內蒙古索倫地區花崗斑巖巖石成因及構造背景

張鵬,和鐘鏵,隋振民,高龍飛,任子慧

1.吉林大學地球科學學院，長春130061；2.吉林農業大學環境與資源學院，長春130118

0 引言

大興安嶺地區出露大面積中生代火成巖，其中以花崗巖最為發育，近年來發表的高精度鋯石U--Pb年齡數據基本確定了大興安嶺地區顯生宙花崗巖的年代學格架[1--4]，并為大興安嶺地區構造巖漿演化提供了重要依據[5--9]。但是目前尚缺乏對淺成巖的系統研究，尤其對與成礦關系非常密切的巖脈的研究較少,筆者在1∶5萬區域地質調查的基礎上,對內蒙古索倫地區與成礦關系密切的花崗斑巖(脈)進行了系統的野外地質調查，確定了花崗斑巖(脈)產出狀態，并對花崗斑巖(脈)的巖石學、地球化學和Hf同位素等進行了研究，為大興安嶺地區構造巖漿演化提供依據，同時對尋找與花崗斑巖(脈)礦化密切的銅、鉛和鋅等礦產亦有重要的實際意義。

1 地質背景與巖石學特征

研究區位于興蒙造山帶東段的興安地塊上，大地構造位置屬興安地塊的中南部(圖1)，為古亞洲洋構造域與古太平洋構造域的交匯部位。晚古生代地層主要發育二疊系下統大石寨組(P1ds)、中統的哲斯組(P2z)和上統的林西組(P3l)，受古亞洲洋最終碰撞閉合的影響，普遍經歷了低綠片巖相的變質作用。三疊紀—中侏羅紀時期，本區以剝蝕作用為主。自晚侏羅世以來,受鄂霍茨克洋閉合碰撞的影響和古太平洋板塊的俯沖作用, 大興安嶺南部地區基底構造復活，巖漿活動強烈，形成了受NE或NW向控制的斷陷盆地，其內發育滿克頭鄂博組(J3m)、瑪尼吐組(J3mn)和白音高老組(K1b)3套陸相中--酸性火山巖地層，同時還發育大量黑云母花崗巖、正長花崗巖、花崗斑巖等同時期的中酸性侵入巖。已發表的年代數據顯示滿克頭鄂博組火山巖多形成于138～145 Ma[10,11]、瑪尼吐組火山巖形成于130～135 Ma[12,13]、白音高老組火山巖形成于121～132 Ma之間[14,15]，同時期中酸性侵入巖多形成于120～129 Ma之間[16,17]?？臻g上，索倫地區花崗斑巖多呈巖脈或小巖珠侵入于這些火山巖地層之中，LA--ICP--MS鋯石U--Pb分析結果顯示索倫地區花崗斑巖形成于120 Ma±,為早白堊世晚期，其形成時期應該與白音高老組形成時間相近或其之后，花崗斑巖體應是白音高老組酸性火山巖同時異相的產物，火山巖噴發后剩余巖漿沿北東、北西向裂隙充填而形成花崗斑巖脈。

花崗斑巖具有斑狀結構，塊狀構造(圖2)。斑晶含量約5%～15%，斑晶成分主要為石英和堿性長石，少量斜長石和黑云母，粒徑多在0.5～3.0 mm，個別達5.0 mm。石英斑晶為半自形粒狀或渾圓粒狀，邊界熔蝕明顯，常呈港灣狀；堿性長石斑晶半自形板狀，高嶺土化明顯。斜長石斑晶為半自形板狀，聚片雙晶發育，絹云母化輕微?；|為微粒結構，粒徑多為0.01～0.1 mm，基質主要由石英、堿性長石和斜長石組成。副礦物為鋯石、榍石和磁鐵礦等。

2 分析方法

花崗斑巖的巖石樣品取自烏蘭毛都嘎查東部地區，在野外基巖露頭處采集鋯石測年樣品(PB1063)。地球化學分析由河北區域地質礦產調查研究所實驗室完成，其中主量元素分析通過PW2404型熒光光譜儀(XRF)測定，采用玻璃熔片法，分析精度和準確度優于5%; 稀土和微量元素采用ELEMENT XR型電感耦合等離子質譜儀(ICP--MS)進行分析，分析精度和準確度一般優于10%，全過程參考國家標準GB/T14506.30--2010。

樣品鋯石的挑選由河北區域地質礦產調查研究所完成；北京凱德正科技有限公司和吉林大學地球科學學院顯微鑒定實驗室完成鋯石的制靶、透射光和反射光照片的采集；北京鋯年領航科技有限公完成CL圖像采集工作；在中國地質大學(北京) 采用LA--ICP--MS完成鋯石U--Pb同位素測年分析，實驗中通過將He作為剝蝕物質的載氣,以人工合成硅酸鹽玻璃標準參考物質NIST610和國際標準鋯石91500進行儀器最佳化，作為同位素組成的外標，

圖1 索倫地區地質略圖Fig.1 Geological sketch map of Suolun area

利用Glitter4.0程序進行鋯石U--Pb同位素比值年齡測算整理，最后通過Isoplot3.0軟件繪制協和圖并計算年齡。

鋯石原位Lu--Hf同位素分析在中國科學院地質與地球物理研究所完成，實驗通過193 nm激光系統與NeptuneMC--ICP--MS的聯合使用對Lu--Hf同位素進行分析。實驗過程中采用He作為剝蝕物質的載氣，激光剝蝕束斑直徑為63 μm, 激光脈沖寬為15 ns, 剝蝕采樣時間為23 s, 詳細的實驗分析步驟和數據處理方法參見文獻 [18，19]。

3 分析結果

3.1 鋯石U--Pb年齡

用于鋯石測年的樣品編號為PB1063取自索倫地區花崗斑巖體(圖1)，所測鋯石在CL圖像上為無色--淡黃色透明狀，多呈長柱形，為具明顯振蕩環帶的自形巖漿鋯石(圖3)，鋯石Th/U值為0.41～0.92，具巖漿結晶鋯石的典型特征，反映其巖漿成因[20]。樣品PB1063共進行了22個鋯石的測定(表1)，大部分數據點位于U--Pb諧和線上及其附近，表明這些年齡具有確切的地質意義，應代表巖漿冷卻結晶的年齡。有一個數據點距離協和線較遠(126 Ma)，可能為巖漿上升過程中捕獲的早期巖漿鋯石。其他21個鋯石U--Pb同位素加權平均年齡為119.9±1.6 Ma(MSWD=3.1,n=21)，確定研究區花崗斑巖形成于早白堊世晚期。

a,b.花崗斑巖野外照片；c,d.花崗斑巖鏡下照片(正交偏光)；Q.石英；Af.堿性長石圖2 花崗斑巖鏡下照片及野外照片Fig.2 Microphotographs and field photographs of granite porphyry

圖3 索倫地區花崗斑巖鋯石陰極發光圖像及鋯石U--Pb諧和圖Fig.3 CL images of selected zircons of granite porphyry in Suolun area and diagrams of zircon U--Pb concordia

表1 索倫地區花崗斑巖LA--ICP--MS鋯石U--Th分析結果Table 1 LA--ICP--MS zircon U--Th analysis results of granite porphyry in Suolun area

3.2 主量元素分析

索倫地區花崗斑巖的地球化學分析結果見表2。從分析結果可以看出，主量元素整體呈現高硅、富堿的特點，其中SiO2含量為72.30%～77.19%，平均值為75.56%，K2O含量為4.31%～6.17%，平均值為4.88%，Na2O含量為2.31%～4.45%，平均值為3.43%，全堿(Na2O+K2O)含量為7.29%～9.35%，平均值為8.19%。巖石相對富K和Al2O3，其中K2O/Na2O的值為0.97～2.67， Al2O3含量為12.20%～13.73%，平均值為12.98%，A/CNK (Al2O3/(CaO +K2O+Na2O))為1.03～1.21，平均為1.12，其他主量元素含量相對較低，其中TiO2含量為0.10%～0.29%，TFeO含量為0.86%～2.84%，MgO含量為0.06%～0.60%，P2O5含量為0.02%～0.11%。在A/CNK-ANK圖解(圖4)中樣品均集中在過鋁質區域。在SiO2-K2O圖解上，巖石普遍落入高鉀鈣堿性區域，少量顯示鉀玄巖特征。

表2 索倫地區花崗斑巖主量元素(%)和微量元素(10-6)分析結果Table 2 Major elements(%) and trace elements(10-6) analysis results of granite porphyry in Suolun area

圖4 A/NK-A/CNK圖解和SiO2-K2O圖解Fig.4 Diagram of A/NK-A/CNK and diagram of SiO2-K2O

3.3 微量、稀土元素特征

索倫地區花崗斑巖的稀土總量∑REE為77.16×10-6～150.54×10-6，平均為127.90×10-6，其中輕稀土LREE含量為49.75×10-6～121.53×10-6，平均為95.06×10-6，重稀土HREE含量為22.70×10-6～43.50×10-6，平均35.84×10-6。LREE/HREE值為1.81～4.19，表明輕稀土元素(La、Ce、Pr)富集，重稀土元素(Tm、Yb、Lu)相對虧損，輕重稀土分餾明顯。δEu值變化在0.18～0.59，具有明顯負Eu異常,在球粒隕石標準化稀土元素配分模式圖(圖5)上，配分曲線呈不對稱的右傾“海鷗型”分布。索倫地區花崗斑巖具有相似的微量元素特征，在原始地幔標準化微量元素蛛網圖上(圖5)，Rb 、Th、U等大離子親石元素相對富集，Nb、Ta、P、Ti等高場強元素和 Ba、Sr等部分大離子親石元素相對虧損，顯示殼源巖漿或巖漿被地殼物質混染的微量元素配分特征。

圖5 索倫地區花崗斑巖球粒隕石標準化稀土元素配分模式圖(a)和原始地幔標準化微量元素蛛網圖(b)[21，22]Fig.5 Chondrite normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle normalized trace element spider diagrams (b) of granite porphyry in Suolun area

3.4 鋯石Hf同位素特征

花崗斑巖樣品鋯石Hf同位素測試結果見表3。176Hf/177Hf的值為0.282 220～0.282 695，加權平均值為0.282 597±0.000 010(2σ，n=20),能夠反映出巖石結晶演化過程中Hf同位素的組成情況，176Lu/177Hf的值為0.000 619～0.001 975，平均值為0.000 944，表明鋯石形成后由Lu衰變形成的Hf極少，fLu/Hf值較低 (平均值為-0. 971 56)，說明測得的鋯石Lu--Hf同位素二階段模式年齡能夠指示其源區物質在地殼中存留的年限或從地幔中抽離的年限，Hf 同位素εHf(t)的值為+7.5～+10.8，加權平均值為+8.7±0.5，單階段模式年齡352～477 Ma，二階段模式年齡為489～695 Ma。

表3 索倫地區花崗斑巖鋯石Hf同位素分析結果Table 3 Zircon Hf isotopic analysis results for granite porphyry in Suolun area

4 花崗斑巖成因及構造背景

4.1 花崗斑巖成因

索倫地區花崗斑巖主要由石英、鉀長石和少量斜長石組成，暗色礦物主要為黑云母，未見堇青石、石榴子石等富鋁礦物，副礦物為鋯石、榍石和磁鐵礦等，巖礦組合特點顯示研究區內花崗斑巖并不具有S型花崗巖的特點[23]，暗示成因類型可能為I型或A型花崗巖。而在區分A型和I型花崗巖判別圖解上[24](圖6)，數據點基本上落在了高分異 的I型花崗巖區，且在主量元素分析表上，全鐵含量(0.86%～2.84%)相對較低，有別于A型花崗巖富鐵的特性，而且花崗斑巖鋯石飽和溫度在757.610℃～807.972℃之間，低于A型花崗巖的鋯石飽和溫度[25]，表明研究區內花崗斑巖可能屬于高分異的I型花崗巖。另外索倫地區花崗斑巖具有 Sr、Ba、Ti、Nb 和Eu的明顯負異常，暗示巖石形成時具有強烈分異的分離結晶作用存在，Sr含量為40.478×10-6～233.00×10-6、 Yb為1.622×10-6～3.168×10-6，具有低Sr、高 Yb 的特點，張旗等[26]將這種類型的巖石稱為“南嶺型”花崗巖，一般形成于正常至減薄的地殼厚度下，其殘留相主要為斜長石和角閃石。研究區花崗斑巖具有高硅質、富堿和貧鐵鎂的特點，富集大離子親石元素(Rb、Th、U)和輕稀土元素(La、Ce、Pr)，虧損高場強元素(Nb、Ta)，這些地球化學特征顯示了殼源巖漿的特點?；◢彴邘r的εHf(t)在+7.5與+10.8之間，二階段虧損地幔模式年齡為695～489 Ma之間，反映了其源區物質可能形成于早古生代—新元古代基性下地殼物質的熔融，該巖漿源區的形成可能與古亞洲洋演化過程中地殼的增生作用有關[27，28]。

4.2 花崗斑巖形成的構造背景

自中生代以來，大興安嶺地區受蒙古—鄂霍茨克構造域的控制和古太平洋構造體系的影響，早期基底斷裂復活，巖漿活動強烈，廣泛發育受正斷層控制的北東向斷陷盆地[29]其內發育白音高老組流紋巖和梅勒圖組玄武巖為代表的雙峰式火山巖[30]，同時還發育早白堊世變質核雜巖等[31]，所有這些均表明大興安嶺地區在早白堊世期間已處于伸展環境。研究區花崗斑巖在Y+Nb-Rb圖解上和R1-R2圖解上[32](圖7)均落入后碰撞和造山期后附近，亦顯示它們形成于造山期后伸展構造環境。但對于該伸展環境的動力學機制存在不同的認識：一種觀點認為與蒙古—鄂霍茨克縫合帶閉合后加厚陸殼的拆沉過程相聯系[33--34]；另一種認為是古太平洋板塊俯沖于歐亞大陸之下的弧后伸展環境[15]。從已有的研究成果中可知，在140 ～125 Ma期間古太平洋板塊是向NE方向約33°方向擴張的[35]，在大興安嶺地區不可能形成與俯沖方向近于平行的弧后盆地和巖漿活動帶，因此這一時期的火成巖與古太平洋板塊作用沒有直接關系[36]。索倫地區花崗斑巖為I型高分異花崗巖，一般認為這種類型的花崗巖主要與后造山事件有關[37]。進一步研究表明蒙古—鄂霍茨克構造體系在中生代晚期(～145 Ma) 曾經歷過重要的陸殼加厚過程，于早白堊世晚期(～125 Ma)發生區域性的伸展事件[38]，而形成于早白堊世晚期的索倫地區花崗斑巖應是蒙古—鄂霍茨克縫合帶閉合后后造山事件的產物。

圖6 索倫地區花崗斑巖成因類型判別圖解[24]Fig.6 Discrimination diagrams for granite porphyry in Suolun area

圖7 索倫地區花崗斑巖構造環境判別圖解Fig.7 Tectonic distinction diagrams for granite porphyry in Suolun area

5 結論

(1)索倫地區花崗斑巖多呈巖株和巖脈產出，其LA--ICPMS鋯石U--Pb同位素測年為119.9±1.6 Ma，形成于早白堊世晚期。

(2)索倫地區花崗斑巖屬于鋁質--過鋁質高鉀鈣堿性系列，具有高分異I型花崗巖的特點，其εHf(t)為+7.5～+10.8，二階段虧損地幔模式年齡為695～489 Ma，反映其源區物質可能形成于早古生代—新元古代基性下地殼物質的熔融。

(3)索倫地區花崗斑巖形成于造山后伸展環境，這種構造背景可能與蒙古—鄂霍茨克縫合帶閉合后加厚陸殼的拆沉作用有關。