内蒙古西乌旗晚石炭世–早二叠世伸展事件—— 来自大石寨组火山岩的证据

李红英, 周志广, 李鹏举, 张　达, 柳长峰,陈　诚, 陈利贞, 谷丛楠(.四川理工学院 经济学院, 四川 自贡 6000; .中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院, 北京 0008; .河北省区域地质矿产调查研究所, 河北 廊坊 065000; .天津华北地质勘查局, 天津 0070)

内蒙古西乌旗晚石炭世–早二叠世伸展事件—— 来自大石寨组火山岩的证据

李红英1, 周志广2*, 李鹏举1, 张达2, 柳长峰2,陈诚2, 陈利贞3, 谷丛楠4
(1.四川理工学院 经济学院, 四川 自贡 643000; 2.中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院, 北京 100083; 3.河北省区域地质矿产调查研究所, 河北 廊坊 065000; 4.天津华北地质勘查局, 天津 300170)

内蒙古西乌旗地区发育一套中酸性火山岩, 空间展布特征显示其为大石寨组火山岩的西延部分。为查明该火山岩的形成时代及构造属性, 对其进行了岩石学、年代学和岩石地球化学研究。研究结果表明该火山岩主要由安山岩及流纹岩组成。锆石LA-MC-ICP-MS U-Pb定年结果显示其喷发时代为275～311 Ma, 属晚石炭世–早二叠世。岩石地球化学特征表明中性岩富钙贫镁, 富集LREE及K、Rb、Ba, 亏损Nb、Ta, 具有弱Eu异常, 安山质岩浆可能是由基性岩浆分离结晶形成的, 但在形成过程中受到了陆壳物质混染。酸性岩贫钙镁, 富硅碱, 具有显著的Eu负异常, 亏损Nb、Ta、Sr、P、Ti, 反映岩石成因与中下地壳的熔融及其后期的分离作用有关。在构造判别图解中, 中性岩具有板内玄武岩特征, 而酸性岩具有A2型花岗岩特征。结合区域已发表资料推断, 西乌旗大石寨组火山岩形成于造山后伸展环境, 暗示古亚洲洋至少在早二叠世之前已经闭合。

年代学; 岩石地球化学; 构造意义; 大石寨组; 西乌旗; 古亚洲洋

0　引　言

兴蒙造山带是西伯利亚板块与华北板块之间的一条巨型复合造山带(Sengör et al., 1993; Windley et al., 2007; Xu et al., 2013), 属于中亚造山带东段(Xiao et al., 2003), 显生宙以来经历了岛弧、弧前或弧后盆地、各微陆块及洋壳的碰撞拼合(Sengör et al., 1993; Xiao et al., 2003; Li, 2006), 以大规模年轻地壳增厚为特征(唐克东, 1989; Hong et al., 1996; Jahn et al., 2009; Zhang et al., 2014)。研究兴蒙造山带内出露的古生代岩浆岩可以为探讨地壳增生方式和兴蒙造山带的演化提供有力证据(Jian et al., 2008; Zhang et al., 2009; Wu et al., 2011; Liu et al., 2013; Zhang et al., 2014)。大石寨组火山岩是内蒙古东部出露面积最大的晚古生代火山岩, 对它的研究为探讨晚古生代古亚洲洋的演化提供了重要证据(唐克东, 1989;岳永君和何国琦, 1993; 苏养正, 1996; 高德臻和蒋干清, 1998; 吕志成, 2002; 陶继雄等, 2003; 赵芝, 2008; Zhang et al., 2008, 2014; 刘建峰, 2009; 陈彦等, 2014)。

对于大石寨组火山岩的形成背景存在较大争议,有学者认为其形成于裂谷、裂陷槽环境或造山后的伸展背景下, 暗示古亚洲洋在早二叠世之前已经闭合(唐克东, 1989; 岳永君和何国琦, 1993; 苏养正, 1996; Zhu et al., 2001; 吕志成等, 2002; Zhang et al., 2008; 晨辰等, 2012); 也有学者认为它是岛弧或活动大陆边缘弧背景下的产物(高德臻和蒋干清, 1998; 陶继雄等, 2003; 赵芝, 2008; 刘建峰, 2009),支持这一观点的学者认为古亚洲洋闭合时间晚于早二叠世。

本文报道了西乌旗地区大石寨组火山岩岩石学、岩石地球化学及锆石U-Pb年代学特征, 并对其形成时所处的大地构造背景进行讨论, 为准确厘定火山岩岩石组合、约束其形成时代、探讨古亚洲洋的闭合时间及兴蒙造山带的演化提供了新的依据。

1　地质背景与岩石学特征

西乌旗地处兴蒙造山带的中段, 夹持于二连–贺根山断裂与索伦山–西拉木伦河断裂之间(图 1a),属于晚古生代褶皱带(Zhu et al., 2001)。区内出露的最老地层为上石炭统本巴图组碎屑岩与阿木山组碳酸盐岩, 二者为断层接触。下二叠统大石寨组火山岩与阿木山组呈正断层接触, 断层面北倾, 倾角在40°～42°之间, 大石寨组与下二叠统寿山沟组碎屑岩亦呈正断层接触。大石寨组火山岩被上三叠统火山岩角度不整合覆盖(图 1b), 局部地区可见二者呈正断层接触, 断层面北倾, 倾角约40°。上三叠统火山岩与侏罗系火山岩呈正断层接触, 被下白垩统梅勒图组玄武岩角度不整合覆盖(图 1b)。上石炭统本巴图组碎屑岩与阿木山组碳酸盐岩分别被晚石炭世石英闪长岩和晚二叠世正长花岗岩侵入。

研究区内大石寨组火山岩主要出露于乌力牙斯台达郎及巴彦青敖包地区, 总体呈NE向展布, 根据岩石组合可分为上下两段。下段以安山岩为主, 含少量英安岩、安山质晶屑岩屑熔结凝灰岩和流纹岩;上段以流纹岩为主, 含少量霏细状英安岩。整体以酸性岩占主导。

图1　研究区大地构造位置图(a, 据张兴洲等, 2006 改编)和地质简图(b, 据内蒙古西乌珠穆沁旗巴拉格尔幅、阿拉腾郭勒幅1∶5万地质图改编)Fig.1　Tectonic outline (a) and regional geologic map (b) of the study area

酸性岩主要包括灰白色流纹岩、霏细状流纹岩、球粒状流纹岩及霏细状英安岩(图2)。流纹岩多为斑状结构, 块状构造, 斑晶为斜长石和钾长石, 粒度0.3～1.5 mm, 含量>5%; 基质主要由霏细状长英质(50%)、隐晶状长英质(40%)及次生显微鳞片状绢云母(<5%)构成。英安岩为斑状结构, 块状构造, 斑晶为半自形厚板状斜长石(5%), 粒径 0.3～0.5 mm, 绢云母化。基质由霏细状长英质(60%)、微嵌晶状长英质(30%)构成, 含少量次生绢云母。球粒状流纹岩为少斑状结构、基质为球粒–微嵌晶状结构, 块状构造。斑晶为钾长石(<5%)和少量斜长石, 钾长石粒径 0.5～ 1.5 mm, 半自形板状, 高岭土化。基质由0.2～0.5 mm球粒状长英质集合体(50%)、微嵌晶状长英质(30%)和隐晶状长英质(15%)构成。

中性岩主要为安山岩, 具有斑状结构、块状构造, 斑晶主要为斜长石(5%～10%)和少量暗色矿物假象, 斜长石半自形板状, 部分发生绢云母化、碳酸盐化、高岭土化, 粒径约0.2～1.8 mm, 偶见环带构造。基质主要为微晶板条状斜长石(50%)、长英质(25%)和暗色矿物假象(10%), 粒度<0.2 mm。岩体内发育少量杏仁体(<3%), 不规则状, 大小约0.05～0.8 mm,充填沸石、次生石英及褐铁矿等。

2　实验方法

本次研究分别采集流纹岩、安山岩、英安岩及安山质岩屑晶屑凝灰岩样品进行锆石 LA-MC-ICPMS U-Pb测年, 并对安山岩及流纹岩进行岩石地球化学分析。其中岩石地球化学分析、锆石碎样及挑选工作均由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。主量元素测试在 X射线荧光光谱仪(XRF)上进行, 分析精度>1%。微量元素采用X Serises 2 电感耦合等离子体质谱 ICP-MS分析方法, 分析精度均优于5%。锆石U-Pb同位素年龄分析在天津矿产地质调查研究所完成, 锆石定年分析所用仪器为Neptune型LA-MC-ICP-MS仪器, 利用193 nm激光器对锆石进行剥蚀, 激光剥蚀斑束直径为 35 μm,激光剥蚀样品的深度为20～40 μm。采用TE-MORA和GJ-1作为外部锆石年龄标准进行U-Pb同位素分馏校正, 利用 NIST612玻璃标样作为外表皮计算锆石样品的Pb、U、Th含量, 具体实验方法见耿建珍等(2012)。数据处理采用 ICPMSDataCal程序(Liu et al., 2008), 年龄计算及谐和图绘制采用 Isoplot(3.0版)(Ludwig, 2003)软件完成。

图2　西乌旗地区大石寨组火山岩显微照片Fig.2　Photomicrographs of pyromeride in the Dashizhai Formation from Xi Ujimqin Qi

3　实验结果

3.1锆石U-Pb年代学

对西乌旗地区大石寨组 5个火山岩样品进行锆石U-Pb测年。锆石阴极发光图像见图3, 年代学测试结果见表1及图4。

样品PM001-32TW(N44°22′24″, E117°37′20″)为霏细状英安岩, 锆石为短–长柱状, 粒径50～100 μm, 具有清晰的振荡环带。25个测点的Th/U比介于0.06～0.79之间, 18个测点的Th/U比大于0.4。除测点4, 其余24个测点均在谐和线上及附近,206Pb/238U加权平均年龄为285.7±1.2 Ma (n=24), MSWD= 1.8(图4a)。

样品 PM018-3TW(N44°23′09″, E117°42′34″)为安山质晶屑岩屑熔结凝灰岩, 锆石呈短–长柱状, 粒径50～100 μm, 具有清晰的振荡环带。20个测点的Th/U比介于0.33～1.31之间, 18个测点的Th/U比大于0.4。20个测点的206Pb/238U年龄有多个区间, 其中 282～283 Ma之间的有 9个, 加权平均值为282.1±1.5 Ma (MSWD=0.02), 305～330 Ma之间有6个, 为两个主要年龄峰值, 此外还包括早石炭世(359 Ma, 378 Ma)、早奥陶世(467 Ma)及新元古代(897 Ma, 985 Ma) (图4b)。

PM030-19TW(N44°25′29″, E117°46′29″)为霏细状流纹岩, 锆石呈半自形–自形, 短柱状, 粒径40～100 μm,多数具有清晰的振荡环带。24个测点的 Th/U为0.44～0.76，所有测点均落在谐和线上,206Pb/238U加权平均年龄为286.5±0.9 Ma (n=24, MSWD=0.43) (图4c)。

样品PM005-4TW(N44°23′54″, E117°45′43″)为安山岩, 锆石呈自形–半自形, 短–长柱状, 粒径80～120 μm之间, 具有清晰的振荡环带。除测点15、16外, 其余测点Th/U比值介于0.53～1.11之间。除去3个测点偏离谐和线较远, 其余15个均在谐和线上, 其中14个测点分布集中,206Pb/238U 加权平均年龄为 310.9±2.2 Ma (n=14, MSWD=1.6), 剩余一个测点207Pb/206Pb年龄为1069 Ma, 为捕获锆石年龄(图4d)。

样品D1020-TW(N44°23′55″, E117°42′55″)为灰白色球粒流纹岩, 锆石呈自形–半自形, 多数为长柱状, 长宽比约2∶1, 粒径约80～130 μm, 多数锆石具有清晰的振荡环带, 25个测点中19个测点的Th/U介于0.42～0.74。其中2个测点可能由于铅丢失均落在谐和线下方, 偏离谐和线较远, 剩余23个测点均落在谐和线上或附近,206Pb/238U 加权平均年龄为274.9±1.0 Ma (n=23, MSWD=1.6) (图4e)。

图3　内蒙古西乌旗地区大石寨组火山岩锆石阴极发光图及测点年龄(Ma)Fig.3　CL images of zircons from volcanic rocks in the Dashizhai Formation from Xi Ujimqin Qi, Inner Mongolia

表1　内蒙古西乌旗地区大石寨组火山岩锆石U-Pb数据表Table 1　U-Pb isotopic compositions of volcanic rocks in the Dashizhai Formation from Xi Ujimqin Qi, Inner Mongolia

续表1:

续表1:

3.2岩石地球化学特征

如表2所示, 除样品PM018-3(安山质岩屑晶屑熔结凝灰岩)因发生碳酸盐化, 烧失量较大, 不适合用TAS图解进行岩石分类。剩余样品的SiO2含量介于56.49%～78.17%之间, 为中酸性岩。在TAS图解(图 5a)中主要落入安山岩和流纹岩区域, 仅一个样品落入英安岩区域内, 属亚碱性系列, 与 Nb/Y-Zr/TiO2岩石分类图解(图 5b)的投图结果基本一致。中性岩SiO2含量较高(56.49%～63.67%), 具有富钙(2.15%～ 8.64%, PM005-7除外)、贫镁(1.26%～2.67%)的特征。酸性岩具有高的SiO2(75.14%～78.17%)和K2O(3.45%～ 7.48%), 低CaO(0.1%～0.41%)和MgO(0.06%～0.42%)特征。在 SiO2-(K2O+NaO2−CaO)图解(图 5c)中, 样品主体落入钙碱性–碱钙性区域内。在SiO2-K2O图解中(图5d), 中性岩样品主体落入钙碱性系列区域内, 酸性岩样品主要落入高钾钙碱性系列和钾玄岩系列区域内。

中性 火 山岩 稀土总 量ΣREE=74.15×10–6～ 155.12×10–6, LREE/HREE=3.08～3.95, (La/Yb)N= 2.36～ 3.67, 轻稀土富集, 重稀土相对亏损, 稀土配分曲线呈弱右倾型(图6a); δEu=0.76～0.93, 具弱Eu负异常。酸性岩稀土元素总量比中性火山岩高(ΣREE=137.01× 10–6～277.56×10–6), LREE/HREE=3.83～ 5.10, 轻重元素分馏明显, (La/Yb)N=3.18～4.75, Eu强烈亏损(δEu= 0.30～0.49), 反映了岩浆演化过程中斜长石等矿物的分离结晶(Rollison, 1993)。

图4　内蒙古西乌旗地区大石寨组火山岩锆石年龄谐和图与加权平均年龄图Fig.4　U-Pb concordia and weighted average age diagrams from volcanic rocks in the Dashizhai Formation from Xi Ujimqin Qi, Inner Mongolia

表2　内蒙古西乌旗地区大石寨组火山岩主量元素(%)和微量元素(×10–6)分析结果Table 2　Major (%) and trace element (×10–6) compositions of volcanic rocks in the Dashizhai Formation from Xi Ujimqin Qi, Inner Mongolia

续表2:

在微量元素组成方面(图 6b), 中性火山岩富集K、Rb、Ba、Th、U等大离子亲石元素, 相对亏损Nb、Ta等元素。酸性火山岩富集K、Rb、Ba、Th、U等大离子亲石元素, 强烈亏损 Nb、Ta、Sr、P、Ti等元素。在酸性熔体体系中, 微量元素Sr在斜长石中的分配系数高达13或15.633(Nash and Crecraft, 1985; Nabelek and Bartlett, 1998); 而Ti在普通角闪石和磁铁矿中的分配系数较高(Pearce and Norry, 1979)。酸性火山岩Sr、Ti和P的强烈亏损, 反映岩浆演化过程中斜长石、普通角闪石、磁铁矿以及富P矿物(如磷灰石)的分离结晶作用。

4　讨　论

4.1形成时代

野外地质调查发现, 该组火山岩与上石炭统阿木山组呈正断层接触, 火山岩构成断层的上盘, 部分露头可见该火山岩被早三叠世火山岩角度不整合覆盖, 地层接触关系表明火山岩的形成在晚石炭世之后–早三叠世之前。LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb测年结果显示安山岩喷发时代为311 Ma, 属于晚石炭世, 流纹岩的形成时代介于275～287 Ma之间, 属于早二叠世, 因此研究区该火山岩的喷发时代为晚石炭世–早二叠世, 与前人报道的大石寨火山岩的形成时代基本一致(高德臻和蒋干清, 1998; 陶继雄等, 2003; Zhang et al., 2008; 赵芝, 2008; 刘建峰, 2009;晨辰等, 2012; 陈彦等, 2014)。

图5　西乌旗地区大石寨组火山岩TAS (a, 据Le Maitre et al., 1989), Nb/Y-Zr/TiO2(b, 据Winchester and Floyd, 1977), SiO2-(K2O+NaO2−CaO)(c, 据Frost et al., 2001), 和SiO2-K2O图解(d, 据Le Maitre et al., 1989; Rickwood, 1989)Fig.5　TAS (a), Nb/Y vs. Zr/TiO2(b), SiO2vs. K2O+NaO2−CaO (c), and SiO2vs. K2O (d) diagrams for volcanic rocks in the Dashizhai Formation from Xi Ujimqin Qi

图 6　西乌旗地区大石寨组火山岩球粒陨石标准化稀土元素配分曲线(a), 原始地幔标准化微量元素蜘蛛图(b)(球粒陨石标准化值据Boynton, 1984; 原始地幔标准化值据Sun and McDonough, 1989)Fig.6　Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle normalized trace element spider diagram (b) for volcanic rocks in the Dashizhai Formation from Xi Ujimqin Qi

4.2岩石成因

俯冲洋壳直接熔融形成的典型岩石是埃达克岩,埃达克岩主要特征是: 亏损重稀土元素, 轻重稀土元素强烈分异, 高Sr低Y, 常具有正Eu异常(Defant and Drummond, 1990; 邓晋福等, 2010)。俯冲流体交代的地幔部分熔融形成的中性岩浆岩以玻安岩为代表(徐夕生和邱检生, 2010), 这些岩石一般具有高的MgO含量, Mg#>50, 富集Sr。西乌旗地区大石寨组安山岩重稀土亏损较弱, Y 含量较高(27.65×10–6～ 46.67×10–6), Sr含量较低(70.4×10–6～398×10–6), 远远未达到埃达克质岩石的相关元素含量(Sr>400×10–6, Y<18×10–6, 据Defant and Drummond, 1990), 具有较低的MgO含量(1.26%～2.67%), Mg#介于22～38之间, 排除了以上两种成因的可能性。

岩浆混合作用可以形成安山质岩浆, 但中酸性岩中会含玄武岩包裹体, 安山岩中含双峰式成分的斑晶(Reubi and Blundy, 2009; 徐夕生和邱检生, 2010), 研究区酸性岩中不含基性包裹体, 且安山岩的斑晶多为斜长石, 无基性岩浆与酸性岩浆混合的特征, 并且安山岩的锆石年龄集中在 304～318 Ma,早于流纹岩的形成时代, 而流纹岩锆石中却不存在>300 Ma的锆石, 如果基性岩浆和酸性岩浆混合,酸性岩中应当会包含早期形成的锆石。

基性岩浆的分离结晶是解释中性岩浆岩常用的成因模式, 该模式下的岩浆岩以富集大离子亲石元素和轻稀土元素为特征, 并因为斜长石的分离结晶显示出明显的Sr、Eu负异常, 在时间、空间上, 基性岩–中性岩–酸性岩常紧密联系在一起(Fan et al., 2003)。Zhang et al. (2008)和陈彦等(2014)报道了研究区的基性玄武质岩类的87Sr/86Sr(t)= 0.704～0.705, εNd(t)=+6.87～+7.90, 认为其是交代的岩石圈地幔部分熔融的产物。本次研究的安山岩略 LREE富集, HREE相对亏损, 稀土元素配分曲线呈弱右倾型,表明岩浆源区相对较深, 可能是岩石圈地幔的基性岩浆分离结晶的产物。另外, 安山岩的 Mg#普遍小于40, Th和U含量较高, La>Ta, Th>Ta, 可能是由于岩浆在上升过程中受到了中上地壳物质的混染(Taylor and Mclennan, 1985; 王焰等, 2000)。

基性岩浆的分离结晶作用一般不能产生大规模的流纹质岩浆(徐夕生和邱检生, 2010), 而研究区以酸性岩占主导, 表明酸性岩浆不是由基性岩浆分离结晶形成的。上地幔或中下地壳的重熔或部分熔融可以产生大量的中酸性岩浆(Altherr et al., 2000; 徐夕生和邱检生, 2010), 这一成因的诱发因素主要是玄武质岩浆的底侵作用(徐夕生和邱检生, 2010; Zhang et al., 2008)。本区早二叠世流纹岩的富集ISr(0.7068～0.7099), εNd(t)值介于+1.85～+5.62之间,具有年轻的模式年龄(tDM为 490～690 Ma)(Zhang et al., 2008; 陈彦等, 2014), 应当是新增生下地壳部分熔融的产物。酸性岩具有明显的负Eu异常, Sr、P、Ti亏损明显, 暗示岩浆形成过程中存在斜长石、普通角闪石、磁铁矿及磷灰石等矿物的分离结晶。

4.3构造环境

唐克东(1989)认为西乌旗地区的二叠纪火山岩是形成在新增生的陆壳裂谷带内的双峰式火山岩。苏养正(1996)认为大石寨组火山岩是早二叠世大石寨裂陷槽的重要组成部分。Zhang et al. (2008)和陈彦等(2014)通过对锡林浩特和西乌旗地区的二叠纪火山岩进行岩石地球化学及 Sr-Nd同位素研究, 证明锡林浩特及西乌旗地区的二叠纪火山岩为双峰式火山岩, 形成于造山后伸展环境。刘建峰(2009)虽认可西乌旗地区早二叠世火山岩是伸展背景的产物, 但认为是俯冲前提下弧后盆地局部伸展背景下形成的。

为了准确厘定西乌旗地区早二叠世火山岩的构造背景, 本文分别对中酸性火山岩进行大地构造背景判别。在La-Y-Nb图解(图7a)中, 西乌旗地区大石寨组安山岩样品总体落在大陆玄武岩的边界位置,反映了岩浆可能形成于陆内伸展环境。在 Zr-Zr/Y图解(图 7b)中可以看出, 西乌旗地区大石寨组安山岩均落入板内玄武岩区域。在 Y-Cr图解(图 7c)中,样品主体落入不与岛弧型火山岩重叠的板内玄武岩区域内。此外, 西乌旗地区大石寨组安山岩 Th/Ta介于6.76～10.51之间(>5), 富集LREE, 具有Nb和Ti负异常, 与王焰等(2000)总结的造山后伸展背景下玄武岩特征相似。

Whalen et al. (1987) 提出以104×Ga/Al=2.6为标准来划分酸性岩成因类型(I型、S型或A型), 如图8a, b所示, 西乌旗地区大石寨组酸性火山岩具有A型花岗岩的地球化学特征。在Y-Nb-Ce图解(图8c)和Y-Nb-3×Ga图解(图8d)中, 样品均落入A2型岩浆岩范围, 在(Yb+Ta)-Rb图解(图 8e)和(Y+Nb)-Rb图解(图8f)中, 样品均落入碰撞后区域内, 指示其可能形成于造山后的伸展环境。酸性岩高钾, 富集HFSE、LREE和 Th(11.56%～15.17%), 与王焰等(2000)总结的造山后伸展环境下的流纹岩特征一致。此外, 锆石是最早结晶的副矿物之一, 对温度极为敏感且不易遭到后期流体蚀变, 其结晶温度可近似代表花岗质岩浆的近液相线温度。根据Watson and Harrison (1983)的锆饱和温度计算公式得出西乌旗地区大石寨组火山岩的锆石饱和温度在837～959 ℃之间, 平均温度为883 ℃, 反映了酸性火山岩岩浆具有较高的温度。锆石CL图像(图3)显示火山岩的锆石以新生锆石为主, 也暗示岩浆温度较高, 而高温岩浆很可能与板内伸展环境下的软流圈上涌有关(吴福元等, 2007)。陈彦等(2014)在研究区采样进行岩石地球化学分析, 酸性岩的岩石地球化学特征与本文分析结果一致(图8), 且在研究区中部发现了玄武质安山岩, 与流纹岩构成双峰式火山岩。邓晋福等(1999)指出形成于造山后伸展构造带的 A型花岗岩与钙碱性花岗岩类紧密共生。西乌旗前进场岩体和达青牧场岩体均为早二叠世钙碱性系列花岗岩(鲍庆中等, 2007; 刘建峰, 2009; 徐佳佳等, 2012)。综合以上判断, 认为西乌旗地区大石寨组火山岩形成于造山后伸展环境。

图7　西乌旗地区大石寨组安山岩La-Y-Nb(a, Cabanis and Lecolle, 1989); Zr-Zr/Y(b, Pearce and Norry, 1979)和Y-Cr (c, Pearce, 1982)图解Fig.7　La-Y-Nb (a), Zr vs. Zr/Y (b), and Y vs. Cr (c) diagrams for andesites in the Dashizhai Formation from Xi Ujimqin Qi

4.4构造意义

关于古亚洲洋的闭合时间存在两种观点: (1)中晚泥盆世–早石炭世闭合(洪大卫等, 1994; 鲍庆中等, 2007; 周志广等, 2010); (2)晚二叠世–早三叠世闭合(陈斌等, 2001; Li et al., 2006; Zhang et al., 2007; Chen et al., 2009)。后一种观点的主要依据之一是兴蒙造山带内及华北板块北缘早二叠世具有岛弧或活动大陆边缘弧性质的岩浆岩(陶继雄等, 2003; Zhang et al., 2007, 2009; 刘建峰, 2009)。需要注意的是受大陆地壳或岩石圈混染的大陆玄武岩可能给出似消减带信号(Ernst et al., 2005)。近年的研究表明在大石寨、满都拉、锡林浩特等地具有岛弧或大陆边缘弧性质的早二叠世火山岩(陶继雄等, 2003; 赵芝, 2008; 刘建峰, 2009)很可能是裂谷或裂陷槽等伸展背景下形成的双峰式火山岩(唐克东, 1989; 岳永君和何国琦, 1993; 苏养正, 1996; Zhu et al., 2001; 吕志成等, 2002; Zhang et al., 2008; 曾维顺等, 2011; 晨辰等,2012; Chen et al., 2014)。A2型花岗岩是造山后伸展阶段的典型产物(Eby, 1992; Hong et al., 1996), 本次研究的大石寨组酸性岩具有 A2型花岗岩特征, 与大石寨组双峰式火山岩是同一时代同一伸展背景下的产物, 是兴蒙造山带内发育的两条二叠纪碱性岩浆岩带(以A型或PA花岗岩为代表)(洪大卫等, 1994; Hong et al., 1996; Wu et al., 2002; 施光海等, 2004; Kovalenko et al., 2006; 鲍庆中等, 2007; Yarmolyuk et al., 2008; 范宏瑞等, 2009; Jahn et al., 2009; 张玉清等, 2009; Zhang et al., 2014; Li et al., 2014)的喷出相。A2型花岗岩或具有A2型花岗岩特征的火山岩的出现, 暗示早二叠世内蒙古中东部地区处于造山后的伸展背景。

图8　西乌旗地区大石寨组酸性火山岩104×Ga/Al-Nb (a, 据Whalen et al., 1987)、104×Ga/Al-Zr (b, 据Whalen e al., 1987)、Y-Nb-Ce(c, 据Eby, 1992)、Y-Nb-3×Ga(d, 据Eby, 1992)、(Yb+Ta)-Rb(e, 据Pearce et al., 1984)和(Y+Nb)-Rb图解(f, 据Pearce, 1996)Fig.8　104×Ga/Al vs. Nb (a), 104×Ga/Al vs. Zr (b), Y-Nb-Ce (c), Y-Nb-3×Ga (d), Yb+Ta vs. Rb (e), and (Y+Nb) vs. Rb (f) diagrams for acid volcanic rocks in the Dashizhai Formation from Xi Ujimqin Qi

此外, 区域上上泥盆统泥鳅河组、色日巴彦敖包组均显示陆相磨拉石建造特征, 含植物化石(徐备等, 2014), 表明晚泥盆世研究区已转为陆相环境,不存在深海大洋。二连–贺根山断裂与索伦山–西拉木伦断裂之间普遍缺失早石炭世的沉积地层, 上石炭统本巴图组与下伏石炭系之前的变质地层之间存在一个区域性角度不整合面(鲍庆中等, 2006), 表明晚石炭世之前, 研究区发生过区域性碰撞事件。内蒙古中东部的早二叠世的沉积地层以硬砂岩、长石砂岩分布广泛为重要特征(邵济安等, 2014), 滨–浅海相灰岩中含中腕足类、珊瑚、蜓、苔藓类等动物化石, 珊瑚动物群发生混生现象(郭伟等, 2003), 碎屑岩中夹有植物化石碎片, 反映海陆交互相环境(徐备等, 2014), 均证明早二叠世内蒙古中东部已不存在深海大洋(郭伟等, 2003; 邵济安等, 2014)。苏尼特左旗地区下二叠统大石寨组不整合于古元古界片麻岩系之上, 哲斯组上部为海陆交互相碎屑岩, 反映早二叠世内蒙古中东部地区在陆壳基底上发生裂陷而形成了陆表海环境(李述靖和高德臻, 1995; 邵济安等, 2014)。古地磁证据表明内蒙古中部晚石炭世–早二叠世位于北纬 17°～18°之间, 可能已经与华北板块构成一个整体(李朋武等, 2012)。并且在位于西伯利亚南缘古生代增生带的东乌旗上石炭统宝力高庙组中可见华夏植物群与安家拉植物群混生(辛后田等, 2011); 在满都胡宝拉格地区的早–中二叠统中也发现了华夏植物群化石(周志广等, 2010), 说明西伯利亚板块南缘与华北板块之间已不存分隔植物区系的大洋。综合区域岩浆岩、地层、古生物化石及古地磁资料分析可知贺根山蛇绿岩带与索伦山–西拉木伦蛇绿岩带所代表的洋盆在至少在早二叠世之前已经闭合。

5　结　论

(1) 西乌旗地区大石寨组火山岩主要由安山岩和流纹岩组成, 岩石主体为钙碱性系列。中性岩富钙贫镁, 酸性岩贫钙镁, 富硅碱; 酸性岩具有显著的Eu负异常。中、酸性岩均富集大离子亲石元素, 相对亏损Nb、Ta, 酸性岩强烈亏损Sr、P、Ti, 稀土配分曲线均呈弱右倾型。结合前人发表同位素数据,推断安山岩是源自岩石圈地幔部分熔融的基性岩浆分离结晶的产物, 岩浆形成过程中受到陆壳物质的混染, 而流纹岩是中下地壳部分熔融的产物。

(2) 锆石LA-MC-ICP-MS U-Pb测试结果表明西乌旗地区大石寨组火山岩形成于311～275 Ma之间,属晚石炭世–早二叠世。

(3) 西乌旗地区大石寨组酸性岩具有A2型花岗岩特征, 是造山后伸展背景下的产物, 结合已发表的区域地质研究资料, 认为古亚洲洋至少在早二叠世之前已经闭合。

致谢: 项目组高德臻、於炀森老师、唐永举等同学在野外地质调查及采样过程中给予了帮助, 天津矿产地质调查研究所耿建珍、袁海帆老师在测年过程中给予便利; 两名匿名审稿人对本文提出了宝贵的修改建议, 在此一并感谢！

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A Late Carboniferous-Early Permian Extensional Event in Xi Ujimqin Qi, Inner Mongolia—Evidence from Volcanic Rocks of Dashizhai Formation

LI Hongying1, ZHOU Zhiguang2*, LI Pengju1, ZHANG Da2, LIU Changfeng2, CHEN Cheng2, CHEN Lizhen3and GU Congnan4
(1. School of Economics, Sichuan University of Science and Engineering, Zigong 643000, Sichuan, China; 2. School of Earth Science and Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China; 3. Regional Geology and Mineral Resources Survey Institute, Langfang 065000, Hebei, China; 4. Tianjin North China Geological Exploration Bureau, Tianjin 300170, China)

A suit of volcanic rocks outcrop in Xi Ujimqin Qi and is considered to be the west extension of the well-known Dashizhai Formation whose tectonic setting remains controversial. To constrain the age of formation and tectonic nature of the volcanic rocks, petrology, geochronology and geochemistry researches were conducted. The results revealed that the volcanic rocks were mainly composed of andesites and rhyolites. LA-MC-ICP-MS zircon U-Pb dating yielded ages of 275‒311 Ma. The andesites are rich in alkali but poor in MgO, slightly enriched in LREE, K, Rb, Ba but depleted in Nb and Ta, with slight negative Eu anomalies. Geochemical characteristics indicated the andesites were generated by fractional crystallization of synchronous basic magma, but contaminated by continental crust. The rhyolites are characterized by low CaO and MgO contents but with high SiO2, K2O and Na2O contents. Chondritenormalized REE patterns of the rhyolites exhibit slight LREE enrichment, with striking negative Eu anomalies. The rhyolites are also enriched in LILE but strongly depleted in Nb, Ta, Sr, P, Ti, which suggests the acid magma was originated from partial melting of the mid-lower continental crust and underwent subsequent fractional crystallization. Geochemical plots of the andesites exhibit characteristics of within-plate basalt, while the rhyolites show an affinity with A2-type granites. Geochemical characteristics of the volcanic rocks in Xi Ujimqin Qi suggest a post-collisional setting. Combined with previous published regional geological data, we concluded that the Dashizhai Formation in Xi Ujimqin Qi was formed in a post-collisional extensional setting and the Paleo-Asian Ocean was closed no later than the late Permian.

geochronology; petrogeochemistry; tectonic setting; Dashizhai Formation; Xi Ujimqin Qi; Paleo-Asian Ocean

P595; P597

A

1001-1552(2016)05-0996-018

10.16539/j.ddgzyckx.2016.05.009

2014-11-25; 改回日期: 2015-05-21

项目资助: 华北基础地质调查与片区总结项目(1212011220465)、中国地质调查局地质调查项目(1212011120700)和大井坡航空物探仪器试验场1∶5万地质填图项目(12120114093901)联合资助。

李红英(1984–), 女, 博士, 讲师, 从事区域地质调查、矿产经济研究。Email: lihongying314@163.com

周志广(1967–), 男, 副教授, 从事构造地质学教学和区域地质调查及矿产地质调查研究。Email: zhouzhg@cugb.edu.cn