阿拉善北部諾爾公地區(qū)早二疊世輝長巖LA—ICP—MS鋯石U—Pb年齡、地球化學特征及成因

肖進 孫萍 徐琳

摘要：內蒙古西部阿拉善諾爾公地區(qū)陸緣巖漿弧中的巖漿巖，前人的研究主要集中在酸性侵入巖上，對基性巖研究較少，本文重點研究了基性輝長巖的產出時代、巖相特征、巖石地球化學特征及其成因進行了研究和探討。從輝長巖中分離出單礦物鋯石，用U-Pb法測試其同位素年齡值為275.5±1.8Ma，屬于華力西晚期早二疊世。巖石地球化學特征屬鈣堿性——堿性巖系列，巖石稀土元素曲線呈平緩的右傾型顯示輕重稀土分餾程度不高，銪無明顯虧損?；詭r漿源來自地幔，在上升侵位過程中，明顯受到殼源物質的混雜。

關鍵詞：輝長巖；鋯石U-Pb年齡；早二疊世；地球化學特征；阿拉善

研究區(qū)位于內蒙古西部阿拉善地區(qū)，大地構造位置處于華北板塊北緣西段。阿拉善北部地區(qū)的恩格爾烏蘇蛇綠混雜巖帶普遍被認為是古亞洲洋（塔里木板塊）向南俯沖與華北板塊拼合的位置，且碰撞閉合發(fā)生在二疊紀—三疊紀[1-5]?？p合帶南側發(fā)育兩條重要的構造巖漿巖帶：一個是在華北古陸撕裂出去的破碎陸塊的基礎上發(fā)育的具陸殼基底的火山弧，即宗乃山——沙拉扎山巖漿弧，一個是在華北古陸一側所發(fā)育的雅布賴——巴音諾爾公陸緣巖漿弧[4]。而研究區(qū)正好位于雅布賴——巴音諾爾公陸緣巖漿弧中部（圖1），區(qū)內大面積出露前寒武紀基底巖系和華力西期、印支期侵入巖，以及二疊紀中酸性火山巖。

前人對諾爾公地區(qū)侵入巖的研究主要集中在酸性侵入巖上，而對于基性侵入巖研究較少[5-11]。而輝長巖一般是由玄武質巖漿結晶而成的，大多為地幔巖石熔融的產物，是下地殼及殼幔邊界重要的物質組成。故而通過對輝長巖的年代學、元素地球化學和同位素地球化學的研究，能夠有效的探索巖漿起源和構造演化特征。本文選取阿拉善北部諾爾公地區(qū)輝長巖為研究對象，進行了年代學、地球化學特征分析，并對其成因進行了探討。

1. 地質概況

諾爾公位于內蒙古阿拉善北部地區(qū)，地處阿拉善微陸塊陸緣區(qū)。區(qū)內出露地層主要包括長城系增隆昌組；薊縣系阿古魯；下二疊統(tǒng)蘇吉組；白堊統(tǒng)廟溝組。研究區(qū)侵入巖及火山巖分布十分廣泛。

2. 巖體地質和巖相學

輝長巖主要零星分布在諾爾公以南呼吉爾圖、文其格哈沙、都爾勒吉一帶，被二疊紀正長花崗巖、二長花崗巖、堿長花崗巖等巖體侵入接觸（圖2），在諾爾公東側巴勒子格拉處侵入長城系增隆昌組地層中，圍巖發(fā)育寬約3m～5m的黑云母接觸變質帶。侵入體數量較多，以巖瘤等形態(tài)產出，出露面積最小者不足0.1km2，最大者約2.35km2。巖體受后期巖漿活動破壞，接觸邊界常呈不規(guī)則鋸齒狀，并可見晚期巖體呈巖枝狀侵入其中。

輝長巖呈深灰色-灰黑色細粒輝長結構、塊狀構造，礦物成分主要有斜長石（60%～67%）、輝石（30%～35%），副礦物為鋯石、磷灰石、角閃石，金屬礦物主要為磁鐵礦。其中斜長石，在鏡下呈無色，自形-半自形粒柱狀，或長條狀，粒度0.4mm～2mm，聚片雙晶發(fā)育，蝕變較強，具粘土化、絹云母化；輝石：鏡下呈無色或淺綠色，正突起高，粒度不均勻，一般0.2mm～1mm，呈斑狀或粒狀，部分為柱狀，解理發(fā)育，表面有綠泥石化，部分顆粒有黑云母交代及纖閃石假象。

3. 樣品概況及測試方法

3.1 樣品概況

鋯石U-Pb測年樣品巖性為輝長巖，呈細粒輝長結構，塊狀構造，主要由斜長石（65%）、輝石（31%）、角閃石（2%）、磁鐵礦（2%）及少量的磁鐵礦等組成。采樣位置為北緯39°56′42″、東經104°47′20″（圖1）。

3.2 分析方法

鋯石單礦物分離是在四川省地礦局區(qū)域地質調查隊測試中心完成，將原巖樣品粉碎，經常規(guī)重選和電磁選后，在雙目鏡下挑選鋯石。挑選晶型和透明度較好的鋯石顆粒制備環(huán)氧樹脂靶。對環(huán)氧樹脂靶上的鋯石先后進行透射光、反射光和陰極發(fā)光顯微拍照。選取內部無包裹體、無裂痕、成分較均勻的鋯石進行測年分析。鋯石顯微拍照和U-Th-Pb同位素分析是由西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成。

鋯石U-Th-Pb同位素分析利用193nm準分子激光剝蝕系統(tǒng)（GeoLas）與MC-ICPMS和Q-ICPMS聯用，激光剝蝕的干氣溶膠按照1∶3的分配系數導入到Q-ICPMS和MC-ICPMS，分別進行U-Pb定年、Hf同位素分析和微量元素含量分析。詳細的實驗原理和流程見參考文獻[12]。

樣品主量元素、微量元素、稀土元素分析是在國土資源部武漢礦產資源監(jiān)督檢測中心完成。氧化物用高分辨全譜直讀電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-AES）分析，燒失量根據點火后在1000℃時的重量差別測定；稀土元素和微量元素用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）分析測定。

4. 測試結果

4.1 鋯石定年

樣品中鋯石晶體形態(tài)以復四方柱為主，外觀可見有長柱狀和短柱狀之分，鋯石多為半透明狀，晶體形態(tài)復雜，部分晶體具熔蝕現象，少量晶體在樣品加工過程中形成斷頭晶。樣品中絕大部分晶體邊部發(fā)育有連續(xù)的環(huán)帶，具有巖漿鋯石的特征（圖3）。對該樣品共分析了19個測點（表1），鋯石的Th含量變化范圍為14.95×10-6～553.96×10-6，U含量變化范圍為33.97×10-6～448.63×10-6，Th/U比值為0.44-1.73，Th/U比值都大于0.4，反映為巖漿鋯石特征。樣品207Pb/235U年齡分布范圍為290Ma～339Ma，主要集中在306Ma～323Ma之間；206Pb/238U年齡分布范圍為274.1Ma～294.1Ma，主要集中在274Ma-280Ma之間，加權平均年齡為275.5±1.8Ma，置信度95%，MSWD=0.65（n=19）。因此，可認為阿拉善北部諾爾公地區(qū)輝長巖的形成時代為早二疊世。

4.2 地球化學特征

4.2.1 主量元素

本次在諾爾公地區(qū)共采集8件輝長巖樣品，分析結果見表2。從分析結果可見輝長巖化學成分中SiO2百分含量均較低：47.42～50.96，平均48.68；TiO2百分含量為1.42～2.92，平均1.92，與中國基性巖平均值[13]2.08相比較低，屬于低鈦巖石；Al2O3百分含量為13.76～15.93，平均14.71，與中國基性巖平均值14.9接近，屬于低鋁巖石。TFe百分含量10.19～15.99，平均11.96，略低于中國基性巖平均值11.78。MgO百分含量為2.58～7.53，平均5.63，FeO/（FeO+MgO）分子比值0.58～0.86，偏鐵質。Na2O+K2O百分含量為3.5～5.59，平均4.3，低于中國基性巖平均值5.02，K2O/（Na2O+K2O）分子比值為0.11～0.26，屬鈉質巖。巖石里特曼指數（σ）介于2.43～3.93之間，為鈣堿性——堿性巖系列，在堿度率圖解上主要投在堿性巖區(qū)中。鋁飽和指數A/NKC比值為0.59～0.73，A/NK比值為1.96～2.8，屬準鋁質巖石（圖4）。分異指數DI為27.4～43.74，顯示為較低的結晶分異程度。

4.2.2 稀土元素

輝長巖稀土元素分析結果見表2，巖石稀土總量∑REE為169.84×10-6～416.17×10-6，平均268.23×10-6；輕重稀土比值5.07-10.43，平均7.5；屬于輕稀土富集，相應的曲線呈右傾型。δEu為0.79-1.22，銪異常不明顯，特征值（La/Yb）N介于4.47～12.52，表明稀土元素分餾程度不高。

4.2.3 微量元素

相對于維氏（1962）微量元素平均值，輝長巖中大離子親石元素Sr富集系數為1.56～2.26，Ba富集系數為1.19～3.3，呈明顯富集。高場強元素中Zr在富集系數為1.1～8.89，Hf富集系數為1.79～14.27，均呈強烈富集。過渡元素V富集指數為2.17～7.47；Ti除個別虧損外，多數呈明顯富集，富集指數為4.07～8.38；Sc富集系數為1.49～4.21，均呈明顯富集。而Cs、Rb、Nb、Ta、Th、Cr、Co、Ni、U等元素多呈明顯虧損。

5. 討論

5.1 巖石形成年齡

早期1∶20萬區(qū)調，對研究區(qū)東側南吉蘭泰附近的額爾登哈爾輝長巖進行了全巖同位素分析，獲得的年齡為450Ma，因而初步確定該地區(qū)輝長巖形成于早古生代②。張磊等（2013）對研究區(qū)北東陶豪托西圈輝長巖進行鋯石U-Pb測年，活動的年齡為276Ma～275Ma[5]。本次獲得的年齡為275.5±1.8Ma，與之較吻合，說明區(qū)內輝長巖形成于早二疊世晚期，而非早古生代。

5.2 巖漿起源

研究表明Nb與Ta、Zr與Hf是地球化學性質相近的不相容元素，在巖漿部分熔融及結晶過程中不發(fā)生分異[14]，但是在遭受來自消減板片流體或熔體改造的地幔中，將發(fā)生明顯的分異。區(qū)內巖石的Nb/La比值較低（0.23～0.73），表明巖體源區(qū)有部分陸殼物質參與，Nb/Ta比值為11.02～27.66，平均15.44，相比于幔源巖石（17.5±2，Hofmann，1988；Green，1995）和陸殼巖石（11左右，Taylor and McLennan，1985；Green，1995）跨度變化較大，更接近于陸殼巖石，表明巖漿為幔源和陸殼混合成因；Zr/Hf比值為18.75～29.37，平均24.4，相比于幔源巖石（36.27±2.0，Hofmann，1988；Green，1995）和殼源巖石（33左右，Taylor and McLennan，1985； Green，1995），總體更接近于殼源巖石。以上特征表明該巖體可能主要為幔源巖漿和陸殼物質部分熔融形成，且與深俯沖作用有關。

基性巖（輝長巖）的Th/Ta值為3.26～7.57，平均4.89，相比于原始地幔的Th/Ta值（2或3）和大陸地殼的Th/Ta值（10，Sun.et.al，1989），基性巖變化跨度大，表明幔源巖漿受到了地殼的混染。區(qū)內基性巖在Ta/Yb-Th/Yb圖解中主要投在虧損——富集端元過渡區(qū)及邊緣（圖5），表明區(qū)內玄武質巖漿主要源自過渡地幔的部分熔融，并有陸殼物質混染。

此外，該地區(qū)較多的鎂鐵質巖及鎂鐵質暗色包體發(fā)育，且暗色包體與花崗巖、輝長巖顯示出具有相似的地球化學特征和Nd、Hf同位素特征[εHf（t）值主要為-16～-8，Hf地殼模式年齡為1.8Ga-2.2Ga]，指示其源區(qū)物質組成相似[10]。說明幔源物質參與了花崗巖的形成，是由繼承了混合源區(qū)的兩種巖漿發(fā)生巖漿混合作用而成，即從源區(qū)到侵位多階段的混合和混染。

上述表明區(qū)內基性巖玄武質巖漿源于過渡地幔，并受到陸殼混染。

關于玄武質巖漿是否為幔源巖漿分離結晶形成。前人研究表明，在微量元素的La-La/Sm圖中，平衡部分熔融的軌跡表現為“斜線”，而分離結晶作用表現為“水平線”[14-17]。本區(qū)中基性巖在La-La/Sm圖中除一個樣品偏離，其余近于直線分布（圖6），且TiO2含量在1.42%～2.92%之間，平均1.92%，明顯高于活動大陸邊緣玄武巖（0.85%）[18]，暗示區(qū)內基性巖主要通過分離結晶作用形成?；詭r中Cr含量為39.63×10-6～217.1×10-6（平均為109.65×10-6），Ni=0.38×10-6～76.41×10-6（平均為33.86×10-6），二者的值都遠低于原始巖漿值（Cr>1000×10-6，Ni>400×10-6～500×10-6）[16]，表明本區(qū)基性巖是原始巖漿強烈演化后的產物。而基性巖不具有Eu的負異常，暗示巖漿在演化過程中斜長石的分離結晶作用不明顯，推測巖漿分異作用發(fā)生在較深的層位。

6. 結論

（1）諾爾公地區(qū)輝長巖的形成時代為275.5±1.8Ma，相當于早二疊世。巖石地球化學特征表明輝長巖輕重稀土分餾程度不高，銪異常不明顯，富集大離子親石元素Sr、Ba；高場強元素中Zr、Hf和過渡元素V等，而Cs、Rb、Nb、Ta、Th、Cr、Co、Ni、U等元素多明顯虧損。

（2）區(qū)內基性巖漿來源于過渡地幔，基性玄武質巖漿為幔源巖漿分離結晶形成，在巖漿上升侵位過程中受到明顯的陸殼物質混染。

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