北山洋晚志留世—早泥盆世构造演化：内蒙古白云山蛇绿混杂岩带南部侵入岩年代学、地球化学的制约

程先钰，田 健，段霄龙，赵泽南，任邦方，张 永

(1.中国地质调查局 天津地质调查中心，天津 300170;2.河北省区域地质矿产调查研究所，河北 廊坊 065000)

0 引 言

中亚造山带是一个持续俯冲增生的产物[1-3]，同时也是世界上最大的古生代增生带和显生宙大陆地壳生长带[4-9]。北山造山带作为中亚造山带的重要组成部分，是研究中亚造山带古生代构造格局转化的重要地区，多年来受到广大地质学者的关注[10-11]。

北山造山带南邻塔里木板块，北接哈萨克斯坦板块，西邻东天山，东接阿拉善，是天山—兴蒙造山带的关键枢纽地带[12]。北山造山带在古生代发育多条蛇绿混杂岩带，南部以红柳河—牛圈子—白云山—月牙山—洗肠井蛇绿岩带为标志，反映北山洋在古生代期间构造活动强烈，洋壳发生多期次或长期俯冲碰撞。多年来，前人对该条蛇绿混杂岩带形成年龄进行了充分的研究，红柳河蛇绿岩带形成于425 Ma[13]，牛圈子蛇绿岩形成于443 Ma[14]，白云山蛇绿岩带形成于496.4 Ma[15]，月牙山蛇绿岩带形成于530 Ma[16]、536 Ma[17]。早古生代洋壳持续俯冲，晚志留世北山古生代洋盆已经俯冲消亡，并转化为碰撞造山[18]，白云山三个井组玄武岩形成年龄应晚于(396.6±3.3)Ma[19]，且处于板内伸展的构造背景，具有板内玄武质熔浆的成分特征。因此，探讨北山洋由碰撞造山向板内拉伸裂解转化的时间节点具有重要意义。

本文通过对出露于白云山蛇绿混杂岩带西南部的中酸性侵入岩脉进行LA-ICP-MS锆石U-Pb定年和岩石地球化学特征研究，结合最新1:5万区调资料，对花岗岩脉的岩石类型、年代学、大地构造背景等进行研究，对北山造山带构造演化的时间节点进行了较细致的约束，研究结果对进一步认识北山地区古生代洋-陆转化具有重要意义。

1 区域地质背景

白云山蛇绿混杂岩地处马鬃山地块与双鹰山地块接触部位，东距额济纳旗约250 km，与月牙山—洗肠井蛇绿岩带、牛圈子蛇绿岩带和红柳河蛇绿岩带共同构成北山造山带早古生代近东西向蛇绿混杂岩带(图1(a))。最新资料显示白云山蛇绿混杂岩带为早古生代时期洋盆俯冲形成，年龄(519.8±2.3)Ma[20]。混杂岩带呈北西西向带状展布，东西长约27 km，南北宽3～5 km(图1(b))[20]，底部依次出露蛇纹石化的橄榄岩、辉橄岩、二辉橄榄岩等；上覆辉长岩、斜长花岗岩，局部见辉绿岩脉侵入；顶部为多呈岩块分布的紫红色放射虫硅质岩。混杂岩带北邻白云山组呈断层接触，白云山组北侧大面积出露晚泥盆世花岗闪长岩。混杂岩带以南广泛出露古生代地层，包括上奥陶统锡林柯博组、下泥盆统三个井组、上泥盆统墩墩山组。锡林柯博组主要岩性为灰绿色变质长石岩屑砂岩、灰绿色变质长石石英砂岩、灰褐色白云岩等，与三个井组呈断层接触。三个井组岩石组合主要为一套凝灰质长石岩屑砂岩、凝灰质粉砂岩、硅质黏土岩夹基性-中基性火山岩，火山岩主要由玄武岩、玄武安山岩、流纹质凝灰岩等组成，与墩墩山组呈不整合接触。

研究区元古宙海相地层与古生代地层呈断层接触，岩石组合主要为碳酸盐岩沉积。混杂岩带南部局部出露晚志留世—早泥盆世中-酸性侵入岩脉，花岗闪长岩脉侵入石英闪长岩脉(图1(c))，与元古宙地层呈侵入接触。研究区三个井组火山岩与元古宙地层呈断层接触关系，由于第四系覆盖，不能确定侵入岩脉与三个井组火山岩之间的关系。

2 岩石学特征

区内石英闪长岩呈灰白色，中细粒花岗结构，块状构造，由斜长石(60%～65%)、钾长石(3%～5%)、石英(约10%)、角闪石假象(20%～25%)、黑云母假象(3%～5%)组成。斜长石主要呈半自形板状，杂乱状分布，具绢云母化、高岭土化、黝帘石化、葡萄石化等。钾长石呈它形粒状，为正长石，填隙状分布，有的呈斜长石环边，具高岭土化。石英呈它形粒状，填隙状分布。角闪石呈半自形-近半自形柱状、粒状，杂乱状分布。黑云母呈叶片状，多填隙于斜长石粒间，零散可见(图2(a)和(b))。

花岗闪长岩呈灰白色，细粒花岗结构，由斜长石(70%～75%)、石英(20%～25%)、角闪石(3%～5%)组成。斜长石主要呈半自形板状，杂乱状分布，具绢云母化、黝帘石化，蚀变较明显。石英呈它形粒状，填隙状分布，部分呈堆状聚集，粒内显波状、带状消光。角闪石呈近半自形-它形柱状、粒状，少量填隙状分布，显绿色，多色性明显(图2(c)和(d))。

3 样品及分析方法

3422、3424-1样品分别采自白云山蛇绿岩带西南部石英闪长岩脉和花岗闪长岩脉(图1(c))，锆石分选由河北省廊坊诚信地质服务有限公司完成。首先进行粉碎分选锆石，然后在双目镜下挑选透明度较高、晶形较完好且内部无裂隙具有代表性的锆石进行制靶。锆石阴极发光图像、制靶工作由北京锆年领航科技有限公司完成。通过反射光、透射光及阴极发光图像综合分析，选择晶形好、环带清晰的锆石样品进行测试。锆石LA-ICP-MS测试在天津地质调查中心实验室完成，利用激光剥蚀等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)进行锆石U-Pb同位素测试。激光剥蚀系统为New Wave UP213，ICP-MS为布鲁克M90。激光剥蚀过程中采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度，二者在进入ICP 之前通过一个Y型接头混合。每个时间分辨分析数据包括20～30 s的空白信号和50 s的样品信号。对分析数据的离线处理，包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素质量分数及U-Th-Pb同位素比值和年龄计算均采用软件ICPMSDataCal[22]完成。锆石的U-Pb年龄谐和图绘制和年龄权重平均计算均采用Isoplot/Ex_ver3[23]完成。本次测试剥蚀直径根据实际情况选择25 μm。

样品无污染磨碎至200目后，进行全岩主量、稀土和微量元素含量测定，测试在中国地质调查局天津地质调查中心实验室完成。主量元素使用X射线荧光光谱仪(XRF-1500)测试，精度优于2%～3%。稀土元素及微量元素利用酸溶法制备样品，使用ICP-MS(ElementⅡ)测试，分析精度优于10%。化学分析测试流程参考文献[24-25]介绍的方法。

4 分析结果

4.1 锆石U-Pb年代学

本文锆石U-Pb测试结果见表1。对石英闪长岩样品TW3422选取24个单颗粒锆石。由锆石CL图像(图3(a))可知，锆石长轴长为80～150 μm, 长宽比介于 1:1～1.5:1 之间，多为半自形、它形不规则状；Th/U介于0.51～1.20之间，平均为0.89，且大部分锆石具有清晰的振荡环带，具有典型岩浆岩锆石特征[26-28]。TW3422的206Pb/238U加权平均年龄为(420.0±1.8)Ma，加权平均方差MSWD=0.18(图3(b))，属晚志留世。

表1 石英闪长岩(TW3422)、花岗闪长岩(TW3424-1)LA-ICP-MS锆石U-Pb定年分析数据

花岗闪长岩样品TW3424-1同样选取24个单颗粒锆石。由锆石CL图像(图3(c))可知，锆石长轴长为60～100 μm, 长宽比介于 1:1～1.5:1 之间，多为自形-半自形板片状；Th/U介于0.36～1.61之间，平均为0.55，同样具有典型的岩浆岩锆石特征。其206Pb/238U加权平均年龄为(404.6±2.6)Ma，加权平均方差MSWD=1.7(图3(d))，属早泥盆世。

另外，TW3424-1的Th、U含量非常低，与样品TW3422的Th、U含量存在明显差异。Th、U含量较低，显示锆石Pb丢失程度高，表明二者的Pb丢失程度差异较大；Th、U等元素一般残留在熔浆液相，Th、U等元素的富集与锆石等矿物的分离结晶有关，因此TW3422较TW3424-1的锆石等矿物的分离结晶更成熟。

4.2 地球化学特征

4.2.1 主量元素

晚志留世石英闪长岩共选取两个样品进行地球化学分析，样品编号为YQ3422-1、YQ3422-2;早泥盆世早期花岗闪长岩同样选取两个样品进行分析，样品编号为YQ3424-1、YQ3424-2，分析结果如表2所示。4个样品SiO2含量为58.38%～69.46%，K2O含量为0.74%～1.38%，Al2O3含量为15.54%～16.95%，Na2O含量为4.15%～5.36%。在花岗岩SiO2-(Na2O+K2O)分类图解(图4(a))中，YQ3422样品落入闪长岩区，YQ3424样品落入花岗闪长岩区，与镜下观察结果一致。在铝饱和指数判别图解(图5(a))中，花岗闪长岩样品数据均分布于过铝质花岗岩区内；在SiO2-K2O图解(图4(b))中，石英闪长岩属钙碱性系列侵入岩，花岗闪长岩属低钾拉斑系列花岗岩。

表2 石英闪长岩(YQ3422)和花岗闪长石(YQ3424)主量(%)、微量(10-6)和稀土元素(10-6)分析结果

4.2.2 稀土元素和微量元素

晚志留世石英闪长岩和早泥盆世早期花岗闪长岩稀土元素及微量元素分析结果见表2。石英闪长岩REE为99.53×10-6～107.60×10-6，平均值为103.57×10-6；花岗闪长岩REE为36.04×10-6～37.64×10-6，平均值为36.84×10-6。石英闪长岩LREE为80.36×10-6～86.96×10-6，花岗闪长岩LREE为30.55×10-6～32.10×10-6；石英闪长岩HREE为19.17×10-6～20.64×10-6，花岗闪长岩HREE为5.49×10-6～5.54×10-6。石英闪长岩(La/Yb)N=4.13～4.21，平均4.17；花岗闪长岩(La/Yb)N=6.01～6.46，平均6.24，说明轻稀土元素相对重稀土元素明显富集(图6(a))，稀土元素分馏明显。石英闪长岩δEu=0.75～0.86，平均0.80，为明显负Eu异常；花岗闪长岩δEu=0.87～0.96，平均0.91，为弱负Eu异常，二者岩石分离结晶作用明显。

晚志留世石英闪长岩和早泥盆世早期花岗闪长岩均表现出不同程度地富集Rb、Th、U、K、Pb等元素，强烈亏损Ba、Sr、P、Ti、Eu等，弱亏损Nb、Ta等元素，高场强元素Zr(114×10-6～205×10-6)、Ta(0.21×10-6～0.68×10-6)、Hf(3.58×10-6～5.86×10-6)含量较低(图6(b))，具有岛弧(陆缘弧)岩浆岩的地球化学特征[29]。

在10000×Ga/Al-K2O+Na2O花岗岩类型地球化学判别图(图5(b))中，花岗闪长岩均落入Ⅰ型、S型区域，花岗闪长岩为分馏的I、S、M型花岗岩(图5(c))。由于研究区花岗闪长岩脉不可能是幔源基性超基性岩浆分异的产物，且直接由地幔岩浆衍生的M型花岗岩在自然界中少见[31]，故排除其源岩为 M 型花岗岩的可能。Ce-SiO2图解(图5(d))则进一步表明，花岗闪长岩为Ⅰ型花岗岩。

花岗闪长岩的TiO2含量0.32%～0.34%，相对来说比较低；10000×Ga/Al为1.70～1.71，平均值为1.71，接近于Ⅰ型花岗岩的平均值2.10。综上所述，可知研究区的花岗闪长岩主要为Ⅰ型花岗岩。

5 构造背景

白云山蛇绿混杂岩带是早古生代北山洋盆向北俯冲消减的产物[32-36]。该蛇绿混杂岩带区域上与红柳河、牛圈子、月牙山、洗肠井蛇绿混杂岩带构成近东西走向的缝合带。白云山蛇绿混杂岩西南部花岗闪长岩脉的地球化学分析结果表明，样品在Y-Nb图解(图7(a))中显示出火山弧和同碰撞岩浆岩性质；在Yb-Ta、(Y+Yb)-Rb和(Yb+Ta)-Rb图解(图7(b)—(d))中，样品全部投入火山弧岩浆岩端元，根据成岩年龄推测石英闪长岩脉同样具有火山弧的构造环境。火山弧是由于板块俯冲作用形成的火山岛弧，同碰撞岩浆作用则是与地壳加厚和陆内收缩同时进行的岩浆作用[37]。二者微量元素中高场强元素Ta、Nb的亏损特征代表典型的岛弧环境特征，且Sm/Nd为0.22～0.24，小于0.3，均是大陆地壳的典型特征。结合上述特征推测地壳物质参与了岩浆的形成。

前人在内蒙古北山地区开展了大量的地质研究[21,32-36,38-45]。有学者认为北山造山带中部的洗肠井—白云山—牛圈子—红柳河蛇绿岩最早形成于寒武纪[16-17,32]，奥陶纪向北强烈俯冲[10]，北山洋闭合于早泥盆世之前。本次采集的石英闪长岩的锆石U-Pb年龄为(420.0±1.0)Ma，为晚志留世，结合地球化学分析结果表明，北山洋在晚志留世已经闭合并发生碰撞造山。花岗闪长岩的锆石U-Pb年龄为(404.6±2.6)Ma，其成岩年龄为早泥盆世早期，结合地球化学研究认为花岗闪长岩为同碰撞花岗岩。

石英闪长岩的锆石Th、U值明显高于花岗闪长岩的锆石Th、U值，Th、U等元素的富集与锆石等矿物的分离结晶有关。Th、U等元素一般残留在熔浆液相中，高Th、U值代表锆石等矿物处在高分离结晶的早期碰撞阶段，低Th、U值代表低分离结晶的晚期碰撞阶段。

李向民等认为，北山洋早古生代洋壳持续俯冲，晚志留世北山古生代洋盆已经俯冲消亡，并转化为碰撞造山[18]，本文的研究也印证了这一观点。北山洋在晚志留世—早泥盆世早期完成闭合并发生碰撞，在研究区形成同碰撞花岗岩，碰撞时间限定到(404.6±2.6)Ma。有学者对白云山地区三个井组玄武岩进行了年代学研究，获得(396.6±3.3)Ma的锆石年龄[19]，并认为三个井组处于板内拉伸裂解的构造环境中。结合本次花岗闪长岩年代学、地球化学研究结果，推测北山造山带在早泥盆世早期(404.6±2.6 Ma)之后，由碰撞造山转化为板内拉伸裂解，(396.6±3.3)Ma之后北山造山带全面进入陆内裂解阶段。

6 结 论

(1)白云山蛇绿岩带南部石英闪长岩脉的锆石U-Pb年龄为(420.0±1.8)Ma，花岗闪长岩脉的锆石U-Pb年龄为(404.6±2.6)Ma，为晚志留世至早泥盆世岩浆活动的产物。

(2)地球化学特征显示石英闪长岩属钙碱性系列侵入岩，花岗闪长岩脉属低钾拉斑系列的过铝质Ⅰ型花岗岩。中酸性侵入岩脉具有挤压碰撞的岛弧构造环境特征，且地壳物质参与了岩浆的形成。

(3)北山洋早古生代洋壳持续俯冲，在晚志留世—早泥盆世早期完成闭合并发生碰撞，碰撞时间限定到(404.6±2.6)Ma，之后由碰撞造山转化为板内拉伸裂解，北山造山带全面进入陆内拉伸裂解阶段。

致谢：感谢两位匿名审稿人为本文提出的建设性修改意见，同时对一起参加野外工作的同志们一并表示感谢。