内蒙古巴彦都兰地区侵入岩地球化学特征及构造岩浆演化

2019-03-21钟石玉李志刚熊意林张凯玲

资源环境与工程 2019年1期

钟石玉, 方鑫, 周豹, 李志刚, 熊意林, 张凯玲

(1.湖北省地质调查院,湖北武汉 430034; 2.内蒙古自治区第五地质矿产开发院,内蒙古包头 014000)

西伯利亚板块东南缘兴蒙造山带中东部广泛发育的晚古生代、中生代侵入岩,记录了古亚洲洋的关闭、拼合造山及造山后的过程,备受广大地质学者的关注。前人对这一地区同一构造位置不同时代的侵入岩体的构造属性有不同认识,且前人的研究多集中在二连—贺根山构造结合带南侧,在结合带北侧,也仅对晚古生代碱性花岗岩进行了论述[1-2]。而对东乌旗西部不同侵入岩的岩石学、地球化学研究尚未见有确切的报道,并缺乏完整造山阶段岩浆事件的记录。鉴于此,本文对东乌珠穆沁旗西部巴彦都兰地区不同时代侵入岩进行了岩体特征和岩石学、地球化学研究,探讨了其成因和构造背景,为兴蒙造山带造山过程与构造岩浆演化提供了依据。

1 地质背景

区域岩浆活动强烈,侵入岩比较发育,约占区内总面积的30%,以中三叠世钾长花岗岩为主,东部侏罗纪正长斑岩较发育,其它类型侵入岩出露面积较小,分布局限。侵入岩体受控于区域构造,呈北东向展布(见图1)。

2 侵入岩体地质与岩石学特征

2.1 早二叠世侵入岩

该期岩体仅零星分布于研究区中部或东部,岩性主要为闪长岩(P1δ),呈小岩株出露。可见其侵位于格根敖包组地层中,并被中三叠世钾长花岗岩与晚侏罗世石英正长岩侵入。岩石主要由中长石(45%)、角闪石(45%)、辉石(3%)及少量磁铁矿组成,完好的中长石和角闪石自形晶使岩石具有柱粒结构,粒度一般为1～2 mm。

2.2 中三叠世侵入岩

中三叠世侵入岩是区内分布最广的侵入岩,呈不规则的长条形岩基产出,岩体长轴作北东—南西向延伸,与区域构造线方向基本一致。该岩体西北侧被第四系覆盖,在研究区西部可见其侵入于宝力高庙组地层中,中部见其侵入于格根敖包组地层中,东部可见其侵位于闪长岩体。

根据岩性及结构特点,岩体可划分为黑云母花岗岩(T2γβ)与钾长花岗岩(T2κγ),前者为岩体的西北缘。两个岩体内部相带均较明显,可划分为边缘相和过渡相,对应于细粒与中粒结构。

黑云母花岗岩:主要组成矿物为条纹长石,微斜长石,更长石,石英,黑云母。条纹长石与微斜长石呈半自形板状,含量35%～45%;更长石,半自形板状,含量25%～30%;石英,他形粒状,含量约25%;黑云母,片状,含量略高于5%。

钾长花岗岩:主要组成矿物为正长条纹长石,更长石,石英,黑云母。正长条纹长石,为自形—半自形厚板状,含量50%～60%;更长石,半自形板状、粒状,含量3%～5%;石英,他形粒状,含量30%～35%;黑云母,片状,含量2%左右。

图1 内蒙古巴彦都兰地区地质图Fig.1 Geological map of Bayandulan area,Inner Mongolia1.第四系洪冲积物;2.上更新统砂砾石层;3.阿巴嘎组玄武岩;4.中下更新统冰碛物;5.宝格达乌拉组;6.宝力高庙组;7.格根敖包组;8.侏罗纪正长斑岩;9.侏罗纪石英正长岩;10.中三叠世细粒钾长花岗岩;11.中三叠世中粒钾长花岗岩;12.中三叠世细粒黑云母花岗岩;13.中三叠世中粒黑云母花岗岩;14.早二叠世闪长岩;15.辉绿(玢)岩;16.侵入界线、整合接触界线;17.角度不整合界线;18.相变界线;19.实测性质不明断层;20.推测性质不明断层;21.正断层及编号;22.逆断层及编号;23.平移断层及编号;24.隐伏断裂及编号;25.深大断裂及编号。

2.3 晚侏罗世侵入岩

该岩体零星见于研究区东部,呈岩枝或岩瘤状产出,规模较小,形态极不规则,但总体呈北东向展布,多沿早期岩体与地层接触面贯入或侵位于格根敖包组地层中。根据岩性及结构特征,可划分为正长斑岩(J3ξπ)与石英正长岩(J3ξο)。

2.4 脉岩

研究区脉岩非常发育,种类繁多,从基性、中性到酸性均有出露,主要有石英脉(q)、细粒花岗岩脉(γ)、花岗斑岩脉(γπ)、正长岩脉(ξ)、英云闪长岩脉(γδo)、闪长玢岩脉(δμ)、辉长岩脉(ν)、辉绿(玢)岩脉(βμ)、煌斑岩脉(χ)、安山玢岩脉(αμ)等。各类脉岩多数分布于侵入体边部及附近,受区域性构造裂隙控制较多,其方向以北东、北东东和北西向为主,少数呈近东西向或南北向。钾长花岗岩体中发育的花岗斑岩脉、细粒花岗岩脉为本身之派生脉岩,其他岩脉为区域性燕山期脉岩。

3 岩石地球化学特征

3.1 主量元素特征

区内侵入岩主量元素分析结果及有关岩石化学计算特征参数值见表1、表2。据表格数据显示,区内侵入岩主量元素具有以下特征:

表1 研究区侵入岩岩石化学成分一览表Table 1 List of petrochemical composition of intrusive rocks in the study area

表2 研究区侵入岩岩石化学参数一览表Table 2 List of petrochemical parameters of intrusive rocks in the study area

注：除PM05-9-1煌斑岩(χ)里特曼指数为σ25值外,其它样品均为σ43值。

(1) 钾长花岗岩平均SiO2含量为73.46%,黑云母花岗岩平均SiO2含量为73.07%;闪长岩SiO2含量为54.49%,属于中性岩;辉绿玢岩SiO2含量为51.83%,为基性岩类;煌斑岩SiO2含量为42.74%,为超基性—基性脉岩。

(2) 分异指数DI方面,中粒钾长花岗岩平均值为94.38,细粒钾长花岗岩平均值为91.27,黑云母花岗岩平均值为89.02,闪长岩为47.48,辉绿玢岩为44.67,煌斑岩为13.57;固结指数SI方面,中粒钾长花岗岩平均值为1.66,细粒钾长花岗岩平均值为3.19,黑云母花岗岩平均值为3.71,闪长岩为28.15,辉绿玢岩为23.67,煌斑岩为59.94。分异指数DI与固结指数SI在不同岩性间差别明显,区内花岗岩类分离结晶作用较强烈,酸性程度较高。

(3) 里特曼指数σ方面,中粒钾长花岗岩平均值为2.56,细粒钾长花岗岩平均值为2.54,黑云母花岗岩平均值为2.04,辉绿玢岩σ43值为2.14,闪长岩σ43值为2.38,除煌斑岩外,所有岩石σ43值均<3.3,属于钙碱性系列岩石。

(4) 碱度率AR值方面,中粒钾长花岗岩AR平均值为5.43,细粒钾长花岗岩AR平均值为4.51,黑云母花岗岩AR平均值为3.61,表明中粒钾长花岗岩碱性最强。在ω(SiO2)-ω(AR)图解中(图2),钾长花岗岩、黑云母花岗岩、煌斑岩落入碱性岩石系列区域,辉绿玢岩与闪长岩则属于钙碱性系列。

图2 研究区侵入岩SiO2-AR图解Fig.2 SiO2-AR diagram of intrusive rocks in the study area

(5) 花岗岩类岩石富钾,其中中粒钾长花岗岩ω(K2O)平均值为4.59,细粒钾长花岗岩ω(K2O)平均值为4.49,黑云母花岗岩ω(K2O)平均值为4.14。Na2O含量亦较高,但含量略低于K2O,K2O/Na2O平均值为1.06;辉绿玢岩、闪长岩与煌斑岩K2O含量小于Na2O,K2O/Na2O值远<1。在ω(SiO2)-ω(K2O+Na2O)图解中(图3),区内侵入岩均落在亚碱性系列区域,但较靠近亚碱性—碱性分界线;在ω(SiO2)-ω(K2O)图解中(图4),钾长花岗岩、黑云母花岗岩落在高钾钙碱性系列区域,而辉绿玢岩、闪长岩、煌斑岩均落在钙碱性系列区域。

(6) 花岗质岩石贫Ca、Mg,中粒钾长花岗岩、细粒钾长花岗岩、黑云母花岗岩ω(CaO)平均值分别为0.2、0.62、1.18,ω(MgO)平均值分别为0.2、0.4、0.42。此外,花岗质岩石FeOt/MgO值较高。

(7) 花岗质岩石Al2O3含量多在12%～13.5%之间,含量较低,相对贫铝;中粒钾长花岗岩的铝饱和指数A/CNK平均值为1.03,细粒钾长花岗岩A/CNK平均值为1.02,黑云母花岗岩平均值为1.01,均具弱过铝质特征。而辉绿玢岩、闪长岩与煌斑岩的铝饱和指数A/CNK值分别为0.84、0.79、0.80,为准铝质岩石。

图3 研究区侵入岩SiO2-Alk图解Fig.3 SiO2-Alk diagram of intrusive rocks in the study area

图4 研究区侵入岩SiO2-K2O图解Fig.4 SiO2-K2O diagram of intrusive rocks in the study area

3.2 稀土元素特征

区内侵入岩稀土元素测试结果见表3,稀土元素地球化学指数结果见表4,其配分曲线见图5。综合分析图表,区内侵入岩具有如下特征:

(1) 稀土元素总量∑REE在不同岩性间差别比较明显,中粒钾长花岗岩∑REE平均261.82,细粒钾长花岗岩∑REE平均222.00,黑云母花岗岩∑REE平均184.45,闪长岩∑REE值为106.0,辉绿玢岩∑REE值为170.61,煌斑岩∑REE值为62.76。总体上,岩石越酸性,稀土元素总量∑REE值越大。

(2) 轻、重稀土元素的比值LREE/HREE能反映稀土元素的分馏程度,中粒钾长花岗岩平均值6.66,细粒钾长花岗岩平均值6.20,黑云母花岗岩平均值为7.52,闪长岩为5.51,辉绿玢岩为6.83,煌斑岩为5.86,其比值均>1,表明各类侵入岩轻稀土元素相对于重稀土元素富集。

表3 研究区侵入岩稀土元素含量一览表Table 3 List of rare earth elements in intrusive rocks in the study area

表4 研究区侵入岩稀土元素特征值一览表Table 4 List of characteristic values of rare earth elements in intrusive rocks in the study area

图5 研究区侵入岩稀土元素配分曲线Fig.5 REE distribution curves of intrusive rocks in the study area

(3) 各侵入岩稀土元素(La/Yb)N值均>1,为右倾型,LREE明显富集。其中中粒钾长花岗岩(La/Yb)N平均值为5.63,细粒钾长花岗岩平均值为5.28,黑云母花岗岩平均值为7.09,闪长岩为4.64,辉绿玢岩为6.11,煌斑岩为4.47,黑云母花岗岩分布曲线向右倾斜程度最高。

(4) 花岗质岩石其REE配分模式略具右倾,且左陡右缓、呈特征的燕式分布。而闪长岩、辉绿玢岩、煌斑岩其REE配分模式为向右缓倾的曲线,与壳幔混合源Hm型花岗岩分布型式相似。

(5) 花岗质岩石具明显的负Eu异常,而闪长岩、辉绿玢岩、煌斑岩仅具较弱的负Eu异常。花岗岩类岩石中按δEu值从小到大排列依次为中粒钾长花岗岩(平均0.33)、黑云母花岗岩(平均0.43)、细粒钾长花岗岩(平均0.50)。负Eu异常指示花岗质岩石中斜长石的缺乏与高含量钾长石的存在。

(6)δCe值方面,各类侵入岩均>1,为正铈异常,属于Ce富集型。

(7) 花岗质岩石Sm/Nd比值均<0.3,表明其可能为壳层花岗岩或侵位过程中有壳源物质的混入。

3.3 微量元素特征

区内侵入岩微量元素测试结果见表5。采用原始地幔微量元素平均值标准化后,通过蛛网图解(图6、图7)对比与分析,发现该区内侵入岩微量元素具有如下特点:

(1) 花岗质侵入岩相对富集Rb与Th、Ta、Nb、Zr、Hf、Y等高场强元素,相对贫损Ba、Nb、Sr、P、Ti、Cr、Ni。而在岩浆结晶过程中,Rb和Sr发生分异,Sr趋于集中在中性岩类的斜长石中,Rb则更趋于富集于晚期酸性岩的钾长石中。

表5 研究区侵入岩微量元素含量一览表Table 5 List of trace elements in intrusive rocks in the study area

图6 花岗质岩石与闪长岩微量元素标准化蛛网图Fig.6 Standardized cobweb map of trace elements in granitic rock and diorite

(2) 闪长岩明显富集Rb、Th、Hf,较富集Sm,亏损Ba、Nb、Zr、Ti,与I型花岗岩分布型式相似。

(3) 辉绿玢岩与煌斑岩蛛网曲线相似,相对富集K、Rb、Ce、Hf,弱富集Y,相对亏损P、Ti。

图7 辉绿玢岩与煌斑岩微量元素蛛网图Fig.7 Spider diagram of diabase porphyry and trace elements in lamprophyre

(4) 上部陆壳平均Rb/Sr值大约为0.32,大陆壳平均Rb/Sr值为0.24,而研究区花岗岩类Rb/Sr值远高于上部陆壳平均值,表明其具有壳源成因的特点,反映壳源物质贡献大于幔源。而研究区闪长岩、辉绿玢岩与煌斑岩,其Rb/Sr值远小于大陆壳平均值0.24,表明成岩物质主要为幔源。

(5) 不同大地构造环境区玄武岩系Th、Nb、Zr特征具有显著差异,大致可以原始地幔值的Th/Nb比值0.11为界,将大陆和大洋环境分开,大陆板内及岛弧玄武岩的Th/Nb比值高于原始地幔值,MORB及OIB的Th/Nb比值低于原始地幔值。辉绿玢岩与煌斑岩其Th/Nb比值分别为0.297、0.162,高于原始地幔Th/Nb比值0.11。大致以Nb/Zr=0.04为界又可以区分大陆板内裂谷环境和岛弧环境玄武岩系,其中前者Nb/Zr>0.04,后者Nb/Zr<0.04。辉绿玢岩与煌斑岩Th/Nb比值分别为0.048、0.079,表明其形成于大陆板内裂谷环境[3]。

4 综合讨论

闪长岩为准铝质钙碱性系列岩石,其A/CNK<1,K2O/Na2O<1;REE配分曲线与壳幔源Hm型花岗岩型式相似,Sm/Nd比值<0.3,表明成岩过程中有壳源物质的混入;微量元素Rb/Sr比值远小于大陆壳平均值0.24,表明成岩物质主要为幔源。在其成因系列Na2O-K2O图解(图8)中,闪长岩样品投点落入I型花岗岩区域。以上表明,闪长岩为Hm型花岗岩,产出于岛弧和活动大陆边缘环境近内陆一侧,岩浆来源为混源[4]。

图8 闪长岩成因系列Na2O-K2O图解Fig.8 Diagram of Na2O-K2O genesis series of diorite

花岗岩类在岩石类型上为弱碱性的弱过铝质岩石;在化学成分上,富硅、碱,贫钙、镁、铝,FeOt/MgO值高,富Rb、Th、Ta、Nb、Zr、Hf、Y,贫Ba、Sr、P、Ti、Cr、Ni,REE曲线呈特征的燕式分布,并以具有显著的负Eu异常为特征;在矿物组成上,钾长石含量极高,斜长石含量少,与A型花岗岩地球化学特征极为一致,其应产出于板内大地构造环境。在花岗岩成因系列Na2O-K2O图解(图9)中,研究区花岗岩投点均落入A型花岗岩区域,与地球化学分析结论相吻合。但微量与稀土元素Rb/Sr、Sm/Nd特征值表明其源岩是以地壳成分为主的混源[5-6]。

图9 花岗岩成因系列Na2O-K2O图解Fig.9 Diagram of Na2O-K2O genesis series of granite

辉绿玢岩在岩石类型上为准铝质钙碱性系列岩石,煌斑岩为准铝质偏碱性岩石,二者K2O/Na2O值分别为0.42、0.62,远<1。辉绿玢岩、煌斑岩其REE配分模式为曲线略向右倾斜,与壳幔混合源Hm型花岗岩分布型式相似。微量元素Rb/Sr值分别为0.13、0.07,远低于大陆壳平均值0.24,表明成岩物质主要为幔源,而其稀土元素Sm/Nd比值<0.3,表明其成岩过程中有壳源物质的混入。在构造环境判别Ti-Zr-Y图解(图10)与Nb-Zr-Y图解(图11)中,辉绿玢岩与煌斑岩均落入板内玄武岩区域。

图10 辉绿玢岩与煌斑岩Ti-Zr-Y图解Fig.10 Ti-Zr-Y diagrams of diabase porphyry and lamprophyre

4.1 形成时代

据1∶25万东乌珠穆沁旗幅资料,研究区闪长岩体锆石U-Pb同位素年龄为310.3±1.6 Ma,对应于早二叠世,而中粒钾长花岗岩U-Pb同位素年龄为235.6 Ma,对应于中三叠世。

4.2 就位机制

图11 辉绿玢岩与煌斑岩Nb-Zr-Y图解Fig.11 Nb-Zr-Y diagrams of diabase porphyry and lamprophyre

图12 研究区闪长岩与花岗岩类Rb-(Yb+Ta)判别图解Fig.12 Rb-(Yb+Ta) discriminant diagrams of diorites and granitoids in the study area

图13 研究区闪长岩与花岗岩类Rb-Hf-Ta判别图解Fig.13 Rb-Hf-Ta discriminant diagrams of diorites and granitoids in the study area

在Rb-(Yb+Ta)判别图解(图12)与Hf-Rb-Ta岩石化学图解(图13)中,研究区内闪长岩落入火山弧花岗岩区域,花岗岩类则均落入板内花岗岩区域。在R1-R2因子判别图解(图14)中,闪长岩样品落入2区(碰撞前区)。

图14 研究区闪长岩R1-R2判别图解Fig.14 Diagram of diorite R1-R2 in the study area1.地幔分异的;2.碰撞前的;3.碰撞后抬升的;4.造山晚期的;5.非造山的;6.同碰撞期的;7.后造山的。

5 构造岩浆演化

早二叠世侵入岩为本区规模较小且最早的一次岩浆活动。在汇聚机制下,晚泥盆世古洋壳向西伯利亚板块东南缘弧下俯冲,诱发成熟陆缘弧下地壳熔融而形成该期岩浆活动,岩浆沿古陆壳边缘断裂带热侵位,最终侵位于西伯利亚东南陆缘增生带中。闪长岩无负Eu异常及较低的Rb/Sr值可反映其源区深度相对较深,形成于大陆边缘弧近陆一侧环境下,是陆壳缩短、增厚,壳源与幔源混合的产物。

本区域晚二叠世—早三叠世不仅存在洋—陆碰撞造山,而且也发生过陆—陆碰撞造山过程。(两个阶段岩浆活动在研究区规模较小,或岩浆活动产物被后期侵入岩体所破坏并被第四系覆盖,未见出露。)

中三叠世花岗岩类为两大板块碰撞闭合后,转入伸展体制下岩石圈剥离和热软流圈上涌陆壳熔融形成的,岩浆源区比较深,为陆内伸展环境的产物,反映研究区中三叠世已进入板内构造发展阶段。

研究区内中三叠世钾长花岗岩与黑云母花岗岩空间分布相伴而生,均为弱过铝质的高钾钙碱性系列,岩石稀土和微量元素配分模式基本一致,反映出该期岩浆的亲源性。岩石微量元素显示贫Sr特征,推测其源区很深,可能为下地壳。由黑云母花岗岩类→钾长花岗岩类,二者暗色矿物均以黑云母为主,斜长石、黑云母含量减少,钾长石、石英含量增加,具成分演化的特点。岩石化学方面,SiO2、K2O含量增高,Al2O3、Na2O、CaO、FeO、MgO、TiO2含量减少,随着岩浆的分异,表现出岩浆向富硅、碱和贫镁、铁、铝的方向演化,岩石P2O5、TiO2含量的降低,说明岩浆经历了含磷、钛等矿物的分离结晶作用。稀土元素方面,岩石δEu值降低,Eu亏损趋于明显,(La/Yb)N值相似,表明岩浆发生了斜长石或富钙副矿物的分离结晶作用,由于斜长石的结晶分离,导致花岗岩的Eu强烈亏损。微量元素方面,二者具有相似的配分模式,均有Ba相对于Rb、Th的负异常,且亏损程度逐渐增强,显示出岩石由早到晚向富Rb,贫Sr、Ba方向演化。钾长花岗岩的分异指数(DI)明显高于黑云母花岗岩,反映钾长花岗岩经历了较高程度的分异演化作用。综上所述,钾长花岗岩是黑云母花岗岩类岩浆经结晶分异作用形成的,为黑云母花岗岩岩浆在上升过程中,地壳浅部高度结晶分异作用演化晚期的产物。

晚侏罗纪继承和改造基底断裂、源区性质的基础上,在大规模伸展体制下,幔源底侵,从而改变了下部地壳的热状态和力学性质,并导致地壳部分熔融。幔源分异形成的基性辉绿玢岩岩浆、陆壳物质部分熔融形成的酸性岩浆以及二者混合形成的中性岩浆沿北东—南西向深大断裂不同层次上侵,从而形成了本区侏罗纪一系列基性—酸性深成—超浅成岩浆。