内蒙古横峦山组类高镁安山岩年代学及地球化学特征

2018-10-25杨鑫朋田粉英王硕张金龙张立国

中国地质调查 2018年5期

杨鑫朋，田粉英，王硕，张金龙，张立国

(河北省区域地质调查院，廊坊 065000)

0 引言

高镁安山岩可以有效地限定古俯冲带的位置及演化过程，具有十分重要的构造指示意义，受到国内外学者的广泛关注[1-6]。本文研究区大地构造位置处于北山造山带，南北横跨塔里木板块与哈萨克斯坦板块，经历了较为复杂的区域构造演化历史，属古亚洲构造域的重要组成部分[7-9]。近年来不少学者对北山造山带进行了研究，并提出了相应的构造演化模式[10-16]。多数学者认为红柳河—牛圈子—洗肠井蛇绿混杂岩带为2大板块的最终缝合位置，但对板块间北山洋开启及俯冲的具体时限仍存在着较大的争议。余吉远等[13]通过对北山地区地层研究认为下寒武统到中—上寒武统其沉积环境由滨海、浅海到深海逐渐演化，由此推断北山洋开启时代为早寒武世。何世平等[11]认为北山地区在前寒武纪存在统一的结晶基底，寒武纪—早奥陶世开始扩张形成大洋，晚奥陶世洋壳自南向北发生俯冲，晚志留世—早泥盆世发生碰撞造山。研究区横峦山组火山岩对北山洋的演化过程具有重要的指示意义，前人对该组火山岩并未进行系统的研究。本文在野外地质调查研究的基础上，对横峦山组火山岩进行锆石U-Pb测年及地球化学研究，探讨火山岩的形成时代及形成构造环境，从而为北山洋的具体俯冲时限提供更为有利的依据。

1 区域地质背景

研究区位于北山造山带东段中部，对其构造单元的划分标准仍存在着争议，先后有学者对此提出了几种不同的划分方案[9-10,17-18]。红柳河—牛圈子—洗肠井蛇绿混杂岩带通过研究区，是本区的一条重要构造带(图1)。构造带南侧分布中元古代—早古生代变质碎屑岩、碎屑岩、硅质岩及火山岩地层，北侧多以奥陶纪—志留纪火山岩和具同构造变形特征的片麻状花岗岩为主。结合前人资料认为红柳河—牛圈子—洗肠井蛇绿混杂岩带对研究区及周边地层与岩浆岩具明显的控制作用，更具缝合带特征，其南北两侧分别为塔里木板块和哈萨克斯坦板块。

1.第四纪冲洪积物； 2.赤金堡组碎屑岩； 3.横峦山组火山岩； 4.罗雅楚山组火山岩； 5.西双鹰山组碎屑岩； 6.大豁落山组变质地层； 7.野马街组变质地层； 8.细粒二长花岗岩； 9.中粒英云闪长岩； 10.中粒花岗闪长岩； 11.细粒花岗闪长岩； 12.细粒石英闪长岩； 13.断裂； 14.红柳河—牛圈子—洗肠井蛇绿混杂岩带； 15.不整合界线； 16.采样位置

图1研究区地质简图及大地构造位置图

Fig.1Geologicalsketchandtectoniclocationofthestudyarea

2 岩石学特征

研究区内横峦山组火山岩主要分布在红柳河—牛圈子—洗肠井缝合线南部红山头一带，出露面积约1 km2，厚约57 m。该套火山岩地层整合覆盖在罗雅楚山组陆源碎屑岩之上，呈EW向展布。岩性组合为安山质晶屑岩屑凝灰岩、安山质含角砾晶屑岩屑凝灰岩，夹少量硅质岩。

安山质晶屑岩屑凝灰岩呈浅灰绿色，凝灰结构，块状构造(图2 左)。晶屑主要见斜长石、单斜辉石，呈棱角状—次棱角状，显定向特征，为0.02～0.6 mm的凝灰物。斜长石具绢云母化、黝帘石化、绿泥石化，表面较显脏，聚片双晶多较模糊。镜下石英呈熔蚀状，粒内具波状、带状消光等特点。角闪石多色性较明显，表面具绿泥石化。岩屑主要为安山岩，少见流纹岩，多呈棱角状—次棱角状，个别呈片状、条纹状等,显弱塑性、定向特征。安山岩岩屑多已发生绿泥石化、绿帘石化等，一般为0.05～0.5 mm的凝灰物。火山尘为极细小的晶屑、岩屑等，填隙于较大颗粒的晶屑、岩屑之间，显定向特征，被绿泥石、绿帘石交代呈假像(图 2右)。

Pl.斜长石； Pyr.角闪石； Qz.石英； α.岩屑

3 测试方法及结果

3.1 测试方法

岩石主量元素及微量元素在河北省区域地质矿产调查研究所实验室分析完成。主量元素分析精度为0.05%，稀土元素分析精度为0.1×10-6，微量元素分析精度≤5×10-6。

锆石分选在河北省区域地质矿产调查研究所完成。LA-ICP-MS锆石U-Pb测年在天津地质矿产调查研究所完成。锆石年龄采用91500作为外标标准物质，元素含量采用NIST SRM 610作为外标，29Si作为内标。测试结果应用GLITTER(ver 4.2)软件计算得出，并按照 Andersen 的方法用LA-ICP-MS Common Lead Correction(ver 3.15)对其进行了普通铅校正，年龄计算和谐和图绘制采用Isoplot(ver 3.0)完成。

3.2 分析结果

3.2.1 主量元素、稀土及微量元素

横峦山期火山岩3件样品的全岩、稀土及微量元素测试结果见表1。

表1 横峦山组火山岩主量元素、微量元素分析结果

由表1可知，SiO2含量为51.98%～60.01%，MgO含量为2.85%～4.13%，TiO2含量为0.91%～1.18%，K2O和Na2O含量分别为0.73%～1.59%和3.62%～4.22%，K2O/Na2O为0.20～0.42，显示富Na特征。ALK含量为4.52%～5.58%，里特曼指数σ=1.53～2.28，碱度指数KN/A=0.39～0.52，表明岩石属钙碱性岩。岩浆分异指数DI=41.33～58.52，固结指数SI=20.6～23.83，指示岩浆分异程度中等。镁铁指数MF=65.46～68.61，长英指数FL=34.38～46.71，说明岩浆分离结晶作用程度中等。在TAS图解中，3件样品全部分布于Irvine线下方的玄武安山岩—安山岩区，与室内薄片鉴定的名称基本一致，属亚碱性岩系(图3(a))；在K2O-SiO2图解和A.R.图解中，样品均落入钙碱性系列区(图3(b)，(c))； A/NK-A/CNK图解反映岩石属准铝质(图3(d))。

横峦山期火山岩稀土元素总量∑REE(包括Y元素)为141.87×10-6～199.71×10-6，平均值为177.33×10-6； LREE/HREE为2.79～3.26，平均值为2.94。稀土配分曲线为右倾型，显示轻稀土较为富集，与日本Setouchi火山岩带中典型高镁安山岩类似(图4左)。δEu值为0.96～1.09，平均值为1.02，铕异常不明显； (La/Yb)N值在5.84～7.30之间，平均值为6.34； (La/Sm)N值为2.56～2.81，(Gd/Yb)N值为1.38～1.67，说明轻稀土较重稀土分馏强烈。岩石稀土元素具高镁安山岩的特征。球粒陨石标准化蛛网图显示了强不相容元素富集的配分型式(图4右)。大离子亲石元素Cs、Ba、U、P相对较为富集；高场强元素Nb、Ti、Zr、Th亏损较为明显，Hf、Ta含量相对较高；特征比值中Rb/Sr均值0.031，Nb/Ta均值0.056，Zr/Hf均值31.56。微量元素特征显示其具岛弧岩浆岩的特征。

(a) TAS分类图解(b) SiO2-K2O图解

图3横峦山期火山岩地球化学图解

Fig.3GeochemicaldiagramsofHenluanshanFormationvolcanicrocks

图4 横峦山组火山岩稀土配分曲线(左)和微量元素蛛网图(右)

3.2.2 锆石U-Pb测年

对安山质含角砾晶屑岩屑凝灰岩同位素样品PM34TW1进行LA-ICP-MS锆石U-Pb测年。测试样品在CL图像上显示大多数锆石为短柱状，震荡环带发育，Th/U值为0.36～0.79，具岩浆锆石的特征(图5)。实验测试晶形较好的24颗锆石共分析了24个测点(表2)。部分锆石测点由于晶体发育裂纹及包体造成放射性成因Pb的丢失，导致其谐和性较差，其中9、18、21、22、23、24号点206Pb/238U年龄偏大(≥472 Ma)，测点所在锆石环带较为模糊，应该是早期继承锆石。除去上述谐和度较差及离群点外，其余测点206Pb/238U年龄在451～459 Ma之间，经计算获得加权平均年龄为(453.5±2.7) Ma，能够代表该样品的结晶年龄(图6)。

图5 横峦山组安山质晶屑岩屑凝灰岩锆石CL图像及测点位置

测点号wB/10-6PbUTh/U同位素比值206Pb/238U1σ207Pb/235U1σ207Pb/206Pb1σ年龄/Ma206Pb/238U1σ207Pb/235U1σ207Pb/206Pb1σ135 518 0.378 0.073 0 0.000 8 0.610 9 0.008 4 0.060 7 0.000 8 454 5 484 7 630 27 235 514 0.425 0.073 8 0.000 8 0.634 4 0.011 3 0.062 4 0.000 9 459 5 499 9 687 32 322 329 0.490 0.073 5 0.000 7 0.601 8 0.009 0 0.059 4 0.000 8 457 5 478 7 583 30 439 580 0.649 0.072 8 0.000 7 0.563 2 0.008 0 0.056 1 0.000 7 453 4 454 6 456 28 545 669 0.575 0.072 8 0.000 7 0.563 5 0.007 9 0.056 1 0.000 7 453 5 454 6 457 27 624 359 0.458 0.072 5 0.000 7 0.559 8 0.008 8 0.056 0 0.000 8 451 4 451 7 453 33 724 373 0.477 0.070 2 0.000 7 0.582 5 0.009 0 0.060 1 0.000 9 438 4 466 7 609 32 825 385 0.492 0.070 4 0.000 7 0.547 3 0.008 8 0.056 4 0.000 8 438 5 443 7 469 31 945 650 0.451 0.076 0 0.000 8 0.627 2 0.009 1 0.059 8 0.000 8 472 5 494 7 597 28 1029 460 0.558 0.069 1 0.000 7 0.540 9 0.008 1 0.056 8 0.000 8 431 4 439 7 483 30 1135 532 0.427 0.073 0 0.000 7 0.564 7 0.008 0 0.056 1 0.000 7 454 5 455 6 457 28 1264 937 0.785 0.074 5 0.000 8 0.580 2 0.008 0 0.056 5 0.000 7 463 5 465 6 470 27 1335 519 0.450 0.072 8 0.000 8 0.568 6 0.015 2 0.056 7 0.001 0 453 5 457 12 478 38 1446 697 0.446 0.072 9 0.000 7 0.563 7 0.007 8 0.056 1 0.000 7 453 5 454 6 457 27 1541 614 0.438 0.072 9 0.000 8 0.563 2 0.008 0 0.056 1 0.000 7 453 5 454 6 455 27 1617 249 0.379 0.073 0 0.000 7 0.568 4 0.009 7 0.056 5 0.000 9 454 5 457 8 472 34 1733 487 0.392 0.073 0 0.000 8 0.565 0 0.008 5 0.056 1 0.000 7 454 5 455 7 456 28 1843 615 0.477 0.076 9 0.000 8 0.606 1 0.008 6 0.057 2 0.000 7 478 5 481 7 498 26 1971 1056 0.420 0.073 1 0.000 8 0.568 5 0.007 7 0.056 4 0.000 7 455 5 457 6 469 26 2026 393 0.435 0.073 1 0.000 7 0.566 8 0.008 3 0.056 2 0.000 7 455 5 456 7 462 29 2184 1145 0.439 0.080 2 0.000 8 0.660 7 0.008 7 0.059 8 0.000 7 497 5 515 7 595 25 2227 392 0.418 0.075 9 0.000 8 0.594 0 0.008 8 0.056 7 0.000 7 472 5 473 7 482 28 2372 1027 0.360 0.076 8 0.000 8 0.606 7 0.008 3 0.057 3 0.000 7 477 5 481 7 502 25 2477 1067 0.492 0.078 6 0.000 9 0.624 7 0.008 7 0.057 6 0.000 7 488 5 493 7 516 26

注：表中所列误差为1σ。

图6 横峦山期安山质含角砾晶屑岩屑凝灰岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄图

4 讨论

4.1 横峦山组火山岩的形成机制

横峦山组火山岩微量元素中大离子亲石元素Cs、Ba、U相对较为富集，高场强元素Nb、Ti、Zr、Th、Pb强烈亏损，富集LREE，亏损HREE，无明显的负铕异常。该火山岩具有近似的稀土总量，其稀土配分形式与日本Setouchi火山岩带中典型高镁安山岩类似(图 4左)，并且均为钠质低钾钙碱性岛弧拉斑系列火山岩(K2O/Na2O = 0.20～0.42)，火山岩地球化学特征更接近大洋岛弧特征。此外，测试样品具较高的MgO含量(2.85%～4.13%)和较低的FeOT/MgO比值( FeOT/MgO=0.75～1.2<1.5); 同时,Al2O3含量相对较低 (15.59% ～17.15%)，CaO含量小于10%(5.97%～8.30%)。本次研究的中酸性火山岩样品在(Y+Nb)-Rb图解中全部落入火山岛弧环境中(图7左)。火山岩的主量、稀土及微量元素显示出类高镁安山岩的特征。一般认为高镁安山岩形成于洋壳的早期俯冲阶段，对于洋壳的俯冲具有重要的指示意义。上述地球化学特征均显示横峦山组火山岩形成于早期的洋壳俯冲环境。

图7 横峦山组火山岩(Y+Nb)-Rb图解(左)及Sr/Y- Y图解(右)

横峦山组火山岩具高镁安山岩的特征。高镁安山岩浆的形成主要有以下2种模式： ①由俯冲的洋壳释放的含水流体加入到地幔楔中而引发地幔橄榄岩熔融形成的； ②俯冲的玄武质洋壳产生的英安质(或埃达克质) 熔体与地幔橄榄岩相互作用后形成(但是洋片熔融条件较为苛刻)[19]。研究区的火山岩具极低的(La/Yb)N、Sr/Y和Sr含量值，与俯冲板片来源的埃达克岩截然不同，在Sr/Y-Y图解中落于正常岛弧火山岩范围内，因此可排除其属于上述俯冲板片熔体与地幔楔相互作用的第一种可能成因(图 7右)。此外，样品的Rb/Sr为0.018～0.048，平均值为0.031，低于大陆壳平均值(0.24)，略高于上地幔平均值(0.025)； Zr/Hf为27～36.58，平均值为31.56，低于幔源岩石平均值(36.27±2.0)，接近壳源岩石平均值(33±)[20]。

综上所述，认为该期火山岩来自俯冲板片释放的流体交代地幔楔形成的含水地幔源区，在上升过程中又经历了不同程度的地壳混染。

4.2 横峦山组火山岩的构造意义

多数学者认为红柳河—牛圈子—洗肠井蛇绿混杂岩带为两大板块最终缝合位置，通过对构造带两侧地层的研究初步将北山洋开启时代限制在寒武纪以后，但对北山洋具体的俯冲时限及方式仍存在着较大的争议。通过对北山地区横峦山组火山岩研究，认为其形成于洋片俯冲过程中的岛弧环境，其火山岩的锆石U-Pb测年结果为(453.5±2.7) Ma，进而代表着北山地区在晚奥陶世早期北山洋已经开始发生俯冲，俯冲方向为由北向南。在本次研究区南部三道明水地区发现晚志留世埃达克岩，地球化学特征显示其形成于北山洋向南的强烈快速俯冲构造环境下。红柳河—牛圈子—洗肠井缝合线北侧发现大量形成于碰撞环境中的早泥盆世花岗岩，证明此时洋盆已经开始发生闭合[21]。综上认为,北山洋在寒武纪开启并逐渐形成稳定洋盆，晚奥陶世早期洋壳开始由南向北发生俯冲，且志留纪仍处于俯冲岛弧环境，在早泥盆世洋盆开始闭合，在缝合线两侧形成大量的碰撞型花岗岩。