內蒙古蘇里格蘇爾拉曼地區(qū)早石炭世火山巖鋯石u-pb年代學研究

內蒙古蘇里格蘇爾拉曼地區(qū)早石炭世火山巖鋯石u-pb年代學研究

中亞造山帶位于西伯利亞板塊和中朝板塊之間。這是一個巨大的縫煤帶，形成于古代亞洲古代的海拔高度。它也是世界上最富有的地區(qū)之一，記錄了顯生世紀時期以來巨大新增地殼的形成（jahetal.a.b.wetal.a.2000；huetal.a.2004；jahn，2004）。越來越多的研究也顯示在中亞造山帶古生代的地殼演化過程中古老地殼物質的再造也發(fā)揮了重要的作用（Demouxetal.,2009;Kr?neretal.,2014;Wangetal.,2016b,2017）。中亞造山帶東部稱為興蒙造山帶，在中國境內主要分布于東北和內蒙古中東部地區(qū)，前人根據(jù)前寒武紀地質體和其間的縫合帶將其劃分為額爾古納、興安-愛力格廟、松遼-渾善達克、佳木斯等地塊（徐備等，2014；圖1a）。興蒙造山帶經歷了古亞洲洋構造體系作用，前人對古亞洲洋在古生代時期的演化有不同認識。一種觀點認為古亞洲洋在古生代發(fā)生陸陸碰撞，之后古亞洲洋閉合并處于造山后的伸展環(huán)境（Tang,1990;Xuetal.,2013；徐備等，2014,2018;Zhangetal.,2015；龐崇進等，2018；張晉瑞等，2018）。具體來說，這一過程又分為兩個階段：第一階段為早古生代俯沖碰撞造山過程，即早-中古生代古亞洲洋沿蘇尼特左旗-紅格爾一帶發(fā)育向北俯沖，沿溫都爾廟-西拉木倫河一帶發(fā)育向南俯沖，形成南、北兩條造山帶，且在380Ma閉合；第二階段表現(xiàn)為晚古生代伸展和裂谷發(fā)育過程，形成了晚古生代雙峰式火成巖和堿性巖、低壓高溫變質巖、上疊盆地和伸展盆地等，對早期構造格局產生了強烈的改造。另一種觀點則認為：華北克拉通和南蒙古微陸塊之間的古亞洲洋南部在整個古生代均處于南北雙向俯沖加積的過程中，即從晚寒武世開始大洋板片向南、向北分別俯沖于華北克拉通和南蒙古微陸塊下，這一俯沖作用一直持續(xù)到晚古生代末，直到中-晚二疊世至中三疊世古亞洲洋才沿索倫-西拉木倫-長春-延吉縫合帶最終閉合（Chenetal.,2000,2009;Xiaoetal.,2003,2009,2015;Li,2006;Wuetal.,2007;Eizenh?feretal.,2014;Songetal.,2015;Liuetal.,2017）。蘇左旗地區(qū)位于興安-愛力格廟地塊西南部，是北造山帶的典型出露地區(qū)（圖1a），該區(qū)域分布有大面積晚古生代巖漿巖，是揭示古亞洲洋構造體系晚古生代演化和地殼增生歷史的關鍵區(qū)域。前人對該區(qū)晚古生代演化歷史存在不同認識：一種觀點認為，古亞洲洋板塊在石炭紀期間向北俯沖形成寶力道島弧帶，并產出一系列中基性深成巖和酸性侵入巖（Chenetal.,2000,2009）；另一種觀點認為該區(qū)晚古生代處于古亞洲洋閉合后的伸展環(huán)境，從早石炭世開始在大陸基礎上拉張形成二連-賀根山蛇綠巖帶、二疊紀雙峰式火山巖帶和堿性巖帶（徐備等，2014,2018;Zhangetal.,2015）。蘇左旗北部沙爾塔拉地區(qū)出露有一套較大面積的晚古生代火山-沉積地層，蔣干清等（1995）、高德臻和蔣干清（1998）通過巖石組合、地質剖面、沉積環(huán)境和Rb-Sr定年研究，將其確定為早二疊世大石寨組，并認為形成于活動大陸邊緣環(huán)境。筆者通過對其中火山巖的LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年，將其時代厘定為早石炭世，并對其進行系統(tǒng)的巖石組合、年代學、主微量元素和鋯石Hf同位素研究，試圖查明該期巖漿活動的巖石組合、時空分布及形成環(huán)境，從而制約蘇左旗早石炭世巖漿作用的性質，進而探討內蒙中部早石炭世巖漿作用時空分布和構造背景以及地殼增生過程。1地球化學和年代學研究區(qū)位于內蒙古中部蘇尼特左旗東北部，大地構造位置屬于興安-愛力格廟地塊西部（圖1a）。研究區(qū)出露最古老的地質體是中元古代片麻狀花崗巖（～1.3Ga）和昌特敖包組石英巖與變質砂巖（沉積時限為1245～926Ma，賀躍等，2018）。前人認為該期花崗巖具有A型地球化學特征，并將其與哥倫比亞超大陸的裂解相聯(lián)系（Hanetal.,2017）。研究區(qū)內晚古生代-早中生代建造包括早二疊世大石寨組、哲斯組、晚石炭世和三疊紀（310Ma、222Ma）基性和酸性侵入巖。前人將大石寨組分為三段：下段以礫巖、含礫砂巖和砂巖、粉砂巖為主；中段分布于昌特敖包到達爾罕敖包一帶，以中基性-酸性火山巖及其凝灰?guī)r為主；上段主要分布在包爾敖包附近，巖石組合以英安巖、流紋巖及其熔結凝灰?guī)r為特征。根據(jù)中段安山巖的Rb-Sr年齡（281Ma），有研究者認為其時代為早二疊世（蔣干清等，1995；高德臻和蔣干清，1998）；近年來，Zhangetal.(2017）通過系統(tǒng)的火山巖鋯石U-Pb年代學研究將其時代厘定為292～279Ma。哲斯組出露面積較大，主要由一系列礫巖、含礫砂巖、長石石英砂巖組成，產腕足、雙殼和腹足類化石，與下伏大石寨組呈平行不整合接觸（內蒙古自治區(qū)地質礦產局，1991；蔣干清等，1995；高德臻和蔣干清，1998）。晚石炭世（310Ma）輝長巖-閃長巖侵入于新元古代昌特敖包組內，三疊紀（222Ma)A-型花崗巖大面積出露在研究區(qū)東南部（石玉若等，2007）。另外，在蘇左旗南部也分布有大量的晚古生代-早中生代侵入巖，例如寶力道地區(qū)出露有322～316Ma高鉀鈣堿性系列的花崗閃長巖和二長花崗巖、310Ma閃長巖、234Ma二長花崗巖-花崗閃長巖-淡色花崗巖組合和222～204MaA-型花崗巖（Chenetal.,2000,2009；石玉若等，2004;Huetal.,2015）。本文主要對蘇左旗北部沙爾塔拉地區(qū)原定早二疊世大石寨組中段（達爾罕敖包）和上段（包爾敖包）火山巖進行系統(tǒng)的巖相學、年代學和地球化學研究（圖1）。野外地質剖面顯示這套火山巖巖石組合為玄武安山巖、安山巖、英安巖和流紋巖（圖2）。玄武安山巖樣品（DXT1）新鮮面為黑色，具有塊狀構造和隱晶質結構，主要由細粒且發(fā)生暗化的柱狀暗色礦物（～20%）和斜長石（～75%）以及少量粒狀不透明礦物和副礦物（～5%）組成；斜長石呈板條狀，局部可見聚片雙晶，呈交織排列，后期發(fā)生較強烈的絹云母化蝕變（圖3a）。樣品（DXT3）新鮮面為暗紅色，發(fā)育塊狀構造、斑狀結構和安山結構；斑晶以斜長石（～15%）和暗化的暗色礦物（～10%）為主，斜長石遭受了絹云母化蝕變；基質為隱晶質結構，主要礦物有細粒的斜長石和少量暗色礦物（圖3b）。安山巖均具有斑狀結構和塊狀構造，斑晶為斜長石（～5%），基質主要為細粒斜長石交織排列，同時還存在少量暗色礦物，發(fā)生綠簾石化（圖3c）。英安巖樣品（DXT2-2、17SZ23-9）新鮮面為灰白色，發(fā)育塊狀構造和斑狀結構，斑晶以石英（8%～10%）和斜長石(10～15%）為主，斜長石發(fā)生絹云母化蝕變，基質為隱晶質結構，由長英質礦物組成（圖3d）。流紋巖樣品（DXT6,17SZ23-1、3、5）新鮮面為灰白色，具有流紋構造和斑狀結構，基質呈隱晶質結構；斑晶主要由石英（～8%）、斜長石（～10%）和堿性長石（～5%）組成，斜長石發(fā)育聚片雙晶和絹云母化蝕變，堿性長石主要為自形的長條狀透長石，卡式雙晶發(fā)育，石英發(fā)育波狀消光，具有港灣狀熔蝕結構；基質主要為隱晶質的長英質礦物，斜長石可見聚片雙晶（圖3e,f）。2實驗數(shù)據(jù)和方法鋯石挑選由河北省廊坊市拓軒巖礦檢測服務有限公司完成。鋯石U-Pb同位素和Hf同位素測試在中國地質調查局西安地質調查中心國土資源部巖漿作用成礦與找礦重點實驗室利用7700x型四級桿等離子體質譜儀、NeptunePlus型多接收等離子體質譜儀同時與GeolasPro型激光剝蝕系統(tǒng)聯(lián)機完成。激光束斑為32μm，采用鋯石國際標樣91500作外標。氦氣作為載氣，為了調節(jié)和提高儀器靈敏度，氣路中間引入了氬氣和少量氮氣，氣溶膠勻化之后被分別輸送到等離子體質譜儀和多接收等離子體質譜儀中同時進行鋯石微量元素和U-Pb同位素年齡測試和Hf同位素測試。每分析6個點樣品分析一次標準樣品NIST610、91500和GJ-1,GJ-1同時作為U-Pb年齡和Hf同位素測試監(jiān)控樣品。實驗數(shù)據(jù)運用GLITTER4.4軟件進行處理（Griffinetal.,2008）。普通Pb校正采用Andersen(2002）的方法，鋯石年齡諧和圖及加權平均年齡和頻譜圖均通過ISOPLOT宏程序獲得（Ludwig,2003），單個測試點的同位素比值和年齡誤差均為1σ。本文計算ε主量元素測試分別在北京大學造山帶與地殼演化教育部重點實驗室、武漢上譜分析科技有限公司采用X光熒光光譜（XRF）分析完成，元素分析的準確度優(yōu)于3%；微量元素分析分別在中國科學院地質與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室、河北地質大學區(qū)域地質與成礦作用重點實驗室和武漢上譜分析科技有限公司利用電感耦合等離子質譜儀（ICP-MS）完成，微量元素的分析精度及準確度一般優(yōu)于10%。3分析的結果3.1巖漿成因關系本文主要對沙爾塔拉地區(qū)原定早二疊世大石寨組內玄武安山巖（DXT1-1）、流紋巖（17SZ23）進行了鋯石U-Pb年代學研究，部分鋯石的CL圖像見圖4，定年結果見表1。玄武安山巖（DXT1-1）：采于前人原定的早二疊世大石寨組地層中段。通過鋯石CL圖像可以看出玄武安山巖中巖漿鋯石均呈自形-半自形晶，顯示出清晰的內部結構，但具有兩類特征：第一類巖漿鋯石呈半自形板狀，具有條痕狀吸收，與中基性巖中鋯石特征一致（圖4a）；另一類鋯石多呈長柱狀，發(fā)育密集的巖漿振蕩生長環(huán)帶，與酸性巖中鋯石特征基本吻合。結合其高的Th/U比值（0.30～1.45）表明它們都具有巖漿成因（Pupin,1980;Koschek,1993）。該樣品中所有鋯石測點均位于諧和線上及其附近，其中10個鋯石測點給出了一組最年輕的諧和年齡，其流紋巖（17SZ23）：采于該套地層上段，樣品中鋯石顆粒均呈自形-半自形短柱狀，CL圖像特征均一，發(fā)育密集的巖漿振蕩生長環(huán)帶，不發(fā)育變質邊（圖4b）。結合測試的24個鋯石U-Pb年齡中的Th/U比值（0.48～0.84）表明其巖漿成因（Pupin,1980;Koschek,1993）。22個鋯石測點均位于諧和線上及其附近，給出的3.2化學地球化學3.2.1全巖主微量元素地球化學本文主要對蘇尼特左旗北部沙爾塔拉地區(qū)上述早石炭世玄武安山巖、安山巖、英安巖和流紋巖進行了系統(tǒng)的全巖主微量元素地球化學研究，分析結果見表2。玄武安山巖和安山巖的SiO英安巖和流紋巖的SiO3.2.2鋯石hf同位素本文主要對沙爾塔拉地區(qū)早石炭世早期玄武安山巖、英安巖和早石炭世中期流紋巖進行了鋯石Lu-Hf同位素研究，分析結果見表3和圖8。玄武安山巖樣品（DXT1-1）中代表形成年齡的10個巖漿鋯石（349Ma）測點的早石炭世早期英安巖（DXT6）中巖漿鋯石（345.7Ma）的4討論4.1巖漿形成時代及演化已有研究表明，蘇左旗北部大面積分布的原大石寨組火山巖地層可能屬于不同時代。前人主要獲得安山巖的Rb-Sr年齡為281Ma，將其時代確定為早二疊世晚期（蔣干清等，1995；高德臻和蔣干清，1998）。然而，由于Rb-Sr同位素體系容易受后期巖漿熱事件的改造，該年齡可能不足以準確限定該套火山巖的形成時代。Zhangetal.(2017）對研究區(qū)附近的火山巖進行LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年研究，確定早二疊世（292～279Ma）火山巖地層的存在。而賀躍等（2018）在該地區(qū)對原定大石寨組火山巖進行鋯石年代學研究，獲得了英安巖的形成時代為346Ma，即早石炭世。因此，目前對該套地層的時代分布仍需要更多的年代學約束。本文對該套地層中段（達爾罕敖包）和上段（包爾敖包）火山巖進行了系統(tǒng)的LA-ICP-MS鋯石U-Pb年代學研究，分別厘定出早石炭世早期和早石炭世中期的形成年齡，結合區(qū)域上最新的年代學資料，可以進一步揭示研究區(qū)及鄰區(qū)石炭紀巖漿作用的時空分布。玄武安山巖和英安巖中巖漿鋯石呈自形-半自形板狀和柱狀，具有條痕狀吸收以及巖漿振蕩生長環(huán)帶。另外上述樣品中的鋯石均具有較高的Th/U比值（0.30～1.45），表明它們均是巖漿結晶作用的產物。定年結果顯示，玄武安山巖中最年輕的一組通過本文的年代學研究，結合前人的研究成果可以將興安-愛力格廟地塊西南部蘇左旗地區(qū)石炭紀巖漿作用分為四期：349～345Ma、335Ma、322～316Ma和310～309Ma。如前所述，前兩期主要分布于蘇左旗北部的沙爾塔拉地區(qū)；322～309Ma巖漿巖主要分布在蘇左旗南部寶力道地區(qū)，其中322～316Ma是一套高鉀鈣堿性系列的花崗閃長巖和二長花崗巖，表現(xiàn)出碰撞后花崗巖的地球化學特征（Huetal.,2015);310～309Ma巖漿作用的產物以閃長巖為主（Chenetal.,2000,2009）。另外，在研究區(qū)以北的二連-賀根山蛇綠巖帶內還識別出了少量同期次的巖漿活動，包括賀根山蛇綠巖中的354Ma輝長巖和333Ma斜長花崗巖（Jianetal.,2012），二連蛇綠巖中的360～348Ma流紋巖和斜長花崗巖、354～345Ma輝長巖和313Ma閃長玢巖（Zhangetal.,2015;Yangetal.,2017）。一些研究者還在二連北部以及白音烏拉地區(qū)發(fā)現(xiàn)了少量317～310Ma花崗巖（云飛等，2011；許立權等，2012；李可等，2015），在蘇右旗以及錫林浩特地區(qū)還出露有晚石炭世（310～300Ma）玄武巖和角閃輝長巖（潘世語等，2012;Pangetal.,2016；龐崇進等，2018），興安-愛力格廟地塊西延部分———蒙古ZamynUud地區(qū)也存在少量晚石炭世與區(qū)域伸展有關的巖漿活動，例如輝綠巖和花崗斑巖脈（306Ma）以及石英二長巖（300Ma;Huetal.,2017）。4.2巖石成因4.2.1地球化學特征蘇左旗沙爾塔拉地區(qū)早石炭世早期玄武安山巖具有較低的SiO另外，玄武安山巖相對富集輕稀土元素（LREEs）和大離子親石元素（LILEs，如Rb、Ba和Sr等），虧損重稀土元素（HREEs）和高場強元素（HFSEs，如Nb、Ta和Ti；圖7a,b），而且具有高的La/Nb(2.26～2.93）、Ba/La(13.70～31.17）和Ba/Nb(40.10～70.37）比值，顯示出類似弧火山巖的地球化學特征。然而玄武安山巖具有高的K相比之下，安山巖具有中等的SiO4.2.2酸性火山巖地球化學特征年代學研究顯示，研究區(qū)早石炭世酸性巖可分為346.5Ma和335.1Ma兩期，巖石組合均為英安巖和流紋巖。它們都具有高的SiO兩期酸性火山巖具有較高的重稀土元素含量（如Yb分別為3.02×10其次，上述兩期酸性火山巖地球化學特征也存在一定的差異，例如，與早石炭世早期的酸性巖相比，335Ma英安巖和流紋巖具有更高的重稀土元素含量和更加平坦的稀土配分模式、較強的Eu、Sr、P和Ti負異常，和較高的Zr、Nb、Y、Ce含量和Ga/Al比值，上述特征與A型花崗巖一致（Whalenetal.,1987;Kingetal.,1997；邱檢生等，2000）。這也與中期的酸性火山巖給出了比早期巖石更高的Zr飽和溫度（早期和中期巖石的平均值分別為830℃和876℃；表2;Watsonetal.,2006）相吻合。上述源區(qū)性質和高溫等特征表明早石炭世酸性火山巖形成于陸殼伸展環(huán)境，與同時代板內成因基性巖的出現(xiàn)相一致。4.3地殼組成的不均一性鋯石是酸性火成巖中大量存在的一種副礦物，不易被后期的地質過程改造，其Lu-Hf同位素體系能可靠地記錄新增生地殼形成的時間、大陸地殼的性質及演化（新增生地殼或是古老地殼再造）和地殼物質組成的不均一性（Yangetal.,2007；吳福元等，2007;VervoortandKemp,2016;Wangetal.,2016b）。本文通過對蘇左旗北部沙爾塔拉地區(qū)早石炭世英安巖和流紋巖進行了鋯石原位Hf同位素分析，并總結了研究區(qū)附近晚石炭世花崗巖和酸性凝灰?guī)r的鋯石Hf同位素特征，進一步揭示興安-愛力格廟地塊西部石炭紀地殼屬性與增生歷史。首先，早石炭世早期英安巖（DXT6）中巖漿鋯石（～346.5Ma）具有正的ε其次，蘇左旗南部和二連浩特地區(qū)晚石炭世酸性火成巖巖漿鋯石顯示出更加年輕的t4.4早石炭世巖漿活動特點如前所述，前人對該區(qū)古亞洲洋早古生代演化的認識相對統(tǒng)一，而對晚古生代的演化存在較大爭議：即古亞洲洋俯沖作用是一直持續(xù)至早中生代，還是在晚古生代經歷了碰撞閉合后的伸展直到最終閉合？上述爭論主要歸結于中亞造山帶東部晚古生代是否存在古大洋、深海沉積和俯沖增生雜巖等洋殼存在的證據(jù)（徐備等，2014,2018;Xiaoetal.,2015），另一方面，這也受到了本區(qū)泥盆紀-早石炭世巖漿巖的出露情況及相關研究不足的制約。因此，本文對興安-愛力格廟地塊西南部蘇左旗地區(qū)早石炭世火山巖的研究將為該區(qū)石炭紀早期深部動力學過程研究提供重要依據(jù)。本文確定了蘇左旗北部早石炭世火山巖可分為～347Ma和335Ma兩期。其中早石炭世早期玄武安山巖屬于拉斑系列，表現(xiàn)出板內成因特點，而安山巖則具有巖漿混合成因特點，因此玄武安山巖和同時代英安巖-流紋巖構成了一套雙峰式火山巖組合。這些特征共同表明研究區(qū)處于陸內伸展環(huán)境。其次，早石炭世中期英安巖-流紋巖具有更高的Zr飽和溫度（平均值為876℃）以及A型花崗巖的地化特征，共同揭示了伸展作用的持續(xù)進行，而且隨著時代變新伸展作用可能有逐漸增強的趨勢。這也可以得到上述兩期酸性巖從老到新Sr/Y比值降低、重稀土元素含量和巖漿結晶溫度升高的支持（圖12）。從時空分布來看早石炭世巖漿活動分布范圍較小，除了蘇左旗地區(qū)，主要局限分布于二連-賀根山蛇綠巖帶內（圖13）。Jianetal.(2012）從賀根山蛇綠巖中識別出早石炭世輝長巖（354～333Ma），認為其形成于巖石圈伸展的構造背景。黃竺等（2015）在賀根山蛇綠巖鉻鐵礦體中證實有金剛石、SiC等深部地幔礦物，也暗示了強烈的伸展作用伴隨有深部地幔物質的上涌。另外，二連浩特蛇綠巖中～354Ma輝長巖和玄武巖表現(xiàn)出N-MORB地球化學特征，而且出現(xiàn)了Nd同位素強烈虧損的同時代斜長花崗巖，表明該帶內可能已經拉張形成洋殼（徐備等，2014;Zhangetal.,2015;Yangetal.,2017）。沉積學研究顯示，二連浩特本巴圖和西烏旗迪彥廟地區(qū)晚石炭世碎屑巖-碳酸鹽沉積與下伏蛇綠巖的中厚層硅質巖夾灰?guī)r為連續(xù)沉積關系，說明從早石炭世的裂谷沉積作用過渡為晚石炭世的陸表海沉積（張焱杰等，2018）。上述研究，結合二連-賀根山蛇綠巖帶南北兩側前石炭紀地質體的可對比性（Xuetal.,2017；徐備等，2018；張焱杰等，2018），本文認為二連-賀根山蛇綠巖帶很可能代表了一個從早石炭世早期開始打開的陸間小洋盆。相對而言，晚石炭世（322～300Ma）巖漿作用較為強烈，也形成了一系列板內玄武巖、輝長巖、輝綠巖和鋁質A型花崗巖，基本上呈面狀分布于錫林浩特-蘇左旗-二連浩特一帶以及蒙古東南部，延續(xù)了早期的伸展環(huán)境（邵濟安等，2014,2015；徐備等，2014;Pangetal.,2016;Huetal.,2017;Zhuetal.,2017；龐崇進等，2018）。另一方面，石炭紀（345～309Ma）發(fā)育低壓高溫變質巖、廣泛的混合巖化和基性巖脈的侵入，經歷了順時針P-T演化，可能也指示了造山后的陸內伸展過程（張晉瑞等，2018）。綜上所述，蘇左旗及二連-賀根山帶早石炭世巖漿作用可能形成于陸內伸展和有限洋盆環(huán)境，而非俯沖環(huán)境。其中二連-賀根山蛇綠巖帶位于伸展的軸部，而蘇左旗地區(qū)位于該帶的南部邊緣，主要表現(xiàn)為陸殼的局部伸展作用，該作用從早石炭世早期至晚期有增強的趨勢。一部分研究顯示蘇左旗南部發(fā)育晚志留世同碰撞花崗巖帶和泥盆紀前陸盆地磨拉斯建造，而且內蒙中部地區(qū)泥盆紀總體處于剝蝕狀態(tài)，發(fā)育陸相和海陸交互相沉積；石炭紀以陸表海濱淺海相沉積建造為特點（張興洲等，2012;Zh