,测定时使用锆石国际标样GJ1和Plesovice作为参考物质,分析点与U-Pb定年分析点为同一位置。相关仪器运行条件及详细分析流程见侯可军等(2007)。分析过程中锆石标准GJ1的176Hf/177Hf测试加权平均值分别为0.282007 ±0.201607077(2σn=36),与文献(侯可军等,2007; Morel et al.,2008)在报道值误差范围内完全一致。

4 分析结果 4.1 锆石U-Pb年代学

巴林右旗新开坝地区大石寨组玄武安山岩样品中的锆石颗粒在透射光和反射光下无色,半透明-透明,大小在50~200μm,长宽比2:1~3:1之间。大部分锆石颗粒自形程度较好呈长柱状、短柱状或椭圆状,部分锆石自形程度较差呈不规则状,见有裂纹,个别颗粒见有不透明的包裹体。锆石阴极发光图像(图 4a)显示,锆石内部结构清晰见有明显的岩浆振荡环带,结合锆石具有较高的Th/U比值(0.65~1.77),指示锆石为岩浆成因。

图 4 样品W41N-1锆石阴极发光图像(a)和U-Pb年龄谐和图(b) Fig. 4 U-Pb zircon CL images(a)and concordia diagrams(b)for sample W41N-1

表 2中测试数据和锆石U-Pb年龄谐和图(图 4b)可知,大石寨组玄武安山岩的分析结果大部分位于谐和线及其附近区域,其中有1个测点谐和度太低,可能为普通铅丢失强烈;4个测点的206Pb/238U年龄介于294±6Ma~363±5Ma 内,应为捕获的早期锆石;1个测点的206Pb/238U年龄值为247±6Ma,因研究区内存在早三叠世花岗岩,所以此年龄应为受后期构造热事件影响;14个测点的206Pb/238U年龄分布较为集中,介于276±4Ma~286±7Ma之间,得出加权平均值280.1±2.7Ma(n=14,MSWD=0.35),研究认为其为巴林右旗地区大石寨组玄武安山岩的成岩时代,为早二叠世。

表 2 巴林右旗新开坝地区大石寨组安山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb定年数据 Table 2 LA-ICP-MS U-Pb zircon age datas for andesites of Dashizhai Formation from Xinkaiba,Balinyouqi area
4.2 岩石地球化学

巴林右旗新开坝附近的大石寨组玄武安山岩的地球化学分析结果表明(表 3):SiO2含量介于51.5%~53.7%之间,均值52.7%;TiO2含量介于0.49%~0.68%之间,均值0.59%;P2O5含量介于0.08%~0.2%之间,均值0.15;Al2O3含量介于12.75%~15.60%,均值14.38%;MgO含量介于6.61%~8.99%,均值7.72%;Mg#介于59.6~62.9,均值61.6; FeOT含量介于7.71%~9.74%之间,均值8.54%。Na2O含量介于2.13%~3.20%,均值2.56%;K2O含量介于0.23%~1.44%之间,均值0.71%;K2O/Na2O介于0.11~0.49之间,均值0.27。A/CNK介于0.49~0.76之间,均值0.61,为偏铝质岩石。从火山岩TAS分类图解(图 5a)中可以看出巴林右旗新开坝地区安山质火山岩为玄武安山岩,硅钾图解(图 5b)中,大部分样品落入中钾钙碱性系列中,仅有1个样品落入低钾拉斑系列中,说明玄武安山岩属于中钾钙碱性系列。TiO2<1.0%,P2O5<0.2%的主量元素特征与岛弧火山岩类似(赵建新等,1995)。

表 3 巴林右旗地区大石寨组火山岩主量元素(wt%)和微量元素(×10-6)分析结果 Table 3 Maior(wt%),trace elements(×10-6)compositions for the volcanic rocks from Dashizhai Formation of Balinyouqi area

图 5 大石寨组火山岩TAS图解(a,据Le Bas et al.,1986)及硅钾图解(b,据Peccerillo and Taylor,1976) Fig. 5 TAS diagram(a,after Le Bas et al.,1986)and SiO2 vs. K2O diagram(b,after Peccerillo and Taylor,1976)for the volcanic rocks of Dashizhai Formation

从玄武安山岩SiO2的哈克图解(图略)可以看出,随着SiO2含量的增加,CaO、MgO、FeOT的含量明显降低,其中MgO、FeOT含量的降低反映了辉石等铁镁质矿物分离结晶作用的发生;CaO含量的降低则主要反映了单斜辉石、基性斜长石的分离结晶。

大石寨组玄武安山岩的稀土元素分析结果见表 3,稀土配分曲线呈右倾斜型(图 6a),大部分相互重合叠加或平行。稀土总量为41.44×10-6~98.39×10-6,均值为54.21×10-6,ΣLREE/ΣHREE为1.14~1.90,均值1.57,轻稀土略富集,重稀土相对亏损,(La/Yb)N值介于2.17~4.21,均值3.49,轻重稀土分异中等。δEu值介于0.81~1.16,平均值1.02,基本不显示Eu的异常。(La/Sm)N值介于1.76~2.46,平均值2.13,(Eu/Yb)N值介于1.29~1.70,平均值1.49,说明轻稀土分馏相对明显,重稀土分馏较弱。

图 6 巴林右旗新开坝地区大石寨组安山岩稀土元素配分模式图(a,标准化值据Boynton,1984)和微量元素蛛网图(b,标准化值据Sun and McDonough,1989) Fig. 6 Chondrite-normalized REE distribution patterns(a,normalization values after Boynton,1984)and primitive mantle-normalized trace element spider diagram(b,normalization values after Sun and McDonough,1989)of andesites from Dashizhai Formation in Xinkaibai,Balinyouqi area

从大石寨组玄武安山岩的微量元素分析结果(表 3)及微量元素蛛网图(图 6b)中可以看出,大石寨组玄武安山岩微量元素的配分曲线具有较高的一致性,大离子亲石元素Sr、Ba、Rb、K则明显富集,高场强元素Nb、Ta强烈亏损,Ti为轻微亏损,具有岛弧熔岩的典型特征(夏林圻等,2009)。

4.3 Hf同位素

在LA-ICP-MS锆石U-Pb定年的基础上,对大石寨组玄武安山岩样品进行了锆石原位微区Lu-Hf同位素分析,分析结果见表 4。安山岩(W41N-1)中代表形成时代(280Ma)锆石的176Hf/177Hf比值介于0.282347~0.283133之间,其εHf(t)值介于-9.1~18.6之间,投点分布比较分散(图 7),两点位于亏损地幔演化线上部区域,三点位于球粒陨石和亏损地幔演化线之间,两点位于1.8Ga地壳演化线附近。模式年龄分成三个区间:171Ma、183Ma,模式年龄小于锆石结晶年龄可能发生Nd-Hf同位素的解耦(吴福元等,2007);454~634Ma,与大石寨组流纹岩两阶段模式年龄一致(张健,2012);有两个模式年龄较老分别为1201Ma和1208Ma,可能来源于古陆壳。

表 4 大石寨组安山岩锆石Hf同位素组成 Table 4 Hf isotopic composition of zircons from Dashizhai Formation andesites
5 讨论 5.1 大石寨组火山岩形成时代

自从1965年内蒙古区测二队在大石寨地区创建了大石寨组,国内的学者就开始对不同地区的大石寨组火山岩进行年代学研究,并取得了丰硕的成果。汪润洁(1987)测得赤峰地区火山岩年龄为242~264.7Ma,高德臻和蒋干清(1998)测得苏尼特左旗地区安山岩年龄为281Ma,陶继雄等(2003)测得满都拉地区玄武岩为285±11Ma和辉长岩为280.4±1.1Ma。然而大石寨地区不同岩性的火山岩年龄差别较大:张健(2012)用LA-ICPMS U-Pb测得大石寨地区流纹岩年龄为276~298Ma,郭锋等(2009)测得大石寨镇周边玄武岩的年龄为439±3.0Ma,曾维顺等(2011)测得大石寨地区英安岩年龄为314±1Ma。由于获得了大石寨组火山岩的年龄较为宽泛介于242~439Ma,说明大石寨火山岩的年龄不仅限于早二叠世,郭锋等(2009)建议把大石寨组进行解体,重新厘定不同时代喷发火山岩的时空分布范围。巴林右旗地区大石寨组火山岩未见有同位素年代学研究,本文锆石U-Pb测年的结果显示巴林右旗新开坝地区玄武安山岩的年龄为280.1±2.7Ma,巴林右旗新开坝地区大石寨组玄武安山岩的形成时代为早二叠世与大石寨地区流纹岩一致,为大石寨组火山岩早二叠世的组成部分。

图 7 巴林右旗新开坝地区大石寨安山岩的锆石εHf(t)-t图解(据杨宝忠等,2006) Fig. 7 Zircon Hf isotopic features for the Dashizhai andesites in Xinkaiba,Balinyouqi area(after Yang et al.,2006)
5.2 岩浆源区

巴林右旗新开坝地区的玄武安山岩MgO(>5%)、FeOT/MgO(<1.5)、Al2O3(<16%)和其高的Mg#(>45),表明其为高镁安山岩(Tatsumi,2001)。目前高镁安山岩主要有以下几种成因模式:①板片熔体交代地幔橄榄岩发生的部分熔融(Kelemen,1995; Kamei et al.,2004);②含水地幔橄榄岩的部分熔融(Tatsumi and Hanyu,2003; Wood and Turner,2009);③俯冲的沉积物或蚀变的洋壳部分熔融后与地幔相互作用(Tatsumi,2001; Tatsumi and Hanyu,2003)。

由板片熔体交代地幔橄榄岩部分熔融来源的高镁安山岩有埃达克岩的地球化学特征(Kamei et al.,2004)。而巴林右旗新开坝玄武安山岩虽然有较低的Y(11.8×10-6~20.7×10-6)和Yb(1.37×10-6~2.1×10-6)含量,但是Sr含量(298×10-6~484×10-6,均值395×10-6<400×10-6)也很低,不具有埃达克岩的特征,所以其不可能由板片熔体交代地幔橄榄岩形成。巴林右旗新开坝玄武安山岩Mg#值为59.6~62.9(均值61.6),明显高于下地壳铁镁质岩石部分熔融形成的岩浆(Mg#<40)(Rapp and Watson,1995),而与地幔岩浆较为吻合(Mg#>50)(Rapp et al.,1999),且安山岩的Lu/Yb均值为0.147符合幔源岩浆的Lu/Yb值(0.14~0.15)(Sun and McDonough,1989),说明岩浆可能起源于地幔。安山岩亏损Nb、Ta、Ti,富集Rb、Ba、Sr等元素,这一特征通常出现在俯冲带火山岩中(Briqueu et al.,1984)。与N-MORB相比,安山岩的LILE丰度高,Th>Ta,以及Nb、Ta相对于Th、La亏损。Nb/Ta比值介于0.7~17(均值9.8),低于原始地幔的该值(17.5±2)(木合塔尔·扎日等,2015),有来自消减带物质的加入,表明在一定程度受到了壳-幔混合作用的影响(张旗等,1999)。但Nb/Ta-La/Yb关系中(图略),样品的负相关性不明显,表明岩浆在上升侵位过程中不存在明显的地壳混染(Münker,1998),La/Nb(5.24~22)比值明显高于中国东部大陆地壳平均值(1.7,Gao et al.,1998),岩浆上升简单的混染不能解释,表明其为岩浆源区特征。且玄武安山岩的εHf(t)值(-9.1~18.6)和单阶段模式年龄显示,岩浆源区有亏损地幔和古地壳的再循环不同的物质来源,暗示有俯冲沉积物(古老地壳物质)的加入,表明巴林右旗新开坝玄武安山岩不可能由含水地幔橄榄岩部分熔融直接形成。本文认为巴林右旗新开坝玄武安山岩的最有可能的成因是来源于俯冲的沉积物或蚀变的洋壳部分熔融后与地幔相互作用(Tatsumi,2001; Tatsumi and Hanyu,2003)。εHf(t)值(-9.1~18.6)和古老的Hf模式年龄(1201Ma、1282Ma)显示俯冲沉积物参与到源区部分熔融,熔体上升与地幔楔橄榄岩发生交代作用,导致岩浆中Mg#值含量升高。然而与沉积物熔体成因的阿尔泰富镁安山岩(Wang et al.,2011)高Th/Yb(>3.5)和低Ba/La(<40)不同,巴林右旗新开坝玄武安山岩有低Th/Yb(0.38~1.35)和低Ba/La(<40),可能有流体的的参与,且玄武安山岩有Nd-Hf同位素的解耦现象,在板块俯冲带,Nd在俯冲过程产生的流体中的溶解性较Hf强,因此俯冲产生的流体具有高于球粒陨石的Nd/Hf、Nd/Sm比值,被这样的流体交代过的地幔,其Nd-Hf会发生解耦(Pearce et al.,1999; Janney et al.,2005; 钟玉芳等,2011),也说明岩浆源区可能有流体组分的参与。

综上所述巴林右旗新开坝玄武安山岩应为俯冲沉积物部分熔融,熔体交代地幔楔橄榄岩,交代过程中有流体组分的加入而形成的。

5.3 构造环境与地质意义

巴林右旗地区大石寨组是一套玄武安山岩-安山岩-英安岩-流纹岩组合,以玄武安山岩为主的钙碱性火山岩,具有明显的与俯冲相关的地球化学属性。从时间和空间上分析,推测研究区早二叠世的火山活动与古亚洲洋的收缩有关,形成于洋壳向陆壳下俯冲的构造环境。为了便于讨论,引入前人大石寨地区玄武安山岩(赵芝,2008)的研究成果。

对比距离索伦-西拉木伦河缝合带的远近,巴林右旗地区较近,大石寨地区较远。

对比大石寨组玄武安山岩的成岩年龄,大石寨地区流纹岩年龄为276~298Ma(张健,2012),流纹岩与玄武安山岩互层产出,也认为其为玄武安山岩的成岩年龄;巴林右旗新开坝地区玄武安山岩的年龄为280.1±2.7Ma,两地区成岩年龄相近,应为一期的岩浆作用,为大石寨组早二叠世组成部分。

对比大石寨组岩石组合,大石寨地区为玄武岩、玄武安山岩、安山岩及流纹岩,属钙碱性系列。巴林右旗地区为玄武安山岩、安山岩、流纹岩,以玄武安山岩、安山岩为主体,属钙碱性系列(图 8)。

图 8 火山岩构造环境判别图解(据Wood,1980) Fig. 8 The discrimination diagrams for tectonic settings of volcanic rock(after Wood,1980)

对比大石寨组玄武安山岩的地球化学特征,高场强元素Th-Hf-Ta图解(图 8)可见,因从熔体里带出的Ta和Hf使得残余熔体朝着Th含量增加的方向演化,大石寨地区玄武安山岩的分离结晶程度比巴林右旗地区高;Nb/Ta的比值通常被看作是与压力相关(Moyen and Stevens,2006),巴林右旗地区玄武安山岩Nb/Ta的平均值为9.8,大石寨地区玄武安山岩Nb/Ta的平均值为17.1,大体由南向北压力增加表明俯冲厚度加深。从稀土元素配分模式图(图 9a)和微量元素蛛网图(图 9b)看,巴林右旗地区火山岩稀土元素总量相对中等,配分曲线成右倾型,但斜率低于大石寨地区,轻重稀土分流中等,基本不显示Eu的异常;微量元素富集Rb、Ba、K,亏损Nb、Ta、Ti,且Nb、Ta相对于大石寨地区更加亏损,显示活动陆缘向岛弧钙碱性火山岩过渡的性质。大石寨地区火山岩稀土总量相对较高,配分曲线成明显的右倾型,轻稀土富集,重稀土亏损,轻重稀土分馏明显,基本不显示Eu的异常;微量元素富集Rb、Ba、K,亏损Nb、Ta、Ti,显示为活动大陆边缘火山岩性质。

图 9 大石寨组火山岩稀土元素配分模式图(a,标准化值据Boynton,1984)和微量元素蛛网图(b,标准化值据Sun and McDonough,1989) Fig. 9 Chondrite-normalized REE distribution patterns(a,normalization values after Boynton,1984)and primitive mantle-normalized spider diagram of trace element(b,normalization values after Sun and McDonough,1989)of volcanic rocks from Dashizhai Formation

火山岩构造判别图(图 8)显示,大石寨组玄武安山岩为岛弧火山岩。大石寨地区远离俯冲带靠近大陆内侧,形成于活动大陆边缘弧的构造环境;巴林右旗地区火山岩位于过渡阶段,构造环境由活动大陆边缘弧向钙碱性岛弧过渡(图 10a)。且都具有明显的与俯冲相关的地球化学属性(图 10b)。

图 10 火山岩构造环境判别图解(a,据Sun and McDonough,1989; b,据Pearce,2008) Fig. 10 The discrimination diagrams for tectonic settings of volcanic rock(a,after Sun and McDonough,1989; b,after Pearce,2008)

经过以上对比可知,在俯冲的构造背景下,巴林右旗新开坝玄武安山岩形成于岛弧-活动大陆边缘弧过渡的环境,大石寨玄武安山岩形成于活动大陆边缘弧的环境,林西头道石门大石寨组细碧岩为岛弧环境(吕志成等,2002a),表明大洋板片俯冲作用造成大石寨组火山岩的的极性从南向北由拉斑玄武岩系列过渡到钙碱性系列(刘建峰,2009);由南向北Nb/Ta值变大,压力增加,综上所述早二叠世古亚洲洋板块由南向北俯冲。这与华北板块北缘早二叠世岩浆活动发育在安第斯活动大陆边缘(Zhang et al.,2009; 张拴宏等,2010)相符。Li(2006)认为,早二叠世开始古亚洲洋板块向华北板块北缘持续俯冲,期间形成了一个残余洋,表明早二叠世洋盆未闭合。中二叠世哲斯组动物群的古生物地理属性(王成文和张松梅,2003)及哲斯组泥质岩中放射虫化石的发现(尚庆华,2004)说明中二叠世仍存在残余洋盆阻隔华北板块和西伯利亚板块。

6 结论

通过对巴林右旗新开坝地区大石寨组火山岩进行锆石U-Pb年代学、锆石原位Hf同位素及地球化学测试,并与大石寨、林西地区大石寨组火山岩对比研究,得出如下结论:

(1)巴林右旗新开坝地区大石寨组火山岩的成岩年龄为280.1±2.7Ma,形成于早二叠世,岩石组合为变质砂岩、玄武安山岩、安山岩、流纹岩,火山岩组合呈夹层产出。

(2)巴林右旗新开坝大石寨组火山岩高场强元素Nb、Ta强烈亏损,Ti轻微亏损,大离子亲石元素Sr、Ba、Rb、K富集,表现为从岛弧环境向活动大陆边缘过渡的钙碱性火山岩;微量元素和Hf同位素特征显示,岩浆来源于俯冲沉积物部分熔融,熔体上升交代地幔楔橄榄岩,交代过程中有流体组分的加入。

(3)大石寨组玄武安山岩形成于俯冲的构造环境中,早二叠世期间古亚洲洋板块由南向北进行俯冲,古亚洲洋未闭合。

致谢   衷心感谢中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心、中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室在锆石显微图像和LA-ICP-MS U-Pb分析中给予的支持,及两位匿名审稿人提供的宝贵意见。

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