北山公路井二長(zhǎng)花崗巖鋯石U-Pb年齡、地球化學(xué)特征
——對(duì)北山北部泥盆紀(jì)構(gòu)造環(huán)境的限定

許海 ,賈元琴 ,趙志雄 ,賈福平 ,王新亮 ,劉強(qiáng)

(1.內(nèi)蒙古地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.烏蘭察布市自然資源局，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000；3.集寧師范學(xué)院，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000)

中亞造山帶為顯生宙最大的增生型造山帶和大陸地殼生長(zhǎng)最顯著的地區(qū)之一[1-4]。北山地處中亞造山帶南緣，位于華北板塊、塔里木板塊和哈薩克斯坦板塊的交匯部位，對(duì)中亞造山帶的解析起著至關(guān)重要的作用。對(duì)于北山造山帶泥盆紀(jì)的構(gòu)造背景仍存在爭(zhēng)議。有學(xué)者認(rèn)為北山地區(qū)志留紀(jì)末板塊構(gòu)造演化體系結(jié)束，統(tǒng)一大陸于早石炭世再次發(fā)生裂解[5-6]，即本區(qū)泥盆紀(jì)構(gòu)造環(huán)境為板內(nèi)；也有學(xué)者認(rèn)為北山地區(qū)泥盆紀(jì)仍處于造山階段，非板內(nèi)演化[7-11]?；◢弾r作為地殼增生的重要部分，可為大陸地殼演化提供新的線(xiàn)索。因此，本文選擇公路井二長(zhǎng)花崗巖為研究對(duì)象，通過(guò)詳細(xì)的野外調(diào)查和巖石學(xué)、巖石地球化學(xué)、鋯石U-Pb 年代學(xué)等方面的研究，分析巖石成因，探討其形成的構(gòu)造背景，為北山地區(qū)泥盆紀(jì)大地構(gòu)造環(huán)境提供新的制約。

1 區(qū)域地質(zhì)概況及巖石學(xué)特征

北山造山帶地處中亞造山帶中段南緣（圖1-a），位于華北板塊、塔里木板塊和塔里木板塊的交匯地帶，西鄰東天山，東接阿拉善[7，12-14]。區(qū)內(nèi)侵入巖出露廣泛，其中基性侵入巖呈零星分布，中酸性侵入巖呈巖基、巖株和巖脈狀近EW向產(chǎn)出。

公路井二長(zhǎng)花崗巖出露面積約45.97 km2，侵入古元古界北山巖群、志留紀(jì)石英閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖，被石炭紀(jì)石英閃長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)花崗巖侵入（圖1-b）。巖石糜棱巖化較發(fā)育，屬白梁-三個(gè)井韌性剪切帶東端。本次選取弱變形域的細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖開(kāi)展研究，巖石具變余細(xì)粒半自形粒狀結(jié)構(gòu)，弱條帶狀定向構(gòu)造，細(xì)?；⑼哥R化明顯。眼球體由0.5～1.2 mm透鏡狀或變余半自形鉀長(zhǎng)石（15%～25%）、斜長(zhǎng)石（15%～25%）組成；糜棱質(zhì)主要由鉀長(zhǎng)石（粒徑0.05～0.3 mm）、斜長(zhǎng)石（20%～25%）、細(xì)紋狀、條帶狀定向分布的石英（20%～25%）及少量黑云母、白云母組成。

圖1 北山及鄰區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)圖（a）和公路井地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖（b）Fig.1 Simplified tectonic map(a)of the Beishan and adjacent orogens and Geological sketch(a)of the Gonglujing

2 樣品采集及分析方法

本次工作在公路井地區(qū)采集了5件二長(zhǎng)花崗巖樣品，選取樣品TW6030 和TW6037 進(jìn)行鋯石U-Pb同位素年齡測(cè)定，地理坐標(biāo)分別為：東經(jīng)99°24′53″，北緯41°49′02″；東經(jīng)99°24′08″，北緯41°48′22″。

樣品主量和微量元素分析由河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)研究所實(shí)驗(yàn)室完成。主要元素用X射線(xiàn)熒光光譜儀（Axiosmax）分析，微量元素用等離子體制譜儀（Xserise2）測(cè)定，分析精度優(yōu)于5%。樣品的鋯石分選在河北區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。鋯石制靶與陰極發(fā)光（CL）照相由北京鋯年領(lǐng)航科技有限公司完成。鋯石U-Pb 同位素分析在天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所同位素實(shí)驗(yàn)室完成，使用儀器為Neptune多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀和193 nm 激光取樣系統(tǒng)（LA-MC-ICP-MS）。激光剝蝕的斑束為35 μm，能量密度為13～14 J/cm2，頻率為8～10 Hz，激光剝蝕物質(zhì)以He為載氣送入Neptune（MC-ICP-MS）。鋯石標(biāo)樣采用TEMORA 標(biāo)準(zhǔn)鋯石。數(shù)據(jù)處理采用中國(guó)地質(zhì)大學(xué)Liu et al.編寫(xiě)的ICPMSDataCal 程序和Ludwing et al.的Isoplot 程序進(jìn)行作圖[15-16]，采用208Pb 對(duì)普通鉛進(jìn)行校正，利用NIST作為外標(biāo)計(jì)算鋯石樣品的Pb，Th，U含量。

3 分析結(jié)果

3.1 鋯石U-Pb年齡

二長(zhǎng)花崗巖（TW6030 和TW6037）的LA-ICPMS鋯石U-Pb同位素分析結(jié)果見(jiàn)表1，2。

表1 公路井二長(zhǎng)花崗巖（TW6030）鋯石LA-ICP-MS U-Pb同位素分析結(jié)果Table 1 LA-ICP-MS U-Pb data of zircon from Gonglujing monzonitic granites

表2 公路井二長(zhǎng)花崗巖（TW6037）鋯石LA-ICP-MS U-Pb同位素分析結(jié)果Table 2 LA-ICP-MS U-Pb data of zircon from Gonglujing monzonitic granites

樣品中的鋯石多為長(zhǎng)柱狀或短柱狀，陰極發(fā)光CL 圖像顯示（圖2，3），多數(shù)鋯石內(nèi)部具典型的明暗相間環(huán)帶結(jié)構(gòu)，且Th/U比值均大于0.1，表明其為巖漿成因。

圖2 公路井二長(zhǎng)花崗巖樣品TW6030代表性鋯石的CL圖像及測(cè)試點(diǎn)、年齡值Fig.2 CL images of the representative zircons from the sample TW6030 in Gonglujing area showing the analyzed spots and their ages

TW6030樣品分析了25個(gè)點(diǎn)，其中2、3、5、6、12、14、16、19、25點(diǎn)偏離諧和線(xiàn)，可能與放射成因鉛的丟失有關(guān)，剩余16 個(gè)點(diǎn)206Pb/238U 加權(quán)平均年齡為（402.7 ± 1.6）Ma（n=16，MSWD=0.17）（圖4）。TW6037樣品環(huán)帶處分析26個(gè)點(diǎn)，次生加大邊測(cè)試3個(gè)點(diǎn)，其中8、15、16、22、26號(hào)點(diǎn)和次生加大邊3個(gè)點(diǎn)偏離諧和線(xiàn)，也可能與放射成因鉛的丟失有關(guān)，其余21個(gè)點(diǎn)206Pb/238U加權(quán)平均年齡為（403.5±1.4）Ma（n=21，MSWD=0.33）（圖5）。二者在誤差范圍內(nèi)完全一致，代表了二長(zhǎng)花崗巖的結(jié)晶年齡，表明其形成于早泥盆世。

圖3 公路井二長(zhǎng)花崗巖樣品TW6037代表性鋯石的CL圖像及測(cè)試點(diǎn)、年齡值Fig.3 CL images of the representative zircons from the sample TW6037 in Gonglujing area showing the analyzed spots and their ages

圖4 公路井二長(zhǎng)花崗巖鋯石LA-ICP-MS U-Pb年齡諧和圖Fig.4 LA-ICP-MS zircon U-Pb Concordia diagram for the Gonglujing monzonitic granites

圖5 公路井二長(zhǎng)花崗巖鋯石LA-ICP-MS U-Pb年齡諧和圖Fig.5 LA-ICP-MS zircon U-Pb Concordia diagram for the Gonglujing monzonitic granites

3.2 地球化學(xué)

3.2.1 主量元素

公路井二長(zhǎng)花崗巖具有高硅（SiO2=72.02%～74.58% ）、高 堿（Na2O+K2O=6.97～8.70%）特征(表3)。里特曼指數(shù)為1.68～2.38(小于3.3)，堿度率為2.52～4.05，A/NCK=1.02～1.06(小于1.1)，A/NK=1.19～1.50，結(jié) 合SiO2-K2O 圖 和A/NCKA/NK 圖（圖6-a，b），表明其具高鉀鈣堿性弱過(guò)鋁質(zhì)巖漿屬性。分異指數(shù)為82.90～92.55，平均89.46；固結(jié)指數(shù)為1.58～7.01，平均3.67，反映巖漿具較高的結(jié)晶分異程度。

表3 公路井花崗巖主量元素和微量元素含量分析結(jié)果表Table 3 Major element and trace element composition of the monzonitic granites from Gongluijng

圖6 二長(zhǎng)花崗巖SiO2-K2O圖解（a）和A/NCK-A/NK圖解（b）Fig.6 SiO2-K2O diagram（a）and A/NCK-A/NK diagram（b）of monzonitic granites

3.2.2 稀土元素和微量元素

巖石稀土元素總量較高（112.27×10-6～271.60×10-6），輕稀土總量（平均為180.33×10-6）明顯高于重稀土（平均12.60×10-6）。LREE/HREE 為6.45～19.80，平 均14.63；(La/Yb)N為5.38～34.19，平均23.60，表明輕、重稀土分餾十分明顯；(La/Sm)N為4.19～7.45，平均5.30；(Gd/Yb)N為0.88～4.18，平均為2.72，表現(xiàn)出輕稀土分餾程度大于重稀土。從球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土分布圖中可看出（圖7-a），曲線(xiàn)呈右傾，具明顯的負(fù)Eu 異常（δEu=0.34～0.58，平均為0.42）。從微量元素分布圖中可看出（圖7-b），巖石相對(duì)富集Rb，K等大離子親石元素及Zr，Hf等高場(chǎng)強(qiáng)元素，強(qiáng)烈虧損Nb，Ta，Sr，P，Ti及弱虧損Ba，Eu等元素。與造山帶弧巖漿作用形成的鈣堿性系列巖石特征相似[19-20]。

圖7 二長(zhǎng)花崗巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土分布圖（a）和二長(zhǎng)花崗巖原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖（b）Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns of monzonitic granites diagram(a)and primitive mantle-normalized trace element spider diagram(b)

4 討論

4.1 形成時(shí)代

前人對(duì)公路井二長(zhǎng)花崗巖的形成時(shí)代研究缺乏高精度同位素年齡等方面數(shù)據(jù)佐證。本次采用LAICP-MS 法定年，獲得鋯石U-Pb 加權(quán)平均年齡為（402.7±1.6）Ma和（403.5±1.4）Ma，代表巖漿侵位年齡。除公路井二長(zhǎng)花崗巖，筆者團(tuán)隊(duì)在小黑山地區(qū)獲得了同時(shí)代的輝長(zhǎng)巖鋯石U-Pb 加權(quán)平均年齡為（404.9±1.6）Ma[9]，為北山地區(qū)早泥盆世存在巖漿活動(dòng)提供了有力證據(jù)。

4.2 巖石成因及構(gòu)造環(huán)境

公路井二長(zhǎng)花崗巖主要礦物組合為斜長(zhǎng)石+鉀長(zhǎng)石+石英+黑云母+白云母，主量元素特征顯示巖石屬弱過(guò)鋁質(zhì)高鉀鈣堿性系列，A/NCK=1.02～1.06（＜1.1），從P2O5-SiO2圖解中可看出（圖8）二者為明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系，富集LILE，虧損HFSE，強(qiáng)烈虧損Nb，Ta，Sr和Ti等，與后碰撞高鉀鈣堿性“I”型花崗巖特征相似[23-27]，暗示與俯沖碰撞的成因聯(lián)系[28]。韓寶福等指出后碰撞階段相當(dāng)于造山帶演化的“晚造山”階段，可繼續(xù)發(fā)生板塊匯聚[26][29]，且?guī)r石類(lèi)型主要以高鉀鈣堿性“I”型花崗巖類(lèi)為主[30]，揭示形成構(gòu)造背景可能為后碰撞。從Rb-Yb+Ta判別圖中可看出（圖9），樣品投影到后碰撞區(qū)域，進(jìn)一步表明公路井二長(zhǎng)花崗巖形成構(gòu)造背景為后碰撞，即北山公路井地區(qū)泥盆紀(jì)仍處于造山演化階段。同時(shí)，區(qū)域上造山帶南北兩側(cè)形成火山質(zhì)的下磨拉石組合，也反映了北山地區(qū)泥盆紀(jì)處于造山后期的構(gòu)造環(huán)境[31]。這進(jìn)一步證實(shí)了楊岳清等認(rèn)為北山地區(qū)泥盆紀(jì)的地殼活動(dòng)仍處于較活躍的狀態(tài)，海相碎屑巖中的中基性-中酸性火山巖建造十分發(fā)育的認(rèn)識(shí)，對(duì)深化北山地區(qū)晚古生代構(gòu)造演化的研究具有重要意義。

圖8 二長(zhǎng)花崗巖的SiO2-P2O5圖解Fig.8 SiO2-P2O5 diagram of monzonitic granites

圖9 二長(zhǎng)花崗巖Rb-Y+Nb圖解Fig.9 Rb-Y+Nb diagram of monzonitic granites

5 結(jié)論

（1）公路井二長(zhǎng)花崗巖LA-ICP-MS 鋯石U-Pb年齡為（402.7±1.6）Ma 和（403.5±1.4）Ma，表明公路井二長(zhǎng)花崗巖為早泥盆世巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物。

（2）礦物組成特征及巖石地球化學(xué)特征反映公路井巖體屬高鉀鈣堿性“I”型花崗巖。

（3）公路井二長(zhǎng)花崗巖形成的構(gòu)造背景為后碰撞階段。

致謝：參加野外調(diào)查的技術(shù)人員還有陳海東、高勇等；天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所周紅英教授在LA-ICP-MS 鋯石U-Pb年齡測(cè)試中給予了技術(shù)幫助，在此一并致謝。