内蒙古四子王旗小文公乡古元古代基性岩墙锆石测年及其构造意义

李继业,柳长峰,祝艳,董帅,祝永平

(1.天津华北地质勘查总院,天津 300170;2.中国地质大学(北京),北京 100083)

0 引言

华北克拉通在经历吕梁运动的增生聚合、碰撞事件后成为全球前罗迪尼亚超大陆的一部分[1-3]。自古元古代后期开始,随着岩石圈厚度增大,华北克拉通长时期处于相对稳定的状态,故能够完整地记录保存地质事件,尤其是全球性的超大陆裂解事件在华北克拉通会有较好的响应和记录。如裂谷盆地发育和基性岩墙群侵位等伸展性质的地质活动便成了超大陆裂解事件的重要证据。

华北克拉通北缘是整个克拉通内地质历史记录保存最完整的地区[4],长期以来,吸引了众多学者的目光。近年来,在华北克拉通基性岩墙群获得的一些精确的年龄数据,为进一步约束华北克拉通古元古代末伸展构造事件提供了年代学的证据。这些研究大多集中在山西、河北北部,在内蒙古中部地区相关的报道较少,且多为Rb-Sr等时线年龄、40Ar-39Ar年龄或锆石稀释法年龄,但这些方法难以排除在后期变质流体的改造或岩石形成过程中与地壳物质的混染作用的影响以及混合铅、继承铅、铅丢失等问题。

本文选择内蒙古中部四子王旗小文公乡地区出露的基性岩墙群为研究对象,对其进行了精确的锆石LA-ICP-MS U-Pb定年,以期为深入研究华北克拉通北缘古元古代末地壳演化及前寒武纪超大陆对比研究提供新的证据。

1 区域地质特征

四子王旗小文公乡地区位于索伦—林西缝合带以南,华北克拉通北缘,北部为中元古代白云鄂博裂陷沉积,紧邻温都尔庙-白乃庙早古生代蛇绿岩岛弧杂岩,南部为渣尔泰裂陷沉积。区域出露地质体以克拉通结晶基底、元古代沉积地层、古生代侵入岩和中新生代火山-沉积地层为特征。

研究区结晶基底主要为新太古界色尔腾山岩群及古元古代变质钾质花岗岩(图1),出露的地层主要为中元古界白云鄂博群以及中生界侏罗系大青山组、白垩系固阳组和新近系宝格达乌拉组,侵入岩主要为晚古生代辉长岩302 Ma±2 Ma[5]、正长花岗岩264.0 Ma±3.4 Ma[6]以及早中生代白云母花岗岩。

图1 内蒙古四子王旗小文公乡地区大地构造位置(a)和地质简图(b)(据1∶25万四子王旗幅地质图修编)Fig.1 Geotectonic location (a) and geological sketch (b) of the Xiaowengongxiang area, Siziwangqi banner, Inner Mongolia1.第四系;2.下白垩统;3.侏罗纪火山岩;4.中新太古代变质岩;5.二叠纪花岗岩;6.新太古代变质花岗岩;7.中元古代辉绿岩墙;8.采样位置

色尔腾山岩群以石英岩、石英片岩、黑云片岩及大理岩为特征,经历高级变质变形,被古元古代变质钾质花岗岩侵入,区域上可见局部呈岩片叠覆在渣尔泰山群之上。古元古代变质钾质花岗岩岩性主要为正长花岗岩,以发育韧性剪切变形为特征,内部发育大量北西向基性岩墙,获得同位素年龄为1939 Ma(张华峰, 未刊资料)。白云鄂博群一般认为是古元古代末华北克拉通化基础上发育起来的中元古代裂陷槽,以石英岩、结晶灰岩、变质砂岩为主,不整合覆盖于基底之上,区域上可见其不整合于北西向基性岩墙之上,被古生代—中生代花岗岩侵入,最近的锆石同位素年代学资料表明开始沉积时间晚于1.8 Ga[7-8]。大青山组以砾岩、砂岩为特征,不整合覆盖于晚古生代—早中生代花岗岩之上。固阳组主要为泥岩和砂岩。宝格达乌拉组由较松散的砾岩、砂岩组成。

2 样品采集及测试方法

本次用于U-Pb定年的样品取自小文公乡西10 km左右的一条辉长辉绿岩墙。该岩墙侵入新太古代-古元古代变质花岗岩中,走向320°左右,可见延伸1 km左右;岩石具变余辉长辉绿结构,块状构造。辉长辉绿岩遭受强烈热液蚀变作用,发生强次闪石化、绿帘石化及黝帘石化。岩石中的斜长石50%左右,大致呈0.2～0.8 mm半自形板状,个别板条状,强烈钠黝帘石化,少数颗粒残留较好的聚片双晶;假像辉石(次闪石伴绿帘石取代)50%左右,大致呈0.2～0.5 mm粒状、短柱状外形,已被次闪石强烈交代,基本无残留;磁铁矿少量,0.1～0.5 mm粒状,被褐铁矿交代。

锆石采用常规选法,双目镜下挑纯;选出的锆石颗粒在北京离子探针中心与标样一起制靶,用于阴极发光(CL)研究和U-Pb定年。锆石阴极发光图像在北京离子探针中心阴极发光实验室完成(图2);同位素定年方法采用LA-ICP-MS方法,在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。有关分析测试方法、流程和相关的仪器工作参数详见文献[9]。锆石U-Pb测定采用国际标准锆石91500(1062 Ma)作为外标进行校正,束斑直径采用30 μm。每5个样品点测一次标样,在10次样品分析点之后测一次美国国家标准物质局人工合成硅酸盐玻璃NIST 610,作为外标对锆石U、Th、Pb含量进行标定,以29Si作内标进行计算,结果采用GLITTER(Ver 4.0, Macquaie University)软件计算得出207Pb/206Pb、206Pb/238U、207Pb/235Th三组同位素比值、年龄及误差。样品普通铅含量很低,因此未进行普通铅矫正。对测试结果采用ISOPLOT软件进行数据处理得到谐和图和加权平均年龄。

图2 内蒙古四子王旗小文公乡地区基性岩墙锆石阴极发光(CL)内部结构图及定年结果Fig.2 Zircon CL images of the basic dike in the Xiaowengongxiang area, Inner Mongolia

锆石U-Pb测年分析数据与结果,见表1、图3。

表1 内蒙古四子王旗小文公乡地区基性岩墙锆石LA-ICP-MS U-Pb分析结果Table 1 Zircon U-Pb isotopic analysis of the basic dike in the Xiaowengongxiang area, Inner Mongolia

图3 四子王旗地区基性岩墙锆石U-Pb谐和年龄图Fig.3 Zircon U-Pb Concordia for the basic dike from Xiaowengongxiang area, Inner Mongolia

3 测试结果与讨论

锆石CL图像显示大量锆石呈浑圆状,由核、边双层结构组成,部分锆石具有核幔边三层结构。核部、幔部发育明显的岩浆成因的震荡环带,边部具有较强的CL发光特征而呈白色,无生长环带,与后期热事件改造有关,很可能与岩石钠黝帘石化、次闪石化关系密切。锆石边部较窄,不足10 μm,无法定年。

本次工作对其中6颗锆石进行了15个点的定年工作,w(Th)/w(U)=0.30～0.52,多数锆石测试结果都落在U-Pb谐和线附近(图3)。测试结果显示,变质辉长辉绿岩中的锆石复杂,所测锆石15个点分布在1934 Ma～275 Ma之间,形成3组年龄,第一组测点位于锆石核部(图2),共5个,但其中14和15测点由于核部破碎,获得的年龄很不谐和,其他3个测点获得207Pb/206Pb年龄为1925～1934 Ma;第二组测点位于锆石幔部(图2),共6个测点,207Pb/206Pb 年龄在1798 Ma～1865 Ma之间,其加权平均年龄为1838 Ma±30 Ma (MSWD=8.0);第三组锆石年龄相对年轻,共4个测点(图2),谐和度极好,获得206Pb/238U年龄介于275～285 Ma之间,其加权平均值为281.0±7.8(MSWD=6.0)。

本次所测锆石内部结构显示出的岩浆韵律环带和高Th/U比值(表1)的特征,说明它们均属岩浆成因的锆石。第一组年龄测试点都位于锆石核部,属捕获锆石;第二组在锆石幔部获得的1838 Ma±30 Ma的年龄应代表了辉绿岩脉的侵位年龄,这与野外地质证据相吻合;第三组年龄锆石较为特殊,该锆石并未发育变质增生边,也没有继承核,其281.0 Ma±7.8 Ma(MSWD=6.0)的加权平均年龄与区域上广泛发育的晚古生代侵入岩年龄一致[5-6],可能为混入锆石,代表了后期一次构造热事件的年龄。

第一组年龄。位于锆石核部的测点(图2)分别获得的1934 Ma±10 Ma、1934 Ma±8 Ma和1925±7 Ma的207Pb/206Pb年龄,与辉绿岩墙的围岩-华北克拉通基底中的钾质花岗岩锆石谐和年龄一致(张华锋,未刊资料),说明第一组锆石是在岩墙侵位时从围岩钾质花岗岩中捕获的。该组年龄也与白云鄂博基底杂岩获得的年龄(1948 Ma～1917 Ma)一致[10]。在古元古代华北克拉通发育的3个主要活动带(辽吉活动带、晋豫活动带、丰镇活动带)均有大量该时期的年龄纪录,它们具有规模不同但机制类似的显生宙造山带特点,造山作用的结束在1930 Ma前后,可能与前罗迪尼亚超大陆的形成有关[11]。

第二组年龄。锆石年龄为1838 Ma±30 Ma的辉绿岩墙侵位年龄。该期基性岩墙群在华北克拉通结晶基底内广泛发育,前人在华北克拉通北缘晋冀蒙交界地区岩墙群的研究程度相对较高,Qian等[12]和Halls等[13]做了大量古地磁工作,Qian等[12]、张臣等[14]和侯贵廷等[15-17]进行了较为详细的K-Ar年代学工作,但年龄跨度较大(1922 Ma～1195 Ma)。大同北北西向基性岩墙群获得的锆石SHRIMP年龄为1778 Ma±3 Ma[18],恒山辉绿岩墙单颗粒锆石U-Pb年龄为1769 Ma±2 Ma[19],太行山南段的辉长辉绿岩墙40Ar-39Ar年龄为1780.7 Ma±0.5 Ma[20],鲁西泰山辉绿玢岩墙锆石SHRIMP年龄侵位年龄为1830 Ma±17 Ma[17],河北怀安辉绿辉长岩墙群的Rb-Sr等时线年龄为1885 Ma±43 Ma[4],均是这次伸展事件的产物和标志。以上年龄数据以及本文获得的岩墙侵位年龄,代表了华北克拉通基性岩墙群大致侵位于1800 Ma左右,表明基性岩墙群是华北克拉通古元古代末一次普遍的构造热事件。在华北克拉通内部也有大量该时代非造山岩浆作用的记录,如内蒙孔兹岩内巨大石榴石-堇青石花岗岩具有1850 Ma、1820 Ma的Pb-Pb和锆石U-Pb年龄[21],白云鄂博矿区广泛分布的非造山岩浆岩锆石U-Pb年龄为1800 Ma左右[22],Yangyang环斑花岗岩的SHRIMP锆石年龄集中在1840 Ma[23]。此外,华北克拉通基底广泛经历了1850 Ma—1800 Ma的麻粒岩相-高角闪岩相变质作用[24-26],一部分学者将其划归为岩石圈尺度的伸展-热构造事件[11]。从裂陷槽内火山岩和火山沉积岩获得的大量年龄数据也反映华北克拉通裂陷事件主要在1830 Ma—1800 Ma开始发生[27],肖荣阁等[28]在渣尔泰炭窑沟取得钾质细碧岩的Sm-Nd年龄为1824 Ma,彭润民等[29]在渣尔泰东升庙获得双峰式火山岩Sm-Nd年龄为1767 Ma—1867 Ma。总的来说,华北克拉通古元古代末发生的基性岩墙群、非造山岩浆活动、麻粒岩相-高角闪岩相变质作用以及裂陷槽具有一定的成因联系,是同一时期刚性块体伸展作用的产物,标志着华北克拉通古元古代末大陆裂解的开始,是前罗迪尼亚超大陆裂解事件的一部分。

第三组年龄。可能代表基性岩墙的变质时代,其281.0 Ma±7.8 Ma(MSWD=6.0)的加权平均年龄与华北陆块北缘晚古生代大陆边缘弧岩浆性质的侵入岩时代(279 Ma—310 Ma[5,30-34])一致;略早于区内碰撞后花岗岩侵位时代[6,35-36],可能是兴蒙造山带碰撞造山事件的反映。

4 结论

内蒙古中部四子王旗地区侵入华北克拉通基底的辉长辉绿岩墙的锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果表明,该岩墙形成于1838 Ma±30 Ma,是古元古代末期岩浆活动的产物。其捕获锆石揭示出与华北克拉通北缘基底一致的1930 Ma左右的年龄信息;侵位年龄与华北克拉通早期非造山岩浆岩、结晶基底广泛经历的1850 Ma—1800 Ma的麻粒岩相-高角闪岩相变质作用以及裂谷沉积时代相对应,暗示华北克拉通在古元古代末已经成为前罗迪尼亚大陆的一部分,此后进入相对稳定时期,于1830 Ma左右开始经历伸展作用;而获得的281.0 Ma±7.8 Ma的变质年龄可能是兴蒙造山带碰撞造山事件的响应。本文所揭示的3期热事件对华北克拉通的构造演化历史的研究对比工作具有重要意义。