大兴安岭乌奴耳地区石炭纪花岗闪长岩锆石U-Pb年龄及形成地质背景

2023-01-17李利阳伍光英侯红星刘根源

地质与资源 2022年6期

关键词：花岗闪长岩锆石

李利阳，韩瑶，伍光英，侯红星，刘博，刘根源

1.中国地质调查局廊坊自然资源综合调查中心，河北廊坊 065000；

2.山东省地质环境监测总站，山东济南 250014；

3.中国地质调查局地球物理调查中心，河北廊坊 065000

中亚造山带（CAOB）是世界最大的显生宙增生型造山带之一，经历了漫长而又复杂的增生造山过程，其形成与古亚洲洋的构造演化密切相关.

大兴安岭地区位于中亚造山带东段，是研究造山带构造演化的重要窗口之一.该区自北向南依次跨越额尔古纳、兴安和松嫩3个地块，各地块之间分别以新林-喜桂图缝合带、黑河-贺根山缝合带和牡丹江缝合带为界［1-17］.额尔古纳地块与兴安地块以新林-喜桂图缝合带为界，研究区位于新林-喜桂图缝合带内.一些学者认为新林-喜桂图缝合带形成于新元古代［17-19］，于早古生代（约500 Ma）时期碰撞拼贴.该条缝合带以新林蛇绿岩、塔源辉长岩、吉峰蛇绿岩、头道桥蓝片岩等为标志，空间展布特征较为清晰［2，5-6］.大乌苏蛇绿岩的形成时代和侵入新林蛇绿岩的斜长花岗岩的年龄显示，新林蛇绿岩可能形成于早奥陶世，详细的地球化学研究表明，其为弧后盆地扩张过程中的早期产物，就位时代可能为早石炭世［20］.近年来，随着大兴安岭地质工作的深入研究，在头道桥南侧识别出乌尔其汗-乌奴耳多处蛇绿混杂岩，岩石组合为变玄武岩→变辉长岩→变辉绿岩→变辉绿玢岩→放射虫硅质岩，多以断块形式分布于奥陶纪、泥盆纪地层之间，其中乌奴耳地区变辉长岩的锆石U-Pb年龄为344～328 Ma［15］，乌奴耳东南雅鲁地区的扁辉长岩的形成时代为430±8 Ma［9］.因此，额尔古纳地块与兴安地块可能并未是一次性的简单的地块拼合，两者之间可能经历过多次洋盆俯冲作用与岩浆弧形成事件.

研究区发育大量的晚古生代花岗岩，记录了这一时期的构造演化过程.但其研究程度很低，一直缺少精确的年代学和系统的地球化学研究，形成环境一直存在争议.本文通过对牙克石乌奴耳地区的花岗闪长岩进行年代学、岩石地球化学研究，探讨岩石成因及形成的构造背景，以期为区域构造演化提供新的依据.

1 地质背景

研究区位于内蒙古大兴安岭北部牙克石市乌奴耳镇，构造上位于新林-喜桂图缝合带内（图1）.区内古生界为北疆-兴安地层大区之兴安地层区，主体属东乌-呼玛地层分区；中、新生界属滨太平洋地层区之大兴安岭-燕山地层分区，博克图-二连浩特地层小区.奥陶纪出露地层主要为多宝山组和裸河组，多宝山组为一套具有岛弧特征的中酸性火山岩［21］，裸河组是一套具有活动大陆边缘性质的陆缘碎屑岩系［22-23］.区内志留纪地层缺失.泥盆纪出露地层主要为泥鳅河组和大民山组，泥鳅河组为一套陆缘碎屑岩［24］，大民山组为一套具有岛弧性质的中酸性火山岩地层［25-26］.中生代以来受鄂霍次克洋闭合和环太平洋构造域的双重影响，早期北东向断裂复活，形成了一系列受北东向断裂构造控制的火山隆起及火山断（拗）陷盆地，发生强烈的火山喷发活动，形成满克头鄂博组、玛尼吐组及白音高老组火山岩.满克头鄂博组主体为一套中酸性火山岩，玛尼吐组主体为一套中性火山岩，白音高老组主体为一套酸性火山岩.研究区发育大量晚古生代花岗岩，主要为闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩、正长花岗岩，这些花岗岩普遍侵入于奥陶系、泥盆系之中，被中生代火山岩及第四系覆盖.本研究的花岗闪长岩侵入于闪长岩中，被第四系覆盖（图1）.

图1 大兴安岭乌奴耳地区地质简图及采样位置Fig.1 Geological sketch map and sampling location of Wunuer area，Daxinganling Mountains

2 岩石学特征

本研究的花岗闪长岩位于乌奴耳镇六十四米桥南西3 km处，呈岩基或岩枝产出.风化面为灰褐色，新鲜面为浅灰黄色，花岗结构（图2），块状构造.主要矿物成分有石英、斜长石、钾长石、角闪石.斜长石无色，透明，自形—半自形板状，聚片双晶，粒径0.30～2.00 mm，含量50%～60%；石英无色，透明，他形粒状，粒径0.20～2.00 mm，含量20%～30%；钾长石无色，半自形板状，粒径0.20～1.50 mm，含量约为10%；角闪石淡绿色，透明，半自形—他形柱状，粒径0.10～1.00 mm，含量10%～15%.岩石蚀变现象普遍，可见绿帘石化、绿泥石化、绢云母化.

图2 大兴安岭乌奴耳地区花岗闪长岩显微镜下照片Fig.2 Microphotographs of granodiorites in Wunuer area，Daxinganling Mountains

3 年代学特征

锆石分选由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成.经重液浮选和电磁分离分选后，在双目镜下挑选出晶型完好、透明度高、无包裹体和无裂纹的锆石颗粒作为测定对象.挑选好的锆石和标样一起固定在环氧树脂中抛光制靶，进行阴极发光、透射光和单偏光照相.锆石阴极发光（CL）图像分析在北京锆石领航科技有限公司高分辨热场发射能谱阴极发光室进行，锆石原位LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分析测年在北京科荟测试技术有限公进行，测年所用分析仪器为Thermo Fisher Neptune型多接收器电感耦合等离子体质谱仪及SIUP193FXArF型激光剥蚀系统（LA-ICPMS），激光剥蚀斑束35 μm，激光量密度10～13 J/cm2，频率8～10 Hz，对测试数据进行普通铅校正，年龄计算及谐和图绘制采用Isoplot程序［27-29］.

样品（U-Pb20171003）采自工作区乌奴耳镇六十四米桥南西（取样点位置：X 359475.33，Y 5394925.6，由GPS确定），重约5 kg，测年采用单颗粒锆石激光剥蚀法.锆石阴极发光图像显示，锆石多呈短柱状，个别为长柱状，自形程度较好，棱角平直，晶形完整，颗粒大小不一，长宽比在3∶1～1∶1之间，可观察到清晰的韵律环带结构（图3），较高的Th/U比值（表1）表明其具有岩浆锆石的特征.锆石晶体测定位置的选取，需要结合透射光、反射光和CL图像，以避开锆石晶体中的裂纹和包裹体，选取的分析点均位于明显的岩浆环带部位，剔除早期变质锆石及后期热事件形成的锆石，花岗闪长岩11颗锆石颗粒的LA-ICP-MS U-Pb年龄测定显示，花岗闪长岩的年龄在332.6±6.9 Ma（图4），为早石炭世.

图4 样品（U-Pb20171003）U-Pb年龄谐和图及加权平均年龄Fig.4 U-Pb concordia diagram and weighted mean age for granodiorite sample

表1 花岗闪长岩（U-Pb20171003）LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄结果一览表Table 1 Zircon LA-ICP-MS U-Pb dating results of granodiorite sample（U-Pb20171003）

图3 样品（U-Pb20171003）锆石CL图像特征及测年结果Fig.3 CL images of zircons in granodiorite sample and dating results

4 岩石化学特征

4.1 样品采集及测试方法

岩石地球化学测试样品均为未风化、未蚀变的新鲜样品.样品在核工业北京地质研究院分析中心测试完成.将测试样品粉碎，研磨至200目以下的粉末备用.主量元素采用X射线荧光分析，使用仪器为AxiosmAX X射线荧光光谱仪，检测方法和依据参照GB/T 14506.14—2010《硅酸盐岩石化学分析方法第14部分：氧化亚铁量测定》，GB/T 14506.28—2010《硅酸盐岩石化学分析方法第28部分：16个主次成分量测定》；微量元素采用NexION300D等离子体质谱仪，检测方法和依据参照GB/T 14506.30—2010《硅酸盐岩石化学分析方法第30部分：44个元素量测定》.

4.2 主量元素

测试结果（表2，扫描首页OSID二维码可见）显示，样品烧失量范围在1.76%～2.40%之间，平均值2.15%.首先对所测岩石地球化学数据去掉烧失量以后，将其余的主元素氧化物分析数据换算成100%，而后进行地球化学投图，识别岩浆岩的岩类.SiO2含量（质量分数）为62.00%～64.74%，平均值为63.92%，属中性岩范畴.在侵入岩TAS分类图上（图5），样品均落于花岗闪长岩区域，属亚碱性系列.分异指数DI＝53.09～59.83，平均值为56.87，固结指数SI＝34.01～36.61，平均值为35.06，表明岩浆分异程度一般，符合中性岩演化特征.侵入岩SiO2-K2O图（图6）显示样品均落于低钾（拉斑）系列.Al2O3含量为12.81%～13.77%，铝饱和指数A/CNK为0.79～0.87.在A/CNKA/NK判别图解（图7）中样品落于准铝质区，因此研究区花岗闪长岩属准铝质低钾（拉斑）系列.

图5 乌奴耳地区花岗闪长岩TAS分类图Fig.5 The TAS diagram for granodiorites in Wunuer area

图6 乌奴耳地区花岗闪长岩SiO2-K2O图解Fig.6 The SiO2-K2O diagram for granodiorites in Wunuer area

图7 乌奴耳地区花岗闪长岩A/CNK-A/NK判别图解Fig.7 The A/CNK-A/NK diagram for granodiorites in Wunuer area

4.3 微量元素特征

花岗闪长岩的微量元素原始地幔标准化蛛网图（图8a）显示整体呈斜率较小的右倾.微量元素分析结果（表2，扫描首页OSID二维码可见）显示，总体富集大离子亲石元素，亏损高场强元素.Th、U表现为明显的正异常，Nb、Ta、Zr、Ti表现为明显负异常，La、Hf、Lu等富集，符合火山弧花岗岩的特征，表明该侵入岩的形成与俯冲作用有关.

图8 大兴安岭乌奴耳地区花岗闪长岩微量元素蛛网图和稀土元素配分曲线图Fig.8 Primitive mantle-normalized trace element spidergrams and chondrite-normalized REE patterns of granodiorites in Wunuer area

4.4 稀土元素特征

花岗闪长岩稀土元素含量（表2，扫描首页OSID二维码可见）显示：稀土总量ΣREE为48.58×10-6～59.03×10-6，平均值为53.93×10-6，稀土含量较低.LREE/HREE为4.64～4.98，平均值为4.78.LaN/YbN为3.78～4.28，均值为3.98.总体上岩体富集轻稀土，重稀土相对亏损且较平坦，轻重稀土分异明显.LaN/SmN＝3.14～3.50，均值为3.32.GdN/YbN＝1.13，表明轻稀土分馏程度较高，重稀土基本不分馏.稀土元素配分型式（图8b）显示花岗闪长岩样品具有明显的负Eu异常，Eu具“V”谷的曲线特征，δEu值为0.61～0.69，平均值为0.65，指示具有基性斜长石的分离结晶作用发生.

5 讨论

5.1 岩石成因

研究区花岗闪长岩具有较高的K2O＋Na2O和较低的MgO、P2O5含量，在Whalen等［30］提出的一系列以Ga/Al值为基础的判别图解中，所有样品均落在I＆S型花岗岩区域（图9）.从岩相学角度来看，典型S型花岗岩常含有堇青石、石榴石和原生的白云母等特征性的富铝矿物，研究区花岗闪长岩未见典型S型花岗岩所含有的特征性的富铝矿物；经CIPW标准矿物计算，样品中普遍含微量刚玉分子，含量均小于2%，从矿物学角度直接证明了岩石的弱过铝特性；从地球化学的角度来看，早石炭世花岗闪长岩为准铝质（A/CNK＝0.785～0.869），并没有变质沉积岩发生部分熔融形成熔体的强过铝质的特征.综合分析认为，早石炭世花岗闪长岩为准铝质I型花岗岩.

图9 大兴安岭乌奴耳地区花岗闪长岩Ga/Al-Ce和Ga/Al-（K2O＋Na2O）图解（据文献［30］）Fig.9 The Ga/Al-Ce and Ga/Al（-K2O＋Na2O）diagrams of granodiorites in Wunuer area（After Reference［30］）

5.2 大地构造背景

在花岗岩（Y＋Nb）-Rb构造判别图（图10a）中，花岗闪长岩样品均落入VAG火山弧花岗岩区.在花岗岩（Yb＋Ta）-Rb构造判别图（图10b）中，花岗闪长岩样品也均落入VAG火山弧花岗岩区.综合表明花岗闪长岩的形成环境为板块俯冲作用下的火山弧环境.

图10 大兴安岭乌奴耳地区花岗闪长岩（Y＋Nb）-Rb和（Yb＋Ta）-Rb构造判别图解（据文献［30］）Fig.10 The（Y＋Nb）-Rb and（Yb＋Ta）-Rb tectonic distrimination diagrams of granodiorites in Wunuer area（After Reference［30］）

乌尔其汗、免渡河、多宝山地区发现岛弧火山岩（373.2±5.3 Ma）和高锶低钇（adakitic）花岗闪长岩（331.2±3.7 Ma），表明晚泥盆世—早石炭世发生过大洋板片的俯冲作用［31-34］，牙克石乌奴耳地区发现同碰撞背景下的正长花岗岩（310.8±2.5 Ma）［35-36］，在大兴安岭西部多宝山、嫩江地区发现310 Ma左右具碰撞后伸张的流纹岩，可见沿着头道桥-新林缝合带在晚泥盆世—早二叠世期间存在着俯冲→碰撞→后碰撞→造山后伸展的岩浆岩组合，内蒙古狼山地区、锡林浩特毛登牧场、苏尼特左旗北部阿登锡勒大队一带也发现了早石炭世古亚洲洋俯冲作用下的石英闪长岩、花岗闪长岩和二长花岗岩等［37-39］，本研究的花岗闪长岩可能就是这次俯冲作用下的产物.