内蒙古北山地区斑状花岗闪长岩地球化学、LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄及地质意义*

赵志雄，许 海，贾元琴，高 勇，陈海东，高 鉴

(内蒙古地质矿产勘查院，呼和浩特 010010)



内蒙古北山地区斑状花岗闪长岩地球化学、LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄及地质意义*

赵志雄，许 海，贾元琴，高 勇，陈海东，高 鉴

(内蒙古地质矿产勘查院，呼和浩特 010010)

北山地区斑状花岗闪长岩是明水岩浆弧的一个重要组成部分，位于北山北带，至今未见可靠的同位素年龄报道。本文在运用阴极发光技术对岩体中的锆石进行细致的内部结构分析的基础上，利用LA-ICP-MS锆石U-Pb原位定年方法进行同位素年龄测定。结果表明，单颗粒锆石U-Pb年龄为277 Ma～283 Ma，加权平均年龄为279.5±1.6 Ma，花岗闪长岩主体形成于华力西晚期。地球化学研究显示，A/NCK>1.05，刚玉分子含量>1%；轻稀土元素相对重稀土元素明显富集，LREE/HREE为16.89～18.58，伴有弱的Eu负异常(δEu为0.76～0.92)；富集强不相容元素Rb、Th、K，强烈亏损Nb、Ta、P、Ti等高场强元素，具有高钾钙碱性过铝质花岗岩的特征。结合区域地质背景，认为斑状花岗闪长岩形成于后碰撞的构造环境，这限制了红石山洋闭合时限早于279.5±1.6 Ma。

斑状花岗闪长岩；锆石U-Pb年龄；后碰撞；北山

内蒙古北山地处华北板块、塔里木板块和哈萨克斯坦板块的交汇地带[1-2]，区内构造—岩浆活动是近年来的研究热点。花岗岩类在北山地区出露面积几乎占基岩分布面积的1/3[3-5]，主要为3期构造岩浆事件的产物[6]，尤以华力西期为主，约占全部花岗岩体的2/3[7]。前人已做过相关的研究[8-9]，但红石山—蓬勃山一带花岗岩类精确定年资料较少，关于侵入体的时代主要来源于1:200000区域地质调查资料❶，岩石成因类型和构造演化研究较薄弱。确定花岗岩类的侵位年龄和就位时所处的大地构造环境可为本区古生代构造演化提供重要信息和科学依据。本文通过研究北山地区斑状花岗闪长岩的年代学和岩石地球化学特征，探讨其对北山地区晚古生代构造演化的约束意义。

1 地质背景及样品特征

研究区位于内蒙古额济纳旗西部，是旱山陆块的一部分，属于石炭纪明水岩浆弧(Ⅲ级)[10]。北部为红石山—蓬勃山蛇绿岩带，南部为明水—石板井—小黄山蛇绿岩带(图1a)。研究区内出露地层主要为中新生代地层，由早到晚依次为新近系苦泉组和第四系。苦泉组(N2k)在本区出露厚度>10m，地层近于水平，主要为砖红色砾岩、砂砾岩、长石砂岩夹粉砂岩、粉砂质泥岩组成，局部含石膏。区内岩浆作用强烈，发育古生代侵入岩，主要为泥盆纪英云闪长岩、石炭纪石英闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩和二叠纪斑状花岗闪长岩(图1b)。

本文研究对象为二叠纪斑状花岗闪长岩，该岩体呈东西向展布，出露面积约1 km2，呈岩株状侵入石炭纪石英闪长岩和花岗闪长岩中。岩性为浅粉红色巨粒斑状中粒花岗闪长岩，在QAP图解(图2)中样品落入花岗闪长岩区。岩石具巨粒似斑状结构，基质呈中粒半自形粒状结构，块状构造。似斑晶主要为肉红色钾长石，呈20 mm×10 mm自形板状，含量约5%；基质主要为斜长石、钾长石、石英、黑云母等，其中斜长石多数呈2～5 mm半自形板状，少数1～2 mm，普遍发生绢云母化，发育聚片双晶，为中更长石，含量为60%～65%；钾长石1～2 mm，半自形粒状或他形粒状结构，含量约5%；石英1.5～4 mm，他形粒状结构，含量为20%～25%；黑云母0.2～0.7 mm，片状结构，多数发生绿泥石化，含量5%～6%。

图1 研究区所处的大地构造位置(a)(据文献[11]修改)及地质简图(b)Fig.1 Tectonic positions (a) and generalized geologic map(b) of the studied area1-第四系；2-新近系苦泉组；3-泥盆纪英云闪长岩；4-石炭纪石英闪长岩；5-石炭纪花岗闪长岩；6-石炭纪二长花岗岩；7-二叠纪斑状花岗闪长岩；8-同位素采样点及结果；9-研究区。

图2 斑状花岗闪长岩的QAP图解Fig.2 QAP diagram of porphyritic granodiorites

2 样品分析方法

用于锆石U-Pb年代学测定的样品在河北省区域地质矿产研究所实验室对锆石进行分选。将完整的典型锆石置于DEVCON环氧树脂中，待固结后抛磨，使锆石内部充分暴露后进行锆石的反射光和透射光照相及锆石阴极发光照相，锆石的透射光、反射光和阴极发光照相在北京锆年领航科技有限公司完成。锆石U-Pb同位素分析在天津地质矿产研究所同位素实验室完成，使用仪器为Neptune多接收电感耦合等离子体质谱仪和193 nm激光取样系统(LA-MC-ICP-MS)。激光剥蚀斑束为35 μm，能量密度为13～14 J/cm2，频率为8～10 Hz，激光剥蚀物质以He为载气。锆石标样采用TEMORA标准锆石。数据处理采用Liu等[12]编写的ICPMSDataCal程序和Ludwing[13]的Isoplot程序，采用208Pb对普通铅校正，利用NIST作为外标计算锆石样品Pb、Th、U含量。

选择新鲜样品进行地球化学分析，样品加工过程均在无污染设备中进行。主量元素和微量元素分析在河北省区域地质矿产研究所实验室完成。主量元素用X射线荧光光谱仪(Axiosmax)分析，微量元素用等离子体质谱仪(X-serise2)分析，分析精度优于5%。

3 年代学测定结果

3.1 锆石阴极发光CL图像特征

本文在详细调研的基础上，选择代表性样品对花岗闪长岩进行锆石LA-ICP-MA U-Pb测年。样品中锆石颗粒自形程度高，无色，多为短柱状—长柱状，长/宽为2∶1～3∶1，个别为4∶1。锆石阴极发光图像(图3)显示锆石内部具典型的岩浆震荡环带结构，表明其属于岩浆结晶的产物。

3.2 锆石年代学特征

样品中锆石U-Pb分析共测试25个点，测试结果见表1，全部锆石测点的Th含量为(88～602)×10-6，U含量为(365～2556)×10-6，Th、U含量呈较好的正相关，表明其属于岩浆结晶的产物。在LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄谐和图中(图4)，数据均分布在谐和线上或附近，206Pb/238U加权平均年龄为279.5±1.6 Ma(n=24，MSWD=0.17)，代表了斑状花岗闪长岩的主体岩浆结晶年龄，其时代为华力西晚期。需指出的是，11号点206Pb/238U年龄为349±5 Ma，指示其可能为岩浆侵位过程中捕获围岩的锆石。

图3 研究区斑状花岗闪长岩(TW6163) 的锆石阴极发光CL图像Fig.3 CL images of zircons from porphyritic granodiorite (TW6163) in the studied area

点号含量(×10-6)PbThUTh/UU⁃Pb同位素比值同位素年龄/Ma206Pb/238U1σ207Pb/235U1σ207Pb/206Pb1σ206Pb/238U1σ207Pb/235U1σ207Pb/206Pb1σ19748620720．230．04430．00050．34290．00550．05610．000728032995456292372258440．270．04400．00060．31980．00320．05270．00072784282331729313950525560．200．04420．00070．31340．01770．05150．00352794277162621574393778430．450．04430．00060．32460．00340．05310．000728042853333315201004710．210．04420．00070．32300．00380．05300．0006279428433292767534914530．240．04430．00070．33140．02680．05430．005027942912438320776929315950．180．04470．00070．31460．00300．05110．0002282427832449817933840．240．04450．00050．32200．00430．05240．00052813283430424910743218210．240．04410．00060．96400．01050．15870．00182784685724421910371927770．250．04400．00080．34070．00650．05620．001327752986459501117637416560．230．05570．00082．59620．02890．33830．00343495130014365515129346116640．280．04400．00080．35410．01430．05830．00302785308125431111311055121150．260．04420．00040．33400．01800．05480．002727932931640311114211304740．280．04400．00070．31810．00370．05240．000727842803303291516883650．240．04420．00070．32590．00410．05350．00072794286434928164927511250．240．04410．00060．32390．00320．05330．000527842853343221710160220130．300．04490．00080．33800．01510．05460．001828352961339472188737019410．190．04470．00050．34850．00540．05660．0008282330454763219311296980．180．04390．00070．34010．00450．05620．0007277529744612720261005890．170．04450．00040．34710．00390．05660．0007281330334762721391468830．170．04440．00050．33030．00320．05400．0006280329033712322462798970．310．04460．00060．36490．00980．05930．0010281431685793623301206390．190．04480．00100．32280．01680．05230．0019282728415297852418934130．230．04420．00080．30760．00420．05050．0007279527242183025342237640．290．04400．00050．32700．00410．05390．00062783287436627

图4 斑状花岗闪长岩(TW6163) LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄谐和图Fig.4 LA-ICP-MS zircon U-Pb concordia diagrams of porphyritic granodiorite(TW6163)

4 地球化学特征

4.1 主量元素

表2为斑状花岗闪长岩主量元素分析结果，可知SiO2=70.65%～73.64%， Al2O3=14.01%～15.09 %，TiO2=0.25%～0.28 %，CaO =1.33%～1.76 %，P2O5=0.09%～0.10 %，全碱(K2O+Na2O)为6.78 %～8.07 %，具有富SiO2、Al2O3，富碱，低TiO2的特征。P2O5含量相对较高，岩石里特曼指数(σ)为1.50～2.35(<3.3)，A/NCK=1.06～1.17(>1.05)，总体显示高钾钙碱性过铝质花岗岩的特征，样品投影到中—高钾钙碱性系列和过铝质系列中(图5)。标准矿物计算结果中，样品刚玉含量为1.11%～2.29%，均>1%。

4.2 稀土元素

由斑状花岗闪长岩的稀土元素含量(表3)可知，斑状花岗闪长岩稀土元素总量为(85.50～100.27)×10-6，轻稀土元素(LREE)相对重稀土元素(HREE)明显富集，LREE/HREE为16.89～18.58，(La/Yb)N为18.13～20.31。在稀土元素球粒陨石标准化的配分曲线图上(图6a)表现为右倾型曲线， Eu异常不明显(δEu=0.76～0.92)。

4.3 微量元素

斑状花岗闪长岩的微量元素含量(表4)显示斑状花岗闪长岩具有高Rb(111.43～124.74)×10-6、Th(13.19～14.08)×10-6的特征，微量元素原始地幔标准化蛛网图( 图6b )整体呈右倾型， 富集大离子亲石元素，亏损高场强元素。岩石富集强不相容元素Rb、Th、K，亏损高场强元素(HFSE)Nb、Ta、P、Ti。

表2 斑状花岗闪长岩的主量元素含量/%

图5 斑状花岗闪长岩的SiO2-K2O图解和A/NCK-A/NK图解Fig.5 SiO2 vs. K2O and A/NCK vs. A/NK diagrams of porphyritic granodiorites

样品编号LaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLu(La/Yb)NΣREEδEuGS616322．5043．434．9017．613．200．882．640．371．870．331．010．171．110．2614．57100．270．92GS616419．3237．254．0514．532．660．612．300．321．700．320．980．161．070．2413．0085．500．76

表4 斑状花岗闪长岩的微量元素含量/10-6

图6 斑状花岗闪长岩稀土元素球粒陨石标准化配分曲线图(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)(标准化值来源于文献[14])Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns(a)and primitive mantle-normalized trace element spiderdiagrams(b)of porphyritic granodiorite

5 成因类型及构造环境

多数学者认为北山地区蛇绿岩带主要有三条：①洗肠井—牛圈子—红柳河蛇绿岩带；②明水—石板井—小黄山蛇绿岩带；③红石山蛇绿岩带[15-16]。本次研究的斑状花岗闪长岩紧邻红石山—蓬勃山蛇绿岩带，其构造背景应与红石山洋的演化有关。从文中斑状花岗闪长岩的年代和地球化学方面综合分析其形成环境，为红石山洋的演化提供新资料。研究区斑状花岗闪长岩尽管显示出富SiO2、Al2O3及富碱的特征，但是Rb /Sr (0.40～0.49 )低，说明其分异程度低或未分异，图7中样品也落入未分异花岗岩区。

图7 (Na2O+K2O)/CaO-Zr+Nb+Ce+Y图解Fig.7 (Na2O+K2O)/CaO vs. (Zr+Nb+Ce+Y) diagram

本文研究的斑状花岗闪长岩为过铝质花岗岩，形成于279.5±1.6 Ma。过铝质花岗岩既可形成于挤压体制下(陆—陆碰撞的峰期)，也可形成于伸展环境[20]，少量形成于岛弧环境[21]。黄小鹏等认为过铝质花岗岩大部分形成于后碰撞环境，且富钾及钾长石斑状钙碱性花岗岩类标志着后碰撞环境的到来[22]。研究区花岗闪长岩具钾长石巨斑晶，可能为后碰撞环境的产物。在R1-R2、Rb-(Y+Nb)图解中(图8)样品分别落入同碰撞和后造山花岗岩区，在A/NCK-A/NK图解中投影点位于后造山区域内[17]。因此，本文研究的斑状花岗闪长岩形成的构造环境应为后碰撞。结合区域地质背景，我们认为其形成于洋盆闭合后压力释放阶段，在该阶段由于压力降低导致地壳岩石发生部分熔融。由上可推断红石山蛇绿岩带代表的洋盆在279.5±1.6 Ma时已经闭合。研究地理位置上与其相邻的石英闪长岩得出红石山蛇绿岩带代表的洋盆闭合时限晚于306.3±1.2 Ma[9]，这就将红石山洋的闭合年龄限制于279.5±1.6 Ma～306.3±1.2 Ma之间。

图8 斑状花岗闪长岩的构造环境判别图Fig.8 Tectonic environment discrimination diagrams of porphyritic granodioritesIAG-岛弧花岗岩；CAG-大陆弧花岗岩；CCG-大陆碰撞花岗岩；RRG-裂谷型花岗岩；CEUG-大陆造陆隆升花岗岩；POG-后碰撞花岗岩

6 结论

(1)内蒙古北山地区斑状花岗闪长岩形成于华力西晚期，其LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果为279.5±1.6 Ma。

(2)岩石学及地球化学特征显示研究区斑状花岗闪长岩为后碰撞高钾钙碱性、过铝质花岗岩,岩浆分异程度低。

注释

❶甘肃省地质局地质力学区测队. K-47-22(路井)幅区域地质调查报告.1977.

[1] 徐学义,何世平,王洪亮,等.中国西北部地质概论——秦岭、祁连、天山地区[M].北京:科学出版社,2008.

[2] 卢进才,牛亚卓,魏仙样,等.北山红石山地区晚古生代火山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄及其构造意义[J].岩石学报,2013,29(8):2685-2694.

[3] 江思宏,聂凤军.北山地区花岗岩类成因的Nd同位素制约[J].地质学报,2006,80(6):826-842.

[4] 杨合群,李英,李文明,等.北山成矿构造背景概论[J].西北地质,2008,41(1):22-28.

[5] 杨岳清,吕博,孟贵祥,等.内蒙古东七一山花岗岩地球化学、锆石SHRIMP U-Pb年龄及岩体形成环境探讨[J].地球学报,2013,34(2):163-175.

[6] 李舢,王涛,童英,等.北山柳园地区双峰山早泥盆世A型花岗岩的确定及其构造演化意义[J].岩石矿物学杂志,2009，28(5):407-422.

[7] 杨合群,李英,李文明,等.北山花岗岩S型/I型空间变化规律及含矿性[J].地球学报,2009,30(5):627-633.

[8] 张文,冯继承,郑荣国,等.甘肃北山音凹峡南花岗岩体的锆石LA-ICP MS定年及其构造意义[J].岩石学报,2011,27(6):1649-1661.

[9] 赵志雄,贾元琴,许海,等.北山交叉沟石英闪长岩锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄及构造意义[J].地质学报,2015,89(7):1210-1218.

[10]潘桂棠,肖庆辉,陆松年,等.中国大地构造单元划分[J].中国地质,2009,36(1):1-16.

[11]李向民,余吉远,王国强,等.甘肃北山地区芨芨台子蛇绿岩LA-ICP-MS锆石U-Pb测年及其地质意义[J].地质通报,2012,31(12):2025- 2031.

[12]Liu Yongsheng, Hu Zhaochu, Gao Shan, et al. In situ analysis of major and trace elements of anhydrous minerals by LA-CIP-MS without applying an internal standard[J]. Chemical Geology, 2008,257(1/2):34-43.

[13]Ludwing K R. Users manual ISOPLOT/Ex Version 2. A geochronological toolkit for Microsoft Excel[M]. Berkeley: Berkeley Geochronological Center Special Publications No.1a, 1999:1-47.

[14]Sun S-S, McDonough W F. Chemical and Isotopic Systematics of Oceanic Basalts: Implications of Mantle Composition and Processes [C]//Saunders A D, Norry M J. Magmatism in the Ocean Basins. London: Specical Publications, 1989:528-548.

[15]张元元,郭召杰.甘新交界红柳河蛇绿岩形成和侵位年龄的准确限定及大地构造意义[J].岩石学报,2008,24(4):803-809.

[16]宋泰忠,王瑾,林海,等.内蒙古北山地区小黄山蛇绿岩地质特征[J].西北地质,2008,41(3):55-63.

[17]叶天竺,张智勇,肖庆辉,等.成矿地质背景研究技术要求[M].北京:地质出版社,2010:180-202.

[18]崔圆圆,赵志丹,蒋婷,等.赣南早古生代晚期花岗岩类年代学、地球化学及岩石成因[J].岩石学报,2013,29(11):4011-4024.

[19]董美玲,董国臣,莫宣学,等.滇西保山地块早古生代花岗岩类的年代学、地球化学及意义[J].岩石学报,2012,28(5):1453-1464.

[20]邓晋福,赵海玲,赖绍聪,等.白云母/二云母花岗岩形成与陆内俯冲作用[J].地球科学,1994,19(2):139-147.

[21]余能,金巍,葛文春,等.东昆仑金水口过铝花岗岩的地球化学研究[J].世界地质,2005,24(2):123-128.

[22]黄小鹏,李才,翟庆国.西藏羌塘中部玛依岗日地区印支期花岗岩的地球化学特征及其形成环境[J].地质通报,2007,26(12):1646-1653.

Geochemistry and LA-ICP-MS zircon U-Pb age of porphyritic granodiorite in the Beishan orogenic belt in Inner Mongolia and their geological significance

ZHAO Zhi-xiong, XU Hai, JIA Yuan-qin, GAO Yong, CHEN Hai-dong, GAO Jian

(GeologyandMineralExplorationInstituteofInnerMongolia,Hohhot010010,China)

The porphyritic granodiorite, located in the northern section of the Beishan area, is an important part of the Mingshui magmatic arc, but no reliable isotope ages have been reported so far. On the basis of the detailed internal structures analysis of zircons from the porphyritic granodiorite using the technology of cathode luminescence, this study conducted isotope age analysis using LA-ICP-MS zircon U-Pb dating method. The result shows that single grain zircon U-Pb age is 277 Ma～283 Ma (averaging 279.5±1.6 Ma), indicating that the porphyritic granodiorite formed in late Variscan. Geochemical study shows that porphyritic granodiorite has A/NCK>1.05 and Corundum molecular content is greater than 1%, with LREE/HREE ratio from 16.89 to 18.58 and weak negative Eu anomaly(δEu of 0.76～0.92). Enrichment of Rb, Th and K and depletion of Nb, Ta, P and Ti indicates that porphyritic granodiorite has characteristics of high K calc-alkaline peraluminous granites. Combined with the regional geological background, it is considered that the porphyritic granodiorite formed in post collision tectonic environment, implying that the closing time of Hongshishan ocean was earlier than 279.5±1.6 Ma.

porphyritic granodiorite; zircon U-Pb age; post collision; Beishan

2015-12-27 改回日期：2016-03-08 责任编辑：谭桂丽

中国地质调查局地质调查项目“内蒙古1∶50000风雷山、额默勒乌拉、锥西口、平台山幅区域地质矿产调查”(项目编号：1212011220462)。

赵志雄，1984年生，男，硕士，工程师，从事区域地质矿产调查工作。

10.16788/j.hddz.32-1865/P.2016.04.003

P588.121;P597.3

A

2096-1871(2016)04-252-07