内蒙古苏尼特左旗阿尔善黑云二长花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄及其地质意义

田强国，吴煜，高凯，徐建昌，王卫兵

（河南省地质矿产勘查开发局第一地质矿产调查院，河南洛阳471000）

内蒙古苏尼特左旗阿尔善晚石炭世花岗岩位于古亚洲洋中部，具有陆壳增生显著、壳幔作用强烈、陆内改造复杂、成矿类型多样等特征[1-2]，其演化记录了华北板块与西伯利亚板块汇聚、古亚洲洋闭合的历史，是研究两大板块拼合及古亚洲洋最终关闭时限有力证据的重要载体，因而成为众多学者研究的热点区域。研究表明我国境内发育的索伦山-西拉木伦河蛇绿岩与二连-贺根山蛇绿岩分别代表了南北两个洋盆体系[3]，前者为西伯利亚板块与华北板块最终缝合记录[4-7]，而北侧贺根山洋盆关闭时间相对较早[3]。洪大卫等[8]在二连-东乌旗一带识别出大量晚古生代后碰撞岩浆作用事件，提出在286～276 Ma大量发育的碱性花岗岩标志着古亚洲洋已经进入后碰撞演化阶段。施光海等[9]在锡林浩特A型花岗岩中获得SHRIMP锆石U-Pb年龄为276±2 Ma，认为是造山后伸展事件的产物。张玉清等[10]在东乌旗京斯台一带获得碱性花岗岩年龄为284.8±1.1 Ma，认为该阶段处于造山后演化阶段。辛后田等[11]在晚古生代宝力高庙组安山岩中获得320.1 Ma的成岩年龄，并认为其为造山阶段的产物。程银行等[12]在内蒙古东乌旗狠麦温都尔地区发现大量的晚古生代花岗岩，并获得307.0±1.9 Ma和2.99.7±5.3 Ma两个同位素年龄，认为狠麦温都尔高钾钙碱性花岗岩可能为后碰撞早期伸展阶段的产物。尽管前人对兴蒙造山带碰撞演化的研究获得大量成果，但对兴蒙造山带后碰撞早期阶段岩浆记录的研究却相对薄弱，尤其是从碰撞到后碰撞转换阶段的年代数据更是缺乏。鉴于此，作者在对阿尔善地区开展1/5万区域地质填图工作中，基于详细的野外地质调查的基础，对阿尔善地区广泛出露黑云母二长花岗岩进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb定年和较为深入的地球化学研究，旨在研讨其形成时代、岩石成因和构造背景，为兴蒙造山带中东部构造岩浆演化、壳幔相互作用过程以及古亚洲洋闭合时限提供新的佐证。

1 地质概况

研究区位于内蒙古北部苏尼特左旗境内，北距国界线约40 km阿德赛一带，大地构造属于兴蒙造山区东乌珠穆沁旗早华力西造山带，东乌旗复背斜东南翼[13，14]。区内古生代火山岩分布广泛，构造和各类侵入岩发育，地质构造背景特殊（图1）。区内古生代地层以一套陆相正常沉积碎屑岩-火山碎屑岩为特征，构成一较完整的沉积-喷发旋回，岩性以灰红色流纹质浆屑熔结凝灰岩、灰紫色英安质晶屑凝灰岩（C2bl4）为主，局部不整合于下白垩统大磨拐河组（K1d）灰绿色泥岩、砂质泥岩之下，被上覆第四系下更新世阿巴嘎组玄武岩（Qp1ax）呈角度不整合覆盖，并大面积被晚石炭世花岗岩侵入。晚石炭世花岗岩岩性较简单，主要为正长花岗岩、黑云二长花岗岩和碱性花岗岩（图1）。

图1 苏尼特阿尔善地区地质略图Fig.1 Geological sketch map of the Aershan area,Inner Mongolia

正长花岗岩体主要分布于阿尔善布拉格西北海拉斯图和东南查干尚德一带。海拉斯图正长花岗岩岩体呈不规则椭圆形状，长轴呈北东向，岩体中心相为中粗粒正长花岗岩，边缘相为细粒正长花岗岩，岩体总面积约16.8 km2，该岩体侵入于上石炭统宝力高庙组内，局部被第四系洪冲积层不整合掩盖。查干尚德正长花岗岩呈不规则半环状，出露面积约32 km2，岩体不具相带，岩性均为中粗粒正长花岗岩，该岩体也侵入于上石炭统宝力高庙组内，局部不整合于下白垩统大磨拐河组（K1d）灰绿色泥岩、砂质泥岩之下，同时侵入南部中粗粒黑云二长花岗岩，侵入边界蚀变强烈、岩石破碎。

早二叠世碱性花岗岩出露于阿尔善布拉格一带[15]，出露面积约65 km2。该岩体侵入于上石炭统宝力高庙组第四岩性段流纹质晶屑凝灰岩及第五岩性段英安质含砾晶屑熔结凝灰岩内，外接触带局部岩石发育角岩化，同时被下白垩统大磨拐河组（K1d）灰绿色泥岩、砂质泥岩大面积不整合覆盖。岩性主要为钠闪霓石碱性花岗岩，碱性暗色矿物主要为霓石，少量为钠闪石，由于第四系掩盖和中生代断陷盆地的破坏，大致能将其划分出中心相和边缘相，中心相岩性为中粗粒钠闪霓石碱性花岗岩，边缘相为细粒钠闪霓石碱性花岗岩。

黑云二长花岗岩分布于工作区东南角阿德赛一带，出露总面积约31 km2。岩体主体呈东西向分布，被后期正长花岗岩及多条灰绿岩脉侵入吞噬，岩体呈不规则状，基岩露头出露较差，在地表呈孤立花岗岩球状风化地貌。岩体侵入于上石炭统宝力高庙组第四岩性段流纹质晶屑凝灰岩内，周围侵入界线多被第四系掩盖，岩体内出现少量宝力高庙组火山岩剥蚀后的残留体。根据矿物组合和岩石结构构造，可将其划分为两个相带，中心为中粗粒黑云二长花岗岩、边部为中细粒黑云二长花岗岩。

2 样品采集和岩石学特征

本文样品采自苏尼特左旗阿尔善布拉格地区阿德赛一带，在阿尔善黑云二长花岗岩边缘相采集同位素年龄样品和主微量元素样品各1件；中心相采集同位素年龄样品两件，主微量元素样品3件，另外收集到程银行等2011年在同一构造带（兴蒙造山带）上东乌旗狠麦温都尔地区采集到同时期一个同岩性样品的数据。

根据岩石矿物粒径大致将其划分为边缘相中细粒黑云二长花岗岩和中心相中粗粒黑云二长花岗岩。边缘相的岩石矿物大小为0.2～5 mm，矿物组成主要为钾长石、石英、斜长石，其次为黑云母，钾长石为他形、柱状，主要为正长石、条纹长石，泥化呈浅褐色，含量约35%～40%。斜长石呈半自形、柱状，发育细密的聚片双晶，含量约25%～30%。石英为他形、粒状，含量约30%～35%。黑云母呈自形片状，片径2～3 mm，大部分已绿泥石化、绿帘石化，含量约3%～4%（图2）。中心相的岩石矿物大小为2～7 mm，矿物组成主要为钾长石、石英、斜长石，其次为黑云母，钾长石他形、柱状，主要为微斜长石、条纹长石，泥化显浅褐色，含量约30%～35%。斜长石为半自形、柱状，细密的聚片双晶，绢云母化,含量约25%～30%。石英为他形、粒状,含量约30%～35%。黑云母为自形、片状，片径2～3mm，大部分已绿泥石化、绿帘石化，析出铁质，含量约5%～6%。

图2 阿尔善黑云二长花岗岩显微照片（Pm034-11-1）Fig.2 Microphotographs（Pm034-11-1）for the biotite monzonitic granite in the Aershan aera PI.斜长石；Kfs.钾长石；Qtz.石英；Bt.黑云母；Ep.绿帘石

3 分析方法

锆石分选工作由河北省廊坊市宇能岩石矿物分选公司完成，样品按照常规粉碎淘洗后，经磁选和重液分离，然后在双目镜下人工挑选纯度在99%以上的锆石。锆石的制靶和阴极发光照相在北京锆年领航科技有限公司完成（图3）。置于环氧树脂做成样品靶，进行锆石透、反射光、阴极发光照相。锆石UPb年龄数据是在天津地质矿产研究所激光剥蚀电感耦合等离子体质谱实验室（LA-ICP-MS）进行锆石U、Th、Pb同位素含量测定。实验选择的标样为91500，206Pb/238U年龄的加权平均值误差为±2σ。ICP-MS为Agilent 7500 a，分析中采用的激光束斑直径为35 um，以氦气作为剥蚀物质的载气，测试数据的计算处理采用ISOPLOT 3.0程序［9］。样品主微量元素分析在天津地质矿产研究所实验室进行，主量元素分析方法为X射线荧光光谱法（XRF），FeO采用氢氟酸、硫酸溶样、重铬酸钾滴定容量法，分析精度优于2%，微量元素使用ICP-MS，分析精度优于5%。

4 锆石U-Pb年代学

本次在用于LA-ICP-MS锆石U-Pb测年的样品岩性为中细粒黑云母二长花岗岩，样品新鲜，三件样品锆石特征及锆石U-Pb年龄情况分别详述如下。

（1）样品D4290-0-6中的锆石颗粒晶型较为完好，多为规则的长柱状、短柱状晶体，半透明-透明，粒径50～100 um，长宽比2.5/1～1/1。样品测定了29粒锆石的30个测点，测试结果（表1）显示，232Th/238U比值为0.26～1.26，均值为0.75；30个测点年龄较为集中，测点的206Pb/238U表面年龄介于304.0～312.9 Ma，在年龄谐和图中，数据点集中分布于谐和线上或附近，加权平均年龄值为309.1±1.2 Ma（图4）。

（2）样品D4088-0-6中的大部分锆石颗粒晶型较为完好，呈规则的短柱状晶体，半透明-透明，部分颗粒自形程度较差，呈不规则棱角状，锆石粒径50～100 um，长宽比1.5/1～1/1。样品测定了29粒锆石的29个测点，测试结果（表1）显示，232Th/238U比值为0.38～1.02，均值为0.59；29个测点年龄中28个较为集中，其中26号测点年龄为375.0 Ma，测点年龄偏差较大，应该予以剔除，其余测点的206Pb/238U表面年龄介于302.5～311.1 Ma，在年龄谐和图中，数据点集中分布于谐和线上或附近，加权平均年龄值为308.0±1.2 Ma（图5）。

（3）样品Pm034-10-6中的锆石颗粒晶型较为完好，呈规则的短柱状、长柱状晶体，半透明-透明，部分锆石颗粒表面出现孔洞和裂纹，锆石粒径50～150 um，长宽比3/1～1/1。样品测定了30粒锆石的30个测点，测试结果（表1）显示，232Th/238U比值为0.50～1.17，均值为0.74；30个测点年龄均较为集中，测点的206Pb/238U表面年龄介于305.7～329.9 Ma，在年龄谐和图中，数据点集中分布于谐和线上或附近，加权平均年龄值为311.8 ±1.2 Ma（图6）。

从锆石的CL图像（图3）可知，三件黑云二长花岗岩测年样品的锆石均发育典型的震荡环带，Th/U比值均大于0.4，具岩浆成因锆石的典型特征（Hosskin and Black，2000）。三件样品测年数据均表明阿尔善黑云二长花岗岩的侵位时代为晚石炭世中期。

图3 阿尔善黑云二长花岗岩样品（D4290-0-6，D4088-0-6和Pm034-10-6）锆石阴极发光图像Fig.3 Zircon CL images of samples（D4290-0-6，D4088-0-6 and Pm034-10-6）from the biotite monzonitic granite in the Aershan aera

表1 阿尔善黑云二长花岗岩锆石U-Pb测试结果Tab.1 Zircon U-Pb dating results of the biotite monzonitic granite in the Aershan area

续表1

图4 阿尔善黑云二长花岗岩（D4290-0-6）的锆石U-Pb年龄谐和图Fig.4 Zircon U-Pb concordia of the biotite monzonitic granite（D4290-0-6）in the Aershan area

图5 阿尔善黑云二长花岗岩（D4088-0-6）的锆石U-Pb年龄谐和图Fig.5 Zircon U-Pb concordia of the biotite monzonitic granite（D4088-0-6）in the Aershan area

图6 阿尔善黑云二长花岗岩（Pm034-10-6）的锆石U-Pb年龄谐和图Fig.6 Zircon U-Pb concordiaof the biotite monzonitic granite（Pm034-10-6）in the Aershan area

5 岩石地球化学

5.1 主量元素

阿尔善黑云二长花岗岩主量元素、稀土元素、微量元素分析数据及主要参数列于表2。

主量元素分析结果显示SiO2含量在65.2%～73.1%之间；Al2O3含量12.5%～15.76%；K2O/Na2O在0.5～1.0之间；P2O5在0.08%～0.14%之间；A/CNK为0.88～1.03小于1.1，A/NK为1.29～1.51，在A/NKA/NCK图解中，除一个阿尔善二长花岗岩样品落在准铝质区内，其他所有样品均投点于准铝-过铝质区域；在SiO2-K2O图解（图7）中，两个样品落在高钾钙碱性系列范围内，两个落在钙碱性系列范围内，一个落在钾玄岩系列范围内，可见阿尔善黑云二长花岗岩以钙碱性-高钾钙碱性系列花岗岩特征为主，乌旗狠麦温都尔花岗岩具钾玄岩系列特征，但二者显示出准铝-弱过铝质特性。A/CNK的值小于1.1，碱性指数NK/A值为0.63～0.85，表现出I型花岗岩的化学成分特征，与我国华南同熔型花岗岩很类似[18]。

5.2 稀土元素和微量元素特征

该岩体稀土元素总量∑REE范围为66.52×10-6～105.18×10-6之间，轻重稀土元素比值（LREE/HREE）为 1.61～14.61；δEu 为 0.79～1.05，（La/Yb）N值为4.39～15.37。各组样品稀土元素配分模式具有相似性，未出现明显Eu负异常，轻重稀土之间分馏较明显，轻稀土相对富集，重稀土元素亏损，整体呈现出右倾特征，五组样品稀土元素配分模式图显示基本相互平行，这可能与同期岩浆构造背景相似有关（图8a），这些特征与我国华南I型花岗岩类似[16]。

样品微量元素在原始地幔（M）标准化蜘蛛网图（图8b）上显示阿尔善二长花岗岩相对富集Rb、Th、Ba、U等大离子亲石元素，而东乌旗狠麦温都尔二长花岗岩相对富集Rb、Th、Ba等大离子亲石元素；阿尔

善二长花岗岩Nb、Ta、P、Ti具有强烈的负异常，而东乌旗狠麦温都尔二长花岗岩Nb、Ta、Sr、P具有强烈的负异常特征[12]。

表2 阿尔善黑云二长花岗的主量元素（wt%）、稀土微量元素（×10-6）组成及主要参数Tab.2 The main elementstrace elements(wt%) ，rare earth element（×10-6），trace elements（×10-6）and the main parameters of the biotite monzonitic granite in the Aershan area

图7 阿尔善黑云二长花岗岩SiO2-K2O图解和A/CNK-A/NK图解Fig.7 K2O vs.SiO2diagram and A/NK vs.A/CNK diagram for the biotite monzonitic granite in the Aershan area

图8 阿尔善黑云二长花岗岩稀土元素配分图（a）（球粒陨石标准化数据Boynton,1984）和微量元素原始地幔标准化蛛网图（b）（原始地幔标准化值据Taylor and McLennan，1985）Fig.8 Chondrite-normalized REE patterns(a)and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams(b)for the biotite monzonitic granite in the Aershan area

6 讨论

6.1 花岗岩的成因及类型

本文各组样品稀土元素配分模式表明，轻重稀土之间分馏较明显，轻稀土相对富集，重稀土元素亏损，整体呈现出右倾特征，δEu为0.79～1.05表明略有斜长石的分离结晶作用。微量元素显示大离子亲石元素Rb、Ba、Th、U相对富集，Nb、Ta 、P、Ti具有明显的负异常，这与兴蒙造山带中段北部苏尼特左旗以北阿尔善地区广泛出露的晚古生代宝力高庙组中性火山岩及巴彦乌拉苏木沿线宝力高庙组中基性火山岩具有一致的地球化学特征，这说明阿尔善二长花岗岩与研究区晚古生代宝力高庙组火山岩具有相同的构造环境——后造山伸展环境[16，19]。

实验地球化学研究表明，在准铝质到弱过铝质岩浆中，磷灰石的溶解度很低，并在岩浆分异过程中随SiO2的增加而降低，而在强过铝质岩浆中，磷灰石溶解度变化趋势与此相反[20]。磷灰石在I型和S型花岗岩浆中这种不同行为已被成功地用于区分I型和S型花岗岩类[21，22]。本文的数据显示，随SiO2含量增加，P2O5含量降低（图9），与I型花岗岩演化趋势一致。结合区域地质背景以及年代学的相关证据，阿尔善黑云二长花岗岩属钙碱性-高钾钙碱性特征的I型花岗岩，东乌旗狠麦温都尔二长花岗岩属高钾钙碱性系列-钾玄岩系列特征的I型花岗岩[12]。

图9 阿尔善黑云二长花岗岩P2O5-SiO2图解Fig.9 P2O5vs.SiO2diagram for the biotite monzonitic granite in the Aershan area

6.2 地质意义

苏尼特左旗北部白音乌拉一带分布有大量晚石炭世宝力高庙组火山岩和侵入岩，其分布面积约占研究区基岩总面积的80%以上，表明了该地区在晚古生代中期存在一次重大的构造岩浆事件，记录了南侧贺根山洋盆演化的重要信息。早石炭世火成岩主要为钙碱性火山岩、花岗闪长岩、二长花岗岩，形成于陆缘弧构造环境[23]。大面积分布于白音乌拉一带的晚石炭世晚期宝力高庙组中酸性火山岩、高钾钙碱性系列正长花岗岩和早二叠世碱性花岗岩共同证实了最晚在早二叠世区域上已经进入了后造山演化阶段[16，24]。本次在阿尔善一带新发现的黑云二长花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素年龄为308.0～311.8 Ma，收集的东乌旗狠麦温都尔二长花岗岩SHRIMP锆石U-Pb同位素年龄为307.0±1.9M[12]，均属晚石炭世中期，岩石地球化学特征上与本区晚石炭世晚期宝力高庙组火山岩和高钾钙碱性正长花岗岩具有相似之处，但又存在明显的差异。微量元素组成上，与晚石炭世晚期花岗岩强烈亏损Ba、Sr、Eu不同的是阿尔善黑云二长花岗岩在上述几项元素上表现为不亏损或轻微富集[15]。

图10 阿尔善二长花岗岩Rb-（Nb+Y）构造环境判别图（据参考文献[30,31]）Fig.10 Rb-(Nb+Y)diagram of the biotite monzonitic granite in the Aershan area

阿尔善二长花岗岩与东乌旗狠麦温都尔二长花岗岩铝饱和指数（A/CNK）为 0.88～1.03，富碱（K2O+Na2O=5.43%～9.9%），具岛弧或后碰撞环境I型高钾钙碱性花岗岩的特征[25]，稀土元素配分曲线显示未出现明显Eu负异常，大离子亲石元素和轻稀土元素相对富集，而Nb、Ta、P、Ti等元素相对亏损，两岩体具有向A型花岗岩过渡的后碰撞高钾花岗岩[26-28]或火山弧花岗岩[29]的特征，在构造环境判别图解Rb-（Nb+Y）（图10）中落入后碰撞伸展花岗岩（post-CEG）和火山弧花岗岩（VAG）的重叠区内。在R1-R2构造环境判别图解中阿尔善二长花岗岩有一个落在碰撞隆起区内，一个落在碰撞隆起与同碰撞过渡带上，有两个落在造山晚期区内（阿尔善二长花岗岩与狠麦温都尔花岗岩各一个），一个落在地幔分异产物区内，结合区域地质背景及构造演化研究，该期岩浆活动以形成二长花岗岩、碱性花岗岩为主，空间上位于陆缘火山岩弧靠近大陆一侧，该岩体侵入到晚石炭世宝力高庙组中，围岩地层已强烈变形，产状陡立，倾角多在35°以上，地层走向并未围绕阿尔善二长花岗岩体发生弯曲，岩体未见到明显的变形构造，岩石呈块状构造，这可能反映了阿尔善黑云二长花岗岩产生于碰撞挤压隆起向后碰撞伸展阶段转换的构造环境，是与东乌旗狠麦温都尔二长花岗岩相对应的晚石炭世兴蒙造山带中段后碰撞伸展阶段早期的产物（图11），同时也再次证实了程银行提出的贺根山洋盆在320.1±1.9 Ma前已经闭合的论断[12]。

图11 碱性花岗岩示意性R1-R2图解（据Bechelor等，1985）Fig.11 R1-R2 diagram for the alkaline granite

阿尔善黑云二长花岗岩与晚石炭世晚期正长花岗岩、早二叠世早期碱性花岗岩在同位素年龄和岩石化学特征上呈现出逐渐演化过渡的关系[15]，上述几种花岗岩构成了晚石炭世中期-早二叠世的一个相对完整的侵入岩序列，代表了贺根山洋盆闭合之后南北两大陆块碰撞挤压隆起向后碰撞伸展阶段演化过程中的岩浆记录。苏尼特左旗北部晚石炭世中期阿尔善黑云二长花岗岩的发现为研究兴蒙造山带区域构造演化过程及古亚洲洋闭合时限提供了重要依据。

7 结论

（1）苏尼特左旗阿尔善黑云二长花岗岩的侵位时间介于308.0±1.2 Ma～311.8±1.2 Ma，属晚石炭世中期，这一结论与该岩体被南部晚石炭世未期正长花岗岩侵入的野外事实相符。

（2）阿尔善黑云二长花岗岩属钙碱性系列—高钾钙碱性系列特征的I型花岗岩，且显示出准铝-弱过铝质特性。

（3）分析表明阿尔善黑云二长花岗岩产生于碰撞挤压隆起向后碰撞伸展阶段转换的构造环境，是晚石炭世中期兴蒙造山带中段后碰撞伸展阶段早期的产物，同时也再次证实了贺根山洋盆在320.1±1.9 Ma前已经闭合，为研究兴蒙造山带区域构造演化过程及古亚洲洋闭合时限提供了重要依据。

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