内蒙古东乌旗西部早二叠世碱性侵入岩锆石u-pb年代学研究

内蒙古东乌旗西部早二叠世碱性侵入岩锆石u-pb年代学研究

西伯利亚板块东南部兴蒙造山带中部广泛分布的晚古生代花岗岩，记录了古代亚洲海洋的关闭和整合过程，引起了许多地质学者的关注。前人对这一地区晚古生代造山花岗岩的构造属性有不同认识:大陆边缘弧型钙碱性花岗岩(陈斌等,2001;张健等,2011;范中林等,2012;王新宇等,2013),年代为335~298Ma;造山后高钾钙碱性、碱性花岗岩(洪大卫等,1994,2000;施光海等,2004;鲍庆中等,2007;张玉清等,2009,2013;韩宝福等,2010;程银行等,2012;梁玉伟等,2013),年代集中在323~273Ma之间;大陆弧后伸展断裂构造环境(张磊等,2013),年代为325~260Ma。以上认识表明同一构造位置同一时代的侵入岩却有不同构造成因的分歧。同期火山岩的研究成果表明,在320~303Ma东乌旗地区发育了大规模的陆缘弧型火山岩(金岩等,2005;辛后田等,2011),与陆缘弧型花岗岩相对应。前人的研究多集中在钙碱性花岗岩,而对具有特殊构造意义的碱性侵入岩的研究少有涉及,且多集中在二连—贺根山构造结合带南侧(施光海等,2004)。结合带北侧,在东乌旗京斯格台发育284Ma(锆石U-Pb年龄)的碱性花岗岩(张玉清等,2009)和白音乌拉—东乌旗发育的286~276Ma(Rb-Sr年龄)的碱性花岗岩带(洪大卫等,1994),均属造山后花岗岩。而对东乌旗西部具代表性碱性侵入岩的年代学研究尚未见有确切的报道,以及兴蒙造山带中是否存在非造山阶段岩浆事件的记录仍是一个未知数。前人对该碱性侵入时代也存在争议:1∶20万报告(1)将其划为华力西晚期,1∶25万报告(2)认为其是晚三叠世岩浆活动的产物。鉴于此,笔者对东乌旗西部碱性花岗岩—石英正长岩进行了LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb定年和岩相学、地球化学研究,探讨了其时代、成因和构造背景,提出其为板内非造山阶段岩浆事件产物的新认识,为兴蒙造山带板内造山演化提供了依据。1中新生代构造演化阶段研究区位于西伯利亚板块东南缘兴蒙造山带的中东部,二连-贺根山构造结合带北侧,(图1a),该岩浆岩带向西经二连浩特断续延入蒙古境内,向东延入大兴安岭。区内岩石地层揭示出两个构造演化阶段(图1b):晚古生代构造演化阶段,主要岩石地层有中下泥盆统泥鳅河组海相沉积地层,岩性为灰绿色、灰色粉砂岩、粉砂质泥岩。上石炭统宝力高庙组,主要为陆相火山岩-碎屑岩建造,以安山岩、安山质火山碎屑岩为主。侵入岩主要以晚古生代肉红色碱性花岗岩、石英正长岩和灰白色中细粒二长花岗岩为主,侵入到泥鳅河组和宝力高庙组中。中新生代构造演化阶段,主要表现为下侏罗统红旗组河湖相沉积地层,主要岩性为复成分砂砾岩、含砾粗砂岩、长石岩屑砂岩,角度不整合于晚古生代岩石地层之上。区内碱性侵入岩主要为肉红色碱性花岗岩、石英正长岩。其中碱性花岗岩呈北东向,分布于窑勒至扎拉嘎一带,长约24km,宽约7km,面积约160km2,北侵位到早二叠世灰白色中细粒二长花岗岩中,南侵入到晚石炭世宝力高庙组中。石英正长岩分布于扎拉嘎北部,呈北东—北东东向,长约6km,宽约1~2km,面积约8km2,岩体北侧侵入于灰白色中细粒二长花岗岩中,南侧与碱性花岗岩相变接触,局部呈透镜体就位于碱性花岗岩中,面积5~10m2。该碱性侵入岩体内部北东向、北西—北西西向辉绿岩墙群发育,自窑勒至扎拉嘎有逐渐减少的趋势,并多处发育岩株状斜长角闪石岩、辉长岩,面积30~200m2不等。碱性侵入岩的岩相学特征(图2):碱性花岗岩呈肉红色、砖红色,中粒结构,块状构造,未见各种类型的包体;主要矿物成分为钾长石(60%~70%,主要为条纹长石)呈半自形板状,石英(20%~25%)呈他形粒状,钠长石(5%)呈半自形板状,钠铁闪石(2%~3%)呈蓝绿色,半自形柱状,黑云母少量;副矿物包括磁铁矿、榍石、磷灰石和锆石。石英正长岩呈肉红色,中粗粒结构,块状构造,岩性均匀,未见各种类型的包体;主要矿物成分为钾长石(80%~85%,主要为条纹长石)呈半自形板状,石英(5%~10%)呈他形粒状,钠长石(2%~5%)呈半自形板状,钠铁闪石(2%~3%)呈蓝绿色,半自形柱状,黑云母少量;副矿物主要有磁铁矿、榍石、磷灰石和锆石。2锆石u-pb同位素本文研究样品主要采自窑勒至扎拉嘎一带(图1b),样品新鲜,弱蚀变,选择2件碱性花岗岩的样品用于年代学研究,13件样品用于主量、微量元素分析。对2件样品做锆石U-Pb同位素测定。锆石分选工作由河北省廊坊地质调查研究所完成。样品按照常规粉碎淘洗后,经磁选和重液分离,然后在双目镜下人工挑选纯度在99%以上的锆石。锆石的制靶和透射光、反射光、阴极发光照相在北京锆年领航科技有限公司完成。样品测年工作在天津地质矿产研究所完成,采用LA-MC-ICP-MS进行锆石U-Pb同位素定年,ICP-MS为Agilent7500a,分析中采用的激光束斑直径为35μm,以氦气作为剥蚀物质的载气,分析流程见参考文献(李怀坤等,2010),测试数据的计算处理采用ISOPLOT3.0程序(李怀坤等,2011)。对13件样品进行主微量元素分析。首先对新鲜样品去除风化壳,然后用破碎机粉碎,之后用球磨仪研磨至粉末状(>200目),以用于主量元素和微量元素分析。实验测试在天津地质矿产研究所完成,主量元素用X射线荧光光谱法(XRF)测试,FeO采用氢氟酸、硫酸溶样、重铬酸钾滴定容量法,分析精度优于2%,微量元素使用ICP-MS测试,分析精度优于5%。3分析的结果3.1锆石u-pb年龄研究区碱性花岗岩的锆石U-Th-Pb数据列于表1,CL图像和U-Pb谐和图分别见图3和图4。本文2件样品中的锆石多呈短柱状,透明度好,颗粒大多在80~100μm,具明显岩浆成因的韵律环带。前人研究表明,不同成因的锆石具有不同的Th、U含量与Th/U值(Rubattoetal.,2000)。一般情况下,岩浆锆石的Th、U含量较高,Th/U值较大(一般大于0.4),而变质锆石的Th、U含量低,Th/U值小(Hoskinetal.,2003,通常小于0.07)。本文2件样品(4006,4008)参与加权平均年龄计算锆石的Th/U比值分别为0.27~0.95、0.24~1.84,多大于0.4,具有岩浆锆石Th/U比值特征,因此,参与加权平均年龄计算的锆石应为岩浆锆石。样品4006(碱性花岗岩:N45°22′16″;E116°20′51″)有32粒锆石测点,各测值的206Pb/238U非常均一(270±2~275±2Ma),其中1粒锆石的测值可能由于Pb丢失造成偏离谐和线较远。对32粒锆石的206Pb/238U表面年龄在置信度为95%时的加权平均年龄为272.3±0.7Ma(MSDW=0.30)。综上认为272.3±0.7Ma的年龄值可以代表样品4006的成岩年龄。样品4008(碱性花岗岩:N45°24′59″;E116°26′50″)共有32粒锆石测点,其中1号和2号两颗锆石未能测出数据,可能是由锆石脱落造成。7号和31号锆石的206Pb/238U表面年龄分别为279±2Ma和263±2Ma,相对偏离众数年龄,其余28粒锆石的206Pb/238U表面年龄较为均一,介于270±2~274±2Ma之间,其中25粒锆石均位于U-Pb谐和线上,3粒锆石的测值可能由于Pb丢失造成偏离谐和线较远。对28粒锆石的206Pb/238U表面年龄在置信度为95%时的加权平均年龄为271.7±0.7Ma(MSDW=0.38),可以代表该样品岩石的成岩年龄。综上,272.3±0.7~271.7±0.7Ma为东乌旗西部碱性花岗岩的成岩年龄。3.2稀土元素和微量元素碱性花岗岩和石英正长岩样品的岩石化学分析结果及部分参数列于表2。碱性花岗岩高SiO2(72.62%~78.46%),富碱(K2O+Na2O=7.54%~9.80%),贫CaO(0.66%~0.91%)、MgO(0.07%~0.31%),铝饱和指数A/CNK为0.87~0.99,碱性指数NK/A为0.91~1.04,属准铝质—过碱质岩石;在硅碱图(图5)上落在碱性花岗岩区,在Wright(1969)SiO2-AR(AR为3.54~4.63)图(图略)中样品落入碱质岩区。稀土总量中等(∑REE为146.4×10-6~389.0×10-6,平均221.3×10-6),LREE/HREE、(La/Sm)N、(Gd/Yb)N和(La/Yb)N分别为2.06~4.59、2.77~4.19、0.95~1.73和3.74~6.83,δEu为0.12~0.36,表明轻重稀土分馏较弱,略富集轻稀土,在稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(图6)上显示左陡右缓和显著负Eu异常的特征。从岩石原始地幔标准化微量元素蛛网图(图7)看,碱性花岗岩贫Ba、Sr、P、Ti,在图上(图7)呈明显的“V”型谷,富Rb、Th、U、Hf等元素。上述特征显示了碱性花岗岩具“A1”型花岗岩的特征。石英正长岩偏中性(SiO2=63.75%~66.48%),低CaO(1.15%~1.82%)、MgO(0.27%~0.75%),高铝(Al2O3=16.31%~18.40%),铝饱和指数A/CNK为0.91~1.00,碱性指数NK/A为0.87~0.96,属准铝质岩石。全碱含量高(K2O+Na2O=10.15%~11.63%),在硅碱图(图5)上落在正长岩区,在Wright(1969)SiO2-AR(AR为4.25~6.31)图(图略)中样品落入碱质岩区。稀土总量中等(∑REE为148.3×10-6~269.5×10-6,平均222.8×10-6),LREE/HREE、(La/Sm)N、(Gd/Yb)N和(La/Yb)N分别为1.86~3.89、1.41~3.08、1.62~2.31和3.21~10.06,δEu为0.94~1.24。轻重稀土分馏较弱,略富集轻稀土,在稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(图6)中显示左陡右缓和Eu弱负异常至弱正异常的特征。岩石原始地幔标准化(微量元素)素蛛网图(图7)显示,岩石富Rb、Ba、La、Ce,贫Sr、P、Ti。碱性花岗岩与石英正长岩相比较,后者Ba的含量(554×10-6~1230×10-6)显著高于前者(Ba为74×10-6~207×10-6),前者具有显著的负Eu异常,后者为弱负Eu异常至弱正Eu异常,可能是由岩浆源区深度的差异造成的。二者均具有非常低Sr(27.20×10-6~157.00×10-6,多小于50×10-6,仅两个样品大于100×10-6)和高Yb(2.08×10-6~7.26×10-6,P24-11-1样品为1.36×10-6除外)的特征,与张旗等(2008)提出的南岭型非常低Sr高Yb型板内花岗岩相似。4造山后收入和碱土年龄Simonen(1960)和Eskola(1963)在研究瑞芬造山带花岗岩时提出了同造山、晚造山、造山后与非造山花岗岩,其中非造山阶段与Liegeois(1998)划分的板内作用阶段对应,应力体制以伸展和拉张为主,而对于造山后阶段一些学者(Liegeois,1998;张旗等,1999;王岳军,2002)认为始于板块碰撞后的伸展环境,以强烈的岩浆作用为标志,而板内阶段岩浆活动开始减弱。也有研究表明(杨坤光等,1997),造山过程中造山后阶段常发育有巨量花岗岩。西伯利亚板块东南缘兴蒙造山带中广泛发育晚石炭世—早二叠世伸展背景下形成的高钾钙碱性花岗岩、碱质A型花岗岩,属准铝质—过铝质岩石,时间集中在323~273Ma,为造山后岩浆事件的产物(洪大卫等,1994,2000;施光海等,2004;鲍庆中等,2007;张玉清等,2009,2013;韩宝福等,2010;程银行等,2012;梁玉伟等,2013),整个造山后过程大约经历了50Ma,与华北克拉通北缘中生代造山带(刘洪涛等,2002)、欧洲海西造山带(Fingeretal.,1997)、阿尔卑斯-喜马拉雅造山带东段(Searleetal.,2003)的造山后时长约30~40Ma相差不大。据上述造山后花岗岩的时代及其构造属性来看,西伯利亚板块与华北板块碰撞拼合时代,应以晚泥盆世—早石炭世较为合理。然而,二连-贺根山构造结合带的北侧碱性岩浆活动的报道较少,可能与该时期岩浆活动较弱有关。目前对该类花岗岩的研究有:洪大卫等(1994)对白音乌拉—东乌旗碱性花岗岩带采用Rb-Sr法获得了286~276Ma的年龄,并认为是晚古生代碰撞之后的造山后阶段的产物,标志着造山作用的结束;张玉清等(2009)在东乌旗京格斯台地区的含钠闪石碱性花岗岩中获得284.8±1.1Ma锆石年龄,认为与晚古生代主碰撞之后的造山后伸展有关。本次工作我们从东乌旗西部碱性花岗岩中获得2个样品的LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb年龄为272.3±0.7Ma和271.7±0.7Ma,表明这一时期存在碱性构造岩浆活动,可能与京格斯台含钠闪石碱性花岗岩为同期构造岩浆作用的产物。研究区碱性侵入岩主要为碱性花岗岩和石英正长岩,以发育钠铁闪石碱性矿物为标志。前人研究认为碱性侵入岩通常是非造山环境下的产物(Loiselleetal.,1979),碱性花岗岩的出现标志着板内非造山的裂谷阶段的开始(刘洪涛等,2002),也有学者(Eby,1990;洪大卫等,1994,1995)认为可以是造山后伸展环境的产物。本文所研究样品具有富碱,贫CaO、MgO的特征,属准铝质—过碱质岩石,较造山后阶段准铝质—过铝质岩石的铝指数偏低,全碱含量偏高。在Y/Nb-Ce/Nb图(图8)中碱性花岗岩多数落入非造山花岗岩区(A1),两个碱性花岗岩和石英正长岩的落入造山后区(A2区),并向非造山区(A1区)靠近。R1-R2图解(图9)中碱性花岗落入非造山区,石英正长岩落在晚造山区和非造山区过渡区域,与Y/Nb-Ce/Nb图解显示的信息基本一致。前人(张旗,2008)研究结果表明,低Sr高Yb型花岗岩形成的压力极低,本文碱性侵入岩均具有非常低Sr(27.20×10-6~157.00×10-6,仅两个样品大于100×10-6)和高Yb(2.08×10-6~7.26×10-6,P24-11-1样品为1.36×10-6除外)的特征,与张旗等(2008)研究的南岭型花岗岩相似,形成于板内裂谷或板内伸展环境,为地壳减薄的产物。上述信息表明研究区碱性侵入岩既具有造山后阶段岩石的地球化学特性也具有非造山阶段(尤其碱性花岗岩)岩石地球化学特征,可能为造山后向非造山构造转换阶段的产物。上述板内伸展构造背景的认识在野外宏微观地质体上也得到验证:野外1∶5万地质调查发现,碱性侵入岩南侧侵入到晚石炭世宝力高庙组中,围岩发育强烈的褶皱构造,而碱性侵入岩石呈块状构造,粒度均匀,宏微观均未见任何矿物构造变形痕迹(图2),表明其侵位时的压力较低,与同造山花岗岩具有明显的构造变形(杨