內(nèi)蒙古烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖U-Pb年齡、地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義

程天赦，楊文靜，張學(xué)斌，吳榮澤，周長(zhǎng)紅

(天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津 300191)

0 引 言

內(nèi)蒙古烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖位于興蒙造山系內(nèi)蒙古中部弧盆系錫林浩特巖漿弧中段。前人對(duì)興蒙造山帶中生代構(gòu)造演化研究較多[1-5]，陳斌等認(rèn)為華北板塊與西伯利亞板塊的最終碰撞發(fā)生在230～310 Ma之間[1]；石玉若等認(rèn)為興蒙造山帶在三疊紀(jì)開始就已經(jīng)發(fā)生了大規(guī)模的造山后伸展作用[3]；葉栩松等認(rèn)為興蒙造山帶是一個(gè)多期旋回的過程[5]。前人對(duì)興蒙造山帶古生代大地構(gòu)造環(huán)境特征的研究較少。

烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖位于西烏珠穆沁旗吉仁高勒烏蘭烏臺(tái)一帶，馬秀等稱其為花崗閃長(zhǎng)巖，將其歸為華力西晚期中酸性侵入巖(1)內(nèi)蒙古自治區(qū)區(qū)域地質(zhì)測(cè)量隊(duì).毛登幅1/20萬地質(zhì)圖與說明書.1976.② 內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院.朝克烏拉幅1/25萬地質(zhì)圖與說明書.2008.；鞠文信等研究將其劃歸為中二疊世巖漿產(chǎn)物②。本次1:5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作發(fā)現(xiàn)巖石具CPG(含堇青石過鋁質(zhì)花崗巖類)特征，其單顆粒鋯石U-Pb年齡為(384.8±5.1)Ma，屬于晚泥盆世巖漿活動(dòng)產(chǎn)物。筆者通過巖石礦物學(xué)、地球化學(xué)特征及區(qū)域地質(zhì)資料，探討晚泥盆世該區(qū)大地構(gòu)造環(huán)境特征。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)內(nèi)侵入巖較發(fā)育(圖1)，其侵入時(shí)代主要有泥盆紀(jì)、石炭紀(jì)、二疊紀(jì)、三疊紀(jì)及白堊紀(jì)。隨著西伯利亞與華北兩大板塊的碰撞拼接及古亞洲洋的閉合，區(qū)內(nèi)最早的一次巖漿活動(dòng)為中、晚泥盆世匯聚機(jī)制下富水的島弧拉斑玄武質(zhì)巖漿沿古陸殼邊緣斷裂帶熱侵位，形成的石英閃長(zhǎng)巖-花崗閃長(zhǎng)巖侵位于研究區(qū)烏和日楚魯、烏蘭烏臺(tái)一帶，為大陸邊緣弧近陸一側(cè)巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物。早、晚石炭世形成閃長(zhǎng)巖-花崗閃長(zhǎng)巖-二長(zhǎng)花崗巖組合，侵位于研究區(qū)北部扎布吉架子及南部蘇榮溫都爾一帶，并表現(xiàn)有少量海陸交互相及陸相沉積。因此，研究區(qū)中、晚泥盆世至石炭紀(jì)不僅存在洋-陸碰撞造山，而且也發(fā)生過陸-陸碰撞造山過程。

圖1 內(nèi)蒙古大地構(gòu)造分區(qū)及工作區(qū)位置Fig.1 Tectonic division of Inner Mongolia and location of the study area

2 巖石學(xué)、礦物學(xué)特征

烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖由4個(gè)侵入體組成，呈近北東—南西向出露(圖2)，出露面積共13.95 km2。巖性較為單一，主要為中細(xì)?；◢忛W長(zhǎng)巖。巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，地勢(shì)較為平坦，地貌多為低山丘陵，巖石出露較差，巖體多被第四系、草原覆蓋，局部見陡坎狀露頭。巖體西側(cè)被上石炭統(tǒng)本巴圖組地層大面積不整合覆蓋，北側(cè)及中部局部被下白堊統(tǒng)白音高老組火山碎屑巖不整合覆蓋，南側(cè)被晚三疊世二長(zhǎng)花崗巖呈巖枝狀、脈狀侵入。巖體中見花崗斑巖脈出露，主要呈北東向、北西向展布。巖體中局部可見閃長(zhǎng)巖捕虜體，捕虜體呈巖塊、角礫狀，捕虜體與巖體接觸邊界可見同化混染現(xiàn)象。巖體出露較破碎，劈理、片理發(fā)育，后期熱液沿破碎帶發(fā)生綠簾石化、綠泥石化、硅化、褐鐵礦化等蝕變。

圖2 烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖地質(zhì)概圖(實(shí)測(cè))Fig.2 Sketch of the granodiorite in Wulanwutai1.第四系坡洪積物；2.寶格達(dá)烏拉組；3.白音高老組流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r；4.哲斯組；5.大石寨組；6.壽山溝組；7.本巴圖組；8.晚三疊世中細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖；9.晚三疊世中粗粒花崗巖；10.中三疊世花崗斑巖；11.中三疊世斑狀花崗巖；12.中三疊世中粗粒二長(zhǎng)花崗巖；13.晚二疊世閃長(zhǎng)巖；14.晚石炭世閃長(zhǎng)巖；15.晚泥盆世花崗閃長(zhǎng)巖；16.采樣位置及編號(hào)

實(shí)驗(yàn)室詳細(xì)巖礦鑒定定名為中細(xì)?；◢忛W長(zhǎng)巖，與野外定名一致。巖石呈細(xì)粒半自形粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，其顯微結(jié)構(gòu)如圖3所示。巖石主要由斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英組成，其含量分別為55%、10%、20%，并含少量黑云母、角閃石。斜長(zhǎng)石呈半自形板狀，雜亂分布，粒度一般為0.2～2.0 mm，部分2.0～4.6 mm，高嶺土化、絹云母化明顯，有的隱約可見環(huán)帶。斜長(zhǎng)石粒內(nèi)聚片雙晶發(fā)育，為中長(zhǎng)石。鉀長(zhǎng)石呈它形粒狀，為正(條紋)長(zhǎng)石，填隙狀分布，粒度一般5.0～5.5 mm，少數(shù)0.5～2.0 mm，輕高嶺土化，交代斜長(zhǎng)石，內(nèi)含斜長(zhǎng)石、黑云母包體。石英呈它形粒狀，似填隙狀分布于長(zhǎng)石間，粒度一般為2～5 mm，少數(shù)為0.2～2.0 mm，另外少數(shù)為5.0～6.2 mm，具輕微碎裂、波狀消光、變形紋等受力現(xiàn)象。黑云母呈片狀，片徑0.1～2.5 mm，雜亂分布，多色性明顯。角閃石呈半自形柱粒狀，粒度0.02～1.00 mm，零散分布，多色性明顯，陽(yáng)起石化明顯，局部被黑云母交代。巖內(nèi)見一細(xì)粒黑云閃長(zhǎng)巖包體，與中細(xì)?；◢忛W長(zhǎng)巖的界限不明確，主要由斜長(zhǎng)石、黑云母組成。巖內(nèi)多見被絹云母充填的裂紋。副礦物組合屬鋯石-鈦鐵礦-磷灰石型，此外還含少量獨(dú)居石、磁鐵礦。

圖3 花崗閃長(zhǎng)巖顯微結(jié)構(gòu)(正交偏光，半自形粒狀結(jié)構(gòu))Fig.3 Photos showing the microstructure of the granodiorite (XPL)Kfs.鉀長(zhǎng)石；Pl.斜長(zhǎng)石；Qtz.石英；Am.角閃石；Bt.黑云母

3 樣品采集與分析測(cè)試

本次用于鋯石U-Pb定年的樣品1件(WGHS.37)，用于巖石地球化學(xué)分析的樣品2件(A01、A02)，樣品均較新鮮?；◢忛W長(zhǎng)巖鋯石測(cè)年樣品采集位置為東經(jīng)116°56′45″，北緯44°20′37″。

鋯石單礦物分離由河北省廊坊區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究所完成，陰極發(fā)光(CL)測(cè)試由中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所掃描電鏡實(shí)驗(yàn)室完成。鋯石U-Pb同位素定年在自然資源部天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所利用LA-ICP-MS分析完成。激光剝蝕系統(tǒng)為美國(guó)NewWave公司生產(chǎn)的UP193FX型193nm ArF準(zhǔn)分子系統(tǒng)，激光器來自德國(guó)ATL公司，ICP-MS為Agilient 7500a型質(zhì)譜儀。激光器波長(zhǎng)為193 nm，脈沖寬度<4 ns，實(shí)驗(yàn)的激光束斑直徑為35 μm，采用91500和Ple?ovice作為標(biāo)樣，NISTSRM 610對(duì)儀器進(jìn)行最佳化控制，91500作為定年外標(biāo)，Ple?ovice作為監(jiān)控標(biāo)樣。樣品的同位素比值及元素含量計(jì)算采用GLITTER-ver 4.0(Macquarie University)程序，普通鉛校正采用Anderson提出的ComPbCorr#3.17校正程序，U-Pb諧和圖、年齡分布頻率圖繪制和年齡加權(quán)平均計(jì)算使用Isoplot/Ex_ver.3程序完成。詳細(xì)測(cè)試與數(shù)據(jù)處理流程見Liu等[6-8]。

巖石地球化學(xué)分析樣品采集位置見圖2。樣品由河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室分析。主量元素測(cè)試采用XRF熒光測(cè)試法完成，測(cè)試誤差小于2%；稀土和微量元素測(cè)試采用等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法，測(cè)定精度優(yōu)于5%。

4 分析結(jié)果

4.1 LA-ICP-MS 鋯石U-Pb年齡

本次研究對(duì)烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖樣品(WGHS.37)進(jìn)行了LA-ICP-MS 鋯石U-Pb同位素分析，對(duì)樣品進(jìn)行了20個(gè)點(diǎn)測(cè)試分析。陰極發(fā)光(CL)圖像(圖4)顯示，其顆粒大小不一，變化范圍為96 μm×205 μm～95 μm×325 μm，長(zhǎng)寬比值為2:1～3:1。所測(cè)鋯石顆粒大多呈長(zhǎng)柱狀自形晶，鋯石顆粒的邊緣地帶均可觀察到清晰的韻律環(huán)帶結(jié)構(gòu)，所有鋯石的Th/U值均大于0.1(Th/U=0.28～0.59)(表1)。因此，所測(cè)鋯石均屬巖漿成因。

圖4 烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖鋯石陰極發(fā)光圖像(CL)及分析點(diǎn)位和年齡Fig.4 Cathodoluminescence images and analysis spots of zircons from the Wulanwutai granodiorite sample

鋯石樣品測(cè)試結(jié)果(表1)顯示，4個(gè)測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)(點(diǎn)2，(408.2±5.5)Ma；點(diǎn)7，(423.0±4.1)Ma；點(diǎn)15，(431.5±4.6)Ma；點(diǎn)19，(401.5±4.8)Ma)偏離諧和線，其余16個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)均在諧和線上或其附近，其加權(quán)平均年齡值為(384.8±5.1)Ma (MSWD=1.3，n=16)(圖5)。結(jié)合上述分析可知，(384.8±5.1)Ma代表了巖體的形成年齡，該巖體形成于晚泥盆世。

圖5 烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖鋯石U-Pb測(cè)年結(jié)果Fig.5 Zircon U-Pb concordia diagram (weighted average age in the inset diagram)for the Wulanwutai granodiorite

表1 烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖(樣品WGHS.37)LA-ICP-MS鋯石 Ub-Pb年齡分析結(jié)果Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb age data of the Wulanwutai granodiorite (sample WGHS.37)

4.2 地球化學(xué)特征

4.2.1 主量元素

主量元素分析結(jié)果如表2所示。

表2 烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖主量元素(%)、稀土元素(10-6)和微量元素(10-6)豐度Table 2 Contents of major (%)and trace (incl.REE)elements (10-6)of the Wulanwutai granodiorite

花崗閃長(zhǎng)巖的SiO2含量較高，為70.48%～73.01%；Al2O3含量為11.70%～12.89%，K2O為3.10%～3.94%，Na2O為2.15%～2.29%，TiO2為0.64%～0.67%，MnO為0.055%～0.070%，MgO為1.71%～2.12%，CaO為1.27%～1.75%，P2O5為0.078%～0.115%，K2O+Na2O=5.39%～6.09%，K2O/Na2O=1.35～1.83，A/CNK=1.16～1.25?？傮w上，烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖具有高硅、富鉀、富鈉、富鈣的特征，TiO2、MnO、P2O5含量較低，屬過鋁質(zhì)巖石，經(jīng)歷了較強(qiáng)的結(jié)晶分異作用。QAPF圖解(圖6)中，樣品點(diǎn)落于花崗閃長(zhǎng)巖區(qū)；AFM圖解(圖7)中，樣品點(diǎn)均落于鈣堿性系列。

圖6 烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖QAPF圖解(底圖據(jù)Streckeisen &Le Maitre[9])Fig.6 QAPF diagram for the Wulanwutai granodiorite(base map after Streckeisen &Le Maitre[9])1.富石英花崗巖；2.堿性長(zhǎng)石花崗巖；3.花崗巖；3a.鉀長(zhǎng)石花崗巖或普通花崗巖；3b.二長(zhǎng)花崗巖；4.花崗閃長(zhǎng)巖；5.英云閃長(zhǎng)巖；6.石英堿性長(zhǎng)石正長(zhǎng)巖；7.石英二長(zhǎng)巖；8.石英二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖；9.石英二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖/石英二長(zhǎng)輝長(zhǎng)巖；10.石英閃長(zhǎng)巖/石英輝長(zhǎng)巖；6*.堿性長(zhǎng)石正長(zhǎng)巖；7*.正長(zhǎng)巖；8*.二長(zhǎng)巖；9*.二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖/二長(zhǎng)輝長(zhǎng)巖；10*.閃長(zhǎng)巖/輝長(zhǎng)巖/斜長(zhǎng)巖；6′.含似長(zhǎng)石堿性長(zhǎng)石正長(zhǎng)巖；7′.含似長(zhǎng)石正長(zhǎng)巖；8′.含似長(zhǎng)石二長(zhǎng)巖；9′.含似長(zhǎng)石二長(zhǎng)巖/二長(zhǎng)輝長(zhǎng)巖；10′.含似長(zhǎng)石閃長(zhǎng)巖/輝長(zhǎng)巖；11.似長(zhǎng)石正長(zhǎng)巖；12.似長(zhǎng)二長(zhǎng)正長(zhǎng)巖；13.似長(zhǎng)二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖；14.似長(zhǎng)石輝長(zhǎng)巖;15.似長(zhǎng)輝長(zhǎng)巖;Q.石英;A.堿性長(zhǎng)石;P.斜長(zhǎng)石;F.似長(zhǎng)石

圖7 烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖AFM圖解(底圖據(jù)Brown[10])Fig.7 AFM diagram for the Wulanwutai granodiorite(base map after Brown[10])

4.2.2 稀土、微量元素

稀土元素及微量元素分析結(jié)果如表2所示。烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖稀土元素總量較低，REE=177.62×10-6～313.87×10-6，LREE/HREE=6.17～8.36，(La/Yb)N=5.57～8.94，花崗閃長(zhǎng)巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化REE配分型式如圖8(a)所示，曲線呈明顯右傾型，輕稀土較富集，輕重稀土分餾明顯；(La/Sm)N=3.12～3.94，(Gd/Yb)N=1.21～1.44，輕稀土、重稀土內(nèi)部均未發(fā)生較明顯分餾；δEu=0.36～0.49，銪負(fù)異常明顯。

烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖的微量元素含量總體較高，Rb、Ba、Th、U、Pb、Sr呈相對(duì)“峰”值，高場(chǎng)強(qiáng)元素HFSE強(qiáng)烈虧損，如Zr、Hf、Nb、Ta、Ti；LREE相對(duì)HREE富集，其微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖如圖8(b)所示。

圖8 烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線(a)和微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線(b)(底圖據(jù)文獻(xiàn)[10-11])Fig.8 Chondrite-normalized REE distribution patterns and Primitive mantle-normalized trace elements distribution patterns of the granodiorite of Wulanwutai(base map after refs.[10-11])

5 討 論

5.1 花崗閃長(zhǎng)巖的形成時(shí)代

本次研究對(duì)烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖體進(jìn)行了鋯石U-Pb測(cè)年分析，所采樣品新鮮，未發(fā)生變質(zhì)，且?guī)r漿振蕩環(huán)帶清晰，所測(cè)樣品點(diǎn)位于U-Pb諧和曲線上，表明此年齡代表巖漿侵位結(jié)晶的年齡。據(jù)此，該花崗閃長(zhǎng)巖體的年齡為(384.8±5.1)Ma，侵位時(shí)代為晚泥盆世。

5.2 巖石成因類型

烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖屬鈣堿性，主要礦物為斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英、黑云母及角閃石，副礦物組合屬鋯石-鈦鐵礦-磷灰石型，此外還含少量獨(dú)居石、磁鐵礦，其礦物特征與Barbarin花崗巖分類中CPG(含堇青石過鋁質(zhì)花崗巖類)較相近。另外，烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖富鉀，K2O為3.10%～3.94%；富鋁，Al2O3為11.70%～12.89%；A/CNK=1.16～1.25，屬過鋁質(zhì)巖石；含黑云母，副礦物中含有磷灰石、獨(dú)居石、鈦鐵礦；巖體見閃長(zhǎng)巖包體。因此，認(rèn)為烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖巖漿可能為殼-幔混源型，與陸-陸碰撞有關(guān)。

5.3 構(gòu)造背景

興蒙造山帶形成于古生代晚期，是一個(gè)典型的陸-洋-陸碰撞區(qū)域。研究區(qū)構(gòu)造演化可分為兩個(gè)階段：(1)早階段，晚古生代西伯利亞古板塊與華北古板塊碰撞隆升-裂陷-再次碰撞，形成了基本構(gòu)造格架[12-15]；(2)晚階段，中生代時(shí)期強(qiáng)烈的陸緣活化型構(gòu)造-巖漿活動(dòng)[16-17]。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為華北板塊與西伯利亞板塊碰撞可能發(fā)生在二疊紀(jì)中晚期，并且有可能持續(xù)到三疊紀(jì)中期，二疊紀(jì)中期古生物群的混生，標(biāo)志著該碰撞的開始；三疊紀(jì)早—中期磨拉石沉積的出現(xiàn)和三疊紀(jì)中期巖漿活動(dòng)的發(fā)生，標(biāo)志著該區(qū)強(qiáng)烈碰撞造山作用的發(fā)生和碰撞過程的結(jié)束。通過對(duì)烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖構(gòu)造環(huán)境進(jìn)行判別，所有樣品均位于同碰撞構(gòu)造環(huán)境(圖9)，其形成應(yīng)與西伯利亞板塊和華北板塊碰撞造山有關(guān)。因此，通過對(duì)烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖的研究認(rèn)為華北板塊與西伯利亞板塊在中泥盆世仍未發(fā)生碰撞，索倫—西拉木倫縫合帶并非古亞洲洋最終閉合的位置[19-20]，古亞洲洋最終閉合的位置有可能位于二連—賀根山縫合帶。

圖9 烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖(Y+Nb)-Rb(a)和Y-Nb(b)判別圖解(底圖據(jù)Pearce等[18])Fig.9 (Y+Nb)-Rb (a)and Y-Nb (b)tectonic discrimination diagrams for the Wuherichulu granodiorite(base map after Pearce et al.[18] )Syn-COLG.同碰撞花崗巖;WPG.板內(nèi)花崗巖;VAG.火山弧花崗巖;ORG.洋中脊花崗巖

6 結(jié) 論

通過對(duì)烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖巖相學(xué)、礦物學(xué)、同位素年代學(xué)及巖石地球化學(xué)特征進(jìn)行研究，得到如下認(rèn)識(shí)：

(1)烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖屬鈣堿性，主要礦物為斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英、黑云母及角閃石，副礦物組合屬鋯石-鈦鐵礦-磷灰石型，此外還含少量獨(dú)居石、磁鐵礦，其礦物特征與Barbarin花崗巖分類中CPG(含堇青石過鋁花崗巖類)較相近，其巖漿可能為殼-?；煸矗c陸-陸碰撞有關(guān)。

(2)烏蘭烏臺(tái)花崗閃長(zhǎng)巖單顆粒鋯石U-Pb年齡為(384.8±5.1)Ma，所測(cè)鋯石均為巖漿成因，其年齡能夠代表巖體的形成時(shí)代，其形成于晚泥盆世。此時(shí)，西伯利亞板塊與華北板塊處于碰撞造山階段。