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  地质通报  2018, Vol. 37 Issue (5): 863-880  
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张晓飞, 王必任, 张华川, 周毅, 冯俊岭, 曹军, 滕超, 刘俊来. 内蒙古西乌旗罕乌拉地区下二叠统寿山沟组碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄及其地质意义[J]. 地质通报, 2018, 37(5): 863-880.
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Zhang X F, Wang B R, Zhang H C , Zou Y, Feng J L, Cao J, Teng C, Liu J L. The detrital zircon LA-ICP-MS U-Pb age of Early Permian Shoushangou Formation in Hanwula area of Xi Ujimqin Banner, Inner Mongolia, and its significance[J]. Geological Bulletin of China, 2018, 37(5): 863-880.
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基金项目

中国地质调查局项目《内蒙古1:5万呼格吉勒图、巴彦华、巴彦布拉格、彦吉嘎庙幅区域地质调查》(编号:1212011220453)

作者简介

张晓飞(1985-), 男, 在读博士生, 工程师, 从事区域地质矿产调查与研究。E-mail:zhangxiaofei521125@163.com

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收稿日期: 2017-05-30
修订日期: 2017-08-25
内蒙古西乌旗罕乌拉地区下二叠统寿山沟组碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄及其地质意义
张晓飞1,2 , 王必任2 , 张华川2 , 周毅2 , 冯俊岭2 , 曹军2 , 滕超2 , 刘俊来1     
1. 中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院, 北京 100083;
2. 中国地质调查局国土资源实物地质资料中心, 河北 燕郊 065201
摘要: 中亚造山带南缘二叠纪的构造背景一直存在争议。以内蒙古西乌旗罕乌拉地区发育的寿山沟组为研究对象,开展了野外地质、岩石学、碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄研究。2个样品锆石阴极发光图像和Th/U值指示,锆石为岩浆成因锆石。103颗碎屑锆石年龄测试结果显示,年龄信息可划分为5组:285~328Ma,峰期年龄302Ma;338~361Ma;455~490Ma;757Ma;1278Ma、2380Ma。最年轻的年龄为285Ma,结合侵入其中的花岗岩同位素年龄,指示西乌旗罕乌拉地区寿山沟组沉积时限介于285~280Ma之间,主体沉积时代应为早二叠世Sakmarian期—Artinskian期。寿山沟组碎屑锆石反映出近源、快速沉积的特点,沉积物源中含有较多的火山碎屑物,可能代表弧后盆地沉积,为早二叠世古亚洲洋闭合前洋壳俯冲消减作用的沉积响应。结合区域资料,寿山沟组碎屑锆石的年龄对应于东北地区的变质基底及其后的构造岩浆事件,物源区物质主要来自于苏尼特左旗—锡林浩特—西乌旗一带早石炭世末—晚石炭世岩浆弧及贺根山—东乌旗一带,并进一步限制了华北与西伯利亚两大板块的缝合线应位于寿山沟组发育地区的南部,即索伦缝合带,拼合时代最可能为晚二叠世—早三叠世。
关键词: 中亚造山带    西乌旗    早二叠世    寿山沟组    碎屑锆石    U-Pb同位素    
The detrital zircon LA-ICP-MS U-Pb age of Early Permian Shoushangou Formation in Hanwula area of Xi Ujimqin Banner, Inner Mongolia, and its significance
ZHANG Xiaofei1,2, WANG Biren2, ZHANG Huachuan2, ZHOU Yi2, FENG Junling2, CAO Jun2, TENG Chao2, LIU Junlai1     
1. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
2. Cores and Samples Center of Land and Resources, China Geological Survey, Yanjiao 065201, Hebei, China
Abstract: There exist different opinions concerning the structural setting of southern Central Asia Orogenic Belt (CAOB) in the Permian period. The authors studied the Shoushangou Formation in Hanwula area of Xi Ujimqin Banner, Inner Mongolia, in such aspects as field occurrence, petrology, and detrital zircon U-Pb isotopic geochronology. The result shows that the cathodoluminescence (CL) images of analyzed zircons of two samples from Shoushangou Formation and their Th/U ratios imply the igneous origin. And the ages of total 103 detrital zircons can be mainly divided into 5 groups:285~328Ma (peak age being 302Ma), 338~361Ma, 455~490Ma (Early Paleozoic), 757Ma (Neoproterozoic)and the fifth group including 1278Ma and 2380Ma (Mesoproterozoic- Paleoproterozoic).The youngest age of dating zircons is 285Ma. Together with the age of the granite that intruded into it, the authors have come to the conclusion that the sedimentary age of the Shoushangou Formation ranges from 285Ma to 280Ma, with the main deposition epoch being the Sakmarian -Artinskian stage of Early Permian. The detrital zircons of Shoushangou Formation indicate that the investigated rocks are immature, probably due to the results of rapid erosion, transport, and diagenetic process and nearby supply derived from the nearby source. Additionally, lots of volcanic clastics were found in the provenance of the Shoushangou Formation. All these characteristics suggest that the Shoushangou Formation was most probably formed in a back-arc spreading environment triggered by oceanic crust subduction before closure of the Paleoasian Ocean in Early Permian. Combined with the regional geology and timing of the magmatism, it is concluded that the detrital zircons of the Shoushangou Formation reflect the information of the metamorphic basement and following tectonomagmatic event in Northeast China, and the provenance of Shoushangou Formation mainly came from the Paleozoic granitoids and volcanic rocks in the Sonid Zuoqi-Xilin Hot-Xi Ujimqin Banner area, with the probable addition of materials from Hegenshan-Dong Ujimqin Banner area. Therefore, the suture zone between the North China and Siberia plate is situated in the south of Shoushangou Formation, which is located along the the Solonker suture zone, and the timing for the final collision might be Late Permian-Early Triassic.
Key words: Central Asia Orogenic Belt (CAOB)    Xi Ujimqin Banner    Early Permian    Shoushangou Formation    detrital zircons    U-Pb isotope    

分隔西伯利亚板块与华北板块的古亚洲洋最终闭合的时间和位置一直是华北板块北缘地质研究的热点问题[1-11],这些问题涉及到该区在古亚洲洋闭合前后的构造位置及构造属性等一系列关键科学问题,进而影响矿产资源勘探的突破,具有重要的资源战略意义。内蒙古中东部地区是古亚洲洋最终闭合的关键部位,也是探讨中亚造山带南缘晚古生代构造演化的突破点。

前人研究表明,内蒙古东部地区由众多微地块组成(图 1-a),自西向东依次为额尔古纳地块、兴安地块、松嫩地块、布列亚-佳木斯地块、兴凯地块[12-13]。古生代以来,各地块伴随着古亚洲洋的消减、关闭而相继拼贴形成统一的东北地块群[9-10, 14-20]。如王成文等[16]指出,东北及其邻区至少在晚古生代已经存在一个统一的“佳-蒙地块”,而西伯利亚与华北板块的拼合实际上是“佳-蒙地块”与华北板块的拼合[12]。关于华北板块和西伯利亚板块的最终缝合位置,主要有沿二连-贺根山蛇绿岩带和索伦缝合带闭合2种观点,最新研究成果大多认为,两大板块最终沿索伦缝合带闭合[2, 9, 18, 21-22]。对于其最终闭合的时限仍具有争议:一种观点认为华北板块与西伯利亚板块在中、晚泥盆世—早石炭世闭合[4-7, 23-27];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[9, 28-31]。内蒙古中东部地区广泛发育的晚古生代晚期地层,因其所处的关键地理位置和重要时间节点,为研究以上问题提供了有利线索。

图 1 东北地区构造单元图(a)[12, 14]及研究区大地构造位置(b)[9]和地质简图(c) Fig.1 Tectonic divisions of Northeast China(a), geological regional location of the study area(b) and geological sketch map of the study area(c)

内蒙古地区下二叠统寿山沟组集中分布于西乌旗—林西—巴林左旗一带,尤以西乌旗地区分布最广泛[32-34],为一套海相滨海相碎屑岩组合,横向上表现为:西南部为滨海-浅海环境,东北部为半深海-深海环境[32]。前人从岩石组合、沉积环境、生物化石、碎屑锆石、烃源岩评价[32, 34-40]等方面对寿山沟组进行了大量的研究,也取得了较大的进展。但区域上寿山沟组生物化石稀少,仅在林西西部黄岗梁地区、西乌旗地区发现少量腕足、海百合茎等海相化石[32-33]。由于确定地层时代时缺少同位素测年资料和古生物化石,研究者仅通过岩石地层的对比来确定寿山沟组,从而造成寿山沟组划分标准混乱,无据可依[33],进而影响到该区晚古生代地层分布规律的研究,以及华北板块北缘在晚古生代与中生代之交构造属性的认识,故有必要对寿山沟组进行更加精确的年代学测试。

由于锆石具有较高的U-Th-Pb同位素体系封闭温度(高达900℃)[41],可在低级变质作用和风化搬运过程中保持稳定,因此沉积岩碎屑锆石年代学在限定沉积地层的最大沉积年龄、示踪物源区、恢复形成构造环境等方面得到广泛应用。本文在西乌旗罕乌拉地区1:5万区域地质填图的基础上,选取西乌旗罕乌拉地区寿山沟组作为研究对象,进行剖面实测和岩石学研究,对其中的碎屑锆石进行LAICP-MS U-Pb年龄测试,结合碎屑锆石的年龄谱信息,对该套地层的沉积时代、物源区特征及可能的大地构造意义进行研究,希望为中亚造山带南缘二叠纪构造演化研究提供新的依据。

1 地质背景 1.1 概况

内蒙古西乌珠穆沁旗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)中部,大地构造位置上处于北部贺根山蛇绿岩带和南部索伦缝合带之间的白彦宝力道弧岩浆岩带(图 1-b)。区域上出露最老的地层单元是锡林郭勒变质杂岩,由于变质程度较深,缺乏化石依据,关于该杂岩的时代归属存在较大争议。葛梦春等[42]将锡林浩特地区的“锡林郭勒杂岩”解体为一套表壳岩及新元古代基性-超基性侵入岩和早古生代酸性侵入岩,并将表壳岩厘定为锡林浩特岩群,形成时代推定为中元古代[43]。晚石炭世—二叠纪依次发育本巴图组、阿木山组、寿山沟组、大石寨组、哲斯组海相地层、林西组陆相地层等晚古生代岩石地层单元。区域内岩浆活动频繁,发育晚古生代—新生代侵入岩和火山岩。

1.2 地质特征

研究区位于西乌旗东北部罕乌拉地区,区域上出露的地层单元由老至新依次为中元古界锡林浩特岩群,为一套二云(石英)片岩、含石榴石英片岩夹斜长角闪岩,与下二叠统寿山沟组为逆断层接触。二叠系在该区较发育,地层从下到上依次为下二叠统寿山沟组、大石寨组、中二叠统哲斯组。寿山沟组为一套浅变质海相碎屑岩组合,与大石寨组为逆断层接触。大石寨组为一套海相火山-沉积岩组合。哲斯组为一套滨浅海相碎屑岩夹碳酸盐岩组合,灰岩中发育较丰富的珊瑚、腕足、海百合茎、苔藓虫化石。区内岩浆岩主要发育早二叠世辉长岩、辉石闪长岩及碱长花岗岩侵入体(伊和绍荣复式岩体)、大石寨组火山岩;早、中三叠世花岗闪长岩、二长花岗岩侵入体;早白垩世花岗斑岩、碱长花岗岩;中生代陆相火山岩,呈不整合覆盖于下伏地层之上。

研究区寿山沟组分布及实测剖面(A-A′)位置见图 1-c,实测剖面见图 2。寿山沟组主要分布于研究区南部和北部,出露面积约124km2,地貌上多呈东西向、北西西向展布的高山,与早期基底地层及大石寨组呈逆断层接触,二叠纪和三叠纪岩体侵入其中,被大面积中生界火山岩和第四系覆盖。1:20万罕乌拉幅将该套地层划分为上、下2段(P1?1、P1?2),归并为下二叠统,但并未对其定组。本次工作根据1:5万区域地质调查成果,经详细的野外地质调查及室内综合分析,将其归为寿山沟组,由下至上分为2个岩性段:下部为灰黄色-灰绿色-灰黑色粉砂质-泥质-凝灰质板岩、灰色-浅灰褐色互层状沉凝灰岩夹灰黑色粉砂质泥岩及泥质粉砂岩,整体为一套含火山物质的海相细碎屑岩组合;上部为灰白色-灰黑色粉砂岩、凝灰质粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩、沉凝灰岩、灰绿色-灰黑色粉砂质-泥质-凝灰质板岩,底部为砂岩、砂砾岩及黑色板岩,发育冲刷构造、粒序层理及鲍马序列,表现为一套有火山物质参与的浅海陆棚-半深海沉积夹重力流沉积的岩石组合。该组岩石多发生轻微变质作用,构造变形较强,硅化、碎裂岩化较普遍,局部发育角岩化。

图 2 罕乌拉地区寿山沟组实测剖面 Fig.2 Geological section of the Shoushangou Formation in Hanwula
2 样品特征及分析测试 2.1 样品及岩相学特征

本次研究的样品为采自西乌旗罕乌拉地区寿山沟组中的长石砂岩(Pm19B31)、泥质板岩(B1401),采样点地理坐标分别为:北纬44°42′16″、东经118°33′59″;北纬44°42′38″、东经118°51′40″。对其进行碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb同位素年代学研究。

长石砂岩多呈浅灰黑色、灰色,变余细砂状结构,中-厚层状构造,岩石变质重结晶程度较低,新生绢云母普遍连成条纹状分布,雏晶黑云母稀疏分布(图版Ⅰ-cd)。岩屑磨圆呈次圆状,成分为硅质岩、板岩,粒径0.2~0.7mm,少量。砂屑呈次棱角状、次圆状,部分棱角趋于消失,呈粒状或重结晶不规则粒状,少数拉长定向排列,粒径一般为0.1~0.2mm,少量可达0.4mm,成分以斜长石为主,约占50%;石英呈波状消光,约占10%。绢云母呈鳞片状,定向排列,多连成条纹状,分布普遍,含量约25%。雏晶黑云母呈浅褐色,鳞片状,少数小片状,稀疏分布,含量约10%。重结晶微细石英、长石,彼此镶嵌,颗粒细小,部分界线不清,局部少量分布。

图版Ⅰ   PlateⅠ   a、b.样品野外特征;c、d.长石砂岩镜下特征;e、f.泥质板岩镜下特征

泥质板岩呈浅灰黑色、灰黑色,泥状结构,板状构造。岩石碎裂岩化、裂隙较发育,局部细碎或使岩石分割成块,硅化石英呈不规则细脉状或相互穿切,脉宽小于0.5mm(图版Ⅰ-ef)。粉砂屑磨圆呈次棱角状、粒状,稀疏分布,粒径小于0.1mm,少数达0.2mm,含量小于5%,成分主要为石英和斜长石,偶见玻屑,轮廓消失,脱玻微粒钠长石镶嵌。泥质呈土褐色,分布均匀,其中粘土矿物纤维发育,普遍定向分布,含量约90%。火山碎屑见细小玻屑,条状、粒状,稀疏分布,局部略集中,脱玻霏细粒状长英质,含量小于5%。

2.2 测试方法

锆石单矿物分选由河北省区域地质调查研究所完成。锆石制靶、阴极发光(CL)照相由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-ICP-MS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李怀坤等[44]。测试数据的计算处理采用Isoplot3.0程序[45]。按照碎屑锆石年龄分布范围,年龄大于1000Ma的锆石,由于含大量放射性成因Pb,采用207Pb/206Pb表面年龄;年龄小于1000Ma的锆石,由于可用于测量的放射性成因Pb含量低和普通Pb校正的不确定性,采用更可靠的206Pb/238U表面年龄[41, 46-47]

3 碎屑锆石特征和年龄谱 3.1 碎屑锆石特征

图 3是样品(Pm19B31、B1401)中选取的代表性锆石阴极发光图像。锆石多为浅黄色-粉色,透明-半透明,弱金刚光泽,多呈半自形双锥柱状、短柱状、次浑圆柱粒状等。粒度长度50~120μm,宽度40~80μm,宽窄不一,长宽比为1: 1~2: 1,少数达3: 1。锆石表面较光滑,晶体裂纹发育,常见浅坑、浅沟槽等溶磨痕迹。锆石内部具有明显的岩浆生长振荡环带结构,属于岩浆结晶产物[41, 48]。少量锆石内部结构比较复杂,部分锆石具有残留的核部,为继承核或捕获核;部分锆石颗粒具有窄的浅色边,但核部仍显示清晰的岩浆环带特征,表明浅色边为变质的增生边[41]

图 3 代表性碎屑锆石阴极发光(CL)图像及年龄 Fig.3 CL images of the representative analyzed detrital zircons and their corresponding ages

样品(Pm19B31、B1401)测得的同位素比值和年龄数据见表 1。对样品Pm19B31、B1401分别随机选取了63颗和43颗单颗粒锆石进行测试,在U-Pb谐和图中(图 4),绝大多数数据点都落在谐和线上或其附近,表明样品中的锆石U-Pb体系基本保持封闭,绝大多数锆石具有谐和年龄。样品Pm19B31中剔除了3个极不谐和的年龄数据(点34、35、36),对其余的同位素年龄数据进行了统计。样品Pm19B31中所测60颗锆石的Th/U值介于0.4~1.6之间,均大于0.4;样品B1401中所测43颗锆石的Th/U值介于0.13~0.99之间,多数大于0.4,与CL图像分析结果一致,说明绝大多数锆石为岩浆锆石。

表 1 寿山沟组LA-ICP-MS碎屑锆石U-Th-Pb同位素分析结果 Table 1 LA-ICP-MS U-Th-Pb data of detrital zircons from Shoushangou Formation
图 4 单颗粒碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb谐和图 Fig.4 LA-ICP-MS U-Pb concordia diagrams of single detrital zircons
3.2 年龄分布特征

样品Pm19B31中测得最年轻锆石和最古老锆石年龄分别为285Ma和361Ma(图 5表 1)。测试数据年龄值和频率分布特征显示:碎屑锆石206Pb/238U年龄集中在285~328Ma之间,有57颗锆石,占总数的95%,呈现最强烈峰值的特征,峰值年龄为302Ma;另有3颗锆石年龄分别为338Ma、342Ma、361Ma。样品B1401中最年轻锆石和最古老锆石年龄分别为285Ma和2117Ma。测试数据年龄值和频率分布特征显示,碎屑锆石206Pb/238U年龄集中在285~323Ma之间,有37颗锆石,占总数的84%,呈现最强烈峰值的特征,峰值年龄为302Ma,具有287Ma、308Ma、318Ma的次高峰;347Ma的锆石样品1颗;具有早古生代年龄信息的碎屑锆石3颗,分别为455Ma、485Ma、490Ma;具有元古宙年龄信息的碎屑锆石2颗(3个测试点),分别为757Ma、1278Ma、2380Ma。从寿山沟组2个样品的碎屑锆石年龄谱特征看(图 5-ab),尽管2个样品在时代跨度上有差异,但其所呈现出的峰值特征基本一致,因此可以合并讨论有关问题(图 5-c)。综合分析,寿山沟组碎屑锆石(103颗,共104个测试点)代表的年龄信息可划分为285~328Ma(94颗)、338~361Ma(4颗)、早古生代455~490Ma(3颗)、新元古代757Ma(1颗)、中—古元古代1278Ma和2380Ma(2颗)。与郑月娟等[33]研究的西乌旗塔宾庙林场寿山沟组碎屑锆石年龄图谱特征相似(图 5-d)。

图 5 单颗粒碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄频谱图(d据参考文献[33]) Fig.5 LA-ICP-MS U-Pb age frequency diagram of single detrital zircons
4 讨论 4.1 沉积时限的限定

关于寿山沟组的沉积时限,前人从地层古生物方面进行了研究,认为其形成于早二叠世[34, 38, 49],层位相当于Sakmarian阶—Artinskian阶[49]或Kungurian阶最晚期[38]。碎屑锆石方面:Scott等[50]对大石寨地区寿山沟组碎屑岩进行碎屑锆石研究,认为该组地层的形成时间晚于269Ma;郑月娟等[33]根据西乌旗塔宾庙林场寿山沟组最年轻的一组锆石U-Pb年龄的峰值289Ma,认为其沉积时间应该晚于289Ma,为早二叠世Sakmarian期以后。西乌旗地区侵入寿山沟组的前进场和达青二长花岗岩年龄分别为280.8±3.6Ma和281.5±0.5Ma[51]。研究区伊和绍荣复式岩体侵入到寿山沟组内,侵入接触关系明确,接触带边部发育角岩化,在岩体内部可见寿山沟组变质砂岩捕虏体,侵入岩锆石U-Pb年龄为280.1± 1.3Ma(未发表数据)。根据研究区寿山沟组2个样品中最年轻的锆石年龄(285Ma),推测该地层沉积时限介于285~280Ma之间。结合前人资料,寿山沟组主体沉积时代应为早二叠世Sakmarian期—Artinskian期。

4.2 碎屑锆石年龄谱信息及物源区特征 4.2.1 碎屑锆石年龄谱信息

(1)早石炭世末—早二叠世早期年龄信息

285~328Ma为样品最年轻的峰值区间,也是主要碎屑岩锆石的分布区间。该年龄段锆石约占锆石总数的90%,峰值302Ma。该年龄组代表的是早石炭世末—早二叠世早期的构造岩浆热事件的年龄谱。

从已发表的资料看,该组年龄代表的岩浆事件主要分布于二连-贺根山蛇绿岩带两侧的西乌旗、东乌旗等地区(表 2图 6[18, 23, 25, 28, 51-75]。在苏尼特左旗—锡林浩特—西乌旗南一带见有大量早石炭世末—晚石炭世(300~325Ma)岩浆活动的报道[28, 42, 53-54, 59, 62, 76-78];锡林浩特地区早石炭世变质基性火山岩年龄为334.5±3.5Ma、323.4±2.4Ma[79];本巴图组火山岩喷发年龄为301~324Ma[59, 80-81];西乌旗—东乌旗地区分布的宝力高庙组火山岩年龄介于305~320Ma之间[63, 82]。在二连—东乌旗地区有晚石炭世(307~314Ma)岩浆活动的报道[64-65, 70]。东乌旗地区格根敖包组火山岩年代介于307~323Ma之间[22, 83]。早二叠世早期岩浆活动(279~295Ma)主要发生于东乌旗和二连浩特北部一带[23, 76, 60, 84]。在贺根山蛇绿岩中的浅色辉长岩、辉绿岩脉和块状玄武岩中也有该期年龄(293~298Ma)的报道[15, 59]

表 2 主要构造岩浆事件年龄值统计 Table 2 The dating results of main geological events
图 6 晚古生代岩浆岩分布[75](数据据参考文献[18, 23, 25, 28, 51-75]) Fig.6 Distribution of Late Paleozoic magmatic rocks

(2)早石炭世早期年龄信息

338~361Ma区间的锆石共4颗,年龄分别为338Ma、342Ma、347Ma、361Ma。在西乌旗塔宾庙林场寿山沟组中亦见有类似年龄[33],代表早石炭世早期构造岩浆热事件的年龄谱。黄波等[22]报道了贺根山蛇绿岩中辉长闪长岩341±3Ma和玄武岩359± 5Ma的年龄。在锡林郭勒杂岩片麻岩[53]、本巴图组碎屑锆石年龄[85]中也有该期年龄的报道。

(3)早古生代年龄信息

455~490Ma区间的锆石共3颗,年龄分别为455Ma、485Ma、490Ma。在西乌旗本巴图组碎屑锆石中见457~543Ma,峰期年龄为513Ma的信息[85];在西乌旗塔宾庙林场寿山沟组有502±6Ma的锆石年龄[33]。该年龄组代表早古生代构造岩浆热事件的年龄谱。区域上有苏尼特左旗-锡林浩特-西乌旗岩浆弧中的早古生代(458Ma~498Ma)岩浆事件的报道[17, 21, 42, 86]。前人研究表明,泛非期岩浆作用在东北地区广泛分布(表 2),大致可分为550~510Ma和500~460Ma两期[13],该年龄组也与东北地区泛非期构造热事件吻合[87-100]

(4)新元古代年龄信息

757Ma的碎屑锆石仅1颗。在西乌旗地区本巴图组(724~996Ma)、塔宾庙林场寿山沟组(764 ± 10Ma、915±11Ma)中均有新元古代的年龄信息[33, 85]。在锡林浩特地区,侵入锡林浩特岩群的变辉长岩年龄为739.6Ma[42]。最新研究显示,东北地区的微陆块(额尔古纳地块、兴安地块、松辽地块、佳木斯地块等)也存在新元古代的构造热演化事件的年龄数据记录(表 2[13, 91, 95-99, 101-104]

(5)中—古元古代年龄信息

1278Ma、2380Ma的碎屑锆石共2颗。在西乌旗本巴图组中见1031~1836Ma(峰期1572Ma)和2469~2505Ma(峰期2487Ma)的年龄信息[85];在西乌旗塔宾庙林场寿山沟组中见有1826Ma~2490Ma的碎屑锆石年龄[33],其代表中元古代—古元古代的年龄信息。中元古代—古元古代年龄数据在东北地区亦见有报道(表 2[53, 88, 92-95, 100, 104-106]

4.2.2 物源区特征

本文的碎屑锆石年龄频率分布显示,285~328Ma为该碎屑岩锆石的主要年龄区间,约占锆石总数的90%,反映其沉积物源主要来自早石炭世末—早二叠世早期的火山(岩浆)物质。锆石CL图像显示,锆石大多数晶形完好,呈棱柱状,磨圆度较差,反映碎屑沉积物距离物源近、快速沉积的特点,表明物源区可能就在附近,其南侧苏尼特左旗—锡林浩特—西乌旗一带的岩浆弧及其区域内的锡林郭勒杂岩可作为物源。

张能[39]对内蒙古科尔沁右翼前旗寿山沟组岩石地球化学分析表明,寿山沟组碎屑岩成分主要为富硅和富铝的石英长石类矿物,物源主要来自上地壳,但有深部部分基性岩物质的加入。贺根山蛇绿岩形成时代至今仍存在争议,但其至少在晚石炭世或早二叠世已经就位[22, 59, 107]。贺根山地区中二叠统哲斯组碎屑岩沉积与蛇绿岩不整合接触[22, 107],缺少早二叠世的地层沉积。东乌旗地区晚石炭世宝力高庙组不整合于泥盆系之上,与上覆上二叠统林西组呈不整合接触[59]。以上说明,研究区北部的贺根山—东乌旗一带,早二叠世处于剥蚀状态,可能为寿山沟组的沉积提供物源。

从已发表的年龄资料看,东北与华北板块具有不同的年龄谱[104, 108-111],华北板块的前寒武纪基底岩石主要由新太古代花岗岩和片麻岩,以及古元古代变质沉积序列构成,岩石年龄主要以1800Ma和2500Ma为代表;东北地块以500Ma左右的泛非期事件及新元古代的岩浆活动为典型代表[13, 104, 108-111]。寿山沟组碎屑锆石年龄谱455~490Ma、757Ma,反映的构造热事件与东北地区微地块一致。综合以上资料,说明寿山沟组碎屑锆石中古老锆石的物源区很可能来自东北地区,而与华北板块无关。

4.3 早二叠世构造属性

前人对华北板块北缘早二叠世大地构造背景的认识一直存在争议,主要有以下2种观点:①古亚洲洋闭合后拉张环境下的陆内裂谷或裂陷槽[4-6, 25-27, 112-113];②与古亚洲洋俯冲有关的大陆边缘弧或岛弧环境或弧后盆地背景[52, 59, 114-115]。张能[39]对内蒙古科尔沁右翼前旗寿山沟组的岩石地球化学分析表明,寿山沟组碎屑岩反映了大陆岛弧环境,推断其形成于陆缘海盆;陈贤等[40]认为,大石寨地区吴家屯组—大石寨组—寿山沟组可能为同时期不同构造背景下沟-弧-盆沉积体系的产物。区域研究表明,苏左旗、锡林浩特和西乌旗地区均发育晚石炭世—早二叠世强烈的岩浆作用,显示岛弧型花岗岩的特征[28, 59, 79, 114-116]。研究区内发育早二叠世双峰式岩石组合及A型火山岩(275~280Ma),表明这一时期该区应处于伸展构造体制,其地球化学特征显示岛弧火山岩的属性(未发表数据)。寿山沟组碎屑锆石显示,其碎屑沉积物距离物源近、快速沉积的特点,且沉积物源中含有较多的火山碎屑物,砂岩多为矿物成熟度及结构成熟度较低的杂砂岩类。结合区域资料,研究区早二叠世寿山沟组可能代表弧后盆地环境沉积。

4.4 古亚洲洋闭合位置和时间

前人关于华北与西伯利亚两大板块的最后缝合位置与时代长期存在分歧[1-11]。本文及西乌旗地区本巴图组[85]、寿山沟组[33]和哲斯组[117]、林西地区林西组[118-119]的碎屑锆石中均发育泛非期和新元古代岩浆锆石,但马收先等[120]对分布于索伦缝合带南侧的华北北缘上石炭统—中三叠统的碎屑锆石的研究却未发现,进一步表明西乌旗地区与东北各地块的大地构造属性一致,而与华北板块没有明显的亲缘关系。以上研究佐证了华北与西伯利亚两大板块的最终闭合位置应位于西乌旗以南地区,即索伦缝合带应为两大板块的最终缝合线,且在早二叠世寿山沟组沉积时期华北板块与西伯利亚板块没有完全闭合。

在华北板块北缘毛登、哲斯敖包、西拉木伦河北部地区发现中二叠世放射虫化石[30, 121-122],说明中二叠世华北板块北缘仍存在深海环境。中二叠统哲斯组碎屑锆石中不包含华北板块基底的年龄信息[117],直到上二叠统,林西组陆相地层中才开始含有华北板块基底的年龄信息[123]。古生物学资料表明,在二叠纪末期发生西拉木伦河以北的安加拉型植物群入侵到南部的华夏植物群的现象[124];张永生等[125]通过对林西地区林西组剖面中叶肢介化石的研究表明,发育于华北地台与西伯利亚地台的动植物化石在晚二叠世发生了混生。以上信息指示,古亚洲洋闭合应为晚二叠世之后。

随着古亚洲洋的闭合及两侧陆块碰撞造山事件的发生,西乌旗、锡林浩特、苏尼特左旗等地发育大面积三叠纪具同碰撞花岗岩特征的过铝质花岗岩[10, 21, 126-127]及与碰撞造山后的岩石圈伸展作用有关的A型花岗岩[128-129],进一步证实古亚洲洋最终闭合时限可能在晚二叠世—早三叠世。

5 结论

(1)内蒙古西乌旗罕乌拉地区寿山沟组碎屑岩中的锆石均为岩浆成因锆石,碎屑锆石年代学限定了沉积年龄应晚于285Ma,沉积时代介于285~280Ma之间,其主体形成时代为早二叠世Sakmarian期—Artinskian期。

(2)罕乌拉地区寿山沟组碎屑锆石的LA-ICPMS测试结果表明,其年龄信息可划分为:285~328Ma,峰期年龄为302Ma;338~361Ma;早古生代455~490Ma;新元古代757Ma;中—古元古代1278Ma、2380Ma。这些碎屑锆石的年龄对应于东北地区的变质基底及其后的构造岩浆事件。

(3)寿山沟组物源区物质主要来自苏尼特左旗—锡林浩特—西乌旗一带早石炭世末—晚石炭世岩浆弧及贺根山—东乌旗一带,限制了华北与西伯利亚两大板块的缝合线应位于寿山沟组发育地区的南部,即索伦缝合带,拼合时代可能为晚二叠世—早三叠世。

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、南阳理工学院陈国超博士提出了宝贵意见并给予了帮助,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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