内蒙古大桦背I型花岗岩地球化学特征及其成因意义

张辉，戴朝成，闫秋实，王新亮，时国，陈文文，胡志成

（1.东华理工大学地球科学学院，江西南昌 330013；2.成都理工大学核工程与核技术学院，四川成都 610059；3.内蒙古地质矿产勘查院，内蒙古呼和浩特 010010；4.长江大学地球科学学院，湖北武汉 430100）

内蒙古大桦背I型花岗岩地球化学特征及其成因意义

张辉1，戴朝成1，闫秋实2，王新亮3，时国1，陈文文1，胡志成4

（1.东华理工大学地球科学学院，江西南昌 330013；2.成都理工大学核工程与核技术学院，四川成都 610059；3.内蒙古地质矿产勘查院，内蒙古呼和浩特 010010；4.长江大学地球科学学院，湖北武汉 430100）

在大桦背花岗岩体区域地质和岩石学研究的基础上，运用X射线荧光光谱分析样品主量元素，采用电感耦合等离子体质谱对其样品进行了微量、稀土元素分析.同时结合前人的锆石年龄和Pb同位素数据，认为大桦背花岗岩为I型花岗岩，主要为古亚洲洋板块向华北板块多期俯冲过程中，中下地壳、成熟岛弧和大洋岛弧大面积部分熔融的产物，伴有少量地幔与未知含量的海洋沉积物及早期造山作用产物等物质的不同程度混合作用.

大桦背花岗岩；元素地球化学；I型花岗岩；壳幔混源；俯冲过渡机制；内蒙古

0 引言

大桦背花岗岩体位于内蒙古自治区包头市西约40 km处，东邻柳巴沟、哈德门沟、西乌不拉沟金矿，北枕沙德盖辉钼矿区，西伴白彦花金矿和条带状沉积变质型铁矿，南临河套盆地.空间上，沙德盖-柳巴沟-哈德门金钼多金属成矿带和乌拉山铁矿成近似半环状围绕其周围（图1）.由于其与多种矿产存在非常紧密的地缘关系，因而，研究大桦背花岗岩体成因，对地质找矿具有重要意义.为此，本文将分析该岩体的区域地质、岩石地球化学及同位素特征，探讨其成因类型，成因过程与环境.

1 区域地质特征

图1 大桦背花岗岩地质简图❶内蒙古自治区地质矿产局.1∶200万中华人民共和国内蒙古自治区地质构造图.1991.及大地构造位置图❷戴朝成.1∶5万德布斯格庙、达拉盖高勒、庙口区域地质图.1993.Fig.1Geological sketch map of the Dahuabei granite pluton and tectonic location

大桦背花岗岩体（图1）呈近等轴圆状，位于华北板块北缘西段阴山隆起中部乌拉山地区与河套断陷的结合部，乌拉山-大青山大型逆冲推覆带南端，南北被近东西向的临河-集宁和包头-呼和浩特两条继承性深大断裂夹持，东西亦受北东向和北西向断裂所限.大桦背花岗岩恰好位于东西断裂与北东向断裂的交切部位，同时处于乌拉山复背斜的核部.

研究区主要出露地层为中太古界乌拉山岩群（变质表壳岩）、新近系上新统宝格达乌拉组、第四系砂砾石层.大桦背花岗岩的主要围岩为乌拉山岩群.记录不同岩浆作用发育的主要地质体有新太古代紫苏花岗质片麻岩、石英闪长质片麻岩（变质深成体），古元古代正长花岗岩、辉绿岩脉，石炭纪石英闪长岩、大桦背花岗岩，三叠纪黑云母花岗岩.从出露地质体看，该区在地质历史时期中，发育多个构造岩浆旋回.长期继承性断裂及石炭纪所处大地构造背景对大桦背花岗岩的形成起着重要的控制作用.通过对大桦背花岗岩体详细的野外地质调查研究，根据岩石学、矿物学、侵位关系等特征，将大桦背花岗岩分为斑状中粒二长花岗岩（C1ηγbzc）、粗粒黑云母正长花岗岩（C1ξγc）、中粗粒黑云二长花岗岩（C1ηγzc）、粗粒正长花岗斑岩（C1ξγπ）、粗粒正长花岗岩（C1ξγzc）、中细粒黑云二长花岗岩（C1ηγzx）等岩石类型.以下对其代表性样品进行地球化学研究，进而分析其成因意义.

2 地球化学特征

2.1 主量元素特征

表1分析表明大桦背花岗岩主量元素具有以下特征：（1）富硅，大桦背花岗岩体的SiO2含量为71.68%～75.72%，平均73.40%.结晶分异程度高，DI值为86.82～94.24，平均89.99，低于福建北东沿海强分异I型花岗岩的DI值（DI>95）［1］，但与华南福冈（DI=82～94）、西藏冈底斯东部察隅（DI=82～92）强分异I花岗岩相近［2-3］，同时与Ackley I型花岗岩相似.（2）弱过铝质（图2）［4］，A/CNK=1.03～1.09，平均1.05，这可能与其原岩特征有关.（3）高碱，ALK=8.22%～8.84%，并且相对富钾，K2O/ Na2O=1.01～1.38，平均1.16；岩石碱度率指数（AR）=3.22～4.44，平均3.72，里特曼指数（σ43）=2.20～2.54，平均2.36< 3.3，属高钾钙碱性系列（图3）［5］，具有岩浆弧岩浆岩特征.正长花岗岩钾含量高于二长花岗岩，斑状粗粒正长花岗斑岩的钾含量与其余类型相近.（4）铁、镁、钙、钛、磷、锰的含量均低，也说明了其经历了很强的分异演化过程.TFeO/MgO=5.71～13.57，平均8.56，全部落在高分异I型花岗岩范围内（TFeO/MgO=4～16）［6］.二长花岗岩较正长花岗岩富铁、镁、钙，正长花岗岩富Ti、P等，正长花岗岩分异程度较高.

表1 大桦背花岗岩样品主量元素、微量元素和稀土元素含量Table 1Contents of major elements,trace elements and REE of samples from the Dahuabei plutons

2.2 微量元素特征

就微量元素组成（表1、图4）［7］而言，所有样品不同程度富集Rb、Th、La、Pb、Nd、Hf、Dy，亏损Ta、Nb、Ce、P、Sm、Ti.高场强元素（HFSE）Ti、P明显亏损，Nb、Ta含量较低，表现出类似于与俯冲带有关的活动大陆边缘或岛弧岩浆岩的特征［8-9］，Rb、Th富集和Nb亏损暗示有上地壳物质的参与［10］，指示了不同岩石类型的同源演化特征.粗粒正长花岗岩Ba强烈亏损，中细粒黑云二长花岗岩富集，其余类型略有亏损，说明粗粒正长花岗岩结晶分异程度最高，中细粒黑云二长花岗岩最差，其余介于两者之间.粗粒正长花岗岩和中粗粒正长花岗岩富集铕，二长花岗岩略亏损铕，正长花岗斑岩居中，也指示正长花岗岩演化程度高于二长花岗岩，且粒度粗的高于细的.

图2 大桦背花岗岩体不同岩石类型A/NK-A/CNK关系图解（据文献［4］）Fig.2The A/NK-A/CNK diagram of different rock units of the Dahuabei granite pluton（After Reference［4］）

图3 大桦背花岗岩体不同岩石类型K2O-SiO2图解（据文献［5］）Fig.3The K2O-SiO2diagram of different rock units of the Dahuabei granite pluton（After Reference［5］）

图4 大桦背花岗岩体不同岩石类型微量元素原始地幔标准化蛛网图（据文献［7］）Fig.4Primary mantle-normalized spider diagram for trace elements of different rock units of the Dahuabei granite pluton（After Reference［7］）

2.3 稀土元素特征

图5 大桦背花岗岩体不同岩石类型稀土元素球粒陨石标准化配分模式图（据文献［7］）Fig.5Chondrite-normalized distribution pattern for REE of different rock units of the Dahuabei granite pluton（After Reference［7］）

稀土元素（表1和图5［11］）配分曲线整体表现为轻稀土富集、重稀土亏损的右倾型，轻稀土右倾明显，重稀土曲线较为平缓.稀土总量整体较低，介于107.10×10-6～148.85×10-6，平均128.64×10-6，LREE/HREE=13.28～21.61，（La/Yb）N=12.07～23.46，轻稀土分馏强烈；（Gd/Yb）N=0.81～1.53，（La/Sm）N=3.51～9.44，重稀土分馏不明显.

就δEu而言，斑状中粗粒二长花岗岩、粗粒正长花岗岩、中粗粒正长花岗岩显示负铕异常，结晶分异作用发育，其中粗粒正长花岗岩演化程度最高，斑状中粗粒二长花岗岩较高，中粗粒正长花岗岩中等；中粗粒二长花岗岩、粗粒正长花岗斑岩和中细粒二长花岗岩显示正铕异常，说明其分异作用不明显，可能与原岩特征有关、结晶温压等条件变化有关.中细粒二长花岗岩显示较为异常的稀土配分特征，可能与同化混染有关.

3 岩石成因

3.1年代学特征

华北克拉通北缘发育安第斯型岩浆弧环境的时间为324～300 Ma，而后碰撞花岗岩类的年龄为254～237 Ma［12］.古亚洲洋沿兴蒙造山带，自西向东关闭，最终在索伦-延吉缝合线全部闭合，古亚洲洋闭合时间和华北-蒙古弧碰撞时间限定在290～250 Ma［13］.前人发表的大桦背花岗岩的锆石U-Pb年龄［14-16］介于330～365.7 Ma，指示大桦背为海西期早石炭世产物.另外，大桦背北部约5 km处发育早石炭世石英闪长岩（戴朝成，未发表），可见当时研究区尚处于古亚洲洋板块向华北板块俯冲的环境，古亚洲洋尚未关闭.

3.2 成因类型

按照花岗岩物源分类（I、A、S、M和H型花岗岩）方案，关于大桦背花岗岩的成因，前人存在两种不同的观点：S型同碰撞［17］和I型同碰撞-后碰撞过渡成因［16，18］.

本研究所选大桦背花岗岩样品中，A/CNK＜1.1，小于典型S型花岗岩的A/CNK值［19］，有别于S型花岗岩.大桦背花岗岩体同样具有不同于A型花岗岩的特征：Zr+Nb+Ce+Y值（222.71×10-6～325.04×10-6，平均268.79× 10-6，小于350×10-6）和10000 Ga/Al值（2.03～2.56，平均2.32，小于2.6），均低于A型花岗岩的下限值［20］. 10000 Ga/Al系列图解［20］和Zr+Nb+Ce+Y图解［20］中，大桦背基本上都落在I型花岗岩范围内，与加拿大Ackley I型花岗岩体相似.

TFeO/MgO-10000 Ga/Al图解（图6）中，落在分异花岗岩范围内，表现出与华南佛冈典型I型［2］、加拿大Ackley I型花岗岩体相似的特点［20］.TFeO/MgO值（平均9.08，小于16）不高，不同于A型花岗岩（TFeO/MgO＞16）［7］.TFeO/MgO-Zr+Nb+Ce+Y图解（图7）和（K2O+Na2O）/CaO-Zr+Nb+Ce+Y图解（图8）中，也表现出与加拿大Ackley I型花岗岩体相似的特征.经计算，大桦背花岗岩体的锆石的Zr饱和温度为762.12～817.28°C，平均786.80°C，与华南佛冈、西藏冈底斯东部察隅高分异I型花岗岩Zr饱和温度范围相近［1-2］，都低于A型花岗岩的成岩温度［21-22］，这样也就排除了大桦背岩体是分异A型花岗岩的可能.另外，大桦背花岗岩中存在角闪石，也是其为I型花岗岩的重要矿物学证据.

图6 大桦背花岗岩体不同岩石类型TFeO/MgO-10000 Ga/Al图解（据文献［20］）Fig.6The TFeO/MgO-10000 Ga/Al diagram of different rock units of the Dahuabei granite pluton（After Reference［20］）

图7 大桦背花岗岩体不同岩石类型TFeO/MgO-Zr+Nb+Ce+Y图解（据文献［20］）Fig.7The TFeO/MgO-（Zr+Nb+Ce+Y）diagram of different rock units of the Dahuabei granite pluton（After Reference［20］）

图8 大桦背花岗岩体不同岩石类型（K2O+Na2O）/CaO-（Zr+ Nb+Ce+Y）图解（据文献［20］）Fig.8The（K2O+Na2O）/CaO-（Zr+Nb+Ce+Y）diagram of different rock units of the Dahuabei granite pluton（After Reference［20］）

3.3 源区特征

从微量元素特征，可以看出本区花岗岩具有岩浆弧的特征，Rb、Th和Nb特征暗示其具有壳源特征，Ba、Sr亏损，也指示结晶分异作用的存在.为进一步揭示其源区特征，在前人数据（表2）［23-25］基础上，进行Pb同位素物源分析.207Pb/204Pb-206Pb/204Pb图解［26］（图9）显示，本区花岗岩原岩分布较为分散，有下地壳、成熟岛弧和部分上地壳，但大多数分布于下地壳.208Pb/204Pb-206Pb/204Pb图解［26］（图10）中，主要落在成熟岛弧、下地壳和大洋岛玄武岩中.Δγ-Δβ图解［27］（图11）中，样品投入到上地壳与地幔混合的俯冲铅和造山带铅的范围内，其中沉积作用应该是俯冲板片的海洋沉积物.由于其中落入造山带铅的样品的模式年龄均早于大桦背的形成年龄，该区当时并未发生碰撞造山.该区SiO2含量平均73.40%，说明幔源组分参与量很少.

综上所述，笔者认为大桦背的原岩主要为中下地壳、成熟岛弧和大洋岛弧玄武岩，有部分上地壳组分、海洋沉积物和少量的幔源加入.

图9 大桦背花岗岩207Pb/204Pb-206Pb/204Pb图解（据文献［26］）Fig.9The207Pb/204Pb-206Pb/204Pb diagram of the Dahuabei granite pluton（After Reference［26］）

表2 Pb同位素数据及重新计算的Δα、Δβ、Δγ值Table 2Pb isotopic data and recalculated Δα,Δβ and Δγ values

图10 大桦背花岗岩208Pb/204Pb-206Pb/204Pb图解（据文献［26］）Fig.10The208Pb/204Pb-206Pb/204Pb diagram of the Dahuabei granite pluton（After Reference［26］）

图11 大桦背花岗岩Δγ-Δβ图解（据文献［27］）Fig.11The Δγ-Δβ diagram of the Dahuabei granite pluton（After Reference［27］）

4 构造环境

在区域地质、岩石地球化学综合研究的基础上，对样品进行构造环境分析，即分别对样品进行R2-R1图解［28］、Rb-Y+Nb图解［29］和lg［CaO/（Na2O+K2O）］-SiO2图解［30］（图12）分析，3种图解从不同侧面反映了相似的构造环境.具体说，R2-R1图解中大桦背岩体样品落入同碰撞-后碰撞过渡环境中.Rb-Y+Nb图解（图13）中，样品在后碰撞范围内.lg［CaO/（Na2O+K2O）］-SiO2图解（图14）中，大桦背岩体落入到由挤压环境向伸展环境转化的过渡环境.加之，大桦背花岗岩属于高钾钙碱系列，高场强元素（HFSE）中Ti、P明显缺失，Nb、Ta含量较低，均指示其岛弧和活动大陆边缘有关的构造背景.由以上知，大桦背花岗岩体可能形成于弧后挤压向伸展环境过渡的活动大陆边缘构造背景.

图12 大桦背花岗岩体不同岩石类型R1-R2构造环境图解（据文献［28］）Fig.12The R1-R2 diagram for structural environment of different rock units of the Dahuabei granite pluton（After Reference［28］）

图13 大桦背花岗岩体不同岩石类型Rb-（Y+Nb）构造环境图解（据文献［29］）Fig.13The Rb-（Y+Nb）diagram for structural environment of different rock units of the Dahuabei granite pluton（After Reference［29］）

图14 大桦背花岗岩体不同岩石类型lg［CaO/（Na2O+K2O）］-SiO2构造环境判别图（据文献［30］）Fig.14The lg［CaO/（Na2O+K2O）］-SiO2diagram for structural environment of different rock units of the Dahuabei granite pluton（After Reference［30］）

具体而言，图12～14中，粗粒正长花岗岩形成于伸展环境或接近伸展环境，中细粒二长花岗岩、斑状中粗粒二长花岗岩更靠近同碰撞或挤压环境，其他岩石类型处于两者之间的过渡环境.

5 结论

大桦背花岗岩为分异型I型花岗岩，正长花岗岩演化分异程度高于二长花岗岩，相同岩性粒度粗的岩石演化程度高于粒度细的，花岗斑岩演化程度不高，岩体的细分有助于花岗岩成因内幕细节的揭示.大桦背花岗岩属于高钾钙碱性岩浆系列.它形成于海西期早石炭世古亚洲洋板块向华北板块俯冲晚期的同碰撞-后碰撞过渡阶段.该阶段俯冲板片插入地幔脱水熔融，致使地幔因体积增加而上涌.另外，俯冲挤压使陆壳水平缩短，垂向加厚，中下地壳、成熟岛弧和大洋岛弧大面积部分熔融，伴有少量地幔与未知含量的海洋沉积物及早期造山作用产物等物质的不同程度混合作用，于构造有利部位形成大桦背花岗岩.大桦背花岗岩的形成，也进一步印证了华北板块北缘陆缘弧增生的事实.

［1］邱检生，肖娥，胡建，等.福建北东沿海高分异I型花岗岩的成因：锆石U-Pb年代学、地球化学和Nd-Hf同位素制约［J］.岩石学报, 2008,24（11）:2469—2482.

［2］朱弟成，莫宣学，王立全，等.西藏冈底斯东部察隅高分异I型花岗岩的成因:锆石U-Pb年代学、地球化学和Sr-Nd-Hf同位素制约束［J］.中国科学：D辑（地球科学）,2009,39（7）:833—848.

［3］Li X H,Li Z X,et al.U-Pb Zircon,geochemical and Sr-Nd-Hf isotopic constraints on age and origin of Jurassic I-and A-type granites from central Guangdong,SE China:A major igneous event in response to foundering of a subducted flat-slab?［J］.Lithos,2007,96:186—204.

［4］Maniar P D,Piccoli P M.Tectonic discrimination of granitoids［J］.Geol Soc Am Bull,1989,101:635—643.

［5］Peccerillo R,Taylor S R.Geochemistry of Eocene caleal-kaline volcanic rocks from the Kastamonu area,Northern Turkey［J］.Contrib Mineral Petrol,1976,58:63—81.

［6］Bonin B.A-type granites and related rocks:Evolution of a concept, problems and prospects［J］.Lithos,2007,97（1/2）:1—29.

［7］Sun S S,McDonough W F.Chemical and isotopic systematic of oceanic basalts:Implicationforthemantlecompositionandprocesses［A］//Saunders A D,Norry M J,eds.Magmatism in the Ocean Basins.Geol Soc London Spec Publ,1989,42:313—345.

［8］刘建峰，迟效国，张兴洲，等.内蒙古西乌期南部石炭纪石英闪长岩地球化学特征及其构造意义［J］.地质学报,2009,83（3）:365—374.

［9］Kelemen P B,Hangh K,Greenem A R.One view of the geo-chemistry of subduction-related magmatic arcs,with an emphasis on primitive andesite and lower crust［A］//Rudnick R L,ed.Treatise on Geochemistry, 2003,3:593—659.

［10］赵振华.微量元素地球化学原理［M］.北京：科学出版社,1997:71—80.

［11］Taylor S R,McLennan S M.The continental crust:Its composition and evolution［R］.Oxford:Blackwell,1985:1—312.

［12］Zhang S H,Zhao Y,Song B,et al.Constrasting Late Carboniferous and Late Permian-Middle Triassic intusive suits from the northen margin of the North China craton:Geochronology,petrogenesis,and tectonic implications［J］.Geological Society of America Bulletion,2009,121: 181—200.

［13］陈衍景，翟明国，蒋少涌.华北大陆边缘造山过程与成矿研究的重要进展和问题［J］.岩石学报,2009,25（11）:2704—2705.

［14］苗来成，YuminQIU,关康，等.内蒙古乌拉山地区大桦背岩体SHRIMP锆石U-Pb年代学研究［J］.地质论评,2001,47（2）:169—173.

［15］李大鹏，陈岳龙，王忠，等.内蒙古乌拉山地区大桦背岩体中锆石LA-ICPMS研究与成岩过程模拟［J］.自然科学进展,2009,19（4）: 400—410.

［16］章永梅.内蒙古柳坝沟-哈达门沟金矿田成因、控矿因素与找矿方向［D］.北京：中国地质大学,2012:82—115.

［17］周坤.内蒙古哈德门沟金矿床地质特征及成因探讨［J］.黄金，1995, 16（10）:162—166.

［18］中国人民武装警察部队黄金指挥部.内蒙古自治区哈德门沟伟晶岩金矿地质［M］.北京：地质出版社,1995:85—87.

［19］Chappell B W,White A Jr.Two constrasting granite types［J］.Pacific Geol,1974,8:173—174.

［20］Whalen J B,Currie K L,Chappell B W.A-type granites:Geochemical characteristics,discrimination and petrogenesis［J］.Contributions to Mineralogy and Petrology,1987,95（4）:407—419.

［21］Miller C F,McDowell S M,Mapes R W.Hot and cold granites? Implication of zircon saturation temperatures and preservation of inheritance［J］.Geology,2003,31:529—532.

［22］肖娥，邱检生，徐夕生，等.浙江瑶坑碱性花岗岩体的年代学、地球化学及其与构造指示意义［J］.岩石学报,2007,23（6）:1431—1440.

［23］聂凤军，裴荣富，吴良士，等.内蒙古乌拉山石英－钾长石脉金矿床铅和硫同位素研究［J］.矿床地质,1994,13（2）:106—116.

［24］邹天人.乌拉山金矿田岩浆活动与金的成矿关系［R］.中国地质科学院矿床地质研究所,1995.

［25］陈纪明，刘纲，等.内蒙古乌拉山-大青山绿岩型金矿床地质［M］.北京：地质出版社,1996:42—62.

［26］ZartmanRE,DoeBR.Plumbotectionics—themodel［J］.Tectonophysics, 1981,75（1/2）:135—162.

［28］Batchelor R A,Bowden P.Petrogenetic interpretation of granitoid rock seriesusingmulticationicparameters［J］.ChemGeol,1985,48:43—55.

［29］Pearce J A,Harris N B W,Tindle A G.Trace element discrimination diagrams for the tectonic interpretation of granitic rocks［J］.J.Petrol, 1984,25:956—983.

［30］Brown G C.Calc-alkaline intrusive rocks:Their diversity,evolution and relationtovolcanicarcs［A］//ThorpeRS,ed.Andesites-orogenic andesites and related rocks.New York:John Wiley and Sons,1982:437—464.

GEOCHEMICAL CHARACTERISTICS AND PETROGENETIC IMPLICATION OF THE I-TYPE DAHUABEI GRANITE PLATON IN INNER MONGOLIA

ZHANG Hui1,DAI Chao-cheng1,YAN Qiu-shi2,WANG Xin-liang3,SHI Guo1,CHEN Wen-wen1,HU Zhi-cheng4
（1.Department of Earth Sciences,East China Institute of Technology,Nanchang 330013,China;2.Department of Nuclear Engineering and Technology, Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China;3.Inner Mongolia Institute of Geology and Miner Resource Exploration,Hohhot 010010,China; 4.Department of Earth Sciences,Yangtze University,Wuhan 430100,China）

Based on the regional geological and lithological study,the paper reports and analyzes some data of samples obtained from the Dahuabei granite pluton,including major and trace elements.Combining with previous zircon dating results and Pb isotopic data,it is concluded that the Dahuabei pluton belongs to I-type granite,which is the product of partial melting of middle and lower crust,mature island arc and oceanic island arc in large area during the multiple subduction processes of the Pale-Asian oceanic plate toward the North China plate,associated with the mixture of a little mantle magma,unknown amount of oceanic sediments and earlier orogenic products.

element geochemistry;I-type granite;mixed sources of mantle and crust;transitional mechanism of subduction;Dahuabei granite pluton;Inner Mongolia

1671-1947（2015）01-0012-09

P595

A

2014－03－10；

2014-04-09.编辑：李兰英．

国土资源部“大兴安岭成矿带南段地质矿产调查”项目（1212011120718）和东华理工大学博士基金（DHBK201118）联合资助.

张辉（1987—），男，硕士研究生，地质工程专业，通信地址江西省南昌市昌北国家经济技术开发区广兰大道418号.

戴朝成（1980—），男，副教授，岩石学、矿物学、矿床学方向，通信地址江西省南昌市昌北国家经济技术开发区广兰大道418号，E-mail// daichaocheng@qq.com