内蒙古扎兰屯方家沟岩体锆石U-Pb年龄及地球化学特征

郭威，吴新伟，张渝金，江斌，张超，钱程，陈会军

1.吉林大学地球科学学院，吉林长春130061；2.中国地质调查局沈阳地质调查中心（沈阳地质矿产研究所），辽宁沈阳110034

内蒙古扎兰屯方家沟岩体锆石U-Pb年龄及地球化学特征

郭威1，2，吴新伟1，2，张渝金1，2，江斌1，2，张超2，钱程2，陈会军2

1.吉林大学地球科学学院，吉林长春130061；2.中国地质调查局沈阳地质调查中心（沈阳地质矿产研究所），辽宁沈阳110034

方家沟地区二长花岗岩中锆石颗粒的晶体内部结构清晰，振荡生长环带发育和较高的Th/U比值（0.99～3.10），反映了岩浆成因特征.LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果为（152.9±2.2）Ma.岩石SiO2含量73.06%～76.25%，里特曼指数（σ）2.51～2.63，具有高钾钙碱性特征，呈过铝质特点.ΣLREE/ΣHREE比值和（La/Yb）N比值分别为6.21～10.43和4.98～12.18，为轻稀土富集、重稀土亏损型.δEu值0.52～0.72，为中弱亏损.以上特征表明方家沟岩体为过铝质高分异I型花岗岩.其成因可能是由于造山后的拉张环境使得地壳减薄，促使软流圈的物质上涌和幔源岩浆的底侵作用，导致地壳的温度升高，减压熔融形成二长花岗岩.

方家沟岩体；二长花岗岩；锆石U-Pb；年龄；地球化学；内蒙古

大兴安岭地区中生代岩浆岩的形成年龄及其形成时的区域地球动力学背景一直是地学研究的热点问题之一［1-7］.内蒙古扎兰屯地区位于大兴安岭中北段，其方家沟侵入岩岩体较为发育.岩体呈条带状、团块状、不规则状沿北东向分布于根多河东岸，岩性主体为浅肉色中粒二长花岗岩.前人对扎兰屯地区及部分周边年代地质学和地球化学都有一定的研究［7-8］，却没有对扎兰屯附近方家沟地区进行年代地质学和地球化学的研究.故方家沟尚缺乏可靠的同位素年代学制约.本文以方家沟侵入岩岩体作为研究对象，通过对二长花岗岩样品的锆石U-Pb年龄确定方家沟侵入岩岩体的形成时代，并通过对其岩相学、地球化学及年代学研究，对其岩浆源区及成因类型进行讨论.

1 区域地质背景与岩体地质

扎兰屯地区位于古亚洲洋构造域与环太平洋构造域交汇处，大兴安岭主脊断裂中北段，属于西伯利亚古板块大陆边缘向南增生部分一级构造单元.中新生界属滨太平洋地层区大兴安岭-燕山分区中生代火山-侵入岩带，是中国东部大陆环太平洋火山活动带的重要组成部分.受全球两大构造域影响，区域构造线方向以北东、北北东向为主（图1）.

方家沟晚侏罗世侵入岩体位于扎兰屯地区西南部约80 km处，呈北东向展布，主体岩性为浅肉色中粒二长花岗岩，出露面积68.49 km2，占测区总面积的4.9%.本期次花岗岩侵入上石炭-下二叠统格根敖包组，又被早白垩世花岗闪长岩侵入［9-10］.岩体中含有少量团块状暗色闪长质包体.

二长花岗岩新鲜面呈浅肉色，中粒花岗结构，块状构造.岩石由石英（30%左右）、钾长石（45%左右）、斜长石（25%左右）组成.钾长石，他形粒状，由微斜长石组成，格子双晶隐约显示，包含斜长石交代净边结构，粒度2～5 mm；斜长石，半自形板状，聚片双晶宽窄不一，环带发育，属中长石，部分晶面边缘钠化，粒度1.5～5 mm；石英，他形粒状，晶面干净，波状消光，粒度1.5～5 mm.局部地段相变过渡为粗中粒二长花岗岩和中细粒二长花岗岩.副矿物组合主要为锆石、磷灰石、磁铁矿、赤褐铁矿、钛铁矿、榍石、绿帘石.

锆石颜色多为黄色，个别棕色，自形双锥柱状-长柱状居多，少量受力破损呈断柱状、碎块状，个别双锥柱状，多数透明，个别不透明，多数为金刚光泽，少数油脂光泽，晶内气液及固相包裹体发育，粒径大部分在0.05～0.12 mm，少量0.12～0.23 mm.

2 分析方法

用于锆石定年的样品为采自天然露头的新鲜样品.样品的破碎和锆石的挑选工作由河北省廊坊市科大矿物分选技术股份有限公司完成.锆石激光剥蚀等离子体质谱（LA-ICP-MS）U-Pb同位素分析在中国地质科学院国家地质实验测试中心完成.本次实验所采用的激光束斑直径为20 μm，普通铅校正采用Anderson［11］的方法，详细实验测试过程可参见文献［12］.年龄计算采用国际标准程序Isoplot（ver3.0）.本文所测试的锆石颗粒均具有清晰的岩浆型振荡环带结构，表明这些锆石为岩浆结晶成因.

图1 扎兰屯根多河地区地质简图（据文献［10］修改）Fig.1 Simplified geological map of Genduohe area in Zalantun（Modified from Reference［10］）

样品的主量元素和痕量元素分析在国土资源部东北矿产资源监督检测中心完成.主量元素采用X射线荧光光谱法（XRF），痕量元素的分析则采用电感耦合等离子质谱法（ICP-MS）完成.主量元素分析精度和准确度优于5%，微量元素的分析精度和准确度一般优于10%.

3 分析结果

3.1 锆石U-Pb定年结果

锆石U-Pb测定数据列于表1，根据这些数据所做的U-Pb谐和图如图2所示.其结果以206Pb/238U年龄计算，年龄误差为1σ.

表1 方家沟二长花岗岩2011RZ23样品锆石LA-ICP-MS U-Pb分析结果Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb data of monzogranite of sam ple 2011RZ23 from Fangjiagou pluton

测年样品采自根多河林场东岸（122°03′50″N，47°45′06″E），岩性为中细粒二长花岗岩（2011RZ23），主要矿物为斜长石（30%）+碱性长石（40%）+石英（25%），另有少量锆石、磷灰石、磁铁矿、赤褐铁矿、钛铁矿、榍石、绿帘石等副矿物.代表性锆石的阴极发光图像（图3）显示：锆石均为内部结构较清晰的自形晶，并发育有岩浆成因的振荡型环带.锆石U-Pb测年结果显示：35个锆石的Th/U比值为0.99～3.10，指示锆石具岩浆成因.

图2 方家沟岩体二长花岗岩中锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图和年龄加权图Fig.2 Concordia diagram for the LA-ICP-MS zircon U-Pb data of monzogranite in Fangjiagou pluton

图3 方家沟岩体二长花岗岩中锆石CL图像Fig.3 CL images of selected zircons in monzogranite from Fangjiagou pluton

由表1和锆石U-Pb年龄谐和图（图2）可知，在经过Pb校正之后，方家沟侵入岩体的二长花岗岩中岩浆锆石的分析结果大部分位于谐和线及其附近区域，且各分析点分布得较为集中，35个分析点206Pb/238U年龄范围在（140±3）～（165.6±3）Ma，得出其加权平均值年龄为（152.9±2.2）Ma（MSWD=3.5）.结合被测锆石具岩浆锆石的特征，我们将该年龄解释为岩体的侵位年龄，表明方家沟侵入岩体的二长花岗岩的侵位时代为晚侏罗世.

3.2 地球化学特征

表2 方家沟岩体二长花岗岩主量元素和微量元素成分Table 2 M ajor and trace element com positions of selected monzogranite samples from Fangjiagou pluton

方家沟岩体的主量元素和微量元素分析结果见表2.本区二长花岗岩SiO2含量73.06%～76.25%，TiO20.15%～0.25%，Al2O312.36%～13.62%，MgO 0.2%～0.29%，CaO 0.36%～0.63%，K2O 4.38%～5.07%.全碱（Na2O+K2O）= 8.43%～9.02%，K2O/Na2O=1.01～1.48（均大于1，属I型花岗岩）.ANK-ACNK图解（图4a）表明，方家沟岩体主要为过铝质，ACNK主要介于1.03～1.07之间（均小于1.1，属I型花岗岩）.在K2O-SiO2图解（图4b）上，样品均落于高钾钙碱性范围内.本文研究的岩体以二长花岗岩为主，暗色矿物有黑云母和角闪石，绝大部分样品CIPW标准矿物中出现标准刚玉（C）分子，且含量小于1%，常见暗色矿物为黑云母和普通角闪石，且副矿物组合中出现榍石而未见富铝矿物，这些都表明了I型花岗岩的特征.Al2O3和P2O5的含量随着SiO2的增多而减少，Chanppell等认为在I型花岗岩中，随着结晶过程的进行，磷灰石的分离结晶将导致P2O5含量持续减少.本区的二长花岗岩随着SiO2含量逐渐增加，P2O5与之呈负相关关系，说明方家沟地区的二长花岗闪长岩具有I型花岗岩特征.岩石化学高硅，低铁、镁.由于A型花岗岩在特征上和高分异性I型花岗岩近似，根据判别图解（图5a）进行初步判定，结果投影点落入I型花岗岩区.在R1-R2构造环境判别图解（图5b）中也可发现，本期岩石投影点位于造山期后.综上所述，本期花岗岩应属于非造山I型花岗岩.

稀土元素测试结果显示：稀土元素总量（ΣREE）在85.40×10-6～128.81×10-6，低于陆壳平均值（154.7×10-6）；反映轻重稀土元素分馏程度的ΣLREE/ΣHREE比值和（La/Yb）N比值分别为6.21～10.43和4.98～12.18，为轻稀土富集、重稀土亏损型.经球粒陨石标准化后的稀土元素配分模式（图6a），Er、Yb呈弱的负异常，δEu值在0.52～0.72之间，为中弱亏损型.说明源区岩浆发生过斜长石的分离结晶，导致残余熔体中Eu的亏损.

图4 方家沟岩体的含铝指数图（a）和SiO2-K2O图（b）Fig.4 Aluminous index（a）and SiO2-K2O（b）diagrams for the Fangjiagou pluton

图5 方家沟岩体的Ce-SiO2图（a）和R1-R2图（b）Fig.5 Ce-SiO2（a）and R1-R2（b）diagrams for the Fangjiagou pluton

图6 方家沟岩体的球粒陨石标准化稀土元素配分图（a）和原始地幔标准化微量元素蛛网图（b）（据文献［13-14］）Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns（a）and primitive mantle-normalized trace element spider diagram（b）for the Fangjiagou pluton（After References［13-14］）

从微量元素球粒陨石标准化蛛网图（图6b）上看，方家沟侵入岩岩体具有贫Ba、Nb、Ce、P，富K、Pb、Th、Nd的特点；曲线为右倾型，Nb显负异常，表明其与消减有关.

4 讨论

4.1 方家沟侵入岩体的形成时代

前人对扎兰屯地区的整体作过初步的年代学研究［7］，以及对扎兰屯地区局部地质年代学研究［8］，而缺乏对方家沟地区可靠的同位素地质年代学的约束.本文所测定的方家沟侵入岩体中的锆石多呈自形双锥柱状-长柱状，发育振荡环带结构（图3），且Th/U比值较高，表明所测试的锆石为岩浆成因，所获得的年龄代表了方家沟岩体的形成时代.定年结果表明，方家沟侵入岩体的成岩年龄为（152.9±2.2）Ma.新的年代学资料表明，方家沟侵入岩体形成于晚侏罗世.

4.2 岩石成因类型及构造环境讨论

研究认为花岗岩最流行的成因是地壳物质的部分熔融，对于碱性花岗岩也提出难熔残余地壳物质部分熔融的模式［13-16］.近年来认为它们也可通过富集型大陆岩石圈地幔的熔融或地幔源岩浆与地壳物质的混合形成［17-18］.一般认为花岗岩的成因与其地质构造背景密切相关，不同的构造背景形成不同类型的花岗岩，本区域SiO2含量较高（73.57%～76.91%），Na2O含量也都大于2.8%（达3.37%～4.33%），碱的含量也较高（8.36%～8.96%），ACNK主要介于1.03～1.07之间，明显富铝.轻稀土富集、重稀土亏损型，δEu值在0.52～ 0.72之间，为中弱亏损型.这些特征与I型花岗岩的特征相符，又根据Ce-SiO2判别图解［19］（图5a）确认该区域二长花岗岩为I型花岗岩.

不同构造环境条件下形成的花岗岩的组成和特征彼此不同，因此提出了花岗岩的构造环境分类，不同类型的花岗岩分别对应不同的地球动力学环境和源区.而方家沟晚侏罗世侵入岩多沿格根敖包组背斜核部侵位，明显受控于北东向多期活动的基底断裂.本区域样品在R1-R2构造判别图解（图5b）中落入了造山后的构造区域，属于典型的拉张环境下形成的造山后花岗岩.

关于花岗岩的形成主要有岩浆分异和地壳岩石部分熔融两种观点.Bowen认为花岗岩石由玄武岩经历过分异演化形成［20］，但是后来的研究表明大面积的花岗岩主要出露于大陆地壳中，在大洋中很少见，这就与玄武岩在大陆和大洋均广泛存在不相吻合，并且在大陆花岗岩广泛出露区，很少见到同时代的玄武岩或辉长岩.这就说明了花岗岩应该有独立的起源，并且与地壳有着密切的联系，花岗岩主要是地壳深熔论已被广泛认同.花岗质岩体相对富集LREE及大离子亲石元素Rb、Ba、K等，亏损不相容元素Nb、Ta、Ti，暗示其具有壳源岩浆的特征.具有较高Ba/Nb和Ba/La比值，其值分别为，Ba/Nb：15.87～39.77，平均值为31.88（幔源岩石≈9.0，壳源岩石≈54）；Ba/La：15.18～48.28，平均值为25.85（幔源岩石≈9.6，壳源岩石≈25）.二长花岗岩的比值介于壳源与幔源之间.上述地球化学特征不能用单一的壳源与幔源岩浆演化来解释，其应该具有壳幔混合的特征，各微量元素比值的差异显示岩浆源区的不均一性及复杂性.根据前人对花岗岩成因的总结和对周边岩体的研究，作者推测方家沟地区与古太平洋板块的俯冲有着密切的关系［8］，由于造山后的拉张环境使得地壳减薄，促使软流圈的物质上涌和幔源岩浆的底侵作用，导致壳幔混合熔融形成方家沟地区的高分异性I型花岗岩.

5 结论

通过对方家沟岩体二长花岗岩的锆石U-Pb年代学、岩石地球化学研究，可以得出如下结论：

（1）方家沟岩体的二长花岗岩中的锆石为岩浆成因，LA-ICP-MS U-Pb定年结果为（152.9±2.2）Ma，表明其形成时代为晚侏罗世.

（2）方家沟岩体的二长花岗岩为过铝质I型花岗岩.根据构造判别推测，方家沟地区的二长花岗岩是由于造山后的拉张环境使得地壳减薄，促使软流圈的物质上涌和幔源岩浆的底侵作用，壳幔混合熔融形成方家沟地区的高分异性I型二长花岗岩.

致谢：衷心感谢中国地质科学院国家地质实验测试中心胡明月在锆石LA-ICP-MSU-Pb分析中给予的支持.

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ZIRCON U-Pb DATING AND GEOCHEMISTRY OF THE FANGJIAGOU PLUTON IN ZHALANTUN AREA,INNER MONGOLIA

GUO Wei1,2,WU Xin-wei1,2,ZHANG Yu-jin1,2,JIANG Bin1,2,ZHANG Chao2,QIAN Cheng2,CHEN Hui-jun2
1.College of Earth Sciences,Jilin University,Changchun 130061,China; 2.Shenyang Institute of Geology and Mineral Resources,CGS,Shenyang 110034,China

The Fangjiagou monzogranite pluton shows a typical magmatic origin with its clear crystal interior structures of zircon,developed oscillatory growth zonation and high Th/U ratio of 0.99-3.10.The LA-ICP-MS zircon U-Pb dating is（152.9±2.2）Ma.The rock is peraluminous,belonging to high-K calc-alkali series,with SiO2content of 73.06%-76.25% and Rittman index（σ）of 2.51-2.63.The ratios of ΣLREE/ΣHREE and（La/Yb）Nare respectively 6.21-10.43 and 4.98-12.18,with enrichment in LREEs and depletion in HREEs.The δEu values range from 0.52 to 0.72.The features above indicate that the Fangjiagou pluton belongs to peraluminous highly fractionated I-type granite,which may be formed due to the crust melting by temperature rising and pressure reducing in post-orogenic extensional environment,with crust thinning, materials from asthenosphere upwelling and mantle-derived magma underplating.

Fangjiagou pluton;monzogranite;zircon U-Pb dating;geochemistry;Inner Mongolia

1671-1947（2015）03-0193-07

P588.12；P597

A

2015-03-31；

2015-06-06.编辑：张哲.

中国地质调查局区域地质调查项目“内蒙古1∶5万济沁河林场等4幅区”（1212011120664）；“内蒙古1∶5万南燕窝沟等4幅区调”（12120113053900）.

郭威（1987—），硕士研究生，吉林大学地球科学学院，矿物学、岩石学、矿床学专业，通信地址辽宁省沈阳市皇姑区黄河北大街280号，E-mail:290129333@qq.com