內(nèi)蒙古赤峰北部晚侏羅世花崗巖地球化學(xué)特征及構(gòu)造背景

劉 昊，楊欣德，郝 彬，劉貴權(quán)，李勇鋒

(1.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 10083;2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081)

內(nèi)蒙古赤峰北部晚侏羅世花崗巖地球化學(xué)特征及構(gòu)造背景

劉 昊1，楊欣德2，郝 彬1，劉貴權(quán)1，李勇鋒1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 10083;2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081)

通過內(nèi)蒙古赤峰北部地區(qū)花崗巖地球化學(xué)數(shù)據(jù)與國內(nèi)外各類型花崗巖資料的對比和判別，認(rèn)為內(nèi)蒙古赤峰北部地區(qū)花崗巖以I型為主，少數(shù)具有A型花崗巖的特征。具有高鉀和富堿的特點(diǎn)，微量元素表現(xiàn)為富集Ba、Th、K等大離子親石元素 (LILE)，而高場強(qiáng)元素 (HFSE)Nb、Ti等則相對虧損，其中Sr和P出現(xiàn)強(qiáng)烈虧損。輕重稀土分餾明顯，重稀土未見明顯分餾。Eu有明顯的負(fù)異常 (δEu值在0.30～0.88之間)，稀土模式呈現(xiàn)為明顯的Eu異常右傾譜系。結(jié)合前人的研究資料，初步認(rèn)為在造山后的伸展減薄環(huán)境中，壓力的降低和軟流圈的上涌對地殼的部分熔融起到了一定的作用，從而為研究區(qū)花崗巖的形成提供了條件。

內(nèi)蒙古赤峰地區(qū);花崗巖;地球化學(xué)特征;構(gòu)造環(huán)境

0 引言

中國北方在地質(zhì)上屬于華北和西伯利亞所夾持的中亞造山帶，該區(qū)花崗巖極為豐富，與相鄰的蒙古和俄羅斯貝加爾地區(qū)的花崗巖分布區(qū)一起，構(gòu)成了世界上最大的花崗巖區(qū)［1］。國內(nèi)外眾多地質(zhì)學(xué)家對華北和東北地區(qū)的花崗巖進(jìn)行了深入研究，許多人認(rèn)可其成因與顯生宙巖石圈減薄這一地質(zhì)事實(shí)有關(guān)［2］。但是關(guān)于該區(qū)域花崗巖的成因和構(gòu)造背景仍有很多不同的認(rèn)識，主要觀點(diǎn)有:李錦軼等［3］認(rèn)為造山帶演化晚期以區(qū)域性伸展為主，巖石圈或山根拆沉、軟流圈地幔上侵導(dǎo)致地殼重熔;吳華英等［4］認(rèn)為由于板塊碰撞導(dǎo)致花崗巖源巖不斷演化，在后碰撞伸展環(huán)境下，儲存于下地殼或巖石圈、軟流圈內(nèi)部的源巖發(fā)生部分熔融及就位;林強(qiáng)等［5］認(rèn)為中生代古亞洲洋閉合期間，堿性系列基性巖石部分熔融生成的巖漿通過底侵作用促使先成下地殼部分熔融或幔源玄武質(zhì)巖漿的結(jié)晶分異作用形成。本文在內(nèi)蒙古赤峰地區(qū)北部的大面積花崗巖出露區(qū)，通過野外觀察取樣以及對巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合前人的研究結(jié)果和資料，對花崗巖的成因和構(gòu)造背景作進(jìn)一步的探討。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古赤峰市北部，大地構(gòu)造位置位于華北地塊北緣的內(nèi)蒙古隆起，地處燕山北麓、大興安嶺西南段與內(nèi)蒙古高原向遼河平原的過渡地帶，經(jīng)歷了古亞洲洋陸緣增生演化階段和瀕太平洋大陸邊緣活動階段。由于經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)演化，區(qū)域構(gòu)造十分復(fù)雜［6］，沉積作用、巖漿作用及變質(zhì)變形作用較為發(fā)育。斷裂活動主要集中在中生代晚期至新生代，規(guī)模大、范圍廣，其中以北東東向斷裂較為發(fā)育，沿斷層破碎帶多充填酸性巖脈。文中所采用的樣品均取自喇嘛地溝和毛山東鄉(xiāng)2個大面積花崗巖出露區(qū)，出露面積約65 km2。研究區(qū)地質(zhì)圖見圖1。

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖 (參考五分幅地質(zhì)圖，2000，略有改動)Fig.1 Regional geological map of the area

2 樣品地球化學(xué)特征

2.1 主量元素分析

花崗巖樣品的主量元素分析結(jié)果見表1。從表1可以看出，鉀長花崗巖中的SiO2含量介于62.82% ～76.64%之間，具有高鋁 (Al2O3含量為12.84% ～15.95%)、高鉀 (K2O變化范圍在3.19%～3.98%之間)的特征，樣品的Na2O平均含量為4.85%，表現(xiàn)出富鉀富堿的性質(zhì);而9個二長花崗巖樣品中，SiO2含量在63.00% ～77.32%之間，平均含量為70.12%，同樣也具有高鉀 (K2O平均含量為3.95%)和富堿的特點(diǎn)，與巖漿巖系列K2O-SiO2圖解的結(jié)果 (見圖2a)吻合;3個石英正長斑巖樣品的SiO2含量普遍較高，平均為73.55%，全堿含量 (Na2O+K2O)平均為9.28%，反映在標(biāo)準(zhǔn)礦物成分上為石英的過飽和。

樣品哈克圖解 (見圖3)顯示花崗巖中SiO2與其他組分呈較好的線性關(guān)系，其中MgO、Fe2O3、CaO、Al2O3等含量隨SiO2含量的增大而降低，呈明顯的負(fù)相關(guān)，且線性關(guān)系良好，反映了巖漿分離結(jié)晶演化的趨勢。而在ANK-A/NKC(ANK=Al2O3/(Na2O+K2O)分子數(shù)比，A/NKC=Al2O3/(Na2O+K2O+CaO)摩爾比)圖解中，所有樣品均落在過鋁質(zhì)區(qū) (見圖2b)。

表1 內(nèi)蒙古赤峰北部晚侏羅世花崗巖主量元素分析結(jié)果Table1 Major element compositions of the upper Jurassic granite from Northern Chifeng，Inner Mongolia

圖2 內(nèi)蒙古赤峰北部晚侏羅世花崗巖系列判別圖解Fig.2 Discrimination diagrams of Upper Jurassic granite from Northern Chifeng，Inner Mongolia

2.2 稀土及微量元素分析

稀土元素的分析結(jié)果見表2。三種樣品的稀土元素總量 (ΣREE)如下:鉀長花崗巖ΣREE為166.8% ～248.59%;二長花崗巖ΣREE變化范圍較大，為171.03% ～489.07%;石英正長斑巖ΣREE在98.76% ～175.65%之間。由稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖 (見圖4)可發(fā)現(xiàn)，二長花崗巖、鉀長花崗巖和石英正長斑巖的稀土元素有相似的性質(zhì)，即輕重稀土分餾明顯，重稀土未見明顯分餾。Eu有明顯的負(fù)異常 (δEu在0.30～0.88之間)，稀土模式呈現(xiàn)為明顯的Eu異常右傾譜系，原因可能是在巖漿分離結(jié)晶過程中，斜長石大量晶出從而導(dǎo)致殘余熔體中形成明顯的Eu負(fù)異常。從微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖 (見圖5)中可以看出，鉀長花崗巖、二長花崗巖和石英正長斑巖特征基本相同，表現(xiàn)為富集Ba、Th、K等大離子親石元素 (LILE)，而高場強(qiáng)元素 (HFSE)Nb、Ti等則相對虧損，其中Sr和P出現(xiàn)強(qiáng)烈虧損。

圖3 內(nèi)蒙古赤峰北部晚侏羅世花崗巖主量元素哈克圖解Fig.3 Hacker diagrams of Upper Jurassic granite from Northern Chifeng，Inner Mongolia

3 測試結(jié)果討論

3.1 花崗巖源區(qū)及成因

花崗巖成因一直是現(xiàn)代巖石學(xué)研究的熱點(diǎn)問題?；◢弾r成因研究的重點(diǎn)在于其源區(qū)、巖漿作用過程和形成的構(gòu)造背景，據(jù)此可以進(jìn)一步了解大陸地殼演化過程。肖慶輝等［7］曾提出花崗巖巖石組合是構(gòu)造演化、殼幔相互作用以及大陸地殼生長的記錄。在20世紀(jì)80年代花崗巖分類研究的鼎盛時期，國內(nèi)外學(xué)者從不同側(cè)面提出了近20種花崗巖的成因分類方案，其中根據(jù)巖漿源區(qū)性質(zhì)區(qū)分的MISA型 (即M、I、S和A型)分類方案是目前最常用的花崗巖分類方案［1］。前述的花崗巖地球化學(xué)特征顯示，測區(qū)內(nèi)的鉀長花崗巖和二長花崗巖大多屬于高鉀鈣堿性系列，表現(xiàn)為 I型花崗巖的特征，并且其w(K2O)/w(Na2O)值小于1，進(jìn)一步驗證了其I型花崗巖的特點(diǎn);而3個石英正長斑巖樣品的w(K2O)/w(Na2O)值均大于1，落在A型花崗巖區(qū)域 (見圖6a)。I型花崗巖具有Nd初始值較高、Sr初始值較低的特點(diǎn)，其源巖主要為玄武質(zhì)巖石。火成巖的再次熔融需要更高的溫度，而來自地幔的熱可以滿足這個條件，因此 I型花崗巖主要源于下地殼物質(zhì)的部分熔融［8］。從 δEu-(La/Yb)圖解(見圖6b)中可見測區(qū)花崗巖物質(zhì)來源以殼源為主，與上述觀點(diǎn)相吻合。邵積安等［9］在研究大興安嶺中生代巖漿作用時，認(rèn)為物質(zhì)供給的差異、巖漿來源深度的不同、構(gòu)造活動性質(zhì)的局部改變都可以造成部分I型、S型與A型花崗巖共生的現(xiàn)象。研究區(qū)鉀長花崗巖和二長花崗巖樣品多表現(xiàn)為I型花崗巖特征，而3個石英正長斑巖樣品體現(xiàn)出A型花崗巖的特點(diǎn)，可能正是此現(xiàn)象的一個反映。

表2 內(nèi)蒙古赤峰北部晚侏羅世花崗巖微量元素分析結(jié)果Table 2 Trace element abundance of the upper Jurassic granite from Northern Chifeng，Inner Mongolia

圖4 內(nèi)蒙古赤峰北部晚侏羅世花崗巖REE配分模式圖Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns of Upper Jurassic granite from Northern Chifeng，Inner Mongolia

圖6 內(nèi)蒙古赤峰北部晚侏羅世花崗巖系列判別圖解Fig.6 Discrimination diagrams of Upper Jurassic granite from Northern Chifeng，Inner Mongolia

3.2 構(gòu)造背景分析

Pearce等［10］在系統(tǒng)研究已知大地構(gòu)造背景花崗巖的地球化學(xué)特征后認(rèn)為，元素Y、Yb、Rb、Ba、K、Nb、Ta、Ce、Sm、Zr和Hf最能有效地區(qū)分不同大地構(gòu)造環(huán)境的花崗巖，并利用微量元素Rb、Y和Nb來區(qū)分大洋脊花崗巖 (ORG)、板內(nèi)花崗巖 (WPG)、火山弧花崗巖 (VAG)和同碰撞花崗巖 (Syn-COLG)。在Y-Nb、Yb-(La/Yb)判別圖解 (見圖7)中，樣品均投影到火山弧花崗巖范圍。測區(qū)花崗巖集中表現(xiàn)出富集Ba、Th、K等大離子親石元素 (LILE)和高場強(qiáng)元素 (HFSE)Nb、Ti等相對虧損的地球化學(xué)特征。Pitcher等［11］提出在活動大陸邊緣的背景下，弧后的擴(kuò)展會使地幔發(fā)生部分熔融而造成巖漿的底侵作用，這種持續(xù)不斷的底侵作用又使早期的底侵物質(zhì)發(fā)生部分熔融而形成花崗巖。

圖7 內(nèi)蒙古赤峰北部晚侏羅世花崗巖Nb-Y、La/(Yb-Yb)判別圖解Fig.7 Nb-Y and La/Yb-Yb diagrams of Upper Jurassic granite from Northern Chifeng，Inner Mongolia

花崗巖漿的活動是整個區(qū)域地質(zhì)歷史的一部分，研究花崗巖必須研究區(qū)域地質(zhì)演化歷史及背景，二者不可分割［12］。研究區(qū)經(jīng)歷過2期大地構(gòu)造演化:古生代到早侏羅世處于中亞造山帶東段，中侏羅世到早白堊世則進(jìn)入環(huán)太平洋或陸內(nèi)伸展構(gòu)造體制。兩階段演化過程均伴隨著強(qiáng)烈的火山活動和花崗巖類侵入［13］。Rosenbaum等［14］提出，地殼的伸展、拆離和減薄是晚中生代華北克拉通破壞最為直接的表現(xiàn);馬寅生等［15］在研究華北北部盆地的時候，也指出在中晚侏羅世，伸展作用的影響已經(jīng)相當(dāng)明顯。結(jié)合前人的研究結(jié)果，大致可以推斷出測區(qū)晚侏羅世花崗巖形成的時期為造山后階段，而在這個階段占主導(dǎo)地位的應(yīng)該是伸展變形。一方面，在這種拉張伸展的環(huán)境下，壓力的降低會導(dǎo)致下地殼巖石熔點(diǎn)的降低，有利于其部分熔融，從而為花崗巖的形成提供了物質(zhì)來源;另一方面，這種拉伸的情況下，巖石圈不斷減薄，在巖石圈減薄的過程中勢必伴隨著軟流圈的上涌，從而使地殼發(fā)生部分熔融而產(chǎn)生巖漿活動［16］，也為花崗巖的形成提供了有利條件。

4 結(jié)論

(1)赤峰北部晚侏羅世花崗巖以鉀長花崗巖、二長花崗巖和石英正長斑巖為主，具有高鉀和富堿的特點(diǎn)。

(2)通過對花崗巖地球化學(xué)特征的研究，確定測區(qū)內(nèi)花崗巖以I型為主，少數(shù)為A型?；◢弾r物質(zhì)來源以殼源為主，富集Ba、Th、K等大離子親石元素 (LILE)，而高場強(qiáng)元素(HFSE)Nb、Ti等則相對虧損，其中Sr和P出現(xiàn)強(qiáng)烈虧損。

(3)花崗巖可能是在造山后的伸展減薄環(huán)境中形成的，在這個過程中，由于壓力的降低和軟流圈的上涌對地殼的部分熔融起到了一定的作用，從而為花崗巖的形成提供了條件。

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GEOCHEMICAL CHARACTERISTICS AND TECTONIC SETTING OF UPPER JURASSIC GRANITE FROM NORTHERN CHIFENG，INNER MONGOLIA

LIU Hao1，YANG Xin-de2，HAO Bin1，LIU Gui-quan1，LI Yong-feng1
(1.China University of Geosciences，Beijing 100083，China;2.Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100081，China)

Comparison geochemical characteristics of granite from northern Chifeng，Inner Mongolia with various type of granite at home and abroad and the discrimination show that most of the Chifeng granite belongs to I-type granite，and a small number of A-type with.It is with the characteristic of high-K and alkali.The trace elements is rich in Ba，Th，K and other large ion lithophile elements(LILE)，while the high field strength elements(HFSE)Nb，Ti，etc.are relatively depleted，which appear strongly depleted in Sr and P.LREE fractionation significantly， no significant fractionation of heavy rare earth.Significant negative Eu anomalies(δEu between the 0.3-0.843)，REE patterns show significant Eu anomalies for the right-wing pedigree.Integrating the outcome of this paper and previous studies，we infer that the granite formed under the stretching and thinning environment.In this process， reducing the pressure and the upwelling of asthenosphere partial melting of the crust plays a role，so as to provide the conditions for the formation of granite.

Chifeng;granite;geochemical characteristics;tectonic environment

P584

A

1006-6616(2011)03-0286-10

2011-04-26

中國地質(zhì)調(diào)查局“內(nèi)蒙古炒米房幅、土城子幅、新開地幅、大黑水幅1∶50000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查”項目 (編號:1212011120661)資助。

劉昊 (1985-)，男，中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院在讀碩士，地質(zhì)工程專業(yè)，E-mail:vince1227@163.com