內(nèi)蒙古索倫地區(qū)花崗斑巖巖石成因及構(gòu)造背景

張鵬,和鐘鏵,隋振民,高龍飛,任子慧

1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長春130061；2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，長春130118

0 引言

大興安嶺地區(qū)出露大面積中生代火成巖，其中以花崗巖最為發(fā)育，近年來發(fā)表的高精度鋯石U--Pb年齡數(shù)據(jù)基本確定了大興安嶺地區(qū)顯生宙花崗巖的年代學(xué)格架[1--4]，并為大興安嶺地區(qū)構(gòu)造巖漿演化提供了重要依據(jù)[5--9]。但是目前尚缺乏對淺成巖的系統(tǒng)研究，尤其對與成礦關(guān)系非常密切的巖脈的研究較少,筆者在1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,對內(nèi)蒙古索倫地區(qū)與成礦關(guān)系密切的花崗斑巖(脈)進(jìn)行了系統(tǒng)的野外地質(zhì)調(diào)查，確定了花崗斑巖(脈)產(chǎn)出狀態(tài)，并對花崗斑巖(脈)的巖石學(xué)、地球化學(xué)和Hf同位素等進(jìn)行了研究，為大興安嶺地區(qū)構(gòu)造巖漿演化提供依據(jù)，同時對尋找與花崗斑巖(脈)礦化密切的銅、鉛和鋅等礦產(chǎn)亦有重要的實際意義。

1 地質(zhì)背景與巖石學(xué)特征

研究區(qū)位于興蒙造山帶東段的興安地塊上，大地構(gòu)造位置屬興安地塊的中南部(圖1)，為古亞洲洋構(gòu)造域與古太平洋構(gòu)造域的交匯部位。晚古生代地層主要發(fā)育二疊系下統(tǒng)大石寨組(P1ds)、中統(tǒng)的哲斯組(P2z)和上統(tǒng)的林西組(P3l)，受古亞洲洋最終碰撞閉合的影響，普遍經(jīng)歷了低綠片巖相的變質(zhì)作用。三疊紀(jì)—中侏羅紀(jì)時期，本區(qū)以剝蝕作用為主。自晚侏羅世以來,受鄂霍茨克洋閉合碰撞的影響和古太平洋板塊的俯沖作用, 大興安嶺南部地區(qū)基底構(gòu)造復(fù)活，巖漿活動強烈，形成了受NE或NW向控制的斷陷盆地，其內(nèi)發(fā)育滿克頭鄂博組(J3m)、瑪尼吐組(J3mn)和白音高老組(K1b)3套陸相中--酸性火山巖地層，同時還發(fā)育大量黑云母花崗巖、正長花崗巖、花崗斑巖等同時期的中酸性侵入巖。已發(fā)表的年代數(shù)據(jù)顯示滿克頭鄂博組火山巖多形成于138～145 Ma[10,11]、瑪尼吐組火山巖形成于130～135 Ma[12,13]、白音高老組火山巖形成于121～132 Ma之間[14,15]，同時期中酸性侵入巖多形成于120～129 Ma之間[16,17]?？臻g上，索倫地區(qū)花崗斑巖多呈巖脈或小巖珠侵入于這些火山巖地層之中，LA--ICP--MS鋯石U--Pb分析結(jié)果顯示索倫地區(qū)花崗斑巖形成于120 Ma±,為早白堊世晚期，其形成時期應(yīng)該與白音高老組形成時間相近或其之后，花崗斑巖體應(yīng)是白音高老組酸性火山巖同時異相的產(chǎn)物，火山巖噴發(fā)后剩余巖漿沿北東、北西向裂隙充填而形成花崗斑巖脈。

花崗斑巖具有斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造(圖2)。斑晶含量約5%～15%，斑晶成分主要為石英和堿性長石，少量斜長石和黑云母，粒徑多在0.5～3.0 mm，個別達(dá)5.0 mm。石英斑晶為半自形粒狀或渾圓粒狀，邊界熔蝕明顯，常呈港灣狀；堿性長石斑晶半自形板狀，高嶺土化明顯。斜長石斑晶為半自形板狀，聚片雙晶發(fā)育，絹云母化輕微?；|(zhì)為微粒結(jié)構(gòu)，粒徑多為0.01～0.1 mm，基質(zhì)主要由石英、堿性長石和斜長石組成。副礦物為鋯石、榍石和磁鐵礦等。

2 分析方法

花崗斑巖的巖石樣品取自烏蘭毛都嘎查東部地區(qū)，在野外基巖露頭處采集鋯石測年樣品(PB1063)。地球化學(xué)分析由河北區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實驗室完成，其中主量元素分析通過PW2404型熒光光譜儀(XRF)測定，采用玻璃熔片法，分析精度和準(zhǔn)確度優(yōu)于5%; 稀土和微量元素采用ELEMENT XR型電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP--MS)進(jìn)行分析，分析精度和準(zhǔn)確度一般優(yōu)于10%，全過程參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14506.30--2010。

樣品鋯石的挑選由河北區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所完成；北京凱德正科技有限公司和吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院顯微鑒定實驗室完成鋯石的制靶、透射光和反射光照片的采集；北京鋯年領(lǐng)航科技有限公完成CL圖像采集工作；在中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 采用LA--ICP--MS完成鋯石U--Pb同位素測年分析，實驗中通過將He作為剝蝕物質(zhì)的載氣,以人工合成硅酸鹽玻璃標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)NIST610和國際標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500進(jìn)行儀器最佳化，作為同位素組成的外標(biāo)，

圖1 索倫地區(qū)地質(zhì)略圖Fig.1 Geological sketch map of Suolun area

利用Glitter4.0程序進(jìn)行鋯石U--Pb同位素比值年齡測算整理，最后通過Isoplot3.0軟件繪制協(xié)和圖并計算年齡。

鋯石原位Lu--Hf同位素分析在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所完成，實驗通過193 nm激光系統(tǒng)與NeptuneMC--ICP--MS的聯(lián)合使用對Lu--Hf同位素進(jìn)行分析。實驗過程中采用He作為剝蝕物質(zhì)的載氣，激光剝蝕束斑直徑為63 μm, 激光脈沖寬為15 ns, 剝蝕采樣時間為23 s, 詳細(xì)的實驗分析步驟和數(shù)據(jù)處理方法參見文獻(xiàn) [18，19]。

3 分析結(jié)果

3.1 鋯石U--Pb年齡

用于鋯石測年的樣品編號為PB1063取自索倫地區(qū)花崗斑巖體(圖1)，所測鋯石在CL圖像上為無色--淡黃色透明狀，多呈長柱形，為具明顯振蕩環(huán)帶的自形巖漿鋯石(圖3)，鋯石Th/U值為0.41～0.92，具巖漿結(jié)晶鋯石的典型特征，反映其巖漿成因[20]。樣品PB1063共進(jìn)行了22個鋯石的測定(表1)，大部分?jǐn)?shù)據(jù)點位于U--Pb諧和線上及其附近，表明這些年齡具有確切的地質(zhì)意義，應(yīng)代表巖漿冷卻結(jié)晶的年齡。有一個數(shù)據(jù)點距離協(xié)和線較遠(yuǎn)(126 Ma)，可能為巖漿上升過程中捕獲的早期巖漿鋯石。其他21個鋯石U--Pb同位素加權(quán)平均年齡為119.9±1.6 Ma(MSWD=3.1,n=21)，確定研究區(qū)花崗斑巖形成于早白堊世晚期。

a,b.花崗斑巖野外照片；c,d.花崗斑巖鏡下照片(正交偏光)；Q.石英；Af.堿性長石圖2 花崗斑巖鏡下照片及野外照片F(xiàn)ig.2 Microphotographs and field photographs of granite porphyry

圖3 索倫地區(qū)花崗斑巖鋯石陰極發(fā)光圖像及鋯石U--Pb諧和圖Fig.3 CL images of selected zircons of granite porphyry in Suolun area and diagrams of zircon U--Pb concordia

表1 索倫地區(qū)花崗斑巖LA--ICP--MS鋯石U--Th分析結(jié)果Table 1 LA--ICP--MS zircon U--Th analysis results of granite porphyry in Suolun area

3.2 主量元素分析

索倫地區(qū)花崗斑巖的地球化學(xué)分析結(jié)果見表2。從分析結(jié)果可以看出，主量元素整體呈現(xiàn)高硅、富堿的特點，其中SiO2含量為72.30%～77.19%，平均值為75.56%，K2O含量為4.31%～6.17%，平均值為4.88%，Na2O含量為2.31%～4.45%，平均值為3.43%，全堿(Na2O+K2O)含量為7.29%～9.35%，平均值為8.19%。巖石相對富K和Al2O3，其中K2O/Na2O的值為0.97～2.67， Al2O3含量為12.20%～13.73%，平均值為12.98%，A/CNK (Al2O3/(CaO +K2O+Na2O))為1.03～1.21，平均為1.12，其他主量元素含量相對較低，其中TiO2含量為0.10%～0.29%，TFeO含量為0.86%～2.84%，MgO含量為0.06%～0.60%，P2O5含量為0.02%～0.11%。在A/CNK-ANK圖解(圖4)中樣品均集中在過鋁質(zhì)區(qū)域。在SiO2-K2O圖解上，巖石普遍落入高鉀鈣堿性區(qū)域，少量顯示鉀玄巖特征。

表2 索倫地區(qū)花崗斑巖主量元素(%)和微量元素(10-6)分析結(jié)果Table 2 Major elements(%) and trace elements(10-6) analysis results of granite porphyry in Suolun area

圖4 A/NK-A/CNK圖解和SiO2-K2O圖解Fig.4 Diagram of A/NK-A/CNK and diagram of SiO2-K2O

3.3 微量、稀土元素特征

索倫地區(qū)花崗斑巖的稀土總量∑REE為77.16×10-6～150.54×10-6，平均為127.90×10-6，其中輕稀土LREE含量為49.75×10-6～121.53×10-6，平均為95.06×10-6，重稀土HREE含量為22.70×10-6～43.50×10-6，平均35.84×10-6。LREE/HREE值為1.81～4.19，表明輕稀土元素(La、Ce、Pr)富集，重稀土元素(Tm、Yb、Lu)相對虧損，輕重稀土分餾明顯。δEu值變化在0.18～0.59，具有明顯負(fù)Eu異常,在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式圖(圖5)上，配分曲線呈不對稱的右傾“海鷗型”分布。索倫地區(qū)花崗斑巖具有相似的微量元素特征，在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖上(圖5)，Rb 、Th、U等大離子親石元素相對富集，Nb、Ta、P、Ti等高場強元素和 Ba、Sr等部分大離子親石元素相對虧損，顯示殼源巖漿或巖漿被地殼物質(zhì)混染的微量元素配分特征。

圖5 索倫地區(qū)花崗斑巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式圖(a)和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(b)[21，22]Fig.5 Chondrite normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle normalized trace element spider diagrams (b) of granite porphyry in Suolun area

3.4 鋯石Hf同位素特征

花崗斑巖樣品鋯石Hf同位素測試結(jié)果見表3。176Hf/177Hf的值為0.282 220～0.282 695，加權(quán)平均值為0.282 597±0.000 010(2σ，n=20),能夠反映出巖石結(jié)晶演化過程中Hf同位素的組成情況，176Lu/177Hf的值為0.000 619～0.001 975，平均值為0.000 944，表明鋯石形成后由Lu衰變形成的Hf極少，fLu/Hf值較低 (平均值為-0. 971 56)，說明測得的鋯石Lu--Hf同位素二階段模式年齡能夠指示其源區(qū)物質(zhì)在地殼中存留的年限或從地幔中抽離的年限，Hf 同位素εHf(t)的值為+7.5～+10.8，加權(quán)平均值為+8.7±0.5，單階段模式年齡352～477 Ma，二階段模式年齡為489～695 Ma。

表3 索倫地區(qū)花崗斑巖鋯石Hf同位素分析結(jié)果Table 3 Zircon Hf isotopic analysis results for granite porphyry in Suolun area

4 花崗斑巖成因及構(gòu)造背景

4.1 花崗斑巖成因

索倫地區(qū)花崗斑巖主要由石英、鉀長石和少量斜長石組成，暗色礦物主要為黑云母，未見堇青石、石榴子石等富鋁礦物，副礦物為鋯石、榍石和磁鐵礦等，巖礦組合特點顯示研究區(qū)內(nèi)花崗斑巖并不具有S型花崗巖的特點[23]，暗示成因類型可能為I型或A型花崗巖。而在區(qū)分A型和I型花崗巖判別圖解上[24](圖6)，數(shù)據(jù)點基本上落在了高分異 的I型花崗巖區(qū)，且在主量元素分析表上，全鐵含量(0.86%～2.84%)相對較低，有別于A型花崗巖富鐵的特性，而且花崗斑巖鋯石飽和溫度在757.610℃～807.972℃之間，低于A型花崗巖的鋯石飽和溫度[25]，表明研究區(qū)內(nèi)花崗斑巖可能屬于高分異的I型花崗巖。另外索倫地區(qū)花崗斑巖具有 Sr、Ba、Ti、Nb 和Eu的明顯負(fù)異常，暗示巖石形成時具有強烈分異的分離結(jié)晶作用存在，Sr含量為40.478×10-6～233.00×10-6、 Yb為1.622×10-6～3.168×10-6，具有低Sr、高 Yb 的特點，張旗等[26]將這種類型的巖石稱為“南嶺型”花崗巖，一般形成于正常至減薄的地殼厚度下，其殘留相主要為斜長石和角閃石。研究區(qū)花崗斑巖具有高硅質(zhì)、富堿和貧鐵鎂的特點，富集大離子親石元素(Rb、Th、U)和輕稀土元素(La、Ce、Pr)，虧損高場強元素(Nb、Ta)，這些地球化學(xué)特征顯示了殼源巖漿的特點。花崗斑巖的εHf(t)在+7.5與+10.8之間，二階段虧損地幔模式年齡為695～489 Ma之間，反映了其源區(qū)物質(zhì)可能形成于早古生代—新元古代基性下地殼物質(zhì)的熔融，該巖漿源區(qū)的形成可能與古亞洲洋演化過程中地殼的增生作用有關(guān)[27，28]。

4.2 花崗斑巖形成的構(gòu)造背景

自中生代以來，大興安嶺地區(qū)受蒙古—鄂霍茨克構(gòu)造域的控制和古太平洋構(gòu)造體系的影響，早期基底斷裂復(fù)活，巖漿活動強烈，廣泛發(fā)育受正斷層控制的北東向斷陷盆地[29]其內(nèi)發(fā)育白音高老組流紋巖和梅勒圖組玄武巖為代表的雙峰式火山巖[30]，同時還發(fā)育早白堊世變質(zhì)核雜巖等[31]，所有這些均表明大興安嶺地區(qū)在早白堊世期間已處于伸展環(huán)境。研究區(qū)花崗斑巖在Y+Nb-Rb圖解上和R1-R2圖解上[32](圖7)均落入后碰撞和造山期后附近，亦顯示它們形成于造山期后伸展構(gòu)造環(huán)境。但對于該伸展環(huán)境的動力學(xué)機制存在不同的認(rèn)識：一種觀點認(rèn)為與蒙古—鄂霍茨克縫合帶閉合后加厚陸殼的拆沉過程相聯(lián)系[33--34]；另一種認(rèn)為是古太平洋板塊俯沖于歐亞大陸之下的弧后伸展環(huán)境[15]。從已有的研究成果中可知，在140 ～125 Ma期間古太平洋板塊是向NE方向約33°方向擴(kuò)張的[35]，在大興安嶺地區(qū)不可能形成與俯沖方向近于平行的弧后盆地和巖漿活動帶，因此這一時期的火成巖與古太平洋板塊作用沒有直接關(guān)系[36]。索倫地區(qū)花崗斑巖為I型高分異花崗巖，一般認(rèn)為這種類型的花崗巖主要與后造山事件有關(guān)[37]。進(jìn)一步研究表明蒙古—鄂霍茨克構(gòu)造體系在中生代晚期(～145 Ma) 曾經(jīng)歷過重要的陸殼加厚過程，于早白堊世晚期(～125 Ma)發(fā)生區(qū)域性的伸展事件[38]，而形成于早白堊世晚期的索倫地區(qū)花崗斑巖應(yīng)是蒙古—鄂霍茨克縫合帶閉合后后造山事件的產(chǎn)物。

圖6 索倫地區(qū)花崗斑巖成因類型判別圖解[24]Fig.6 Discrimination diagrams for granite porphyry in Suolun area

圖7 索倫地區(qū)花崗斑巖構(gòu)造環(huán)境判別圖解Fig.7 Tectonic distinction diagrams for granite porphyry in Suolun area

5 結(jié)論

(1)索倫地區(qū)花崗斑巖多呈巖株和巖脈產(chǎn)出，其LA--ICPMS鋯石U--Pb同位素測年為119.9±1.6 Ma，形成于早白堊世晚期。

(2)索倫地區(qū)花崗斑巖屬于鋁質(zhì)--過鋁質(zhì)高鉀鈣堿性系列，具有高分異I型花崗巖的特點，其εHf(t)為+7.5～+10.8，二階段虧損地幔模式年齡為695～489 Ma，反映其源區(qū)物質(zhì)可能形成于早古生代—新元古代基性下地殼物質(zhì)的熔融。

(3)索倫地區(qū)花崗斑巖形成于造山后伸展環(huán)境，這種構(gòu)造背景可能與蒙古—鄂霍茨克縫合帶閉合后加厚陸殼的拆沉作用有關(guān)。