内蒙古额济纳旗北山岩群中石英岩岩组形成时代——LA-ICP-MS锆石U-Pb测年的证据

范志伟

(首钢地质勘查院地质研究所，北京 100144)

内蒙古额济纳旗北山岩群中石英岩岩组形成时代
——LA-ICP-MS锆石U-Pb测年的证据

范志伟

(首钢地质勘查院地质研究所，北京 100144)

文章通过对北山岩群石英岩岩组地质剖面及岩相学分析，认为石英岩岩组至少经历了5次从(长石)石英杂砂岩→石英砂岩的沉积旋回；石英岩组中矿物组合为石英+黑云母+白云母±角闪石，具高绿片岩相—低角闪岩相的区域变质作用特征。对北山岩群石英岩岩组中石英岩进行LA-ICP-MS锆石U-Pb测年，其样品中碎屑锆石CL图像显示锆石颗粒具有核幔结构，核部锆石多具有岩浆环带，w(Th)/w(U)比值绝大多数大于0.1，说明石英岩岩组物源区岩石主要为岩浆岩。北山岩群石英岩组中最小年龄为1 301 Ma，限定了区内北山岩群形成于中元古代；最大年龄值为2 769 Ma，落入新太古代时期的有三组年龄数据，说明区内可能存在太古宙陆壳。

北山岩群；沉积旋回；LA-ICP-MS；锆石U-Pb测年；中元古代；内蒙古

0 引言

北山岩群分布在内蒙古自治区阿拉善盟额济纳旗的北山地区，其地理位置为新疆最东部、甘肃西北部和内蒙古最西部；大地构造位置处于西伯利亚、哈萨克斯坦和塔里木三大板块交汇部位[1-5]。区内的地质研究程度较低，尤其对于变质岩的研究。上世纪60年代初开展的1∶100万地质调查中，将区内具有次生透入性面理的岩石地层统归于古元古界，统称北山岩群；70年代开展的1∶20万地质调查中，按照岩石组合以及变质变形特征将北山岩群解体为晚奥陶世白云山组、早志留世勒巴泉群、早石炭世绿条山组和白山组等。然而，对这些变质岩的时代归属问题一直是前人研究的薄弱环节，多数人均通过地层对比和全岩Sm-Nd同位素等时线年龄来确定区内变质岩的时代归属。左国朝[1]为了澄清“北山杂岩”的时代归属问题，通过“古陆台比较大地构造学”的一般原则综合对比分析认为“北山杂岩”是由不同时代的沉积岩和花岗-变质岩层组成；聂风军等[2]通过对交叉沟片麻岩Sm-Nd同位素数据的综合分析将北山岩群形成年代暂定为古元古代。以上表明，北山岩群存在解体不到位和定年方法太陈旧等方面的问题。2012年北山地区新开的1∶5万区调对北山岩群进行了重新认识，萤石矿幅地质填图将区内北山岩群分为片麻岩岩组和石英岩岩组2个岩石组合单元。

近年来，随着同位素质谱技术的发展使得人们对同一锆石颗粒内部不同成因类型的锆石晶域进行原位测年成为可能[6]。事实上，在研究古老的高级变质岩时，锆石U-Pb同位素测年相对于全岩Sm-Nd同位素测年有较多的优点：①锆石的普遍性，由于锆石具有较低的吉布斯能[7]，从而它很容易结晶于各种地质环境中并被完好的保存；②锆石U-Pb在已知的矿物同位素中具有最高的封闭温度，锆石中Pb 的扩散封闭温度高达 900℃[8-10]，并且较多的研究中均已证明变质岩的Sm-Nd 同位素多数发生过不同程度的扰动[11-12]；③由于锆石晶体化学的特殊性，再结合锆石U-Pb 年龄的微区分析技术，可以揭示该区复杂的地质演化历程。由于锆石具有以上优点，所以锆石已成为U-Pb法定年的最理想对象[13-15]。本文将对北山岩群石英岩岩组中的石英岩进行LA-ICP-MS锆石U-Pb测年，以期探讨北山岩群的时代归属问题。

1 研究区地质构造背景

内蒙额济纳旗北山造山带亦称甘新蒙造山带，其在构造位置上从北至南分别横跨了红石山—百合山—蓬勃山、芨芨台子—小黄山、牛圈子—洗肠井、辉铜山—账房山4条蛇绿岩带(图1)，区内构造极其复杂。前人对这4条蛇绿岩带的构造意义存在着较大的争议：龚全胜等[17]、何世平等[18]认为红石山—百合山—蓬勃山蛇绿混杂岩带是北部哈萨克斯坦板块和南部塔里木板块两大板块拼合的缝合线；刘雪亚等[19]、聂凤军等[20]认为红石山—百合山和柳园—大奇山蛇绿岩带形成于洋盆环境，是西伯利亚板块、哈萨克斯坦板块和塔里木板块的缝合界线；郑国荣等[21]通过对月牙山—洗肠井蛇绿岩带化学特征分析，认为属弧后扩张的产物，并与其北部的东七一山火山弧构成了北山中带塔里木板块北缘的“弧-盆”体系，而小黄山断裂带是哈萨克斯坦板块与塔里木板块的缝合带；杨合群等[16]认为月牙山—洗肠井蛇绿岩带为哈萨克斯坦板块和塔里木板块的缝合带，芨芨台子—小黄山蛇绿岩带形成于弧后盆地环境，而红石山—百合山和辉铜山—帐房山蛇绿岩带形成于类似于“红海型”海槽的环境。

图1 北山地区构造纲要图(据文献[16]修改)Fig.1 Tectonic outline map of Beishan area①红石山—百合山—蓬勃山蛇绿岩带；②芨芨台子—小黄山蛇绿岩带；③红柳河—牛圈子—洗肠井蛇绿岩带；④辉铜山—账房山蛇绿岩带

图2 内蒙古阿拉善额济纳旗萤石矿地质简图Fig.2 Geological sketch of fluorite deposit in Ejina banner,Alxa League, Inner Mongolia1.全新统；2.更新统；3.上新统；4.公婆泉组火山岩；5.公婆泉组碳酸盐岩；6.上奥陶统白云山组；7.前寒武系北山岩群上段；8.前寒武系北山岩群下段；9.早石炭世花岗岩；10.晚泥盘世闪花闪长岩、石英闪长岩；11.早泥盆世花岗闪长岩；12.晚志留世辉石闪长岩；13.寒武纪辉长岩；14.断层；15.韧恤剪切带；16.锆石U-Pb测年点位；17.断面位置及编号；18.地名

研究区位于近EW走向的芨芨台子—小黄山蛇绿混杂岩带的东沿线上(图1)。区内寒武纪辉长岩侵入北山岩群中，其又被后期的二云母二长花岗岩侵位，并一起遭受了糜棱构造的叠加，构造线方向也呈近EW向。小黄山断裂带两侧岩石地层及其变质变形特征较为一致，表明小黄山蛇绿岩套在区内不具有板块缝合带的意义。前人对小黄山蛇绿岩地球化学分析认为属弧后拉张形成，其与东七一山火山岛弧和月牙山—洗肠井蛇绿岩套从南至北一起构成了“洋-弧-盆”体系。

2 北山岩群石英岩岩组地质特征

2.1 产出特征

本次研究区的北山岩群石英岩岩组位于额济纳旗的东七一山地区。区内出露的主要地层有中上志留统公婆泉组、上奥陶统白云山组和前寒武系北山岩群；岩体有寒武纪辉长岩、晚志留世辉石闪长岩、早泥盆世花岗闪长岩、晚泥盆世花岗-石英闪长岩以及早石炭世二云母二长花岗岩。新生代盖层为上新世苦泉组砂砾石堆积物、晚更新世砂砾石堆积物和全新世河流冲积物(图2)。公婆泉组属于远离海沟、发育于洋壳上的岛弧火山岩[22]。北山岩群位于公婆泉组火山岩的北部，按其岩石组合、变质变形特征不同，将其分为下部片麻岩岩组和上部石英岩岩组2个岩石组合。下部(第一)岩组的岩性为黑云角闪斜长片麻岩、黑云斜长变粒岩、夹透镜状大理岩等，主要呈残留体的形式出露于海西期花岗岩中，没有大片出露；上部(第二)岩组的岩性为厚层石英岩、二云母石英岩、黑云石英片岩等。

本次工作中对北山岩群石英岩岩组进行了剖面实测，剖面编号为Pm17(见图2，表1)。剖面显示石英岩岩组实测厚度大于609.2 m，无顶无底；顶部与正长花岗岩呈断层接触，底部被晚泥盆世的花岗-石英闪长岩侵位。岩石组合特征为斜长黑云石英片岩、黑云母石英片岩、二云母石英岩、纯白色石英岩，局部层位中见有石榴子石和矽线石等特征变质矿物。斜长黑云石英片岩—黑云母石英片岩—二云母石英岩—纯白色石英岩的沉积序列，指示其原岩成熟度逐渐变高，可代表一次沉积旋回。由于缺失顶底面，区内石英岩岩组至少由5次规模较大的沉积旋回构成，其中以第(n+3)次沉积旋回规模最大(见表1)，每个旋回内部也有次级的沉积动荡。在第(n+3)次沉积旋回的石英岩中采集了同位素年龄样品TK210-1，其地理坐标位置为E41°26′13″-N99°40′26″。

2.2 石英岩的岩相学特征

石英岩，纯白色，粒状变晶结构(图3a)。主要矿物成分为石英，含量大于95%，岩石受到韧性变形作用，部分晶粒被碾磨呈细粒状，大部分晶粒被塑性变形、拉长、定向、重结晶，波状消光显著，呈现糜棱结构；岩石中多含有白云母和黑云母，少量岩石中见有角闪石；副矿物有榍石、锆石等(图3b)。石英岩岩组中的岩石矿物组合特征为石英(Q)+黑云母(Bi)+白云母(Ms)±角闪石(Am)，显示石英岩岩组主要遭受了高绿片岩相—低角闪岩相的区域变质作用。另外，少量层位中含有石榴子石、矽线石等变质特征矿物，可能是动力变质造成的局部高角闪岩相变质作用。

表1 北山岩群石英岩岩组Pm17剖面数据

3 北山岩群石英岩岩组年代学特征

3.1 分析方法

样品锆石分选由河北省廊坊市区域地质调查研究所实验室完成；锆石制靶，以及阴极发光(CL)、透射光、反射光图像的采集均在北京奥金顿科技有限公司进行；锆石LA-ICP-MS U-Pb测年由天津地质矿产研究所测试中心完成。

根据锆石的结构并结合阴极发光、反射光和透射光图像特征，选择了合适的锆石测年区域(尽量避开锆石中的包体和裂隙)进行测年。利用193 nm FX激光器对锆石进行剥蚀，激光斑束直径为35 μm，频率为10 Hz，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分数相差很大的U、Pb同位素可以同时接收，进行U-Pb同位素测定。使用标准锆石GJ-1作为同位素组成的外标锆石；用Andersen方法[23]进行同位素比值校正，以扣除普通Pb的影响。锆石测年中的Pb同位素比值、U-Pb表面年龄和微量元素含量用ICPMS DataCal程序进行处理[24-26]，年龄计算及成图采用Isoplot[27]技术，测试数据、加权平均年龄的误差均为1。具体测试方法、详细分析步骤见文献[28]。锆石表面年龄采用206Pb/238U年龄值。

3.2 年龄测定结果

石英岩中的锆石CL图像(图4)显示，锆石形态主要以椭球为主，个别近等轴状和短柱状，锆石颗粒多为100～150 μm左右，个别可达200 μm。锆石多具核幔结构。核部锆石具有岩浆环带，w(Th)/w(U)比值除了7号、15号、22号、31号、41号、59号，以及62号7个数据点较低外(0.023～0.091)，其它均大于0.1(0.125～1.225)(表2)，说明源区岩石主要为岩浆岩的特点[10,29-30]；幔部锆石为灰黑色的变质锆石环带，宽度多在10 μm左右。由于幔部变质锆石环带较窄，所以仅采集了核部锆石的数据。

在样品TK210-1中的64颗锆石上采集了64组锆石数据(见表2)。核部锆石数据基本均落在谐和曲线上(除少数略有偏离)(图5a)；核部锆石的206Pb/238U年龄数据分部极其不均匀(图5b)。其中，最小年龄值为1 301 Ma(见图4中59号锆石)，最大年龄值为2 769 Ma(见图4中63号锆石)，较为集中的锆石年龄数据分布于1.8 Ga附近。石英岩的锆石谐和图和206Pb/238U年龄直方图显示仅有3组碎屑锆石年龄值落入新太古代时期，可能预示着区内存在太古宙陆壳；沉积岩中碎屑锆石最小年龄值可以代表它形成时代的下限[31-32]，石英岩中最小锆石年龄值为1 301 Ma，虽然略有偏离谐和曲线，但位于1 600 Ma—1 800 Ma之间大量碎屑锆石年龄值的存在，也说明了区内石英岩形成于中元古代，而非之前认为的古元古代；大量1.8 Ga附近的碎屑锆石年龄数据，预示着区内在1.8 Ga可能遭受了一期“构造-热”事件。

图4 石英岩中典型锆石的CL图像及206Pb/238U表面年龄标注Fig.4 CL images and 206Pb/238U apparent ageannotations of typical zircon from the quartzite

样品同位素比值206Pb/238U1σ207Pb/235U1σ207Pb/206Pb1σ年龄/Ma206Pb/238U1σ207Pb/235U1σ207Pb/206Pb1σw(Th)/w(U)TK210．10．30530．00164．44400．05200．10560．0012171791721201724210．141TK210．20．32220．00174．91280．05580．11060．00121800101804211809200．551TK210．30．32400．00204．96160．05890．11110．00121809111813221817200．426TK210．40．32140．00174．88480．05410．11020．00121797101800201803190．244TK210．50．33060．00185．19100．07020．11390．00151841101851251862240．585TK210．60．34650．00185．65260．06720．11830．00141918101924231931211．060TK210．70．31240．00174．64020．05470．10770．00121753101757211761210．085TK210．80．29640．00044．22400．04980．10340．0012167321679101687210．410TK210．90．25570．00173．25430．04480．09230．00111468101470201474220．449TK210．100．29380．00174．15670．04880．10260．00111660101666201672210．635TK210．110．28290．00153．88570．05300．09960．0013160691611221617250．712TK210．120．28400．00163．90060．04740．09960．0012161291614201617220．388TK210．130．32310．00184．93780．05900．11080．00131805101809221813210．313TK210．140．31340．00184．66820．05940．10800．00131758101762221766220．307TK210．150．31380．00194．75990．06160．11000．00141759111778231800220．091TK210．160．30790．00064．57110．06600．10770．0015173031744121761260．125TK210．170．32800．00195．08060．06310．11240．00131829111833231838210．145TK210．180．31020．00174．58300．05570．10710．00131742101746211751220．397TK210．190．31010．00174．58340．05430．10720．0012174191746211752210．440TK210．200．31370．00174．75780．05520．11000．0012175991777211799200．344TK210．210．28310．00194．19690．05110．10750．00121607111673201758200．306TK210．220．28520．00164．26000．05070．10830．0012161891686201771210．084TK210．230．35440．00226．11370．07570．12510．00151956121992252030211．047TK210．240．32230．00074．81420．06020．10830．0014180141787111772220．439TK210．250．32820．00185．09640．06200．11260．00131830101836221842210．362TK210．260．29510．00174．21940．05210．10370．0012166791678211691220．485TK210．270．30130．00164．33710．05090．10440．0012169891700201704210．366TK210．280．31190．00174．65770．05500．10830．0012175091760211771211．225TK210．290．48460．003111．34600．13590．16980．00192547162552312556180．389TK210．300．32390．00184．96450．06040．11120．00131809101813221819210．707TK210．310．25220．00163．35920．04180．09660．0011145091495191560220．057TK210．320．31300．00064．71380．05650．10920．0013175531770101787220．374TK210．330．31580．00174．74390．05640．10900．00121769101775211782210．463TK210．340．33900．00195．42110．06390．11600．00131882111888221895200．352TK210．350．32580．00175．02630．05820．11190．00121818101824211830200．314TK210．360．30610．00204．42070．06280．10470．00151722111716241710260．555TK210．370．31780．00174．73160．05470．10800．0012177991773201766200．432TK210．380．39720．00317．54640．10770．13780．00162156172179312200210．259TK210．390．32450．00204．97200．07470．11110．00151812111815271818240．477TK210．400．33230．00074．96210．05560．10830．001218493181391772200．240TK210．410．30410．00164．40020．05370．10490．0012171291712211713210．081TK210．420．34630．00415．66890．20130．11870．00221917231927681937340．841TK210．430．29940．00174．31410．05370．10450．00131689101696211705220．392TK210．440．32810．00185．08280．06420．11240．00141829101833231838220．562TK210．450．31880．00174．81410．06270．10950．00141784101787231792230．138TK210．460．29710．00184．24580．05870．10370．00141677101683231691250．383TK210．470．31160．00174．60450．06750．10720．00151749101750261752260．566TK210．480．31990．00074．90190．10620．11110．0024178941803181818400．483TK210．490．29550．00164．27260．05840．10490．0014166991688231712240．532TK210．500．34770．00205．69060．07560．11870．00151924111930261937220．337TK210．510．29130．00164．13830．05430．10300．0013164891662221679240．464TK210．520．32450．00175．02400．06060．11230．00131812101823221837210．217TK210．530．32150．00174．89580．06090．11050．00131797101802221807220．758TK210．540．46790．002610．53210．12740．16320．00192475142483302489190．286TK210．550．32010．00184．85720．06050．11010．00131790101795221801210．198TK210．560．30780．00064．59520．06420．10830．0015173031748121772250．559TK210．570．31460．00174．70880．05660．10850．0012176391769211775210．398TK210．580．25440．00143．23300．03860．09220．0011146181465171471220．637TK210．590．22360．00222．82130．04190．09150．00101301131361201458210．056TK210．600．30510．00164．43690．05000．10550．0011171791719191722200．141TK210．610．33090．00184．86580．05520．10670．00121843101796201743200．147TK210．620．31810．00174．81070．05460．10970．00121780101787201794200．023TK210．630．53660．003114．37560．17580．19430．00222769162775342779180．337TK210．640．31070．00194．58840．06040．10710．00141744101747231751230．711

图5 石英岩中锆石U-Pb谐和图(a)和206Pb/238U年龄频率分布图(b)Fig.5 Diagram showing zircon U-Pb concordia (a) and 206Pb/238Uage frequency distribution histogram (b) of the quartzite

4 结语

通过对北山岩群石英岩岩组的岩相学特征以及LA-ICP-MS锆石U-Pb测年数据的分析得出如下5点结论：

(1)北山岩群中石英岩岩组至少经历了5次从(长石)石英杂砂岩→石英砂岩的沉积旋回；

(2)北山岩群石英岩岩组中石英+黑云母+白云母±角闪石的矿物组合特征，说明石英岩岩组遭受了高绿片岩相—低角闪岩相的区域变质作用；

(3)北山岩群石英岩组中大量1.8 Ga附近的碎屑锆石数据的存在，说明区内该期可能存在“构造-热”事件的叠加；

(4)北山岩群石英岩组中最大碎屑锆石年龄值为2 769 Ma，且落入新太古代时期的3组年龄数据的存在，反映区内可能存在太古宙陆壳；

(5)北山岩群石英岩组中最小碎屑锆石年龄值1 301 Ma限定了岩石形式时代的下限，故认为北山岩群形成于中元古代而非之前认为的古元古代。

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Formation period of quartzite of Beishan group in Ejina banner, Inner Mongolia —LA-ICP-MS zircon U-Pb dating evidence

FAN Zhiwei

(GeologicalResearchInstituteofShougangGeologicalExplorationInstitute,Beijing, 100144)

Analysis of geological section and petrography of quartzite in Beishan group shows that the quartzite includes five (feldspar) quartz greywacke→sandstone sedimentary cycles. The quartz + biotite + muscovite ± hornblende assemblage of the quartzite is of high green schist-low amphibolite-facied regional metamorphism.LA-ICP-MS zircon U-Pb dating age, core-mantle structure and magmatic ring belt at the core from image of the detrital zircon and most of the Th/U ratio > 0.1 reveal its source from magmatic rock area. The minimum age of 1301 Ma limits its formation period to Middle Proterozoic era. The maximum age of 2769 Ma is of the Neoarchean era implying that there might be Archean continental crust in the source area.

Beishan group；sedimentary cycle；LA-ICP-MS；zircon U-Pbdating；Middle Proterozoic Era；Inner Mongolia

2015-01-30； 责任编辑： 王传泰

范志伟(1986—)，男，硕士研究生，主要从事前寒武纪地质研究工作。通信地址：北京市石景山区晋元庄路23号，首钢地质勘查院地质研究所；邮政编码：100144；E-mail：fanzw0327@126.com

10.6053/j.issn.1001-1412.2015.04.014

P588.21，P597.1

A