内蒙古苏尼特右旗白乃庙地区徐尼乌苏组的形成时代及其地质意义

引用本文

张金凤, 刘正宏, 关庆彬, 徐仲元, 王兴安, 朱凯. 2017. 内蒙古苏尼特右旗白乃庙地区徐尼乌苏组的形成时代及其地质意义. 岩石学报, 33(10): 3147-3160 复制到剪切板

Zhang JF, Liu ZH, Guan QB, Xu ZY, Wang XA and Zhu K. 2017. Age and geological significance of Xuniwusu Formation from Bainaimiao area of Sonid Youqi, Inner Mongolia. Acta Petrologica Sinica, 33(10): 3147-3160(in Chinese with English abstract) 复制到剪切板

内蒙古苏尼特右旗白乃庙地区徐尼乌苏组的形成时代及其地质意义

张金凤¹ , 刘正宏¹ , 关庆彬¹ , 徐仲元¹ , 王兴安² , 朱凯³

1. 吉林大学地球科学学院, 长春 130061;
2. 东北师范大学地理科学学院, 长春 130024;
3. 吉林省地震局, 长春 130117

2017-02-13 收稿; 2017-06-09 改回.

基金项目: 本文受国家自然科学基金项目（41272223）、中国地质调查局项目（1212011120709、1212011220459、1212011085252）联合资助

第一作者简介: 张金凤, 女, 1987年生, 博士生, 构造地质学专业, E-mail:793260440@qq.com

通讯作者: 刘正宏, 男, 1960年生, 教授, 主要从事构造地质学和区域地质调查方面研究, E-mail:zhliu@jlu.edu.cn

摘要：本文对白乃庙地区徐尼乌苏组沉积特征、原岩建造、变质火山岩及变质碎屑岩的年代学和地球化学进行了研究，探讨了白乃庙地区早古生代构造演化。本次研究采集了徐尼乌苏组中具有代表性的变质含砾粗粒杂砂岩、变质英安质晶屑凝灰岩和变质长石石英细砂岩样品，进行了锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学和岩石地球化学分析。结果显示，2个变质英安质晶屑凝灰岩锆石的加权平均年龄分别为440.9±1.8Ma（MSWD=0.10）和440.9±1.7Ma（MSWD=0.15），锆石Th/U比值为0.46~1.59，自形程度较好，发育有典型的岩浆锆石振荡环带结构，显示为岩浆成因锆石的特点，表明徐尼乌苏组的形成时代为早志留世。变质含砾粗粒杂砂岩的碎屑锆石年龄在452.0±1.3Ma~535.0±1.0Ma之间，最高峰值年龄为490Ma左右；变质长石石英细砂岩碎屑锆石年龄则在440.1±5.7Ma~3268.9±57.7Ma之间，最小谐和年龄为440.1±5.7Ma，峰值年龄为490Ma左右，另有1.0Ga、1.6Ga、1.8Ga和2.5Ga四个明显的峰值年龄。根据研究区徐尼乌苏组岩性组合与结构构造，可将该组划分为3个不同的沉积旋回。结合白乃庙地区徐尼乌苏组测年结果、岩石地球化学特征、原岩建造及区域岩浆岩资料，白乃庙弧后盆地沉积可划分为三个演化阶段：早期快速堆积阶段（452.3~440.9Ma），形成了一套成熟度较低的粗碎屑岩建造，物源主要来源于白乃庙岩浆弧中的岩浆岩；中期火山喷发阶段（440.9~440.1Ma），以火山沉积作用为主，为火山碎屑岩建造夹有碳酸盐建造和少量碎屑岩建造，碎屑物质主要来源于该时期的火山活动；晚期稳定沉积阶段（ < 440.1Ma），形成一套细碎屑岩建造和碳酸盐建造，为浅海相稳定沉积，此时物源广泛，分别来源于华北克拉通基底、兴蒙造山带和白乃庙早古生代火山弧。根据徐尼乌苏组的沉积建造和火山建造特征，结合白乃庙火山弧岩浆活动特征，认为徐尼乌苏组形成于早古生代弧后盆地中，此时华北板块北缘属于安第斯型活动大陆边缘。

关键词: 徐尼乌苏组早志留世弧后盆地安第斯型活动大陆边缘白乃庙

Age and geological significance of Xuniwusu Formation from Bainaimiao area of Sonid Youqi, Inner Mongolia

ZHANG JinFeng¹, LIU ZhengHong¹, GUAN QingBin¹, XU ZhongYuan¹, WANG XingAn², ZHU Kai³

1. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China;
2. College of Geographical Sciences, Northeast Normal University, Changchun 130024, China;
3. Earthquake Administration of Jilin Province, Changchun 130117, China

Abstract: This paper is based on the sedimentary characteristics, protolith formation, geochronology and geochemistry of the metamorphic volcanic and clastic rocks of Xuniwusu Formation, to discuss the Early Paleozoic tectonic evolution in Bainaimiao area of Sonid Youqi, Inner Mongolia. Four representative samples of Xuniwusu Formation (metamorphic gravel coarse greywacke, metamorphic dacite crystal tuff and metamorphic feldspar quartz sandstone) are analyzed by LA-ICP-MS zircon U-Pb geochronology and geochemistry. The U-Pb dating rusults show that the age of the two metamorphic dacitic crystal tuffs are 440.9±1.8Ma (MSWD=0.10) and 440.9±1.7Ma (MSWD=0.15). The zircons form two metamorphic dacitic crystal tuffs are euhedral-subhedral in shape, display fine-scale oscillatory growth zoning and have high Th/U ratios (0.46~1.59), indicating a magmatic origin. It is indicated that the formation epoch of Xuniwusu Formation is Early Silurian. The detrital zircon ages of the metamorphic gravel coarse-grained greywacke are between 452±1.3Ma and 535.0±1.0Ma, and the highest peak age is about 490Ma. The detrital zircon ages of the metamorphic feldspar quartz sandstone are between 440.1±5.7Ma and 3268.9±57.7Ma. The minimum concordia age is 440.1±5.7Ma, and the highest peak age is about 490Ma, but there are also four obvious peak ages (1.0Ga, 1.6Ga, 1.8Ga and 2.5Ga). According to the sedimentary rhythm, Xuniwusu Formation can be divided into three sedimentary cycles. Combining with the dating results, petrological and geochemical characteristics, protolith formation and regional magmatic data, three sedimentary stages were used to represent the evolution of Bainaimiao back-arc basin. The initial stage of rapid accumulation (452.3~440.9Ma), formed a suite of coarse clastic rocks with low maturity, belongs to the coastal environment. The provenance is mainly derived from the magmatic rocks of Bainaimiao volcanic arc. The intermediate stage (about 440.9~440.1Ma), should be the Early Paleozoic subduction orogenic stage, which was dominated by volcanic sedimentation, mainly composed of volcanic clastic rock formation with carbonate rocks and a small amount of clastic rocks interlavers. These clastic materials were mainly derived from volcanic activity. Late stable sedimentary stage ( < 440.1Ma) formed a fine clastic rock formation and carbonate formation, belongs to the unchanging shallow marine sedimentary facies. At this time, the provenance is derived from the North China Craton, Xing-Meng Orogenic Belt and Early Paleozoic volcanic arc. According to the characteristics of sedimentary formation and volcanic formation, combined with the characteristics of the magmatic activity in the volcanic arc of Bainaimiao, we considered that the formation of Xuniwusu Formation is in the Early Paleozoic back-arc basin. At this time, the northern margin of the North China plate was the Andean-type active continental margin.

Key words: Xuniwusu Formation Early Silurian Back-arc basin Andean-type active continental margin Bainaimiao

1 引言

造山带作为地质历史时期中构造运动和壳幔相互作用最强烈的区域，变质变形和岩浆活动十分强烈，是国际大陆动力学研究的前沿领域(张国伟等, 2001; 马文璞等, 2002; 刘建峰, 2009; Jian et al., 2008)。古老造山带一般具有复杂的演化历史，由于活动大陆边缘构造活动及物质组成的复杂性，难以确定主大洋闭合后缝合带，缝合带的确定是大陆造山带的时空演化争论的关键问题之一(徐备和陈斌, 1997; 徐备等, 2001; 邵济安等, 2015; Xiao et al., 2015)。中亚造山带夹持于西伯利亚、东欧板块与华北、塔里木板块之间，是典型的增生造山带，以不同地质体拼贴体汇聚为特征，然而对其增生方式和最终拼贴的时间却始终存在争议。部分学者认为其最终闭合时间为泥盆纪-早石炭世(徐备和陈斌, 1997; Xu et al., 2013, 2015; 邵济安等, 2015)；然而大部分学者认为其闭合于晚二叠世-早三叠世(Xiao et al., 2003, 2010, 2015; 李锦轶等, 2006; Li, 2006; 肖文交等, 2009; 杨文麟等, 2014; 孙德有等, 2004; 李世超等, 2016)。

与华北板块北缘毗邻的中亚造山带(邵济安等, 1994; 张拴宏等, 2010)，前身是分隔西伯利亚与华北两个古陆的古亚洲洋，由于特殊的构造位置使得该造山带成为国内外学者近年来研究的热点(Şengör et al., 1993; Jahn, 2004; Windley et al., 2007; Xiao et al., 2003, 2010, 2015; Li, 2006; 李锦轶等, 2006, 2009; 肖文交等, 2009; 张拴宏等, 2007, 2010; 徐备和陈斌, 1997; 徐备等, 2001, 2014; Li et al., 2015; Zhang et al., 2013, 2014)。而内蒙古中部的白乃庙地区地处华北板块北缘，横跨华北克拉通与白乃庙岛弧带(图 1)，区内出露有大面积的早古生代火山沉积建造及侵入岩，是研究华北板块北缘早古生代构造演化的理想区域。

前人对出露于徐尼乌苏组之下的温都尔庙群和白乃庙群进行了大量研究(徐备, 1998; 吴泰然等, 1998; 李承东等, 2012; 李刚等, 2012; 张超, 2013; 王兴安, 2014; 白新会, 2015; 胡骁等, 1990; 邵济安, 1991; Jian et al., 2008)，但是目前对于徐尼乌苏组的研究还相对薄弱，一些学者对徐尼乌苏组的沉积层序和构造环境进行了研究，认为徐尼乌苏组是典型的浊流相沉积，形成于弧后盆地环境(胡骁等, 1988; 王兴安, 2014; 王博, 2015)。然而，至今关于徐尼乌苏组的形成时代仍然缺少准确定年数据。因此，本文选取了徐尼乌苏组中具有代表性的火山碎屑岩及其上下层位中的碎屑岩进行了系统的岩相学、沉积学、年代学和岩石地球化学分析，确定了徐尼乌苏组的形成时代、物质来源和构造环境，进而为华北板块北缘早古生代的构造演化提供了新的证据。

2 区域地质背景

研究区位于中亚造山带东段，内蒙古中部白乃庙-温都尔庙地区，大地构造位置上横跨兴蒙造山带和华北克拉通两个不同构造单元(图 1a)。以徐尼乌苏断裂为界，南部为华北克拉通，北部为兴蒙造山带。徐尼乌苏断裂(区域上称为赤峰-白云鄂博断裂或赤峰-巴彦敖包断裂)走向近东西，是一条由南向北推覆的逆冲推覆断层，将中上元古界白云鄂博群推覆到古生界志留系徐尼乌苏组之上(白新会, 2015)。

图 1 大地构造位置图(a, 据Xu et al., 2013修改)、研究区地质图(b)和区域地质构造简图(c, 据王兴安，2014修改) Fig. 1 Tectonic map (a, modified after Xu et al., 2013), geological map (b) and tectonic setting map (c, modified after Wang, 2014) of the study area

温都尔庙-白乃庙地区早古生代可划分为四个构造单元：温都尔庙俯冲-增生杂岩带、白乃庙岛弧岩浆岩活动带、白乃庙弧后盆地和华北板块活动大陆边缘(王兴安, 2014)。研究区地层主要发育有中上元古界白云鄂博群、下古生界寒武系-奥陶系的白乃庙群、志留系徐尼乌苏组和西别河组、上古生界石炭系本巴图组、二叠系三面井组，以及少量新近系汉诺坝组(图 1b)。区内白云鄂博群主要分布在徐尼乌苏逆冲断层南部华北板块活动大陆边缘上(图 1c)，出露有哈拉霍疙特组和白音宝拉格组，二者呈断层接触。下古生界白乃庙群主要分布于白乃庙岛弧岩浆岩活动带上(图 1c)，主要为一套变质火山沉积建造，南部被徐尼乌苏组不整合覆盖，北部被晚奥陶世花岗岩侵入，局部被上古生界三面井组不整合覆盖。徐尼乌苏组主要分布在白乃庙弧后盆地中(图 1c)，岩石组合主要为浅变质的海相碎屑岩、结晶灰岩及英安质凝灰岩、晶屑安山岩，不整合覆盖于白乃庙群之上，其上被西别河组角度不整合覆盖。西别河组在研究区出露较少，主要分布在徐尼乌苏逆冲断层下盘，为一套粗碎屑磨拉石建造。上古生界本巴图组和三面井组出露面积较小，以角度不整合覆盖在下伏地层与岩浆岩之上。新近系汉诺坝组出露在测区南部，不整合覆盖在中元古界哈拉霍疙特组之上。

研究区内的岩浆岩主要为晚奥陶世花岗岩和早二叠世花岗闪长岩，出露面积较小，分别侵入白乃庙群和西别河组。晚奥陶世石英闪长岩形成年龄为459±2.9Ma和454±14Ma(童英等, 2010)，晚奥陶世奥长花岗岩年龄为447.7±3.2Ma(王兴安, 2014)。早二叠世花岗闪长岩出露面积极小，侵入西别河组之中。

3 地层层序及岩石学特征

研究区徐尼乌苏组地层主要出露于白乃庙南部-新尼乌斯一带，呈北西方向展布，在东北部以角度不整合覆盖在白乃庙群之上，在中部被西别河组角度不整合覆盖，在西南部受逆冲断层影响，中元古界哈拉霍疙特组被推覆至其上，出露范围有限。为了确定该组地层层序、岩性组合和空间变化规律，选取了出露相对完整地段进行了剖面测制(图 2)。

图 2 徐尼乌苏组地层剖面图 Fig. 2 The stratigraphic profile section of Xuniwusu Formation

通过剖面岩石组合特征可以确定徐尼乌苏组是一套浅变质的碎屑岩夹碳酸盐岩和安山质火山凝灰岩，变质程度较低，主要为低绿片岩相，往往保留了大量的原生结构和构造。但是局部岩石变质变形明显(图 3a)，新生矿物与新生叶理发育，形成石英岩、板岩和千枚岩，局部形成片岩(图 3b)。

图 3 徐尼乌苏组野外照片 (a)石英岩层间褶皱；(b)阳起绢云黑云片岩 Fig. 3 Field photos of Xuniwusu Formation (a) interlayer fold of quartz; (b) actinolite sericite biotite schist

徐尼乌苏组地层具有明显的韵律性，通过实测剖面及前人研究，可将其划分为3个大的沉积旋回，13个亚旋回(图 4)。第一个沉积旋回的主要岩石类型为含砾粗砂岩、中-细粒砂岩、粉砂岩及泥质岩石，为一套碎屑岩建造，形成于水动力条件较强的滨浅海环境中。该旋回可以进一步划分为5个亚旋回，每个亚旋回都开始于粒度较粗的砂岩或含砾砂岩，到顶部碎屑物粒度逐渐变细。第二个沉积旋回自下而上为安山质、英安质火山碎屑岩、中-细粒砂岩、粉砂岩及泥灰岩，为一套火山碎屑沉积建造和碳酸盐岩建造夹有少量碎屑岩建造，形成于浅海环境中。依据岩性变化规律可进一步划分为4个沉积亚旋回，火山碎屑岩的出现是每个新的亚旋回开始的标志。第三个沉积旋回自下而上主要由中细粒砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩和泥灰岩组成，水平层理发育，反映海水动力条件稳定的浅海沉积环境，依据岩性组合变化规律和沉积构造，又可以划分为4个亚沉积旋回，每个亚旋回底部都以细砂岩为主，向上逐渐变为泥质岩石。

图 4 徐尼乌苏组综合柱状图 Fig. 4 Column section of Xuniwusu Formation

为了确定徐尼乌苏组物源特征与火山活动时间，分别对不同层位上的变质砂岩和变质凝灰岩进行锆石U-Pb同位素测年分析。样品分别采自剖面第11层、第17层及第26层(见图 4)，岩性分别为变质含砾粗粒杂砂岩(P₁₇b_13-1)、变质英安质晶屑凝灰岩(TM-09、TM-10) 及变质长石石英细砂岩(TM-11)，其中两个变质英安质晶屑凝灰岩采自同一层位。

变质含砾粗粒杂砂岩(图 5a)(P₁₇b_13-1)新鲜面为青灰色，变余碎屑结构，千枚状构造。岩石主要由碎屑颗粒和新生细粒基质组成。碎屑物主要为粗粒石英、长石和岩屑，其中砾石含量小于5%，主要由岩屑和石英组成，呈次圆状，粒度在3~5mm，砂屑主要为石英及少量长石，含量约80%，粒度为0.5~1.5mm，部分长石碎屑绢云母化蚀变强烈。细粒基质含量在10%~15%，其中泥质成分变质重结晶后形成的绢云母，呈鳞片状集合体(图 5b)。岩石中定向叶理发育，由新生绢云母定向排列和碎屑颗粒定向拉长构成。

图 5 徐尼乌苏组手标本及镜下照片 (a)变质含砾粗粒杂砂岩；(b)变质含砾粗粒杂砂岩，正交偏光；(c)变质英安质晶屑凝灰岩；(d)变质英安质晶屑凝灰岩，单偏光；(e)变质长石石英细砂岩；(f)变质长石石英细砂岩，正交偏光 Fig. 5 Field photos and microphotographs of Xuniwusu Formation (a) metamorphic gravel coarse greywacke; (b) metamorphic gravel coarse greywacke, CPL; (c) metamorphic dacitic crystal tuff; (d) metamorphic dacitic crystal tuff, PPL; (e) metamorphic feldspar quartz sandstone; (f) metamorphic feldspar quartz sandstone, CPL

变质英安质晶屑凝灰岩(TM-09、TM-10) 风化面黄褐色，新鲜面浅青灰色，变余晶屑凝灰结构，千枚状构造，千枚理主要由细小新生绢云母矿物构成。晶屑以斜长石为主，见少量石英，局部变形较强，晶屑拔丝拉长，构成线理构造(图 5c)。斜长石呈大小不同的棱角状，聚片双晶发育，绢云母化明显；火山灰多变质重结晶为定向分布的绢云母和细粒石英，内有变质石英砂岩小夹层(5d)，局部见有碳酸盐小细脉。

变质长石石英细砂岩(TM-11) 风化面灰褐色，新鲜面灰黄色，变余细粒砂状结构，块状构造(图 5e)。碎屑颗粒为石英和斜长石，石英粒状，次圆状，分选好，表面干净，粒度小于0.2mm，含量大于60%，斜长石含量30%，有绢云母化；胶结物为泥质和硅质，多变质重结晶为绢云母和细粒石英(图 5f)。

4 分析方法

U-Pb同位素测年样品锆石的挑选由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成，经淘洗、磁选和重液分选，在双目镜下挑选出晶形、透明度较好，无明显裂痕的锆石颗粒用于年龄测定。锆石制靶和阴极发光(CL)图像的采集在中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心进行。锆石LA-ICP-MS U-Pb同位素测年分别在天津地质矿产研究所和北京燕都中实测试技术有限公司完成。利用193nm FX激光器对锆石进行剥蚀，激光斑束直径为50μm，频率为10Hz，采用He作为激光剥蚀物质的载气，送入Neptune(MC-ICPMS)，利用动态变焦扩大色散使质量数相差很大的U-Pb同位素可以同时接收，进而进行U-Pb同位素测定，具体实验流程参照文献(李怀坤等, 2009, 2010)。采用GJ-1标准锆石进行U-Pb同位素分馏校正(Jackson et al., 2004)，同位素比值和年龄的误差(标准误差)在1σ水平，数据处理采用ICPMSDataCal程序，加权平均年龄计算及谐和图的绘制采用Isplot程序(Ludwig, 2001)，采用²⁰⁸Pb对普通铅进行校正(Andersen, 2002)，利用NIST612玻璃标样计算锆石样品的Pb、U、Th含量。

岩石地球化学样品测定在广州澳实矿物实验室完成。主量元素采用X射线荧光光谱法(XRF)测定，相对误差低于5%。微量元素采用等离子体质谱法(ICP-MS)。

5 分析结果 5.1 年代学

本文对取自徐尼乌苏组的4个样品进行了锆石LA-ICP-MS U-Pb同位素测年，分析结果见电子版附表 1。

附表 1 徐尼乌苏组LA-ICP-MS锆石U-Pb定年分析结果 Appendix Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results for Xuniwusu Formation

测点号	含量(×10^-6)			Th/U	同位素比值						年龄(Ma)
测点号	Th	U	²⁰⁶Pb	Th/U		1σ		1σ		1σ		1σ		1σ		1σ
P17b13-1
1	86	47	48	1.83	0.0575	0.0007	0.0740	0.0003	0.5839	0.0067	460.1	1.5	467.0	4.3	509.3	56.5
2	89	52	62	1.71	0.0539	0.0006	0.0757	0.0002	0.5616	0.0068	470.6	1.3	452.5	4.4	364.9	25.9
3	67	33	37	2.03	0.0552	0.0005	0.0748	0.0002	0.5677	0.0058	464.7	1.2	456.5	3.8	420.4	22.2
4	98	51	47	1.92	0.0592	0.0006	0.0760	0.0002	0.6193	0.0066	472.4	1.4	489.4	4.1	576.0	22.2
5	483	293	326	1.65	0.0575	0.0023	0.0743	0.0002	0.5913	0.0243	462.1	1.2	471.7	15.5	522.3	88.9
6	37	16	17	2.31	0.0666	0.0005	0.0726	0.0002	0.6669	0.0058	452.0	1.3	518.8	3.5	827.8	14.8
7	131	70	77	1.87	0.0573	0.0008	0.0756	0.0001	0.5962	0.0082	469.9	0.8	474.8	5.2	501.9	29.6
8	58	32	32	1.81	0.0570	0.0005	0.0751	0.0003	0.5886	0.0056	466.8	1.7	470.0	3.6	500.0	25.0
9	66	31	37	2.13	0.0595	0.0009	0.0773	0.0002	0.6336	0.0102	479.9	1.1	498.3	6.4	587.1	31.5
10	243	123	153	1.98	0.0568	0.0012	0.0764	0.0002	0.5986	0.0133	474.6	1.3	476.3	8.4	483.4	48.1
11	91	44	44	2.07	0.0580	0.0005	0.0759	0.0001	0.6062	0.0055	471.7	0.9	481.1	3.5	531.5	20.4
12	145	70	88	2.07	0.0597	0.0008	0.0777	0.0001	0.6387	0.0089	482.1	0.9	501.5	5.5	592.3	29.6
13	42	19	27	2.21	0.0503	0.0004	0.0782	0.0001	0.5417	0.0044	485.5	0.7	439.5	2.9	205.6	23.1
14	66	35	1085	1.89	0.0614	0.0013	0.0787	0.0002	0.6703	0.0175	488.2	1.1	520.9	10.6	653.7	47.1
15	182	96	98	1.90	0.0588	0.0005	0.0785	0.0002	0.6361	0.0054	487.3	1.1	499.9	3.3	561.1	23.1
16	97	45	55	2.16	0.0581	0.0004	0.0788	0.0001	0.6313	0.0046	488.8	0.6	496.9	2.9	600.0	14.8
17	54	30	98	1.80	0.0598	0.0008	0.0789	0.0002	0.6518	0.0099	489.7	0.9	509.6	6.1	594.5	31.5
18	50	23	28	2.17	0.0566	0.0006	0.0781	0.0001	0.6090	0.0061	484.9	0.8	482.9	3.8	476.0	20.4
19	146	68	74	2.15	0.0611	0.0008	0.0741	0.0003	0.6241	0.0085	461.0	1.6	492.4	5.3	642.6	29.6
20	87	41	50	2.12	0.0584	0.0051	0.0769	0.0006	0.6333	0.0554	477.6	3.4	498.1	34.4	542.6	190.7
21	100	57	64	1.75	0.0610	0.0009	0.0783	0.0001	0.6590	0.0101	486.0	0.9	514.0	6.2	638.9	33.3
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TM-09
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TM-10
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TM-11
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74	121	150	49	0.80	0.0935	0.0018	0.2435	0.0023	3.1402	0.0613	1405.1	11.7	1442.6	15.0	1498.2	35.5
75	201	390	34	0.52	0.0568	0.0016	0.0711	0.0008	0.5576	0.0168	442.7	5.0	449.9	10.9	483.4	61.1
76	12	44	11	0.27	0.0816	0.0028	0.2077	0.0035	2.2983	0.0790	1216.7	18.8	1211.8	24.3	1236.7	66.7
77	876	920	103	0.95	0.0576	0.0009	0.0822	0.0008	0.6529	0.0110	509.0	4.6	510.2	6.8	516.7	35.2
78	78	85	17	0.92	0.0671	0.0022	0.1458	0.0026	1.3349	0.0418	877.6	14.6	861.0	18.2	838.9	66.7
79	104	248	41	0.42	0.0655	0.0013	0.1409	0.0014	1.2705	0.0258	849.7	8.0	832.6	11.5	790.7	40.7
80	259	405	48	0.64	0.0605	0.0014	0.0937	0.0010	0.7798	0.0176	577.1	5.8	585.4	10.1	620.4	80.5

附表 1 徐尼乌苏组LA-ICP-MS锆石U-Pb定年分析结果 Appendix Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results for Xuniwusu Formation

样品P₁₇b_13-1岩性为变质含砾粗粒杂砂岩，锆石大小多在100~200μm之间，其中大部分锆石自形程度较好，呈短柱状，长短轴比＜3：1，个别锆石磨圆较好，呈次圆状，整体反映出短距离搬运的特征。大部分锆石可见清晰的岩浆振荡生长环带(图 6a)，Th/U比值介于1.21~2.48之间，表现出岩浆成因锆石的特点(Watson and Harrison, 2005)，部分锆石发生轻微的变质作用，形成细小的变质边。锆石U-Pb谐和图(图 7a)显示，样品年龄数据大多分布在谐和线附近，少量偏离谐和线，年龄范围在452.0±1.3Ma~535.0±1.0Ma之间。由年龄分布统计图(图 7e)可知，最高峰值年龄为490Ma左右。

图 6 徐尼乌苏组锆石CL图像 Fig. 6 CL images of zircon from Xuniwusu Formation

图 7 徐尼乌苏组锆石U-Pb年龄谐和图及年龄分布直方图 Fig. 7 Zircon U-Pb concordia diagrams and age distribution histograms of Xuniwusu Formation

样品TM-09岩性为变质英安质晶屑凝灰岩，锆石颗粒大小在100~170μm之间，自形程度较好，多呈短柱状。锆石中岩浆振荡环带结构发育(图 6b)，Th/U比值为0.46~0.79，表明锆石为岩浆成因。30个数据点大多数投影在谐和线上，个别偏离谐和线(图 7b)，锆石²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄介于436.9±6.1Ma~443.8±5.5Ma之间，加权平均年龄为440.9±1.8Ma(MSWD=0.10)，表明徐尼乌苏组凝灰岩形成于早志留世。

样品TM-10岩性为变质英安质晶屑凝灰岩，锆石颗粒大小在80~150μm之间，个别达180μm，自形程度较好，呈短柱状，长短轴比＜3：1，发育有典型的岩浆振荡环带结构(图 6c)，Th/U比值为0.53~1.59，显示出岩浆成因锆石的特点。样品中大部分数据投影在谐和线上，少量在谐和线附近，锆石²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄为436.3±5.0Ma~444.7±5.2Ma，加权平均年龄为440.9±1.7Ma(MSWD=0.15)(图 7c)，与TM-09的测年结果基本一致，证明此次火山喷发沉积活动发生于早志留世。

样品TM-11岩性为变质长石石英细砂岩，锆石颗粒介于80~150μm之间，多为短柱状或浑圆状，其中年龄较小的锆石颗粒多呈棱角状-次棱角状，其余多为圆状(图 6d)，碎屑锆石特征明显。大部分锆石见有清晰的岩浆振荡生长环带，Th/U比值为0.05~1.24，为岩浆成因锆石。部分锆石中见有黑色变质边，说明遭受到变质作用改造。80个年龄数据中有3个不谐和年龄，其余年龄数据大多分布在谐和线附近，少量偏离谐和线(图 7d)，年龄范围在440.1±5.7Ma~3268.9±57.7Ma之间。年龄分布统计图(图 7f)中可以看出，最高峰值年龄为490Ma左右，另有1.0Ga、1.6Ga、1.8Ga和2.5Ga四个明显的峰值年龄。

5.2 微量元素地球化学

4个年龄样品的岩石地球化学分析结果见表 1。徐尼乌苏组的变质英安质火山碎屑岩和变质砂岩的稀土元素总量都较高，变质英安质火山碎屑岩的稀土总量为154.7×10^-6和161.3×10^-6，轻、重稀土分异明显((La/Yb)_N分别为20.0和12.5，ΣLREE/ΣHREE分别为15.0和11.4)，富集轻稀土，亏损重稀土，球粒陨石标准化后的稀土元素配分曲线表现为明显的右倾趋势(图 8a)。δEu为0.84和0.92，无明显的负Eu异常。变质英安质火山碎屑岩的原始地幔标准化微量元素蛛网图(图 8b)显示，富集高场强元素Pb，亏损Ti、Nb、Ta、K和P。

表 1 徐尼乌苏组岩石主量元素(wt%)和微量元素(×10^-6)分析结果 Table 1 Major (wt%) and trace (×10^-6) element of Xuniwusu Formation

图 8 徐尼乌苏组岩石球粒陨石标准化稀土元素配分图解(a, 标准化值据Boynton, 1984)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b, 标准化值据Sun and McDonough, 1989) 阴影区域为安第斯型弧火山岩数据(Gutiérrez et al., 2005) Fig. 8 Chondrite-normalized REE distribution patterns (a, normalization values after Boynton, 1984) and primitive mantle-normalized trace element patterns (b, normalization values after Sun and McDonough, 1989) of Xuniwusu Formation The shadow area is the data of Andean arc volcanic rocks (Gutiérrez et al., 2005)

变质砂岩的稀土总量稍低于变质英安质火山碎屑岩，为102.6×10^-6和118.0×10^-6，轻、重稀土分异明显((La/Yb)_N分别为8.01和8.04，ΣLREE/ΣHREE分别为8.05和8.25)，球粒陨石标准化后的稀土元素配分曲线右倾趋势明显(图 8a)。δEu为0.85和0.64，具有微弱的Eu负异常。变质砂岩的原始地幔标准化微量元素蛛网图(图 8b)中，高场强元素Pb明显富集，亏损Ba、Ti、Nb、Ta和P。

6 讨论 6.1 徐尼乌苏组的形成时代

早期内蒙古自治区地质矿产局(1996)对内蒙古进行地层清理工作过程中，根据徐尼乌苏组灰岩中发现的常见于中志留世的珊瑚化石，将其时代定为中志留世。王兴安(2014)根据徐尼乌苏组上下覆盖地层时代及组内所含化石，认为将徐尼乌苏组的时代置于中晚志留世最为适宜。

本文的2个变质英安质晶屑凝灰岩样品(TM-09、TM-10) 中锆石的内部结构和Th/U比值都符合岩浆锆石的特征，且年龄比较集中，因此所测定的年龄可以代表火山岩的形成时代。定年结果显示，徐尼乌苏组中部变质英安质晶屑凝灰岩(TM-09、TM-10) 的锆石加权平均年龄分别为440.9±1.8Ma和440.9±1.7Ma，变质长石石英细砂岩(TM-11) 中最小谐和年龄为440.1±5.7Ma。综上所述，徐尼乌苏组大致形成于440.9Ma，属于早志留世。

6.2 碎屑物物源区示踪

由徐尼乌苏组下部变质含砾粗粒杂砂岩(P₁₇b_13-1)的LA-ICP-MS U-Pb测年结果(图 7e)可知，锆石年龄范围非常集中(452.0±1.3Ma~535.0±1.0Ma)，峰值年龄为490Ma左右，多为岩浆成因锆石，其时代与北部白乃庙岛弧火山岩时代相一致(刘敦一等, 2003; 张维, 2007; Jian et al., 2008; 童英等, 2010; Xu et al., 2013; Zhang et al., 2013; 张超, 2013; 秦亚等, 2013)，表明变质含砾粗粒杂砂岩的物源可能为早古生代白乃庙岛弧岩浆岩带中的岩浆岩。

徐尼乌苏组上部变质长石石英细砂岩(TM-11) 的锆石LA-ICP-MS U-Pb测年结果(图 7f)显示，碎屑锆石年龄主要可分为6组：＞3200Ma(n=2)、2350~2800Ma(n=7)、1700~2100Ma(n=7)、1500~1700Ma(n=9)、700~1400Ma(n=29) 以及440~700Ma(n=23)，说明在徐尼乌苏组沉积晚期，物源来源非常广泛，不仅有古老华北地台基底变质岩，还有中新元古代物源。

已有资料表明，华北克拉通存在有大于3.0Ga的古老岩石基底(伍家善等, 1998; 万渝生等, 2001; Zhai et al., 2005)，徐尼乌苏组上部变质细砂岩中第一组碎屑锆石年龄大于3.0Ga，说明物源可能为华北克拉通的古老基底岩石。第二组年龄(2350~2800Ma)和第三组年龄(1700~2100Ma)的峰值年龄分别为2500Ma和1800Ma，对应着华北克拉通演化过程中的五台运动和吕梁运动(Zhai et al., 2000, 2005; Zhao et al., 2001; 翟明国, 2004; Wang et al., 2015)。第二组锆石中既有变质锆石(锆石内部结构不清晰，其在锆石边部见有白色的变质边)，又有岩浆锆石(锆石振荡生长环带明显，Th/U比值0.42~0.55)，岩浆锆石年龄略老于变质锆石年龄，对应了华北克拉通2500~2450Ma普遍存在的花岗岩和基性岩墙群侵入以及紧随其后发生的变质事件。第三组1750~1850Ma的碎屑锆石大多数具有变质锆石的特征(锆石内部结构不清晰，普遍发育有细小的白色变质边)，仅有少量表现出岩浆锆石的特征，由所测年龄数据可知，总体上岩浆锆石要新于变质锆石，说明其源区不仅经历了强烈的变质作用，还伴随有一定程度的岩浆活动，这些锆石可能对应华北克拉通在~1850Ma经历的挤压构造事件(翟明国和彭澎, 2007)，其主要来源为华北克拉通的北缘裂谷。第四组碎屑锆石年龄为1500~1700Ma，峰值年龄1550Ma，对应了华北克拉通最终克拉通化后开始的古元古代末-新元古代的多期裂谷事件和基性岩墙事件(胡波等, 2013)。第五组锆石年龄为700~1400Ma，700~1400Ma的岩浆岩可能与兴蒙造山带内浑善达克地块中岩浆活动有关(Xu et al., 2013)。第六组锆石年龄为440~700Ma，峰值年龄约为490Ma，这一组锆石年龄与变质含砾粗粒杂砂岩的锆石年龄极为相似，因此笔者认为其物源同样主要来自于早古生代白乃庙岛弧岩浆岩带。

徐尼乌苏组变质含砾粗粒杂砂岩和变质长石石英细砂岩的年代学特征表明，徐尼乌苏组形成初期的碎屑物质主要来源于白乃庙岛弧岩浆岩带，随着时间的推移，盆地前的岛弧逐渐被剥蚀夷平，在弧后盆地中沉积了来自中亚造山带中微陆块和华北克拉通两个物源区的沉积物。

6.3 地质意义

徐尼乌苏组变质火山岩富集轻稀土元素，亏损重稀土元素，与安第斯型弧火山岩(Gutiérrez, 2005)的稀土配分模式相似(图 8a)。大离子亲石元素的相对富集和高场强元素Ti、Nb、Ta的亏损，表明其为地壳物质的部分熔融。较弱的负Eu异常，进一步说明了地壳来源属性(曹花花等, 2012)。在Th-Sc-Zr/10图解(图 9a)和La-Th-Sc图解(图 9b)中，样品均落入在大陆岛弧区域内，表现出了大陆岛弧的大地构造环境。

图 9 徐尼乌苏组岩石Th-Sc-Zr/10图解(a)和La-Th-Sc图解(b)(据Bhatia and Crook, 1986) A-大洋岛弧；B-大陆岛弧；C-活动大陆边缘；D-被动大陆边缘 Fig. 9 Th-Sc-Zr/10 (a) and La-Th-Sc (b) diagrams for Xuniwusu Formation (after Bhatia and Crook, 1986) A-oceanic island arc; B-continental island arc; C-active continental margin; D-passive continental margin

徐尼乌苏组的沉积特征总体表现为一个向上沉积粒度逐渐变细，从滨海到浅海的沉积序列，与典型弧前盆地的沉积序列不同，而更接近于弧后盆地发育有大量火山碎屑物质，火山物质多由岛弧供给，与深海相沉积岩共生的沉积环境(杨崇辉等，2011)。徐尼乌苏组碎屑岩沉积主要为陆源碎屑物质和火山碎屑物质，由底部粗碎屑岩沉积、中部火山活动沉积和上部细碎屑岩沉积构成的3个沉积旋回。从沉积特征分析，徐尼乌苏组碎屑岩沉积应为弧后盆地沉积产物。

根据白乃庙地区徐尼乌苏组沉积特征、原岩建造、年代学特征及区域岩浆岩资料，白乃庙弧后盆地沉积划分为三个演化阶段：早期快速堆积阶段，为一套成熟度较低的粗碎屑岩建造，形成于滨海相环境中，物源主要来源于白乃庙火山弧岩浆岩；中期火山喷发阶段，以火山沉积作用为主，主要为火山碎屑岩建造夹有碳酸盐建造和少量碎屑岩建造，火山活动时间与东部太古生庙-古神庙一带英云闪长岩和石英闪长岩(白新会等, 2015)相一致，反映该盆地形成于早古生代俯冲造山阶段；晚期稳定沉积阶段，形成于浅海稳定构造环境中，形成一套细碎屑岩建造和碳酸盐建造，此时物源广泛，分别来源于华北克拉通基底、兴蒙造山带中微陆块及早古生代岛弧。

综上所述，白乃庙弧后盆地的构造演化经历了三个阶段，早期强烈剥蚀和快速堆积，中期火山活动强烈，洋壳俯冲造山，晚期火山活动停止，剥蚀范围扩大。徐尼乌苏组碎屑岩沉积特征说明，白乃庙地区经历了短暂的弧后扩张阶段，而后直接进入俯冲造山阶段，因此，白乃庙地区早古生代期间为安第斯型活动大陆边缘。

7 结论

(1) 徐尼乌苏组变质火山岩U-Pb锆石年龄(440.9±1.8Ma和440.9±1.7Ma)，表明徐尼乌苏组的形成时代为早志留世。

(2) 白乃庙弧后盆地经历了三个演化阶段：早期快速堆积阶段(452.3~440.9Ma)，形成了一套成熟度较低的粗碎屑岩建造，物源主要来源于白乃庙火山弧岩浆岩；中期火山喷发阶段(大致在440.9~440.1Ma)，以火山沉积作用为主，形成一套火山碎屑岩建造夹有碳酸盐建造和少量碎屑岩建造；晚期稳定沉积阶段(＜440.1Ma)，沉积了一套细碎屑岩建造，物源主要为华北太古代克拉通和兴蒙造山带。

(3) 徐尼乌苏组的沉积特征和演化特征表明华北板块北缘早古生代时期为安第斯型活动大陆边缘。

致谢感谢李世超老师对本文初稿提出的意见与建议。感谢两位审稿人对本文提出的宝贵修改意见，对本文的完善和提高提供了很大的帮助。

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岩石学报 2017, Vol. 33 Issue (10): 3147-3160	PDF