内蒙古北山地区三个井辉长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄及地球化学特征

陈海东， 高勇， 何国强， 邱锦雄， 鲁宁

(1.内蒙古地质矿产勘查院，呼和浩特 010010; 2.锡林郭勒应急管理局，锡林浩特 026000)

0 引言

内蒙古北山地区位于中亚造山带南缘中段，是西伯利亚、塔里木和哈萨克斯坦3大板块的交汇部位，是研究古亚洲洋最终闭合过程的重要区域[1-3]。由于其复杂的构造背景，构造演化一直存在不同的认识，尤其对古亚洲洋的闭合时限与闭合位置存在不同的认识。杨合群等[4]认为以红柳河—牛圈子—洗肠井蛇绿岩带代表早古生代板块缝合带； 左国朝等[5]认为以明水—石板井—小黄山缝合带为界，将早古生代北山地区分为北部哈萨克斯板块和南部塔里木板块； 刘雪亚等[6]认为由北向南分别以红石山—黑鹰山断裂带和柳园—大奇山断裂带为界，划分为西伯利亚、哈萨克斯坦和塔里木板块； 龚全胜等[2]、何世平等[7]认为以红石山—百合山—蓬勃山蛇绿混杂岩带为界，将北山地区由北向南划分为哈萨克斯坦板块和塔里木板块。因此，对北山地区岩浆岩的形成时代、岩石地球化学特征和构造环境等方面研究，有助于对北山地区构造演化及大地构造归属等问题的认识。笔者在1∶5万区域地质调查的基础上，以内蒙古北山地区三个井辉长岩为研究对象，通过年代学、岩石学和地球化学特征的分析，揭示三个井辉长岩的形成时代、岩石成因及形成的构造环境，这将对研究北山地区晚古生代构造演化史提供基本依据。

1 研究区地质概况

在中亚造山带中南缘的北山地区，前人认为从北向南分布着4条蛇绿岩带，依次为红石山—百合山—蓬勃山、岌岌台子—小黄山、红柳河—牛圈子—洗肠井和辉铜山—账房山[4]。研究区位于红石山—百合山—蓬勃山蛇绿岩带和岌岌台子—小黄山蛇绿岩带之间的东段(图1)，额济纳旗三个井南12 km处。区内出露地层为古元古界北山岩群，岩性为黑云母片岩、石英岩、黑云变粒岩、含石榴黑云石英片岩和大理岩。侵入岩极为发育，主要有呈岩基产出的早志留世弱片麻状黑云石英闪长岩和呈岩株、岩脉产出的早泥盆世二长花岗岩、黑云母花岗闪长岩、辉长岩。野外露头上，辉长岩呈多个不规则的岩株产出，总体呈近EW向展布，总出露面积约2.2 km2。辉长岩体内部多见黑云母花岗闪长岩脉体侵入，另外见几处不规则状灰白色斜长岩脉体，规模较小(0.5 m×2 m)。辉长岩侵入早志留世黑云石英闪长岩，被早泥盆世二长花岗岩、黑云母花岗闪长岩侵入(图2)。辉长岩呈灰绿色，辉长结构，块状构造。岩石主要由辉石和斜长石组成。岩石中斜长石多数2～5 mm，呈半自形板状、柱状，部分5～8 mm，少数1～2 mm，比较干净，发育聚片双晶，为拉长石，含量60%左右； 普通辉石0.5～3 mm，呈柱状或柱粒状，多数发生强烈次闪石化，含量40%左右，绿帘石少量。

图1 北山蛇绿岩带分布(左)及三个井地区地质简图(右)[4]Fig.1 Distribution of ophiolites in Beishan area(left) and geological sketch of Sangejing area(right)[4]

(a) 辉长岩手标本特征 (b) 辉长岩体中不规则状灰白色 (c) 黑云母花岗闪长岩侵入辉长岩的接触关系

图2 辉长岩野外露头和手标本特征

Fig.2Photosoffieldoutcropsandhandpickfeaturesofthegabbro

2 分析方法

锆石挑选工作在河北省区域矿产调查研究所实验室完成，将所取的样品粉碎至80～100目，用常规的重液浮选和电磁分离方法进行分选后，再在双目镜下挑选出晶形和透明度较好的锆石颗粒。将样品锆石置于环氧树脂中，待固结后抛磨至锆石粒径的大约二分之一，使锆石内部充分暴露，然后进行锆石反射光、透射光和阴极发光(CL)显微照相。在天津地质矿产研究所实验室进行LA-ICP-MS锆石微区U-Pb定年。测试点的选取首先根据锆石反射光和透射光照片进行初选，再与CL照片反复对比，力求避开内部裂隙和包裹体，以获得较准确的年龄信息。分析测试使用仪器为Neptune多接收电感耦合等离子体质谱仪和193 nm激光取样系统(LA-MC-ICP-MS)。激光剥蚀的斑束为35 μm，能量密度为13～14 J/cm2，频率为8～10 Hz，激光剥蚀物质以He为载气送入Neptune(MC-ICP-MS)。样品处理、详细流程及数据处理见参考文献[8]。

样品主量元素和微量元素分析由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。主量元素用X射线荧光光谱仪(Axiosmax)分析，微量元素用电感耦合等离子体质谱仪(X-serise 2)分析，相对误差小于5%。

3 测试结果

3.1 LA-ICP-MS 锆石U-Pb年龄

三个井辉长岩(样品D6003)中的锆石的结晶程度较好，大多数呈无色透明的长柱粒状自形—半自形晶体，在阴极发光图像(图3)上可见明显的岩浆震荡和生长环带，具典型的岩浆锆石特征[9]。对随机挑选的24粒锆石进行LA-ICP-MS锆石U-Pb测年，分析结果见表1。其中继承锆石3个测点，可能是捕获的基底古元古界北山岩群的锆石，锆石边部浑圆，206Pb/238U的年龄在654～1 429 Ma之间，5个测点206Pb/238U的年龄在328～387 Ma之间，可能是侵位后所受到的构造热事件的影响，另外3个测点谐和度低。在年龄计算中，这11个测点年龄被剔除，其余13个测点锆石U-Pb年龄谐和度高，在谐和图上样品基本都集中在谐和线上(图4)，206Pb/238U年龄集中在400～409 Ma之间，加权平均年龄为(404.9 ±1.6)Ma(MSWD=1.00)，解释为岩浆结晶年龄。

图3 三个井辉长岩的锆石阴极发光图像Fig.3 Cathodoluminescence images of zircon of Sangejing gabbro

表1 三个井辉长岩LA-ICP-MS 锆石U-Pb分析结果

注：带删除线的数据为年龄计算中剔除部分。

3.2 岩石地球化学特征

三个井辉长岩样品的地球化学测试结果列于表2。SiO2含量为49.62%～50.83%，全碱含量低，w(K2O+Na2O)为2.40%～3.01%，在TAS图解(图5)上投于亚碱性辉长岩区域，为亚碱性系列基性岩。在AFM图解(图6)中投于钙碱系列，里特曼指数(σ)为0.87～1.16(<3.3)，属于钙碱性。Al2O3含量为18.99%～21.12%(大于17%)，划入高铝玄武岩类，而高铝玄武岩目前仅限于俯冲带相关环境，即岛弧和活动陆缘[10]。

表2 三个井地区辉长岩主量元素、微量元素分析结果

Ir.分界线，上方为碱性，下方为亚碱性; 1.橄榄辉长岩； 2a.碱性辉长岩； 2b.亚碱性辉长岩； 3.辉长闪长岩； 4.闪长岩； 5.花岗闪长岩； 6.花岗岩； 7.硅英岩； 8.二长辉长岩； 9.二长闪长岩； 10.二长岩； 11.石英二长岩； 12.正长岩； 13.副长石辉长岩； 14.副长石二长闪长岩； 15.副长石二长正长岩； 16.副长正长岩； 17.副长深成岩； 18.霓方钠岩/磷霞岩/粗白榴岩

图5 SiO2-K2O+Na2O图解

Fig.5SiO2-K2O+Na2Odiagram

CA.钙碱系列； TH.拉斑系列

样品中稀土总量(∑REE)较低，在36.54×10-6～50.23×10-6之间。在稀土球粒陨石标准化配分曲线图(图7)上，配分曲线明显右倾斜，为轻稀土富集型，轻、重稀土分馏明显，(La/Yb)N为7.16～9.07，明显的铕正异常，δEu值在1.65～1.66之间。

图7 辉长岩的球粒陨石标准化稀土分配模式(底图据文献[11])Fig.7 Chondrite normalized REE distribution patterns of the gabbro(according to the reference[11])

从微量元素原始地幔标准化蛛网图(图8)可以看出，大离子亲石元素Rb、Ba、K和Sr明显富集，而高场强元素Ta、Nb和元素P亏损明显。大离子亲石元素的富集和Ta、Nb亏损是岛弧火成岩突出的地球化学特征[11-15]。

图8 辉长岩的原始地幔标准化蛛网图(底图据文献[11])Fig.8 Primitive mantle normalized spider diagram of the gabbro(according to the references[11])

4 讨论

研究区出露大量的岩浆岩，邓晋福等[16]将该区的构造岩浆系统划为公婆泉残留弧。高勇等[17]以公路井—三个井韧性剪切带作为明水岩浆弧与公婆泉岛弧的构造边界，在该韧性剪切带以北的明水岩浆弧中主要出露石炭纪—早二叠世火成岩[18-19]，而在剪切带以南主要出露奥陶纪—早泥盆世岩浆岩[20]。本次研究的三个井辉长岩体位于该剪切带南侧，距剪切带约12 km。辉长岩锆石U-Pb定年获得加权平均年龄为(404.9±1.6) Ma，表明该岩体的侵位结晶年龄为早泥盆世。

三个井辉长岩体具有显著的Sr、Ba正异常(这是由于Sr、Ba在斜长石中的分配系数较大)，显著的Eu正异常(δEu为1.65～1.66)和较高的Mg#值(78～79)，暗示岩浆发生了结晶分离，存在斜长石的堆晶作用[21]，这与辉长岩岩体中出露不规则脉状灰白色斜长岩的地质现象相符。该辉长岩属高铝玄武岩系列(Al2O3含量大于17%)，而高铝玄武岩类岩浆来源都与俯冲带有关[10]。Zr/Hf比值为23.9～27.9，Nb/Ta比值为10.4～11.1，其较为接近大陆壳(Zr/Hf=33，Nb/Ta=11)，而低于洋中脊玄武岩的值(Zr/Hf=36.1，Nb/Ta=17.7)[11]，表明岩浆在上升过程中可能受到地壳物质的混染。岩石轻稀土富集，明显富集大离子亲石元素Rb、Ba、K和Sr，而明显亏损高场强元素Ta、Nb和元素P，显示了岛弧火成岩的地球化学特征[11-15]。其主量元素和微量元素特征均反映与俯冲带岩浆弧关系密切。在2Nb-Zr/4-Y图解(图9(a))中，数据点均投到板内拉斑玄武岩和火山弧玄武岩的区域，在Th/Yb-Nb/Yb图解(图9(b))中均投影在火山弧区域，进一步说明三个井辉长岩的岩浆来源与俯冲带相关。

宋泰忠等[22]通过对小黄山蛇绿岩进行地球化学分析，认为其是弧后扩张时的产物，形成时代为晚寒武世—早奥陶世。王国强等[23]认为红石山蛇绿岩中的玄武岩显示类似MORB型玄武岩的地球化学特征，依据蛇绿岩中的辉长岩年龄，认为该蛇绿岩形成时代为早石炭世。邓晋福等[16]认为红石山蛇绿岩带具南北双向俯冲的特征，往西延伸通过康古尔，往东延伸进入蒙古国境内(前人认为向东延伸至蓬勃山一带，而近些年在蓬勃山一带完成的1∶5万区域地质调查中未发现蛇绿岩的存在)，该条蛇绿岩带代表了最晚消失的洋。

(a) 2Nb-Zr/4-Y图解 (b) Th/Yb-Nb/Yb图解

A1.板内碱性玄武岩； A2.板内碱性玄武岩和板内拉斑玄武岩； B.E-MORB； C.板内拉斑玄武岩和火山弧玄武岩； D.N-MORB和火山弧玄武岩； N-MORB.正常型洋中脊玄武岩； E-MORB.富集型洋中脊玄武岩； OIB.洋岛玄武岩

图9 辉长岩微量元素构造环境判别图解(底图据文献[11-12])

Fig.9Diagramsoftectonicsettingsoftraceelementsforthegabbro(accordingtothereferences[11-12])

综上所述，在北山地区，沿红石山一带的主洋盆向南俯冲的早期，形成了公婆泉岩浆弧，时代为奥陶纪—早泥盆世，三个井辉长岩可能是该构造环境下的产物。晚期形成了明水岩浆弧，时代为早石炭世—早二叠世[18-19]。其后二者在公路井—三个井一带碰撞对接在一起。

5 结论

(1)北山地区三个井辉长岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb加权平均年龄为(404.9 ±1.6)Ma，该年龄代表了辉长岩的形成时代，为早泥盆世。

(2)三个井辉长岩属高铝玄武岩系列，具有明显富集大离子亲石元素Rb、Ba、K和Sr，而明显亏损高场强元素Ta、Nb和元素P的特征，主微量元素特征均显示岩浆在上升过程中可能受到地壳物质的混染，其构造环境与俯冲带相关。该辉长岩可能是沿红石山一带的主洋盆向南俯冲早期的产物。