內(nèi)蒙古東部地區(qū)二疊紀玄武巖成因的地球化學(xué)記錄

內(nèi)蒙古東部地區(qū)二疊紀玄武巖成因的地球化學(xué)記錄

中亞造山帶是世界上最富有的造山帶之一，其形成與古代亞洲海的發(fā)育密切相關(guān)。根據(jù)對中國古亞洲洋地帶的研究現(xiàn)狀，富麗等人認為，古代亞洲洋的發(fā)育模式與西南太平洋的中生代和新生代發(fā)展是相關(guān)的：多階段大型板塊滑動，大量無序生長巖，以及微陸地塊、海拔高度、洋島和其他結(jié)構(gòu)單元的混合，形成了今天復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模式。大興安嶺地區(qū)位于中亞造山帶的東段,對于俯沖-碰撞作用的期次和主縫合帶位置,目前仍存在分歧:(1)Xiao等認為古亞洲洋在晚二疊世最終閉合于索倫山-賀根山縫合帶;最近張連昌等報道了三疊紀碰撞后玄武巖,也認為自三疊紀以來區(qū)域進入到伸展的動力學(xué)背景;(2)邵濟安認為俯沖作用主要發(fā)生在早古生代,在石炭紀已經(jīng)完成,最近Zhang等對錫林浩特二疊紀雙峰式火山巖的成因研究認為自280Ma以來區(qū)域上已經(jīng)進入碰撞后伸展階段,與Chen等對晚古生代花崗巖的研究獲得的結(jié)論相似;(3)對賀根山蛇綠巖和相關(guān)長英質(zhì)侵入巖的年代學(xué)和地球化學(xué)研究則顯示古亞洲洋的閉合應(yīng)發(fā)生在300～244Ma之間,這與俯沖-增生雜巖的變質(zhì)作用和A型花崗巖侵位活動時間相吻合;(4)來自早古生代花崗巖類巖石的年代學(xué)資料則反映區(qū)域上存在中奧陶世的大洋板片俯沖.這些研究結(jié)果反映大興安嶺地區(qū)經(jīng)歷了古亞洲洋的多期次而復(fù)雜的俯沖作用,如何理解不同期次俯沖作用的影響及其與區(qū)域顯生宙地殼增生作用的關(guān)系已成為當前探討中亞造山帶構(gòu)造格局演化的重要研究方向之一.大石寨組火山巖(在林西一帶稱為額里圖組,內(nèi)蒙古地質(zhì)礦產(chǎn)局)是大興安嶺地區(qū)分布最廣的、曾經(jīng)被認為形成于二疊紀的碰撞后巖漿產(chǎn)物(圖1)然而對于該組火山巖的形成時代,可靠的年代學(xué)資料仍缺乏.如Zhu等運用Rb-Sr等時線法報道了林西輝綠巖墻/脈的形成年齡為271Ma,由于該年齡采用了玄武巖和英安-流紋巖樣品一起來建立Rb-Sr等時線,所獲得的年齡數(shù)據(jù)是否可靠仍值得懷疑.最近Zhang等報道了錫林浩特一帶二疊紀雙峰式火山巖的鋯石U-Pb年齡,認為區(qū)域上存在與巖石圈伸展作用相關(guān)的晚古生代巖漿活動.在大石寨組建組剖面地點內(nèi)蒙古大石寨鎮(zhèn)周邊出露了一套遭受不同程度蝕變和輕微變質(zhì)的玄武巖,與前人所報道的其他地點二疊紀玄武巖存在明顯差異.對于該套巖石的形成時代和動力學(xué)背景,目前仍沒有可靠的年代學(xué)和地球化學(xué)資料.本文選擇大石寨組火山巖的建組地點—大石寨鎮(zhèn)西山剖面的玄武巖開展了SHRIMP鋯石U-Pb定年、主量、微量元素和Sr-Nd-Hf同位素研究,以限定該組火山巖的噴發(fā)時間和理解其巖石成因.1碰撞后火山巖巖石圈的組成大石寨組火山巖分布于索倫山-賀根山和溫都爾廟-西拉木倫河兩條古縫合帶之間,呈北東向分布,該組巖石主要由一套中基性-酸性火山巖和沉積巖組成.目前對該組火山巖的劃分依據(jù)仍不清楚,在巖石類型上各地也不盡相同,如呂志誠等研究了林西地區(qū)的一套中基性熔巖和細碧-角斑巖組合,認為其巖石成因為裂陷槽弧后盆地局部拉張的構(gòu)造環(huán)境.Zhu等認為大石寨組玄武巖和中酸性火山巖形成于碰撞后伸展環(huán)境,最近Zhang等對錫林浩特一帶雙峰式火山巖的鋯石U-Pb定年結(jié)果為280Ma左右,認為是區(qū)域進入碰撞后巖石圈伸展階段的重要標志.在大石寨鎮(zhèn)-猛鷲山一帶,大石寨建組剖面的火山巖則主要由一套蝕變和輕微變質(zhì)的玄武巖組成.本文分析的玄武巖樣品采自大石寨鎮(zhèn)西山剖面(地理坐標為46°20′06.6″N,121°23′38.4″E),火山巖層呈層狀-似層狀產(chǎn)出,東南傾向,傾角變化在35°～40°,底部火山層巖觀察到明顯的綠泥石、綠簾石化海水蝕變和輕微變質(zhì)現(xiàn)象,下限不清楚(圖1(b));上部火山巖層破碎、劈理化嚴重,有明顯的千枚巖-板巖化低級變質(zhì)作用,并被晚期的長英質(zhì)細脈穿插,上覆地層為吳家屯組灰黑色、灰綠色板巖;上、下兩巖性段呈整合接觸.其中樣品21WLHT24～29采自剖面的下部,21WLHT7～16采自剖面上段.樣品均為灰綠-深綠色輕微變質(zhì)熔巖(在索倫幅1:20萬地質(zhì)圖中定名為安山巖或變質(zhì)安山巖1)),塊狀結(jié)構(gòu),斑狀結(jié)構(gòu),斑晶主要為輝石和斜長石,并存在不同程度的綠泥石化和高嶺土化,基質(zhì)為隱晶質(zhì)-間隱至變晶結(jié)構(gòu),為千枚巖-板巖化低級變質(zhì)作用所致.這套巖石所顯示出的變質(zhì)和變形特征與前人所研究的二疊紀玄武巖樣品(如玄武巖、細碧角斑巖以及輝長-輝綠巖墻)存在差異.2地質(zhì)分析方法鋯石從大約20kg的第二組玄武巖樣品中通過破碎和人工重砂的方法分選出來,整個分選過程在無污染的流程中進行,經(jīng)過人工重礦物分離和雙目顯微鏡下挑選出約60顆鋯石.鋯石的U-Pb年代學(xué)分析在中國地質(zhì)科學(xué)院離子探針中心的SHRIMPⅡ上完成.具體的分析流程見文獻.樣品的主量、微量元素和Sr-Nd-Hf同位素分析分別在中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所完成,相關(guān)的分析技術(shù)見文獻.主量元素分析在RigakuZSX100e型X射線熒光光譜儀上測定,分析誤差總體約在1%;微量元素分析在電感藕合等離子質(zhì)譜儀ICP-MSELAN6000上進行,分析誤差在5%～10%之間.Sr-Nd同位素比值在MicroMassISOPROBE型多接收電感耦合等離子質(zhì)譜儀(MC-ICPMS)上測定.Hf同位素比值在Neptune多接收電感耦合等離子質(zhì)譜儀上完成.在Sr-Nd-Hf同位素分析的樣品預(yù)處理中,我們采用了酸淋濾方法,以減少后期蝕變作用尤其是對Sr同位素比值的影響.3分析的結(jié)果3.1鋯石的年代學(xué)所分選出的鋯石呈長柱狀(長寬比大于2.0),透明,巖漿環(huán)帶清晰,為典型的巖漿結(jié)晶鋯石(圖2(a))16個分析鋯石給出238U/206Pb表面年齡在405～522Ma之間,其中一顆具渾圓狀鋯石給出最大表面年齡為(522±6)Ma(表1,15號分析點),屬于捕獲鋯石(圖2(a)).其他的鋯石給出相似的年齡,但鑒于部分鋯石具有高U特點,在年齡計算中,我們剔除了4顆高U鋯石,其他11顆鋯石給出了(439±3)Ma(n=11MSWD=1.5)的平均年齡(圖2(b)和(c)),代表了鋯石結(jié)晶的年齡,該年齡大體反映了大石寨玄武巖的噴發(fā)時間.該年齡與Jian等報道的內(nèi)蒙古島弧閃長巖-石英閃長巖的年齡(451～440Ma)接近.3.2蝕變和低場強元素地球化學(xué)特征根據(jù)野外和室內(nèi)顯微鏡下觀察結(jié)果,大石寨組玄武巖經(jīng)歷了較強烈的低溫地表蝕變和輕微變質(zhì)作用,這些后期改造作用對于一些活潑元素(如K,Rb,Ba,U,Pb等)將產(chǎn)生嚴重影響.因此,在本文的地球化學(xué)特征描述和討論中,我們將盡量避免用這些元素或比值來討論其巖石成因,而主要討論在蝕變和低級變質(zhì)過程中受影響小的REE,Th和高場強元素的地球化學(xué)變化特征.盡管Sr同位素比值同樣會受到蝕變作用的影響,所分析的Sr同位素比值相對較低,同時在同位素樣品的溶解前進行了酸淋濾,我們認為所計算的Sr同位素比值大致反映了巖石形成時的Sr同位素組成.3.3巖石蝕變過程根據(jù)其巖石地球化學(xué)特征、巖漿演化趨勢和同位素組成的差異,我們將大石寨組火山巖劃分為兩組:第一組玄武巖具有相對高TiO2,MgO和相容元素,低Sr和Th含量,并具有很高的放射成因Nd和Hf;第二組相對第一組玄武巖低TiO2,MgO和相容元素,高Sr和Th含量,略低放射成因Nd和Hf.兩組玄武巖的SiO2變化范圍相似(無燒失量100%標準化后,第一組玄武巖的SiO2變化在49.7%～55.0%,第二組為49.7%～55.3%之間),但在SiO2對主量、微量元素圖上明顯地顯示出不同的變化趨勢,暗示兩類玄武巖之間可能不存在分異演化關(guān)系(圖3).大石寨組兩類玄武巖總體上顯示出島弧型微量元素地球化學(xué)特征,富集Th,Sr和LREE而虧損HFSE(圖4),其中第二組相對第一組的Nb-Ta虧損程度更加顯著,并顯示出相對高Th/La,Th/Nb和La/Nb比值(表2).此外,兩組玄武巖所顯示出的K和Rb虧損特征顯然是巖石蝕變過程造成了K和Rb丟失.3.4島弧玄武巖鋯石u-pb年齡大石寨組兩類玄武巖總體上顯示出高放射成因Nd和Hf,以及低87Sr/86Sr(i)比值(表3和圖5),其中第一組玄武巖總體上顯示出現(xiàn)代MORB和IzuBonin-Mariana島弧玄武巖的Sr-Nd-Hf特征,其87Sr/86Sr(i)為0.7028～0.7032,εNd(t)=+9.8～+11.2,εHf(t)=+16.1～+18.3,甚至計算出的虧損地幔模式年齡TDM(Nd)和TDM(Hf)都小于其鋯石U-Pb年齡;第二組玄武巖略微高Sr和低Nd和Hf同位素組成,其87Sr/86Sr(i)為0.7037～0.7038,εNd(t)=+5.7～+7.3,εHf(t)=+12.6～+13.0.總體上,兩類玄武巖所顯示出的Sr-Nd-Hf同位素組成特征可能反映它們起源于同位素組成長期虧損的地幔源區(qū).4討論4.1地殼構(gòu)造及構(gòu)造意義由于大石寨玄武巖受到了蝕變和低級變質(zhì)作用影響,如一些在水中易遷移元素K,Rb,Cs,Ba等將從原巖中流失,詳細討論其巖漿演化過程非常困難,但是其低放射成因Sr和高放射成因Nd和Hf,尤其是第一組玄武巖更是表現(xiàn)出現(xiàn)代MORB的Sr-Nd-Hf同位素地球化學(xué)特征,反映其熔融源區(qū)為同位素組成上長期虧損的地幔儲庫,地殼混染或AFC過程對該組玄武巖的影響可以忽略.相對于第一組,第二組玄武巖表現(xiàn)出略高的87Sr/86Sr(i)和低εNd(t)和εHf(t),可能存在地殼混染或AFC過程的貢獻.然而相對于該組玄武巖的SiO2變化范圍(49.7%～55.3%),其Sr(87Sr/86Sr(i)=0.7037～0.7038),Nd(εNd(t)=+5.7～+7.3)和Hf(εHf(t)=+12.6～+13.0)同位素組成變化很小,尤其是不同樣品的176Hf/177Hf測試比值變化與實驗分析誤差很接近(表3),反映該組玄武巖所經(jīng)歷的地殼混染或AFC作用很弱,主要繼承了熔融源區(qū)的特點.兩組玄武巖缺乏明顯的連續(xù)演化趨勢(圖3)以及明顯不同的Th/La,Th/Nb和La/Nb等比值,因此通過地殼混染或AFC過程用來解釋這兩類玄武巖之間的元素-同位素組成差異是不適合的,最有可能反映它們?yōu)椴煌磪^(qū)地幔起源巖漿的演化產(chǎn)物.兩組玄武巖都虧損HFSE(圖4),反映其熔融地幔源區(qū)受到了來自俯沖板片的改造,這與來自區(qū)域奧陶紀島弧閃長巖-埃達克質(zhì)石英閃長巖所記錄的早古生代古亞洲洋俯沖作用相一致.對現(xiàn)代俯沖帶玄武巖的研究認為,島弧原始玄武巖漿所表現(xiàn)出的相對MORB更為富集的同位素組成特征主要源于俯沖沉積物的貢獻.第一組玄武巖以低Sr,Th/La(0.06)和Th/Nb(0.15)比值為特征,其Sr-Nd-Hf同位素特征與現(xiàn)代MORB和俯沖帶玄武巖(如Mariana海溝玄武巖)類似,甚至相對同時代(439Ma)的平均MORB更富放射成因Nd和Hf,反映其熔融地幔源區(qū)基本未受到俯沖沉積物的改造,而且被交代的地幔是經(jīng)歷了長期高度虧損LREE(高Sm/Nd)和Hf(高Lu/Hf)的大洋巖石圈地幔儲庫.這種具有極高εNd(t)值的巖石也見于區(qū)域其他古生代鎂鐵質(zhì)巖石,如石炭紀(約300Ma)賀根山蛇綠巖套的鎂鐵質(zhì)侵入巖組分和早古生代圖林凱蛇綠巖中的變輝長巖和輝石巖,反映古亞洲洋地幔曾經(jīng)歷了大比例的玄武巖漿熔融和抽提作用,并造成了地幔儲庫長期虧損LREE和其他不相容元素.由于俯沖板片脫水流體攜帶Th,Hf和REE的能力有限,因此受俯沖板片流體交代地幔的Nd-Hf同位素組成上的影響較小,仍表現(xiàn)出虧損地幔楔的特征,該類地幔楔熔融形成了具MORB同位素組成的第一組玄武巖.相對地,第二組玄武巖高Th/La(0.10),Th/Nb(0.37)和La/Nb,在Sr-Nd-Hf同位素組成上也略高放射成因Sr和低放射成因Nd和Hf,可能與熔融地幔源區(qū)受到俯沖沉積物的改造程度較高相關(guān).根據(jù)區(qū)域虧損地幔(以賀根山蛇綠巖為代表)和現(xiàn)代俯沖沉積物的Sr-Nd-Hf同位素組成,我們對大石寨兩類玄武巖的熔融源區(qū)進行模擬,其結(jié)果顯示,第一組玄武巖的地幔源區(qū)所需要的俯沖沉積物(以全球俯沖沉積物GLOSS為端員組分)的比例小于0.5%,而第二組玄武巖所需的俯沖沉積物比例為2%～3%(圖5)因此,我們認為大石寨兩類玄武巖的巖石成因最主要是由于熔融地幔源區(qū)差異造成的,造成這種地幔同位素組成的差異主要是由于受到不同程度俯沖沉積物改造作用的結(jié)果.4.2大興安嶺造山后早古生代巖漿-構(gòu)造巖石圈構(gòu)造背景近年來對大興安嶺地區(qū)不同侵入巖類的鋯石U-Pb年代學(xué)的研究結(jié)果顯示,區(qū)域上存在大量的早古生代侵入巖,并給出了不同的構(gòu)造意義解釋.如劉敦一等、石玉若等分別報道了南興安嶺具有埃達克質(zhì)微量元素地球化學(xué)特征的英云閃長巖和鈣堿性閃長-花崗巖,認為是早古生代古亞洲洋俯沖板片的熔融產(chǎn)物;葛文春等在北興安嶺也發(fā)現(xiàn)了早古生代輝長巖和與Cu-Mo密切相關(guān)的花崗閃長巖,認為古生代區(qū)域上發(fā)生了從俯沖消減到碰撞后階段的演化過程,而苗來成等、裴福萍等和施光海等在一些深變質(zhì)雜巖中也發(fā)現(xiàn)了較多的早古生代巖漿鋯石.這些結(jié)果顯示,早古生代中亞造山帶確實存在較強烈的與俯沖作用相關(guān)的巖漿活動.我們本次獲得的大石寨玄武巖鋯石U-Pb年齡以及它們詳細的元素-同位素地球化學(xué)特征為重新認識古亞洲洋在早古生代的演化提供了更為確切的證據(jù).盡管造山后或碰撞后鎂鐵質(zhì)巖石也同樣顯示出島弧巖漿的特點,但大石寨玄武巖所顯示出的類似MORB的Sr-Nd-Hf同位素組成特征與區(qū)域造山后玄武巖漿有明顯的差異.雖然大興安嶺地區(qū)造山后鎂鐵質(zhì)巖漿在演化過程中受到地殼混染和AFC或巖漿混合作用的影響難以排除,但造成這些玄武質(zhì)巖漿相對MORB更高的Sr和低Nd和Hf同位素組成的最主要原因是隨著大洋的消減,俯沖沉積物對地幔楔的改造作用逐漸增強,與此同時造山帶跨塌引起的富集巖石圈組分再循環(huán)到熔融地幔源區(qū).因此我們認為大石寨玄武巖是同俯沖作用形成的,而第一組玄武巖很可能出露于弧前或海溝位置,由俯沖洋殼脫水交代的大洋虧損巖石圈地幔發(fā)生部分熔融而形成;第二組玄武巖則隨著洋殼的持續(xù)俯沖,遠洋沉積物被拖曳到地幔楔,形成了具有相對高Th/REE和Th/HFSE的地幔源區(qū).這兩類玄武巖的同時出露,反映早古生代期間區(qū)域上確實存在古亞洲洋俯沖作用,這與Jian等對早古生代俯沖增生雜巖的研究結(jié)果相吻合.4.3巖漿石圈地方差中亞造山帶是全球顯生宙地殼增生最強烈的地區(qū)之一,出露了大量的具正εNd的古生代和中生代花崗巖和長英質(zhì)噴出巖類.然而目前對于增生的方式和時代仍存在分歧:其中一類觀點認為其主要俯沖增生-碰撞時間發(fā)生在古生代,以弧增生方式為主是古亞洲洋俯沖增生作用的產(chǎn)物,形成了大量的俯沖增生雜巖;另一種觀點則認為除古生代外,中生代仍存在垂向增生,可能與巖石圈拆沉作用相關(guān)Zhang等對錫林浩特地區(qū)二疊紀雙峰式火山巖的研究認為碰撞后階段仍存在顯著的垂向增生作用,其形成機制可能與造山帶跨塌和巖石圈拆沉作用相關(guān).大石寨火山巖廣泛分布于大興安嶺的烏蘭浩特一帶.該組巖石在成因上與古亞洲洋的俯沖作用密切相關(guān),反映早古生代是大興安嶺地區(qū)地殼側(cè)向增生的重要時段;與此同時,該組火山巖所顯示出的高放射成因Nd和Hf,顯然其自身就是早古生代地殼增生的重要組分之一.值得一提的是,我們和此前的研究結(jié)果顯示在不同地區(qū)前人命名的“大石寨組”火山巖獲得了截然不同的形成年齡,從440Ma到270Ma,時間跨度達到150Ma,顯然不合