內蒙古四子王旗小文公鄉古元古代基性巖墻鋯石測年及其構造意義

李繼業,柳長峰,祝艷,董帥,祝永平

(1.天津華北地質勘查總院,天津 300170;2.中國地質大學(北京),北京 100083)

0 引言

華北克拉通在經歷呂梁運動的增生聚合、碰撞事件后成為全球前羅迪尼亞超大陸的一部分[1-3]。自古元古代后期開始,隨著巖石圈厚度增大,華北克拉通長時期處于相對穩定的狀態,故能夠完整地記錄保存地質事件,尤其是全球性的超大陸裂解事件在華北克拉通會有較好的響應和記錄。如裂谷盆地發育和基性巖墻群侵位等伸展性質的地質活動便成了超大陸裂解事件的重要證據。

華北克拉通北緣是整個克拉通內地質歷史記錄保存最完整的地區[4],長期以來,吸引了眾多學者的目光。近年來,在華北克拉通基性巖墻群獲得的一些精確的年齡數據,為進一步約束華北克拉通古元古代末伸展構造事件提供了年代學的證據。這些研究大多集中在山西、河北北部,在內蒙古中部地區相關的報道較少,且多為Rb-Sr等時線年齡、40Ar-39Ar年齡或鋯石稀釋法年齡,但這些方法難以排除在后期變質流體的改造或巖石形成過程中與地殼物質的混染作用的影響以及混合鉛、繼承鉛、鉛丟失等問題。

本文選擇內蒙古中部四子王旗小文公鄉地區出露的基性巖墻群為研究對象,對其進行了精確的鋯石LA-ICP-MS U-Pb定年,以期為深入研究華北克拉通北緣古元古代末地殼演化及前寒武紀超大陸對比研究提供新的證據。

1 區域地質特征

四子王旗小文公鄉地區位于索倫—林西縫合帶以南,華北克拉通北緣,北部為中元古代白云鄂博裂陷沉積,緊鄰溫都爾廟-白乃廟早古生代蛇綠巖島弧雜巖,南部為渣爾泰裂陷沉積。區域出露地質體以克拉通結晶基底、元古代沉積地層、古生代侵入巖和中新生代火山-沉積地層為特征。

研究區結晶基底主要為新太古界色爾騰山巖群及古元古代變質鉀質花崗巖(圖1),出露的地層主要為中元古界白云鄂博群以及中生界侏羅系大青山組、白堊系固陽組和新近系寶格達烏拉組,侵入巖主要為晚古生代輝長巖302 Ma±2 Ma[5]、正長花崗巖264.0 Ma±3.4 Ma[6]以及早中生代白云母花崗巖。

圖1 內蒙古四子王旗小文公鄉地區大地構造位置(a)和地質簡圖(b)(據1∶25萬四子王旗幅地質圖修編)Fig.1 Geotectonic location (a) and geological sketch (b) of the Xiaowengongxiang area, Siziwangqi banner, Inner Mongolia1.第四系;2.下白堊統;3.侏羅紀火山巖;4.中新太古代變質巖;5.二疊紀花崗巖;6.新太古代變質花崗巖;7.中元古代輝綠巖墻;8.采樣位置

色爾騰山巖群以石英巖、石英片巖、黑云片巖及大理巖為特征,經歷高級變質變形,被古元古代變質鉀質花崗巖侵入,區域上可見局部呈巖片疊覆在渣爾泰山群之上。古元古代變質鉀質花崗巖巖性主要為正長花崗巖,以發育韌性剪切變形為特征,內部發育大量北西向基性巖墻,獲得同位素年齡為1939 Ma(張華峰, 未刊資料)。白云鄂博群一般認為是古元古代末華北克拉通化基礎上發育起來的中元古代裂陷槽,以石英巖、結晶灰巖、變質砂巖為主,不整合覆蓋于基底之上,區域上可見其不整合于北西向基性巖墻之上,被古生代—中生代花崗巖侵入,最近的鋯石同位素年代學資料表明開始沉積時間晚于1.8 Ga[7-8]。大青山組以礫巖、砂巖為特征,不整合覆蓋于晚古生代—早中生代花崗巖之上。固陽組主要為泥巖和砂巖。寶格達烏拉組由較松散的礫巖、砂巖組成。

2 樣品采集及測試方法

本次用于U-Pb定年的樣品取自小文公鄉西10 km左右的一條輝長輝綠巖墻。該巖墻侵入新太古代-古元古代變質花崗巖中,走向320°左右,可見延伸1 km左右;巖石具變余輝長輝綠結構,塊狀構造。輝長輝綠巖遭受強烈熱液蝕變作用,發生強次閃石化、綠簾石化及黝簾石化。巖石中的斜長石50%左右,大致呈0.2～0.8 mm半自形板狀,個別板條狀,強烈鈉黝簾石化,少數顆粒殘留較好的聚片雙晶;假像輝石(次閃石伴綠簾石取代)50%左右,大致呈0.2～0.5 mm粒狀、短柱狀外形,已被次閃石強烈交代,基本無殘留;磁鐵礦少量,0.1～0.5 mm粒狀,被褐鐵礦交代。

鋯石采用常規選法,雙目鏡下挑純;選出的鋯石顆粒在北京離子探針中心與標樣一起制靶,用于陰極發光(CL)研究和U-Pb定年。鋯石陰極發光圖像在北京離子探針中心陰極發光實驗室完成(圖2);同位素定年方法采用LA-ICP-MS方法,在西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成。有關分析測試方法、流程和相關的儀器工作參數詳見文獻[9]。鋯石U-Pb測定采用國際標準鋯石91500(1062 Ma)作為外標進行校正,束斑直徑采用30 μm。每5個樣品點測一次標樣,在10次樣品分析點之后測一次美國國家標準物質局人工合成硅酸鹽玻璃NIST 610,作為外標對鋯石U、Th、Pb含量進行標定,以29Si作內標進行計算,結果采用GLITTER(Ver 4.0, Macquaie University)軟件計算得出207Pb/206Pb、206Pb/238U、207Pb/235Th三組同位素比值、年齡及誤差。樣品普通鉛含量很低,因此未進行普通鉛矯正。對測試結果采用ISOPLOT軟件進行數據處理得到諧和圖和加權平均年齡。

圖2 內蒙古四子王旗小文公鄉地區基性巖墻鋯石陰極發光(CL)內部結構圖及定年結果Fig.2 Zircon CL images of the basic dike in the Xiaowengongxiang area, Inner Mongolia

鋯石U-Pb測年分析數據與結果,見表1、圖3。

表1 內蒙古四子王旗小文公鄉地區基性巖墻鋯石LA-ICP-MS U-Pb分析結果Table 1 Zircon U-Pb isotopic analysis of the basic dike in the Xiaowengongxiang area, Inner Mongolia

圖3 四子王旗地區基性巖墻鋯石U-Pb諧和年齡圖Fig.3 Zircon U-Pb Concordia for the basic dike from Xiaowengongxiang area, Inner Mongolia

3 測試結果與討論

鋯石CL圖像顯示大量鋯石呈渾圓狀,由核、邊雙層結構組成,部分鋯石具有核幔邊三層結構。核部、幔部發育明顯的巖漿成因的震蕩環帶,邊部具有較強的CL發光特征而呈白色,無生長環帶,與后期熱事件改造有關,很可能與巖石鈉黝簾石化、次閃石化關系密切。鋯石邊部較窄,不足10 μm,無法定年。

本次工作對其中6顆鋯石進行了15個點的定年工作,w(Th)/w(U)=0.30～0.52,多數鋯石測試結果都落在U-Pb諧和線附近(圖3)。測試結果顯示,變質輝長輝綠巖中的鋯石復雜,所測鋯石15個點分布在1934 Ma～275 Ma之間,形成3組年齡,第一組測點位于鋯石核部(圖2),共5個,但其中14和15測點由于核部破碎,獲得的年齡很不諧和,其他3個測點獲得207Pb/206Pb年齡為1925～1934 Ma;第二組測點位于鋯石幔部(圖2),共6個測點,207Pb/206Pb 年齡在1798 Ma～1865 Ma之間,其加權平均年齡為1838 Ma±30 Ma (MSWD=8.0);第三組鋯石年齡相對年輕,共4個測點(圖2),諧和度極好,獲得206Pb/238U年齡介于275～285 Ma之間,其加權平均值為281.0±7.8(MSWD=6.0)。

本次所測鋯石內部結構顯示出的巖漿韻律環帶和高Th/U比值(表1)的特征,說明它們均屬巖漿成因的鋯石。第一組年齡測試點都位于鋯石核部,屬捕獲鋯石;第二組在鋯石幔部獲得的1838 Ma±30 Ma的年齡應代表了輝綠巖脈的侵位年齡,這與野外地質證據相吻合;第三組年齡鋯石較為特殊,該鋯石并未發育變質增生邊,也沒有繼承核,其281.0 Ma±7.8 Ma(MSWD=6.0)的加權平均年齡與區域上廣泛發育的晚古生代侵入巖年齡一致[5-6],可能為混入鋯石,代表了后期一次構造熱事件的年齡。

第一組年齡。位于鋯石核部的測點(圖2)分別獲得的1934 Ma±10 Ma、1934 Ma±8 Ma和1925±7 Ma的207Pb/206Pb年齡,與輝綠巖墻的圍巖-華北克拉通基底中的鉀質花崗巖鋯石諧和年齡一致(張華鋒,未刊資料),說明第一組鋯石是在巖墻侵位時從圍巖鉀質花崗巖中捕獲的。該組年齡也與白云鄂博基底雜巖獲得的年齡(1948 Ma～1917 Ma)一致[10]。在古元古代華北克拉通發育的3個主要活動帶(遼吉活動帶、晉豫活動帶、豐鎮活動帶)均有大量該時期的年齡紀錄,它們具有規模不同但機制類似的顯生宙造山帶特點,造山作用的結束在1930 Ma前后,可能與前羅迪尼亞超大陸的形成有關[11]。

第二組年齡。鋯石年齡為1838 Ma±30 Ma的輝綠巖墻侵位年齡。該期基性巖墻群在華北克拉通結晶基底內廣泛發育,前人在華北克拉通北緣晉冀蒙交界地區巖墻群的研究程度相對較高,Qian等[12]和Halls等[13]做了大量古地磁工作,Qian等[12]、張臣等[14]和侯貴廷等[15-17]進行了較為詳細的K-Ar年代學工作,但年齡跨度較大(1922 Ma～1195 Ma)。大同北北西向基性巖墻群獲得的鋯石SHRIMP年齡為1778 Ma±3 Ma[18],恒山輝綠巖墻單顆粒鋯石U-Pb年齡為1769 Ma±2 Ma[19],太行山南段的輝長輝綠巖墻40Ar-39Ar年齡為1780.7 Ma±0.5 Ma[20],魯西泰山輝綠玢巖墻鋯石SHRIMP年齡侵位年齡為1830 Ma±17 Ma[17],河北懷安輝綠輝長巖墻群的Rb-Sr等時線年齡為1885 Ma±43 Ma[4],均是這次伸展事件的產物和標志。以上年齡數據以及本文獲得的巖墻侵位年齡,代表了華北克拉通基性巖墻群大致侵位于1800 Ma左右,表明基性巖墻群是華北克拉通古元古代末一次普遍的構造熱事件。在華北克拉通內部也有大量該時代非造山巖漿作用的記錄,如內蒙孔茲巖內巨大石榴石-堇青石花崗巖具有1850 Ma、1820 Ma的Pb-Pb和鋯石U-Pb年齡[21],白云鄂博礦區廣泛分布的非造山巖漿巖鋯石U-Pb年齡為1800 Ma左右[22],Yangyang環斑花崗巖的SHRIMP鋯石年齡集中在1840 Ma[23]。此外,華北克拉通基底廣泛經歷了1850 Ma—1800 Ma的麻粒巖相-高角閃巖相變質作用[24-26],一部分學者將其劃歸為巖石圈尺度的伸展-熱構造事件[11]。從裂陷槽內火山巖和火山沉積巖獲得的大量年齡數據也反映華北克拉通裂陷事件主要在1830 Ma—1800 Ma開始發生[27],肖榮閣等[28]在渣爾泰炭窯溝取得鉀質細碧巖的Sm-Nd年齡為1824 Ma,彭潤民等[29]在渣爾泰東升廟獲得雙峰式火山巖Sm-Nd年齡為1767 Ma—1867 Ma?？偟膩碚f,華北克拉通古元古代末發生的基性巖墻群、非造山巖漿活動、麻粒巖相-高角閃巖相變質作用以及裂陷槽具有一定的成因聯系,是同一時期剛性塊體伸展作用的產物,標志著華北克拉通古元古代末大陸裂解的開始,是前羅迪尼亞超大陸裂解事件的一部分。

第三組年齡?？赡艽砘詭r墻的變質時代,其281.0 Ma±7.8 Ma(MSWD=6.0)的加權平均年齡與華北陸塊北緣晚古生代大陸邊緣弧巖漿性質的侵入巖時代(279 Ma—310 Ma[5,30-34])一致;略早于區內碰撞后花崗巖侵位時代[6,35-36],可能是興蒙造山帶碰撞造山事件的反映。

4 結論

內蒙古中部四子王旗地區侵入華北克拉通基底的輝長輝綠巖墻的鋯石LA-ICP-MS U-Pb定年結果表明,該巖墻形成于1838 Ma±30 Ma,是古元古代末期巖漿活動的產物。其捕獲鋯石揭示出與華北克拉通北緣基底一致的1930 Ma左右的年齡信息;侵位年齡與華北克拉通早期非造山巖漿巖、結晶基底廣泛經歷的1850 Ma—1800 Ma的麻粒巖相-高角閃巖相變質作用以及裂谷沉積時代相對應,暗示華北克拉通在古元古代末已經成為前羅迪尼亞大陸的一部分,此后進入相對穩定時期,于1830 Ma左右開始經歷伸展作用;而獲得的281.0 Ma±7.8 Ma的變質年齡可能是興蒙造山帶碰撞造山事件的響應。本文所揭示的3期熱事件對華北克拉通的構造演化歷史的研究對比工作具有重要意義。