内蒙古乌拉特中旗新忽热地区二叠纪花岗岩地球化学特征及其地质意义

俞嘉嘉，周万蓬，孙远强，孟艳宁，陈金勇，邱林飞，惠小朝

1.核工业北京地质研究院 地质矿产研究所，北京 100029;2.东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室，南昌 330013

0 引言

古亚洲洋的闭合问题是华北板块和西伯利亚板块的研究热点，索伦山缝合带被认为是两大板块最后碰撞缝合的位置。目前，对于古亚洲洋的闭合时间仍存在争议：一种观点认为古亚洲洋闭合时间在晚泥盆世末—早石炭世末[1--4]；另一种观点认为闭合时间在晚古生代末—早中生代[5--10]。争议存在的原因主要是华北地块出露的蛇绿岩分布较广，类型复杂，造山构造运动和岩浆活动多次叠加，使得蛇绿岩蚀变强烈，且分布零散，以至对构造环境判别和定年存在不确定性[11--12]。

乌拉特中旗新忽热地区构造位置上处于华北克拉通北缘中段，北部紧邻索伦山缝合带，是研究古亚洲洋闭合时限的有利地区，前人在此做了大量研究：赵磊等[13]对温更地区北七哥陶橄榄辉长岩定年显示为(269±8)Ma，认为橄榄辉长岩产于后碰撞的构造环境，是古亚洲洋俯冲消减过程中再循环下地壳组分对岩石圈地幔改造的产物。王挽琼等[14]对德尔斯地区黑云母二长花岗岩定年为(279±3)Ma、(266±3)Ma，即早、中二叠世，研究认为岩石形成于活动大陆边缘环境，该时期古亚洲洋板块仍处于向华北克拉通北缘俯冲的状态。郝增元等[15]对石哈河黑云母二长花岗岩研究认为洋壳俯冲阶段转入陆--陆碰撞阶段的时间上限应晚于早二叠世晚期；赵广明等[16]对拉嘎乌苏岩体黑云母二长花岗岩定年显示(450±4)Ma，指示古亚洲洋向华北板块北缘俯冲不晚于晚奥陶世。

针对前人对古亚洲洋闭合时限的争议，笔者对乌拉特中旗新忽热地区出露的二叠纪花岗岩进行地球化学分析，探讨其成因及形成构造背景，为确定古亚洲洋闭合过程提供进一步线索支撑。

1 地质概况

兴蒙造山带记录了古亚洲洋俯冲及西伯利亚和华北板块碰撞拼合的重要信息，其构造活动主要发生在早--晚古生代时期，自北向南形成了乌里雅斯太活动陆缘、贺根山蛇绿岩混杂岩带、宝力道胡岛弧增生带、索伦—林西缝合带、温都尔庙俯冲增生杂岩带等构造单元，最南侧以赤峰—白云鄂博断裂为界与华北陆块分隔(图1)[17--18]。

内蒙古乌拉特中旗新忽热地区位于华北板块北缘中西段，北邻兴蒙造山带南缘(温都尔庙俯冲增生杂岩带)，南倚华北前寒武纪克拉通(图1a)[19]。区内发育的主要断裂为查干陶勒盖—西乌兰陶勒盖—东豪断裂带，呈北NWW分布。岩浆活动以海西期岩浆活动为主，在新忽热地区，呈不同形态的岩株产出，近NWW向或EW向展布，展布方向与区内总体构造线方向一致。出露岩浆主要有片麻状黑云母花岗岩、石英闪长岩、花岗闪长岩、闪长岩、黑云母花岗岩和黑云母二长花岗岩等。二叠纪黑云母花岗岩和黑云二长花岗岩呈岩株、岩墙侵入于新元古代黑云母花岗岩和石炭纪的石英闪长岩、花岗岩闪长岩、闪长岩中(图1b)。根据1∶50 000区域地质调查研究，本文所采集的黑云母花岗岩、黑云母二长花岗岩形成于二叠纪(1)内蒙古有色地质矿业有限责任公司. 内蒙古乌拉特中旗角力格太地区1∶50 000角力格太幅 (K49E014004)、巴音温都尔幅 (K49E014005)、巴音哈太苏木幅 (K49E015004)、新忽热苏木幅 (K49E015005)区域地质矿产调查报告[R]. 呼和浩特：内蒙古有色地质矿业有限责任公司, 2010.，锆石U--Pb年龄为275 Ma。

2 岩石化学特征

2.1 样品采集与分析方法

野外共采集11个样品，其中5个黑云母花岗岩，6个黑云母二长花岗岩。主量元素分析由核工业北京地质研究院分析测试研究所完成，由AB104L，Axios-max波长色散X--射线荧光光谱仪测试；微量元素分析由DRC--E等离子体质谱仪测试。

2.2 主量元素

主量元素测试结果见表1。岩石中SiO2含量为72.34%～76.54%，Al2O3含量为12.60%～15.55%，(Na2O+K2O)=6.66%～9.30%，相对富钾K2O/Na2O=0.25～3.58，Fe2O3t含量为0.42%～1.72%(平均0.85%)，具有较低的MgO、MnO、CaO、TiO2、P2O5含量，A/CNK=1.07～1.21，里特曼指数(σ)1.47～2.88，均值2.36(σ<3.3)。从SiO2-(Na2O+K2O+CaO)图解(图2a)和A/CNK-A/NK图解(图2b)中可知，其属于碱钙性系列、弱过铝质花岗岩类。

2.3 微量元素

微量元素测试结果如表2所示。稀土元素配分曲线表现为轻稀土富集、重稀土亏损的右倾型(图3a)。稀土总量(∑REE)为(94.53～650.06)×10-6(均值为245.11×10-6)，轻重稀土发生明显分馏作用，LREE/HREE=24.94～56.14(均值40.20)；(La/Yb)N=42.39～284.16(均值132.18)，具弱负铕异常(δEu=0.35～1.88，均值0.85)，无铈异常(δCe=0.93～1.32，均值1.07)。微量元素蛛网图(图3b)显示富集大离子亲石元素K、Rb、Sr等元素，相对亏损高场强元素Nb、Ta和Ti等元素。

1.第四系砂土；2.新近系宝格达乌拉组：砂质泥岩、泥岩、砂砾岩；3.新近系汉诺坝组致密块状玄武岩；4.长城系尖山组：板岩夹变质砂岩；5.乌拉特岩群黑云斜长片麻岩；6.二叠纪中细粒黑云母花岗岩；7.石炭纪花岗闪长岩；8.石炭纪石英闪长岩；9.石炭纪闪长岩；10.石炭纪辉绿辉长岩；11.逆断层；12.推测断层；13.研究区；14.采样点。

表1 主量元素分析结果

图2 花岗岩的SiO2-(Na2O+K2O-CaO)图解(a)和A/CNK-A/NK图解(b)

3 讨论

3.1 岩石成因判别

黑云母花岗岩和黑云母二长花岗岩均属于富硅、富钾、低钙磷钛，碱钙性系列，弱过铝质岩石，轻稀土元素富集，重稀土元素相对亏损，具弱负铕异常，无铈异常；微量元素标准化蛛网图中(图3)，相对富集K、Rb、Ba等元素，亏损Nb、P、Ti等元素，该特征指示了物质来源于壳源地区。分异指数(DI)83.17～95.75(均值92.56)；P2O5(0.02%～0.19%)、TiO2(0.02%～0.11%)与SiO2之间呈负相关关系，指示其具I型花岗岩特征[20]。Rb值22.00×10-6～175.00×10-6(均值90.04×10-6)、Y值1.36×10-6～6.53×10-6(均值4.23×10-6)，Rb--Y之间负相关关系指示其为I型花岗岩[21]。结合花岗岩类成因判别图解(图4)，可知其属于高分异I型花岗岩类。

a. 10 000 Ga/Al--Y判别图解；b. 10 000 Ga/Al--Y--FeO/MgO判别图解；c. SiO2--Ce判别图解；d. Zr--TiO2判别图解。

Sr值(165～754)×10-6(均值353.00×10-6)，Yb值(0.08～0.75)×10-6(均值0.46×10-6)，如图5所示，大部分样品点落于低Sr低Yb类型，少部分落于高Sr低Yb类型；低Sr低Yb型花岗岩可能形成于中等压力，高Sr低Yb类型可能形成于高压环境，前者形成深度为30 km，极限深度可能接近50 km；后者形成深度>40 km，极限深度可能>50 km[25--26]。由此可知，研究区花岗岩可能来源于中上地壳。

Ⅰ. 高Sr低Yb；Ⅱ. 低Sr低Yb；Ⅲ. 高Sr高Yb；Ⅳ. 低Sr高Yb；Ⅴ. 极低Sr高Yb。

3.2 构造背景

对于古亚洲洋闭合问题，近年来取得了大量研究成果：关庆彬等[27]对兴蒙造山带南缘东段和龙地区I型花岗岩的研究表明，晚二叠世早期古亚洲洋板块俯冲于华北克拉通之下，中三叠世华北克拉通与兴凯地块碰撞拼合，即最终闭合时间为晚二叠世末—早三叠世。刘建峰等[28]对西拉木伦河蛇绿岩带东段的九井子蛇绿岩中辉长岩脉及蛇绿岩的围岩进行研究，结果显示九井子蛇绿岩构造侵位时代为晚二叠世末—早三叠世初，该时间可能为古亚洲洋的最终闭合时代。周志广等[29]通过对内蒙古白乃庙逆冲推覆构造的研究显示，晚二叠世至早三叠世，白乃庙逆冲断层晚期活动可能是古亚洲洋最终闭合的构造表现。王师捷等[30]对华北板块北缘中段土木尔台地区的花岗闪长岩--苏长辉长岩的研究认为岩体形成于俯冲构造背景下，同时在早二叠世时期，古亚洲洋仍未完全闭合。郭硕等[31]对内蒙古狼山西北缘乌兰敖包地区“阿木山组”的沉积学研究表明，早--中二叠世古亚洲洋处于向华北板块俯冲的岩浆弧环境。王师捷等[32]通过对苏尼特右旗地区沉积地层及火山岩的研究认为，早--中二叠世时期，在俯冲背景下，发育三面井组和大量陆缘弧火山岩，此时古亚洋州仍存在；晚二叠世之后，碰撞结束，古亚洲洋逐渐消失，区域出现大量A型花岗岩，指示了该时期处于后碰撞伸展环境。卜建军等[33]通过古生物地层学的推测，认为古亚洲洋西段洋盆关闭时间为早石炭世—中二叠世，东段洋盆关闭时间为晚二叠世。

全岩地球化学特征显示，岩石富Si、K，贫Ca、P，富集大离子亲石元素、轻稀土元素，而亏损高场强元素和重稀土元素，反映了岛弧和活动大陆边缘花岗岩的特征。据Pearce et al.[34]花岗岩Y--Nb判别图(图6a)中可见样品点落于火山弧和同碰撞花岗岩区，(Yb+Ta)--Rb判别图(图6b)中样品点落于火山弧花岗岩区，可佐证其主要产于活动大陆边缘；根据Maniar et al.[35]的花岗岩构造环境判别图解(图6c、d)可以看出样品点落于ICG+CAG+CCG和POG，这表明其形成于板块边缘环境，在成岩过程中混入了洋壳、陆壳等物质。

综上所述，二叠纪时期，黑云母花岗岩和黑云母二长花岗岩形成于俯冲的构造背景下，与洋壳俯冲消减有关；原始岩浆于地幔向上运移，经历地壳物质熔融混合，在二叠纪时期侵位形成具有壳幔混合的I型花岗岩，即研究区在该时段处于由洋壳俯冲阶段进入陆--陆碰撞构造演化的阶段，由此可知古亚洲洋在中二叠世并未完全闭合，这与上述前人研究结论一致。

a.Y--Nb判别图；b.(Yb+Ta)--Rb判别图； c. SiO2-FeOt/(FeOt+MgO)构造环境判别图；d.SiO2-Al2O3构造环境判别图。VAG.火山弧花岗岩；syn-COLG.同碰撞花岗岩；WPG.板内花岗岩；ORG.洋脊花岗岩；IAG.岛弧花岗岩类；CAG.大陆弧花岗岩类；CCG.大陆碰撞花岗岩类；POG.后造山花岗岩类；RRG.与裂谷有关的花岗岩类；CEUG.与大陆的造陆抬升有关的花岗岩类。

4 结论

(1)新忽热地区出露二叠纪黑云母花岗岩、黑云母二长花岗岩，主微量元素特征上显示其富硅、富钾，钙碱性弱铝质系列岩石。轻重稀土分馏明显，轻稀土富集、重稀土亏损，富集K、Rb、Ba等元素，亏损Nb、Ti、Ta、P等元素，Eu呈弱负异常，属于壳幔混源的I型花岗岩。

(2)二叠纪黑云母花岗岩和黑云母二长花岗岩形成于洋壳俯冲向碰撞阶段转化的构造环境，同时中二叠世古亚洲洋仍未闭合。