內蒙古架子山地區晚石炭世二長花崗巖成因及其地質意義

摘要：內蒙古架子山地區二長花崗巖位于大興安嶺中段，為了確定其侵位時代，探討大地構造環境，本文對該區二長花崗巖進行了系統的年代學和巖石地球化學研究。研究結果表明：二長花崗巖鋯石U-Pb年齡為（302.9±1.2）Ma，為晚石炭世巖漿作用的產物；二長花崗巖具有高硅（w（SiO2）=74.73%～76.60%）、富堿（w（Na2O+K2O）=6.20%～7.03%）、高鋁飽和指數（A/CNK=1.43～1.58）的特征，屬于高鉀鈣堿性系列巖石；Rb、K、Th、U富集，Ba、Sr、Ti、Nb、P呈明顯V字型虧損，稀土元素配分曲線呈右傾的輕稀土元素富集型，具有負Eu異常（δEu=0.46～0.67）、高分異指數（ID= 88.89～91.55）和低固結指數（IS=1.68～4.78）的特征，表明巖石經歷了高分異演化作用，為高分異I型花崗巖，具有向A型花崗巖演化的趨勢；176Hf/177Hf值為 0.282 850～0.282 951，εHf（t）值為 9.2～12.5，二階段模式年齡（TDM2）變化范圍為910～603 Ma，表明二長花崗巖巖漿可能是新元古代新生地殼部分熔融的產物。內蒙古架子山地區二長花崗巖形成于后造山階段，其形成可能與古亞洲洋閉合后構造環境從擠壓轉換成碰撞后伸展有關。

關鍵詞：鋯石U-Pb測年；地球化學；晚石炭世；后造山環境；古亞洲洋；興蒙造山帶；內蒙古架子山地區

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20210424

中圖分類號：P588.1;P597.1

文獻標志碼：A

Abstract： The monzogranite in the Jiazishan of Inner Mongolia is located in the middle part of the Daxing’anling Mountains. To determine its intrusive age and tectonic environment， the geochronology and petrogeochemistry of the monzogranite have been systematically studied. The results show that the zircon U-Pb age of the monzogranite is （302.9±1.2） Ma， which is the product of Late Carboniferous magmatism. The monzogranite is characterized by high silica （w （SiO2）=74.73%-76.60%）， rich alkali （w （Na2O+K2O）=6.20%-7.03%） and high aluminum saturation index （A/CNK=1.43-1.58）， belonging to the highK calcalkaline series. Rb， K， Th and U are enriched， while Ba， Sr， Ti， Nb and P are obviously Vshaped depleted. The REE pattern shows a rightleaning enrichment type of LREE， with negative Eu anomaly （δEu=0.46- 0.67）. The high differentiation index （ID） （88.89-91.55） and low solidification index （IS） （1.68-4.78） indicate that the monzogranite has undergone the evolution of high differentiation and is a type highly differentiation Itype granite with a tendency to evolve to Atype granite. The 176Hf/177Hf value is 0.282 850-0.282 951， the εHf （t） value is 9.2-12.5， and the twostage mode age （TDM2） is 910-603 Ma， suggesting that the monzogranite may be the product of partial melting of juvenile crust in Neoproterozoic. The monzogranite in the Jiazishan area of Inner Mongolia was formed in the postorogenic stage， and its formation may be related to the transformation of the tectonic setting from extrusion to postcollisional extension after the closure of the PaleoAsian Ocean.

Key words：" zircon U-Pb dating; geochemistry； Late Carboniferous; postorogenic tectonic setting; PaleoAsian Ocean; XingMeng orogenic belt; Jiazishan area， Inner Mongolia

0 引言

興蒙造山帶是一條巨型復合造山帶，屬于中亞造山帶東段，位于西伯利亞板塊與華北板塊之間，是全球顯生宙時期增生最為強烈的地區之一。自顯生宙以來，其經歷了多期次大洋板片俯沖、地殼增生以及多個微陸塊和洋殼的碰撞拼合作用，因其復雜的構造演化過程，該地區備受國內外地質學者的關注。

興蒙造山帶發育大量近東西向的古生代巖漿巖帶，其中以晚古生代巖漿活動最為顯著，研究興蒙造山帶內的古生代巖漿巖可以為探討古亞洲洋閉合過程、興蒙造山帶的演化及地殼增生方式提供有力證據。雖然前人對興蒙造山帶晚古生代巖漿巖開展了大量的研究，但對于該時期的區域構造演化背景仍然存在爭議，主要有2種不同觀點：1）古亞洲洋閉合造山后伸展或者類似于弧后盆地成因環境；2）安第斯型活動大陸邊緣島弧成因環境，以及由此引出對古亞洲洋閉合時限的諸多爭議，例如古亞洲洋閉合于中泥盆世、晚石炭世和晚二疊世—早三疊世等。

前人對大興安嶺南段的晚古生代巖漿巖研究程度較高，但對大興安嶺中段的晚古生代巖漿巖研究程度較低。本文通過對位于大興安嶺中段內蒙古架子山地區二長花崗巖的鋯石U-Pb年代學、Hf同位素、地球化學特征進行研究，以期精確厘定二長花崗巖的侵位時代，分析其巖石地球化學屬性，探討其巖漿源區特征、巖石成因和構造環境，為認識這一地區晚古生代構造體制轉變的時限提供相應依據。

1 地質背景及巖石學特征

研究區位于內蒙古自治區興安盟科爾沁右翼前旗明水河鎮，地處大興安嶺中段，在大地構造位置上屬于興蒙造山帶東段，先后經歷了古亞洲洋構造域、蒙古—鄂霍茨克構造域、古太平洋構造域的疊加演化，發育了一系列的東西向及北北東向斷裂構造（圖1a）。區域內巖漿活動強烈，發育大量侵入巖，以海西期和燕山期中酸性侵入巖為主，其中，海西期侵入巖主要為石炭紀晚期二長花崗巖，燕山期侵入巖主要為侏羅紀閃長巖、堿長花崗巖和花崗斑巖，巖體長軸方向為北北東向，受區域構造斷裂控制明顯。

研究區內出露的地層主要為侏羅系上統瑪尼吐組、白音高老組和第四系（圖1b）。其中，瑪尼吐組以英安巖和安山巖為主，白音高老組以凝灰巖為主，第四系主要由腐殖土及殘破積物、河床及沼澤沉積物組成，分布于研究區的溝谷和寬緩的洼地中。

本文研究的二長花崗巖呈巖基狀分布于研究區中東部，新鮮面呈肉紅色，具中—粗粒花崗結構，塊狀構造（圖2a、b），見高嶺土化、絹云母化和硅化現象，主要由斜長石、鉀長石、石英及少量黑云母組成（圖2c、d）。其中：斜長石呈半自形板狀，局部交代鉀長石，粒徑一般為2.0～4.1 mm，體積分數約為30%；鉀長石呈半自形板狀，主要為條紋長石，少部分與石英呈文象交生體產出，具高嶺土化，零星可見絹云母化，多被斜長石交代，局部少量殘留，粒徑在2.0～5.0 mm之間，體積分數約為30%；石英呈他形粒狀，具輕微波狀消光，粒徑為2.0～4.9 mm，

Q. 石英；Kf. 鉀長石；Pl. 斜長石。c、d圖為正交偏光。

體積分數約為35%；黑云母呈片狀，星散分布，部分被絹云母、不透明礦物等交代，粒徑為0.2～2.0 mm，體積分數不足5%。

2 樣品采集及分析方法

本次研究共采集了5件二長花崗巖進行主、微量和稀土元素分析，并且對樣品J004進行了鋯石U-Pb測年。樣品J001、J003、J004采自地表，樣品J096、J101分別采自鉆孔ZK0409的37 m和52 m處（圖1b）。

鋯石單礦物挑選和陰極發光均在河北省區域地質礦產調查研究所（廊坊）完成，單礦物分選采用常規方法。即樣品經粉碎后首先采用傳統的重力和磁選的方法分選和富集；隨后在雙目鏡下挑選出透明、晶形好、無明顯裂隙和包裹體的鋯石；再將不同形態和大小的鋯石用環氧樹脂固定制靶，進行透射光和反射光觀察、照相；最后將鋯石拋光至暴露內部后，使用JSM-IT300掃描電子顯微鏡對鋯石樣品進行陰極發光（CL）觀察，記錄顯微結構，以用作鋯石U-Pb同位素測量時選擇分析點的依據。

鋯石U-Pb同位素定年在核工業北京地質研究院完成，使用的儀器是激光剝蝕多接收器電感耦合等離子體質譜儀（LA-ICP-MS），激光波長為193 nm。剝蝕實驗選取的激光束斑大小為35 μm，分析過程中，測試樣品每個樣點的背景采集時間為20 s，信號采集時間為50 s。每測定5次樣品點后，測定2次鋯石標樣91500，用來校正U-Pb、Th-Pb同位素分餾和儀器質量誤差。數據采集完成后，利用ICPMSDataCal軟件進行數據離線處理，采用Andersen提出的ComPbCorr3.17校正程序進行普通鉛校正，年齡諧和圖的繪制采用Isoplot軟件。

鋯石Lu-Hf同位素測試在中國地質調查局天津地質調查中心完成，使用的儀器為美國Thermo Fisher公司生產的Neptune多接收器電感耦合等離子體質譜儀，激光器為美國ESI公司生產的NEW WAVE 193 nm FX ArF準分子激光器，波長193 nm，脈沖寬度小于4 ns。測試參照鋯石陰極發光（CL）圖像，選擇在原年齡測定點位置或附近進行，激光剝蝕束斑直徑為50 μm，儀器狀態監控和樣品外部校正采用國際標準鋯石91500。

主量、微量和稀土元素測試分析在河北省區域地質礦產調查研究所（廊坊）完成，主量元素測試儀器為荷蘭帕納科公司研制的Axiosmax X射線熒光光譜儀，相對誤差小于±2%；微量和稀土元素測試儀器為美國賽默飛世爾科技公司（Thermo Fisher Scientific）研制的X SeriseⅡ電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS），相對誤差小于±5%。儀器的分析流程如下：先將200目樣品置于105 ℃烘箱中烘干12 h；之后準確稱取粉末樣品50 mg置于Teflon溶樣彈中，先后緩慢加入1 mL高純HNO3和1 mL高純HF；再將Teflon溶樣彈放入鋼套，擰緊后置于190 ℃烘箱中加熱24 h以上，待溶樣彈冷卻，開蓋后置于140 ℃電熱板上蒸干；隨后加入1 mL的HNO3并再次蒸干；然后分別加入1 mL高純HNO3、1 mL 超純水和1 mL內標In（質量分數為1×10-6），再次將Teflon溶樣彈放入鋼套，擰緊后置于190 ℃烘箱中加熱12 h以上；最后將溶液轉入聚乙烯料瓶中，并用2% HNO3稀釋至100 g以備ICP-MS測試。

3 測試結果

3.1 鋯石U-Pb年齡

本文對二長花崗巖樣品J004進行了LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年，測年結果列于表1。在進行鋯石U-Pb測年時，為了避免繼承核的影響，大部分測點位于鋯石的幔部或邊部。

鋯石CL圖像（圖3a）顯示，鋯石形態多為長柱狀，短柱狀次之，長度一般為100～250 μm，長寬比大多為1∶1～3∶1，具金剛光澤，斷口呈棱角狀，單顆粒鋯石樣品均具有明顯巖漿振蕩環帶結構，內部結構清晰，表現出巖漿成因鋯石的特點。鋯石微量元素分析顯示，U的質量分數為111×10-6～619×10-6，Th的質量分數為69×10-6～767×10-6，Th/U值為0.45～1.39（表1），平均值為0.75，大于0.4，顯示其具有巖漿鋯石成因的特征。

鋯石U-Pb年齡結果顯示，單顆粒鋯石206Pb/238U年齡介于（311±2）～（298±2）Ma，加權平均年齡為（302.9±1.2）Ma（MSWD=1.5，n=27）（圖3b）。27個數據點均落在諧和線上或其附近，說明被測鋯石未遭受明顯的后期熱事件影響，亦說明沒有Pb丟失或Pb丟失較少，表明該測年結果可信度較高，為晚石炭世巖漿活動產物。

3.2 鋯石Hf同位素特征

鋯石Hf同位素測試是在鋯石U-Pb測年的基礎上，從中挑選20個鋯石點進行微區原位測試，測試結果見表2。由表2可知：176Yb/177Hf值分布范圍為0.024 584～0.050 984，平均值為0.036 299；176Lu/177Hf值分布范圍為0.000 924～0.001 951，平均值為0.001 357，176Lu/177Hf值均小于0.002 000，表明在花崗巖中，鋯石在形成以后基本沒有明顯的放射性成因Hf的積累，因此所測定的176Lu/177Hf值基本可以代表鋯石結晶時體系的Hf同位素組成；鋯石的εHf（t）值為9.2～12.5，平均值為10.6，變化范圍較小；一階段模式年齡值（TDM1）為575～436 Ma，平均值為516 Ma；二階段模式年齡（TDM2）為910～603 Ma，平均值為779 Ma；fLu/Hf值變化范圍為-0.97～-0.94，平均值為-0.96。

3.3 全巖地球化學特征

從樣品的主量元素、微量元素和稀土元素的分析結果（表3）可以看出：全巖w（SiO2）較高，為74.73%～76.60%，平均值75.55%，顯示高硅的特征；全堿質量分數較高，為6.20%～7.03%，平均值6.63%，K2O/Na2O值為1.27～1.60，里特曼指數σ 值為1.17～1.52；樣品中w（P2O5）、w（TiO2）、w（Fe2O3）、w（FeO）、w（CaO）、w（MgO）、w（MnO）較低，此外，樣品的分異指數（ID）較高（88.89～91.55），固結指數（IS）較低（1.68～4.78），表明二長花崗巖經歷了高分異演化作用。在w（K2O）-w（SiO2）圖解（圖4a）中，巖石樣品點均落于高鉀鈣堿性系列范圍內，表明巖石為高鉀鈣堿性系列的花崗巖；w（Al2O3）在 13.53%～15.18%之間，鋁飽和指數A/CNK在 1.43～1.58之間，在巖石A/NK-A/CNK圖解（圖4b）中，巖石樣品點落在過鋁質范圍內，顯示樣品具有過鋁質特征。綜上所述，內蒙古架子山地區二長花崗巖屬于過鋁質高鉀鈣堿性巖石系列。

二長花崗巖中稀土元素總量較高，w（∑REE）為 97.79×10-6～243.56×10-6，平均值為162.06×10-6，w（LREE）為 86.75×10-6～221.43×10-6，w（HREE）為 11.04×10-6～22.13×10-6。在球粒隕石標準化

稀土元素配分

圖解（圖5a）中，曲線呈明顯右傾，（La/Yb）N的值為 6.17～11.21，說明輕重稀土元素分餾明顯，輕稀土相對富集，重稀土相對虧損。巖石具有中度負Eu異常（0.46～0.67），指示巖漿演化過程中發生了分離結晶作用或部分熔融過程中斜長石殘留在源區。

從原始地幔標準化微量元素蛛網圖（圖5b）上可以看出，樣品的微量元素變化特征基本一致，總體趨勢呈向右陡傾斜的特征，Rb、K、Th、U富集，Ba、Sr、Ti、Nb、P明顯呈V字型虧損。其中，Ti、P元素的虧損可能與磷灰石、榍石、鈦鐵礦等礦物的分離結晶有關。

4 討論

4.1 二長花崗巖成因類型

大量研究表明，準確判定花崗巖成因類型不僅對于深入研究巖漿源區性質和巖漿作用過程具有重要意義，而且對巖漿形成構造環境的判別同樣具有重要意義。正確判定二長花崗巖的成因類型，需要從礦物學和巖石地球化學兩方面進行。在礦物學特征上，A型花崗巖通常含有霓石、霓輝石、鈉閃石、鈉鐵閃石、鐵橄欖石等暗色礦物，S型花崗巖常含有特征的富鋁礦物，如堇青石、白云母及石榴子石等，I型花崗巖中常見角閃石、榍石等礦物。在巖石地球化學上，A型花崗巖富SiO2、K2O、全堿、Rb、Th、Nb、Ta、Zr、Hf、Ga、Y，貧Al2O3、CaO、Sr、Ba、Eu、Cr、Ti和P，Ga/Al值較高，并具有明顯的負Eu異常，稀土元素常呈輕稀土富集型的“海鷗式”分布，I型花崗巖相比于S型花崗巖具有更高的Na、Ca和Nd質量分數，以及更低的Sr質量分數初始值。

內蒙古架子山地區二長花崗巖主要由斜長石、鉀長石、石英及少量黑云母組成，w（SiO2）為74.73%～76.60%，w（K2O+Na2O）為6.20%～7.03%，K2O/Na2O值為1.27～1.60，里特曼指數σ值為1.17～1.52，鋁飽和指數A/CNK為1.43～1.58，屬于過鋁質高鉀鈣堿性系列巖石；巖石礦物組合中未發現用于判別S型強過鋁質花崗巖和A型花崗巖的相關礦物；另外二長花崗巖10 000Ga/Al值為1.99～2.31，平均值為2.25，低于A型花崗巖平均值3.75，TFeO/MgO值為2.83～6.32，平均值為4.42，不同于A型花崗巖TFeO/MgO＞10的特征，w（Zr）為183.36×10-6～216.41×10-6，均值為202.68×10-6，不同于A型花崗巖中w（Zr）＞250×10-6的特征，w（Zr+Nb+Ce+Y）為281.15×

10-6～358.94×10-6，均值為305.08×10-6，不同于A型花崗巖中w（Zr+Nb+Ce+Y）＞350×10-6的特征，且在Whalen等提出的以10 000Ga/Al為基礎的花崗巖分類判別圖解（圖6a、b）中，樣品點均落于I、S型花崗巖區域內。以上證據均表明，二長花崗巖不屬于A型花崗巖，可能是I型或S型花崗巖。將樣品投到（K2O+Na2O）/CaO-w（Zr+Nb+Ce+Y）圖解（圖6c）中，樣品點落在分異的長英質花崗巖與A型花崗巖區附近；在w（TiO2）-w（Zr）花崗巖類型判別圖解（圖6d）中，樣品點均落入I型花崗巖區域內，并且二長花崗巖的分異指數（ID）為88.89～91.55，固結指數（IS）為1.68～4.78，表明二長花崗巖為高分異的I型花崗巖，具有向A型花崗巖演化的趨勢。

4.2 巖漿來源

大量研究表明，大興安嶺地區在顯生宙新生陸殼的增長最為顯著，從新元古代至中生代先后經歷了古亞洲洋和蒙古—鄂霍茨克洋的開啟、俯沖及閉合，導致大規模的幔源物質底侵，并伴隨著新生地殼的形成。前人研究表明，興蒙造山帶古生代花崗巖具有虧損的同位素組成，且模式年齡集中于新元古代，部分為早古生代，并普遍認為這些花崗巖多是中亞造山帶演化過程中新生地殼熔融的產物。

內蒙古架子山二長花崗巖樣品中20個鋯石測點的176Hf/177Hf值為0.282 850～0.282 951，平均值為0.282 892，εHf（t）值為9.2～12.5，平均值為10.6，二階段模式年齡（TDM2）變化范圍為910～603 Ma，平均值為779 Ma，二階段Hf模式年齡集中在新元古代，反映其源區物質為新元古代期間新增生的年輕下地殼物質。在εHf（t）-t圖解（圖7a）和176Hf/177Hf-t圖解（圖7b）中，顯示數據點均落在球粒隕石演化線和虧損地幔演化線之間，且集中分布，在圖7a中，樣品點均落在興蒙造山帶東段區域；且內蒙古架子山二長花崗巖與興蒙造山帶東段多數花崗巖一樣，具有虧損的Hf同位素組成，推測巖漿可能主要來源于虧損的幔源物質熔融。目前對于此類同位素虧損的花崗巖成因有以下幾種觀點：來源于俯沖洋殼的部分熔融；幔源巖漿高度分異并同化地殼物質；殼幔巖漿混合；新生地殼物質的熔融。

俯沖洋殼熔融物質常具有埃達克巖特征，具有高Sr、低Y、輕重稀土強烈分異的特點，而架子山二長花崗巖Sr質量分數較低（107.76×10-6～157.87×10-6），Y質量分數較高（15.00×10-6～29.03×10-6），Sr/Y較低（5.39～7.85），（La/Yb）N較低（6.17～11.21），這些特征均表明架子山二長花崗巖并非洋殼熔融的產物。地幔熔融主要產生基性巖漿，即便經過高度分異作用，也主要產生中性成分的巖漿巖，酸性巖很少，并且與基性巖密切伴生，而架子山地區周邊無大面積基性巖出露；因此，架子山二長花崗巖不太可能來源于基性巖漿分異。架子山二長花崗巖SiO2質量分數高達74.73%～76.60%，與殼幔混合成因花崗巖特征明顯不同，故排除其殼幔巖漿混合成因。綜合以上分析，內蒙古架子山地區二長花崗巖可能來源于新元古代新生地殼的熔融。

4.3 地質意義

興蒙造山帶位于西伯利亞板塊和華北板塊之間，古生代地質構造作用非常活躍，先后經歷了大洋俯沖、地殼增生、多塊體碰撞拼合、后造山伸展拉張等構造事件，形成了多條俯沖增生型構造-巖漿巖帶。與俯沖作用相關的巖漿巖多形成于早古生代，與碰撞造山相關的巖漿活動多形成于早石炭世。近年來，通過對興蒙造山帶晚古生代的巖漿巖研究發現，晚古生代早期以鈣堿性—高鉀鈣堿性系列為主，晚期以堿性系列巖漿為主，但對晚古生代巖漿構造背景的解釋仍不統一，一些學者認為在310 Ma左右仍存在弧巖漿事件，另一些學者認為該時期已經進入造山后演化階段。

本次研究的架子山地區二長花崗巖形成于晚石炭世，具有高硅、富堿的特征，屬于過鋁質高鉀鈣堿性系列巖漿巖，高鉀鈣堿性巖漿巖的出現說明造山演化已經發展到最后階段。在成因類型上，二長花崗巖屬于I型花崗巖，具有向A型演化的趨勢。在構造判別圖中，二長花崗巖樣品落入后碰撞花崗巖區域（圖8a、b）；表明架子山二長花崗巖形成于后碰撞階段，與前人對區域內出露的晚石炭世巖漿巖的研究成果一致，如達來廟地區晚石炭世花崗巖、狠麥溫都爾花崗巖、阿木古楞復式二長花崗巖等均形成于后碰撞階段。近年來，對興蒙造山帶晚古生代的巖漿巖研究發現，石炭紀花崗巖大部分屬于I型花崗巖，而早二疊世花崗巖多屬于A型花崗巖，石炭紀巖漿活動多在310 Ma之前，典型的A型花崗巖活動時間則在292～273 Ma，李可等對內蒙古巴彥烏拉地區寶力格組火山-沉積地層中的流紋巖進行測年，獲得其形成年齡為（307.0±6.3）Ma，具有IA過渡型的特征；楊澤黎等在內蒙古達來廟地區發現具有I—A過渡型特征的花崗巖，其形成年齡為（301.2±2.1）Ma；王樹慶等在京各斯臺發現了A型花崗巖體，測得其形成年齡為（301.3±1.5）Ma，為區域內較早的堿性巖漿活動。這些研究成果均表明在晚石炭世洋盆閉合后構造環境處于從擠壓向伸展轉變的早期。綜上所述，架子山地區二長花崗巖形成于造山后碰撞階段，巖體的形成表明古亞洲洋在晚石炭世之前已經閉合，晚石炭世已經進入后造山階段，并開始逐漸向伸展環境轉化。

5 結論

1）鋯石U-Pb定年結果表明，架子山地區二長花崗巖形成時代為（302.9±1.2）Ma，為晚石炭世巖漿作用產物。

2）二長花崗巖具有富硅、過鋁質、高分異的特征，輕重稀土元素分餾明顯，具有中度的負Eu異常，Rb、K、Th、U富集，Ba、Sr、Ti、Nb、P明顯呈V字型虧損，屬于高鉀鈣堿性系列巖漿巖。

3）巖石成因類型為高分異的I型花崗巖，具有向A型花崗巖演化的趨勢，形成于造山后碰撞階段，巖體的形成表明古亞洲洋在晚石炭世之前已經閉合，晚石炭世已經進入后造山階段，并開始逐漸向伸展環境轉化。

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