內蒙古科爾沁右翼前旗地區滿克頭鄂博組火山巖年代學、地球化學特征及其地質意義

賈 彬，魏立勇，吳歡歡,2，張 振，唐衛東，劉天航，柴晨暉，孟五一

(1. 中國地質調查局 西安礦產資源調查中心， 陜西 西安 710100； 2. 中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院，北京 100083； 3. 中國地質調查局 廊坊自然資源綜合調查中心， 河北 廊坊 065000)

大興安嶺地區位于中亞造山帶東段，先后受古生代古亞洲洋構造域和中生代古太平洋構造域影響而顯示出多階段演化特點，其中中生代強烈的巖漿作用形成了超十萬平方公里的火山巖帶(Li， 2006； Wangetal.， 2006； Xuetal.， 2013)。特殊的地理位置以及復雜的構造背景，使得該區域自19世紀80年代以來就成為國內外學者的研究熱點。早期的研究大多依靠巖石組合特征、地層對比以及少量Rb-Sr、K-Ar等方法，近些年來鋯石U-Pb測年方法的廣泛運用獲得了較多該地區中生代火山巖的精確年齡(Zhangetal.， 2010； 程銀行等， 2014； 杜洋等， 2017； 臧延慶等， 2018； Gouetal.， 2019)。但由于區域上研究樣品分布不夠均勻、不夠系統，準確限定中生代火山巖的時空分布規律仍存在一些問題。同時，對于中生代火山巖的成因機制和構造背景也具有較大爭議，一些學者認為大興安嶺地區中生代火山巖是古太平洋板塊俯沖作用及俯沖后伸展作用的結果(Wangetal.， 2006； Zhangetal.， 2010； Wuetal.， 2011)，一些學者則認為與蒙古-鄂霍茨克洋閉合造山后的伸展有關(Fanetal.， 2003； Meng， 2003； 張連昌等， 2007； 王建國等， 2013)，還有一些學者認為可能是地幔柱活動的結果(葛文春等，2000)。要厘清這些問題需要對該地區中生代火山巖進行詳細的巖石學、全巖地球化學及年代學研究，并結合區域上同期火山巖進行對比研究。滿克頭鄂博組是大興安嶺中南段大規模火山作用的初始地層，限定其形成年代及構造背景具有重要意義。該套火山巖在大興安嶺中段的內蒙古科爾沁右翼前旗地區廣泛發育，但目前尚未有關于其鋯石U-Pb年齡的報道，導致對于該區的巖漿作用，特別是火山巖的時代、成因及構造環境不太確定。由此，在區調工作的基礎上，本文采集該地區滿克頭鄂博組典型樣品進行了精細的鋯石U-Pb定年工作，同時結合其巖石地球化學特征以及區域上該套火山巖的時空分布討論其形成時代及構造背景。

1 區域地質概況

科爾沁右翼前旗地區位于大興安嶺中南部，大地構造位置屬興蒙造山帶東段，古生代受古亞洲洋構造域控制，屬天山-興蒙造山系中的大興安嶺弧盆系，三級構造單元屬于錫林浩特巖漿弧(圖1a)。中-新生代以來，主要受濱太平洋構造域控制，主體構造線為北東-北北東向，顯示出古亞洲洋構造域與濱太平洋構造域兩大構造體制及區域成礦系統疊加特點。

研究區內主要發育中生代火山巖(占測區面積的62%)，由老到新依次為滿克頭鄂博組(J3m)、瑪尼吐組(J3mn)、白音高老組(K1b)、五叉溝組(βN1w)。其中滿克頭鄂博組主要為一套陸相中酸性火山熔巖及火山碎屑巖組合，厚度大于1 km，巖性組合為灰色-灰白色(球泡)流紋巖、流紋質(角礫)晶屑凝灰巖、流紋質(角礫)晶屑熔結凝灰巖、流紋質(集塊、角礫)玻屑熔結凝灰巖、流紋質角礫熔巖、粗面巖，中細粒凝灰質(巖屑)長石砂巖夾礫巖、粉砂巖等。區域上總體來看，流紋質火山巖上覆于粗面質火山巖，且厚度明顯大于后者。區內構造主要為正斷層、平移斷層，局部發育少量逆斷層及寬緩褶皺，構造線以北東向為主，次為北西向構造，少量的南北向構造(圖1b)。

2 樣品特征及分析方法

本次研究采集區內滿克頭鄂博組共11件火山巖樣品(包括6件流紋巖和5件粗面巖)進行全巖主微量元素分析，選取剖面PM06上2件典型流紋巖樣品進行LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年(PM06剖面圖及采樣位置見圖2)。

流紋巖新鮮面為灰黃-淺紫紅色，具斑狀結構，流紋構造(圖3a)。鏡下觀察斑晶主要為石英(10%～15%，體積分數)、鉀長石(3%～5%)(圖3b)。鉀長石為自形-半自形，0.5～1.0 mm，棱角多被熔蝕，表面具有不同程度的高嶺土化；石英多為長條形，少量被熔蝕為港灣狀。基質(80%～85%)主要為隱晶質-微晶質，顆粒定向呈現流動構造。

圖 1 興蒙造山帶東段大地構造圖(a)和研究區地質簡圖 (b， 據原武警黃金第四支隊， 2019?)Fig. 1 Tectonic map of the eastern part of the Xing-Meng orogenic belt(a) and geological sketch map of the study area (b， after No. 4 Team of Gold Exploration Branch of Chinese Armed Police Force, 2019?)? 原武警黃金第四支隊. 2019. 1∶5萬特莫牧場幅等四幅區調地質調查報告.

圖 2 內蒙古科爾沁右翼前旗地區滿克頭鄂博組(PM06)剖面圖Fig. 2 Profile map of Manketouebo Formation (PM06) in Horqin Right-Front Banner area, Inner Mongolia

圖 3 內蒙古科爾沁右翼前旗地區滿克頭鄂博組流紋巖(a、b)與粗面巖(c、d)野外和正交偏光照片Fig. 3 Field and orthogonal polarized photographs of rhyolite (a, b) and trachyte (c, d) of Manketouebo Formation in Horqin Right-Front Banner area, Inner MongoliaPl—斜長石； Kfs—鉀長石； Qz—石英Pl—plagioclase； Kfs—K-feldspar； Qz—quartz

粗面巖新鮮面為灰綠色或紫紅色，塊狀構造，具斑狀結構(圖3c)。鏡下觀察斑晶主要為鉀長石，鉀長石粒徑為 0.5～1.5 mm，呈自形-半自形板狀，可見卡式雙晶，部分長石有熔蝕邊，具港灣狀熔蝕，含量約10%～15%。基質主要為鉀長石微晶、少量斜長石微晶，微晶礦物多呈針狀、板狀，可見弱定向排列，形成粗面結構(圖3d)。

鋯石挑選由河北省區域地質礦產調查研究所實驗室完成。樣品常規粉碎淘洗后，經磁選和重液分離，并在雙目鏡下進行人工挑選。鋯石制靶和陰極發光(CL)圖像采集由北京鋯石領航科技有限公司完成。鋯石U-Pb同位素測年由北京科薈測試技術有限公司完成，測試過程中，激光斑束直徑為30 μm，頻率為8 Hz，采用了He作為載體，Ar作為補償氣，采用ICPMSDataCal軟件對數據進行后期處理，年齡的計算和諧和圖的繪制采用Isoplot3.0軟件完成。

11件主微量樣品測試在核工業北京地質研究所完成。樣品在去除風化殼后經破碎機粉碎，然后用球磨儀研磨至粉末狀(>200目)進行測試。主量元素用X射線熒光光譜法(XRF)測試，FeO應用氫氟酸-硫酸溶樣、重鉻酸鉀滴定的容量法測試，分析精度優于2%，微量元素使用ICP-MS測試，分析精度優于5%。

3 分析結果

3.1 鋯石U-Pb年代學

2件流紋巖測年樣品(PM06TW25、PM06TW39)采自吉拉斯臺嘎查地區實測地層剖面(PM06)，采樣坐標分別為46°37′50″N、120°56′25″E和46°39′49″N、120°56′30″E。所測樣品中鋯石多為無色透明-淺褐色，自形-半自形短柱狀，長110～150 μm，長寬比介于1.5∶1～2∶1之間，發育巖漿鋯石典型的振蕩環帶(圖4)。LA-ICP-MS分析結果列于表1和表2，U-Pb諧和圖及加權平均年齡圖見圖5。

表 1 滿克頭鄂博組流紋巖(PM06TW25)LA-ICP-MS鋯石U-Th-Pb分析結果Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb analytical result of rhyolite (PM06TW25) in Manketouebo Formation

表 2 滿克頭鄂博組流紋巖(PM06TW39)LA-ICP-MS鋯石U-Th-Pb分析結果Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb analytical result of rhyolite (PM06TW39) in Manketouebo Formation

圖 4 滿克頭鄂博組酸性火山巖部分鋯石陰極發光圖像Fig. 4 CL images of selected zircons from the felsic volcanic rocks of Manketouebo Formation

2件樣品的鋯石測試數據在U-Pb諧和圖中均位于諧和線上及其附近(圖5)。其中PM06TW25中的31個鋯石測試點位206Pb/238U年齡介于151±3～141±2 Ma之間，獲得加權平均年齡為145.9±1.0 Ma(MSWD=0.71)(圖5a)。樣品PM06TW39中的31個鋯石測試點位206Pb/238U年齡介于153±4～143±2 Ma之間，加權平均年齡為146.0±1.3 Ma(MSWD=1.5)(圖5b)。可見，本區滿克頭鄂博組火山巖成巖年齡為146.0±1.3～145.9±1.0 Ma，為晚侏羅世。

圖 5 鋯石U-Pb年齡諧和圖和206Pb/238U加權平均年齡圖Fig. 5 Zircon U-Pb concordia diagrams and weighted mean 206Pb/238U age plots

3.2 巖石地球化學特征

11件滿克頭鄂博組火山巖主微量元素測試結果列于表3。

表 3 滿克頭鄂博組流紋巖主量(wB/%)、微量(wB/10-6)元素分析結果Table 3 Major (wB/%) and trace (wB/10-6) compositions of rhyolites in Manketouebo Formation

結果顯示，流紋巖樣品具有較高的SiO2含量(72.17%～77.40%，平均值為75.29%)、Al2O3含量(12.19%～14.27%，平均為13.23%)以及較高的全堿(K2O+Na2O)含量(8.00%～9.26%，平均值為8.55%)，同時具有較低的CaO含量(0.14%～0.87%，平均值為0.37%)、MgO含量(0.10%～0.40%，平均值為0.19%)和P2O5含量(0.02%～0.07%，平均值為0.03%)。粗面巖樣品相比流紋巖樣品具有較低的SiO2含量(63.28%～68.77%，平均值為65.98%)，較高的Al2O3含量(15.17%～16.18%，平均值為15.79%)、CaO含量(0.99%～3.43%，平均值為1.89%)、MgO含量(0.48%～1.52%，平均值為0.96%)和P2O5含量(0.13%～0.38%，平均值為0.22%)。所有樣品總體富鈉，K2O/Na2O值范圍為0.37～1.48，平均值為0.92。在火山巖TAS分類圖解中，5個粗面巖落在粗面巖區，6個流紋巖樣品落在流紋巖區(圖6)。在K2O-SiO2圖解中，除1件粗面巖和1件流紋巖樣品分別落入鉀玄巖和鈣堿性系列區域外，其他樣品均落入高鉀鈣堿性系列中(圖7a)。在A/NK-A/CNK圖解上，除1個粗面巖樣品外，其余樣品點均落于過鋁質區域(圖7b)。綜上，研究區滿克頭鄂博組火山巖樣品屬于過鋁質、高鉀鈣堿性系列巖石。

圖 6 內蒙古科爾沁右翼前旗地區火山巖樣品TAS分類圖(底圖據Middlemost， 1994)Fig. 6 TAS diagram of volcanic rocks from Horqin Right-Front Banner area in Inner Mongolia(after Middlemost， 1994)

所有樣品稀土元素總量(∑REE)為51.94×10-6～222.25×10-6，均值147.66×10-6。LREE/HREE=5.46～11.75，(La/Yb)N=2.85～17.27。在球粒隕石標準化稀土元素配分模式圖中，樣品輕、重稀土元素分餾明顯，呈現輕稀土元素富集，中等至強烈的負Eu異常(δEu=0.07～0.23，平均值為0.19)的不對稱的右傾“海鷗型”配分型式(圖8a)。在原始地幔標準化蛛網圖中，所有樣品均顯示出相似的分布型式。表現為富集大離子親石元素Rb、K等，虧損高場強元素Nb、Ta、Ti、P(圖8b)。

4 討論

4.1 火山巖形成時代

本文進行LA-ICP-MS測試的流紋巖樣品中的鋯石發育清晰的振蕩環帶，結合較高的Th/U值(0.41～1.32， >0.2)，顯示出典型的巖漿成因特征(Rubatto and Hermann， 2003)。因此，這些鋯石的測年結果可以代表本區火山巖的結晶年齡，即內蒙古科爾沁右翼前旗地區滿克頭鄂博組火山巖形成于晚侏羅世(146.0±1.3 Ma～145.9±1.0 Ma)。

根據Gou等(2019)對大興安嶺地區中生代侵入巖及火山巖數據的最新統計，大興安嶺地區晚中生代大規模巖漿作用始于晚侏羅世初(～163 Ma)，持續到早白堊世末(～106 Ma)。同時存在2個峰期年齡，分別為晚侏羅世(162～150 Ma)和早白堊世(140～125 Ma)。本文對近幾年發表的大興安嶺地區滿克頭鄂博組火山巖鋯石U-Pb年齡進行了統計(表4)，其中年齡最大的為164.0±1.0 Ma，最小的為132.2±0.5 Ma，跨越了2個峰期年齡，指示滿克頭鄂博組火山巖在不同地區噴出時代具有較大跨度。同時，數據顯示，滿克頭鄂博組火山巖時代自西南向東北總體呈現逐漸變新的趨勢(圖9)。

表 4 大興安嶺地區滿克頭鄂博組火山巖鋯石U-Pb同位素年齡統計Table 4 Reported zircon U-Pb ages of volcanic rocks of Manketouebo Formation in the Da Hinggan Mountains

圖 7 內蒙古科爾沁右翼前旗地區火山巖樣品的K2O-SiO2圖解(a， 底圖據Peccerillo and Taylor， 1976)和A/NK-A/CNK圖解(b)Fig. 7 K2O-SiO2 diagram (a, after Peccerillo and Taylor， 1976) and A/NK-A/CNK diagram(b) for volcanic rocks from Horqin Right-Front Banner area, Inner Mongolia

圖 8 滿克頭鄂博組火山巖球粒隕石稀土元素配分圖(a)和原始地幔標準化微量元素蛛網圖(b)(標準化數據據Sun and McDonough， 1989)Fig. 8 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagram(b) for the Manketouebo Formation volcanic rocks (normalized values are from Sun and McDonough, 1989)

4.2 巖漿源區及巖石成因

對于大興安嶺地區廣泛分布的晚中生代酸性火山巖成因目前主要有以下幾種觀點： ① 可能與同區域發育的玄武巖共同構成雙峰式火山巖組合(葛文春等， 2000； 林強等， 2003； Zhangetal., 2010)； ② 由鈣堿性系列玄武質巖漿經歷分離結晶作用而來(Fanetal.， 2003； 張連昌等， 2007)； ③ 造山帶陸殼部分熔融后經歷分離結晶作用而來(高曉峰等， 2005； Guoetal.， 2009)。本研究區未見大面積的中基性巖漿巖出露，因此并不符合雙峰式火山巖組合的特征。同時，中基性巖漿很難演化形成如此大規模的酸性巖漿噴發，玄武質巖漿經分離結晶作用成因的可能性不大(程銀行等， 2014)。因此本文主要探討陸殼部分熔融后經歷分離結晶作用的成因模式。

研究區滿克頭鄂博組火山巖主要為流紋質火山碎屑巖、火山熔巖及少量粗面質火山巖。本文樣品具有高硅(SiO2平均值為71.06%)，富堿(K2O+Na2O平均值為8.66%)的特征。稀土元素(REE)含量較高，輕、重稀土元素分餾明顯 [(La/Yb)N平均為7.76]，同時富集大離子親石元素(LILE)Rb、K，虧損高場強元素Nb、Ta、Ti、P，顯示出殼源巖漿特征。與此同時，中等-明顯的Eu、Sr負異常指示其巖漿源區發生了斜長石殘留或巖漿經歷了顯著的分離結晶作用。全巖Nb/Ta值為10.0～15.4(平均為11.9)，與地殼平均值12～13較為接近(Barthetal.， 2000)，而明顯低于原始地幔的平均值(17.8； Mcdonough and Sun， 1995)，進一步指示其殼源屬性。

本文研究的5件粗面巖樣品La/Sm值范圍為4.19～6.63(平均為5.01)，6件流紋巖樣品La/Sm值范圍為4.04～7.99(平均為6.91)，兩者并沒有太大的差別，暗示兩者應該不是經不同程度部分熔融而來。在哈克圖解中(圖10)，TiO2、Al2O3、TFeO、MgO、CaO和P2O5均與SiO2具有良好的線性演化關系，指示兩者更傾向于由同一巖漿經分離結晶作用形成。同時，5件粗面巖樣品δEu范圍為0.22～0.23(平均0.23)，明顯高于流紋巖樣品的0.07～0.20(平均0.15)，更高的Eu異常進一步指示流紋巖經歷了更高程度的斜長石分離結晶。

圖 9 大興安嶺地區滿克頭鄂博組火山巖時空分布簡略圖(圖中數據見表4) Fig. 9 Simplified diagram of the temporal and spatial distribution of volcanic rocks in the Manketouebo Formation in the Da Hinggan Mountains(the data are shown in Table 4)

圖 10 滿克頭鄂博組火山巖哈克圖解Fig. 10 Hark diagrams of the volcanic rocks of the Manketouebo Formation

因此，認為大興安嶺中南段內蒙古科爾沁右翼前旗地區滿克頭鄂博組火山巖是由于殼源物質部分熔融之后，經歷了不同程度的分離結晶作用后噴發至地表分別形成粗面巖和流紋巖。

4.3 構造環境

大興安嶺中生代火山巖產出的構造背景一直是廣受爭議的問題，前已述及主要有地幔柱熱動力相關的地幔熔融、蒙古-鄂霍次克縫合帶閉合后伸展和太平洋板塊俯沖3種觀點。根據相關的年代學統計，大興安嶺中生代火山巖的形成時代變化范圍較大，且不存在所謂的環狀火山巖帶，因此很難用地幔柱作用模式來解釋(Fanetal.， 2003； 張連昌等， 2007)。 Liégeois等(1998)提出高鉀鈣堿性巖漿的出現，并向粗安質巖漿過渡可以作為造山過程演化到最后階段的標志，研究區粗安質巖漿的出現也證明造山過程到了后期階段。本文研究樣品總體具有低Sr(平均206×10-6，<400×10-6)、高Yb(平均2.91×10-6，>2×10-6)的特征，與浙閩型造山后花崗巖較為相似(張旗等， 2008)，顯示了造山后伸展環境特點。在Whalen等(1987)提出的花崗巖分類圖解上(圖11a)，大部分樣品落在I型和S型花崗巖分類靠近A型花崗巖區域，2個樣品落入A型花崗巖區域，與大興安嶺其他地區晚侏羅-早白堊世火山巖基本特征一致(Gouetal.， 2019)。在微量元素構造判別圖解上全部樣品落入造山后期區域(圖11b)，進一步指示該期火山活動形成于造山后伸展構造環境。

圖 11 滿克頭鄂博組火山巖花崗巖判別圖解(a， 底圖據Whalen et al.， 1987)和Rb-(Y+Nb)構造圖解(b， 底圖據Pearce et al.， 1984)Fig. 11 Granite discriminant diagram (a, after Whalen et al.， 1987) and Rb-(Y+Nb) diagram (b, after Pearce et al.， 1984) of the Manketouebo Formation volcanic rocks

近幾年的一些研究表明大興安嶺遠離太平洋板塊俯沖帶，并且大興安嶺北段和南段的中生代火山巖形成時間不同，因此中生代大興安嶺地區大規模火山作用受太平洋板塊的俯沖影響較弱(許文良等， 2013； 尹志剛等， 2019)。同時，對蒙古-鄂霍茨克構造帶的研究表明蒙古-鄂霍次克洋于晚古生代末局部發生俯沖，晚三疊世開始發生自西向東的剪刀式閉合(許文良等， 2013； 黃始琪等， 2014)。許文良等(2013)等認為早侏羅世蒙古-鄂霍茨克大洋板塊向額爾古納地塊下俯沖，中侏羅世蒙古-鄂霍次克洋開始閉合，東部閉合時間可持續到晚侏羅世-早白堊世。本文統計的大興安嶺地區滿克頭鄂博組火山巖時空分布顯示，大興安嶺區域該組火山巖自西南向東北總體上有變新的趨勢(圖9)，與蒙古-鄂霍次克洋閉合特征相符合。結合前文巖石地球化學特征討論，筆者認為科爾沁右翼前旗地區滿克頭鄂博組火山巖主要受蒙古-鄂霍次克縫合帶閉合造山后伸展作用的影響。

5 結論

(1) 科爾沁右翼前旗地區滿克頭鄂博組流紋巖LA-ICP-MS 鋯石U-Pb年齡為145.9±1.0 Ma和146.0±1.3 Ma，表明其形成時代為晚侏羅世。

(2) 滿克頭鄂博組火山巖屬于過鋁質、高鉀鈣堿性系列，具有高硅、富堿，富集大離子親石元素Rb、K，虧損高場強元素Nb、Ta、Ti、P等特征，顯示出殼源巖漿的典型特征。結合主微量元素演化趨勢，推測該區滿克頭鄂博組火山巖是由于殼源物質部分熔融之后，經歷了不同程度的分離結晶作用后噴發形成。

(3) 研究區滿克頭鄂博組火山巖具有造山后巖漿作用地球化學特征，結合大興安嶺地區滿克頭鄂博組時空分布上存在自西南向東北年齡逐漸變新的特點，推測該期火山作用與蒙古-鄂霍次克縫合帶閉合后伸展作用密切相關。