兴蒙造山带中段沙麦花岗岩成因分析

王辉，李强，陈霜

（核工业二〇八大队，内蒙古包头014010）

兴蒙造山带中段沙麦花岗岩成因分析

王辉，李强，陈霜

（核工业二〇八大队，内蒙古包头014010）

对沙麦花岗岩岩体进行主量、微量、稀土元素和Nd-Sm同位素地球化学特征分析，主量元素显示为高钾钙碱性、过铝质，且P2O5随SiO2含量增加而含量降低；微量元素显示大部分Y/Ho与Ⅰ型花岗岩演化趋势一致；稀土元素显示具有Eu负异常且Nb/Ta、K/Rb比值均小于相应的最高阀值，说明其经历了高度分离结晶作用。岩石Nd-Sm同位素特征显示大部分样品εNd（t）＞0，正值被认为成岩物质来自地幔，结合花岗岩浆的演化特征进行综合分析，判定沙麦花岗岩的成因类型为I型花岗岩。

沙麦花岗岩；高度分离结晶；Ⅰ型花岗岩

兴蒙造山带是一条构造岩浆活动复杂的巨型造山带，它记录了显生宙以来的陆壳生长过程，之后在环太平洋构造域和蒙古—鄂霍茨克构造域叠加的强烈改造作用下大规模发育具有正εNd（t）值特征的花岗岩，沙麦花岗岩就是白垩纪侵入的酸性岩岩基。由于花岗岩体经历高度分离结晶后，其微量元素等地球化学性质变化不明显，从而造成成因类型判定上的困难，以至于出现误判。笔者通过详细研究沙麦花岗岩的主量、微量、稀土元素的丰度、分布模式及其演化机理，结合岩石同位素特征进行综合分析，认为沙麦花岗岩的成因类型为Ⅰ型花岗岩。

1 区域地质概况

研究区大地构造位置处于兴安地槽褶皱系东乌珠穆沁旗早华力西地槽褶皱带的中东部，位于兴蒙造山带的东段，构造线以北东-北北东向为主，主要出露泥盆系和古、新近系等，上泥盆统上部安格音乌拉组为一套陆相及滨海相砂板岩沉积组合，以泥质粉砂岩、板岩、细砂岩、砂岩为主，局部地段含凝灰岩透镜体；古、新近系为土黄色砂砾岩、泥岩夹红色黏土。沙麦花岗岩位于查干敖包—五叉沟深大断裂北侧，出露于东乌珠穆沁旗北西40 km，长轴为北北东向，长110 km，宽20～80 km，出露面积2 700 km2，为一复式岩基［1］。沙麦岩体以中细粒黑云母二长花岗岩和细粒似斑状黑云母二长花岗岩为主，同时在花岗岩体内部可见花岗伟晶岩脉和花岗斑岩脉。中细粒黑云母二长花岗岩主要分布在岩体的边缘，约占岩体出露面积的三分之二，层节理发育，倾向西北，倾角5°～15°。花岗结构，粒径变化于0.2～5 mm之间，主要由钾长石（25%～30%）、斜长石（30%～35%）、石英（25%～35%）和黑云母（5%～10%）组成；副矿物有榍石、独居石、锆石、磷灰石、萤石和钛铁氧化物等。细粒似斑状黑云母二长花岗岩断续分布在岩体的轴部，约占岩体出露面积的三分之一，流面构造比较发育，西侧面流面产状倾向350°，倾角小于10°；东侧倾向110°，倾角28°。反映岩体为向北西倾斜的背斜状，属中深成相，剥蚀深度不大。似斑状结构，局部见钾长石与石英交生的文象结构，斑晶的粒径在3～8 mm之间，占岩石总量的30%～40%左右，基质粒径一般在0.5～1 mm之间，岩石主要由钾长石（30%～35%）、斜长石（25%～30%）、石英（25%～30%）和黑云母（5%～10%）组成，副矿物有榍石、锆石、磷灰石、萤石、黄玉和钛铁氧化物等。花岗斑岩脉近东西向穿过岩体。斑岩脉宽度从几十厘米到几米。具斑状构造，斑晶主要由钾长石、斜长石、石英和黑云母组成，钾长石斑晶呈自形板状，具卡氏双晶，石英斑晶呈自形等轴粒状，常可见被熔蚀的港湾；基质成分以霏细物为主，长石板条微晶次之，黑云母呈小叶片状均匀分布，副矿物有锆石和磷灰石。中细粒黑云母二长花岗岩和细粒似斑状黑云母二长花岗岩之间呈渐变过渡关系，两者分带并不明显（图1）。

图1 沙麦花岗岩地质略图Fig.1Geological sketch of Shamai granite pluton

野外观察到花岗斑岩形态不规则，呈岩枝状穿入细粒似斑状黑云母二长花岗岩和中细粒黑云母二长花岗岩，但仔细观察发现，在花岗斑岩和细粒似斑状黑云母二长花岗岩或中细粒黑云母二长花岗岩的接触带，有源于后者的石英细脉穿入花岗斑岩中。结合岩石化学数据和微量元素数据可知，沙麦岩体的演化程度应为花岗斑岩-细粒似斑状黑云二长花岗岩-中细粒黑云母花岗岩。宏观上，中细粒黑云母二长花岗岩和细粒似斑状黑云母二长花岗岩中的石英脉体与钨矿化关系更为密切。

2 花岗岩地球化学特征

2.1 主量元素

表1 沙麦花岗岩主量元素、微量元素和稀土元素含量及参数特征［2］Table 1Major elements，trace elements and REE contents and characteristics parameters of Shamai granite pluton［2］

沙麦花岗岩的主量元素和微量元素测定结果见表1。由表1可见，沙麦花岗岩在主量元素组成上表现为SiO2＝73.55%～76.10%，Al2O3＝12.86%～13.98%，MgO＝0.05%～0.30%，K2O＝2.68%～7.53%，中细粒黑云母二长花岗岩K2O/Na2O＝0.69～0.90，平均0.77；似斑状黑云母二长花岗岩K2O/Na2O＝1.38～4.16平均2.31；CIPW标准矿物计算结果，刚玉（C）含量为1.26%～4.24%。仅有两个样品的铝饱和指数（A/CNK）为1.08，其余样品均在1.10～1.40之间，平均为1.16，表明它们主要为强过铝质岩石。SiO2-K2O图解（图2）上，6个样品投点中有3个落入高钾钙碱性系列，属高钾钙碱性过铝质花岗岩。

图2 K2O-SiO2图解Fig.2diagram of K2O-SiO2

2.2 微量及稀土元素

在微量元素组成上，沙麦花岗岩明显地富集Rb、Th、U、Pb，亏损Ba、Nb、Sr、P、Ti等（图3），Nb/Ta＝1.86～5.64；K/Rb＝ 35.81～101.73；Y/Ho有4个样品比值为29.59～44.80，2个样品比值为20.88～26.03。

图3 沙麦花岗岩岩体微量元素蛛网图Fig.3Spider diagram of trace elements of Shamai granite pluton

在稀土元素组成上，沙麦花岗岩稀土总量为（151.73×10-6～336.45×10-6），LREE/ HREE在1.76～9.59之间。稀土元素球粒陨石标准化配分曲线（图4）形态基本平缓（La/ YbN＝0.87～8.24），呈现重稀土相对富集特征；铕元素具有十分强烈的负异常（δEu＝0.02～0.13）。

图4 沙麦花岗岩体稀土元素球粒陨石标准化图Fig.4Chondrite-normalized REE pattern of Shamai granite pluton

2.3 Nd-Sm同位素

6个样品的Sm、Nd同位素分析结果列于表2。

表2显示，6个同位素样品中，Sm/Nd＝0.25～0.58；147Sm/144Nd＝0.152 7～0.349 6，有超过半数的样品大于球粒陨石均一库的初始值（0.196 7）；富集系数（Sm/Nd）中细粒黑云母二长花岗岩为0.28～0.42，似斑状黑云母二长花岗岩为-0.22～0.78，说明中细粒黑云母二长花岗岩Sm、Nd有一定的分异，而似斑状黑云母二长花岗岩Sm、Nd分异变化较大，可以认为似斑状黑云母二长花岗岩的Sm、Nd同位素体系较好地记录了源岩的特征；有5个样品εNd（t）在6.79～14.13之间，只有1个样品为-1.67。在二阶段模式下，沙麦花岗岩的t2DM的模式年龄为1 048.42～275.79 Ma。

3 花岗岩浆的演化特征

从花岗岩的分布和接触关系能够看出，花岗斑岩形态不规则，呈岩枝状穿入细粒似斑状黑云母二长花岗岩和中细粒黑云母二长花岗岩。但仔细观察发现，在花岗斑岩和细粒似斑状黑云母二长花岗岩或中细粒黑云母二长花岗岩之接触带中，有源于后者的石英细脉穿入花岗斑岩中。结合岩石化学数据从花岗斑岩到似斑状黑云二长花岗岩到中细粒黑云二长花岗岩，镁铁质组分含量减小，长英质组分含量增加。则认为沙麦花岗岩体的演化程度应为花岗斑岩-细粒似斑状黑云二长花岗岩-中细粒黑云二长花岗岩。这些似乎矛盾的现象只能用岩浆后期亚固相下的熔体-溶液的作用来解释。沙麦花岗岩体存在两类花岗岩：第1类为花岗斑岩和细粒似斑状黑云母二长花岗岩，它们是岩浆期的产物；第2类为中细粒黑云母二长花岗岩，是岩浆后期渗浸作用之产物。很可能，在花岗岩主体形成之后，岩浆演化并未结束，在相对更为封闭的条件下，中细粒黑云母二长花岗岩粒内熔体-溶液继续对已形成的花岗岩主体发生作用，导致花岗斑岩-细粒似斑状黑云二长花岗岩-中细粒黑云母二长花岗岩的顺序。

从稀土元素的球粒陨石配分曲线上可以看到，Eu元素出现了较为醒目的负异常，这说明花岗岩浆经历了斜长石和或钾长石的分离结晶作用。因为Eu的离子半径与长石晶格相当，在长石中具有很高的分配系数，因而长石结晶时Eu进入了长石晶格，从而造成熔体中强烈亏损Eu元素。这种强烈亏损Eu元素的花岗质熔体显然是经历了高程度分离结晶作用后的残留熔体，是源岩浆经历了强烈的分离结晶作用的充分表现。

Nb、Ta、Rb、K等不相容元素的比值也能说明花岗质岩浆的高度演化特征。因为它们的离子半径存在差异（Ta5＋（0.73A）＞Nb5＋（0.70A），Rb＋（1.52A）＞K＋（1.38A）），具有较大离子半径的元素将与氧形成相对更强的化学键，进而更容易争夺到熔体中的非桥氧而倾向保留在熔体中，使得在岩浆的分异演化过程中Nb/Ta和K/Rb比值逐渐降低，当Nb/Ta＜9.9，K/Rb＜200时，即表现为高度演化特征。沙麦花岗岩的Nb/Ta、K/Rb比值均小于相应的最高阀值，因而说明其经历了高度的分离结晶作用。

表2 沙麦花岗岩Sm-Nd同位素特征Table 2Sm-Nd isotopic characteristics of Shamai granite pluton

4 花岗岩成因类型

经典的花岗岩成因模式为地壳物质的部分熔融（Collins et al.，1982；Whalen et al.，1987），而板内及碰撞后花岗岩也可以由大陆岩石圈地慢的熔融或者地慢岩浆与地壳物质混合而成（Jung et al.，1998；Goodenough et al.，2000）。通过花岗岩的地球化学和岩浆的演化特征及岩石同位素组成的分析研究表明，沙麦花岗岩的成因类型为Ⅰ型花岗岩，其主要证据有：

S型花岗岩是地壳中变质沉积岩熔融的结果，但岩石样品的Nd同位素组成中6个样品有5个样品的εNd（t）大于零，这一结果着实让人费解。在人们的固有认识里，εNd（t）的正值被认为成岩物质来自地幔，负值则被认为来自地壳。据此，沙麦花岗岩应主要是地幔成因的。吴福元等（1999）指出该带上的花岗岩起源于地慢镁铁质岩浆以底侵方式就位于年轻地壳底部的壳慢混合花岗岩，聂风军（2007）根据εNd（t）值推断沙麦花岗岩属壳-慢混合岩浆在其上升过程中同化混染了古老的泥质岩［3］。研究表明，地幔只能分异出少量的斜长花岗岩，若大的岩基恐难为之。近年来，基于UPb年龄和同位素的研究发现，许多强过铝质花岗岩和流纹岩（包括S型花岗岩），它们并不是单纯的地壳熔体，而是幔源物质与壳源物质的混合。可见幔源物质是岩基的主要组分，壳源物质仅仅是次要组分，其岩石类型归属应依照主要物质组分而定。现代研究发现，地壳沉积物在受幔源岩浆改造重熔的过程中，其物质贡献的减少也可以造成S型花岗岩浆成分转变为Ⅰ型花岗岩浆，沙麦花岗岩基应属此种情形。因此，沙麦花岗岩体当属高分异的Ⅰ型花岗岩。

此外，研究表明，在岩浆演化／混染过程中同位素受到的影响最大，因为同位素最容易在熔体中达到平衡。那么，高分异花岗岩在演化过程中是否对Nd同位素构成了影响？DePaolo曾指出，Sm、Nd的地球化学性质非常相似，在岩浆分异演化过程中两元素具有近乎相同的变化趋势，因而岩浆的分异演化对花岗质岩石的Sm/Nd比值影响不构成显著的、能够引起感知的变化。这也是Nd同位素被广泛用于高分异演化花岗岩的源区判别的原因［4］。

研究进一步指出，不同类型（I、S和A型）的高分异花岗岩趋近于最低共熔点时，其矿物组合和化学成分都具有相似的地球化学特征，微量元素行为尤其如此，因而很难区分成因类型。沙麦花岗岩的高分异演化特征是造成岩石类型误判的主要因素。因此，对于高分异花岗岩来说，利用微量元素的一些特征判别岩石类型是有风险的，需谨慎甄别。

5 结论

1）依据沙麦花岗岩的高度演化特征及同位素组成分析，认为沙麦花岗岩的成因类型为I型花岗岩。

2）地球化学和全岩Sm-Nd同位素研究表明，沙麦花岗岩的物质主要来自幔源，同时具有少量比例壳源物质的参与，并在随后的岩浆高度结晶分异过程中部分地显示出S型花岗岩的一些地球化学特征，但仍然属以幔源特征为主的Ⅰ型花岗岩。

［1］内蒙古自治区地质矿产局.内蒙古自治区区域地质志［M］.北京：地质出版社，1991.

［2］胡朋.内蒙古沙麦钨矿床地质与地球化学初步研究［D］.西安：西北大学，2004.

［3］欧洋，卢炳雄，姚远，等.内蒙古东乌旗沙麦地区花岗岩岩体地球化学特征［J］.科技传播，2014（10）：135-136.

［4］D J Depaolo.Neodymium Isotope Geochemistry［M］. New York：Springer-verlag Berlin Heidelberg，1988.

Analysis on genesis of Shamai granite in middle Xingmeng orogenic belt

WANG Hui，LI Qiang，CHEN Shuang

（Geological Party No.208，CNNC，Baotou，Inner Mongolia 014010，China）

Studies were focused on the major，trace and rare earth element and Nd-Sm isotope geochemical characteristics of Shamai granite pluton.Major elements were characterized as high-k Calc-alkaline，peraluminous，negative relation between P2O5and SiO2content with most trace elements show the same Y/Ho evolution trend asⅠ-type Granites.Rare-earth element have a negative Eu anomaly and Nb/Ta，the K/Rb ratio is lower than the corresponding maximum thresholds，which suggestthegraniteexperiencedahighdegreeoffractionalcrystallization.Nd-Smisotope characteristics shew that most samples εNd（t）＞0，which is considered the derived mantle diagenetic material.Combined with a comprehensive analysis granite evolution，granite genetic types of Shamai was judged asⅠ-type granites.

Shamai granite；high fractional crystallization；Ⅰ-type granite

P581

A

1672-0636（2016）04-0204-06

10．3969/j．issn．1672-0636．2016．04．003

2015-11-11；

2016-06-27

王辉（1974—），男，内蒙古察右前旗人，高级工程师，主要从事矿产勘查和研究工作。E-mail：244548646@qq.com