内蒙古海勒斯台正长花岗岩锆石U-Pb年代学、地球化学特征

郭雷亮，汪轩辰，王 帅，李英杰，石宏杰

1.河北地质大学 资源学院，河北 石家庄 050031；2.中国科技出版传媒股份有限公司 石家庄分公司，河北 石家庄 050031

0 引 言

花岗岩是大陆地壳的重要组成部分，其分布广泛，并且花岗岩的形成过程蕴含了大量造山带和地壳构造演化过程的信息。大陆的生长和演化是地球科学长期研究前沿问题之一，也是大陆动力学研究的8个重要科学问题之一[1]。花岗岩与大地构造环境之间存在密切的联系，利用地球化学标志可以判别花岗岩形成时的大地构造环境[1,2]。研究花岗岩是研究大陆地壳的结构、组成及演化的有效方法。

内蒙古海勒斯台地区位于兴蒙造山带与滨太平洋构造域的叠加部位(图1a)。该区域经历了复杂的构造岩浆活动[3-12]，产出大量的多种多样的花岗岩，包括有大洋俯冲岛弧型、碰撞型、造山后A型花岗岩[13,14]。空间上花岗岩呈带状分布，前人将内蒙古中部划分为3条规模宏大的花岗岩带，包括白云鄂博—赤峰带、苏尼特—锡林浩特带、白音乌拉—东乌珠穆沁旗带[15]。而海勒斯台花岗岩研究程度较低，仅停留在基础地质和遥感等基础研究，缺乏系统的岩石学、地球化学、年代学研究。论文旨在前人研究的基础上，对海勒斯台正长花岗岩进行详细的野外地质、岩石学、地球化学及年代学特征研究，探讨其岩石成因和形成时构造环境，为该区域大地构造演化提供依据。

图1 (a)兴蒙造山带区域构造地质图(据文献[16]修改)；(b)海勒斯台正长花岗岩地质简图Fig.1 (a) Regional tectonics map of the Xingmeng orogenic belt (modified from study[16]);(b) Sketch geological map of the Hailesitai syenogranite

1 区域地质背景及岩石学特征

研究区位于内蒙古东乌珠穆沁旗海勒斯台地区，其大地构造位置处于贺根山蛇绿岩—弧—增生杂岩带的东段[17]，是中朝陆块和西伯利亚陆块之间华力西期苏左旗—西乌旗岩浆岩带与燕山期北东向滨太平洋构造域大兴安岭岩浆岩带叠加部位(图1a)。该区域经历了强烈而复杂的地质变化，发生大规模的火山喷发和断裂构造，形成了独特的构造单元。

研究区出露中生界地层主要为晚侏罗统满克头鄂博组(J3mk)、玛尼吐组(J3mn)及下白垩统白音高老组(K1b)。区域内侵入岩均为酸性花岗岩，海勒斯台正长花岗岩侵入晚侏罗世正长花岗岩和下白垩统白音高老地层中(图1b)，二者接触界线有冷凝边。

海勒斯台正长花岗岩的新鲜面呈浅肉红色，半自形粒状结构，块状构造，发育球形风化。矿物成分主要为钾长石(50%～55%)、斜长石(10%～15%)和石英(30%～35%)，少量黑云母(<5%)，粒径以1～3 mm为主。钾长石主要呈半自形—近半自形板状，主要为条纹长石，镜下观察可见卡式双晶，多具高岭土化；石英主要呈他形粒状充填于长石空隙中，波状消光，可见熔蚀边，少部分与长石呈文象交生状；斜长石呈半自形板状，镜下观察可见聚片双晶，双晶纹细密，具绢云母化。黑云母呈鳞片状，棕褐色，多色性明显，零散分布(图2)。

图2 海勒斯台正长花岗岩的野外露头照片(a)和显微照片(b)Fig.2 Outcrops of Hailesitai syenogranites(a)and micrographs(b)

2 分析方法

主、微量元素分析测试由河北省区域地质矿产研究所完成，采用IRIS Intrepid II等离子直读光谱仪进行全岩分析测定，分析误差低于5%。锆石的分选在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成，挑选无包裹体、无裂纹和透明度高的锆石颗粒，镀碳后由北京锆年领航科技有限公司的高分辨热场发射能谱阴极发光室(SEM-EDS-CL)进行高精度全光、单光阴极发光(CL)图像的采集。锆石原位LA-ICP-MS U-Pb同位素年龄分析在中国地质调查局天津地质调查中心实验测试室完成，激光剥蚀系统为Newwave UP 193。锆石年龄计算以标准锆石GJ-1作为外标，每分析8个样品点，分析2次GJ-1进行同位素分馏校正及仪器监测。分析数据的处理采用ICP-MS-Data Cal 8.4程序[18](Liu等, 2008)，通过Andersen[19](2002)方法对测试数据进行普通铅校正，年龄计算及谐和图绘制通过ISOPLOT(3.0版)[20-21](Ludwig, 1991; Yuan等, 2004)完成，U-Pb同位素测试方法及流程见李怀坤等[22](2009)。

3 分析结果及地球化学特征分析

3.1 锆石U-Pb年龄测定结果

在海勒斯台正长花岗岩岩体中采集了1个同位素测年样品。样品的锆石颗粒大小在100～200 μm之间。锆石颗粒结构均一，呈自形—半自形双锥状或柱状。锆石阴极发光(CL)图像显示锆石发育环带结构(图3)。锆石U-Pb同位素分析结果见表1。从表1可见，样品锆石的Th/U比值为0.55～1.51，为岩浆成因锆石。测点打在震荡环带发育的部位，测定的年龄值大多落在谐和线上或附近，206Pb/238U加权平均年龄为133.2±1.3 Ma，表明正长花岗岩的形成年龄为早白垩世。

图3 海勒斯台正长花岗岩锆石CL图像及U-Pb谐和图Fig.3 CL images and the U-Pb concordia diagrams of zircons from the Hailesitai syenogranites

3.2 岩石地球化学特征

该花岗岩主量元素特征一致(表2)，岩体富硅，SiO2含量介于76.32%～77.23%之间；略富Al2O3(12.17%～12.72%)；富碱(Na2O+K2O=8.03～8.42)，相对富钾，K2O/Na2O值为1.12～1.24；里特曼指数δ分布在 1.89～2.1之间，均小于3.3，属钙碱性岩石，SiO2-K2O图解显示，样品全部落入高钾钙碱性系列范围内(图4a)。A/CNK 值为 1.02～1.10，在A/NK-A/CNK图解(图4b)中，样品均落于弱过铝质区。贫TFeO(0.71%～0.99%)、贫MgO(0.11%～0.14%)，高分异指数(DI=95.17～96.02)，显示岩石经历了较高程度的分异演化。综上所述，海勒斯台正长花岗岩属于弱过铝质高钾钙碱性岩石，富硅、富碱、贫铁、贫镁和贫钙，结合其主元素特征发现与典型的A型花岗岩相类似。

图4 (a) 正长花岗岩SiO2-K2O图解[23]；(b) A/CNK-A/NK关系图[24]Fig.4 (a) SiO2-K2O diagram of syenogranites; (b) A/NKC-A/NK diagram of syenogranites

表1 海勒斯台正长花岗岩LA -ICP-MS 锆石U-Pb定年结果Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results of the Hailesitai syenogranites

图5 (a)海勒斯台正长花岗岩稀土元素球粒陨石标准化配分曲线[25]；(b)微量元素原始地幔标准化蛛网图[26]Fig.5 (a) Primitive mantle-normalized trace element spidergrams;(b) Chondrite-normalized REE distribution patterns for theHailesitai syenogranites

表2 海勒斯台正长花岗岩主量元素和微量元素分析结果及相关参数Table 2 Analysis results and related parameters of major elements and trace elements of the Hailesitai syenogranites

该岩体稀土元素特征亦表现出较高的一致性，其总量偏低，ΣREE=67.1×10-6～92.61×10-6，平均含量78.84×10-6，在球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(图5a)上，呈现出一致的、右倾的海鸥型配分模式，LREE/HREE比值为7.21～8.56，平均7.63，(La/Yb)N为4.24～7.59，平均5.79。岩石轻稀土相对富集，表明可能有壳源物质加入或壳幔交代的影响；亏损重稀土，通常是认为石榴子石的分离结晶导致；具显著的Eu负异常，δEu为0.19～0.26，为斜长石的分离结晶导致。在原始地幔标准化的微量元素蛛网图(图5b)中，样品的微量元素分布曲线较为相似，其总体向右倾斜，存在Rb、Th、U、K、Ce和Nd正异常，Ba、Nb、Sr、Eu和Ti、P负异常。较低的Sr、Ba表明斜长石和钾长石发生了明显分离结晶作用。

4 讨 论

4.1 岩石成因

目前地质工作者对花岗岩成因类型最为常用的分类是ISMA分类[27-38]，海勒斯台正长花岗岩具弱过铝质特征及富铝矿物的缺乏，明显区别于S型花岗岩。岩石具富硅、富碱、贫铁、贫镁和贫钙的主元素特征，具较高的Ga/Al、(Na2O+K2O)/CaO、TFeO/MgO、和K2O/MgO值。A/CNK比值为1.01～1.10；高场强元Ti明显亏损，Zr、Hf相对富集；在球粒陨石标准化的稀土元素配分模式图上(图5a)，呈现出略微右倾的海鸥型配分模式及明显的Eu负异常。其地球化学特征与内蒙古中东部地区A型花岗岩地球化学特征一致，而明显不同于I、S和M型花岗岩。故海勒斯台正长花岗岩归属于弱过铝质A型花岗岩。

与此同时，不同的成岩过程和不同原岩的部分熔融可以产生成分相近的花岗岩，A型花岗岩与高分异I型花岗岩的区分更是困难。在花岗岩的K2O-Na2O(图6a)、10 000×Ga/Al-(K2O+Na2O)(图6b)中，样品全部落在A型花岗岩区域内，进一步表明海勒斯台正长花岗岩属于A型花岗岩。

图6 (a)海勒斯台正长花岗岩K2O-Na2O图解[39]；(b)10 000×Ga/Al对(K2O+Na2O)判别图解[40]Fig.6 (a) K2O Na2O diagram of Helestai syenogranite;(b) K2O+Na2O versus 10 000Ga/Al discrimination diagrams of the Helestai syenogranite

海勒斯台正长花岗岩的主元素具高硅高碱的特征，暗示其为中下地壳部分熔融的产物[41-42]。微量元素亦可以显著地区分幔源和壳源产生的岩浆[43]，样品中Rb/Sr的值为3.0～5.5，远高于原始地幔(0.03)和亏损地幔(0.033)的Rb/Sr值；Ti/Zr的值为2.8～6.1，属于壳源岩浆范围(>0.5)内；(Rb/Nb)N的比值为12.3～18.7，远高于陆壳的(Rb/Nb)N值(2.3～4.8)，更体现了壳源岩浆的特征。综上所述，海勒斯台正长花岗岩应来源于地壳岩石的部分熔融。

4.2 构造环境及意义

A型花岗岩形成于伸展(拉张)环境这一点国内外学者已有广泛共识[28-34]。Eby[44-45]提出将A型花岗岩进一步细分为A1型和A2型两个亚类，A1型的形成与陆内裂谷和地幔热柱有关；A2型则主要产出于地壳伸展或后造山的张性构造环境。

在Nb-Y-Ce、Nb-Y-3Ga构造判别图解(图7a,7b)上，塔拉查干正长花岗岩样品均落入A2型花岗岩区，并可与区内和邻区以及兴蒙造山带东部地区中生代A2型花岗岩相对比[40]，反映了造山带后造山伸展拉张构造环境形成的后造山花岗岩特征。

为进一步确定海勒斯台正长花岗岩形成时的构造环境，选取了其他适用于花岗岩构造判别的图解。在Y+Nb-Rb 图解(图6c)中，样品全部落在后碰撞花岗岩区。在R1-R2图解中(图6d)，所有碱长花岗岩样品均落在后造山区域。综上表明，海勒斯台正长花岗岩属于A2型花岗岩，其可能是在造山后岩石圈伸展拉张的构造背景下产出。

图7 A型花岗岩(a) Nb-Y-Ce和(b) Nb-Y-3Ga三角图[45]；(c) Y+Nb-Rb和(d) R1-R2构造环境判别图[46]Fig.7 (a) Nb-Y-Ce and (b) Y-Nb-3Ga triangular plot of A-type granite;(c) (Y+Nb)-Rb and (d) R1-R2 discrimination diagrams of tectonic setting

伸展构造背景一般归因于板片断离和拆沉作用[27]。前人研究表明，由拆沉作用形成的岩浆多呈面状分布，而板片断离作用形成的岩浆多呈线性分布。而研究区位于滨太平洋构造域大兴安岭岩浆岩带上，岩浆岩在空间上呈线状分布，不同于岩石圈地幔拆沉作用形成的面状分布的岩浆岩，故此推测海勒斯台正长花岗岩的形成与俯冲板片的断离有关。综上所述，认为海勒斯台正长花岗岩是俯冲板片断离引起地壳岩石部分熔融形成，其形成也揭示了海勒斯台地区在早白垩世为后造山伸展拉张演化阶段。

5 结 论

(1)海勒斯台正长花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果为133.2±1.3 Ma，表明其为早白垩世岩浆活动的产物。

(2)海勒斯台正长花岗岩属于弱过铝质高钾钙碱性A型花岗岩，富硅、富碱，贫铁、贫镁、贫钙，略微右倾的海鸥型稀土元素配分模式，属于高钾钙碱性弱过铝质A型花岗岩。结合区域地质背景，推论海勒斯台正长花岗岩是由俯冲板片的断离和地壳伸展减压共同作用形成。

(3)海勒斯台正长花岗岩的形成表明早白垩世该地区进入碰撞后伸展拉张演化阶段。

【致谢：在此衷心感谢野外工作中项目组成员的支持和无私帮助、各数据测试实验室的帮助以及审稿专家给出的宝贵意见。】