内蒙古东乌旗北部晚侏罗世A型花岗岩的厘定及其构造意义

赵鸿燕,朱德胜,邱庆伦,常秋玲,吕际根,刘家橘

(1.河南省国土空间调查规划院,郑州 450053; 2.河南省国土资源动态监测重点实验室,郑州 450053; 3.河南省地质研究院,郑州 450001)

0 引言

东乌旗北部地区在大地构造上处于古生代兴蒙造山带与中生代大兴安岭岩浆岩带的叠加部位。区域上从内蒙古至蒙古国北部,发育2条A型碱性花岗岩带[1]。其中,北带从蒙古到俄罗斯外贝加尔东,以正长岩占主导;南带从新疆北部经南蒙古直至内蒙古二连浩特,经过东乌旗,北东至吉林中部一带,以正长花岗岩及二长花岗岩为主,并以二连-东乌旗Ag、Pb、Zn、Sn、W、Fe多金属成矿密切相关而引人注目。

国内地质学者在近些年对“南带”内蒙古二连浩特—东乌旗地区的A型花岗岩进行了较为系统的研究,确认存在早石炭世[2]、早二叠世[3]、中三叠世[4]、晚三叠世[5]、早侏罗世[6]、中侏罗世[7]和早白垩世[8]等6期大的A型花岗岩事件。其中,早二叠世A型花岗岩应该与古亚洲洋闭合后伸展环境有关,晚三叠世和早侏罗世A型花岗岩可能是陆内伸展环境;从中侏罗世开始,受太平洋板块俯冲的影响,板块体制转换为滨太平洋体系,对于该构造体制转换后到底有几次大的伸展尚不明确。本文将对出露在内蒙古东乌旗塔尔根敖包边防站一带的晚侏罗世三次花岗侵入岩体开展岩石化学、微量稀土元素地球化学及锆石SHRIMP U-Pb年龄测试研究,力图厘定塔尔根敖包边防站一带花岗岩类型及形成时代,以期为研究该区的地质构造意义提供参考。

1 区域地质背景

研究区地处西伯利亚板块东南部大陆边缘晚古生代陆缘增生带[9],东乌旗—扎兰屯火山型被动陆缘上(图1a)。晚古生代发育中下泥盆统泥鳅河组(D1-2n)浅海相沉积及上泥盆统安格尔音乌拉组(D3a)海陆交互相碎屑岩建造(图1b)。中生代时期,伴随太平洋板块北西向俯冲,随着滨太平洋北东向大兴安岭岩浆岩带的形成,本区构造格局发生了改变,成为欧亚板块的一部分,形成了一系列北东向断拗陷盆地,盆地内形成白音高老组(K1b)酸性火山磨拉石建造、梅勒图组(K1m)中基性火山岩夹酸性火山磨拉石建造、大磨拐河组(K1d)内陆湖盆相含煤碎屑岩建造,上白垩统二连组(K2e)为陆相碎屑岩建造(相邻图幅出露)。新生代,差异性升降运动导致拗陷盆地继承和上叠于中生代断陷盆地之上,沉积了河湖相碎屑岩及基性火山岩的喷溢(N2b)。

2 岩体地质及岩相学

晚侏罗世花岗岩广泛分布于研究区中部和西部2个岩浆岩带上,共计50个侵入体,与其它时期侵入岩组成复合深成岩体,呈岩基、岩株、岩瘤状、岩枝和岩脉状分布。目前识别出晚侏罗世型花岗岩有三次侵入:由早到晚,岩石类型依次为粗中粒多斑状二长花岗岩→中粒少斑状正长花岗岩→细中粒含斑状正长花岗岩;中粒少斑状正长花岗岩与多斑状二长花岗岩体为涌动接触关系,且该次岩体侵位于下泥盆统泥鳅河组和上泥盆统安格尔音乌拉组之中。

晚侏罗世第一次侵入体。主体岩性为粗中粒多斑状二长花岗岩,主要分布于研究区中部的查干陶勒盖一带,呈岩基状,另外,在南部的阿查楚鲁、额热然陶勒盖及舒特巴仁布敦等地呈岩株、岩瘤状岩枝和岩脉状零星出露,平面上呈北东向带状展布。岩石呈灰白色,多斑状结构、似斑状结构,基质呈粗中粒结构。斑晶为钾长石,20%～60%;基质由钾长石、斜长石、石英、黑云母(少量～2%)组成,其中钾长石含量普遍多于斜长石含量,钾长石为正长石和微斜长石,包裹斜长石;斜长石,表面布满绢云母,主要为中-更长石;黑云母呈片状,多绿泥石化。在多阳离子R1-R2图解中,除了少数样品落入正长岩区,多数落入二长花岗岩区,总体上为偏向正长花岗岩区的二长花岗岩。

晚侏罗世第二次侵入体。主体岩性为细中粒少斑状正长花岗岩,主要分布于研究区中部的阿查楚鲁一带,另外在西部的巴嘎哈达特及额热然陶勒盖一带和北部的乌日根乌兰一带均有分布。主要呈岩基状出露,少量呈岩株、岩瘤、岩枝和岩脉状零星出露,平面上呈北东向带状展布;该期侵入岩共计37个侵入体,向南延出图外,向北延入外蒙古。其侵入于下泥盆统泥鳅河组及上泥盆统安格尔音乌拉组,早白垩世岩体侵入于该期岩体中。岩石呈灰白色,少斑状结构、似斑状结构、基质呈细中粒结构。斑晶为钾长石,7%～15%;基质由钾长石、斜长石、石英、黑云母组成,其中钾长石含量普遍多于斜长石含量,钾长石为正长石和微斜长石,包裹斜长石;斜长石,主要为中-更长石。

晚侏罗世第三次侵入体。主体岩性为细中粒含斑状正长花岗岩,主要分布于研究区中部的塔尔根敖包边防站一带,另外在北部的查干陶勒盖及南部的阿查楚鲁等地均有零散分布,与早期和后期岩浆侵入组成复杂深成岩体,主要呈岩基状出露,个别呈岩株、岩瘤和岩脉状产出;该期侵入岩共计7个侵入体,向南延出图外;侵入于晚侏罗世第一次侵入的粗中粒多斑状二长花岗岩体,与第二次侵入的细中粒少斑状正长花岗岩之间为涌动接触关系,在塔尔根敖包一带有早白垩世细中粒正长花岗岩侵入于该期岩体中。岩石呈灰白色,含斑状结构、似斑状结构,基质呈细中粒结构;斑晶为钾长石含量占1%～4%,基质由钾长石、斜长石、石英、黑云母组成,其中钾长石含量普遍高于斜长石含量,钾长石为正长石和微斜长石,包裹斜长石;斜长石,主要为中-更长石。

3 岩石地球化学特征

本次对研究区内的晚侏罗世三次花岗侵入岩体开展岩石主量元素、微量元素、稀土元素地球化学测试分析,选择具有代表性的20个岩体进行采样,共采集测试分析样品20件,其中第一次侵入岩体样品6件,第二次侵入岩体样品10件,第三次侵入岩体样品4件。其主量元素、微量元素、稀土元素地球化学测试分析结果,分别见表1、表2、表3。

表3 晚侏罗世岩体稀土元素含量分析结果Table 3 REE analysis of Late Jurassic granite

(1)主量元素特征

研究区晚侏罗世A型花岗岩岩石化学分析结果及参数见表1。晚侏罗世岩体三次侵入花岗岩主量元素成分基本相似,但是由早期的多斑状粗中粒二长花岗岩,到少斑状细中粒正长花岗岩,再到晚期的含斑状细中粒正长花岗岩,w(SiO2)平均值由72.40%→74.84%→75.39%,逐渐增多;w(TiO2)则由0.31%→0.17%→0.10%,逐渐减少;w(Al2O3)由13.70%→12.87%→12.90%,具有减少的趋势;w(FeO)由1.41%→1.21%→0.85%,逐渐减少;w(CaO)由1.37%→0.79%→0.52%,逐渐减少;w(MgO)由0.51%→0.24%→0.12%,逐渐减少;w(K2O)由4.53%→4.65%→4.79%,逐渐增多;w(Na2O)由3.47%→3.55%→3.80%逐渐增多;w(P2O5)由0.16%→0.15%→0.05%逐渐减少;全碱含量由8.00%→8.19%→8.59%,逐渐增多;w(Fe)*/w(MgO)值由5.92→9.87→15.09,逐渐增大;分异指数(DI)由43.91→46.09→47.24,逐渐增大;固结指数由4.54→2.32→1.13,逐渐变小;斜长石排号由23.67→13.90→7.75,逐渐变小;长英指数由85.48→91.1→94.37,逐渐变大;碱度率(AR)由3.40→4.06→4.59,逐渐变大;铝指数由1.05→1.05→1.04,逐渐减少。三次侵入花岗岩的样品在K2O-SiO2图(图2)上,都落于高钾钙碱性岩区;在A/NK-A/CNK图(图3)上显示弱过铝质特征。上述矿物含量及参数规律性的变化,显示岩浆分异作用明显,均符合岩浆演化规律。

图2 晚侏罗世花岗岩K2O-SiO2图解(据文献[10])Fig.2 K2O-SiO2 diagram of Late Jurassic granite in East Ujimqin Banner area

(2)微量元素特征

从微量元素含量表2可以看出,晚侏罗世三次侵入的A型花岗岩的微量元素均显示出较好共性特征,即规律性大离子亲石元素中Rb、Th、U、K、Pb明显富集,Ba、Sr明显亏损,与岛弧型花岗岩存在显著差别;高场强元素中,Nb、Ta、Ti亏损明显,但Zr、Hf相对富集,这与岛弧型花岗岩也是明显不同的,显示出了A型花岗岩的特征。除了上述共性特征,还存在规律性差异,从晚侏罗世早、中、晚三次侵入花岗岩微量元素平均含量MORB标准化蛛网图(图4)可以看出,从早到晚三次侵入岩体的微量元素总体含量具有逐渐减少的趋势。

图4 晚侏罗世岩浆岩元素原始地幔标准化模型(标准化值据Taylor, 1985[12])Fig.4 Primitive mantle-normalized pattern of trace element of Late Jurassic granite曲线数据均为各个期次的样品平均值

(3)稀土元素特征

从表3可以看出,该期3个不同期次的岩石稀土元素平均含量显示了规律性变化,表现在由早到晚,稀土总量w(ΣREE)值由154.3×10-6→172.90×10-6→138.78×10-6,曲线斜率w(La)N/w(Yb)N由7.74→5.77→4.15,逐渐减小,δEu由0.57→0.31→0.22,亏损逐渐增强。在稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(图5)上,所有岩石均显示出相似的配分模式;总体表现为向右倾斜且左陡右平,Eu处为“海鸥”型谷的曲线特征。

图5 晚侏罗世花岗岩稀土元素球粒陨石标准化模式图(标准化数据自Boynton, 1984[13])Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns of Late Jurassic granite曲线数据均为各个期次的样品平均值

4 岩石体时代讨论

为了讨论塔尔根敖包边防站一带花岗岩的时代,本次选择巴嘎哈达特晚侏罗世第二次侵入花岗岩和塔尔根敖包晚侏罗世第三次侵入花岗岩开展锆石SHRIMP U-Pb年龄测试研究。样品的测试工作由北京离子探针中心完成。

(1)第一次侵入体时代

区内多斑状粗中粒二长花岗岩侵入于下泥盆统泥鳅河组和上泥盆统安格尔音乌拉组,并被晚侏罗世细中粒正长花岗岩及早白垩世正长花岗岩侵入。结合区内构造岩浆演化,本次研究将其时代置于晚侏罗世早期。

(2)第二次侵入体时代

本次在巴嘎哈达特南东一带晚侏罗世第二次侵入的细中粒少斑状正长花岗岩中,采集样品(TW136-2)进行了锆石SHRIMP U-Pb测年。样品锆石颗粒有核,锆石中的核及边部均具有明显的振荡环带(图6),岩浆锆石特征明显。测试所得SHRIMP锆石U-Pb同位素测年分析数据如表4所述,获得岩浆结晶的和谐年龄162.8 Ma±1.8 Ma(n=12)(图7)。

表4 晚侏罗世第二次侵入细中粒少斑状正长花岗岩(TW136-2)锆石SHRIMP U-Pb测年结果Table 4 Zircon SHRIMP U-Pb dating of the secondly intruded less spotted fine-medium grained sienitic granite (TW136-2)

(3)第三次侵入体时代

本次测试样品TW101-7采自阿查楚鲁北西塔尔根敖包一带晚侏罗世第三次侵入的细中粒含斑状正长花岗岩。样品锆石颗粒有核,锆石中的核及边部均具有明显的振荡环带(图8),岩浆锆石特征明显。测试所得SHRIMP锆石U-Pb同位素测年分析数据如表5所述,获得岩浆结晶的和谐年龄159.4 Ma±2.1 Ma(n=8)(图9)。

表5 晚侏罗世第三次侵入细中粒含斑状正长花岗岩(TW101-7)锆石SHRIMP U-Pb测年结果Table 5 Zircon SHRIMP U-Pb dating of spotted fine-medium grained sienitic granite (TW101-7) of the third intrusion during late Jurassic

图8 细中粒含斑状正长花岗岩锆石CL图像Fig.8 Zircon CL images of spotted fine-medium grained sienitic granite

图9 细中粒含斑状正长花岗岩锆石U-Pb年龄Fig.9 Zircon U-Pb zircon age of fine-medium grained sienitic granite

5 讨论

(1)关于岩石类型归属

研究区晚侏罗世早中晚三次侵入花岗岩,由早到晚,w(SiO2)平均含量为72.40%→74.84%→75.39%,均逐渐增加,具有高硅、偏酸性特征;岩石的w(K2O)、w(Na2O)含量高,全碱含量由8.00%→8.19%→8.59%,逐渐增加;铝指数1.05→1.05→1.04,逐渐减弱,但均呈弱过铝质的特点;w(CaO)、w(MgO)、w(TiO2)和w(P2O5)的含量较低。三次侵入花岗岩,由早到晚,w(FeO)*/w(MgO)平均值由5.92→9.87→15.09,逐渐增大;该铁镁比值与Eby[14]定义的A型花岗岩的高铁镁比值(8～80)相比,除了第一次侵入岩体稍微有些偏低,其它基本在该范围内,明显不同于一般的Ⅰ型、S型和M型花岗岩[15]。三次侵入岩体的10000×Ga/A1值,除早期1件样品为2.33外,其由从早到晚的趋势:2.89～3.27(平均3.03)→2.76～5.85(平均3.42)→3.22～3.98(平均3.59),平均值逐渐增大;上述10000×Ga/A1值的变化明显表现为旋回性,而且明显高于I型、S型花岗岩的平均值(2.1、2.28),大于A型花岗岩的下限值(2.6[15])。三次侵入岩体的Na2O-K2O图解(图10)均位于A型花岗岩区;在Y-Nb-Ce图解(图11)上,晚侏罗世由早到晚三次侵入岩体具有逐渐由A2区向A1区迁移的趋势。三次侵入花岗岩的稀土含量较高(表3),w(LREE)/w(HREE)比值高,曲线斜率w(La)N/w(Yb)N比值大,反映轻稀土较富集、重稀土亏损、轻稀土分馏较强、重稀土分馏弱的特点。Eu具明显的负异常,稀土分布曲线总体表现为向右倾斜且左陡右平,Eu处呈现“Ⅴ”型谷的特征,与内蒙古西乌旗[16]、吉林中部[17]铝质A型花岗岩相似。

图10 Na2O-K2O花岗岩类型判别图据Collins et a1., 1982[18]Fig.10 Na2O-K2O diagram for discrimination of granite types

图11 晚侏罗世花岗岩Y-Nb-Ce判别图(据Eby, 1992[19])Fig.11 Y-Nb-Ce diagram for discrimination of Late Jurassic granite in East Ujimqin Banner area

综上,研究区晚侏罗世三次侵入花岗岩的主量元素、稀土元素和微量元素皆显示了铝质A型花岗岩的普遍特征。

(2)构造环境及意义

研究区中侏罗世A型花岗岩就位与中国东南部及中国东北部受到太平板块的西向俯冲作用的时限基本一致[20]。中侏罗世古太平洋板块向西北俯冲导致的弧后伸展作用就位了研究区的中侏罗世细粒二长花岗岩。晚侏罗世第一次侵入的多斑状粗中粒二长花岗岩与中侏罗世细粒二长花岗岩的岩石地球化学特征图解反映二者非同源岩浆。在晚侏罗世早期,古太平洋板块再次发生向西北俯冲,在伸展环境下就位了A2型花岗岩;晚侏罗世的三次侵入属于同一个岩浆演化旋回,随着幔源物质组分混合逐渐增加,岩石类型从早期类似后碰撞环境A2型花岗岩逐渐向介于A1型和A2型之间花岗岩演化,最后演化到类似裂谷环境的A1型花岗岩;在晚侏罗世岩浆旋回的补充期,随着石英脉的就位,其携带了大量成矿物质,从而在其侵入的上泥盆统安格尔音乌拉组中,形成多处银铅锌多金属矿化点。

6 结语

(1)内蒙古东乌旗塔尔根敖包一带晚侏罗世的三次花岗侵入岩体,具有高硅(w(SiO2)=72.40%～75.39%)、偏碱(全碱8.00%～8.59%)、准铝质到弱过铝质(铝指数1.04～1.05)的特征;铁镁比值5.92～15.09,10000×Ga/A1比值大(>2.6),属于铝质A型花岗岩。

(2)本次SHRIMP锆石U-Pb同位素测年研究,测得研究区晚侏罗世三次侵入岩的第二次侵入花岗岩岩浆结晶年龄162.8 Ma±1.8 Ma、第三次侵入花岗岩岩浆结晶年龄159.4 Ma±2.1 Ma,属于早燕山晚期;塔尔根敖包一带晚侏罗世的三次花岗侵入岩体——粗中粒多斑状二长花岗岩、细中粒少斑状正长花岗岩、细中粒含斑状正长花岗岩,其与中侏罗世细粒二长花岗岩不同,研究区三次花岗侵入岩体属于同一个岩浆演化旋回,应该为古太平洋板块向西北俯冲后伸展作用的产物。

(3)东乌旗北部A型花岗岩,分别形成于168 Ma、162～159 Ma和137～126 Ma±的中侏罗世、晚侏罗世早期和早白垩世。