地质通报  2020, Vol. 39 Issue (9): 1448-1460  
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陈超, 滕学建, 潘志龙, 修迪, 何娇月, 赵华平, 张欢, 张金龙, 杨菊. 内蒙古北山造山带中段石板井地区A型花岗岩锆石U-Pb年龄及对北山洋闭合时间的限定[J]. 地质通报, 2020, 39(9): 1448-1460.
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Chen C, Teng X J, Pan Z L, Xiu D, He J Y, Zhao H P, Zhang H, Zhang J L, Yang J. LA-ICP-MS zircon U-Pb age of A-type granite from the Shibanjing area of middle Beishan orogenic belt, Inner Mongolia, and its constraint on closure time of Beishan Ocean[J]. Geological Bulletin of China, 2020, 39(9): 1448-1460.
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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区域地质矿产调查》(编号:DD20160039)和《内蒙古1:5万西林陶勒、梧桐井、石桩子井、石板井幅区域地质矿产调查》(编号:DD20160039-01)

作者简介

陈超(1984-), 男, 高级工程师, 从事区域地质矿产调查与研究工作。E-mail:chchgood@163.com

文章历史

收稿日期: 2019-09-13
修订日期: 2019-11-20
内蒙古北山造山带中段石板井地区A型花岗岩锆石U-Pb年龄及对北山洋闭合时间的限定
陈超1, 滕学建2,3, 潘志龙1, 修迪1, 何娇月1, 赵华平1, 张欢1, 张金龙1, 杨菊1    
1. 河北省区域地质调查院, 河北 廊坊 065000;
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: 石板井A型花岗岩体位于内蒙古北山造山带中段,岩性组成以正长花岗岩为主,二长花岗岩次之。LA-ICP-MS锆石U-Pb测年获得该岩体的侵位年龄为395.6±4.9 Ma(MSWD=3.6,n=15),时代为早泥盆世。岩石属偏铝-弱过铝质高钾钙碱性系列,具有高硅(SiO2=72.71%~76.43%),富碱(K2O+Na2O=7.80%~9.23%),低铝(Al2O3=12.09%~13.73%),贫镁(MgO=0.06%~0.51%)和钙(CaO=0.44%~1.69%),K2O>Na2O的特点;稀土元素配分曲线呈轻稀土元素富集的右倾型,形态呈"海鸥式"分布,Eu强烈亏损(δEu=0.02~0.35,平均0.16);富集高场强元素Zr、Hf、U、Th和大离子亲石元素Rb、K等,而元素P、Ti、Ba、Sr明显亏损。上述地球化学特征指示该岩体属A型花岗岩,源于下地壳在高温条件下部分熔融及其后长石、磷灰石、榍石等的分离结晶。构造判别图解指示具有A2型花岗岩的特征,形成于后碰撞伸展构造环境,指示牛圈子-洗肠井蛇绿岩带所代表的北山洋闭合时限在早泥盆世之前,早泥盆世该区的构造已由挤压体制转变为伸展体制。
关键词: 北山造山带    A型花岗岩    锆石U-Pb测年    后碰撞    北山洋    
LA-ICP-MS zircon U-Pb age of A-type granite from the Shibanjing area of middle Beishan orogenic belt, Inner Mongolia, and its constraint on closure time of Beishan Ocean
CHEN Chao1, TENG Xuejian2,3, PAN Zhilong1, XIU Di1, HE Jiaoyue1, ZHAO Huaping1, ZHANG Huan1, ZHANG Jinlong1, YANG Ju1    
1. Institute of Regional Geological Survey of Hebei Province, Langfang 065000, Hebei, China;
2. Tianjin Center, China Geological Survey, Tianjin 300170, China;
3. North China Center for Geoscience Innovation, Tianjin 300170, China
Abstract: The Shibanjing A-type granite intrusion is located in the middle section of the Beishan orogenic belt of Inner Mongolia.Its lithologic composition is dominated by syenogranites, followed by monzogranite.The age of the granite obtained by LA-ICP-MS zircon U-Pb dating is 395.6±4.9 Ma(MSWD=3.6, n=15), suggesting Early Devonian.The rocks belong to the meta-aluminium-weak peraluminous high potassium calc-alkaline series and are characterized by high silicon(SiO2=72.71%~76.43%), rich alkali(K2O+Na2O=7.80%~9.23%), low aluminum(Al2O3=12.09%~13.73%), poor magnesium(MgO=0.06%~0.51%), calcium(CaO=0.44%~1.69%)and K2O > Na2O.The chondrite-normalized REE patterns of the granite belong to the "seagull" pattern of the right-type, with significant negative Eu anomalies(δ Eu=0.02~0.35, averaging 0.16).The granitic rocks are enriched in high field strength elements(e.g., Zr, Hf, U and Th)and large ion lithophile elements(e.g., K and Rb)but depleted in P, Ti, Ba, Sr.All these characteristics resemble features of A-type granites which originated from the partial melting of lower crust under high temperature conditions and the subsequent fractional crystallization of feldspar, apatite, titanite and some other rocks.The tectonic discriminant diagram indicates that it has the characteristics of A2 granite, which was formed in the post-collision extension tectonic environment, indicating that the closure time of the Beishan Ocean represented by the Niuquanzi-Xichangjing ophiolite belt was prior to the Early Devonian, and that the structure of the area in the Early Devonian had changed from a compressional system to an extensional system.
Key words: Beishan orogenic belt    A-type granite    zircon U-Pb dating    post-collision    Beishan Ocean    

北山造山带地处甘肃北部、新疆东南部和内蒙古西部交界处,大地构造位置处于华北板块、塔里木板块和哈萨克斯坦板块交汇部位,属古亚洲构造域的组成部分[1-4],经历了多期次、多阶段的板块裂解-俯冲-碰撞-拼合的复杂地质演化过程,成矿潜力大,备受国内外学者的关注[5-11]。北山造山带分布4条东西向蛇绿岩带,自北向南依次为红石山-百合山-蓬勃山蛇绿岩带、芨芨台子-小黄山蛇绿岩带、红柳河-牛圈子-洗肠井蛇绿岩带和辉铜山-帐房山蛇绿岩带[12-15](图 1-a)。许多地质学家认为红柳河-牛圈子-洗肠井蛇绿岩带形成于早古生代洋盆环境[16-19]。近年来,中国地质调查局天津地质调查中心在北山地区部署实施多个区域地质矿产调查项目,获得大量的基础地质资料,也进一步证明了这一点,并将其代表的早古生代洋盆称为“北山洋”。本文在北山中带石板井地区1:5万区域地质矿产调查的基础上,通过对新发现的A型花岗岩的岩石学、岩石地球化学、年代学等研究,揭示其形成时代、岩石成因和形成构造背景,探讨北山洋的闭合时限,从而为进一步研究北山地区大地构造演化提供依据。

图 1 北山中带石板井地区地质简图(a据参考文献[10];b据参考文献) Fig.1 Schematic geological map of the Shibanjing area, Beishan middle belt 1—不整合界线;2—断层;3—石板井-小黄山构造带;4—牛圈子-洗肠井蛇绿混杂岩带;5—采样位置
1 地质背景

石板井地区位于北山中带石板井一带,红柳河-牛圈子-洗肠井蛇绿岩带和芨芨台子-小黄山蛇绿岩带分别从研究区南部和中部北西西向穿过(图 1)。区内出露地层主要有古元古代北山岩群、中—新元古界、早古生界和中生界。北山岩群分布于红柳河-牛圈子-洗肠井蛇绿岩带以北地区,为一套绿片岩相-低角闪岩相的古老变质结晶基底岩系,总体为北东东向。中—新元古界出露于红柳河-牛圈子-洗肠井蛇绿岩带以南,为一套绿片岩相变质的滨浅海相碎屑岩、碳酸盐岩沉积建造。古生代地层为一套火山-碎屑沉积建造,以红柳河-牛圈子-洗肠井蛇绿岩带为界,北侧出露奥陶纪—志留纪公婆泉组绿片岩相变质的中基性火山岩,发育强片理化;南侧分布有早寒武世西双鹰山组、早奥陶世罗雅楚山组和中奥陶世横峦山组,主要由海相硅质岩、碎屑岩和少量火山碎屑岩组成。中生代地层为侏罗纪陆相碎屑岩沉积建造。

区内侵入岩以中酸性侵入岩为主,基性、超基性岩较少。基性、超基性岩主要分布于白云山一带,为红柳河-牛圈子-洗肠井蛇绿岩带的重要组成单元,岩性包括橄榄岩、辉橄岩、堆晶辉长岩等,普遍强蛇纹石化,另外在北部小面积出露寒武纪辉长岩。中酸性岩类分布于红柳河-牛圈子-洗肠井构造混杂岩带以北,总体呈近东西向,主要有闪长岩、石英闪长岩、英云闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩、正长花岗岩等,侵位时间从古生代一直延续到中生代。本次研究的早泥盆世二长花岗岩-正长花岗岩体分布在石板井西北部。区内断裂构造以北西向、北西西向右行走滑断裂为主,规模较大,形成于华力西中晚期,被燕山期北东向断裂切割,断裂系统破坏和控制区内地层、岩浆岩的产出分布。

2 岩体地质与岩相学特征 2.1 岩体地质

研究区二长花岗岩-正长花岗岩体呈不规则岩株状产出,侵入古元古代北山岩群和早古生代片麻状花岗岩体(图 2-a),并被侏罗纪碎屑岩不整合覆盖。岩体岩性为正长花岗岩,向南岩体边部石英含量略有减少,渐变为二长花岗岩。通过野外仔细追索,2种岩石结构构造相似,呈渐变过渡,应为同一次岩浆活动的产物。组成矿物粒度由岩体边部细粒结构向岩体中心渐变为中粒结构,具球状风化特征(图 2-b),内部无定向组构(图 2-c),呈岩枝状、岩脉状贯入围岩,外接触带围岩无挤压变形和强迫趋同特征,显示出被动就位机制。本次在该岩体中采集1件锆石U-Pb同位素样品(二长花岗岩,STW3)和10件岩石地球化学分析样品,采样位置见图 1-b

图 2 石板井地区正长花岗岩野外特征及薄片显微特征(正交偏光) Fig.2 Field and microscopic photos of the syenogranite in the Shibanjing area a—正长花岗岩侵入奥陶纪片麻状英云闪长岩;b—球状风化;c—块状构造;d—显微特征。Pl—斜长石;Kfs—钾长石;Bi—黑云母;Qtz—石英
2.2 岩相学特征

正长花岗岩为中粒花岗结构(图 2-d),块状构造,具交代蠕虫、交代净边结构。主要矿物为钾长石(65%~70%)、斜长石(约10%)、石英(约20%)、黑云母(1%~5%)。斜长石呈半自形板状,粒径一般为0.1~2 mm的细粒,2~2.2 mm的中粒较少,斜长石牌号An=37(用⊥(010)晶带最大消光角法测得Np'∧(010)=18),为中长石。钾长石主要为条纹长石、微斜长石,格子双晶发育,他形粒状,粒径一般为2~5 mm的中粒,5~8.8 mm的粗粒次之,0.1~2 mm的细粒较少。局部交代斜长石。粒度较大的钾长石粒内包嵌少量斜长石、石英。石英:他形粒状,粒径一般为0.05~9.2 mm,发育波状、带状消光。黑云母:呈鳞片状,零散或相对聚集似堆状分布,粒径一般为0.05~0.5 mm,局部绿泥石化,多色性较明显,Ng'=棕褐色,Np'=黄棕色。副矿物:锆石、磷灰石。

3 LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素定年 3.1 测试方法

锆石分选在河北省区域地质调查院实验室完成。样品被粉碎到40~60目,然后经淘洗、浮选、磁选和重液分离,再在双目镜下挑选干净和自形程度较高,包裹体、裂隙少的锆石颗粒。锆石的制靶和透射光、反射光、阴极发光照相在北京锆年领航科技有限公司完成。将锆石颗粒粘在双面胶上之后用无色透明的环氧树脂固定。待固化后,将靶面磨光露出锆石。之后对锆石进行反射光、透射光及阴极发光(CL)照相,选取具有明显振荡环带结构且无裂隙和包裹体的岩浆锆石进行测试。LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测定在中国地质调查局天津地质调查中心同位素实验室进行,测试仪器为激光剥蚀多接收等离子体质谱仪(LA-MC-ICP-MS),由NEWWAVE193nmFX激光器和ThermoFisher公司的NEPTUNE质谱仪组成,采用准确的锆石微区原位U-Th-Pb同位素定年测试,激光束斑直径为35 μm,频率8~10 Hz,激光器能量密度13~14 J/cm2,剥蚀物质的载气为氦气。实验中采用GJ-1为外部锆石年龄标准,进行U-Pb同位素分馏校正。数据处理采用ICP-MSDataCal程序[20],年龄计算及谐和图绘制采用Isoplot软件[21]

3.2 测试结果

二长花岗岩样品(STW3)中的锆石颗粒无色透明,少数为浅棕色,呈短柱状、长柱状或不规则状,大小一般为50~150 μm,具岩浆生长环带(图 3)。对晶形较好的15颗锆石分析了15个测点,测试数据及计算结果见表 1。锆石Pb、U含量分别为33×10-6~424×10-6和403×10-6~6666×10-6,具有较高的Th/U值(0.215~1.788,平均0.754)。206Pb/238U表面年龄范围在380±5~405±6 Ma之间,均分布在谐和线上或其附近,表明这些锆石几乎没有U或Pb的丢失和加入。15颗锆石的206Pb/238U表面年龄在置信度为95%时的年龄加权平均值为395.6±4.9 Ma(MSDW=3.6)(图 4),代表了二长花岗岩-正长花岗岩体的形成年龄,时代为早泥盆世。

图 3 石板井地区二长花岗岩(STW3)锆石阴极发光(CL)图像及其206Pb/238U年龄值 Fig.3 Representative zircons CL images and 206Pb/238U ages of monzogranite(STW3)in Shibanjing area
表 1 石板井地区二长花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb同位素分析结果 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb data for the monzogranite in Shibanjing area
图 4 石板井地区二长花岗岩(STW3) LA-ICP-MS锆石U-Pb谐和图 Fig.4 LA-ICP-MS U-Pb concordia diagram of zircon in the monzogranite(STW3)in the Shibanjing area
4 岩石地球化学特征

10件正长花岗岩和二长花岗岩地球化学样品主量、微量元素分析在河北省区域地质调查院实验室完成。主量元素采用XRF法和滴定法,其中XRF法采用荷兰帕纳科公司研制的AxiosX射线荧光光谱仪测定,分析精度优于2%。稀土和微量元素采用美国赛默飞世尔科技公司(ThermoFisherScientific)研制的XSeriesⅡ型等离子体光质谱仪(ICP-MS)测定,分析精度优于5%。主量、微量元素分析结果见表 2

表 2 石板井地区二长花岗岩、正长花岗岩主量、稀土和微量分析结果 Table 2 Analytical results of major, trace elements and REE concentrations of the syenogranite and monzogranite in Shibanjing area
4.1 主量元素

石板井地区二长花岗岩-正长花岗岩体具有高硅(SiO2=72.71%~76.43%,平均75.16%),富钾(K2O=4.64%~5.89%,平均5.10%)和碱(K2O+Na2O=7.80%~9.23%,平均8.42%),低铝(Al2O3=12.09%~13.73%,平均12.87%),贫镁(MgO=0.06%~0.51%,平均0.16%)和钙(CaO=0.44%~1.69%,平均0.93%),K2O>Na2O的特点。Mg#值偏低,在5.69~33.10之间;(TFeO)/MgO值较高,介于3.61~29.59之间(平均12.86);A/CNK=0.90~1.07,小于1.1。在TAS图解中,样品点集中投入欧文线下方的花岗岩区(图 5-a);SiO2-K2O图解中,样品点分布于高钾钙碱性至钾玄岩系列区域(图 5-b);在A/CNK-A/NK图解中,样品点落入偏铝质-弱过铝质区(图 6)。

图 5 石板井地区正长花岗岩、二长花岗岩TAS图解[22](a)和SiO2-K2O图解[23](b) Fig.5 TAS diagram(a) and SiO2-K2O diagram(b) of syenogranite and monzogranite in Shibanjing area
图 6 石板井地区正长花岗岩和二长花岗岩A/CNK-A/NK图解(底图据参考文献[24]) Fig.6 A/CNK-A/NK diagram of syenogranite and monzogranite in Shibanjing area
4.2 稀土和微量元素

正长花岗岩稀土元素总量中等(∑REE=122.15×10-6~665.30×10-6),轻稀土元素相对富集(HREE/LREE=3.34~12.70),且轻、重稀土元素分馏较明显((La/Yb)N=2.65~16.79),具有强烈的负Eu异常(δEu=0.02~0.28),表明岩石经历了强烈的斜长石分离结晶作用。在稀土元素球粒陨石标准化配分图上,配分曲线一致性较好,呈向右缓倾的海鸥型(图 7-a)。正长花岗岩具有较高的Rb(147.68×10-6~231.28×10-6)、Ga(17.10×10-6~25.34×10-6)、Zr(57.26×10-6~291.70×10-6)、Hf(2.55×10-6~10.97×10-6)和Y(23.51×10-6~102.95×10-6)含量,较低的Sr(5.06×10-6~39.86×10-6)、Ba(5.00×10-6~180.08×10-6)含量。微量元素原始地幔标准化蛛网图(图 7-b)中,表现为高场强元素(HFSE)Zr、Hf、U、Th和大离子亲石元素(LILE)Rb、K等相对富集,而元素P、Ti、Ba、Sr明显亏损。

图 7 石板井地区正长花岗岩、二长花岗岩稀土元素球粒陨石标准化配分图(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)(标准化值据参考文献[25]) Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns(a)and primitive-mantle normalized spider diagrams(b)of syenogranite and monzogranite in Shibanjing area

二长花岗岩稀土元素总量较低(∑REE=86.52×10-6~277.99×10-6),轻稀土元素相对富集(HREE/LREE=4.88~12.67),且轻、重稀土元素分馏明显((La/Yb)N=5.19~19.44),具有负Eu异常(δEu=0.26~0.35)。稀土元素在球粒陨石标准化配分图(图 7-a)中,曲线呈右倾型。在微量元素原始地幔标准化蛛网图(图 7-b)中,具有与正长花岗岩相似的特征,表现为Zr、Hf、U、Th、Rb、K等相对富集,P、Ti、Ba、Sr明显亏损。

5 讨论 5.1 岩石属性及成因

A型花岗岩地球化学特征表现为高硅、富碱,贫钙、镁、铝,(K2O+Na2O)/Al2O3和TFeO/MgO值高,富Rb、Th、Zr、Hf、Ga、Y等,贫Sr、Ba、Ti等,并具有显著的负Eu异常,常为轻稀土元素富集型,且其配分模式呈海鸥型展布[26-27]。石板井早泥盆世二长花岗岩-正长花岗岩体具有A型花岗岩的地球化学特征。但高分异Ⅰ、S型花岗岩和A型花岗岩的地球化学特征十分相似,难以区分。相对于A型花岗岩,高分异的S型花岗岩具有更高的P2O5(平均值为0.14%)和更低的Na2O(平均值为2.81%)含量[28]。石板井早泥盆世二长花岗岩、正长花岗岩中P2O5含量较低,平均0.02%,小于0.14%;Na2O含量较高,平均3.32%,大于2.81%,暗示其非高分异S型花岗岩。王强等[29]提出区分高分异Ⅰ型花岗岩和A型花岗岩的标志:①A型花岗岩全铁(TFeO)含量高,一般大于1.00%,而高分异Ⅰ型花岗岩一般小于1.00%;②高分异的Ⅰ型花岗岩具有高的Rb含量,大于270×10-6,相对低Ga含量和Ga/Al值;③高分异Ⅰ型花岗岩的形成温度较低(平均764℃),而A型花岗岩一般较高,通常大于800℃。李小伟等[30]强调A型花岗岩最本质的特征在于其为一种高温花岗岩,形成温度相对于Ⅰ型和S型花岗岩更高,平均结晶温度通常可达800℃以上。本文10件样品具有较高的TFeO(平均1.44%,大于1.00%)和较低的Rb(平均207.17×10-6,小于270×10-6)含量,以及相对高的Ga(16.62×10-6~25.34×10-6)含量和较高的104×Ga/Al值(平均为2.92),明显高于Ⅰ型和S型花岗岩104×Ga/Al平均值(分别为2.1和2.28),且高于A型花岗岩的104×Ga/Al下限值(2.6)[31]。采用锆石饱和温度计的方法[32],获得石板井二长花岗岩和正长花岗岩的岩浆源区初始温度(TZr)平均为793.38℃。在锆石阴极发光图像中没有发现古老继承锆石,表明岩浆结晶前熔体中的Zr不完全饱和,这种情况下的TZr可以代表源区原始岩浆的最低温度。除3件样品外,其余7件样品的锆石饱和温度均在800℃以上,最高达841.58℃,均高于高分异Ⅰ型花岗岩的形成温度。另外,在10000×Ga/Al-Nb和10000×Ga/Al-Zr图解(图 8)中,除个别样品位于S、I、M型花岗岩与A型花岗岩界线附近外,其余大部分样品分布于A型花岗岩区域。以上这些特征表明,石板井二长花岗岩-正长花岗岩体应属于A型花岗岩,同时二者之间表现出相近且连续变化的地球化学特征,正长花岗岩较二长花岗岩具有更高的SiO2含量和碱含量,以及更加明显的Eu、P、Ti、Ba、Sr等元素亏损,反映出二长花岗岩向正长花岗岩的岩浆演化趋势。

图 8 石板井二长花岗岩、正长花岗岩10000×Ga/Al-Nb(a)和10000×Ga/Al-Zr图解(b)(底图据参考文献[31]) Fig.8 10000×Ga/Al-Nb(a) and 10000×Ga/Al-Zr(b) diagram of syenogranite and monzogranite in Shibanjing area

长期以来,对于A型花岗岩的形成机制一直存在不同的认识,代表性成因模式主要有:①幔源碱性岩浆分异产生残留的A型花岗质熔体[33-38];②幔源镁铁质岩浆与深熔形成的壳源岩浆的混合与交代作用[39-41];③下地壳岩石经部分熔融抽取了Ⅰ型花岗质岩浆后,富F的麻粒岩质残留物再次部分熔融[31, 42-43];④地幔岩浆底侵加热下地壳岩石熔融[44-47]。通过野外调查,研究区未发现与石板井A型花岗岩同时代的镁铁质岩石,且岩体内不含暗色铁镁质包体。石板井A型花岗岩的SiO2(72.71%~76.43%)含量极高,且变化范围较窄,MgO(0.06%~0.51%)、Cr(3.83×10-6~7.87×10-6)含量较低,其中Cr含量远低于地幔橄榄岩源区部分熔融形成的原始玄武质岩浆(Cr =500×10-6~600×10-6)[48]。因此,由幔源碱性岩浆分异或者幔源镁铁质岩浆与深熔形成壳源岩浆的混合和交代作用的可能性均较小。实验岩石学研究表明,已亏损的下地壳麻粒岩物质比早期Ⅰ型花岗岩的初始源岩更富集Ca、Al、Mg,而亏损K、Si及不相容元素[49],那么这种残余下地壳物质作为源岩发生部分熔融很难产生本区富Si,富碱,低Al、Mg的A型花岗岩。Green提出Nb/Ta值可作为指示壳、幔体系地球化学作用的指标[50]。石板井A型花岗岩的Nb/Ta平均值为14.18,低于幔源岩石(17.5),而接近于壳源岩石(11~12);Zr/Hf值平均为27.06,亦明显低于幔源岩石(36.27),而接近壳源岩石(33左右)[51]。另外,岩体具有非常低的Mg#值,平均为16.38,接近或低于纯地壳熔体。以上特征表明,石板井A型花岗岩可能主要为壳源物质部分熔融形成。石板井A型花岗岩较低的Al2O3(12.87%<15%)含量和高的Y(平均49.43×10-6)、Yb(平均4.76×10-6)含量,以及较平坦的HREE分布特征,排除了源区存在石榴子石残留;较低的Sr(平均45.80×10-6)含量和强烈的负Eu异常,指示斜长石在源区较稳定,暗示其源区压力较低(小于10 kbar)[52]。微量元素Ti、P负异常可能与富Ti矿物(钛铁矿、榍石等)和磷灰石的分离结晶有关;Ba、Sr的亏损可能是长石分离结晶所致。因此,石板井A型花岗岩很可能是在高温条件下,下地壳物质作为源岩发生部分熔融及其后期的长石、榍石、磷灰石等的分离结晶作用形成。

5.2 构造意义

A型花岗岩形成于伸展构造背景已经得到普遍认同[53-54]。Eby[36]把A型花岗岩分为A1和A2两种类型,A1型花岗岩与洋岛玄武岩具有相似性,代表了大陆裂谷或板内背景下的岩浆作用;A2型花岗岩浆直接起源于经历了陆-陆碰撞或岛弧岩浆作用的陆壳或下地壳,形成于后碰撞或造山期后的张性构造环境。在Nb-Y-Ce、Nb-Y-3Ga和Y/Nb-Rb/Nb图解(图 9)中,石板井A型花岗岩均分布于A2型花岗岩区,暗示其形成于后碰撞张性环境。在(Y+Nb)-Rb图解和R1-R2图解(图 10)中,10件样品集中分布于后碰撞花岗岩区和同碰撞与造山后过渡区,表明石板井A型花岗岩形成于后碰撞阶段的伸展构造背景。通过对研究区在内的地区1:5万区域地质调查,发现早泥盆世侵入岩组合主要为正长花岗岩和二长花岗岩,且岩石均呈块状构造,矿物特征显示其成岩及之后未经历较强烈的变质作用和构造变形(图 2-d),进一步指示形成于伸展构造背景,在早泥盆世北山造山带中部石板井地区,可能进入后碰撞阶段的伸展构造环境。

图 9 石板井二长花岗岩、正长花岗岩Nb-Y-Ce(a)、Nb-Y-Ce(b)和Y/Nb-Rb/Nb(c)图解(底图据参考文献[36]) Fig.9 Nb-Y-Ce(a), Nb-Y-Ce(b) and Y/Nb-Rb/Nb(c) diagrams of syenogranite and monzogranite in Shibanjing area
图 10 石板井二长花岗岩、正长花岗岩(Y+Nb)-Rb(a)和R1-R2(b)图解(a底图据参考文献[34], b据参考文献[55]) Fig.10 (Y+Nb)-Rb(a)and R1-R2(b) diagrams of syenogranite and monzogranite in Shibanjing area

研究区位于北山造山带中部石板井地区,红柳河-牛圈子-洗肠井蛇绿岩带北侧。在区域构造演化上,北山地区在太古宙形成古陆核;古元古代早期整个北山中南带直至新疆发育一条近东西向的巨型裂陷带,晚期地壳增厚,陆源碎屑增加,随着成分增高,地壳分异明显,逐渐形成刚性大陆壳,并于古元古代末期经历了绿片岩相-低角闪岩相变质作用;中、新元古代北山地区总体处于稳定的滨浅海沉积环境,刚性陆壳进一步固化扩大,新元古代晋宁运动导致各陆块在860~880 Ma发生汇聚碰撞形成巨大陆块[56]。寒武纪本区处于伸展构造体制[57],北山地区古大陆沿红柳河—牛圈子—洗肠井一带发生裂解,并逐渐形成洋盆[58]。中国地质调查局天津地质调查中心在红柳河-牛圈子-洗肠井蛇绿岩带东段白云山、月牙山等地发现了典型的MORB型蛇绿岩,并在蛇绿岩套中的辉长岩、辉石岩、斜长花岗岩中获得多个锆石U-Pb年龄,范围在500~530 Ma[59],进一步证明北山洋形成于寒武纪。奥陶纪末—志留纪,该洋盆自南向北发生俯冲作用[60-63],使洋盆北侧的哈萨克斯坦板块南缘成为活动陆缘,沿窑洞努如—公婆泉及白云山—斜山—东七一山一带形成公婆泉岛弧带[8],并发育大量具有同构造变形岛弧性质的中酸性钙碱性-高钾钙碱性系列侵入岩(464~433 Ma)和少量中基性火山岩(公婆泉组)。然而关于北山洋盆俯冲持续到何时,即北山洋的闭合时限,目前存在不同认识。何世平等[58]提出志留纪末北山洋闭合;张元元等[64]在红柳河一带获得侵入蛇绿岩中未变形变质花岗岩的年龄为404.8±5.2 Ma,据此认为北山洋盆在早泥盆世之前于红柳河地区闭合;杨合群等[60]根据地层学方面的证据,认为在泥盆纪北山洋闭合、碰撞造山,形成海陆相粗碎屑岩磨拉石建造,不整合于早古生代地层之上。研究区A型花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为395.6±4.9 Ma,表明早泥盆世北山中带已经处于后碰撞造山阶段,推断北山洋闭合时限应在早泥盆世之前。近年来,北山中带一些后碰撞花岗岩已经被认出,比如北山中带敖包呼图仁附近的早泥盆世斑状正长花岗岩(398.15±0.85 Ma)[65]。综上所述,寒武纪初期红柳河-牛圈子-洗肠井蛇绿岩带所代表的北山洋形成,奥陶纪末—志留纪洋盆由南向北俯冲,于早泥盆世前洋盆闭合。由此看来,石板井A型花岗岩的识别和侵位年龄的准确限定,对探讨北山地区构造演化具有重要意义,同时对古亚洲构造域海陆格局演化具有重要启示作用。

6 结论

(1) 石板井二长花岗岩-正长花岗岩体锆石206Pb/238U年龄为395.6±4.9 Ma(MSDW=3.6),岩体形成时代为早泥盆世。

(2) 石板井二长花岗岩-正长花岗岩体高硅、富碱,贫钙、镁、铝,(K2O+Na2O)/Al2O3和TFeO/MgO值高,富Rb、Th、Zr、Hf、Ga、Y等,贫Sr、Ba、Ti等,并具有较高的104×Ga/Al值(平均为2.92)和显著的负Eu异常(δEu=0.02~0.35),属高钾钙碱性-钾玄岩系列A型花岗岩,在高温低压条件下,下地壳物质作为源岩发生部分熔融及其后期的长石、榍石、磷灰石等的分离结晶作用形成。

(3) 岩石学、岩石地球化学和地质学特征指示,石板井二长花岗岩-正长花岗岩体具有A2型花岗岩的特征,形成于后碰撞伸展构造环境,指示牛圈子-洗肠井蛇绿岩带所代表的北山洋闭合时限在早泥盆世之前,早泥盆世该区的构造已由挤压体制转变为伸展体制。

致谢: 中国地质调查局天津地质调查中心王惠初研究员、张永高级工程师等在工作过程中给予了大力支持;在野外工作中得到河北省区域地质调查院魏文通高级工程师的帮助;评审专家对文章提出了诸多宝贵意见,在此一并表示衷心感谢。

参考文献
[1]
左国朝, 何国琦. 北山板块构造及成矿规律[M]. 北京: 北京大学出版社, 1990: 1-226.
[2]
李锦轶, 张进, 杨天南, 等. 北亚造山区南部及其毗邻地区地壳构造分区与构造演化[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2009, 39(4): 584-605.
[3]
杜玉良, 殷先明, 冯治汉, 等. 北山地区中生代构造-岩浆活动与成矿[J]. 西北地质, 2009, 42(2): 48-54.
[4]
Xiao W J, Mao Q G, Windley B F, et al. Paleozoic multiple accretionary and collisional processes of the Beishan orogenic collage[J]. American Journal of Science, 2010, 310(10): 1553-1594. DOI:10.2475/10.2010.12
[5]
刘雪亚, 王荃. 中国西部北山造山带的大地构造及其演化[J]. 地学研究, 1995, 28(1): 37-48.
[6]
何世平, 任秉琛, 姚文光, 等. 甘肃内蒙古北山地区构造单元划分[J]. 西北地质, 2002, 35(4): 30-40.
[7]
聂凤军, 江思宏, 白大明, 等. 北山地区金属矿床成矿规律及找矿方向[M]. 北京: 地质出版社, 2002: 1-408.
[8]
龚全胜, 刘明强, 李海林, 等. 甘肃北山造山带类型及基本特征[J]. 西北地质, 2002, 35(3): 28-34.
[9]
杨合群, 李英, 李文明, 等. 北山成矿构造背景概论[J]. 西北地质, 2008, 41(1): 22-28.
[10]
贺振宇, 宗克清, 姜洪颖, 等. 北山造山带南部早古生代构造演化:来自花岗岩的约束[J]. 岩石学报, 2014, 30(8): 2324-2338.
[11]
郑荣国, 吴泰然, 张文, 等. 北山地区月牙山-洗肠井蛇绿岩的地球化学特征及形成环境[J]. 地质学报, 2012, 86(6): 961-971.
[12]
余吉远, 李向民, 王国强, 等. 甘肃北山地区辉铜山和帐房山蛇绿岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄及地质意义[J]. 地质通报, 2012, 31(12): 2038-2045.
[13]
李向民, 余吉远, 王国强, 等. 甘肃北山地区芨芨台子蛇绿岩LA-ICP-MS锆石U-Pb测年及其地质意义[J]. 地质通报, 2012, 31(12): 2025-2031.
[14]
王国强, 李向民, 徐学义, 等. 甘肃北山红石山蛇绿岩锆石U-Pb年代学研究及构造意义[J]. 岩石学报, 2014, 30(6): 1685-1694.
[15]
周国庆, 陈小明, 赵建新, 等. 内蒙古石板井-小黄山与蛇绿岩相伴的变质岩及其演化[J]. 高校地质学报, 2001, 7(3): 229-344.
[16]
杨合群, 李英, 赵国斌, 等. 北山蛇绿岩特征及构造属性[J]. 西北地质, 2010, 43(1): 26-36.
[17]
徐学义, 何世平, 王洪亮, 等. 中国西北部地质概论—秦岭、祁连、天山地区[M]. 北京: 科学出版社, 2008: 1-347.
[18]
孟贵祥, 吕庆田, 严加永, 等. 北山内蒙古地区铁矿成矿特征及其找矿前景[J]. 矿床地质, 2009, 28(6): 815-829.
[19]
廖云峰, 胡新茁, 程海峰, 等. 内蒙古月牙山蛇绿岩的岩石学、地球化学特征及其地质意义[J]. 地质通报, 2016, 35(8): 1243-1254.
[20]
Liu Y S, Gao S, Hu Z C, et al. Continental and oceanic crust recycling-induced melt-peridotite interactions in the Trans North China Orogen:U-Pb dating, Hf isotopes and trace elements in zircons from mantle xenoliths[J]. Journal of Petrology, 2009, 51: 537-571.
[21]
Ludwig K R.49.A geochronological toolkit for Microsoft Excel. Isoplot/EX version 2[M]. Berkeley: Berkeley Geochronology Center Special Publication No.1a, 2003: 1-56.
[22]
Middlemost E A K. Naming materials in the magma/igneous rock system[J]. Earth Science Research, 1994, 37: 215-224.
[23]
Maniar P D, Piccoli P M. Tectonic discrimination of granitoids[J]. Geological Society of American Bulletin, 1989, 101: 635-643. DOI:10.1130/0016-7606(1989)101<0635:TDOG>2.3.CO;2
[24]
Thompson R T. British Tertiary volcanic province[J]. Scottish Journal of Geology, 1982, 18: 49-107. DOI:10.1144/sjg18010049
[25]
Sun S S, Mc Donough W F. Chemical and isotopic system atics of oceanic basalts:implications for mantle compositi on and processes[J]. London:Geological Society Special Publication, 1989, 42: 313-345. DOI:10.1144/GSL.SP.1989.042.01.19
[26]
贾小辉, 王强, 唐功建. A型花岗岩的研究进展及意义[J]. 大地构造与成矿, 2009, 33(3): 465-480.
[27]
吴锁平, 王梅英, 戚开静. A型花岗岩研究现状及其述评[J]. 岩石矿物学杂志, 2007, 26(1): 57-66.
[28]
King P L, White A J R, Chappell B W, et al. Characterization and origin aluminous A Type granites from Lachlan Fold Belt.Southeastern Australia[J]. J.Petrol, 1997, 38(3): 371-391. DOI:10.1093/petroj/38.3.371
[29]
王强, 赵振华, 熊小林. 桐柏-大别造山带燕山晚期A型花岗岩的厘定[J]. 岩石矿物学杂志, 2000, 19(4): 297-306.
[30]
李小伟, 莫宣学, 赵志丹, 等. 关于A型花岗岩判别过程中若干问题的讨论[J]. 地质通报, 2010, 29(2/3): 278-285.
[31]
Whalen J B, Currie K L, Chappell B W. A-type granites:Geochemical characteristics, discrimination and petrogenesis[J]. Contrib.Mineral.Petrol, 1987, 95: 407-419. DOI:10.1007/BF00402202
[32]
Watson E B, Harrison T M. Zircon saturation revisited:Temperature and composition effects in a variety of crustal magma types[J]. Earth and Planetary Science Letters, 1983, 64(2): 295-304. DOI:10.1016/0012-821X(83)90211-X
[33]
Loiselle M C, Wones D R. Characteristics of anorogenic granites[J]. Geological Society of America(Abstracts with Programs), 1979, 11: 468.
[34]
Pearce J A, Harris N B W, Tindle A G. Trace element discrimination diagrams for the tectonic interpretation of granitic rocks[J]. Journal of Petrology, 1984, 25(4): 956-983. DOI:10.1093/petrology/25.4.956
[35]
Eby G N. The A-type granitoids:A review of their occurrence and chemical characteristics and speculations on their petrogenesis[J]. Lithos, 1990, 26(1/2): 115-134.
[36]
Eby G N. Chemical subdivision of the A-type granitoids:Petrogenetic and tectonic implications[J]. Geology, 1992, 20(7): 641-644. DOI:10.1130/0091-7613(1992)020<0641:CSOTAT>2.3.CO;2
[37]
Turner S P, Foden J D, Morrison R S. Derivation of some A-type magmas by fractionation of basaltic magma:An example from the Padthaway Ridge, South Australia[J]. Lithos, 1992, 28(2): 151-179.
[38]
韩宝福, 王式洗, 江博明. 新疆乌伦古河碱性花岗岩Nd同位素特征及其对显生宙地壳生长的意义[J]. 科学通报, 1997, 42(17): 1829-1832.
[39]
Harris C, Marsh J S, Milner S C. Petrology of the alkaline core of the Messum igneous complex, Namibia:Evidence for the progressively decreasing effect of crustal contamination[J]. Journal of Petrology, 1999, 40: 1377-1397. DOI:10.1093/petroj/40.9.1377
[40]
Mingram B, Trumbull R B, Littman S, et al. A petrogenetic study of anorogenic felsic magmatism in the Cretaceous Paresis ring complex, Namibia:Evidence for mixing of crust and mantle-derived components[J]. Lithos, 2000, 54: 1-22. DOI:10.1016/S0024-4937(00)00033-5
[41]
Yang J H, Wu F Y, Chung S L, et al. A hybrid origin for the Qianshan A-type granite, northeast China:Geochemical and Sr-Nd-Hf isotopic evidence[J]. Lithos, 2006, 89: 89-106. DOI:10.1016/j.lithos.2005.10.002
[42]
CollinsW J, Beams S D, White A J R, et al. Nature and origin of A-type granites with particular reference to south eastern Australia[J]. Contrib.Mineral.Petrol, 1982, 80: 189-200. DOI:10.1007/BF00374895
[43]
Clemens J D, Holloway J R, White A J R. Origin of A-type granites:Experimental constraints[J]. American Minerologist, 1986, 71: 317-324.
[44]
Anderson J L, Bender E E. Nature and origin of Proterozoic A-type granitic magmatism in the southwestern United States of America[J]. Lithos, 1989, 23: 19-52. DOI:10.1016/0024-4937(89)90021-2
[45]
Creaser R A, Price R C, Wormald R J. A-type granites revisited:Assessment of a residual source model[J]. Geology, 1991, 19: 163-166. DOI:10.1130/0091-7613(1991)019<0163:ATGRAO>2.3.CO;2
[46]
Frost C D, Frost B R. Reduced rapakivi-type granites:The tholeiite connection[J]. Geology, 1997, 25: 647-650. DOI:10.1130/0091-7613(1997)025<0647:RRTGTT>2.3.CO;2
[47]
Wu F Y, Sun D Y, Li X H, et al. A-type granites in Northeastern China:Age and geochemical constraints on their petrogenesis[J]. Chemical Geology, 2002, 187: 143-173. DOI:10.1016/S0009-2541(02)00018-9
[48]
Wilson B M. Igneous Petrogenesis:A Global Tectonic Approach[M]. London: Unwin Hyman, 2007: 1-466.
[49]
Creaser R A, Price R C, Wormald R J. A-type granites revisited:assessment of a residual-source model[J]. Geology, 1991, 19(2): 163-166.
[50]
Green T H. Significance of Nb/Ta as an indicator of geochemical processes in the crust-mantle system[J]. Chemical Geology, 1995, 120: 347-359. DOI:10.1016/0009-2541(94)00145-X
[51]
Hofmann A W. Chemical differentiation of the Earth:The relationship between mantle, continental crust, and oceanic crust Earth Planet[J]. Sci.Lett, 1988, 90: 297-314.
[52]
Rapp R P, Watson E B. Dehydration melting of metabasalt at 8~32kbar:Implications for continental growth and crust-mantle recycling[J]. Journal of Petrology, 1995, 36(4): 891-931. DOI:10.1093/petrology/36.4.891
[53]
吴福元, 李献华, 杨进辉, 等. 花岗岩成因研究的若干问题[J]. 岩石学报, 2007, 23(6): 1217-1238.
[54]
洪大卫, 王式洸, 韩宝福, 等. 碱性花岗岩的构造环境分类及其鉴别标志[J]. 中国科学(B辑), 1995, 25(4): 418-426.
[55]
Batchelor R A, Bowden P. Petrogenetic interpretation of granitoid rock series using multicationic parameters[J]. Chemical Geology, 1985, 48(1): 43-55.
[56]
左国朝, 刘义科, 刘春燕. 甘新蒙北山地区构造格局及演化[J]. 甘肃地质学报, 2003, 12(1): 1-15.
[57]
陈超, 修迪, 潘志龙, 等. 北山造山带中部早古生代伸展构造体制:来自石板井辉长岩的年代学及地球化学证据[J]. 地质学报, 2017, 91(8): 1661-1673.
[58]
何世平, 周会武, 任秉琛, 等. 甘肃内蒙古北山地区古生代地壳演化[J]. 西北地质, 2005, 38(3): 6-15.
[59]
孙立新, 张家辉, 任邦方, 等. 北山造山带白云山蛇绿混杂岩的地球化学特征、时代及地质意义[J]. 岩石矿物学杂志, 2017, 36(2): 131-147.
[60]
杨合群, 赵国斌, 李英, 等. 新疆-甘肃-内蒙古衔接区古生代构造背景与成矿的关系[J]. 地质通报, 2012, 31(2/3): 413-421.
[61]
修迪, 陈超, 专少鹏, 等. 北山石板井地区英云闪长岩-石英闪长岩体锆石U-Pb年龄、成因及对古洋盆俯冲作用时限的制约[J]. 地质通报, 2018, 37(6): 975-986.
[62]
专少鹏, 陈超, 申宗义, 等. 北山地区早古生代洋盆俯冲记录—来自石板井高镁闪长岩的年代学、地球化学证据[J]. 岩石矿物学杂志, 2018, 37(4): 533-546.
[63]
程先钰, 任邦方, 田健, 等. 内蒙古北山白云山蛇绿混杂岩带南部锡林柯博组碎屑岩地球化学特征、源区属性及构造意义[J]. 地质通报, 2020, 39(6): 893-904.
[64]
张元元, 郭召杰. 甘新交界红柳河蛇绿岩形成和侵位年龄的准确限定及大地构造意义[J]. 岩石学报, 2008, 24(4): 803-809.
[65]
潘志龙, 张欢, 陈超, 等. 内蒙古北山敖包呼图仁斑状正长花岗岩锆石U-Pb年龄、Lu-Hf同位素组成及其地质意义[J]. 地质科学, 2017, 52(1): 301-316.
程海峰, 廖云峰, 徐旭明, 等.内蒙古1: 5万1524.6高地、二龙包西、高地、炮台山西幅区域地质矿产调查报告.2015.
潘志龙, 魏文通, 刘增效, 等.内蒙古1: 5万基东、尖山、蒜井子、三道明水幅区域地质矿产调查报告.2016.
陈超, 赵华平, 张金龙, 等.内蒙古1: 5万西林陶勒、梧桐井、石桩子井、石板井幅区域地质矿产调查报告.2017.
陈超, 刘增校, 潘志龙, 张欢, 张金龙.1: 5万石板井等四幅区域地质图.2016.
潘志龙, 陈超, 刘增校, 张欢, 王硕.1: 5万基东等四幅区域地质图.2015.