內蒙古蘇尼特右旗溫德爾呼地區白音高老組流紋巖地球化學特征、鋯石U-Pb同位素測年及構造指示

［關鍵詞］內蒙古蘇尼特右旗；白音高老組；流紋巖；蒙古—鄂霍茨克洋；伸展環境

興蒙造山帶位于中亞造山帶的東部，其形成與古亞洲洋的演化關系密切，索倫-蘇尼特左旗-林西一帶（簡稱索倫縫合帶）為中亞造山帶東段最終縫合帶[1-3]，對研究古亞洲洋的演化和興蒙造山帶的形成意義重大。中生代晚期進入造山后階段，大規模的火山噴發、花崗巖侵位是其重要的地質事件，引起了國內外地質學者的關注[4-25]，并取得大量的研究成果。

位于二連盆地南緣的溫德爾呼地區分布大量的中生代火山巖，是大興安嶺及鄰區中生代火山巖的組成部分。由于前期工作程度低，缺乏火山巖的巖石地球化學和同位素測年的資料，對其巖石成因及形成構造環境研究不足，制約了該區中生代構造演化歷史的深入認識。大量的鋯石U-Pb年齡證據表明，大興安嶺及鄰區中生代火山巖與區域上中生代花崗巖的時代是一致的。但是其巖石成因及形成構造環境，與中生代花崗巖[6-7]相比，還存在較多爭議[5-25]。因此，大興安嶺及鄰區中生代火山巖形成的動力學背景是興蒙造山帶構造演化聚焦的重要問題之一。

筆者在開展“內蒙古1∶5萬二道井（K49E005020）等四幅區域地質礦產調查”時，在溫德爾呼地區識別出早白堊世白音高老組流紋巖，并對其進行了鋯石U-Pb同位素測年和元素地球化學分析，以此為基礎，探討了其成因及形成的構造背景，為興蒙造山帶中生代構造-巖漿演化提供新資料。

1. 地質背景及樣品采集

1.1地質背景

內蒙古蘇右旗溫德爾呼地區位于大興安嶺火山巖帶南段，大地構造位于二連-賀根山縫合帶和索倫-西拉木倫河縫合帶之間（圖1a）；本區古生代地層屬北疆-興安地層大區、內蒙古草原地層區、錫林浩特-磐石地層分區，出露的地層有上石炭統查干諾爾火山巖；下二疊統大石寨組；中二疊統哲斯組。中-新生界為濱太平洋地層區、大興安嶺-燕山地層分區、博克圖-二連浩特地層小區，出露的地層有下白堊統白音高老組、大磨拐河組；中新統通古爾組及第四系（圖1b）。區內侵入巖劃分為晚石炭世、早二疊世二期，主要呈NE向展布，以巖株、巖枝狀產出，巖性主要為中細粒石英閃長巖、中粒花崗閃長巖及中細粒黑云母花崗閃長巖。區內斷裂構造以NE向為主。

1.2 樣品采集

本文選擇道德希熱白音高老組火山巖作為研究對象，該套火山巖總體呈北東向—近東西向展布，厚度幾十米至幾百米不等，巖性均為流紋巖（圖2a、b），噴發不整合覆蓋上石炭統查干諾爾火山巖、下二疊統大石寨組、中二疊統哲斯組及晚石炭世石英閃長巖體。流紋巖呈灰白-淺粉白色，具少斑狀結構，塊狀構造；斑晶大小變化范圍通常為0.3～1.8 mm，最大者為2 mm；石英斑晶相對較大，多呈它形粒狀或熔蝕渾圓狀，熔蝕邊和港灣狀結構發育，粒徑0.3～1.8 mm，含量約5%±；鉀長石斑晶呈半自形板狀或粒狀集合體，部分鉀長石已完全被高嶺土交代，僅留長石的晶形，大小為0.3～0.8 mm，含量10%；斜長石斑晶半自形板狀，粒徑0.3～1 mm，含量小于5%；黑云母為淺棕褐色，片狀，零星分布，具暗化邊（圖2c、d）。基質主要為隱晶—微晶結構，主要為長石和石英以及脫玻化形成的長英質礦物。副礦物主要由鋯石、磷灰石及不透明礦物組成。

本次研究在溫德爾呼地區選取白音高老組火山巖樣品（TW2345）進行LA-ICP-MS 鋯石U-Pb同位素分析（圖1b），地理坐標為北緯43°10'36″、東經113°04'32″，巖性為流紋巖。

2. 分析方法

鋯石分選由內蒙古自治區巖漿活動成礦與找礦重點實驗室完成：樣品采用常規方法進行粉碎，將巖石粉末進行淘洗，保留重砂礦物，用電磁法進行分選，最后在雙目鏡下選出晶形較好的鋯石；制靶在北京離子中心實驗室完成：將鋯石固定在配比好的樹脂面上，打磨拋光直至露出鋯石。鋯石陰極發光照相和LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素定年在天津地質礦產調查中心實驗室完成：對制靶完成的鋯石進行透反射光和陰極發光照相，之后利用193 nm 激光器對鋯石進行剝蝕，激光剝蝕的斑束一般為32 μm，對鋯石進行U-Pb同位素定年，采用標準鋯石TEMORA作為鋯石標樣計算鋯石樣品年齡，利用標準玻璃NIST610作為外標計算鋯石樣品的Pb、U、Th含量；詳細的實驗原理和流程見參考文獻[27-28]。采用ICP-MSDataCal程序[28]和Iso?plo（t ver3.0）程序[29]進行數據處理。

研究區白音高老組流紋巖共采集10 件化學分析樣品，全巖主、微量及稀土元素分析在天津地質礦產研究所完成：主量元素分析采用帕納克公司生產的PW2400/40型X-熒光光譜儀，利用X-熒光光譜法測定：將質量比為1∶10試料與無水混合熔劑熔融，以硝酸銨為氧化劑，加入少量的溴化鋰做脫模劑。在熔樣機上用1150℃熔融，制成玻璃狀樣片再用X-熒光光譜儀進行測量，各元素均用理論α系數校正元素間的吸收-增強效應。微量及稀土元素分析采用美國熱電公司X2型等離子體質譜儀，利用封閉酸溶－電感耦合等離子體質譜法測定：封閉溶液器中，在高溫高壓下用硝酸和氫氟酸長時間溶樣，高倍稀釋后用ICP-MS測定。

3. 分析結果

3.1 LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年

流紋巖（TW2345）鋯石CL圖像顯示，鋯石具有較好的晶形，多呈長柱狀，少數短柱狀，長50～100 μm，長寬比，明顯發育震蕩環帶（圖3a）；Th/U比值＞0.4，具有典型巖漿成因[30-31]。該樣品測試了24點（表1），多數位于U-Pb諧和線上及附近，16 個測試點的206Pb/238U 年齡介于122～129Ma，加權平均值為124.5±1.1 Ma（1σ，MSWD=2.3，置信度為95%），該年齡值代表巖漿結晶年齡（圖3b）。4、5、6、11、13、23及24號測試點離群未參加計算，可能為鉛丟失引起；而15號測試點的206Pb/238U年齡為254Ma，可能為巖漿上侵過程中捕獲的鋯石（與研究區內出露的二疊系地質體吻合）。

3.2主量元素

由表2可見，溫德爾呼地區白音高老組流紋巖SiO₂含量在74.6%～76.75%之間，Al₂O₃ 含量介于11.48%～13.5%，K₂O 含量為3.95%～5.49%；富堿（K₂O+Na₂O）含量為7.49%～9.53%；K₂O/Na₂O=1.03%～1.81%，相對富鉀。相反，貧鎂、鈣，含量分別為（MgO=0.14%～0.39%）及（CaO=0.28%～1.09%），高TFeO/MgO比值（2.36～7.14）。TiO₂含量較低，在0.05%～0.09% 之間，屬于低鈦流紋巖系列（（TiO₂）＜0.4%）[32-33]。在標準礦物中，出現了過飽和礦物石英和長石類礦物，所有樣品出現了剛玉分子。

在TAS火山巖分類命名圖解（圖4a）中，樣品全部落于亞堿性系列的流紋巖范圍內，與薄片鏡下鑒定結果一致；里特曼指數（σ）1.66～2.81小于3.3，表明為鈣堿性巖石，在SiO₂-K₂O圖解（圖4b）中，巖石顯示為高鉀鈣堿性系列區；堿度率（A.R）為2.37～4.75，鋁飽和指數A/CNK=0.92～1.16，為準鋁質-弱過鋁質巖石，過堿指數NK/A 變化于0.60～0.74之間。因此，從巖石化學特征上顯示本區流紋巖屬于亞堿性系列高鉀鈣堿性巖石。

3.3 稀土元素特征

白音高老組流紋巖稀土元素分析結果見表2，稀土總量（ Σ REE）介于132.14×10-6～231.16×10^-6，平均值為178.81×10^-6，與中國流紋巖的平均豐度（238.51×10^-6）相比，明顯偏低；LREE/HREE比值為6.05～11.25，平均9.13，輕稀土富集；LaN/YbN=5.84～13.05，平均為9.37，輕重稀土分餾明顯；LaN/SmN 為4.21～7.19，平均5.83，輕稀土內部具有一定程度的分餾作用；而重稀土內部分餾不明顯，GdN/YbN 為1.45～2.23，平均1.81。δEu 為0.05～0.15，平均0.10，銪負異常強烈，與Sr虧損吻合。

在球粒隕石標準化圖解（圖5a）中，所有樣品具有相似的稀土配分模式，表現為一組右傾且相互平行的平滑曲線，且重稀土分布較為平坦。

3.4 微量元素特征

白音高老組流紋巖的微量元素分析結果見表2，在原始地幔標準化微量元素蛛網圖（圖5b）中可以看出，所有樣品曲線分布形式基本一致，富集大離子親石元素（LILE）Rb、Th、U、K和LREE；但虧損Ba、Sr；指示斜長石分離結晶強烈；高場強元素（HFSE）Nb、Sr、P 和Ti 虧損，相對富集Ta、Zr、Hf，這些特點暗示巖漿可能來源于地殼。基性相容組分Cr 為2.43×10^-6～10.10×10^-6、Co 為1.18×10^-6～2.25×10^-6、Ni為2.14×10^-6～9.22×10^-6，質量分數相對均較低，Mg 這些特征均顯示出巖漿是地殼來源而非地幔源的特征。

4. 討論

4.1時代討論

關于白音高老組的形成時代，還存在分歧：一部分學者根據同位素年齡，認為白音高老組時代應為早白堊世[9，20，24-25]；而另一部分學者根據地層對比、化石資料認為白音高老組時代應為晚侏羅世[38-39]。本文對溫德爾呼地區白音高老組流紋巖進行LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素分析，樣品鋯石具有典型的巖漿成因特征，其測年結果（124.5±1.1Ma）代表了火山巖的形成時代，即早白堊世晚期，這與最新文獻中的白音高老組時代歸屬及定年（141～122Ma）的結論一致[9，20，40-41]。

4.2成因類型

大興安嶺及其鄰區晚中生代火山巖的成因，有以下兩種主要觀點：1）地殼物質部分熔融形成的[9，42]；2）玄武巖漿結晶分異作用的結果[42-46]。

本區流紋巖的Nb/Ta與Zr/Hf值基本保持不變，分別介于7.66～15.54（平均值為9.87）和18.94～28.32（平均值為22.65），與原始地幔的相應值17.8和37[48]相差較大，與地殼的相應值11.4和33[49]較接近。Rb/Sr比值變化于5.61～16.83之間（＞0.03）；Ti/Y比值為14.53～31.37（lt;100），Ti/Zr比值為1.44～6.64（lt;20），均位于殼源巖漿范圍內[50-52]，這些特征均說明巖漿應來源于地殼巖石部分熔融，并非幔源玄武質巖漿分異演化的結果。這從研究區及相鄰地區缺乏同時代的基性火成巖的事實可以印證[5]。

白音高老組火山巖以高硅，富堿，富鋁，貧鎂、鐵、鈣為特征，A1₂O₃、K₂O、P₂O₅的含量隨著SiO₂的含量增加減少，呈現負相關性，Th、Y分別與Rb呈正相關性，部分元素之間顯示出較好的線性變化趨勢（Harker圖解略），暗示研究區內白音高老組火山巖與高分異I型花崗巖的特征密不可分。研究表明，白音高老組火山巖具有I 型花崗巖特征[40-42]，在Zr+Nb+Ce+Y 對（Na₂O+K₂O）/CaO 及FeOt/MgO判別圖（圖6）[53]中，研究區內白音高老組火山巖樣品主要投入高分異的I型花崗巖區。綜上分析，研究區內白音高老組火山巖類似高分異I型花崗巖特征。白音高老組火山巖具有明顯的負Eu異常和Ba、Sr、P、Ti等元素強烈虧損，暗示源區礦物相中有斜長石和磷灰石的殘留[54]。同時，本文中的火山巖具有貧Sr、富Yb（Sr為13.90×10^-6～38.40×10^-6，Yb 為1.68×10^-6～3.94×10^-6）的特征[55]，進一步暗示源區在部分熔融過程中有斜長石的殘留。

白音高老組酸性火山巖在研究區內及鄰區大面積分布，這種大規模出露的酸性巖漿，可以排除是由玄武巖漿結晶分異作用形成[47]。同時，根據鄰區報道的紅格爾地區白音高老組火山巖漿來源于地殼物質，而不是由玄武質巖漿或安山質巖漿的分離結晶作用形成的，也不太可能與玄武巖構成雙峰式火山巖組合[24]，推測研究區內白音高老組火山巖巖漿可能來源于拆沉作用的加厚下地殼部分熔融。

4.3 構造環境

大興安嶺及鄰區晚中生代火成巖形成的構造環境還存在爭議，主要存在以下幾種觀點：①與地幔柱活動或相關的板內作用有關[9-12]；②與古太平洋的俯沖作用及俯沖后的伸展作用有關[13-19]；③與蒙古—鄂霍茨克洋閉合—碰撞造山后伸展有關[20-25]。

已有研究表明，大興安嶺和鄰近地區不存在環狀火山巖帶，同時中生代火山巖和侵入巖的形成年齡跨度較大（186～106Ma）[56]，因此，噴發周期較短的地幔柱構造模式很難解釋中生代火山巖的時空分布。

在蒙古國中東部發現了大量的與大興安嶺中生代火山巖相似的火成巖，它們遠離古太平洋板塊[22]。古太平洋板塊最初的俯沖方向為向北或者北西方向[57]，向西俯沖時間只有125～110Ma和43～0Ma兩個時間段[58]。因此，古太平洋板塊的向西俯沖對大興安嶺及鄰區晚中生代巖漿活動影響不大。

近年來，隨著蒙古— 鄂霍茨克洋向南俯沖的確定[59-60]，越來越多的學者把大興安嶺中生代火成巖的形成和蒙古—鄂霍茨克洋的演化聯系起來。最新的研究表明，蒙古—鄂霍茨克洋從西向東剪刀式閉合，東部最終碰撞時間在晚侏羅世至早白堊世[61]，且中侏羅世之后大興安嶺及鄰區火山巖在一定時期內均受蒙古—鄂霍茨克洋閉合后造山作用的影響。這與本文的年代學資料吻合，可以判斷研究區內白音高老組火山巖的形成應該與蒙古—鄂霍茨克洋閉合后的伸展作用有關。

眾多學者還認為I型花崗巖可以產于造山后的伸展環境[62-63]。另外，白音高老組火山巖富硅、鉀、堿，貧CaO、MgO，屬于亞堿性高鉀鈣堿性系列，準鋁質-過鋁質巖石。在微量元素Y-Nb（圖7a）及Yb-Ta（圖7b）構造判別圖解上[64]，樣品多數落入火山弧和同碰撞花崗巖區，這也表明研究區內白音高老組流紋巖形成于伸展構造背景。

5. 結論

（1）溫德爾呼地區白音高老組流紋巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb 測年結果為124.5±1.1Ma，形成時代為早白堊世晚期。

（2）溫德爾呼地區白音高老組流紋巖屬高鉀鈣堿性系列，輕重稀土分餾明顯，負銪異常明顯，富集大離子親石元素Rb、Th、U、K和LREE，Ba、Sr明顯虧損，高場強元素Ta、Zr、Hf較為富集，Nb、Sr、P和Ti虧損。具有I型花崗巖特征，推測研究區內白音高老組火山巖可能來源于拆沉作用的加厚下地殼部分熔融。

（3）溫德爾呼地區白音高老組流紋巖形成于伸展構造環境，可能與蒙古—鄂霍茨克洋閉合后的巖石圈伸展作用有關。

LA-ICP-MS 鋯石U-Pb年齡測定及后期數據處理由內蒙古自治區巖漿活動成礦與找礦重點實驗室肖建偉博士協助完成，審稿專家對本文提出了寶貴修改意見，在此一并表示衷心感謝！