Geochronological and geochemical features of volcanic rocks of Dashizhai Formation in Ural Sutai of Xilin Hot, Inner Mongolia, and their geological significance
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摘要:
通过1:5万区域地质调查,对中亚造山带南缘内蒙古锡林浩特乌拉苏太地区发育的大石寨组酸性火山岩进行了野外地质、岩石学、锆石U-Pb同位素年代学、地球化学等研究。LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素定年结果显示,该火山岩年龄为287.5±1.4Ma(MSWD=3.1),形成于早二叠世早期。岩石地球化学研究表明,大石寨组火山岩为一套中酸性火山岩,以高硅、富碱、高铝为特征,Ti、Mg、Fe、Ca等元素含量较低。微量元素总体含量较高,具有一致的配分曲线,Rb、Ba、Th、U、K、LREE等大离子亲石元素相对于Nb、Ta、HREE等高场强元素明显富集。稀土元素总量偏高,具有一致的右倾海鸥式配分型式。地球化学特征显示,该套火山岩具有岛弧火山岩的属性。结合大石寨组岩石学及地质学特征,大石寨组火山岩最可能形成于弧后扩张(或弧间)盆地,是早二叠世早期古亚洲洋闭合前洋壳俯冲消减作用的产物。
Abstract:Based on 1:50000 regional geological survey, the authors studied the volcanic rocks of Dashizhai Formation developed in southern Central Asia Orogenic Belt (CAOB) within Ural Sutai of Xilin Hot, Inner Mongolia in such aspects as filed occurrence, petrology, zircon U-Pb isotopic geochronology and geochemistry. LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results show that the rocks were formed at about 287.5±1.4Ma (MSWD=3.1) in the early period of Early Permian. Petrological and geochemical data reveal that the rocks are a suite of mid-acid volcanic rocks characterized by rich Si, alkali and Al, poor Ti, Mg, Fe and Ca, and abundant trace elements and REEs with coincident distribution pattern exhibiting a right-inclined seagull-type distribution pattern. The LILE, such as Rb, Ba, Th, U, K, and LREE are richer than HFSE like Nb, Ta and HREE, suggesting that the volcanic rocks were formed in an island-arc setting geochemically. Together with their petrological and geological features, the rocks were most probably formed in a back-arc or intra-arc spreading basin triggered by oceanic crust subduction before closure of the Paleoasian Ocean in the early period of Early Permian.
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古亚洲洋闭合的时间和位置一直是华北北缘地质研究的热点问题[1-6] ，而内蒙古中部地区是中亚造山带与华北板块最终拼合的关键部位，也是探讨中亚造山带南缘晚古生代构造演化的突破点。内蒙古中东部地区广泛发育的晚古生代晚期大石寨组中酸性火山岩为研究这一问题提供了重要线索，研究其形成时代、岩石学及地球化学特征，对于探讨该时期区域构造环境及其演化具有重要的指导意义。
多年来，前人对大石寨组火山岩进行了详细的研究，但也存在较大分歧[7- 13]。关于岩石的形成时代，前人做了较多的研究。汪润洁[7]对赤峰地区大石寨组火山岩采用K-Ar 法定年获得等时线年龄为242~264.7Ma；Zhu 等[8]对林西地区大石寨组玄武岩和中酸性火山岩采用Rb- Sr 法获得的年龄为270Ma；Zhang 等[9]对锡林浩特一带大石寨组双峰式火山岩采用SHRIMP 锆石U-Pb 同位素定年，获得流纹岩的年龄为279 ± 3Ma，玄武安山岩年龄为281±3Ma；郭峰等[10]对大石寨地区大石寨组玄武岩采用SHRIMP 锆石U-Pb 同位素定年，获得其年龄为439±3Ma。关于该火山岩形成的大地构造背景一直存在争议，总结起来主要有以下几种看法：①形成于古亚洲洋闭合后拉张环境下的陆内裂谷（火山岩具有双峰式特征）或裂陷槽环境[11-13]；②形成于与古亚洲洋俯冲有关的大陆边缘弧或岛弧环境下[14-16]；③为西伯利亚板块和华北板块碰撞后的产物[8]。 本文在锡林浩特乌拉苏太地区1∶5 万区域地质填图的基础上，通过乌拉苏太地区大石寨组中酸性火山岩的地质年代学、岩石学及岩石地球化学特征，探讨该套岩石的形成背景，以期对中亚造山带南缘二叠纪构造演化提供启示。
1. 区域地质背景
锡林浩特地区大地构造位置位于华北板块与西伯利亚板块夹持的中亚造山带东段（兴蒙造山带），经历了古亚洲洋板块的俯冲，陆-陆碰撞造山及碰撞之后的伸展张裂，形成大量不同构造环境下的沉积、岩浆岩岩石组合。这些岩石组合记录了古亚洲洋的构造演化历史。
区域出露的地层主要有中元古界锡林浩特岩群，为一套片麻岩夹层状斜长角闪岩、磁铁石英岩和变粒岩等的变质岩组合；寒武系温都尔庙群以变质陆源碎屑、火山岩建造为主，呈近东西向带状展布；奥陶系包尔汉图群和志留系西别河组、徐泥乌苏组，晚古生代石炭纪—二叠纪火山-沉积岩系直接覆盖在中元古代变质岩之上；二叠系在该区较为发育，广泛分布海相火山岩、碳酸盐岩和碎屑岩沉积组合，地层从下到上依次为大石寨组、哲斯组和林西组。它们被中新生代火山-沉积地层不整合覆盖。区内岩浆活动频繁，出露广泛。前寒武纪以花岗质片麻岩为主，古生代—中生代以未变质的花岗岩-中酸性火山岩为主，总体呈北东—北东东向展布。
2. 研究区地质特征
研究区包括苏哈图、小乌兰沟、锡林郭勒种畜场、沃村图儒4 个图幅范围，面积1489km2，大地构造位置见图 1。研究区位于内蒙古中部，构造上位于中亚造山带南缘中部，西伯利亚板块东南缘的托托尚-锡林浩特微陆块与华北板块北缘早古生代陆缘增生带的交接部位。行政区划归属于锡林浩特市。研究区出露的地层单元由老至新依次为中元古界锡林浩特岩群、志留系徐尼乌苏组、二叠系大石寨组和白垩系火山碎屑岩及火山熔岩。区内晚古生代—中生代岩浆岩极其发育，主要岩石类型有正长花岗岩、二长花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩。研究区第四系覆盖严重。
大石寨组主要分布于研究区的沃村图儒图幅内，出露面积约30km2,地貌上多呈凸起的高山，呈东西向、北西西向展布，与早期基底地层没有直接接触，被二叠纪岩体侵入和大面积第四系覆盖。经详细的野外地质调查及室内综合分析，将该地区的大石寨组由下至上分为2 个岩性段：下段岩性主要为流纹岩、英安岩、安山岩等，表现为一套中酸性火山岩夹少量基性火山岩组合；上段岩性主要为中酸性火山岩、火山碎屑岩，夹生物碎屑灰岩，产腕足、苔藓虫、珊瑚化石。本文以位于沃村图儒图幅乌拉苏太地区大石寨组下段的中酸性火山岩为研究对象，大石寨组下段地层分布及实测剖面（A-A′）位置见图 1，实测剖面见图 2。
大石寨组下段岩石多呈浅灰黄色、浅灰黑色、灰绿色，岩石受较强的蚀变作用，脆性变形发育，内部可见较多裂隙。岩石具较强的高岭石等粘土化、绢云母化、弱绿帘石化、绿泥石化和硅化蚀变（图 3-a、b）。
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图 3 大石寨组火山岩宏观及显微特征a、b—样品野外照片；c—流纹岩显微特征；d—英安岩显微特征（斑状结构,基质霏细结构）。Pl—斜长石Figure 3. Field outcrop and microscopic characteristics of volcanic rocks from Dashizhai Formation流纹岩风化面多呈黄褐色，新鲜面为浅黄褐色、灰黄色，斑状结构，流纹构造，斑晶主要为钾长石（7%~10%），半自形板粒状、他形粒状，粒度0.5~2mm。镜下可见保留原岩结构构造及矿物晶形的假象，个别见有卡斯巴双晶，具格子双晶的微斜长石。石英粒度0.2~1.0mm，呈他形粒状，无色，正低突起，具波状消光，较强熔蚀呈弧面浑圆状、港湾状，大部分具粒化，拉长镶嵌生长。基质变余霏细结构，为大量的隐晶-霏细状长英质集合体，流纹构造，显微鳞片状绿泥石化、高岭石等粘土矿化较强，含量80%~90%（图 3-c）。
英安岩风化面多成黄褐色、灰黑色，新鲜面呈浅灰黑色、灰绿色，斑状结构，块状构造。斑晶含量5%~10%，均由斜长石组成，呈自形-半自形板柱状、宽板状，粒径1~2mm，具聚片双晶、环带结构的中酸性斜长石。基质为霏细结构、显微嵌晶结构，含量80%~90%，主要为大量的隐晶-霏细状长英质集合体密集分布。部分岩石见沿裂隙充填的硅质、褐黑色铁质及少量显微鳞片状绿泥石矿物集合体（图 3-d）。
3. 英安岩的锆石U-Pb 年龄
3.1 样品采集和分析测试
本次样品采自大石寨组剖面A-A’中的英安岩，采样点地理坐标为N 43°40′20″、E 116°51′32″，样品编号为D2538。锆石单矿物分选在河北省区域地质调查研究所完成。锆石制靶、阴极发光（CL）照相在北京锆年领航科技有限公司完成。锆石U-Pb同位素定年在天津地质矿产研究所利用LA-ICPMS进行分析，ICP-MS 为Agilent7500a。本次实验采用的激光束斑直径为35μm，以氦气作为剥蚀物质的载气。LA-ICP-MS 分析的详细方法和流程见袁洪林等[17]。测试数据的计算处理采用Iso⁃plot3.0 程序[18]。所有数据点的年龄值误差均为1σ，采用206Pb/238U 年龄，其年龄加权平均值具95% 的置信度[19-20]。
3.2 分析结果
所选锆石的颜色为透明-浅褐色，半自形-自形，呈短柱状-长柱状，晶体长度介于60~160μm 之间，宽度介于40~70μm 之间，晶体长宽比多介于1∶1~2∶1 之间，个别可达3∶1。从阴极发光图像看，锆石具有典型的岩浆韵律环带和明暗相间的条带结构（图 4），表明其为岩浆结晶的产物[21-22]，部分锆石可见有明显的被交代溶蚀的现象。锆石U-Pb 测年结果见表 1。24 个点的测试结果显示，锆石的Th/U 值介于0.23~0.60 之间，仅1 颗锆石的Th/U 值异常（22 号点为0.06）。综合可知，所选锆石应属岩浆成因。
表 1 大石寨组英安岩LA-ICP-MS 锆石U-Th-Pb 年龄分析结果Table 1. LA-ICP-MS zircons U-Th-Pb data from Dashizhai Formation点 号 含量/10-6 同位素比值 年龄/Ma Pb U 207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ 208Pb/232Th 1σ 232Th/238U 1σ 207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ 1 8 156 0.0542 0.0035 0.342 0.022 0.0458 0.0003 0.0176 0.0003 0.482 0.001 379 111 299 15 289 2 2 10 218 0.0551 0.0041 0.351 0.027 0.0463 0.0003 0.0264 0.0007 0.230 0.001 415 111 306 16 292 2 3 8 175 0.0574 0.0035 0.361 0.023 0.0456 0.0003 0.0206 0.0005 0.331 0.001 508 108 313 15 288 2 4 18 361 0.0542 0.0026 0.346 0.018 0.0463 0.0003 0.0203 0.0002 0.482 0.001 380 77 302 11 292 2 5 20 393 0.0562 0.0031 0.349 0.021 0.0450 0.0003 0.0229 0.0006 0.470 0.001 462 78 304 11 284 2 6 8 160 0.0543 0.0039 0.336 0.024 0.0449 0.0003 0.0152 0.0004 0.494 0.001 384 129 294 17 283 2 7 20 418 0.0555 0.0024 0.348 0.015 0.0455 0.0003 0.0229 0.0006 0.276 0.001 431 69 303 10 287 2 8 18 380 0.0547 0.0021 0.344 0.014 0.0456 0.0003 0.0254 0.0007 0.268 0.001 400 62 300 9 288 2 9 10 201 0.0551 0.0041 0.348 0.029 0.0458 0.0004 0.0264 0.0010 0.361 0.001 418 91 303 14 289 2 10 15 273 0.0527 0.0029 0.338 0.020 0.0465 0.0003 0.0238 0.0003 0.596 0.001 316 63 296 9 293 2 11 9 179 0.0533 0.0043 0.338 0.029 0.0460 0.0004 0.0215 0.0005 0.421 0.001 342 111 296 15 290 3 12 14 294 0.0548 0.0025 0.340 0.016 0.0450 0.0003 0.0152 0.0002 0.477 0.001 405 95 297 13 284 2 13 18 370 0.0536 0.0018 0.341 0.012 0.0462 0.0003 0.0199 0.0002 0.423 0.001 355 60 298 8 291 2 14 11 235 0.0546 0.0027 0.340 0.017 0.0451 0.0003 0.0145 0.0002 0.589 0.001 397 103 297 14 284 2 15 13 244 0.0534 0.0026 0.339 0.017 0.0461 0.0003 0.0335 0.0005 0.349 0.001 346 53 297 7 290 2 16 13 260 0.0552 0.0022 0.343 0.014 0.0451 0.0003 0.0175 0.0002 0.530 0.001 422 77 300 11 284 2 17 22 436 0.0530 0.0030 0.331 0.022 0.0453 0.0003 0.0196 0.0006 0.538 0.001 327 90 290 13 286 2 18 9 196 0.0541 0.0034 0.344 0.022 0.0460 0.0003 0.0240 0.0006 0.299 0.001 377 86 300 12 290 2 19 7 146 0.0541 0.0047 0.344 0.031 0.0462 0.0004 0.0213 0.0004 0.317 0.002 375 138 300 19 291 2 20 11 222 0.0513 0.0031 0.323 0.021 0.0457 0.0003 0.0263 0.0005 0.377 0.002 252 74 284 9 288 2 21 13 271 0.0521 0.0029 0.331 0.019 0.0461 0.0003 0.0195 0.0003 0.432 0.001 291 84 291 11 291 2 22 8 192 0.0528 0.0049 0.335 0.032 0.0460 0.0004 0.0292 0.0005 0.063 0.001 319 96 293 13 290 3 23 12 266 0.0538 0.0025 0.332 0.016 0.0448 0.0003 0.0142 0.0002 0.401 0.001 362 106 291 14 282 2 24 11 243 0.0571 0.0035 0.354 0.022 0.0450 0.0003 0.0200 0.0003 0.319 0.001 496 85 308 12 284 2 25 22 477 0.0553 0.0014 0.343 0.009 0.0451 0.0003 0.0148 0.0001 0.382 0.002 424 52 300 7 284 2 在锆石U-Pb 年龄谐和图（图 5）中，25 粒锆石的数据点分布在谐和线上及其附近，其206Pb/238U 表面年龄变化于282~293Ma 之间，年龄加权平均值为287.5 ± 1.4Ma，MSWD=3.1，代表火山岩的成岩年龄，时代为早二叠世。
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图 5 大石寨组英安岩锆石U-Pb 谐和图Figure 5. Zircon U-Pb dating from sample D2538 of the Dashizhai Formation4. 英安岩地球化学特征
4.1 主量元素
大石寨组酸性火山岩的主量元素分析结果见表 2。其以高硅、富碱性组分、高铝，显著贫钛、镁、铁、钙为特征。它们的SiO2含量为67.12%~87.75%，K2O+Na2O 含量介于3.54%~8.69%之间，平均为6.72%，全碱含量较高。TFeO 含量为0.74%~4.13%，TiO2含量为0.09~0.63%，MgO 含量为0.06%~1.55%，CaO 含量为0.11% ~0.51%，Al2O3 变化于6.16% ~15.22%之间。A/CNK=1.11~1.31，大于1.1，属过铝质系列。
表 2 乌拉苏太大石寨组火山岩地球化学分析结果Table 2. Geochemical composition of volcanic rocks from Dashizhai Formation in Ural Sutai样品编号 岩性 SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 H2O+ H2O- 灼失量 A/CNK Na2O+K2O D2538 英安岩 69.98 0.33 14.85 2.11 1.10 0.011 0.56 0.31 2.42 6.27 0.203 1.42 0.34 1.72 1.31 8.69 Pm7B135 67.12 0.63 15.22 2.82 1.59 0.027 1.55 0.51 4.43 3.52 0.169 2.07 0.74 2.27 1.27 7.95 D1455 流纹岩 76.06 0.19 12.70 0.69 0.69 0.007 0.30 0.25 3.26 4.25 0.034 1.02 0.27 1.33 1.22 7.51 D2523 78.95 0.15 11.38 0.51 0.29 0.002 0.06 0.11 3.03 4.71 0.024 0.45 0.21 0.65 1.11 7.73 D2550 87.75 0.09 6.16 0.81 0.34 0.006 0.24 0.13 1.63 1.91 0.020 0.63 0.21 0.83 1.24 3.54 Pm7B35 72.12 0.35 13.68 2.14 0.97 0.035 0.4 0.46 3.69 4.27 0.076 1.29 0.4 1.65 1.19 7.96 样品编号 Cs Rb Sr Ba Ga Nb Ta Zr Hf Th V Cr Co Ni Li Sc U D2538 5.00 186.80 46.60 1037.00 21.89 14.93 1.48 268.70 9.44 18.07 25.40 6.50 2.50 23.50 18.15 8.67 4.25 Pm7B135 4.53 90.9 56.1 738 20.2 13.6 0.82 250 6.96 10.5 58.9 36.3 7.83 25.4 17.7 11.6 2.33 D1455 2.85 85.40 101.70 1635.00 16.60 12.31 1.62 266.60 9.59 15.58 28.00 3.80 1.61 4.50 5.02 10.85 4.04 D2523 4.12 148.7 53.2 884.5 21.4 9.86 0.87 263.3 8.85 14.79 38.6 11.5 0.5 7.9 9.1 9.2 2.95 D2550 5.00 38.20 27.30 699.00 6.56 6.39 0.62 153.40 5.68 8.04 15.60 2.00 0.35 2.40 9.22 6.75 2.87 Pm7B35 4.58 127 65.6 875 20.2 13.9 0.82 478 11.9 13.3 34.7 16.9 1.89 5.62 26.8 13.4 3.46 样品编号 La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Y ΣREE δEu D2538 28.73 68.58 9.19 36.06 7.83 0.58 7.22 1.41 9.30 1.85 5.37 0.94 4.91 0.95 42.74 225.66 0.24 Pm7B135 15.9 38.8 5.17 20.3 5.01 0.56 4.45 0.92 5.9 1.26 3.61 0.58 3.7 0.66 33.5 140.32 0.36 D1455 30.72 70.77 9.14 35.62 7.66 0.39 7.29 1.46 9.85 2.00 5.93 1.05 5.46 1.02 46.82 235.18 0.16 D2523 35.36 75.97 9.44 37.38 8.17 0.52 7.88 1.48 9.19 1.99 5.45 0.98 5.62 1.15 48.85 249.42 0.20 D2550 19.13 49.68 5.66 21.99 5.34 0.35 6.20 1.49 11.09 2.34 6.90 1.19 5.84 0.96 58.76 196.92 0.19 Pm7B35 27.1 61 8.07 32 7.74 0.6 7.18 1.43 8.99 1.94 5.71 0.96 6.42 1.38 51.8 222.32 0.25 注：主量元素含量单位为%，微量和稀土元素为10-6 根据野外和室内显微镜下观察结果，大石寨组火山岩普遍遭受蚀变作用，K、Na 等活动性较强的元素可能有一定程度的变化，因此不适合采用TAS分类图解。本文采用Nb/Y-Zr/TiO2×0.0001 微量元素分类图解，样品点位于流纹岩、英安岩区域（图 6）。在SiO2-K2O 图解中，绝大部分样品点位于高钾系列区域，只有1 个样品点位于低钾系列区域（图 7）。在AFM 图、TFeO-TFeO/MgO 图中，均位于钙碱性岩石系列区域。从主量元素分析结果可以看出，乌拉苏太地区大石寨组火山岩属高钾钙碱性系列。
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图 6 大石寨组火山岩Nb/Y-Zr/TiO2×0.0001 图解[23]Figure 6. Nb/Y-Zr/TiO2×0.0001 diagram of volcanic rocks from Dashizhai Formation![]()
图 7 大石寨组火山岩SiO2-K2O 图解[24]Hk—高钾岩系；MK—中钾岩系；LK—低钾岩系Figure 7. SiO2-K2O diagram of volcanic rocks from Dashizhai Formation4.2 微量元素
微量元素分析结果（表 2）及原始地幔标准化配分曲线图（图 8-a）显示，微量元素总体含量较高，具有一致的微量元素分配曲线，大离子亲石元素Rb、Ba、Th、U、K、LREE 相对于相邻高场强元素Nb、Ta、HREE 明显富集。Sr、Eu 明显亏损，表明岩浆经历了一定程度的分离结晶作用。Nb、Ta、P、Ti 元素强烈亏损，富集大离子亲石元素和轻稀土元素。
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图 8 乌拉苏太地区大石寨组火山岩原始地幔标准化微量元素蛛网图（a）和稀土元素配分图（b）（标准值据参考文献[30])Figure 8. Primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (a) and chondrite-normalized REE patterns (b) of volcanic rocks from Dashizhai Formation in Ural Sutai4.3 稀土元素
稀土元素分析结果（表 2）及球粒陨石标准化配分曲线（图 8-b）显示，稀土元素总量偏高，具有一致的稀土元素配分型式，呈典型的海鸥式配分曲线，介于陆相火山岩和洋岛火山岩之间，类似于岛弧型火山岩。ΣREE=140.32×10-6~249.42×10-6，LREE=85.74×10-6~166.84×10-6，HREE=21.08×10-6~36.01×10-6，轻、重稀土元素比值（LREE/HREE）介于2.84~4.95 之间；(La/Yb)N=2.35~4.52，曲线呈右倾型，为轻稀土元素低度富集的弱分离型式。(La/Sm)N=2.05~2.80，轻稀土元素为中等程度分异，(Gd/Yb)N=0.88~1.22，重稀土元素分布相对平缓。δEu=0.16~0.36，显示明显的负Eu 异常，这与斜长石的分离结晶作用有关。本区所有样品的稀土元素分布型式一致，表明它们具有相同的成因、来源及演化历史。
5. 讨论
5.1 形成时代
大石寨组火山岩在不同地区的岩石组合存在较大差异，岩石类型和组合在不同地区也存在差别。前人对大石寨组不同岩石类型进行了年代学测试（表 3），其年龄从440Ma 到242Ma，主要集中在290~270Ma，时代从早志留世到早三叠世[7-15, 25-28]，主要集中在早二叠世。大石寨组火山岩年龄跨度较大，其主要原因是前人在基性-超基性岩石组合中挑选的锆石成因相对复杂，可能多为捕获锆石，难以反映其成岩年龄。采用传统的K-Ar、Rb-Sr 等方法获得的等时线年龄精度偏低，可能并不能反映其成岩年龄。本文基于区域地质调查工作，对大石寨组英安岩进行锆石U-Pb 定年，可很好地限定其形成时代。本次对锡林浩特乌拉苏太地区大石寨组英安岩采用单颗粒LA-ICP-MS 锆石U-Pb 法获得其年龄为287.5±1.4Ma（MSWD=3.1）。区域上，大石寨组后岩石进入相对稳定时期，未见有火山岩活动，其为物源并进一步沉积了中二叠世的海相哲斯组和晚二叠世的湖相、泻湖相林西组。杨现力[30]对阿荣旗地区晚二叠世的林西组长石岩屑砂岩中的130 个岩浆成因锆石定年，测得最年轻的年龄为271~280Ma，表明物源区晚古生代最年轻的岩浆活动发生在早二叠世。结合区域资料，笔者认为其形成时代为早二叠世。
表 3 大石寨组火山岩前人测年数据Table 3. Summary of the published isotope dating data from Dashizhai Formation测试方法 采样位置 岩性及年龄 资料来源 K-Ar 赤峰 中基性火山岩242~264.7Ma [7] Rb-Sr 林西 玄武岩和中酸性火山岩270Ma [8] Rb-Sr 苏尼特左旗 安山岩281Ma [14] 同位素稀释法单颗粒锆石U-Pb 满都拉 玄武岩285±11Ma、斜长岩280.4±1.1Ma [15] SHRIMP锆石U-Pb 锡林浩特 双峰式火山岩玄武安山岩281±3Ma、流纹岩279±3Ma [9] SHRIMP锆石U-Pb 大石寨 玄武岩439±3Ma [10] SHRIMP 锆石U-Pb 西乌旗 流纹岩279±4.3Ma， [25] LA-ICP-MS锆石U-Pb 科右前旗 英安岩314±1Ma [26] LA-ICP-MS锆石U-Pb 锡林浩特毛登牧场 细碧-角斑岩系角斑岩287.4±1.7Ma [27] LA-ICP-MS 锆石U-Pb 西乌旗猴头庙 流纹岩274.1±2.8Ma [28] 5.2 构造环境
前人关于华北地块北缘的构造背景及其与中亚造山带及古亚洲洋构造演化的关系一直存在较大争议[1-6]，一种观点认为，华北板块与西伯利亚板块在晚泥盆世拼合，此后即为造山后演化阶段[4, 8, 31]；另一种观点认为，两大板块的最终碰撞发生在晚二叠世—早三叠世[1-2, 6, 32-33]。存在上述观点的原因主要是对内蒙古中部早二叠世的火山岩形成环境是岛弧火山岩还是裂谷型火山岩的认识，以及对二叠世该地区的构造属性认识不同。因此，对早二叠世大石寨组火山岩属性的研究，对于整个中亚造山带南缘构造格局的建立和华北北缘活化研究具有重要的指示意义。
锡林浩特乌拉苏太地区大石寨组中酸性火山岩的地球化学特征显示，其为高钾钙碱性系列，Rb、Ba、Th、U、K、LREE 等大离子亲石元素相对于Nb、Ta、Ti、HREE 等高场强元素明显富集；稀土元素总量偏高，具有一致的配分型式。在（Y+Nb）-Rb 图解（图 9-a）中，样品点主要落入火山弧花岗岩区域内及其附近。在Logτ-Logσ图解[35]中（图 9-b），均落入B 区，即造山带(岛弧及活动大陆边缘)火山岩，代表岛弧靠大陆一侧的构造背景，可见大石寨组火山岩的成因与岛弧岩浆作用有关。
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关于内蒙古东部二叠纪双峰式火山岩为古裂谷作用的认识[11-13]，李锦轶等[36]认为，其形成背景完全有可能是活动陆缘的伸展，而不是陆内裂谷作用。区域上，大石寨组后形成稳定的哲斯组和林西组，董策等[37]、江小燕等[38]分别对内蒙古东北地区和林西、索伦及好仁地区哲斯组砂岩的物源区进行了研究，其物源区的构造背景为大陆岛弧环境。近年来有大量关于二叠纪深水沉积物的报道。如王玉净等[39]在林西县南的杏树洼蛇绿岩片内发现二叠纪放射虫化石；尚庆华[32]在锡林浩特一带的中二叠统哲斯组中发现代表深水环境的放射虫化石。锡林浩特和林西地区的上二叠统大石寨组中广泛发育一套具有枕状构造的细碧角斑岩建造[27]；叶栩松等[40]在克什克腾旗境内的柯单山蛇绿岩片的堆晶辉长岩内获得单颗粒锆石年龄为276Ma，说明本区火山岩形成于扩张弧后(或弧间)盆地的大地构造环境。
锡林浩特一带大面积出露一套晚石炭世—早二叠世Ⅰ 型和A 型花岗岩，前者SHRIMP 锆石U-Pb 年龄为310Ma，被认为是岛弧花岗岩[41-42]；后者ICPMS 方法获得的锆石年龄为303.7±9.8Ma，应是弧后伸展背景的产物[40]。范中林等[43]将锡林浩特水库地区出露的花岗岩确定为Ⅰ 型花岗岩，认为其为晚石炭世岛弧花岗岩。本文大石寨组地质年代学的证据及其构造环境的探讨，均表明晚古生代中期古亚洲洋并未完全关闭，在晚石炭世时仍然存在洋壳的俯冲消减事件，从而佐证了古亚洲洋的完全关闭应该在二叠纪以后。随着碰撞闭合，锡林浩特、苏尼特左旗等地区发育大面积的早中三叠世具同碰撞花岗岩特征的过铝质花岗岩[40-42]，进一步证实古亚洲洋闭合时限最有可能为晚二叠世—早三叠世。
6. 结论
（1） 内蒙古锡林浩特乌拉苏太地区大石寨组中的酸性火山岩LA- ICP- MS 锆石U- Pb 年龄为287.5±1.4Ma（MSWD=3.1），表明其形成时代为早二叠世早期。
（2） 大石寨组火山岩属于岛弧高钾钙碱性系列，发育在洋陆碰撞形成的弧后拉张盆地。
（3） 大石寨组火山岩是对早二叠世早期古亚洲洋闭合前洋壳俯冲消减作用的岩浆响应。
致谢: 感谢项目组成员在野外和室内整理工作中的大力支持，论文撰写过程中，中国石化石油勘探开发研究院冯建赟博士提出了宝贵意见、给予了帮助，审稿专家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。 -
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图 3 大石寨组火山岩宏观及显微特征
a、b—样品野外照片；c—流纹岩显微特征；d—英安岩显微特征（斑状结构,基质霏细结构）。Pl—斜长石
Figure 3. Field outcrop and microscopic characteristics of volcanic rocks from Dashizhai Formation
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图 5 大石寨组英安岩锆石U-Pb 谐和图
Figure 5. Zircon U-Pb dating from sample D2538 of the Dashizhai Formation
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图 6 大石寨组火山岩Nb/Y-Zr/TiO2×0.0001 图解[23]
Figure 6. Nb/Y-Zr/TiO2×0.0001 diagram of volcanic rocks from Dashizhai Formation
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图 7 大石寨组火山岩SiO2-K2O 图解[24]
Hk—高钾岩系；MK—中钾岩系；LK—低钾岩系
Figure 7. SiO2-K2O diagram of volcanic rocks from Dashizhai Formation
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图 8 乌拉苏太地区大石寨组火山岩原始地幔标准化微量元素蛛网图（a）和稀土元素配分图（b）（标准值据参考文献[30])
Figure 8. Primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (a) and chondrite-normalized REE patterns (b) of volcanic rocks from Dashizhai Formation in Ural Sutai
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表 1 大石寨组英安岩LA-ICP-MS 锆石U-Th-Pb 年龄分析结果
Table 1 LA-ICP-MS zircons U-Th-Pb data from Dashizhai Formation
点 号 含量/10-6 同位素比值 年龄/Ma Pb U 207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ 208Pb/232Th 1σ 232Th/238U 1σ 207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ 1 8 156 0.0542 0.0035 0.342 0.022 0.0458 0.0003 0.0176 0.0003 0.482 0.001 379 111 299 15 289 2 2 10 218 0.0551 0.0041 0.351 0.027 0.0463 0.0003 0.0264 0.0007 0.230 0.001 415 111 306 16 292 2 3 8 175 0.0574 0.0035 0.361 0.023 0.0456 0.0003 0.0206 0.0005 0.331 0.001 508 108 313 15 288 2 4 18 361 0.0542 0.0026 0.346 0.018 0.0463 0.0003 0.0203 0.0002 0.482 0.001 380 77 302 11 292 2 5 20 393 0.0562 0.0031 0.349 0.021 0.0450 0.0003 0.0229 0.0006 0.470 0.001 462 78 304 11 284 2 6 8 160 0.0543 0.0039 0.336 0.024 0.0449 0.0003 0.0152 0.0004 0.494 0.001 384 129 294 17 283 2 7 20 418 0.0555 0.0024 0.348 0.015 0.0455 0.0003 0.0229 0.0006 0.276 0.001 431 69 303 10 287 2 8 18 380 0.0547 0.0021 0.344 0.014 0.0456 0.0003 0.0254 0.0007 0.268 0.001 400 62 300 9 288 2 9 10 201 0.0551 0.0041 0.348 0.029 0.0458 0.0004 0.0264 0.0010 0.361 0.001 418 91 303 14 289 2 10 15 273 0.0527 0.0029 0.338 0.020 0.0465 0.0003 0.0238 0.0003 0.596 0.001 316 63 296 9 293 2 11 9 179 0.0533 0.0043 0.338 0.029 0.0460 0.0004 0.0215 0.0005 0.421 0.001 342 111 296 15 290 3 12 14 294 0.0548 0.0025 0.340 0.016 0.0450 0.0003 0.0152 0.0002 0.477 0.001 405 95 297 13 284 2 13 18 370 0.0536 0.0018 0.341 0.012 0.0462 0.0003 0.0199 0.0002 0.423 0.001 355 60 298 8 291 2 14 11 235 0.0546 0.0027 0.340 0.017 0.0451 0.0003 0.0145 0.0002 0.589 0.001 397 103 297 14 284 2 15 13 244 0.0534 0.0026 0.339 0.017 0.0461 0.0003 0.0335 0.0005 0.349 0.001 346 53 297 7 290 2 16 13 260 0.0552 0.0022 0.343 0.014 0.0451 0.0003 0.0175 0.0002 0.530 0.001 422 77 300 11 284 2 17 22 436 0.0530 0.0030 0.331 0.022 0.0453 0.0003 0.0196 0.0006 0.538 0.001 327 90 290 13 286 2 18 9 196 0.0541 0.0034 0.344 0.022 0.0460 0.0003 0.0240 0.0006 0.299 0.001 377 86 300 12 290 2 19 7 146 0.0541 0.0047 0.344 0.031 0.0462 0.0004 0.0213 0.0004 0.317 0.002 375 138 300 19 291 2 20 11 222 0.0513 0.0031 0.323 0.021 0.0457 0.0003 0.0263 0.0005 0.377 0.002 252 74 284 9 288 2 21 13 271 0.0521 0.0029 0.331 0.019 0.0461 0.0003 0.0195 0.0003 0.432 0.001 291 84 291 11 291 2 22 8 192 0.0528 0.0049 0.335 0.032 0.0460 0.0004 0.0292 0.0005 0.063 0.001 319 96 293 13 290 3 23 12 266 0.0538 0.0025 0.332 0.016 0.0448 0.0003 0.0142 0.0002 0.401 0.001 362 106 291 14 282 2 24 11 243 0.0571 0.0035 0.354 0.022 0.0450 0.0003 0.0200 0.0003 0.319 0.001 496 85 308 12 284 2 25 22 477 0.0553 0.0014 0.343 0.009 0.0451 0.0003 0.0148 0.0001 0.382 0.002 424 52 300 7 284 2 
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表 2 乌拉苏太大石寨组火山岩地球化学分析结果
Table 2 Geochemical composition of volcanic rocks from Dashizhai Formation in Ural Sutai
样品编号 岩性 SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 H2O+ H2O- 灼失量 A/CNK Na2O+K2O D2538 英安岩 69.98 0.33 14.85 2.11 1.10 0.011 0.56 0.31 2.42 6.27 0.203 1.42 0.34 1.72 1.31 8.69 Pm7B135 67.12 0.63 15.22 2.82 1.59 0.027 1.55 0.51 4.43 3.52 0.169 2.07 0.74 2.27 1.27 7.95 D1455 流纹岩 76.06 0.19 12.70 0.69 0.69 0.007 0.30 0.25 3.26 4.25 0.034 1.02 0.27 1.33 1.22 7.51 D2523 78.95 0.15 11.38 0.51 0.29 0.002 0.06 0.11 3.03 4.71 0.024 0.45 0.21 0.65 1.11 7.73 D2550 87.75 0.09 6.16 0.81 0.34 0.006 0.24 0.13 1.63 1.91 0.020 0.63 0.21 0.83 1.24 3.54 Pm7B35 72.12 0.35 13.68 2.14 0.97 0.035 0.4 0.46 3.69 4.27 0.076 1.29 0.4 1.65 1.19 7.96 样品编号 Cs Rb Sr Ba Ga Nb Ta Zr Hf Th V Cr Co Ni Li Sc U D2538 5.00 186.80 46.60 1037.00 21.89 14.93 1.48 268.70 9.44 18.07 25.40 6.50 2.50 23.50 18.15 8.67 4.25 Pm7B135 4.53 90.9 56.1 738 20.2 13.6 0.82 250 6.96 10.5 58.9 36.3 7.83 25.4 17.7 11.6 2.33 D1455 2.85 85.40 101.70 1635.00 16.60 12.31 1.62 266.60 9.59 15.58 28.00 3.80 1.61 4.50 5.02 10.85 4.04 D2523 4.12 148.7 53.2 884.5 21.4 9.86 0.87 263.3 8.85 14.79 38.6 11.5 0.5 7.9 9.1 9.2 2.95 D2550 5.00 38.20 27.30 699.00 6.56 6.39 0.62 153.40 5.68 8.04 15.60 2.00 0.35 2.40 9.22 6.75 2.87 Pm7B35 4.58 127 65.6 875 20.2 13.9 0.82 478 11.9 13.3 34.7 16.9 1.89 5.62 26.8 13.4 3.46 样品编号 La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Y ΣREE δEu D2538 28.73 68.58 9.19 36.06 7.83 0.58 7.22 1.41 9.30 1.85 5.37 0.94 4.91 0.95 42.74 225.66 0.24 Pm7B135 15.9 38.8 5.17 20.3 5.01 0.56 4.45 0.92 5.9 1.26 3.61 0.58 3.7 0.66 33.5 140.32 0.36 D1455 30.72 70.77 9.14 35.62 7.66 0.39 7.29 1.46 9.85 2.00 5.93 1.05 5.46 1.02 46.82 235.18 0.16 D2523 35.36 75.97 9.44 37.38 8.17 0.52 7.88 1.48 9.19 1.99 5.45 0.98 5.62 1.15 48.85 249.42 0.20 D2550 19.13 49.68 5.66 21.99 5.34 0.35 6.20 1.49 11.09 2.34 6.90 1.19 5.84 0.96 58.76 196.92 0.19 Pm7B35 27.1 61 8.07 32 7.74 0.6 7.18 1.43 8.99 1.94 5.71 0.96 6.42 1.38 51.8 222.32 0.25 注：主量元素含量单位为%，微量和稀土元素为10-6
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表 3 大石寨组火山岩前人测年数据
Table 3 Summary of the published isotope dating data from Dashizhai Formation
测试方法 采样位置 岩性及年龄 资料来源 K-Ar 赤峰 中基性火山岩242~264.7Ma [7] Rb-Sr 林西 玄武岩和中酸性火山岩270Ma [8] Rb-Sr 苏尼特左旗 安山岩281Ma [14] 同位素稀释法单颗粒锆石U-Pb 满都拉 玄武岩285±11Ma、斜长岩280.4±1.1Ma [15] SHRIMP锆石U-Pb 锡林浩特 双峰式火山岩玄武安山岩281±3Ma、流纹岩279±3Ma [9] SHRIMP锆石U-Pb 大石寨 玄武岩439±3Ma [10] SHRIMP 锆石U-Pb 西乌旗 流纹岩279±4.3Ma， [25] LA-ICP-MS锆石U-Pb 科右前旗 英安岩314±1Ma [26] LA-ICP-MS锆石U-Pb 锡林浩特毛登牧场 细碧-角斑岩系角斑岩287.4±1.7Ma [27] LA-ICP-MS 锆石U-Pb 西乌旗猴头庙 流纹岩274.1±2.8Ma [28]
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