地质通报  2019, Vol. 38 Issue (10): 1675-1690  
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张建军, 张磊, 王涛, 史兴俊. 内蒙古阿拉善地区二叠纪曼德林乌拉岩体年龄、成因及其地质意义[J]. 地质通报, 2019, 38(10): 1675-1690.
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Zhang J J, Zhang L, Wang T, Shi X J. Geochemical, age and Hf-in-zircon isotopic characteristics and geological significance of granite and MME from the Mandelinwula pluton, northern Alxa block, Inner Mongolia[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(10): 1675-1690.
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基金项目

科技部国家重点研发计划项目《北方东部复合造山成矿系统深部结构与成矿过程》(编号:2017YFC0601301)和《深地资源勘查开采理论与技术集成》(编号:2018YFC0603702)、中国地质调查局项目《阿拉善、藏东南等关键地段地壳圈层物质与演变基础地质调查》(编号:DD20190001)、《全国陆域及海区地质图件更新与共享》(编号:DD20190370)、《基础地质学科(岩石)数据库建设与共享应用》(编号:DD20190685)、《地质云系统集成与共享服务》(编号:DD20190397)、国际地学计划项目《Orogenicarchitecture and crustal growth from accretion to collision》(编号:IGCP662)和国家自然科学青年基金项目《中蒙边界亚干地区前寒武纪变质火山岩的岩石学、年代学及其构造意义》(批准号:41802239)

作者简介

张建军(1985-), 男, 博士, 助理研究员, 从事岩浆岩石学和造山带深部结构及演化相关研究。E-mail:jianjunzhang@live.cn

通讯作者

张磊(1983-), 男, 博士, 副研究员, 从事岩浆岩岩石学和区域大地构造相关研究。E-mail:leizhang@cags.ac.cn

文章历史

收稿日期: 2019-05-10
修订日期: 2019-07-07
内蒙古阿拉善地区二叠纪曼德林乌拉岩体年龄、成因及其地质意义
张建军1 , 张磊1 , 王涛1,2 , 史兴俊3     
1. 自然资源部深地动力学重点实验室/中国地质科学院地质研究所, 北京 100037;
2. 北京离子探针中心, 北京 100037;
3. 信阳师范学院城市与环境科学学院, 河南 信阳 464300
摘要: 内蒙古阿拉善地块北缘及其邻区广泛出露早古生代-早中生代侵入岩,其时空分布、源区物质组成及成因对研究阿拉善北部地区构造演化乃至整个中亚造山带南缘晚期的演化具有重要意义。曼德林乌拉岩体位于阿拉善地块北部雅布赖-诺尔公-洪古尔玉林带西段,岩体以二长花岗岩为主,广泛发育岩浆暗色包体。这些镁铁质包体为岩浆结构,大多具有塑性外形,并具有多种不平衡结构和矿物组合,如斜长石环带、针状磷灰石等。LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果显示,曼德林乌拉二长花岗岩年龄为271±3Ma,花岗岩中发育的包体年龄为271±2Ma,表明该岩体形成于二叠纪,而非之前认为的中生代。二长花岗岩的锆石εHft)值为-18.4~-10.1,相应的二阶段Hf模式年龄为1.8~2.3Ga;暗色包体中的13颗二叠纪锆石相应的εHft)值为-23.6~-9.1,相应的二阶段Hf模式年龄为1.7~2.5Ga。锆石Hf同位素特征表明,形成花岗岩和镁铁质暗色包体的这2种岩浆均来自以古老地壳物质为主的源区,这与东段诺尔公-红古尔玉林地区的中酸性侵入岩相同。曼德林乌拉岩体花岗质岩和镁铁质暗色包体的岩石学、地球化学及同位素研究表明,它们可能也具有岩浆混合成因。这为阿拉善地块北缘区域在二叠纪发生广泛的壳幔相互作用提供了进一步证据。
关键词: 锆石U-Pb年龄    Hf同位素    阿拉善    岩浆混合    
Geochemical, age and Hf-in-zircon isotopic characteristics and geological significance of granite and MME from the Mandelinwula pluton, northern Alxa block, Inner Mongolia
ZHANG Jianjun1, ZHANG Lei1, WANG Tao1,2, SHI Xingjun3     
1. Key Laboratory of Deep-Earth Dynamics of Ministry of Natural Resources/Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
2. Beijing SHRIMP Center, Beijing 100037, China;
3. School of Urban and Environmental Science, Xinyang Normal University, Xinyang 464300, He'nan, China
Abstract: Early Paleozoic to Early Mesozoic intrusive rocks are widely distributed in northern Alxa region, Inner Mongolia. The temporal and spatial distribution, magma source components and petrogenesis for these rocks are important for studying the tectonic evolution of northern Alxa, and even for studying the late stage evolution of the southern Central Asian orogenic belt. Mandelinwula pluton, located in the west part of the Yabulai-Nuoergong-Honggueryulin tectonic belt, is mainly composed of granite and monzogranite, and mafic microgranular enclaves (MME). The identified MME has fine-grained textures, sinuous margins and diffuse contacts with the host monzogranites, and various disequilibrium textures and mineral assemblages indicate mingling or mixing processes. LA-ICP-MS zircon U-Pb dating yielded ages of 271±3Ma and 271±2Ma for the monzogranite and MME, respectively, indicating that the Mandelinwula pluton was emplaced in Permian instead of in Early Mesozoic as suggested by previous researchers. Zircon εHf(t) values of the monzogranite and enclaves show a wide range and significant overlap from -18.4 to -10.1 (with TDM 1.8~2.3Ga) and -23.6 to -9.1 (with TDM 1.7~2.5Ga), respectively. The source characteristics are similar to those of the intermediate-felsic plutons in the east part of the Yabulai-Nuoergong-Honggueryulin belt of the northern Alxa block. Combined with petrology, geochemistry and Hf-in-zircon isotope studies, the authors propose a plausible magma mixing interpretation for the Mandelinwula monzogranite and MME.
Key words: zircon U-Pb age    Hf isotope    Alxa block    magma mixing    

花岗岩的成因研究对认识壳幔相互作用与地壳形成演化和生长十分重要[1-5]。越来越多的研究发现,与I型花岗岩在时间和空间上伴生的镁铁质岩石(如镁铁质暗色微粒包体)能提供有关花岗质岩浆形成的物源特征、成因等方面的重要信息[5-10]。内蒙古阿拉善地区大规模的I型花岗岩广泛发育镁铁质暗色包体,有的周围还伴生同期的块状辉长岩体[5, 11-13],这些岩石组合为研究I型花岗岩类成因机制及其区域地壳形成演化提供了窗口。

阿拉善地区是多构造单元的结合部位,构造位置十分关键。阿拉善地区主要由北部的中亚造山带南缘部分和南部的阿拉善地块组成,其中阿拉善地块大体呈倒三角形(图 1-a)。阿拉善地区存在2条重要的蛇绿岩带(图 1-a),即北部的恩格尔乌苏蛇绿岩带和南部的查干础鲁蛇绿岩带[14-18]。北部的恩格尔乌苏蛇绿岩带被认为代表了古亚洲洋闭合位置[19]或板块边界位置[14-15, 18],是中亚造山带与阿拉善地块的界线[14-15, 18-23]。而查干础鲁蛇绿岩带被认为是弧后洋盆闭合的残余[14, 16, 18]。然而,新近研究显示,查干础鲁蛇绿岩两侧古生代中酸性侵入岩的全岩Nd同位素和锆石Hf同位素组成特征明显不同,即深部地壳物质组成存在显著差异,可能表明阿拉善地块与北部中亚造山带的界线位于查干础鲁蛇绿岩带附近,而并非恩格尔乌苏蛇绿岩带[24-30]。依据这2条蛇绿岩带,阿拉善北部地区自北向南被划分为珠斯楞-杭乌拉构造带、宗乃山-沙拉扎山构造带和雅布赖-诺尔公-洪古尔玉林构造带(图 1-a)。

图 1 阿拉善地区构造位置示意图(a,据参考文献[5, 12, 29]修改)、雅布赖-诺尔公-红古尔玉林带地质简图(b)(前人锆石年龄据参考文献[5, 11-13, 19-25, 27, 28, 31.32, 35-39, 45-48])和曼德林乌拉岩体出露地区地质图(c)(据参考文献修改) Fig.1 Sketch map showing the location of the Alxa block and the tectonic units of Alxa region (a), geological map of the Yabulai-Nuoergong-Honggueryulin belt (b) and geological map of the Mandelinwula pluton showing the sampling sites of currently studied rocks (c)

阿拉善地块北缘古生代的花岗岩及伴生的镁铁质岩石的成因问题仍未得到圆满解决。虽然近年来众多团队开展了详细的研究,但对阿拉善北部花岗岩的成因及其形成地质背景仍存在明显分歧:少数学者认为,阿拉善北部地区的花岗岩类主要形成于约280Ma,具有酸性大火成岩省的特点,它们的形成与同时代的塔里木大火成岩省有关[31];而多数学者认为,阿拉善北部地区晚古生代花岗岩等侵入岩的形成与古洲洋的俯冲闭合活动有关,如形成于活动大陆边缘与俯冲相关的环境[5, 11-13, 19, 24, 31-39]或与洋中脊俯冲有关[22]。造成以上争议的一个重要原因是不同学者和团队对阿拉善北缘不同地区数据资料的积累程度不同,限制了整体上对于阿拉善地块北缘地区花岗岩及伴生镁铁质岩石的成因及其地质背景的认识。

由于沙漠覆盖严重、交通不便,阿拉善雅布赖-诺尔公-红古尔玉林构造带的西段地区研究程度相对于东段较低。阿拉善雅布赖-诺尔公-红古尔玉林构造带西段的花岗质岩体中同样识别出有镁铁质岩石伴生,为开展阿拉善西部与中东部对比研究提供了重要依据。因而,本文以阿拉善地块北缘西段的曼德林乌拉岩体花岗质岩石及发育的镁铁质暗色包体为研究对象,在野外地质、岩石学工作的基础上,报道新的锆石U-Pb年龄、Hf同位素和地球化学特征,并初步探讨该岩体的岩浆混合成因,为深入了解阿拉善地块花岗岩成因及其演化过程提供新的资料。

1 地质背景

阿拉善地块北缘雅布赖-诺尔公-红古尔玉林构造带位于查干础鲁蛇绿岩带以南,呈近东西向展布(图 1)。该构造带前寒武纪各类变质岩广泛出露,由南西向北东近连续分布,主要分布在诺尔公-红古尔玉林构造带东段和巴彦乌拉山地区[29, 40-44]。雅布赖-诺尔公-红古尔玉林构造带基本缺失古生界,仅有少量二叠系酸性火山岩出露。缺失三叠系,侏罗系主要分布在雅不赖地区。白垩系在巴丹吉林地区广泛出露,其主要为棕灰色和紫红色的砾岩、粗砂岩,夹含砾砂质泥岩。古近系—新近系发育不全,出露于岩体周边地区,为砂砾岩、棕红色砂泥岩沉积,局部夹灰绿色透镜状砂砾岩。第四系分布十分广泛,但厚度不大,为冲积、洪积和风成砂砾层。

雅布赖-诺尔公-洪古尔玉林带侵入岩分布广泛,由南西向北东近连续分布,主要是由花岗岩类及其伴生的镁铁质岩石组成的复合岩基,形成时代主要为晚古生代与中生代(图 1-b)。早古生代火山岩-侵入岩活动较弱,晚古生代的侵入岩和火山岩广泛发育[5, 11-13, 22, 32, 45-48],主体为早二叠世花岗岩类,还有少量辉长岩体。本次选取该带研究程度相对弱的西段地区,对曼德林乌拉岩体的花岗岩、二长花岗岩、镁铁质暗色微粒包体等具有代表性的侵入岩开展研究。

2 岩体地质与岩石学特征

曼德林乌拉岩体位于雅布赖-诺尔公-洪古尔玉林带西段(图 1-b),在孟根布拉格南东约20km处,形态不规则,出露面积约100km2。岩体部分侵入到前寒武系阿拉善群哈乌拉组(AnZha),主要为灰色条带状混合岩、黑云斜长片麻岩、黑云角闪斜长变粒岩等。岩体周围部分地区出露二叠系,为灰色-灰绿色安山质英安斑岩,灰色-褐灰色英安斑岩、流纹英安斑岩,浅红色流纹斑岩、英安岩、流纹质凝灰岩、凝灰熔岩、火山角砾岩等;岩体侵入到二叠系(图 1-c),故在1:20万地质图上曼德林乌拉被认为可能是印支期岩浆活动的产物。岩体周围(主要在北侧)出露少量白垩系(图 1-c),主要为浅红色含砾砂岩,灰白色砂岩、含砾砂岩、砂砾岩、细砂岩等。岩体周围被新生界覆盖。

曼德林乌拉岩体的岩石类型主要为花岗岩、二长花岗岩、花岗闪长岩等,野外露头覆盖严重,未发现花岗岩、二长花岗岩和花岗闪长岩明显的侵入顺序和分布规律。岩体局部可见灰白色细粒花岗质岩脉和闪长玢岩脉穿插(图版Ⅰ-e)。在中粒花岗岩和中粗粒二长花岗岩中都发育大量的镁铁质暗色包体(图版Ⅰ-cd),包体多为浑圆状,与寄主花岗岩呈渐变接触。有的镁铁质暗色包体中见斜长石捕虏晶,有的包体呈现出分解的形态特征,表现为离包体越近,暗色矿物越多。

图版Ⅰ   PlateⅠ   a.花岗岩野外露头;b.中粗粒花岗岩样品野外特征;c、d.花岗岩中广泛发育镁铁质暗色包体,镁铁质暗色包体与花岗岩呈渐变接触关系,多为浑圆状;e.镁铁质岩脉穿插到花岗岩中

花岗岩为中粒花岗岩结构,块状构造,主要矿物包括斜长石(35%~40%)、石英(25%~30%)、钾长石(10%~20%)、角闪石(6%~9%)、黑云母(5%~10%)等,此外,还含有少量的磷灰石、榍石、锆石等副矿物。斜长石呈半自形板状,发育聚片双晶,有振荡环带发育(图版Ⅱ-a),磷灰石有针状和短柱状2种类型(图版Ⅱ-b)。

图版Ⅱ   PlateⅡ   a、b.曼德拉乌拉中粒花岗岩发育斜长石环带和针状磷灰石;c.中粒花岗岩与暗色包体接触处矿物组成明显不同;d.中粗粒二长花岗岩中见明显的斜长石环带;e.钾长石斑晶包裹斜长石细粒度色矿物镶边;f.镁铁质暗色包体发育自形的角闪石和针状磷灰石。Pl—斜长石;Amp—角闪石;Bt—黑云母;Qz—石英;Ap—磷灰石

二长花岗岩呈中粗粒花岗结构。矿物组成为钾长石(约35%)、斜长石(约25%)、石英(约25 %)、黑云母(约10%)和角闪石(约5%),副矿物包括榍石、锆石和磷灰石,镜下见明显的斜长石振荡环带(图版Ⅱ-d)、钾长石的细粒暗色矿物镶边(图版Ⅱ-e)、针状磷灰石等。

闪长质包体呈灰黑色,具有中粒花岗结构,无明显变形特征。包体粒度细,主要由暗色矿物角闪石、黑云母和斜长石组成(图版Ⅱ-f)。包体与中粒花岗岩接触处的切片(图版Ⅱ-c)可见矿物交换现象,磷灰石可见短柱状和针状,并以针状磷灰石居多(图版Ⅱ-f)。

3 分析方法

对岩体中的粗粒二长花岗岩和镁铁质暗色包体样品分别进行锆石U-Pb年代学、锆石Hf同位素和全岩地球化学分析。

3.1 锆石U-Pb年代学

锆石U-Pb年代学分析在中国地质调查局西安地质调查中心微区同位素地球化学实验室完成,所用质谱仪型号为Agilent7700x及配套的GeolasPro激光剥蚀系统。采用激光束斑直径为32μm,激光能量密度为6.0J/cm2,激光频率为9Hz。激光取样过程采用20s的背景采集时间、40s的剥蚀取样时间和10s的样品池冲洗时间,剥落的样品由高纯氦气(1.100L/min)带入ICP-MS;同位素204Pb、206Pb、208Pb和232Th采用20ms,238U采用10ms,207Pb采用30ms的积分时间;采用锆石标样91500为外标进行U-Pb同位素分馏效应和质量歧视的校正计算,采用Plesovice锆石标样为监控盲样监视测试过程的稳定性,保证每5个样品点至少插1组标样。数据处理应用Glitter(ver4.0,Macquarie University[49])程序计算锆石的同位素比值和元素含量;应用Isoplot 3.75程序对锆石样品的206Pb/238U-207Pb/235U年龄在谐和图上进行投图,并计算206Pb/238U年龄加权平均值。

3.2 Lu-Hf同位素测定

锆石完成U-Pb定年后,在原位用激光剥蚀多接收等离子质谱(LA-MC-ICP-MS)进行Lu-Hf同位素分析,Hf同位素测试工作在中国地质科学院矿产资源研究所自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成。关于实验仪器和实验过程的详细介绍见参考文献[50-51]。实验过程中的激光束斑直径为55μm。为消除176Lu和176Yb对176Hf测定的干扰,实验预设176Lu/175Lu=0.02658及176Yb/173Yb= 0.796218[52]。此外,为校正仪器导致的测试偏差,根据实验规程,Yb同位素比值依照172Yb/173Yb= 1.35274进行校准。标准锆石GJ-1[53]被选作实验的标样,试验中得到GJ-1的176Hf/177Hf值为0.282013± 0.000080(2σ, n=18)。该结果与Elhlou等[54]实验测得的176Hf/177Hf值(0.282013±0.000019,2σ)在误差范围内基本一致。

在进行锆石Lu-Hf同位素成分计算时,176Lu的衰变常数采用1.865×10-11a-1[55]εHf(t)值的计算采用Bouvier等[56]推荐的球粒陨石Hf同位素值:176Lu/177Hf = 0.0332,176Hf/177Hf=0.282772。Hf模式年龄采用现代亏损地幔的(176Hf /177Hf)DM值0.28325和(176Lu/177Hf)DM值0.0384[57]、平均地壳的(176Lu/177Hf)C值0.0125[58]进行计算。

3.3 全岩主量和微量元素含量分析

样品的全岩主量、微量元素地球化学分析测试在加拿大ACME实验室完成。详细的样品处理和分析方法为:准确称取0.20g粉末样品,将其与1.50g LiBO2助熔剂放置于石墨坩埚内进行充分混合。将样品/助熔剂的混合物于马弗炉中在1050℃下加热15min。提取熔融后的混合物,倒入100mL由去离子水和ACS级纯度硝酸配制的5%浓度的HNO3中。摇晃溶液2h使其充分溶解,取一部分置入聚丙烯分析管内。将标定标样、检验标样和本底空白样加入样品序列。通过电感耦合等离子光谱分析(ICP-AES)进行主要氧化物和Ba、Sc、Cu、Zn和Ni含量的分析。在ICP-MS上进行其他元素及稀土元素含量的分析。对于贵金属的分析,另外单独选取0.50g样品,置于3mL高温的(95℃)王水中进行溶解,通过ICP-MS进行贵金属分析。主要氧化物、微量和稀土元素的检测限分别为0.01%~ 0.1%、0.1×10-6~10×10-6和0.01×10-6~0.5 ×10-6。详细的分析方法与ACME中的LF202组的流程相同,所有的分析偏差均优于3%。

4 分析结果

在本次研究中选取2件样品(12LS80、12LS87)中的锆石用于U-Pb年代学测定和Lu-Hf同位素组成分析,6个样品进行全岩地球化学分析。

4.1 锆石U-Pb测年结果

使用常规的重液浮选和电磁分离方法挑选出锆石颗粒,随后在双目镜下根据颜色、自形程度、形态学、透明度等特征进行初步分类,并挑选出具有代表性的锆石,将其粘贴在环氧树脂表面。固结后抛磨,使锆石内部充分暴露,然后进行反射光、透射光和阴极发光显微照相。通过对反射光、透射光和阴极发光图像的观察分析,排除多裂纹、多包裹体和抛光不清晰的锆石,选择具有代表性的锆石进行测试。

北部曼德林乌拉附近的中粒花岗岩(12LS80)锆石多为无色透明、晶形完好,呈短柱状或长柱状,锆石颗粒的长轴多在100~250μm之间,长宽比变化范围为1:1~2.5:1。CL图像显示,有的锆石核部均匀,边部发育岩浆振荡环带(图 2)。上述特征说明,本次新测的锆石为岩浆锆石。对该样品中的22颗锆石进行了25个点的年代学测试。除2个测试点外,大部分测点谐和度较高,落在锆石U-Pb谐和曲线上。Th/U值为0.4~0.8(表 1),具有岩浆锆石特征。大多数锆石测点(n=21)的206Pb/238U年龄介于268~275Ma之间,有2颗锆石的206Pb/238U年龄分别为333Ma和298Ma,稍老于样品锆石的主体年龄,应为岩体侵位过程中岩浆捕获的早期岩浆事件中形成的的锆石(图 3)。21个点的206Pb/238U年龄加权平均值为271±3Ma(MSWD= 0.1),代表了花岗岩侵位年龄。

图 2 曼德林乌拉岩体花岗岩及镁铁质暗色包体样品锆石阴极发光(CL)图像 Fig.2 CL images for zircon grains from the currently studied granite and MME of Mandelinwula pluton (实线圆圈代表年龄测试点,虚线圆圈代表Hf测试点位)
表 1 曼德林乌拉岩体中粒花岗岩及其镁铁质暗色包体LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb年龄结果 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb isotopic results for representative granites and MME from the Mandelinwula pluton
图 3 曼德林乌拉岩体及其镁铁质暗色包体样品锆石U-Pb年龄谐和图 Fig.3 Diagrams of U-Pb concordia for zircon grains from the currently studied granite and MME from Mandelinwula pluton

曼德林乌拉花岗岩中镁铁质暗色包体(12LS87)样品的锆石颗粒较小,多为80~200μm。CL图像显示较明显的韵律环带结构。样品12LS87中的22颗锆石均得到了谐和的年龄值(图 3)。Th/ U值为0.1~1.6,具有岩浆锆石特征。有4颗为捕获锆石,年龄分别为1396Ma(207Pb/206Pb年龄),206Pb/238U年龄为582Ma、352Ma和330 Ma(图 2)。22个测点的206Pb/238U年龄加权平均值为271± 2Ma(MSWD= 0.1),与寄主花岗岩(12LS80)的年龄基本一致。

4.2 锆石Lu-Hf同位素

对曼德林乌拉岩体北部的中粒花岗岩样品12LS80和暗色包体样品12LS87进行锆石原位微区Lu-Hf同位素分析(表 2)。二长花岗岩和包体中锆石颗粒的176Lu/177Hf值分别介于0.0007529~ 0.002126之间和0.0007657~0.003058之间,说明放射性成因的Hf含量很低。花岗岩(12LS80)中15颗锆石的176Hf/177Hf值分布范围为0.282088~ 0.282324,相应的εHf(t)值为- 18.4~- 10.1(按t= 271Ma计算),一阶段Hf同位素模式年龄为1.3~ 1.6Ga,二阶段Hf模式年龄为1.8~2.3Ga(图 4)。年龄为333Ma和298Ma的捕获锆石(图 4)的176Hf/177Hf值分别为0.282128和0.282079,用各自年龄计算所得的εHf(t)值分别为-18.2和-16。

表 2 曼德林乌拉岩体花岗岩和暗色包体锆石Lu-Hf同位素分析结果 Table 2 Zircon Hf isotopic compositions of granite and MME from the Mandelinwula pluton
图 4 曼德林乌拉岩体样品锆石εHf(t)随年龄变化图解 Fig.4 206Pb/238U age versus εHf(t) diagram of zircons from currently studied granite and MME samples from the Mandelinwula pluton

镁铁质暗色包体(样品12LS87)中13颗二叠纪锆石的176Hf/177Hf值为0.289193~0.282347,相应的εHf(t)值为-23.6~-9.1(按t=271Ma计算),一阶段Hf同位素模式年龄为1.3~1.9Ga,二阶段Hf模式年龄为1.7~2.5Ga(图 4)。年龄为1396Ma、582Ma、352Ma和330Ma的捕获锆石(图 4)的176Hf/177Hf值分别为0.282085、0.282058、0.282196和0.282175,用各自年龄计算所得的εHf(t)值分别为+5.9、-13.1、-12.8和- 14.2,对应二阶段Hf模式年龄分别为1.7Ga、2.2Ga、2.0Ga和2.0Ga。

4.3 地球化学特征

曼德林乌拉岩体各样品的主量、微量及稀土元素分析测试结果见表 3。曼德林乌拉中粒花岗岩和中粗粒二长花岗岩SiO2元素含量相近(SiO2含量变化为68.3%~72.2%),全碱(Na2O+K2O)含量为6.5%~ 7.5%, 为高钾钙碱性,准铝质系列岩石(图 5)。曼德拉林乌拉二长花岗岩中发育的镁铁质暗色包体具有较低的SiO2(56.96%和57.43%)、较高的MgO (3.05%和3.23%)和Fe2O3含量(7.99%和8.95%),在TAS图解(图 5)上落入二长岩区域,并且具有准铝质特征。曼德林乌拉二长花岗岩和镁铁质暗色包体样品在Harker图解上显出了良好的线性关系,SiO2和TiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO和P2O5呈现明显的负相关(图 6)。

表 3 曼德林乌拉岩体花岗岩主量、微量和稀土元素含量 Table 3 Major, trace and rave earth elements composition of granites and MME from Mandelinwula pluton
图 5 曼德林乌拉岩体及前人雅布赖-诺尔公-红古尔玉林带东段二叠纪花岗岩及镁铁质包体样品主量元素TAS图解(a)[59]、SiO2-(Na2O+K2O-CaO)(b)[60]、SiO2-K2O岩石系列判别图(c)[61]和A/CNK-A/NK铝饱和指数图(d) Fig.5 TAS (a), SiO2 versus (K2O+Na2O-CaO) (b), SiO2-K2O (c) and A/CNK-A/NK(d) diagrams for the currently studied granitoid rocks from the Mandelinwula pluton and previously studied Permian granites and MME from the east part of the Yabulai-Nuoergong-Hongueryulin belt (背景数据来源见图 1-b
图 6 曼德林乌拉岩体及前人雅布赖-诺尔公-红古尔玉林带东段二叠纪花岗岩及镁铁质包体样品Harker图解 Fig.6 Harker diagrams for the currently studied granitoid rocks from the Mandelinwula pluton and previously studied Permian granites and MME from the east part of the Yabulai-Nuoergong-Hongueryulin belt

总体而言,曼德林乌拉岩体中的花岗岩和镁铁质暗色包体样品在原始地幔标准化蛛网图解中同样显示出较一致的特征,相对富集大离子亲石元素K、Rb等,亏损高场强元素Ta、Nb、P、Ti等。在稀土元素球粒陨石标准化图解(图 7)中,这些样品都表现出轻度的轻、重稀土元素分馏((La/Yb)N值为1.8~10.7),以及较明显的负Eu异常。与雅布赖-诺尔公-红古尔玉林构造带东段的部分二叠纪花岗岩及其中发育的镁铁质暗色包体具有相似的地球化学特征(图 7)。

图 7 曼徳林乌拉岩体花岗岩、镁铁质暗色包体样品微量元素原始地幔标准化蛛网图和稀土元素球粒陨石标准化配分模式图 Fig.7 Primitive mantle-normalized multiple trace element diagrams and chondrite-normalized REE patterns for the currently studied granitoid and MME from the Mandelinwula pluton (标准化数据据参考文献[62],前人数据来源见图 1-b
5 讨论 5.1 岩体形成时代

早期研究根据野外地质关系认为,曼德林乌拉岩体部分侵入二叠系中(图 1-c),同时又被上白垩统不整合覆盖,因而在1:20万地质图上曼德林乌拉被认为是印支期岩浆活动的产物。近期有学者在曼德林乌拉岩体附近的地区开展工作,认为曼德林乌拉岩体花岗岩可能为中生代三叠纪[12]。而本文对曼德林乌拉岩体样品锆石的LA-ICP-MS测年结果表明,花岗岩形成时代为271±3Ma,相当于中二叠世岩浆活动的产物,属于华里西期。该样品中333Ma的锆石年龄位于锆石核部(图 2),可能是早期岩浆事件的继承锆石,可能反映了区域上存在石炭纪的岩浆活动。花岗岩中镁铁质暗色包体的形成年龄为271± 2Ma,与寄主岩石形成时代基本一致。包体样品中的几颗锆石明显老于花岗岩样品的年龄加权平均值,其中1颗锆石的核部年龄为1396Ma(207Pb/206Pb年龄),边部年龄为352Ma(206Pb/238U年龄),还有1颗核部年龄为582Ma(图 2)。这些捕获或继承锆石,从年代学上揭示了可能被“隐藏”的岩浆事件,指示其岩浆源区可能有前寒武纪古老地壳物质贡献或形成镁铁质暗色包体的岩浆在侵位过程中捕获了古老物质。结合雅布赖-诺尔公-洪古尔玉林带岩浆岩已有的年代学资料,曼德林乌拉岩体与雅布赖-诺尔公-洪古尔玉林带东段牙马图岩体等具有相同的岩浆混合成因特征,即岩体岩石类型和镁铁质暗色包体类型相同,花岗岩侵位时代也相同[5, 11-13, 25-28, 31-39, 45-48]。此外,在曼德林乌拉岩体中识别出的310Ma、582Ma和1396Ma时间段的古老锆石,在雅布赖-诺尔公-洪古尔玉林带东段同样存在[25]

因而,本文报道的曼德林乌拉岩体花岗岩及其镁铁质暗色包体的精确锆石年龄为二叠纪(约270Ma),进一步约束了雅布赖-诺尔公-红古尔玉林构造带东、西段酸性和中基性岩浆活动具有同时性,集中在280~265Ma[5]

5.2 岩石源区特征和成因

曼德林乌拉岩体花岗岩、二长花岗岩样品在薄片下可见角闪石,地球化学和岩相学都显示出I型花岗岩的特征。此外,岩体广泛发育镁铁质暗色包体,并且在寄主岩石和包体的薄片中都可见明显的斜长石振荡环带,具有淬冷结构,如针状磷灰石,交代边、细粒矿物镶边等不平衡矿物组合、结构等岩相学特征,显示其具有岩浆混合成因的岩石学特征。

曼德林乌拉花岗岩及其镁铁质暗色包体锆石均显示负的εHf(t)值(分别为- 18.4~- 10.1和-23.6~-9.1)和较老的二阶段模式年龄(分别为1.8~2.3Ga和1.7~2.5Ga),与东段的诺尔公—洪古尔玉林地区二叠纪花岗岩具有相似的εHf(t)值和二阶段模式年龄[5, 11-12, 19, 22, 27.31, 39]。它们的锆石Hf同位素特征表明,这些中酸性侵入岩的地壳源区物质组成主要为古老的地壳物质。此外,花岗岩和包体样品的SiO2含量变化较大,且大多数锆石显示较宽的、多个峰值的εHf(t)范围和二阶段Hf模式年龄峰值,暗示地壳源区成分较复杂;或源区存在壳幔混合作用,是壳幔岩浆混合作用的结果。

此外,与雅布赖-诺尔公-红古尔玉林构造带东段部分具有岩浆混合成因的岩体相同,曼德林乌拉岩体镁铁质暗色包体与寄主岩石的锆石Hf同位素范围变化较大且基本重合,可能反映中酸性侵入岩与时空上伴生的镁铁质岩石的源区特征相近[5, 11-12, 19, 22, 27, 42]。再结合曼德林乌拉岩体花岗岩及其镁铁质暗色包体与雅布赖-诺尔公-红古尔玉林构造带东段混合成因的I型花岗岩及其镁铁质暗色包体(闪长质),具有十分相似的岩石学(如薄片尺度上的不平衡结构和矿物组合)和地球化学特征(图 5图 7),推测它们具有相同的成因及形成背景。

Zhang等[5]在对雅布赖-诺尔公-洪古尔玉林带东段牙马图岩体的研究中,结合区域资料综合分析,认为阿拉善地块北部二叠纪花岗岩岩浆混合成因可能发生于陆缘俯冲环境,并应用最新的基于实验岩石学、热力学数值模拟等多方面研究支持的花岗质岩浆(I型)的成因模式[63-68]——“俯冲侵蚀+岩浆夹积作用”(subduction erosion+relamination)新模式,解释了二叠纪(280~265Ma)I型花岗岩及伴生的镁铁质暗色包体和辉长岩体的成因,以及岩浆混合作用现象。该成因机制较合理地解释了在I型花岗岩中识别出的寄主花岗岩及其镁铁质暗色包体具有相似同位素组成时的岩浆混合现象的成因,即由继承了混合源区同位素特征的2种不同岩浆(如从同一安山质母岩浆多元共结分异后产生),经历了从源区到侵位多阶段的混合和混染。这与以往认为的由不同源区的基性和酸性岩浆混合现象不同。虽然缺少更详细的矿物学工作,但依据目前观察到的现象和掌握的相关数据,初步认为雅布赖-诺尔公-洪古尔玉林带西段曼德林乌拉岩体的成因也可以用该模式解释。

6 结论

(1)LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果表明,阿拉善地块北部雅布赖-诺尔公-红古尔玉林构造带西段的曼德林乌拉岩体中粒花岗岩形成年龄为271± 3Ma,镁铁质暗色包体的形成年龄为270±2Ma,均属于二叠纪岩浆活动的产物,不是之前认为的三叠纪。

(2)曼德林乌拉花岗岩和镁铁质暗色包体都具有负的εHf(t)值(分别为-18.4~-10.1和-23.6~-9.1)和相对古老的二阶段模式年龄(分别为1.8~2.3Ga和1.7~2.5Ga),这些同位素特征表明其源区以古老地壳物质为主,源区具有壳-幔源混合特征。

(3)结合岩石学、岩相学、年代学和地球化学研究,曼德林乌拉花岗岩和镁铁质暗色包体与雅布赖-诺尔公-洪古尔玉林带东段的二叠纪I型花岗岩及其发育的镁铁质暗色包体具有相似的特征,它们可能具有相同的岩浆混合成因。

致谢: 中国地质大学(北京)侯继尧、赵建新硕士在野外工作中给予帮助,中国地质科学院地质研究所任海东、秦切博士在年代学测试方面提供帮助,测试分析工作还得到中国地质调查局西安地质调查中心实验室、地科院矿产资源所实验室相关工作人员的帮助,审稿专家提出了宝贵修改意见和建议,在此一并致谢。

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