古亚洲洋东段洋盆闭合与后造山伸展——来自内蒙古苏尼特右旗中三叠世A型花岗岩的证据

王 帅，李英杰,2，孔星蕊，许 展，王金芳，董培培，鞠文信，王晓东

(1.河北地质大学 地球科学学院，河北 石家庄 050031；2.河北地质大学 河北省战略性关键矿产资源重点实验室，河北 石家庄 050031；3.内蒙古自治区地质调查院，内蒙古 呼和浩特 010020)

华北板块与西伯利亚板块之间古亚洲洋东段洋盆最终闭合的时间与位置，一直是中亚造山带东段研究与争论的热点。其中，古亚洲洋东段洋盆最终闭合时间主要有泥盆纪(唐克东等，1991；徐备等，2014)、石炭纪早期(邵济安，1991)和早三叠世(陈斌等，2001；Jianetal.，2010；李英杰等，2012；肖庆辉等，2016；Lietal.，2018a，2020a；王帅等，2021)3种观点。古亚洲洋东段洋盆最终闭合位置也存在诸多争议，主要有二连-贺根山缝合带(Miaoetal.，2008；Jianetal.，2010；Lietal.，2018b，2020b；董培培等，2020)、索伦-林西缝合带(陈斌等，2001)和索伦-西拉木伦缝合带(孙德有等，2004；刘建峰等，2016)。导致对古亚洲洋在中亚造山带东段闭合时间以及闭合位置争议的关键是缺乏关键的地质证据，很多证据是建立在地球化学数据的解释不同引起的。近年，笔者通过中国地质调查局1∶5万地质填图，在苏尼特右旗早二叠世哈冷岭SSZ型蛇绿构造混杂岩(带)中新发现了三叠纪A型花岗岩体，该岩体直接侵位于苏尼特右旗早二叠世哈冷岭SSZ型蛇绿构造混杂岩(带)(Xuetal.，2019)中，为约束古亚洲洋在该地区的闭合时间提供了直接的地质证据。本文通过对其开展系统的地质特征、岩石学、地球化学分析以及LA-ICP-MS锆石U-Pb测年，进一步探讨其成因类型及构造环境，以期为古亚洲洋东段晚古生代洋盆闭合时限和位置以及后造山伸展拉张构造演化提供进一步的证据和约束。

1 地质背景和岩体特征

查干楚鲁二长花岗岩体位于内蒙古中部苏尼特右旗东北部查干楚鲁一带，区域构造位置属于索伦-林西缝合带(图1a)，侵位于早二叠世哈冷岭SSZ型蛇绿构造混杂岩(带)中(Xuetal.，2019)，围岩主体为下二叠统寿山沟组复理石，接触带附近的寿山沟组复理石砂板岩普遍角岩化，其它部位被中新统通古尔组砂砾岩、砂质泥岩角度不整合覆盖(图1b)。苏尼特右旗哈冷岭蛇绿构造混杂岩(带)中的蛇绿岩套组合较为完整，主要包括蛇纹石化方辉橄榄岩、层状辉长岩、辉绿岩、枕状玄武岩、细碧岩及硅质岩(Xuetal.，2019)，蛇绿岩岩块之间多为断层接触，基质主要为下二叠统寿山沟组复理石。蛇绿构造混杂岩(带)内和两侧普遍糜棱岩化和碎裂岩化。

图1 内蒙古苏尼特右旗查干楚鲁地区大地构造位置示意图(a，据Miao et al.，2008)和地质简图(b)Fig.1 Sketch tectonic map (a,after Miao et al.，2008)and simplified geological map (b)of the Chaganchulu region in Sonid Youqi,Inner MongoliaQh—全新统；N1t—中新统通古尔组；K1b—下白垩统白音高老组；P1ds—下二叠统大石寨组；P1ss—下二叠统寿山沟组；ηγJ3—晚侏罗世二长花岗岩；ηγT2—中三叠世二长花岗岩；γδC2—晚石炭世花岗闪长岩；δoC2—晚石炭世石英闪长岩；γδοC2—晚石炭世英云闪长岩；1—早二叠世蛇绿岩；2—整合界线；3—角度不整合界线；4—断层；5—糜棱岩化带；6—采样位置Qh—Holocene；N1t—Miocene Tongguer Formation；K1b—Lower Cretaceous Baiyingaolao Formation；P1ds—Lower Permian Dashizhai Formation；P1ss—Lower Permian Shoushangou Formation；ηγJ3—Late Jurassic monzogranite；ηγT2—Middle Triassic monzogranite；γδC2—Late Carboniferous granodiorite；δoC2—Late Carboniferous quartz diorite；γδοC2—Late Carboniferous tonalite；1—Early Permian ophiolite；2—integration boundary；3—angular unconformity boundary；4—fault；5—mylonitization zone；6—sampling location

查干楚鲁二长花岗岩体大体呈东西向，长约9 km，宽约5 km，出露面积约30 km2，西北部侵位到下二叠统寿山沟组糜棱岩化带中(图2a)，主要岩石类型为中细粒二长花岗岩，岩体中部为中粒二长花岗岩，向边部过渡为细粒，未见明显糜棱岩化现象。岩石呈浅肉红色，中细粒自形-半自形粒状结构，块状构造(图2b)，偶见晶洞构造。主要矿物由碱性长石(35%～40%，体积分数)、斜长石(30%～35%)、石英(～30%)和黑云母(～5%)组成。碱性长石呈半自形-他形板状，主要为正条纹长石、正长石和微斜长石，发育条纹结构和简单双晶，轻微高岭土化；斜长石呈自形-半自形板状，聚片双晶发育，部分颗粒具环带构造，均发育绢云母化和高岭土化；石英呈他形粒状充填于碱性长石和斜长石颗粒间，具波状消光，局部可见裂纹；黑云母为黄褐色-暗绿色，他形片状，弱铁质化和弱绿帘石化；副矿物主要为锆石和磁铁矿(图2c、2d)。

图2 查干楚鲁二长花岗岩野外和显微照片Fig.2 Outcrop photos and photomicrographs of the Chaganchulu monzogranitea—二长花岗岩侵入砂质板岩；b—二长花岗岩野外露头；c—二长花岗岩显微照片(-)；d—二长花岗岩显微照片(+)； Pl—斜长石；Pth—条纹长石；Q—石英；Bi—黑云母a—photo of monzogranite intrusive sandy slate；b—field outcrop photo of monzogranite；c—micrographs of monzogranite (-)；d—micrographs of monzogranite (+)；Pl—plagioclase；Pth—perthite；Q—quartz；Bi—biotite

2 样品特征与测试方法

在详细的野外地质观察基础上，于查干楚鲁二长花岗岩体不同部位共采集了5件(XT01～XT05)风化程度较低、新鲜且无氧化、无污染、无明显蚀变的岩石样品用于地球化学分析，并对其中1件弱变形的二长花岗岩岩石样品(XT03)进行LA-ICP-MS锆石U-Pb测年，采样点地理位置为北纬43°04′13″、东经113°11′15″(图1b)。

锆石制靶、阴极发光(CL)照相由北京锆年领航科技有限公司完成，具体流程参照宋彪等(2002)。LA-ICP-MS锆石U-Pb测年在中国地质调查局天津地质调查中心完成，所用测年仪器为Neptune型MC-ICP-MS及Newwave UP 193激光剥蚀系统。激光剥蚀斑束直径为35 μm，剥蚀深度为20～40 μm。锆石年龄计算选用标准锆石GJ-1作为外标，29Si作为内标，详细的实验流程见Yuan等(2008)。数据处理采用ICPMSDataCal 8.4程序(Liuetal.，2008)，并进行普通铅校正(Anderson，2002)，最终采用ISOPLOT(3.0版)完成年龄计算及谐和图绘制。

主量、微量及稀土元素分析在武汉上谱分析科技有限责任公司完成。主量元素测定采用PW440型X射线荧光光谱仪(XRF)分析SiO2、Al2O3、TFe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、MnO、P2O5、TiO2等，重铬酸钾滴定法分析FeO，高温加热-浓硫酸吸收-重量法分析H2O+，非水滴定容量法分析CO2，高温加热-重量法分析烧失量(LOI)，分析误差小于2%，微量及稀土元素测定采用X-Series p型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)，分析误差小于5%。

3 结果与分析

3.1 锆石U-Pb年龄

查干楚鲁二长花岗岩样品(XT03)的锆石大多数晶形完好，形态多为长柱状自形-半自形晶体，长宽比为1∶1～2∶1。阴极发光(CL)图像显示，大部分锆石内部结构清晰，发育较好的结晶环带，属岩浆锆石(图3)。本次对样品中的20颗锆石进行了20个点的U-Pb测试，分析结果见表1。从表1可以看出，Th/U值较高，为0.25～0.69(平均0.42>0.4)，同样表明锆石为岩浆成因(Corfuetal.，2003)。在年龄谐和图上(图4a)，20个测点的数据都集中在谐和线上及附近。从206Pb/238U年龄直方图(图4b)中同样可以看出，全部锆石测点年龄都集中在246 Ma，加权平均值为245.9±1.3 Ma，MSWD=0.98，属中三叠世，代表了查干楚鲁二长花岗岩的侵位年龄。

图3 查干楚鲁二长花岗岩(XT03)锆石阴极发光(CL)图像及年龄图Fig.3 CL images and ages of zircons from the Chaganchulu monzogranite(XT03)

图4 查干楚鲁二长花岗岩(XT03)锆石LA-ICP-MS U-Pb谐和图(a)以及加权年龄平均值(b)Fig.4 The LA-ICP-MS U-Pb concordia diagram (a)and weighed average age (b)of zircons from the Chaganchulu monzogranite (XT03)

表1 查干楚鲁二长花岗岩(XT03)LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb分析结果Table 1 LA-ICP-MS U-Th-Pb isotopic analysis of zircons from the Chaganchulu monzogranite(XT03)

3.2 地球化学特征

从表2可以看出，查干楚鲁二长花岗岩样品显示高硅(SiO2=76.75%～77.18%)、富钾(K2O=3.95%～4.32%)的特征，在SiO2-K2O图(图5)中，样品点均落入高钾钙碱性系列，进一步揭示该岩体钾含量较高。同时，样品具有较高的钠含量(Na2O=3.94%～4.55%)，整体显示出富碱(Na2O+K2O=8.19%～8.62%)，以及低钙(CaO=0.40%～0.55%)、镁(MgO=0.03%～0.05%)、磷(P2O5=0.011%～0.012%)和钛(TiO2=0.014%～0.024%)的特点。样品样品的Al2O3含量较高 (Al2O3=12.86%～13.45%)，在A/NK-A/CNK图(图6)中，样品点均落入过铝质区域内，其A/CNK=1.04～1.10、A/NK=1.11～1.20，显示弱过铝质特征。

图5 查干楚鲁二长花岗岩K2O-SiO2分类图解(据Peccerillo and Taylor，1976)Fig.5 K2O-SiO2 classification diagram of the Chaganchulu mozogranite (after Peccerillo and Taylor，1976)

图6 查干楚鲁二长花岗岩A/NK-A/CNK图解(据Maniar and Piccoli，1989)Fig.6 A/NK-A/CNK diagram of the Chaganchulu mozogranite (after Maniar and Piccoli，1989)IAG—岛弧花岗岩类；CAG—大陆弧花岗岩类；CCG—大陆碰撞花岗岩类；POG—后造山花岗岩类；RRG—与裂谷有关的花岗岩类；CEUG—与大陆的造陆抬升有关的花岗岩类；OP—大洋斜长花岗岩类IAG—island arc granitoids；CAG—continental arc granitoids；CCG—continental collision granitoids；POG—post-orogenic granitoids；RRG—rift-related granitoids；CEUG—continental epeirogenic uplift granitoids；OP—oceanic plagiogranites

表2 查干楚鲁二长花岗岩主量(wB/%)、微量和稀土元素(wB/10-6)分析结果Table 2 Major elements(wB/%),trace and REE elements (wB/10-6)analyses of the Chaganchulu mozogranite

查干楚鲁二长花岗岩样品稀土元素总量较低(∑REE=45.57×10-6～80.33×10-6)，轻、重稀土元素分馏不明显[(La/Yb)N=0.45～2.77]，曲线总体均较平坦。样品负Eu异常显著(δEu=0.03～0.09)(图7a)，暗示岩体可能受斜长石分离结晶作用影响或与源区残留斜长石有关(王金芳等，2020)。在微量元素方面，样品均富集Rb、Th、U、K、Ga，亏损Ba、Sr、P、Ti等元素(图7b)，表现出A型花岗岩特有的组分特征(Eby，1992)。

图7 查干楚鲁二长花岗岩稀土元素球粒陨石标准化配分曲线(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)(球粒陨石和原始地幔标准数据据Sun and McDonough，1989)Fig.7 Chondrite-normalized REE distribution pattern (a)and primitive mantle-normalized trace element spider diagram (b)of the Chaganchulu mozogranite (chondritic and primitive mantle normalization values from Sun and McDonough，1989)

4 讨论

4.1 岩石成因和源区分析

查干楚鲁二长花岗岩体的主要矿物为碱性长石(正条纹长石和正长石)、斜长石、石英和他形黑云母，发育晶洞构造。另外，地球化学分析结果显示，岩体高硅、富碱，贫钙、镁、磷、钛，负Eu异常显著，微量元素Rb、Th、K、Ta和Hf相对富集，而Ba、Sr、P、Ti元素相对亏损，且都具有较高的(Na2O+K2O)/CaO(15.08～21.39)和TFeO/MgO(29.16～57.82)值。与此同时，岩体微量元素Ga(18.87×10-6～24.58×10-6)含量较高，其10 000 Ga/Al值为2.72～3.52，均大于A型花岗岩的下限值2.6。以上结果显示，岩石样品的岩石类型、矿物成分、岩石组构和地球化学特征都具有A型花岗岩的特点。在花岗岩类判别图(图8)中，样品点均落入A型花岗岩区，而在A/NK-A/CNK图(图6)中，样品点均落入过铝质区域内，且A/CNK=1.04～1.10、A/NK=1.11～1.20，表明岩体应属弱过铝质A型花岗岩，与中亚造山带东段A型花岗岩的岩石学和地球化学特征一致(Liuetal.，2005；石玉若等，2007，2014；周振华等，2010；张旗等，2012；王金芳等，2020)。

图8 查干楚鲁A型花岗岩岩石类型判别图(据Whalen et al.，1987)Fig.8 Rock type discrimination diagrams of the Chaganchulu A-type granite (after Whalen et al.，1987)

随着A型花岗岩成因研究的不断深入，越来越多的地质工作者认为，低压高温下新增生中基性地壳部分熔融可能为其成因(张维等，2010；李红英等，2015；王金芳等，2020)。Nd同位素的性质与特征能较好地反映岩体源区特点，一直是岩石学家研究岩浆源区的重要途径。在中亚造山带东段，中生代铝质A型花岗岩普遍具有正εNd(t)值和年轻的Nd年龄，暗示其源区可能为新增生中基性地壳。同时，大量实验研究表明，源岩为泥质岩石的熔融，不论水是否饱和，其形成的花岗质岩浆铝总是过饱和的，其A/CNK>1.1(Rapp and Watson，1995)。硬砂岩熔融产生的岩浆也均形成铝饱和-过饱和的花岗闪长岩-花岗岩(Skjerlie，1992；Stevensetal.，1997)。然而，查干楚鲁二长花岗岩体的A/CNK值均<1.1(图6，表2)，所以不可能是由泥质岩或硬砂岩部分熔融而成。同样，绿岩和角闪岩在水饱和条件下熔融形成的岩浆也是过铝质的(Beard and Lofgren，1991)。但是角闪岩在水不饱和条件下，随着水压降低，脱水熔融形成岩浆的A/CNK值逐渐从大于1变为小于1，同时Al含量随着熔融压力增加而增加，因为斜长石的An组分在高压下变得不稳定(基性斜长石比酸性斜长石Al高)。因此，查干楚鲁二长花岗岩体的源岩为角闪石质岩石的可能性较大，即相当于基性岩石，其可能是在水压不高条件下通过角闪石脱水作用导致的熔融形成的。另外，实验研究还表明，在压力≥15×105kPa时，其形成岩浆Na2O的含量为4.5%～6.5%(Rapp and Watson，1995)，因此富钠的花岗质岩浆通常被解释为镁铁质岩石源区在高压下脱水熔融形成的。

由表2可知，大部分样品(除样品XT01)Na2O 含量<4.5%，表明贫Na的查干楚鲁二长花岗岩体其形成压力<15×105kPa(相当于50 km)。另外，样品中较高的Y和Yb含量、较平坦的稀土元素配分曲线以及Eu的强烈亏损特征说明源区斜长石稳定存在而无石榴子石残留，这一点也揭示其压力不高(没有达到高压榴辉岩相)。

4.2 岩浆起源及温压条件

通常认为A型花岗岩是在高温低压环境下形成的，一般为浅部中上地壳(Clemensetal.，1986)，因而对查干楚鲁二长花岗岩体形成温压条件的计算，可以从侧面佐证其为A型花岗岩。同时利用岩浆形成的温压条件，可推测其源区深度，进而为岩浆起源和演化机制提供制约。

4.2.1 Q-Ab-Or-H2O平衡压力计算

前人根据大量岩石学实验数据，总结出Q-Ab-Or-H2O平衡相图，利用此相图可以求算出岩浆形成时的温度和压力(谌宏伟等，2005)。

Q、Ab、Or这3个端员数据为CIPW标准矿物含量，从岩石Q-Ab-Or-H2O平衡相图(图9)中可以看出，岩石样品形成压力约为0.2 GPa，相当于7～8 km的深度，属浅部地壳。而形成温度约为700℃，略低于A型花岗岩平均水平(800～900℃)，分析可能是由于流体和氟的解聚作用，使岩石近固相线温度降低，而Q-Ab-Or-H2O平衡相图温度值为共结温度，所以可能受到上述因素影响(刘昌实等，2003)。

图9 查干楚鲁A型花岗岩Q-Ab-Or-H2O平衡相图(据谌宏伟等，2005)Fig.9 Triangle diagram of Q-Ab-Or-H2O of the Chaganchulu A-type granite (after Chen Hongwei et al.，2005)

4.2.2 锆石饱和温度计

由于花岗岩大多是绝热式上升就位的，那么岩浆早期结晶温度就可以近似代表岩浆形成时的温度(吴福元等，2007)，因为锆石在酸性岩浆中一般较早晶出，所以锆石饱和温度就可以近似认为是岩浆形成的温度。本文采用Watson(1979)得出的锆石溶解度-饱和温度模拟公式：tZr(℃)=12 900/[2.95+0.85M+lnDzr(锆石/熔体)]-273，其中D为分配系数。设全岩Si+Al+Fe+Mg+Ca+Na+K+P=1(原子分数)，则全岩岩石化学参数M=(2 Ca+Na+K)/(Si×Al)。在没有进行全岩锆石矿物Zr、Hf校正时，纯锆石中Zr=497 626×10-6，同时用全岩的Zr含量近似代表熔体中的Zr含量。据此计算出的样品形成温度基本集中在758～783℃之间，较为接近A型花岗岩形成的平均温度。

在岩相学方面，样品局部见条纹长石(图2c、2d)、晶洞构造，未见S型花岗岩中常见的继承性锆石，同样揭示了早期岩浆结晶处于低压高温和贫水环境。

对于浅部低压环境下壳源物质部分熔融所需的热量，普遍认为与后造山阶段的先前俯冲板块板片断离而引发的幔源玄武质岩浆底侵作用有关(Whalenetal.，1987；Jahnetal.，2000；Bonin，2007；张旗等，2012；Huangetal.，2012，2014)。在内蒙古中东部地区，中生代铝质A型花岗岩普遍具有正εNd(t)值和年轻的Nd模式年龄(王金芳等，2017)，暗示与后造山阶段板片断离有关的幔源岩浆底侵作用对内蒙古中东部中生代铝质A型花岗岩浆的形成具有重要作用。综上所述，索伦-林西缝合带后造山板片断离作用诱发软流圈地幔物质上涌，产生幔源玄武质岩浆底侵作用，以及伸展拉张减压作用造成新增生中基性地壳低压高温部分熔融，可能为查干楚鲁A型花岗岩的成因机制。

4.3 对内蒙古中东部地区三叠纪构造环境的约束

近年来，内蒙古中东部地区相关的地质工作成果丰硕，为古亚洲洋东段洋盆洋陆转换和闭合过程提供了大量的岩石学和年代学证据(Sengoretal.，1993；王惠等，2005；李锦轶等，2007；李英杰等，2013，2015，2018c；Chengetal.，2014a，2020；刘建峰等，2014；程银行等，2014b；薛富红等，2015；Liuetal.，2021；董培培等，2021)。Xu等(2019)在索伦-林西缝合带内的苏尼特右旗发现早二叠世哈冷岭蛇绿岩(297 Ma)；王金芳等(2018a，2018b，2020)在西乌旗一带先后获得早二叠世巴嘎哈尔高镁闪长岩(282 Ma)、乌兰沟埃达克岩(279.3 Ma)以及中三叠世阿尔塔拉A型二长花岗岩(242.9 Ma)年龄；笔者在苏尼特右旗地区新发现中三叠世查干楚鲁A型二长花岗岩(245.9 Ma)。

综上所述，在中晚二叠世之前，古亚洲洋东段洋盆并未闭合，可能正处在洋内多期次俯冲消减过程中。本次获得的苏尼特右旗查干楚鲁A型二长花岗岩分布于古亚洲洋东段索伦-林西缝合带典型发育区，其直接侵位于苏尼特右旗早二叠世哈冷岭SSZ型蛇绿构造混杂岩(297 Ma)带中，这种岩体称为“钉合岩体”，代表了碰撞后的产物(韩宝福等，2010)。因此新获得的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄245.9±1.3 Ma约束了古亚洲洋闭合时间在中三叠世之前。结合国际洋内初始俯冲作用岩石组合研究成果以及区域同时期蛇绿岩、洋内弧岩石组合和A型花岗岩资料，可初步建立起早二叠世-中三叠世古亚洲洋东段洋内俯冲-闭合的岩石组合序列：早二叠世哈冷岭SSZ型蛇绿岩(蛇纹石化方辉橄榄岩、层状辉长岩)(297 Ma)(Xuetal.，2019)、前弧拉斑枕状玄武岩、玻安岩、早二叠世高镁安山岩(282 Ma)(王金芳等，2018a)、埃达克岩(279.3 Ma)(王金芳等，2018b)、中晚二叠世岛弧岩浆岩(278.2 Ma、254.4 Ma)(李英雷等，2021；范玉须等，2019)、早中三叠世A型花岗岩(245 Ma、242.9 Ma)(张晓晖等，2006；王金芳等，2020)，表明二叠纪末期古亚洲洋东段洋盆已经闭合，并在三叠纪进入造山带后造山伸展拉张阶段。

5 结论

(1)查干楚鲁二长花岗岩侵位于苏尼特右旗早二叠世哈冷岭SSZ型蛇绿构造混杂岩(带)中，LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为245.9±1.3 Ma，揭示其侵位时代为中三叠世。

(2)查干楚鲁二长花岗岩含较多碱性长石，暗色矿物以黑云母为主，见晶洞构造；地球化学特征具高硅、富碱，贫钙、镁，A/CNK=1.04～1.10、A/NK=1.11～1.20，负Eu异常显著，Rb、Th、U、K、Ga元素较富集，而Ba、Sr、P、Ti元素相对亏损的特征，且10 000 Ga/Al、TFeO/MgO、(Na2O+K2O)/CaO值较高，岩石学、矿物学和地球化学特征显示其属弱过铝质A型花岗岩。

(3)查干楚鲁二长花岗岩为索伦-林西缝合带闭合后伸展拉张作用下的产物，为古亚洲洋东段洋盆在二叠纪末闭合并在三叠纪进入后造山伸展拉张阶段提供了岩石学依据，低压高温下新增生中基性地壳部分熔融可能为其成因，约束了古亚洲洋东段闭合时间在中三叠世之前。

致谢感谢审稿专家提出的宝贵意见，感谢中国地质大学(北京)王根厚教授、河北地质大学李红阳教授在野外及写作过程中给予的指导！