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  地质通报  2018, Vol. 37 Issue (9): 1662-1670  
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王晰, 任锡钢, 汪岩, 郝福江, 裴尧, 楼仁兴, 徐承科. 大兴安岭南段罕庙地区石英二长闪长岩锆石U-Pb年龄及地球化学特征[J]. 地质通报, 2018, 37(9): 1662-1670.
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Wang X, Ren X G, Wang Y, Hao F J, Pei Y, Lou R X, Xu C K. Zircon U-Pb ages and geochemical characteristics of the quartz monzonite diorite rocks from Hanmiao area in the southern segment of the Da Hinggan Mountains[J]. Geological Bulletin of China, 2018, 37(9): 1662-1670.
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基金项目

中国地质调查局项目《大兴安岭成矿带突泉—翁牛特地区地质矿产调查》(编号:DD20160048)和《内蒙古1:5万民主公社等四幅地质矿产综合调查》(编号:12120115031701)

作者简介

王晰(1979-), 男, 在读博士, 副教授, 矿产普查与勘探专业。E-mail:xiwang@jlu.edu.cn

文章历史

收稿日期: 2018-01-08
修订日期: 2018-03-08
大兴安岭南段罕庙地区石英二长闪长岩锆石U-Pb年龄及地球化学特征
王晰1,2 , 任锡钢1 , 汪岩3 , 郝福江1 , 裴尧1 , 楼仁兴1 , 徐承科1     
1. 吉林大学应用技术学院, 吉林 长春 130012;
2. 吉林大学地球科学学院, 吉林 长春 130061;
3. 中国地质调查局沈阳地质调查中心, 辽宁 沈阳 110034
摘要: 为确定罕庙地区石英二长闪长岩的形成时代、成因及地质意义,对罕庙地区石英二长闪长岩体进行了岩相学、LAMC-ICP-MS锆石U-Pb年龄及地球化学研究。结果表明,石英二长闪长岩中的锆石为岩浆成因,206Pb/238U年龄加权平均值为134±1Ma,侵入时代属于早白垩世晚期。石英二长闪长岩中SiO2含量为63.44%~68.96%,K2O含量为2.04%~3.84%,Na2O/K2O值介于0.47~1.17之间,铝饱和指数A/CNK介于2.12~2.55之间,属于钙碱性-高钾钙碱性过铝质花岗岩类。微量元素特征为富集大离子亲石元素(如Rb、K)和活泼不相容元素(如Th、U),强烈亏损高场强元素(如Nb、Ta、P、Ti)。结合区域构造演化背景,该岩体受俯冲流体改造,与早白垩世晚期古太平洋板块斜向俯冲于欧亚大陆之下的弧后伸展减薄等综合作用有关。
关键词: 石英二长闪长岩    地球化学    LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb年龄    大兴安岭    
Zircon U-Pb ages and geochemical characteristics of the quartz monzonite diorite rocks from Hanmiao area in the southern segment of the Da Hinggan Mountains
WANG Xi1,2, REN Xigang1, WANG Yan3, HAO Fujiang1, PEI Yao1, LOU Renxing1, XU Chengke1     
1. Applied Technology College, Jilin University, Changchun 130012, Jilin, China;
2. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, Jilin, China;
3. Shenyang Center of China Geological Survey, Shenyang 110034, Liaoning, China
Abstract: In order to determine the geochronology, petrogenesis and tectonic background of the quartz monzonite diorite rocks in Hanmiao area, the authors conducted the research on petrology by means of LA-MC-ICP-MS zircon U-Pb geochronology and geochemistry. The results show that the zircons from the quartz monzonite diorite rocks are magmatic zircons, and the zircon 206Pb/238U dating yielded 134±1Ma(n=22, MSWD=0.42), suggesting late Early Cretaceous. The values of SiO2, K2O and Na2O/K2O are 63.44%~68.96%, 2.04%~3.84% and 0.47~1.17 respectively. The aluminum saturation indexes (A/CNK) range from 2.12 to 2.55. The rocks thus belong to calc-alkaline-high-K calc-alkaline series. The rocks are enriched in LILE (Rb, K) and incompatible elements(Th, U), strongly depleted in HFSE such as Nb, Ta, P and Ti. Combined with the study of regional tectonics the authors hold that the quartz monzonite diorite rocks might have been affected by subducted slab fluids. It was closely related to back-arc extension tectonics and lithospheric thinning after the subduction of Paleo-Pacific plate towards Eurasia plate.
Key words: quartz monzonite diorite    geochemistry    LA-MC-ICP-MS zircon U-Pb age    Da Hinggan Mountains    

大兴安岭位于中亚造山带东段(即兴蒙造山带)(图 1-ab),其中南段及邻区广泛分布的晚古生代—中生代花岗岩类是区域上大规模构造岩浆事件的重要表现(图 1-c),也是研究中国中生代构造岩浆演化的重要地区之一。区域上有475~505Ma、310~340Ma、240~270Ma、170~200Ma、115~145Ma五期重要的花岗质岩浆活动[3];中生代,经历了环太平洋构造体系的叠加与改造,以及蒙古-鄂霍茨克构造体系的叠加与改造[3-4];晚中生代,该区发生了巨型的地壳伸展[5]和大规模岩浆作用[3, 6]。大兴安岭南段东坡罕庙地区石英二长闪长岩岩体形成时代及岩性特征在前人的研究中存在争议,其中1:20万协里府幅(L-50-XXXⅥ)显示为黑云母花岗岩(γ53-2),为燕山晚期(白垩纪);内蒙古自治区第十地质矿产勘查开发院在该岩体取样(位置为北纬44°39′29″、东经119°45′03″),将其定名为粗中粒花岗闪长岩,锆石U-Pb年龄为236.8Ma,为中三叠世。为了确定该岩体的形成时代、岩体特征,了解其地质意义,本次研究从岩体的形成时代及岩体特征入手,探讨其地质意义。

图 1 大兴安岭南段大地构造位置图(a,b)(据参考文献[1]修改)和岩浆岩分布略图(c)(据参考文献[2]修改) Fig.1 Tectonic location(a, b)and sketch map of magmatic rock(s c)in south Da Hinggan Mountains 1—燕山晚期花岗岩类;2—燕山晚期早阶段花岗岩类;3—燕山早期早阶段花岗岩类;4—印支期花岗岩类;5—海西晚期花岗岩类;6—海西中期花岗岩类;7—超基性岩;8—断裂
1 地质概况

研究区属于华北和西伯利亚板块所夹持的中亚造山带东段(图 1-a),主体是古生代形成的复合陆壳[7],其东部与太平洋板块毗邻, 为东北亚大陆边缘“沟-弧-盆”体系的重要组成部分[8]。区内具有晚古生代(以二叠纪为主)基底和燕山期盖层的两层结构,发育新生代、中生代和古生代地层,同时显生宙花岗岩大面积分布[3]

本次研究的石英二长闪长岩岩体位于罕庙地区(1:5万罕庙幅(图幅编号为L50E02104))北西侧的芒哈图一带,岩体出露面积约6km2,呈岩株产出,区域上总体呈北西向展布。主体岩性为细粒斑状石英二长闪长岩,与晚古生代地层呈侵入接触关系(图 2)。

图 2 研究区地质简图 Fig.2 Geological sketch map of the study area 1—石英二长闪长岩;2—晚古生代地层;3—断层;4—采样位置10%,呈叶片状,星散分布,局部见双晶扭折现象。
2 样品特征与分析方法 2.1 样品描述

本文研究的样品采自内蒙古阿鲁科尔沁旗巴彦温都尔苏木芒哈图嘎查北约2km处,采样坐标为北纬44°39′47.17″、东经119°45′50.66″(图 2),测量该基质由斜长石(25%~30%)、钾长石(10%~15%)、石英岩体剖面(PM102)时,在12层、14层、25层等处取新鲜岩石样品,编号PM102-12YQ、PM102-14 YQ、PM102- 25 YQ1、PM102- 25 YQ2、PM102- 25YQ3。岩石野外特征为(图 2):新鲜面为青绿色,风化面为黄褐色,似斑状结构,块状构造;显微镜下鉴定(图 3)斑晶由斜长石、角闪石、黑云母组成,粒度1.5~5.5mm。斜长石含量为30%~35%,呈半自形板状,杂乱分布,环带结构发育,局部轻微粘土化,聚片双晶不发育;角闪石含量少于5%,呈自形-半自形柱粒状、叶片状,零星分布;黑云母含量为5%~10%,呈叶片状,星散分布,局部见双晶扭折现象。基质由斜长石(25%~30%)、钾长石(10%~15%)、石英(10%~15%)及少量角闪石、黑云母组成,粒度0.1~0.9mm。斜长石呈细小板状,杂乱分布,具粘土化、少量黝帘石化,多数见环带结构;钾长石呈他形粒状,似填隙状分布于斜长石粒间;石英呈他形粒状,似基底分布于斜长石粒间,粒内具有轻波状消光;角闪石呈近半自形柱粒状,杂乱分布,多色性同斑晶,局部有向绿色角闪石转变的趋势;黑云母呈叶片状,星散状分布,局部有绿泥石、绿帘石交代。

图 3 石英二长闪长岩野外露头(a)和镜下照片(b、c,正交偏光) Fig.3 Photograph of outcrop(a) and micrographs(b, c) of quartz monzonite diorite Pl—斜长石;Kfs—钾长石;Qtz—石英;Bt—黑云母;Hbl—角闪石
2.2 锆石U-Pb同位素分析方法

样品的破碎和锆石挑选在河北省廊坊区域地质调查研究所实验室完成。锆石样品制靶、透射光、反射光及阴极发光图像采集在天津地质矿产研究所同位素实验室完成。利用天津地质矿产研究所同位素实验室的激光烧蚀多接收器电感耦合等离子体质谱仪(LA-MC-ICPMS)进行锆石微区原位U-Pb同位素测定, 详细分析流程及原理参见李怀坤等[9-10]。因样品年轻,采用206Pb/238U年龄。加权平均计算和U-Pb谐和图绘制采用Isoplot程序[11]完成,平均值具95%置信水平。

2.3 岩石地球化学分析方法

在岩相学鉴定的基础上,挑选出未蚀变的新鲜石英二长闪长岩样品进行岩石地球化学测试分析。首先对测试分析样品进行粗略粉碎,用玛瑙研钵将样品磨成200目左右的粉末。为避免样品相互交叉污染,每个样品在粉碎过程中,均用蒸馏水和酒精棉对研钵棒、研钵体进行至少2次清洗和擦拭。地球化学分析在天津市地质矿产测试中心完成,其中主量元素测试采用XRF玻璃熔片法完成,分析精度和准确度优于5%,微量元素测试采用电感耦合等离子质谱(ICP-MS)分析法完成,分析精度和准确度一般优于10%。测试分析具体的实验原理、分析步骤和测试条件详见参考文献[12]。

3 分析结果 3.1 锆石U-Pb年龄

锆石阴极发光(CL)图像结果显示(图 4),锆石颗粒大小约为100μm,长宽比介于2:1~1:1之间,大部分自形程度中等,多呈短柱状,个别呈长柱状。锆石晶体内部结构清晰,可看到明显的岩浆振荡环带,Th/ U值为0.38~1.23,表明锆石为岩浆成因[13]。样品测试结果(表 1)显示,PM102-25共测试分析了22粒锆石,锆石分析点均位于谐和线上或其附近,年龄主要分布于132~135Ma之间,206Pb/238U年龄加权平均值为134 ± 1Ma(MSWD=0.42),为早白垩世晚期,应代表岩石的形成时代(图 5)。

图 4 石英二长闪长岩锆石阴极发光(CL)图像及测点年龄 Fig.4 Ages and CL images of zircons from the quartz monzonite diorite rocks
图 5 石英二长闪长岩锆石U-Pb谐和图及206Pb/238U年龄 Fig.5 U-Pb concordia diagram and 206Pb/238U ages of zircon in quartz monzonite diorite rocks
表 1 石英二长闪长岩LA-MC-ICP-MS锆石U-Th-Pb同位素分析结果 Table 1 LA-MC-ICP-MS zircon U-Th-Pb analytical results of quartz monzonite diorite
3.2 地球化学特征 3.2.1 主量元素

岩石特征见图 3,薄片定名为细粒斑状石英二长闪长岩,根据QAP要求,投图定名与镜下鉴定(Q:10%~15%;A:10%~15%;P:55%~65%)吻合,为石英二长闪长岩。主量元素分析结果如表 2所示,岩石SiO2含量为63.4%~68.9%,Na2O和K2O含量分别为1.45% ~2.38%、2.03% ~3.84%,Na2O/ K2O值为0.46~1.17;全碱(Na2O+K2O)介于4.34%~5.95%之间;在SiO2-K2O图解(图 6)中样品为钙碱性-高钾钙碱性系列。Al2O3含量介于14.00~15.16之间,A/CNK值为2.11~2.55,A/NK值为2.56~3.32,在A/CNK-A/NK图解中显示属于过铝质岩石(图 7)。

图 6 SiO2-K2O图解[14] Fig.6 SiO2-K2O diagram of the rocks
图 7 A/CNK-A/NK图解[15] Fig.7 A/CNK-A/NK diagram of the rocks
表 2 石英二长闪长岩主量、微量和稀土元素分析结果 Table 2 Major, trace elements and REE compositions of quartz monzonite diorite
3.2.2 微量元素

岩石稀土元素总量(ΣREE)为120.05×10-6~158.69×10-6,变化范围较大。岩石稀土元素配分曲线呈现明显的右倾特征,LREE(轻稀土元素)相对富集,HREE(重稀土元素)相对亏损(图 8-a)。LREE平均值为123.58×10-6,La/Sm值为4.79,分馏程度较好。HREE平均值为19.97×10-6,(La/Yb)N值为5.35~7.73,LREE/HREE=5.76~6.53, 岩石具有强烈的负Eu异常,δEu值为0.60~0.73。在岩石原始地幔标准化微量元素蛛网图(图 8-b)中,岩石表现出富集大离子亲石元素(如Rb、K)和活泼不相容元素(如Th、U),强烈亏损高场强元素(如Nb、Ta、P、Ti),其中Ta、Nb和Ti具有“TNT”负异常。

图 8 稀土元素球粒陨石标准化分布图(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b) Fig.8 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace elements spidergram (b)
4 讨论 4.1 岩体形成时代

对于该岩体的形成时代,辽宁省第二区域地质测量队1971提交的1:20万协里府幅(L-50-XXXⅥ)地质图显示为黑云母花岗岩(γ53-2),为燕山晚期(白垩纪);内蒙古自治区第十地质矿产勘查开发院定名该岩体为粗中粒花岗闪长岩,锆石U-Pb年龄为236.8Ma,为中三叠世。为了确定该岩体的时代及岩体特征,在1:5万区域地质调查项目工作过程中,测制该岩体剖面PM102,在剖面25层取样,样品中挑选出的锆石在阴极发光图像(图 3)中均显示清晰的振荡生长环带,结合它们具有较高的Th/U值(0.31~0.74),平均值为0.45,与岩浆锆石Th/U>0.40一致[16],暗示其锆石为岩浆成因。因此,锆石206Pb/238U年龄加权平均值134±1Ma应代表岩浆事件的时代,即前人厘定的石英二长闪长岩体并非形成于中三叠世,而是形成于早白垩世晚期(约134Ma)。这一结果与该点南东侧的敖仑花钼矿的含矿二长花岗斑岩体(SHRIMP锆石U-Pb年龄134±4Ma)[17],南侧的阿布嘎山细粒斑状二长花岗岩岩体(La-ICP-MS锆石U-Pb年龄133±1Ma)(另文发表)年龄一致,同时与区域上115~145Ma中国东北地区岩浆活动强烈相吻合[1-2]

4.2 岩石成因及地质意义

石英二长闪长岩的K2O/P2O5值、K2O/TiO2值变化较大,在SiO2含量与K2O/P2O5、K2O/TiO2关系图中显示一定的正相关性(图 9),表明该岩体在岩浆演化过程中受到地壳混染作用的影响[19]。强烈亏损Nb、Ta可能与俯冲流体[20]或熔体交代作用相关,也可能含有俯冲带幔源岩石的成分[21],而亏损P、Ti等高场强元素,暗示源区曾受到俯冲流体或熔体的改造。实验研究结果表明[22],相对于稀土元素和高场强元素,含水流体更能增强大离子亲石元素的活动性,大离子元素的相对富集和高场强元素的亏损主要是由于流体成分的参与[20, 23];从Nb/Y–Rb/Y图解和Th/Zr-Nb/Zr图解(图 10)可以看出,石英二长闪长岩表现出流体交代富集的趋势,因此岩浆源区可能是由于受到俯冲作用带来的流体的影响,使地幔发生了交代作用[25]

图 9 SiO2-K2O/P2O5(a)和SiO2-K2O/TiO2(b)图解[18] Fig.9 SiO2-K2O/P2O5(a) and SiO2-K2O/TiO2(b) diagrams of quartz monzonite diorite
图 10 Th/Zr-Nb/Zr(a)和Nb/Y-Rb/Y图解(b)[24] Fig.10 Th/Zr-Nb/Zr(a) and Nb/Y-Rb/Y(b) diagrams

在(Y+Nb)-Rb图解(图 11-a)和Y-Nb图解(图 11-b)中,5件样品均落入同碰撞花岗岩和火山岛弧花岗岩+同碰撞花岗岩区域。石英二长闪长岩的成岩年龄为134±1Ma,从区域大地构造分析可知,在晚中生代大兴安岭地区发生了快速的岩石圈伸展、减薄和软流圈上隆作用[27-28]。区域上与早白垩世晚期古太平洋板块(Izanagi)俯冲于欧亚大陆之下的弧后伸展环境有关[29];同时,海底磁异常条带研究结果也表明,150~90Ma期间,古太平洋板块(Izanagi)开始向欧亚大陆斜向俯冲[30]。因此,早白垩世石英二长闪长岩的形成应是太平洋板块俯冲与中亚造山带的伸展减薄等综合作用的产物。

图 11 石英二长闪长岩(Y+Nb)-Rb(a)和Y-Nb图解(b)[26] Fig.11 (Y+Nb)-Rb(a) and Y-Nb diagrams (b) of quartz monzonite diorite
5 结论

(1)测得石英二长闪长岩LA-MC-ICP-MS锆石206Pb/238U年龄为134±1Ma(MSWD=0.42,n=22),认为岩石形成时代为早白垩世。

(2)石英二长闪长岩地球化学特征表明,石英二长闪长岩受俯冲流体改造,其形成应与早白垩世晚期古太平洋板块斜向俯冲于欧亚大陆之下的弧后伸展等综合作用有关。

致谢: 野外工作中得到吉林大学地质调查研究院内蒙项目组的大力支持,审稿专家认真审阅并提出建设性意见,在此一并表示诚挚的感谢。

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