地质通报  2020, Vol. 39 Issue (9): 1404-1421  
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杨五宝, 闫涛, 张永, 卫彦升, 李拯宇. 内蒙古北山造山带小红山TTG岩石锆石U-Pb年龄、地球化学特征及其对百合山构造带性质的制约[J]. 地质通报, 2020, 39(9): 1404-1421.
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Yang W B, Yan T, Zhang Y, Wei Y S, Li Zhengyu. Zircon U-Pb age and geochemistry of TTG rocks in Xiaohongshan area of the Beishan orogenic belt, Inner Mongolia, and their constraints on the properties of the Baihe Mountain tectonic belt[J]. Geological Bulletin of China, 2020, 39(9): 1404-1421.
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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)和《内蒙古1:5万大红山等六幅区域地质矿产调查》(编号:12120114064401)

作者简介

杨五宝(1972-), 男, 高级工程师, 从事区域地质调查研究。E-mail:ywb1972@163.com

通讯作者

闫涛(1982-), 男, 硕士, 工程师, 从事区域地质调查研究。E-mail:118177502@qq.com

文章历史

收稿日期: 2019-04-10
修订日期: 2019-11-20
内蒙古北山造山带小红山TTG岩石锆石U-Pb年龄、地球化学特征及其对百合山构造带性质的制约
杨五宝1, 闫涛1, 张永2,3, 卫彦升1, 李拯宇1    
1. 山西省地质调查院, 山西 太原 030006;
2. 中国地质调查局天津地质调查中心, 天津 300170;
3. 华北地质科技创新中心, 天津 300170
摘要: 分布于内蒙北山地区小红山南一带的晚石炭世花岗岩,是由英云闪长岩(T1)、花岗闪长岩(G1)和奥长花岗岩(T2)组成的一套TTG岩石组合。该套组合具有富硅、富钠、低铝的地球化学特征,稀土元素总量偏低,∑REE=27.86×10-6~104.56×10-6,轻稀土元素富集,LREE/HREE值为4.71~22.76,(La/Yb)值为4.78~43.18,δEu为0.62~1.72,稀土元素配分曲线为右倾型,微量元素总体表现为富集大离子亲石元素(LILEs),亏损高场强元素(HFSEs),且具有明显的Nb、P、Ti负异常,Y、Yb含量低。利用LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测定技术,测得该套TTG组合酸性侵入体中花岗闪长岩、英云闪长岩、奥长花岗岩206Pb/238U年龄加权平均值分别为315.6±1.6 Ma、310.8±1.4 Ma、305±1.9 Ma,形成于晚石炭世。研究认为,小红山晚石炭世TTG花岗岩组合具有陆缘弧花岗岩的成因特点,形成于石炭纪百合山弧间洋盆向南侧陆缘消减过程中洋壳俯冲板片的部分熔融,这套与百合山蛇绿岩同期形成的明水陆缘弧的发育,指示了百合山构造带形成于弧盆体系的演化阶段。
关键词: TTG    锆石U-Pb年龄    陆缘弧    洋陆转换    晚石炭世    北山造山带    百合山构造带    
Zircon U-Pb age and geochemistry of TTG rocks in Xiaohongshan area of the Beishan orogenic belt, Inner Mongolia, and their constraints on the properties of the Baihe Mountain tectonic belt
YANG Wubao1, YAN Tao1, ZHANG Yong2,3, WEI Yansheng1, LI Zhengyu1    
1. Shanxi Geological Survey Institute, Taiyuan 030006, Shanxi, China;
2. Tianjin Center, China Geological Survey, Tianjin 300170, China;
3. North China Center for Geoscience Innovation, Tianjin 300170, China
Abstract: The Late Carboniferous granites distributed in the south of Xiaohong Mountain in Beishan area of Inner Mongolia are a set of TTG rock combination composed of tonalites(T1), granodiorites(G1)and trondhjemites(T2).This set of TTG combination has the geochemical characteristics of rich silicon, rich sodium, and low aluminum.Meanwhile, the TTG has low total content of REEs(∑REE=27.86×10-6~104.56×10-6), and is enriched in LREEs(LREE/HREE=4.71~22.76, (La/Yb)N=4.78~43.18), with δEu being 0.62~1.72, showing the right-inclined type in chondrite-normalized REE patterns.In addition, the rocks which have the obvious negative anomalies of Nb-P-Ti and the low content of Y-Yb mainly show the enrichment of large ion lithophile elements(LILEs)and the loss of high field-strength elements(HFSEs). LA-ICP-MS zircon U-P dating shows that the 206Pb/238U weighted average age of zircons of tonalites is 315.6±1.6 Ma(MSWD=0.33, n=18), that of granodiorites is 310.8±1.4 Ma(MSWD=0.47, n=25), and that of trondhjemites is 305±1.9 Ma (MSWD=0.79, n=11), suggesting that the rock was formed in Late Carboniferous. Research suggests that the Xiaohong Mountain TTG which has the genetic characteristics of continental marginal arc granite was formed in the partial melting of the subduction plates of the ocean crust in the process of the subduction of Baihe Mountain inter-arc ocean basin to the south continental margin during the Carboniferous period. The development of this set of continental margin arcs which were formed in the same period with Baihe Mountain ophiolite indicates that the Baihe Mountain tectonic belt was formed at the stage of arc-basin system evolution.
Key words: TTG    zircon U-Pb age    continental marginal arc    ocean-land transition    Late Carboniferous    Beishan orogenic belt    Baihe Mountain tectonic belt    

甘肃、内蒙古北山造山带,作为衔接天山-兴蒙造山带东西两段的枢纽部位,介于西伯利亚板块、哈萨克斯坦板块和塔里木板块之间。长期以来,该区的构造单元划分、地壳演化及其与天山造山带的关系备受众多学者的关注[1]。研究区位于马鬃山地块以北的北山造山带北带,关于该地区晚石炭世的构造演化体制,尤其是古亚洲洋的洋陆转换历史,学者们提出了不同的认识:①认为北山北带晚石炭世处于“红石山有限洋”闭合之后的弧-弧碰撞阶段[1-7];②认为属于北山北带晚石炭世古亚洲洋闭合之后的陆-陆碰撞阶段[8-9];③认为北山北带石炭纪处于沿红石山—百合山一线裂解形成的红海型“海槽”演化阶段[10-16];④认为该区域的古生代洋盆(即古亚洲洋)在早石炭世已消减闭合,此后的整个天山造山带及北山造山带进入到造山后陆内裂谷拉伸阶段[17];⑤认为研究区西侧甘肃北山的雀儿山英安山地区缺少古老基底陆壳,其中发育的石炭纪—二叠纪岩浆岩多具有TTG组合和部分埃达克质成分的特性,表明其为发育在俯冲消减带上岛弧带的火成岩构造组合,并根据岩浆岩的岩石类型组合和成分演化关系,推导出古亚洲洋向南侧东天山古陆系统下俯冲过程中,在消减带上形成了从不成熟岛弧向成熟岛弧和大陆边缘弧演化的系列岩浆作用过程[18]。红石山构造带的性质究竟如何?北山造山带北带的洋陆转换过程是通过独立大洋的沟弧盆演化体系演化而成,还是通过有限洋盆的俯冲消减及之后的弧陆碰撞而成?

笔者近年在甘蒙北山北带地区组织实施了1:5万大红山等6幅区域地质矿产调查,于红石山-百合山-额勒根乌兰乌拉蛇绿构造混杂岩带南侧的小红山南一带首次识别出一套晚石炭世TTG组合,前人将这套岩石组合笼统地划归华力西中期侵入杂岩(1:20万红石山幅区调报告)或古元古代—新太古代小红山片麻岩(1:25万红宝石幅区调报告)。本次通过岩石特征、岩石地球化学、锆石U-Pb同位素年代学等方面的研究,探讨了岩石成因及其形成的构造背景,为百合山构造带的性质和古亚洲洋洋陆转换过程的研究提供了约束。

1 区域地质背景

研究区位于红石山-百合山-额勒根乌兰乌拉SSZ型(蛇绿)构造混杂岩带南侧,属明水晚古生代岩浆弧的重要组成部分。区内发育少量晚志留世含BIF基性火山岩+陆缘碎屑沉积建造的小红山组、晚石炭世陆相弧火山岩建造的白山组和弧间盆地和弧后盆地沉积建造的细碎屑岩绿条山组(多改造成混杂岩带的基质),以及石炭纪—早二叠世早期陆缘弧侵入体组合(石英闪长岩+TTG+二长花岗岩)、早—中二叠世板内伸展阶段含榴二云二长花岗岩-二长花岗岩组合(图 1)。

图 1 内蒙古北山地区小红山一带区域地质简图 Fig.1 Geological map of Xiaohongshan in north part of Beishan area, Inner Mongolia Ⅰ-1—雀儿山-狐狸山古生代岩浆弧;A—红石山-百合山-蓬勃山晚古生代SSZ型蛇绿构造混杂岩带;Ⅰ-2—黑鹰山-路井古生代岩浆弧;Ⅰ-3—马鬃山地块;Ⅰ-4—公婆泉早古生代岩浆弧;B—牛圈子-洗肠井早古生代MOR型蛇绿构造混杂岩带;Ⅱ-1—营毛沱-鹰嘴红山早古生带被动陆缘;Ⅱ-2—花牛山早古生带陆缘裂谷;Ⅱ-3—红柳园-白山堂晚古生带陆内裂谷;Ⅱ-4—敦煌地块

石炭系陆缘弧侵入杂岩分布面积约50 km2,呈岩株状产出,主要出露于研究区西南部小红山南一带(图 1),由英云闪长岩、花岗闪长岩和奥长花岗岩组成,侵入于晚志留世小红山岩组、中泥盆世灰黑色糜棱岩化细粒花岗闪长岩中,并被晚期石英闪长岩、黑云二长花岗岩及各种岩脉侵入。空间关系上,该岩系中的英云闪长岩和花岗闪长岩多是紧密伴生的,奥长花岗岩则呈一套相对均一且独立的岩体侵入于前两者岩体中。该套酸性(TTG组合)侵入体变形较强烈,普遍遭受了糜棱岩化。

2 岩石特征

糜棱岩化英云闪长岩:浅灰色、浅灰白色,糜棱岩化结构,定向构造不发育。矿物成分由斜长石、石英、黑云母等组成。斜长石含量59%~64%,板状、粒状,大小不等, 2.5 mm×4.5 mm~0.75 mm之间,轻微绢云母化,An=26~30,为更中长石;石英含量15%~20%,他形粒状,大小0.7~2 mm,晶体波状消光;黑云母含量15%,棕黄色片状,片晶大小0.6~1.5 mm;碎粒(动力破碎的矿物颗粒)5%,以石英为主,含少量长石,大小0.02~0.1 mm;白云母1%,无色,片状,片晶大小0.3~1 mm(图版Ⅰ-ab)。

图版 Ⅰ   Plate Ⅰ   a、b.晚石炭世糜棱岩化中细粒英云闪长岩野外和境下照片;c、d.花岗闪长岩野外和镜下照片;e、f.斑状黑云奥长花岗岩野外和镜下照片。Bt—黑云母;Pl—斜长石;Kf—钾长石;Qtz—石英

糜棱岩化花岗闪长岩:灰白色,糜棱岩化结构、细粒半自形结构、定向构造,矿物成分由斜长石、钾长石、石英、黑云母等组成。斜长石含量55%,呈近半自形板状、两向伸长状,粒度一般为0.2~2 mm,少数粒度为2~2.5 mm,弱定向分布,高岭土化、绢云母化,聚片双晶发育,用⊥(010)晶带最大消光角法测得Np'∧(010)=15,其牌号An=32,为中长石;钾长石含量15%,呈近半自形板状,主要为微斜长石,粒度一般为0.2~1.5 mm,呈两向伸长状。高岭土化,可见格子双晶;石英含量20%,呈他形两向伸长粒状,粒度一般为0.2~2 mm,杂乱分布,粒内可见波状消光,亚颗粒较发育;黑云母含量10%,呈片状,粒度一般为0.2~0.5 mm,集合体呈线痕状断续定向分布。薄片中多色性很明显,Ng-褐色,Np-浅黄;副矿物少量,主要为锆石、不透明矿物(图版Ⅰ-cd)。

糜棱岩化斑状黑云奥长花岗岩:灰色,变余似斑状结构、糜棱岩化结构,定向构造,斑晶含量10%,由更(奥)长石组成,板状晶体,大小3.3 mm×5 mm左右,具环带构造。基质由更(奥)长石、微斜长石、石英、黑云母等组成,其中,更(奥)长石含量53%,呈半自形板状,大小1 mm×2.25 mm~0.25 mm×0.5 mm,具环带构造,An=12~17,轻微绢云母化;石英含量20%,他形粒状,大小0.5~0.7 mm;微斜长石含量2%,他形粒状状,大小0.05~1.5 mm;黑云母5%~10%,棕黄色,片状,大小0.35~1 mm,定向分布;碎粒5%~10%,斜长石、石英、微斜长石重结晶,大小0.2~0.1 mm,集合体呈长条状定向分布;白云母少见,无色,片状,片晶大小0.2~0.5 mm;磷灰石少见,无色柱状,晶体大小为0.015 mm×0.05 mm (图版Ⅰ-ef)。

3 地球化学特征

为探讨TTG组合酸性侵入体中地球化学特征和形成环境,在小红山一带英云闪长岩中采集了3件样品,引用哈珠测区地质报告中哈珠南东一带英云闪长岩中的6件样品资料,在小红山一带花岗闪长岩中采集了4件样品,在小红山一带奥长花岗岩中采集了9件样品。样品全岩分析在自然资源部太原矿产资源监督检测中心完成,主量元素采用湿化学方法完成,分析精度优于1%,误差小于5%;微量、稀土元素分析由武汉综合岩矿测试中心采用电感耦合等离子质谱(ICP-MS)测定,测试精度和准确度一般优于0.5×10-9。主量、微量和稀土元素测试结果见表 1

表 1 内蒙古北山北带晚石炭世TTG组合酸性侵入岩主量、微量和稀土元素分析结果 Table 1 Results of major, trace elements and REE analyse of Late carboniferous TTG assemblage acidic intrusive rocks in North belt of Beishan area, Inner Mongolia
3.1 主量元素

按照冯艳芳等[19]提出的TTG划分方案,本次研究的该套侵入体在TAS图解(图 2-a)中,均落入花岗闪长岩-花岗岩区,岩石均属亚碱性系列;通过CIPW标准矿物计算,可见所有岩石的石英(Q)含量均大于10%,在TTG岩套CIPW标准矿物An-Ab-Or图解(图 2-b)中,所有样品点均落在TTG区域,是一套完整的TTG系列岩石。

图 2 晚石炭世TTG组合酸性侵入岩TAS图解(a)和An-Ab-Or图解(b)[19] Fig.2 TAS (a)and An-Ab-Or(b) diagrams of Late Carboniferous TTG assemblage acidic intrusive rocks T1—英云闪长岩;T2—奥长花岗岩;G1—花岗闪长岩;G2—花岗岩(狭义);QM—石英二长岩;Ir—Irvine分界线,上方为碱线,下方为亚碱性;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;18—霓方钠岩/磷霞岩/粗白榴岩

其中,T1类岩石表现为较富SiO2(67.3%~70.90%),富Na2O(3.79%~5.7%),Na2O/K2O值为2.33~12.05,富CaO(3.10%~5.08%),富Al2O3(15.57%~16.52%)的特征;G1类岩石表现为富SiO2(69.18%~72.38%),较富Na2O(1.80%~3.60%), Na2O/K2O值为0.78~1.61,富CaO(3.58%~3.74%),略贫Al2O3(12.79%~15.78%)的特征;T2类岩石表现为富SiO2(68.69%~74.42%),富Na2O(3.69%~5.50%),Na2O/K2O值为1.32~3.0,贫CaO(1.12%~3.24%),略贫Al2O3(13.75%~15.16%)的特征。

岩石里特曼指数δ43=0.61~2.29,平均为1.31。在SiO2-K2O图解(图 3)中,该岩套主体落入中钾钙碱性系列(MKCA)区,其中T1类岩石部分样品点落入低钾拉斑系列(LKCA),而G1和T2类岩石整体落入中钾钙碱性系列(MKCA)。

图 3 晚石炭世TTG组合酸性侵入岩SiO2-K2O图解[20] Fig.3 Diagram of SiO2-K2O of Late Carboniferous TTG assemblage acidic intrusive rocks

总体而言,该套侵入体表现出较富硅、富钠的特点,符合TTG组合的一般特征。但值得注意的是,该岩套整体在Al2O3含量方面与典型TTG高铝(Al2O3>15%)的特征不完全相符[21],其Al2O3含量平均为14.94%,小于15%,且其中不同类型的岩石还存在差异,T1类岩石Al2O3含量平均为16.1%,相对富铝,而G2和T2类岩石Al2O3含量平均为14.15%和14.61%,相对贫铝。此外,该岩套中的T2类岩石比T1和G1类岩石更富硅。

3.2 微量无素

在微量元素原始地幔标准化蛛网图(图 4-a)中,总体表现为相对富集大离子亲石元素(LILEs),亏损高场强元素(HFSEs),配分曲线整体右倾,表现出作为岛弧花岗岩重要标志的“TNT”异常(Nb、Ta、Ti亏损)。但是也表现出差异:T1类岩石表现为明显的正Sr异常,G1类岩石和T2类岩石表现出明显的负Ba异常。

图 4 晚石炭世TTG组合酸性侵入岩微量元素原始地幔标准化蛛网图(a)[22]和稀土元素球粒陨石标准化配分图(b)[23] Fig.4 The primitive mantle-normalized trace element patterns(a)and chondrite-normalized REE patterns(b) of Late Carboniferous TTG assemblage acidic intrusive rocks
3.3 稀土元素

该套TTG组合酸性侵入体中的T1类岩石稀土元素总量(∑REE)整体偏低,为27.86×10-6~82.63×10-6;LREE/HREE值为4.71~22.76,(La/Yb)N值为4.78~43.18,轻、重稀土元素分馏明显,相对富集轻稀土元素(LREE),贫重稀土元素(HREE),在稀土元素配分图(图 4-b)上总体表现为明显右倾形态;(La/Sm)N值为2.82~5.89,(Gd/Yb)N值为1.39~4.65,轻、重稀土元素整体分馏较强;δEu值为0.62~1.72,平均1.05,以明显的正Eu异常为特征,反映源区残留相中基本不含斜长石;其Yb含量(0.19×10-6~1.03×10-6,平均0.74 ×10-6,小于2.5×10-6)、Y含量(2.19×10-6~10.4×10-6,平均7.65×10-6,小于20×10-6)低,反映源区残留相有较多的石榴子石存在;中稀土元素(MREE)较重稀土元素(HREE,狭义)分馏整体较明显,反映角闪石多已进入熔体相,残留相中含量较少。

G1类岩石稀土元素总量整体偏低,∑REE为67.69×10-6~98.66×10-6,但较T1类略高;LREE/HREE值为8.66~10.43,(La/Yb)N值为9.60~10.62,轻、重稀土元素分馏明显,但分馏程度明显小于T1类岩石,相对富集轻稀土元素,贫重稀土元素,在稀土元素配分图(图 4-b)上总体表现为右倾形态,但斜率(倾斜度)明显小于T1类岩石;(La/Sm)N值为3.98~4.55,(Gd/Yb)N值为1.41~1.58,轻稀土元素分馏明显,但重稀土元素分馏不明显;δEu值为0.86~1.05,平均0.96,以微弱的负Eu异常为特征,但考虑到该类型岩石的铝、钙含量不高,反映源区残留相中含有一定量的斜长石,但数量有限;其Yb含量(1.00×10-6~1.43×10-6,平均1.22×10-6,小于2.5×10-6)、Y含量(10.64×10-6~12.05×10-6,平均11.34×10-6,小于20×10-6)较低,但明显高于T1类岩石,反映源区残留相石榴子石能够稳定存在,但含量低于T1类岩石;中稀土元素较重稀土元素(HREE,狭义)分馏整体不明显,反映源区残留相中角闪石能够稳定存在。

T2类岩石稀土元素总量变化幅度大且总体偏低,∑REE为48.96×10-6~104.56×10-6;LREE/HREE值为8.53~10.12,(La/Yb)N值为10.98~14.34,轻、重稀土元素分馏明显,相对富集轻稀土元素(LREE),贫重稀土元素,在稀土元素配分图(图 4-b)上总体表现为较明显的右倾形态;(La/Sm)N值为2.87~5.08,(Gd/Yb)N值为2.01~3.23,轻、重稀土元素均有明显分馏,但轻稀土元素分馏程度大于重稀土元素;δEu值为0.79~1.00,平均0.89,以弱的负Eu异常为特征,考虑到该类型岩石的铝、钙含量不高,说明源区残留相中含有一定量的斜长石,但数量有限;Yb(0.48×10-6~1.10×10-6,平均0.70×10-6,小于2.5×10-6)、Y含量(5.78×10-6~14.95×10-6,平均8.40×10-6,小于20×10-6)很低,反映源区残留相中石榴子石能够稳定存在;中稀土元素较重稀土元素(HREE,狭义)分馏整体不明显,反映源区残留相中角闪石能够稳定存在。

以上稀土和微量元素特征揭示,研究区晚石炭世TTG岩系不同岩石类型取决于源区温压条件的制约及其导致的熔融程度和源区残留相的差异。

4 锆石U-Pb同位素年龄

本次在小红山一带晚石炭世TTG组合的酸性侵入体中,采集了花岗闪长岩(D5300Rz-1)和奥长花岗岩(PM501Rz-6)样品,从原岩中分选出锆石单矿物,在中国地质调查局天津地质调查中心实验室使用LA-ICP-MS技术测定U-Pb同位素。

花岗闪长岩(D5300Rz-1)的锆石阴极发光图像见图 5-a。锆石多呈柱状、长柱状,柱面较锥面发育,绝大多数有不同程度的熔蚀,多数颗粒长度大于100 μm。部分有裂纹,可能与后期应力有关。锆石内部可见明显的细密振荡环带,规则清晰,为典型的偏酸性岩浆锆石特征,个别锆石内部可见不规则状的捕获锆石残核。本次共测得24个数据(表 2),在锆石U-Pb谐和图中(图 6-a)投影点落于谐和线或其附近。在这24个数据中,21号、14号点的206Pb/238U年龄分别为183±2 Ma、228±3 Ma,9号、8号、11号、12号点的206Pb/238U年龄分别为340±4 Ma、351±4 Ma、363±4 Ma、404±5 Ma,其余18个测点的206Pb/238U年龄介于312±3~322±4 Ma之间,其加权平均值为315.6±1.6 Ma(图 6-b),此年龄值可代表花岗闪长岩侵位时形成的锆石的结晶年龄,为晚石炭世早期。较老的340~404 Ma的年龄,反映了区内早期的岩浆事件;183~228 Ma的年龄,可能与区内后期岩浆热事件有关。

图 5 晚石炭世花岗闪长岩(D5300Rz-1)(a)和奥长花岗岩(PM501Rz-6)(b)锆石阴极发光图像 Fig.5 Cathodeluminescence images of zircon from Late Carboniferous granodiorite(D5300Rz-1)(a) and trondhjemite(PM501Rz-6)(b)
表 2 花岗闪长岩(D5300Rz-1)和奥长花岗岩(PM501Rz-6)样品LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb同位素数据 Table 2 LA-ICP-MS U-Th-Pb isotope composition of zircons in granite diorite sample(D5300Rz-1)and trondhjemite sample(PM501Rz-6)
图 6 晚石炭世花岗闪长岩(D5300Rz-1)(a、b)及奥长花岗岩(PM501Rz-6)(c~f)锆石U-Pb谐和图 Fig.6 Zircon U-Pb concordia diagrams of Late Carboniferous granodiorite(D5300Rz-1)(a, b) and trondhjemites(PM501Rz-6)(c~f)

奥长花岗岩(PM501Rz-6)的锆石阴极发光图像见图 5-b。锆石多呈细长柱状,颗粒较大,多数大于100 μm,晶形整体较完整,柱面、锥面均较发育,具酸性岩浆锆石特征,个别锆石还可见被溶蚀现象,疑与后期热事件有关。锆石内部可见明显的细密振荡环带,为典型的偏酸性岩浆锆石特征,个别锆石内部还可见不规则状的捕获锆石残核。锆石整体颜色较深,反映其内Th、U含量较高。本次对该样品共测得24个数据(表 2图 6-c),在锆石U-Pb谐和图上投影点多数落在谐和线上或其附近(图 6-d)。在24个数据中,2号、5号、14号、16~18号22~23号点的206Pb/238U年龄介于257±3~291±3 Ma之间,均落于谐和线下方,反映该套锆石发生过一定程度的铅丢失,可能与因锆石Th、U含量较高而导致的后期蜕晶质化有关。6号、7号、9~10号、21号点的206Pb/238U年龄介于293±3~296±3 Ma之间,其年龄加权平均值为295.8±2.8 Ma(图 6-f),可能与后期的热事件有关。其余11个测点的206Pb/238U年龄介于298±3~310±3 Ma之间,其加权平均值为305.0±1.9 Ma(图 6-e),此年龄值可代表奥长花岗岩侵位时形成的锆石的结晶年龄,为晚石炭世晚期。

在哈珠南一带英云闪长岩中获得了310.8±1.4 Ma的锆石年龄加权平均值,岩浆侵位时代为晚石炭世

上述年龄信息反映该套TTG组合酸性侵入体形成于305~315 Ma的晚石炭世。考虑到空间关系上,该岩系中的T1类岩石和G1类岩石多是紧密伴生的,而T2类岩石呈相对均一且独立的的岩体侵入于T1G1中,再对应相应的年龄信息,说明这套TTG岩系中T1G1(英云闪长岩+花岗闪长岩)的形成时代略早于T2(奥长花岗岩)。而造成该套TTG岩系锆石年龄跨度略大的原因,主要可能与岩石后期经历了复杂热事件改造,导致的锆石系统不封闭所带来的年龄误差有关。

5 讨论 5.1 小红山TTG岩石成因及构造环境探讨

综合前文对于晚石炭世侵入岩的岩石地球化学分析及形成时代探讨,可知研究区晚石炭世TTG组合酸性侵入体的地球化学特征,与典型的TTG(富铝(Al2O3>15%),HREE强烈亏损、轻重稀土元素分异十分明显且无明显负Eu异常)的特征[24-27]不完全相符,却显示出相对贫铝(Al2O3平均14.94%),轻、重稀土元素存在分异,但总体不十分强烈且出现弱的负Eu异常,类似于Arth等[28]定义的“低Al2O3型TTG”。

该岩套中相对早期的T1和G1类岩石,可能形成于不同的温压条件下:T1类岩石富Al2O3(平均16.06%)、富Sr(295×10-6~573.6×10-6,平均341.24×10-6)、极贫Yb(0.19×10-6~1.03×10-6,平均0.74×10-6)、贫Y(2.19×10-6~10.4×10-6,平均7.65×10-6),且具高的Eu异常(δEu平均1.05)和明显的Nb-Ta负异常,显示出明显的埃达克(质)岩石的特征,且Na2O/K2O平均值(7.99)大于2,属于O型埃达克(质)岩石[29],其对应的源区残留相组成主要为辉石+石榴子石+角闪石(少)+金红石,无斜长石,即高压的含金红石(Nb-Ta负异常)榴辉岩相;G1类岩石具中等偏低的Al2O3含量(平均14.14%)、贫Sr(187.88×10-6~269.67×10-6,平均228.77×10-6)、较贫Yb(1.00×10-6~1.43×10-6,平均1.22×10-6)、较贫Y(10.64×10-6~12.05×10-6,平均11.34×10-6),且具有弱负Eu异常(δEu平均0.96),显示出喜马拉雅型花岗岩的特征[30],其对应的源区残留相组成主要为辉石+石榴子石+角闪石+斜长石(少),无金红石,即中压的麻粒岩相,其尽管也富钠,但K含量明显变高,Na2O/K2O平均值为1.29,说明其源岩的部分熔融程度较T1低;而对于该岩套中相对晚期的T2类岩石,其Al2O3含量(平均14.61%)中等;多数岩石贫Sr(主体分布于205.80×10-6~232.40×10-6)、贫Yb(0.48×10-6~1.10×10-6)、贫Y(5.78×10-6~14.95×10-6),且具有弱的负Eu异常(δEu平均0.89),也属于典型的喜马拉雅型花岗岩,其对应的源区残留相也为中压的麻粒岩相;但该类岩石较T1和G1类岩石富硅(SiO2含量平均72.37%,T1平均68.37%,G1平均69.69%),且同与之源区压力条件(源区深度或位置)相似的G1类岩石相比,贫钙(其CaO含量平均2.49%, G1平均3.63%)、贫镁(其MgO含量平均0.56%,G1平均1.67%)、贫铁(其TFeO含量平均1.61%,G1平均3.64%),具有变化且相对低的稀土元素总量,且轻、重稀土元素分馏更明显,轻稀土元素更富集,重稀土元素更亏损,暗示该类型岩石的源岩部分熔融程度低于T1和G1类岩石,而且很可能是在相对富水的条件下。

以上说明该岩套的源区可能涵盖了变化的p-T范围:早期源区为中高压(2.0 GPa)且相对高温(700~900℃)的条件,而晚期为中压(1.0~1.5 GPa)且相对低温(400~700℃)的条件[28]

此外,该岩套中各类型岩石在高镁闪长岩(HMA)-镁闪长岩(MA)的相关判别图解(图 7)中多数样品点落入MA区,但也有部分样品不具备MA性质。由此说明,从源区形成的熔体在上升过程中可能经过超镁铁质的岩石圈地幔,并与极富镁的岩石发生过一定程度的物质交换,但可能由于这时的地幔楔并不是很厚,导致熔体对地幔岩石的交代并不充分,造成该岩套的MA特征不均一[32]

图 7 晚石炭世TTG组合酸性侵入岩MA的SiO2- MgO(a)和TFeO/MgO- SiO2(b)判别图[31] Fig.7 Discriminating diagrams of SiO2- MgO(a)and TFeO/MgO-SiO2(b)of MA from Late Carboniferous TTG assemblage acidic intrusive rocks (a图:PQ线为HMA/MA边界;RS为MA/非MA边界; b图:直线为Miyashiro的CA与TH分界线, 上为CA,下为TH;双点划线为Arculus低Fe(LF-CA)与中Fe界线)

关于TTG岩套的成因,前人提出过多种模式,目前被认为最合理的是:来自变质到榴辉岩相或石榴角闪岩相的含水玄武质岩石的部分熔融[33]。因此,结合研究区晚石炭世TTG岩系的相关特征,认为该岩套中相对早期的T1和G1类岩石可能源自跨越榴辉岩相-石榴角闪岩相(或麻粒岩相)变质的洋壳俯冲板片,在中高压且相对高温的条件下发生的较高程度的部分熔融;而T2类岩石可能源自于先前已经发生过部分熔融的达到石榴角闪岩相(或麻粒岩相)变质程度的洋壳俯冲板片,在中压且相对富水低温的条件下发生的再次部分熔融,由于在前期的部分熔融过程中,源岩中的K等活泼元素已被大量熔出带走,因而对其再次的部分熔融,尽管熔融程度较低,也不能造成熔浆中K元素的相对富集,所以形成的T2类岩石仍是明显富Na。上述俯冲板片部分熔融形成的熔浆在向上运移通过板片上方并不是很厚的地幔楔时,与极富镁的地幔橄榄岩发生不充分物质交换,造成了该岩套不均一的MA特征。

R1-R2(图 8)、(Y+Nb)-Rb、(Yb+Ta)-Rb(图 9)图解中,研究区晚石炭世酸性侵入岩均属于弧花岗岩;在侵入岩组合方面,研究区晚石炭世侵入岩组合为δο+TTG+γδ+ηγ,岩石整体为钙碱系列,且由早到晚,岩石整体有从中钾钙碱性系列(MKCA)→高钾钙碱性系列(HKCA)演化的趋势,总体显示晚石炭世研究区处于成熟度相对较高的弧背景机制下,且弧的成熟度有逐渐变高的趋势;此外,晚石炭世俯冲板片上的地幔楔相比于岛弧体系(泥盆纪)整体较薄,而这种体制似乎只有板片低角度俯冲,且弧成熟度相对较高的陆缘弧背景才能与之契合。

图 8 晚石炭世TTG组合酸性侵入岩R1-R2图解[34] Fig.8 Diagram of R1-R2 of Late Carboniferous TTG assemblage acidic intrusive rocks ①—地幔斜长花岗岩;②—板块碰撞前花岗岩;③—板块碰撞后隆起期花岗岩;④—造山晚期花岗岩;⑤—非造山区A型花岗岩;⑥—同碰撞花岗岩;⑦—造山期后A型花岗岩
图 9 晚石炭世TTG组合酸性侵入岩(Y+Nb)-Rb[35](a)和(Yb+Ta)-Rb(b)图解[36] Fig.9 Diagrams of (Y+Nb)-Rb(a)and (Yb+Ta)-Rb(b) in Late Carboniferous TTG assemblage acidic intrusive rocks VAG—火山弧花岗岩;WPG—板内花岗岩;syn-COLG—同碰撞花岗岩;ORG—洋中脊花岗岩
5.2 地质意义

纵观整个北山北带,在红石山-百合山-额勒根乌兰乌拉蛇绿构造混岩带南侧,马鬃山微陆块北缘存在晚石炭世(或早石炭世末期)—早二叠世的岩浆弧已是不争的事实。通过阴山成矿带小狐狸山和雅布赖地区地质矿产调查报告成果可知,该蛇绿构造混杂岩代表的是曾经的石炭纪古弧间洋盆的洋壳残迹,从构造单元时空演化的角度推断,这个位于古弧间洋盆南侧陆缘,时间演化上与之能够匹配的晚石炭世—早二叠世岩浆弧最可能的形成机制是,百合山弧间洋盆洋壳板片向南侧马鬃山陆块北缘低角度俯冲。从研究区该时期混杂岩带南侧的晚石炭世侵入岩组合看,其总体反映弧成熟度相对较高的陆缘弧特点,而同时期与之配套的白山组中酸性火山岩,在混杂岩带南侧表现出“红顶绿底”、发育火山机构等陆相火山岩特征,综合反映该陆缘弧可以与安第斯型大陆边缘的山弧相类比。考虑到区域上类似的晚石炭世岩浆事件十分广泛,综合说明,整个晚石炭世区域上石炭纪百合山弧间洋盆南侧,马鬃山陆块北缘处于洋-陆转换晚期的活动大陆边缘山弧背景。

早石炭世晚(末)期,区域上石炭纪弧间洋盆南侧,马鬃山陆块北缘可能处于陆缘山弧演化的初始阶段或萌芽期,这一阶段区域上岩浆活动并不强烈,仅局部可见代表新构造体制开始的埃达克质石英闪长岩;晚石炭世早阶段,进入了陆缘山弧演化的相对不成熟阶段,这一阶段以中钾钙碱性系列(MKCA)为主、少量低钾拉斑系列(LKCA)的δο+T1G1+γδ侵入岩事件为特征,岩石整体以钙性为主,钙碱性为辅。在洋壳板片俯冲的开始阶段,洋壳的脱水程度较低,但由于洋壳较热,地温梯度较高,当其深俯冲至40 km以下(对应含金红石的榴辉岩相)的位置时,在相对干的条件下发生高程度的部分熔融,产生了相对贫硅的中酸性埃达克质熔浆[29]。熔融作用进一步加剧了洋壳的脱水,而水的介入可有效降低洋壳发生熔融的温压条件,因而诱发了相对浅源的(对应榴辉岩相→麻粒岩相)、温(主要是地温梯度下产生的地热)压条件更低的洋壳板片,在含水的条件下,发生了较之前更低程度的部分熔融,进而产生相对富硅的偏酸性TTG岩系早阶段的岩石组合对应的埃达克+喜马拉雅型熔浆[37]。而上述俯冲板片熔浆在经过板片低角度俯冲作用形成的上覆厚度不大的地幔楔时,受限于交代作用的程度,与其中的地幔橄榄岩发生不充分的物质交换,导致岩浆具有不均一的MA性质[38-39]。这些岩浆在地壳浅部先后就位成岩,形成了研究区出露的晚石炭世早阶段的δο+T1G1组合。而在这一阶段,成熟度较低的弧地壳底部,在来自地球深部的底侵岩浆烘烤加热下,在相对干的条件下发生较低程度的部分熔融,形成偏酸性的浙闽型花岗闪长岩。

洋壳板片的俯冲,导致弧地壳加厚,到晚石炭世晚(末)期,活动大陆边缘山弧已经变得成熟,这一阶段以中钾钙碱性系列(MKCA)+高钾钙碱性系列(HKCA)的T2+ηγ侵入岩事件为特征,岩石整体偏钙碱性、碱钙性。该阶段洋壳的逐渐冷却导致俯冲板片的地热梯度较上一阶段变低,但在前一阶段熔融作用下,洋壳板片的脱水更广泛,因此,相对有限的热源仅能引起浅源(30~40 km)的、达到麻粒岩相(或石榴角闪岩相)变质的洋壳玄武质岩石,在富水条件下发生低程度的再次部分熔融,产生了更酸性的喜马拉雅型熔浆[29]。该熔浆经过板片上覆厚度不大的地幔楔时,受限于交代作用的程度,会与其中的地幔橄榄岩发生不充分的物质交换,导致岩浆具有不均一的MA性质。同理,这一阶段加厚的弧地壳底部,在来自地球深部的底侵岩浆地烘烤加热下,在相对干的条件下先后发生较低程度的部分熔融,产生喜马拉雅型岩浆。上述岩浆在地壳浅部先后就位成岩,形成了研究区出露的晚石炭世晚阶段的T2+ηγ组合。

综上所述,研究区晚石炭世的侵入岩产自石炭纪百合山弧间洋盆向南侧陆缘消减的陆缘山弧背景下,是早石炭世初始弧的进一步发展。这一过程加速了石炭纪弧后洋盆的消亡闭合,进一步推进了区域上洋陆转换的进程。

6 结论

(1) 红石山-百合山-额勒根乌兰乌拉结合带以南的小红山一带存在晚石炭世(305~315 Ma)的TTG组合,其具有富硅、富钠、高钙,但不富铝的特征,属中低铝TTG。

(2) TTG组合岩石源自于洋壳板片俯冲至榴辉岩相-石榴角闪岩相(或麻粒岩相)所对应深度发生的部分熔融。

(3) 根据TTG组合的地球化学证据,推测该套岩石组合形成于石炭纪百合山弧间洋盆向南侧马鬃山地块俯冲消减的陆缘山弧背景下。该发现为北山北带地区石炭纪以来的弧盆演化体制建立提供了新的支撑。

致谢: 野外工作过程中,得到中国地质调查局天津地质调查中心苗培森教授级高级工程师、赵凤清研究员、谷永昌教授级高级工程师、王惠初研究员、山西省地质调查院孙占亮高级工程师等学者的指导和帮助,成文过程中得到中国地质调查局天津地质调查中心赵凤清研究员的悉心指导,在此深表感谢,感谢李锦轶研究员等提出的宝贵意见。

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