內蒙古西烏旗早泥盆世I型石英閃長巖的發現及其地質意義

程天赦，楊文靜，滕 超，張學斌，楊欣杰，來 林，吳榮澤，周長紅

(1.中國地質調查局自然資源實物地質資料中心，河北 三河 065201；2.天津市地質調查研究院，天津 300191)

0 引 言

內蒙古西烏旗地區位于中亞造山帶興蒙造山帶東段[1-2]，是研究古亞洲洋構造演化的重要地區之一。古亞洲洋位于西伯利亞板塊與華北板塊之間，賀根山洋等分支洋將額爾古納等微板塊分隔。隨著華北板塊與西伯利亞板塊的拼合，古亞洲洋閉合消失，由此構筑的造山帶東段形成了賀根山、西拉木淪河縫合帶及錫林浩特巖漿弧等重要構造單元(圖1(a))。

圖1 興蒙造山帶大地構造劃分(a)(據Seng?r等[1])及研究區位置圖(b)(據葉天竺[2])Fig.1 Map showing the tectonic division of the Xingmeng orogenic belt(after Seng?r et al.[1])(a)and the location of the study area(b)(after Ye[2])1.白堊紀斑狀花崗巖；2.白堊紀花崗巖；3.侏羅紀二長花崗巖；4.侏羅紀花崗巖；5.侏羅紀斑狀花崗巖；6.三疊紀花崗巖；7.三疊紀花崗閃長巖；8.二疊紀花崗閃長巖；9.二疊紀斑狀花崗巖；10.二疊紀石英閃長巖；11.二疊紀二長花崗巖；12.石炭紀二長花崗巖；13.石炭紀花崗巖；14.二疊紀侵入巖；15.泥盆紀基性-超基性巖未分；16.扎蘭屯—多寶山島??；17.賀根山蛇綠混雜巖帶；18.錫林浩特巖漿??；19.白音寶力道俯沖增生雜巖/高壓藍片巖變質雜巖；20.索倫山蛇綠混雜帶；21.林西殘余盆地；22.溫都爾廟俯沖增生雜巖/高壓藍片巖帶；23.鑲黃旗—多倫陸緣巖漿弧/斷陷火山-沉積盆地；24.紅旗營子基底雜巖/冀北巖漿??；25.斷層；26.研究區位置

傳統觀點認為，在泥盆紀之前，古亞洲洋北側分支洋盆賀根山洋盆向北俯沖于西伯利亞板塊之下。因此，與洋盆消減作用相關的前泥盆紀巖漿巖主要分布于賀根山結合帶以北[3-7]；早石炭世，賀根山洋盆開始向南俯沖于錫林浩特微陸塊之下，形成晚古生代—中生代錫林浩特巖漿弧[8]。近期開展的1:50000區域地質調查在賀根山結合帶以南西烏旗烏和日楚魯一帶陸續新發現了一系列泥盆紀巖漿巖。本文對西烏旗烏和日楚魯石英閃長巖進行鋯石U-Pb年代學、巖相學以及全巖元素組成研究，分析巖石成因及成巖構造環境，希冀對揭示泥盆紀賀根山洋盆俯沖消減的動力學過程提供新的制約。

1 地質背景

內蒙古西烏旗地區位于興蒙造山帶錫林浩特巖漿弧中部(圖1(b))，北側緊鄰賀根山結合帶，南側緊鄰西拉木淪結合帶。古生代—中生代該地區受西伯利亞板塊、華北板塊及錫林浩特微陸塊等俯沖、碰撞和拼合影響。石炭紀—白堊紀巖漿巖廣泛發育，呈NE—SW向帶狀展布[9-10]。

烏和日楚魯石英閃長巖是目前研究區內發現的時代最古老的巖體(圖2)，呈單個巖株狀出露，巖石露頭較好，呈塊狀構造，風化面呈淺灰黑色，新鮮面呈灰黑色。巖體中未見圍巖捕虜體及暗色包體。巖體北部與早二疊世壽山溝組地層呈逆沖斷層接觸，東部和西南局部被早白堊世碎斑熔巖不整合覆蓋，南部被早石炭世花崗閃長巖和早二疊世二長花崗巖侵入，并在巖體內部局部可見花崗閃長巖巖枝狀露頭，巖體中未見被其它巖體或巖脈侵入。巖體出露完整，局部較破碎，劈理和片理發育，后期熱液沿破碎帶發生綠簾石化、綠泥石化、硅化和褐鐵礦化等蝕變。

圖2 烏和日楚魯石英閃長巖地質概圖(實測)Fig.2 Sketch geologic map showing the Uhelchulu quartz diorite

2 樣品采集與分析方法

2.1 樣品采集

本次在烏和日楚魯石英閃長巖中采集了巖礦鑒定樣品2件(A01和A02)、鋯石U-Pb年代學樣品1件(U01)以及全巖元素組成分析樣品4件(A01、A02、A03和A04)，均為新鮮巖石，樣品采集位置如圖2。

2.2 分析方法

全巖元素組成測試和鋯石單礦物分離由廊坊區域地質調查研究所實驗室完成，鋯石陰極發光(CL)照相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完成。巖礦鑒定采用偏光顯微鏡；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%；鋯石U-Pb測年采用Neptune型LAMC-ICP-MS儀器，激光器波長為193nm，束斑直徑為35 μm，采用TE-MORA和GJ-1作為外標進行基體校正。數據處理采用CPMSDataCal程序完成，U-Pb諧和圖、年齡分布頻率圖繪制及年齡加權平均計算使用Iso-plot/Ex_ver 3程序完成。詳細測試與數據處理流程見Liu等[11-13]。

3 分析結果

3.1 顯微巖相學

烏和日楚魯石英閃長巖顯微巖礦鑒定巖性為中粒石英閃長巖，與野外觀察結果一致。巖石呈細粒半自形粒狀結構，塊狀構造，其顯微特征如圖3(a)和(b)所示。巖石由斜長石、石英、角閃石和黑云母組成。

圖3 烏和日楚魯石英閃長巖顯微結構(正交偏光下顯示半自形粒狀結構)Fig.3 Photos showing the microstructure of the Uhelchulu quartz diorite Am.角閃石；Pl.斜長石；Qtz.石英

斜長石呈半自形板狀，雜亂分布，粒徑多在2～4 mm，少數0.5～1.8 mm，具絹云母化。斜長石含量65%～60%；石英呈它形粒狀單晶或集合體狀，分布于斜長石空隙間，粒徑0.5～3 mm，粒內波狀消光，見綠簾石填充裂紋。石英含量10%～15%；黑云母和角閃石自形程度較好，雜亂分布，直徑0.5～4 mm，黑云母被綠泥石和少量綠簾石交代，呈假象，有時彎曲狀，角閃石內嵌布少量斜長石。黑云母假象含量10%；角閃石含量15%；此外，副礦物組合屬白鈦石-赤褐鐵礦型，此外還含少量鋯石和磷灰石。

3.2 鋯石U-Pb年齡

陰極發光圖像(CL)(圖4(a))顯示，鋯石顆粒大小不一，長205～325 μm ，寬75～96 μm，長寬比為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，鋯石Th/U=0.28～0.59，均大于0.1(表1)，指示鋯石為巖漿成因[14]。

表1 烏和日楚魯石英閃長巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡分析結果

圖4 烏和日楚魯石英閃長巖鋯石陰極發光圖像(CL)(a)、U-Pb年齡諧和圖(b)及206Pb/238U年齡直方圖(c)Fig.4 Cathodoluminescence images and analysis spots of zircons (a)，U-Pb concordia diagram (b)and 206Pb/238U weighted average histogram (c)of the Uhelchulu quartz diorite sample

所有鋯石顆粒除5、7、8和12測點206Pb/238U年齡值偏大外(可能為捕獲的殘留鋯石)，其余9個分析點的206Pb/238U年齡值均比較相近，其變化范圍為405.6～381.8 Ma，在諧和線上呈群簇狀分布，8個206Pb/238U加權平均年齡值為(395.8±7.5)Ma(MSWD=1.4)(圖4(b)和(c))，顯示烏和日楚魯石英閃長巖形成于早泥盆世。

3.3 全巖元素組成

烏和日楚魯石英閃長巖的主量元素、微量元素及稀土元素分析結果如表2。

3.3.1 主量元素

石英閃長巖的SiO2含量為55.39%～ 60.53%，Al2O3為14.33%～15.43%，K2O為1.72%～2.39%，Na2O為2.18%～2.63%，TiO2為0.73%～0.99%，MnO為0.13%～0.18%，MgO為3.73%～5.62%，CaO為5.11%～6.76%，P2O5為0.15%～0.20%，K2O+Na2O=3.94%～4.87%；Na2O/K2O=1.04～1.44，A/CNK=0.83～0.97，A/NK=2.20～2.61。

總體上，烏和日楚魯石英閃長巖具有高硅、低鉀、富鈉和富鈣的特征，TiO2、MnO和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5(a))中，樣品點位于花崗閃長巖和閃長巖區；AFM圖解(圖5(b))中，樣品點均位于鈣堿性系列。

圖5 烏和日楚魯石英閃長巖TAS(a)和AFM(b)圖解Fig.5 TAS(a)and AFM(b)diagrams of the Uhelchulu quartz diorite

3.3.2 稀土元素和微量元素

圖6(a)為石英閃長巖稀土元素球粒隕石[15]標準化REE配分圖。石英閃長巖稀土元素總量較低，∑REE=102.93×10-6～147.13 ×10-6，LREE/HREE=4.75～5.20，(La/Yb)N=3.51～3.96，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=1.89～2.15，(Gd/Yb)N=1.17～1.23，輕稀土和重稀土內部均未發生較明顯分餾；δEu=0.75～0.84，Eu弱負異常。

圖6 烏和日楚魯石英閃長巖稀土元素球粒隕石標準化配分曲線(a)(標準值據Boynton[15])和微量元素原始地幔標準化蛛網圖(b)(標準值據Sun和McDonough[16])Fig.6 Chondrite-normalized REE(a)and primitive mantle-normalized trace element(b)distribution patterns of the Uhelchulu quartz diorite (normalizing data from refs. [15]and [16]，respectively)

圖6(b)為石英閃長巖的微量元素原始地幔[16]標準化蛛網圖。從表2和圖6(b)可以看出，石英閃長巖的微量元素總體呈現高含量特征，Rb、Ba、Th、U、Pb和Sr相對富集，在圖6(b)中呈相對“峰”值；高場強元素HFSE強烈虧損，如Zr、Hf、Nb、Ta和Ti，在圖6(b)中呈相對“谷”值?？赡芘c巖漿結晶分離作用和成因有關。

4 討 論

4.1 巖漿巖成因

花崗巖按照源區性質通?？煞譃镮型、S型、A型和M型4種成因類型。其中，M型花崗巖較為少見[17]。典型的A型花崗巖在礦物學上一般含有堿性暗色礦物[18]；在化學成分上，一般富Si、富K、富Fe以及富Ga、Zr、Nb、Ce和Y等高場強元素，具有較高的成巖溫度，屬于高溫花崗巖[19-21]。烏和日楚魯石英閃長巖硅含量中等(SiO2=55.39%～60.53%)、堿含量中等(K2O+Na2O=3.94%～4.87%)和富鈉(Na2O/K2O=1.04～1.44)，且FeO*/MgO較低(1.53～1.68)，與A型花崗巖顯著富鐵(FeO*/MgO>10)[22]不同，并且在巖礦鑒定中也未發現典型A型花崗巖所發育的堿性暗色礦物；根據全巖主量元素含量及Zr含量，烏和日楚魯石英閃長巖的全巖鋯石飽和溫度為734～762 ℃(表2)，平均值為746 ℃，明顯低于A型花崗巖平均溫度833 ℃[23]；在微量元素上，烏和日楚魯石英閃長巖的Ga、Zr和Nb等高場強元素含量較低，10000×Ga/Al比值為1.17～1.37，明顯低于A型花崗巖的下限值(2.6)[22]，(Zr+Nb+Ce+Y)=249.1×10-6～292.9×10-6，也明顯低于A型花崗巖的下限值(350 × 10-6)[22](表2)。因此，烏和日楚魯石英閃長巖不具備A型花崗巖的巖石礦物學和地球化學特征，應屬于I型或S型花崗巖。

磷灰石已被成功地用于區分I型和S型花崗巖類。前人研究[22，24]表明，在準鋁質到弱過鋁質巖漿中，磷灰石的溶解度在巖漿分異過程中隨SiO2的增加而降低；而在強過鋁質巖漿中，磷灰石溶解度變化趨勢與此相反。烏和日楚魯石英閃長巖P2O5含量極低(0.15%～0.20%)，并隨SiO2含量的增加逐漸降低(圖7(a))，與I型花崗巖演化趨勢一致，在Na2O-K2O圖解(圖7(b))中[25]，烏和日楚魯石英閃長巖樣品也均位于I型花崗巖區內。

圖7 烏和日楚魯石英閃長巖SiO2-P2O5(a)和Na2O-K2O(b)圖解Fig.7 SiO2-P2O5(a)and Na2O-K2O(b)diagrams of the Uhelchulu quartz diorite

同時，烏和日楚魯石英閃長巖屬鈣堿性，主要礦物為斜長石、石英、黑云母和角閃石，副礦物組合屬白鈦石-赤褐鐵礦-石榴子石型，此外還含少量鋯石和磷灰石等副礦物，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)較為相近[26-32]。因此，認為烏和日楚魯石英閃長巖為I型花崗巖。

4.2 構造背景

關于賀根山洋盆構造演化，黃波等[33]通過對賀根山蛇綠巖的研究認為二連—賀根山一帶早泥盆世處于剝蝕階段，中—晚泥盆世陸殼拉張形成賀根山洋盆，早石炭世晚期向北俯沖消減，至晚石炭世洋盆陸續閉合；邵濟安等[34]根據賀根山一帶不整合于蛇綠巖之上格根敖包組火山巖年齡及超基性巖侵位年齡，認為賀根山洋盆于晚泥盆世—早石炭世閉合；近年來，王金芳等在西烏旗一帶發現了大量石炭紀—二疊紀巖漿巖，包括晚石炭世埃達克巖[35]、TTG[36]，認為賀根山洋盆從石炭紀一直持續到中二疊世，其主要表現為賀根山洋板塊向南俯沖消減。前人對于賀根山洋板塊俯沖消減極性及古洋盆閉合時限存在較大爭議，并且對于早泥盆世賀根山洋盆演化證據報道較少。通過對烏和日楚魯I型石英閃長巖構造環境的判別[37](圖8)，發現所有樣品均位于火山弧環境，說明其形成可能與賀根山洋盆板塊俯沖消減有關。因此，初步認為賀根山洋盆在早泥盆世已經存在，而且向南俯沖消減，西烏旗一帶位于錫林浩特微陸塊活動大陸邊緣。同時，根據泥盆紀巖漿巖的分布特征，賀根山洋板塊在泥盆紀可能存在雙向俯沖消減(圖9)，至石炭紀轉變為以南向俯沖消減為主。

圖8 烏和日楚魯石英閃長巖(Y+Nb)-Rb(a)和Y-Nb(b)判別圖解(底圖據[37])Fig.8 (Y+Nb)-Rb (a)and Y-Nb (b)granite discrimination diagrams of the Uhelchulu quartz diorite (basemap after ref. [37])Syn-COLG.同碰撞花崗巖；WPG.板內花崗巖；VAG.火山弧花崗巖；ORG.洋中脊花崗巖

圖9 早泥盆世二連—賀根山洋盆雙向俯沖模式圖Fig.9 Bipolar subduction model of the Early Devonian Erlian-Hegenshan Ocean Basin

5 結 論

(1)烏和日楚魯石英閃長巖巖漿鋯石206Pb/238U加權年齡為(395.8±7.5)Ma(MSWD=1.4)，指示該巖體形成于早泥盆世。

(2)巖石中未發現堿性暗色礦物及富鋁礦物，具有富鈉(Na2O=2.24%～2.71%)、富鈣(CaO=5.26%～6.95%)、偏鋁質(A/CNK=0.83～0.97)、低FeO*/MgO(1.53～1.68)、低10000×Ga / Al(1.17～1.37)和低Zr+Nb+Ce+Y含量(249.1 ×10-6～292.9 ×10-6)等特征，與I型花崗巖相符。

(3)該I型石英閃長巖形成于活動大陸邊緣。綜合分析認為其屬于賀根山洋板塊南向俯沖消減產物，這一發現為早泥盆世賀根山洋板塊可能存在南向俯沖提供了證據支持。

致謝：項目組成員在野外和室內整理工作中的大力支持，審稿專家和編輯部老師對本文進行了認真的審查并提出了寶貴的修改意見，在此一并致以衷心的感謝。