內(nèi)蒙古赤峰市柴火溝正長(zhǎng)花崗巖年代學(xué)、地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義

王玉平,武悅,張妍,吳文彬,李海洋,王曉亮

(1.遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院有限責(zé)任公司,沈陽(yáng) 110032;2.遼寧省地質(zhì)勘探礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,沈陽(yáng) 110032)

0 引言

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市敖漢旗境內(nèi),其大地構(gòu)造位置位于興蒙造山帶,該區(qū)花崗巖極為豐富,與蒙古和俄羅斯貝加爾地區(qū)一起,構(gòu)成世界上最大的花崗巖區(qū)[1]。研究區(qū)主要分布有二疊紀(jì)以來(lái)的各時(shí)期侵入巖,尤以侏羅紀(jì)巖漿活動(dòng)最為強(qiáng)烈[2]。然而,前人對(duì)區(qū)內(nèi)侏羅紀(jì)巖體存在認(rèn)識(shí)偏差,特別是將區(qū)內(nèi)柴火溝正長(zhǎng)花崗巖厘定為晚侏羅紀(jì),且與燒鍋營(yíng)子巖體劃為一體①。目前,諸多學(xué)者認(rèn)為東北地區(qū)中生代花崗質(zhì)巖石是受環(huán)太平洋構(gòu)造體系和蒙古-鄂霍茨克構(gòu)造體系的疊加與改造[3-5],而赤峰地區(qū)中生代花崗質(zhì)巖石是受哪個(gè)體系影響?是否具備蒙古-鄂霍茨克洋閉合時(shí)間的數(shù)據(jù)支撐?以上問(wèn)題的理清有助于認(rèn)識(shí)赤峰地區(qū)甚至中國(guó)東北部在侏羅紀(jì)時(shí)期的構(gòu)造演化。

赤峰地區(qū)柴火溝位于赤峰-朝陽(yáng)金多金屬成礦帶南部[6],前人對(duì)區(qū)內(nèi)多以金礦研究為主,并認(rèn)為金成礦與燕山期侵入體關(guān)系密切[7-9],而對(duì)銅多金屬礦的研究程度較低。結(jié)合先前的成礦規(guī)律研究,區(qū)內(nèi)燕山期侵入巖不僅與大規(guī)模的金礦成礦相關(guān),而且與銅多金屬礦成礦關(guān)系存在緊密聯(lián)系[6,10-11],研究燕山期侵入巖對(duì)赤峰地區(qū)銅多金屬礦成礦背景具有重要意義。

本文作者基于在研究區(qū)開(kāi)展的1∶5萬(wàn)區(qū)域礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查工作,將柴火溝正長(zhǎng)花崗巖從燒鍋營(yíng)子巖體中解體出來(lái),通過(guò)巖相學(xué)觀察、巖石地球化學(xué)測(cè)試和鋯石U-Pb測(cè)年分析,力圖探討柴火溝正長(zhǎng)花崗巖成因及大地構(gòu)造背景,以期為研究赤峰地區(qū)在中侏羅世的構(gòu)造演化、鄂霍茨克洋的閉合時(shí)間提供參考,同時(shí)也為區(qū)域上與此類(lèi)型巖體有關(guān)的銅礦勘查提供巖石學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)屬興蒙復(fù)合造山帶的前鋒帶(圖1a),北側(cè)緊鄰興蒙造山帶[10-11]。區(qū)內(nèi)出露地層主要有下石炭統(tǒng)石咀子組,中二疊統(tǒng)額里圖組、于家北溝組;上侏羅統(tǒng)滿克頭鄂博組、瑪尼吐組,上白堊統(tǒng)孫家灣組,上更新統(tǒng)烏爾吉組。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育大量中生代侵入巖,主要為正長(zhǎng)花崗巖、二長(zhǎng)花崗巖、石英閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖等,侵入石炭系,被中生代火山巖及第四系角度不整合覆蓋(圖1b)。柴火溝正長(zhǎng)花崗巖侵入早三疊世石英閃長(zhǎng)巖、石咀子組變質(zhì)長(zhǎng)石石英砂巖中,先后被滿克頭鄂博組酸性火山巖、烏爾吉組黃土狀亞砂土覆蓋。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置簡(jiǎn)圖和地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Tectonic position and simplified geological map of the study area1.烏爾吉組;2.瑪尼吐組;3.滿克頭鄂博組;4.石咀子組;5.中侏羅世二長(zhǎng)花崗巖;6.中侏羅世正長(zhǎng)花崗巖;7.中三疊世花崗閃長(zhǎng)巖;8.早二疊世石英閃長(zhǎng)巖;9.花崗斑巖;10.角度不整合;11.逆斷層;12.采樣點(diǎn);13.地名;14.研究區(qū)位置

區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育,以NE向(赤峰-開(kāi)原斷裂)和EW向(后公地?cái)嗔?為主,控制了區(qū)內(nèi)礦化帶(蝕變帶)的分布方向,其獨(dú)特的構(gòu)造位置決定了本區(qū)具有良好的成礦潛力[10]。

2 巖石學(xué)特征

柴火溝正長(zhǎng)花崗巖風(fēng)化面灰黃色,新鮮面肉紅色,花崗結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造(圖2a),主要由石英(35%)、黑云母(少量)、斜長(zhǎng)石(15%)、條紋長(zhǎng)石(45%)及微斜長(zhǎng)石(5%)組成。其中,石英呈它形晶(圖2b),粒狀,單偏光下無(wú)色透明,粒徑為0.5～1.5 mm;黑云母呈片狀,單偏光下黃褐色,發(fā)育有一組極完全解理,片徑為0.2 mm;微斜長(zhǎng)石呈半自形晶,板狀,單偏光下無(wú)色透明,發(fā)育有格子雙晶,粒徑為1～2 mm;斜長(zhǎng)石呈半自形晶,板狀,單偏光下無(wú)色透明,發(fā)育有聚片雙晶,粒徑為1 mm;條紋長(zhǎng)石呈半自形晶,板狀,單偏光下無(wú)色透明,發(fā)育有條紋雙晶,粒徑為2～3 mm。

3 樣品采集及分析方法

本次對(duì)柴火溝正長(zhǎng)花崗巖體進(jìn)行了剖面測(cè)量,系統(tǒng)采集正長(zhǎng)花崗巖3件新鮮的巖石樣品,進(jìn)行巖石地球化學(xué)分析測(cè)試,同時(shí)選取其中1件樣品進(jìn)行LA-ICP-MS鋯石U-Pb測(cè)年研究。

鋯石分選在河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室完成。采用常規(guī)方法粉碎,達(dá)到80—100目,通過(guò)淘選以及電磁選方法進(jìn)行分離,在雙目鏡下挑選出晶型完好、透明度高、無(wú)包裹體和無(wú)裂紋的鋯石顆粒作為U-Pb年齡測(cè)定對(duì)象。鋯石制靶和陰極發(fā)光(CL)圖像均在北京鋯年領(lǐng)航科技有限公司完成。鋯石U-Pb同位素分析在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所國(guó)土資源部成礦作用與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成,用標(biāo)準(zhǔn)鋯石GJ-1std(607 Ma)、Plsovice(337Ma)和標(biāo)準(zhǔn)玻璃NIST SRM610的測(cè)值校正U/Pb分餾和U含量,具體方法見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。測(cè)年原始數(shù)據(jù)使用ICPMSDataCal程序處理,以得到鋯石的U-Pb同位素比值和U、Th、Pb含量。單個(gè)數(shù)據(jù)的分析誤差為1σ,年齡加權(quán)平均值具有95%的制度性,加權(quán)平均計(jì)算和U-Pb諧和圖繪制使用Ludwig博士編寫(xiě)的Isoplot3.0版本程序完成[13-14]。

主量元素、微量元素和稀土元素的測(cè)定在自然資源部沈陽(yáng)礦產(chǎn)資源監(jiān)測(cè)中心完成。主量元素分析采用X射線熒光光譜法(XRF)進(jìn)行分析,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2%～5%;微量元素及稀土元素分析采用電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)上完成,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差<10%[11]。

4 年代學(xué)特征

對(duì)柴火溝正長(zhǎng)花崗巖(SP10TW1)選取27顆鋯石,進(jìn)行LA-ICP-MS鋯石U-Pb測(cè)年分析,分析結(jié)果見(jiàn)表1所述。從鋯石陰極發(fā)光(CL)圖像(圖3)可見(jiàn),鋯石表面光滑,自形程度較好,呈長(zhǎng)柱狀,長(zhǎng)軸80～180 μm,長(zhǎng)寬比為1∶1～4∶1,大部分鋯石具有明顯的震蕩環(huán)帶;鋯石w(Th)/w(U)=0.49～1.95,表明其為巖漿成因鋯石。27個(gè)測(cè)點(diǎn)的206Pb/238U表面年齡介于166.07 Ma±2.62 Ma—173.06 Ma±3.52 Ma之間,加權(quán)平均年齡為168.49 Ma±0.78 Ma(MSWD=0.73),諧和曲線平均為168.55 Ma±0.98 Ma,二者年齡一致(圖4)。LA-ICP-MS鋯石U-Pb測(cè)年結(jié)果表明柴火溝正長(zhǎng)花崗巖的侵位年齡為中侏羅世。

表1 柴火溝正長(zhǎng)花崗巖(SP10TW1)LA-ICP-MS鋯石U-Pb測(cè)年數(shù)據(jù)Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb data for the Chaihuogou syenogranite (SP10TW1)

圖3 柴火溝正長(zhǎng)花崗巖的典型鋯石CL圖像Fig.3 CL images of typical zircons from Chaihuogou syenorthoclase granite

5 巖石化學(xué)特征

柴火溝正長(zhǎng)花崗巖主量元素、稀土元素和微量元素分析結(jié)果,見(jiàn)表2所述。

表2 柴火溝正長(zhǎng)花崗巖主量元素、稀土元素和微量元素分析結(jié)果Table 2 Analysis of major, REE and trace element of the Chaihuogou orthoclase granite

5.1 主量元素

柴火溝正長(zhǎng)花崗巖具有較高的w(SiO2)、w(Al2O3)、w(K2O)和w(Na2O)值(見(jiàn)表2)。其w(SiO2)=73.50%～74.76%;w(Al2O3)=13.00%～13.90%;w(K2O)=4.54%～4.69%,w(Na2O)=4.63%～5.23%,w(Na2O)/w(K2O)=1.02～1.12;里特曼指數(shù)σ=2.70～3.22。在SiO2-K2O巖石系列判別圖解(圖5a)中,為高鉀鈣堿性系列。含鋁指數(shù)A/NK為1.00～1.10,A/CNK為0.94～1.06,為偏鋁質(zhì)-過(guò)鋁質(zhì)系列巖石(圖5b)。分異指數(shù)DI是源區(qū)巖漿演化程度的重要巖石地球化學(xué)指標(biāo)[15],燒火溝正長(zhǎng)花崗巖DI較高(95.147～96.878),表明巖體分異程度較高;Rb-Ba-Sr圖解(圖5c)顯示樣品均落入高分異花崗巖范圍,與DI指數(shù)所示結(jié)果一致。

圖5 研究區(qū)侵入巖SiO2-K2O (a)、A/NK-A/CNK (b)、Rb-Ba-Sr (c)關(guān)系圖解Fig.5 Relationship diagram of SiO2-K2O (a), A/NK-A/CNK (b) and Rb-Ba-Sr (c) of intrusive rocks in the study area

5.2 稀土和微量元素特征

柴火溝正長(zhǎng)花崗巖的w(ΣREE)=72.680×10-6～119.544×10-6(表2),w(LREE/HREE)=9.275～9.897;δEu=0.018～0.319,平均值0.127,均小于1,總體表現(xiàn)出明顯的負(fù)Eu異常,說(shuō)明該巖體經(jīng)歷了強(qiáng)烈的斜長(zhǎng)石分離結(jié)晶作用。稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式曲線呈輕稀土元素富集的右傾型(圖6a),具有一定的“四分組”效應(yīng)。在微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(圖6b)中,柴火溝正長(zhǎng)花崗巖呈現(xiàn)虧損Ba、K、P、Tb等,富集Th、Zr、Y等。

圖6 研究區(qū)侵入巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖(a)與微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(b)(a.球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化據(jù)文獻(xiàn)[16];b.隕石地幔標(biāo)準(zhǔn)化據(jù)文獻(xiàn)[17])Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spider digrams (b) for intrusive rocks from the study are

6 討論

6.1 巖石成因

MISA是目前最常用花崗巖成因分類(lèi)方案,角閃石、堇青石和堿性暗色礦物是判斷上述三大類(lèi)型花崗巖的重要礦物學(xué)標(biāo)志[1]。柴火溝正長(zhǎng)花崗巖并無(wú)上述判別礦物,僅能通過(guò)地球化學(xué)特征探討其成因類(lèi)型。

柴火溝正長(zhǎng)花崗巖主要造巖礦物為石英和堿性長(zhǎng)石,該巖石具有較高的w(SiO2)、w(Al2O3)、w(K2O)值和較低的w(MgO)、w(CaO)值,w(Na2O)/w(K2O)=1.02～1.12,里特曼指數(shù)2.70～3.22,A/CNK=0.941～1.055(<1.1)。巖石屬于鉀質(zhì)鈣堿性系列,鋁飽和類(lèi)型,表明其巖漿來(lái)源可能為地殼[2]。在(Zr+Nb+Ce+Y)-[(K2O+Na2O)/CaO)]圖解(圖7a)中2個(gè)樣品落入M、I、S型花崗巖區(qū)與A型花崗巖相區(qū)分,1個(gè)樣品落在邊緣附近;在FAM圖解(圖7b)中,均落入2區(qū)邊緣,屬Ⅰ型科迪勒拉花崗巖(活動(dòng)陸緣)。w(Rb)/w(Sr)值能靈敏地記錄源區(qū)物質(zhì)的性質(zhì),柴火溝正長(zhǎng)花崗巖w(Rb)/w(Sr)=0.011～0.021,小于0.9,顯示為I型花崗巖。綜上,柴火溝正長(zhǎng)花崗巖應(yīng)屬于高鉀鈣堿性I型花崗巖。

圖7 研究區(qū)侵入巖(Zr+Nb+Ce+Y)-[(K2O+Na2O)/CaO)]圖解(a)和FAM圖解(b)Fig.7 The diagram of (Zr+Nb+Ce+Y)-[(K2O+Na2O)/CaO)] (a) and FAM (b) for intrusive rocks from the study area1.塞浦路斯、阿曼大洋堿性花崗巖(幔源);2.Ⅰ型科迪勒拉花崗巖(活動(dòng)陸緣);3.Ⅰ型加里東花崗巖(碰撞隆起);4.澳大利亞二云母堇青石S型花崗巖(殼源同碰撞);5.澳大利亞?wèn)|南褶皺帶造山后A型花崗巖;6.尼日利亞非造山型花崗巖

6.2 大地構(gòu)造背景

研究區(qū)在侏羅紀(jì)期間,古亞洲洋構(gòu)造域的影響已經(jīng)消失[18],其最終閉合時(shí)間最晚可能發(fā)生在中三疊世,自此以后,研究區(qū)進(jìn)入到環(huán)太平洋構(gòu)造體系和蒙古-鄂霍茨克構(gòu)造體系的演化階段[19]。

前人對(duì)東北地區(qū)中生代區(qū)域成礦背景的認(rèn)識(shí),多數(shù)強(qiáng)調(diào)環(huán)太平洋構(gòu)造體系的影響,而忽略了蒙古-鄂霍茨克構(gòu)造體系的影響,而近些年諸多學(xué)者認(rèn)為包含研究區(qū)在內(nèi)的冀北-遼西地區(qū)中生代受蒙古-鄂霍茨克構(gòu)造體系影響,而非古太平洋板塊對(duì)該區(qū)的俯沖[4,19],證據(jù)包括:(1)蒙古-鄂霍茨克板塊東段碰撞閉合的時(shí)間可持續(xù)到晚侏羅世-早白堊世;在三疊紀(jì)期-中侏羅世期間,有證據(jù)表明古太平洋俯沖對(duì)冀北-遼西地區(qū)的影響有限;在中侏羅世晚期-早白堊世早期階段,古太平洋板塊對(duì)歐亞大陸下并沒(méi)有發(fā)生俯沖作用[19-21];(2)蒙古-鄂霍茨克洋在向北俯沖的同時(shí),也在向南發(fā)生俯沖作用[5,22];(3)環(huán)太平構(gòu)造體系中生代對(duì)東北亞大陸影響的空間范圍主要在松遼盆地以及以東地區(qū);而蒙古-鄂霍茨克構(gòu)造體系影響的空間范圍主要在松遼盆地以西以及華北地塊北緣[19];(4)在冀北-遼西地區(qū)藍(lán)旗組火山巖噴發(fā)的峰期為中侏羅世晚期-晚侏羅世(162 Ma±),此火山巖形成于與加厚陸殼垮塌階段相對(duì)應(yīng)的伸展環(huán)境,其形成被認(rèn)為是蒙古-鄂霍茨克縫合帶演化的產(chǎn)物,而與環(huán)太平洋構(gòu)造體系無(wú)關(guān)[10];(5)研究區(qū)以南大黃花中侏羅世晚期巖體已被證實(shí)為蒙古-鄂霍茨克縫合帶演化的產(chǎn)物,其形成于碰撞后的伸展環(huán)境[10];研究區(qū)以西形成于晚侏羅世的燒鍋營(yíng)子巖體形成深度可能在30 km較淺部位,指示其處于地殼強(qiáng)烈伸展的構(gòu)造背景[9]。因此,研究區(qū)在中侏羅世期間是受蒙古-鄂霍茨克構(gòu)造體系影響。

冀北-遼西地區(qū)中生代晚期主要表現(xiàn)為兩次陸殼加厚過(guò)程(170 Ma左右和145 Ma左右)和與之相對(duì)應(yīng)的陸殼伸展環(huán)境(162 Ma、142 Ma—120 Ma),鄂霍茨克洋在此期間具有從西向東剪刀式關(guān)閉的特征,在中侏羅世的第一次陸殼加厚過(guò)程對(duì)應(yīng)蒙古-鄂霍茨克縫合帶閉合的時(shí)間,廣泛發(fā)育的中侏羅世火山巖應(yīng)是這次加厚陸殼坍塌或拆沉階段的產(chǎn)物[4,19,23]。分布于赤峰地區(qū)的柴火溝正長(zhǎng)花崗巖形成年齡為168.49 Ma±0.78 Ma,重稀土元素含量較低暗示巖漿源區(qū)具有富集重稀土元素礦物(如石榴子石)的殘留,表明其原始巖漿應(yīng)起源于加厚陸殼物質(zhì)的部分熔融[5]。在Nb-Y構(gòu)造環(huán)境圖解(圖8a)中,柴火溝正長(zhǎng)花崗巖落入火山弧-同碰撞區(qū);在Ta-Yb、Rb-(Yb+Ta)和Ta-SiO2構(gòu)造環(huán)境圖解(圖8b、圖8c、圖8d)中,柴火溝正長(zhǎng)花崗巖均落入了同碰撞區(qū)。

圖8 研究區(qū)侵入巖Nb-Y、Ta-Yb、Rb-(Yb+Ta)和Ta-SiO2圖解Fig.8 The diagram of Nb-Y, Ta-Yb, Rb-(Yb+Ta) and Ta-SiO2 for intrusive rocks from the study area

綜上所述,柴火溝正長(zhǎng)花崗巖的形成無(wú)關(guān)于環(huán)太平洋構(gòu)造體系,應(yīng)與蒙古-鄂霍茨克縫合帶閉合過(guò)程中的陸-陸碰撞環(huán)境相關(guān);柴火溝正長(zhǎng)花崗巖的形成時(shí)代限定了蒙古-鄂霍茨克洋在赤峰地區(qū)的閉合時(shí)間應(yīng)為中侏羅世。

7 結(jié)語(yǔ)

(1)LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年結(jié)果顯示柴火溝正長(zhǎng)花崗巖形成于168.49 Ma±0.78 Ma,時(shí)代歸屬于中侏羅世,而非晚侏羅世。

(2)地球化學(xué)特征顯示柴火溝正長(zhǎng)花崗巖為高分異的高鉀鈣堿性Ⅰ型花崗巖。

(3)柴火溝正長(zhǎng)花崗巖的構(gòu)造環(huán)境判別分析結(jié)果指示,其形成于蒙古-鄂霍茨克洋閉合的區(qū)域陸殼加厚環(huán)境。

注釋：

① 吉林大學(xué).赤峰市幅1∶25萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告[R].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2012.