內蒙古西烏旗阿魯包格山A型花崗巖鋯石U-Pb年齡、地球化學特征及地質意義

程天赦 , 楊文靜, 王登紅

(1.中國地質大學 地球科學與資源學院, 北京 100083; 2.天津市地質調查研究院, 天津 300191; 3.中國地質科學院 礦產資源研究所, 北京 100037)

0 引 言

阿魯包格山斑狀二長花崗巖位于西烏珠穆沁旗吉仁高勒阿魯包格山一帶。馬秀等(1976)①馬秀, 張建釗, 羅來林, 董啟賢, 楊繼賢, 李寶玉, 吳應瑞. 1976. 1∶20萬毛登幅區域地質調查報告.稱其為堿性花崗巖, 并根據野外侵入接觸關系將其劃為燕山早期第二次侵入。鞠文信等(2008)②鞠文信, 賀宏云, 武躍勇, 康小龍, 羅鵬躍, 弓貴斌, 楊月后, 邵永旭. 2008. 1∶25萬朝克烏拉幅區域地質調查報告.研究稱巖石成因類型屬I型花崗巖, 鋯石U-Pb表面加權平均年齡為133.2±0.7 Ma, 將其時代置于晚侏羅世。本次 1/5萬區域地質調查工作發現巖石具 A型花崗巖特征, 其鋯石U-Pb年齡為132.19±0.77 Ma, 劃歸為早白堊世。

Loiselle and Wones (1979)最早將A型花崗巖定義為堿性(alkaline)、貧水(anhydrous)和非造山(anorogenic)的花崗巖, 屬構造巖石類型。隨著研究范圍的擴大和研究程度的加深, 人們對 A型花崗巖及其代表的地球動力學意義的認識漸趨全面, 目前所限定的 A型花崗巖與原來的概念已有很大不同(賈小輝等, 2009; 吳鎖平等, 2007)?，F在人們所討論的A型花崗巖包括了除典型的S型(強過鋁質)和I型以外的各種花崗巖, 也不限于貧水特征和非造山環境(李小偉等, 2010; 吳福元等, 2007; 王濤等, 2009)。巖石類型不僅包括堿長花崗巖與堿性花崗巖, 甚至也包括偏鋁質和過鋁質花崗巖(陳培榮和章邦桐, 1994)。A型花崗巖與熱點、大陸裂谷或造山后的地殼伸展有關, 是構造環境識別的重要巖石學標志之一(陳培榮等, 2002)。由于形成于特殊的構造背景, 并具有重要的地球動力學意義, A型花崗巖的研究一直得到廣泛的關注(程瑞玉等, 2006; 郭春麗等, 2004; 洪大衛等, 1995; 劉昌實等, 2003; 邱檢生等, 2000; 張興隆等, 1987)。

本次 1/5萬區域地質調查工作的主要任務之一是要建立工作區內構造-巖漿演化序列, 探討巖漿形成時的構造地質背景。因此深入研究阿魯包格山花崗巖的巖石學、地球化學特征, 正確劃分其成因類型, 對于探討早白堊世該區大地構造環境及大興安嶺南段造山階段具有重要的理論意義。另外, A型花崗巖中W、Sn、Mo、Cu、Pb、Zn等成礦元素相對富集, 在一定條件下可形成礦床, 如尼日利亞 Jos高原和我國蘇州的Sn-W-Nb-Zn礦床(顧連興, 1990;李兆麗, 1996; 鄧晉福等, 2004)。前人研究認為毛登錫銅礦床與阿魯包格山花崗巖具成因聯系, 因此,本文對于該區成礦地質背景研究及找礦工作具指導意義。

1 區域地質背景

本次 1/5萬區域地質調查工作包括扎布其爾沃布勒吉幅、杰林牧場幅、白音諾爾農場幅、巴拉嘎爾牧場牧業小組幅、毛登牧場第二生產隊幅五個圖幅, 面積約1800 km2。通過本次區調工作, 發現測區內除發育大量二疊紀、三疊紀及白堊紀侵入巖以外,還發育有大量泥盆紀、石炭紀侵入巖。根據以上各時代巖漿巖系統的礦物學、巖石學及巖石地球化學研究結果, 并結合地層、構造等特征, 工作區可劃分為南北兩大北東向構造–巖漿巖帶, 兩大構造–巖漿巖帶之間可能存在微陸塊(暫稱西烏旗微陸塊,研究成果待發表)。南構造–巖漿巖帶主要包括中泥盆世–早石炭世侵入巖, 巖性主要由石英閃長巖、花崗閃長巖及二長花崗巖、正長花崗巖組成, 為西烏旗微陸塊與華北板塊(也可能為另一微陸塊)于中泥盆世–早石炭世陸-陸碰撞的產物。北構造–巖漿巖帶主要包括晚石炭世-早白堊世巖漿巖, 侵入巖巖性主要由輝長巖、輝石巖、輝長閃長巖、閃長巖、花崗閃長巖、二長花崗巖組成, 火山巖巖性主要由玄武巖、安山巖、流紋巖組成, 為西烏旗微板塊與西伯利亞板塊(也可能為另一微陸塊)俯沖–碰撞–后造山的產物。

2 巖石、礦物學特征

阿魯包格山花崗巖是測區內唯一出露的早白堊世侵入巖, 產于中生代北東向中酸性火山巖盆地中(圖1)?；鹕綆r盆地中主要出露有晚侏羅世滿克頭鄂博組流紋質晶屑凝灰巖、晚侏羅世瑪尼吐組安山巖、早白堊世熔結凝灰巖及碎斑熔巖等中酸性火山巖,并以酸性火山巖為主, 與晚古生代地層呈角度不整合接觸。阿魯包格山斑狀花崗巖由兩個侵入體組成,呈近等軸狀小巖株產出, 無一定明顯延伸方向, 出露面積約49 km2。巖性較為單一, 主要為中細粒似斑狀二長花崗巖, 巖體邊緣局部漸變為細粒似斑狀二長花崗巖。巖石露頭較好, 呈塊狀構造, 風化面呈淺黃褐色, 新鮮面呈灰色。巖體中未見圍巖捕擄體及暗色包體。巖體邊部可見其侵入于早白堊世白音高老組火山碎屑巖及碎斑熔巖, 并在巖體內局部可見火山碎屑巖殘留體, 巖體中未見被其他巖體或巖脈侵入。侵入界線清晰, 接觸帶寬5~10 cm, 未見擠壓破碎現象, 接觸帶附近巖體基質呈微晶–隱晶結構, 斑晶變小、減少, 圍巖未發生明顯變化。巖體出露完整, 局部較破碎, 劈理、片理發育, 后期熱液沿破碎帶發生鉀化、硅化、褐鐵礦化等蝕變。

實驗室詳細巖礦鑒定定名為中細粒斑狀二長花崗巖, 與野外定名一致。巖石呈似斑狀結構, 基質呈中細?；◢徑Y構, 塊狀構造, 其顯微結構如圖(圖2)。巖石由斑晶、基質兩部分組成。

斑晶由斜長石、鉀長石、石英、黑云母、角閃石組成, 多聚斑狀、聯斑狀產出。

斜長石呈半自形板狀, 雜亂分布, 粒度0.7~7 mm,輕高嶺土化、絹云母化, 部分隱約可見環帶, 少數邊部包嵌少量石英。粒內聚片雙晶發育, 用⊥(010)晶帶最大消光角法測得斜長石排號An=38, 為中長石。斜長石含量20%。

鉀長石呈半自形板狀, 為條紋長石, 雜亂分布, 粒度0.7~10 mm, 輕高嶺土化, 少見交代斜長石, 內含斜長石包體, 少數邊部包嵌少量石英等。鉀長石含量25%。

石英呈它形粒狀, 雜亂分布, 粒度0.7~3.2 mm,粒內輕波狀消光。石英含量5%。

黑云母呈片狀, 零散分布, 片徑 0.7~0.9 mm,多色性明顯: Ng′=棕色, Np′=淡黃色, 部分被褐鐵礦交代。黑云母含量少。

角閃石呈半自形柱狀, 粒度 0.7~1.1 mm, 零散分布, 多色性明顯: Ng′=黃褐色, Np′=淡黃色, 陽起石化明顯, 局部被黑云母交代。角閃石含量1%。

圖1 阿魯包格山中生代火山巖盆地簡圖(實測)Fig.1 Sketch map of the Mesozoic volcanic basin in the Alubaoge area

基質由斜長石、鉀長石、石英、黑云母、角閃石組成, 粒度一般0.2~0.7 mm, 部分0.05~0.2 mm。

斜長石呈半自形板狀, 雜亂分布, 輕高嶺土化、絹云母化, 個別隱約可見環帶。粒內聚片雙晶發育,用⊥(010)晶帶最大消光角法測得斜長石排號An=43,為中長石。斜長石含量5%。

鉀長石呈它形粒狀-半自形板狀, 為條紋長石,雜亂分布, 輕高嶺土化, 少見交代斜長石, 內含斜長石包體。鉀長石含量25%。

圖2 斑狀二長花崗巖顯微結構(正交偏光, 似斑狀結構, 基質微細?；◢徑Y構)Fig.2 Microstructure of the porphyritic monzogranite

石英呈它形粒狀, 雜亂狀、似填隙狀分布于長石間, 粒內輕波狀消光。石英含量15%。

黑云母呈片狀, 零散分布, 多色性明顯: Ng′=棕色, Np′=淡黃色, 部分被褐鐵礦交代。黑云母含量少;

角閃石呈半自形柱粒狀, 零散分布, 多色性明顯: Ng′=黃褐色, Np′=淡黃色, 陽起石化明顯, 局部被黑云母交代。角閃石含量<5%。

副礦物組合屬鋯石–磷灰石–鈦鐵礦–磁鐵礦型,此外還含有少量螢石、霓輝石。

3 鋯石U-Pb年齡

3.1 樣品采集與分析測試

斑狀二長花崗巖鋯石測年采樣位置為: 東經116°40′40″, 北緯 44°9′19″。鋯石單礦物分離由廊坊區域地質調查研究所協助完成, 陰極發光(CL)測試由中國科學院地質與地球物理研究所掃描電鏡實驗室完成。鋯石U-Pb同位素定年在中國地質調查局天津地質調查中心利用LA-ICP-MS分析完成。激光剝蝕系統為美國 NewWave公司生產的 UP193FX型193 nm ArF準分子系統, 激光器來自德國ATL公司,ICP-MS為Agilient 7500a型質譜儀。激光器波長為193 nm, 脈沖寬度<4 ns, 本次實驗的激光束斑直徑為 35 μm。樣品的同位素比值及元素含量計算采用GLITTER-ver 4.0(Macquarie University)程序, 普通鉛校正采用Anderson (2002)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平均計算使用Iso-plot/Ex_ver 3(Ludwig, 2003)程序完成。詳細測試與數據處理流程見 Liu等參考文獻(Liu et al., 2008, 2010a, 2010b)。

3.2 分析結果

陰極發光圖像(CL)顯示(圖3), 鋯石顆粒大小不一, 變化范圍為 96 μm×205 μm 到 95 μm×325 μm,長寬比值為 2∶1到 3∶1。所測鋯石顆粒大多呈長柱狀自形晶, 鋯石顆粒的邊緣地帶均可觀察到清晰的韻律環帶結構, 所有鋯石的 Th/U比值在 0.28~0.59之間(表1), 屬巖漿成因。

所有鋯石顆粒34個分析點的206Pb/238U年齡值均比較相近, 其變化范圍為 129.92~137.25 Ma, 在諧和線上呈群簇狀分布, 加權平均年齡值為132.19±0.77 Ma (MSWD=4.6) (圖4), 與前人所測年齡相近(鞠文信等, 2008)。

4 巖石地球化學特征

圖 3 阿魯包格山二長花崗巖鋯石陰極發光圖像(CL)及分析點位(圓圈數字代表U-Pb分析點, 編號同表1)Fig.3 CL images and analysis points of zircons from the Alubaoge porphyritic monzogranite

表1 阿魯包格山斑狀二長花崗巖鋯石LA-ICP-MS U-Pb年齡分析結果Table 1 Zricon LA-ICP-MS U-Pb dating results for the Alubaoge porphyritic monzogranite

圖4 阿魯包格山斑狀二長花崗巖鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig.4 U-Pb concordia diagram for zircons from the Alubaoge porphyritic monzogranite

本次野外共采集樣品13件, 采樣點位置如圖(圖1),對樣品進行主量元素、稀土元素及微量元素分析。野外樣品采集均避開破碎、蝕變部位, 確保所采樣品未經歷后期改造。樣品委托河北省區域地質礦產調查研究所實驗室分析, 主量元素測試采用XRF熒光測試法完成, 測試誤差小于2%; 稀土和微量元素測試采用等離子體質譜(ICP-MS)法, 測定精度優于5%。主量元素、微量元素及稀土元素分析結果見表2。

表2 阿魯包格山斑狀二長花崗巖主量元素(%)、稀土元素(×10-6)和微量元素(×10-6)豐度Table 2 Contents of major (%), REE and trace elements (×10-6) of the Alubaoge porphyritic monzogranite

4.1 主量元素特征

斑狀二長花崗巖的主量元素含量如表 2。其中,K2O+Na2O=8.70%~8.98%, K2O/Na2O=1.26~1.43, A/CNK=0.98~1.05, AR=2.83~3.17, SI=2.18~3.59, FL=85.78~90.59, MF=88.50~91.31。

總體上, 阿魯包格山斑狀二長花崗巖具有高硅、富堿、富鉀的特征, MgO、TiO2、MnO、P2O5含量較低, 屬偏鋁質巖石, 經歷了較強的結晶分異作用。TAS圖解(圖 5a)中, 樣品點均落于花崗巖區;AFM圖解(圖5b)中, 樣品點均落于鈣堿性系列。

4.2 稀土、微量元素特征

圖 6a為斑狀二長花崗巖球粒隕石(Boynton,1984)標準化REE配分圖。斑狀二長花崗巖稀土元素總量較高, ∑REE=184.74×10-6~439.75×10-6, 平均為371.92×10-6; LREE=163.48×10-6~406.38×10-6,HREE=21.26×10-6~36.87×10-6, LREE/HREE=7.69~12.18, (La/Yb)N=7.67~15.77, 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=2.40~3.07, (Gd/Yb)N=1.62~2.95, 輕稀土、重稀土分餾明顯;δEu=0.08~0.14, 銪顯示較明顯負異常。

圖 6b為斑狀二長花崗巖的原始地幔(Sun and McDonough, 1989)標準化微量元素蛛網圖。從表 2和圖6b可以看出, 斑狀二長花崗巖的微量元素總體呈現高含量特征, Rb、Th、U、Pb呈相對“峰”值, 高場強元素HFSE強烈虧損, 如Nb、Ta、Ti; LREE相對HREE富集, Ba、Sr、Eu強烈虧損, 而Zr、Hf、Gd相對富集。

5 討 論

5.1 成因類型

圖5 斑狀二長花崗巖TAS(a)及AFM(b)圖解Fig.5 TAS (a) and AFM (b) diagrams of the Alubaoge porphyritic monzogranite

圖6 斑狀二長花崗巖稀土元素球粒隕石標準化配分曲線(a, 標準值據Boynton, 1984)及原始地幔標準化微量元素蛛網圖(b, 標準值據Sun and McDonough, 1989)Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spider (b) diagrams for the Alubaoge porphyritic monzogranite

近年來對于廣泛分布于我國華北克拉通北緣、東北及大興安嶺地區中生代花崗巖的研究發現, 絕大多數為A型花崗巖, 少數為I型花崗巖。

阿魯包格山斑狀二長花崗巖屬鈣堿性, 主要礦物為斜長石、鉀長石、石英、黑云母及角閃石, 副礦物組合屬鋯石–磷灰石–鈦鐵礦–磁鐵礦型, 此外還含有少量螢石、石榴子石、霓輝石等副礦物, 其礦物特征與 Barbarin花崗巖分類中 ACG(含角閃石鈣–堿性花崗巖類)較相近(Barbarin, 1999)。另外, 阿魯包格山斑狀二長花崗巖①富堿, Na2O+K2O=8.70%~8.98%; ②富 Ga, 10000×Ga/Al=2.96~4.00;③Zr+Nb+Ce+Y=548×10-6~739×10-6; ④輕、重稀土分餾明顯, (La/Yb)N=7.67~15.77, 具明顯負銪異常;⑤高場強元素 Zr、Hf及大離子親石元素 Rb、U、Th含量高, 而 Ba、Sr含量很低; ⑥副礦物中含有螢石(蘇玉平等, 2006; 付建明等, 2005; 陳志廣等,2008; 張舒等, 2009; 朱金初等, 2006; Pearce et al.,1984)。因此, 認為阿魯包格山斑狀二長花崗巖為 A型花崗巖, 而非前人認為的 I型花崗巖。在10000Ga/Al-(Na2O+K2O)、10000Ga/Al-TFeO/MgO、10000Ga/Al-Nb及 10000Ga/Al-Zr判別圖解中(圖 7)所有樣品均位于 A型花崗巖區域, 阿魯包格山斑狀二長花崗巖為A型花崗巖也可以得到印證。

5.2 構造背景

圖7 阿魯包格山似斑狀二長花崗巖10000×Ga/Al-(Na2O+K2O)(a)、10000×Ga/Al-TFeO/MgO(b)、10000×Ga/Al-Nb(c)和 10000×Ga/Al-Zr(d)判別圖解(據 Whalen et al., 1987)Fig.7 The 10000×Ga/Al vs (Na2O+K2O) (a); 10000×Ga/Al vs TFeO/MgO (b); 10000×Ga/Al vs Nb (c), and 10000×Ga/Al vs Zr (d) diagrams of the Alubaoge porphyritic monzogranite

A型花崗巖原先是指產于非造山環境的、堿性和無水特征的花崗質巖石(Loiselle and Wones, 1979),后來研究發現 A型花崗巖也可產于造山后環境(Whalen et al., 1987; Collins et al., 1982; Bonin, 2007;鄧晉福等, 2007; 薛懷民等, 2009; 汪洋, 2008, 2009;盧欣祥等, 2007; Richard et al., 2004)。Eby (1990,1992)將A型花崗巖區分為A1和A2兩個亞類, 指出A1型花崗巖侵位在非造山環境, A2型花崗巖是后造山的。在 Nb-Y-3×Ga和 Nb-Y-Ce構造環境判別圖解(圖 8)中, 阿魯包格山斑狀二長花崗巖落入Eby(1992)所定義的 A2型后造山花崗巖區域。研究區構造演化可分為兩個階段: (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, 形成了基本構造格架; (2) 晚階段中生代時期強烈的陸緣活化型構造-巖漿活動。大多數學者認為華北板塊與西伯利亞板塊碰撞可能發生在二疊紀中晚期, 并且有可能持續到三疊紀中期, 二疊紀中期古生物群的混生, 標志著該碰撞的開始; 三疊紀早–中期磨拉石沉積的出現和三疊紀中期巖漿活動的發生,標志著該區強烈碰撞造山作用的發生和碰撞過程的結束。阿魯包格山斑狀二長花崗巖形成于早白堊世, 顯然應該是屬于后造山的環境, 反映了晚中生代巖漿演化的伸展構造背景, 這一背景有利于花崗巖的就位和深部流體的上升。中生代晚期大興安嶺地區巖石圈深部處于活躍的伸展狀態,在軟流圈隆起背景下, 來自地幔的玄武質巖漿以底侵作用方式添加到下地殼, 并導致下地殼部分熔融和地殼隆升。結合區域地質背景, 筆者認為阿魯包格山斑狀二長花崗巖的成因可能與后造山巖石圈伸展環境下, 幔源巖漿的底侵促使上覆的地殼發生部分熔融有關, 這一方式與歐洲海西造山帶的情況有所類似, 而是否存在其他可能成因還需要進一步的研究。

圖8 阿魯包格山似斑狀二長花崗巖Nb-Y-3×Ga (a)和Nb-Y-Ce (b)判別圖解(據Eby, 1992)Fig.8 Nb-Y-3×Ga (a) and Nb-Y-Ce (b) diagrams of the Alubaoge porphyritic monzogranite

6 結 論

本文通過對阿魯包格山斑狀二長花崗巖巖石學、礦物學、地球化學及同位素年代學研究, 得到如下認識:

(1) 阿魯包格山斑狀二長花崗巖鋯石U-Pb年齡為 132.19±0.77 Ma (MSWD=4.6), 與前人所測年齡相近(鞠文信等, 2008)。所測鋯石均為巖漿成因, 其年齡能夠代表巖體的形成時代。根據最新年代地層劃分方案, 應劃歸為早白堊世, 而非晚侏羅世。

(2) 阿魯包格山斑狀二長花崗巖屬A2型花崗巖。

(3) 阿魯包格山A2型花崗巖形成于后造山伸展環境, 表明該區早白堊世已進入后造山的構造演化階段。

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