內(nèi)蒙古東烏旗地區(qū)格根敖包組火山巖鋯石LA-MC-ICP-MS U-Pb年齡及其地質(zhì)意義

朱俊賓 ,孫立新,任紀(jì)舜*,李 舢

1)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083;2)中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所,北京 100037;3)中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心,天津 300170

內(nèi)蒙古中東部地區(qū)屬于中亞造山帶(CAOB)或中亞—蒙古造山帶東段,一直以來都是地質(zhì)學(xué)家研究的熱點(diǎn)(Seng?r et al.,1993;Jahn et al.,2000;Xiao et al.,2003;Li,2006;Jian et al.,2012;王荃,1986;邵濟(jì)安,1991;王瑜,1996;張萬益等,2008;徐備等,2014)。而中亞造山帶的發(fā)生、發(fā)展過程,與古亞洲洋演化密切相關(guān)。目前,多數(shù)學(xué)者認(rèn)為,古亞洲洋閉合于晚古生代中晚期(Wang et al.,1986;Xiao et al.,2003;Li,2006;Chen et al.,2009;王荃,1986;李錦軼等,2007),此時(shí)的沉積地層記錄了古亞洲消亡的信息。因此,對形成于晚古生代時(shí)期沉積地層的研究,也變得極為重要。

東烏珠穆沁旗地區(qū)地處內(nèi)蒙古北部,著名的賀根山蛇綠巖即位于烏里雅斯太鎮(zhèn)西南約60 km處(圖1)。地層區(qū)劃上屬于北疆—興安地層分區(qū)(內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局,1996)。該區(qū)出露的晚古生代地層以格根敖包組和寶力高廟組為代表(內(nèi)蒙古自治區(qū)地層表編寫組,1978;內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局,1991,1996)。寶力高廟組前人曾做過年代學(xué)及地球化學(xué)的相關(guān)工作,認(rèn)為其屬于晚石炭世地層(Li et al.,2011;辛后田等,2011)。但是,對于格根敖包組,前人僅僅進(jìn)行了腕足類、植物等古生物化石的研究(Tazawa et al.,2001;李文國,1981),其下部廣泛出露的火山巖至今缺乏同位素年齡控制。

自 1963年謝同倫將東烏珠穆沁旗鹽池北山地區(qū)的一套由火山碎屑物質(zhì)加陸源碎屑沉積物的火山-沉積地層命名為格根敖包組以來,根據(jù)所含海相動物化石及陸相植物化石,一直將其置于晚石炭世(內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局,1996)。內(nèi)蒙古地質(zhì)局第一區(qū)測隊(duì)等重新研究動植物化石資料后,又認(rèn)為格根敖包組屬于早二疊世(內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局,1991,1996)。內(nèi)蒙古自治區(qū)地層表編寫組(1978)將其置于哲斯組之下。Tazawa等(2001)認(rèn)為格根敖包組中的腕足類化石Kochiproductussp.、Linoproductus simensis(Tschernyschew)、Rhynchopora inconstantisLee and Gu、Licharewia grewingki(Netschajew)應(yīng)屬于中二疊世早期。

可以看出,有關(guān)格根敖包組的時(shí)代問題,還存在諸多爭議。本文在野外系統(tǒng)調(diào)查基礎(chǔ)上,分析格根敖包組沉積序列,采用 LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb同位素測年方法,測定東烏旗地區(qū)格根敖包組火山巖年齡。結(jié)合前人研究,限定格根敖包組形成時(shí)代,并將格根敖包組與鄰區(qū)寶力高廟組地層進(jìn)行對比分析,為該區(qū)晚古生代地層的深入研究提供一定的依據(jù)。

1 地層層序及沉積特征

格根敖包組亦稱鹽池北山組,主要分布于東烏珠穆沁旗鹽池(額吉諾爾)北山一帶的查干敖包、石灰窯、哈爾牙馬特、哈爾敖包特、塔黑勒嘎特、阿太烏拉等地(圖1)。此外,在小壩梁、賀根山和巴潤敖包也有零星分布。格根敖包組出露厚度可達(dá)5～6 km(內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)局區(qū)域地質(zhì)測量大隊(duì),1974b,1975)。

圖1 東烏珠穆沁旗地區(qū)地質(zhì)略圖(據(jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)局區(qū)域地質(zhì)測量隊(duì),1974a,b,1975,1977修編)Fig.1 Geological sketch map of the East Ujimqin Banner area (modified after Regional Geological Survey Party,Inner Mongolia Bureau of Geology,1974a,b,1975,1977)

根據(jù)巖性及沉積特征,格根敖包組可分為5段。第一段包含火山碎屑巖和陸源碎屑巖,巖性主體是一套雜色復(fù)成分礫巖,并夾有砂巖以及凝灰?guī)r等。礫巖的礫石分選差,呈橢圓狀?？梢娀◢弾r礫石、中酸性火山巖礫石和砂巖礫石(圖 3a)。該段厚度起伏較大,幾百至兩千多米不等。

格根敖包組第二段為本次年代學(xué)研究重點(diǎn)目標(biāo)。它以發(fā)育大量的火山熔巖及火山碎屑巖為特征。巖性包括灰綠色安山巖、深綠色安山質(zhì)巖屑晶屑凝灰?guī)r、灰-深色英安巖及安山巖、安山質(zhì)集塊巖等(圖2)。其中,深灰色安山巖及英安巖等蝕變較為微弱或基本無蝕變,局部可見碳酸鹽細(xì)脈發(fā)育。厚度可達(dá)600～750 m。

格根敖包組第三段為陸源碎屑沉積巖段,巖性包括黃褐色粉砂巖、砂巖、砂礫巖、礫巖和灰色生物碎屑灰?guī)r。生物碎屑灰?guī)r呈透鏡狀、薄層狀產(chǎn)出,規(guī)模極不均勻。在石灰窯等地,灰?guī)r呈厚層狀。格根敖包等地,灰?guī)r則呈透鏡狀產(chǎn)出。灰?guī)r中含腕足類(圖 3b):Jakutoproductussp.、Streptorhynchussp.、Neospirifersp.、Buxtoniasp.、Bellerophensp.、Kochiproductussp.、Linoproductus simensis(Tschernyschew)、Rhynchopora inconstantisLee and Gu、Licharewia grewingki(Netschajew);苔蘚蟲:Fenestellasp.(內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)局區(qū)域地質(zhì)測量大隊(duì),1974b,1975)。該段上部以砂礫巖和砂巖的韻律產(chǎn)出為特征,平行層理發(fā)育。在格根敖包地區(qū),可見礫巖與砂巖交互式沉積(圖3c),由下往上,礫巖層厚度和顆粒逐漸變小。植物化石可見:Noeggerathiopsissp.。該段出露厚度達(dá)1000 m,屬于海陸交互相沉積,與下伏火山巖段接觸關(guān)系不可見。但是,三段底部普遍發(fā)育礫巖層,厚度不均。在格根敖包等地,還可見花崗巖礫石。因此,推測二段與三段是不整合接觸(內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)局區(qū)域地質(zhì)測量隊(duì),1974b)。

格根敖包組第四、五段以陸源碎屑巖夾火山碎屑巖為特征(圖 3d)。由下向上沉積物顆粒逐漸變細(xì),轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色、黃褐色砂巖、粉砂巖和長石石英砂巖以及灰色、深灰色粉砂質(zhì)泥巖等,含植物化石(圖3e):Noeggerathiopsissp.。灰色、深灰色粉砂質(zhì)泥巖中常夾有薄層黃綠色頁巖(圖 3f),厚度不均,一般為2～8 cm。第四、五段總體厚度可達(dá)兩千多米。

圖2 格根敖包組火山巖-火山碎屑巖實(shí)測剖面Fig.2 Measured geological section of volcanic and volcaniclastic rocks from Gegen Obo Formation

圖3 格根敖包組沉積特征及化石野外照片F(xiàn)ig.3 Sedimentary characteristics and field photographs of fossils from Gegen Obo Formation

2 火山巖鋯石年代學(xué)

為準(zhǔn)確測定格根敖包組火山巖形成年齡,本次研究在火山巖地層出露較好地區(qū)采集了英安巖樣品13TW2和 13TW13,樣品分布位置見圖1。用于測試的樣品未風(fēng)化,無蝕變現(xiàn)象。

2.1 樣品制備及測試方法

樣品在河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所進(jìn)行粉碎,并采用常規(guī)重、磁法分選其中的鋯石單礦物,通過雙目鏡手工挑純;然后將鋯石粘貼在環(huán)氧樹脂表面,打磨、拋光使鋯石內(nèi)部裸露,以供透射、反射和陰極發(fā)光(CL)照相及LA-MC-ICP-MS U-Pb同位素測試。

鋯石 U-Pb測年在天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所同位素實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)采用激光剝蝕等離子體質(zhì)譜分析技術(shù)(LA-MC-ICP-MS),利用193 nm激光器對鋯石進(jìn)行剝蝕,激光剝蝕斑束直徑為 35 μm 或 50 μm,能量密度為13～14 J/cm2,頻率為8～10 Hz。激光剝蝕物質(zhì)以氦為載氣送入 Neptune,利用動態(tài)變焦擴(kuò)大色散可以同時(shí)接收質(zhì)量數(shù)相差很大的 U-Pb同位素,從而進(jìn)行鋯石U-Pb同位素測定。采用TEMORA作為外部鋯石年齡標(biāo)準(zhǔn)。利用NIST612玻璃標(biāo)樣作為外標(biāo)計(jì)算鋯石樣品的Pb、U、Th含量。年齡計(jì)算采用國際標(biāo)準(zhǔn)程序Isoplot。

2.2 鋯石年齡

圖4 格根敖包組火山巖鋯石CL圖像Fig.4 CL images of zircons from Gegen Obo Formation

圖5 格根敖包組火山巖鋯石U-Pb諧和年齡及加權(quán)平均年齡示意圖Fig.5 U-Pb concordia diagrams and weighted mean age of volcanic rocks from Gegen Obo Formation

樣品 13TW2采自石灰窯東側(cè)格根敖包組二段(圖1,圖2),采樣坐標(biāo):E116°54′25″;N45°22′19.4″。鋯石CL照片見圖4。所測鋯石呈粒狀到短柱狀,長寬比多為2:1。陰極發(fā)光圖像顯示,鋯石以半自形為主,發(fā)育韻律環(huán)帶結(jié)構(gòu)。21顆鋯石206Pb/238U數(shù)據(jù)Th/U比值變化范圍為 0.3～1.3,反映了巖漿成因特征(吳元保等,2004)。206Pb/238U年齡在226～461 Ma之間,其中點(diǎn)6和點(diǎn)12為226 Ma、點(diǎn)15為227 Ma、點(diǎn)18為301 Ma、點(diǎn)20為461 Ma,這5個(gè)測點(diǎn)鋯石年齡值不在諧和線上(圖5a),應(yīng)予以剔除。其余16顆鋯石206Pb/238U年齡數(shù)據(jù)變化范圍在310～312 Ma之間,206Pb/238U 表面年齡加權(quán)平均值是(311.2±0.94) Ma(圖5b)。

樣品13TW13采自東烏珠穆沁旗西山格根敖包組二段(圖1),采樣坐標(biāo):E116°29′1.9″;N45°19′55″。巖性為灰色英安巖,灰白色斜長石斑晶和肉紅色鉀長石斑晶可見,基質(zhì)為隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)。鋯石 CL照片見圖4。鋯石為無色-淺黃色透明粒狀和短柱狀,長寬比一般是2:1～3:1。振蕩環(huán)帶發(fā)育,具有巖漿成因鋯石特征。31顆鋯石Th/U比值均大于0.4,也反映了巖漿成因鋯石。206Pb/238U年齡值為309～362 Ma。其中,點(diǎn)1、點(diǎn)10、點(diǎn)12等22個(gè)點(diǎn)因普通鉛含量較高,數(shù)據(jù)往諧和線右側(cè)偏移,數(shù)據(jù)并未采用。其余點(diǎn) 11、13、16、18、19、21、22、23 和 24 等,206Pb/238U表面年齡加權(quán)平均值為(311.6±1.3) Ma(圖5c,d),應(yīng)代表了英安巖的形成年齡。

3 討論

3.1 格根敖包組形成時(shí)代

東烏旗地區(qū)格根敖包組中含有豐富的動植物化石,如腕足類:Spiriferina cf.mongolica、Avoniasp.、Neospirifer tegulatus、Meekella timanica、Brachythyrina aff.strangwaysi、Camerophoria purdoni、Plicatiferasp.;雙殼類:Carboniculasp.;植物化石:Noeggerathiopsis等。但這類化石產(chǎn)出時(shí)代相對比較寬泛,用于定年依據(jù)不足。也就造成地層時(shí)代歸屬問題的舉棋不定(李文國,1981;內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局,1991,1996)。Tazawa等(2001)在東烏旗西山鑒定出腕足類Kochiproductussp.、Linoproductus simensis(Tschernyschew)、Rhynchopora inconstantisLee and Gu、Licharewia grewingki(Netschajew)等種屬,并認(rèn)為其屬于早二疊世,相當(dāng)于中國南方棲霞期,也可與蘇聯(lián)西伯利亞亞庫特地區(qū)下二疊統(tǒng)所產(chǎn)化石對比(內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)局區(qū)域地質(zhì)測量隊(duì),1974b)。但格根敖包組二段火山巖、火山碎屑巖及其之下地層,在確定其形成時(shí)代方面仍缺乏有效依據(jù)。

圖6 格根敖包組與寶力高廟組地層關(guān)系對比圖Fig.6 The relationship between Gegen Obo Formation and Baoligaomiao Formation

本次研究利用LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb同位素定年,獲得格根敖包組二段火山巖年齡(307.3±0.99) Ma和(311.6±1.3) Ma,表明火山巖噴發(fā)時(shí)代是晚石炭世中期。因此,限定格根敖包組為晚石炭世—早二疊世的火山-沉積地層。

3.2 東烏旗地區(qū)格根敖包組與寶力高廟組的關(guān)系

東烏旗地區(qū)晚古生代地層以格根敖包組和寶力高廟組為代表。前者以海陸交互相沉積為特征,動植物化石均可見。后者則為典型的陸相地層,并含有大量的火山巖。

寶力高廟組中植物化石豐富:Paracalmitessp.、Noeggerathiopsis derzaviniiNeuburg、N.angustifolia、N.lotifolia Neuburg、N.theodoriTchirkovo et Zalessky、N.cf.candalepensisZal.、N.cf.synensis、N.cf.lotifoliaNeuburg、Tingia hamaguchii konno、Bothrodendronsp.、Angaropteridiumcardiopteroides(Schmalh.)、Neuropterissp.、N.otozamioidesSze et Lee、Calamitessp.等(內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)局區(qū)域地質(zhì)測量大隊(duì),1977)。謝同倫曾根據(jù)寶力高廟組中所含動植物化石及地層產(chǎn)出特征,將它歸為晚石炭—早二疊世地層(內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局,1991,1996)。內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局(1996)贊同謝同倫的方案,將寶力高廟組定為晚石炭世-早二疊世。但是,李文國(1981)對寶力高廟組所含植物化石進(jìn)行區(qū)域?qū)Ρ妊芯堪l(fā)現(xiàn),Noeggerathiopsis-Angaropteridium組合是安加拉植物群的重要分子,它多出現(xiàn)在黑龍江北部、新疆東、西準(zhǔn)噶爾等地中、晚石炭世陸相沉積地層中,前蘇聯(lián)庫茲尼茨盆地中、上石炭統(tǒng)地層中也可見。因此,他認(rèn)為寶力高廟組是晚石炭世地層。辛后田等(2011)利用SHRIMP鋯石U-Pb定年技術(shù),獲得寶力高廟組上段火山巖年齡(303.4±6.7) Ma 和(304.9±3.1) Ma,下段火山巖年齡(320.1±7.2) Ma,有效的將寶力高廟組形成時(shí)代限定為晚石炭世。

本文所得格根敖包組二段火山巖年齡與寶力高廟組上部火山巖年齡基本一致。說明寶力高廟組火山-沉積地層與格根敖包組火山巖(二段)時(shí)代上限應(yīng)是一致,二者同屬于晚石炭世(圖6)。而格根敖包組三段及其之上陸源碎屑沉積地層在時(shí)代上相對晚于該區(qū)火山巖地層,屬于早二疊世地層。

4 結(jié)論

(1)格根敖包組二段火山巖 LA-MC-ICP-MS鋯石 U-Pb同位素年齡為(307.3±0.99) Ma 和(311.6±1.3) Ma,屬于晚石炭世中期。結(jié)合古生物化石資料,認(rèn)為格根敖包組火山巖及其以下地層屬于晚石炭世,而上部陸源碎屑沉積地層屬于早二疊世。限定格根敖包組形成時(shí)代為晚石炭—早二疊世。

(2)格根敖包組下部火山-沉積地層(一段和二段)與寶力高廟組地層時(shí)代上限一致,二者均屬于晚石炭世產(chǎn)物。

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