内蒙古达茂旗东北部比旗格淖复式岩体的形成年龄、地球化学特征及成因

2024-01-31张建超朱孔阳杨波苏美霞许立权周飞董传万沈忠悦吴艳君孟晓玲佘琳琳

地质论评 2024年1期

张建超,朱孔阳,杨波,苏美霞,许立权,周飞,董传万,沈忠悦,吴艳君,孟晓玲,佘琳琳

1) 浙江大学地球科学学院,浙江省地学大数据与地球深部资源重点实验室,杭州,310058;2) 内蒙古自治区地质调查研究院,呼和浩特,010020

内容提要：达茂旗东北部比旗格淖复式岩体位于内蒙古中部,该岩体由两期侵入体组成,岩性分别为花岗闪长岩和二长花岗岩,前者为岩体主体岩性。主体花岗闪长岩主要由斜长石(An=14 ～ 30)、石英、钾长石和普通角闪石组成,内部发育暗色微粒包体;补体二长花岗岩主要由石英、钾长石和斜长石(An=12 ～ 23)组成。LA-ICPMS锆石U-Pb定年显示岩体形成于晚二叠世,形成年龄为259±2 Ma。主体花岗闪长岩SiO2=66.37%-68.70%、为准铝质—弱过铝质(A/CNK=0.99 ～ 1.01),地球化学上显示出富集轻稀土、大离子亲石元素,亏损重稀土和高场强元素的特征,属于I型花岗岩;其中闪长质暗色微粒包体呈浑圆状或拉长扁平透镜状,年龄与寄主花岗闪长岩一致,为岩浆混合的产物;补体二长花岗岩,高硅(SiO2=71.51% ～ 73.09%)、富碱(Na2O+K2O=7.91% ～ 8.61%),为弱过铝质—强过铝质(A/CNK=1.07 ～ 1.11),属分异I型花岗岩。比旗格淖复式岩体锆石εHf(t)分布范围为-3.0 ～ 3.4,对应的Hf同位素二阶段模式年龄为1473 ～ 1057 Ma。具有相对较低的[n(87Sr)/n(86Sr)]i值(0.704829 ～ 0.705327),εNd(t)值为-5.85 ～ -8.86,对应的Nd的二阶段模式年龄为1.69 ～ 1.45 Ga。结合区域研究资料,认为比旗格淖复式岩体为亏损地幔组分与受其诱发的部分熔融的古老地壳物质混合形成,属于后碰撞型花岗岩,这类岩体的形成标志了古亚洲洋在兴蒙造山带南缘的闭合,并发生造山后伸展作用。

兴蒙造山带是中亚造山带在我国境内的部分,其位于西伯利亚板块和华北板块之间,是古亚洲构造域和古太平洋构造域的交汇部位,拥有着十分复杂的演化历史,一直以来都备受国内外地质学家的关注(何国琦和邵济安,1983;Li Jinyi,2006;Xiao Wenjiao et al.,2003,2015;Xu Bei et al.,2013;徐备等,2018;Zhou Hai et al.,2018)。多数学者认为古亚洲洋的闭合经历了一个从西向东的剪刀式过程,在中亚造山带西段的塔里木板块北缘古亚洲洋闭合于晚石炭世(Han Yigui et al.,2016a,2016b;李皓东等,2022),在阿拉善地块北缘闭合于早—中二叠世(Liu Qian et al.,2017;李皓东等,2022),而到东南段的兴蒙造山带则闭合于晚二叠世—早三叠世(Xiao Wenjiao et al.,2003,2009;Zhang Yanbin et al.,2004;Li Jinyi,2006;李锦轶等,2009;Liu Shen et al.,2010;Cao Huahua et al.,2013;Wilde,2015;Liu Yongjiang et al.,2017;李皓东等,2022)。但也有学者认为在兴蒙造山带古亚洲洋闭合于晚泥盆世—早石炭世(何国琦和邵济安,1983;Tang Kedong,1990;邵济安,1991;Xu Bei et al.,2013;邵济安等,2015,2017),之后从中石炭世一直到晚二叠世整个兴蒙造山带都处于伸展构造背景(Zhang Xiaohui et al.,2008;Xu Bei et al.,2013;Zhao Pan et al.,2016a,b;徐备等,2018)。值得注意的是也有学者提出兴蒙造山带是在晚白垩世于阴山—燕山一带碰撞闭合,而阴山—燕山一线至多数学者认为的“华北克拉通北缘”——白云鄂博—赤峰断裂之间是古亚洲洋中的一个地体(吕洪波等,2018)。可见现有的研究对兴蒙造山带的古亚洲洋闭合的时限存在不同的认识,特别是对于晚古生代—早中生代区域的构造背景最具争议,解决上述争议的关键点在于厘清晚古生代—早中生代兴蒙造山带的构造岩浆活动。在晚古生代—早中生代时期兴蒙造山带南缘产生了一系列的岩浆活动,形成了大量的花岗岩体,位于内蒙古中部的达茂旗东北部比旗格淖复式岩体即为其中之一。笔者等对内蒙古中部的比旗格淖复式岩体进行了系统的野外地质调查、LA-ICPMS锆石U-Pb定年、地球化学和Sr—Nd同位素及锆石Hf同位素研究。结合前人的研究结果,探讨了比旗格淖复式岩体的成因和构造背景,为准确认识兴蒙造山带南缘晚古生代—早中生代的大地构造背景提供依据。

1 区域地质背景与岩体地质特征

研究区位于内蒙古中部,大地构造上位于兴蒙造山带的南缘,华北克拉通北缘增生带(图1a)。

图1 (a)内蒙古中部大地构造示意图(据Xiao Wenjiao et al.,2015修改); (b)达尔罕—茂明安联合旗(达茂旗)地区地质简图,据(内蒙古地质调查研究院❶)修改Fig.1 (a) Structural map of Central Inner Mongolia (modified from Xiao Wenjiao et al.,2015); (b) geological map of Darhan—Maoming’an Union Banner(Damao Banner) area (modified from Inner Mongolia Institute of Geological Survey❶)

沿着白云鄂博—赤峰断裂,华北克拉通北缘和白乃庙岛弧之间出露了大量的奥陶纪—中三叠世的长英质岩浆岩。火山岩有安山岩、英安岩、流纹岩和少量的玄武岩;侵入岩有闪长岩、石英闪长岩、英云闪长岩和花岗闪长岩,构成了沿白云鄂博—赤峰断裂分布的岩浆岩带(图1b)。

比旗格淖复式岩体位于达尔罕—茂明安联合旗(达茂旗)的东北部,平面上呈东西向展布的椭圆形,长约12 km,宽约8 km,出露面积约90 km2(图2)。岩体南侧和东侧侵入奥陶纪闪长岩中,北侧侵入石炭纪的闪长岩中,西侧侵入到中元古代的英云闪长岩之中。比旗格淖复式岩体是由两期岩浆侵入形成的复式岩体,第一期岩浆侵入形成花岗闪长岩,第二期岩浆侵入形成二长花岗岩,晚期被中酸性岩脉侵入。主体花岗闪长岩,出露面积约为80 km2,内部发育暗色微粒包体,从边界向岩体内部逐渐减少;包体呈灰黑色,大小不均一(长约5 ～ 50 cm),形态上大部分呈浑圆状,少部分呈拉长扁平的透镜状。补体二长花岗岩平面形态为东西向展布的透镜状,出露面积约为6 km2,未见暗色微粒包体。晚期侵入岩脉为花岗斑岩脉和石英闪长玢岩脉,呈东西向展布,宽2 ～ 3 m,单条脉体的长度可达6 km,切穿主体花岗闪长岩。

2 岩相学特征

主体花岗闪长岩:呈灰白色,块状构造,中粒花岗结构,主要由斜长石、石英、钾长石、角闪石和少量黑云母组成。斜长石呈半自形板状,常见聚片双晶,部分具有环带结构,结合垂直(010)晶带最大消光角法及能谱分析确定斜长石牌号An=14 ～ 30,属更长石,含量为45% ～ 50%;石英呈他形粒状,含量为20% ～ 25%;钾长石多为微斜长石,呈半自形板柱状,含量为10% ～ 15%;角闪石为普通角闪石,呈自形柱状,发育普通双晶,少部分发生绿帘石化,含量为5% ～ 10%(图3a)。结合显微镜与扫描电镜的观察统计,副矿物以锆石、磷灰石、钛铁矿和榍石为主。花岗闪长岩内部发育闪长质暗色微粒包体,包体呈似斑状结构,斑晶以斜长石(主要为更长石—中长石,An=27 ～ 33,An平均值为31,含量15% ～ 20%)和角闪石(主要为普通角闪石,10% ～ 15%)为主。基质为半自形粒状结构,由斜长石(主要为更长石,An=25 ～ 30,30% ～ 35%)、角闪石(15% ～ 20%)、黑云母(5% ～ 10%)和少量的石英和钾长石组成(图3b),副矿物主要以锆石、针状磷灰石、钛铁矿为主。

图3 内蒙古达茂旗东北部比旗格淖复式岩体野外及镜下照片:(a)(e)花岗闪长岩;(b)(f)花岗闪长岩中暗色微粒包体;(c)(g)二长花岗岩;(d)(h)石英闪长玢岩脉Fig.3 Field and microscopic photos of Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner : (a) (e) granodiorite; (b) (f) mafic microgranular enclave; (c) (g) monzogranite; (d) (h) quartz diorite porphyrite dyke Qtz—石英;Pl—斜长石;Mc—微斜长石;Bt—黑云母;Hbl—普通角闪石Qtz—quartz; Pl—plagioclase; Mc—microcline; Bt—biotite; Hbl—hornblende

补体二长花岗岩:呈浅肉红色,块状构造,中粒花岗结构,主要由石英、钾长石、斜长石以及少量黑云母组成。石英呈他形粒状,含量为45% ～ 50%;钾长石多为微斜长石,发育格子双晶,含量为20% ～ 25%;斜长石呈自形板状,常见聚片双晶,An=12 ～ 23,属更长石,含量为20% ～ 25%(图3c),副矿物有锆石、独居石和少量的磷灰石和磁铁矿。

石英闪长玢岩脉:样品呈灰白色,块状构造,斑状结构,斑晶以斜长石(主要为中长石,An=40 ～ 56,30% ～ 35%)和角闪石(主要为普通角闪石,5% ～ 10%)为主,斜长石斑晶呈自形板状,具环带结构;角闪石斑晶呈自形柱状,局部绿帘石化。基质由斜长石(更长石,An=17 ～ 31,20% ～ 25%)、角闪石(10% ～ 15%)和少量的石英、黑云母和钾长石组成(图3d),副矿物主要以锆石、针状磷灰石、钛铁矿和榍石为主。

3 样品分析方法

笔者等选择具有代表性的花岗闪长岩及其中闪长质暗色微粒包体、二长花岗岩和石英闪长玢岩脉样品,进行了锆石U-Pb年龄、主量、微量元素及全岩Sr—Nd同位素和锆石Hf同位素测试。

岩石样品的前期处理以及锆石分选工作在河北廊坊市宇恒矿岩技术服务有限公司完成。挑选出无裂缝、包体,以及晶形较好的锆石制靶,并拍摄锆石的阴极发光CL图像,这一工作在内蒙古自治区地质调查院分析测试中心完成。锆石LA-ICPMS锆石U-Pb同位素测试和锆石Hf同位素测试在内蒙古自治区地质调查院分析测试中心完成,采用的激光剥蚀系统为Geolas HD,ICPMS为Neptune Plus。激光剥蚀过程中采用氦气作为载气,氩气为补偿气。锆石U-Pb同位素测试采用的激光束斑直径为32 μm,频率为6 Hz,锆石标样采用GJ-1、91500及NIST 610作为内外标,同位素结果使用Andersen(2002)方法校正,数据处理采用ICPMSDataCal 9.0(Liu Yongsheng et al.,2010)完成,U-Pb年龄谐和图和年龄加权平均图用Isoplot完成(Ludwig,2003)。锆石Hf同位素测试参照U-Pb定年的结果和锆石CL图像,分析点位尽量与U-Pb定年点位一致或者位于其附近,使用束斑直径为50 μm,频率为8 Hz。

全岩主量元素和微量元素分析测试在广州澳实矿物实验室完成,所有样品均无蚀变或蚀变较弱,主量元素利用熔融法使用X射线荧光光谱仪(XRF)进行分析,微量元素采用电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)分析。

全岩Sr—Nd同位素化学前处理和质谱测定在南京聚谱有限公司完成,其中二长花岗岩样品(D11与D72)因为n(Rb)/n(Sr) >2.5只做了Nd同位素测定。使用的仪器为Nu Plasma II多接受等离子质谱仪,Sr—Nd同位素测试过程中分别采用n(86Sr)/n(88Sr)=0.1194和n(146Nd)/n(144Nd)=0.7219内部校正仪器质量分馏,NIST SRM 987(Sr同位素标准物质)和JNdi-1作为外标校正仪器漂移。并使用USGS地球化学标准岩石粉末BCR-2和BHVO-2作为质控盲样,它们的n(87Sr)/n(86Sr)测试结果分别为0.705013±0.000010和0.703479±0.000020;n(143Nd)/n(144Nd)测试结果分别为0.512638±0.000015和0.512990±0.000010,在误差范围内与前人报道的数据一致(Weis et al.,2006)。

4 分析结果

4.1 LA-ICPMS锆石U-Pb年龄

达茂旗东北部比旗格淖复式岩体中四件样品花岗闪长岩(D27-2)、闪长质暗色微粒包体(D27-1)、二长花岗岩(D72)和石英闪长玢岩脉(D61)的LA-ICPMS锆石U-Pb年龄结果如表1,锆石的阴极发光图像及测定点位和相应的n(206Pb)/n(238U)年龄及εHf(t)值见图4,锆石U-Pb谐和图及平均年龄见图5。

表1 达茂旗比旗格淖复式岩体锆石U-Pb同位素数据Table 1 Zircon U-Pb isotopic data of Biqigenao complex

图4 内蒙古达茂旗东北部比旗格淖复式岩体锆石阴极发光图Fig.4 Zircon cathodoluminescence images of Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner

图5 内蒙古达茂旗东北部比旗格淖复式岩体锆石U-Pb谐和图Fig.5 Concordia plots for the analyzed zircon grains of Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner

花岗闪长岩(D27-2)、暗色微粒包体(D27-1)、二长花岗岩(D72)和石英闪长玢岩脉(D61)中锆石的U含量分别为(214 ～ 764) ×10-6、(308 ～ 722) ×10-6、(419 ～ 689) ×10-6、(314 ～ 753) ×10-6,对应的n(Th)/n(U)值分别为0.31 ～ 0.50、0.34 ～ 0.66、0.32 ～ 0.66、0.30 ～ 0.58均落入岩浆锆石范围。

花岗闪长岩(D27-2)全部测点的(n=20)n(206Pb)/n(238U)年龄集中在253 ～ 277 Ma,n(206Pb)/n(238U)加权平均年龄为260±2 Ma (MSWD=3.1);暗色微粒包体(D27-1)全部测点的(n=16)n(206Pb)/n(238U)年龄集中在251 ～ 268 Ma,n(206Pb)/n(238U)加权平均年龄为260±2 Ma (MSWD=2.6),二者年龄基本相同;二长花岗岩(D72)全部测点的(n=8)n(206Pb)/n(238U)年龄集中在255 ～ 265 Ma,n(206Pb)/n(238U)加权平均年龄为259±2 Ma (MSWD=1.4),与主体花岗闪长岩基本一致;石英闪长玢岩脉(D61)全部测点的(n=24)n(206Pb)/n(238U)年龄集中在253 ～ 270 Ma,n(206Pb)/n(238U)加权平均年龄为260±2 Ma (MSWD=3.1),也与主体花岗闪长岩年龄一致。

4.2 锆石Hf同位素

对完成U-Pb测年的锆石,在原测点或附近完成了Lu—Hf同位素的测试,测试结果见表2。四件样品的所有分析点n(176Lu)/n(177Hf)的值均小于0.002,表明由n(176Lu)衰变而形成放射性成因的Hf极少,因此可用n(176Hf)/n(177Hf)的值代表锆石形成时的n(176Hf)/n(177Hf)的值(吴福元等,2007;Kinny and Maas,2003)。

表2 内蒙古达茂旗东北部比旗格淖复式岩体锆石Hf同位素数据Table 2 Zircon Hf isotopic data of the Biqigenao complex in northeastern Damao Banner

主体花岗闪长岩(D27-2)16个分析点的n(176Hf)/n(177Hf)范围为0.2825 ～ 0.2827,εHf(t)值变化范围为-2.5 ～ 2.9(图6),对应的Hf同位素两阶段模式年龄TDM2(Ma)为1432 ～ 1096 Ma。其中的暗色微粒包体(D27-1)15个分析点的n(176Hf)/n(177Hf)范围为0.2825 ～ 0.2827,εHf(t)值变化较大,范围为-2.8 ～ 3.4(图6),对应的Hf同位素两阶段模式年龄TDM2(Ma)为1459 ～ 1057 Ma。

图6 内蒙古达茂旗东北部比旗格淖复式岩体锆石εHf(t)分布直方图Fig.6 Zircon εHf(t) for distribution histogram of Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner

补体二长花岗岩(D72)8个分析点的n(176Hf)/n(177Hf)范围为0.2825 ～ 0.2827,εHf(t)值分布较为集中,主要范围为-3 ～ -0.1(图6),对应的Hf同位素模式年龄TDM2(Ma)为1473 ～ 1286 Ma。只有4号点的εHf(t)大于0为2.2,对应的Hf同位素两阶段模式年龄TDM2(Ma)为1146 Ma。

石英闪长玢岩脉(D61)15个分析点的n(176Hf)/n(177Hf)范围为0.2826 ～ 0.2826,εHf(t)值变化范围较小,为-2.3 ～ 0.6(图6),对应的Hf同位素两阶段模式年龄TDM2(Ma)为1425 ～ 1243 Ma。

4.3 全岩主量及微量元素

比旗格淖复式岩体的全岩主微量元素分析结果见表3。

表3 内蒙古达茂旗东北部比旗格淖复式岩体主量元素(%)、微量和稀土元素含量(×10-6)Table 3 Major (%), trace and rare earth elements (×10-6) contents in the Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner

主体花岗闪长岩,SiO2含量为66.37% ～ 68.70%,具有相对较低的全碱含量(Na2O+K2O=7.28% ～ 7.70%)和富钠(Na2O/K2O=1.00 ～ 1.30)的特征,在K2O—SiO2图解上投点落在高钾钙碱性系列区域(图7a);具有较高的TFe2O3(3.49% ～ 4.72%)、MgO(0.95% ～ 1.27%)和CaO(2.53% ～ 3.18%)含量;A/CNK为0.99 ～ 1.01,属于准铝质—弱过铝质岩石(图7b)。

图7 内蒙古达茂旗东北部比旗格淖复式岩体K2O—SiO2图解(a)(底图据Peccerillo and Taylor,1976); A/NK—A/CNK图解(b)(底图据Shand,1943)Fig.7 K2O—SiO2 diagram (after Peccerillo and Taylor,1976) (a) and A/NK—A/CNK diagram (after Shand,1943) of Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner (b)

花岗闪长岩中的暗色微粒包体,在所有样品中具有最低的SiO2含量(61.28% ～ 64.97%)和全碱含量(Na2O+K2O=6.72% ～ 6.82%),富钠(Na2O/K2O=1.56 ～ 1.86),在K2O—SiO2图解上投点落在高钾钙碱性系列和钙碱性系列区域(图7a);具有最高的TFe2O3(5.78% ～ 7.29%)、MgO(1.78% ～ 2.19%)和CaO(3.62% ～ 4.10%)含量;A/CNK为0.95 ～ 0.96,属于准铝质岩石(图7b)。

补体二长花岗岩,具有高的SiO2含量(71.51% ～ 73.09%)和全碱含量(Na2O+K2O=7.91% ～ 8.61%),相对更富钾(Na2O/K2O=0.80 ～ 1.00),在K2O—SiO2图解上投点落在高钾钙碱性系列区域(图7a);TFe2O3、MgO和CaO的含量较低(TFe2O3含量1.66% ～ 2.61%;MgO含量0.05% ～ 0.46%;CaO含量0.74% ～ 1.50%),A/CNK为1.07 ～ 1.11,属于弱过铝质—强过铝质岩石(图7b)。

石英闪长玢岩脉,SiO2含量为65.71% ～ 66.90%,具有相对贫碱(Na2O+K2O=6.96% ～ 7.35%)和富钠(Na2O/K2O=1.28 ～ 1.34)的特征,在K2O—SiO2图解上投点落在高钾钙碱性系列区域(图7a);具有较高的TFe2O3(4.37% ～ 5.05%)、MgO(1.06% ～ 1.37%)和CaO(2.96% ～ 3.38%)含量;A/CNK为1.00 ～ 1.03,属于弱过铝质岩石。

比旗格淖复式岩体稀土元素较低为84 ～ 133×10-6,表现为轻稀土相对富集,重稀土相对亏损的特征,球粒陨石标准化稀土元素分布图上呈右倾式分布(图8a);二长花岗岩具有明显的重稀土亏损,呈明显的右倾式分布,其LREE/HREE和(La/Yb)N值分别为15.12 ～ 16.88和38.27 ～ 42.29,其余样品LREE/HREE和(La/Yb)N分别为7.65 ～ 13.60和7.91 ～ 18.19;二长花岗岩具有明显的Eu负异常(δEu为0.33 ～ 0.37),而其他样品则只有弱的或无Eu的负异常(δEu为0.69 ～ 1.03)。原始地幔标准化微量元素分布图上(图8b),比旗格淖复式岩体所有样品均显示明显的Nb、Ti、P的亏损和Th、U、Pb的富集。二长花岗岩则还具有弱的Ba、Zr和重稀土的负异常以及Rb的正异常,总体上显示出随SiO2含量的增加P和Ti负异常逐渐强烈的趋势。

图8 达茂旗东北部比旗格淖复式岩体稀土元素配分图(标准化值来自Anders and Grevesse,1989)(a)和不相容元素蛛网图(标准化值来自Sun and McDonough,1989)(b)Fig.8 Rare earth element distribution pattern (normalization values from Anders and Grevesse,1989) (a) and incompatible trace elelment spidergram (normalization values from Sun and McDonough,1989) of Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner (b)

4.4 全岩Sr—Nd同位素

比旗格淖复式岩体的全岩Sr—Nd同位素组成分析结果见表4。分析结果表明,除补体二长花岗岩的两个样品(D72和D11),其余样品的[n(87Sr)/n(86Sr)]i分布范围为0.704829 ～ 0.705327,主体花岗闪长岩的[n(87Sr)/n(86Sr)]i平均值为0.705232,暗色微粒包体与石英闪长玢岩脉的[n(87Sr)/n(86Sr)]i则比较接近,平均值分别为0.704838和0.704876。四件样品[n(143Nd)/n(144Nd)]i的分布范围为0.511849 ～ 0.512004,εNd(t)的范围为-5.85 ～ -8.86,补体二长花岗岩具有更富集的Nd同位素特征,εNd(t)平均值为-8.68;花岗闪长岩的相对于其中的包体具有更亏损的Nd同位素特征,两者的εNd(t)平均值分别为-6.29、-6.48;石英闪长玢岩脉的εNd(t)则介于花岗闪长岩与二长花岗岩之间平均值为-7.06。

表4 内蒙古达茂旗东北部比旗格淖复式岩体全岩Sr—Nd同位素分析数据Table 4 Sr—Nd isotope data of the Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner

5 讨论

5.1 成岩时代

关于比旗格淖复式岩体的成岩时代,野外填图时将其定为侏罗纪(内蒙古自治区地质调查研究院,2003),后来张维等(2010)对岩体的花岗闪长岩及其中包体进行了SHRIMP锆石U-Pb定年,两者的年龄分别为245±1 Ma和239±2 Ma,将其成岩时代定为三叠纪。本文的LA-ICPMS锆石U-Pb定年结果显示,比旗格淖复式岩体花岗闪长岩及其中的包体、二长花岗岩和石英闪长玢岩的加权平均年龄分别为259±2 Ma (MSWD=3.1)、260±2 Ma (MSWD=2.6)、259±2 Ma (MSWD=1.4)和260±2 Ma (MSWD=3.1),四者的年龄在误差范围内一致,是因为岩体两期侵入在短时间内陆续完成,而石英闪长玢岩脉的年龄与岩体一致说明其是同侵入岩脉。综上,笔者等将比旗格淖复式岩体的成岩时代定为晚二叠世,与区域内的镶黄旗八音察汗黑云花岗闪长岩体(261.7±6.1 Ma)及二长花岗岩(262.7±6.0 Ma,童英等,2010)、白云鄂博二长花岗岩(263±4 Ma,范宏瑞等,2009)、四子王旗大庙花岗闪长岩体(265±7 Ma,章永梅等,2009)及北极各正长花岗岩体(264.0±3.4 Ma,柳长峰等,2010)、乌拉特后旗的东升庙白云母二长花岗岩体(259.4±3.3 Ma,吴亚飞等,2013)以及敖包图钾长花岗岩(259.0±2.6 Ma,吴迪迪等,2021)的形成时代显示出了较好的一致性。

5.2 岩石成因类型

比旗格淖复式岩体的花岗闪长岩及其中的包体和石英闪长玢岩脉属中酸性、准铝质—弱过铝质高钾钙碱性岩石,富集大离子亲石元素,亏损高场强元素和重稀土元素,在TFeO/MgO—Zr+Nb+Ce+Y、(Na2O+K2O)/CaO—Zr+Nb+Ce+Y和Na2O+K2O)/CaO—10000×Ga/Al图解上(图9)都落在未分异M、I、S型花岗岩区域或I&S型花岗岩区域,岩相学的分析结果三者都含有角闪石,角闪石是I型花岗岩的标志性矿物,表明它们都属于I型花岗岩。比旗格淖复式岩体的补体二长花岗岩,属高钾钙碱性、弱过铝质岩石,具有某些A型花岗岩的特征,在TFeO/MgO—(Zr+Nb+Ce+Y)(图9a)和Na2O+K2O)/CaO—10000×Ga/Al图解上(图9c)落在A型花岗岩区域,但是其低的Zr含量(平均值为83×10-6)以及锆石饱和温度(平均值为739 ℃)证明其不属于A型花岗岩(King et al.,1997)。同时在(Na2O+K2O)/CaO—(Zr+Nb+Ce+Y)图解上(图9b),二长花岗岩样品大部分落在了分异花岗岩区域,因此可以判断二长花岗岩不属于A型花岗岩,应该为分异的I型或S型花岗岩,其具有某些A型花岗岩的特征则是因为随着岩浆分异程度的增加Ga/Al和TFeO/MgO的值也会逐渐升高而落入A型花岗岩区域(Breiter et al.,2014;Liao Xiangdong et al.,2019;Linnen and Cuney, 2005;Whalen et al.,1987)。研究发现可以利用A/CNK、P2O5和SiO2的相关性来区分I型和S型花岗岩,在A/CNK—SiO2和P2O5—SiO2图解上(图10),比旗格淖复式岩体的所有样品都显示出I型花岗岩的趋势(Chappell,1999;李献华等,2007),因此笔者等认为比旗格淖复式岩体二长花岗岩属于分异的I型花岗岩,花岗闪长岩及其中的包体和石英闪长玢岩脉属于未分异的I型花岗岩。符合研究区同时期以高钾钙碱性I型(柳长峰等,2010;罗红玲等,2010;王师捷等,2018;王挽琼等,2013;Liao Xiangdong et al.,2019)和A型花岗岩(蒋孝君等,2013;柳长峰等,2011;罗红玲等,2009;施光海等,2004;Ling Mingxing et al.,2014;Zhou Hai et al.,2019)为主的特征。

图9 达茂旗东北部比旗格淖复式岩体A型花岗岩判别图解(底图据Whalen et al.,1987)Fig.9 A type granite discrimination diagrams for Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner (after Whalen et al.,1987)FG—分异的长英质花岗岩; OTG—未分异的M、I、S型花岗岩;FG—Differentiated felsic granite; OTG—undifferentiated M-, I-, S-type granite

图10 达茂旗东北部比旗格淖复式岩体A/CNK—SiO2图解(a)和P2O5—SiO2图解 (b)(I型和S型花岗岩趋势线据Chappell,1999)Fig.10 A/CNK—SiO2 correlation diagram (a) and P2O5—SiO2 correlation diagram of Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner (b) (after Chappell,1999)

5.3 岩浆演化与源区性质

比旗格淖复式岩体主体花岗闪长岩中发育大量的暗色微粒包体,这些暗色微粒包体蕴含着丰富的关于岩浆起源和演化的重要信息(Didier and Barbarin,1991; Coombs et al.,2003;汪相,2023)。对于暗色微粒包体的形成机制目前存在以下几种观点:①早期结晶形成的堆晶体(Xiao Yuanyuan et al.,2020;Zhang Shuanhong and Zhao Yue,2017);②源区难熔残留体或围岩捕虏体(Chappell et al.,2012;Maas et al.,1997);③岩浆混合成因(莫宣学,2011;Feeley et al.,2008)。比旗格淖复式岩体暗色微粒包体与花岗闪长岩的年龄在误差范围内一致,不支持残留体成因;包体的粒度小于寄主岩石以及更大的n(Rb)/n(Sr)值和更明显的Eu负异常,不支持早期结晶的堆晶体成因,因为随着岩浆分异作用的进行n(Rb)/n(Sr)和Eu负异常逐渐增大,早期结晶的堆晶体应该具有更低的n(Rb)/n(Sr)值和更弱的Eu负异常(Gelman et al.,2014;Halliday et al.,1991;Jung et al.,2000)。而包体的淬冷、塑性以及与寄主岩一致的年龄都是岩浆混合的特征(Hibbard,1991)。因此笔者等认为比旗格淖复式岩体暗色微粒包体是由基性与酸性岩浆混合形成。

比旗格淖复式岩体中的花岗闪长岩与石英闪长玢岩脉具有相似的矿物组合和微量元素及稀土元素配分模式(图7),且锆石U-Pb年龄在误差范围内一致,说明两者可能具有相同的岩浆源区。比旗格淖复式岩体花岗闪长岩与二长花岗岩Nb、P、Ti的明显亏损以及高钾钙碱性的特征反映了其源区的陆壳性质。补体二长花岗岩较其他样品具有强烈亏损重稀土和具有明显的Eu负异常的特征,说明其源区有石榴子石和斜长石残留。

锆石Hf同位素可以反应岩浆源区的性质和特征(吴福元等,2007;Griffin et al.,2002;Yang Jinhui et al.,2007),比旗格淖复式岩体的锆石Hf同位素结果显示,暗色微粒包体的εHf(t)值分布在正值和负值之间(-2.8 ～ 3.4),相差6个ε单位(图11a),如此分散的锆石Hf同位素特征说明其源区成分复杂或者为幔源岩浆与壳源岩浆混合形成(刘亮等, 2011;Andersen et al.,2007;Cherniak et al.,1997;Griffin et al.,2002)。花岗闪长岩和石英闪长玢岩脉的εHf(t)值也分布在正值和负值之间,但变化范围相较于暗色微粒包体较小,暗示其受地幔物质影响的程度较小。二长花岗岩εHf(t)值主要集中在0以下,且具有最老的二阶段模式年龄(1473 ～ 1146 Ma),暗示其为来源为古老地壳的部分熔融。比旗格淖复式岩体锆石Hf同位素对应的二阶段模式年龄为1473 ～ 1057 Ma,而此地区的基底岩石的二阶段Hf年龄为2142 ～ 1920 Ma(马云飞等,2022),比旗格淖复式岩体与基底岩石相比具有更低的模式年龄,说明岩体的形成过程中可能有亏损地幔物质的参与。在εHf(t)—t图解上(图11a)上,比旗格淖复式岩体大部分样品的εHf(t)值都位于球粒陨石演化线附近,这一特征与白乃庙岛弧二叠纪的岩浆岩特征一致(王文龙等,2020;Liao Xiangdong et al.,2019;Zhang Shuanhong et al.,2016;Zhou Hai et al.,2018),说明可能来自于同一源区且都有亏损地幔组分的参与。

图11 (a)达茂旗东北部比旗格淖复式岩体锆石εHf(t)—t关系图; (b)全岩εNd(t)—[n(87Sr)/n(86Sr)]i关系图Fig.11 εHf(t)—t correlation diagram (a) and εNd(t)—[n(87Sr)/n(86Sr)]i correlation diagram (b) of Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner

全岩Sr—Nd同位素的结果显示(图11b),比旗格淖复式岩体暗色微粒包体与石英闪长玢岩脉具有较低的n(87Sr)/n(86Sr)初始值(0.704799 ～ 0.704953)(图11b),说明它们两者的形成可能是地壳和地幔物质共同参与的结果。与它们相比花岗闪长岩具有较高的的n(87Sr)/n(86Sr)初始值(0.705137 ～ 0.705327),说明其源区可能为陆壳。二长花岗岩具有最低的εNd(t)值(平均值为-8.68)和最大的Nd模式年龄(平均值为1.68 Ga)与Hf二阶段模式年龄,更低的Sr含量和更高的n(Rb)/n(Sr)值(表4),都说明其为来源于古老地壳物质的重熔。花岗闪长岩与其中的暗色微粒包体以及石英闪长玢岩的εNd(t)值集中在-5.85 ～ -7.24,两阶段的Nd模式年龄分布在1.55 ～ 1.45Ga之间(图11b),表明其源区主要为中元古代地壳物质,且在形成过程中有地幔物质参与。

5.4 构造背景

多数学者的研究表明在内蒙古中部,古亚洲洋向华北克拉通的俯冲从石炭纪一直持续到早二叠世,形成了一系列的钙碱性的弧岩浆岩(石玉若等,2004;张拴宏等,2010;张艳飞等,2022;Chen Bin et al.,2000;Shi Yuruo et al.,2016;Tian Dexin et al.,2018;Zhang Shuanhong et al.,2009)。研究区晚三叠纪的岩浆岩以碱性花岗岩和A型花岗岩为主,标志着研究区处于造山后的伸展阶段(石玉若等,2007;Hu Chuansheng et al.,2015;Yang Jinhui et al.,2012)。越来越多的学者认为在内蒙古中部古亚洲洋于晚二叠世—早三叠世闭合(李锦轶等,2009;刘永江等,2019;Liu Yongjiang et al.,2017; Wilde,2015;Wu Fuyuan et al.,2011;Zhang Shuanhong et al.,2009),此时研究区的构造环境经历了从俯冲到碰撞及碰撞后转变(董晓杰等,2016;Li Shan et al.,2017;Schulmann and Paterson,2011;汪相,2018)。

研究区这一时期的岩浆岩以高钾钙碱性I型和A型花岗岩为主,且较石炭纪—早二叠世的岩浆岩表现出εHf(t)存在少量正值的分布的特征(王文龙等,2020;Liao Xiangdong et al.,2019;Zhang Shuanhong et al.,2016;Zhou Hai et al.,2018),表明有地幔物质的加入,暗示I型花岗岩可能是壳幔混合的结果,A型花岗岩则可能是由地幔物质上涌引发陆壳物质部分熔融而形成,反映了研究区从俯冲增生到后碰撞伸展的构造转变。邱检生等(1999)在对燕山晚期浙闽沿海I型—A型复合型花岗岩的研究中提出了相似的看法,他们认为燕山晚期浙闽沿海I型—A型复合型花岗岩是由区域构造应力、断裂构造、幔源岩浆卷入和岩浆分异演化多种因素综合作用的结果,反映了构造环境由挤压转向拉张。

最近的研究结果表明,研究区在275 ～ 255 Ma发生了从俯冲增生到后碰撞伸展构造转变(Zhou Hai et al.,2019),也有学者认为这一转变所需时间更长,发生在285 ～ 235 Ma(吴迪迪等,2021)。而比旗格淖复式岩体的形成年龄为259 Ma,处于俯冲增生到后碰撞伸展构造转变过程的中后期,此时区域上可能已经发生了局部的构造伸展。与之对应的是,在Rb—(Y+Nb)构造判别图上(图12),比旗格淖复式岩体所有样品都落在后碰撞花岗岩区域,以及与岩体近同期的东西向的石英闪长玢岩脉和花岗斑岩脉,都说明了岩体形成于后碰撞伸展环境。

图12 达茂旗东北部比旗格淖复式岩体Rb—(Y+Nb)构造判别图(底图据Pearce et al.,1983)Fig.12 The discrimination diagrams for Biqigenao granitic complex in northeastern Damao Banner (after Pearce et al.,1983)VAG—火山弧花岗岩;ORG—洋中脊花岗岩;WPG—板内花岗岩;Syn-COLG—同碰撞花岗岩;POG—碰撞后花岗岩VAG—volcanic arc granite; ORG—ocean ridge granite; WPG—within-plate granite; Syn-COLG—syn-collisional granite;POG—post-collisional granite