内蒙古北山地区小红山钒钛磁铁矿区双峰式侵入岩——岩石学、年代学、地球化学特征及其地质意义

潘志龙，李 强，程学芹，王 硕

河北省区域地质调查院，河北 廊坊 065000

0 引言

北山造山带地处甘肃北部、新疆东南部和内蒙古西部交界处，大地构造位置处于华北板块、塔里木板块及哈萨克斯坦板块交汇部位，属古亚洲洋构造域的组成部分，经历了多期次、多阶段的板块裂解－俯冲－碰撞－拼合的复杂地质演化过程，成矿潜力大，备受国内外学者关注［1-10］.许多地质学家认为红柳河－牛圈子－洗肠井蛇绿岩形成于早古生代洋盆环境，并将其代表的早古生代洋盆称为“北山洋”，北山洋闭合时限在早泥盆世之前［1］.隶属于北山造山带的小红山钒钛磁铁矿床大地构造位于红柳河－牛圈子－洗肠井早古生代蛇绿岩缝合线南侧（图1a），目前只有少量学者对与钒钛磁铁矿及与成矿密切相关的辉长岩做了部分工作：严忠等认为其成因为辉长岩岩浆分异及后期构造热液叠加富集成矿［2］；杨福新等认为小红山钒钛磁铁矿床属于一种岩浆分异和分凝－贯入叠加复合型的钒钛磁铁矿类型，为介于攀枝花式和大庙式钒钛磁铁矿特征之间一种新的成矿类型［3］；杨建国等获得辉长岩体的锆石SHRIMP U－Pb年龄为424±6 Ma，形成环境为陆缘裂谷环境［4］；张国鹏等认为小红山钒钛磁铁矿具有3期成矿作用，分别为岩浆分异作用、贯入式及热液叠加成矿作用，属于与铁镁质岩有关的岩浆分异－贯入－热液型复式成因矿床［5］；王硕等认为小红山钒钛磁铁矿赋矿辉长岩产生于洋壳俯冲诱导的大陆边缘裂解背景［6］.上述研究集中在钒钛磁铁矿和其赋矿围岩辉长岩，而对区内出露的花岗岩与辉长岩之间的关系缺少系统研究.本研究依托“内蒙古1∶5万基东、尖山、蒜井子、三道明水等四幅区域地质矿产调查”项目，通过详细的区域地质调查，对小红山钒钛磁铁矿区内及附近相关侵入体的岩石学、地球化学和年代学进行了详尽的研究，探讨其形成时代、岩石成因和构造背景，以期为进一步研究北山地区大地构造演化提供资料.

图1 内蒙古北山地区大地构造位置及地质图Fig.1 Geotectonic location and geological maps of Beishan area，Inner Mongolia

1 地质背景和岩石学特征

研究区位于内蒙古自治区西部，行政区划属于阿拉善盟额济纳旗算井子乡管辖.大地构造位置处于红柳河－牛圈子－洗肠井早古生代蛇绿混杂岩带南侧（图1a），塔里木板块敦煌微陆块之内.区内以发育寒武纪—奥陶纪海进序列沉积地层为特征，主要为中寒武统—下奥陶统西双鹰山组、下奥陶统罗雅楚山组及中奥陶统横峦山组；基底由中新元古界稳定浅海沉积地层构成，主要有中元古界古硐井群、野马街组和大豁落山组，另有下白垩统赤金堡组角度不整合覆盖于前述地层之上.侵入岩构成较为简单，为本次研究的中晚志留世辉长岩和二长花岗岩（图1b）.辉长岩呈岩株状产出，出露面积约2.27 km2，侵入长城纪古硐井群变质砂岩，外接触带岩石具角岩化、大理岩化，被二长花岗岩侵入.该岩体为小红山钒钛磁铁矿的赋矿岩体，局部受北东向构造影响岩石强劈理化.二长花岗岩亦呈岩株状产出，侵入长城纪古硐井群和辉长岩，形态不规则，出露面积约2.05 km2，岩体定向特征不明显.

本次研究对位于小红山磁铁矿附近的辉长岩和花岗岩分别进行了取样（图1b），样品采集于岩体内部，采集处露头较好，岩石样品新鲜无蚀变、无明显变质变形现象.

辉长岩：岩石呈灰绿色，中粒半自形粒状结构（图2a），似海绵陨铁结构，块状构造.岩石主要由斜长石（55%～70%）、石英（约5%）、辉石（5%～15%）、角闪石（10%～20%）、黑云母（2%～10%）和不透明矿物（约5%）构成.斜长石为拉长石，半自形长板状，粒径一般2～5 mm，部分0.2～2.0 mm，具不均匀绢云母化、黝帘石化等，隐约可见聚片双晶，少见环带构造.石英为他形粒状，一般小于2 mm，个别达3 mm，填隙于斜长石粒间，零散可见，粒内具波状消光，粒内可见有斜长石等嵌布.辉石呈近半自形—他形柱状、粒状，一般2～3 mm，部分小于2 mm，分布于斜长石粒间，明显纤闪石化，常见角闪石、黑云母反应边.角闪石呈半自形—他形柱粒状，粒径0.2～1.8 mm，多以单斜辉石反应边形式产出，明显纤闪石化，有的沿斜长石晶内裂纹分布，显褐绿色，多色性明显，少见退色为蓝绿色.黑云母呈不规则叶片状，片径小于2 mm，个别达3.5 mm，零散填隙状分布，显深棕色，多色性明显，有的呈不透明矿物、辉石反应边.不透明矿物主要呈他形粒状，少量近半自形粒状，填隙于斜长石粒间.

二长花岗岩：岩石呈灰红色，中粒花岗结构（图2b），块状构造.岩石由钾长石（35%～40%）、斜长石（35%）、石英（20%～25%）、黑云母（3%～5%）组成.钾长石主要为正条纹长石，半自形板状，粒径以0.3～2 mm的细粒为主，2～5 mm的中粒次之，杂乱分布，钠质斜长石条纹主要呈薄片状、树枝状、网格状，聚片双晶较发育，可能为交代成因，钾长石明显高岭土化，少量绿帘石化，部分晶内包嵌少量斜长石晶体，局部交代斜长石.斜长石呈半自形板状，粒径一般0.3～2 mm，少部分2～3.5 mm，杂乱分布，不同程度高岭土化、绢云母化，聚片双晶较发育，少见环带构造，局部被钾长石蚕蚀状交代，根据⊥（010）晶带的最大消光角法测得Np′∧（010）＝15，斜长石牌号An＝32，属于中长石.石英为他形粒状，粒径一般0.4～3 mm，杂乱分布，颗粒表面干净，粒内明显波状消光.黑云母为鳞片－叶片状，片径一般0.3～1.5 mm，零散状或细小堆状分布，多色性明显：Ng′＝暗褐色，Np′＝浅黄褐色，局部绿泥石化.

图2 小红山中晚志留世侵入岩野外露头及显微照片Fig.2 Field outcrops and micrographs of Middle-Late Silurian intrusive rocks in Xiaohongshan area

2 分析方法

选择新鲜均一代表性样品进行分析测试，全岩主量元素和微量元素分析在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成.主量元素（SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、MnO、Na2O、K2O、CaO、P2O5）分析测试采用X射线荧光光谱仪（XRF）完成，分析精度为0.05%；FeO采用滴定法分析完成；灼烧减量、H2O＋和H2O用重量法完成；微量元素分析采用HF＋HClO3＋HNO3溶解样品，王水复溶，在线加入Rh内标溶液，用Thermofisher X SeriesⅡ型ICP－MS完成测定，稀土元素分析精度为0.1×10－6，微量元素≤5×10－6.分析结果如表1（扫描首页OSID二维码可见）.

锆石分选在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成.双目镜下挑选晶形好、无裂隙和包裹体的锆石，用环氧树脂制靶.将锆石靶打磨、抛光后，进行反射光、透射光和阴极发光（CL）显微观察照片.锆石制靶及阴极发光照相在北京锆年领航科技有限公司完成.LA－MC－ICP－MS锆石U－Pb测年在天津地质调查中心完成.ICP－MS仪器为Agilent 7500a型，所用激光剥蚀斑束直径为35 μm，频率为8～10 Hz，能量密度为13～14 J/cm2，以He为载气.采用TEMORA为外标.数据处理采用ICP－MS－DataCal程序［11］，采用206Pb校正法对普通铅进行校正.利用NIST612玻璃作为外标计算锆石样品的Pb、U、Th含量.锆石U－Pb年龄谐和图采用Isoplot3.0程序获得.分析结果如表2（扫描首页OSID二维码可见）.

3 分析结果

3.1 LA－MC－ICP－MS锆石U－Pb年代学

本研究对小红山钒钛磁铁矿区辉长岩和二长花岗岩进行了锆石U－Pb同位素年龄测试.

辉长岩（JDYQ5）样品中的锆石呈柱状，半自形—自形，震荡环带较发育（图3a）.对晶形较好的32颗锆石共分析了32个测点（表2，扫描首页OSID二维码可见）.Th/U值除15号点（0.28）和20号点（0.06）较小外，其余在0.32～0.79之间，平均0.54，显示岩浆锆石特征.23和24号点206Pb/238U年龄较大，分别为513 Ma和542 Ma，可能为捕获锆石，其余在414～442 Ma之间，均分布在谐和线上，加权平均年龄为431.1±2.4 Ma（N＝30，MSWD＝1.8）（图3b），代表了辉长岩的结晶年龄，时代为中志留世（图3c）.

图3 小红山辉长岩锆石阴极发光图像及U－Pb年龄谐和图Fig.3 CL images and U-Pb concordia diagrams for zircons in Xiaohongshan gabbros

二长花岗岩（JDYQ4）样品中的锆石呈柱状，半自形—自形，震荡环带发育（图4a）.对晶形较好的30颗锆石共分析了30个测点（表2，扫描首页OSID二维码可见）.Th/U值除20号点（0.06）较小外，其余在0.31～0.99之间，平均0.48，显示岩浆锆石特征.14号点206Pb/238U年龄较大（474 Ma），可能为捕获或继承锆石，23和27号点锆石裂隙造成普通铅逃逸导致206Pb/238U年龄偏小，分别为388 Ma和344 Ma，其余在413～435 Ma之间，均分布在谐和线上，加权平均年龄为424.9±2.3 Ma（N＝27，MSWD＝2.1）（图4b），代表了二长花岗岩的形成年龄，时代为晚志留世（图4c）.

图4 小红山二长花岗岩锆石阴极发光图像及U－Pb年龄谐和图Fig.4 CL images and U-Pb concordia diagrams for zircons in Xiaohongshan monzogranites

3.2 主量元素特征

小红山地区辉长岩SiO2含量较低，为46.12%～51.62%，平均48.87%（质量分数），低于大陆下地壳平均含量（53.4%）［12］；Al2O3含量为14.06%～15.69%；Fe2O3T含量高，为17.11%～18.09%；CaO含量较高，为6.09%～7.27%；K2O＋Na2O含量较低，为3.68%～4.36%；Na2O/K2O比值为2.75～3.49，显示富钠低钾特征；MgO含量较低，为0.98%～2.5%，Mg＃值为11.49～23.84，平均17.67；里特曼指数（σ）为2.00～3.43，平均2.72；铝饱和指数A/CNK为0.80～0.83，为准铝质岩石.样品烧失量（LOI）介于1.73%～2.41%.扣除烧失量，主量元素归一化计算后再投图，在侵入岩TAS图解（图5a）中，辉长岩样品落入Irvine线之下及附近的辉长岩、辉长闪长岩区内，与镜下定名基本一致.在K2O－SiO2图解（图5b）中样品投点于钙碱性系列中.

小红山二长花岗岩SiO2含量较高，为71.48%～77.20%，平均74.34%；Al2O3含量为12.50%～14.08%；Fe2O3T含量低，为0.58%～2.38%；CaO为0.62%～1.40%；K2O＋Na2O含量较高，为8.29%～8.69%；Na2O/K2O值为0.68～0.86；MgO含量低，为0.11%～0.40%，Mg＃值为19.42～60.55；里特曼指数为2.01～2.64；铝饱和指数A/CNK为0.99～1.04，属偏铝质—弱过铝质钙碱性岩石，A/NK为1.15～1.21.样品烧失量（LOI）介于0.52%～0.77%.扣除烧失量，主量元素归一化计算后投图，在侵入岩TAS图解（图5a）中，样品均落入Irvine线下方的花岗岩区，与镜下定名一致，为亚碱性系列岩石.在K2O－SiO2图解（图5b）中样品投点于高钾钙碱性系列岩石中.

图5 小红山地区中晚志留世侵入岩TAS图解和K2O－SiO2图解Fig.5 The TAS and K2O-SiO2 diagrams for Middle-Late Silurian intrusive rocks in Xiaohongshan area

小红山地区侵入岩出现明显的SiO2成分间断，具有明显的双峰式侵入岩特征.

3.3 微量元素特征

研究区辉长岩稀土元素总量为137.26×10－6～145.10×10－6；轻/重稀土元素比值为4.82～4.83，（La/Yb）N为3.86～4.41，轻稀土分馏程度相对较高，重稀土相对亏损；δEu为1.52～1.83，具明显的正铕异常，说明斜长石结晶分异作用不明显.稀土配分曲线（图6a）总体表现为LREE弱富集的平缓右倾型，明显不同于N－MORB，类似于E－MORB，而与East Scotia Ridge弧后盆地玄武岩（E－BABB）更为一致［13］.微量元素蛛网图（图6b）中，辉长岩相对富集Rb、Ba、Zr、Hf，轻微亏损Nb、Ta和Ti，与E－MORB不同，而与E－BABB相似，Nb、Ta、Ti亏损暗示辉长岩岩浆可能遭受到地壳混染或者俯冲过程中释放流/熔体的交代作用，亦或是俯冲沉积物加入.

二长花岗岩稀土元素总量为76.17×10－6～254.55×10－6；轻/重稀土元素比值为4.63～6.81，（La/Yb）N为3.76～6.86，轻稀土分馏程度相对较高，重稀土相对亏损；δEu为0.41～0.55，具较明显的负铕异常，表明其经历了较明显的斜长石结晶分异作用或源区残留有较多的斜长石［14］.稀土元素配分曲线（图6c）具右倾特征，与上地壳平均组成特征相似［12］.微量元素蛛网图（图6d）显示，岩石具Rb、Th、U、K等大离子亲石元素富集，Ta、Nb、Ti高场强元素及Ba、Sr、P等元素明显亏损，同样与上地壳平均组成特征相似［12］.

图6 球粒陨石标准化和微量元素原始地幔标准化配分曲线Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized trace element spidergrams

4 讨论

4.1 岩体形成时代

小红山钒钛磁铁矿区一带岩体出露规模较小，它们侵入中元古界地层，被下白垩统地层覆盖.根据野外岩体之间的侵位关系，辉长岩侵位时间早，二长花岗岩较晚.本研究在辉长岩和二长花岗岩中分别获得了431.1±2.4 Ma和424.9±2.3 Ma的LA－MC－ICP－MS锆石U－Pb年龄，与野外实际情况相符，亦与杨建国等人获得的辉长岩SHRIMP锆石U－Pb年龄（424±6 Ma）在误差范围内一致［4］.该套双峰式侵入岩形成时代为中晚志留世.

4.2 构造环境及地质意义

地球化学数据显示，小红山地区出露的中晚志留世岩体中的辉长岩和花岗岩分别属于钙碱性系列和高钾钙碱性系列，微量元素显示轻稀土元素富集，高场强元素Nb、Ta和Ti相对亏损（图6），类似于典型俯冲带组分，暗示本区中晚志留世侵入岩可能形成于俯冲带条件下与弧有关的构造环境［18］.在Hf/3－Th－Nb/16图解（图7a）中，小红山中晚志留世辉长岩投在岛弧拉斑玄武岩区；在Nb/Yb－Th/Yb图解（图7b）中，辉长岩投在大陆弧玄武岩区与洋中脊玄武岩区、板内玄武岩区交界处.在花岗岩R1－R2判别图解（图8a）中，中晚志留世花岗岩位于同碰撞花岗岩区和同碰撞花岗岩向造山后A型花岗岩过渡区域；在Rb－（Y＋Nb）判别图（图8b）中均位于板内花岗岩区.同时，小红山辉长岩具有E－MORB型REE配分模式，但微量元素亏损Nb、Ta，又与E－MORB不同，而与E－BABB相似，故推测其可能形成于与俯冲带消减作用相关的弧后盆地环境.

图7 小红山地区辉长岩Hf/3－Th－Nb/16图解和Nb/Yb－Th/Yb图解Fig.7 The Hf/3-Th-Nb/16 and Nb/Yb-Th/Yb diagrams for Xiaohongshan gabbros

图8 小红山地区花岗岩R1－R2图解和Rb－（Y＋Nb）图解Fig.8 The R1-R2 and Rb-（Y＋Nb）diagrams for Xiaohongshan granites

从区内有限的资料来看，小红山构造－岩浆带的中晚志留世岩浆具双峰式组合特征，显示张性构造背景.研究区红山头中奥陶世具高镁安山岩地球化学特性的安山质凝灰岩证实，牛圈子－洗肠井蛇绿岩所代表的北山洋在中奥陶世出现南向初始俯冲［19］.因此，根据上述地球化学数据分析结果和区域地质特征综合判定，小红山中晚志留世双峰式岩浆组合很可能是在洋壳俯冲诱导的大陆边缘伸展背景下产生的，这为北山洋的构造演化增添了新的资料，并为该地区找矿工作提供了方向.

4.3 岩石成因

小红山辉长岩明显的正Eu异常暗示其形成于较深的地幔，轻稀土和Zr、Hf相对富集，Nb－Ta－Ti负异常说明小红山辉长岩岩浆具有交代形成的富集地幔的特征［20］.前述显示该套辉长岩形成于与俯冲带消减作用相关的弧后盆地环境，那么岩浆源区地幔应会受到俯冲洋壳、沉积物及相关流体在内的多种组分的贡献而富集.所以，小红山钒钛磁铁矿辉长岩很可能是来源于俯冲作用改造的岩石圈地幔.小红山辉长岩的Mg#值为11.49～23.84，Cr含量为3.89×10－6～7.11×10－6，Ni含量为1.28×10－6～2.58×10－6，远小于原始岩浆值（Mg#68～75，Cr 300×10－6～500×10－6，Ni 300×10－6～400×10－6）［21-23］，说明其经历了较为明显的镁铁质矿物（如橄榄石、辉石）分离结晶作用.

一般而言，双峰式火成岩中高硅花岗岩有3种成因：一是玄武岩浆分离结晶作用的产物，二是玄武质岩浆底侵导致地壳部分熔融形成，三是玄武质岩浆和地壳混合作用的产物［24］.小红山花岗岩出露面积较大，如果是玄武质岩浆结晶分异的产物，那么区内就会出现规模巨大的基性岩体，这与野外实际情况不符，且小红山花岗岩与辉长岩具有完全不同的稀土、微量元素分布形式，暗示该花岗岩并非由辉长岩分离结晶作用或AFC过程形成.同时，小红山花岗岩不具有A型花岗岩特征，暗示花岗岩并非幔源基性岩浆与壳源酸性岩浆混合作用的结果［23］.小红山花岗岩体具有高的SiO2含量（71.48%～77.20%），类似于大陆中上地壳的组成，稀土、微量元素分布形式与上地壳平均组成特征相似，Rb/Sr比值介于2.24～6.66，平均4.45，远高于大陆地壳（＞0.23），Zr/Hf比值介于21.24～25.82，低于壳源岩石（约33）［12］，Mg#值较低，为26.33～41.37，与基性下地壳部分熔融产生的岩浆一致（Mg#＜40或45）［25-28］，表明它们来源于地壳，为基性下地壳部分熔融的产物.结合区内出露的同时代辉长岩，认为小红山花岗岩为张性环境下幔源玄武质岩浆底侵加热，从而导致下地壳物质在低压条件下发生部分熔融而形成.

5 结论

（1）小红山钒钛磁铁矿区侵入岩成岩时代为431.1～424.9 Ma，属中晚志留世，辉长岩和花岗岩形成时代相近，为同一构造事件的产物.侵入岩出现明显的SiO2成分间断，是典型的双峰式火成岩.

（2）小红山地区中晚志留世辉长岩起源于富集地幔，并经历了明显的结晶分离作用；花岗岩起源于下地壳，为玄武质岩浆底侵加热从而导致下地壳物质在低压条件下部分熔融的产物，它们形成于活动大陆边缘环境，为牛圈子－洗肠井蛇绿岩所代表的北山洋南向俯冲诱导的大陆边缘伸展背景下的产物.

致谢：内蒙古1/5万基东等四幅区域地质调查项目组成员在野外地质调查工作中付出了艰辛的努力.感谢编辑老师及时高效的送审.