內蒙古杜拉爾橋地區奧陶系多寶山組地球化學特征及其地質意義

邵學峰

遼寧省地質勘查院，遼寧 大連 116100

0 引言

研究區位于西伯利亞與華北兩大古板塊所夾持的中亞造山帶東段，額爾古納地塊與興安地塊的拼接處，是中亞造山帶東段的重要構造帶之一，其西北為額爾古納地塊，東南為興安地塊（圖 1a）。該拼接帶的構造屬性、邊界以及相互間碰撞拼合歷史是該區重要基礎地質研究課題。

前人對額爾古納地塊與興安地塊塊的拼合位置、碰撞時代等問題分歧較大，且處于初期研究階段[1-7]。傳統上一般認為額爾古納與興安地塊沿德爾布干斷裂帶拼合，其拼合時代為早古生代[1-2]。 但在該斷裂東側發現了若干拼合帶相關證據，如新林蛇綠巖[4]、吉峰-嘎仙-二環庫蛇綠混雜巖[5]、內蒙古蘇布格塔藍閃石片巖[6-7]及Zhou et al.（2015）[8]對頭道橋藍片巖的研究；同時結合葛文春對塔河巖體研究表明，為早古生代后造山花崗巖特征[3]。故認為額爾古納地塊與興安地塊沿塔源-頭道橋一帶拼合。

圖1 研究區構造位置圖（Sun et al.，2014）Fig.1 Tectonic location map of the study area

近年來大興安嶺地區取得的另一重要是獲得多寶山島弧巖漿活動時代為早奧陶世（485Ma～447Ma），時間上處于額爾古納地塊南緣寒武-中奧陶世巖漿弧的晚期階段（孫巍，2014b[9]；Wu et al.,2015[10]）。兩條巖漿弧中間分布的古生代地層在不同地段差異較大，主體為奧陶系和泥盆-石炭系。新近測年資料顯示新林蛇綠巖的構造圍巖-倭勒根群的下部時代為寒武系，主體時代為早奧陶世(Sun et al, 2014[11])，上部火山巖為志留系，兩條巖漿弧與中間分布的奧陶系的成因關系至今不明。

根據區內蛇綠巖研究的最新進展，目前有關其洋盆性質有大陸邊緣裂解小洋盆和陸間洋盆的不同解釋，無論那種解釋都涉及到其與興安早奧陶世巖漿弧的成因關系。北側多寶山奧陶紀巖漿弧的性質和島弧的西南延伸情況至今不明，不同性質的島弧對區域構造演化的約束是不同的。這些問題的不明致使該區早古生代區域構造演化格局一直存在較大的爭議。

筆者通過參與1∶5萬薩其圖等五幅區調工作，對分布于薩奇圖-杜拉爾橋地區奧陶系多寶山組中的巖漿巖進行巖石學、地球化學和年代學研究，為確定頭道橋-鄂倫春-新林構造帶的構造演化和碰撞模式提供巖石學、年代學和地球化學依據。

1 地質及巖石組合特征

奧陶系多寶山組主要分布于研究區西北部的尚希特烏拉地區、東南部的杜拉爾橋地區，總體呈兩條平行的北東向帶狀展布（圖1b），出露面積88.72 km2。

主要巖性為變質安山巖、變質玄武安山巖、變質泥質粉砂巖、變質含礫長石砂巖、方解綠簾綠泥泥質板巖、鈣質粉砂質泥質板巖、絹云泥質板巖、絹云千枚巖、綠泥絹云千枚巖、粉砂質絹云千枚巖、安山質綠泥絹云千枚巖、細晶灰巖和中細晶含白云石灰巖、變質凝灰質細砂巖、變質沉凝灰巖、變質安山質巖屑晶屑凝灰巖、碎裂化氣孔狀變質玄武安山巖。

該組在研究區內未見下伏地層的接觸關系，與上覆奧陶紀裸河組呈整合接觸，局部與泥盆紀泥鰍河組呈斷層接觸，見中生代火山巖不整合覆蓋，且多被侏羅-白堊紀巖體侵入。普遍遭受區域綠片巖相變質作用。研究內該組出露最大厚度為1 254 m。

2 巖石地球化學特征

依據張琪（1999年）關于島弧火山巖研究意見[12]，本文研究樣品選取1∶5萬薩其圖等五幅區調工作中針對控制奧陶系多寶山組的SP3、SP5、SP6、SP7、SP25剖面中的變質安山巖類巖石。

2.1 常量元素特征

從表1可見，該套變質安山質熔巖與中國安山巖平均值相比，Fe2O3、CaO含量偏高，K2O＜Na2O，由于CaO、K2O、Na2O容易流失，Al2O3＞CaO+K2O+ Na2O，屬于過鋁型。

由于多寶山組變質安山巖類變質程度較低，巖石學上基本保留了安山巖類巖石的結構、構造特征；其巖石化學也與中國安山巖平均值相類似，保留了火山巖巖石化學特征。故該套淺變質火山巖，巖石化學性質按其原巖特征進行敘述。

巖石分類命名∶該組低級變質火山巖的熔巖部分進行分類命名判斷，在TAS圖解（圖2）中多數投入玄武巖山巖、玄武巖及粗面玄武巖區域交界處，并根據巖石的燒失量普遍較高3.19%～9.70%，與巖石存在含水礦物結果一致，這同時也表明由于樣品普遍遭受蝕變（巖石中普遍存在含水礦物綠泥石、綠簾石及斜長石出現絹云母化），巖石的K2O的Na2O含量特征可能與巖石形成后受到富鉀、鈉流體的蝕變作用有關，并導致SiO2含量降低，故認為該套淺變質火山巖原巖應為安山巖-玄武安山巖。

表1 奧陶紀多寶山組變質安山巖類的常量元素(wt%)、微量元素(×10-6)成分Table 1 Constant (wt%) and trace element(×10-6) compositions of metamorphic andesites of Ordovician Duobaoshan Formation

火成巖巖石系列劃分∶據葉天竺、肖慶輝等關于火山巖系列圖解法劃分意見[13]，對于揮發分含量大于3%的樣品，先用有關的微量元素(SiO2～Nb/Y 或 SiO2～Zr/TiO2等 )圖 解 判 別 堿 性與亞堿性。該套變質安山巖類巖石揮發分含量在3.19%～9.70%，平均值為5.70%，故選擇如下圖解進行判斷∶

圖2 多寶山組中火成巖的TAS圖解Fig.2 TAS diagram of igneous rock in Duobaoshan Formation

在SiO2～Nb/Y圖解中（圖3）多數落于亞堿性玄武巖區域，僅有一個樣品落于粗面安山巖與堿性玄武巖界限上；通過TFeO-K2O+Na2O-MgO圖解（圖4）進一步判別均落于鈣堿性系列區域。通過上述判別顯示，該套變質火山巖具島弧火山巖性質。

圖3 多寶山組中火成巖的分類SiO2-Nb/Y圖解Fig.3 SiO2-Nb/Y diagram of igneous rock in Duobaoshan Formation

2.2 微量元素特征

多寶山組變質安山巖類、變質玄武安山巖具微量元素原始地幔標準化配分圖（圖5）與表1反映出，該套淺變質火山巖Nb、Ta、Ti元素虧損，且Nb、Ta相對于Th、La虧損。與N-MORB相比較，表現出大離子親石元素（LILE）∶Rb、Ba、K、Pb、Sr富集；高場強元素（HFSE）∶Th、U、Ce、Pb、Zr、Hf等富集。

上述特征反映出該套變質火山巖原巖源區有來自消減帶物質的加入，表明它們的源區巖石在一定程度上受到了殼-幔混合作用的影響。高場強元素富集則反映出鈣堿性火山巖性質。

圖4 多寶山組中火成巖的分類 SiO2-FeOT/MgO圖解Fig.4 SiO2-FeOT/MgO diagram of igneous rock in Duobaoshan Formation

2.3 巖石稀土元素地球學特征

多寶山組變質巖主要巖石稀土元素含量見表1，圖 6。

變質安山巖各稀土元素含量與中國安山巖相比，鑭(La)、鈰(Ce)、釹(Nd)、鏑(Dy)含量偏低，釔(Y)含量偏高。輕、重稀土含量及輕重稀土比值均偏低，δEu大于1，為正異常，(La/Yb)N、(Ce/Yb)N明顯大于1，稀土元素分布曲線右傾，說明富集輕稀土；(La/Sm)N大于1，輕稀土曲線右傾明顯，輕稀土分餾度高且輕稀土富集；與正常型洋脊玄武巖（N-MORB型）、富集型洋脊玄武巖（E-MORB型）的稀土元素含量及配分模式比較，顯示出輕稀土部分強烈富集，表現出鈣堿系列火山巖特征；重稀土部分與正常型洋脊玄武巖（N-MORB型）和富集型洋脊玄武巖（E-MORB型）相似，并進一步說明源區有來自消減帶物質的加入。

圖5 多寶山組變質火山巖微量元素標準化配分圖Fig.5 Standardized distribution of trace elements of volcanic rocks in Duobaoshan Formation

圖6 奧陶系多寶山組變質火山巖稀土配分曲線圖Fig.6 The diagram of rare earth distribution of metamorphic volcanic rocks in Ordovician Duobaoshan Formation

3 源區性質

微量元素比值可以有效區分原始巖漿演化過程受流體或地殼混染的程度，其地球化學特征指示源區性質，通常以La、Nb、Ba、Th、Ta 和Yb等不相容元素較為常用。李曙光等(1994)指出，La/Nb、Ba/Nb、Nb/Th 等強不相容元素的比值在海水蝕變和后期變質作用過程中有較高的穩定性，可以直接用來示蹤源區的微量元素特征。

Fitton等[14]認為,美國盆嶺省玄武巖的La/Nb＜1.5，起源于軟流圈地幔，Sierra 省的熔巖La/Nb＞1.5，可能起源于富集的巖石圈地幔。本區多寶山變質火山巖的La/Nb比值介于3.19～0.90之間，表明其源區兼有軟流圈地幔和巖石圈地幔的雙重特征。

研究區的安山巖類巖石TiO2含量較低(均小于1.5%)，符合巖石圈地幔相對軟流圈地幔Ti含量低的特點，是典型的匯聚邊緣幔源巖漿特征（Gill et al., 1981）[15]。 安 山 巖 虧 損 Nb、Ta Ti，富 集Rb、Ba、Sr等元素，這一特征通常出現在俯沖帶火山巖中。與N-MORB相比，安山巖的LILE豐度高，ω(Th)＞ω(Ta)，以及Nb，Ta相對于Th，La虧損。這歸結于有來自消減帶物質的加入，表明他們的源區巖石在一定程度受到了殼-幔混合作用的影響（張旗等，1999）[12]。俯沖流體或熔體交代作用的都可以引起Nb，Ta元素的虧損。一般認為島弧或俯沖帶地區巖漿作用以板片的脫水為誘因(吳福元等，2007)[16]。流體交代作用是俯沖板片脫水形成的富集大離子親石元素(如K、Rb、Sr、U、Th等)的流體進入上覆地幔楔，發生交代作用使地幔楔橄欖巖部分熔融，形成消減帶巖漿。在靠近島弧方向形成拉斑玄武巖，在俯沖帶內側大陸方向形成鈣堿性高鋁玄武巖和鉀玄巖系火山巖。巖石組合通常為鈣堿性玄武巖-安山巖-英安巖-流紋巖及相應侵入巖。

在不相容元素比值圖解中（圖7），本區奧陶紀多寶山組淺變質火山巖多數落于入安第斯型火山巖區域之外，表明本測區火山巖與安第斯型火山巖存在明顯差別，說明本區具有俯沖板片流體富集的趨勢。

綜上所述，工作區多寶山組火山巖為俯沖帶的流體交代作用的產物，其源區為流體交代的楔形地幔，并受到了地殼物質的混染。

4 形成時代

具多寶山火山弧的最新研究資料顯示，其巖漿活動時代為 485～447 Ma（孫巍，2014 ；Wu et al.，2015），時間上在頭道橋-新林-塔原蛇綠巖帶形成之后，空間上位于該蛇綠巖帶的東南。對于多寶山組奧陶紀火山巖的的解釋涉及到額爾古納地塊與興安地塊的拼合的時代。具Zhou,et al.（2015）最新研究資料表明，額爾古納地塊與興安地塊的拼合時間在 492 Ma 前。

本文對尚希特烏拉地區分布的變質玄武安山巖進行鋯石挑選，LA-ICP-MS U-Pb定年，獲測年數據463±5.9 Ma，該數據處于中奧陶世范疇。鋯石U-Pb年齡諧和圖見圖8，陰極發光（CL）圖像見圖9。綜合考慮上述多寶山巖漿活動時代數據特征認為，其巖漿活動時代為早中奧陶世。

圖7 奧陶紀多寶山組變質火山巖構造環境判別圖Fig.7 Tectonic environment discrimination diagram of metamorphic volcanic rocks of Ordovician Duobaoshan Formation

表2 不同構造背景玄武巖-安山巖的判別流程表Table 2 Discriminant flow chart of basalt-andesite in different tectonic settings

5 構造背景

不同的構造環境，生成的火山巖地球化學特征、巖石組合具有較明顯的差異，這提供了應用火成巖的地球化學特征和巖石組合來判別構造環境的可能。本區多寶山組火山巖以玄武安山巖-安山巖為主，巖石類型較為單一，巖石主體屬于鈣堿性系列。因此判別其構造環境，主要依據其地球化學特征。

圖8 多寶山組鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig.8 U-Pb age consonance of zircon from the Duobaoshan Formation

圖9 多寶山組鋯石U-Pb陰極發光圖Fig. 9 U-Pb cathode luminescence of zircon from the Duobaoshan Formation

圖10 奧陶紀多寶山組變質火山巖構造環境判別圖Fig.10 Tectonic environment discrimination diagram of metamorphic volcanic rocks of Ordovian Duobaoshan Formation

利用微量元素的豐度比值可以區分不同構造環境形成的玄武巖-安山巖類巖石，具體方法見表2。運用表中給出的方法，本區多寶山組的玄武安山巖-安山巖類巖石屬于鈣堿性玄武巖。

利用火山巖中微量元素特征通過判別圖解也可以判別巖漿形成的構造背景。由于本區多寶山組火山巖普遍遭受蝕變作用，因此選擇非活動性元素作圖。這類元素在巖石發生風化、蝕變和變質過程中一般不發生遷移。在Hf /3-Th-Nb/16圖解中（10a），本區多寶山組火山巖樣品多數落入火山弧玄武巖區域，僅有一個樣品落入正常洋脊玄武巖（N-MORB）與富集型洋脊玄武巖（E-MORB）和板內拉斑玄武巖交界處，且有向火山弧玄武巖區域過渡趨勢。Hf/3-Th-Ta圖解中（10 b），該套火山巖樣品均落入火山弧玄武巖區域。

結合前文所述本區火山巖巖漿源區具有俯沖帶的流體交代作用產物特征，其源區為流體交代的楔形地幔，并受到了地殼物質的混染。

綜合上述，并考慮本區及區域上可能存在前寒武紀結晶基地，結合該組巖漿活動時代為早中奧陶世。因此推測本區多寶山組火山巖的形成構造背景為古亞洲洋板塊向北西俯沖形成的扎蘭屯-多寶山成熟島弧帶的產物。

6 結論

（1）多寶山組變質安山巖類巖石，其巖石學、巖石化學特征具鈣堿性島弧火山巖類特征。

（2）多寶山組火山巖為俯沖帶的流體交代作用的產物，其源區為流體交代的楔形地幔，并受到了地殼物質的混染。

（3）本區多寶山火山弧巖漿活動時代為早中奧陶世。

（4）推測本區多寶山組火山巖的形成構造背景為古亞洲洋板塊向北西俯沖形成的扎蘭屯-多寶山成熟島弧帶的產物。