地质通报  2019, Vol. 38 Issue (9): 1443-1454  
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王金芳, 李英杰, 李红阳, 董培培. 内蒙古贺根山缝合带后造山作用——满克头鄂博组火山岩锆石U-Pb年龄和地球化学制约[J]. 地质通报, 2019, 38(9): 1443-1454.
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Wang J F, Li Y J, Li H Y, Dong P P. Post-orogeny of the Hegenshan suture zone: Zircon U-Pb age and geochemical constraints from volcanic rocks of the Manketouebo Formation[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(9): 1443-1454.
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基金项目

国家自然科学基金项目《内蒙古西乌旗迪彦庙蛇绿岩年代学、地球化学及大地构造意义》(批准号:41502211)、中国地质调查局项目《内蒙古1:5万高力罕牧场三连等四幅区域地质矿产调查》(编号:1212011120711)和《内蒙古1:5万沙日勒昭等四幅区域地质矿产调查》(编号:1212011120701)

作者简介

王金芳(1983-), 女, 硕士, 副教授, 从事岩石学研究工作。E-mail:wjfb1983@163.com

文章历史

收稿日期: 2018-11-06
修订日期: 2019-01-22
内蒙古贺根山缝合带后造山作用——满克头鄂博组火山岩锆石U-Pb年龄和地球化学制约
王金芳 , 李英杰 , 李红阳 , 董培培     
河北地质大学资源学院, 河北 石家庄 050031
摘要: 以出露于贺根山缝合带梅劳特乌拉蛇绿岩中的白音瑞满克头鄂博组火山岩为研究对象,通过野外地质调查、岩石学、地球化学和LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学研究,探讨火山岩成因、构造环境与贺根山缝合带后造山作用。岩石地球化学研究表明,白音瑞地区满克头鄂博组火山岩主要为流纹岩,岩石具有较高SiO2、K2O和Na2O+K2O含量,以及较高Ga/Al值,相对贫CaO、MgO、Sr、Ba、Eu、Ti和P的特征。稀土元素含量较低,配分曲线为微弱右倾的海鸥式分布。岩石学和地球化学特征表明,该区满克头鄂博组流纹岩为A型流纹岩,形成于后造山伸展构造环境,为后造山A型花岗岩浆作用的产物。LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素定年结果显示,该流纹岩的形成年龄为158.0±0.7Ma, 表明满克头鄂博组流纹岩喷发于晚侏罗世,反映了贺根山缝合带晚侏罗世后造山A型花岗岩浆作用事件。结合二连-贺根山缝合带石炭纪蛇绿岩、石炭纪—二叠纪岛弧岩浆岩和中三叠世—早白垩世后造山A型岩浆岩的时空分布与演化关系,认为二连-贺根山缝合带在中三叠世—早白垩世经历了后造山伸展作用演化过程。
关键词: 后造山作用    满克头鄂博组    A型流纹岩    锆石U-Pb定年    贺根山缝合带    
Post-orogeny of the Hegenshan suture zone: Zircon U-Pb age and geochemical constraints from volcanic rocks of the Manketouebo Formation
WANG Jinfang, LI Yingjie, LI Hongyang, DONG Peipei     
School of Nature Resources, Hebei GeoUniversity, Shijiazhuang 050031, Hebei, China
Abstract: Based on field geological survey, petrology, geochemistry and LA-ICP-MS zircon U-Pb geochronology of the Baiyinrui volcanic rocks of the Manketouebo Formation exposed in the Meilaotewula SSZ-type ophiolite of the Hegenshan suture zone in Xi Ujimqin Banner of Inner Mongolia, this paper discusses the petrogenesis and tectonic setting of the volcanic rocks and post-orogeny of the Hegenshan suture zone. Petrogeochemical studies show that the volcanic rocks of the Manketouebo Formation in Baiyinrui area are mainly rhyolite with high SiO2, K2O and Na2O+K2O content, higher Ga/Al ratio and relatively poor CaO, MgO, Sr, Ba, Eu, Ti and P content. The REE content is relatively low. The REE distribution curve exhibits weak right-inclined gull-wing distribution. Petrological and geochemical characteristics show that the rhyolite of the Manketouebo Formation in this area is of Atype rhyolite origin, formed in post-orogenic extensional tectonic setting, and is a product of post-orogenic A-type magmatism, reflecting post-orogenic extensional process. The results of LA-ICP-MS zircon U-Pb isotope dating show that the rhyolite was formed at 158.0±0.7Ma, indicating that the rhyolite of the Manketouebo Formation erupted in the Late Jurassic, reflecting the Late Jurassic post-orogenic A-type magmatism event in the Hegenshan suture zone. Combined with the study of the time and space evolution of the Carboniferous ophiolites, Carboniferous-Permian island arc magmatic rocks and Middle Triassic-Early Cretaceous post-orogenic A-type magmatic rocks in the Erenhot-Hegenshan suture zone, it is considered that the Erenhot-Hegenshan suture zone underwent the evolution stage and dynamic process of post-orogenic extension during the Middle Triassic-Early Cretaceous after the final suture stretching in the Late Permian-Early Triassic.
Key words: post-orogeny    Manketouebo Formation    A-type rhyolite    zircon U-Pb dating    Hegenshan suture zone    

中亚造山带东段二连-贺根山缝合带,既发育晚古生代SSZ型蛇绿岩和岛弧型岩浆岩[1-16],亦分布有大量中生代后造山A型花岗岩[17-22]和流纹岩[23]。然而,与蛇绿岩、岛弧岩浆岩和后造山A型花岗岩相比, 贺根山缝合带内中生代后造山A型流纹岩锆石U-Pb年代学、地球化学和地球动力学背景的研究相对缺乏[23]。对于二连-贺根山缝合带晚二叠世—早三叠世最终缝合与中三叠世-早白垩世后造山伸展作用演化阶段与过程的认识[24-35],尚缺乏后造山伸展阶段岩浆活动的证据。前人1:20万罕乌拉幅区域地质矿产调查将该区火山岩划归为上侏罗统兴安岭群,1:25万西乌旗幅等将其归为上侏罗统满克头鄂博组,缺少年代学、地球化学等资料。因此, 本文在1:5万区域地质调查的基础上,选择贺根山缝合带典型发育区的西乌旗白音瑞地区满克头鄂博组流纹岩进行年代学和地球化学研究,探讨满克头鄂博组火山岩的岩石属性、成因和构造环境,以期为中亚造山带东段二连-贺根山缝合带的最终缝合时限和后造山伸展作用演化阶段与过程研究,提供岩石学、地球化学和年代学证据与约束。

1 地质背景和岩石学特征

内蒙古西乌旗白音瑞地区满克头鄂博组火山岩,位于二连-贺根山缝合带东段晚石炭世梅劳特乌拉SSZ型蛇绿岩和晚石炭世(—早二叠世)岛弧岩浆岩带内[10, 13-15]图 1-a)。研究区出露的地层主要为中生界上侏罗统满克头鄂博组火山岩和上古生界中二叠统哲斯组沉积岩(图 1-b),岩浆岩主要有早白垩世花岗斑岩、正长花岗岩[21]和晚石炭世梅劳特乌拉SSZ型蛇绿岩[10, 13-15]、奥长花岗岩、英云闪长岩等(图 1-b)。该区满克头鄂博组火山岩覆于晚石炭世梅劳特乌拉SSZ型蛇绿岩[10, 13-15]、奥长花岗岩、英云闪长岩和上古生界中二叠统哲斯组沉积岩之上,与早白垩世正长花岗岩[21]和花岗斑岩为侵入接触(图 1)。

图 1 内蒙古白音瑞地区满克头鄂博组火山岩区域大地构造(a)和区域地质简图(b)[3] Fig.1 Sketch tectonic map (a) and geological map (b) of volcanic rocks of the Manketouebo Formation in Baiyinrui area, Inner Mongolia

白音瑞地区满克头鄂博组火山岩主要为球粒流纹岩、石泡流纹岩和角砾流纹岩,少量流纹质火山角砾岩、流纹质凝灰岩、英安岩、英安质凝灰岩、凝灰质砾岩等。流纹岩主要为斑状结构,流纹构造(图 2-ab)、基质球粒结构(图 2-cd),部分基质为玻璃质结构和霏细结构。流纹质凝灰岩主要包括流纹质熔结凝灰岩、流纹质玻屑、晶屑、岩屑凝灰岩、流纹质含角砾凝灰岩等。其中,熔结凝灰岩主要为流纹质含角砾浆屑玻屑熔结凝灰岩,岩石为熔结凝灰结构,假流纹构造;其他凝灰岩均为凝灰结构,块状构造。

图 2 满克头鄂博组流纹岩野外(a、b)和显微照片(c、d) Fig.2 Representative field photos (a, b) and photomicrograph (c, d) of the rhyolites in the Manketouebo Formation a、b—流纹构造;c、d—球粒结构
2 锆石U-Pb测年

笔者在研究区满克头鄂博组流纹岩中采集了1件锆石U-Pb同位素测年样品(RL05),采样位置见图 1,采样点地理位置为北纬45°07′50″、东经118°23′15″。

2.1 测试方法

本次流纹岩测年样品(RL05)的锆石分选在河北省廊坊区域地质调查研究所完成,样品制靶、透射光、反射光照片拍摄和阴极发光(CL)图像分析(图 3)在北京锆年领航科技有限公司完成。

图 3 满克头鄂博组流纹岩(RL05)锆石阴极发光图像及206Pb/238U年龄 Fig.3 Cathodoluminescence images and 206Pb/238U ages of zircons from the rhyolite in the Manketouebo Formation

锆石U-Pb年龄测定在中国地质调查局天津地质调查中心进行。首先,根据锆石的阴极发光(CL)图像和反射光、透射光照片,选择锆石原位LAICP-MS U-Pb同位素测年的最佳区域。然后,利用193nm激光器对锆石进行烧蚀,激光烧蚀的斑束直径为35μm, 剥蚀采样时间为45s。测试数据的普通铅校正采用Anderson的方法[36], 锆石U-Pb同位素比值及元素含量运用4.4版本Glitter程序, 年龄加权平均计算使用3.0版本的Isoplot程序完成。

2.2 测试结果

在阴极发光图像(CL)(图 3)上,流纹岩样品中的锆石结构均一,呈自形-半自形柱状,长宽比为2:1~4:1,24颗锆石均具清晰的振荡岩浆生长环带,为酸性火山岩成因锆石特征[37]。流纹岩样品(RL05)LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb测试结果见表 1

表 1 满克头鄂博组流纹岩(RL05)LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb测试结果 Table 1 LA-ICP-MS U-Th-Pb dating results of zircons from the rhyolite in the Manketouebo Formation

24颗锆石的Th/U值为0.063~1.04,平均值为0.72(表 1),与岩浆锆石的Th/U值(大于0.4)一致[37-38],为岩浆成因锆石特征。该样品24个测点的数据点集中于谐和线上及其附近,获得的206Pb/238U年龄加权平均值为158.0 ±0.7Ma(MSWD=0.87),代表了流纹岩的成岩年龄(表 1图 4),故将白音瑞地区满克头鄂博组火山岩的形成时代置于晚侏罗世。

图 4 满克头鄂博组流纹岩(RL05)锆石U-Pb谐和图(a)和206Pb/238U年龄直方图(b) Fig.4 U-Pb concordia diagram (a) and 206Pb/238U age histogram (b) of zircons from the rhyolite in the Manketouebo Formation
3 地球化学特征

研究区满克头鄂博组流纹岩共采集了5件地球化学样品, 全岩主量、微量和稀土元素的化学分析在河北省廊坊区域地质调查研究所完成。主量元素分析采用X射线荧光光谱(XRF)分析, 选用不同含量和不同基体的国家一级地球化学标准物质同时完成测定,检测下限为0.01%,分析误差优于5%。微量元素采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定,检测限优于5×10-9,相对标准偏差优于5%。白音瑞地区满克头鄂博组流纹岩的主量、微量和稀土元素测试分析结果见表 2

表 2 满克头鄂博组流纹岩主量、微量和稀土元素分析结果 Table 2 Major element, trace element and REE analyses of the rhyolites in the Manketouebo Formation
3.1 主量元素

表 2可知, 西乌旗白音瑞地区满克头鄂博组流纹岩以富硅(SiO2=75.92%~77.08%)、富钾(K2O=4.42%~4.89%)、富碱(Na2O+K2O 8.37%~8.77%)和贫CaO(0.33% ~0.77%)、MgO(0.042% ~0.11%)、P2O5(0.017%~0.022%)、TiO2(0.039%~0.088%)为特征。在火山岩TAS分类命名图解(图 5)中,5个样品点均落入亚碱性系列的流纹岩范围。岩石的Na2O/K2O值为0.71~0.92,在岩浆系列硅碱(SiO2-K2O)判别图解中,5个样品点均落在高钾钙碱性系列(图 6)。该岩石的Al2O3含量为12.40%~12.86%,A/CNK值变化于0.96~1.09之间,A/NK值变化于1.07~1.17之间, 属于弱过铝质岩石。

图 5 满克头鄂博组流纹岩TAS分类图解 Fig.5 Total alkali versus silica (TAS) diagram of the rhyolites in the Manketouebo Formation Pc—苦橄玄武岩;B—玄武岩;O1—玄武安山岩;O2—安山岩;O3—英安岩;R—流纹岩;S1—粗面玄武岩;S2—玄武质粗面安山岩;S3—粗面安山岩;T—粗面岩、粗面英安岩;F—副长石岩;U1—碱玄岩、碧玄岩;U2—响岩质碱玄岩;U3—碱玄质响岩;Ph—响岩;Ir—Irvine分界线,上方为碱性,下方为亚碱性
图 6 满克头鄂博组流纹岩SiO2-K2O分类图解[39] Fig.6 SiO2-K2O classification diagram of the rhyolites in the Manketouebo Formation
3.2 稀土和微量元素

表 2可知, 与世界上酸性火成岩稀土元素总量(∑REE)平均值288×10-6相比,白音瑞地区满克头鄂博组流纹岩的稀土元素总量明显较低,∑REE为103.29×10-6~171.48×10-6表 2)。在稀土元素球粒陨石标准化配分图(图 7)上,5个流纹岩样品均具有典型的海鸥式分布特征和轻稀土元素略富集的平缓右倾变化趋势(图 7表 2),可能反映亏损地幔的岩浆源区性质或与源区IAB有关[42]。该岩石5个样品的负Eu异常均较显著,δEu值为0.02~0.06 (图 7表 2),可能反映流纹岩的岩浆源区有斜长石残留。

图 7 满克头鄂博组流纹岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式[41] Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns of the rhyolites in the Manketouebo Formation

表 2图 8所示,该区满克头鄂博组流纹岩相对富集Ga(27.50×10-6~34.70×10-6)、Rb、Th、U、K等, 而明显贫Ba、Sr、P和Ti。在微量元素原始地幔标准化蛛网图(图 8)上,5个流纹岩样品均具有明显的Ba、Sr、P、Eu、Ti负异常“槽”和Rb、Th、U、Ta等略微富集的“峰”(图 8),可能与岩浆成因或A型花岗岩浆的特有性质有关。

图 8 满克头鄂博组流纹岩微量元素原始地幔标准化蛛网图[43] Fig.8 Primitive mantle-normalized trace element spider diagram of the rhyolites in the Manketouebo Formation
4 讨论 4.1 岩石成因类型

如前所述,本区满克头鄂博组流纹岩具有富Si、K-碱-Ga、贫Ca、Mg-Ba-Sr-Ti-P,以及显著的负Eu异常等地球化学特征,其地球化学属性明显不同于I、S和M型花岗岩,而与二连-贺根山缝合带内的中生代A型花岗岩和世界上典型A型花岗岩的地球化学特征一致[17-23, 44-49],表明其岩石成因类型属于A型花岗岩的喷出岩——A型流纹岩[49-51]。在A型花岗岩与I、S和M型花岗岩成因类型判别图解(图 9)中,5个流纹岩样品均位于A型花岗岩区,明显区别于I、S和M型花岗岩(图 9[46]。且在K2O-Na2O和SiO2-Zr岩浆岩成因类型判别图解(图 10)中,研究区满克头鄂博组流纹岩样品点同样投在A型花岗岩区,明显区别于I和S型花岗岩(图 10[45]。这些特征进一步表明,西乌旗白音瑞地区满克头鄂博组流纹岩的岩石成因类型为A型流纹岩[17-23, 49-51]。研究区满克头鄂博组A型流纹岩与二连-贺根山缝合带内晚侏罗世或中生代A型花岗岩地球化学特征的一致性,可能表明二连-贺根山缝合带具有统一的A型花岗岩浆源区、成因及构造环境[21, 23]

图 9 满克头鄂博组流纹岩10000×Ga/Al对(K2O+Na2O)(a)、(K2O+Na2O)/CaO)(b)、K2O/MgO(c)和TFeO/MgO(d)判别图解[46] Fig.9 K2O+Na2O)(a), (K2O+Na2O)/CaO(b), K2O/MgO(c) and TFeO/MgO(d) versus 10000×Ga/Al discrimination diagrams of the rhyolites in the Manketouebo Formation
图 10 满克头鄂博组流纹岩K2O-Na2O(a)和SiO2-Zr(b)图解[45] Fig.10 K2O-Na2O (a) and SiO2-Zr (b) plots of the rhyolites in the Manketouebo Formation I、A、S—分别为I型、A型和S型花岗岩
4.2 构造环境

依据岩浆成因和构造环境,A型花岗岩类又进一步细分为非造山(anorogenic)A1型花岗岩和后造山(post-orogenic)A2型花岗岩[42, 45-51]。在A1和A2型花岗岩类的微量元素Nb-Y-Ce和Nb-Y-3Ga判别图解(图 11)上[44],白音瑞地区满克头鄂博组流纹岩样品点均落入后造山A2型花岗岩范围,并可与二连-贺根山缝合带内的中生代A2型花岗岩[17-22]和A2型酸性火山岩[23]相比,反映了造山带后造山伸展构造环境形成的后造山A2型花岗岩类特征。

图 11 满克头鄂博组流纹岩A1和A2型花岗岩类Y-Nb-Ce(a)和Y-Nb-3Ga(b)三角形判别图解[44] Fig.11 Y-Nb-Ce (a) and Y-Nb-3Ga (b) triangular plots for distinguishing between A1 and A2 granitoids from the rhyolites in the Manketouebo Formation

在SiO2- Al2O3、SiO2- TFeO/(TFeO + MgO)、Rb-(Y+Nb)、Nb-Y和R1-R2构造环境判别图解(图 12-图 14)中,研究区流纹岩样品点均落入后造山(POG)花岗岩区,反映了造山带后造山阶段形成的后造山花岗岩特征,并与二连-贺根山缝合带内的中生代A2型花岗岩[17-22]和A2型酸性火山岩[23]吻合。

图 12 满克头鄂博组流纹岩SiO2-Al2O3(a)和SiO2-TFeO/(TFeO+MgO)(b)构造环境判别图解[52] Fig.12 SiO2-Al2O3 (a) and SiO2-TFeO/(TFeO+MgO) (b) tectonic discriminant diagrams of the rhyolites in the Manketouebo Formation IAG—岛弧花岗岩;CAG—大陆弧花岗岩;CCG—大陆碰撞花岗岩;POG—后造山花岗岩;RRG—裂谷型花岗岩;CEUG—大陆造陆隆升花岗岩
图 13 满克头鄂博组流纹岩(Y+Nb)-Rb(a)和Y-Nb(b)构造环境判别图解[53] Fig.13 (Y+Nb)-Rb (a) and Y-Nb (b) tectonic discriminant diagrams of the rhyolites in the Manketouebo Formation syn-COLG—同碰撞花岗岩;VAG—火山弧花岗岩;WPG—板内花岗岩;ORG—洋脊花岗岩
图 14 满克头鄂博组流纹岩R2-R1构造环境判别图解 Fig.14 R2-R1 tectonic discriminant diagram of the rhyolites in the Manketouebo Formation (R1=4Si-11(Na+K)-2(Fe+Ti), R2=6Ca+2Mg+Al)[54]

这些地球化学特征和判别图解表明,研究区满克头鄂博组流纹岩形成于后造山伸展构造环境。

综上所述,西乌旗白音瑞地区满克头鄂博组流纹岩岩石属性为A型流纹岩,形成于后造山伸展构造环境,为后造山A型花岗岩浆作用的产物。该A型流纹岩上覆于贺根山缝合带晚石炭世梅劳特乌拉SSZ型蛇绿岩、晚石炭世—早二叠世岛弧岩浆岩带[10, 13-15]和上古生界中二叠统哲斯组沉积岩之上(图 1),被早白垩世铝质A2型花岗岩(130.4±1.4Ma)[21]和花岗斑岩侵入(图 1),新获得的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为158.0±0.7Ma,表明其为晚侏罗世A型花岗岩浆喷发活动的产物,反映了二连-贺根山缝合带晚侏罗世后造山A型花岗岩浆作用事件。而且,该A型流纹岩的形成年龄与二连-贺根山缝合带内中三叠世—早白垩世后造山A花岗岩岩浆活动吻合[17-23],进一步揭示二连-贺根山缝合带在晚侏罗世处于后造山伸展作用阶段。因此,结合区内晚石炭世梅劳特乌拉蛇绿岩、晚石炭世—早二叠世岛弧岩浆岩[10, 13-15]和早白垩世后造山A型花岗岩[21]的密切时空伴生关系,二连-贺根山缝合带石炭纪蛇绿岩、石炭纪—二叠纪岛弧岩浆岩[1-16, 25-31, 33-34, 55-57]和中三叠世—早白垩世后造山A型岩浆岩[17-23, 35]的时空分布与演化关系,以及西乌旗白音瑞地区晚侏罗世后造山A型流纹岩喷发活动,认为中亚造山带东段二连-贺根山缝合带在晚二叠世—早三叠世最终缝合后,在中三叠世—早白垩世经历了后造山伸展作用演化阶段与过程。

5 结论

(1)岩石学和岩石地球化学研究表明,西乌旗白音瑞地区满克头鄂博组火山岩主要为A型流纹岩,其形成于贺根山缝合带后造山伸展构造环境,为后造山A型花岗岩岩浆作用的产物。

(2)白音瑞满克头鄂博组A型流纹岩的形成年龄为158.0±0.7Ma,时代为晚侏罗世,反映了贺根山缝合带晚侏罗世后造山A型花岗岩浆作用事件。

(3)白音瑞晚侏罗世后造山A型流纹岩的识别与确定,及其与梅劳特乌拉晚石炭世SSZ型蛇绿岩及区域二连-贺根山缝合带石炭纪蛇绿岩、石炭纪—二叠纪岛弧岩浆岩和中三叠世—早白垩世后造山A型岩浆岩的时空分布与演化关系,反映二连-贺根山缝合带在晚二叠世—早三叠世最终缝合后,在中三叠世—早白垩世经历了后造山伸展作用。

致谢: 审稿专家为本文提出了宝贵的修改意见与建议,在此表示衷心的感谢。

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