北山公路井二长花岗岩锆石U-Pb年龄、地球化学特征<br/>——对北山北部泥盆纪构造环境的限定

北山公路井二长花岗岩锆石U-Pb年龄、地球化学特征
——对北山北部泥盆纪构造环境的限定

2022-02-03许海贾元琴赵志雄贾福平王新亮刘强

新疆地质 2022年3期

许海 ,贾元琴 ,赵志雄 ,贾福平 ,王新亮 ,刘强

(1.内蒙古地质矿产勘查院，内蒙古呼和浩特 010010；2.乌兰察布市自然资源局，内蒙古乌兰察布 012000；3.集宁师范学院，内蒙古乌兰察布 012000)

中亚造山带为显生宙最大的增生型造山带和大陆地壳生长最显著的地区之一[1-4]。北山地处中亚造山带南缘，位于华北板块、塔里木板块和哈萨克斯坦板块的交汇部位，对中亚造山带的解析起着至关重要的作用。对于北山造山带泥盆纪的构造背景仍存在争议。有学者认为北山地区志留纪末板块构造演化体系结束，统一大陆于早石炭世再次发生裂解[5-6]，即本区泥盆纪构造环境为板内；也有学者认为北山地区泥盆纪仍处于造山阶段，非板内演化[7-11]。花岗岩作为地壳增生的重要部分，可为大陆地壳演化提供新的线索。因此，本文选择公路井二长花岗岩为研究对象，通过详细的野外调查和岩石学、岩石地球化学、锆石U-Pb 年代学等方面的研究，分析岩石成因，探讨其形成的构造背景，为北山地区泥盆纪大地构造环境提供新的制约。

1 区域地质概况及岩石学特征

北山造山带地处中亚造山带中段南缘（图1-a），位于华北板块、塔里木板块和塔里木板块的交汇地带，西邻东天山，东接阿拉善[7，12-14]。区内侵入岩出露广泛，其中基性侵入岩呈零星分布，中酸性侵入岩呈岩基、岩株和岩脉状近EW向产出。

公路井二长花岗岩出露面积约45.97 km2，侵入古元古界北山岩群、志留纪石英闪长岩、花岗闪长岩，被石炭纪石英闪长岩、二长花岗岩侵入（图1-b）。岩石糜棱岩化较发育，属白梁-三个井韧性剪切带东端。本次选取弱变形域的细粒二长花岗岩开展研究，岩石具变余细粒半自形粒状结构，弱条带状定向构造，细粒化、透镜化明显。眼球体由0.5～1.2 mm透镜状或变余半自形钾长石（15%～25%）、斜长石（15%～25%）组成；糜棱质主要由钾长石（粒径0.05～0.3 mm）、斜长石（20%～25%）、细纹状、条带状定向分布的石英（20%～25%）及少量黑云母、白云母组成。

图1 北山及邻区构造简图（a）和公路井地区地质简图（b）Fig.1 Simplified tectonic map(a)of the Beishan and adjacent orogens and Geological sketch(a)of the Gonglujing

2 样品采集及分析方法

本次工作在公路井地区采集了5件二长花岗岩样品，选取样品TW6030 和TW6037 进行锆石U-Pb同位素年龄测定，地理坐标分别为：东经99°24′53″，北纬41°49′02″；东经99°24′08″，北纬41°48′22″。

样品主量和微量元素分析由河北省区域地质矿产研究所实验室完成。主要元素用X射线荧光光谱仪（Axiosmax）分析，微量元素用等离子体制谱仪（Xserise2）测定，分析精度优于5%。样品的锆石分选在河北区域地质调查研究所实验室进行。锆石制靶与阴极发光（CL）照相由北京锆年领航科技有限公司完成。锆石U-Pb 同位素分析在天津地质矿产研究所同位素实验室完成，使用仪器为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-ICP-MS）。激光剥蚀的斑束为35 μm，能量密度为13～14 J/cm2，频率为8～10 Hz，激光剥蚀物质以He为载气送入Neptune（MC-ICP-MS）。锆石标样采用TEMORA 标准锆石。数据处理采用中国地质大学Liu et al.编写的ICPMSDataCal 程序和Ludwing et al.的Isoplot 程序进行作图[15-16]，采用208Pb 对普通铅进行校正，利用NIST作为外标计算锆石样品的Pb，Th，U含量。

3 分析结果

3.1 锆石U-Pb年龄

二长花岗岩（TW6030 和TW6037）的LA-ICPMS锆石U-Pb同位素分析结果见表1，2。

表1 公路井二长花岗岩（TW6030）锆石LA-ICP-MS U-Pb同位素分析结果Table 1 LA-ICP-MS U-Pb data of zircon from Gonglujing monzonitic granites

表2 公路井二长花岗岩（TW6037）锆石LA-ICP-MS U-Pb同位素分析结果Table 2 LA-ICP-MS U-Pb data of zircon from Gonglujing monzonitic granites

样品中的锆石多为长柱状或短柱状，阴极发光CL 图像显示（图2，3），多数锆石内部具典型的明暗相间环带结构，且Th/U比值均大于0.1，表明其为岩浆成因。

图2 公路井二长花岗岩样品TW6030代表性锆石的CL图像及测试点、年龄值Fig.2 CL images of the representative zircons from the sample TW6030 in Gonglujing area showing the analyzed spots and their ages

TW6030样品分析了25个点，其中2、3、5、6、12、14、16、19、25点偏离谐和线，可能与放射成因铅的丢失有关，剩余16 个点206Pb/238U 加权平均年龄为（402.7 ± 1.6）Ma（n=16，MSWD=0.17）（图4）。TW6037样品环带处分析26个点，次生加大边测试3个点，其中8、15、16、22、26号点和次生加大边3个点偏离谐和线，也可能与放射成因铅的丢失有关，其余21个点206Pb/238U加权平均年龄为（403.5±1.4）Ma（n=21，MSWD=0.33）（图5）。二者在误差范围内完全一致，代表了二长花岗岩的结晶年龄，表明其形成于早泥盆世。

图3 公路井二长花岗岩样品TW6037代表性锆石的CL图像及测试点、年龄值Fig.3 CL images of the representative zircons from the sample TW6037 in Gonglujing area showing the analyzed spots and their ages

图4 公路井二长花岗岩锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图Fig.4 LA-ICP-MS zircon U-Pb Concordia diagram for the Gonglujing monzonitic granites

图5 公路井二长花岗岩锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图Fig.5 LA-ICP-MS zircon U-Pb Concordia diagram for the Gonglujing monzonitic granites

3.2 地球化学

3.2.1 主量元素

公路井二长花岗岩具有高硅（SiO2=72.02%～74.58% ）、高碱（Na2O+K2O=6.97～8.70%）特征(表3)。里特曼指数为1.68～2.38(小于3.3)，碱度率为2.52～4.05，A/NCK=1.02～1.06(小于1.1)，A/NK=1.19～1.50，结合SiO2-K2O 图和A/NCKA/NK 图（图6-a，b），表明其具高钾钙碱性弱过铝质岩浆属性。分异指数为82.90～92.55，平均89.46；固结指数为1.58～7.01，平均3.67，反映岩浆具较高的结晶分异程度。

表3 公路井花岗岩主量元素和微量元素含量分析结果表Table 3 Major element and trace element composition of the monzonitic granites from Gongluijng

图6 二长花岗岩SiO2-K2O图解（a）和A/NCK-A/NK图解（b）Fig.6 SiO2-K2O diagram（a）and A/NCK-A/NK diagram（b）of monzonitic granites

3.2.2 稀土元素和微量元素

岩石稀土元素总量较高（112.27×10-6～271.60×10-6），轻稀土总量（平均为180.33×10-6）明显高于重稀土（平均12.60×10-6）。LREE/HREE 为6.45～19.80，平均14.63；(La/Yb)N为5.38～34.19，平均23.60，表明轻、重稀土分馏十分明显；(La/Sm)N为4.19～7.45，平均5.30；(Gd/Yb)N为0.88～4.18，平均为2.72，表现出轻稀土分馏程度大于重稀土。从球粒陨石标准化稀土分布图中可看出（图7-a），曲线呈右倾，具明显的负Eu 异常（δEu=0.34～0.58，平均为0.42）。从微量元素分布图中可看出（图7-b），岩石相对富集Rb，K等大离子亲石元素及Zr，Hf等高场强元素，强烈亏损Nb，Ta，Sr，P，Ti及弱亏损Ba，Eu等元素。与造山带弧岩浆作用形成的钙碱性系列岩石特征相似[19-20]。

图7 二长花岗岩球粒陨石标准化稀土分布图（a）和二长花岗岩原始地幔标准化蛛网图（b）Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns of monzonitic granites diagram(a)and primitive mantle-normalized trace element spider diagram(b)

4 讨论

4.1 形成时代

前人对公路井二长花岗岩的形成时代研究缺乏高精度同位素年龄等方面数据佐证。本次采用LAICP-MS 法定年，获得锆石U-Pb 加权平均年龄为（402.7±1.6）Ma和（403.5±1.4）Ma，代表岩浆侵位年龄。除公路井二长花岗岩，笔者团队在小黑山地区获得了同时代的辉长岩锆石U-Pb 加权平均年龄为（404.9±1.6）Ma[9]，为北山地区早泥盆世存在岩浆活动提供了有力证据。

4.2 岩石成因及构造环境

公路井二长花岗岩主要矿物组合为斜长石+钾长石+石英+黑云母+白云母，主量元素特征显示岩石属弱过铝质高钾钙碱性系列，A/NCK=1.02～1.06（＜1.1），从P2O5-SiO2图解中可看出（图8）二者为明显负相关关系，富集LILE，亏损HFSE，强烈亏损Nb，Ta，Sr和Ti等，与后碰撞高钾钙碱性“I”型花岗岩特征相似[23-27]，暗示与俯冲碰撞的成因联系[28]。韩宝福等指出后碰撞阶段相当于造山带演化的“晚造山”阶段，可继续发生板块汇聚[26][29]，且岩石类型主要以高钾钙碱性“I”型花岗岩类为主[30]，揭示形成构造背景可能为后碰撞。从Rb-Yb+Ta判别图中可看出（图9），样品投影到后碰撞区域，进一步表明公路井二长花岗岩形成构造背景为后碰撞，即北山公路井地区泥盆纪仍处于造山演化阶段。同时，区域上造山带南北两侧形成火山质的下磨拉石组合，也反映了北山地区泥盆纪处于造山后期的构造环境[31]。这进一步证实了杨岳清等认为北山地区泥盆纪的地壳活动仍处于较活跃的状态，海相碎屑岩中的中基性-中酸性火山岩建造十分发育的认识，对深化北山地区晚古生代构造演化的研究具有重要意义。