内蒙古八大关地区塔木兰沟组安山岩年代学和地球化学研究

2021-08-24崔家瑞韩志滨陈德兵

地质与资源 2021年4期

崔家瑞，韩志滨，陈德兵，李研

核工业240研究所，辽宁沈阳110032

0 前言

大兴安岭地区位于中亚造山带东段，古生代期间，经历了古亚洲洋构造体系的演变［1-3］，中新生代，又受到了环太平洋活动构造系和蒙古－鄂霍次克构造系的双重叠加与构造改造作用［4-6］，致使大兴安岭地区中生代火山岩面积巨大、岩石种类繁多、地球化学特征及形成构造背景复杂，一直以来都是国内外学者研究的重点区域.尤其在近年来，随着对大兴安岭地区火山岩研究程度的不断提高，积累了一大批高精度锆石U－Pb年代学资料.对于火山岩的形成时代，部分学者认为其主要形成于早白垩世—早侏罗世［5-6］；有关中生代火山岩构造背景，主要有地幔柱成因［2-6］、与古太平洋板块俯冲有关［6］、与蒙古－鄂霍次克洋演化有关［7-8］等3种观点。

虽然前人已经报道了较多的年代学、地球化学和Hf同位素资料，但是对蒙古－鄂霍次克洋构造演化目前还不清楚，严重制约了中国东北地区乃至更广泛的区域构造演化格局.鉴于此，笔者选取内蒙古八大关地区塔木兰沟组地层中出露相对较多的安山岩开展锆石U－Pb年代学研究（图1），并且进行详细的岩石地球化学研究，以期对其成因、形成时代以及形成的构造环境加以约束［9-10］.

图1 内蒙古八大关地区地质简图①核工业240研究所.1∶5万八大关牧场等六幅区域地质调查报告.2015.Fig.1 Geological sketch map of Badaguan area in Inner Mongolia

1 地质背景及岩石学特征

研究区地理位置位于内蒙古海拉尔北部约150 km的八大关地区中俄边境附近.其大地构造位于中亚造山带的东段，西伯利亚板块东南缘的额尔古纳地块西北部，大面积中生代火山岩则位于环太平洋构造域西北段［5-10］.八大关地区从元古宙开始即经历了多期不同强度构造运动的改造，从而形成了现在的构造格局，其中北东向深大断裂控制着地层、岩体的整体展布方向.近年来随着对蒙古－鄂霍次克构造体系演化的研究工作逐渐增多，相继发现了晚三叠世—早侏罗世岩浆岩和与之同时期的斑岩型铜钼矿床（如八大关铜矿、乌奴格吐山铜矿等），均与蒙古－鄂霍次克洋俯冲作用密切相关［8］.但是，这些研究主要集中在洋壳俯冲阶段，对蒙古－鄂霍次克洋闭合后中侏罗世—白垩纪构造演化过程研究较少，目前尚不完全清楚.这也意味着蒙古－鄂霍次克洋闭合后的中侏罗世—白垩纪时期的岩浆演化对大兴安岭地区具有极其重要的意义.

八大关地区中生代火山岩的基底主要为新元古代佳疙瘩组变质岩，分布在研究区西北部，被晚三叠世八大关花岗岩体侵入（图1）.中生代地层主要呈北东向分布，从老到新依次塔木兰沟组、满克头鄂博组、玛尼吐组、白音高老组.塔木兰沟组在该地区呈北东向展布，延伸逾50 km，上被满克头鄂博组酸性流纹岩所覆盖.前人对相邻的满洲里地区塔木兰沟组测年结果显示其形成于161～164 Ma，岩浆源区为俯冲板片流体交代过的岩石圈地幔，岩浆上升过程中未受到地壳物质的明显混染，但经历了一定程度的橄榄石和单斜辉石分离结晶作用［9］.

研究区内的塔木兰沟组（J2t）为一套中基性火山岩组合，主要由熔岩和火山碎屑岩组成，夹极少量沉积岩，熔岩以安山岩为主（图2）.本次采样选取的安山岩为灰黑、灰绿色安山岩，无气孔杏仁，斑状结构，块状构造常见.斑晶成分为少量斜长石和角闪石，含量约10%.斜长石呈半自形板粒状、板柱状，粒径0.2～1.5 mm，个别被铁染呈褐黑色；角闪石约占5%，半自形短柱状、柱粒状.对所采取的塔木兰沟组3件安山岩样品进行锆石U－Pb年代学和地球化学研究.采样位置坐标分别为RZ1001：119°10′49″E，49°59′58″N；Z5：119°04′01″E，49°50′24″N；Z6：119°01′03″E，49°49′22″N（图1）.

图2 塔木兰沟组安山岩Fig.2 Andesites of Tamulangou Formation

2 样品分析测试

2.1 分析方法

锆石分选工作由河北省区域地质调查研究院负责；锆石制靶、显微图像采集在天津地质调查中心完成；LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学测试在吉林大学东北亚矿产资源评价国土资源部重点实验室完成.LA－

ICP－MS锆石U－Pb定年使用Ar准分子激光器进行取样，能量密度10 J/cm2，剥蚀频率8 Hz，激光束斑直径32 mm.使用高纯度惰性气体氦气（气流量为600 mL/min）作为载气，惰性气体氩气（气流量为1.15 L/min）作为辅助气.使用美国安捷伦公司7500A型四极杆等离子质谱进行U－Pb同位素测试.设置空白时间为30 s，随后30 s为样品剥蚀，最后再进行2 min的样品池冲洗.采集的同位素时间，49Ti为20 ms，232Th、238U为15 ms，4种Pb同位素（204、206、207、208）时间均为20 ms，其他元素时间为6 ms.标样为91500锆石，用于同位素比值校正，监控样为标准锆石GJ－1.外标样为NIST610，作用为元素校正；硅为内标元素.数据结果监控样为NIST612和NIST614.稀土及微量元素采用ICP－MS分析，分析精度和准确度一般优于10%，全岩主量元素采用XRF玻璃熔片法分析，分析精度和准确度优于5%.

2.2 锆石U－Pb法测年结果

对塔木兰沟组安山岩3件样品（RZ1001、Z5、Z6）进行了锆石LA－ICP－MS U－Pb定年测试.锆石具有明显的振荡环带，晶形较好，可代表岩浆成因锆石（图3）.

图3 八大关地区安山岩中部分锆石CL图像和年龄值（Ma）Fig.3 CL images and ages of zircons in andsite samples from Badaguan area

样品RZ1001锆石晶型发育完整，偶见粒状，多数呈长柱状，阴极发光图像显示锆石发育震荡环带.选取20颗锆石进行LA－ICP－MS U－Pb年龄点加权平均，其值为164.0±2.2 Ma（MSWD＝5.0，图4a、b）.

图4 塔木兰沟组安山岩锆石U－Pb年龄曲线谐和图Fig.4 Zircon U-Pb age concordia diagrams of the andesites from Tamulangou Formation

样品Z5锆石震荡环带构造发育不明显，锆石粒度较小.对20个LA－ICP－MS U－Pb年龄加权平均，其值为162.3±2.8 Ma（MSWD＝4.9，图4c、d）.

样品Z6锆石环带特征明显，晶型完整，呈粒状.对20颗锆石进行LA－ICP－MS U－Pb年龄点分析，结果显示Z6－1及Z6－18记录了较为古老的年龄（见表1），可能为捕虏晶.其他分析点排除一个离群点（Z6－05）206Pb/238U年龄进行加权平均，其值为160.9±2.6 Ma（MSWD＝4.7，n＝17，图4e、f）.

表1 （续）Table 1（Contiuned）

表1 塔木兰沟组锆石LA－ICP－MS U－Pb同位素分析结果Table 1 LA-ICP-MS U-Pb isotope analysis results of zircons from Tamulangou Formation

2.3 全岩地球化学分析

在研究区内共采集了9件安山岩样品进行主量、微量元素分析，结果见表2.

表2 塔木兰沟组安山岩主量元素、微量元素和稀土元素分析结果Table 2 Contents of major，trace and rare earth elements in andesites from Tamulangou Formation

2.3.1 主量元素

八大关地区塔木兰沟组安山岩SiO2含量为50.02%～57.18%，全碱含量变化较大（4.52%～7.81%），全铁（Fe2O3）含量5.20%～9.48%，MgO含量较低（1.23%～3.86%），TiO2含量为0.90%～2.19%.TAS火山岩命名图解指示岩性为安山岩－粗面安山岩－玄武粗面安山岩组合.根据Irvine岩石系列划分方案［11］，八大关地区塔木兰沟组安山岩为钙碱性岩石系列，由碱性向亚碱性过渡的类型（图5）.

图5 塔木兰沟组安山岩岩石类别判别图Fig.5 Discrimination diagrams of andesite rock types in Tamulangou Formation

2.3.2 微量元素

在稀土元素配分图（图6）中，9件安山岩样品均表现出一致的变化趋势，共同特征为轻稀土富集右倾，稀土总量为95.56×10－6～406.37×10－6，轻稀土总量较高.通过表2计算得到轻、重稀土的比值为8.61～15.04，重稀土的分馏系数（Gd/Lu）N为1.40～3.15，轻、重稀土的分馏系数（La/Yb）N为9.97～26.85.轻稀土分馏程度与重稀土相比较高，δEu＝0.71～1.11，显示Eu微弱负异常—弱正异常，暗示源区经历了斜长石的分离结晶作用.

微量元素蛛网图显示9件安山岩样品中Rb、Th、U、K等大离子亲石元素较富集，相对于Rb、Th元素来说，Ba表现为稍弱富集，而Nb、Ta等高场强元素在蛛网图上呈现明显谷形，表现为强烈亏损，Zr、Hf、Ti等元素则无明显负异常（图6）.这些特征与俯冲带的岩浆岩地球化学特征极其相似.

图6 研究区塔木兰沟组安山岩稀土元素配分及微量元素蛛网图（标准化值据文献［12］）Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns and trace element spidergram of andesites from Tamulangou Formation（Standardized value from Reference［12］）

3 讨论

3.1 锆石年代学

区域上塔木兰沟组普遍被满克头鄂博组（J3mk）角度不整合覆盖，局部见平行不整合覆盖于万宝组（J2w）之上.基于此，区域上该组地层时代置于中侏罗世，而本研究区塔木兰沟组可与原额尔古纳左旗（现根河市）木瑞农场、海拉尔市哈达图牧场至七一牧场附近，以及满洲里市至新右旗、霍林河地区相对比，仅缺失不稳定沉积岩层.故本区塔木兰沟组时代可推断为中—晚侏罗世.

本次工作从塔木兰沟组3件安山岩样品中挑选锆石开展微区原位U－Pb同位素测年（图3、4），获得了比较一致的年龄结果，RZ1001、Z5和Z6年龄分别为164.0±2.2 Ma（MSWD＝5.0，n＝20）、162.3±2.8 Ma（MSWD＝4.9，n＝20）和160.9±2.6 Ma（MSWD＝4.7，n＝17）.3件样品57个LA－ICP－MS U－Pb定年分析点的206Pb/238U年龄加权平均计算，其值为162.6±1.4 Ma，可以代表安山岩的形成年龄，进而很好地指示塔木兰沟组的形成时代.这一结果与大兴安岭根河地区塔木兰沟组火山岩（160.4±1.6 Ma）［13］和满洲里南部塔木兰沟组火山岩（161～164 Ma）［9］的年龄一致.根据国际地层年代表中系晚侏罗界限参考年龄163.6±1.0 Ma［14］，本研究认为塔木兰沟组形成于晚侏罗世早期.

3.2 塔木兰沟组安山岩成因

安山岩是一类广泛分布于活动大陆边缘和岛弧等地区的中性火山岩［9］.八大关地区塔木兰沟组地层为一套安山岩、玄武质安山岩以及粗面安山岩组合，岩石地球化学数据表明其为钙碱性岩石系列（碱性向亚碱性过渡）（图5）.本研究采集的安山岩样品中La/Yb比值除了YQ5223较高（15.25），其余样品为2.81～4.97区间，在La/Yb－La/Sm图解（图7）中显示正相关，暗示安山质岩浆受到了一定程度的陆壳物质混染.在用于判别部分熔融和分离结晶的La－La/Sm图解（图8）中，塔木兰沟组安山岩岩浆演化过程中部分熔融和分离结晶均起到了重要作用.值得注意的是，部分熔融作用起主控作用的样品受地壳污染程度更弱，更能反映其源区特征和成因过程.

图7 塔木兰沟组安山岩地壳混染判别图Fig.7 Discrimination diagram for crustal contamination of andesites from Tamulangou Formation

图8 塔木兰沟组安山岩部分熔融与分离结晶作用判别图Fig.8 Discrimination diagram for partial melting and fractional crystallization of andesites from Tamulangou Formation

将研究区塔木兰沟组安山岩Zr/Y、Rb/Sr、Ba/Sr等比值与满洲里南部、大兴安岭中部地区等安山岩、大陆岛弧及低钾安山岩［15］进行对比发现，其特征与安第斯地区的安山岩最为接近.研究区塔木兰沟组安山岩中Rb、Th、U、K等大离子亲石元素表现为富集，而Nb、Ta等高场强元素表现为强烈亏损，这些特征可能反映了受流体交代作用改造的地幔部分熔融的产物［15-17］.这也与已有资料对于中国东北地区塔木兰沟组火山岩的研究成果较为一致［9，18-20］.

3.3 构造环境

蒙古－鄂霍次克洋的闭合为典型的剪刀式特征，西侧先闭合，东侧随后再闭合，最终闭合时间（即东侧闭合时间）可能延续到早白垩世［18-22］.有众多研究已经揭示，额尔古纳地块西北部的蒙古－鄂霍次克洋闭合完成时间可能发生在中侏罗世［8］.由此形成了满洲里－额尔古纳地区沿线以塔木兰沟组安山岩、玄武质安山岩以及粗面安山岩为代表的一套中基性火山岩，这些火山岩具有碱性—亚碱性过渡性质，形成时间被限定在约158～166 Ma［6-7，23-24］.与塔木兰沟组同期的火山岩（155～166 Ma）主要分布于松辽盆地以西，表明其形成受到蒙古－鄂霍次克缝合带的演化过程所控制，而与东侧环太平洋活动构造系基本无关.岩石具有S型花岗岩地球化学属性，形成年龄为168±2 Ma的白云母花岗岩在黑河至孙吴地区出露，指示该时期的大陆壳已发生加厚［8］.在与蒙古－鄂霍次克缝合带闭合的大致相当时间，中侏罗世大兴安岭西坡至冀北辽西地区同样存在陆壳加厚迹象，因此东北地区广泛发育的中—晚侏罗世火山岩很有可能是该期加厚的陆壳坍塌或拆沉阶段的产物［6-7］.该关键地质时期的壳幔岩浆作用过程造就了八大关地区及其他区域塔木兰沟组安山岩及相关火山岩的产出，这与已有研究指示塔木兰沟组是蒙古－鄂霍次克洋闭合时期伸展构造环境下活动产物的认识一致［9，13，18-20，25-29］.