地质通报  2019, Vol. 38 Issue (7): 1158-1169  
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田健, 滕学建, 张永, 刘洋, 段霄龙. 内蒙古狼山地区晚志留世石英闪长岩的发现及其地质意义[J]. 地质通报, 2019, 38(7): 1158-1169.
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Tian J, Teng X J, Zhang Y, Liu Y, Duan X L. The discovery of Late Silurian quartz diorite in Langshan area of Inner Mongolia and its geological implications[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(7): 1158-1169.
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基金项目

中国地质调查局项目《阴山成矿带小狐狸山和雅布赖地区地质矿产调查》(编号:DD20160039)

作者简介

田健(1987-), 男, 硕士, 工程师, 从事区域地质调查及岩浆岩岩石学的研究。E-mail:243293305@qq.com

通讯作者

滕学建(1980-), 男, 硕士, 高级工程师, 从事区域地质调查及岩浆岩岩石学的研究。E-mail:451405400@qq.com

文章历史

收稿日期: 2017-10-17
修订日期: 2018-01-17
内蒙古狼山地区晚志留世石英闪长岩的发现及其地质意义
田健 , 滕学建 , 张永 , 刘洋 , 段霄龙     
中国地质调查局天津地质调查中心, 天津 300170
摘要: 内蒙古狼山山脉西侧分布零星的早古生代岩浆岩,晚志留世石英闪长岩主要出露于哈日音熬瑞一带。该岩体岩性为石英闪长岩,块状构造,LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄显示,其206Pb/238U年龄加权平均值为419.0±4.0~413.3±1.8Ma。岩石暗色矿物为黑云母,富铁(4.27%~4.65%)、富钠(4.17%~4.45%),富集大离子亲石元素Sr、K、Pb,不同程度亏损高场强元素P、Ti、Nb,轻稀土元素富集,重稀土元素亏损,弱负Eu异常,这些特征与弧岩浆岩的地球化学特征相似;La/Ba-La/Nb图解显示俯冲交代地幔的源区特点;岩石负的εHft)值(-12.1~-8.8)及较大的TDM2值(1981~2362Ma)反映了古元古代古老地壳熔融的特点。花岗岩类构造判别图解及区域地质资料显示岩体形成于弧陆拼贴的构造背景。对比白乃庙地区新发现的晚志留世弧陆拼贴的石英闪长岩,两者的岩石地球化学特征及同位素特征基本一致,因此,华北地块北缘晚志留世弧陆拼贴作用向西延伸至狼山地区。
关键词: 内蒙古    狼山地区    晚志留世    石英闪长岩    弧陆拼贴    
The discovery of Late Silurian quartz diorite in Langshan area of Inner Mongolia and its geological implications
TIAN Jian, TENG Xuejian, ZHANG Yong, LIU Yang, DUAN Xiaolong     
Tianjin Center of China Geological Survey, Tianjin 300170, China
Abstract: The Early Paleozoic magmatites are sporadically distributed in the west of Langshan Mountain of Inner Mongolia, whereas the Late Silurian quartz diorite is mainly exposed in the zone of Hariyinaorui. LA-ICP-MS zircon U-Pb dating shows that the weighted average 206Pb/238U age of quartz diorite is 419.0±4.0~413.3±1.8Ma. The characteristics of quartz diorite mainly exhibit that the biotite is the main dark mineral, which is characterized by enrichment of TFeO (4.27%~4.65%) and Na2O (4.17%~4.45%), enrichment of LILE (Sr, K, Pb), depletion of P, Ti and Nb, enrichment of LREE, and depletion of HREE with weak negative Eu anomaly, similar to the characteristics of arc magmatite. La/Ba-La/Nb determinant diagram shows the characteristics of metasomatic mantle, and isotopic characteristics reflect the characteristics of melting of ancient continental crust which has an obvious negative εHf(t) value (-12.1~-8.8) and older TDM2 value (1981~2362Ma). Tectonic discrimination diagrams and regional geological data show the pluton probably formed the tectonic setting of arc-continent collision. A comparative study of recently published relevant data of Late Silurian quartz diorite in the Bainaimiao area shows that the geochemical characteristics are basically the same, and, therefore, arc-continent collision of Late Silurian extended westward to Langshan area on the northern margin of North China Craton.
Key words: Inner Mongolia    Langshan area    Late Silurian    quartz diorite    arc-continent collision    

中亚造山带作为世界上最大的显生宙造山带,横贯东西和南北数千千米,其复杂的构造演化过程被认为与古亚洲洋的构造运动密切相关[1-5]。古亚洲洋盆的形成、演化及增生造山与地体拼贴过程造就了现今的构造格架[6-15]

华北地块北缘位于中亚造山带东南缘,区内发育大面积的岩浆岩,尤以古生代的岩体最为广泛[16-26]图 1-b)。近年来,华北地块北缘近东西向延伸的岛弧岩浆岩带成为研究的热点之一[17-19, 26],其主要分布在达茂旗、白乃庙一带,形成时代为早古生代晚期[26-34];Jian等[29]及Zhang等[34]发现,该带存在2期岩浆活动(436~474Ma及417~419Ma)。然而,早古生代晚期岩浆活动多在华北地块北缘中东部被发现,在华北地块北缘西部鲜有报道。狼山地区位于华北地块北缘西部(图 1-a),北侧为中亚造山带[33-35],发育广泛的古生代岩浆岩。对于该地区早古生代晚期岩浆活动的研究具有重要的区域构造意义。

图 1 研究区大地构造位置(a)和地质简图(b)(据参考文献[16]修改) Fig.1 The tectonic location(a)and simplified geological map(b)of the study area

本文在狼山地区查干呼舒庙等六幅1:5万区域地质调查的基础上,对新发现的晚志留世石英闪长岩进行岩石学、锆石定年、地球化学及Hf同位素特征分析,探讨该时期侵入岩的岩石成因及构造背景,通过与白乃庙地区石英闪长岩的对比,为华北地块北缘晚志留世弧陆拼贴作用向西延伸的研究提供重要的资料。

1 岩体地质概况

晚志留世石英闪长岩体主要分布在哈日音熬瑞一带,断续出露面积约6km2,呈岩株状产出,近南北向断续展布,侵位地层为宝音图岩群大理岩岩组,可见灰白色大理岩的捕虏体,岩体被晚石炭世阿木山组砂、砾岩角度不整合覆盖,局部被中生代地层或第四纪沉积物覆盖(图 2),主要岩性为石英闪长岩。

图 2 那仁宝力格幅1:5万地质图 Fig.2 Geological map of the study area

石英闪长岩发育块状构造(图 3-a),细粒结构,新鲜面为灰色-深灰色,岩石类型单一,岩石中暗色矿物以黑云母为主,长石以斜长石为主,含少量碱性长石。

图 3 石英闪长岩野外(a)和显微(b)照片 Fig.3 Outcrop photo(a)and micrograph(b)of quartz diorite Bi—黑云母;Pl—斜长石;Kf—钾长石;Q—石英

细粒石英闪长岩由斜长石(60%~70%)、钾长石(5%~10%)、石英(约15%)、黑云母(约5%)等组成(图 3-b)。斜长石呈半自形-近半自形板状,粒径一般为0.2~1.8mm,杂乱状分布,聚片双晶发育,具绢云母化、黝帘石化;钾长石呈他形粒状,粒径小于0.8mm,填隙于斜长石粒间,少见,为正长石,轻高岭土化;石英呈他形粒状,极少部分粒径为2~3mm,大部分小于2.0mm,填隙状分布,粒内具波状、带状消光,有的粒内有斜长石等嵌布;黑云母呈片状,片径一般小于1.5mm,零散分布,有的呈集合体分布,棕色,多色性明显,局部绿泥石化、帘石化;副矿物为锆石、磁铁矿等。

2 分析方法 2.1 全岩分析

主量、微量和稀土元素分析在中国地质调查局天津地质调查中心元素分析实验室完成。将样品熔制成玻璃饼,然后采用X射线荧光光谱仪XRF- 1500进行主量元素测定,分析偏差优于l%。称取40mg样品于Tenon罐中,加人HNO3和HF充分溶解后,用l%的HNO3稀释后,在Finigan MAT公司生产的双聚焦电感耦合等离子质谱仪(ICP- MS) ELEMENT上测定微量和稀土元素,分析偏差优于5%。分析结果见表 1

表 1 石英闪长岩主量、微量和稀土元素分析数据 Table 1 Whole-rock major, trace and rare earth elements of quartz diorite
2.2 LA-ICP-MS锆石测年及锆石原位Hf同位素分析

样品无污染碎样和锆石挑选在河北省廊坊区域地质矿产调查研究所实验室完成,并由北京锆年领航科技有限公司制靶。制成的环氧树脂样品靶经打磨抛光,使锆石中心露出后进行透射光、反射光和阴极发光(CL)显微照相。

锆石U-Pb测年和Lu-Hf同位素分析在中国地质调查局天津地质调查中心实验室的193nm激光剥蚀系统(New Wave)和多接收器电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS,Neptune)上完成。U-Pb测年方法见参考文献[36],采用GJ-1为外部标准校正锆石的U、Th和Pb同位素分馏,采用NIST610玻璃为标样计算锆石中U、Th和Pb含量;利用ICPMSDataCal程序[37]和Isoplot程序[38]进行数据处理,分析结果见表 2。Lu-Hf同位素实验过程中,91500的176Hf/177Hf和176Lu/177Hf测定结果分别为0.282303±0.000037(2σnn=35)和0.00030。亏损地幔模式年龄(TDM)计算采用Griffin等[39]的推荐值,等离子体质谱实验室方法和同位素分馏校正见参考文献[40],分析结果见表 3

表 2 石英闪长岩LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb定年数据 Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb data for quartz diorites
表 3 石英闪长岩锆石Hf同位素数据 Table 3 Zircon Hf isotopic composition of U-Pb data for quartz diorite of Late Silurian
3 分析结果 3.1 锆石U-Pb年龄

本次对细粒石英闪长岩(TW5025-1、TWP7- 83-1)进行锆石U-Pb测年,所测锆石多呈自形长柱状,表面光滑、干净,锆石具清晰的韵律环带,长100~200μm,长宽比为1:1~3:1,具岩浆锆石特征(图 4-a)。TW5025-1样品中12个锆石点年龄分布集中,其中9个点落在谐和线上及其附近(另外3个锆石点偏离谐和线,未参与计算),206Pb/238U年龄加权平均值为419.0±4.0Ma(图 4-b);11号点206Pb/238U年龄为534±7Ma,数据点偏离谐和线,为捕获锆石;其余锆石点206Pb/238U年龄值在450Ma左右,反映了早志留世的岩浆活动。TWP7-83-1样品中21个锆石点显示出较一致的206Pb/238U年龄,年龄加权平均值为413.3±1.8Ma(图 4-c)(6号点偏离谐和线,未参与计算);1号点206Pb/238U年龄为453±5Ma,反映了早志留世的岩浆活动,其余2个点(4、23)严重偏离谐和线。

图 4 石英闪长岩锆石阴极发光(CL)图像(a)、锆石U-Pb谐和图及206Pb/238U年龄加权平均值图(b、c) Fig.4 CL images (a), U-Pb concordia diagrams and average 206Pb/238U age (b, c) of zircons from quartz biorite

所以,细粒石英闪长岩2个样品的锆石206Pb/238U年龄加权平均值在误差范围内基本一致,为419.0±4.0~413.3±1.8Ma,代表了闪长质岩浆的结晶年龄,该岩体形成于晚志留世。

3.2 地球化学特征

晚志留世侵入岩SiO2含量在61.94%~64.06%之间,TFeO含量在4.27% ~4.65%之间(平均值为4.52%),全碱含量(Na2O+K2O)为5.30%~5.70%,富钠(4.17%~4.45%),K2O/Na2O值介于0.45~1.05之间。SiO2-(Na2O+K2O)图解(图 5-a)显示,岩石类型为石英闪长岩;岩石系列划分图解(图 5-b)显示,岩石为钙碱性系列。从主量元素特征看,白乃庙地区晚志留世石英闪长岩具有与测区岩石相似的特征。

图 5 侵入岩TAS(a)[41]和AFM(b)[42]图解 Fig.5 TAS(a)and AFM(b)diagrams of intrusive rocks 1—橄榄辉长岩;2a—碱性辉长岩;2b—亚碱性辉长岩;3—辉长闪长岩;4—闪长岩;5—花岗闪长岩;6—花岗岩;7—硅英岩;8—二长辉长岩;9—二长闪长岩;10—二长岩;11—石英二长岩;12—正长岩;13—副长石辉长岩;14—副长石二长闪长岩;15—副长石二长正长岩;16—副长正长岩;17—副长深成岩

微量元素蛛网图(图 6-a)显示,所有样品均具相似的分布型式,富集大离子亲石元素Sr、K、Pb,不同程度亏损高场强元素P、Ti,Sr、K、Pb的富集与地壳物质或交代地幔的熔融有关,Ti的亏损可能与钛铁矿的分离结晶有关,P的亏损一般反映了磷灰石的分离结晶。白乃庙地区的石英闪长岩显示出与研究区岩石一致的微量元素特征。

图 6 微量元素蛛网图(a)和稀土元素配分曲线(b)[43] Fig.6 Primitive mantle-normalized trace element spidergrams(a)and chondrite-normalized REE patterns(b)

从稀土元素配分型式(图 6-b)看,所有样品显示出一致的曲线型式,轻稀土元素富集,重稀土元素平坦,具弱负Eu异常(δEu=0.48~1.07)。稀土元素总量ΣREE=106.23×10-6~164.20×10-6,变化范围窄。(Gd/Yb)N=1.35~1.80,表明重稀土元素分馏很弱,平坦的重稀土元素特征与岛弧岩浆岩不同。(La/Yb)N=9.13~11.23,表明轻、重稀土元素分馏中等-强。白乃庙地区的石英闪长岩具有与研究区岩石一致的稀土元素特征。

4 讨论 4.1 岩石成因及构造背景

从锆石Hf同位素特征分析,14个锆石点均具有负的εHft)值(-15.3~-9.2),平均值为-11.4,显示古老地壳熔融的特点。岩石中暗色矿物较少,以黑云母为主,野外未见闪长质包体,也反映了岩浆源区缺少幔源岩浆的参与。

从锆石Hf二阶模式年龄分析,TDM2为1981~ 2362Ma(平均值为2117Ma),显示了该岩石源区从亏损地幔中分离的时代为古元古代,εHft)-t图解也显示岩体主要来源于先存地壳组分(图 7-a)。吴亚飞等[24]对东升庙海西期岩体测得锆石Hf二阶模式年龄TDM2为1.91~2.11Ga,指示岩体起源于古元古代古老地壳。项目组在研究区宝音图岩群中发现了片麻状花岗岩捕虏体,获得花岗岩的锆石年龄为1669± 19Ma,反映研究区存在古元古代或时代更老的基底。结合围岩地层为古元古代宝音图岩群,认为该岩体可能为古元古代古老地壳部分熔融的产物。

图 7 锆石t-εHft)(a)[44]和La/Nb-La/Ba(b)[46]图解 Fig.7 Diagrams of εHf (t)evolution with age of zircon(a)and La/Nb-La/Ba(b)of quartz biorite HIMU—高U/Pb值的地幔;MORB—大洋中脊玄武岩;OIB—洋岛玄武岩

石英闪长岩微量元素蛛网图显示,富集大离子亲石元素Sr、K、Pb,不同程度亏损高场强元素P、Ti、Nb;稀土元素配分型式为轻稀土元素富集,重稀土元素亏损,具弱负Eu异常,地球化学特征与弧岩浆岩相似,重稀土元素平坦与典型的岛弧岩浆岩特点不同[45]。由于La、Ba、Nb具有相近的分配系数,分离结晶作用不会影响岩浆中的La/Nb、La/Ba值,因此,这些元素比值的显著不同可以指示源区特征[46-47]。La/Ba-La/Nb图解(图 7-b)显示,岩浆源区存在俯冲板片的交代改造。由此可见,石英闪长岩显示的弧岩浆岩的特点可能与俯冲板片的交代改造有关。

综上所述,狼山地区晚志留世石英闪长岩主要来源于古元古代的古老地壳,源区受到俯冲板片的交代改造。

Wang等[16]在善岱庙地区对晚志留世二云母二长花岗岩(图 1-b)进行了研究,岩石地球化学特征显示其为弧陆拼贴的产物。项目组在研究区南侧也发现晚志留世二云母二长花岗岩岩体,测得其锆石206Pb/238U年龄加权平均值为420.8±4.4Ma[48]。笔者将这2处花岗岩的数据与本文数据进行了对比,在花岗岩类形成环境Y-Nb判别图解(图 8-a)中,本文的石英闪长岩投点落在弧花岗岩+同碰撞花岗岩区域;在(Y+Nb)-Rb判别图解(图 8-b)中,投点落在弧花岗岩区域。然而,过铝质二云母二长花岗岩的投点并未落在同碰撞花岗岩区域,而是与石英闪长岩的投点范围一致。因此,仅通过地球化学判别图来判断构造背景会产生误解。许多学者也认为,花岗岩类形成环境的地球化学判别图解存在多解性,需结合区域地质资料进行综合分析才能得出可靠的结论[50-51]。区域资料表明,研究区早志留世发育片麻状石英闪长岩,晚志留世则为块状二云母二长花岗岩、石英闪长岩及晚期的花岗伟晶岩,反映了构造体制挤压-伸展的转换。结合善岱庙地区二云母二长花岗岩显示了弧陆拼贴的构造属性,研究区石英闪长岩具有古老地壳及弧岩浆岩的源区特征。由此推测,晚志留世狼山地区为弧陆拼贴的构造背景,形成的岩石类型包括二云母二长花岗岩及石英闪长岩。

图 8 Y-Nb判别图(a)[49]和(Y+Nb)-Rb判别图(b)[49] Fig.8 Tectonic setting determinant diagrams of quartz biorite WPG—板内花岗岩;ORG—大洋中脊花岗岩;VAG—火山弧花岗岩;syn-COLG—同碰撞花岗岩
4.2 区域对比

华北地块北缘中部的白乃庙地区出露的古老地层主要为古元古代宝音图群,属于锡林浩特古地块的一部分,晚古生代地层包括石炭纪本巴图组和阿木山组[52]。岩浆岩包括奥陶纪—早志留世的岛弧岩浆岩、晚志留世的石英闪长岩[34]。有意义的是,测区发育的地层单位与白乃庙地区基本一致,而且测区同样发育早志留世的弧岩浆岩[16]。因此,笔者认为,两个区域晚志留世的石英闪长岩可以对比。

Zhang等[34]通过对白乃庙地区早古生代区域岩浆演化的研究,测得白乃庙晚志留世石英闪长岩的锆石206Pb/238U年龄加权平均值为419±10Ma,其εNdt)值为-4.4,反映了明显的古老地壳熔融的特点。有意义的是,研究区石英闪长岩锆石的206Pb/238U年龄加权平均值为419.0±4.0~413.3±1.8Ma,εHft)值为-15.3~-9.2,反映了与白乃庙石英闪长岩同时代同源区的特点;另外,从岩石类型看,均为钙碱性的石英闪长岩(图 5);微量元素蛛网图、稀土元素配分型式显示,两者具有一致的曲线型式(图 6);在Y-Nb(图 8-a)及(Y +Nb)-Rb(图 8-b)构造判别图解中投点一致,可能反映了同样的构造背景。

综上所述,白乃庙石英闪长岩与研究区的石英闪长岩在年代学、岩石地球化学及同位素特征上均具有高度的一致性,表明华北地块北缘晚志留世弧陆拼贴的岩浆活动从白乃庙地区可以向西延伸至狼山地区(图 9)。

图 9 内蒙古地区地质简图(据参考文献[29]修改) Fig.9 Sketch map of the geology of Inner Mongolia
5 结论

(1)狼山地区晚志留世石英闪长岩的锆石206Pb/238U年龄加权平均值为419.0±4.0~413.3± 1.8Ma,负的εHft)值(-15.3~-9.2)及较大的TDM2值(1981~2362Ma)表明岩体为古元古代古老地壳部分熔融的产物,La/Ba-La/Nb图解显示岩浆源区存在俯冲板片的交代改造,构造判别图解及区域地质资料表明,岩体形成于弧陆拼贴的构造背景。

(2)华北地块北缘晚志留世弧陆拼贴的岩浆活动从白乃庙地区可以延伸至狼山地区,形成了岩石地球化学特征高度一致的石英闪长岩。

致谢: 写作过程中,与中国地质调查局天津地质调查中心赵风清研究员、辛后田教授级高级工程师的讨论使笔者受益匪浅,审稿专家提出了宝贵意见及建议,在此一并致谢。

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