內蒙古西烏旗晚石炭世–早二疊世伸展事件—— 來自大石寨組火山巖的證據

李紅英, 周志廣, 李鵬舉, 張　達, 柳長峰,陳　誠, 陳利貞, 谷叢楠(.四川理工學院 經濟學院, 四川 自貢 6000; .中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院, 北京 0008; .河北省區域地質礦產調查研究所, 河北 廊坊 065000; .天津華北地質勘查局, 天津 0070)

內蒙古西烏旗晚石炭世–早二疊世伸展事件—— 來自大石寨組火山巖的證據

李紅英1, 周志廣2*, 李鵬舉1, 張達2, 柳長峰2,陳誠2, 陳利貞3, 谷叢楠4
(1.四川理工學院 經濟學院, 四川 自貢 643000; 2.中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院, 北京 100083; 3.河北省區域地質礦產調查研究所, 河北 廊坊 065000; 4.天津華北地質勘查局, 天津 300170)

內蒙古西烏旗地區發育一套中酸性火山巖, 空間展布特征顯示其為大石寨組火山巖的西延部分。為查明該火山巖的形成時代及構造屬性, 對其進行了巖石學、年代學和巖石地球化學研究。研究結果表明該火山巖主要由安山巖及流紋巖組成。鋯石LA-MC-ICP-MS U-Pb定年結果顯示其噴發時代為275～311 Ma, 屬晚石炭世–早二疊世。巖石地球化學特征表明中性巖富鈣貧鎂, 富集LREE及K、Rb、Ba, 虧損Nb、Ta, 具有弱Eu異常, 安山質巖漿可能是由基性巖漿分離結晶形成的, 但在形成過程中受到了陸殼物質混染。酸性巖貧鈣鎂, 富硅堿, 具有顯著的Eu負異常, 虧損Nb、Ta、Sr、P、Ti, 反映巖石成因與中下地殼的熔融及其后期的分離作用有關。在構造判別圖解中, 中性巖具有板內玄武巖特征, 而酸性巖具有A2型花崗巖特征。結合區域已發表資料推斷, 西烏旗大石寨組火山巖形成于造山后伸展環境, 暗示古亞洲洋至少在早二疊世之前已經閉合。

年代學; 巖石地球化學; 構造意義; 大石寨組; 西烏旗; 古亞洲洋

0　引　言

興蒙造山帶是西伯利亞板塊與華北板塊之間的一條巨型復合造山帶(Seng?r et al., 1993; Windley et al., 2007; Xu et al., 2013), 屬于中亞造山帶東段(Xiao et al., 2003), 顯生宙以來經歷了島弧、弧前或弧后盆地、各微陸塊及洋殼的碰撞拼合(Seng?r et al., 1993; Xiao et al., 2003; Li, 2006), 以大規模年輕地殼增厚為特征(唐克東, 1989; Hong et al., 1996; Jahn et al., 2009; Zhang et al., 2014)。研究興蒙造山帶內出露的古生代巖漿巖可以為探討地殼增生方式和興蒙造山帶的演化提供有力證據(Jian et al., 2008; Zhang et al., 2009; Wu et al., 2011; Liu et al., 2013; Zhang et al., 2014)。大石寨組火山巖是內蒙古東部出露面積最大的晚古生代火山巖, 對它的研究為探討晚古生代古亞洲洋的演化提供了重要證據(唐克東, 1989;岳永君和何國琦, 1993; 蘇養正, 1996; 高德臻和蔣干清, 1998; 呂志成, 2002; 陶繼雄等, 2003; 趙芝, 2008; Zhang et al., 2008, 2014; 劉建峰, 2009; 陳彥等, 2014)。

對于大石寨組火山巖的形成背景存在較大爭議,有學者認為其形成于裂谷、裂陷槽環境或造山后的伸展背景下, 暗示古亞洲洋在早二疊世之前已經閉合(唐克東, 1989; 岳永君和何國琦, 1993; 蘇養正, 1996; Zhu et al., 2001; 呂志成等, 2002; Zhang et al., 2008; 晨辰等, 2012); 也有學者認為它是島弧或活動大陸邊緣弧背景下的產物(高德臻和蔣干清, 1998; 陶繼雄等, 2003; 趙芝, 2008; 劉建峰, 2009),支持這一觀點的學者認為古亞洲洋閉合時間晚于早二疊世。

本文報道了西烏旗地區大石寨組火山巖巖石學、巖石地球化學及鋯石U-Pb年代學特征, 并對其形成時所處的大地構造背景進行討論, 為準確厘定火山巖巖石組合、約束其形成時代、探討古亞洲洋的閉合時間及興蒙造山帶的演化提供了新的依據。

1　地質背景與巖石學特征

西烏旗地處興蒙造山帶的中段, 夾持于二連–賀根山斷裂與索倫山–西拉木倫河斷裂之間(圖 1a),屬于晚古生代褶皺帶(Zhu et al., 2001)。區內出露的最老地層為上石炭統本巴圖組碎屑巖與阿木山組碳酸鹽巖, 二者為斷層接觸。下二疊統大石寨組火山巖與阿木山組呈正斷層接觸, 斷層面北傾, 傾角在40°～42°之間, 大石寨組與下二疊統壽山溝組碎屑巖亦呈正斷層接觸。大石寨組火山巖被上三疊統火山巖角度不整合覆蓋(圖 1b), 局部地區可見二者呈正斷層接觸, 斷層面北傾, 傾角約40°。上三疊統火山巖與侏羅系火山巖呈正斷層接觸, 被下白堊統梅勒圖組玄武巖角度不整合覆蓋(圖 1b)。上石炭統本巴圖組碎屑巖與阿木山組碳酸鹽巖分別被晚石炭世石英閃長巖和晚二疊世正長花崗巖侵入。

研究區內大石寨組火山巖主要出露于烏力牙斯臺達郎及巴彥青敖包地區, 總體呈NE向展布, 根據巖石組合可分為上下兩段。下段以安山巖為主, 含少量英安巖、安山質晶屑巖屑熔結凝灰巖和流紋巖;上段以流紋巖為主, 含少量霏細狀英安巖。整體以酸性巖占主導。

圖1　研究區大地構造位置圖(a, 據張興洲等, 2006 改編)和地質簡圖(b, 據內蒙古西烏珠穆沁旗巴拉格爾幅、阿拉騰郭勒幅1∶5萬地質圖改編)Fig.1　Tectonic outline (a) and regional geologic map (b) of the study area

酸性巖主要包括灰白色流紋巖、霏細狀流紋巖、球粒狀流紋巖及霏細狀英安巖(圖2)。流紋巖多為斑狀結構, 塊狀構造, 斑晶為斜長石和鉀長石, 粒度0.3～1.5 mm, 含量>5%; 基質主要由霏細狀長英質(50%)、隱晶狀長英質(40%)及次生顯微鱗片狀絹云母(<5%)構成。英安巖為斑狀結構, 塊狀構造, 斑晶為半自形厚板狀斜長石(5%), 粒徑 0.3～0.5 mm, 絹云母化。基質由霏細狀長英質(60%)、微嵌晶狀長英質(30%)構成, 含少量次生絹云母。球粒狀流紋巖為少斑狀結構、基質為球粒–微嵌晶狀結構, 塊狀構造。斑晶為鉀長石(<5%)和少量斜長石, 鉀長石粒徑 0.5～ 1.5 mm, 半自形板狀, 高嶺土化。基質由0.2～0.5 mm球粒狀長英質集合體(50%)、微嵌晶狀長英質(30%)和隱晶狀長英質(15%)構成。

中性巖主要為安山巖, 具有斑狀結構、塊狀構造, 斑晶主要為斜長石(5%～10%)和少量暗色礦物假象, 斜長石半自形板狀, 部分發生絹云母化、碳酸鹽化、高嶺土化, 粒徑約0.2～1.8 mm, 偶見環帶構造。基質主要為微晶板條狀斜長石(50%)、長英質(25%)和暗色礦物假象(10%), 粒度<0.2 mm。巖體內發育少量杏仁體(<3%), 不規則狀, 大小約0.05～0.8 mm,充填沸石、次生石英及褐鐵礦等。

2　實驗方法

本次研究分別采集流紋巖、安山巖、英安巖及安山質巖屑晶屑凝灰巖樣品進行鋯石 LA-MC-ICPMS U-Pb測年, 并對安山巖及流紋巖進行巖石地球化學分析。其中巖石地球化學分析、鋯石碎樣及挑選工作均由河北省區域地質礦產調查研究所實驗室完成。主量元素測試在 X射線熒光光譜儀(XRF)上進行, 分析精度>1%。微量元素采用X Serises 2 電感耦合等離子體質譜 ICP-MS分析方法, 分析精度均優于5%。鋯石U-Pb同位素年齡分析在天津礦產地質調查研究所完成, 鋯石定年分析所用儀器為Neptune型LA-MC-ICP-MS儀器, 利用193 nm激光器對鋯石進行剝蝕, 激光剝蝕斑束直徑為 35 μm,激光剝蝕樣品的深度為20～40 μm。采用TE-MORA和GJ-1作為外部鋯石年齡標準進行U-Pb同位素分餾校正, 利用 NIST612玻璃標樣作為外表皮計算鋯石樣品的Pb、U、Th含量, 具體實驗方法見耿建珍等(2012)。數據處理采用 ICPMSDataCal程序(Liu et al., 2008), 年齡計算及諧和圖繪制采用 Isoplot(3.0版)(Ludwig, 2003)軟件完成。

圖2　西烏旗地區大石寨組火山巖顯微照片Fig.2　Photomicrographs of pyromeride in the Dashizhai Formation from Xi Ujimqin Qi

3　實驗結果

3.1鋯石U-Pb年代學

對西烏旗地區大石寨組 5個火山巖樣品進行鋯石U-Pb測年。鋯石陰極發光圖像見圖3, 年代學測試結果見表1及圖4。

樣品PM001-32TW(N44°22′24″, E117°37′20″)為霏細狀英安巖, 鋯石為短–長柱狀, 粒徑50～100 μm, 具有清晰的振蕩環帶。25個測點的Th/U比介于0.06～0.79之間, 18個測點的Th/U比大于0.4。除測點4, 其余24個測點均在諧和線上及附近,206Pb/238U加權平均年齡為285.7±1.2 Ma (n=24), MSWD= 1.8(圖4a)。

樣品 PM018-3TW(N44°23′09″, E117°42′34″)為安山質晶屑巖屑熔結凝灰巖, 鋯石呈短–長柱狀, 粒徑50～100 μm, 具有清晰的振蕩環帶。20個測點的Th/U比介于0.33～1.31之間, 18個測點的Th/U比大于0.4。20個測點的206Pb/238U年齡有多個區間, 其中 282～283 Ma之間的有 9個, 加權平均值為282.1±1.5 Ma (MSWD=0.02), 305～330 Ma之間有6個, 為兩個主要年齡峰值, 此外還包括早石炭世(359 Ma, 378 Ma)、早奧陶世(467 Ma)及新元古代(897 Ma, 985 Ma) (圖4b)。

PM030-19TW(N44°25′29″, E117°46′29″)為霏細狀流紋巖, 鋯石呈半自形–自形, 短柱狀, 粒徑40～100 μm,多數具有清晰的振蕩環帶。24個測點的 Th/U為0.44～0.76，所有測點均落在諧和線上,206Pb/238U加權平均年齡為286.5±0.9 Ma (n=24, MSWD=0.43) (圖4c)。

樣品PM005-4TW(N44°23′54″, E117°45′43″)為安山巖, 鋯石呈自形–半自形, 短–長柱狀, 粒徑80～120 μm之間, 具有清晰的振蕩環帶。除測點15、16外, 其余測點Th/U比值介于0.53～1.11之間。除去3個測點偏離諧和線較遠, 其余15個均在諧和線上, 其中14個測點分布集中,206Pb/238U 加權平均年齡為 310.9±2.2 Ma (n=14, MSWD=1.6), 剩余一個測點207Pb/206Pb年齡為1069 Ma, 為捕獲鋯石年齡(圖4d)。

樣品D1020-TW(N44°23′55″, E117°42′55″)為灰白色球粒流紋巖, 鋯石呈自形–半自形, 多數為長柱狀, 長寬比約2∶1, 粒徑約80～130 μm, 多數鋯石具有清晰的振蕩環帶, 25個測點中19個測點的Th/U介于0.42～0.74。其中2個測點可能由于鉛丟失均落在諧和線下方, 偏離諧和線較遠, 剩余23個測點均落在諧和線上或附近,206Pb/238U 加權平均年齡為274.9±1.0 Ma (n=23, MSWD=1.6) (圖4e)。

圖3　內蒙古西烏旗地區大石寨組火山巖鋯石陰極發光圖及測點年齡(Ma)Fig.3　CL images of zircons from volcanic rocks in the Dashizhai Formation from Xi Ujimqin Qi, Inner Mongolia

表1　內蒙古西烏旗地區大石寨組火山巖鋯石U-Pb數據表Table 1　U-Pb isotopic compositions of volcanic rocks in the Dashizhai Formation from Xi Ujimqin Qi, Inner Mongolia

續表1:

續表1:

3.2巖石地球化學特征

如表2所示, 除樣品PM018-3(安山質巖屑晶屑熔結凝灰巖)因發生碳酸鹽化, 燒失量較大, 不適合用TAS圖解進行巖石分類。剩余樣品的SiO2含量介于56.49%～78.17%之間, 為中酸性巖。在TAS圖解(圖 5a)中主要落入安山巖和流紋巖區域, 僅一個樣品落入英安巖區域內, 屬亞堿性系列, 與 Nb/Y-Zr/TiO2巖石分類圖解(圖 5b)的投圖結果基本一致。中性巖SiO2含量較高(56.49%～63.67%), 具有富鈣(2.15%～ 8.64%, PM005-7除外)、貧鎂(1.26%～2.67%)的特征。酸性巖具有高的SiO2(75.14%～78.17%)和K2O(3.45%～ 7.48%), 低CaO(0.1%～0.41%)和MgO(0.06%～0.42%)特征。在 SiO2-(K2O+NaO2?CaO)圖解(圖 5c)中, 樣品主體落入鈣堿性–堿鈣性區域內。在SiO2-K2O圖解中(圖5d), 中性巖樣品主體落入鈣堿性系列區域內, 酸性巖樣品主要落入高鉀鈣堿性系列和鉀玄巖系列區域內。

中性 火 山巖 稀土總 量ΣREE=74.15×10–6～ 155.12×10–6, LREE/HREE=3.08～3.95, (La/Yb)N= 2.36～ 3.67, 輕稀土富集, 重稀土相對虧損, 稀土配分曲線呈弱右傾型(圖6a); δEu=0.76～0.93, 具弱Eu負異常。酸性巖稀土元素總量比中性火山巖高(ΣREE=137.01× 10–6～277.56×10–6), LREE/HREE=3.83～ 5.10, 輕重元素分餾明顯, (La/Yb)N=3.18～4.75, Eu強烈虧損(δEu= 0.30～0.49), 反映了巖漿演化過程中斜長石等礦物的分離結晶(Rollison, 1993)。

圖4　內蒙古西烏旗地區大石寨組火山巖鋯石年齡諧和圖與加權平均年齡圖Fig.4　U-Pb concordia and weighted average age diagrams from volcanic rocks in the Dashizhai Formation from Xi Ujimqin Qi, Inner Mongolia

表2　內蒙古西烏旗地區大石寨組火山巖主量元素(%)和微量元素(×10–6)分析結果Table 2　Major (%) and trace element (×10–6) compositions of volcanic rocks in the Dashizhai Formation from Xi Ujimqin Qi, Inner Mongolia

續表2:

在微量元素組成方面(圖 6b), 中性火山巖富集K、Rb、Ba、Th、U等大離子親石元素, 相對虧損Nb、Ta等元素。酸性火山巖富集K、Rb、Ba、Th、U等大離子親石元素, 強烈虧損 Nb、Ta、Sr、P、Ti等元素。在酸性熔體體系中, 微量元素Sr在斜長石中的分配系數高達13或15.633(Nash and Crecraft, 1985; Nabelek and Bartlett, 1998); 而Ti在普通角閃石和磁鐵礦中的分配系數較高(Pearce and Norry, 1979)。酸性火山巖Sr、Ti和P的強烈虧損, 反映巖漿演化過程中斜長石、普通角閃石、磁鐵礦以及富P礦物(如磷灰石)的分離結晶作用。

4　討　論

4.1形成時代

野外地質調查發現, 該組火山巖與上石炭統阿木山組呈正斷層接觸, 火山巖構成斷層的上盤, 部分露頭可見該火山巖被早三疊世火山巖角度不整合覆蓋, 地層接觸關系表明火山巖的形成在晚石炭世之后–早三疊世之前。LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb測年結果顯示安山巖噴發時代為311 Ma, 屬于晚石炭世, 流紋巖的形成時代介于275～287 Ma之間, 屬于早二疊世, 因此研究區該火山巖的噴發時代為晚石炭世–早二疊世, 與前人報道的大石寨火山巖的形成時代基本一致(高德臻和蔣干清, 1998; 陶繼雄等, 2003; Zhang et al., 2008; 趙芝, 2008; 劉建峰, 2009;晨辰等, 2012; 陳彥等, 2014)。

圖5　西烏旗地區大石寨組火山巖TAS (a, 據Le Maitre et al., 1989), Nb/Y-Zr/TiO2(b, 據Winchester and Floyd, 1977), SiO2-(K2O+NaO2?CaO)(c, 據Frost et al., 2001), 和SiO2-K2O圖解(d, 據Le Maitre et al., 1989; Rickwood, 1989)Fig.5　TAS (a), Nb/Y vs. Zr/TiO2(b), SiO2vs. K2O+NaO2?CaO (c), and SiO2vs. K2O (d) diagrams for volcanic rocks in the Dashizhai Formation from Xi Ujimqin Qi

圖 6　西烏旗地區大石寨組火山巖球粒隕石標準化稀土元素配分曲線(a), 原始地幔標準化微量元素蜘蛛圖(b)(球粒隕石標準化值據Boynton, 1984; 原始地幔標準化值據Sun and McDonough, 1989)Fig.6　Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle normalized trace element spider diagram (b) for volcanic rocks in the Dashizhai Formation from Xi Ujimqin Qi

4.2巖石成因

俯沖洋殼直接熔融形成的典型巖石是埃達克巖,埃達克巖主要特征是: 虧損重稀土元素, 輕重稀土元素強烈分異, 高Sr低Y, 常具有正Eu異常(Defant and Drummond, 1990; 鄧晉福等, 2010)。俯沖流體交代的地幔部分熔融形成的中性巖漿巖以玻安巖為代表(徐夕生和邱檢生, 2010), 這些巖石一般具有高的MgO含量, Mg#>50, 富集Sr。西烏旗地區大石寨組安山巖重稀土虧損較弱, Y 含量較高(27.65×10–6～ 46.67×10–6), Sr含量較低(70.4×10–6～398×10–6), 遠遠未達到埃達克質巖石的相關元素含量(Sr>400×10–6, Y<18×10–6, 據Defant and Drummond, 1990), 具有較低的MgO含量(1.26%～2.67%), Mg#介于22～38之間, 排除了以上兩種成因的可能性。

巖漿混合作用可以形成安山質巖漿, 但中酸性巖中會含玄武巖包裹體, 安山巖中含雙峰式成分的斑晶(Reubi and Blundy, 2009; 徐夕生和邱檢生, 2010), 研究區酸性巖中不含基性包裹體, 且安山巖的斑晶多為斜長石, 無基性巖漿與酸性巖漿混合的特征, 并且安山巖的鋯石年齡集中在 304～318 Ma,早于流紋巖的形成時代, 而流紋巖鋯石中卻不存在>300 Ma的鋯石, 如果基性巖漿和酸性巖漿混合,酸性巖中應當會包含早期形成的鋯石。

基性巖漿的分離結晶是解釋中性巖漿巖常用的成因模式, 該模式下的巖漿巖以富集大離子親石元素和輕稀土元素為特征, 并因為斜長石的分離結晶顯示出明顯的Sr、Eu負異常, 在時間、空間上, 基性巖–中性巖–酸性巖常緊密聯系在一起(Fan et al., 2003)。Zhang et al. (2008)和陳彥等(2014)報道了研究區的基性玄武質巖類的87Sr/86Sr(t)= 0.704～0.705, εNd(t)=+6.87～+7.90, 認為其是交代的巖石圈地幔部分熔融的產物。本次研究的安山巖略 LREE富集, HREE相對虧損, 稀土元素配分曲線呈弱右傾型,表明巖漿源區相對較深, 可能是巖石圈地幔的基性巖漿分離結晶的產物。另外, 安山巖的 Mg#普遍小于40, Th和U含量較高, La>Ta, Th>Ta, 可能是由于巖漿在上升過程中受到了中上地殼物質的混染(Taylor and Mclennan, 1985; 王焰等, 2000)。

基性巖漿的分離結晶作用一般不能產生大規模的流紋質巖漿(徐夕生和邱檢生, 2010), 而研究區以酸性巖占主導, 表明酸性巖漿不是由基性巖漿分離結晶形成的。上地幔或中下地殼的重熔或部分熔融可以產生大量的中酸性巖漿(Altherr et al., 2000; 徐夕生和邱檢生, 2010), 這一成因的誘發因素主要是玄武質巖漿的底侵作用(徐夕生和邱檢生, 2010; Zhang et al., 2008)。本區早二疊世流紋巖的富集ISr(0.7068～0.7099), εNd(t)值介于+1.85～+5.62之間,具有年輕的模式年齡(tDM為 490～690 Ma)(Zhang et al., 2008; 陳彥等, 2014), 應當是新增生下地殼部分熔融的產物。酸性巖具有明顯的負Eu異常, Sr、P、Ti虧損明顯, 暗示巖漿形成過程中存在斜長石、普通角閃石、磁鐵礦及磷灰石等礦物的分離結晶。

4.3構造環境

唐克東(1989)認為西烏旗地區的二疊紀火山巖是形成在新增生的陸殼裂谷帶內的雙峰式火山巖。蘇養正(1996)認為大石寨組火山巖是早二疊世大石寨裂陷槽的重要組成部分。Zhang et al. (2008)和陳彥等(2014)通過對錫林浩特和西烏旗地區的二疊紀火山巖進行巖石地球化學及 Sr-Nd同位素研究, 證明錫林浩特及西烏旗地區的二疊紀火山巖為雙峰式火山巖, 形成于造山后伸展環境。劉建峰(2009)雖認可西烏旗地區早二疊世火山巖是伸展背景的產物, 但認為是俯沖前提下弧后盆地局部伸展背景下形成的。

為了準確厘定西烏旗地區早二疊世火山巖的構造背景, 本文分別對中酸性火山巖進行大地構造背景判別。在La-Y-Nb圖解(圖7a)中, 西烏旗地區大石寨組安山巖樣品總體落在大陸玄武巖的邊界位置,反映了巖漿可能形成于陸內伸展環境。在 Zr-Zr/Y圖解(圖 7b)中可以看出, 西烏旗地區大石寨組安山巖均落入板內玄武巖區域。在 Y-Cr圖解(圖 7c)中,樣品主體落入不與島弧型火山巖重疊的板內玄武巖區域內。此外, 西烏旗地區大石寨組安山巖 Th/Ta介于6.76～10.51之間(>5), 富集LREE, 具有Nb和Ti負異常, 與王焰等(2000)總結的造山后伸展背景下玄武巖特征相似。

Whalen et al. (1987) 提出以104×Ga/Al=2.6為標準來劃分酸性巖成因類型(I型、S型或A型), 如圖8a, b所示, 西烏旗地區大石寨組酸性火山巖具有A型花崗巖的地球化學特征。在Y-Nb-Ce圖解(圖8c)和Y-Nb-3×Ga圖解(圖8d)中, 樣品均落入A2型巖漿巖范圍, 在(Yb+Ta)-Rb圖解(圖 8e)和(Y+Nb)-Rb圖解(圖8f)中, 樣品均落入碰撞后區域內, 指示其可能形成于造山后的伸展環境。酸性巖高鉀, 富集HFSE、LREE和 Th(11.56%～15.17%), 與王焰等(2000)總結的造山后伸展環境下的流紋巖特征一致。此外, 鋯石是最早結晶的副礦物之一, 對溫度極為敏感且不易遭到后期流體蝕變, 其結晶溫度可近似代表花崗質巖漿的近液相線溫度。根據Watson and Harrison (1983)的鋯飽和溫度計算公式得出西烏旗地區大石寨組火山巖的鋯石飽和溫度在837～959 ℃之間, 平均溫度為883 ℃, 反映了酸性火山巖巖漿具有較高的溫度。鋯石CL圖像(圖3)顯示火山巖的鋯石以新生鋯石為主, 也暗示巖漿溫度較高, 而高溫巖漿很可能與板內伸展環境下的軟流圈上涌有關(吳福元等, 2007)。陳彥等(2014)在研究區采樣進行巖石地球化學分析, 酸性巖的巖石地球化學特征與本文分析結果一致(圖8), 且在研究區中部發現了玄武質安山巖, 與流紋巖構成雙峰式火山巖。鄧晉福等(1999)指出形成于造山后伸展構造帶的 A型花崗巖與鈣堿性花崗巖類緊密共生。西烏旗前進場巖體和達青牧場巖體均為早二疊世鈣堿性系列花崗巖(鮑慶中等, 2007; 劉建峰, 2009; 徐佳佳等, 2012)。綜合以上判斷, 認為西烏旗地區大石寨組火山巖形成于造山后伸展環境。

圖7　西烏旗地區大石寨組安山巖La-Y-Nb(a, Cabanis and Lecolle, 1989); Zr-Zr/Y(b, Pearce and Norry, 1979)和Y-Cr (c, Pearce, 1982)圖解Fig.7　La-Y-Nb (a), Zr vs. Zr/Y (b), and Y vs. Cr (c) diagrams for andesites in the Dashizhai Formation from Xi Ujimqin Qi

4.4構造意義

關于古亞洲洋的閉合時間存在兩種觀點: (1)中晚泥盆世–早石炭世閉合(洪大衛等, 1994; 鮑慶中等, 2007; 周志廣等, 2010); (2)晚二疊世–早三疊世閉合(陳斌等, 2001; Li et al., 2006; Zhang et al., 2007; Chen et al., 2009)。后一種觀點的主要依據之一是興蒙造山帶內及華北板塊北緣早二疊世具有島弧或活動大陸邊緣弧性質的巖漿巖(陶繼雄等, 2003; Zhang et al., 2007, 2009; 劉建峰, 2009)。需要注意的是受大陸地殼或巖石圈混染的大陸玄武巖可能給出似消減帶信號(Ernst et al., 2005)。近年的研究表明在大石寨、滿都拉、錫林浩特等地具有島弧或大陸邊緣弧性質的早二疊世火山巖(陶繼雄等, 2003; 趙芝, 2008; 劉建峰, 2009)很可能是裂谷或裂陷槽等伸展背景下形成的雙峰式火山巖(唐克東, 1989; 岳永君和何國琦, 1993; 蘇養正, 1996; Zhu et al., 2001; 呂志成等, 2002; Zhang et al., 2008; 曾維順等, 2011; 晨辰等,2012; Chen et al., 2014)。A2型花崗巖是造山后伸展階段的典型產物(Eby, 1992; Hong et al., 1996), 本次研究的大石寨組酸性巖具有 A2型花崗巖特征, 與大石寨組雙峰式火山巖是同一時代同一伸展背景下的產物, 是興蒙造山帶內發育的兩條二疊紀堿性巖漿巖帶(以A型或PA花崗巖為代表)(洪大衛等, 1994; Hong et al., 1996; Wu et al., 2002; 施光海等, 2004; Kovalenko et al., 2006; 鮑慶中等, 2007; Yarmolyuk et al., 2008; 范宏瑞等, 2009; Jahn et al., 2009; 張玉清等, 2009; Zhang et al., 2014; Li et al., 2014)的噴出相。A2型花崗巖或具有A2型花崗巖特征的火山巖的出現, 暗示早二疊世內蒙古中東部地區處于造山后的伸展背景。

圖8　西烏旗地區大石寨組酸性火山巖104×Ga/Al-Nb (a, 據Whalen et al., 1987)、104×Ga/Al-Zr (b, 據Whalen e al., 1987)、Y-Nb-Ce(c, 據Eby, 1992)、Y-Nb-3×Ga(d, 據Eby, 1992)、(Yb+Ta)-Rb(e, 據Pearce et al., 1984)和(Y+Nb)-Rb圖解(f, 據Pearce, 1996)Fig.8　104×Ga/Al vs. Nb (a), 104×Ga/Al vs. Zr (b), Y-Nb-Ce (c), Y-Nb-3×Ga (d), Yb+Ta vs. Rb (e), and (Y+Nb) vs. Rb (f) diagrams for acid volcanic rocks in the Dashizhai Formation from Xi Ujimqin Qi

此外, 區域上上泥盆統泥鰍河組、色日巴彥敖包組均顯示陸相磨拉石建造特征, 含植物化石(徐備等, 2014), 表明晚泥盆世研究區已轉為陸相環境,不存在深海大洋。二連–賀根山斷裂與索倫山–西拉木倫斷裂之間普遍缺失早石炭世的沉積地層, 上石炭統本巴圖組與下伏石炭系之前的變質地層之間存在一個區域性角度不整合面(鮑慶中等, 2006), 表明晚石炭世之前, 研究區發生過區域性碰撞事件。內蒙古中東部的早二疊世的沉積地層以硬砂巖、長石砂巖分布廣泛為重要特征(邵濟安等, 2014), 濱–淺海相灰巖中含中腕足類、珊瑚、蜓、苔蘚類等動物化石, 珊瑚動物群發生混生現象(郭偉等, 2003), 碎屑巖中夾有植物化石碎片, 反映海陸交互相環境(徐備等, 2014), 均證明早二疊世內蒙古中東部已不存在深海大洋(郭偉等, 2003; 邵濟安等, 2014)。蘇尼特左旗地區下二疊統大石寨組不整合于古元古界片麻巖系之上, 哲斯組上部為海陸交互相碎屑巖, 反映早二疊世內蒙古中東部地區在陸殼基底上發生裂陷而形成了陸表海環境(李述靖和高德臻, 1995; 邵濟安等, 2014)。古地磁證據表明內蒙古中部晚石炭世–早二疊世位于北緯 17°～18°之間, 可能已經與華北板塊構成一個整體(李朋武等, 2012)。并且在位于西伯利亞南緣古生代增生帶的東烏旗上石炭統寶力高廟組中可見華夏植物群與安家拉植物群混生(辛后田等, 2011); 在滿都胡寶拉格地區的早–中二疊統中也發現了華夏植物群化石(周志廣等, 2010), 說明西伯利亞板塊南緣與華北板塊之間已不存分隔植物區系的大洋。綜合區域巖漿巖、地層、古生物化石及古地磁資料分析可知賀根山蛇綠巖帶與索倫山–西拉木倫蛇綠巖帶所代表的洋盆在至少在早二疊世之前已經閉合。

5　結　論

(1) 西烏旗地區大石寨組火山巖主要由安山巖和流紋巖組成, 巖石主體為鈣堿性系列。中性巖富鈣貧鎂, 酸性巖貧鈣鎂, 富硅堿; 酸性巖具有顯著的Eu負異常。中、酸性巖均富集大離子親石元素, 相對虧損Nb、Ta, 酸性巖強烈虧損Sr、P、Ti, 稀土配分曲線均呈弱右傾型。結合前人發表同位素數據,推斷安山巖是源自巖石圈地幔部分熔融的基性巖漿分離結晶的產物, 巖漿形成過程中受到陸殼物質的混染, 而流紋巖是中下地殼部分熔融的產物。

(2) 鋯石LA-MC-ICP-MS U-Pb測試結果表明西烏旗地區大石寨組火山巖形成于311～275 Ma之間,屬晚石炭世–早二疊世。

(3) 西烏旗地區大石寨組酸性巖具有A2型花崗巖特征, 是造山后伸展背景下的產物, 結合已發表的區域地質研究資料, 認為古亞洲洋至少在早二疊世之前已經閉合。

致謝: 項目組高德臻、於煬森老師、唐永舉等同學在野外地質調查及采樣過程中給予了幫助, 天津礦產地質調查研究所耿建珍、袁海帆老師在測年過程中給予便利; 兩名匿名審稿人對本文提出了寶貴的修改建議, 在此一并感謝！

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A Late Carboniferous-Early Permian Extensional Event in Xi Ujimqin Qi, Inner Mongolia—Evidence from Volcanic Rocks of Dashizhai Formation

LI Hongying1, ZHOU Zhiguang2*, LI Pengju1, ZHANG Da2, LIU Changfeng2, CHEN Cheng2, CHEN Lizhen3and GU Congnan4
(1. School of Economics, Sichuan University of Science and Engineering, Zigong 643000, Sichuan, China; 2. School of Earth Science and Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China; 3. Regional Geology and Mineral Resources Survey Institute, Langfang 065000, Hebei, China; 4. Tianjin North China Geological Exploration Bureau, Tianjin 300170, China)

A suit of volcanic rocks outcrop in Xi Ujimqin Qi and is considered to be the west extension of the well-known Dashizhai Formation whose tectonic setting remains controversial. To constrain the age of formation and tectonic nature of the volcanic rocks, petrology, geochronology and geochemistry researches were conducted. The results revealed that the volcanic rocks were mainly composed of andesites and rhyolites. LA-MC-ICP-MS zircon U-Pb dating yielded ages of 275?311 Ma. The andesites are rich in alkali but poor in MgO, slightly enriched in LREE, K, Rb, Ba but depleted in Nb and Ta, with slight negative Eu anomalies. Geochemical characteristics indicated the andesites were generated by fractional crystallization of synchronous basic magma, but contaminated by continental crust. The rhyolites are characterized by low CaO and MgO contents but with high SiO2, K2O and Na2O contents. Chondritenormalized REE patterns of the rhyolites exhibit slight LREE enrichment, with striking negative Eu anomalies. The rhyolites are also enriched in LILE but strongly depleted in Nb, Ta, Sr, P, Ti, which suggests the acid magma was originated from partial melting of the mid-lower continental crust and underwent subsequent fractional crystallization. Geochemical plots of the andesites exhibit characteristics of within-plate basalt, while the rhyolites show an affinity with A2-type granites. Geochemical characteristics of the volcanic rocks in Xi Ujimqin Qi suggest a post-collisional setting. Combined with previous published regional geological data, we concluded that the Dashizhai Formation in Xi Ujimqin Qi was formed in a post-collisional extensional setting and the Paleo-Asian Ocean was closed no later than the late Permian.

geochronology; petrogeochemistry; tectonic setting; Dashizhai Formation; Xi Ujimqin Qi; Paleo-Asian Ocean

P595; P597

A

1001-1552(2016)05-0996-018

10.16539/j.ddgzyckx.2016.05.009

2014-11-25; 改回日期: 2015-05-21

項目資助: 華北基礎地質調查與片區總結項目(1212011220465)、中國地質調查局地質調查項目(1212011120700)和大井坡航空物探儀器試驗場1∶5萬地質填圖項目(12120114093901)聯合資助。

李紅英(1984–), 女, 博士, 講師, 從事區域地質調查、礦產經濟研究。Email: lihongying314@163.com

周志廣(1967–), 男, 副教授, 從事構造地質學教學和區域地質調查及礦產地質調查研究。Email: zhouzhg@cugb.edu.cn