南蒙古额尔德尼早白垩世A型花岗岩年代学、地球化学、Hf同位素特征及其地质意义

2022-06-22段思宁王文志

吉林大学学报（地球科学版） 2022年3期

段思宁，童英，王文志，郭磊

1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083 2.中国地质科学院地质研究所离子探针中心，北京 100037 3.中国地质科学院地质研究所，北京 100037

0 引言

自从Loiselle等[1]最早定义A型花岗岩以来，国内外的地质学家对A型花岗岩展开了大量的研究工作[2-8]。A型花岗岩作为一类特殊的花岗岩[1-3,5-7]，虽然可能有极少部分形成于与俯冲相关的弧后伸展背景，但绝大多数A型花岗岩形成于陆内伸展背景下的地壳减薄过程中[8-11]，如后造山伸展和陆内裂谷等，因而作为特殊的构造环境的判别标志备受关注[12-14]。东北亚地区在晚中生代中晚期发育大规模的伸展构造和巨量的岩浆活动，揭示了区域性的地壳伸展减薄[15-16]，如宝德尔[17]、罕乌拉[18]发育一部分A型花岗岩与伸展穹窿紧密相关。本文对南蒙古地区额尔德尼(Erdene)类穹窿花岗岩开展LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学、岩石地球化学和同位素地球化学研究，探讨其岩石成因及成岩构造背景，以期揭示该区早白垩世花岗岩的岩石成因和源区特征，为研究东北亚大规模伸展与巨量岩浆活动提供依据。

1 地质背景

东北亚地区，特别是松辽盆地以西，自中生代以来，蒙古—鄂霍茨克洋闭合后增厚地壳伸展垮塌，并叠加古太平洋俯冲体制的弧后伸展，使整个东北亚转入伸展体制，形成了以变质核杂岩、不对称花岗岩伸展穹窿、同伸展盆地为代表的巨大伸展省[11-16,19-24]，伴随着巨量的晚侏罗世—早白垩世花岗岩发育[15](图1)。

额尔德尼地区大地构造位置属于南蒙古—大兴安岭地块[15]，区内发育有多条NNE、NW向断裂。东戈壁断层带是南蒙古地区的一个重要走滑构造，该断层在晚三叠世和晚渐新世分别发生了两期大型左型走滑，总位移达到250～300 km，这两期走滑是在不同的构造体系下形成的[23，25]。同时该地区发育伸展构造，如南蒙古地区Atanshiree及Nartyn岩浆穹窿、中蒙边境的亚干变质核杂岩[26]、内蒙古二连浩特地区的宝德尔伸展穹窿(图2)和罕乌拉伸展剪切带等[27-28]。区域地层包括中生界、新生界及少量的古生界。古生界主要为奥陶系、石炭系、二叠系，中生界主要为侏罗系、白垩系，新生界为新第三系及第四系，其中白垩系分布最多。研究区花岗岩分布广泛，大体呈北北东向展布，以晚古生代(主要是石炭纪和二叠纪)花岗岩为主，中生代(主要是侏罗纪和白垩纪)花岗岩出露较少。岩性主要为中粒黑云母花岗岩。

额尔德尼岩体距中蒙边界约20 km，岩体呈北东东向不规则长条状展布，长2～8 km，宽1～5 km，由多个独立的穹窿状花岗岩出露构成(图3a)，总面积约30 km2；整体可见近水平节理(图3a)，与其东北方向的位于中蒙边境地区的宝德尔和罕乌拉穹窿花岗岩地貌(图3b、c)非常相似，其中宝德尔穹窿[17]北侧剪切带和罕乌拉穹窿[18]西北缘的大型韧性剪切带走向均为北东向。岩体上覆上白垩统及第四系，分布在两条北东走向的断裂之间，围岩可见新元古界及早古生代地层。岩体无明显的岩相分带，边界均被第四系所覆盖，未见到韧性变形。在1∶100万蒙古地质图[29]上，该岩体的形成时代被标记为中生代。

据文献[15]修编。

位置见图1。

a. 额尔德尼岩体野外露头；b. 宝德尔岩体野外露头；c. 罕乌拉岩体野外露头；d. 黑云母花岗岩正交光下照片。Bi. 黑云母；Kf. 钾长石；Pl. 斜长石；Q. 石英。

2 岩相学特征

额尔德尼岩体主要岩性为黑云母花岗岩，新鲜面灰白色，中粒花岗结构，块状构造，局部可见石英和黑云母流动定向，但未见明显固态变形，这点也与宝德尔穹窿的早白垩世石林序列第三单元相似[29]。主要矿物组成为石英、微斜长石、斜长石、黑云母(图3d)。石英为无色，呈他形粒状，可见波状消光，粒度为0.2～2.0 mm，体积分数为25%～30%；微斜长石呈半自形板状，粒度为1.0～3.0 mm，体积分数为35%～40%，有格子双晶出现，部分微斜长石包含石英及黑云母颗粒，局部表面发生高岭土化；斜长石呈无色，半自形板状，粒度为0.2～1.0 mm，体积分数为15%～20%；黑云母呈片状，多色性强，浅棕色—棕色，发育一组极完全解理，体积分数为5%～10%；还有少量的辉石，体积分数小于5%。副矿物为磁铁矿及锆石。

3 样品采集与测试方法

本文在研究区选取了1件新鲜样品进行锆石U-Pb年代学分析。锆石单矿物分离在河北廊坊宇能岩石矿物分选技术服务有限公司完成。首先将测试样品粉碎，经常规重选和电磁选后，在双目镜下挑选锆石；然后将晶形和透明度较好的锆石颗粒置于DEVCON环氧树脂中，待固结后抛磨，使锆石内部充分暴露；最后进行锆石反射光、透射光和阴极发光显微(CL)拍照，锆石的制靶以及透射光、反射光和阴极发光拍照均在中国地质科学院矿产资源所电子探针室完成。激光烧蚀(LA)-ICP-MS锆石U-Pb分析在西安地质调查中心微区同位素地球化学实验室完成，该系统配备了20 μm的激光，采用 GJ-1标准锆石作为外部锆石年龄标准进行 U、Pb 同位素分馏校正。国际标准锆石91500被用作参考标样。利用ICPMS Data Cal 软件进行数据处理，锆石U-Pb谐和图和年龄计算使用Isoplot4.16[30]完成。

选取5件样品进行地球化学元素分析，主、微量和稀土元素分析均在加拿大温哥华Acme实验室完成。主量元素测试首先对样品进行偏硼酸锂/四硼酸盐融合和硝酸稀释溶解，再选取0.2 g样品进行ICP-AES分析，烧失量根据点火后在1 000 ℃时的重量差别测定。稀土元素和难溶元素的测定先选取样品进行偏硼酸锂/四硼酸盐融合和硝酸稀释溶解，再进行ICP-MS分析；另外单独选取0.5 g 样品经王水溶解，进行ICP-MS分析贵金属和基础金属的含量。

选取定年样品中具有谐和年龄的典型锆石进行Lu-Hf同位素的分析。锆石Lu-Hf同位素测试在中国地质科学院地质研究所大陆构造与动力学国家重点实验室完成。所用仪器为Neptune多接收等离子质谱和Newwave UP213紫外激光剥蚀系统(LA-MC-ICP-MS)。实验过程中采用He作为剥蚀物质载气；根据锆石大小，剥蚀直径采用44 μm；测定时使用国际上通用的锆石标样GJ-1作为参考物质，分析过程中锆石标准GJ-1的176Hf/177Hf测试加权平均值为0.282 015±0.000 008(2σ,n=10)。

4 测试结果

4.1 锆石 U-Pb 定年

测年花岗岩样品采自岩体西侧(图2)，位于额尔德尼镇以北(111°05′32.3″E、44°26′56.0″N)，样品新鲜未风化。分选出的锆石为自形或半自形晶，呈长柱状，核边结构明显，发育典型的岩浆震荡环带。Th/U值介于0.41～1.31之间(表1)，符合岩浆成因特点[31]。本次均选择锆石环带的边缘部位进行测试(图4)，U-Pb测试结果见表1。30颗代表性锆石测试结果显示，21个点非常集中分布在谐和线上，其206Pb/238U加权平均年龄为(123.4±1.4) Ma(n=21, MSWD=2.5)(图4c)，说明额尔德尼黑云母花岗岩形成于早白垩世。而测试点5和11获得2个较大的年龄，应为捕获锆石的年龄，分别为(177±5)Ma和(306±5)Ma；点1、点3和点10则显示出明显的铅丢失现象；点8、点15、点17和点19测出的数据与其他的测试数据谐和性差，推测可能为捕掳锆石，不予采用。

图4 额尔德尼花岗岩部分锆石阴极发光照片(a)、锆石U-Pb年龄谐和图(b)和加权平均年龄直方图(c)

4.2 主微量元素

额尔德尼花岗岩主量元素、微量元素及稀土元素分析测试结果见表2。高硅(w(SiO2)=71.01%～72.66%)、富钾(w(K2O)=4.90%～5.32%)，属高钾钙碱性花岗岩(图5a)；w(Na2O)较高(3.44%～3.73%)，全碱质量分数超过8%(w(Na2O+K2O)=8.52%～8.90%)。富铝(w(Al2O3)=14.22%～14.81%)，铝饱和指数A/CNK为1.05～1.07，A/NK为1.25～1.28，表现为弱过铝质(图5b)。w(Fe2O3)为1.50%～2.01%，w(MgO)为0.27%～0.39%，w(CaO)为1.10%～1.27%和w(P2O5)为0.06%～0.11%。

额尔德尼花岗岩稀土元素总量w(∑REE)为178.45×10-6～266.46×10-6，稀土元素标准化配分曲线(图6a)呈右倾型形式，轻稀土元素相对富集，重稀土元素相对亏损，轻重稀土元素分异较为明显，LREE/HREE为9.46～12.27，( La/Yb)N=20.70～27.64，Eu负异常明显(δEu=0.11～0.15)。在微量元素标准化蛛网图(图6b)中，普遍富集Rb、U、Th等大离子亲石元素和Ta、Zr、Hf等高场强元素，而Nb、Sr、Ba等元素明显亏损。

4.3 锆石Hf同位素

在LA-ICP-MS锆石U-Pb定年的基础上，选取样品中具有谐和年龄的典型锆石进行锆石原位微区Hf同位素测试，每颗锆石εHf(t)值以结晶年龄计算，分析结果见表3和图7。

额尔德尼花岗岩样品(M1496-4.1)代表其形成时代的锆石176Hf/177Hf值介于0.282 771～0.282 923之间，其εHf(t)值介于2.54～7.92之间，Hf同位素单阶段模式年龄(TDM1)和二阶段模式年龄(TDM2)分别变化于702～477 Ma和1 016～673 Ma之间(n=19)。

5 讨论

5.1 岩石成因

额尔德尼花岗岩富碱，但手标本和薄片上均未见到碱性暗色矿物，地球化学特征表现属弱过铝质。利用A型花岗岩判别图解(图8)，额尔德尼花岗岩均落在A型花岗岩区域，同时其锆石饱和温度较高，变化于814～820 ℃之间，平均为816 ℃，与A型花岗岩的特征相一致。因此，额尔德尼黑云母花岗岩归属为高钾钙碱性铝质A型花岗岩。

表2 额尔德尼早白垩世花岗岩主量元素、稀土元素和部分微量元素分析结果

额尔德尼花岗岩具有高硅、富碱、贫镁特征，富集Rb、U、Th等大离子亲石元素和Ta、Zr、Hf等高场强元素，亏损Nb、Sr、Ba等元素。Eu负异常明显。额尔德尼花岗岩的εHf(t)值变化范围不大(2.54～7.92)，介于球粒陨石和亏损地幔之间(图7)，TDM2为1 016～673 Ma，显示出年轻新生地壳是其主要源区。相对于同区带的其他几个穹窿的花岗岩，其εHf(t)值要低些，TDM2值要大些，显示有更多的地壳物质参与了花岗岩的形成，这可能与地幔物质的上涌加热、新生地壳发生部分熔融有关，并且有可能受到古老地壳物质的混染。

5.2 构造背景

额尔德尼A型花岗岩穹窿是南蒙古地区除Nartyn和Atanshiree穹窿外新发现的又一早白垩世花岗岩体，尽管其结构不完整，但花岗岩显示出与同时期(140～120 Ma)、同一区带(中蒙边境地区)包括相邻的宝德尔、纳兰以及罕乌拉不对称穹窿具有相似的特征。这些穹窿的伸展极性为南东向，主剪切带走向为北东向，与蒙古—鄂霍茨克带平行，与古太平洋往西的俯冲方向斜交；同时额尔德尼位于南蒙古境内，远离西太平洋俯冲带，而离蒙古—鄂霍茨克带较近，其形成于蒙古—鄂霍茨克洋晚侏罗世关闭之后不久，转入后造山伸展或板内环境。利用A型花岗岩分类图解，额尔德尼地区A型花岗岩都位于A1型花岗岩范围内(图9)，即非造山A型花岗岩，暗示其形成指示了陆内伸展的背景，且形成于板内环境。因此，本文更倾向于认为额尔德尼A型花岗岩的形成与蒙古—鄂霍茨克洋关闭后的效应关系更密切些。

额尔德尼地区早白垩世A型花岗岩具有低的εHf(t)值(图7)，其模式年龄明显大于侏罗纪花岗岩的Hf模式年龄，显示有较多的古老地壳物质加入了该花岗岩形成。形成原因可能是在蒙古—鄂霍茨克洋闭合后的板内背景下，加厚地壳的伸展垮塌[11,15]，导致深部幔源岩浆发生大规模底侵，整个东南蒙古地区发生大规模伸展减薄，在130 Ma达到伸展峰期[15]，中下地壳由于底侵及地壳伸展导致的减压熔融形成额尔德尼A型花岗岩。