内蒙古乌兰敖包地区流纹质凝灰熔岩锆石U-Pb年龄及其地质意义

仵康林,曹珍珍，张丽华

(1.山东省地质科学研究院，国土资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室，山东省金属矿产成矿地质过程与综合利用重点实验室，山东 济南 250013；2.中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 济南 250013；3.山东省文化艺术学校地理教研室，山东 济南 250013)

0 引言

研究区位于阿拉善北缘，前人曾对乌兰敖包地区该套中酸性火山碎屑岩做过划分和归属研究。1985年，原内蒙地质五院将其按喷出岩处理，并未确定其时代；1977年，内蒙古冶金地质勘探公司一队把其划入“石炭系上阿木山组”；1980年，《区域地质调查报告》(1∶20万，海力素幅)中将其划归为“上石炭统阿木山组”；1982年，《区域地质调查报告》(1∶20万，三道桥幅)，将其时代置于早二叠世[1]。由于自然条件及地质复杂性等限制，导致研究区地质研究程度较低，相关研究成果少，该套火山岩形成时代和地层归属一直存在分歧。

锆石具有较强的抗风化性和较高的熔点，可以保留单颗锆石的形成过程以及区域岩浆事件等方面的年龄信息。因此激光剥蚀等离子体质谱(LA-ICP-MS)锆石U-Pb法是一种快速、低成本，高精度，可提供多种原位信息的分析方法[2]。通过锆石U-Pb定年，精确地给出该地层的年龄对确定该套火山岩形成时代和地层归属是十分必要的。

1 区域地质背景

阿拉善北缘以雅干断裂、恩格尔乌苏断裂及巴丹吉林断裂为界，自北向南依次划分为雅干构造带、珠斯楞-杭乌拉构造带、沙拉扎山构造带及诺尔公-狼山构造带[3]。雅干构造带主要发育以中奥陶世火山岩—碎屑岩为主的不成熟岛弧建造及晚泥盆世至中石炭世火山岩—碎屑岩组合；珠斯楞-杭乌拉构造带主要发育早古生代被动陆缘型碎屑岩—碳酸盐岩建造及晚古生代活动陆缘型火山岩—碎屑岩建造；沙拉扎山构造带主要由两部分组成，北部晚古生代岛弧花岗岩及南部以火山岩—碎屑岩为主的弧后盆地建造；诺尔公-狼山构造带主要出露前寒武纪基底岩系(包括阿拉善群和渣尔泰群)及加里东期、海西期侵入岩[3]。

采样位置上位于乌拉特后旗海力素西南约10km的乌兰敖包处，属于研究区东部沙拉扎山构造带与诺尔公-狼山构造带接触部位。地层自老至新主要有中元古代渣尔泰群、晚石炭—早二叠世阿木山组、上二叠统、白垩系及第四系。渣尔泰群岩性以片岩及片麻岩为主，夹少量千枚岩、炭质板岩及结晶灰岩。“阿木山组”均零星出露于研究区中北部，从区域资料看，自下而上可分为3个岩性段：下段主要为灰白色砂砾岩、粉砂质泥岩；中段主要为碳酸盐岩，下部以灰色亮晶灰岩为主，局部灰岩中含有砂屑，中部夹厚度不大的浅灰色中层状长石石英粗砂岩，上部为亮晶灰岩，厚层状构造，块状结构，为碳酸盐台地相沉积；上段岩性主要分为2个部分，下部以岩屑砂岩、长石石英砂岩为主，夹有少量泥质粉砂岩、薄层灰岩，局部砂岩中含灰岩透镜体，砂岩成分以石英为主，长石次之，分选中等，接触式胶结为主，颗粒支撑[4]。上三叠统主要为紫红色、灰色的砾岩、长石砾岩，角度不整合于二叠系之上。白垩系为一套陆相河湖沉积，岩性主要为砂岩、砾岩及泥岩，夹少量火山岩，不整合于其下各地层单元之上。花岗质岩主要零星出露中部和东南部，沿NE—SW方向展布，侵入时代主要为加里东期和海西期(图1)。

Ⅰ—雅干构造带;Ⅱ—珠斯楞-杭乌拉构造带;Ⅲ—沙拉扎山构造带;Ⅳ—诺尔公-狼山构造带;F1—雅干断裂;F2—恩格尔乌苏断裂;F3—巴丹吉林断裂;1—第四系;2—白垩系;3—上三叠统;4—阿木山组;5—渣尔泰群;6—海西期侵入岩;7—加里东期侵入岩;8—区域断层;9—不整合面;10—断层及推覆方向;11—采样位置图1 研究区地质背景略图(据1∶20万地质图三道桥幅)

2 样品采集及特征

该套地层零星分布在乌兰敖包、伊斯敖包、敖郎而布格等地，面积约36km2，出露厚度约1600m。主要岩性有灰色、灰黄色、灰白色英安质凝灰岩、流纹质凝灰熔岩、流纹质角砾岩、安山玢岩、凝灰质含砾砂岩、变质砂岩、变质粉砂岩。上界不清，下界不整合于上石炭统阿木山组之上，断层接触。该地层为一套中酸性火山碎屑岩、中酸性火山岩及成层良好并夹有海相灰岩的砂砾岩、粉砂岩层组合，其沉积建造属中酸性火山碎屑岩及中性火山岩建造夹浅海相碎屑岩建造。样品(编号WL)采自该套火山碎屑岩中，岩性为流纹质凝灰熔岩。用于分析的样品均采自基岩露头，样品新鲜，采样位置避开了接触带、蚀变带、断裂破碎带(采样位置见图1)。样品具体岩石学特征如下：流纹质岩屑晶屑凝灰熔岩，不均匀的块状构造和显微流动构造,凝灰熔岩结构。岩石的物质成分由火山碎屑物和熔岩两部分组成。火山碎屑物有钾长石晶屑、酸性斜长石晶屑、石英晶屑、岩屑等。钾长石晶屑形状多呈熔蚀的不规则状，少数为棱角状，晶屑粒径大小一般0.06～0.9mm。酸性斜长石晶屑形状多为熔蚀的不规则状，少数为棱角状或阶梯状，晶屑粒径一般在0.1～0.5mm之间，个别可达0.85mm。石英晶屑形状多呈熔蚀的不规则状，晶屑粒径在0.1～0.5mm之间，个别可达1.2mm。岩屑少量，薄片中见长英质变粒岩和细粒花岗岩屑数粒，形状呈磨圆状，粒径在0.5～2mm之间。熔岩仍显流动构造，但岩石中的玻璃均重结晶，呈隐晶状或微晶状，并常出现条带状、透镜状、团块状小粒石英的聚晶体(图2)。

a—流纹质岩屑熔岩;b—流纹质岩屑凝灰熔岩，流动构造，定向(正交偏光，×25)图2 样品标本照片及显微照片

3 测试方法及分析结果

3.1 测试方法

用于测年的锆石由河北廊坊科大岩石矿物分选技术服务公司分选。具体流程为：将选取的6kg样品粉碎至60目以下，先用磁选和重液方法粗选锆石，然后在双目镜下将锆石颗粒逐一挑出，共挑选锆石颗粒200余粒。

锆石的制靶、CL图像采集及U-Pb同位素含量测定均在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。在双目镜下手工选择透明度高、色泽度好的锆石，用环氧树脂固定并抛光，使颗粒露出核部。样品在测定之前，用体积3%的HNO3清洗样品表面，以除去样品表面的污染，然后进行透射光和反射光照相，并在英国Gatan公司生产的Mono CL3+阴极发光装置系统上进行阴极发光(CL)照相。再根据照相结果选择无裂纹、无包裹体的岩浆锆石进行LA-ICP-MS U-Pb测年分析。锆石U-Pb定年的LA-ICP-MS使用激光剥离系统，详细分析步骤和梳理数据处理方法参见参考文献[5-7]。锆石谐和图用Isoplot 3.0程序获得[8]。样品分析过程中，91500标样的分析结果为(1064.1±3.2)Ma(n=16，2σ)，GJ-1标样的分析结果为(603.1±3.0)Ma(n=14，2σ)，与对应的年龄推荐值(1062.4±0.6)Ma(2σ)和(608.53±0.37)Ma(2σ)，在误差范围内完全一致[9-10]。

对于年轻锆石(<1000Ma)由于235U的衰变比238U快6.3倍，放射成因的207Pb在地球早期历史中更为丰富，而显生宙以来207Pb生成率很低，同时显生宙锆石的207Pb计数速率低，造成207Pb测定的误差较大，使得207Pb/206Pb和206Pb/235U比值可信度降低，故对于显生宙的锆石，一般采用206Pb/238U年龄代表岩石年龄更为可靠[11]，同时结合207Pb/206Pb来计算锆石的谐和性，剔除207Pb/206Pb相对于206Pb/238U偏差大于10%的锆石颗粒。另外，研究表明，如果普通铅的含量占锆石铅的含量达到1%，会带来很大的误差，导致206Pb/238U年龄与其真实年龄相差数百个Ma。即使进行普遍Pb校正，也具有很大的不确定性和条件限制，因此也剔除了普通铅较高的锆石年龄数据[12]。

3.2 分析结果

实验前测得Ar气中202Hg的计数很低(<20cps)，与背景相当，所以Ar气中的204Hg对204Pb没有干扰，实验所测得的204Pb代表了锆石中的普通铅含量。在样品中去掉204Pb过高以及207Pb/206Pb相对于206Pb/238U年龄不谐和度大于10%的锆石颗粒外，共在20粒锆石上进行了测定，分析数据见表1，样品中锆石的CL图像显示见图3。

表1 乌兰敖包地区流纹质凝灰熔岩锆石LA-ICP-MS U-Pb分析结果

从U-Pb年龄谐和曲线(图5)可知，筛选后的17个206Pb/238U年龄范围集中在263～248Ma之间，最大年龄误差为6Ma。在谐和曲线图206Pb/238U-206Pb/235U中，不一致曲线与谐和线交点为(253.8±3.3)Ma、MSWD=0.8；样品206Pb/238U的加权平均年龄为(255.2±2.4)Ma、MSWD=0.68(95%的置信度)，两者在误差范围内完全一致。按照最新国际地质年表中二叠纪的划分方案，样品形成时代属于晚二叠世早期。

样品中锆石的CL图像显示(图3)，锆石颗粒多呈短柱状，裂隙少，晶体自形成度较好。在岩浆锆石中Th、U元素相对富集，含量较高，Th/U比值通常大于0.4。由测试结果可知(表1)，样品中的锆石U和Th含量分别为(94.10～940.1)×10-6、(76～921)×10-6，Th/U比值变化范围为0.43～1.60，且Th、U含量呈现较好的正相关，Th/U平均值为0.76。同时Th、U元素的含量直接影响阴极发光图像的强弱，阴极发光图形显示大部分锆石具有典型岩浆岩锆石的韵律环带。上述特征表明这些锆石主要为岩浆锆石[13-14]。个别锆石(如WL-12)无明显环带，并具有较低的U(87.61mg·g-1)、Th(68.72mg·g-1)含量，其较低的Th、U含量与变质流体有关，这可能有由于在碱性环境，羟基出溶，增强了U、Th活动性，虽然其具有较大的Th/U值(0.83)，这可能与锆石结晶介质含量低有关[11]，因此，该锆石可能为变质成因的，故也将其剔除。此外，WL-16、WL-19的207Pb/235U年龄为273Ma、277Ma与其他17个数据不协调，这可能是岩浆从外部带入的早期结晶的锆石(图4)。

图4 乌兰敖包流纹质凝灰熔岩锆石年龄频率分布直方图

4 讨论

郭硕结合植物化石鉴定结果以及上覆火山岩地层年代，确定乌兰敖包地区原“阿木山组”沉积时代为273～265Ma，沙拉扎山地区的“阿木山组”上部的碎屑岩形成时代应为早二叠世[15]。张少华认为“阿木山组”的沉积时代为晚石炭世—早二叠世早期，其在北山地区和努尔盖一带称为干泉组，二者均属于跨时代异地不同名地层。银额地区的阿木山组大面积出露于恩格尔乌苏断裂带之南，恩格尔乌苏断裂以北原划为“阿木山组”的岩层近年的地层工作认为其可能并非晚石炭世—早二叠世沉积物。具体而言，乌登汗和乌哈西比地区原划为“阿木山组”的岩层获得了火山岩年龄为(389.1±2.9)Ma，属于中泥盆统；珠斯楞地区的原“阿木山组”下段获得火山岩年龄为(284.3±6.8)Ma，可能属于埋汗哈达组。哈尔苏海组的沉积时代为晚二叠世，银额地区的哈尔苏海组分布广泛。在黑石山西侧哈尔苏海组的下岩性段可见中酸性火山岩与碎屑岩互层沉积，表明区域构造环境不甚稳定，在碎屑岩沉积的同时有火山活动，喷发沉积了中酸性火山碎屑岩与熔岩。雅干地区哈尔苏海组下段沉积于滨浅海环境，局部存在火山活动，发育海相火山岩碎屑岩；上岩性以砂岩为主，夹又多层砾岩，反映了海陆交替的沉积环境[16]。

图5 乌兰敖包流纹质凝灰熔岩锆石U-Pb年龄谐和曲线和直方图

通过研究表明该套火山岩不属于原“阿木山组”，与哈尔苏海组下段相当。魏建设认为额济纳旗及其邻区二叠纪哈尔苏海组烃源岩生烃潜力较大，该区具有良好的油气勘探前景[17]。

5 结论

(1)通过锆石U-Pb定年，获得流纹质凝灰熔岩的加权平均206Pb/238U年龄为255.2Ma，属于晚二叠世早期。结合区域构造演化等分析，认为研究区可能在晚二叠世早期263～248Ma期间有一定规模的熔岩喷发活动。

(2)在乌兰敖包地区出露的早二叠世海相火山岩碎屑岩为晚二叠世早期沉积，不属于原“阿木山组”，与银-额盆地北部地区哈尔苏海组地层层位相当，可归入哈尔苏海组，初步推断具有良好的油气勘探前景。