内蒙古赤峰市柴火沟正长花岗岩年代学、地球化学特征及地质意义

王玉平,武悦,张妍,吴文彬,李海洋,王晓亮

(1.辽宁省地质矿产研究院有限责任公司,沈阳 110032;2.辽宁省地质勘探矿业集团有限责任公司,沈阳 110032)

0 引言

研究区位于内蒙古自治区赤峰市敖汉旗境内,其大地构造位置位于兴蒙造山带,该区花岗岩极为丰富,与蒙古和俄罗斯贝加尔地区一起,构成世界上最大的花岗岩区[1]。研究区主要分布有二叠纪以来的各时期侵入岩,尤以侏罗纪岩浆活动最为强烈[2]。然而,前人对区内侏罗纪岩体存在认识偏差,特别是将区内柴火沟正长花岗岩厘定为晚侏罗纪,且与烧锅营子岩体划为一体①。目前,诸多学者认为东北地区中生代花岗质岩石是受环太平洋构造体系和蒙古-鄂霍茨克构造体系的叠加与改造[3-5],而赤峰地区中生代花岗质岩石是受哪个体系影响?是否具备蒙古-鄂霍茨克洋闭合时间的数据支撑?以上问题的理清有助于认识赤峰地区甚至中国东北部在侏罗纪时期的构造演化。

赤峰地区柴火沟位于赤峰-朝阳金多金属成矿带南部[6],前人对区内多以金矿研究为主,并认为金成矿与燕山期侵入体关系密切[7-9],而对铜多金属矿的研究程度较低。结合先前的成矿规律研究,区内燕山期侵入岩不仅与大规模的金矿成矿相关,而且与铜多金属矿成矿关系存在紧密联系[6,10-11],研究燕山期侵入岩对赤峰地区铜多金属矿成矿背景具有重要意义。

本文作者基于在研究区开展的1∶5万区域矿产地质调查工作,将柴火沟正长花岗岩从烧锅营子岩体中解体出来,通过岩相学观察、岩石地球化学测试和锆石U-Pb测年分析,力图探讨柴火沟正长花岗岩成因及大地构造背景,以期为研究赤峰地区在中侏罗世的构造演化、鄂霍茨克洋的闭合时间提供参考,同时也为区域上与此类型岩体有关的铜矿勘查提供岩石学相关数据。

1 地质背景

研究区属兴蒙复合造山带的前锋带(图1a),北侧紧邻兴蒙造山带[10-11]。区内出露地层主要有下石炭统石咀子组,中二叠统额里图组、于家北沟组;上侏罗统满克头鄂博组、玛尼吐组,上白垩统孙家湾组,上更新统乌尔吉组。研究区内发育大量中生代侵入岩,主要为正长花岗岩、二长花岗岩、石英闪长岩、花岗闪长岩、闪长岩等,侵入石炭系,被中生代火山岩及第四系角度不整合覆盖(图1b)。柴火沟正长花岗岩侵入早三叠世石英闪长岩、石咀子组变质长石石英砂岩中,先后被满克头鄂博组酸性火山岩、乌尔吉组黄土状亚砂土覆盖。

图1 研究区大地构造位置简图和地质简图Fig.1 Tectonic position and simplified geological map of the study area1.乌尔吉组;2.玛尼吐组;3.满克头鄂博组;4.石咀子组;5.中侏罗世二长花岗岩;6.中侏罗世正长花岗岩;7.中三叠世花岗闪长岩;8.早二叠世石英闪长岩;9.花岗斑岩;10.角度不整合;11.逆断层;12.采样点;13.地名;14.研究区位置

区内断裂构造发育,以NE向(赤峰-开原断裂)和EW向(后公地断裂)为主,控制了区内矿化带(蚀变带)的分布方向,其独特的构造位置决定了本区具有良好的成矿潜力[10]。

2 岩石学特征

柴火沟正长花岗岩风化面灰黄色,新鲜面肉红色,花岗结构,块状构造(图2a),主要由石英(35%)、黑云母(少量)、斜长石(15%)、条纹长石(45%)及微斜长石(5%)组成。其中,石英呈它形晶(图2b),粒状,单偏光下无色透明,粒径为0.5～1.5 mm;黑云母呈片状,单偏光下黄褐色,发育有一组极完全解理,片径为0.2 mm;微斜长石呈半自形晶,板状,单偏光下无色透明,发育有格子双晶,粒径为1～2 mm;斜长石呈半自形晶,板状,单偏光下无色透明,发育有聚片双晶,粒径为1 mm;条纹长石呈半自形晶,板状,单偏光下无色透明,发育有条纹双晶,粒径为2～3 mm。

3 样品采集及分析方法

本次对柴火沟正长花岗岩体进行了剖面测量,系统采集正长花岗岩3件新鲜的岩石样品,进行岩石地球化学分析测试,同时选取其中1件样品进行LA-ICP-MS锆石U-Pb测年研究。

锆石分选在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。采用常规方法粉碎,达到80—100目,通过淘选以及电磁选方法进行分离,在双目镜下挑选出晶型完好、透明度高、无包裹体和无裂纹的锆石颗粒作为U-Pb年龄测定对象。锆石制靶和阴极发光(CL)图像均在北京锆年领航科技有限公司完成。锆石U-Pb同位素分析在中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成,用标准锆石GJ-1std(607 Ma)、Plsovice(337Ma)和标准玻璃NIST SRM610的测值校正U/Pb分馏和U含量,具体方法见文献[12]。测年原始数据使用ICPMSDataCal程序处理,以得到锆石的U-Pb同位素比值和U、Th、Pb含量。单个数据的分析误差为1σ,年龄加权平均值具有95%的制度性,加权平均计算和U-Pb谐和图绘制使用Ludwig博士编写的Isoplot3.0版本程序完成[13-14]。

主量元素、微量元素和稀土元素的测定在自然资源部沈阳矿产资源监测中心完成。主量元素分析采用X射线荧光光谱法(XRF)进行分析,相对标准偏差为2%～5%;微量元素及稀土元素分析采用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)上完成,相对标准偏差<10%[11]。

4 年代学特征

对柴火沟正长花岗岩(SP10TW1)选取27颗锆石,进行LA-ICP-MS锆石U-Pb测年分析,分析结果见表1所述。从锆石阴极发光(CL)图像(图3)可见,锆石表面光滑,自形程度较好,呈长柱状,长轴80～180 μm,长宽比为1∶1～4∶1,大部分锆石具有明显的震荡环带;锆石w(Th)/w(U)=0.49～1.95,表明其为岩浆成因锆石。27个测点的206Pb/238U表面年龄介于166.07 Ma±2.62 Ma—173.06 Ma±3.52 Ma之间,加权平均年龄为168.49 Ma±0.78 Ma(MSWD=0.73),谐和曲线平均为168.55 Ma±0.98 Ma,二者年龄一致(图4)。LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果表明柴火沟正长花岗岩的侵位年龄为中侏罗世。

表1 柴火沟正长花岗岩(SP10TW1)LA-ICP-MS锆石U-Pb测年数据Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb data for the Chaihuogou syenogranite (SP10TW1)

图3 柴火沟正长花岗岩的典型锆石CL图像Fig.3 CL images of typical zircons from Chaihuogou syenorthoclase granite

5 岩石化学特征

柴火沟正长花岗岩主量元素、稀土元素和微量元素分析结果,见表2所述。

表2 柴火沟正长花岗岩主量元素、稀土元素和微量元素分析结果Table 2 Analysis of major, REE and trace element of the Chaihuogou orthoclase granite

5.1 主量元素

柴火沟正长花岗岩具有较高的w(SiO2)、w(Al2O3)、w(K2O)和w(Na2O)值(见表2)。其w(SiO2)=73.50%～74.76%;w(Al2O3)=13.00%～13.90%;w(K2O)=4.54%～4.69%,w(Na2O)=4.63%～5.23%,w(Na2O)/w(K2O)=1.02～1.12;里特曼指数σ=2.70～3.22。在SiO2-K2O岩石系列判别图解(图5a)中,为高钾钙碱性系列。含铝指数A/NK为1.00～1.10,A/CNK为0.94～1.06,为偏铝质-过铝质系列岩石(图5b)。分异指数DI是源区岩浆演化程度的重要岩石地球化学指标[15],烧火沟正长花岗岩DI较高(95.147～96.878),表明岩体分异程度较高;Rb-Ba-Sr图解(图5c)显示样品均落入高分异花岗岩范围,与DI指数所示结果一致。

图5 研究区侵入岩SiO2-K2O (a)、A/NK-A/CNK (b)、Rb-Ba-Sr (c)关系图解Fig.5 Relationship diagram of SiO2-K2O (a), A/NK-A/CNK (b) and Rb-Ba-Sr (c) of intrusive rocks in the study area

5.2 稀土和微量元素特征

柴火沟正长花岗岩的w(ΣREE)=72.680×10-6～119.544×10-6(表2),w(LREE/HREE)=9.275～9.897;δEu=0.018～0.319,平均值0.127,均小于1,总体表现出明显的负Eu异常,说明该岩体经历了强烈的斜长石分离结晶作用。稀土元素球粒陨石标准化配分模式曲线呈轻稀土元素富集的右倾型(图6a),具有一定的“四分组”效应。在微量元素原始地幔标准化蛛网图(图6b)中,柴火沟正长花岗岩呈现亏损Ba、K、P、Tb等,富集Th、Zr、Y等。

图6 研究区侵入岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(a)与微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)(a.球粒陨石标准化据文献[16];b.陨石地幔标准化据文献[17])Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spider digrams (b) for intrusive rocks from the study are

6 讨论

6.1 岩石成因

MISA是目前最常用花岗岩成因分类方案,角闪石、堇青石和碱性暗色矿物是判断上述三大类型花岗岩的重要矿物学标志[1]。柴火沟正长花岗岩并无上述判别矿物,仅能通过地球化学特征探讨其成因类型。

柴火沟正长花岗岩主要造岩矿物为石英和碱性长石,该岩石具有较高的w(SiO2)、w(Al2O3)、w(K2O)值和较低的w(MgO)、w(CaO)值,w(Na2O)/w(K2O)=1.02～1.12,里特曼指数2.70～3.22,A/CNK=0.941～1.055(<1.1)。岩石属于钾质钙碱性系列,铝饱和类型,表明其岩浆来源可能为地壳[2]。在(Zr+Nb+Ce+Y)-[(K2O+Na2O)/CaO)]图解(图7a)中2个样品落入M、I、S型花岗岩区与A型花岗岩相区分,1个样品落在边缘附近;在FAM图解(图7b)中,均落入2区边缘,属Ⅰ型科迪勒拉花岗岩(活动陆缘)。w(Rb)/w(Sr)值能灵敏地记录源区物质的性质,柴火沟正长花岗岩w(Rb)/w(Sr)=0.011～0.021,小于0.9,显示为I型花岗岩。综上,柴火沟正长花岗岩应属于高钾钙碱性I型花岗岩。

图7 研究区侵入岩(Zr+Nb+Ce+Y)-[(K2O+Na2O)/CaO)]图解(a)和FAM图解(b)Fig.7 The diagram of (Zr+Nb+Ce+Y)-[(K2O+Na2O)/CaO)] (a) and FAM (b) for intrusive rocks from the study area1.塞浦路斯、阿曼大洋碱性花岗岩(幔源);2.Ⅰ型科迪勒拉花岗岩(活动陆缘);3.Ⅰ型加里东花岗岩(碰撞隆起);4.澳大利亚二云母堇青石S型花岗岩(壳源同碰撞);5.澳大利亚东南褶皱带造山后A型花岗岩;6.尼日利亚非造山型花岗岩

6.2 大地构造背景

研究区在侏罗纪期间,古亚洲洋构造域的影响已经消失[18],其最终闭合时间最晚可能发生在中三叠世,自此以后,研究区进入到环太平洋构造体系和蒙古-鄂霍茨克构造体系的演化阶段[19]。

前人对东北地区中生代区域成矿背景的认识,多数强调环太平洋构造体系的影响,而忽略了蒙古-鄂霍茨克构造体系的影响,而近些年诸多学者认为包含研究区在内的冀北-辽西地区中生代受蒙古-鄂霍茨克构造体系影响,而非古太平洋板块对该区的俯冲[4,19],证据包括:(1)蒙古-鄂霍茨克板块东段碰撞闭合的时间可持续到晚侏罗世-早白垩世;在三叠纪期-中侏罗世期间,有证据表明古太平洋俯冲对冀北-辽西地区的影响有限;在中侏罗世晚期-早白垩世早期阶段,古太平洋板块对欧亚大陆下并没有发生俯冲作用[19-21];(2)蒙古-鄂霍茨克洋在向北俯冲的同时,也在向南发生俯冲作用[5,22];(3)环太平构造体系中生代对东北亚大陆影响的空间范围主要在松辽盆地以及以东地区;而蒙古-鄂霍茨克构造体系影响的空间范围主要在松辽盆地以西以及华北地块北缘[19];(4)在冀北-辽西地区蓝旗组火山岩喷发的峰期为中侏罗世晚期-晚侏罗世(162 Ma±),此火山岩形成于与加厚陆壳垮塌阶段相对应的伸展环境,其形成被认为是蒙古-鄂霍茨克缝合带演化的产物,而与环太平洋构造体系无关[10];(5)研究区以南大黄花中侏罗世晚期岩体已被证实为蒙古-鄂霍茨克缝合带演化的产物,其形成于碰撞后的伸展环境[10];研究区以西形成于晚侏罗世的烧锅营子岩体形成深度可能在30 km较浅部位,指示其处于地壳强烈伸展的构造背景[9]。因此,研究区在中侏罗世期间是受蒙古-鄂霍茨克构造体系影响。

冀北-辽西地区中生代晚期主要表现为两次陆壳加厚过程(170 Ma左右和145 Ma左右)和与之相对应的陆壳伸展环境(162 Ma、142 Ma—120 Ma),鄂霍茨克洋在此期间具有从西向东剪刀式关闭的特征,在中侏罗世的第一次陆壳加厚过程对应蒙古-鄂霍茨克缝合带闭合的时间,广泛发育的中侏罗世火山岩应是这次加厚陆壳坍塌或拆沉阶段的产物[4,19,23]。分布于赤峰地区的柴火沟正长花岗岩形成年龄为168.49 Ma±0.78 Ma,重稀土元素含量较低暗示岩浆源区具有富集重稀土元素矿物(如石榴子石)的残留,表明其原始岩浆应起源于加厚陆壳物质的部分熔融[5]。在Nb-Y构造环境图解(图8a)中,柴火沟正长花岗岩落入火山弧-同碰撞区;在Ta-Yb、Rb-(Yb+Ta)和Ta-SiO2构造环境图解(图8b、图8c、图8d)中,柴火沟正长花岗岩均落入了同碰撞区。

图8 研究区侵入岩Nb-Y、Ta-Yb、Rb-(Yb+Ta)和Ta-SiO2图解Fig.8 The diagram of Nb-Y, Ta-Yb, Rb-(Yb+Ta) and Ta-SiO2 for intrusive rocks from the study area

综上所述,柴火沟正长花岗岩的形成无关于环太平洋构造体系,应与蒙古-鄂霍茨克缝合带闭合过程中的陆-陆碰撞环境相关;柴火沟正长花岗岩的形成时代限定了蒙古-鄂霍茨克洋在赤峰地区的闭合时间应为中侏罗世。

7 结语

(1)LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果显示柴火沟正长花岗岩形成于168.49 Ma±0.78 Ma,时代归属于中侏罗世,而非晚侏罗世。

(2)地球化学特征显示柴火沟正长花岗岩为高分异的高钾钙碱性Ⅰ型花岗岩。

(3)柴火沟正长花岗岩的构造环境判别分析结果指示,其形成于蒙古-鄂霍茨克洋闭合的区域陆壳加厚环境。

注释：

① 吉林大学.赤峰市幅1∶25万区域地质调查报告[R].长春:吉林大学,2012.