Characteristics and geological significance of Early Carboniferous high-Mg andesites in Ma'anshan area, east Inner Mongolia
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摘要:
内蒙古东部马鞍山地区发育早石炭世高镁安山岩，其LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果为346.4±1.4Ma，指示其形成于早石炭世。马鞍山高镁安山岩属于钙碱性岩石系列，SiO2含量为53.22%~54.22%，MgO为7.21%~10.03%，Al2O2为14.37%~15.94%，CaO为4.81%~5.94%，富Na、贫K（Na2O为3.87%~4.34%、K2O为0.49%~0.93%）、低TFeO/MgO（< 1.5）、高Cr（364×10-6~429×10-6）、Ni（204×10-6~211×10-6）。所有样品均显示轻稀土元素富集，具轻微的负Eu异常，富集大离子亲石元素Rb、K、Ba、Sr，亏损高场强元素Nb、Zr、Ti、Y、Yb、Lu等，地球化学特征与赞岐岩相似。由此可知，马鞍山地区早白垩世高镁安山岩是由地幔橄榄岩与消减洋壳板片部分熔融产生的富Si质熔体平衡反应的产物，暗示其形成于与俯冲消减有关的构造背景，是古亚洲洋闭合过程中洋陆转化的产物。
Abstract:The Early Carboniferous high-Mg andesites in Ma'anshan area of eastern Inner Mongolia have LA-ICP-MS zircon U-Pb age of 346.4±1.4Ma, indicating that they were formed in Early Carboniferous. Ma'anshan high-Mg andesites belong to calc-alkaline series, with SiO2 53.22%-54.22%, MgO 7.21%-10.03%, Al2O3 14.37%-15.94%, CaO 4.81%-5.94%, rich Na, poor K (Na2O 3.87%-4.34%, K2O 0.49%-0.93%), low TFeO/MgO(< 1.5), high Cr(364×10-6-429×10-6), and Ni (204×10-6-211×10-6). Similar to sanukite, all samples show enrichment of LREE and LILE (e.g., Rb, Ba, Sr and K), slight Eu negative anomaly and depletion of HFSE such as Nb, Zr, Ti, Y, Yb and Lu. They are equilibrium products of Sirich melt derived from partial melting of mantle peridotite and subducted oceanic crust, indicating a subduction background and suggesting that they were formed by ocean-continent transformation during the Palaeo-Asian Ocean closure.
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Keywords:
- high-Mg andesites /
- sanukitie /
- zircon U-Pb age /
- geochemistry /
- Ma'anshan
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班公湖-怒江结合带(BNS)位于青藏高原北部, 西起班公湖, 向东经改则、东巧、丁青与昌宁-孟连带相连, 向西延伸向克什米尔, 与东地中海特提斯蛇绿岩相连, 在中国境内长达2000km, 是青藏高原一条重要的结合带[1]。班公湖-怒江结合带中存在规模巨大的蛇绿岩、增生杂岩, 以及夹持其中的残余弧或岛弧变质地块, 发育韧性剪切带、逆冲断层、构造混杂岩、复杂褶皱等多种构造行迹, 沿断裂还发育晚白垩世-新近纪陆相火山岩、新生代陆相走滑拉分盆地和第四纪谷地[2]。为更好地认识班公湖-怒江结合带内物质的形成机制及相关的构造背景, 需要对其开展深入的研究。
通过对沉积岩中的碎屑锆石进行U-Pb定年分析, 可有效地探讨其源区并开展历史时期的古大陆重建。本文对该地区早白垩统多尼组(原1:25万区调划为上三叠统巫嘎组)砂岩的碎屑锆石开展了形态学及U-Pb年代学研究, 为揭示班公湖-怒江缝合带内该地层单元的物源区提供新的证据, 同时为探讨班公湖-怒江结合带的构造演化史提供一定的依据。
1. 地质特征
多尼组出露于改则县南西的洞错一带(图 1), 呈近东西向带状分布, 区域上为一套灰色-深灰色含煤碎屑岩地层。岩性主要为泥岩、砂岩、板岩、页岩、粉砂岩、石英砂岩、长石石英砂岩, 局部含火山岩, 产植物、菊石、双壳类、腹足类、珊瑚、层孔虫、海胆、腕足类、介形类等化石。根据野外实测剖面特征, 研究区多尼组主要岩性为深灰色、灰色泥质粉砂岩、粉砂岩, 局部夹灰色钙质岩屑石英砂岩、长石石英砂岩及少量灰岩等, 在灰岩中局部可见生物碎屑, 未见完整化石。
2. 样品采集与分析方法
样品采集于西藏改则县洞错乡南约15km处欧仁一带的PM009地层剖面上。样品岩性主要为灰色中细粒长石石英砂岩, 主要由石英(84%)、长石(13%)、岩屑(2%)、胶结物等组成, 颗粒大小以0.15~ 0.60mm为主, 分选性好, 磨圆度一般, 呈次棱角状, 次圆状。石英主要为单晶石英, 长石类以斜长石为主, 岩屑成分主要为灰岩、泥岩、粉砂岩等, 孔隙式胶结(图 2)。
样品锆石的分离和挑选由廊坊市地岩矿物分选有限公司完成, 在双目镜下挑选出晶形和透明度好的锆石颗粒, 粘贴在环氧树脂表面, 抛光后将锆石进行透射光、放射光和阴极发光显微照相。锆石制靶及阴极发光图像制备由北京中美美科科技有限公司完成, LA-ICP-MS锆石U-Pb定年测试分析在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。其中LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素年龄分析仪器为Elan6100DRC型激光剥蚀系统, 激光器为193nmArF准分子激光器。激光剥蚀斑束直径为32μm, 激光剥蚀深度为20~40μm。实验中采用氦气为剥蚀物质的载气, 采用标准锆石91500为外标, 采用美国国家标准物质局人工合成硅酸盐玻璃NIST SRM610为内标。详细的实验原理、流程和仪器参数见Yuan等[3]的文献。
3. 分析结果
多尼组砂岩碎屑锆石U-Pb年龄数据见表 1。在多尼组砂岩样品中, 随机挑选71粒锆石进行分析。从阴极发光(CL)图像(图 3)看出, 锆石颗粒大小在50~180μm之间。研究表明, 不同成因的锆石具有不同的Th/U值, 岩浆锆石的Th/U值较大(一般大于0.4);而变质锆石的Th/U值较小(一般小于0.1)[4]。多尼组砂岩碎屑锆石的Th/U值较大, 51颗锆石的Th/U值大于0.4, 平均值约为0.64, 说明锆石大部分为岩浆成因, 部分可能为变质成因。
表 1 洞错地区多尼组砂岩碎屑锆石U-Th-Pb同位素年龄数据Table 1. Detrital zircons U-Th-Pb data of sandstones in the Duoni Formation from Dongcuo area
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图 3 洞错地区多尼组砂岩碎屑锆石阴极发光图（年龄单位为Ma）Figure 3. Cathodoluminescene images of detrital zircons of sandstones in the Duoni Formation from Dongcuo area4. 分析与讨论
4.1 测年结果
对于年轻锆石而言, 207Pb/206Pb年龄误差较大, 而对于古老锆石而言, 206Pb/238U年龄的误差较大。本文在年龄选取时, 对小于1000Ma的锆石, 选取206Pb/238U计算年龄值; 年龄大于1000Ma的锆石, 选取207Pb/206Pb计算年龄值[5]。从碎屑锆石年龄分布频率直方图(图 4)可以看出, 多尼组砂岩碎屑锆石年龄值分布在125~3261Ma之间。其中125~1000Ma的锆石有37粒, 最年轻年龄值为125Ma(测点号为PM009/26-17, 和谐度为97%); 大于1000Ma的年龄值为34个, 最老年龄值为3261Ma(测点号为PM009/26-35, 和谐度为96%)。碎屑锆石主要年龄区间(或峰值)为3261Ma、2739~2335Ma、1880~ 1750Ma、1006~657Ma、577~510Ma、456~409Ma和252~202Ma(表 1)。
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图 4 青藏高原碎屑锆石U-Pb年龄频率图（据参考文献[15]修改）Figure 4. Age distributions of detrital zircons from the Tibetan Plateau4.2 讨论
多尼组的碎屑锆石年龄数据跨度较大, 不同的年龄峰值代表不同的地质意义。
(1) 3261Ma, 大于3000Ma的碎屑锆石在样品中仅出现1粒, 表明物源区存在古老地壳的残留[6], 为研究班怒带物源区的形成和演化奠定了物质基础。
(2) 2739~2335Ma年龄组包含10颗碎屑锆石, 代表物源区可能存在构造-岩浆事件。从全球地质背景看, 华北、北美、瑞芬及其他克拉通在2.5Ga左右发生了大规模的拼合事件(如Grenville事件、Pan-Afriean事件等), 形成有记载的最古老的超级大陆[7]。近年来, 众多学者在羌塘盆地发现1.8~ 2.7Ga的锆石, 如盆地中央隆起带差桑-茶布一带的戈木日群[8], 盆地西南部龙木错-双湖缝合带南侧荣玛温泉地区石英岩[9], 以及羌塘盆地北部唐古拉山温泉地区雁石坪群[10]。暗示羌塘盆地有太古宙的地壳物质, 支持羌塘盆地存在前寒武纪结晶基底的可能性。这也说明, 研究区多尼组的物源很可能为北部的南羌塘地块。
(3) 1880~1750Ma年龄组包含16颗碎屑锆石, 指示源区存在古元古代早期的构造热事件。研究表明[11-12], Columbia超级大陆各个组成陆块是在2.1~ 1.8Ga碰撞事件中拼合在一起的, 并在中元古代早-中期Columbia超级大陆边缘向外增生, 随后开始裂解, 1880~1750Ma可能也是羌塘结晶基底的主期变质年龄。
(4) 1006~657Ma年龄组包含13颗碎屑锆石, 该期是全球构造运动演化的一系列重大热事件时期, Grenvillian碰撞造山期(1000~900Ma)形成了罗迪尼亚超大陆, 在850~750Ma开始隆升、裂解[13]。在700Ma发生分解, 反映了早期的泛非碰撞, 中国大陆主要的构造表现为普遍存在张裂, 在羌塘结晶基底的戈木日群中发现1016~929Ma的热事件, 说明此时羌塘地块存在构造热事件[1]。
(5) 577~510Ma年龄组包含5颗碎屑锆石, 指示了新元古代晚期的一次构造热事件, 该组年龄值可能是泛非造山运动(550±100Ma)在物源区的记录。
(6) 456~409Ma年龄组包含8颗碎屑锆石, 可能指示了冈瓦纳大陆北缘在早泥盆世-奥陶纪的增生过程[14]。
(7) 252~202Ma年龄组包含5颗碎屑锆石, 指示拉萨地块与羌塘地块之间发生了俯冲消减及碰撞与缝合作用。
(8) 最小年龄125Ma和126Ma, 可能代表该套地层的沉积时代, 说明该套地层于早白垩世沉积形成。
班公湖地区中生代沙木罗组和日松组碎屑锆石显示, 其沉积物的物源区可能为北部的羌塘地块[1]。商旭地区中生代沉积物中含有部分来自其北部南羌塘地块中的物质, 暗示班公湖-怒江洋壳在中生代向北俯冲[15]。南羌塘与特提斯喜马拉雅沉积变质岩的碎屑锆石年龄具有相似的频率分布特征, 且二者的主要年龄峰值为530Ma、950Ma, 其与高喜马拉雅新元古代沉积变质岩碎屑锆石的年龄主峰一致, 表明其在古生代与高喜马拉雅相邻; 同时, 拉萨地块与澳大利亚西部的碎屑锆石具有一致的年龄峰值1170Ma, 表明拉萨地块可能在石炭纪-二叠纪与澳大利亚西北部毗邻[16]。从锆石年龄分布频率图可见, 研究区碎屑锆石年龄分布直方图与南羌塘更具相似性, 西藏洞错地区班公湖-怒江结合带早白垩世沉积物的物源可能来自北部的南羌塘地块。
5. 结论
(1) 班公湖地区早白垩世多尼组砂岩碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb测年结果显示, 碎屑锆石最年轻颗粒的年龄值为125Ma, 说明其形成时代晚于早白垩世; 最老碎屑锆石年龄值为3261Ma, 表明物源区存在古老地壳的残留。
(2) 将研究区早白垩世碎屑锆石的年龄分布频率图与南部的拉萨地块及北部的南羌塘地块对比, 其与南羌塘地块更具相似性, 说明研究区的早白垩世沉积物的物源可能来自北部的南羌塘地块。
致谢: 中国地质调查局沈阳地质调查中心汪岩教授级高工、钱程高级工程师详细审阅全文并提出了宝贵的建议，同时审稿专家也提出的宝贵建议，在此表示衷心的感谢。 -
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图 1 大兴安岭北段大地构造位置[12]
Figure 1. Geotectonic position of the northern part of Da Hinggan Mountains
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图 3 马鞍山高镁安山岩宏观（a）及显微（b）特征
Figure 3. Macrofeatures(a) and microscope(b) characteristics of Ma' anshan high-Mg andesite
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图 4 马鞍山高镁安山岩锆石阴极发光图像(CL)及年龄（单位：Ma）
Figure 4. CL images and ages of zircons from the Ma' anshan high-Mg andesites
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图 5 马鞍山高镁安山岩锆石U-Pb年龄谐和图
Figure 5. Zircon U-Pb concordia diagram for high-Mg andesites from Ma' anshan area
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图 8 马鞍山高镁安山岩的SiO2-MgO和SiO2-TFeO/MgO图解(底图据参考文献[31])
Figure 8. Plots of SiO2-MgO and SiO2-TFeO/MgO for high-Mg andesites from Ma' anshan area
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图 10 Nb-Nb/Th和Zr-NbN/ZrN构造环境判别图（底图据参考文献[56]）
Figure 10. Nb-Nb/Th and Zr-NbN/ZrN discrimination diagrams for tectonic setting
表 1 马鞍山高镁安山岩（HP3S1）LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb同位素分析结果
Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb data of high-Mg andesite(HP3TW9-3)from Ma'anshan area
测点 元素含量/10-6 Th/U 同位素比值 年龄/Ma 谐和度/% Pb Th U 207Pb*/206Pb* ± 1σ 207Pb*/235U ± 1σ 206Pb*/238U ± 1σ 206Pb/238U ± 1σ 207Pb/206Pb ± 1σ 1 71.91 99.93 146.43 0.68 0.1373 0.0023 7.5313 0.1225 0.3984 0.0031 2162 14 2194 34 99 2 152.9 148.73 316.62 0.47 0.1389 0.0015 7.9035 0.1077 0.4124 0.0039 2226 18 2214 18 99 3 8.94 79.09 120.07 0.66 0.0582 0.0019 0.5071 0.0157 0.0636 0.0007 398 4 539 70 95 4 12.04 128.60 161.56 0.80 0.0562 0.0018 0.4820 0.0159 0.0625 0.0007 391 4 457 70 97 5 19.33 171.73 304.96 0.56 0.0553 0.0017 0.4224 0.0135 0.0553 0.0005 347 3 433 73 97 6 12.87 298.43 424.52 0.70 0.0494 0.0017 0.1769 0.0063 0.0260 0.0003 165 2 165 86 99 7 22.07 347.71 312.01 1.11 0.0530 0.0015 0.4085 0.0125 0.0557 0.0006 350 4 328 63 99 8 17.40 127.72 212.38 0.60 0.0583 0.0019 0.5669 0.0198 0.0705 0.0008 439 5 543 74 96 9 19.28 237.39 285.84 0.83 0.0567 0.0017 0.4302 0.0121 0.0555 0.0006 348 4 480 65 95 10 21.46 271.99 318.28 0.85 0.0533 0.0014 0.4077 0.0114 0.0555 0.0006 348 3 343 94 99 11 85.10 78.82 241.55 0.33 0.1105 0.0013 4.8247 0.0702 0.3163 0.0032 1772 16 1809 21 99 12 53.45 588.49 725.05 0.81 0.0579 0.0013 0.4829 0.0112 0.0604 0.0005 378 3 524 50 94 13 39.39 283.38 656.10 0.43 0.0543 0.0010 0.4076 0.0078 0.0544 0.0005 342 3 383 45 98 14 10.99 94.71 153.83 0.62 0.0559 0.0022 0.4721 0.0173 0.0615 0.0007 385 4 450 119 97 15 10.24 261.63 334.77 0.78 0.0526 0.0020 0.1855 0.0072 0.0256 0.0003 163 2 309 87 94 16 31.25 255.46 515.54 0.50 0.0560 0.0013 0.4213 0.0105 0.0546 0.0007 343 4 454 18 95 18 11.64 141.38 173.09 0.82 0.0545 0.0025 0.4116 0.0185 0.0552 0.0007 346 4 391 108 98 19 44.30 272.45 523.40 0.52 0.0565 0.0010 0.5854 0.0109 0.0750 0.0007 466 4 472 44 99 20 14.31 624.41 539.38 1.16 0.0523 0.0017 0.1415 0.0041 0.0198 0.0002 126 2 298 69 93 注:表中测点编号前省略了“HP3” 
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表 2 马鞍山地区高镁安山岩主量、微量与稀土元素化学成分
Table 2 Chemical compositions of the high-Mg andesites from Ma'anshan area
样品 HP3S1 SK01 SK02 SK03 SK04 SiO2 53.22 54.22 53.35 54.1 53.43 TiO2 0.75 0.75 0.76 0.74 0.75 Al2O3 15.94 15.27 15.25 15.27 14.37 Fe2O3 1.62 1.45 1.68 1.64 1.87 FeO 5 5.19 5.18 5.28 4.99 MnO 0.13 0.17 0.17 0.18 0.14 MgO 8.68 8.62 7.95 7.21 10.03 CaO 5.94 4.81 5.94 5.16 5.78 Na2O 4.34 4.33 4.27 4.12 3.87 K2O 0.81 0.49 0.68 0.66 0.93 P2O5 0.22 0.23 0.23 0.22 0.2 烧失量 3.17 2.67 3.19 2.88 3.46 总计 99.82 99.89 99.88 99.89 99.81 Mg# 0.72 0.72 0.7 0.68 0.74 Li 29.3 18.25 21.47 27.01 32.13 Be 0.91 0.91 0.91 0.77 0.81 Sc 21.6 21.33 26.92 28.93 25.75 V 145 169.7 164.8 154 162.2 Cr 369 364 365 370 428.8 Co 30.4 34.89 29.13 34.6 35.2 Ni 204 203.49 210.7 210.52 207.81 Ga 18.3 20.15 19.62 17.9 17.35 Rb 13.7 13.39 13.64 9.97 13.77 Sr 336 336.5 335 346.7 327.7 Nb 3.01 2.88 2.78 2.85 2.79 Cs 1.28 1.3 1.62 1.22 0.94 Ba 317 337.84 308.78 277.28 330.05 Hf 2.63 2.65 3.1 2.64 2.9 Ta 0.34 0.17 0.17 0.14 0.17 Pb 0.22 5 3.99 4.08 3.71 Th 2.08 1.99 1.9 1.85 1.86 U 0.54 0.44 0.5 0.42 0.48 Zr 89.4 91.12 92.78 83.37 104.5 Sr/Y 23.33 23.16 23.37 28.64 25.65 La 12.9 11.75 11.92 11.65 11.62 Ce 27.5 26.89 26.35 27.36 25.47 Pr 3.87 3.82 3.13 3.64 3.49 Nd 17.1 15.83 15.08 15.11 14.74 Sm 3.41 3.7 3.03 3.44 2.95 Eu 1.06 1.02 1.03 1.01 0.91 Gd 2.95 2.52 2.86 2.37 2.48 Tb 0.47 0.47 0.43 0.44 0.39 Dy 2.54 2.36 2.78 2.18 2.23 Ho 0.49 0.44 0.44 0.43 0.42 Er 1.37 1.44 1.33 1.35 1.19 Tm 0.21 0.23 0.21 0.22 0.21 Yb 1.28 1.27 1.27 1.28 1.26 Lu 0.21 0.2 0.21 0.2 0.19 Y 14.4 14.53 14.34 12.11 12.78 ΣREE 75.36 71.94 70.06 70.69 67.52 LREE/ HREE 6.92 7.05 6.36 7.34 7.08 LaN/YN 7.23 6.62 6.74 6.53 6.64 δEu 1 0.97 1.05 1.02 1 Ba/Th 152 169 162 149 177 Th/Yb 1.63 1.56 1.5 1.45 1.49 La/Sm 3.78 3.18 3.93 3.39 3.94 注：Mg#=100×Mg/(Mg+Fe2+)；主量元素含量单位为%，微量和稀土元素单位为10-6
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表 3 典型高镁安山岩的主量、微量和稀土元素成分对比
Table 3 Major elements, trace elements and REE data for several typical high-Mg andesites
地区 Kamchatka
海峡墨西哥
Baja地区Setouchi
火山岩带日本
Bonin岛内蒙古
马鞍山地区岩石类型 埃达克型HMA 巴哈岩 赞岐岩 玻安岩 高镁安山岩 样品个数 5 9 47 31 5 SiO2 60.5~61.4 50.2~59.3 52.9~64.2 54.31~59.69 53.22~54.22 TiO2 0.90~0.98 0.65~3.47 0.39~1.25 0.07~0.29 0.74~0.76 Al2O3 15.7~16.2 13.6~18 14.1~18.5 8.02~14.44 14.37~15.94 TFeO 3.34~3.48 3.91~8.62 3.76~7.42 8.09~9.87 6.62~6.96 MnO 0.04~0.05 0.06~0.14 0.07~0.17 0.13~0.30 0.13~0.18 MgO 4.59~4.86 3.46~10.34 3.16~11.76 8.77~16.78 7.21~10.03 CaO 7.01~7.73 5.82~10.01 4.69~8.35 6.66~9.98 4.81~5.94 Na2O 3.59~3.76 2.83~5.35 2.20~4.11 0.76~2.27 3.87~4.34 K2O 2.12~2.43 0.71~4.24 0.92~2.60 0.24~0.72 0.49~0.93 P2O5 0.39~0.45 0.17~1.34 0.09~0.27 0.01~0.08 0.20~0.23 Na2O/K2O 1.63~1.77 1.8~5.5 1.09~2.75 1.43~4.83 4.18~8.92 Mg# 73~74 49~77 61~79 67~75 68~74 TFeO/MgO 0.71~0.76 0.60~1.83 0.56~1.15 0.58~0.91 0.68~0.96 Cr 161~184 43~490 332~752 600~1150 364~429 Ni 119~133 36~280 126~312 100~320 203~211 Rb 13~30 3.5~39 45~121 0.5~12 9.64~13.77 Sr 2302~2529 506~3800 245~331 61~97 328~347 Y - 5~23 11~18 2~5 12.11~14.53 Zr 63~470 - 68~119 11~25 83.37~104.48 Ba 280~2300 93~101 195~336 20~30 177~330 La 21.7~84 6.5~7.16 8.65~18.1 0.82~1.27 11.62~12.90 Yb 0.51~1.67 1.40~1.58 1.34~1.88 0.48~0.66 1.26~1.28 Sr/Y 45~506 20~21 15~28 12~29 23.16~28.64 La/Yb 15~48 4~5 5.14~10.13 1.43~2.15 9.10~10.07 注：HMA为高镁安山岩；Mg#=(100×Mg/(Mg+Fe2+))，氧化物为去水后标准化数据。数据来源：阿留申西部Kamchatka海峡的埃达克型高镁安山岩[3]；墨西哥加利福尼亚Baja地区的巴哈岩[23]；日本西南Setouchi火山岩带赞岐岩[18-20]；日本Bonin岛玻安岩[21-24]；主量元素含量单位为10%，微量和稀土元素为10-6
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