內(nèi)蒙集寧地區(qū)孔茲巖系中大理巖的形成時(shí)代——長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖中LA－ICP－MS鋯石U－Pb測(cè)年的證據(jù)

徐仲元，范志偉，劉正宏，李世超，王挽瓊，張 超，馬 越，王英男

1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130061

2.內(nèi)蒙古自治區(qū)煙草公司通遼市公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000

0 引言

孔茲巖系的形成時(shí)代一直是國(guó)內(nèi)外前寒武系研究中的重大課題之一。近幾年隨著同位素測(cè)年技術(shù)的發(fā)展，在橫貫華北克拉通西部陸塊的孔茲巖帶中，陸續(xù)發(fā)表了大量關(guān)于孔茲巖系的同位素年齡，普遍顯示其形成于1.9～2.1Ga的古元古代，并在1.8～1.9Ga發(fā)生了區(qū)域變質(zhì)作用［1－8］。徐仲元等［9］、董春艷等［10］將內(nèi)蒙西部大青山地區(qū)孔茲巖系從下至上分為榴云片麻巖巖組、透輝片麻巖巖組以及上部的大理巖巖組。由于大理巖內(nèi)部缺少可以定年的目標(biāo)礦物，所以人們?cè)谟懻摽灼潕r系形成時(shí)代時(shí)，主要是通過(guò)對(duì)其下部富鋁片麻巖中的碎屑鋯石進(jìn)行分析，而對(duì)孔茲巖系中的另一重要組成部分（大理巖）的形成時(shí)代討論較少。對(duì)于大理巖是孔茲巖系的重要組成部分，目前主要是根據(jù)其空間上與富鋁片麻巖密切共生的關(guān)系確定的。

內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局［11］將主要分布于大青山地區(qū)的二道凹群從下至上分為綠色片巖組、大理巖夾片巖組、片巖夾大理巖組。其中，大理巖主要為蛇紋石化大理巖、金云母大理巖、透輝石化大理巖等。而徐仲元等［12］建立的美岱召巖群（原屬于烏拉山巖群第四巖組）中也有大理巖的出露。那么集寧地區(qū)中與富鋁片麻巖所共生的大理巖是否屬于孔茲巖系中的一部分呢？筆者將通過(guò)對(duì)大理巖底部與薄層大理巖互層的長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖（原巖為長(zhǎng)石砂巖）進(jìn)行LA－ICP－MS鋯石U－Pb測(cè)年分析來(lái)討論大理巖的形成時(shí)代，進(jìn)一步從年代學(xué)的角度佐證大理巖為孔茲巖系的重要組成部分。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙東部的集寧地區(qū)（圖1a）、華北克拉通西部孔茲巖帶的東段（圖1b）。區(qū)內(nèi)早前寒武系變質(zhì)雜巖較為發(fā)育，主要有麻粒巖組合、孔茲巖系以及變質(zhì)深成巖。麻粒巖組合由麻粒巖類和退變質(zhì)作用形成的斜長(zhǎng)角閃片麻巖類組成；孔茲巖系由下部的矽線石榴片麻巖組合和上部的大理巖組合組成；變質(zhì)深成巖有紫蘇花崗質(zhì)片麻巖、變質(zhì)輝長(zhǎng)巖和石榴花崗質(zhì)片麻巖，其中紫蘇花崗質(zhì)片麻巖和石榴花崗質(zhì)片麻巖分別是由麻粒巖和富鋁片麻巖經(jīng)過(guò)麻粒巖相變質(zhì)作用重熔形成［13－17］。區(qū)內(nèi)各高級(jí)變質(zhì)雜巖相互之間多為構(gòu)造接觸關(guān)系。

研究區(qū)內(nèi)的NEE向擠壓變形構(gòu)造在區(qū)內(nèi)早前寒武紀(jì)高級(jí)變質(zhì)巖石中廣泛發(fā)育，以一組NEE向的陡傾葉理發(fā)育為特征，陡傾葉理表現(xiàn)為片麻理、條帶狀構(gòu)造；而與其共生的是軸向?yàn)镹EE向的緊閉褶皺或復(fù)式褶皺，陡傾葉理為其軸面葉理。

2 大理巖和長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖的產(chǎn)出特征

孔茲巖系中上部的大理巖組合在研究區(qū)內(nèi)的早前寒武紀(jì)變質(zhì)雜巖中所占的比例較高，主要出露于集寧市和察哈爾右翼中旗附近，整體呈NE向的長(zhǎng)條狀分布（圖1a）；地質(zhì)上與區(qū)內(nèi)其他高級(jí)變質(zhì)雜巖呈構(gòu)造接觸的關(guān)系，并且位于其他高級(jí)變質(zhì)雜巖之上（圖1c）。

在區(qū)內(nèi)大理巖組合測(cè)制的剖面（圖2）中，大理巖的上部是由厚層的蛇紋石化橄欖大理巖、金云透閃大理巖、伊丁石化橄欖大理巖等組成，底部為薄層大理巖和長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖（原巖為長(zhǎng)石砂巖）互層。長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖厚度多為10cm左右，局部可達(dá)到20 cm。對(duì)其采取同位素年齡樣品P40b14－1，地理坐標(biāo)位置為北緯112°35′26″，東經(jīng)41°04′13″（圖1）。

圖1 集寧地區(qū)早前寒武系的地質(zhì)簡(jiǎn)圖（a）、區(qū)域構(gòu)造位置圖（據(jù)文獻(xiàn)［8］修改）（b）和早前寒武系簡(jiǎn)要地層柱狀圖（c）Fig.1 Geologic sketch of the Early Precambrian（a），regional structural position map（modified after reference［8］）（b）and brief stratigraphic column of the Early Precambrian（c）in Jining area

3 大理巖和長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖的巖相學(xué)、地球化學(xué)特征

大理巖巖組以巨厚的、大面積分布的白云質(zhì)大理巖發(fā)育為特征。白云質(zhì)大理巖，灰白－純白色，礦物組成除白云石外，普遍含蛇紋石化橄欖石、透輝石、金云母等一種或多種富鎂硅酸鹽礦物，體積分?jǐn)?shù)一般為10%～30%，中、粗粒狀變晶結(jié)構(gòu)為主，部分偉晶化，厚層狀－塊狀構(gòu)造，硅酸鹽礦物體積分?jǐn)?shù)變化可顯示原始的成分層理——變余層理構(gòu)造。大理巖的主量和微量元素見(jiàn)表1。其化學(xué)成分相對(duì)穩(wěn)定，主要以CaO和MgO為主，w（CaO＋MgO）較穩(wěn)定（50%左右），其他氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，并且CaO／MgO值較低，主要為1.47～2.88，表明巖石中的主要礦物為白云石組成。稀土總量較低（w（∑REE）＝（3.16～71.48）×10－6），這與巖石中碎屑的體積分?jǐn)?shù)較少有關(guān)。

長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖的結(jié)構(gòu)為粒狀變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，黃白色（圖3a），主要礦物有微斜長(zhǎng)石、條紋長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、石英和少量黑云母，其中長(zhǎng)石的體積分?jǐn)?shù)約為70%，石英的體積分?jǐn)?shù)小于30%（圖3b）。主量元素中SiO2（74.12%）、Al2O3（13.63%）、K2O（5.35%）、Na2O（3.02%）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，TFe2O3（1.65%）、MnO（0.01%）、MgO（0.45%）、CaO（0.32%）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較少，稀土總量相對(duì)較低（w（∑REE）＝99.6×10－6），輕重稀土分離較強(qiáng)（（La／Yb）N＝22.0），重稀土分離不明顯（（Gd／Yb）N＝2.54），略顯負(fù)Eu異常（δEu＝0.94）。在眾多原巖恢復(fù)圖解中，Werner圖解對(duì)于判別長(zhǎng)英質(zhì)變質(zhì)巖的正副變質(zhì)效果較好［18］，區(qū)內(nèi)的長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖落在Werner圖解中的副片麻巖區(qū)（圖4）。那么，從巖相學(xué)、原巖恢復(fù)以及結(jié)合下文中碎屑鋯石特征，可以得出該長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖的原巖為長(zhǎng)石砂巖。

圖2 孔茲巖系中大理巖的剖面圖Fig.2 Profile map of marble in the khondalite series

圖3 長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖的宏觀特征（a）和顯微特征（b）Fig.3 Macro－characteristics（a）and microscopic characteristics（b）of felsic gneiss

4 長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖的年代學(xué)特征

4.1 分析方法

樣品的鋯石分選工作在河北省廊坊市區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室完成，鋯石制靶和陰極發(fā)光（CL）圖像的采集在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所北京離子探針中心進(jìn)行，鋯石LA－ICP－MS U－Pb測(cè)年是在天津地質(zhì)調(diào)查中心實(shí)驗(yàn)室完成。根據(jù)鋯石的陰極發(fā)光、反射光和透射光照片選擇合適的鋯石測(cè)年區(qū)域，利用193nm FX激光器對(duì)鋯石進(jìn)行剝蝕，激光斑束直徑為50μm，頻率為10Hz，采用He作為激光剝蝕物質(zhì)的載氣，送入 Neptune（MC－ICPMS），利用動(dòng)態(tài)變焦擴(kuò)大色散使質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差很大的U、Pb同位素可以同時(shí)接收，進(jìn)行U－Pb同位素測(cè)定。使用標(biāo)準(zhǔn)鋯石GJ－1作為同位素組成的外標(biāo)鋯石，用Andersen的方法［19］進(jìn)行同位素比值校正，以扣除普通Pb的影響。鋯石測(cè)年中Pb同位素比值、U－Pb表面年齡和微量元素含量用ICPMS DataCal程序進(jìn)行處理，年齡計(jì)算及成圖采用Isoplot［20］，測(cè)試數(shù)據(jù)、加權(quán)平均年齡的誤差均為1σ。具體測(cè)試方法、詳細(xì)分析步驟見(jiàn)文獻(xiàn)［21］。由于鋯石年齡都比較老（＞1 000Ma），采用207Pb／206Pb年齡值。

表1 大理巖和長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖的主量元素和微量元素組成Table 1 Major，trace element data for marble and felsic gneiss

4.2年齡測(cè)定結(jié)果

鋯石CL圖像（圖5）顯示，該巖石的鋯石形態(tài)以短柱狀為主，個(gè)別近等軸狀，鋯石顆粒多為100～150μm，個(gè)別可達(dá)200μm。其類型可分為2種：一種是具有核幔結(jié)構(gòu)，核部鋯石大部分具巖漿環(huán)帶，根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及與幔部的關(guān)系，核部鋯石顯示碎屑成因的特點(diǎn)，幔部為深灰色的變質(zhì)增生鋯石環(huán)；第二種為獨(dú)立的變質(zhì)鋯石，沒(méi)有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，渾圓狀，整體為深灰－灰黑色。

在樣品P40b14.1中的70顆鋯石上采集了72組鋯石數(shù)據(jù)（表2）。鋯石數(shù)據(jù)的協(xié)和圖（圖6a）中，除有5個(gè)鋯石數(shù)據(jù)偏離協(xié)和線外（Pb丟失較為嚴(yán)重），其他數(shù)據(jù)均落在協(xié)和線上，剩余67個(gè)鋯石數(shù)據(jù)中有38個(gè)核部殘留的碎屑鋯石數(shù)據(jù)和29個(gè)幔部變質(zhì)鋯石（包括獨(dú)立的變質(zhì)鋯石）數(shù)據(jù)。近90%的核部鋯石為殘留的巖漿鋯石，Th／U值較大（0.28～1.01），其余的核部鋯石為殘留的變質(zhì)成因鋯石，Th／U 值較?。?.07～0.19）。核部鋯石的207Pb／206Pb年齡數(shù)據(jù)分布極其不均勻（圖6），最大年齡值為（2 452±23）Ma（圖5中1號(hào)鋯石），最小年齡值為（2 091±20）Ma（圖5中66號(hào)鋯石），而最小年齡值可以代表長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖形成時(shí)代的下限［1］。29個(gè)幔部變質(zhì)鋯石的Th／U值大部分小于0.1，也說(shuō)明其為變質(zhì)成因鋯石。幔部變質(zhì)鋯石的207Pb／206Pb年齡數(shù)據(jù)主要集中在1.85Ga左右，零散出現(xiàn)幾個(gè)較大值的變質(zhì)鋯石年齡數(shù)據(jù)，可能是一次離子束打擊到核部殘留鋯石，也可能是更早期的變質(zhì)成因鋯石。對(duì)集中在1.8～1.9Ga的19個(gè)變質(zhì)鋯石207Pb／206Pb加權(quán)平均年齡為（1 852±15）Ma（MSWD＝0.7），該年齡值可以代表長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖形成時(shí)代的上限。綜上，該長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖以及大理巖形成于（2 091±20）～（1 852±15）Ma的古元古代，并在（1 852±15）Ma遭受了區(qū)域變質(zhì)作用。

圖4 集寧地區(qū)長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖的Werner圖解（據(jù)文獻(xiàn)［18］修改）Fig.4 Werner diagrams of felsic gneiss in Jining area（modified after reference［18］）

5 討論與結(jié)論

研究區(qū)的大理巖是由厚層的蛇紋石化橄欖大理巖、金云透閃大理巖、伊丁石化橄欖大理巖等富鎂大理巖所組成，形成于（2 091±20）～（1 852±15）Ma的古元古代，并在（1 852±15）Ma遭受了區(qū)域變質(zhì)作用。吳昌華等［1－2］在黃土窯地區(qū)先后用TIMS和ICP－MS法對(duì)孔茲巖系中的同一富鋁片麻巖進(jìn)行測(cè)年分析，得出集寧地區(qū)孔茲巖系中的富鋁片麻巖原巖沉積年齡為2.2～2.0Ga，并且在1 850Ma左右遭受區(qū)域變質(zhì)作用。區(qū)內(nèi)大理巖原巖沉積年齡和前人所發(fā)表的關(guān)于孔茲巖系中另一重要組成部分富鋁片麻巖原巖沉積年齡相對(duì)應(yīng)，這就從年代學(xué)方面佐證了區(qū)內(nèi)與富鋁片麻巖所共生的大理巖屬于孔茲巖系中一部分的這一觀點(diǎn)。同時(shí)普遍存在的1 850 Ma左右的變質(zhì)年齡也說(shuō)明了呂梁運(yùn)動(dòng)是晉蒙地體最終形成的最重要的造山運(yùn)動(dòng)。

在孔茲巖帶西段賀蘭山地區(qū)，由周喜文等［6］、董春艷等［5］對(duì)孔茲巖系中富鋁片麻巖的年代學(xué)研究中得出其碎屑鋯石（巖漿殘留鋯石）的年齡主要集中在2.0Ga左右，也有少量大于2.5Ga的碎屑鋯石（巖漿殘留鋯石）年齡值的出現(xiàn)，代表物源區(qū)曾存在太古宙的巖漿活動(dòng)記錄。在大青山地區(qū)，董春艷等［10］得出孔茲巖系中碎屑鋯石（巖漿殘留鋯石）的年齡集中在2.0～2.1Ga和2.4～2.56Ga的2個(gè)區(qū)域內(nèi)。而在集寧地區(qū)，由吳昌華等［5］得出的年齡（2.2～2.0 Ga）以及本次工作中得到的年齡（2.09～2.45Ga）指示孔茲巖帶東段孔茲巖系中的碎屑鋯石（巖漿殘留鋯石）的年齡位于2.0～2.45Ga。由上述孔茲巖帶中孔茲巖系碎屑鋯石（巖漿殘留鋯石）的年齡可以得出：在橫貫整個(gè)西部陸塊的孔茲巖帶中，其源區(qū)曾存在大規(guī)模的花崗質(zhì)巖漿活動(dòng)，但是帶內(nèi)各個(gè)部位有著不盡相同的物源區(qū)。

圖5 長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖中典型鋯石的CL圖像及207Pb／206Pb表面年齡標(biāo)注Fig.5 CL images and 207Pb／206Pb apparent age annotations of typical zircon in felsicgneiss

圖6 長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖中鋯石U－Pb協(xié)和圖（a）和207Pb／206Pb年齡頻率分布圖（b）Fig.6 Concordia diagram（a）and 207Pb／206Pb age frequency distribution histogram（b）of zircon U－Pb in felsic gneiss

表2（續(xù)）

表2（續(xù)）

Xia等［22］認(rèn)為孔茲巖系的物源區(qū)可能是鄂爾多斯陸塊，董春艷等［5］認(rèn)為孔茲巖系內(nèi)部大量發(fā)育的古元古代早期花崗質(zhì)巖漿巖也可能是孔茲巖系的物源。孔茲巖系中大多數(shù)碎屑鋯石都顯示了較好的磨圓度，顯然是經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的搬運(yùn)而非就地沉積，以及孔茲巖系中普遍發(fā)育古元古代的碎屑鋯石，這與相伴生的太古宙巖石年齡相差甚遠(yuǎn)；這些現(xiàn)象都表明孔茲巖系不是由附近太古宙巖石提供碎屑物質(zhì)的原地沉積，而是古元古代晚期構(gòu)造作用疊置與附近太古宙巖石產(chǎn)在一起的外來(lái)構(gòu)造巖片［2，5，23］。

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