地质通报  2019, Vol. 38 Issue (4): 592-602  
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吴文彬, 王玉平, 于海峰, 李超, 李海洋, 刘永俊, 张妍, 陈丽芳, 王晓亮. 华北克拉通北缘八当山火山岩及变质石英闪长岩锆石U-Pb年龄与岩石地球化学特征[J]. 地质通报, 2019, 38(4): 592-602.
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Wu W B, Wang Y P, Yu H F, Li C, Li H Y, Liu Y J, Zhang Y, Chen L F, Wang X L. Evidence of zircon U-Pb dating and rock geochemical characteristics of Badangshan volcanic rocks and metamorphic quartz diorite on the northern margin of North China craton[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(4): 592-602.
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基金项目

内蒙古自治区地质勘查基金管理中心项目《内蒙古自治区赤峰市红山等三幅区域矿产地质调查》(编号:[2012]矿调-38)

作者简介

吴文彬(1987-), 男, 硕士, 工程师, 从事区域地质调查和构造地质学方面的研究。E-mail:476031501@qq.com

文章历史

收稿日期: 2018-01-10
修订日期: 2018-04-16
华北克拉通北缘八当山火山岩及变质石英闪长岩锆石U-Pb年龄与岩石地球化学特征
吴文彬 , 王玉平 , 于海峰 , 李超 , 李海洋 , 刘永俊 , 张妍 , 陈丽芳 , 王晓亮     
辽宁省地质矿产研究院有限责任公司, 辽宁 沈阳 110032
摘要: 赤峰东部郎郡哈拉地区变质石英闪长岩侵入到八当山火山岩中。用LA-ICP-MS技术,测得赤峰郎郡哈拉地区片理化流纹岩和变质石英闪长岩锆石206Pb/238U年龄分别为387.6±2.8Ma(MSWD=0.27,n=26)和387.1±2.3Ma(MSWD=0.34,n=28),可分别代表片理化流纹岩和变质石英闪长岩的形成年龄,属于中泥盆世岩浆活动的产物。根据地球化学特征,片理化流纹岩具有高硅、碱、铝,贫铁、镁、钙及过铝质的特征,属于钙碱性系列岩浆。轻、重稀土元素分馏较弱,具有弱负Eu异常。该片理化流纹岩具富集大离子亲石元素,亏损高场强元素,有明显的Ti、Nb和Ta负异常,Ti/Y和Zr/Y值较低,显示壳源特征。变质石英闪长岩具有高铝、铁、镁、钙及过铝质的特征,属于钙碱性系列岩浆。轻、重稀土元素分馏较弱,具有弱负Eu异常。该变质石英闪长岩富集大离子亲石元素,亏损高场强元素,有明显的Ta、Nb、Y负异常,显示出壳幔混源特征。构造环境判别显示,二者形成于活动大陆边缘,是大洋板块俯冲后的产物,可能与白乃庙岛弧和华北克拉通北缘碰撞后的伸展环境有关。
关键词: 八当山火山岩    变质石英闪长岩    LA-ICP-MS锆石U-Pb定年    片理化流纹岩    华北克拉通北缘    
Evidence of zircon U-Pb dating and rock geochemical characteristics of Badangshan volcanic rocks and metamorphic quartz diorite on the northern margin of North China craton
WU Wenbin, WANG Yuping, YU Haifeng, LI Chao, LI Haiyang, LIU Yongjun, ZHANG Yan, CHEN Lifang, WANG Xiaoliang     
Liaoning Institute Co. Ltd of Geology and Mineral Resources, Shenyang 110032, Liaoning, China
Abstract: Metamorphic quartz diorite intruded into the the Badangshan volcanic rocks in Langjunhala area, eastern Chifeng City. LAICP-MS zircon U-Pb dating technique constrained the age of schistosity rhyolite and quartz diorite. The results show that the ages of schistosity rhyolite and quartz diorite are 387.6±2.8Ma and 387.1±2.3Ma, aindicating the Middle Devonian magmatic activity. According to the geochemical characteristics of foliated rhyolite with high silicon, alkali, aluminum, iron, magnesium, calcium and poor peraluminous characteristics, the rocks belong to the calc alkaline series. The light and heavy REE fractionation is weak and the Eu has weak negative anomaly. The foliated rhyolite has lower Ti/Y and Zr/Y ratios, implying the source of lithospheric mantle. Metamorphic quartz diorite is characterized by high aluminium, iron, magnesium, calcium and peraluminous, belonging to calcalkaline series magma. The fractionation of light and heavy rare earth elements is weak, with weak negative Eu anomaly. The metamorphic quartz diorite is enriched in large ion lithophile elements and depleted in high field strength elements. It has obvious negative anomalies of Ta, Nb and Y, implying mixed source characteristics of crust and mantle. Tectonic environment discriminations show that it formed on the active continental margin and was the product of subduction of the oceanic plate, probably related to the extensional environment after the collision between the Bainaimiao island arc and the northern margin of the North China craton.
Key words: Badangshan volcanic rocks    metamorphic quartz diorite    LA-ICP-MS zircon U-Pb dating    foliated rhyolite    the northern margin of North China craton    

中亚造山系天山-兴蒙造山带是古亚洲洋消减后,820Ma以来华北板块和西伯利亚板块及其之间众多微陆块逐渐拼合而成的巨大造山带(缝合带)[1-2]。其与华北板块北缘的古生代—早中生代构造岩浆演化及地壳增生机制问题一直受到国内外地质学家的广泛关注,不同学者有不同的认识:Xiao等[2]认为二者为岛弧、洋岛及微陆块拼合而成;李锦轶等[3]认为二者存在多板块的碰撞;而Sengör等认为是火山弧走滑拼贴而成[4-5]。对本区火山岩的形成时限也有不同的认识,刘建峰等认为解放营子地区八当山火山岩的形成时代为403.7±1.3Ma,具有碰撞造山环境的地球化学特征[6];而叶浩等[7]在赤峰莲花山地区发现的泥盆纪晚期火山岩,年龄为366± 2Ma和364±2Ma。以上研究表明,八当山火山岩的时代及其性质仍需进一步研究。

研究区位于内蒙古赤峰市松山区东部,大地构造位置隶属于中亚造山带与华北板块北缘交汇部位。该地区存在一套古生代含火山岩地层,1:25万赤峰市幅区域地质调查报告(K50C002004)将其归为中志留统八当山火山岩,前人虽然对其进行了测年[6-7],但在空间上具有不一致性。笔者选择赤峰东部八当山火山岩为研究对象,通过岩石学、锆石UPb年龄和地球化学研究,确定其形成时代及成因,讨论其大陆动力学背景,对研究华北克拉通北缘古生代—早中生代的构造演化具有重要意义。

1 地质概况

研究区位于内蒙古赤峰市松山区大东山一带,八当山火山岩主要分布在解放营子乡南部的八当山、哈拉道口镇西部的小烧锅地—三道沟—漫撒沟及东北部的老鹞山—锅顶山和下歪脖子井—沟门子一带,呈北东东—南西西向带状展布。大地构造位置位于中亚造山带与华北板块北缘交汇部位,即华北克拉通北侧白乃庙岛弧带内(图 1-a)。区内构造岩浆活动复杂,断裂构造和褶皱构造发育,以北东东向—近东西向为主,控制研究区的地层走向及分布(图 1-b)。

图 1 内蒙古赤峰市郎郡哈拉地区构造位置图(a)及地质简图(b)[7-8] Fig.1 Tectonic position map (a) and geological map (b) from Langjunhala area in Chifeng City, Inner Mongolia

研究区出露地层主要为原古生界中志留统碳酸盐岩建造的晒勿苏组、八当山火山岩,下石炭统碳酸盐岩建造的白家店组、含煤碎屑岩建造的石咀子组,下二叠统粗碎屑岩建造的三面井组,中二叠统钙碱性系列火山岩建造的额里图组、杂砂岩建造的于家北沟组,以及零星分布的满克头鄂博组、义县组和汉诺坝组。其中,八当山火山岩为一套变质酸性火山岩,且火山活动在空间分布上较少。在解放营子地区,前人测得的八当山火山岩中流纹质凝灰岩的锆石U-Pb年龄为403.7±1.3Ma,属于早泥盆世,锆石εHf(t)两阶段模式年龄介于2423~2770Ma之间,表明其来自于华北克拉通古老地壳的部分熔融[6]。也有学者对莲花山地区的流纹质熔结凝灰岩进行了锆石U-Pb测年,结果为366±2Ma和364± 2Ma,即泥盆纪晚期,并指出该期火山岩与早古生代末期—晚古生代初期白乃庙岛弧和华北克拉通北缘弧-陆碰撞后的伸展环境有关[7]

2 样品特征及测试方法 2.1 样品特征

在赤峰市松山区郎郡哈拉五队大东山一带对八当山火山岩进行了剖面测量,该处主要出露八当山火山岩和中二叠世花岗闪长岩,且变质石英闪长岩侵入到八当山火山岩。其中,八当山火山岩为一套以绢云绿泥片岩为主的片岩类,顶部为变质流纹岩,下部为变质砂岩夹砂砾岩,顶部被中二叠世花岗闪长岩侵入,中部可见变质石英闪长岩侵入于八当山火山岩。地层整体遭受印支期北东东向韧性剪切变形的改造[8],岩石普遍发育片理化构造(图版Ⅰ-a),片理产状310°~350°∠30°~55°。

图版Ⅰ   PlateⅠ   a. 片理化流纹岩野外露头;b. 变质石英闪长岩野外露头;c. 变质石英闪长岩中可见片理化流纹岩捕虏体;d、e. 片理化流纹岩镜下特征;f. 变质石英闪长岩镜下特征。Pl—斜长石;Q—石英;Bi—黑云母;Pth—条纹长石;Ms—白云母

系统采集了片理化流纹岩及变质石英闪长岩测年样品,二者均遭受变质变形(图版Ⅰ-ab)。其中片理化流纹岩测年样品采自大东山南侧,采样位置坐标为北纬42°36′53″、东经119°37′00″。具斑状结构(图版Ⅰ-de),斑晶由半自形的斜长石(5%~ 10%)和条纹长石(10%~15%)组成,粒度介于0.5~ 1mm之间;基质由石英、白云母及黑云母组成(75%~ 85%),具显微晶质结构(图版Ⅰ-de)。变质石英闪长岩采样位置为北纬42°35′50″、东经119°36′10″,中粒粒状变余结构,块状构造,局部可见变质流纹岩捕虏体(图版Ⅰ-c)。显微镜下观察发现,主要由斜长石(80%)、石英(10%)、黑云母(10%)及不透明矿物(少量)组成(图版Ⅰ-f)。

2.2 测试方法

对新鲜的片理化流纹岩和变质石英闪长岩测年样品(2~3kg)进行粉碎、淘洗及磁选后,在双目镜下挑选晶形完好、无裂纹、具有代表性的锆石颗粒进行制靶和抛光,然后进行阴极发光(CL)图像分析。锆石U-Pb同位素测年在中国地质科学院矿产资源研究所进行LA-MC-ICP-MS测年,具体方法见参考文献[9]。测年数据使用ICPMSDataCal[10]程序处理测得的原始数据,以得到锆石的U-Pb同位素比值和U、Th、Pb含量;用标准锆石GJ-1std(607Ma)、Plsovice(337Ma)和标准玻璃NIST SRM 610的测值校正U/Pb分馏和U含量,具体方法见参考文献[9]。因样品年轻,采用206Pb/238U年龄。单个数据的分析误差为1σ,年龄加权平均值具有95%的置信度。加权平均计算和U-Pb谐和图绘制使用Ludwig博士编写的Isoplot3.0版本程序完成[11]

将采集的新鲜样品经过无污染碎样后,在辽宁省地质矿产研究院实验室进行主量、微量和稀土元素分析。主量元素采用X-荧光光谱法(XRF)分析,分析精度优于1%;微量和稀土元素是将样品用高纯度的HNO3和HF在高压下溶样,用HNO3提取并稀释定容后,采用电感耦合等离子质谱(ICP-MS)法分析,准确度和精度优于10%;测试数据见表 1

表 1 八当山片理化流纹岩和变质石英闪长岩LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb同位素测试结果 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb analytical data of Badangshan foliated rhyolite and metamorphic quartz diorite
3 分析结果 3.1 锆石U-Pb年龄

片理化流纹岩(541TW1)的锆石CL图像(图 2)显示,锆石为自形、半自形或扇形的长柱状或粒状晶体,长宽比介于1:1~ 4:1之间,可见典型的岩浆结晶振荡环带。26颗锆石的Th/U值在0.55~1.46之间,大部分小于1,表明其为岩浆成因锆石(表 1)。其中14、22、25、26、30号5个测点由于测点位置有包体或裂隙的原因,导致谐和度较差,故在此不予使用。其余21个测点的206Pb/238U年龄加权平均值为387.6±2.8Ma(95%置信度,MSWD= 0.27)(表 1图 3)。

图 2 八当山火山岩片理化流纹岩锆石阴极发光(CL)图像及测点206Pb/238U年龄值 Fig.2 CL images and 206Pb/238U age of single analyzed points of some analyzed zircons from foliated rhyolite of Badangshan volcanic rock
图 3 八当山火山岩片理化流纹岩(541TW1)锆石U-Pb谐和图和206Pb/238U年龄图 Fig.3 Concordia U-Pb and 206Pb/238U ages diagrams of zircons from foliated rhyolite (541TW1) of Badangshan volcanic rock

变质石英闪长岩(HP10TW1)的锆石CL图像(图 4)显示,锆石为半自形或扇形的长柱状或粒状晶体,长宽比介于1:1~ 2:1之间,具有典型的岩浆结晶振荡环带。30颗锆石的Th/U值在1.00~2.43之间,与岩浆结晶锆石特征吻合(表 1)。其中23和28号点由于U、Pb元素含量较低,计算年龄置信度较差,故予以舍弃。其余28个测点的206Pb/238U年龄加权平均值为387.1±2.3Ma(95%置信度,MSWD= 0.34)(表 1图 5)。

图 4 变质石英闪长岩锆石阴极发光(CL)图像及测点206Pb/238U年龄值 Fig.4 CL images and 206Pb/238U age of single analyzed points of some analyzed zircons from metamorphic quartz diorite
图 5 变质石英闪长岩(HP10TW1)U-Pb谐和图和206Pb/238U年龄图 Fig.5 Concordia U-Pb and 206Pb/238U ages diagrams of zircons from metamorphic quartz diorite (HP10TW1)
3.2 地球化学特征 3.2.1 主量元素

片理化流纹岩SiO2含量较高,介于71.96% ~ 76.37%之间,表现为酸性岩浆岩特征;Na2O和K2O含量分别介于4.46%~5.78%和1.32%~3.44%之间,SiO2-K2O图解(图 6-a)主要显示钙碱性系列火山岩的特征。岩石具有高碱(Na2O+K2O=6.66%~7.9%)、较高的Al2O3(13.35% ~14.69%)和较低的TFe2O3 (1.36% ~2.9%)、MgO(0.28%~0.54%)、CaO含量(0.37%~ 0.45%)。铝饱和指数(A/CNK)介于1.61~1.93之间,显示过铝质岩浆岩的特征(图 6-b)。

图 6 八当山火山岩SiO2-K2O(a)和A/CNK-A/NK(b)图解 Fig.6 SiO2-K2O (a) and A/CNK-A/NK(b) diagrams of Badangshan volcano rock

变质石英闪长岩SiO2含量为55.44%~66.82%,属于中偏酸性岩石;Na2O和K2O含量分别介于3.55%~4.50%和1.24%~1.95%之间,SiO2-K2O图解(图 6-a)显示钙碱性系列火山岩的特征。岩石碱含量(Na2O+K2O)在4.79%~6%之间,具有较高的Al2O3 (12.72% ~16.88%)、TFe2O3(5.65% ~8.09%)、MgO (1.77%~3.69%)和CaO含量(2.43%~4.97%)。铝饱和指数(A/CNK)介于1.51~1.73之间,显示过铝质岩浆岩的特征(图 6-b)。

3.2.2 稀土和微量元素

片理化流纹岩和变质石英闪长岩的稀土和微量元素分析结果见表 2。从稀土元素配分图解可以看出,片理化流纹岩的稀土元素配分曲线呈右倾(图 7-a)。稀土元素总量范围较大,∑ REE=78.25 ×10-6~ 236.66×10-6,LREEs/HREEs=5.05~7.72,指示轻、重稀土元素分馏较弱,δEu=0.49~ 0.62,具弱的负Eu异常。

表 2 片理化流纹岩和变质石英闪长岩主量、微量和稀土元素分析结果 Table 2 Analytical results of major, trace and rare earth elements of foliated rhyolite and metamorphic quartz diorite
图 7 片理化流纹岩和变质石英闪长岩稀土元素配分图(a)和微量元素蛛网图(b)(原始地幔、球粒陨石标准化值据参考文献[12]) Fig.7 Chondire-normalized REE patterns (a) and trace elements spider diagrams (b) of foliated rhyolite and metamorphic quartz diorite

在原始地幔标准化微量元素蛛网图(图 7-b)中,片理化流纹岩具有一致的曲线形式,总体富集Th,亏损Nb、Ta和Ti,具有大陆边缘弧火山岩特征,且岩浆源区中有地壳物质的参与。

从稀土元素配分图解可以看出,变质石英闪长岩的稀土元素配分曲线呈右倾(图 7-a)。稀土元素总量为93.78 ×10-6~136.74 ×10-6,LREEs/HREEs= 4.06~4.68,指示轻、重稀土元素分馏较弱,δEu= 0.76~0.95,具弱的负Eu异常。在原始地幔标准化微量元素蛛网图中,变质石英闪长岩具有一致的曲线形式(图 7-b),总体亏损高场强元素(HFSE)Ta、Nb、Y,富集大离子亲石元素(LILE)元素Rb、Ba、Ce,暗示岩浆源于俯冲洋壳与地幔的相互作用。

4 讨论 4.1 岩浆活动时代及意义

本次获得片理化流纹岩的锆石结晶年龄为387.6±2.8Ma(n=23,MSWD=0.27),反映八当山火山岩是中泥盆世岩浆活动的产物;变质石英闪长岩的锆石结晶年龄为387.1±2.3Ma(n=28,MSWD= 0.34),反映其岩浆结晶年龄为中泥盆世,晚于解放营子附近早泥盆世八当山流纹质凝灰岩的年龄403.7±1.3Ma[6],早于研究区南部莲花山流纹质熔结凝灰岩的年龄366±2Ma和364±2Ma[7]

4.2 岩石成因和构造环境

八当山火山岩富集大离子亲石元素,亏损高场强元素,有明显的Ti、Nb和Ta负异常,Ti/Y和Zr/Y值较低,分别为20.8~42.9和4.9~10.3,显示岩石圈地壳来源的特征。火山岩的Th/Ta(8.9~10.6)、Th/Nb(0.50~0.94)值较高,表明岩浆可能来自受俯冲流体交代的地幔源区[13-15]。在Ta/Yb-Th/Yb[17]图解(图 8-a)中落在大陆弧范围;在La/Nb-Ba/Nb[16]判别图解(图 8-b)中落在弧岩浆岩区域。故认为,八当山火山岩形成于大陆边缘,是弧陆软碰撞之后在陆缘火山弧的持续效应。

图 8 片理化流纹岩构造环境判别图解 Fig.8 Tectonic environment discrimination diagrams of foliated rhyolite MORB—大洋中脊玄武岩;OIB—洋岛玄武岩;CCA—大陆地壳平均值;DOIB—Dupal型洋岛玄武岩;WPB—板内玄武岩;CA—大陆弧

变质石英闪长岩岩石地球化学特征显示,其为过铝质、钙碱性岩石系列,大离子亲石元素(Rb、Ba、Sr)和活泼的不相容元素(U、Th)明显富集,高场强元素(Nb、Ta、Ti)相对亏损,与岛弧或活动大陆边缘弧岩浆特征相似[19]。研究区变质石英闪长岩呈岩株产出,岩石中Al2O3含量介于12.72%~16.88%之间,MgO含量介于1.77%~3.69%之间,且具有相对低的Mg#值(37.2~45.7,<50),表明其由基性下地壳铁镁质岩石部分熔融的可能性较大[20]。轻、重稀土元素分馏明显,δEu为0.76~0.95,具弱负Eu异常,表明岩浆源区可能具有少量斜长石的残留。在MgOTFeO-Al2O3图解(图 9-a)中,样品点均落入岛弧及活动大陆边缘区域;在Nb-Y与Ta-Yb判别图解(图 9-bc)中,样品点均落入火山弧花岗岩区域。故认为,变质石英闪长岩原岩形成于活动大陆边缘。

图 9 变质石英闪长岩构造环境判别图解[21] Fig.9 Tectonic environment discrimination diagrams of metamorphic quartz diorite MORB—大洋中脊玄武岩;VAG—火山弧花岗岩;syn-COLG—同碰撞花岗岩;WPG—板内花岗岩;ORG—洋中脊花岗岩
4.3 地质意义

研究区位于中亚造山带的中东部。已有研究表明,该区记录了古亚洲洋构造域的演化历程[29]。赤峰市松山区郎郡哈拉一带隶属于华北克拉通北侧的白乃庙岛弧,通过前人对岛弧火山岩及侵入岩的年代学研究结果[8, 22-31],白乃庙岛弧的活动在志留纪已经停止。华北板块北缘在志留纪末期经历了与白乃庙岛弧的弧-陆碰撞事件后,发生了区域性的大规模伸展。中泥盆世,在华北克拉通北缘中东部地区张家口及承德一带,发育一系列以碱性岩和基性-超基性岩为代表的岩浆活动,包括固阳高家村角闪二长岩(389.8±4.7Ma)[27]、冀北承德孤山二长闪长岩(390±5Ma)[26]、赤峰红山A2型花岗岩(387± 4Ma)[32]、满都拉西部蛇绿岩(385.6±1.7Ma)[33]、承德地区高寺台正长岩(390±8Ma)[25]、河北张家口水泉沟二长岩(390±6Ma)[34]等地发现的中泥盆世岩体,反映中泥盆世华北克拉通北缘可能处于伸展与隆升的构造环境。这与赤峰东部郎郡哈拉一带片理化流纹岩及变质石英闪长岩所处的活动大陆边缘构造背景吻合,说明中泥盆世白乃庙岛弧与华北克拉通北缘碰撞后发生了大规模的伸展作用。

5 结论

(1)赤峰八当山火山岩内片理化流纹岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为387.6±2.8Ma,表明该套火山岩形成于中泥盆世,而不是前人认为的志留纪。新发现的变质石英闪长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为387.1±2.3Ma,表明其形成时代为中泥盆世。

(2)泥盆纪中期片理化流纹岩以富硅、富碱、富铝,贫Fe、Mg、Ca、Ti及过铝质为特征,变质石英闪长岩大离子亲石元素(Rb、Ba、Sr)和活泼的不相容元素(U、Th)明显富集,高场强元素(Nb、Ta、Ti)相对亏损,应为俯冲洋壳与地幔的相互作用所致。

(3)八当山片理化流纹岩和变质石英闪长岩构造环境判别图显示,其形成于活动大陆边缘,是大洋板块俯冲后的产物,可能与白乃庙岛弧和华北克拉通北缘碰撞后的伸展环境有关。

致谢: 中国地质科学院矿产资源研究所王倩和侯可军博士在锆石U-Pb测年过程中给予支持和帮助,长春工程学院杨扬博士和中国地质调查局发展研究中心申亮博士对本文提出了宝贵的建议,在此一并表示感谢。

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