内蒙古西乌旗阿鲁包格山A型花岗岩锆石U-Pb年龄、地球化学特征及地质意义

程天赦 , 杨文静, 王登红

(1.中国地质大学 地球科学与资源学院, 北京 100083; 2.天津市地质调查研究院, 天津 300191; 3.中国地质科学院 矿产资源研究所, 北京 100037)

0 引 言

阿鲁包格山斑状二长花岗岩位于西乌珠穆沁旗吉仁高勒阿鲁包格山一带。马秀等(1976)①马秀, 张建钊, 罗来林, 董启贤, 杨继贤, 李宝玉, 吴应瑞. 1976. 1∶20万毛登幅区域地质调查报告.称其为碱性花岗岩, 并根据野外侵入接触关系将其划为燕山早期第二次侵入。鞠文信等(2008)②鞠文信, 贺宏云, 武跃勇, 康小龙, 罗鹏跃, 弓贵斌, 杨月后, 邵永旭. 2008. 1∶25万朝克乌拉幅区域地质调查报告.研究称岩石成因类型属I型花岗岩, 锆石U-Pb表面加权平均年龄为133.2±0.7 Ma, 将其时代置于晚侏罗世。本次 1/5万区域地质调查工作发现岩石具 A型花岗岩特征, 其锆石U-Pb年龄为132.19±0.77 Ma, 划归为早白垩世。

Loiselle and Wones (1979)最早将A型花岗岩定义为碱性(alkaline)、贫水(anhydrous)和非造山(anorogenic)的花岗岩, 属构造岩石类型。随着研究范围的扩大和研究程度的加深, 人们对 A型花岗岩及其代表的地球动力学意义的认识渐趋全面, 目前所限定的 A型花岗岩与原来的概念已有很大不同(贾小辉等, 2009; 吴锁平等, 2007)。现在人们所讨论的A型花岗岩包括了除典型的S型(强过铝质)和I型以外的各种花岗岩, 也不限于贫水特征和非造山环境(李小伟等, 2010; 吴福元等, 2007; 王涛等, 2009)。岩石类型不仅包括碱长花岗岩与碱性花岗岩, 甚至也包括偏铝质和过铝质花岗岩(陈培荣和章邦桐, 1994)。A型花岗岩与热点、大陆裂谷或造山后的地壳伸展有关, 是构造环境识别的重要岩石学标志之一(陈培荣等, 2002)。由于形成于特殊的构造背景, 并具有重要的地球动力学意义, A型花岗岩的研究一直得到广泛的关注(程瑞玉等, 2006; 郭春丽等, 2004; 洪大卫等, 1995; 刘昌实等, 2003; 邱检生等, 2000; 张兴隆等, 1987)。

本次 1/5万区域地质调查工作的主要任务之一是要建立工作区内构造-岩浆演化序列, 探讨岩浆形成时的构造地质背景。因此深入研究阿鲁包格山花岗岩的岩石学、地球化学特征, 正确划分其成因类型, 对于探讨早白垩世该区大地构造环境及大兴安岭南段造山阶段具有重要的理论意义。另外, A型花岗岩中W、Sn、Mo、Cu、Pb、Zn等成矿元素相对富集, 在一定条件下可形成矿床, 如尼日利亚 Jos高原和我国苏州的Sn-W-Nb-Zn矿床(顾连兴, 1990;李兆丽, 1996; 邓晋福等, 2004)。前人研究认为毛登锡铜矿床与阿鲁包格山花岗岩具成因联系, 因此,本文对于该区成矿地质背景研究及找矿工作具指导意义。

1 区域地质背景

本次 1/5万区域地质调查工作包括扎布其尔沃布勒吉幅、杰林牧场幅、白音诺尔农场幅、巴拉嘎尔牧场牧业小组幅、毛登牧场第二生产队幅五个图幅, 面积约1800 km2。通过本次区调工作, 发现测区内除发育大量二叠纪、三叠纪及白垩纪侵入岩以外,还发育有大量泥盆纪、石炭纪侵入岩。根据以上各时代岩浆岩系统的矿物学、岩石学及岩石地球化学研究结果, 并结合地层、构造等特征, 工作区可划分为南北两大北东向构造–岩浆岩带, 两大构造–岩浆岩带之间可能存在微陆块(暂称西乌旗微陆块,研究成果待发表)。南构造–岩浆岩带主要包括中泥盆世–早石炭世侵入岩, 岩性主要由石英闪长岩、花岗闪长岩及二长花岗岩、正长花岗岩组成, 为西乌旗微陆块与华北板块(也可能为另一微陆块)于中泥盆世–早石炭世陆-陆碰撞的产物。北构造–岩浆岩带主要包括晚石炭世-早白垩世岩浆岩, 侵入岩岩性主要由辉长岩、辉石岩、辉长闪长岩、闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩组成, 火山岩岩性主要由玄武岩、安山岩、流纹岩组成, 为西乌旗微板块与西伯利亚板块(也可能为另一微陆块)俯冲–碰撞–后造山的产物。

2 岩石、矿物学特征

阿鲁包格山花岗岩是测区内唯一出露的早白垩世侵入岩, 产于中生代北东向中酸性火山岩盆地中(图1)。火山岩盆地中主要出露有晚侏罗世满克头鄂博组流纹质晶屑凝灰岩、晚侏罗世玛尼吐组安山岩、早白垩世熔结凝灰岩及碎斑熔岩等中酸性火山岩,并以酸性火山岩为主, 与晚古生代地层呈角度不整合接触。阿鲁包格山斑状花岗岩由两个侵入体组成,呈近等轴状小岩株产出, 无一定明显延伸方向, 出露面积约49 km2。岩性较为单一, 主要为中细粒似斑状二长花岗岩, 岩体边缘局部渐变为细粒似斑状二长花岗岩。岩石露头较好, 呈块状构造, 风化面呈浅黄褐色, 新鲜面呈灰色。岩体中未见围岩捕掳体及暗色包体。岩体边部可见其侵入于早白垩世白音高老组火山碎屑岩及碎斑熔岩, 并在岩体内局部可见火山碎屑岩残留体, 岩体中未见被其他岩体或岩脉侵入。侵入界线清晰, 接触带宽5~10 cm, 未见挤压破碎现象, 接触带附近岩体基质呈微晶–隐晶结构, 斑晶变小、减少, 围岩未发生明显变化。岩体出露完整, 局部较破碎, 劈理、片理发育, 后期热液沿破碎带发生钾化、硅化、褐铁矿化等蚀变。

实验室详细岩矿鉴定定名为中细粒斑状二长花岗岩, 与野外定名一致。岩石呈似斑状结构, 基质呈中细粒花岗结构, 块状构造, 其显微结构如图(图2)。岩石由斑晶、基质两部分组成。

斑晶由斜长石、钾长石、石英、黑云母、角闪石组成, 多聚斑状、联斑状产出。

斜长石呈半自形板状, 杂乱分布, 粒度0.7~7 mm,轻高岭土化、绢云母化, 部分隐约可见环带, 少数边部包嵌少量石英。粒内聚片双晶发育, 用⊥(010)晶带最大消光角法测得斜长石排号An=38, 为中长石。斜长石含量20%。

钾长石呈半自形板状, 为条纹长石, 杂乱分布, 粒度0.7~10 mm, 轻高岭土化, 少见交代斜长石, 内含斜长石包体, 少数边部包嵌少量石英等。钾长石含量25%。

石英呈它形粒状, 杂乱分布, 粒度0.7~3.2 mm,粒内轻波状消光。石英含量5%。

黑云母呈片状, 零散分布, 片径 0.7~0.9 mm,多色性明显: Ng′=棕色, Np′=淡黄色, 部分被褐铁矿交代。黑云母含量少。

角闪石呈半自形柱状, 粒度 0.7~1.1 mm, 零散分布, 多色性明显: Ng′=黄褐色, Np′=淡黄色, 阳起石化明显, 局部被黑云母交代。角闪石含量1%。

图1 阿鲁包格山中生代火山岩盆地简图(实测)Fig.1 Sketch map of the Mesozoic volcanic basin in the Alubaoge area

基质由斜长石、钾长石、石英、黑云母、角闪石组成, 粒度一般0.2~0.7 mm, 部分0.05~0.2 mm。

斜长石呈半自形板状, 杂乱分布, 轻高岭土化、绢云母化, 个别隐约可见环带。粒内聚片双晶发育,用⊥(010)晶带最大消光角法测得斜长石排号An=43,为中长石。斜长石含量5%。

钾长石呈它形粒状-半自形板状, 为条纹长石,杂乱分布, 轻高岭土化, 少见交代斜长石, 内含斜长石包体。钾长石含量25%。

图2 斑状二长花岗岩显微结构(正交偏光, 似斑状结构, 基质微细粒花岗结构)Fig.2 Microstructure of the porphyritic monzogranite

石英呈它形粒状, 杂乱状、似填隙状分布于长石间, 粒内轻波状消光。石英含量15%。

黑云母呈片状, 零散分布, 多色性明显: Ng′=棕色, Np′=淡黄色, 部分被褐铁矿交代。黑云母含量少;

角闪石呈半自形柱粒状, 零散分布, 多色性明显: Ng′=黄褐色, Np′=淡黄色, 阳起石化明显, 局部被黑云母交代。角闪石含量<5%。

副矿物组合属锆石–磷灰石–钛铁矿–磁铁矿型,此外还含有少量萤石、霓辉石。

3 锆石U-Pb年龄

3.1 样品采集与分析测试

斑状二长花岗岩锆石测年采样位置为: 东经116°40′40″, 北纬 44°9′19″。锆石单矿物分离由廊坊区域地质调查研究所协助完成, 阴极发光(CL)测试由中国科学院地质与地球物理研究所扫描电镜实验室完成。锆石U-Pb同位素定年在中国地质调查局天津地质调查中心利用LA-ICP-MS分析完成。激光剥蚀系统为美国 NewWave公司生产的 UP193FX型193 nm ArF准分子系统, 激光器来自德国ATL公司,ICP-MS为Agilient 7500a型质谱仪。激光器波长为193 nm, 脉冲宽度<4 ns, 本次实验的激光束斑直径为 35 μm。样品的同位素比值及元素含量计算采用GLITTER-ver 4.0(Macquarie University)程序, 普通铅校正采用Anderson (2002)提出的ComPbCorr#3.17校正程序, U-Pb谐和图、年龄分布频率图绘制和年龄加权平均计算使用Iso-plot/Ex_ver 3(Ludwig, 2003)程序完成。详细测试与数据处理流程见 Liu等参考文献(Liu et al., 2008, 2010a, 2010b)。

3.2 分析结果

阴极发光图像(CL)显示(图3), 锆石颗粒大小不一, 变化范围为 96 μm×205 μm 到 95 μm×325 μm,长宽比值为 2∶1到 3∶1。所测锆石颗粒大多呈长柱状自形晶, 锆石颗粒的边缘地带均可观察到清晰的韵律环带结构, 所有锆石的 Th/U比值在 0.28~0.59之间(表1), 属岩浆成因。

所有锆石颗粒34个分析点的206Pb/238U年龄值均比较相近, 其变化范围为 129.92~137.25 Ma, 在谐和线上呈群簇状分布, 加权平均年龄值为132.19±0.77 Ma (MSWD=4.6) (图4), 与前人所测年龄相近(鞠文信等, 2008)。

4 岩石地球化学特征

图 3 阿鲁包格山二长花岗岩锆石阴极发光图像(CL)及分析点位(圆圈数字代表U-Pb分析点, 编号同表1)Fig.3 CL images and analysis points of zircons from the Alubaoge porphyritic monzogranite

表1 阿鲁包格山斑状二长花岗岩锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄分析结果Table 1 Zricon LA-ICP-MS U-Pb dating results for the Alubaoge porphyritic monzogranite

图4 阿鲁包格山斑状二长花岗岩锆石U-Pb年龄谐和图Fig.4 U-Pb concordia diagram for zircons from the Alubaoge porphyritic monzogranite

本次野外共采集样品13件, 采样点位置如图(图1),对样品进行主量元素、稀土元素及微量元素分析。野外样品采集均避开破碎、蚀变部位, 确保所采样品未经历后期改造。样品委托河北省区域地质矿产调查研究所实验室分析, 主量元素测试采用XRF荧光测试法完成, 测试误差小于2%; 稀土和微量元素测试采用等离子体质谱(ICP-MS)法, 测定精度优于5%。主量元素、微量元素及稀土元素分析结果见表2。

表2 阿鲁包格山斑状二长花岗岩主量元素(%)、稀土元素(×10-6)和微量元素(×10-6)丰度Table 2 Contents of major (%), REE and trace elements (×10-6) of the Alubaoge porphyritic monzogranite

4.1 主量元素特征

斑状二长花岗岩的主量元素含量如表 2。其中,K2O+Na2O=8.70%~8.98%, K2O/Na2O=1.26~1.43, A/CNK=0.98~1.05, AR=2.83~3.17, SI=2.18~3.59, FL=85.78~90.59, MF=88.50~91.31。

总体上, 阿鲁包格山斑状二长花岗岩具有高硅、富碱、富钾的特征, MgO、TiO2、MnO、P2O5含量较低, 属偏铝质岩石, 经历了较强的结晶分异作用。TAS图解(图 5a)中, 样品点均落于花岗岩区;AFM图解(图5b)中, 样品点均落于钙碱性系列。

4.2 稀土、微量元素特征

图 6a为斑状二长花岗岩球粒陨石(Boynton,1984)标准化REE配分图。斑状二长花岗岩稀土元素总量较高, ∑REE=184.74×10-6~439.75×10-6, 平均为371.92×10-6; LREE=163.48×10-6~406.38×10-6,HREE=21.26×10-6~36.87×10-6, LREE/HREE=7.69~12.18, (La/Yb)N=7.67~15.77, 曲线呈明显右倾型, 轻稀土较富集, 轻重稀土分馏明显; (La/Sm)N=2.40~3.07, (Gd/Yb)N=1.62~2.95, 轻稀土、重稀土分馏明显;δEu=0.08~0.14, 铕显示较明显负异常。

图 6b为斑状二长花岗岩的原始地幔(Sun and McDonough, 1989)标准化微量元素蛛网图。从表 2和图6b可以看出, 斑状二长花岗岩的微量元素总体呈现高含量特征, Rb、Th、U、Pb呈相对“峰”值, 高场强元素HFSE强烈亏损, 如Nb、Ta、Ti; LREE相对HREE富集, Ba、Sr、Eu强烈亏损, 而Zr、Hf、Gd相对富集。

5 讨 论

5.1 成因类型

图5 斑状二长花岗岩TAS(a)及AFM(b)图解Fig.5 TAS (a) and AFM (b) diagrams of the Alubaoge porphyritic monzogranite

图6 斑状二长花岗岩稀土元素球粒陨石标准化配分曲线(a, 标准值据Boynton, 1984)及原始地幔标准化微量元素蛛网图(b, 标准值据Sun and McDonough, 1989)Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spider (b) diagrams for the Alubaoge porphyritic monzogranite

近年来对于广泛分布于我国华北克拉通北缘、东北及大兴安岭地区中生代花岗岩的研究发现, 绝大多数为A型花岗岩, 少数为I型花岗岩。

阿鲁包格山斑状二长花岗岩属钙碱性, 主要矿物为斜长石、钾长石、石英、黑云母及角闪石, 副矿物组合属锆石–磷灰石–钛铁矿–磁铁矿型, 此外还含有少量萤石、石榴子石、霓辉石等副矿物, 其矿物特征与 Barbarin花岗岩分类中 ACG(含角闪石钙–碱性花岗岩类)较相近(Barbarin, 1999)。另外, 阿鲁包格山斑状二长花岗岩①富碱, Na2O+K2O=8.70%~8.98%; ②富 Ga, 10000×Ga/Al=2.96~4.00;③Zr+Nb+Ce+Y=548×10-6~739×10-6; ④轻、重稀土分馏明显, (La/Yb)N=7.67~15.77, 具明显负铕异常;⑤高场强元素 Zr、Hf及大离子亲石元素 Rb、U、Th含量高, 而 Ba、Sr含量很低; ⑥副矿物中含有萤石(苏玉平等, 2006; 付建明等, 2005; 陈志广等,2008; 张舒等, 2009; 朱金初等, 2006; Pearce et al.,1984)。因此, 认为阿鲁包格山斑状二长花岗岩为 A型花岗岩, 而非前人认为的 I型花岗岩。在10000Ga/Al-(Na2O+K2O)、10000Ga/Al-TFeO/MgO、10000Ga/Al-Nb及 10000Ga/Al-Zr判别图解中(图 7)所有样品均位于 A型花岗岩区域, 阿鲁包格山斑状二长花岗岩为A型花岗岩也可以得到印证。

5.2 构造背景

图7 阿鲁包格山似斑状二长花岗岩10000×Ga/Al-(Na2O+K2O)(a)、10000×Ga/Al-TFeO/MgO(b)、10000×Ga/Al-Nb(c)和 10000×Ga/Al-Zr(d)判别图解(据 Whalen et al., 1987)Fig.7 The 10000×Ga/Al vs (Na2O+K2O) (a); 10000×Ga/Al vs TFeO/MgO (b); 10000×Ga/Al vs Nb (c), and 10000×Ga/Al vs Zr (d) diagrams of the Alubaoge porphyritic monzogranite

A型花岗岩原先是指产于非造山环境的、碱性和无水特征的花岗质岩石(Loiselle and Wones, 1979),后来研究发现 A型花岗岩也可产于造山后环境(Whalen et al., 1987; Collins et al., 1982; Bonin, 2007;邓晋福等, 2007; 薛怀民等, 2009; 汪洋, 2008, 2009;卢欣祥等, 2007; Richard et al., 2004)。Eby (1990,1992)将A型花岗岩区分为A1和A2两个亚类, 指出A1型花岗岩侵位在非造山环境, A2型花岗岩是后造山的。在 Nb-Y-3×Ga和 Nb-Y-Ce构造环境判别图解(图 8)中, 阿鲁包格山斑状二长花岗岩落入Eby(1992)所定义的 A2型后造山花岗岩区域。研究区构造演化可分为两个阶段: (1) 早阶段晚古生代西伯利亚古板块与华北古板块碰撞隆升–裂陷–再次碰撞, 形成了基本构造格架; (2) 晚阶段中生代时期强烈的陆缘活化型构造-岩浆活动。大多数学者认为华北板块与西伯利亚板块碰撞可能发生在二叠纪中晚期, 并且有可能持续到三叠纪中期, 二叠纪中期古生物群的混生, 标志着该碰撞的开始; 三叠纪早–中期磨拉石沉积的出现和三叠纪中期岩浆活动的发生,标志着该区强烈碰撞造山作用的发生和碰撞过程的结束。阿鲁包格山斑状二长花岗岩形成于早白垩世, 显然应该是属于后造山的环境, 反映了晚中生代岩浆演化的伸展构造背景, 这一背景有利于花岗岩的就位和深部流体的上升。中生代晚期大兴安岭地区岩石圈深部处于活跃的伸展状态,在软流圈隆起背景下, 来自地幔的玄武质岩浆以底侵作用方式添加到下地壳, 并导致下地壳部分熔融和地壳隆升。结合区域地质背景, 笔者认为阿鲁包格山斑状二长花岗岩的成因可能与后造山岩石圈伸展环境下, 幔源岩浆的底侵促使上覆的地壳发生部分熔融有关, 这一方式与欧洲海西造山带的情况有所类似, 而是否存在其他可能成因还需要进一步的研究。

图8 阿鲁包格山似斑状二长花岗岩Nb-Y-3×Ga (a)和Nb-Y-Ce (b)判别图解(据Eby, 1992)Fig.8 Nb-Y-3×Ga (a) and Nb-Y-Ce (b) diagrams of the Alubaoge porphyritic monzogranite

6 结 论

本文通过对阿鲁包格山斑状二长花岗岩岩石学、矿物学、地球化学及同位素年代学研究, 得到如下认识:

(1) 阿鲁包格山斑状二长花岗岩锆石U-Pb年龄为 132.19±0.77 Ma (MSWD=4.6), 与前人所测年龄相近(鞠文信等, 2008)。所测锆石均为岩浆成因, 其年龄能够代表岩体的形成时代。根据最新年代地层划分方案, 应划归为早白垩世, 而非晚侏罗世。

(2) 阿鲁包格山斑状二长花岗岩属A2型花岗岩。

(3) 阿鲁包格山A2型花岗岩形成于后造山伸展环境, 表明该区早白垩世已进入后造山的构造演化阶段。

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