內蒙古達茂旗東北部比旗格淖復式巖體的形成年齡、地球化學特征及成因

張建超,朱孔陽,楊波,蘇美霞,許立權,周飛,董傳萬,沈忠悅,吳艷君,孟曉玲,佘琳琳

1) 浙江大學地球科學學院,浙江省地學大數據與地球深部資源重點實驗室,杭州,310058;2) 內蒙古自治區地質調查研究院,呼和浩特,010020

內容提要：達茂旗東北部比旗格淖復式巖體位于內蒙古中部,該巖體由兩期侵入體組成,巖性分別為花崗閃長巖和二長花崗巖,前者為巖體主體巖性。主體花崗閃長巖主要由斜長石(An=14 ～ 30)、石英、鉀長石和普通角閃石組成,內部發育暗色微粒包體;補體二長花崗巖主要由石英、鉀長石和斜長石(An=12 ～ 23)組成。LA-ICPMS鋯石U-Pb定年顯示巖體形成于晚二疊世,形成年齡為259±2 Ma。主體花崗閃長巖SiO2=66.37%-68.70%、為準鋁質—弱過鋁質(A/CNK=0.99 ～ 1.01),地球化學上顯示出富集輕稀土、大離子親石元素,虧損重稀土和高場強元素的特征,屬于I型花崗巖;其中閃長質暗色微粒包體呈渾圓狀或拉長扁平透鏡狀,年齡與寄主花崗閃長巖一致,為巖漿混合的產物;補體二長花崗巖,高硅(SiO2=71.51% ～ 73.09%)、富堿(Na2O+K2O=7.91% ～ 8.61%),為弱過鋁質—強過鋁質(A/CNK=1.07 ～ 1.11),屬分異I型花崗巖。比旗格淖復式巖體鋯石εHf(t)分布范圍為-3.0 ～ 3.4,對應的Hf同位素二階段模式年齡為1473 ～ 1057 Ma。具有相對較低的[n(87Sr)/n(86Sr)]i值(0.704829 ～ 0.705327),εNd(t)值為-5.85 ～ -8.86,對應的Nd的二階段模式年齡為1.69 ～ 1.45 Ga。結合區域研究資料,認為比旗格淖復式巖體為虧損地幔組分與受其誘發的部分熔融的古老地殼物質混合形成,屬于后碰撞型花崗巖,這類巖體的形成標志了古亞洲洋在興蒙造山帶南緣的閉合,并發生造山后伸展作用。

興蒙造山帶是中亞造山帶在我國境內的部分,其位于西伯利亞板塊和華北板塊之間,是古亞洲構造域和古太平洋構造域的交匯部位,擁有著十分復雜的演化歷史,一直以來都備受國內外地質學家的關注(何國琦和邵濟安,1983;Li Jinyi,2006;Xiao Wenjiao et al.,2003,2015;Xu Bei et al.,2013;徐備等,2018;Zhou Hai et al.,2018)。多數學者認為古亞洲洋的閉合經歷了一個從西向東的剪刀式過程,在中亞造山帶西段的塔里木板塊北緣古亞洲洋閉合于晚石炭世(Han Yigui et al.,2016a,2016b;李皓東等,2022),在阿拉善地塊北緣閉合于早—中二疊世(Liu Qian et al.,2017;李皓東等,2022),而到東南段的興蒙造山帶則閉合于晚二疊世—早三疊世(Xiao Wenjiao et al.,2003,2009;Zhang Yanbin et al.,2004;Li Jinyi,2006;李錦軼等,2009;Liu Shen et al.,2010;Cao Huahua et al.,2013;Wilde,2015;Liu Yongjiang et al.,2017;李皓東等,2022)。但也有學者認為在興蒙造山帶古亞洲洋閉合于晚泥盆世—早石炭世(何國琦和邵濟安,1983;Tang Kedong,1990;邵濟安,1991;Xu Bei et al.,2013;邵濟安等,2015,2017),之后從中石炭世一直到晚二疊世整個興蒙造山帶都處于伸展構造背景(Zhang Xiaohui et al.,2008;Xu Bei et al.,2013;Zhao Pan et al.,2016a,b;徐備等,2018)。值得注意的是也有學者提出興蒙造山帶是在晚白堊世于陰山—燕山一帶碰撞閉合,而陰山—燕山一線至多數學者認為的“華北克拉通北緣”——白云鄂博—赤峰斷裂之間是古亞洲洋中的一個地體(呂洪波等,2018)?？梢姮F有的研究對興蒙造山帶的古亞洲洋閉合的時限存在不同的認識,特別是對于晚古生代—早中生代區域的構造背景最具爭議,解決上述爭議的關鍵點在于厘清晚古生代—早中生代興蒙造山帶的構造巖漿活動。在晚古生代—早中生代時期興蒙造山帶南緣產生了一系列的巖漿活動,形成了大量的花崗巖體,位于內蒙古中部的達茂旗東北部比旗格淖復式巖體即為其中之一。筆者等對內蒙古中部的比旗格淖復式巖體進行了系統的野外地質調查、LA-ICPMS鋯石U-Pb定年、地球化學和Sr—Nd同位素及鋯石Hf同位素研究。結合前人的研究結果,探討了比旗格淖復式巖體的成因和構造背景,為準確認識興蒙造山帶南緣晚古生代—早中生代的大地構造背景提供依據。

1 區域地質背景與巖體地質特征

研究區位于內蒙古中部,大地構造上位于興蒙造山帶的南緣,華北克拉通北緣增生帶(圖1a)。

圖1 (a)內蒙古中部大地構造示意圖(據Xiao Wenjiao et al.,2015修改); (b)達爾罕—茂明安聯合旗(達茂旗)地區地質簡圖,據(內蒙古地質調查研究院?)修改Fig.1 (a) Structural map of Central Inner Mongolia (modified from Xiao Wenjiao et al.,2015); (b) geological map of Darhan—Maoming’an Union Banner(Damao Banner) area (modified from Inner Mongolia Institute of Geological Survey?)

沿著白云鄂博—赤峰斷裂,華北克拉通北緣和白乃廟島弧之間出露了大量的奧陶紀—中三疊世的長英質巖漿巖?；鹕綆r有安山巖、英安巖、流紋巖和少量的玄武巖;侵入巖有閃長巖、石英閃長巖、英云閃長巖和花崗閃長巖,構成了沿白云鄂博—赤峰斷裂分布的巖漿巖帶(圖1b)。

比旗格淖復式巖體位于達爾罕—茂明安聯合旗(達茂旗)的東北部,平面上呈東西向展布的橢圓形,長約12 km,寬約8 km,出露面積約90 km2(圖2)。巖體南側和東側侵入奧陶紀閃長巖中,北側侵入石炭紀的閃長巖中,西側侵入到中元古代的英云閃長巖之中。比旗格淖復式巖體是由兩期巖漿侵入形成的復式巖體,第一期巖漿侵入形成花崗閃長巖,第二期巖漿侵入形成二長花崗巖,晚期被中酸性巖脈侵入。主體花崗閃長巖,出露面積約為80 km2,內部發育暗色微粒包體,從邊界向巖體內部逐漸減少;包體呈灰黑色,大小不均一(長約5 ～ 50 cm),形態上大部分呈渾圓狀,少部分呈拉長扁平的透鏡狀。補體二長花崗巖平面形態為東西向展布的透鏡狀,出露面積約為6 km2,未見暗色微粒包體。晚期侵入巖脈為花崗斑巖脈和石英閃長玢巖脈,呈東西向展布,寬2 ～ 3 m,單條脈體的長度可達6 km,切穿主體花崗閃長巖。

2 巖相學特征

主體花崗閃長巖:呈灰白色,塊狀構造,中?；◢徑Y構,主要由斜長石、石英、鉀長石、角閃石和少量黑云母組成。斜長石呈半自形板狀,常見聚片雙晶,部分具有環帶結構,結合垂直(010)晶帶最大消光角法及能譜分析確定斜長石牌號An=14 ～ 30,屬更長石,含量為45% ～ 50%;石英呈他形粒狀,含量為20% ～ 25%;鉀長石多為微斜長石,呈半自形板柱狀,含量為10% ～ 15%;角閃石為普通角閃石,呈自形柱狀,發育普通雙晶,少部分發生綠簾石化,含量為5% ～ 10%(圖3a)。結合顯微鏡與掃描電鏡的觀察統計,副礦物以鋯石、磷灰石、鈦鐵礦和榍石為主?；◢忛W長巖內部發育閃長質暗色微粒包體,包體呈似斑狀結構,斑晶以斜長石(主要為更長石—中長石,An=27 ～ 33,An平均值為31,含量15% ～ 20%)和角閃石(主要為普通角閃石,10% ～ 15%)為主?；|為半自形粒狀結構,由斜長石(主要為更長石,An=25 ～ 30,30% ～ 35%)、角閃石(15% ～ 20%)、黑云母(5% ～ 10%)和少量的石英和鉀長石組成(圖3b),副礦物主要以鋯石、針狀磷灰石、鈦鐵礦為主。

圖3 內蒙古達茂旗東北部比旗格淖復式巖體野外及鏡下照片:(a)(e)花崗閃長巖;(b)(f)花崗閃長巖中暗色微粒包體;(c)(g)二長花崗巖;(d)(h)石英閃長玢巖脈Fig.3 Field and microscopic photos of Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner : (a) (e) granodiorite; (b) (f) mafic microgranular enclave; (c) (g) monzogranite; (d) (h) quartz diorite porphyrite dyke Qtz—石英;Pl—斜長石;Mc—微斜長石;Bt—黑云母;Hbl—普通角閃石Qtz—quartz; Pl—plagioclase; Mc—microcline; Bt—biotite; Hbl—hornblende

補體二長花崗巖:呈淺肉紅色,塊狀構造,中?；◢徑Y構,主要由石英、鉀長石、斜長石以及少量黑云母組成。石英呈他形粒狀,含量為45% ～ 50%;鉀長石多為微斜長石,發育格子雙晶,含量為20% ～ 25%;斜長石呈自形板狀,常見聚片雙晶,An=12 ～ 23,屬更長石,含量為20% ～ 25%(圖3c),副礦物有鋯石、獨居石和少量的磷灰石和磁鐵礦。

石英閃長玢巖脈:樣品呈灰白色,塊狀構造,斑狀結構,斑晶以斜長石(主要為中長石,An=40 ～ 56,30% ～ 35%)和角閃石(主要為普通角閃石,5% ～ 10%)為主,斜長石斑晶呈自形板狀,具環帶結構;角閃石斑晶呈自形柱狀,局部綠簾石化?；|由斜長石(更長石,An=17 ～ 31,20% ～ 25%)、角閃石(10% ～ 15%)和少量的石英、黑云母和鉀長石組成(圖3d),副礦物主要以鋯石、針狀磷灰石、鈦鐵礦和榍石為主。

3 樣品分析方法

筆者等選擇具有代表性的花崗閃長巖及其中閃長質暗色微粒包體、二長花崗巖和石英閃長玢巖脈樣品,進行了鋯石U-Pb年齡、主量、微量元素及全巖Sr—Nd同位素和鋯石Hf同位素測試。

巖石樣品的前期處理以及鋯石分選工作在河北廊坊市宇恒礦巖技術服務有限公司完成。挑選出無裂縫、包體,以及晶形較好的鋯石制靶,并拍攝鋯石的陰極發光CL圖像,這一工作在內蒙古自治區地質調查院分析測試中心完成。鋯石LA-ICPMS鋯石U-Pb同位素測試和鋯石Hf同位素測試在內蒙古自治區地質調查院分析測試中心完成,采用的激光剝蝕系統為Geolas HD,ICPMS為Neptune Plus。激光剝蝕過程中采用氦氣作為載氣,氬氣為補償氣。鋯石U-Pb同位素測試采用的激光束斑直徑為32 μm,頻率為6 Hz,鋯石標樣采用GJ-1、91500及NIST 610作為內外標,同位素結果使用Andersen(2002)方法校正,數據處理采用ICPMSDataCal 9.0(Liu Yongsheng et al.,2010)完成,U-Pb年齡諧和圖和年齡加權平均圖用Isoplot完成(Ludwig,2003)。鋯石Hf同位素測試參照U-Pb定年的結果和鋯石CL圖像,分析點位盡量與U-Pb定年點位一致或者位于其附近,使用束斑直徑為50 μm,頻率為8 Hz。

全巖主量元素和微量元素分析測試在廣州澳實礦物實驗室完成,所有樣品均無蝕變或蝕變較弱,主量元素利用熔融法使用X射線熒光光譜儀(XRF)進行分析,微量元素采用電感耦合等離子質譜法(ICP-MS)分析。

全巖Sr—Nd同位素化學前處理和質譜測定在南京聚譜有限公司完成,其中二長花崗巖樣品(D11與D72)因為n(Rb)/n(Sr) >2.5只做了Nd同位素測定。使用的儀器為Nu Plasma II多接受等離子質譜儀,Sr—Nd同位素測試過程中分別采用n(86Sr)/n(88Sr)=0.1194和n(146Nd)/n(144Nd)=0.7219內部校正儀器質量分餾,NIST SRM 987(Sr同位素標準物質)和JNdi-1作為外標校正儀器漂移。并使用USGS地球化學標準巖石粉末BCR-2和BHVO-2作為質控盲樣,它們的n(87Sr)/n(86Sr)測試結果分別為0.705013±0.000010和0.703479±0.000020;n(143Nd)/n(144Nd)測試結果分別為0.512638±0.000015和0.512990±0.000010,在誤差范圍內與前人報道的數據一致(Weis et al.,2006)。

4 分析結果

4.1 LA-ICPMS鋯石U-Pb年齡

達茂旗東北部比旗格淖復式巖體中四件樣品花崗閃長巖(D27-2)、閃長質暗色微粒包體(D27-1)、二長花崗巖(D72)和石英閃長玢巖脈(D61)的LA-ICPMS鋯石U-Pb年齡結果如表1,鋯石的陰極發光圖像及測定點位和相應的n(206Pb)/n(238U)年齡及εHf(t)值見圖4,鋯石U-Pb諧和圖及平均年齡見圖5。

表1 達茂旗比旗格淖復式巖體鋯石U-Pb同位素數據Table 1 Zircon U-Pb isotopic data of Biqigenao complex

圖4 內蒙古達茂旗東北部比旗格淖復式巖體鋯石陰極發光圖Fig.4 Zircon cathodoluminescence images of Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner

圖5 內蒙古達茂旗東北部比旗格淖復式巖體鋯石U-Pb諧和圖Fig.5 Concordia plots for the analyzed zircon grains of Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner

花崗閃長巖(D27-2)、暗色微粒包體(D27-1)、二長花崗巖(D72)和石英閃長玢巖脈(D61)中鋯石的U含量分別為(214 ～ 764) ×10-6、(308 ～ 722) ×10-6、(419 ～ 689) ×10-6、(314 ～ 753) ×10-6,對應的n(Th)/n(U)值分別為0.31 ～ 0.50、0.34 ～ 0.66、0.32 ～ 0.66、0.30 ～ 0.58均落入巖漿鋯石范圍。

花崗閃長巖(D27-2)全部測點的(n=20)n(206Pb)/n(238U)年齡集中在253 ～ 277 Ma,n(206Pb)/n(238U)加權平均年齡為260±2 Ma (MSWD=3.1);暗色微粒包體(D27-1)全部測點的(n=16)n(206Pb)/n(238U)年齡集中在251 ～ 268 Ma,n(206Pb)/n(238U)加權平均年齡為260±2 Ma (MSWD=2.6),二者年齡基本相同;二長花崗巖(D72)全部測點的(n=8)n(206Pb)/n(238U)年齡集中在255 ～ 265 Ma,n(206Pb)/n(238U)加權平均年齡為259±2 Ma (MSWD=1.4),與主體花崗閃長巖基本一致;石英閃長玢巖脈(D61)全部測點的(n=24)n(206Pb)/n(238U)年齡集中在253 ～ 270 Ma,n(206Pb)/n(238U)加權平均年齡為260±2 Ma (MSWD=3.1),也與主體花崗閃長巖年齡一致。

4.2 鋯石Hf同位素

對完成U-Pb測年的鋯石,在原測點或附近完成了Lu—Hf同位素的測試,測試結果見表2。四件樣品的所有分析點n(176Lu)/n(177Hf)的值均小于0.002,表明由n(176Lu)衰變而形成放射性成因的Hf極少,因此可用n(176Hf)/n(177Hf)的值代表鋯石形成時的n(176Hf)/n(177Hf)的值(吳福元等,2007;Kinny and Maas,2003)。

表2 內蒙古達茂旗東北部比旗格淖復式巖體鋯石Hf同位素數據Table 2 Zircon Hf isotopic data of the Biqigenao complex in northeastern Damao Banner

主體花崗閃長巖(D27-2)16個分析點的n(176Hf)/n(177Hf)范圍為0.2825 ～ 0.2827,εHf(t)值變化范圍為-2.5 ～ 2.9(圖6),對應的Hf同位素兩階段模式年齡TDM2(Ma)為1432 ～ 1096 Ma。其中的暗色微粒包體(D27-1)15個分析點的n(176Hf)/n(177Hf)范圍為0.2825 ～ 0.2827,εHf(t)值變化較大,范圍為-2.8 ～ 3.4(圖6),對應的Hf同位素兩階段模式年齡TDM2(Ma)為1459 ～ 1057 Ma。

圖6 內蒙古達茂旗東北部比旗格淖復式巖體鋯石εHf(t)分布直方圖Fig.6 Zircon εHf(t) for distribution histogram of Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner

補體二長花崗巖(D72)8個分析點的n(176Hf)/n(177Hf)范圍為0.2825 ～ 0.2827,εHf(t)值分布較為集中,主要范圍為-3 ～ -0.1(圖6),對應的Hf同位素模式年齡TDM2(Ma)為1473 ～ 1286 Ma。只有4號點的εHf(t)大于0為2.2,對應的Hf同位素兩階段模式年齡TDM2(Ma)為1146 Ma。

石英閃長玢巖脈(D61)15個分析點的n(176Hf)/n(177Hf)范圍為0.2826 ～ 0.2826,εHf(t)值變化范圍較小,為-2.3 ～ 0.6(圖6),對應的Hf同位素兩階段模式年齡TDM2(Ma)為1425 ～ 1243 Ma。

4.3 全巖主量及微量元素

比旗格淖復式巖體的全巖主微量元素分析結果見表3。

表3 內蒙古達茂旗東北部比旗格淖復式巖體主量元素(%)、微量和稀土元素含量(×10-6)Table 3 Major (%), trace and rare earth elements (×10-6) contents in the Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner

主體花崗閃長巖,SiO2含量為66.37% ～ 68.70%,具有相對較低的全堿含量(Na2O+K2O=7.28% ～ 7.70%)和富鈉(Na2O/K2O=1.00 ～ 1.30)的特征,在K2O—SiO2圖解上投點落在高鉀鈣堿性系列區域(圖7a);具有較高的TFe2O3(3.49% ～ 4.72%)、MgO(0.95% ～ 1.27%)和CaO(2.53% ～ 3.18%)含量;A/CNK為0.99 ～ 1.01,屬于準鋁質—弱過鋁質巖石(圖7b)。

圖7 內蒙古達茂旗東北部比旗格淖復式巖體K2O—SiO2圖解(a)(底圖據Peccerillo and Taylor,1976); A/NK—A/CNK圖解(b)(底圖據Shand,1943)Fig.7 K2O—SiO2 diagram (after Peccerillo and Taylor,1976) (a) and A/NK—A/CNK diagram (after Shand,1943) of Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner (b)

花崗閃長巖中的暗色微粒包體,在所有樣品中具有最低的SiO2含量(61.28% ～ 64.97%)和全堿含量(Na2O+K2O=6.72% ～ 6.82%),富鈉(Na2O/K2O=1.56 ～ 1.86),在K2O—SiO2圖解上投點落在高鉀鈣堿性系列和鈣堿性系列區域(圖7a);具有最高的TFe2O3(5.78% ～ 7.29%)、MgO(1.78% ～ 2.19%)和CaO(3.62% ～ 4.10%)含量;A/CNK為0.95 ～ 0.96,屬于準鋁質巖石(圖7b)。

補體二長花崗巖,具有高的SiO2含量(71.51% ～ 73.09%)和全堿含量(Na2O+K2O=7.91% ～ 8.61%),相對更富鉀(Na2O/K2O=0.80 ～ 1.00),在K2O—SiO2圖解上投點落在高鉀鈣堿性系列區域(圖7a);TFe2O3、MgO和CaO的含量較低(TFe2O3含量1.66% ～ 2.61%;MgO含量0.05% ～ 0.46%;CaO含量0.74% ～ 1.50%),A/CNK為1.07 ～ 1.11,屬于弱過鋁質—強過鋁質巖石(圖7b)。

石英閃長玢巖脈,SiO2含量為65.71% ～ 66.90%,具有相對貧堿(Na2O+K2O=6.96% ～ 7.35%)和富鈉(Na2O/K2O=1.28 ～ 1.34)的特征,在K2O—SiO2圖解上投點落在高鉀鈣堿性系列區域(圖7a);具有較高的TFe2O3(4.37% ～ 5.05%)、MgO(1.06% ～ 1.37%)和CaO(2.96% ～ 3.38%)含量;A/CNK為1.00 ～ 1.03,屬于弱過鋁質巖石。

比旗格淖復式巖體稀土元素較低為84 ～ 133×10-6,表現為輕稀土相對富集,重稀土相對虧損的特征,球粒隕石標準化稀土元素分布圖上呈右傾式分布(圖8a);二長花崗巖具有明顯的重稀土虧損,呈明顯的右傾式分布,其LREE/HREE和(La/Yb)N值分別為15.12 ～ 16.88和38.27 ～ 42.29,其余樣品LREE/HREE和(La/Yb)N分別為7.65 ～ 13.60和7.91 ～ 18.19;二長花崗巖具有明顯的Eu負異常(δEu為0.33 ～ 0.37),而其他樣品則只有弱的或無Eu的負異常(δEu為0.69 ～ 1.03)。原始地幔標準化微量元素分布圖上(圖8b),比旗格淖復式巖體所有樣品均顯示明顯的Nb、Ti、P的虧損和Th、U、Pb的富集。二長花崗巖則還具有弱的Ba、Zr和重稀土的負異常以及Rb的正異常,總體上顯示出隨SiO2含量的增加P和Ti負異常逐漸強烈的趨勢。

圖8 達茂旗東北部比旗格淖復式巖體稀土元素配分圖(標準化值來自Anders and Grevesse,1989)(a)和不相容元素蛛網圖(標準化值來自Sun and McDonough,1989)(b)Fig.8 Rare earth element distribution pattern (normalization values from Anders and Grevesse,1989) (a) and incompatible trace elelment spidergram (normalization values from Sun and McDonough,1989) of Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner (b)

4.4 全巖Sr—Nd同位素

比旗格淖復式巖體的全巖Sr—Nd同位素組成分析結果見表4。分析結果表明,除補體二長花崗巖的兩個樣品(D72和D11),其余樣品的[n(87Sr)/n(86Sr)]i分布范圍為0.704829 ～ 0.705327,主體花崗閃長巖的[n(87Sr)/n(86Sr)]i平均值為0.705232,暗色微粒包體與石英閃長玢巖脈的[n(87Sr)/n(86Sr)]i則比較接近,平均值分別為0.704838和0.704876。四件樣品[n(143Nd)/n(144Nd)]i的分布范圍為0.511849 ～ 0.512004,εNd(t)的范圍為-5.85 ～ -8.86,補體二長花崗巖具有更富集的Nd同位素特征,εNd(t)平均值為-8.68;花崗閃長巖的相對于其中的包體具有更虧損的Nd同位素特征,兩者的εNd(t)平均值分別為-6.29、-6.48;石英閃長玢巖脈的εNd(t)則介于花崗閃長巖與二長花崗巖之間平均值為-7.06。

表4 內蒙古達茂旗東北部比旗格淖復式巖體全巖Sr—Nd同位素分析數據Table 4 Sr—Nd isotope data of the Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner

5 討論

5.1 成巖時代

關于比旗格淖復式巖體的成巖時代,野外填圖時將其定為侏羅紀(內蒙古自治區地質調查研究院,2003),后來張維等(2010)對巖體的花崗閃長巖及其中包體進行了SHRIMP鋯石U-Pb定年,兩者的年齡分別為245±1 Ma和239±2 Ma,將其成巖時代定為三疊紀。本文的LA-ICPMS鋯石U-Pb定年結果顯示,比旗格淖復式巖體花崗閃長巖及其中的包體、二長花崗巖和石英閃長玢巖的加權平均年齡分別為259±2 Ma (MSWD=3.1)、260±2 Ma (MSWD=2.6)、259±2 Ma (MSWD=1.4)和260±2 Ma (MSWD=3.1),四者的年齡在誤差范圍內一致,是因為巖體兩期侵入在短時間內陸續完成,而石英閃長玢巖脈的年齡與巖體一致說明其是同侵入巖脈。綜上,筆者等將比旗格淖復式巖體的成巖時代定為晚二疊世,與區域內的鑲黃旗八音察汗黑云花崗閃長巖體(261.7±6.1 Ma)及二長花崗巖(262.7±6.0 Ma,童英等,2010)、白云鄂博二長花崗巖(263±4 Ma,范宏瑞等,2009)、四子王旗大廟花崗閃長巖體(265±7 Ma,章永梅等,2009)及北極各正長花崗巖體(264.0±3.4 Ma,柳長峰等,2010)、烏拉特后旗的東升廟白云母二長花崗巖體(259.4±3.3 Ma,吳亞飛等,2013)以及敖包圖鉀長花崗巖(259.0±2.6 Ma,吳迪迪等,2021)的形成時代顯示出了較好的一致性。

5.2 巖石成因類型

比旗格淖復式巖體的花崗閃長巖及其中的包體和石英閃長玢巖脈屬中酸性、準鋁質—弱過鋁質高鉀鈣堿性巖石,富集大離子親石元素,虧損高場強元素和重稀土元素,在TFeO/MgO—Zr+Nb+Ce+Y、(Na2O+K2O)/CaO—Zr+Nb+Ce+Y和Na2O+K2O)/CaO—10000×Ga/Al圖解上(圖9)都落在未分異M、I、S型花崗巖區域或I&S型花崗巖區域,巖相學的分析結果三者都含有角閃石,角閃石是I型花崗巖的標志性礦物,表明它們都屬于I型花崗巖。比旗格淖復式巖體的補體二長花崗巖,屬高鉀鈣堿性、弱過鋁質巖石,具有某些A型花崗巖的特征,在TFeO/MgO—(Zr+Nb+Ce+Y)(圖9a)和Na2O+K2O)/CaO—10000×Ga/Al圖解上(圖9c)落在A型花崗巖區域,但是其低的Zr含量(平均值為83×10-6)以及鋯石飽和溫度(平均值為739 ℃)證明其不屬于A型花崗巖(King et al.,1997)。同時在(Na2O+K2O)/CaO—(Zr+Nb+Ce+Y)圖解上(圖9b),二長花崗巖樣品大部分落在了分異花崗巖區域,因此可以判斷二長花崗巖不屬于A型花崗巖,應該為分異的I型或S型花崗巖,其具有某些A型花崗巖的特征則是因為隨著巖漿分異程度的增加Ga/Al和TFeO/MgO的值也會逐漸升高而落入A型花崗巖區域(Breiter et al.,2014;Liao Xiangdong et al.,2019;Linnen and Cuney, 2005;Whalen et al.,1987)。研究發現可以利用A/CNK、P2O5和SiO2的相關性來區分I型和S型花崗巖,在A/CNK—SiO2和P2O5—SiO2圖解上(圖10),比旗格淖復式巖體的所有樣品都顯示出I型花崗巖的趨勢(Chappell,1999;李獻華等,2007),因此筆者等認為比旗格淖復式巖體二長花崗巖屬于分異的I型花崗巖,花崗閃長巖及其中的包體和石英閃長玢巖脈屬于未分異的I型花崗巖。符合研究區同時期以高鉀鈣堿性I型(柳長峰等,2010;羅紅玲等,2010;王師捷等,2018;王挽瓊等,2013;Liao Xiangdong et al.,2019)和A型花崗巖(蔣孝君等,2013;柳長峰等,2011;羅紅玲等,2009;施光海等,2004;Ling Mingxing et al.,2014;Zhou Hai et al.,2019)為主的特征。

圖9 達茂旗東北部比旗格淖復式巖體A型花崗巖判別圖解(底圖據Whalen et al.,1987)Fig.9 A type granite discrimination diagrams for Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner (after Whalen et al.,1987)FG—分異的長英質花崗巖; OTG—未分異的M、I、S型花崗巖;FG—Differentiated felsic granite; OTG—undifferentiated M-, I-, S-type granite

圖10 達茂旗東北部比旗格淖復式巖體A/CNK—SiO2圖解(a)和P2O5—SiO2圖解 (b)(I型和S型花崗巖趨勢線據Chappell,1999)Fig.10 A/CNK—SiO2 correlation diagram (a) and P2O5—SiO2 correlation diagram of Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner (b) (after Chappell,1999)

5.3 巖漿演化與源區性質

比旗格淖復式巖體主體花崗閃長巖中發育大量的暗色微粒包體,這些暗色微粒包體蘊含著豐富的關于巖漿起源和演化的重要信息(Didier and Barbarin,1991; Coombs et al.,2003;汪相,2023)。對于暗色微粒包體的形成機制目前存在以下幾種觀點:①早期結晶形成的堆晶體(Xiao Yuanyuan et al.,2020;Zhang Shuanhong and Zhao Yue,2017);②源區難熔殘留體或圍巖捕虜體(Chappell et al.,2012;Maas et al.,1997);③巖漿混合成因(莫宣學,2011;Feeley et al.,2008)。比旗格淖復式巖體暗色微粒包體與花崗閃長巖的年齡在誤差范圍內一致,不支持殘留體成因;包體的粒度小于寄主巖石以及更大的n(Rb)/n(Sr)值和更明顯的Eu負異常,不支持早期結晶的堆晶體成因,因為隨著巖漿分異作用的進行n(Rb)/n(Sr)和Eu負異常逐漸增大,早期結晶的堆晶體應該具有更低的n(Rb)/n(Sr)值和更弱的Eu負異常(Gelman et al.,2014;Halliday et al.,1991;Jung et al.,2000)。而包體的淬冷、塑性以及與寄主巖一致的年齡都是巖漿混合的特征(Hibbard,1991)。因此筆者等認為比旗格淖復式巖體暗色微粒包體是由基性與酸性巖漿混合形成。

比旗格淖復式巖體中的花崗閃長巖與石英閃長玢巖脈具有相似的礦物組合和微量元素及稀土元素配分模式(圖7),且鋯石U-Pb年齡在誤差范圍內一致,說明兩者可能具有相同的巖漿源區。比旗格淖復式巖體花崗閃長巖與二長花崗巖Nb、P、Ti的明顯虧損以及高鉀鈣堿性的特征反映了其源區的陸殼性質。補體二長花崗巖較其他樣品具有強烈虧損重稀土和具有明顯的Eu負異常的特征,說明其源區有石榴子石和斜長石殘留。

鋯石Hf同位素可以反應巖漿源區的性質和特征(吳福元等,2007;Griffin et al.,2002;Yang Jinhui et al.,2007),比旗格淖復式巖體的鋯石Hf同位素結果顯示,暗色微粒包體的εHf(t)值分布在正值和負值之間(-2.8 ～ 3.4),相差6個ε單位(圖11a),如此分散的鋯石Hf同位素特征說明其源區成分復雜或者為幔源巖漿與殼源巖漿混合形成(劉亮等, 2011;Andersen et al.,2007;Cherniak et al.,1997;Griffin et al.,2002)?；◢忛W長巖和石英閃長玢巖脈的εHf(t)值也分布在正值和負值之間,但變化范圍相較于暗色微粒包體較小,暗示其受地幔物質影響的程度較小。二長花崗巖εHf(t)值主要集中在0以下,且具有最老的二階段模式年齡(1473 ～ 1146 Ma),暗示其為來源為古老地殼的部分熔融。比旗格淖復式巖體鋯石Hf同位素對應的二階段模式年齡為1473 ～ 1057 Ma,而此地區的基底巖石的二階段Hf年齡為2142 ～ 1920 Ma(馬云飛等,2022),比旗格淖復式巖體與基底巖石相比具有更低的模式年齡,說明巖體的形成過程中可能有虧損地幔物質的參與。在εHf(t)—t圖解上(圖11a)上,比旗格淖復式巖體大部分樣品的εHf(t)值都位于球粒隕石演化線附近,這一特征與白乃廟島弧二疊紀的巖漿巖特征一致(王文龍等,2020;Liao Xiangdong et al.,2019;Zhang Shuanhong et al.,2016;Zhou Hai et al.,2018),說明可能來自于同一源區且都有虧損地幔組分的參與。

圖11 (a)達茂旗東北部比旗格淖復式巖體鋯石εHf(t)—t關系圖; (b)全巖εNd(t)—[n(87Sr)/n(86Sr)]i關系圖Fig.11 εHf(t)—t correlation diagram (a) and εNd(t)—[n(87Sr)/n(86Sr)]i correlation diagram (b) of Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner

全巖Sr—Nd同位素的結果顯示(圖11b),比旗格淖復式巖體暗色微粒包體與石英閃長玢巖脈具有較低的n(87Sr)/n(86Sr)初始值(0.704799 ～ 0.704953)(圖11b),說明它們兩者的形成可能是地殼和地幔物質共同參與的結果。與它們相比花崗閃長巖具有較高的的n(87Sr)/n(86Sr)初始值(0.705137 ～ 0.705327),說明其源區可能為陸殼。二長花崗巖具有最低的εNd(t)值(平均值為-8.68)和最大的Nd模式年齡(平均值為1.68 Ga)與Hf二階段模式年齡,更低的Sr含量和更高的n(Rb)/n(Sr)值(表4),都說明其為來源于古老地殼物質的重熔?；◢忛W長巖與其中的暗色微粒包體以及石英閃長玢巖的εNd(t)值集中在-5.85 ～ -7.24,兩階段的Nd模式年齡分布在1.55 ～ 1.45Ga之間(圖11b),表明其源區主要為中元古代地殼物質,且在形成過程中有地幔物質參與。

5.4 構造背景

多數學者的研究表明在內蒙古中部,古亞洲洋向華北克拉通的俯沖從石炭紀一直持續到早二疊世,形成了一系列的鈣堿性的弧巖漿巖(石玉若等,2004;張拴宏等,2010;張艷飛等,2022;Chen Bin et al.,2000;Shi Yuruo et al.,2016;Tian Dexin et al.,2018;Zhang Shuanhong et al.,2009)。研究區晚三疊紀的巖漿巖以堿性花崗巖和A型花崗巖為主,標志著研究區處于造山后的伸展階段(石玉若等,2007;Hu Chuansheng et al.,2015;Yang Jinhui et al.,2012)。越來越多的學者認為在內蒙古中部古亞洲洋于晚二疊世—早三疊世閉合(李錦軼等,2009;劉永江等,2019;Liu Yongjiang et al.,2017; Wilde,2015;Wu Fuyuan et al.,2011;Zhang Shuanhong et al.,2009),此時研究區的構造環境經歷了從俯沖到碰撞及碰撞后轉變(董曉杰等,2016;Li Shan et al.,2017;Schulmann and Paterson,2011;汪相,2018)。

研究區這一時期的巖漿巖以高鉀鈣堿性I型和A型花崗巖為主,且較石炭紀—早二疊世的巖漿巖表現出εHf(t)存在少量正值的分布的特征(王文龍等,2020;Liao Xiangdong et al.,2019;Zhang Shuanhong et al.,2016;Zhou Hai et al.,2018),表明有地幔物質的加入,暗示I型花崗巖可能是殼?；旌系慕Y果,A型花崗巖則可能是由地幔物質上涌引發陸殼物質部分熔融而形成,反映了研究區從俯沖增生到后碰撞伸展的構造轉變。邱檢生等(1999)在對燕山晚期浙閩沿海I型—A型復合型花崗巖的研究中提出了相似的看法,他們認為燕山晚期浙閩沿海I型—A型復合型花崗巖是由區域構造應力、斷裂構造、幔源巖漿卷入和巖漿分異演化多種因素綜合作用的結果,反映了構造環境由擠壓轉向拉張。

最近的研究結果表明,研究區在275 ～ 255 Ma發生了從俯沖增生到后碰撞伸展構造轉變(Zhou Hai et al.,2019),也有學者認為這一轉變所需時間更長,發生在285 ～ 235 Ma(吳迪迪等,2021)。而比旗格淖復式巖體的形成年齡為259 Ma,處于俯沖增生到后碰撞伸展構造轉變過程的中后期,此時區域上可能已經發生了局部的構造伸展。與之對應的是,在Rb—(Y+Nb)構造判別圖上(圖12),比旗格淖復式巖體所有樣品都落在后碰撞花崗巖區域,以及與巖體近同期的東西向的石英閃長玢巖脈和花崗斑巖脈,都說明了巖體形成于后碰撞伸展環境。

圖12 達茂旗東北部比旗格淖復式巖體Rb—(Y+Nb)構造判別圖(底圖據Pearce et al.,1983)Fig.12 The discrimination diagrams for Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner (after Pearce et al.,1983)VAG—火山弧花崗巖;ORG—洋中脊花崗巖;WPG—板內花崗巖;Syn-COLG—同碰撞花崗巖;POG—碰撞后花崗巖VAG—volcanic arc granite; ORG—ocean ridge granite; WPG—within-plate granite; Syn-COLG—syn-collisional granite;POG—post-collisional granite

6 結論

(1)鋯石U-Pb定年的結果顯示,位于內蒙古中部達茂旗東北部比旗格淖復式巖體形成于晚二疊世,形成年齡為259±2 Ma。

(2)達茂旗東北部比旗格淖復式巖體主體花崗閃長巖及其中的暗色微粒包體和石英閃長玢巖脈富含角閃石,準鋁質—弱過鋁質,屬于I型花崗巖;二長花崗巖具有高SiO2、低P2O5和鋯石飽和溫度,屬于I型花崗巖,可能經歷了一定程度的結晶分異。

(3)比旗格淖復式巖體主體花崗閃長巖和石英閃長玢巖脈為底侵虧損地幔巖漿引發地殼物質部分熔融產生,產生過程中有虧損地幔物質的參與;花崗閃長巖中的暗色微粒包體則為兩者混合產生;補體二長花崗巖形成過程中地幔物質參與較少,其源區存在石榴子石和斜長石殘留。

(4)比旗格淖復式巖體的巖石學和地球化學特征表明,其屬于后碰撞花崗巖,此時研究區處于后碰撞伸展環境。

致謝:本項目的研究得到了內蒙古自治區地質調查院的大力支持,特別感謝張永軍師傅和肖劍偉博士在野外工作以及鋯石分析測試給予的幫助,同時感謝審稿專家和編輯提出的寶貴意見和建議。

注 釋 / Notes

? 內蒙古自治區地質調查研究院. 2003. 內蒙古自治區白云鄂博幅1∶25萬地質圖.

? 內蒙古自治區地質調查研究院. 2019. 內蒙古自治區推喇嘛廟幅1∶5萬地質圖.