地质通报  2019, Vol. 38 Issue (2-3): 266-275  
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陈圆圆, 李杰, 白春东, 李典, 张子轩, 林月明. 北山北带园包山地区中酸性火山岩地球化学特征及锆石U-Pb年龄[J]. 地质通报, 2019, 38(2-3): 266-275.
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Chen Y Y, Li J, Bai C D, Li D, Zhang Z X, Lin Y M. Geochemical characteristics and zircon U-Pb age of the intermediate and acid volcanic rocks from Yuanbaoshan area in the northern part of Beishan orogenic belt[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(2-3): 266-275.
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基金项目

内蒙古自治区地质勘查基金项目《内蒙古自治区额济纳旗园包山等三幅1:5万区域矿产地质调查》(编号:NMKD2014-11)

作者简介

陈圆圆(1988-), 女, 硕士, 工程师, 从事区域地质矿产调查与研究。E-mail:yuanyuanchen@163.com

文章历史

收稿日期: 2018-02-12
修订日期: 2018-06-15
北山北带园包山地区中酸性火山岩地球化学特征及锆石U-Pb年龄
陈圆圆 , 李杰 , 白春东 , 李典 , 张子轩 , 林月明     
河北省区域地质矿产调查研究所, 河北 廊坊 065000
摘要: 北山北带园包山地区晚古生代中酸性火山岩以英安岩类为主,夹少量安山质火山岩。测得英安质凝灰岩锆石U-Pb年龄为315.9±3.4Ma,形成时代为晚石炭世,认为该套火山岩为上石炭统干泉组。该套岩石属于过铝质低钾-中钾钙碱性火山岩,轻稀土元素和大离子亲石元素相对富集,具有较弱的负Eu异常,高场强元素(Nb、Ti)及P元素明显亏损,表明其形成于大洋岛弧向大陆边缘弧过渡的构造环境。结合区域构造,认为北山北带地区晚石炭世古亚洲洋仍在俯冲,尚未闭合。
关键词: 中酸性火山岩    地球化学    锆石测年    园包山地区    
Geochemical characteristics and zircon U-Pb age of the intermediate and acid volcanic rocks from Yuanbaoshan area in the northern part of Beishan orogenic belt
CHEN Yuanyuan, LI Jie, BAI Chundong, LI Dian, ZHANG Zixuan, LIN Yueming     
Regional Geology and Mineral Resources Research Institute of Hebei Province, Langfang 065000, Hebei, China
Abstract: The Late paleozoic intermediate and acid volcanic rocks from Yuanbaoshan area in the northern part of Beishan orogenic belt are dominated by dacitic rock with a small amount of andesitic rock. Zircon U-Pb isotopic age 315.9±3.4Ma was obtained in the dacitic tuff. It means that the age of rock formation is Late Carboniferous. The authors consider that this set of volcanic rocks belong to Upper Carboniferous Ganquan Formation. This set of volcanic rocks have the characteristics of ocean island arc and continental margin arc and are of low potassium-medium potassium calc-alkaline series, enriched relatively in light rare earth elements and large ion lithophile elements, and relatively depleted in high field strength elements, with unconspicuous Eu-negative anomaly. Combined with previous studies of regional structures and geochemistry of volcanic rocks, the authors consider that Ancient Asian Ocean still subducted and had not yet been closed in the north part of Beishan orogenic belt in Late Carboniferous.
Key words: intermediate and acid volcanic rocks    geochemistry    zircon U-Pb dating    Yuanbaoshan area    

北山地区位于华北板块、哈萨克斯坦板块与塔里木板块交汇地带,因其独特的构造位置,一直是国内外学者研究的热点地区,取得了较多的研究成果[1-13]。早古生代哈萨克斯坦板块与华北板块在该区被古亚洲洋分隔,晚古生代古亚洲洋闭合,这是目前较一致的认识,但是对于古亚洲洋闭合的具体时间存在较大争议。部分学者认为是在中晚泥盆世之前[3, 7-9];也有学者认为是在早石炭世末期[10];还有学者认为是在二叠纪[14]。出现分歧的一个重要原因是,该区复杂的构造变动和多期次的岩浆活动叠加,导致区内出露的蛇绿岩支离破碎,零星分布,增加了蛇绿岩研究的难度。同时由于该区邻近中蒙边境,自然条件恶劣,交通不便,地层研究相对薄弱,其中晚古生代地层基本沿用20世纪70年代1:20万区域地质调查的地层划分方案。本文在北山北带园包山地区1:5万区域矿产地质调查的基础上,以园包山地区出露的大套晚古生代中酸性火山岩为研究对象,通过分析其岩石学与地球化学特征,并结合锆石测年结果,探讨其形成的构造环境及地层时代归属,进一步为北山地区晚古生代构造演化及古亚洲洋闭合时限研究提供依据。

1 区域地质背景

北山地区由北向南分布4条重要的蛇绿岩带:红石山蛇绿岩带、明水-石板井-小黄山蛇绿岩带、红柳河-牛圈子-洗肠井蛇绿岩带及柳园-音凹峡断裂带。明水-石板井-小黄山蛇绿岩带是塔里木板块与哈萨克斯坦板块的缝合线[1, 3]。园包山地区位于明水-石板井-小黄山蛇绿岩带以北,属于哈萨克斯坦板块东南陆缘增生带(图 1)。根据本次1:5万区域矿产地质调查结果,区内大面积为上新统苦泉组覆盖,海西期花岗岩类岩体发育。研究区内最老的地层为下奥陶统罗雅楚山组,为一套细碎屑岩沉积,向上为下志留统园包山组、中—上志留统公婆泉组、上石炭统干泉组(六驼山幅1:20万区域地质调查报告中定为上志留统碎石山群)、下白垩统赤金堡组,其中公婆泉组和干泉组以火山岩为主。公婆泉组岩石组合为中-基性火山岩与沉积碎屑岩交互出现;干泉组主要为中酸性熔岩及其碎屑岩。园包山组属浅海相沉积岩系,岩石组合为中细粒砂岩和粉砂岩,夹泥岩、页岩及少量灰岩透镜体;赤金堡组具湖相沉积特征,岩石组合而下至上呈粉砂质泥岩、泥灰岩-杂砂岩-复成分砾岩变化。研究区干泉组西南部与公婆泉组呈断层接触,东部被晚石炭世花岗岩类侵入,其他各处被下白垩统赤金堡组、上新统苦泉组角度不整合覆盖。

图 1 园包山地区地质简图及采样位置 Fig.1 Generalized geological map and sampling position in Yuanbaoshan area 1—哈萨克斯坦板块东南陆缘增生带;Ⅱ1—塔里木板块东部陆缘增生带;Ⅳ1—华北北部陆缘增生带;Q—第四系;N2k—上新统苦泉组;C2g—上石炭统干泉组;S2-3g—中上志留统公婆泉组;S1y—下志留统园包山组;O1l—下奥陶统罗雅楚山组
2 样品采集及分析方法 2.1 样品特征

样品采自园包山北中酸性火山岩剖面露头,剖面出露厚度超过2km。对自下而上分层采集的样品进行岩矿鉴定,发现该套火山岩以英安岩、英安质凝灰熔岩、英安质凝灰岩为主,夹少量安山质熔岩、安山质凝灰岩及硅质粉砂岩。主体岩性特征如下。

安山质熔结凝灰岩(图 2-a):灰褐色,熔结凝灰结构,假流动构造。岩石由晶屑、岩屑、塑性玻屑及少量火山尘组成。晶屑(15%)由斜长石、钾长石、石英(少量)组成,呈棱角状-他形粒状,大小一般以0.05~1.8mm为主,星散或略显定向分布。岩屑(10%)以塑性为主,刚性次之,前者呈条带状,后者呈棱角状、不规则团块状,星散分布,一般以0.1~ 2mm的凝灰物为主,大于2mm的火山角砾次之。其成分主要为安山岩、流纹岩、凝灰岩等,部分岩屑具褐铁矿化、碳酸盐化等。塑性玻屑(65%~70%)已明显拉长圆化,呈蚯蚓状、线纹状等,与少量火山尘混杂,绕岩屑、晶屑定向分布,遇到刚性岩屑、晶屑时可见明显压弯、变薄现象,构成假流动构造。

图 2 园包山地区中酸性火山岩镜下照片(正交偏光,10×1.25) Fig.2 Microscope photos of the intermediate and acid volcanic rocks in Yuanbaoshan area a—安山质熔结凝灰岩;b—英安质凝灰岩;c—英安质晶屑熔结凝灰岩;d—英安质角砾熔岩。Q—石英;Pl—斜长石

英安质凝灰岩(图 2-b):灰绿色,凝灰结构,块状构造。主要由晶屑(55%)、岩屑(35%)和火山尘(10%)组成。晶屑为斜长石、石英、角闪石,斜长石多尖棱状、不规则状,石英呈浑圆、溶蚀状。岩屑以英安岩、安山岩为主,呈尖棱状。

英安质晶屑熔结凝灰岩(图 2-c):灰色,具熔结凝灰结构,假流动构造。岩石由晶屑、岩屑、塑性玻屑组成,以小于2mm的凝灰物为主,2~3mm的火山角砾(3%~5%)少量。晶屑(65%)由斜长石、石英、暗色矿物假象组成,主要呈棱角状、次棱角状,粒径一般为0.4~3mm。岩屑(5%)包括刚性、塑性2种,一般以0.3~2mm的凝灰物为主,2~3mm的火山角砾次之,星散状分布。塑性玻屑(25%)呈肠状、蚯蚓状外形,具定向、拉长排列趋势,集合体具绕晶排列趋势。

英安质角砾熔岩(图 2-d):灰绿色,角砾熔岩状结构,具流纹构造。岩石由火山碎屑物及熔岩组成。火山碎屑物主要由岩屑组成,呈角砾状、不规则状等,零星分布,以大于2mm的火山角砾(约10%)为主,小于2mm的凝灰物较少;岩屑由流纹岩、安山岩组成。熔岩由斑晶(55%~60%)、基质(35%)组成。斑晶由斜长石、石英、暗色矿物假象构成,大小0.2~4.6mm,杂乱分布,部分呈聚斑、联斑状产出;基质由长英质、少量暗色矿物假象构成。

英安岩:具微晶-隐晶结构,块状构造。岩石由长英质(95%)及少量黑云母(5%)组成。长英质主要呈他形粒状,少部分长石略显半自形板状外形,粒径一般小于0.1mm,少量0.1~0.2mm,杂乱分布,长石以斜长石为主,钾长石次之;石英颗粒表面干净,发育弱波状消光,部分晶内包嵌半自形板状长石晶体,构成显微嵌晶结构;黑云母呈微鳞片状,片径一般为0.01~0.2mm。

2.2 分析方法

根据研究区剖面中主体岩性分布及样品新鲜程度,选取4件英安质火山岩进行全岩主量、微量及稀土元素分析,并挑选出1件英安质凝灰岩样品进行锆石测年。元素分析工作在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。主量元素采用碱烧法制备样品,用Axiosmax X射线荧光光谱仪完成分析测试,分析误差优于5%,烧失量、H2O+和H2O-采用P1245电子分析天平完成测试。微量和稀土元素采用酸溶法制备样品,用X Serise2等离子体质谱仪完成测试,分析误差优于2%。

英安质凝灰岩样品在河北省区域地质矿产调查研究所实验室进行锆石挑选及制靶。将样品人工破碎后,按常规重力和磁选方法分选出锆石,然后在双目镜下挑选。将挑选出的纯净锆石颗粒和标样放置于环氧树脂中制靶,并打磨抛光至锆石中心部位暴露出来。然后对样品靶上的锆石进行透射光、反射光照相,选出晶体特征良好的锆石拍摄阴极发光(CL)图像,以查明锆石内部生长层的分布和结构,最后对选出的锆石进行LA-ICP-MS测年分析。阴极发光图像采集由中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心完成,LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析在中国地质科学院矿产资源研究所LA-ICP-MS实验室完成。锆石定年分析仪器为Finnigan Neptune型MC-ICP-MS及与之配套的New wave UP 213激光剥蚀系统。数据处理采用ICP- MS DataCal 4.3程序,锆石年龄谐和图用Isoplot 3. 0程序获得。同位素的比值和年龄误差(标准偏差)为1σ。

3 分析结果 3.1 锆石U-Pb年龄

通过锆石CL图像可以看出,样品锆石自形程度较好,多数呈四方双锥长柱状和四方双锥短柱状,具有振荡环带(图 3)。锆石Th、U含量分别介于58×10-6~233×10-6和139×10-6~397×10-6之间,Th/U值介于0.38~0.59之间,15个测点中有13个大于0.4(表 1),表明所测样品的锆石主要为岩浆锆石。15颗锆石206Pb/238U表面年龄在309.7~324.7Ma之间,年龄加权平均值为315.9±3.4Ma(MSWD=0.72)(图 4),表明岩浆冷凝结晶时代为晚石炭世。

图 3 英安质凝灰岩锆石阴极发光图像及测年点 Fig.3 Zircon cathodoluminescence images and dating spots of the dacitic tuff
表 1 英安质凝灰岩(P4RZ1)LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb测年结果 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb dating results of the dacitic tuff (P4RZ1)
图 4 英安质凝灰岩LA-ICP-MS锆石U-Pb谐和图 Fig.4 LA-ICP-MS zircon U-Pb concordia diagrams of the dacitic tuff
3.2 主量元素

表 2可以看出,岩石SiO2含量偏高,介于64.91%~66.26%之间,显示硅过饱和特征。在TAS图解(图 5)中,样品点均落入英安岩区域。Al2O3含量介于15.62%~16.09%之间,A/NK=2.51~2.82、A/ CNK=1.61~1.71(A/NK= Al2O3/Na2O + K2O、A/ CNK=Al2O3/CaO+Na2O+K2O),CIPW标准矿物中出现刚玉C,在铝饱和指数图解(图 6)中,样品点落入过铝质范围。K2O/Na2O<1,岩石呈钠质。岩石碱度率A.R=1.79~1.99,在碱度率图解(图 7)中落入钙碱性系列区域,在SiO2-K2O图解(图 8)上落入低钾(拉斑玄武岩)-中钾钙碱性系列。上述特征表明,研究区的中酸性火山岩属于过铝质低钾-中钾钙碱性英安岩类。

表 2 晚石炭世火山岩样品主量、微量和稀土元素分析数据 Table 2 Major, trace and rare earth element analyses of the Late Carboniferous volcanic rocks
图 5 园包山地区中酸性火山岩TAS图解 Fig.5 TAS diagram for the intermediate and acid volcanic rocks in Yuanbaoshan area
图 6 园包山地区中酸性火山岩铝饱和指数图解 Fig.6 Aluminum saturation index diagram for the intermediate and acid volcanic rocks in Yuanbaoshan area
图 7 园包山地区中酸性火山岩碱度率图解 Fig.7 Alkalinity rate diagram for the intermediate and acid volcanic rocks in Yuanbaoshan area
图 8 园包山地区中酸性火山岩SiO2-K2O图解 Fig.8 SiO2-K2O diagram for the intermediate and acid volcanic rocks in Yuanbaoshan area
3.3 稀土和微量元素

样品稀土元素总量较高,∑REE=106.6×10-6~ 151.25×10-6,平均值为128.3×10-6。LREE/HREE= 4.31~5.16,平均值为4.64;(La/Yb)N=3.38~5.16,平均值为4,轻、重稀土元素具中等程度分馏;(La/ Sm)N=2.25~2.52,平均值为2.4,(Gd/Yb)N=1~1.4,平均值1.16。稀土元素球粒陨石标准化图(图 9-a)为右倾平缓曲线,轻稀土元素斜率较大,重稀土元素平坦,属轻稀土元素富集型。δEu=0.81~0.98,平均值为0.88,具有弱负Eu异常,暗示一定程度的斜长石分离结晶作用。从微量元素原始地幔标准化蛛网图(图 9-b)可以看出,岩石富集大离子亲石元素Ba、K,Ba、Th、U、K的富集倍数达30倍以上。高场强元素Nb、Ti明显亏损,说明源区有陆壳物质参与了岩浆过程。

图 9 园包山地区中酸性火山岩稀土元素球粒陨石标准化图(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b) Fig.9 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (b) for the intermediate and acid volcanic rocks in Yuanbaoshan area
4 讨论 4.1 地层时代归属

六驼山幅1:20万区域地质调查报告①中将研究区内大套的晚古生代中酸性火山岩归属于上志留统碎石山群。碎石山群原始定义指下部为酸性火山岩、上部为碎屑岩的巨厚地层。《内蒙古自治区区域地质志》 [16]将该组上、下两部分进行分解,分别命名为火山岩组与碎屑岩组,《内蒙古自治区岩石地层》 [17]将下部火山岩组划归为中上志留统公婆泉组,上部碎屑岩部分划归为上志留统碎石山组。本文通过LA-ICP-MS锆石U-Pb定年方法,获得园包山地区英安质凝灰岩的形成时代为315.9±3.4Ma,按照国际地层委员会制定的地层年龄界限,属于晚石炭世。因此从地层时代看,该套中酸性火山岩不属于中上志留统。

根据《内蒙古自治区岩石地层》 [17],北山北部地区石炭纪地层有绿条山组及白山组,按岩性划分该套中酸性火山岩可能属于白山组。白山组由兰州地质科学研究所1964年于甘肃省肃北县白山一带创立,将其时代定为早石炭世[15]。本次测定结果为晚石炭世,邹运鑫[18]等在六驼山地区白山组英安岩中取得锆石U-Pb同位素年龄310.86±0.86Ma,贾元琴等[19]在北山风雷山地区白山组流纹岩中测得锆石U-Pb同位素年龄为318.5±1.2Ma,均为晚石炭世。究竟是白山组时代为晚石炭世还是原定白山组的地层为晚石炭世还需进一步讨论。卢进才等[12]于红石山地区原定白山组火山岩中获得同位素年龄为314.9±3.3Ma,牛亚卓等[13]在黑鹰山地区原白山组火山岩获得锆石U-Pb同位素年龄为308.6±1.0Ma和299.1±2.4Ma,并认为原定下石炭统白山组应修订为上石炭统—下二叠统干泉组。以上同位素年龄结果与本次取得的315.9±3.4Ma基本一致。另外,研究区该套晚石炭世火山岩主体为灰色-灰绿色英安质凝灰岩、英安质角砾熔岩、英安岩等,下部为少量灰褐色安山质凝灰岩,岩性与前人在红石山、黑鹰山和六驼山地区进行同位素研究的地层也有很好的一致性。综上所述,认为园包山地区该套晚古生代中酸性火山岩为干泉组,时代为晚石炭世。

4.2 岩石成因

研究区晚石炭世火山岩属于过铝质的钙碱性英安岩类,具有较高的SiO2含量,轻稀土元素和大离子亲石元素相对富集,具有较弱的负Eu异常,高场强元素(Nb、Ti)及P元素明显亏损,这些特征表明其原始岩浆可能主要来源于地壳。活动性小的不相容元素(如Nb、Ta、Th、Rb等)也是研究岩浆成因及演化的可靠指标。从研究区中酸性火山岩各种不相容元素的比值范围(表 3)看,干泉组火山岩的不相容元素比值大多与大陆地壳相似,但Zr/Nb值更接近N-MORB(正常洋中脊玄武岩),说明原始岩浆可能受到幔源物质的影响。Ti、P元素的强烈亏损表明该区英安岩形成过程中可能伴随有磷灰石及钛铁氧化物类的分离结晶作用。综上所述,园包山地区英安岩类岩浆来源主要为大陆地壳,但同时也可能遭受幔源物质的影响,表现为该套地层中夹有安山质火山岩,其相对富Na2O和低K2O的特征,说明熔融的原岩很可能为拉斑-钙碱性玄武岩。同时在后期岩浆演化过程中又经历了不同程度的矿物分离结晶作用。

表 3 晚石炭世火山岩不相容元素比值 Table 3 Incompatible trace element ratios of the Late Carboniferous volcanic rocks
4.3 构造环境

高场强不相容元素Th、Hf、Ta、Nb等不易受后期地质作用影响,具有一定的稳定性,故用其进行火山岩构造环境判别分类投影。在(Yb+Ta)-Rb图解(图 10-a)中,4个英安岩类样品点均落入火山弧花岗岩区域,同时利用SiO2-lgCaO/(Na2O+K2O)图解(图 10-b)进一步判别岛弧成熟度,样品点落入大洋岛弧向大陆岛弧过渡区域。以上图解说明,研究区中酸性火山岩具有从大洋岛弧构造环境向大陆边缘弧演化过渡的性质。由此认为,在晚石炭世,北山北带地区古亚洲洋尚未完全闭合,仍处于板块俯冲环境[21-22]。张文[23]对北山地区花岗岩体的研究认为,明水火山弧花岗岩体(328±2Ma)与双井子后碰撞花岗岩(272±2Ma)限制了明水-小黄山蛇绿岩带所代表的大洋闭合时间,为早石炭世末—早二叠世。郑荣国等[24]对北山北部双井子岩体的研究表明,白山构造带至少在晚二叠世之前仍处于俯冲环境,石炭纪—中二叠世,红石山蛇绿岩所代表的古大洋向南俯冲到明水-旱山陆块之下,形成了白山陆缘弧。以上研究成果均表明,晚石炭世北山北部地区古亚洲洋仍在俯冲。

图 10 园包山地区中酸性火山岩构造环境判别图解 Fig.10 Discrimination diagrams illustrating tectonic setting of the intermediate and acid volcanic rocks in Yuanbaoshan area VAG—火山弧花岗岩;ORG—洋中脊花岗岩;WPG—板内花岗岩;SCG—同碰撞花岗岩;WA—美国西部火山弧;CI—大陆岛弧;IO—大洋岛弧
5 结论

(1)园包山地区晚古生代中酸性火山岩以英安岩类为主,夹少量安山质火山岩。锆石U-Pb年龄为315.9±3.4Ma,形成时代为晚石炭世。经区域对比,定为上石炭统干泉组。

(2)晚石炭世火山岩形成于大洋岛弧向大陆边缘弧过渡的构造环境,原始岩浆主要来源于地壳,并在一定程度上受幔源物质影响。

(3)晚石炭世,北山北带地区古亚洲洋仍在俯冲,并未消亡。

致谢: 审稿专家提出了宝贵意见,在此表示由衷感谢。

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