內(nèi)蒙古杜拉爾橋地區(qū)奧陶系多寶山組地球化學(xué)特征及其地質(zhì)意義

邵學(xué)峰

遼寧省地質(zhì)勘查院，遼寧 大連 116100

0 引言

研究區(qū)位于西伯利亞與華北兩大古板塊所夾持的中亞造山帶東段，額爾古納地塊與興安地塊的拼接處，是中亞造山帶東段的重要構(gòu)造帶之一，其西北為額爾古納地塊，東南為興安地塊（圖 1a）。該拼接帶的構(gòu)造屬性、邊界以及相互間碰撞拼合歷史是該區(qū)重要基礎(chǔ)地質(zhì)研究課題。

前人對(duì)額爾古納地塊與興安地塊塊的拼合位置、碰撞時(shí)代等問題分歧較大，且處于初期研究階段[1-7]。傳統(tǒng)上一般認(rèn)為額爾古納與興安地塊沿德爾布干斷裂帶拼合，其拼合時(shí)代為早古生代[1-2]。 但在該斷裂東側(cè)發(fā)現(xiàn)了若干拼合帶相關(guān)證據(jù)，如新林蛇綠巖[4]、吉峰-嘎仙-二環(huán)庫蛇綠混雜巖[5]、內(nèi)蒙古蘇布格塔藍(lán)閃石片巖[6-7]及Zhou et al.（2015）[8]對(duì)頭道橋藍(lán)片巖的研究；同時(shí)結(jié)合葛文春對(duì)塔河巖體研究表明，為早古生代后造山花崗巖特征[3]。故認(rèn)為額爾古納地塊與興安地塊沿塔源-頭道橋一帶拼合。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置圖（Sun et al.，2014）Fig.1 Tectonic location map of the study area

近年來大興安嶺地區(qū)取得的另一重要是獲得多寶山島弧巖漿活動(dòng)時(shí)代為早奧陶世（485Ma～447Ma），時(shí)間上處于額爾古納地塊南緣寒武-中奧陶世巖漿弧的晚期階段（孫巍，2014b[9]；Wu et al.,2015[10]）。兩條巖漿弧中間分布的古生代地層在不同地段差異較大，主體為奧陶系和泥盆-石炭系。新近測(cè)年資料顯示新林蛇綠巖的構(gòu)造圍巖-倭勒根群的下部時(shí)代為寒武系，主體時(shí)代為早奧陶世(Sun et al, 2014[11])，上部火山巖為志留系，兩條巖漿弧與中間分布的奧陶系的成因關(guān)系至今不明。

根據(jù)區(qū)內(nèi)蛇綠巖研究的最新進(jìn)展，目前有關(guān)其洋盆性質(zhì)有大陸邊緣裂解小洋盆和陸間洋盆的不同解釋，無論那種解釋都涉及到其與興安早奧陶世巖漿弧的成因關(guān)系。北側(cè)多寶山奧陶紀(jì)巖漿弧的性質(zhì)和島弧的西南延伸情況至今不明，不同性質(zhì)的島弧對(duì)區(qū)域構(gòu)造演化的約束是不同的。這些問題的不明致使該區(qū)早古生代區(qū)域構(gòu)造演化格局一直存在較大的爭(zhēng)議。

筆者通過參與1∶5萬薩其圖等五幅區(qū)調(diào)工作，對(duì)分布于薩奇圖-杜拉爾橋地區(qū)奧陶系多寶山組中的巖漿巖進(jìn)行巖石學(xué)、地球化學(xué)和年代學(xué)研究，為確定頭道橋-鄂倫春-新林構(gòu)造帶的構(gòu)造演化和碰撞模式提供巖石學(xué)、年代學(xué)和地球化學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)及巖石組合特征

奧陶系多寶山組主要分布于研究區(qū)西北部的尚希特烏拉地區(qū)、東南部的杜拉爾橋地區(qū)，總體呈兩條平行的北東向帶狀展布（圖1b），出露面積88.72 km2。

主要巖性為變質(zhì)安山巖、變質(zhì)玄武安山巖、變質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖、變質(zhì)含礫長(zhǎng)石砂巖、方解綠簾綠泥泥質(zhì)板巖、鈣質(zhì)粉砂質(zhì)泥質(zhì)板巖、絹云泥質(zhì)板巖、絹云千枚巖、綠泥絹云千枚巖、粉砂質(zhì)絹云千枚巖、安山質(zhì)綠泥絹云千枚巖、細(xì)晶灰?guī)r和中細(xì)晶含白云石灰?guī)r、變質(zhì)凝灰質(zhì)細(xì)砂巖、變質(zhì)沉凝灰?guī)r、變質(zhì)安山質(zhì)巖屑晶屑凝灰?guī)r、碎裂化氣孔狀變質(zhì)玄武安山巖。

該組在研究區(qū)內(nèi)未見下伏地層的接觸關(guān)系，與上覆奧陶紀(jì)裸河組呈整合接觸，局部與泥盆紀(jì)泥鰍河組呈斷層接觸，見中生代火山巖不整合覆蓋，且多被侏羅-白堊紀(jì)巖體侵入。普遍遭受區(qū)域綠片巖相變質(zhì)作用。研究?jī)?nèi)該組出露最大厚度為1 254 m。

2 巖石地球化學(xué)特征

依據(jù)張琪（1999年）關(guān)于島弧火山巖研究意見[12]，本文研究樣品選取1∶5萬薩其圖等五幅區(qū)調(diào)工作中針對(duì)控制奧陶系多寶山組的SP3、SP5、SP6、SP7、SP25剖面中的變質(zhì)安山巖類巖石。

2.1 常量元素特征

從表1可見，該套變質(zhì)安山質(zhì)熔巖與中國安山巖平均值相比，F(xiàn)e2O3、CaO含量偏高，K2O＜Na2O，由于CaO、K2O、Na2O容易流失，Al2O3＞CaO+K2O+ Na2O，屬于過鋁型。

由于多寶山組變質(zhì)安山巖類變質(zhì)程度較低，巖石學(xué)上基本保留了安山巖類巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征；其巖石化學(xué)也與中國安山巖平均值相類似，保留了火山巖巖石化學(xué)特征。故該套淺變質(zhì)火山巖，巖石化學(xué)性質(zhì)按其原巖特征進(jìn)行敘述。

巖石分類命名∶該組低級(jí)變質(zhì)火山巖的熔巖部分進(jìn)行分類命名判斷，在TAS圖解（圖2）中多數(shù)投入玄武巖山巖、玄武巖及粗面玄武巖區(qū)域交界處，并根據(jù)巖石的燒失量普遍較高3.19%～9.70%，與巖石存在含水礦物結(jié)果一致，這同時(shí)也表明由于樣品普遍遭受蝕變（巖石中普遍存在含水礦物綠泥石、綠簾石及斜長(zhǎng)石出現(xiàn)絹云母化），巖石的K2O的Na2O含量特征可能與巖石形成后受到富鉀、鈉流體的蝕變作用有關(guān)，并導(dǎo)致SiO2含量降低，故認(rèn)為該套淺變質(zhì)火山巖原巖應(yīng)為安山巖-玄武安山巖。

表1 奧陶紀(jì)多寶山組變質(zhì)安山巖類的常量元素(wt%)、微量元素(×10-6)成分Table 1 Constant (wt%) and trace element(×10-6) compositions of metamorphic andesites of Ordovician Duobaoshan Formation

火成巖巖石系列劃分∶據(jù)葉天竺、肖慶輝等關(guān)于火山巖系列圖解法劃分意見[13]，對(duì)于揮發(fā)分含量大于3%的樣品，先用有關(guān)的微量元素(SiO2～Nb/Y 或 SiO2～Zr/TiO2等 )圖 解 判 別 堿 性與亞堿性。該套變質(zhì)安山巖類巖石揮發(fā)分含量在3.19%～9.70%，平均值為5.70%，故選擇如下圖解進(jìn)行判斷∶

圖2 多寶山組中火成巖的TAS圖解Fig.2 TAS diagram of igneous rock in Duobaoshan Formation

在SiO2～Nb/Y圖解中（圖3）多數(shù)落于亞堿性玄武巖區(qū)域，僅有一個(gè)樣品落于粗面安山巖與堿性玄武巖界限上；通過TFeO-K2O+Na2O-MgO圖解（圖4）進(jìn)一步判別均落于鈣堿性系列區(qū)域。通過上述判別顯示，該套變質(zhì)火山巖具島弧火山巖性質(zhì)。

圖3 多寶山組中火成巖的分類SiO2-Nb/Y圖解Fig.3 SiO2-Nb/Y diagram of igneous rock in Duobaoshan Formation

2.2 微量元素特征

多寶山組變質(zhì)安山巖類、變質(zhì)玄武安山巖具微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化配分圖（圖5）與表1反映出，該套淺變質(zhì)火山巖Nb、Ta、Ti元素虧損，且Nb、Ta相對(duì)于Th、La虧損。與N-MORB相比較，表現(xiàn)出大離子親石元素（LILE）∶Rb、Ba、K、Pb、Sr富集；高場(chǎng)強(qiáng)元素（HFSE）∶Th、U、Ce、Pb、Zr、Hf等富集。

上述特征反映出該套變質(zhì)火山巖原巖源區(qū)有來自消減帶物質(zhì)的加入，表明它們的源區(qū)巖石在一定程度上受到了殼-?；旌献饔玫挠绊?。高場(chǎng)強(qiáng)元素富集則反映出鈣堿性火山巖性質(zhì)。

圖4 多寶山組中火成巖的分類 SiO2-FeOT/MgO圖解Fig.4 SiO2-FeOT/MgO diagram of igneous rock in Duobaoshan Formation

2.3 巖石稀土元素地球?qū)W特征

多寶山組變質(zhì)巖主要巖石稀土元素含量見表1，圖 6。

變質(zhì)安山巖各稀土元素含量與中國安山巖相比，鑭(La)、鈰(Ce)、釹(Nd)、鏑(Dy)含量偏低，釔(Y)含量偏高。輕、重稀土含量及輕重稀土比值均偏低，δEu大于1，為正異常，(La/Yb)N、(Ce/Yb)N明顯大于1，稀土元素分布曲線右傾，說明富集輕稀土；(La/Sm)N大于1，輕稀土曲線右傾明顯，輕稀土分餾度高且輕稀土富集；與正常型洋脊玄武巖（N-MORB型）、富集型洋脊玄武巖（E-MORB型）的稀土元素含量及配分模式比較，顯示出輕稀土部分強(qiáng)烈富集，表現(xiàn)出鈣堿系列火山巖特征；重稀土部分與正常型洋脊玄武巖（N-MORB型）和富集型洋脊玄武巖（E-MORB型）相似，并進(jìn)一步說明源區(qū)有來自消減帶物質(zhì)的加入。

圖5 多寶山組變質(zhì)火山巖微量元素標(biāo)準(zhǔn)化配分圖Fig.5 Standardized distribution of trace elements of volcanic rocks in Duobaoshan Formation

圖6 奧陶系多寶山組變質(zhì)火山巖稀土配分曲線圖Fig.6 The diagram of rare earth distribution of metamorphic volcanic rocks in Ordovician Duobaoshan Formation

3 源區(qū)性質(zhì)

微量元素比值可以有效區(qū)分原始巖漿演化過程受流體或地殼混染的程度，其地球化學(xué)特征指示源區(qū)性質(zhì)，通常以La、Nb、Ba、Th、Ta 和Yb等不相容元素較為常用。李曙光等(1994)指出，La/Nb、Ba/Nb、Nb/Th 等強(qiáng)不相容元素的比值在海水蝕變和后期變質(zhì)作用過程中有較高的穩(wěn)定性，可以直接用來示蹤源區(qū)的微量元素特征。

Fitton等[14]認(rèn)為,美國盆嶺省玄武巖的La/Nb＜1.5，起源于軟流圈地幔，Sierra 省的熔巖La/Nb＞1.5，可能起源于富集的巖石圈地幔。本區(qū)多寶山變質(zhì)火山巖的La/Nb比值介于3.19～0.90之間，表明其源區(qū)兼有軟流圈地幔和巖石圈地幔的雙重特征。

研究區(qū)的安山巖類巖石TiO2含量較低(均小于1.5%)，符合巖石圈地幔相對(duì)軟流圈地幔Ti含量低的特點(diǎn)，是典型的匯聚邊緣幔源巖漿特征（Gill et al., 1981）[15]。 安 山 巖 虧 損 Nb、Ta Ti，富 集Rb、Ba、Sr等元素，這一特征通常出現(xiàn)在俯沖帶火山巖中。與N-MORB相比，安山巖的LILE豐度高，ω(Th)＞ω(Ta)，以及Nb，Ta相對(duì)于Th，La虧損。這歸結(jié)于有來自消減帶物質(zhì)的加入，表明他們的源區(qū)巖石在一定程度受到了殼-?；旌献饔玫挠绊懀◤埰斓?，1999）[12]。俯沖流體或熔體交代作用的都可以引起Nb，Ta元素的虧損。一般認(rèn)為島弧或俯沖帶地區(qū)巖漿作用以板片的脫水為誘因(吳福元等，2007)[16]。流體交代作用是俯沖板片脫水形成的富集大離子親石元素(如K、Rb、Sr、U、Th等)的流體進(jìn)入上覆地幔楔，發(fā)生交代作用使地幔楔橄欖巖部分熔融，形成消減帶巖漿。在靠近島弧方向形成拉斑玄武巖，在俯沖帶內(nèi)側(cè)大陸方向形成鈣堿性高鋁玄武巖和鉀玄巖系火山巖。巖石組合通常為鈣堿性玄武巖-安山巖-英安巖-流紋巖及相應(yīng)侵入巖。

在不相容元素比值圖解中（圖7），本區(qū)奧陶紀(jì)多寶山組淺變質(zhì)火山巖多數(shù)落于入安第斯型火山巖區(qū)域之外，表明本測(cè)區(qū)火山巖與安第斯型火山巖存在明顯差別，說明本區(qū)具有俯沖板片流體富集的趨勢(shì)。

綜上所述，工作區(qū)多寶山組火山巖為俯沖帶的流體交代作用的產(chǎn)物，其源區(qū)為流體交代的楔形地幔，并受到了地殼物質(zhì)的混染。

4 形成時(shí)代

具多寶山火山弧的最新研究資料顯示，其巖漿活動(dòng)時(shí)代為 485～447 Ma（孫巍，2014 ；Wu et al.，2015），時(shí)間上在頭道橋-新林-塔原蛇綠巖帶形成之后，空間上位于該蛇綠巖帶的東南。對(duì)于多寶山組奧陶紀(jì)火山巖的的解釋涉及到額爾古納地塊與興安地塊的拼合的時(shí)代。具Zhou,et al.（2015）最新研究資料表明，額爾古納地塊與興安地塊的拼合時(shí)間在 492 Ma 前。

本文對(duì)尚希特烏拉地區(qū)分布的變質(zhì)玄武安山巖進(jìn)行鋯石挑選，LA-ICP-MS U-Pb定年，獲測(cè)年數(shù)據(jù)463±5.9 Ma，該數(shù)據(jù)處于中奧陶世范疇。鋯石U-Pb年齡諧和圖見圖8，陰極發(fā)光（CL）圖像見圖9。綜合考慮上述多寶山巖漿活動(dòng)時(shí)代數(shù)據(jù)特征認(rèn)為，其巖漿活動(dòng)時(shí)代為早中奧陶世。

圖7 奧陶紀(jì)多寶山組變質(zhì)火山巖構(gòu)造環(huán)境判別圖Fig.7 Tectonic environment discrimination diagram of metamorphic volcanic rocks of Ordovician Duobaoshan Formation

表2 不同構(gòu)造背景玄武巖-安山巖的判別流程表Table 2 Discriminant flow chart of basalt-andesite in different tectonic settings

5 構(gòu)造背景

不同的構(gòu)造環(huán)境，生成的火山巖地球化學(xué)特征、巖石組合具有較明顯的差異，這提供了應(yīng)用火成巖的地球化學(xué)特征和巖石組合來判別構(gòu)造環(huán)境的可能。本區(qū)多寶山組火山巖以玄武安山巖-安山巖為主，巖石類型較為單一，巖石主體屬于鈣堿性系列。因此判別其構(gòu)造環(huán)境，主要依據(jù)其地球化學(xué)特征。

圖8 多寶山組鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig.8 U-Pb age consonance of zircon from the Duobaoshan Formation

圖9 多寶山組鋯石U-Pb陰極發(fā)光圖Fig. 9 U-Pb cathode luminescence of zircon from the Duobaoshan Formation

圖10 奧陶紀(jì)多寶山組變質(zhì)火山巖構(gòu)造環(huán)境判別圖Fig.10 Tectonic environment discrimination diagram of metamorphic volcanic rocks of Ordovian Duobaoshan Formation

利用微量元素的豐度比值可以區(qū)分不同構(gòu)造環(huán)境形成的玄武巖-安山巖類巖石，具體方法見表2。運(yùn)用表中給出的方法，本區(qū)多寶山組的玄武安山巖-安山巖類巖石屬于鈣堿性玄武巖。

利用火山巖中微量元素特征通過判別圖解也可以判別巖漿形成的構(gòu)造背景。由于本區(qū)多寶山組火山巖普遍遭受蝕變作用，因此選擇非活動(dòng)性元素作圖。這類元素在巖石發(fā)生風(fēng)化、蝕變和變質(zhì)過程中一般不發(fā)生遷移。在Hf /3-Th-Nb/16圖解中（10a），本區(qū)多寶山組火山巖樣品多數(shù)落入火山弧玄武巖區(qū)域，僅有一個(gè)樣品落入正常洋脊玄武巖（N-MORB）與富集型洋脊玄武巖（E-MORB）和板內(nèi)拉斑玄武巖交界處，且有向火山弧玄武巖區(qū)域過渡趨勢(shì)。Hf/3-Th-Ta圖解中（10 b），該套火山巖樣品均落入火山弧玄武巖區(qū)域。

結(jié)合前文所述本區(qū)火山巖巖漿源區(qū)具有俯沖帶的流體交代作用產(chǎn)物特征，其源區(qū)為流體交代的楔形地幔，并受到了地殼物質(zhì)的混染。

綜合上述，并考慮本區(qū)及區(qū)域上可能存在前寒武紀(jì)結(jié)晶基地，結(jié)合該組巖漿活動(dòng)時(shí)代為早中奧陶世。因此推測(cè)本區(qū)多寶山組火山巖的形成構(gòu)造背景為古亞洲洋板塊向北西俯沖形成的扎蘭屯-多寶山成熟島弧帶的產(chǎn)物。

6 結(jié)論

（1）多寶山組變質(zhì)安山巖類巖石，其巖石學(xué)、巖石化學(xué)特征具鈣堿性島弧火山巖類特征。

（2）多寶山組火山巖為俯沖帶的流體交代作用的產(chǎn)物，其源區(qū)為流體交代的楔形地幔，并受到了地殼物質(zhì)的混染。

（3）本區(qū)多寶山火山弧巖漿活動(dòng)時(shí)代為早中奧陶世。

（4）推測(cè)本區(qū)多寶山組火山巖的形成構(gòu)造背景為古亞洲洋板塊向北西俯沖形成的扎蘭屯-多寶山成熟島弧帶的產(chǎn)物。