南蒙古東戈壁省石炭紀花崗巖成因
——鋯石U-Pb年代學、Sr-Nd-Hf同位素和地球化學證據

張曉偉，童 英，趙 輝，王 濤，郭 磊

(中國地質科學院 地質研究所，北京 100037)

中亞造山帶南緣位于蒙古主構造線、華北克拉通、塔里木克拉通之間(圖1，Wangetal., 2017)，由一系列的造山帶(南天山、中天山、北天山、成吉思、齋桑-準格爾、阿爾泰、南蒙古-興安、內蒙古-吉林、溫都爾廟等)、微陸塊(伊塞克、喀什伊犁、敦煌地塊、錫林浩特等)以及盆地(準格爾、吐哈、松吉遼等)等組成(任紀舜等, 2013)。作為全球顯生宙最為典型且面積最大的增生型造山帶的一部分，中亞造山帶南緣經歷了多階段(陸緣增生、后碰撞和陸內造山作用)、多類型(大洋俯沖、多塊體碰撞拼合、后造山拉張)的殼幔相互作用(Khainetal., 2003)，因此具有涉及范圍廣、構造演化長期和復雜等特點(孫立新等, 2013; Xuetal., 2013; Kr?neretal., 2014)。

作為中亞造山帶南緣大陸地殼的主要組成部分，花崗巖的形成時代、成因機制以及所反映的大地構造環境對于研究不同時代、構造背景下的大面積花崗巖的成因、地殼增生等科學問題尤為重要(吳福元等, 1999; Kovalenkoetal., 2004; Wildeetal., 2010; Hawkesworthetal., 2013; Wangetal., 2017)。中亞造山帶南緣出露花崗巖面積約4.3×105km2，其中寒武紀、奧陶紀、志留紀、泥盆紀及三疊紀花崗巖類局部發育，而石炭紀-二疊紀花崗巖在造山帶南緣呈面上分布，暗示著區域內在晚古生代存在重大構造體制(洋-陸)的轉變。南蒙古地處中亞造山帶南緣核心部位，由于受自然條件惡劣、人口較少、交通不便利、經濟基礎落后等多方面因素的限制，導致南蒙古基礎地質研究程度一直較低，缺少原始巖漿巖同位素以及地球化學數據等的報道，因此中亞造山帶核心部位的晚古生代地殼生長及其地球動力學演化機制仍然存在爭議(Tang and Yan, 1993; Xiaoetal., 2003, 2004, 2009, 2010; Windleyetal., 2007, 2010; Xuetal., 2013)。為了更好地了解中亞造山帶核心部位的地殼演化歷史，為成巖背景提供更多證據，本文選取南蒙古東戈壁省境內扎門烏德和烏蘭巴德拉赫地區進行了系統的野外巖石學、室內地質年代學、地球化學和同位素特征研究工作，在此基礎之上結合區域構造背景，進而探討中亞造山帶關鍵轉折時期巖漿作用演化特征和形成機制。

1 區域地質概況

扎門烏德-烏蘭巴德拉赫地處南蒙古東戈壁省境內，距離省會賽音山達市和中國邊境口岸二連浩特市均100 km左右。該地區記錄了奧陶紀至二疊紀包括島弧增長、弧后裂解和地體增生等在內的復雜的古亞洲洋演化歷史(Badarchetal., 2002; Windleyetal., 2007; Blightetal., 2010)。從構造位置來看，研究區位于二連浩特-賀根山縫合帶北側的Nuhetdavaa弧盆和Enshoo島弧(圖1; Badarch and Tomurtogoo, 2001; Badarchetal., 2002)。出露地層時代有前寒武紀、寒武紀、奧陶紀、泥盆紀、石炭紀、二疊紀、侏羅紀、白堊紀、第四紀等，其中石炭紀地層為淺海-陸內復雜環境下的火山-沉積巖建造(流紋質-安山質-玄武質熔巖、鈣質凝灰質火山巖、淺海相雜巖、碎屑巖等)，且海相沉積居多；二疊紀地層主要由海陸交互相火山-沉積巖建造組成，且大部分為陸相火山-沉積巖沉積，巖性主要為堿性火山巖、中性火山巖、酸性火山巖以及碎屑巖等(Badarchetal., 2002; Windleyetal., 2007; Blightetal., 2010; 劉永江等, 2011; 賈孝新, 2018)。

圖 1 中亞構造簡圖[a, 據Seng?r等(1993)、Xiao 等(2010)修改]和南蒙古大地構造綱要圖[b，據Badarch 等(2002)修改]

研究區及鄰區巖漿活動強烈，整體呈北北東向展布，侵入巖主要是以巖基、巖株狀出露的不同時代中酸性花崗質巖石，少部分為鐵鎂質巖石，且其中石炭紀-二疊紀中酸性巖漿巖(花崗巖、流紋巖)出露面積最廣(Badarch and Orolmaa, 1998; 楊奇荻, 2014; Tongetal., 2015; Wangetal., 2017)。

2 巖石學及巖相學特征

本文在扎門烏德、烏蘭巴德拉赫地區(北部)采集了3個巖體的17個具有代表性的樣品，包括14個正長花崗巖和3個二長花崗巖樣品。4個花崗巖體的年齡樣品坐標分別為110.43°E、43.89°N(M1498-3.1)，110.42°E、43.88°N(M1498-1.2)，111.37°E、43.70°N(M1288-1.7)和110.32°E、43.83°N(M1287-5.1)(圖2)。由于南蒙古地區缺乏地名，因此本文對3個巖體通過“地區+樣本”編號的形式來加以區分。

2.1 Ulaanb-8-3巖體

Ulaanb-8-3巖體，位于烏蘭巴德拉赫西北約20 km處，出露面積約140 km2，巖體周圍出露有泥盆紀、石炭紀、侏羅紀、白堊紀地層，未見出露前寒武紀地層，巖漿巖主要由二疊紀火山巖、花崗巖以及石炭紀花崗巖組成。該巖體主體是中細粒正長花崗巖，有細粒正長花崗巖脈侵入(圖2a)，具有中細粒-細粒結構，塊狀構造，礦物組成主要有石英(30%～35%)、鉀長石(～50 %)、斜長石(10%～15%)、黑云母(4%～5%)等，鋯石、磷灰石是主要副礦物(圖3a、3b)。

2.2 Zamiin-8-1巖體

Zamiin-8-1巖體，位于扎門烏德口岸(對面是中國二連浩特市口岸)西40 km左右，出露面積約80 km2，巖體周圍出露有前寒武紀、石炭紀和二疊紀地層(圖2b)。該巖體巖性為粗粒二長花崗巖，表面顏色為淺肉紅色，具有中粗粒粒狀結構，塊狀構造，礦物組成主要包含石英(25%～30%)、鉀長石(20%～35%)、斜長石(20%～35%)、黑云母和角閃石(～5%)等(圖3c)。

圖 2 烏蘭巴德拉赫(a)和扎門烏德(b)地區區域地質圖[根據Mineral Resources Authority of Mongolian, Mongolia Academy of Sciences(1998)修改]

圖 3 扎門烏德和烏蘭巴德拉赫地區石炭紀花崗巖礦物特征顯微照片(正交偏光)

2.3 Ulaanb-7-5巖體

Ulaanb-7-5巖體位于烏蘭巴德拉赫西南30 km處，出露面積約500 km2，周圍有前寒武紀、泥盆紀、石炭紀和二疊紀地層(圖2c)。該巖體巖性為正長花崗巖，表面顏色為淺肉紅色，具有粗粒結構，塊狀構造，礦物組成主要由石英(25%～30%)、正長石(30%～45%)、斜長石(15%～20%)、黑云母和角閃石(1%～5%)等組成(圖3d)。

3 測試方法

3.1 鋯石 U-Pb 年代學分析

用于U-Pb定年的鋯石，經歷粉碎巖石-濕法篩選-磁選等流程，最終在雙目顯微鏡下手工挑選。為了更好地識別內部結構和形態并確保選擇好的分析點位，在中國地質科學院礦產資源研究所進行了透反射照片及陰極發光圖像(CL)的拍攝。鋯石U-Pb定年分別在西安地質調查中心和北京離子探針中心進行，采用的測試方法分別為LA-ICP-MS和SHRIMP。所選測試點大小35 μm，采用Ple?ovic標準鋯石91500等進行年齡校正，利用Glitter軟件計算同位素比值和元素濃度，諧和圖通過 ISOPLOT程序獲得(Ludwig, 2003)。

3.2 主量和微量元素分析

本文共對3個花崗質巖體的17個樣品進行了全巖分析工作。全巖化學成分(主量元素和微量元素)在加拿大溫哥華ACME測試實驗室利用4A-4B 和1DX分析程序(方法)進行分析，主量元素使用X射線熒光光譜儀(XRF)和耦合等離子體原子發射光譜(ICP-ES)，微量元素使用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)進行分析。

3.3 鋯石Lu-Hf同位素分析

鋯石Lu-Hf同位素分析測試工作在中國地質科學院地質研究所大陸動力學實驗室完成，詳細測試方法和步驟參見侯可軍等(2007, 2009)。

3.4 Sr-Nd 同位素分析

全巖Rb-Sr 和Sm-Nd 同位素在合肥中國科學技術大學利用熱電離質譜(MAT262)進行同位素分析測試。87Sr/86Sr值和143Nd/144Nd值分別用86Sr/88Sr=0.119 4和146Nd/144Nd=0.721 9進行校正。NBS987標樣的平均87Sr/86Sr值為0.710 207±14，JNdi-4ul標樣的平均143Nd/144Nd值為0.512 124±11。分析過程的詳細描述見Chen等(2002, 2007)。

4 測試結果分析

4.1 鋯石U-Pb年代學特征

(1)Ulaanb-8-3巖體

正長花崗巖樣品(M1498-3.1，正長花崗巖主體；M1498-1.2，花崗巖脈)中鋯石晶型較好，其形態主要呈長柱狀、短柱狀或不規則狀，巖漿振蕩環帶發育明顯，不具有核-邊結構，鋯石長軸長度介于50～250 μm之間(多為100～250 μm)，長寬比為1∶1～4∶1(圖4a、4b)。

正長花崗巖(M1498-3.1)樣品共測20個點，其中 5個Pb異常點予以剔除，其余15個點206Pb/238U年齡范圍在351～328 Ma之間，206Pb/238U加權平均年齡為337.0±4.0 Ma(MSWD=3.0，N=15)。正長花崗巖脈(M1498-1.2)樣品共測20個點，其中3個Pb異常點予以剔除，其余17個點的206Pb/238U年齡介于338～326 Ma之間，206Pb/238U加權平均年齡為332.0±2.0 Ma(MSWD=1.0，N=17)。該組年齡均屬早石炭世，限制了巖漿作用的時限(表1，圖5a、5b)。

表 1 南蒙古石炭紀花崗巖鋯石LA-ICP-MS和SHRIMP U-Pb 定年分析結果

(2)Zamiin-8-1巖體

CL圖像顯示，Zamiin-8-1巖體中二長花崗巖(M1288-1.7)的鋯石顆粒呈灰黑色、灰白色，大多數鋯石具有明顯的核-邊結構，核部具有震蕩環帶，較暗且存在明顯的再吸光特征，具巖漿成因特征。樣品中鋯石顆粒形態多為長柱狀，少部分為短柱狀，鋯石長軸長度為50～230 μm，長寬比為1∶1 至 3∶1(圖4c)。該樣品中共挑選了24個點進行鋯石U-Pb同位素分析，結果顯示它們的諧和度較高，206Pb/238U年齡在321～315 Ma之間，206Pb/238U加權平均年齡為319.8±0.9 Ma(MSWD=1.7，N=24)。該年齡代表了Zamiin-8-1巖體的結晶年齡(圖5c)，說明該巖體形成于晚石炭世。

(3)Ulaanb-7-5巖體

Ulaanb-7-5巖體中正長花崗巖(M1287-5.1)樣品中鋯石多為灰白色短柱狀，少數為長柱狀或橢球狀，長度為35～180 μm，長寬比為1∶1～2.2∶1，CL圖像可見清晰的生長韻律環帶，顯示巖漿鋯石的特征(圖4d)。共挑選了5個點利用SHRIMP法進行了U-Pb同位素分析，結果顯示206Pb/238U年齡介于311～304 Ma之間，206Pb/238U加權平均年齡為305.9±4.7 Ma(MSWD = 0.25，N=5)，代表了巖體的結晶年齡(圖5d)，說明該巖體也形成于晚石炭世，但稍晚于Zamiin-8-1巖體。

圖 4 扎門烏德和烏蘭巴德拉赫地區石炭紀花崗巖鋯石陰極發光(CL)影像圖

圖 5 扎門烏德和烏蘭巴德拉赫地區石炭紀花崗巖鋯石U-Pb諧和年齡圖

4.2 巖石地球化學特征

(1)Ulaanb-8-3巖體

Ulaanb-8-3巖體中主巖體和巖脈主量元素含量相似，變化范圍不大，其特征是SiO2(76.31%～77.79%)、K2O(4.40%～4.86%)含量高，Al2O3(12.03%～12.64%)、MgO(0.04%～0.08%)、MnO(0.01%～0.02%)、P2O5(0.01%～0.06%)含量低，其他CaO(0.05%～0.09%)、TiO2(0.05%～0.09%)、Na2O(3.57%～3.83%)含量一般(表2)。所有樣品在K2O-SiO2圖(圖6a)上均落入高鉀鈣堿性區域，且具有弱的過鋁質屬性(圖6b)。

正長花崗巖中樣品中稀土元素總量變化范圍較窄(ΣREE= 119.36×10-6～180.69×10-6)，輕重稀土元素分異較弱[LREE/HREE=2.52～5.73，(La/Yb)N=1.54～4.83]，具有較強的負Eu異常(δEu= 0.07～0.12)，在蛛網圖上顯示Th、La、Nd、Zr、Hf正異常，Ba、Sr、Nb、Ti等負異常(圖7a、7b)。

(2)Zamiin-8-1巖體

二長花崗巖樣品的主量元素SiO2含量高(72.65%～76.13%)，相對富堿(K2O=4.38%～6.13%，Na2O=2.54%～3.51%)，低P2O5(0.06%～0.11%)、TiO2(0.06%～0.24%)、MgO(0.16%～0.32%)。樣品具有高鉀鈣堿性、較強的過鋁質屬性(圖6a、6b)。

二長花崗巖的稀土元素總量較低，且變化范圍較大(52.58×10-6～126.40×10-6)，輕重稀土元素分異不明顯[LREE/HREE=2.07～5.30，(La/Yb)N=1.36～4.87]，具較弱的Eu負異常(δEu=0.10～0.47)。在原始地幔微量元素蛛網圖解中，富集Th、U、Hf元素，虧損Ba、Nb、Sr、P、Ti元素(圖7c、7d)。

(3)Ulaanb-7-5巖體

Ulaanb-7-5正長花崗巖樣品中，SiO2(74.85%～76.22%)、Al2O3(12.92%～13.47%)、Na2O(3.99%～4.25%)、K2O(3.93%～4.30%)和CaO(0.31%～0.49%)含量較高，MnO(～0.04%)和MgO(0.35%～0.38%)含量較低。這些樣品具有高鉀鈣堿性和弱的過鋁質屬性(圖6a、6b)。

圖 6 扎門烏德和烏蘭巴德拉赫地區石炭紀花崗巖K2O-SiO2判別圖解(a，據Peccerillo and Taylor，1976)和A/NK-A/CNK圖解(b，據Maniar and Piccoli, 1989)

正長花崗巖稀土元素總量為77.93×10-6～103.31×10-6，從球粒隕石配分模式圖中，可以看出輕重稀土元素分異較弱[LREE/HREE=6.39～7.07，(La/Yb)N=5.34～6.31]，具弱的Eu負異常(δEu=0.37～0.47)。在微量元素蛛網圖解中，富集Th、La、Ce、Zr、Hf元素，虧損Nb、Nd、Ta、P、Ti等元素(圖7c、7d)。

圖 7 稀土元素球粒隕石標準化配分模式圖(a、c)和微量元素原始地幔標準化多元素蛛網圖(b、d)

4.3 鋯石Hf同位素特征

(1)Ulaanb-8-3巖體

表 2 南蒙古石炭紀花崗巖主量(wB/%)和微量(wB/10-6)元素分析結果

(2)ZamiinUud-1巖體

4.4 Rb-Sr和Sm-Nd同位素特征

(1)Ulaanb-8-3巖體

正長花崗巖(M1498-3.1和M1498-1.2)的Sr-Nd同位素成分組成為87Sr/86Sr(0.807 827～0.814 757)和143Nd/144Nd(0.512 668～0.512 778)。以337和332 Ma年齡計算初始Sr-Nd同位素組成,初始(87Sr/86Sr)i值為0.703 78～0.703 99，εNd(t)值為3.68～4.09，二階段Nd同位素模式年齡為790～750 Ma(表4)。

(2)ZamiinUud-1巖體

二長花崗巖(M1288-1.7)的(87Sr/86Sr)i值為0.701 71，εNd(t)值為1.17，tDM2為980 Ma；正長花崗巖(M1287-5.1)根據U-Pb定年結果306 Ma計算，得出(87Sr/86Sr)i值為0.704 27，(143Nd/144Nd)i值為0.512 516，εNd(t)值為5.25，二階段Nd同位素模式年齡為640 Ma(表4)。

表 4 南蒙古石炭紀花崗巖Sr-Nd同位素組成

表 3 南蒙古石炭紀花崗巖鋯石Lu-Hf同位素數據

5 討論

5.1 成因類型

扎門烏德-烏蘭巴德拉赫地區早石炭世花崗巖(正長花崗巖和正長花崗巖脈)A/CNK值小于1.1，富集K、Th、Nd、Zr、Hf等元素，虧損Ba、Sr、Nb、P、Ti等元素，且Eu有較強的負異常，具有分異演化的特征，這些地球化學特征與I型花崗巖特征相似；晚石炭世花崗巖(正長花崗巖和二長花崗巖)部分數據A/CNK值大于1.1，但其具有高鉀鈣堿性屬性，Eu具有較弱的負異常，不具有S型花崗巖特征性礦物(富鋁質礦物)，仍具有I型花崗巖地球化學和礦物學特征，其部分地化數據指標A/CNK值大于1.1，可能是巖漿在上升的過程中有少量古老沉積地殼物質的混染加入所致。

石炭紀花崗巖樣品在Ga-Al2O3圖解中，大部分數據均落在I型花崗巖區域，只有正長花崗巖脈中2個數據落在A型花崗巖區域，可能是因為其形成于局部張性環境中，沿斷裂呈脈體侵入導致(圖8a)。石炭紀花崗巖P2O5與SiO2含量呈現負相關，Th、Y與Rb元素呈現正相關關系(圖8b、8c、8d)，具有典型的I型花崗巖演化趨勢(Chappell and White, 1992；吳福元等, 2007)。據此本文認為扎門烏德-烏蘭巴德拉赫地區石炭紀花崗巖應該為I型花崗巖。

5.2 源區物質特征

有關I型花崗巖的形成主要有兩種認識：① 地殼的部分熔融與來自幔源的鐵鎂質巖漿的混合，并伴隨結晶分異作用(Castroetal., 1991)；② 受殼幔作用影響下地殼或者洋殼的部分熔融(吳福元等, 2007)。扎門烏德-烏蘭巴德拉赫地區早石炭世花崗巖(正長花崗巖和正長花崗巖脈)具有相似的Hf同位素特征，表明其源自同一巖漿房，其εHf(t)值介于9.70～14.90之間(平均值為12.83)，靠近虧損地幔演化線，且均位于球粒隕石和虧損地幔之間的區域(圖9b)，其tDM2(Hf)年齡為721～393 Ma(平均值為524 Ma)，全巖εNd(t)值為3.68～4.09，二階段Nd同位素模式年齡為790～750 Ma，表明其源區可能為地幔分異的新生地殼物質(Peter and Roland, 2003)。結合其地球化學特征，說明早石炭世正長花崗巖可能為受地幔作用影響下玄武質洋殼的部分熔融產物，研究區早石炭世地殼發生了增生作用。

圖 8 扎門烏德和烏蘭巴德拉赫地區石炭紀花崗巖判別圖

圖 9 扎門烏德和烏蘭巴德拉赫地區石炭紀花崗巖εNd(t)-(87Sr/86Sr)i圖解(a)和εHf(t)-t圖解(b)

5.3 巖漿構造演化

中亞造山帶南緣構造背景爭議較大，其核心問題是古亞洲洋的閉合時間，代表性觀點有兩種：① 志留紀—泥盆紀(早古生代時期)(Tang, 1990; Tang and Yan，1993; Xuetal., 2015; 龐崇進等, 2016; 徐備等, 2018)；② 二疊紀—三疊紀(晚古生代時期)(Xiaoetal., 2003，2009, 2010; Windleyetal., 2007; 李錦軼等, 2009，2019; 劉建峰等, 2009，2016; 韓寶福等，2010; Wangetal., 2017)。而石炭紀作為一個承前啟后的關鍵時期，厘清其構造環境對于解決古亞洲洋閉合的時間具有重要意義。在(Nb/Zr)N-Zr圖解上，扎門烏德-烏蘭巴德拉赫地區石炭紀花崗巖落在俯沖相關區域，結合區域地質背景說明其在石炭紀結束之前依然處在俯沖作用構造背景下，表明古亞洲洋在該時期仍未完全閉合(圖10a)。

早石炭世花崗巖在判別圖解中(圖10b、10c、10d)，落在島弧或者板內花崗巖區域，且其與島弧背景下的花崗巖特征存在明顯不同；其同位素特征(源區主要來自于玄武質洋殼)以及同一巖漿房的細粒正長花崗巖脈在5 Ma內沿張開裂隙(斷裂)侵入中細粒正長花崗巖主體等特征，表明其形成于俯沖碰撞環境下的局部拉張。結合巖漿活動時空分布規律，推斷其構造背景可能為俯沖大洋板塊的回撤導致局部拉張，地殼和巖石圈地幔逐漸變薄，軟流圈上涌觸發洋殼巖石的部分熔融產生花崗質巖漿(Elsasser, 1971; Garfunkeletal., 1986; Jiangetal., 2006, 2011; Hamilton, 2007)。

圖 10 扎門烏德和烏蘭巴德拉赫地區石炭紀花崗巖構造環境判別圖解

晚石炭世早期二長花崗巖(320 Ma)全部落入島弧區域，且與區域內存在的泥盆紀-石炭紀島弧地殼是一致的(Blightetal., 2010)，表明其形成與于島弧環境；晚石炭世晚期正長花崗巖(305 Ma)落入后碰撞區域，同時該區域出露了一條晚石炭世-二疊紀代表后碰撞環境的A型花崗巖帶(Lamb and Badarch, 2001; Gereletal., 2005; Jahnetal., 2009; Tongetal., 2015; Xuetal., 2020)，間接表明其形成于后碰撞伸展的構造環境(唐克東等, 1982; 劉建峰, 2009)。上述證據表明石炭紀扎門烏德-烏蘭巴德拉赫地區一直處于持續俯沖的構造背景，區內的花崗巖記錄了研究區內早期大洋板塊回撤導致的局部拉張到晚期后碰撞伸展環境的轉變。

6 結論

本文依據野外地質調查、室內鏡下觀察、Sr-Nd-Hf同位素和地球化學數據以及區域地質背景資料，獲得以下結論：

(1)借助于鋯石U-Pb定年方法，在南蒙古東戈壁省扎門烏德和烏蘭巴德拉赫地區識別出3個石炭紀花崗巖體，其侵位年齡為早石炭世(337 Ma和332 Ma)和晚石炭世(320 Ma和306 Ma)。

(2)石炭紀花崗巖均為I型花崗巖，早石炭世花崗巖源區主要是新生洋殼物質，晚石炭世花崗巖源區以新生地殼物質為主，巖漿在上升過程中加入少量古老地殼物質；巖漿作用早石炭世主要是地殼增生作用，晚石炭世則以地殼增生作用為主、地殼改造作用為輔。

(3)研究區石炭紀一直處于俯沖構造背景，石炭紀花崗巖記錄了早期大洋板塊回撤導致的局部拉張到晚期后碰撞伸展環境的轉變。

致謝感謝匿名評審人對稿件提出的寶貴意見。