内蒙古新巴尔虎右旗中二叠世花岗岩地球化学特征及其成因

2019-12-02张书义

铀矿地质 2019年6期

张书义

（核工业二四〇研究所，辽宁沈阳 110032）

中国东北地区位于兴蒙造山带东段，经历了复杂的构造演化过程［1-4］，该区古生代受古亚洲洋构造域影响，中生代主要受太平洋构造域控制。兴蒙造山带并非简单的西伯利亚板块和华北板块之间的缝合带，而是古亚洲洋在形成、演化和消亡过程中，夹持于两大板块间的地块群沿新林-喜桂图缝合带、贺根山-黑河缝合带及嘉荫-牡丹江缝合带闭合形成统一的佳-蒙地块［5-7］，该联合地块再沿西拉木伦-长春-延吉缝合带与华北板块碰撞拼合，沿蒙古-鄂霍茨克缝合带与西伯利亚板块拼贴［7］。随着大量地质资料的积累，越来越多的学者认为中国东北地区尤其是额尔古纳地块可能还受到北部蒙古-鄂霍茨克洋构造演化的影响［3］。早期的研究认为蒙古-鄂霍茨克洋主要向北俯冲于西伯利亚板块之下，没有南向俯冲，国内学者主要强调蒙古-鄂霍茨克缝合带造山伸展垮塌阶段对大兴安岭北段火山作用的控制［8］。近年来的研究显示，蒙古-鄂霍茨克洋板块还存在南向俯冲，大兴安岭北部和小兴安岭西北晚三叠-早侏罗世钙碱性火成岩、中侏罗世S 型花岗岩和晚侏罗-早白垩世A 型花岗岩和火山岩完整记录了蒙古-鄂霍茨克洋俯冲、碰撞造山-后碰撞伸展的完整演化过程［9-10］。虽然蒙古-鄂霍茨克洋中生代的构造演化已经比较清晰，但大洋早期的演化历史至今仍未完全了解，大洋何时开始南向俯冲还一直没有明确，古生代期间有没有南向俯冲尚不清楚。

满洲里新巴尔虎右旗地区位于紧邻蒙古-鄂霍茨克缝合带南部的额尔古纳地块上，该区分布的晚古生代花岗岩可能记录了蒙古-鄂霍茨克洋早期演化的动力学过程。对这些花岗岩的研究，既有助于揭示蒙古-鄂霍茨克洋早期的演化历史，也能进一步充实和完善大兴安岭显生宙岩浆活动的研究。此外，满洲里地区与俄罗斯斯特列利措夫铀矿田、蒙古多尔诺特铀矿田属于同一成矿带，具有优越的铀成矿地质条件。已有的研究表明，俄罗斯斯特列利措夫铀矿田中，晚古生代花岗岩为铀成矿提供了丰富的铀源，是重要的赋矿围岩［11］。满洲里地区晚古生代花岗岩的地球化学特征能否与斯特列利措夫铀矿田花岗岩围岩相对比，它们是否具有相似的成岩物质来源和成因特征，是当前该区铀矿找矿应当重视与亟待解决的问题。基于此，笔者在相关项目的支持下，对新巴尔虎右旗晚古生代花岗岩进行了年代学及地球化学研究工作，探讨了其成因及形成时的构造背景，以期为蒙古-鄂霍茨克洋早期演化历史的建立及铀矿地质勘查提供基础地质资料。

1 地质背景及岩石学特征

研究区位于内蒙古满洲里市新巴尔虎右旗，西邻蒙古国，北邻俄罗斯，大地构造上位于额尔古纳地块之上（图1）。基底主要为新元古代佳疙瘩组中浅变质岩系，岩性主要有云母石英片岩、绿泥石绢云石英片岩、含石榴石片岩等。中生代火山岩和碎屑沉积岩发育，自下而上依次为中侏罗统万宝组（J2w）、塔木兰沟组（J2tm）、上侏罗统满克头鄂博组（J3mk）、玛尼吐组（J3mn）、白音高老组（K1b）、梅勒图组（K1m）和大磨拐河组（K1d）。万宝组为一套陆相碎屑及火山碎屑沉积地层，不整合覆盖在二叠纪花岗岩上，与上覆塔木兰沟组火山岩呈平行不整合接触。塔木兰沟组火山岩主要为黑色、灰黑色和红色橄榄玄武岩、辉石玄武岩和玄武安山岩。满克头鄂博组与下伏塔木兰沟组不整合接触，岩性以灰白色、灰紫色流纹岩及流纹质凝灰岩为主。玛尼吐组火山岩的岩性主要为角闪黑云粗安岩、黑云母粗安岩和黑云母粗面岩。白音高老组火山岩以流纹岩、珍珠岩和流纹质角砾凝灰岩、凝灰岩为主。梅勒图组岩性为玄武岩、安山岩和粗面安山岩。大磨拐河组主要为凝灰质砂岩、砂砾岩、砾岩，与下伏梅勒图组不整合接触。年代学研究显示这些火山岩形成于中侏罗世—早白垩世，时代介于166～125 Ma之间［3］。该区分布面积最广的侵入岩为本文所研究的中二叠世花岗岩体，成岩年龄分别为266±3 Ma 和267±3 Ma。该岩体侵入新元古代佳疙瘩组中浅变质岩系，并被晚中生代-新生代火山-沉积地层中不整合覆盖。

图1 研究区大地构造位置图（a）及新巴尔虎右旗地质简图（b）Fig.1 Sketch geological map（a）and tectonic location（b）of New Barag Right Banner

中二叠世花岗岩主要为花岗闪长岩和二长花岗岩，由于植被覆盖严重，野外露头并没有看到二者明显的接触关系。花岗闪长岩风化面呈紫褐色，新鲜面呈深灰色，半自形细粒结构，块状构造。矿物成分主要为石英、斜长石、角闪石和黑云母，含少量碱性长石。斜长石自形-半自形晶，板柱状，大小为0.31～1.57 mm，聚片双晶发育，含量占45%～50%；石英颗粒较小，它形粒状，含量占20%～25%；碱性长石多为它形粒状，大小为0.2～1.5 mm，含量约5%～8%；角闪石呈柱状，粒径为1～1.5 mm，含量约10%～15%；黑云母呈片状，粒径为0.3～1.0 mm，含量约5%～10%；副矿物榍石自形晶，粒径为0.31～1.25 mm，高级白干涉色。二长花岗岩风化面呈黄褐色，新鲜面呈青灰色，半自形中粒结构，块状构造。矿物成分主要由斜长石、石英、碱性长石和黑云母组成。斜长石自形板柱状，粒径为2～4.5 mm，具聚片双晶，含量占25%～35%；碱性长石主要是条纹长石和微斜长石，板状，粒径为2.5～5 mm，含量占30%～35%；石英它形粒状，含量占25%～30%；黑云母呈片状，粒径为1～1.5 mm，含量占5%～10%；副矿物有榍石、磷灰石、锆石和磁铁矿。

2 地球化学特征

全岩地球化学分析在核工业二四〇研究所分析测试中心完成，表1 列出了中二叠世花岗岩代表性样品的主量和微量元素分析结果。由表1 可知，新巴尔虎右旗中二叠世花岗闪长岩SiO2含量为63.61%～68.80%，Al2O3含量为14.05%～15.61%，MgO 含量为1.89%～2.61%，Na2O 含量为3.16%～3.89%，K2O 含量为3.36%～3.64%，属于高钾钙碱性系列（图2a）。A/CNK 和A/NK 值分别为0.92～1.06和1.54～1.58，属准铝质-弱过铝质花岗岩（图2b）。稀土元素总量中等（ΣREE ＝（139.30～148.22）×10-6），配分曲线为轻稀土富集、重稀土亏损的右倾型，轻重稀土明显分馏（（La/Yb）N＝7.48～16.53），并具有微弱的负Eu 异常（δEu＝0.76～0.94）（图3a）。微量元素组成上，花岗闪长岩明显富集大离子亲石元素Rb、Ba、K、Sr，强烈亏损高场强元素Nb、Ta、Ti（图3b）。岩石Sr 含量较高，为（462.00～704.00）×10-6。

中二叠世二长花岗岩较同期花岗岩更富硅高碱，贫铝镁钙，SiO2含量为71.60%～75.65%，Na2O 含量为3.67%～5.34%，K2O 含量为3.83%～5.27%，MgO 含量为0.10%～0.30%，CaO 含量为0.27%～0.48%。岩石的铝指数（A/CNK）介于0.98～1.04，属准铝质-弱过铝质花岗岩（图2b）。稀土元素总量较高（ΣREE＝（212.57～332.25）×10-6），弱负Eu异常（δEu＝0.81～0.97），轻重稀土分馏明显（（La/Yb）N＝11.62～13.00）（图3a）。微量元素组成上，岩石富集大离子亲石元素K、Rb、LREE，亏损Ba、Sr、Nb、Ta、Ti（图3b）。岩石的Sr 含量相对较低，为（39.00～192.00）×10-6。

3 岩石成因及形成的构造背景

3.1 岩浆源区

中二叠世花岗岩因缺乏同时代的基性岩浆岩，不可能直接由镁铁质岩浆分异演化而来。岩石中未见镁铁质包体，不太可能是壳幔岩浆混合作用的产物。花岗岩明显富集轻稀土和大离子亲石元素、亏损高强场元素的特征说明其物质来源为壳源。实验岩石学研究表明主量元素组成可以有效判断花岗岩的源区，角闪岩源岩熔融形成的花岗岩相对于杂砂岩和泥质岩源岩部分熔融的花岗岩具有更高的CaO/（FeOT＋MgO＋TiO2）含量和（Na2O＋K2O）/（FeOT＋MgO＋TiO2）比值［12］。在花岗岩成因判别图解上（图4），花岗闪长岩主要落入角闪岩源区，反映花岗闪长岩的岩浆源区主要为基性地壳物质；二长花岗岩落入角闪岩、杂砂岩和泥质岩源区，岩浆源区可能有变沉积岩源岩的贡献。本区花岗岩的A/CNK 均小于1.1，属于准铝质-弱过铝质岩石（图2b），不太可能是由变沉积岩部分熔融的产物。另外，由泥质岩部分熔融形成的花岗岩具有较高的Rb/Ba 比值（＞0.33）［13］，研究区花岗岩的Rb/Ba 比值主要为0.12～0.26，也说明其源岩非泥质岩石。该区佳疙瘩组片岩基底的SiO2含量较高，为66.23%～69.87%，与本文花岗闪长岩的SiO2含量相同，不可能是中二叠世花岗岩的源岩。中二叠世花岗岩的Nb/Ta 比值主要为15.01～18.93，明显高于大陆地壳平均值（11），而接近地幔岩浆的值（17.5）［14］，说明其可能是新生地壳物质部分熔融的产物。前人测得研究区显生宙各时代花岗岩和长英质火山岩的εHf（t）均为正值，二阶段Hf 模式年龄主要为新元古代，岩浆主要起源于新元古代新生地壳物质的部分熔融［15-16］。本区中二叠世花岗岩与其他时代花岗岩，尤其是时代接近的晚二叠世花岗岩具有类似的地球化学特征（图3），应该来自类似的岩浆源区，主要源于新生地壳物质部分熔融。

表1 新巴尔虎右旗中二叠世花岗岩地球化学分析结果（主量元素wB/%；稀土和微量元素wB/10-6）Table 1 Content of major element（wB/%）and REE and trace elements（wB/10-6）of the Middle Permian granites in New Barag Right Banner

图2 新巴尔虎右旗中二叠世花岗岩SiO2-K2O 和A/CNK-A/NK 图解Fig.2 SiO2-K2O and A/CNK-A/NK diagrams for rock types of the Middle Permian granites in New Barag Right Banner

图3 新巴尔虎右旗中二叠世花岗岩稀土元素配分模式图（a）和微量元素蛛网图（b）Fig.3 Chondrite-normalized REE distribution pattern（a）and primitive mantle-normalized spidergram（b）of the Middle Permian granites in New Barag Right Banner

图4 新巴尔虎右旗中二叠世花岗岩源岩判别图（据Patiño，1999［12］）Fig.4 Discrimination diagrams for source rock of the Middle Permian granites in New Barag Right Banner

花岗岩的岩浆源区根据HREE 的形式可以细分为3 类：1）HREE 强烈亏损型，无Eu或正Eu 异常，源区熔融的残留相为榴辉岩；2）HREE 平坦分布型，源区可能有角闪石残留；3）HREE 亏损-平坦型，弱负Eu 异常，残留相有少量斜长石［17］。中二叠世花岗闪长岩和二长花岗岩具有平坦的HREE 配分模式，基本无负Eu 异常，反映源区残留有角闪石。

花岗岩Sr 和Yb 含量与其形成压力和深度关系密切［17］。本区花岗闪长岩和二长花岗岩具有明显不同的Sr、Yb 含量，反映两者形成的深度和压力不同。花岗闪长岩是高Sr 低Yb 类型的花岗岩（大体相当于埃达克岩），而二长花岗岩属于低Sr 高Yb 的浙闽型花岗岩（图5），可能代表了不同深度层次的熔融过程，花岗闪长岩浆的起源深度较二长花岗岩形成的源区更深。

图5 新巴尔虎右旗中二叠世花岗岩Sr-Yb 分类图（据张旗等，2008［17］）Fig.5 Sr-Yb diagram of the Middle Permian granites in New Barag Right Banner

3.2 构造背景

研究表明，高钾钙碱性花岗岩主要形成于活动大陆边缘和后碰撞环境［18］。中二叠世花岗岩以花岗闪长岩和二长花岗岩组合为主，部分花岗岩显示有埃达克岩的特征，类似于活动大陆边缘花岗岩的岩石组合。在（Y＋Nb）-Rb 和（Yb＋Ta）-Rb 图解上［19］，花岗闪长岩和二长花岗岩均落入火山弧区（图6），并具有与安第斯活动大陆边缘花岗岩一致的稀土和微量元素地球化学特征（图3），也反映其为活动大陆边缘环境的产物。前人研究显示东北微陆块在晚古生代之前已经拼合在一起，形成统一的佳-蒙地块［7］。额尔古纳地块位于佳-蒙地块西北部，该区晚古生代俯冲相关的岩浆作用可能与西拉木伦-长春-延吉缝合带所代表的古亚洲洋北向俯冲有关，或者与北侧蒙古-鄂霍茨克洋板块的南向俯冲相联系。研究表明，晚古生代-早中生代佳-蒙地块与华北板块之间的古亚洲洋自西向东呈剪刀式闭合，西部闭合时间较早，为中二叠世［20］，东部闭合较晚，为早-中三叠世［21］。研究区位于佳-蒙地块西北部，距离西拉木伦缝合带较远，且该时期古亚洲洋西部已经闭合了，因此难以与古亚洲洋向佳-蒙地块之下的俯冲相联系。近年来对额尔古纳地区中生代火成岩的研究表明，该区晚二叠世-三叠纪岩浆岩以钙碱性火成岩为主，与活动大陆边缘火山岩的岩石组合相似［3］，同时期发育斑岩型铜钼矿，揭示晚二叠-早三叠世蒙古-鄂霍茨克洋板块存在南向俯冲作用［3］。本区中二叠世花岗岩具有与晚二叠世花岗岩一致的地球化学特征，暗示它们均形成于俯冲相关的构造背景，说明蒙古-鄂霍茨克洋板块向额尔古纳地块之下开始俯冲的时代可以前推至中二叠世或更早，中二叠世花岗岩可能是蒙古-鄂霍茨克洋板块向南俯冲作用的产物。

图6 新巴尔虎右旗中二叠世花岗岩构造环境判别图（据Pearce 等，1984［19］）WPG—板内花岗岩；VAG—火山弧花岗岩；syn-COLG—同碰撞花岗岩；ORG—洋中脊花岗岩。Fig.6 Tectonic discrimination diagrams for the Middle Permian granites in New Barag Right Banner