內蒙古蘇尼特左旗白音烏拉地區晚石炭世花崗閃長巖地球化學特征及地質意義

陶繼雄　薛培哲　柴輝　王紅斌　李文圣　駱同偉　馬騰飛

摘 要： 研究區屬西伯利亞板塊東南古生代陸緣增生帶，位于二連—賀根山蛇綠巖帶北側，屬東烏珠穆沁—烏蘭浩特GGC-P侵入巖段，本區晚石炭世花崗閃長巖屬中鉀—高鉀鈣堿性系列巖石，巖石地球化學特征反映在成巖過程中沒有經過明顯的結晶分異，輕重稀土分異明顯，重稀土嚴重虧損，暗示形成于較高的溫度和壓力范圍，源區深度較大（>50km）。具有“I”型花崗巖地球化學屬性。構造環境判別屬火山弧花崗巖（VAG），為晚造山—造山后伸展花崗巖，而不是形成于島弧環境。獲得LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb年齡302.2±2.1Ma，表明其形成時代為晚石炭世。預示著本區古亞洲洋在晚石炭世之前已發生閉合，晚石炭世—早二疊世時期已經進入后造山階段，并逐步向廣泛的伸展構造環境轉化。

關鍵詞： 內蒙古蘇尼特左旗； 地球化學特征； 同位素年代學； 鋯石U-Pb年齡

巖漿巖形成、分布及演化與構造環境密切相關，通常作為恢復古大地構造環境的重要組成部分（Bonin，2004；Zhang X H et al，2011），在造山帶演化過程中，可以作為預示構造環境由活動板塊邊緣俯沖環境向造山后穩定的板內構造環境轉變的標志（WuFYetal，2003；韓寶福，2007），是用于研究板塊拼合及大洋最終關閉時限有力證據的重要載體。

花崗巖作為特定地質背景下的產物，它的巖石學、礦物學和地球化學特點應該記錄下它形成時的構造背景情況。這樣，如果我們能夠通過地表上大量出露的花崗巖獲得其形成構造背景信息的話，那將對我們反演構造演化歷史提供重要資料。然而，問題并不如此簡單。即使對一些已知構造環境的花崗巖來說，其源區繼承性和熔融分異都會影響最終形成的花崗巖的物質成分，導致與構造環境之間對應性的丟失。

內蒙古蘇尼特左旗白音烏拉地區位于興蒙造山帶北部造山帶二連—賀根山斷裂帶之北，該地區發育著大量的晚石炭世—早二疊世侵入巖，是研究興蒙造山帶北部造山帶巖漿演化和構造格局演變的重要地區之一。

本文以2013～2015年完成的“內蒙古1∶5萬查干陶勒蓋嘎查（L49E023020）、占巴音浩特（L49E023021）、白音烏拉公社（L49E023022）、達日罕烏拉公社（L49E024020）幅區域地質礦產調查”項目資料為依據，對該地區發育的晚石炭世花崗閃長巖（圖1），在巖石學和巖相學、巖石化學、地球化學、同位素年代學資料分析基礎上，對其巖石成因及構造背景進行了初步分析，以期為興蒙造山帶北部晚古生代構造演化、華北板塊與西伯利亞板塊碰撞等大地構造演化歷史提供一些新的證據。

1. 寶力高廟組英安質火山巖；2. 寶力高廟組安山質火山巖；3. 早二疊世花崗斑巖；4. 早二疊世斑狀花崗巖；5. 早二疊世細粒正長花崗巖；6. 早二疊世中細粒正長花崗巖；7. 早二疊世花崗閃長斑巖；8. 晚石炭世中粒花崗閃長巖；9. 晚石炭世細粒閃長巖。

1. 區域地質概況及巖石學特征

研究區大地構造位置屬西伯利亞板塊東南古生代陸緣增生帶，位于二連—賀根山蛇綠巖帶北側，屬東烏珠穆沁—烏蘭浩特GGC-P侵入巖段（中國侵入巖大地構造圖）。區內出露的地層主要為上石炭統寶力高廟組陸相火山巖。區內出露的侵入巖主要有石炭紀二長花崗巖、花崗閃長巖和閃長巖，二疊紀霓石堿性花崗巖、石英正長斑巖、正長花崗巖和花崗閃長斑巖等（圖1）。

晚石炭世花崗閃長巖總體呈北東向帶狀展布，各侵入體以較大的巖株產出，侵入寶力高廟組火山巖。

晚石炭世花崗閃長巖巖石普遍具球形風化現象，巖石呈灰白色、淺灰色、灰黃色，具中粒花崗結構，塊狀構造，粒度一般2mm～4mm，礦物成分有斜長石（35%～40%）、鉀長石（35%）、石英（20～25%）等。其中斜長石：半自形板狀，具明顯的環帶構造，內部環帶絹云母化較強，粒度0.4～5mm（長軸），局部被微粒狀綠簾石交代，雜亂分布，含量41～55%。微斜長石：寬板狀和不規則狀，具格子雙晶，泥化較弱，分布在斜長石之間，粒度2～3.5mm，含量<12%。鉀長石：呈不規則狀，分布在斜長石間，部分鉀長石與石英呈顯微文象交生，粒度2～4mm，含量<15%。石英：他形粒狀，分布在長石間，強波狀消光，部分石英與鉀長石呈文象交生，部分呈微粒狀集合體，彼此呈齒狀接觸，強波狀消光，集合體長軸定向分布，可能為受擠壓而破碎后經重結晶而成，礦物粒度在2～5mm之間，含量20～25%。綠簾石：呈粒狀集合體，局部集中，含量3%。黑云母：片狀，沿解理綠泥石化，粒度0.2～2.5mm，含量5～10%。白云母：鱗片狀，粒度0.2～0.5mm，長軸定向，沿裂紋分布，含量2～5%。角閃石：柱狀，粒度0.2～1.5mm，具淺黃綠—綠褐色多色性，含量3～14%。磁鐵礦：3%。磷灰石：少量。

2. 巖石化學、巖石地球化學特征

晚石炭世中粒花崗閃長巖主量元素分析結果顯示：其SiO2含量變化范圍較小，為68.28～69.99%，貧K2O=2.06-3.76%，富Na2O=3.94～5.29%，K2O/Na2O=0.40～0.95。低Al2O3=14.36～16.31，巖石鋁飽和指數A/CNK=0.94～1.12。

晚石炭世中粒花崗閃長巖稀土元素其∑REE=68.19×10-6-182.17×10-6，LREE=62.78×10-6-175.33×10-6，HREE=5.41×10-6-17.08×10-6，巖體重稀土含量明顯偏低，輕稀土分餾程度較高，重稀土不分餾或出現輕微的“翹尾”現象，具無或具有較弱的負Eu異常，（La/Yb）N=4.47～37.86，δEu=0. 65～1.18，稀土配分曲線呈右斜特征（圖2）。

晚石炭世中粒花崗閃長巖微量元素明顯富集Rb、Ba、Th、Sr、U等大離子親石元素，強烈虧損高場強元素Nb、Ta、P、Ti等，在微量元素蛛網圖上形成“V”型谷， Zr、Hf則相對富集（圖3）。

3. 鋯石U-Pb同位素年代學

本次工作在花崗閃長巖侵入體中采集了1件樣品（P35TW-1）進行了鋯石U-Pb同位素測年。樣品鋯石分選由河北省區域地質礦產調查研究所完成，鋯石制靶、陰極發光均由北京迅得豐科技發展有限公司完成。鋯石U-Pb定年測試分析在天津地質礦產研究所同位素實驗室完成，分析所用的LA-MC-ICP-MS由NewWave的193nm激光剝蝕系統和Thermo Fisher的Neptune多接收等離子體質譜儀組成。本次分析的激光剝蝕斑徑為35μm，頻率為8Hz，能量為5mJ。分析時采用GJ-1作為年齡外標，NIST610作為元素含量外標。數據處理采用中國地質大學（武漢）劉勇勝教授（2008，2010a，2010b）開發的ICPMSDataCal程序，最后用Ludwig（2003）的Isoplot/Ex-ver3程序對鋯石年齡作圖。其測試結果見表1。

由樣品P35TW-1鋯石陰極發光照片中可以看出，樣品中的鋯石長寬比在11～31，晶面整潔光滑。在陰極發光照片上，未見有明顯核部特征，大多數鋯石都具有清晰的結晶環帶，表明是巖漿結晶過程形成的。U、Th含量高，鋯石Th/U比值介于0.50～0.80，均在0.40以上，為典型的巖漿結晶鋯石（圖4）。樣品的25顆鋯石定年數據點均落在諧和線上及附近，鋯石顆粒的年齡測定值穩定，集中分布在302附近，由這25個鋯石點數據計算的206Pb/238U年齡統計權重平均值為302.2±2.1Ma（MSWD=0.81），代表了巖體的侵位年齡（圖5），確定其形成時代為晚石炭世。

4. 巖石成因與構造環境

4.1 巖石成因類型

根據Pitcher（1983，1987）劃分的I、S、A、M花崗巖分類標準，以巖漿源區性質分區的I、S型花崗巖分類被大多數學者所接受，加上目前經常討論的A型和較為少見的M型花崗巖，M、I、S、A是目前最常用的花崗巖成因分類方案。角閃石、堇青石和堿性暗色礦物是判斷上述I、S和A型花崗巖的重要礦物學標志（吳福元等，2007）。研究區內晚石炭世侵入體中暗色礦物普遍以黑云母為主，在CIPW標準礦物計算中剛玉含量均<1%，在所有侵入體中未見到石榴石和白云母等富鋁副礦物，其巖石化學成分中Na2O含量相對較高，Al2O3含量總體上偏低，其A/CNK多小于1.1，其P2O5的含量也遠低于Whalen等（1987）統計的S型花崗巖的含量值0.15%。

在SiO2-P2O5及SiO2-Pb圖解中，晚石炭世中粒花崗閃長巖具有I型花崗巖趨勢演化特征（圖6）。

4.2 巖漿源區特征

運用La/Sm和Zr/Sm元素對特殊的地球化學性質可以判斷巖漿巖的成因（Allegre et al.1978；Lai et al.2003），晚石炭世中粒花崗閃長巖在成巖過程中沒有經過明顯的結晶分異（圖7）。因此，晚石炭世中粒花崗閃長巖的地球化學特征可較為準確反演其源區礦物組成特征。

晚石炭世中粒花崗閃長巖輕重稀土分異明顯，重稀土嚴重虧損，表明其源區殘留以石榴子石、輝石為主，形成的壓力和溫度較高（1.0-4.0GPa，850-1150℃）（Rapp etal，1991，999；Sen and Dunn，1994；Rapp andWatson，1995；Xiao and Clemens）重稀土部分（Ho-Lu）分布較平坦，Y/Yb值較小（8.33-10.88），其源區除殘留有石榴子石、輝石外，還應有角閃石；在多元素蛛網圖上顯示出Nb、Ta、Ti的負異常，說明富鈦副礦物金紅石也應作為殘留相；Sr在石榴石、角閃石和單斜輝石中分配系數很小（分別為0.015、0.058和0.2），而在斜長石中很大（楊進輝等，2003），因此晚石炭世侵入巖的Sr正異常和高Sr/Y比值表明在巖漿源區斜長石已不穩定并開始發生熔融，殘留相不存在或很少有斜長石。典型的MORB的Mg#約為60，因此由其部分熔融產生熔體的Mg#應遠低于60；Rappet al（1997）的研究表明，玄武巖部分熔融產生熔體的Mg#<45，而測區晚石炭世侵入巖的Mg#為24.2～45.5（平均值34.5），其他相容性元素Cr、Co、Ni、V等的含量較低，Sr、Nd同位素組成也顯示殼源的特征（Han et al.，1997；Jahn et al.，2000； Chen et al.，2002；Hong et al.，2004），說明晚石炭世侵入巖的巖漿以殼源物質為主，可能有輕微的地幔混染。

由以上討論看出，晚石炭世中粒花崗閃長巖的源區殘留以石榴子石、輝石、角閃石為主，可能為石榴角閃巖或角閃榴輝巖，形成于較高的溫度和壓力范圍，暗示源區深度較大（>50km）。

4.3 構造環境

在構造環境Nb-Y判別圖解上，晚石炭世中粒花崗閃長巖落入弧花崗巖+同碰撞花崗巖（VAG+syn-COLG）區；在構造環境Rb-（Y+Nb）判別圖解上，晚石炭世中粒花崗閃長巖樣品部分落入火山弧花崗巖 （VAG）區，更多落于晚造山—造山后伸展花崗巖（Post-CEG）區（圖8），但并不代表其形成于島弧環境。

研究區晚石炭世侵入巖普遍富LREE、Ba、Sr，貧HREE和Y、Nb、Ta，表明源區斜長石不穩定，有石榴石（+輝石+角閃石±金紅石）殘留，石榴石富集HREE和Y、Nb、Ta等高場強元素（HFSE），在石榴石穩定域內熔融形成的花崗質熔體必定虧損Y、Nb、Ta和HREE。如果有金紅石殘留，由于金紅石強烈富集Nb和Ta，使熔漿中的Nb、Ta極度降低。而斜長石全部或大部進入巖漿房將導致Rb/Sr比值的降低，表現在Y-Nb和Rb-（Y+Nb）圖中，將強烈虧損Rb、Yb、Y和Nb，導致該期巖體的樣品點向左下方移動見圖8，落入火山弧花崗巖（VAG）區域。因此，測區晚石炭世中酸性侵入巖體樣品點落入火山弧花崗巖（VAG）區，除了與源區組成有關外，還由于源區地殼較厚（>40-50km），殘留物（石榴石+輝石+角閃石±金紅石）強烈富集HREE、Y、Nb、Ta所致。

5. 結論

（1）本區晚石炭世花崗閃長巖屬中鉀—高鉀鈣堿性系列巖石，具有I型花崗巖特征。

（2）巖石地球化學特征反映在成巖過程中沒有經過明顯的結晶分異，巖體輕重稀土分異明顯，重稀土嚴重虧損，輕稀土分餾程度較高，不分餾或出現輕微的“翹尾”現象，具有較弱的負Eu異常。形成于較高的溫度和壓力范圍，暗示源區深度較大（>50km）。

（3）晚石炭世花崗閃長巖具有“I”型花崗巖地球化學屬性。構造環境判別屬火山弧花崗巖 （VAG），為晚造山—造山后伸展花崗巖，而不是形成于島弧環境。

（4）花崗閃長巖中獲得LA-MC-ICP-MS鋯石U-Pb年齡302.2±2.1Ma，表明其形成時代為晚石炭世。預示著本區古亞洲洋在晚石炭世之前已發生閉合，晚石炭世—早二疊世時期已經進入后造山階段，并逐步向廣泛的伸展構造環境轉化。

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