内蒙古北山地区标山一带早志留世花岗岩地球化学特征及构造意义

董洪凯，孟庆涛，刘广，段先乐，提振海，朱炜，薛鹏远，程海峰，季天伊

(河北省区域地质矿产调查研究所，河北 廊坊 065000)

① 河北省区域地质矿产调查研究所.内蒙古1∶5万旱山(K47E015013)、小尘包(K47E015014)、望京山(K47E016013)、涌珠泉幅(K47E016014)区域地质矿产调查,2015.

② 天津市地质调查研究院,河北省区域地质矿产调查研究所.内蒙古1∶5万1524.6高地(K47E017013)、二龙包西(K47E017014)、1580.8高地(K47E018013)、炮台山西幅(K47E018014)区域地质矿产调查,2015.

③ 河北省区域地质矿产调查研究所.内蒙古1∶5万标山(K47E013011)、咸味井(K47E013012)、骨头井(K47E014011)、化石山幅(K47E014012)区域地质矿产调查报告,2016.

内蒙古标山位于甘新蒙交汇的北山地区，隶属天山东段。处于哈萨克斯坦、塔里木和华北三大板块汇聚地带，地质构造复杂。前人研究程度较低，侵入岩时代、期次、成因及形成环境等资料较少，并且大地构造格局和归属一直存在诸多不同认识。近年来，随着1∶5万区域地质矿产调查项目的开展①②和一系列最新成果资料的获取，多数学者(何世平等，2002；杨合群等，2012；胡醒民等，2016)认为，红柳河-洗肠井蛇绿混杂岩带为塔里木板块和哈萨克斯坦板块的缝合带(图1a)。笔者以最新1∶5万区调成果为基础③，结合同位素年代学、岩石化学、地球化学等分析测试资料开展综合研究，确定研究区内早志留世侵入岩形成于岛弧岩浆岩带，是红柳河-洗肠井板块缝合带由南向北俯冲的产物，为北山地区大地构造单元划分等提供了基础资料。

1 地质特征

标山一带早志留世侵入岩由早到晚依次为花岗闪长岩、二长花岗岩和正长花岗岩。该期侵入体总体呈带状北西西向展布。在好水井一带受后期构造影响，侵入体长轴呈北东向展布(图1b)。该期侵入岩整体呈断续环状分布于奥陶纪花岗岩内侧，由外到内、自西向东整体呈现由老到新的时空展布特征，三者为侵入接触关系(图2a、图2b)，为同一岩浆热事件的产物。侵入最新地质体为奥陶系花岗岩。二长花岗岩侵入奥陶—志留系公婆泉组接触界线清晰、规则，内接触带局部发育平行接触带暗色矿物条带，外接触带局部发育平行接触带的片理，显示强力就位特征(图2c)。后期被泥盆纪、早石炭世花岗岩侵入。侵入体内发育闪长质包体，多呈椭圆状、条带状，具有明显的岩浆结构，属深源暗色包体，与寄主岩石间界线“模糊”，呈渐变过渡关系(图2d)，宏观混源特征明显，且处于机械混溶阶段。该期侵入岩遭受低绿片岩相区域低温动力变质变形作用的改造，普遍发育片麻状构造(图2e—图2j)，片麻理走向为北西西向，与区域构造线走向基本一致。

2 岩石化学特征

研究区早志留世侵入岩岩石化学分析结果及特征参数见表1。其中花岗闪长岩分异指数DI=72.09～81.32，固结指数SI=7.55～15.21，岩浆分异程度中等。二长花岗岩分异指数DI=83.91～87.37，固结指数SI=3.21～4.86，岩浆分异程度较高。正长花岗岩分异指数DI=90.64～94.35，固结指数SI=0.75～1.38，岩浆分异程度高。该期侵入岩里特曼指数σ=1.09～2.93，均小于3.3，为钙碱性岩石。碱度率AR=1.83～3.35，表明岩石碱度较低。在SiO2-A.R碱度率图解(图3a)中，花岗闪长岩、二长花岗岩样品点全部落入钙碱性区，正长花岗岩多数样品落入碱性区，随SiO2的递增，A.R具增长趋势，且三者相关性较为明显。在A/CNK-A/NK图解(图3b)中，全部样品点均落在过铝质、准铝质界线附近，花岗闪长岩多数样品落在过铝质区，二长花岗岩、正长花岗岩多数样品落在准铝质区。综上所述，三者具连续过渡演化的趋势，整体由钙碱性岩系、过铝质岩石向碱性岩系、准铝质岩石过渡的趋势。

3 地球化学特征

3.1 稀土元素特征

研究区早志留世侵入岩稀土元素含量及特征参数见表2。其中，花岗闪长岩稀土总量REE=91.6～378.48，均值为206.46；二长花岗岩稀土总量REE=225.25～319.38，均值为264.58；正长花岗岩稀土总量REE=351.55～428.56，均值为400.79，整体呈增长趋势。花岗闪长岩δEu=0.60～0.89，均值为0.72；二长花岗岩δEu=0.44～0.63，均值为0.50；正长花岗岩δEu=0.12～0.39，均值为0.18，整体呈减少趋势。早志留世花岗岩稀土配分曲线整体表现为近平行右倾海鸥型曲线簇(图4)，花岗闪长岩→二长花岗岩→正长花岗岩Eu的亏损程度逐渐加强，这与斜长石分离结晶作用密切相关。

1.第四系；2.上新世苦泉组；3.早白垩世赤金堡组；4.早石炭世白山组；5.奥陶纪—志留纪公婆泉组；6.古元古代北山岩群；7.早石炭世花岗岩；8.泥盆纪花岗岩；9.早志留世正长花岗岩；10.早志留世二长花岗岩；11.早志留世花岗闪长岩；12.奥陶纪花岗岩；13.角度不整合界线；14.断层；15.工作区；Ⅰ.哈萨克斯坦板块；Ⅱ.塔里木板块；Ⅰ-1.大南湖雀儿山-狐狸山早古生代活动陆缘带；Ⅰ-2.红石山-黑鹰山晚古生代陆缘活动带；Ⅰ-3.星星峡-明水-旱山地块；Ⅰ-4.公婆泉-东七一山-旱山早古生代活动陆缘带；Ⅱ-1.白玉山-方山口-鹰嘴红山早古生代被动陆缘带；①.红柳河-牛圈子-洗肠井断裂图1 (a)研究区构造格架简图及(b)地质简图Fig.1 (a)Tectonic sketch map and (b)geological sketch map of study area

Bt.黑云母；Pl.斜长石;K钾长石;Q.石英图2 (a—g)早志留世花岗岩野外地质特征及(h—j)镜下特征图Fig.2 (a-g)Field photograph and (h-j)photomicrographs of early Silurian granite

图3 (a)早志留世花岗岩SiO2-A.R碱度率图解(据WRIGHT .J.B.,1969)及(b)A/CNK-A/NK图解(据MANIAR et al.,1989)Fig.3 (a)SiO2-A.R(After WRIGHT .J.B.,1969)and (b)A/CNK-A/NK(After MANIAR et al.,1989)diagram of early Silurian granite

岩性样 号氧 化 物 含 量(%)岩 石 化 学 参 数SiO2TiO2Al2O3Fe2O3FeOMnOMgOCaONa2OK2OP2O5Los∑σARSIDIA/CNK花岗闪长岩D2610YQ1652208215492362910052122833363220270999964192212152172091095D2610YQ2676905114852092010041383943502740180809973156199118672730935D2611YQ270140371539059163004084303309268010110990012119195177161141D2621YQ167010341705138123004079354424290011080994321020675576241029D2621YQ267680331675136152005082346444235012081996918520178376141038D2659YQ270880291545061132003081259421276007085998717322683381321057D8053YQ1695904814830732430051213523282120121499985109183123973431052二长花岗岩D2719YQ16984048139014622200805718034148501310099742522544588469098D2719YQ269460541387141261008062176333485015107997525124848683911P8YQ1723902313560411290030362102785360061269983224213518679096P8YQ27187028141721900200304516529953100707799812372224128737104P8YQ372730261365038146003038188281524007093998321721337486721P8YQ57251024135603614100303820927653000611399832192093708642096P8YQ77088025134004214100304125727850700725399832192074028502091P8YQ87258023134303912700303221127753200513399842202113218703095正长花岗岩D2654YQ17536015122108309100301411125857500208199902142261389221098D2710YQ17541014124108310700301006733950900207899942213150949372101D2711YQ17506011123306609000301111835349700110699942253191109327092D2711YQ275500131231091099003009068349501007073999422233208294091D2711YQ37519014122108411700400809234249500109899942173170759311097D2712YQ17513014121906712200300810433650500110299942193060769293094D2712YQ27512013122707710300301109934350600109899942243141049332094D2712YQ37538013125208706700201107335850600108699942303351059435098D2717YQ17203027132814417200601111535954400207799882792980929064095D2717YQ27225025133613612200501510536656200308999882933061249202095

3.2 微量元素特征

研究区早志留世侵入岩微量元素含量见表3。在花岗闪长岩标准化蛛网图(图5)中，中等不相容元素La、Ce、Sr、Sm、Hf、Zr和强不相容元素K、Rb、Ba、Th、U相对富集；高场强元素Nb、Ta、P、Ti相对亏损。蛛网图上形成显著的Nb-Ta、P、Ti谷，Th、La、Hf峰。在二长花岗岩标准化蛛网图(图5)中，中等不相容元素La、Ce、Sm、Hf、Zr和强不相容元素Rb、Th、U相对富集；高场强元素Nb、Ta、P、Ti相对亏损和低场强元素Ba、Sr相对亏损。蛛网图上形成显著的Ba、Nb-Ta、Sr、P、Ti谷，Rb、Th、La峰。在正长花岗岩标准化蛛网图(图5)中，中等不相容元素La、Ce、Sm、Hf、Zr和强不相容元素Rb、Th、U相对富集；高场强元素Nb、Ta、P、Ti和低场强元素Ba、Sr相对亏损。蛛网图上形成显著的Ba、Nb-Ta、Sr、P、Ti谷，Rb、Th、La、Hf峰。早志留世花岗岩标准化蛛网图呈近平行状的曲线簇，相关性较为明显。

表2 早志留世花岗岩稀土元素含量及特征参数一览表Tab.2 Contents of rare-earth elements of early Silurian granite

表3 早志留世花岗岩微量元素含量一览表(10-6)Tab.3 Contents of trace elements of early Silurian granite(10-6)

图4 早志留世花岗岩稀土配分模式图(据CORYELL，1963)Fig.4 Normalized REE of early Silurian granite (After CORYELL，1963)

图5 早志留世花岗岩标准化微量蛛网图(据WOOD，1979)Fig.5 Spider diagram of early Silurian granite (After WOOD，1979)

4 时代讨论

为了确定标山一带侵入岩形成时代，笔者在花岗闪长岩、二长花岗岩、正长花岗岩出露规模较大且岩性稳定的地段各采集了1件锆石同位素测年样品，样品编号分别为D2621TW1(坐标：X=4 620 137；Y=17 464 268)、D2719TW1(坐标：X=4 633 115；Y=17 495 232)、D2710TW1(坐标：X=4 627 826；Y=17 495 331)。锆石颗粒挑选由河北省区域地质矿产调查研究所完成，样品在国土资源部华北矿产资源监督检测中心测试，检测依据为DZ/T0184.3-1997，仪器设备为LA-MC-ICP-MS。大部分锆石具明显岩浆成因的韵律环带。在花岗闪长岩中所选33粒锆石Th/U值主要集中于0.06～0.92，平均值为0.50，二长花岗岩中所选25粒锆石中Th/U值主要集中于0.316 9～0.999 7，平均值为0.591 2，正长花岗岩中所选的20粒锆石中Th/U值为0.263 7～0.870 1，平均值为0.453 0，多数锆石Th/U值大于0.4，显示为岩浆锆石的特征。通过测年研究，在花岗闪长岩中获得2个交点年龄，其中下交点年龄为(444±12)Ma，上交点年龄为(2 692±580)Ma，由于花岗闪长岩侵入晚奥陶世石英闪长岩，故认为其形成年龄为(444±12)Ma，而(2 692±580)Ma的年龄值可能为继承锆石的年龄，样品分析数据见表4，锆石阴极发光图像见图6，锆石U-Pb年龄谐和图见图7。在二长花岗岩中获得了(441.2±1.8)Ma的年龄值，样品分析数据见表5，锆石阴极发光图像见图8，锆石U-Pb年龄谐和图见图9。在正长花岗岩中获得了(441.1±3.3)Ma的年龄值，样品分析数据见表6，锆石阴极发光图像见图10，锆石U-Pb年龄谐和图见图11。测年结果显示区内该期侵入岩形成年龄为(441.1±3.3)～(444±12)Ma，就位时代为早志留世。

5 岩浆成因

在研究区该期花岗岩中发育闪长质包体，多呈椭圆状条带状，与寄主岩石间界线“模糊”，呈渐变过渡关系(图2d)，宏观混源特征明显，且处于机械混溶阶段，包体具有明显的岩浆结构，属深源暗色包体。在(Al-Na-K)-Ca-(Fe2++Mg)图解(图12)中，样品成分点主要落入斜长石-角闪石-黑云母区和斜长石-透辉石-角闪石区，少数成分点落入斜长石-黑云母-堇青石区，但均接近于斜长石-黑云母界线。显示其源岩物质主要来源于上地幔，在上侵的过程中混入少量地壳物质。在Li+Rb+Cs-Sr+Ba判别图解(图13a)中，样品成分点均落入同熔型花岗岩区。在ACF图解(图13b)中，除1件样品点落入S型花岗岩区外，其余样品点均落入I型花岗岩区，总体显示I型花岗岩特征。

表4 花岗闪长岩D2621TW1锆石U-Pb同位素分析结果表Tab.4 Zircon U-Pb isotopic analytical results of granodiorite(D2621TW1)

注:表中所列误差均为1σ误差，数据由天津地质调查中心同位素实验室测试。

图6 花岗闪长岩锆石CL图像及测点图 (D2621TW1)Fig.6 CL images of granodiorite(D2621TW1)

样品点号含量(10-6)同位素比值年龄PbU206Pb/238U1σ207Pb/235U1σ207Pb/206Pb1σ232Th/238U1σ206Pb/238U1σD2719TW1⁃12832900715000040549900100005580001006372000224453D2719TW1⁃23036100713000040552700102005620001006076000194442D2719TW1⁃35863000709000040545200066005580000709755000234412D2719TW1⁃45468700723000040556700110005590001103717000054503D2719TW1⁃55164400699000040538100075005590000804862000124352D2719TW1⁃6155177500705000040545400056005610000509997000244392D2719TW1⁃72834300707000040549800102005640001007517000404403D2719TW1⁃82532000708000040546600102005600001005874000034412D2719TW1⁃92533600703000040546200094005630000904575000174382D2719TW1⁃101621400703000040544900164005620001705626000314383D2719TW1⁃113138000705000040547700109005630001108569000094393D2719TW1⁃124048500707000040544200073005590000708550000144402D2719TW1⁃132228700698000040541800140005630001406163000394353D2719TW1⁃141316700663000040503700113005510001206438000064143D2719TW1⁃152027300698000040540100243005610002405183000044353D2719TW1⁃165271200717000040558300095005650001003548000034462D2719TW1⁃173143600705000040543600099005590001003169000124392D2719TW1⁃183339900707000040550800082005650000807926000084412D2719TW1⁃193038200710000040550800083005630000806757000024422D2719TW1⁃203248400713000040556100126005660001300628000004442D2719TW1⁃214963600717000040557900067005640000704974000064472D2719TW1⁃222431200701000040542900133005620001405583000124372D2719TW1⁃231720300722000040555400107005580001106623000054493D2719TW1⁃242633800712000040551700094005620000905224000054432D2719TW1⁃251620700737000040571800161005630001604106000094583

注:表中所列误差均为1σ误差；1～13,15～24号点206Pb/238U表面年龄加权平均值为(441±2)Ma。数据由天津地质调查中心同位素实验室测试。

综上所述，该期侵入岩成因类型属同熔型，其岩浆均来源于上地幔或下地壳，在其上侵过程中混染了壳源物质，形成同熔岩浆，使其具壳幔混合特性，这是岛弧环境花岗岩所独有的特征。

6 构造环境探讨

MANIAR et al.(1989)指出，同碰撞花岗岩的A/CNK>1.15，而火山弧花岗岩A/CNK<1.05，研究区早志留世的花岗岩仅3件样品A/CNK值介于1.05～1.15，其余样品值均小于1.05，说明该期花岗岩为火山弧花岗岩。在早志留世花岗岩标准化蛛网图(图5)中，中等不相容元素La、Ce、Sm、Hf、Zr及强不相容元素Rb、Th、U等相对富集，高场强元素Nb、Ta、P、Ti相对亏损。蛛网图上形成明显的Nb-Ta、P、Ti谷，Th、La、Hf峰，具典型岛弧岩浆岩地球化学特征。在Rb-Yb+Nb图解(图14a)中，样品点主要投在火山弧花岗岩区，少数投在同碰撞花岗岩区，但靠近火山弧花岗岩区。在Th/Yb-Ta/Yb判别图解(图14b)中，样品点主要落入主动大陆边缘区。

图7 花岗闪长岩锆石U-Pb年龄谐和图 (D2621TW1)Fig.7 Zircon U-Pb concordia diagram of granodiorite (D2621TW1)

图8 二长花岗岩锆石CL图像及测点图 (D2719TW1)Fig.8 CL images of monzonitic granite(D2719TW1)

图9 二长花岗岩锆石U-Pb年龄谐和图 (D2719TW1)Fig.9 Zircon U-Pb concordia diagram of monzonitic granite(D2719TW1)

图10 正长花岗岩锆石CL图像及测点图 (D2710TW1)Fig.10 Zircon U-Pb concordia diagram of syenite granite(D2710TW1)

图11 正长花岗岩锆石U-Pb年龄谐和图 (D2710TW1)Fig.11 Zircon U-Pb concordia diagram of syenite granite(D2710TW1)

样品点号含量(10-6)同位素比值年龄PbU206Pb/238U1σ207Pb/235U1σ207Pb/206Pb1σ232Th/238U1σ206Pb/238U1σD2710TW1⁃164102700579000080710100145008890002104012000043635D2710TW1⁃24968900709000080543800111005560001103551000124425D2710TW1⁃33040500745000080578500161005640001602726000094635D2710TW1⁃43646800745000080572600149005570001403924000084635D2710TW1⁃52229300742000080575100177005620001703678000054615D2710TW1⁃61824000742000080578400221005660002102637000074615D2710TW1⁃73138000802000090643300254005820002302796000044986D2710TW1⁃84149700706000100543800097005590001204846000624406D2710TW1⁃93443400745000080573700112005590001003512000054635D2710TW1⁃106374700746000080576400119005600001108701000604645D2710TW1⁃1195105700774000090605200094005670000807292000304805D2710TW1⁃125374600707000080540500089005540000803337000154405D2710TW1⁃135268300759000080591000104005640000902789000124725D2710TW1⁃144455700708000080544100109005570001105793000074415D2710TW1⁃156585200710000080544900112005570001104943000104425D2710TW1⁃165264500743000080573800116005600001105387000194625D2710TW1⁃175874500711000080543300124005540001206052000124435D2710TW1⁃184664700709000080547400113005600001103311000024415D2710TW1⁃195474300707000080542200089005570000904362000424405D2710TW1⁃202937200707000080544000135005580001406951001254405

注:表中所列误差均为1σ误差；2,8,12,14,15,17～20号点206Pb/238U表面年龄加权平均值为(441.1±3.3)Ma；3～6,9,10,13,16号点206Pb/238U表面年龄加权平均值为(463.8±3.6)Ma。数据由天津地质调查中心同位素实验室测试。

不论岩石化学，还是地球化学特征均说明研究区早志留世花岗岩形成于俯冲带。胡新茁等(2015)认为，红柳河-洗肠井洋盆发生大规模自南向北俯冲作用的时间为(421.0±15)～(442.4±1.5)Ma，研究区在该期花岗岩中测得的同位素年龄分别为(444±12)Ma、(441.2±1.8)Ma、(441.1±3.3)Ma，显然与该期俯冲活动关系密切。此外，早古生代区域上发育大规模公婆泉组火山岩，刘威等(2015)认为石板井公婆泉组火山岩具岛弧火山岩的特征，内蒙古旱山、二龙包西、标山等3个区域地质矿产调查项目的研究成果也验证了这一观点。

图12 早志留世花岗岩(Al-Na-K)-Ca-(Fe2++Mg)图解(据徐克勤，1983)Fig.12 (Al-Na-K)-Ca-(Fe2++Mg)diagram of early Silurian granite (After XU Keqin，1983)

图13 (a)早志留世花岗岩Li+Rb+Cs-Sr+Ba图解(据 刘英俊，1982)及(b)A-C-F图解Fig.13 (a)Li+Rb+Cs-Sr+Ba diagram(After LIU Y J，1982)and (b)A-C-F diagram of early Silurian granite

OCEANIC ARCS.大洋岛弧;ACM.主动大陆边缘图14 (a)早志留世花岗岩Rb-Yb+Nb图解(据PEARCE，1984)及(b)Th/Yb-Ta/Yb判别图解(据GORTON et al.,2000)Fig.14 (a)Rb-Yb+Nb diagram(After PEARCE，1984)and (b)Th/Yb-Ta/Yb diagram (After GORTON et al.,2000) of early Silurian granite

综上所述，标山一带早志留世花岗石就位于岛弧的构造环境。区域上早志留世古亚洲洋壳沿红柳河—月牙山—洗肠井一线向北强烈俯冲，导致研究区早志留世深成岩侵位，形成石头井-化石山早古生代岩浆弧。

7 结论

(1)区内早志留世侵入岩成因类型为同熔型花岗岩类。其岩浆均来源于上地幔或下地壳，在上侵过程中混染了壳源物质，形成同熔岩浆，使其具壳幔混合特性，这是岛弧环境花岗岩所独有的特征。

(2)在花岗闪长岩、二长花岗岩、正长花岗岩中获得锆石U-Pb同位素年龄值分别为(444±12)Ma、(441.2±1.8)Ma、(441.1±3.3)Ma，代表了该期花岗岩的就位时代，相当于早志留世。

(3)岩石化学、地球化学均显示标山一带早志留世侵入岩就位于岛弧的构造环境。早志留世北山地区古亚洲洋壳沿红柳河—月牙山—洗肠井一线向北强烈俯冲，导致本区早志留世深成岩侵位，形成石头井-化石山早古生代岩浆弧。

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