内蒙古西乌旗早泥盆世I型石英闪长岩的发现及其地质意义

程天赦，杨文静，滕 超，张学斌，杨欣杰，来 林，吴荣泽，周长红

(1.中国地质调查局自然资源实物地质资料中心，河北 三河 065201；2.天津市地质调查研究院，天津 300191)

0 引 言

内蒙古西乌旗地区位于中亚造山带兴蒙造山带东段[1-2]，是研究古亚洲洋构造演化的重要地区之一。古亚洲洋位于西伯利亚板块与华北板块之间，贺根山洋等分支洋将额尔古纳等微板块分隔。随着华北板块与西伯利亚板块的拼合，古亚洲洋闭合消失，由此构筑的造山带东段形成了贺根山、西拉木沦河缝合带及锡林浩特岩浆弧等重要构造单元(图1(a))。

图1 兴蒙造山带大地构造划分(a)(据Sengör等[1])及研究区位置图(b)(据叶天竺[2])Fig.1 Map showing the tectonic division of the Xingmeng orogenic belt(after Sengör et al.[1])(a)and the location of the study area(b)(after Ye[2])1.白垩纪斑状花岗岩；2.白垩纪花岗岩；3.侏罗纪二长花岗岩；4.侏罗纪花岗岩；5.侏罗纪斑状花岗岩；6.三叠纪花岗岩；7.三叠纪花岗闪长岩；8.二叠纪花岗闪长岩；9.二叠纪斑状花岗岩；10.二叠纪石英闪长岩；11.二叠纪二长花岗岩；12.石炭纪二长花岗岩；13.石炭纪花岗岩；14.二叠纪侵入岩；15.泥盆纪基性-超基性岩未分；16.扎兰屯—多宝山岛弧；17.贺根山蛇绿混杂岩带；18.锡林浩特岩浆弧；19.白音宝力道俯冲增生杂岩/高压蓝片岩变质杂岩；20.索伦山蛇绿混杂带；21.林西残余盆地；22.温都尔庙俯冲增生杂岩/高压蓝片岩带；23.镶黄旗—多伦陆缘岩浆弧/断陷火山-沉积盆地；24.红旗营子基底杂岩/冀北岩浆弧；25.断层；26.研究区位置

传统观点认为，在泥盆纪之前，古亚洲洋北侧分支洋盆贺根山洋盆向北俯冲于西伯利亚板块之下。因此，与洋盆消减作用相关的前泥盆纪岩浆岩主要分布于贺根山结合带以北[3-7]；早石炭世，贺根山洋盆开始向南俯冲于锡林浩特微陆块之下，形成晚古生代—中生代锡林浩特岩浆弧[8]。近期开展的1:50000区域地质调查在贺根山结合带以南西乌旗乌和日楚鲁一带陆续新发现了一系列泥盆纪岩浆岩。本文对西乌旗乌和日楚鲁石英闪长岩进行锆石U-Pb年代学、岩相学以及全岩元素组成研究，分析岩石成因及成岩构造环境，希冀对揭示泥盆纪贺根山洋盆俯冲消减的动力学过程提供新的制约。

1 地质背景

内蒙古西乌旗地区位于兴蒙造山带锡林浩特岩浆弧中部(图1(b))，北侧紧邻贺根山结合带，南侧紧邻西拉木沦结合带。古生代—中生代该地区受西伯利亚板块、华北板块及锡林浩特微陆块等俯冲、碰撞和拼合影响。石炭纪—白垩纪岩浆岩广泛发育，呈NE—SW向带状展布[9-10]。

乌和日楚鲁石英闪长岩是目前研究区内发现的时代最古老的岩体(图2)，呈单个岩株状出露，岩石露头较好，呈块状构造，风化面呈浅灰黑色，新鲜面呈灰黑色。岩体中未见围岩捕虏体及暗色包体。岩体北部与早二叠世寿山沟组地层呈逆冲断层接触，东部和西南局部被早白垩世碎斑熔岩不整合覆盖，南部被早石炭世花岗闪长岩和早二叠世二长花岗岩侵入，并在岩体内部局部可见花岗闪长岩岩枝状露头，岩体中未见被其它岩体或岩脉侵入。岩体出露完整，局部较破碎，劈理和片理发育，后期热液沿破碎带发生绿帘石化、绿泥石化、硅化和褐铁矿化等蚀变。

图2 乌和日楚鲁石英闪长岩地质概图(实测)Fig.2 Sketch geologic map showing the Uhelchulu quartz diorite

2 样品采集与分析方法

2.1 样品采集

本次在乌和日楚鲁石英闪长岩中采集了岩矿鉴定样品2件(A01和A02)、锆石U-Pb年代学样品1件(U01)以及全岩元素组成分析样品4件(A01、A02、A03和A04)，均为新鲜岩石，样品采集位置如图2。

2.2 分析方法

全岩元素组成测试和锆石单矿物分离由廊坊区域地质调查研究所实验室完成，锆石阴极发光(CL)照相由中国科学院地质与地球物理研究所扫描电镜实验室完成，锆石U-Pb同位素定年在中国地质调查局天津地质调查中心完成。岩矿鉴定采用偏光显微镜；主量元素测试采用XRF荧光测试法完成，测试误差小于2%；稀土和微量元素测试采用等离子体质谱(ICP-MS)法，测定精度优于5%；锆石U-Pb测年采用Neptune型LAMC-ICP-MS仪器，激光器波长为193nm，束斑直径为35 μm，采用TE-MORA和GJ-1作为外标进行基体校正。数据处理采用CPMSDataCal程序完成，U-Pb谐和图、年龄分布频率图绘制及年龄加权平均计算使用Iso-plot/Ex_ver 3程序完成。详细测试与数据处理流程见Liu等[11-13]。

3 分析结果

3.1 显微岩相学

乌和日楚鲁石英闪长岩显微岩矿鉴定岩性为中粒石英闪长岩，与野外观察结果一致。岩石呈细粒半自形粒状结构，块状构造，其显微特征如图3(a)和(b)所示。岩石由斜长石、石英、角闪石和黑云母组成。

图3 乌和日楚鲁石英闪长岩显微结构(正交偏光下显示半自形粒状结构)Fig.3 Photos showing the microstructure of the Uhelchulu quartz diorite Am.角闪石；Pl.斜长石；Qtz.石英

斜长石呈半自形板状，杂乱分布，粒径多在2～4 mm，少数0.5～1.8 mm，具绢云母化。斜长石含量65%～60%；石英呈它形粒状单晶或集合体状，分布于斜长石空隙间，粒径0.5～3 mm，粒内波状消光，见绿帘石填充裂纹。石英含量10%～15%；黑云母和角闪石自形程度较好，杂乱分布，直径0.5～4 mm，黑云母被绿泥石和少量绿帘石交代，呈假象，有时弯曲状，角闪石内嵌布少量斜长石。黑云母假象含量10%；角闪石含量15%；此外，副矿物组合属白钛石-赤褐铁矿型，此外还含少量锆石和磷灰石。

3.2 锆石U-Pb年龄

阴极发光图像(CL)(图4(a))显示，锆石颗粒大小不一，长205～325 μm ，宽75～96 μm，长宽比为2:1到3:1。所测锆石颗粒大多呈长柱状自形晶，锆石颗粒的边缘地带均可观察到清晰的韵律环带结构，锆石Th/U=0.28～0.59，均大于0.1(表1)，指示锆石为岩浆成因[14]。

表1 乌和日楚鲁石英闪长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分析结果

图4 乌和日楚鲁石英闪长岩锆石阴极发光图像(CL)(a)、U-Pb年龄谐和图(b)及206Pb/238U年龄直方图(c)Fig.4 Cathodoluminescence images and analysis spots of zircons (a)，U-Pb concordia diagram (b)and 206Pb/238U weighted average histogram (c)of the Uhelchulu quartz diorite sample

所有锆石颗粒除5、7、8和12测点206Pb/238U年龄值偏大外(可能为捕获的残留锆石)，其余9个分析点的206Pb/238U年龄值均比较相近，其变化范围为405.6～381.8 Ma，在谐和线上呈群簇状分布，8个206Pb/238U加权平均年龄值为(395.8±7.5)Ma(MSWD=1.4)(图4(b)和(c))，显示乌和日楚鲁石英闪长岩形成于早泥盆世。

3.3 全岩元素组成

乌和日楚鲁石英闪长岩的主量元素、微量元素及稀土元素分析结果如表2。

3.3.1 主量元素

石英闪长岩的SiO2含量为55.39%～ 60.53%，Al2O3为14.33%～15.43%，K2O为1.72%～2.39%，Na2O为2.18%～2.63%，TiO2为0.73%～0.99%，MnO为0.13%～0.18%，MgO为3.73%～5.62%，CaO为5.11%～6.76%，P2O5为0.15%～0.20%，K2O+Na2O=3.94%～4.87%；Na2O/K2O=1.04～1.44，A/CNK=0.83～0.97，A/NK=2.20～2.61。

总体上，乌和日楚鲁石英闪长岩具有高硅、低钾、富钠和富钙的特征，TiO2、MnO和P2O5含量较低，属偏铝质岩石，经历了较强的结晶分异作用。TAS图解(图5(a))中，样品点位于花岗闪长岩和闪长岩区；AFM图解(图5(b))中，样品点均位于钙碱性系列。

图5 乌和日楚鲁石英闪长岩TAS(a)和AFM(b)图解Fig.5 TAS(a)and AFM(b)diagrams of the Uhelchulu quartz diorite

3.3.2 稀土元素和微量元素

图6(a)为石英闪长岩稀土元素球粒陨石[15]标准化REE配分图。石英闪长岩稀土元素总量较低，∑REE=102.93×10-6～147.13 ×10-6，LREE/HREE=4.75～5.20，(La/Yb)N=3.51～3.96，曲线呈明显右倾型，轻稀土较富集，轻重稀土分馏明显；(La/Sm)N=1.89～2.15，(Gd/Yb)N=1.17～1.23，轻稀土和重稀土内部均未发生较明显分馏；δEu=0.75～0.84，Eu弱负异常。

图6 乌和日楚鲁石英闪长岩稀土元素球粒陨石标准化配分曲线(a)(标准值据Boynton[15])和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)(标准值据Sun和McDonough[16])Fig.6 Chondrite-normalized REE(a)and primitive mantle-normalized trace element(b)distribution patterns of the Uhelchulu quartz diorite (normalizing data from refs. [15]and [16]，respectively)

图6(b)为石英闪长岩的微量元素原始地幔[16]标准化蛛网图。从表2和图6(b)可以看出，石英闪长岩的微量元素总体呈现高含量特征，Rb、Ba、Th、U、Pb和Sr相对富集，在图6(b)中呈相对“峰”值；高场强元素HFSE强烈亏损，如Zr、Hf、Nb、Ta和Ti，在图6(b)中呈相对“谷”值。可能与岩浆结晶分离作用和成因有关。

4 讨 论

4.1 岩浆岩成因

花岗岩按照源区性质通常可分为I型、S型、A型和M型4种成因类型。其中，M型花岗岩较为少见[17]。典型的A型花岗岩在矿物学上一般含有碱性暗色矿物[18]；在化学成分上，一般富Si、富K、富Fe以及富Ga、Zr、Nb、Ce和Y等高场强元素，具有较高的成岩温度，属于高温花岗岩[19-21]。乌和日楚鲁石英闪长岩硅含量中等(SiO2=55.39%～60.53%)、碱含量中等(K2O+Na2O=3.94%～4.87%)和富钠(Na2O/K2O=1.04～1.44)，且FeO*/MgO较低(1.53～1.68)，与A型花岗岩显著富铁(FeO*/MgO>10)[22]不同，并且在岩矿鉴定中也未发现典型A型花岗岩所发育的碱性暗色矿物；根据全岩主量元素含量及Zr含量，乌和日楚鲁石英闪长岩的全岩锆石饱和温度为734～762 ℃(表2)，平均值为746 ℃，明显低于A型花岗岩平均温度833 ℃[23]；在微量元素上，乌和日楚鲁石英闪长岩的Ga、Zr和Nb等高场强元素含量较低，10000×Ga/Al比值为1.17～1.37，明显低于A型花岗岩的下限值(2.6)[22]，(Zr+Nb+Ce+Y)=249.1×10-6～292.9×10-6，也明显低于A型花岗岩的下限值(350 × 10-6)[22](表2)。因此，乌和日楚鲁石英闪长岩不具备A型花岗岩的岩石矿物学和地球化学特征，应属于I型或S型花岗岩。

磷灰石已被成功地用于区分I型和S型花岗岩类。前人研究[22，24]表明，在准铝质到弱过铝质岩浆中，磷灰石的溶解度在岩浆分异过程中随SiO2的增加而降低；而在强过铝质岩浆中，磷灰石溶解度变化趋势与此相反。乌和日楚鲁石英闪长岩P2O5含量极低(0.15%～0.20%)，并随SiO2含量的增加逐渐降低(图7(a))，与I型花岗岩演化趋势一致，在Na2O-K2O图解(图7(b))中[25]，乌和日楚鲁石英闪长岩样品也均位于I型花岗岩区内。

图7 乌和日楚鲁石英闪长岩SiO2-P2O5(a)和Na2O-K2O(b)图解Fig.7 SiO2-P2O5(a)and Na2O-K2O(b)diagrams of the Uhelchulu quartz diorite

同时，乌和日楚鲁石英闪长岩属钙碱性，主要矿物为斜长石、石英、黑云母和角闪石，副矿物组合属白钛石-赤褐铁矿-石榴子石型，此外还含少量锆石和磷灰石等副矿物，其矿物特征与Barbarin花岗岩分类中ACG(含角闪石钙-碱性花岗岩类)较为相近[26-32]。因此，认为乌和日楚鲁石英闪长岩为I型花岗岩。

4.2 构造背景

关于贺根山洋盆构造演化，黄波等[33]通过对贺根山蛇绿岩的研究认为二连—贺根山一带早泥盆世处于剥蚀阶段，中—晚泥盆世陆壳拉张形成贺根山洋盆，早石炭世晚期向北俯冲消减，至晚石炭世洋盆陆续闭合；邵济安等[34]根据贺根山一带不整合于蛇绿岩之上格根敖包组火山岩年龄及超基性岩侵位年龄，认为贺根山洋盆于晚泥盆世—早石炭世闭合；近年来，王金芳等在西乌旗一带发现了大量石炭纪—二叠纪岩浆岩，包括晚石炭世埃达克岩[35]、TTG[36]，认为贺根山洋盆从石炭纪一直持续到中二叠世，其主要表现为贺根山洋板块向南俯冲消减。前人对于贺根山洋板块俯冲消减极性及古洋盆闭合时限存在较大争议，并且对于早泥盆世贺根山洋盆演化证据报道较少。通过对乌和日楚鲁I型石英闪长岩构造环境的判别[37](图8)，发现所有样品均位于火山弧环境，说明其形成可能与贺根山洋盆板块俯冲消减有关。因此，初步认为贺根山洋盆在早泥盆世已经存在，而且向南俯冲消减，西乌旗一带位于锡林浩特微陆块活动大陆边缘。同时，根据泥盆纪岩浆岩的分布特征，贺根山洋板块在泥盆纪可能存在双向俯冲消减(图9)，至石炭纪转变为以南向俯冲消减为主。

图8 乌和日楚鲁石英闪长岩(Y+Nb)-Rb(a)和Y-Nb(b)判别图解(底图据[37])Fig.8 (Y+Nb)-Rb (a)and Y-Nb (b)granite discrimination diagrams of the Uhelchulu quartz diorite (basemap after ref. [37])Syn-COLG.同碰撞花岗岩；WPG.板内花岗岩；VAG.火山弧花岗岩；ORG.洋中脊花岗岩

图9 早泥盆世二连—贺根山洋盆双向俯冲模式图Fig.9 Bipolar subduction model of the Early Devonian Erlian-Hegenshan Ocean Basin

5 结 论

(1)乌和日楚鲁石英闪长岩岩浆锆石206Pb/238U加权年龄为(395.8±7.5)Ma(MSWD=1.4)，指示该岩体形成于早泥盆世。

(2)岩石中未发现碱性暗色矿物及富铝矿物，具有富钠(Na2O=2.24%～2.71%)、富钙(CaO=5.26%～6.95%)、偏铝质(A/CNK=0.83～0.97)、低FeO*/MgO(1.53～1.68)、低10000×Ga / Al(1.17～1.37)和低Zr+Nb+Ce+Y含量(249.1 ×10-6～292.9 ×10-6)等特征，与I型花岗岩相符。

(3)该I型石英闪长岩形成于活动大陆边缘。综合分析认为其属于贺根山洋板块南向俯冲消减产物，这一发现为早泥盆世贺根山洋板块可能存在南向俯冲提供了证据支持。

致谢：项目组成员在野外和室内整理工作中的大力支持，审稿专家和编辑部老师对本文进行了认真的审查并提出了宝贵的修改意见，在此一并致以衷心的感谢。