四子王旗钾玄岩的40Ar/39Ar激光探针定年及其地质意义

贺元凯，吴泰然，荆 旭，3

(1.教育部造山带与地壳演化重点实验室(北京大学)，北京 100871;2.中国冶金地质总局矿产资源研究院，北京 100025;3.环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082)

1 引言

内蒙古四子王旗地区位于华北板块北缘中段。目前，对于该地区中生代的构造演化已有不少研究成果(Zheng et al.，2000;高德臻等，2001;刘正宏等，1999a，b;刘正宏等，2009;戚国伟等，2007;苏新旭，2001;王新社等，2002;张进江等，2009;郑亚东等，2005;朱绅玉，1997)，该地区中生代的构造演化主要表现为从早期造山期后的逆冲推覆急剧转换为拉张体系的过程，形成一系列拉张盆地并伴有较强烈的火山活动。早白垩世末期呼和浩特－包头拉伸断陷盆地的形成以及大量碱质含量高的火山岩出现，表明本区已经从造山作用引起的陆内缩短和加厚作用转入稳定的陆内伸展构造发育阶段(陈燕等，2004)。

近年来在该地区的早白垩世钾玄岩中发现了来自岩石圈地幔及下地壳的深源岩石包体(贺元凯等，2009;许绚等，2005;张双涛等，2005)。李毅等(2006，2007)通过对该钾玄岩的岩石地球化学及Pb同位素研究，认为该钾玄岩的母岩浆源于含金云母地幔橄榄岩减压低度部分熔融，并认为该钾玄岩是华北克拉通早白垩世岩石圈减薄事件的产物。贺元凯等(2009)通过对该套玄武岩中的麻粒岩包体进行岩相学、平衡温压条件估算及锆石年代学研究，认为该地区早白垩世时发生了玄武质岩浆底侵作用。

如上所述，早白垩世时，华北板块北缘中段浅部(中、上地壳)构造发生了由挤压到伸展的转折，而深部(下地壳及其以下)岩石圈可能发生了减薄及底侵作用。二者的关系如何?动力学机制又是什么?这是在探讨该地区中生代构造演化问题中必须解决的问题，而要解决此问题，首先要弄清上述深、浅部构造运动发生的时间先后关系。由于四子王旗早白垩世钾玄岩是这次深部构造运动的产物，那么，确定该岩石的准确年龄就成为探讨上述问题的一个关键因素。许绚等(2005)对该岩石进行过K－Ar同位素定年，结果为108.6～128.4Ma。而本文通过40Ar/39Ar年代学研究将给出更为精确的年龄，并结合相关地质资料对该年龄的地质意义，以及华北克拉通北缘中段中生代的构造演化进行探讨。

2 地质背景及岩石样品特征

内蒙古四子王旗地处华北克拉通北缘中段，属于华北板块北缘造山带(图1)。北临中蒙边境的索伦山－贺根山蛇绿岩带，南临大青山大型逆冲推覆构造带。古生代晚期古亚洲洋洋壳向北俯冲，使西伯利亚板块向南增生、最终沿索伦山－贺根山蛇绿岩带与华北克拉通拼合(梁日暄，1994)。中生代早期，在西伯利亚板块不断向南运动推挤作用下，区内构造活动强烈，在中蒙边界发育有向南推覆的大型推覆构造，发生大规模火山活动，地壳不断加厚隆升(王涛等，2002)。中生代中晚期，主要表现为从造山期后的逆冲推覆转换为拉张体系的过程，形成一系列盆地并伴有较强烈的火山活动(葛文春等，1999)。早白恶世末期呼和浩特－包头拉伸断陷盆地的形成，以及大量富碱火山岩的出现，表明本区进入陆内的伸展构造发育阶段(陈燕等，2004)。

研究区主要为大面积的新生代沉积所覆盖，区内局部出露有下古生界和中生界地层(图1)。其中下古生界为一套灰岩、长石石英砂岩和变质砂岩组合，下侏罗统是一套酸性火山岩，上侏罗统主要由砂岩段和酸性火山岩段组成。早白垩统即本文研究的碱性玄武岩组合，晚白垩统则为一套产状近水平的砂页岩沉积。由于第四系的沉积覆盖，研究区的岩石露头极差。本文所涉及的玄武岩采样位置如图1所示，从野外现场可见，玄武岩露头周围为第四纪沉积物所覆盖，未发现与其它地质体的明显接触。野外观测该玄武岩岩层产状较清晰，倾角较大，实测玄武岩层的倾角在45°～81°之间，与四子王旗东马坊子处的上侏罗统腔向胜旦组紫红色砂岩段产状(185°∠ 84°)相近。

采集的玄武岩样品呈灰黑色－黑色致密块状，有极少量或没有气孔，可见部分橄榄石斑晶和辉石、斜长石捕虏晶。在镜下观察为显微斑状－细粒结构，斑晶以橄榄石和斜长石为主，可见少量辉石。其中橄榄石呈大小不等的粒状，发育裂理，直径在0.1～0.3mm之间，也可见1～2mm的大颗粒，较小的橄榄石晶体多发生伊丁石化，发育扭折带和波状消光;斜长石呈单晶或聚合斑晶产出，直径在0.2～1.0mm之间，大者可见环带构造;辉石多为细粒浑圆体。基质为间粒－间隐结构，由斜长石、辉石、橄榄石、磁铁矿和玻璃组成。

该玄武岩在岩石分类上属钾玄岩，前人已做过详细的地球化学及同位素研究(李毅等，2006，2007;张双涛等，2005)。

3 40 Ar/39 Ar年代学研究

3.1 实验方法

样品的40Ar/39Ar年代学研究在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室进行。实验室所使用的常规40Ar/39Ar定年系统主要由高频加热系统、全金属超真空提纯系统、RGA10质谱计及数据采集系统等四大部分组成，实验室流程和实验参数参见桑海清等(1996)和桑海清(2002)。

3.2 实验结果

实验获得的四子王旗钾玄岩的40Ar/39Ar激光探针定年数据结果如表1，反等时线年龄和加权平均年龄分别为127±2Ma和127.1±1.1Ma，如图2。反等时线的截距表明初始氩(40Ar/36Ar)i比值为310±40，该值与尼尔值接近，说明该样品基本不存在40Ar的过剩或丢失，样品的表观年龄不需要校正。而等时线年龄与表观年龄的加权平均值一致，也说明了该年龄值——127Ma，可能代表了样品的真实成岩年龄，并表明成岩后该体系基本保持封闭，未受到后期热扰动。

表1 四子王旗钾玄岩的40 Ar/39 Ar激光探针数据Table 1 Isotopic data of 40 Ar/39 Ar laser probe analysis of Siziwangqi shoshonite

图2 四子王旗钾玄岩的40 Ar/39 Ar反等时线(a)及年龄概率谱(b)图Fig.2 40 Ar/39 Ar inverse isochron chart(a)and age probability spectrum chart(b)of Siziwanqi shoshonite

4 讨论

4.1 华北板块北缘中段中生代的构造、岩浆演化

中生代，华北板块北缘在西伯利亚板块不断向南运动推挤作用和环太平洋构造带的叠加作用下发生强烈的构造岩浆活动，大规模的火山活动和地壳不断的增厚、隆升，使该区造山期后的伸展与挤压过程交替进行，形成复杂多变的构造样式。从构造形迹来看，华北板块北缘中段中生代发育多期走向近东西向、运动方向近南北向的挤压、伸展构造(朱绅玉，1997;Davis et al.，1998;何政军等，1998;张履桥等，1998;郑亚东等，1998;刘正宏等，1999a，199b，2001，2002，2003a，2003b，2003c，2009;陈志勇等，2000;马新华等，2000;苏新旭，2001;徐仲元等，2001;彭向东等，2001;王新社等，2002;Davis et al.，2002;杜菊民等，2005;戚国伟等，2007;张进江等，2009;贺元凯，2010)。其中，挤压构造发育主要为三个阶段(贺元凯，2010)(见图3):早三叠世至早侏罗世早期(约251～190Ma)、中侏罗世早期至早白垩世中期(约165～120Ma)以及晚白垩世早期(约100～90Ma);伸展构造发育主要为两个阶段(贺元凯，2010)(见图3):早侏罗世中期至中侏罗世中期(约190～165Ma)和晚侏罗世至晚白垩世早期(160～96Ma)。

图3 华北板块北缘中段构造活动时限图Fig.3 Time limit diagram of structural activity in the middle segment of north margin of North China plate

通过统计华北板块北缘中段中生代71个较可靠的岩浆岩年龄数据(贺元凯，2010)，发现它们大致集中分布在三个时段(图4):第一个时段为整个印支期(约250～190Ma);第二个时段为燕山中期(169～160Ma);第三个时段为燕山中晚期(145～83 Ma)。其中，整个印支期华北板块北缘中段岩浆活动都较发育，岩浆岩主要为中酸性侵入岩，其中以S型花岗岩为主，次要类型为碱性岩，出现少量的A型花岗岩、I型闪长岩、埃达克质花岗岩和埃达克质安山岩、钾玄岩等。其中S型花岗岩侵位多为被动就位特点，可能与浅部地壳造山后重力垮塌产生的伸展构造有关。该时期出现高Sr、低Y的花岗岩与安山岩、同碰撞花岗岩，表明西伯利亚板块与华北板块碰撞后的印支期内，华北板块北缘中段出现了加厚的地壳，岩石圈有所增厚(刘洪涛等，2002;贺元凯，2010;柳长峰，2010)。燕山早期(169～188Ma)华北板块北缘中段基本无岩浆活动。晚侏罗世(169～160Ma)，区内有少量侵入岩发育，以S型花岗岩为主。晚侏罗世末(160～145Ma)，区内尚未发现岩浆活动。早白垩世伊始，区内岩浆活动极为强烈，直到晚白垩世早期，才慢慢减弱。区内发育大量早白垩世至晚白垩世早期(145～83Ma)的喷出岩与侵入岩，并且喷出岩的分布比侵入岩要广泛得多。喷出岩类以基性的玄武岩类和酸性的流纹岩(凝灰岩)类为主，中性的安山岩类较少，形成双峰式分布的特点，特别是白云鄂博南部形成一套典型的双峰式火山岩(贺元凯，2010)。并在约114.5Ma时出现了溢流相的橄榄玄武岩，暗示当时的地壳厚度已经相当薄。侵入岩中绝大部分为花岗岩，岩性组合以碱性及碱质A型花岗岩的大量出现为特征(贺元凯，2010)，并具主动侵位特点，刘红涛等(2002)认为这是进入非造山裂谷阶段的标志。

4.2 华北板块北缘中段中生代的岩石圈减薄

根据华北板块北缘中段中生代的岩浆岩演化特征，三叠纪－早侏罗世早期，出现大量具高Ba、Sr和无Eu负异常的岩浆岩，并有埃达克岩发育，表明当时可能存在加厚的地壳，地壳厚度可能大于50km(张旗等，2010)。而同时，构造形迹表明该时期以挤压推覆构造为特征。张拴宏等(2007)的研究也表明，内蒙古隆起强烈的隆升及剥露过程发生在晚石炭世－早侏罗世期间。上述构造、岩浆发育特征表明，华北板块北缘中段在早中生代时可能处于强烈的挤压造山阶段，地壳有明显的增厚。

图4 华北板块北缘中段中生代火成岩年龄统计图(据贺元凯，2010)Fig.4 Age statistics of Mesozoic magmatic rocks in the middle segment of north margin of North China plate(after He，2010))

早侏罗世中期－中侏罗世末期，研究区内发育以断陷盆地为特征的伸展构造，而无明显岩浆活动，表明虽然地壳在此期间没有继续增厚，但其减薄也不明显，总体较稳定。而中侏罗世末－晚侏罗世末，研究区内发育强烈的逆冲推覆构造，地壳又发生了明显的缩短加厚。推测此时研究区内地壳还应该是较厚的(可能至少有50km厚)。

早白垩世，华北板块北缘中段发育双峰式火山岩、碱性花岗岩+碱质A型花岗岩组合、溢流橄榄玄武岩等，说明该地区已进入非造山裂谷阶段，岩石圈厚度亦大为减薄。虽然早白垩世早期及晚白垩世早期仍有挤压构造的发育，但仅限于较浅层次。深部的岩浆作用以及代表较深层次伸展构造的变质核杂岩的发育，表明岩石圈深部是处于拉张减薄状态的。本文所研究的钾玄岩(127Ma)即产生于此构造背景下，其微量元素及Nd、Sr同位素组成表明本区钾玄岩具有EMI－OIB的特征，暗示本区钾玄岩浆来源于富集的软流圈地幔(李毅等，2006)。而软流圈发生熔融的前提条件是岩石圈厚度必须小于65～80km(McKenzie et al.，1988)，主要出现在裂谷－拉张或者地幔柱活动区(Wilson，1989)。说明华北板块北缘中段在127Ma时岩石圈是较薄的。实验岩石学研究显示，拉斑玄武岩起源于地幔较浅位置(15～25kbar)，经大程度部分熔融而形成的，而碱性玄武岩则由深部地幔(＞30kbar)经小程度部分熔融而成(Fallon et al.，1988)。所以如果确定了拉斑玄武岩和碱性玄武岩均来自于软流圈地幔，那么由碱性玄武岩向拉斑玄武岩转变可能暗示岩石圈的减薄，而由拉斑玄武岩向碱性玄武岩的转变则暗示岩石圈的增厚(徐义刚等，2009)。根据本区早白垩世的岩浆演化来看，本区拉斑玄武岩发育期间为144.5～131.7Ma，而碱性玄武岩的发育均在127Ma之后(贺元凯，2010)。同时，拉斑玄武岩的发育阶段也是双峰式火山岩的发育阶段(贺元凯，2010)，表明本区岩石圈减薄的高峰期为144.5～131.7Ma，而此后钾玄岩发育的阶段实为岩石圈逐渐增厚的过程。那么本文研究的钾玄岩年龄(127Ma)，实际上代表的是岩石圈由减薄向增厚的转折点。

目前，对于华北克拉通岩石圈减薄的机制争议较大，主要包括以下观点(吴福元等，2008):(1)拆沉作用;(2)热侵蚀作用;(3)橄榄岩－熔体相互作用;(4)机械拉张作用;(5)岩浆提取作用;(6)岩石圈地幔水化模型。对上述不同的岩石圈减薄机制，吴福元等(2008)作了详尽的评述。至于华北板块北缘中段岩石圈减薄的机制，笔者倾向于认为可能与挤压造山地壳增厚后的岩石圈拆沉作用有关，尽管拆沉模式还有其解释的难点。理由主要基于以下几点:(1)本区岩石圈减薄前存在加厚的地壳;(2)从岩浆活动来看，本区中、晚侏罗世岩浆活动微弱，而早白垩世伊始，岩浆活动突然大规模爆发，在较短的时间内岩石圈厚度极大减薄;(3)早白垩世变质核杂岩的集中发育(苏新旭，2001;Darby et al.，2001;Davis et al.，2002;王新社等，2002;戚国伟等，2007)，表明短时间内地壳大规模拆离。而其动力学背景可能与索伦缝合带于晚二叠世的闭合、华北南缘的扬子板块在三叠纪与华北板块碰撞，以及西伯利亚板块与华北－蒙古联合块体在晚侏罗世至早白垩世沿蒙古－鄂霍兹克缝合带的碰撞有关，这三次碰撞造成华北板块北缘南北向挤压缩短，并强烈造山，地壳发生明显的增厚，并于晚侏罗世末发生拆沉，引起软流圈地幔的上涌、玄武质岩浆的底侵，大量的火山岩喷发、岩浆岩侵位，以及变质核杂岩和伸展盆地的发育等。

5 结论

(1)四子王旗钾玄岩的40Ar/39Ar激光探针反等时线年龄为127±2Ma，表观年龄的加权平均值为127.1±1.1Ma，基本不存在40Ar的过剩或丢失，表明该同位素计时体系在样品成岩后一直保持封闭，基本未受到后期热扰动。

(2)华北板块北缘中段中生代岩石圈减薄的高峰期发生在127Ma以前，而本文所研究的钾玄岩年龄(127Ma)，代表岩石圈由减薄向增厚的转折点。

致谢 感谢北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室的季建清老师和周晶老师对40Ar/39Ar定年实验提供的帮助。感谢审稿人提出的宝贵意见。

［注释］

① 内蒙古地质矿产局.1997.五家村幅1/5万地质图及说明书

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