南蒙古額爾德尼早白堊世A型花崗巖年代學、地球化學、Hf同位素特征及其地質(zhì)意義

段思寧，童 英，王文志，郭 磊

1.中國地質(zhì)大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083 2.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所離子探針中心，北京 100037 3.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所，北京 100037

0 引言

自從Loiselle等[1]最早定義A型花崗巖以來，國內(nèi)外的地質(zhì)學家對A型花崗巖展開了大量的研究工作[2-8]。A型花崗巖作為一類特殊的花崗巖[1-3,5-7]，雖然可能有極少部分形成于與俯沖相關(guān)的弧后伸展背景，但絕大多數(shù)A型花崗巖形成于陸內(nèi)伸展背景下的地殼減薄過程中[8-11]，如后造山伸展和陸內(nèi)裂谷等，因而作為特殊的構(gòu)造環(huán)境的判別標志備受關(guān)注[12-14]。東北亞地區(qū)在晚中生代中晚期發(fā)育大規(guī)模的伸展構(gòu)造和巨量的巖漿活動，揭示了區(qū)域性的地殼伸展減薄[15-16]，如寶德爾[17]、罕烏拉[18]發(fā)育一部分A型花崗巖與伸展穹窿緊密相關(guān)。本文對南蒙古地區(qū)額爾德尼(Erdene)類穹窿花崗巖開展LA-ICP-MS鋯石U-Pb年代學、巖石地球化學和同位素地球化學研究，探討其巖石成因及成巖構(gòu)造背景，以期揭示該區(qū)早白堊世花崗巖的巖石成因和源區(qū)特征，為研究東北亞大規(guī)模伸展與巨量巖漿活動提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

東北亞地區(qū)，特別是松遼盆地以西，自中生代以來，蒙古—鄂霍茨克洋閉合后增厚地殼伸展垮塌，并疊加古太平洋俯沖體制的弧后伸展，使整個東北亞轉(zhuǎn)入伸展體制，形成了以變質(zhì)核雜巖、不對稱花崗巖伸展穹窿、同伸展盆地為代表的巨大伸展省[11-16,19-24]，伴隨著巨量的晚侏羅世—早白堊世花崗巖發(fā)育[15](圖1)。

額爾德尼地區(qū)大地構(gòu)造位置屬于南蒙古—大興安嶺地塊[15]，區(qū)內(nèi)發(fā)育有多條NNE、NW向斷裂。東戈壁斷層帶是南蒙古地區(qū)的一個重要走滑構(gòu)造，該斷層在晚三疊世和晚漸新世分別發(fā)生了兩期大型左型走滑，總位移達到250～300 km，這兩期走滑是在不同的構(gòu)造體系下形成的[23，25]。同時該地區(qū)發(fā)育伸展構(gòu)造，如南蒙古地區(qū)Atanshiree及Nartyn巖漿穹窿、中蒙邊境的亞干變質(zhì)核雜巖[26]、內(nèi)蒙古二連浩特地區(qū)的寶德爾伸展穹窿(圖2)和罕烏拉伸展剪切帶等[27-28]。區(qū)域地層包括中生界、新生界及少量的古生界。古生界主要為奧陶系、石炭系、二疊系，中生界主要為侏羅系、白堊系，新生界為新第三系及第四系，其中白堊系分布最多。研究區(qū)花崗巖分布廣泛，大體呈北北東向展布，以晚古生代(主要是石炭紀和二疊紀)花崗巖為主，中生代(主要是侏羅紀和白堊紀)花崗巖出露較少。巖性主要為中粒黑云母花崗巖。

額爾德尼巖體距中蒙邊界約20 km，巖體呈北東東向不規(guī)則長條狀展布，長2～8 km，寬1～5 km，由多個獨立的穹窿狀花崗巖出露構(gòu)成(圖3a)，總面積約30 km2；整體可見近水平節(jié)理(圖3a)，與其東北方向的位于中蒙邊境地區(qū)的寶德爾和罕烏拉穹窿花崗巖地貌(圖3b、c)非常相似，其中寶德爾穹窿[17]北側(cè)剪切帶和罕烏拉穹窿[18]西北緣的大型韌性剪切帶走向均為北東向。巖體上覆上白堊統(tǒng)及第四系，分布在兩條北東走向的斷裂之間，圍巖可見新元古界及早古生代地層。巖體無明顯的巖相分帶，邊界均被第四系所覆蓋，未見到韌性變形。在1∶100萬蒙古地質(zhì)圖[29]上，該巖體的形成時代被標記為中生代。

據(jù)文獻[15]修編。

位置見圖1。

a. 額爾德尼巖體野外露頭；b. 寶德爾巖體野外露頭；c. 罕烏拉巖體野外露頭；d. 黑云母花崗巖正交光下照片。Bi. 黑云母；Kf. 鉀長石；Pl. 斜長石；Q. 石英。

2 巖相學特征

額爾德尼巖體主要巖性為黑云母花崗巖，新鮮面灰白色，中粒花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，局部可見石英和黑云母流動定向，但未見明顯固態(tài)變形，這點也與寶德爾穹窿的早白堊世石林序列第三單元相似[29]。主要礦物組成為石英、微斜長石、斜長石、黑云母(圖3d)。石英為無色，呈他形粒狀，可見波狀消光，粒度為0.2～2.0 mm，體積分數(shù)為25%～30%；微斜長石呈半自形板狀，粒度為1.0～3.0 mm，體積分數(shù)為35%～40%，有格子雙晶出現(xiàn)，部分微斜長石包含石英及黑云母顆粒，局部表面發(fā)生高嶺土化；斜長石呈無色，半自形板狀，粒度為0.2～1.0 mm，體積分數(shù)為15%～20%；黑云母呈片狀，多色性強，淺棕色—棕色，發(fā)育一組極完全解理，體積分數(shù)為5%～10%；還有少量的輝石，體積分數(shù)小于5%。副礦物為磁鐵礦及鋯石。

3 樣品采集與測試方法

本文在研究區(qū)選取了1件新鮮樣品進行鋯石U-Pb年代學分析。鋯石單礦物分離在河北廊坊宇能巖石礦物分選技術(shù)服務(wù)有限公司完成。首先將測試樣品粉碎，經(jīng)常規(guī)重選和電磁選后，在雙目鏡下挑選鋯石；然后將晶形和透明度較好的鋯石顆粒置于DEVCON環(huán)氧樹脂中，待固結(jié)后拋磨，使鋯石內(nèi)部充分暴露；最后進行鋯石反射光、透射光和陰極發(fā)光顯微(CL)拍照，鋯石的制靶以及透射光、反射光和陰極發(fā)光拍照均在中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源所電子探針室完成。激光燒蝕(LA)-ICP-MS鋯石U-Pb分析在西安地質(zhì)調(diào)查中心微區(qū)同位素地球化學實驗室完成，該系統(tǒng)配備了20 μm的激光，采用 GJ-1標準鋯石作為外部鋯石年齡標準進行 U、Pb 同位素分餾校正。國際標準鋯石91500被用作參考標樣。利用ICPMS Data Cal 軟件進行數(shù)據(jù)處理，鋯石U-Pb諧和圖和年齡計算使用Isoplot4.16[30]完成。

選取5件樣品進行地球化學元素分析，主、微量和稀土元素分析均在加拿大溫哥華Acme實驗室完成。主量元素測試首先對樣品進行偏硼酸鋰/四硼酸鹽融合和硝酸稀釋溶解，再選取0.2 g樣品進行ICP-AES分析，燒失量根據(jù)點火后在1 000 ℃時的重量差別測定。稀土元素和難溶元素的測定先選取樣品進行偏硼酸鋰/四硼酸鹽融合和硝酸稀釋溶解，再進行ICP-MS分析；另外單獨選取0.5 g 樣品經(jīng)王水溶解，進行ICP-MS分析貴金屬和基礎(chǔ)金屬的含量。

選取定年樣品中具有諧和年齡的典型鋯石進行Lu-Hf同位素的分析。鋯石Lu-Hf同位素測試在中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所大陸構(gòu)造與動力學國家重點實驗室完成。所用儀器為Neptune多接收等離子質(zhì)譜和Newwave UP213紫外激光剝蝕系統(tǒng)(LA-MC-ICP-MS)。實驗過程中采用He作為剝蝕物質(zhì)載氣；根據(jù)鋯石大小，剝蝕直徑采用44 μm；測定時使用國際上通用的鋯石標樣GJ-1作為參考物質(zhì)，分析過程中鋯石標準GJ-1的176Hf/177Hf測試加權(quán)平均值為0.282 015±0.000 008(2σ,n=10)。

4 測試結(jié)果

4.1 鋯石 U-Pb 定年

測年花崗巖樣品采自巖體西側(cè)(圖2)，位于額爾德尼鎮(zhèn)以北(111°05′32.3″E、44°26′56.0″N)，樣品新鮮未風化。分選出的鋯石為自形或半自形晶，呈長柱狀，核邊結(jié)構(gòu)明顯，發(fā)育典型的巖漿震蕩環(huán)帶。Th/U值介于0.41～1.31之間(表1)，符合巖漿成因特點[31]。本次均選擇鋯石環(huán)帶的邊緣部位進行測試(圖4)，U-Pb測試結(jié)果見表1。30顆代表性鋯石測試結(jié)果顯示，21個點非常集中分布在諧和線上，其206Pb/238U加權(quán)平均年齡為(123.4±1.4) Ma(n=21, MSWD=2.5)(圖4c)，說明額爾德尼黑云母花崗巖形成于早白堊世。而測試點5和11獲得2個較大的年齡，應(yīng)為捕獲鋯石的年齡，分別為(177±5)Ma和(306±5)Ma；點1、點3和點10則顯示出明顯的鉛丟失現(xiàn)象；點8、點15、點17和點19測出的數(shù)據(jù)與其他的測試數(shù)據(jù)諧和性差，推測可能為捕擄鋯石，不予采用。

圖4 額爾德尼花崗巖部分鋯石陰極發(fā)光照片(a)、鋯石U-Pb年齡諧和圖(b)和加權(quán)平均年齡直方圖(c)

4.2 主微量元素

額爾德尼花崗巖主量元素、微量元素及稀土元素分析測試結(jié)果見表2。高硅(w(SiO2)=71.01%～72.66%)、富鉀(w(K2O)=4.90%～5.32%)，屬高鉀鈣堿性花崗巖(圖5a)；w(Na2O)較高(3.44%～3.73%)，全堿質(zhì)量分數(shù)超過8%(w(Na2O+K2O)=8.52%～8.90%)。富鋁(w(Al2O3)=14.22%～14.81%)，鋁飽和指數(shù)A/CNK為1.05～1.07，A/NK為1.25～1.28，表現(xiàn)為弱過鋁質(zhì)(圖5b)。w(Fe2O3)為1.50%～2.01%，w(MgO)為0.27%～0.39%，w(CaO)為1.10%～1.27%和w(P2O5)為0.06%～0.11%。

額爾德尼花崗巖稀土元素總量w(∑REE)為178.45×10-6～266.46×10-6，稀土元素標準化配分曲線(圖6a)呈右傾型形式，輕稀土元素相對富集，重稀土元素相對虧損，輕重稀土元素分異較為明顯，LREE/HREE為9.46～12.27，( La/Yb)N=20.70～27.64，Eu負異常明顯(δEu=0.11～0.15)。在微量元素標準化蛛網(wǎng)圖(圖6b)中，普遍富集Rb、U、Th等大離子親石元素和Ta、Zr、Hf等高場強元素，而Nb、Sr、Ba等元素明顯虧損。

4.3 鋯石Hf同位素

在LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年的基礎(chǔ)上，選取樣品中具有諧和年齡的典型鋯石進行鋯石原位微區(qū)Hf同位素測試，每顆鋯石εHf(t)值以結(jié)晶年齡計算，分析結(jié)果見表3和圖7。

額爾德尼花崗巖樣品(M1496-4.1)代表其形成時代的鋯石176Hf/177Hf值介于0.282 771～0.282 923之間，其εHf(t)值介于2.54～7.92之間，Hf同位素單階段模式年齡(TDM1)和二階段模式年齡(TDM2)分別變化于702～477 Ma和1 016～673 Ma之間(n=19)。

5 討論

5.1 巖石成因

額爾德尼花崗巖富堿，但手標本和薄片上均未見到堿性暗色礦物，地球化學特征表現(xiàn)屬弱過鋁質(zhì)。利用A型花崗巖判別圖解(圖8)，額爾德尼花崗巖均落在A型花崗巖區(qū)域，同時其鋯石飽和溫度較高，變化于814～820 ℃之間，平均為816 ℃，與A型花崗巖的特征相一致。因此，額爾德尼黑云母花崗巖歸屬為高鉀鈣堿性鋁質(zhì)A型花崗巖。

表2 額爾德尼早白堊世花崗巖主量元素、稀土元素和部分微量元素分析結(jié)果

額爾德尼花崗巖具有高硅、富堿、貧鎂特征，富集Rb、U、Th等大離子親石元素和Ta、Zr、Hf等高場強元素，虧損Nb、Sr、Ba等元素。Eu負異常明顯。額爾德尼花崗巖的εHf(t)值變化范圍不大(2.54～7.92)，介于球粒隕石和虧損地幔之間(圖7)，TDM2為1 016～673 Ma，顯示出年輕新生地殼是其主要源區(qū)。相對于同區(qū)帶的其他幾個穹窿的花崗巖，其εHf(t)值要低些，TDM2值要大些，顯示有更多的地殼物質(zhì)參與了花崗巖的形成，這可能與地幔物質(zhì)的上涌加熱、新生地殼發(fā)生部分熔融有關(guān)，并且有可能受到古老地殼物質(zhì)的混染。

5.2 構(gòu)造背景

額爾德尼A型花崗巖穹窿是南蒙古地區(qū)除Nartyn和Atanshiree穹窿外新發(fā)現(xiàn)的又一早白堊世花崗巖體，盡管其結(jié)構(gòu)不完整，但花崗巖顯示出與同時期(140～120 Ma)、同一區(qū)帶(中蒙邊境地區(qū))包括相鄰的寶德爾、納蘭以及罕烏拉不對稱穹窿具有相似的特征。這些穹窿的伸展極性為南東向，主剪切帶走向為北東向，與蒙古—鄂霍茨克帶平行，與古太平洋往西的俯沖方向斜交；同時額爾德尼位于南蒙古境內(nèi)，遠離西太平洋俯沖帶，而離蒙古—鄂霍茨克帶較近，其形成于蒙古—鄂霍茨克洋晚侏羅世關(guān)閉之后不久，轉(zhuǎn)入后造山伸展或板內(nèi)環(huán)境。利用A型花崗巖分類圖解，額爾德尼地區(qū)A型花崗巖都位于A1型花崗巖范圍內(nèi)(圖9)，即非造山A型花崗巖，暗示其形成指示了陸內(nèi)伸展的背景，且形成于板內(nèi)環(huán)境。因此，本文更傾向于認為額爾德尼A型花崗巖的形成與蒙古—鄂霍茨克洋關(guān)閉后的效應(yīng)關(guān)系更密切些。

額爾德尼地區(qū)早白堊世A型花崗巖具有低的εHf(t)值(圖7)，其模式年齡明顯大于侏羅紀花崗巖的Hf模式年齡，顯示有較多的古老地殼物質(zhì)加入了該花崗巖形成。形成原因可能是在蒙古—鄂霍茨克洋閉合后的板內(nèi)背景下，加厚地殼的伸展垮塌[11,15]，導致深部幔源巖漿發(fā)生大規(guī)模底侵，整個東南蒙古地區(qū)發(fā)生大規(guī)模伸展減薄，在130 Ma達到伸展峰期[15]，中下地殼由于底侵及地殼伸展導致的減壓熔融形成額爾德尼A型花崗巖。

東北亞白堊紀花崗巖數(shù)據(jù)來自于文獻[16]。

圖6 研究區(qū)花崗巖稀土元素球粒隕石標準化配分模式圖(a)和微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖(b)

表3 額爾德尼早白堊世花崗巖樣品中鋯石的Hf同位素組成

寶德爾數(shù)據(jù)來自文獻[14]及項目組未發(fā)表數(shù)據(jù)；罕烏拉數(shù)據(jù)來自文獻[15]。

圖8 花崗巖的w(Nb)-10000Ga/Al(a)和w(Zr)-10000Ga/Al(b)判別圖

圖9 額爾德尼地區(qū)花崗巖A型花崗巖判別圖

6 結(jié)論

1)南蒙古額爾德尼地區(qū)發(fā)育花崗巖，鋯石LA-ICP-MS獲得的U-Pb年齡為(123.4±1.4) Ma，形成時代為早白堊世。

2)額爾德尼地區(qū)早白堊世花崗巖具有高硅、富堿的特點，屬于弱過鋁質(zhì)高鉀鈣堿性系列，地球化學顯示為鈣堿性A型花崗巖。εHf(t)值為2.54～7.92，TDM2變化于1 016～673 Ma之間，源區(qū)可能有少量新物質(zhì)加入。

3)南蒙古早白堊花崗巖的形成與東北亞晚中生代伸展的峰期一致，與蒙古—鄂霍茨克造山帶伸展垮塌有關(guān)，又受到古太平洋俯沖體制的弧后伸展的影響，可能是雙重伸展構(gòu)造體制下由于區(qū)域性大規(guī)模同伸展減薄致使中下地殼發(fā)生減壓熔融所形成。