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  地质通报  2018, Vol. 37 Issue (9): 1652-1661  
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郭建刚, 张渝金, 张超, 李伟, 汪岩, 王青召, 郭佳. 内蒙古阿鲁科尔沁旗坤都地区满克头鄂博组火山岩形成时代与地球化学特征[J]. 地质通报, 2018, 37(9): 1652-1661.
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Guo J G, Zhang Y J, Zhang C, Li W, Wang Y, Wang Q Z, Guo J. Formation age and geochemical characteristics of volcanic rocks in Manketou'ebo Formation in Kundu area of Ar Horqin Banner, Inner Mongolia[J]. Geological Bulletin of China, 2018, 37(9): 1652-1661.
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基金项目

中国地质调查局项目《内蒙古1:5万陶海营子等四幅区域地质矿产调查》(编号:DD20160048-04)和国家自然科学青年基金项目《大兴安岭中段龙江盆地中侏罗统地层新研究》(批准号:41702032)

作者简介

郭建刚(1991-), 男, 助理工程师, 从事区域地质调查等研究。E-mail:1510263895@qq.com

通讯作者

李伟(1976-), 男, 高级工程师, 从事区域地质矿产调查研究。E-mail:57907017@qq.com

文章历史

收稿日期: 2018-03-13
修订日期: 2018-05-16
内蒙古阿鲁科尔沁旗坤都地区满克头鄂博组火山岩形成时代与地球化学特征
郭建刚1 , 张渝金1,2 , 张超1,2 , 李伟1 , 汪岩1 , 王青召1 , 郭佳1     
1. 中国地质调查局沈阳地质调查中心, 辽宁 沈阳 110034;
2. 吉林大学地球科学学院, 吉林 长春 130061
摘要: 内蒙古赤峰市阿鲁科尔沁旗坤都地区满克头鄂博组火山岩为一套酸性火山熔岩与火山碎屑岩组合。用LA-ICP-MS技术测得流纹质晶屑凝灰岩中锆石的206Pb/238U年龄值为157.7±1.2Ma,时代为晚侏罗世晚期。地球化学分析结果显示,满克头鄂博组凝灰岩具有高Si、Al,低Ca、Mg的过铝质碱性火山岩特点,稀土元素配分曲线呈平缓右倾型,并具有明显的负Eu异常;富集大离子亲石元素Rb、K和高场强元素Th、U,亏损高场强元素Nb、Ti,反映火山岩为壳源成因类型。凝灰岩锆石εHft)=+2.6~+8.6,二阶段Hf模式年龄为590~925Ma,反映其源区物质主要为早古生代—新元古代增生的年轻地壳物质。满克头鄂博组凝灰岩具有A2型花岗岩特征,指示火山岩形成于造山后伸展环境,可能与蒙古-鄂霍茨克洋闭合造山后的岩石圈伸展作用密切相关。
关键词: 火山岩    A型花岗岩    地球化学分析    晚侏罗世    满克头鄂博组    
Formation age and geochemical characteristics of volcanic rocks in Manketou'ebo Formation in Kundu area of Ar Horqin Banner, Inner Mongolia
GUO Jian'gang1, ZHANG Yujin1,2, ZHANG Chao1,2, LI Wei1, WANG Yan1, WANG Qingzhao1, GUO Jia1     
1. Shenyang Center of Geological Survey, CGS, Shenyang 110034, Liaoning, China;
2. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, Jilin, China
Abstract: Volcanic rocks of Late Jurassic Manketou'ebo Formation in Kundu area of Inner Mongolia are mainly composed of a series of acid lava and volcaniclastic rocks. The LA-ICP-MS zircon U-Pb age is 157.7±1.2Ma (MSWD=0.39, n=26), which indicates its eruption in the late Late Jurassic. The geochemical analysis shows that these tuffs are peraluminous alkaline volcanic rocks with high Si, Al, low Ca, Mg, with the REE pattern gently inclined to the right and exhibiting negative Eu anomaly. The characteristics of trace elements suggest that the volcanic rocks are enriched in LILE (such as Rb and K) and HFSE (such as Th and U), and depleted in HFSE such as Nb and Ti, which implies that the source rocks are of crust genetic type. The zircons of the tuffs have εHf(t) values ranging from+2.6 to+8.6, with two-age Hf model age being 590~925Ma, which suggests that the magma for these volcanic rocks was derived from the newly accreted Early Paleozoic-Neoproterozoic juvenile crustal materials. The tuffs of Manketou'ebo Formation possess the characteristics of A2-type granites, indicating that they were formed in a post-orogenic extensional environment, which was possibly related to the lithosphere extension after the closure of the Mongol-Okhotsk Ocean.
Key words: volcanic rock    A-type granites    geochemical analysis    Late Jurassic    Manketou'ebo Formation    

晚侏罗世满克头鄂博组火山岩在内蒙古阿鲁科尔沁旗广泛发育。近年来,对大兴安岭及周边地区中生代火山岩的精细同位素定年取得了较大进展,积累了大量高精度锆石U-Pb同位素年龄[1-8]。但在阿鲁科尔沁旗研究较少,且对满克头鄂博组火山岩成岩过程及形成动力机制的研究仍然存在争议[7-14]。笔者对本区满克头鄂博组火山岩进行了系统的野外岩石特征及地层接触关系研究,结合岩石学、地球化学特征、U-Pb锆石测年和Lu-Hf同位素分析,确定火山岩的形成时代,探讨源区特征、岩石成因及其形成时的构造背景,为进一步认识本区满克头鄂博组火山岩的成因提供了依据。

1 地质背景及岩石学特征

内蒙古阿鲁科尔沁旗坤都地区位于大兴安岭主峰南段,大地构造位置位于西拉木伦河以北,嫩江-八里罕断裂以西,林西断裂以东(图 1-a)。古生代以来,大兴安岭地区经历了多期次构造运动,复杂的构造活动控制着中生代火山盆地和侵入岩的展布,中生代火山活动非常活跃,形成数个火山旋回[15-16]。研究区出露的地层有上二叠统林西组[17]和中生代火山岩(图 1-b)。火山岩自下而上分为中侏罗统新民组,以一套中酸性火山岩夹沉积岩为主;上侏罗统满克头鄂博组为一套酸性火山岩;上侏罗统玛尼吐组为一套中性火山熔岩-火山碎屑岩组合。满克头鄂博组角度不整合于中侏罗统新民组之上,与上覆上侏罗统玛尼吐组呈整合接触。满克头鄂博组为本次研究的主要层位,集中出露于研究区西南部,其岩石组合为:下部为一套薄层流纹质沉凝灰岩夹薄层凝灰质砂岩组合,上部主要为流纹质凝灰岩夹薄层流纹质熔岩,其中流纹质凝灰岩在区内大面积分布,为满克头鄂博组的重要组成部分。

用于锆石U-Pb年龄测定的样品(2016TW03)为流纹质晶屑凝灰岩,采样位置为北纬44°16′30.7″、东经119°45′38.4″,风化面呈灰黄色(图 2-a),新鲜面呈黄灰色(图 2-b),流纹质晶屑凝灰结构,块状构造。主要由石英、长石晶屑和少量火山灰构成(图 2-cd)。晶屑:石英,无色,透明结净,棱角状晶屑形态,干涉色灰白色,均匀消光,粒度小于等于2.0mm,含量约35%;长石,土褐色糙面,棱角板柱状,干涉色灰黄色,见模糊聚片双晶和无双晶正长石,粒度小于等于1.0mm,含量约40%;其余为微粒级的火山灰,含量约25%。

图 1 研究区大地构造位置(a)和地质简图(b) Fig.1 Tectonic location map (a) and simplified geological map (b) of the study area
图 2 满克头鄂博组凝灰岩宏观(a、b)和显微照片(c、d,正交偏光) Fig.2 Macrophotographs(a, b) and microphotographs(c, d) of the tuffs of Late Jurassic Manketou'ebo Formation Q—石英;Or—正长石
2 锆石U-Th-Pb同位素测年

锆石单矿物分选在河北廊坊市区域矿产地质调查研究所完成,制靶与阴极发光(CL)图像拍摄在中兴美科科技有限公司完成。用常规方法将样品粉碎成80~100目,淘洗后用电磁法分离,在显微镜下挑选晶形完好、没有裂痕、不含包裹体的锆石,将其粘贴在树脂上,干燥后将表面打磨抛光,拍摄阴极发光图像。LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测定在中国科学院海洋研究所大洋岩石圈与地幔动力学实验室完成。U-Pb同位素定年中采用标准锆石91500作外标进行同位素分馏校正,每分析5个样品点,分析2次91500标样[18]。U-Pb谐和图和年龄加权平均值计算使用3.0版本的Isoplot/Ex[18]完成。

样品2016TW03中的锆石呈自形-半自形,柱状,粒径90~150μm,有较清晰的生长环带,表明其为典型的岩浆锆石(图 3)。对样品2016TW03中的30颗锆石进行了30个分析点的U-Pb同位素年龄测定,分析结果列于表 1。分析点的Th/U值主要集中在0.32~0.53之间,符合岩浆锆石的特征[19]。8、11、15和28四个点数据谐和度低于95%,可能是少量放射成因Pb丢失造成的,未纳入计算。206Pb/238U的年龄值介于153.4 ± 3.9~160.6 ± 2.8Ma之间,给出的年龄加权平均值为157.7 ± 1.2Ma(n=26,MSWD=0.39)(图 4),代表了该样品形成年龄的最佳估计值。

图 3 样品2016TW03部分锆石阴极发光图像 Fig.3 Cathodoluminescence images of selected zircons from sample 2016TW03
图 4 流纹质晶屑凝灰岩(2016TW03)锆石U-Pb年龄谐和图 Fig.4 Zircon U-Pb concordia diagrams for the tuff sample (2016TW03)
表 1 满克头鄂博组凝灰岩样品(2016TW03)LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb分析结果 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb data of the tuffs from Manketou'ebo Formation
3 地球化学特征

主量、微量和稀土元素测试在国土资源部东北矿产资源监督检测中心完成,整个过程均在无污染设备中进行。主量元素采用X射线荧光光谱法(XRF),微量元素分析则采用电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)完成。主量元素分析精度和准确度优于10%。

笔者测试的岩石地球化学样品镜下鉴定为流纹质晶屑凝灰岩,无再搬运沉积特征,可代表岩浆活动的产物[20-23],测试结果见表 2

表 2 满克头鄂博组凝灰岩的主量、微量和稀土元素分析结果 Table 2 Major, trace and rare earth elements of the tuff samples from Late Jurassic Manketou'ebo Formation
3.1 主量元素

满克头鄂博组凝灰岩样品具有高SiO2含量(73.49% ~77.10%,平均值为75.02%)、Al2O3含量(13.25%~14.18%,平均值为13.60%);较高的全碱(K2O + Na2O)含量(5.93% ~8.97%,平均值为7.01%);低CaO含量(0.06% ~0.30%,平均值为0.18%)和MgO含量(0.004% ~1.000%,平均值为0.244%)的特征。在TAS分类图解(图 5-a)上,凝灰岩样品点全部落在流纹岩区,岩石类型应为流纹质火山岩。样品的SiO2含量为73.497%~77.10%,都大于70%,可应用碱度率(AR)来衡量其碱性程度[26]。根据AR-SiO2图解(图 5-b),满克头鄂博组凝灰岩应为碱性系列。A/CNK值介于1.14~1.92之间,为过铝质岩石。

图 5 满克头鄂博组凝灰岩TAS[24-25](a)及AR- SiO2图解[26](b) Fig.5 TAS(a)and AR-SiO2(b) diagrams for the tuffs of Manketou'ebo Formation
3.2 微量和稀土元素

满克头鄂博组凝灰岩稀土元素总量(∑REE)介于163.47× 10-6~289.99 × 10-6之间,平均值为211.79× 10-6。(La/Yb)N值介于6.58~15.60之间,平均值为11.76,表明轻稀土元素相对富集,重稀土元素相对亏损,配分曲线平缓、右倾(图 6-a),并具明显的负Eu异常(δEu=0.13~0.66,平均值为0.30),反映岩浆源区有斜长石残留或岩浆经历了斜长石的分离结晶作用。微量元素蜘蛛网图(图 6-b)显示,大离子亲石元素(LILE)富集Rb、K,亏损Ba、Sr,高场强元素富集Th、U、Zr、Hf,亏损Nb、Ti,是壳源岩浆或岩浆被地壳物质混染的典型特征。

图 6 满克头鄂博组凝灰岩球粒陨石标准化稀土元素配分模式(a)及原始地幔标准化蛛网图(b) Fig.6 Chondrite-nomalized REE (a) and primitive mantle-normalized trace-element (b) patterns for the tuffs of Manketou'ebo Formation (球粒陨石和原始地幔标准化比值据参考文献[27])
3.3 Hf同位素特征

锆石Lu-Hf同位素原位分析在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室带有New wave UP193激光剥蚀系统的Neptune Plus MC- ICP-MS机上进行。激光束斑的直径根据锆石的大小使用45μm,采用氦气作为剥蚀物质的载气,具体分析流程、仪器运行条件等见参考文献[28]。二阶段Hf模式年龄(TDMC)采用平均大陆壳176Lu/177Hf=0.015进行计算[29]

在2016TW03凝灰岩的12个测试样品中,其176Hf/177Hf值为0.282753~0.282923,εHf(t)介于+2.6~+8.6之间,对应的二阶段模式年龄(TDM2)变化范围为590~925Ma(表 3)。

表 3 满克头鄂博组凝灰岩(2016TW03)锆石Lu-Hf同位素分析结果 Table 3 Lu-Hf isotopic compositions for the zircons of the tuffs from Manketou'ebo Formation
4 讨论 4.1 岩浆源区

研究区内该组火山岩具有高硅(SiO2平均值为75.02%),富碱(Na2O+K2O平均值为7.02%),贫钙、镁的特征,稀土元素(REE)含量较高,轻、重稀土元素分馏较明显,且大离子亲石元素Rb、K富集,高场强元素Th、U富集,Nb、Ti亏损,显示出壳源岩浆的典型特征。稀土元素配分曲线平缓、右倾,且具有明显的负Eu异常,表明岩浆源区有斜长石残留或岩浆经历了斜长石的分离结晶作用。相容元素Co、Ni含量低,分别为1.73×10-6~4.57×10-6和2.60×10-6~7.78×10-6,表明岩浆并非来源于地幔[30-31]

满克头鄂博组凝灰岩定年样品的锆石176Hf/177Hf值介于0.282753~0.282923之间,εHf(t)为正值,变化范围在+2.6~+8.6之间。在t-εHf(t)图解(图 7)中,数据点均落在球粒陨石Hf同位素演化线之上,呈富集特点。指示岩石可能源自亏损地幔或亏损地幔形成的下地壳物质再熔融[14, 29]。满克头鄂博组火山岩年轻的二阶段Hf模式年龄TDM2介于590~925Ma之间,表明其来源于早古生代—新元古代从亏损地幔增生的年轻地壳[14, 31]

图 7 满克头鄂博组凝灰岩t-εHf(t)图解 Fig.7 t-εHf(t) diagram for the tuffs of Manketou'ebo Formation
4.2 构造背景

关于大兴安岭中生代火山岩产出的构造背景有多种不同观点,主要有3种认识:①与古太平洋板块的俯冲作用有关[1, 12, 32-35];②与地幔柱构造有关[9, 36];③与蒙古-鄂霍茨克洋的闭合有关[11, 37-42]。随着对大兴安岭地区及邻区年代学研究的不断深入,发现不存在所谓的环状火山岩带,同时大兴安岭中生代火山岩的形成时代具有较大的变化范围,火山岩的这种时空分布特征难以用地幔柱作用机制予以解释[37, 42-43]。中生代时期太平洋板块中对东亚大陆最有影响的是伊泽奈奇-库拉板块,该板块在侏罗纪—早白垩世基本平行东亚大陆边缘向北和北北东俯冲,直到晚白垩世才与东亚大陆正向俯冲[44-45]。邵济安[46]等同样认为,太平洋板块向亚洲大陆的正面俯冲始于晚白垩世,所以这些侏罗纪—早白垩世火山岩的形成与太平洋板块的俯冲无关。已有资料显示,蒙古-鄂霍茨克海于古生代早期形成[47-49],晚古生代末蒙古-鄂霍茨克洋局部发生俯冲,晚三叠世开始发生自西向东的剪刀式关闭[47],多数学者认为闭合时间发生在中—晚侏罗世[47, 50-52]。大兴安岭区域火山岩由西向东总体上具有逐渐变新的趋势[12],与蒙古-鄂霍茨克洋闭合特征相符。

满克头鄂博组凝灰岩样品均为碱性系列岩石,其高硅、富碱,贫Ba、Nb、Sr、P、Ti的地球化学组成与A型花岗岩[53]相似(图 8),一般认为A型花岗岩是区域伸展背景下的产物。因此,认为该火山岩的构造背景为伸展环境。Eby[55]将A型花岗岩分为A1型花岗岩(非造山花岗岩拉张环境)和A2型花岗岩(后造山环境)。在Nb-Y-Ce图解(图 9-a)中,满克头鄂博组凝灰岩全部落在A2型花岗岩区,在Y/Nb-Rb/Nb判别图(图 9-b)中,样品点同样落在A2型花岗岩区内,指示了后造山环境。综合已有的研究结果,认为本区满克头鄂博组火山岩可能形成于蒙古-鄂霍茨克洋闭合造山后的伸展环境。

图 8 A型花岗岩判别图[54] Fig.8 A-type granite discrimination diagrams A—A型花岗岩;I & S—I型和S型花岗岩;FG—分异的长英质花岗岩;OGT—未分异的M、I和S型花岗岩
图 9 满克头鄂博组凝灰岩Nb-Y-Ce(a)和Y/Nb-Rb/Nb(b)图解[55-56] Fig.9 Nb-Y-Ce (a) and Y/Nb-Rb/Nb (b) diagrams for the tuffs of Manketou'ebo Formation
5 结论

(1)坤都地区满克头鄂博组凝灰岩中的锆石为岩浆成因,LA-ICP-MS定年结果为157.7±1.2Ma,表明其形成时代为晚侏罗世。

(2)满克头鄂博组凝灰岩具有高硅铝、低钙镁的过铝质碱性火山岩特点。地球化学特征表明,该时期火山岩具有壳源岩浆的特征。凝灰岩锆石εHf(t) =+ 2.6~+ 8.6,二阶段Hf模式年龄为590~925Ma,反映其源区物质主要为早古生代—新元古代增生的年轻地壳物质。

(3)满克头鄂博组凝灰岩的特征类似于过铝质A2花岗岩,指示满克头鄂博组火山岩形成于造山后伸展环境,可能与蒙古-鄂霍茨克洋闭合造山后的岩石圈伸展作用密切相关。

致谢: 中国地质调查局沈阳地质调查中心基础地质研究室秦涛、施璐工程师,中国科学院海洋研究所郭鹏远研究员在样品测试和数据处理过程中给予大力支持,审稿专家对论文提出了建设性修改意见,在此一并表示感谢。

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