内蒙古海拉斯图乌拉A型花岗岩年代学、地球化学特征及其构造意义

2021-11-06孙晓东陈海云于光宁

现代地质 2021年5期

孙晓东，陈海云，于光宁

(1.内蒙古自治区第九地质矿产勘查开发院，内蒙古锡林浩特 026000；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065)

0 引言

A型花岗岩一直是地质学尤其是岩石学众多学者研究的重要对象，并且A型花岗岩与造山作用有着密切的联系。A型花岗岩是Loiselle等提出的一种特殊的花岗岩类型[1]，以富碱、贫水、富氟，并受控于非造山构造环境为特征，其主量元素一般富Si、K，贫Mg、Ca，微量元素Zr、Nb、Ga含量高，Ba、Sr含量低[2]，以及具有明显的负Eu异常[3]。一般认为A型花岗岩可以划分为两种不同类型，A1类型被认为源自地幔，为非造山型，通常侵位于板内裂谷环境或形成于板内岩浆作用；A2类型为后造山型，通常侵位于陆-陆碰撞的后造山环境，可能源于大陆地壳或底板地壳的熔融[4-7]。尽管两类A型花岗岩在岩石学和地球化学上有各自的特点，但都形成于拉张环境[8-9]，并发育在与拉张或走滑有关的构造带，与造山带密切相关[10-11]，因此A型花岗岩成为判断造山作用结束时间及地点的重要标志[12]，并与多种金属矿床的形成有关[13-16]。研究A型花岗岩具有重要的地质和经济意义。

华北板块与西伯利亚板块之间的缝合位置和时间一直存在争议[17-20]。目前许多学者认为[21-24]，内蒙古北部二连—贺根山一带是西伯利亚板块南缘与华北板块北缘的最终缝合带，但对古亚洲洋洋盆演化中的闭合时间还存在较多争议[25-26]。笔者在内蒙古苏尼特左旗海拉斯图乌拉地区开展1:5万区域地质调查时发现一套钠铁闪石霓辉石碱性花岗岩。紧邻二连—贺根山构造带，位于中亚造山带(CAOB)[27-28]。笔者通过对这套碱性花岗岩的岩石学、矿物学、年代学及地球化学等进行的详细研究，认为它的形成可能与古亚洲洋的俯冲、碰撞事件有关，可以为二连—贺根山构造带的研究提供资料支撑，对研究兴蒙造山带的演化具有重要意义。

1 区域地质背景

研究区位于二连浩特市北部约20 km处，行政区划隶属于苏尼特左旗管辖。海拉斯图乌拉岩体出露于二连浩特北部海拉斯图乌拉—呼舍根楚鲁一带，呈近东西向条带状展布，长约9 km，出露面积约12.8 km2，大地构造位置位于西伯利亚板块南东缘陆缘增生带，该带南部发育有二连—贺根山蛇绿混杂岩带(图1(a))。区域出露地层主要为上石炭统宝力高庙组灰绿色安山岩、安山质含角砾岩屑晶屑凝灰岩、含角砾粗面岩、粗安岩、流纹岩、流纹质熔结凝灰岩等。区域上侵入岩十分发育，多为北东东向条带状产出，且侵入时间都为早二叠世，主要岩性为中细粒二长花岗岩、中粗粒正长花岗岩、细中粒正长花岗岩、斑状细粒正长花岗岩、中细粒正长花岗岩等中酸性岩浆岩(图1(b))。

图1 研究区地质简图(底图分别据文献[29]和[30])Fig.1 Geological sketch map of study area(base map after refs.[29]and[30]，respectively)1.第四系；2.宝力高庙组；3.中细粒碱性花岗岩；4.中粗粒正长花岗岩；5.细中粒正长花岗岩；6.中细粒正长花岗岩；7.斑状细粒正长花岗岩；8.中细粒二长花岗岩；9.花岗闪长岩脉；10.霏细斑岩脉；11.闪长玢岩脉；12.正长斑岩脉；13.实测岩层界线及侵入接触界线；14.地层产状及倾角；15.样品采样位置及编号；16.同位素样品位置及年龄；17.剖面位置及编号

本次工作在乌兰推饶木北部对海拉斯图乌拉岩体进行了剖面测制(图2)，根据本次工作在研究区北部布彦廷布其一带获得的中细粒二长花岗岩的同位素年龄为291.1 Ma(未发表)，结合野外实测地质剖面(图2)，该岩体侵入早二叠世中细粒二长花岗岩和上石炭统宝力高庙组，岩石发育球形风化(图3(a))，具晶洞构造，岩性比较均一，岩体中岩脉不发育，不含包体(图3(b))。

图2 内蒙古苏尼特左旗查干敖包镇乌兰推饶木中细粒碱性花岗岩实测剖面(PM013剖面位置见图1)Fig.2 Geological profile(PM013)of Wulantuiraomu medium-fine-grained alkaline granite,Chagan’aobao (location of PM013 profile shown in Fig.1)1.中细粒二长花岗岩；2.中细粒碱性花岗岩；3.含角砾粗面岩；4.地层产状及倾角；5.宝力高庙组；6.样品位置及编号;7.方位角

2 岩石学及岩相学特征

经野外观察鉴定，岩石的岩性主要为碱性花岗岩，风化色为灰黄色，新鲜面呈浅肉红色，中细粒粒状结构，块状构造，(图3(b))。显微镜下主要矿物由碱性长石(62%～64%)、石英(32%～34%)、少量霓(辉)石(2%～3%)和钠铁闪石(1%～2%)组成。碱性长石主要是条纹长石、少量歪长石和钠长石，呈半自形板柱状至他形粒状，大小一般2～5 mm，少部分0.35～2.0 mm，个别5～6.25 mm，具条纹结构(图3(c))，表面多发生高岭土化和弱绢云母化(图3(d))，可见聚片双晶和小部分格子双晶，部分碱性长石中包含石英；石英呈它形粒状，表面较干净，粒径一般2.0～4.5 mm，少部分0.3～2.0 mm，部分石英中包含或边缘嵌入碱性长石形成包含嵌晶结构；霓(辉)石呈浅黄绿色、蓝绿色或深绿色(图3(c))，愈近边缘绿色越淡，呈柱状、板柱状或粒状，多呈填隙状分布，大小0.05～1.25 mm，可见辉石式解理，表面发生褐铁矿化；钠铁闪石呈黄绿色-绿色，不规则粒状或填隙状分布，大小0.05～0.70 mm。故根据薄片鉴定结果将其命名为钠铁闪石霓辉石碱性花岗岩。

图3 海拉斯图乌拉A型花岗岩野外及薄片镜下照片Fig.3 Field photographs and thin-section microphotographs of the Hailasituwula A-type graniteAf.碱性长石；Q.石英；AA.霓(辉)石；Se.绢云母

3 样品信息及测试方法

本次用于锆石U-Pb定年的样品为1件(PM013-6-5)，用于岩石地球化学分析的样品一共为6件，其中3件位于海拉斯图乌拉岩体的中部(D5035-5、D5035-6、D5035-7)，另外3件采集于地质剖面上位于该岩体的东部(PM013-6-5、PM013-6-6、PM013-6-7)，样品新鲜无蚀变，取样位置见图1(b)。

同位素样品由河北省区域地质矿产调查研究所实验室经人工破碎，淘洗后进行重砂分离，在立体显微镜下粗选出锆石颗粒，然后再在显微镜下挑选出无包裹体、无裂缝的透明锆石以备测试。锆石样品测试由天津地质矿产研究所同位素实验室完成。U-Pb同位素测定仪器使用Thermo Fisher公司Neptune多接收电感耦合等离子体质谱仪和193 nm激光取样系统(LA-MC-ICPMS)，与之连接的激光器为美国ESI公司UP193-FX ArF准分子激光器。测试过程中，以SRM 610为U-Pb含量标样，以GJ-1为锆石U-Pb年龄测定标样。测试时首先对SRM610、GJ-1分别测试两个点，然后每8个样品点测试两个GJ-1，每32个点加测两个SRM610，对仪器进行校正，详细分析流程及原理参见文献[31]；采用中国地质大学(武汉)刘勇胜研发的ICPMSDataCal程序进行数据处理[32-33]；采用204Pb 校正法或Andersen 2002年提出的方法对普通铅进行数据校正[34]。利用SRM610 玻璃标样作为外标来计算锆石样品中的Pb、U和Th的含量。最后应用RLudwig 2003年研制的Isoplot3.0程序进行同位素年龄计算以及谐和图的绘制[35]。

地球化学元素的测试由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。主量元素使用的是AxiosmaxX射线荧光光谱仪分析完成，稀土元素和微量元素采用X Serise 2等离子体质谱仪测试，并经GB/T14506.28—2010、GB/T14506.1—2010、GB/T14506.2—2010、GB/T14506.14—2010、DZG20-1监控校准。

4 结果分析

4.1 锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学

海拉斯图乌拉碱性花岗岩锆石大多呈短柱状，自形程度高，半透明-透明，浅黄色，大小较均匀，锆石颗粒以80 μm×120 μm左右的居多，制靶及光学照相工作由北京锆年领航科技有限公司完成。阴极发光图像(图4)显示所有锆石具有特征的岩浆振荡环带，锆石环带清晰，无变质环带，根据锆石有关内外部结构特征[36-37]确定所有的锆石均为岩浆锆石。

图4 海拉斯图乌拉A型花岗岩样品PM013-6锆石形态及年龄图(图中圆圈表示剥蚀激光束对应的位置，直径为35 μm)Fig.4 CL images and ages of the Hailasituwula A-type granite sample PM013-6(circles in the figure representing the corresponding position of the denuded laser beam with a diameter of 35 μm)

样品PM013-6中细粒碱性花岗岩30粒锆石的30个点的测试结果见表1及图4，表中所列误差均为1σ误差，谐和图(图5(a))可以看出，样品的30个测试数据的Th/U均介于0.06～1.29之间，除3个点外都大于0.4，具岩浆锆石高Th/U特征。在谐和一致曲线图上，30个点中的30个数据投点都集中在谐和线上，从加权平均年龄图(图5(b))中也可以看出，全部锆石点的年龄都集中于285 Ma。其206Pb/238U 表面年龄加权平均为(285.4±1.1)Ma(MSWD=0.35，置信率=0.998)，属于早二叠世。

图5 海拉斯图乌拉A型花岗岩锆石LA-ICP-MS U-Pb谐和图(a)及加权平均年龄图(b)Fig.5 LA-ICP-MS zircon U-Pb Concordia diagram (a)and weighted average age diagram (b)for the Hailasituwula A-type granite sample PM013-6

表1 海拉斯图乌拉A型花岗岩样品PM013-6同位素年龄测定结果Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results of the Hailasituwula A-type granite sample PM013-6

4.2 岩石地球化学特征

4.2.1 主量元素

岩石氧化物含量及主要参数见表2。SiO2含量为76.12%～80.10%，平均值为77.59%，Al2O3含量10.75%～12.53%，平均值为11.78%。主要标准矿物组合为or+ab+an+en+hy+q+c+mt型，为硅铝过饱和岩石。A/CNK=1.00～1.06，平均值为1.04<1.1；里特曼指数(σ)为1.56～2.55，平均值为2.07；K2O>Na2O，属钙碱性岩系；碱度率(AR)为4.25～5.61，平均值为4.64；A/NK=0.98～1.04，平均1.02≥0.9，为碱性岩系。主量元素分析数据在花岗岩QAP和R1-R2分类命名图解(图6)中，所有样品的投点均落在碱性花岗岩区内，与样品的薄片鉴定结果一致。分异指数(DI)为95.89～97.96，平均值为97.33；固结指数(SI)为0.57～0.99，平均值为0.76，反映岩浆分异程度强。长英指数(FL)为97.43～98.73，平均值为98.34；镁铁指数(MF)为91.31～96.44，平均值为93.89，揭示岩浆分离结晶作用程度强特点。

图6 海拉斯图乌拉A型花岗岩QAP和R1-R2分类命名图解(底图分别据文献[38]和[39])Fig.6 QAP and R1-R2 classification diagrams of the Hailasituwula A-type granite (base map after refs.[38]and[39]，respectively)(a)图中:Q.石英;A.碱性长石;P.斜长石；1a.硅英岩；1b.富石英花岗岩类；2.碱长花岗岩；3a.花岗岩(钾长花岗岩)；3b.花岗岩(二长花岗岩)；4.花岗闪长岩；5.英云闪长岩；6*.石英碱长正长岩；6.碱长正长岩；7*.石英正长岩；7.正长岩；8*.石英二长岩；8.二长岩；9*.石英二长闪长岩、石英二长辉长岩；9.二长闪长岩、二长辉岩；10*.石英闪长岩、石英辉长岩、石英斜长岩；10.闪长岩、辉长岩、斜长岩。(b)图中:1.厄塞岩；2.碱性辉长岩；3.橄榄辉长岩；4.辉长苏长岩；5.正长辉长岩；6.二长辉长岩；7.辉长岩；8.正长闪长岩；9.二长岩；10.二长闪长岩；11.闪长岩；12.霞石正长岩；13.正长岩；14.石英正长岩；15.石英二长岩；16.英云闪长岩；17.碱性花岗岩；18.正长花岗岩；19.二长花岗岩；20.花岗闪长岩

4.2.2 稀土元素

稀土元素丰度及特征参数见表2。稀土总量(REE)为74.41×10-6～136.44×10-6，平均值为97.97×10-6；轻重稀土比值(LREE/HREE)为3.38～6.23，平均值为4.76；(La/Yb)N为2.99～5.22，平均值为3.80；(Ce/Yb)N为1.28～3.24，平均值为1.98，揭示轻稀土富集，分馏较明显。(Sm/Eu)N为2.34～3.43，平均值为2.74，重稀土分馏程度强。δEu为0.37～0.51，平均值为0.45，Eu亏损。稀土配分曲线(图7(a))表明，轻稀土段右倾，重稀土段相对平缓，个别样品曲线稍有起伏，Eu处出现明显的“V”型谷，揭示轻重稀土分馏程度强，轻稀土富集，Eu亏损强。

4.2.3 微量元素

岩石微量元素分析结果、特征参数及对比值(表2)，与地壳丰度值[40]相比，大离子亲石元素及活动性元素Ba、K的含量高于地壳丰度，Rb、Sr的含量低于地壳丰度；放射性生热元素Th的含量低于地壳丰度；非活动性元素Zr、Hf含量平均值高于地壳丰度，Nb、P含量低；过渡族元素V、Ti、Cr、Co、Ni、Sc含量均低于地壳丰度。

表2 海拉斯图乌拉A型花岗岩岩体主量元素(%)、微量元素(10-6)和稀土元素(10-6)组成Table 2 Major (%)and trace (10-6)elements and REE (10-6)contents of the Hailasituwula A-type granite

特征参数：Sr*=0.03～0.04，平均值为0.04<1、P*=0.04～0.11，平均值为0.07<1、Ti*=0.05～0.11，平均值为0.08<1、Nb*=0.09～0.12，平均值为0.12<1，揭示Sr、P、Ti、Nb亏损；Zr*=2.70～4.15，平均3.57>1，岩石Zr相对富集。在岩石微量元素曲线图(图7(b))中，6个样品曲线型式一致，均呈现Rb、Th、K、Nd、Zr、Sm、Y、Yb富集，Ba、Nb、Sr、P、Ti等亏损。特征参数揭示岩浆成因信息为花岗质岩石、具同化混染的玄武质岩石，岩浆起源于中下地壳。

图7 海拉斯图乌拉A型花岗岩稀土元素球粒陨石标准化配分曲线和微量元素原始地幔标准化蛛网图(底图分别据文献[41]和[42])Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns and primitive mantle-normalized trace element spidergram of the HailasituwulaA-type granite(base map after refs.[41]and[42]，respectively)

岩石微量元素具有A型花岗岩的特征，10000×Ga/Al的值为3.01～3.51，平均值为3.21，略低于全球典型A型花岗岩的平均值3.75。在10000×Ga/Al对相关元素图解上(图8)，该A型花岗岩的成分均位于全球典型A型花岗岩的集中区，反映出该岩体的A型花岗岩性质。

图8 海拉斯图乌拉A型10000×Ga/Al对相关元素图解(底图据文献[43])Fig.8 Diagrams of 10000×Ga/Al to related elements of the Hailasituwula A-type granite (base map after ref.[43])

5 讨论

5.1 形成时代

本次研究对海拉斯图乌拉碱性花岗岩体进行了U-Pb锆石年龄测试，所测样品的24个点均集中在谐和线上，表明此年龄代表了岩浆侵位年龄。因此，研究区该岩体的年龄值为(285.4±1.1)Ma，侵位时代为早二叠世。

5.2 岩石类型及成因

全球范围内各个地区的A型花岗岩目前提有三种成因分类：地幔来源的拉斑玄武岩或碱性玄武质岩浆的分异[11,44]；多种地壳岩石的部分熔融[45-50]；幔源岩浆与地壳岩浆混合[51-53]。

海拉斯图乌拉碱性花岗岩体具高硅、富碱、准铝、贫镁钙的特点，A/CNK在1.00～1.06之间，平均1.04；碱性指数A/NK在0.98～1.04间，平均1.02≥0.9，为碱性岩系。σ在1.56～2.55，平均值为2.07；稀土总量高，轻稀土富集，Y/Yb>1.2，δEu为0.37～0.51，平均值为0.45(表1)，Eu亏损强，稀土配分曲线图呈现“V”型。Rb、Th、K、Nd、Zr、Sm、Y、Yb富集，Ba、Nb、Sr、P、Ti等亏损，大离子亲石元素及活动性元素Ba、K含量高于地壳丰度，Rb、Sr含量低于地壳丰度；放射性生热元素Th含量低于地壳丰度；非活动性元素Zr、Hf含量平均值高于地壳丰度，Nb、P低；过渡族元素V、Ti、Cr、Co、Ni、Sc含量均低于地壳丰度。

该岩体在(Sr+Ba)-(Li+Rb+Cs)图解(图9(a))上显示为同熔型花岗岩，各样品在构造环境R1-R2图解(图9(b))上投落入5、7区，总体揭示岩石为造山期后的花岗岩。在Rb-(Yb+Nb)图解(图9(c))和Nb-Y图解(图9(d))投点为火山弧花岗岩。在K2O-Na2O成因判别图解(图10)、Rb/Nb-Y/Nb和Y-Nb-Ce图解中(图11)样点集中，海拉斯图乌拉A型花岗岩分别落入A区和A2区[5]，表明海拉斯图乌拉A型花岗岩形成于后造山构造环境中，可能与造山后岩石圈的伸展作用用有关。

图9 海拉斯图乌拉A型花岗岩岩石成因和构造环境图解((a)底图据文献[54]；(b)底图据文献[55]；(c)、(d)底图据文献[56])Fig.9 Petrogenetic and tectonic discrimination diagrams for the Hailasituwula A-type granite((a)base map after ref.[54]；(b)base map after ref.[55]；(c)and (d)base map after ref.[56])(a)(Sr+Ba)-(Li+Rb+Cs)图解;(b)R1-R2图解;(c)Rb-(Yb+Nb)图解;(d)Nb-Y图解;Tr.同熔型；Gr.改造型；1.地幔分离；2.板块碰撞前；3.碰撞后的抬升；4.造山晚期；5.非造山；6.同碰撞期；7.造山期后；ORG.洋脊花岗岩；WPG.板内花岗岩；VAG.火山弧花岗岩；COLG.同碰撞花岗岩

图10 海拉斯图乌拉A型花岗岩K2O-Na2O成因判别图解(底图据文献[57])Fig.10 K2O-Na2O genetic classification diagram for the Hailasituwula A-type granite (base map after ref.[57])

图11 海拉斯图乌拉A型花岗岩Rb/Nb-Y/Nb(a)和Y-Nb-Ce(b)图解(底图据文献[5])Fig.11 Rb/Nb-Y/Nb and Y-Nb-Ce diagrams for the Hailasituwula A-type granite (base map after ref.[5])A1.非造山型；A2.后造山型

5.3 构造环境

岩石学和岩石化学特征显示，海拉图斯乌拉花岗岩为A型，与造山期后(A2型花岗岩)碱钙质A型花岗岩有一定相似[6]，或者相当于洪大卫等人提出的PA型花岗岩[58]，与世界上典型的A型花岗岩接近。

古亚洲洋演化的研究一直以来都是学术界关注的焦点之一，除了二连—贺根山缝合带与索伦山—西拉木伦河缝合带闭合位置上的争议以外，闭合时间也存在着较多争议[25，59-64]。研究区位于西伯利亚板块与华北板块之间俯冲碰撞造山带，属于西伯利亚板块南东缘陆缘增生带，该带南缘发育大规模碱性花岗岩，代表了在碰撞造山后期局部的拉张环境侵入形成的岩体，本文研究的海拉斯图乌拉A型花岗岩也属于该带，在兴蒙造山带东段称贺根山—黑河一线A型花岗岩带[65]。侵位时代与该带上锡林浩特A型花岗岩[66]、东乌珠穆沁旗京格斯台地区[67]、小兴安岭西北部黑河—嫩江地区[12]A型花岗岩的形成时代一致。

本文研究的海拉斯图乌拉A型花岗岩为A2型或PA型。一般认为PA型(后造山)花岗岩的生成紧随在板块俯冲和碰撞之后，是钙碱性岩浆旋回最后的产物[68]。海拉斯图乌拉A型花岗岩区域上属于兴蒙造山带东段贺根山—黑河一线巨型A型花岗岩带的西延部分，位于二连—贺根山板块缝合带北部，它是二连—贺根山缝合带闭合之后的产物。目前认为造山后 A型花岗岩与主造山事件的时间间隔大约为40 Ma或75～25 Ma[11]。本次工作获得的海拉斯图乌拉A型花岗岩LA-ICP-MS 锆石U-Pb同位素年龄为(285.4±1.1)Ma，表明二连—贺根山板块缝合带的缝合时间约为早石炭世。这一结论符合国内多数学者所支持的晚泥盆世碰撞的模式[24,69]，而简平等根据岩浆岩对板块聚合的反映得出索伦山—西拉木伦河缝合带造山后阶段约为三叠纪[70-72]，表明二连—贺根山板块缝合带与索伦山—西拉木伦河板块缝合带闭合及后造山的时间不同[73]，这或许反映了古亚洲洋具有不同阶段的演化特征。该认识支持蒙古南部和内蒙古的古亚洲洋在二叠纪期间或之前关闭的结论[74]。