阿拉善北部諾爾公地區早二疊世輝長巖LA—ICP—MS鋯石U—Pb年齡、地球化學特征及成因

肖進 孫萍 徐琳

摘要：內蒙古西部阿拉善諾爾公地區陸緣巖漿弧中的巖漿巖，前人的研究主要集中在酸性侵入巖上，對基性巖研究較少，本文重點研究了基性輝長巖的產出時代、巖相特征、巖石地球化學特征及其成因進行了研究和探討。從輝長巖中分離出單礦物鋯石，用U-Pb法測試其同位素年齡值為275.5±1.8Ma，屬于華力西晚期早二疊世。巖石地球化學特征屬鈣堿性——堿性巖系列，巖石稀土元素曲線呈平緩的右傾型顯示輕重稀土分餾程度不高，銪無明顯虧損?；詭r漿源來自地幔，在上升侵位過程中，明顯受到殼源物質的混雜。

關鍵詞：輝長巖；鋯石U-Pb年齡；早二疊世；地球化學特征；阿拉善

研究區位于內蒙古西部阿拉善地區，大地構造位置處于華北板塊北緣西段。阿拉善北部地區的恩格爾烏蘇蛇綠混雜巖帶普遍被認為是古亞洲洋（塔里木板塊）向南俯沖與華北板塊拼合的位置，且碰撞閉合發生在二疊紀—三疊紀[1-5]?？p合帶南側發育兩條重要的構造巖漿巖帶：一個是在華北古陸撕裂出去的破碎陸塊的基礎上發育的具陸殼基底的火山弧，即宗乃山——沙拉扎山巖漿弧，一個是在華北古陸一側所發育的雅布賴——巴音諾爾公陸緣巖漿弧[4]。而研究區正好位于雅布賴——巴音諾爾公陸緣巖漿弧中部（圖1），區內大面積出露前寒武紀基底巖系和華力西期、印支期侵入巖，以及二疊紀中酸性火山巖。

前人對諾爾公地區侵入巖的研究主要集中在酸性侵入巖上，而對于基性侵入巖研究較少[5-11]。而輝長巖一般是由玄武質巖漿結晶而成的，大多為地幔巖石熔融的產物，是下地殼及殼幔邊界重要的物質組成。故而通過對輝長巖的年代學、元素地球化學和同位素地球化學的研究，能夠有效的探索巖漿起源和構造演化特征。本文選取阿拉善北部諾爾公地區輝長巖為研究對象，進行了年代學、地球化學特征分析，并對其成因進行了探討。

1. 地質概況

諾爾公位于內蒙古阿拉善北部地區，地處阿拉善微陸塊陸緣區。區內出露地層主要包括長城系增隆昌組；薊縣系阿古魯；下二疊統蘇吉組；白堊統廟溝組。研究區侵入巖及火山巖分布十分廣泛。

2. 巖體地質和巖相學

輝長巖主要零星分布在諾爾公以南呼吉爾圖、文其格哈沙、都爾勒吉一帶，被二疊紀正長花崗巖、二長花崗巖、堿長花崗巖等巖體侵入接觸（圖2），在諾爾公東側巴勒子格拉處侵入長城系增隆昌組地層中，圍巖發育寬約3m～5m的黑云母接觸變質帶。侵入體數量較多，以巖瘤等形態產出，出露面積最小者不足0.1km2，最大者約2.35km2。巖體受后期巖漿活動破壞，接觸邊界常呈不規則鋸齒狀，并可見晚期巖體呈巖枝狀侵入其中。

輝長巖呈深灰色-灰黑色細粒輝長結構、塊狀構造，礦物成分主要有斜長石（60%～67%）、輝石（30%～35%），副礦物為鋯石、磷灰石、角閃石，金屬礦物主要為磁鐵礦。其中斜長石，在鏡下呈無色，自形-半自形粒柱狀，或長條狀，粒度0.4mm～2mm，聚片雙晶發育，蝕變較強，具粘土化、絹云母化；輝石：鏡下呈無色或淺綠色，正突起高，粒度不均勻，一般0.2mm～1mm，呈斑狀或粒狀，部分為柱狀，解理發育，表面有綠泥石化，部分顆粒有黑云母交代及纖閃石假象。

3. 樣品概況及測試方法

3.1 樣品概況

鋯石U-Pb測年樣品巖性為輝長巖，呈細粒輝長結構，塊狀構造，主要由斜長石（65%）、輝石（31%）、角閃石（2%）、磁鐵礦（2%）及少量的磁鐵礦等組成。采樣位置為北緯39°56′42″、東經104°47′20″（圖1）。

3.2 分析方法

鋯石單礦物分離是在四川省地礦局區域地質調查隊測試中心完成，將原巖樣品粉碎，經常規重選和電磁選后，在雙目鏡下挑選鋯石。挑選晶型和透明度較好的鋯石顆粒制備環氧樹脂靶。對環氧樹脂靶上的鋯石先后進行透射光、反射光和陰極發光顯微拍照。選取內部無包裹體、無裂痕、成分較均勻的鋯石進行測年分析。鋯石顯微拍照和U-Th-Pb同位素分析是由西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成。

鋯石U-Th-Pb同位素分析利用193nm準分子激光剝蝕系統（GeoLas）與MC-ICPMS和Q-ICPMS聯用，激光剝蝕的干氣溶膠按照1∶3的分配系數導入到Q-ICPMS和MC-ICPMS，分別進行U-Pb定年、Hf同位素分析和微量元素含量分析。詳細的實驗原理和流程見參考文獻[12]。

樣品主量元素、微量元素、稀土元素分析是在國土資源部武漢礦產資源監督檢測中心完成。氧化物用高分辨全譜直讀電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-AES）分析，燒失量根據點火后在1000℃時的重量差別測定；稀土元素和微量元素用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）分析測定。

4. 測試結果

4.1 鋯石定年

樣品中鋯石晶體形態以復四方柱為主，外觀可見有長柱狀和短柱狀之分，鋯石多為半透明狀，晶體形態復雜，部分晶體具熔蝕現象，少量晶體在樣品加工過程中形成斷頭晶。樣品中絕大部分晶體邊部發育有連續的環帶，具有巖漿鋯石的特征（圖3）。對該樣品共分析了19個測點（表1），鋯石的Th含量變化范圍為14.95×10-6～553.96×10-6，U含量變化范圍為33.97×10-6～448.63×10-6，Th/U比值為0.44-1.73，Th/U比值都大于0.4，反映為巖漿鋯石特征。樣品207Pb/235U年齡分布范圍為290Ma～339Ma，主要集中在306Ma～323Ma之間；206Pb/238U年齡分布范圍為274.1Ma～294.1Ma，主要集中在274Ma-280Ma之間，加權平均年齡為275.5±1.8Ma，置信度95%，MSWD=0.65（n=19）。因此，可認為阿拉善北部諾爾公地區輝長巖的形成時代為早二疊世。

4.2 地球化學特征

4.2.1 主量元素

本次在諾爾公地區共采集8件輝長巖樣品，分析結果見表2。從分析結果可見輝長巖化學成分中SiO2百分含量均較低：47.42～50.96，平均48.68；TiO2百分含量為1.42～2.92，平均1.92，與中國基性巖平均值[13]2.08相比較低，屬于低鈦巖石；Al2O3百分含量為13.76～15.93，平均14.71，與中國基性巖平均值14.9接近，屬于低鋁巖石。TFe百分含量10.19～15.99，平均11.96，略低于中國基性巖平均值11.78。MgO百分含量為2.58～7.53，平均5.63，FeO/（FeO+MgO）分子比值0.58～0.86，偏鐵質。Na2O+K2O百分含量為3.5～5.59，平均4.3，低于中國基性巖平均值5.02，K2O/（Na2O+K2O）分子比值為0.11～0.26，屬鈉質巖。巖石里特曼指數（σ）介于2.43～3.93之間，為鈣堿性——堿性巖系列，在堿度率圖解上主要投在堿性巖區中。鋁飽和指數A/NKC比值為0.59～0.73，A/NK比值為1.96～2.8，屬準鋁質巖石（圖4）。分異指數DI為27.4～43.74，顯示為較低的結晶分異程度。

4.2.2 稀土元素

輝長巖稀土元素分析結果見表2，巖石稀土總量∑REE為169.84×10-6～416.17×10-6，平均268.23×10-6；輕重稀土比值5.07-10.43，平均7.5；屬于輕稀土富集，相應的曲線呈右傾型。δEu為0.79-1.22，銪異常不明顯，特征值（La/Yb）N介于4.47～12.52，表明稀土元素分餾程度不高。

4.2.3 微量元素

相對于維氏（1962）微量元素平均值，輝長巖中大離子親石元素Sr富集系數為1.56～2.26，Ba富集系數為1.19～3.3，呈明顯富集。高場強元素中Zr在富集系數為1.1～8.89，Hf富集系數為1.79～14.27，均呈強烈富集。過渡元素V富集指數為2.17～7.47；Ti除個別虧損外，多數呈明顯富集，富集指數為4.07～8.38；Sc富集系數為1.49～4.21，均呈明顯富集。而Cs、Rb、Nb、Ta、Th、Cr、Co、Ni、U等元素多呈明顯虧損。

5. 討論

5.1 巖石形成年齡

早期1∶20萬區調，對研究區東側南吉蘭泰附近的額爾登哈爾輝長巖進行了全巖同位素分析，獲得的年齡為450Ma，因而初步確定該地區輝長巖形成于早古生代②。張磊等（2013）對研究區北東陶豪托西圈輝長巖進行鋯石U-Pb測年，活動的年齡為276Ma～275Ma[5]。本次獲得的年齡為275.5±1.8Ma，與之較吻合，說明區內輝長巖形成于早二疊世晚期，而非早古生代。

5.2 巖漿起源

研究表明Nb與Ta、Zr與Hf是地球化學性質相近的不相容元素，在巖漿部分熔融及結晶過程中不發生分異[14]，但是在遭受來自消減板片流體或熔體改造的地幔中，將發生明顯的分異。區內巖石的Nb/La比值較低（0.23～0.73），表明巖體源區有部分陸殼物質參與，Nb/Ta比值為11.02～27.66，平均15.44，相比于幔源巖石（17.5±2，Hofmann，1988；Green，1995）和陸殼巖石（11左右，Taylor and McLennan，1985；Green，1995）跨度變化較大，更接近于陸殼巖石，表明巖漿為幔源和陸殼混合成因；Zr/Hf比值為18.75～29.37，平均24.4，相比于幔源巖石（36.27±2.0，Hofmann，1988；Green，1995）和殼源巖石（33左右，Taylor and McLennan，1985； Green，1995），總體更接近于殼源巖石。以上特征表明該巖體可能主要為幔源巖漿和陸殼物質部分熔融形成，且與深俯沖作用有關。

基性巖（輝長巖）的Th/Ta值為3.26～7.57，平均4.89，相比于原始地幔的Th/Ta值（2或3）和大陸地殼的Th/Ta值（10，Sun.et.al，1989），基性巖變化跨度大，表明幔源巖漿受到了地殼的混染。區內基性巖在Ta/Yb-Th/Yb圖解中主要投在虧損——富集端元過渡區及邊緣（圖5），表明區內玄武質巖漿主要源自過渡地幔的部分熔融，并有陸殼物質混染。

此外，該地區較多的鎂鐵質巖及鎂鐵質暗色包體發育，且暗色包體與花崗巖、輝長巖顯示出具有相似的地球化學特征和Nd、Hf同位素特征[εHf（t）值主要為-16～-8，Hf地殼模式年齡為1.8Ga-2.2Ga]，指示其源區物質組成相似[10]。說明幔源物質參與了花崗巖的形成，是由繼承了混合源區的兩種巖漿發生巖漿混合作用而成，即從源區到侵位多階段的混合和混染。

上述表明區內基性巖玄武質巖漿源于過渡地幔，并受到陸殼混染。

關于玄武質巖漿是否為幔源巖漿分離結晶形成。前人研究表明，在微量元素的La-La/Sm圖中，平衡部分熔融的軌跡表現為“斜線”，而分離結晶作用表現為“水平線”[14-17]。本區中基性巖在La-La/Sm圖中除一個樣品偏離，其余近于直線分布（圖6），且TiO2含量在1.42%～2.92%之間，平均1.92%，明顯高于活動大陸邊緣玄武巖（0.85%）[18]，暗示區內基性巖主要通過分離結晶作用形成。基性巖中Cr含量為39.63×10-6～217.1×10-6（平均為109.65×10-6），Ni=0.38×10-6～76.41×10-6（平均為33.86×10-6），二者的值都遠低于原始巖漿值（Cr>1000×10-6，Ni>400×10-6～500×10-6）[16]，表明本區基性巖是原始巖漿強烈演化后的產物。而基性巖不具有Eu的負異常，暗示巖漿在演化過程中斜長石的分離結晶作用不明顯，推測巖漿分異作用發生在較深的層位。

6. 結論

（1）諾爾公地區輝長巖的形成時代為275.5±1.8Ma，相當于早二疊世。巖石地球化學特征表明輝長巖輕重稀土分餾程度不高，銪異常不明顯，富集大離子親石元素Sr、Ba；高場強元素中Zr、Hf和過渡元素V等，而Cs、Rb、Nb、Ta、Th、Cr、Co、Ni、U等元素多明顯虧損。

（2）區內基性巖漿來源于過渡地幔，基性玄武質巖漿為幔源巖漿分離結晶形成，在巖漿上升侵位過程中受到明顯的陸殼物質混染。

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② 寧夏計委地質局.中華人民共和國區域地質調查報告（慶格勒圖幅，1∶20萬）.1976.