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  地质通报  2018, Vol. 37 Issue (2-3): 458-466  
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郭志华, 张宝林, 党永岐, 侯金亮, 张丽春, 高磊. 南蒙古巴音苏赫图矿区英安岩地球化学特征及其构造意义[J]. 地质通报, 2018, 37(2-3): 458-466.
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Guo Z H, Zhang B L, Dang Y Q, Hou J L, Zhang L C, Gao L. Geochemical characteristics of dacite from the Bayinsuhetu deposit in South Mongolia and its tectonic implications[J]. Geological Bulletin of China, 2018, 37(2-3): 458-466.
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基金项目

“十一五”科技支撑计划重大项目《典型覆盖区金属矿综合地球物理定位预测技术开发及应用》(编号:2006BAB01A02)和校级博士科研启动基金项目《蒙古国巴音苏赫图钨矿床岩浆岩锆石年代学研究》(编号:20164043)

作者简介

郭志华(1983-), 女, 博士, 副教授, 从事隐伏矿床定位预测等研究。E-mail:huazifighting@163.com

文章历史

收稿日期: 2016-11-03
修订日期: 2017-09-20
南蒙古巴音苏赫图矿区英安岩地球化学特征及其构造意义
郭志华1 , 张宝林2 , 党永岐3 , 侯金亮1 , 张丽春1 , 高磊4     
1. 华北理工大学矿业工程学院地质系, 河北 唐山 063009;
2. 中国科学院地质与地球物理研究所矿产资源研究重点实验室, 北京 100029;
3. 河北省地矿局第五地质大队, 河北 唐山 063000;
4. 造山带与地壳演化教育部重点实验室/北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871
摘要: 在南蒙古巴音苏赫图矿区古生代地层中新发现一套火山岩,其Rb-Sr同位素年龄为409±19Ma,与前人划分的地层年代(志留纪-泥盆纪)较吻合。英安岩的SiO2含量为63.23%~73.36%,Al2O3含量为10.25%~15.56%。英安岩轻稀土元素富集,重稀土元素亏损,具有较强的负Eu异常。岩石学和地球化学综合研究表明,该套火山岩基本同期同源演化,且岩性变化较小,以流纹岩-英安岩类为主。根据钾含量,该套火山岩为中钾钙碱性系列。英安岩落在靠近盆岭构造域的位置,显示出略亏损的特征,与原始地幔PM端元接近。推测该套火山岩形成于古亚洲洋闭合过程中的岛弧环境,表明火山岩形成时古亚洲洋可能还没有闭合。
关键词: 南蒙古    火山岩    地球化学特征    地幔    成因    
Geochemical characteristics of dacite from the Bayinsuhetu deposit in South Mongolia and its tectonic implications
GUO Zhihua1, ZHANG Baolin2, DANG Yongqi3, HOU Jinliang1, ZHANG Lichun1, GAO Lei4     
1. Department of Geology, Mining Engineering College, North China University of Science and Technology, Tangshan 063009, Hebei, China;
2. Key Laboratory of Mineral Resources, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. Bureau of Geological Exploration and Mineral Development of Hebei Province, Tangshan 063000, Hebei, China;
4. Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution of Ministry of Education/School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
Abstract: A set of volcanic rocks were recently found in Palaeozoic strata in the Bayinsukhtuore district of South Mongolia. The RbSr isotopic age of the rocks is 409±19Ma, which is consistent with the chronological age (Silurian-Devonian) obtained from previous work. The SiO2 content of dacite is 63.23%~73.36%, while the Al2O3 content is 10.25%~15.56%. The dacite is LREE enrichment, HREE loss, and has strong Eu negative anomaly. Based on petrology and geochemistry, it is held that this set of volcanic rocks evolved in the same period and came from the same source. The lithologic character of the rocks is mainly of dellenite-dacite type, with little change. According to the Kalium analysis, the volcanic rocks were derived from the potassium calc-alkaline series. It is suggested that the melted mantle source area was reformed by the subducting plate. During this process the original magma was generated from the liquid mantle of the subducting zone. At the same time crustal contamination happened. The magmatic evolution would be the main reason for generating the combined set of the volcanic rocks. It also implies that this set of volcanic rocks was formed in the island arc during the closing of pal-Asia, which indicates that the closing of pal-Asia was later than the formation of this set of volcanic rocks.
Key words: South Mongolia    volcanic rock    geochemical characteristics    mantle    origin    

兴蒙造山带和华北陆块具有不同的地壳演化史。前者处于西伯利亚陆块和中朝-塔里木陆块之间的中亚造山带东端,是在古亚洲洋基础上发展起来的,到石炭纪末古亚洲洋完全封闭[1],最终与华北陆块和西伯利亚陆块碰撞拼接形成统一的欧亚大陆。后者位于中朝-塔里木陆块东部,古生代长期处于稳定状态。晚古生代末期,受扬子陆块俯冲作用的影响[2-3],华北陆块内部活化,出现少量岩浆活动[4]。但是,古亚洲洋与中朝陆块碰撞拼接过程中是否发生过俯冲作用,目前缺乏证据。

华北陆块北缘(即燕山造山带)与兴蒙造山带古生代—中生代火成岩的源区受不同构造块体制约。华北陆块内部火成岩源于古老地壳或富集地幔源区,其εNd(t)较低[5-15];而兴蒙造山带火成岩来源于较年轻的地壳或相对亏损的地幔源区,其εNd(t)较高[6, 16-20]。因此,对兴蒙造山带晚古生代火山岩的元素-同位素地球化学及其岩浆起源的研究,可以为研究区域地壳演化与岩石圈结构提供重要信息。

研究区位于兴蒙造山带内,区内出露一套晚古生代火山岩。火山岩研究一直是板块构造演化史重建中重要的研究内容。在研究区毗邻中国一侧地区,郭锋等[21]研究了内蒙古大石寨玄武岩的年代学与地球化学特征,认为大石寨玄武岩为古亚洲洋俯冲板片交代地幔楔熔融的产物,其成因提供了早古生代古亚洲洋俯冲作用的直接证据。刘建峰[22]对内蒙古林西-东乌旗地区晚古生代岩浆岩进行了详细的岩石学、年代学和地球化学研究,探讨了该区晚古生代以来的大地构造演化。在蒙古国一侧,James等[23]研究了同一构造带上的蒙古国南部石炭纪Oyut Ulaan火山岩组的岩石学、地球化学和年代学特征,认为它是古亚洲洋闭合前的岛弧火山作用的产物,似乎跨越了钙碱性岛弧岩浆作用、双峰式岩浆作用、造山后期A型岩浆作用等多个阶段。

1 地质背景

研究区位于华北板块与西伯利亚板块之间的中亚古生代造山带东段,查干敖包-五叉沟深大断裂北侧,得尔布干断裂南侧,属于西伯利亚板块东南缘伊尔施古生代构造-岩浆岩带与大兴安岭中生代构造-岩浆岩带南段相叠加的部位(图 1) [24-30]。研究区内古生代的沉积岩较发育,深大断裂带(层)错综交织,各类侵入岩广泛发育、金属矿床(点)数量较多,是中亚造山带和多金属成矿带的重要组成部分(图 1)。

图 1 中蒙边境钨-钼矿化集中区区域地质简图(据参考文献[31]修改) Fig.1 Simplified regional geological map of the W-Mo mineralized area along the Sino-Mongolian border

巴音苏赫图钨矿区内出露地层主要有志留系、泥盆系、石炭系、白垩系、古近系—新近系、第四系。矿区断裂较发育,主要有NNE向、NW向、EW向断层。区内发现的石英脉主要呈NE向、近SN向和近EW向分布。矿区内岩浆活动强烈,出露有黑云母花岗岩、斜长花岗岩、二长花岗岩、石英斑岩、正长斑岩、花岗闪长岩等侵入岩、火山岩、脉岩等(图 2)。

图 2 巴音苏赫图矿区地质简图 Fig.2 The geological sketch map of the Bayinsukhtu ore district

英安岩呈灰色或灰绿色(图 3),位于矿区的中南部,出露面积较大,出露长约1km、宽为300m,具有不同程度的硅化、褐铁矿化。其化学成分和矿物成分介于安山岩和流纹岩之间,与花岗闪长岩和英云闪长岩相当。斑状结构或玻璃质结构,斑晶多为中性斜长石,少量碱性斜长石,部分含石英。基质为细粒的长石、石英等。多数为玻璃质结构、玻基交织结构或霏细结构。斜长石破碎严重且有较强的碳酸盐化,个别边缘被部分溶蚀。肉眼可见石英颗粒,但是在显微镜下破碎较明显,斑晶多数已破碎成碎粒状,具有溶蚀边缘。基质主要由绿泥石、方解石和部分钛铁矿、次生玉髓组成,分布于石英和斜长石之间。英安岩常与流纹岩、粗面岩、安山岩等共生,组成巨厚的火山岩系。

图 3 巴音苏赫图矿区火山岩及显微镜下照片 Fig.3 The photographs of the volcanic rocks in the Bayinsukhtu ore district a—英安岩;b、c—斜长花岗岩单偏光和正交光照片
2 分析方法

首先将样品磨碎至200目,然后在中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室完成主量、微量元素和Sr-Nd同位素的分析。主量元素的分析采用XRF法,称重0.6g的样品和6g四硼酸锂制成玻璃片,在Shimadzu XRF-1500上完成氧化物的质量分数测定,精确度优于2%~3%。微量元素分析首先采用酸溶法将样品溶解,样品溶液制备完成后,在Element Ⅱ型ICP-MS上进行测试,依据GSR-1和CSR-2国家标准,微量元素的质量分数大于10×10-6,则精度优于5%;小于10×10-6,则精度优于10%。Sr-Nd同位素比值的测定采用德国Finnigan公司MAT262固体源质谱计完成,147Sm/ 144Nd和87Rb/86Sr值误差小于0.5% [32-34]

3 地球化学特征 3.1 主量元素

研究区英安岩样品主量元素分析结果见表 1。英安岩的SiO2含量为63.23%~73.36%,Al2O3含量为10.25%~15.56%,TFe2O3含量为2.59%~4.31%,MgO含量为1.22%~2.20%,Na2O含量为2.33%~4.56%,K2O含量为1.46% ~2.99%,CaO含量为0.67% ~ 2.59%,TiO2含量为0.33%~0.58%。在TAS分类图解(图 4)中,样品数据点均位于英安岩区域。在SiO2-K2O图(图 5)中,均表现出钙碱性岩石的特征。Harker图解(图略)显示,SiO2与Fe2O3、MgO、Na2O、K2O、Al2O3呈较明显的负相关关系,而与CaO相关性不明确。火山岩的复杂碱性组合可能与岩浆分异演化和多源物质混染有关。

表 1 研究区火山岩主量、微量和稀土元素分析结果 Table 1 The analyzed data of major, trace and rare earth elements of volcanic rocks in the study area
图 4 巴音苏赫图钨矿区火山岩TAS图解 Fig.4 The TAS diagram for the volcanic rocks of the Bayinsukhtu W deposit
图 5 巴音苏赫图钨矿区火山岩SiO2-K2O变化图 Fig.5 The SiO2-K2O classification diagram for the volcanic rocks of the Bayinsukhtu W deposit
3.2 稀土和微量元素

研究区英安岩稀土和微量元素组成测试结果见表 1。由稀土元素分析数据可知,英安岩稀土元素总量(∑REE)偏低,为148.79×10-6~254.36×10-6;稀土元素配分曲线图(图 6)显示,区内所有样品均表现出相同的变化趋势。轻稀土元素富集,重稀土元素亏损,表示轻、重稀土元素之间存在较强的分馏作用。8个样品均具负Eu异常。火山岩La/ Sm值为4.54~6.04。LREE/HREE值在5.75~7.94之间,英安岩轻稀土元素富集、重稀土元素亏损,具有较强的负Eu异常。在Y-Sr/Y图解中,岩石落在正常岛弧安山岩-英安岩-流纹岩区域内(图 7)。

图 6 巴音苏赫图矿区内火山岩稀土球粒陨石标准化配分图(a,球粒陨石标准值据参考文献[35])和不相容元素原始地幔标准化蛛网图(b,原始地幔标准值据参考文献[36]) Fig.6 Primitive-mantle normalized sprider diagramsand chondrite-normalized REE patterns of volcanic rocks from the Bayinsukhtu ore district
图 7 Y-Sr/Y关系图解[37] Fig.7 Sr/Y versus Y diagram

英安岩微量元素蛛网图(图 8)显示出较好的一致性,表现为相对富集Th、U、Hf、La等高场强元素,而Ba、Sr等大离子亲石元素,以及Ta、Nb等高场强元素相对亏损。负Nb异常表明,火山岩在喷发过程中可能有地壳物质的加入。

图 8 英安岩Rb-Sr等时线 Fig.8 Isochron of Rb-Sr isotopic dating for volcanic rocks
4 岩石成因

研究区英安岩样品的Sr-Nd同位素测试结果列于表 2。根据表 2中6个样品数据作图,得出Rb-Sr等时线年龄值为409±19Ma,ISr值为0.70793± 0.0012。在等时线上样品点分布均匀,线性关系良好(图 8),低MSWD值和较小的年龄值误差表明,该年龄值可信度较高,且与前人得到的地层年龄(1:5万地质图上确定为志留纪—泥盆纪)较吻合,说明所得Rb-Sr年龄较可靠,可代表英安岩的冷却结晶时间。

表 2 研究区火山岩Sr-Nd同位素分析结果 Table 2 Sr and Nd isotope composition of volcanic rocks in study area

依据409Ma计算了研究区英安岩的(87Sr/86Sr)iεNd(t)、TDM。由表 2可知,研究区英安岩(87Sr/86Sr)i的变化范围为0.707329~0.708254,平均值为0.707881。143Nd/144Nd值较高(0.512323~0.512362),平均值为0.512337。εNd(t)在-2.5~-2.2之间,均为负值,TDM的变化范围为1386~1545Ma。在Isr-εNd(t)图解(图 9)中,研究区英安岩落在靠近盆岭构造域的位置。显示出略亏损的特征,与原始地幔PM端元接近(图 8),说明岩浆源区可能为地幔分异产物,其从地幔分离后的时间较短。

图 9 研究区火山岩Isr-εNd(t)判别图(底图据参考文献[17]) Fig.9 Isr-εNd(t) diagram for volcanic rocks in the study area DM—亏损地幔;EMⅠ、EMⅡ—富集地幔;PM—普通地幔;MORB—洋中脊玄武岩;OIB—洋岛玄武岩

综上所述,由稀土元素配分曲线和微量元素蛛网图(图 6)可见,研究区英安岩样品呈现出基本一致的变化特征,应为一套基本同源的火山岩;从主量元素结果可见,该套英安岩岩性变化较小,以流纹岩-英安岩类为主。根据钾含量,该套火山岩为中钾钙碱性系列。

安山岩的研究已成为国际火山岩研究的热点。最近的研究表明,安山岩可以产出在不同的构造环境,其成因也极其复杂[38-42]。根据成岩物质来源,可将安山岩分为壳源、壳幔混源、幔源3种类型;同玄武岩一样,安山岩也可以产在不同的构造环境。除俯冲带外,还可出现在大洋中脊大陆内部等非造山环境[43]。岛弧的特征是以钙碱性的安山岩-英安岩-流纹岩组合为主,也有玄武岩。研究区岩石组合也具有相似的特点。由表 1可知,英安岩微量元素地球化学特征与大洋岛弧和安第斯地区的安山岩相近,更类似于大洋岛弧环境下的安山岩。在Y-Sr/Y构造判别图(图 7)中,研究区英安岩均投在典型岛弧火山岩区。晚古生代中朝板块与西伯利亚板块逐渐闭合,期间古亚洲洋逐渐缩小[44],是火山喷发形成英安岩的时期,该区仍为海洋环境。

5 结论

(1) 英安岩Rb-Sr同位素等时线年龄为409±19Ma,与前人划分的地层年龄(志留纪—泥盆纪)较吻合。

(2) 该套英安岩岩性变化较小,以流纹岩-英安岩类为主。根据钾含量,该套火山岩为中钾钙碱性系列。

(3) 研究区英安岩属典型岛弧火山岩。晚古生代中朝板块与西伯利亚板块逐渐闭合,期间古亚洲洋逐渐缩小,是火山喷发形成英安岩的时期,该区仍为海洋环境。

致谢: 在成文过程中,得到中科院地质与地球物理研究所秦克章研究员悉心指导,中科院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室储著银、靳新娣、李禾等老师在实验过程给予指导和帮助,蒙古九金公司黄向辉、黄其涵、李伟、乌日图及蒙方翻译对野外工作顺利进行提供大力支持,在此一并致谢。

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