大兴安岭科右中旗地区闪长玢岩年代学、地球化学及构造背景

2021-08-10王强和钟铧薛吉祥

世界地质 2021年2期

王强，和钟铧，薛吉祥

吉林大学地球科学学院，长春 130061

0 引言

兴蒙造山带在古生代期间主要受古亚洲洋构造域演化的影响和控制，经历了额尔古纳地块、兴安地块和松嫩地块等微陆块的拼贴和缝合[1--2]；中生代以来受蒙古—鄂霍茨克洋和古太平洋构造体系的叠加影响，发育大量显生宙火成岩。很多学者对大兴安岭显生宙火成岩进行了岩石学、全岩地球化学、年代学及同位素地球化学等综合研究，通过高精度锆石U--Pb定年建立了较为完善的年代学格架[3--8]，借助岩石地球化学和同位素分析探讨了火成岩成因及形成构造环境[9--13]，这些成果对探讨“兴蒙造山带”的构造演化具有重要的意义。但是，前人的研究主要集中于花岗质岩石和火山岩的研究，鲜有对大兴安岭闪长质岩石的详细研究[14]。研究区位于内蒙古科右中旗地区，处于大兴安岭中南段典型的锡--钨--铜--铅--锌--银多金属成矿带。广泛发育的闪长质岩石与成矿关系十分密切，如研究区南部的莲花山铜矿、闹牛山铜矿等出露闪长玢岩、花岗闪长斑岩和次火山岩英安岩等，其中，闪长玢岩是主要的赋矿围岩[15]。另外研究区发现的乌塔其嘎查铜矿化点、哈本扎拉格(道门乌拉)铜矿化点等均与闪长玢岩有关(1)和钟铧，马瑞，杨德明，等．内蒙古1∶5万宝日根、巴仁哲里木、坤都冷幅区域地质调查报告[R]．长春：吉林大学地质调查研究院，2013：64--67．。因此对研究区闪长玢岩年代学、地球化学及其成因的研究不仅是对“兴蒙造山带”的构造演化的完善和补充，而且对于寻找铜及锡--钨--银多金属矿均有一定意义。

1 地质背景及岩石学特征

大兴安岭地区位于中亚造山带的东段，由西向东由额尔古纳地块、兴安地块和松嫩地块3个微陆块构成。研究区位于松嫩地块北部，其北侧为贺根山—黑河断裂。南部为西拉木伦河断裂(图1a)，区内主要发育上侏罗统满克头鄂博组(J3m)和下白垩统玛尼吐组(K1mn)，白音高老组(K1b)和梅勒图组(K1m)，其中满克头鄂博组流纹岩主要形成于162～142 Ma，玛尼吐组安山岩主要形成于138～131 Ma，白音高老组流纹岩主要形成于130～121 Ma，梅勒图组安山岩的年龄在121～100 Ma之间①。晚古生代地层仅见有零星的中二叠世大石寨组(P2d)和晚二叠世林西组(P3l)出露，与晚中生代火山岩地层多呈断层接触，或被其不整合覆盖。区内广泛分布有燕山期中酸性岩石，但规模不大，多呈岩脉或岩株产出，特别是闪长玢岩岩脉(株)及岩墙等，多达数百条，在地质图上标出来的有200余条；其次为花岗斑岩(株)脉、花岗闪长斑岩(株)脉及花斑岩脉等，而辉绿岩脉则比较少见。闪长玢岩(株)脉沿北东向裂隙贯入，少数为北西向及近南北向展布，空间上各个方向的闪长玢岩脉均呈“之”型延伸(图2a)，且一组近垂直节理发育，地貌上多呈陡峻的山脊(图2b)，其规模不大，一般只有几米宽，长约几十米至几百米；其中较大的长约0.5～3.3 km，宽约50～300 m。它们大多切穿了晚侏罗世—早白垩世火山岩地层，表明其时代应属早白垩世及以后，为燕山运动末期的产物。

闪长玢岩呈斑状结构，根据斑晶辉石、角闪石、黑云母及石英含量的变化在镜下可细分为辉石闪长玢岩、角闪闪长玢岩、黑云母闪长玢岩及石英闪长玢岩。本文以测年样品BB5235为例对其进行描述(图2c、d)，该岩石呈斑状结构，块状构造，基质为半自形微粒结构，斑晶矿物为斜长石、辉石和角闪石等。斜长石斑晶呈自形--半自形板状，聚片双晶，用⊥(010)晶带最大消光角法测得Np′^(010)=28°，为中长石(An48)，粒径0.2～4.0 mm，其中有1/2的粒径为2～4 mm，可见环带及十字双晶，约占25%～30%；辉石斑晶呈半自形粒状或短粒状，淡绿色，两组近正交解理，常见有黑云母化，部分为绿泥石化或绿帘石化，断面为正八边形，Ng^C=40°，为普通辉石，粒径0.2～2.8 mm，约占10%；角闪石斑晶呈自形长柱状，断面为六边形，褐色--淡黄色多色性，两组斜交解理，Ng^C=16°，为普通角闪石，粒径0.2～2.5 mm，约占10%～15%。基质为微晶斜长石和角闪石，呈半自形，前者为小板状，后者为绿色小针粒状，粒径多为0.05～0.1 mm，斜长石约占30%～35%；角闪石约占15%。副矿物为磁铁矿和磷灰石等，约占2%～3%。

a-c.闪长玢岩野外照片；d.闪长玢岩镜下照片；Pl.斜长石；Bi.黑云母；Am.角闪石；Aug.普通辉石。图2 闪长玢岩野外与镜下照片(正交偏光)Fig.2 Field photographs and microphotographs of diorite porphyrite

2 分析方法

由河北省区域地质矿产调查研究所完成本文样品锆石的分选工作。LA--ICP--MS锆石U--Pb同位素测年，锆石制靶，透射光，反射光的拍摄以及阴极发光图像(CL图像)的分析等工作均在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。样品锆石原位Lu--Hf同位素的分析在中国科学院地质与地球物理研究所完成。在实验过程中，使用193 nm激光系统与Neptune LA--MC--ICP--MS联用对样品进行Lu--Hf同位素分析。在LA--ICP--MS锆石U--Pb定年实验过程中，剥蚀物质的载体采用高纯度的氦气，激光束斑的直径为32 μm，激光脉冲的宽度为15 ns，剥蚀采样的时间为20～24 s，并且采用美国哈佛大学标准锆石91500对仪器最佳化。按照Andersen的方法进行普通Pb校正[9]，对锆石U--Pb的年龄计算以及谐和图的绘制均采用Isoplot 3.0软件。在εHf(t)和模式年龄计算中，采用平均地壳的fcc=-0.548进行计算[12]。

文中闪长玢岩样品的主量元素与微量元素的测定均由河北省区域地质矿产调查研究所完成。采用玻璃熔片法通过XRF对主量元素进行测定，分析精度与准确率一般>5%，采用ICP--MS法对微量元素和稀土元素进行分析，分析精度与准确率一般>10%，实验的全部过程均依循国家标准[16]。

3 分析结果

3.1 锆石U--Pb测年结果

对两件闪长玢岩样品(B2457、BB5235)进行LA--ICP--MS锆石U--Pb同位素分析(表1)。所测锆石样品呈无色--淡黄色，以无色透明状为主，多呈长柱状或短柱状，锆石CL图像显示其具有震荡型岩浆生长环带(图3)，结合其较高的Th/U比值(各点均>0.1，平均值分别为0.54和0.53，反映其为典型的岩浆成因锆石[17]。对样品B2457共进行了20个锆石颗粒的U--Pb同位素分析，所有的测点均落在U--Pb谐和线上及其附近(图4a)，样品BB5235共进行了15个锆石颗粒的U--Pb同位素分析，13个测点落在U--Pb谐和线上及其附近(图4b)，其中点BB5235--07与点BB5235--15因偏离协和线而未参加计算。样品B2457的锆石206Pb/238U年龄为 (137±2)～(129±2) Ma，年龄的加权平均值为(132.4±1.2)Ma(MSWD=1.5)；样品BB5235的锆石206Pb/238U年龄为(138±2)～(120±6) Ma，年龄的加权平均值为 (130.8±2.7) Ma(MSWD=2.7)，测试结果表明研究区闪长玢岩形成于早白垩世。

表1 科右中旗闪长玢岩LA--ICP--MS锆石U--Pb分析结果

图3 闪长玢岩代表性锆石的阴极发光(CL)图像Fig.3 CL images of representative zircons of diorite porphyrite

图4 闪长玢岩锆石U--Pb年龄谐和图Fig.4 Zircon U--Pb concordia diagram of diorite porphyrite

3.2 全岩地球化学

科右中旗地区闪长玢岩的主量元素和微量元素分析结果见表2。样品中SiO2含量为58.00%～63.60%(平均值为60.56%)，Al2O3含量15.82%～17.49%(平均值为16.72%)，具有高铝质特点。K2O+Na2O含量5.48%～7.92%(平均值为6.74%)，Na2O含量为3.09%～4.68%(平均值为3.84%)，K2O含量为2.00%～3.72%(平均值为2.90%)，K2O/Na2O的比值为0.34～1.01(平均值为0.74)，表现出相对富钠的特征。里特曼指数为1.79～3.75(平均值为2.62)，具有钙碱性岩浆演化的趋势，铝饱和指数A/CNK为0.87～0.98，具有准铝质特征。在A/CNK--A/NK图解中(图5a)样品点落入准铝质区域，在SiO2--K2O图解中(图5b)，除一个样品点落入钙碱性系列区外，其他均落入高钾钙碱性系列区[18]。因此，研究区闪长玢岩属于准铝质、高钾钙碱性系列岩石。

表2 科右中旗地区闪长玢岩主量元素(10-2)及微量元素(10-6)分析结果

图5 科右中旗地区闪长玢岩A/CNK--A/NK图解(a)和SiO2--K2O图解(b)Fig.5 A/CNK--A/NK diagram (a) and SiO2--K2O diagram (b)of diorite porphyrite in Keyouzhongqi area

闪长玢岩样品稀土元素总量∑REE=109.30×10-6～154.42×10-6，平均值126.15×10-6，LREE/HREE值为6.21～10.55，平均值为7.74，(La/Yb)N值为5.35～12.7，平均值为7.54，显示出轻稀土元素富集、重稀土元素亏损，轻重稀土元素分馏明显的特征。δEu值在0.69～1.16之间(平均值0.9)，负铕异常不明显。在球粒陨石标准化稀土元素配分模式图[19](图6a)中呈现右倾型。在原始地幔标准化微量元素蛛网图[20](图6b)中，大离子亲石元素Rb、K和高场强元素Th、U等明显富集，显著亏损Ta、Nb、Ti等高场强元素和P元素，显示了俯冲带岩浆岩的地球化学特征[21--22]。Ta、Nb、Ti的明显亏损，同样也反映了岩浆可能受到了地壳物质的混染或者与俯冲有关的流体交代作用[23]。

图6 科右中旗地区闪长玢岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)Fig.6 Chondrite normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle normalized trace element spider diagrams (b) of diorite porphyrite in Keyouzhongqi area

3.3 锆石Hf同位素地球化学特征

科右中旗地区闪长玢岩样品(编号BB5235)锆石Hf同位素测试分析结果见表3。对闪长玢岩样品(BB5235)共进行了24个锆石颗粒分析，其结果显示176Hf/177Hf的值为0.282 862～0.282 943，平均值为0.282 914。εHf(t)的值为+5.82～+10.15，平均值为+7.77。单阶段模式年龄为613～444 Ma，二阶段模式年龄为826～581 Ma。在锆石εHf(t)--T图解(图7)中，锆石的投影点全部位于球粒陨石和亏损地幔演化线之间，而距离古老地壳Hf同位素演化线较远。锆石的εHf(t)值均为正值，揭示源区来自于亏损地幔的部分熔融，或是亏损地幔形成的基性下地壳物质再熔融(继承了幔源源区的同位素特征)[24]。

表3 科右中旗地区闪长玢岩(BB5235)锆石Hf同位素分析结果

图7 科右中旗地区闪长玢岩锆石εHf(t)--t图解 Fig.7 Plot of εHf(t) versus t for zircons from diorite porphyrite in Keyouzhongqi area

4 讨论

4.1 岩浆起源

由于锆石同位素体系具有较高的封闭温度，其同位素比值不受岩浆部分熔融或分离结晶作用的影响[25]，研究区锆石εHf(t)的值均为正值，二阶段模式年龄为826～581 Ma，揭示其岩石可能来自显生宙—新元古代亏损地幔或亏损地幔形成的基性下地壳物质再熔融。与下地壳部分熔融有关的岩浆岩的Mg#一般<40[26]，而科右中旗地区早白垩世闪长玢岩Mg#值为40.31～51.35，暗示其不可能由下地壳铁镁质岩石独自熔融而成。另外研究区闪长玢岩呈岩脉和岩株状产出，它们侵入于中酸性火山岩之中，周围没有发育规模较大的同时期基性--超基性岩石，所以直接由地幔部分熔融形成研究区闪长玢岩的可能性不大。闪长玢岩Rb/Sr值为0.083～0.278(平均0.138)，介于上地幔值(0.034)和地壳值(0.5)之间[27]；Nb/Ta值为12.15～14.45(平均13.01)，略高于壳源岩浆的Nb/Ta值(11～12)，低于幔源Nb/Ta值(17.5)；Zr/Hf值为36.64～48.53，远高于大陆地壳值(11)，接近原始地幔值(37)[28]；Ti/Y的值为166.52～286.15(平均值223.64)；Ti/Zr的值为16.06～35.54(平均值23.02)，明显不在壳源岩浆的范围内[29--30]，上述特征表明科右中旗闪长玢岩的形成与壳--幔岩浆混合密切相关。闪长玢岩的锆石εHf(t)的值为+5.82～+10.15，较大的变化范围说明其同位素的不均一性，亦揭示其岩浆源于幔源和壳源岩浆的混合。微量元素中Th/Ta、Th/Nb有较高的比值，分别为9.2～19.5和0.64～1.09，较好地反映了源区受俯冲流体交代作用的影响[31]。在Nb/Y--Yb/Y和Th/Zr--Nb/Zr图解[32--33](图8a、b)上，闪长玢岩表现出流体交代富集的趋势。综上所述，笔者认为科右中旗地区闪长玢岩的岩浆源区应来自于受俯冲板块流体交代的地幔部分融入，在上升过程中没有受到明显的地壳混染，而闪长玢岩所表现出来的轻微混染特征可能受地幔楔与俯冲板片脱水形成的流体交代作用控制。

图8 科右中旗地区闪长玢岩Nb/Y--Rb/Y(a)和Th/Zr--Nb/Zr(b)图解Fig.8 Diagrams of Nb/Y--Rb/Y (a) and Th/Zr--Nb/Zr (b) from diorite porphyrite in Keyouzhongqi area

4.2 构造背景分析

研究区闪长玢岩明显富集轻稀土元素、大离子亲石元素Rb、K等，亏损重稀土元素及Ta、Nb、Ti等高场强元素和P元素，具有俯冲带岩浆岩相似的特征。在Nb--Nb/Th图解[34](图9a)中，样品全部落入弧火山岩范围内。在Zr--NbN/ZrN构造环境判别图(图9b)上，样品落入俯冲带岩浆区。然而由于岩石源区具有幔源和壳源混合的特点，这种具有弧岩浆岩的地球化学特征可能不是弧型岩浆岩自身，而是弧型岩浆岩再造的产物[35]，因此需根据区域大地构造背景进一步探讨其形成环境。

图9 Nb--Nb/Th(a)和 Zr--NbN/ZrN(b)构造环境判别图Fig.9 Nb--Nb/Th(a)and Zr--NbN/ZrN (b)discrimination diagrams for tectonic setting

大量的地质事实证明早白垩纪时期大兴安岭地区处于伸展环境，此时不仅发育早白垩世双峰式火山岩[36]、A型花岗岩[37]和钠闪石流纹岩[38]等岩浆活动，同时亦发育变质核杂岩[39]和断陷盆地[40]。然而由于大兴安岭地区中生代岩浆活动在构造上同时受古亚洲洋的闭合、蒙古—鄂霍茨克洋的俯冲碰撞和古太平洋板块俯冲作用的影响[41]，对其形成的动力学背景存在较大争议，其中包括古太平洋板块俯冲作用[42--43]、地幔柱或底侵作用[44--45]、蒙古—鄂霍次克洋俯冲作用[46--48]等不同认识。从已有的研究成果中可知，古太平洋板块扩张的方向至今发生了多次变化，其中140～125 Ma这个时期的古太平洋板块并不是向西或西北扩张的,而是向北东方向约33°方向扩张的[49]，在大兴安岭地区不可能形成与俯冲方向近于平行的岩浆活动带，因此这一时期的火成岩与古太平洋板块作用没有直接关系[50]。近年来随着对蒙古—鄂霍茨克洋及其演化历史的研究，认为自西向东、自南向北逐渐变新的晚侏罗世—早白垩火山岩的形成与蒙古—鄂霍茨克大洋板块向南俯冲作用有关[51]，然而蒙古—鄂霍茨克洋于中侏罗世已经闭合[52]，即便东部闭合的时间可能持续到晚侏罗世—早白垩世[53]，但也不可能形成早白垩世的岩浆弧。林强等研究认为大兴安岭火山岩并非呈NNE向线性分布，与蒙古、俄罗斯境内同时期火山岩共同构成面型展布的环状火山岩带，其形成与古亚洲洋闭合过程中壳幔相互作用引起的深部热地幔柱的上升有关[54]。研究区闪长玢岩时代上与大兴安岭广泛发育的早白垩世玛尼吐组中酸性火山岩时代相当，形成于蒙古—鄂霍茨克洋闭合之后，地球化学具有弧岩浆岩的特点，锆石εHf(t)的值均为正值，二阶段模式年龄为826～581 Ma，与大兴安岭中生代大多数花岗岩和火山岩具有低的(87Sr/86Sr)N值(0.704～0.708)和正的εNd(t)=(1～4)值所反映的源区特点一致[55]，揭示其岩石源区可能来自亏损地幔或亏损地幔形成的基性下地壳物质再熔融，并且在形成中有广泛的流体注入，邵济安等认为这是底侵作用形成的一套壳幔混熔岩浆的产物[56]。从空间产出状态看，无论是北西、北东向，还是近南北向的闪长玢岩在空间上均呈现“之”型，说明其受张性断层或节理控制，而同时导致不同方向断层张开的动力应来自下部岩浆的底侵作用。值得提出的是辽西地区晚侏罗世—早白垩世土城子组之前(159～139 Ma) 曾发生自北向南推覆等重要的陆壳加厚事件[57]，大兴安岭西坡在早、中侏罗世也存在一次重要的陆壳加厚过程，它们应是蒙古—鄂霍茨克缝合带闭合碰撞的远程效应[58]，因此研究区早白垩世闪长玢岩应是蒙古—鄂霍茨克洋闭合碰撞之后加厚陆壳的拆沉、幔源岩浆底侵作用的结果，是幔隆引起的岩石圈伸展与减薄而不是机械拉伸引起的深源岩浆上涌。