內蒙古赤峰市柴火溝正長花崗巖年代學、地球化學特征及地質意義

王玉平,武悅,張妍,吳文彬,李海洋,王曉亮

(1.遼寧省地質礦產研究院有限責任公司,沈陽 110032;2.遼寧省地質勘探礦業集團有限責任公司,沈陽 110032)

0 引言

研究區位于內蒙古自治區赤峰市敖漢旗境內,其大地構造位置位于興蒙造山帶,該區花崗巖極為豐富,與蒙古和俄羅斯貝加爾地區一起,構成世界上最大的花崗巖區[1]。研究區主要分布有二疊紀以來的各時期侵入巖,尤以侏羅紀巖漿活動最為強烈[2]。然而,前人對區內侏羅紀巖體存在認識偏差,特別是將區內柴火溝正長花崗巖厘定為晚侏羅紀,且與燒鍋營子巖體劃為一體①。目前,諸多學者認為東北地區中生代花崗質巖石是受環太平洋構造體系和蒙古-鄂霍茨克構造體系的疊加與改造[3-5],而赤峰地區中生代花崗質巖石是受哪個體系影響?是否具備蒙古-鄂霍茨克洋閉合時間的數據支撐?以上問題的理清有助于認識赤峰地區甚至中國東北部在侏羅紀時期的構造演化。

赤峰地區柴火溝位于赤峰-朝陽金多金屬成礦帶南部[6],前人對區內多以金礦研究為主,并認為金成礦與燕山期侵入體關系密切[7-9],而對銅多金屬礦的研究程度較低。結合先前的成礦規律研究,區內燕山期侵入巖不僅與大規模的金礦成礦相關,而且與銅多金屬礦成礦關系存在緊密聯系[6,10-11],研究燕山期侵入巖對赤峰地區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開展的1∶5萬區域礦產地質調查工作,將柴火溝正長花崗巖從燒鍋營子巖體中解體出來,通過巖相學觀察、巖石地球化學測試和鋯石U-Pb測年分析,力圖探討柴火溝正長花崗巖成因及大地構造背景,以期為研究赤峰地區在中侏羅世的構造演化、鄂霍茨克洋的閉合時間提供參考,同時也為區域上與此類型巖體有關的銅礦勘查提供巖石學相關數據。

1 地質背景

研究區屬興蒙復合造山帶的前鋒帶(圖1a),北側緊鄰興蒙造山帶[10-11]。區內出露地層主要有下石炭統石咀子組,中二疊統額里圖組、于家北溝組;上侏羅統滿克頭鄂博組、瑪尼吐組,上白堊統孫家灣組,上更新統烏爾吉組。研究區內發育大量中生代侵入巖,主要為正長花崗巖、二長花崗巖、石英閃長巖、花崗閃長巖、閃長巖等,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)。柴火溝正長花崗巖侵入早三疊世石英閃長巖、石咀子組變質長石石英砂巖中,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 研究區大地構造位置簡圖和地質簡圖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.中侏羅世二長花崗巖;6.中侏羅世正長花崗巖;7.中三疊世花崗閃長巖;8.早二疊世石英閃長巖;9.花崗斑巖;10.角度不整合;11.逆斷層;12.采樣點;13.地名;14.研究區位置

區內斷裂構造發育,以NE向(赤峰-開原斷裂)和EW向(后公地斷裂)為主,控制了區內礦化帶(蝕變帶)的分布方向,其獨特的構造位置決定了本區具有良好的成礦潛力[10]。

2 巖石學特征

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

3 樣品采集及分析方法

本次對柴火溝正長花崗巖體進行了剖面測量,系統采集正長花崗巖3件新鮮的巖石樣品,進行巖石地球化學分析測試,同時選取其中1件樣品進行LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年研究。

鋯石分選在河北省區域地質礦產調查研究所實驗室完成。采用常規方法粉碎,達到80—100目,通過淘選以及電磁選方法進行分離,在雙目鏡下挑選出晶型完好、透明度高、無包裹體和無裂紋的鋯石顆粒作為U-Pb年齡測定對象。鋯石制靶和陰極發光(CL)圖像均在北京鋯年領航科技有限公司完成。鋯石U-Pb同位素分析在中國地質科學院礦產資源研究所國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室完成,用標準鋯石GJ-1std(607 Ma)、Plsovice(337Ma)和標準玻璃NIST SRM610的測值校正U/Pb分餾和U含量,具體方法見文獻[12]。測年原始數據使用ICPMSDataCal程序處理,以得到鋯石的U-Pb同位素比值和U、Th、Pb含量。單個數據的分析誤差為1σ,年齡加權平均值具有95%的制度性,加權平均計算和U-Pb諧和圖繪制使用Ludwig博士編寫的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定在自然資源部沈陽礦產資源監測中心完成。主量元素分析采用X射線熒光光譜法(XRF)進行分析,相對標準偏差為2%～5%;微量元素及稀土元素分析采用電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)上完成,相對標準偏差<10%[11]。

4 年代學特征

對柴火溝正長花崗巖(SP10TW1)選取27顆鋯石,進行LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年分析,分析結果見表1所述。從鋯石陰極發光(CL)圖像(圖3)可見,鋯石表面光滑,自形程度較好,呈長柱狀,長軸80～180 μm,長寬比為1∶1～4∶1,大部分鋯石具有明顯的震蕩環帶;鋯石w(Th)/w(U)=0.49～1.95,表明其為巖漿成因鋯石。27個測點的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測年結果表明柴火溝正長花崗巖的侵位年齡為中侏羅世。

表1 柴火溝正長花崗巖(SP10TW1)LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年數據Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb data for the Chaihuogou syenogranite (SP10TW1)

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

5 巖石化學特征

柴火溝正長花崗巖主量元素、稀土元素和微量元素分析結果,見表2所述。

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

5.1 主量元素

柴火溝正長花崗巖具有較高的w(SiO2)、w(Al2O3)、w(K2O)和w(Na2O)值(見表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A/NK為1.00～1.10,A/CNK為0.94～1.06,為偏鋁質-過鋁質系列巖石(圖5b)。分異指數DI是源區巖漿演化程度的重要巖石地球化學指標[15],燒火溝正長花崗巖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指數所示結果一致。

圖5 研究區侵入巖SiO2-K2O (a)、A/NK-A/CNK (b)、Rb-Ba-Sr (c)關系圖解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,總體表現出明顯的負Eu異常,說明該巖體經歷了強烈的斜長石分離結晶作用。稀土元素球粒隕石標準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。在微量元素原始地幔標準化蛛網圖(圖6b)中,柴火溝正長花崗巖呈現虧損Ba、K、P、Tb等,富集Th、Zr、Y等。

圖6 研究區侵入巖稀土元素球粒隕石標準化配分模式圖(a)與微量元素原始地幔標準化蛛網圖(b)(a.球粒隕石標準化據文獻[16];b.隕石地幔標準化據文獻[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方案,角閃石、堇青石和堿性暗色礦物是判斷上述三大類型花崗巖的重要礦物學標志[1]。柴火溝正長花崗巖并無上述判別礦物,僅能通過地球化學特征探討其成因類型。

柴火溝正長花崗巖主要造巖礦物為石英和堿性長石,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2.70～3.22,A/CNK=0.941～1.055(<1.1)。巖石屬于鉀質鈣堿性系列,鋁飽和類型,表明其巖漿來源可能為地殼[2]。在(Zr+Nb+Ce+Y)-[(K2O+Na2O)/CaO)]圖解(圖7a)中2個樣品落入M、I、S型花崗巖區與A型花崗巖相區分,1個樣品落在邊緣附近;在FAM圖解(圖7b)中,均落入2區邊緣,屬Ⅰ型科迪勒拉花崗巖(活動陸緣)。w(Rb)/w(Sr)值能靈敏地記錄源區物質的性質,柴火溝正長花崗巖w(Rb)/w(Sr)=0.011～0.021,小于0.9,顯示為I型花崗巖。綜上,柴火溝正長花崗巖應屬于高鉀鈣堿性I型花崗巖。

圖7 研究區侵入巖(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.澳大利亞東南褶皺帶造山后A型花崗巖;6.尼日利亞非造山型花崗巖

6.2 大地構造背景

研究區在侏羅紀期間,古亞洲洋構造域的影響已經消失[18],其最終閉合時間最晚可能發生在中三疊世,自此以后,研究區進入到環太平洋構造體系和蒙古-鄂霍茨克構造體系的演化階段[19]。

前人對東北地區中生代區域成礦背景的認識,多數強調環太平洋構造體系的影響,而忽略了蒙古-鄂霍茨克構造體系的影響,而近些年諸多學者認為包含研究區在內的冀北-遼西地區中生代受蒙古-鄂霍茨克構造體系影響,而非古太平洋板塊對該區的俯沖[4,19],證據包括:(1)蒙古-鄂霍茨克板塊東段碰撞閉合的時間可持續到晚侏羅世-早白堊世;在三疊紀期-中侏羅世期間,有證據表明古太平洋俯沖對冀北-遼西地區的影響有限;在中侏羅世晚期-早白堊世早期階段,古太平洋板塊對歐亞大陸下并沒有發生俯沖作用[19-21];(2)蒙古-鄂霍茨克洋在向北俯沖的同時,也在向南發生俯沖作用[5,22];(3)環太平構造體系中生代對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;而蒙古-鄂霍茨克構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-遼西地區藍旗組火山巖噴發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應的伸展環境,其形成被認為是蒙古-鄂霍茨克縫合帶演化的產物,而與環太平洋構造體系無關[10];(5)研究區以南大黃花中侏羅世晚期巖體已被證實為蒙古-鄂霍茨克縫合帶演化的產物,其形成于碰撞后的伸展環境[10];研究區以西形成于晚侏羅世的燒鍋營子巖體形成深度可能在30 km較淺部位,指示其處于地殼強烈伸展的構造背景[9]。因此,研究區在中侏羅世期間是受蒙古-鄂霍茨克構造體系影響。

冀北-遼西地區中生代晚期主要表現為兩次陸殼加厚過程(170 Ma左右和145 Ma左右)和與之相對應的陸殼伸展環境(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閉的特征,在中侏羅世的第一次陸殼加厚過程對應蒙古-鄂霍茨克縫合帶閉合的時間,廣泛發育的中侏羅世火山巖應是這次加厚陸殼坍塌或拆沉階段的產物[4,19,23]。分布于赤峰地區的柴火溝正長花崗巖形成年齡為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,表明其原始巖漿應起源于加厚陸殼物質的部分熔融[5]。在Nb-Y構造環境圖解(圖8a)中,柴火溝正長花崗巖落入火山弧-同碰撞區;在Ta-Yb、Rb-(Yb+Ta)和Ta-SiO2構造環境圖解(圖8b、圖8c、圖8d)中,柴火溝正長花崗巖均落入了同碰撞區。

圖8 研究區侵入巖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,柴火溝正長花崗巖的形成無關于環太平洋構造體系,應與蒙古-鄂霍茨克縫合帶閉合過程中的陸-陸碰撞環境相關;柴火溝正長花崗巖的形成時代限定了蒙古-鄂霍茨克洋在赤峰地區的閉合時間應為中侏羅世。

7 結語

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

(2)地球化學特征顯示柴火溝正長花崗巖為高分異的高鉀鈣堿性Ⅰ型花崗巖。

(3)柴火溝正長花崗巖的構造環境判別分析結果指示,其形成于蒙古-鄂霍茨克洋閉合的區域陸殼加厚環境。

注釋：

① 吉林大學.赤峰市幅1∶25萬區域地質調查報告[R].長春:吉林大學,2012.