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    华北板块北缘中段花岗闪长岩-苏长辉长岩的锆石U-Pb年代学、地球化学特征及其形成机制

    王师捷 徐仲元 董晓杰 王挽琼 李鹏川

    王师捷, 徐仲元, 董晓杰, 王挽琼, 李鹏川, 2018. 华北板块北缘中段花岗闪长岩-苏长辉长岩的锆石U-Pb年代学、地球化学特征及其形成机制. 地球科学, 43(9): 3267-3284. doi: 10.3799/dqkx.2017.585
    引用本文: 王师捷, 徐仲元, 董晓杰, 王挽琼, 李鹏川, 2018. 华北板块北缘中段花岗闪长岩-苏长辉长岩的锆石U-Pb年代学、地球化学特征及其形成机制. 地球科学, 43(9): 3267-3284. doi: 10.3799/dqkx.2017.585
    Wang Shijie, Xu Zhongyuan, Dong Xiaojie, Wang Wanqiong, Li Pengchuan, 2018. Geochemical Characteristics and Zircon U-Pb Age of the Granodiorite-Norite Gabbro in the Northern Margin of the North China Block and Their Formation Mechanism. Earth Science, 43(9): 3267-3284. doi: 10.3799/dqkx.2017.585
    Citation: Wang Shijie, Xu Zhongyuan, Dong Xiaojie, Wang Wanqiong, Li Pengchuan, 2018. Geochemical Characteristics and Zircon U-Pb Age of the Granodiorite-Norite Gabbro in the Northern Margin of the North China Block and Their Formation Mechanism. Earth Science, 43(9): 3267-3284. doi: 10.3799/dqkx.2017.585

    华北板块北缘中段花岗闪长岩-苏长辉长岩的锆石U-Pb年代学、地球化学特征及其形成机制

    doi: 10.3799/dqkx.2017.585
    基金项目: 

    吉林大学研究生创新基金资助项目 2017092

    国家自然科学基金项目 41272223

    中国地质调查局项目 DD20189614

    国家自然科学基金项目 41402169

    详细信息
      作者简介:

      王师捷(1993-), 男, 博士研究生, 主要从事构造地质学研究

      通讯作者: 徐仲元
    • 中图分类号: P581;P597

    Geochemical Characteristics and Zircon U-Pb Age of the Granodiorite-Norite Gabbro in the Northern Margin of the North China Block and Their Formation Mechanism

    • 摘要: 华北板块北缘中段土牧尔台地区发育大量的酸性侵入岩,仅局部出露一些苏长辉长岩岩体.前人对该基性岩岩体的研究较少,且缺少其与周围同时代酸性侵入岩演化关系的讨论.基于年代学和地球化学方法,锆石U-Pb测年结果显示,花岗闪长岩年龄为275.3±2.6 Ma,苏长辉长岩为270.1±4.2 Ma,两者均为早二叠世产出.苏长辉长岩贫硅(SiO2=46.2%~49.8%)和高场强元素(Nb、Ti、Zr等),富Mg#(59.16~67.58)和大离子亲石元素(Cs、Ba、Sr等),具有较低的稀土总量和较平缓的配分曲线,及Eu正异常(δEu=1.02~2.41),显示幔源侵入岩的特点;花岗闪长岩SiO2含量在65.6%~67.0%之间,K2O含量为3.71%~4.15%,为准铝质系列(A/CNK=0.94~0.98),属于高钾钙碱性I型花岗岩.样品富集轻稀土、大离子亲石元素(Cs、Rb、K等),亏损重稀土元素、高场强元素(Nb、Ti、Th等),存在Eu负异常(δEu=0.61~0.69),具有大陆弧火山岩的特征,同时岩石中存在镁铁质包体,表明其岩浆来源是壳幔混源的.两者的时空关系及地球化学特征显示,基性岩浆来自于受俯冲流体交代的亏损岩石圈地幔,底侵加热地壳产生花岗质岩浆并与之发生混合作用.结合区域研究背景,表明花岗闪长岩-苏长辉长岩岩体形成于俯冲的构造背景下,且在早二叠世,古亚洲洋仍未闭合.
    • 图 1  内蒙中部区域构造简图(a)和研究区地质简图(b, c)

      Figure 1.  Regional tectonic sketch of middle Inner Mongolia (a) and regional geological sketch of the study area (b, c)

      图a据Xiao et al.(2003)

      图 2  花岗闪长岩和苏长辉长岩的野外和镜下照片

      Figure 2.  Specimen photos and photomicrographs of the granodiorite and norite gabbro

      a.花岗闪长岩野外照片;b, c.花岗闪长岩中包体;d.苏长辉长岩野外照片;e.花岗闪长岩正交偏光照片;f.苏长辉长岩正交偏光照片.Am.角闪石;Pl.斜长石;Bi.黑云母;Cpx.单斜辉石;Hy.紫苏辉石;Ol.橄榄石

      图 3  锆石阴极发光照片

      Figure 3.  CL images of the dated zircons for granodiorite and norite gabbro

      图 4  花岗闪长岩与苏长辉长岩的锆石U-Pb谐和图

      Figure 4.  Concordia diagrams showing zircon U-Pb dating results of granodiorite and norite gabbro

      图 5  花岗闪长岩和苏长辉长岩的TAS(a)和SiO2-K2O图解(b)

      Figure 5.  TAS diagram (a) and SiO2-K2O diagram (b) for the granodiorite and norite gabbro

      图a据Bas et al.(1986);图b据Peccerillo and Taylor(1976)

      图 6  花岗闪长岩和苏长辉长岩的稀土元素配分模式(a, c)和微量元素蛛网图(b, d)

      Figure 6.  The REE distribution patterns (a, c) and the spider diagrams (b, d) of trace elements ratio of granodiorite and norite gabbro

      图a, c中的标准化值据Boynton(1984);图b, d中的标准化值据Sun and McDonough(1989);阴影统计数据Zhang et al.(2009a, 2009b)罗红玲等(2009)

      图 7  华北板块北缘二叠纪火成岩分布

      Figure 7.  The distribution of the Permian igneous rocks in the northern margin of the North China Block

      年龄数据据表 3

      图 8  苏长辉长岩的La/Ba-La/Nb图解(a)和Ba/La-Th/Yb图解(b)

      Figure 8.  La/Ba vs La/Nb (a) and Ba/La vs Th/Yb (b) diagrams for the norite gabbro

      图a据Saunders et al.(1992);图b据Woodhead et al.(2001)

      图 9  苏长辉长岩的Dy/Yb-La/Yb图解(a)和(Tb/Yb)N-(La/Sm)N图解(b)

      Figure 9.  Dy/Yb vs La/Yb (a) and (Tb/Yb)N vs (La/Sm)N (b) diagrams for the norite gabbro

      图a据Yang et al.(2007);图b据Zhang et al.(2008)

      图 10  I-A型花岗岩判别图

      Figure 10.  I-A type granite discrimination diagram

      Whalen et al.(1987)

      图 11  花岗闪长岩和苏长辉长岩Harke图解

      Figure 11.  Harke diagrams for compositions of the granodiorite and norite gabbro

      图 12  花岗闪长岩和苏长辉长岩协变图解

      Figure 12.  Covariant diagrams for compositions of the granodiorite and norite gabbro

      Barth et al.(2000)

      图 13  苏长辉长岩和花岗闪长岩的构造判别图解

      Figure 13.  The discrimination diagrams for the norite gabbro and granodiorite

      图a据Wood et al.(1979);图b据Pearce et al.(1984)

      图 14  早二叠世华北板块北缘构造环境示意图和岩浆演化模式

      Figure 14.  Schematic diagram of tectonic setting for the northern margin of North China Block during Early Permian and schematic diagram of mechanism in formation of the magma

      Xiao et al.(2003)Chen et al.(2016)修改

      表 1  花岗闪长岩和苏长辉长岩的锆石U-Pb定年数据

      Table 1.  Zircon age data for the granodiorite and norite gabbro

      样品 含量(10-6) Th/U 同位素比值 年龄(Ma)
      Th U 207Pb/206Pb 1δ 207Pb/235U 1δ 206Pb/238U 1δ 208Pb/232Th 1δ 206Pb/238U 1δ
      P27N2-1
      1 178 326 0.56 0.051 97 0.032 62 0.303 64 0.069 84 0.044 00 0.019 02 257.3 14.6 277.6 5.2
      2 205 380 0.56 0.053 19 0.029 85 0.288 08 0.106 45 0.044 40 0.019 29 250.8 20.8 280.0 5.3
      3 159 265 0.62 0.053 35 0.035 11 0.285 03 0.064 53 0.043 50 0.019 27 251.9 11.8 274.5 5.2
      4 105 207 0.52 0.051 29 0.038 30 0.234 16 0.073 94 0.043 12 0.019 76 226.8 12.7 272.1 5.3
      5 132 210 0.65 0.055 42 0.049 85 0.299 01 0.079 94 0.042 96 0.019 95 249.1 13.1 271.2 5.3
      6 202 365 0.57 0.051 99 0.032 94 0.295 38 0.064 09 0.043 19 0.020 19 260.5 12.7 272.6 5.4
      7 99 173 0.59 0.054 69 0.042 94 0.311 56 0.062 13 0.043 60 0.020 27 271.4 12.9 275.1 5.5
      8 221 337 0.68 0.051 37 0.032 00 0.312 88 0.038 61 0.043 46 0.018 61 267.4 8.2 274.2 5.0
      9 241 438 0.57 0.053 76 0.032 97 0.339 86 0.039 07 0.044 76 0.018 20 300.3 8.8 282.3 5.0
      10 181 238 0.78 0.054 09 0.047 90 0.283 42 0.088 78 0.043 16 0.019 73 261.9 12.4 272.4 5.3
      11 147 281 0.54 0.053 55 0.034 57 0.327 08 0.039 68 0.044 30 0.019 48 283.5 9.5 279.4 5.3
      12 242 380 0.66 0.052 95 0.029 26 0.337 04 0.036 66 0.045 26 0.018 44 285.2 11.1 285.4 5.1
      13 125 214 0.60 0.055 09 0.038 31 0.295 87 0.071 57 0.043 08 0.019 83 251.8 13.5 271.9 5.3
      14 111 216 0.53 0.053 43 0.039 50 0.269 82 0.116 28 0.042 30 0.020 44 234.0 22.1 267.1 5.3
      15 173 278 0.64 0.054 07 0.034 04 0.274 83 0.063 19 0.043 28 0.019 18 243.5 10.9 273.1 5.1
      P27N9-4
      1 101 186 0.54 0.054 43 0.005 33 0.322 23 0.030 03 0.043 62 0.001 04 246.5 14.6 275.2 6.5
      2 139 224 0.62 0.049 36 0.003 45 0.280 07 0.021 26 0.040 87 0.000 74 233.8 12.1 258.2 4.6
      3 331 605 0.55 0.054 43 0.001 97 0.319 30 0.010 41 0.042 99 0.000 61 233.3 5.9 271.3 3.8
      4 340 329 1.03 0.051 05 0.002 00 0.295 68 0.010 89 0.042 39 0.000 46 228.1 4.8 267.6 2.9
      5 127 318 0.40 0.056 57 0.002 33 0.335 60 0.014 00 0.043 03 0.000 50 229.6 8.8 271.6 3.1
      6 183 296 0.62 0.053 21 0.002 12 0.315 79 0.011 75 0.043 60 0.000 74 238.8 7.7 275.1 4.6
      7 141 147 0.96 0.053 92 0.005 56 0.320 76 0.032 07 0.044 28 0.002 44 226.8 16.5 279.3 15.1
      8 120 195 0.61 0.054 28 0.002 33 0.320 50 0.013 27 0.043 40 0.000 66 249.3 9.9 273.8 4.1
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      表 2  花岗闪长岩和苏长辉长岩的主量元素(%)和微量元素(10-6)分析结果

      Table 2.  Maior (%), trace elements (10-6) compositions for the granodiorite and norite gabbro

      岩性 花岗闪长岩 苏长辉长岩
      样品号 P27H2-1 P27H4-1 P27H4-2 P27H4-3 P27H4-4 P27H9-1 P27H9-2 P27H9-3 P27H9-4 T2014-5 T2014-6
      SiO2 65.6 66.3 66.2 67.0 66.8 49.8 47.0 46.6 46.2 48.1 47.8
      Al2O3 15.65 15.45 15.25 15.45 15.20 19.65 25.10 25.70 23.6 16.45 18.30
      Fe2O3 4.26 4.11 4.04 4.05 4.13 7.87 5.08 4.97 5.53 10.20 9.21
      CaO 3.49 3.40 3.67 3.55 3.43 11.00 15.40 15.55 15.35 10.70 11.30
      MgO 1.98 1.94 1.90 1.90 1.92 7.00 4.79 4.47 5.82 7.46 6.80
      K2O 3.78 4.15 3.77 3.87 3.71 0.92 0.28 0.20 0.19 0.98 1.13
      Na2O 3.41 3.24 3.37 3.41 3.37 1.95 1.16 1.16 1.08 2.19 1.80
      TiO2 0.54 0.51 0.51 0.50 0.51 0.51 0.30 0.41 0.28 1.08 0.76
      MnO 0.07 0.06 0.06 0.06 0.06 0.12 0.09 0.08 0.09 0.18 0.15
      P2O5 0.13 0.12 0.12 0.12 0.12 0.10 0.04 0.06 0.04 0.28 0.20
      LOI 0.49 0.47 0.66 0.55 0.58 1.22 0.75 0.96 1.28 1.42 1.51
      Total 99.64 99.98 99.74 100.70 100.05 100.30 100.20 100.40 99.74 99.25 99.17
      Mg# 47.94 48.32 48.23 48.17 47.94 63.79 65.13 64.05 67.58 59.16 59.39
      La 36.0 50.4 47.1 50.8 48.1 17.3 5.5 6.9 4.8 18.4 15.6
      Ce 67.4 91.0 85.3 91.9 86.2 32.8 11.4 13.4 8.9 43.7 34.2
      Pr 6.76 9.09 8.63 9.06 8.63 3.54 1.25 1.53 0.98 5.75 4.38
      Nd 23.5 30.6 29.6 30.7 29.2 13.0 5.2 6.2 4.2 23.9 17.8
      Sm 4.11 5.26 5.23 5.24 5.05 2.55 1.14 1.33 0.97 5.22 3.89
      Eu 0.88 1.08 0.99 1.07 0.99 1.03 0.81 0.81 0.81 1.77 1.42
      Gd 3.74 4.69 4.78 4.60 4.49 2.57 1.19 1.46 1.09 5.41 4.04
      Tb 0.50 0.62 0.62 0.64 0.61 0.34 0.18 0.19 0.16 0.74 0.52
      Dy 3.20 3.84 3.87 3.98 3.78 2.23 1.06 1.21 0.99 4.53 2.96
      Ho 0.63 0.75 0.76 0.76 0.71 0.43 0.22 0.23 0.20 0.94 0.61
      Er 2.06 2.49 2.64 2.62 2.42 1.38 0.65 0.63 0.63 2.64 1.81
      Tm 0.21 0.33 0.37 0.39 0.35 0.17 0.08 0.10 0.07 0.38 0.23
      Yb 1.91 2.28 2.44 2.50 2.38 1.21 0.63 0.53 0.61 2.35 1.49
      Lu 0.27 0.33 0.35 0.37 0.33 0.17 0.09 0.08 0.07 0.38 0.26
      Y 19.1 22.6 23.2 23.8 22.5 12.4 6.1 6.1 5.6 26.2 17.3
      Rb 118.0 144.5 148.0 155.5 145.0 30.4 11.0 5.5 6.4 29.6 48.4
      Sr 275 334 315 311 322 516 545 644 544 605 698
      Ba 860 1185 936 970 911 346 130 133 101 236 343
      U 0.90 1.09 2.06 1.51 1.42 0.55 0.17 0.14 0.10 0.49 0.86
      Th 13.80 15.90 18.05 19.45 20.50 4.08 0.89 0.72 0.53 2.39 2.59
      Nb 7.8 8.9 9.9 9.5 9.5 4.3 1.3 1.5 0.8 6.9 4.5
      Ta 0.4 0.6 0.9 1.0 0.7 0.3 0.2 0.2 0.2 0.3 0.3
      Zr 253 240 222 231 243 95 32 26 19 90 67
      Cr 50 80 70 70 80 110 280 240 300 220 110
      V 860 1185 936 970 911 158 170 159 214 315 249
      Hf 6.8 6.5 6.3 6.5 6.7 2.6 0.9 0.8 0.7 3.0 2.1
      ∑REE 151.17 202.76 192.68 204.63 193.24 78.72 29.4 34.6 24.48 116.11 89.21
      LREE/HREE 126.47 182.31 148.57 149.23 135.97 8.26 6.17 6.81 5.41 5.68 6.48
      (La/Yb)N 12.71 14.9 13.01 13.70 13.63 9.64 5.89 8.78 5.31 5.28 7.06
      δEu 0.69 0.66 0.61 0.67 0.64 1.23 2.13 1.78 2.41 1.02 1.10
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      表 3  华北板块北缘二叠纪火成岩年龄汇总

      Table 3.  Summary of ages of the Permian igneous rocks in the northern margin of the North China Block

      序号 样品号 纬度 经度 采样位置 岩性 年龄(Ma) 测试方法 来源
      侵入岩
      1 D490 41°03′57″ 117°20′22″ 波罗诺 角闪辉长岩 297±1 LA-ICP-MS Zhang et al., 2009b
      2 WZ08 41°39′58″ 108°50.28′ 乌拉特中旗 花岗闪长岩 291±4 SHRIMP 罗红玲等,2007
      3 05A06 40°50.35′ 113°37.14′ 喇嘛沟门 闪长岩 288±5 SHRIMP 王慧初等,2007
      4 D079-1 41°01′37″ 117°06′17″ 凌营 花岗闪长岩 288±4 LA-ICP-MS Zhang et al., 2009a
      5 ZL21C 40°59′ 115°39′ 赤城 二长花岗岩 287±1 LA-ICP-MS 王芳等,2009
      6 D464 40°57′29″ 116°45′08″ 五道营子 闪长岩 283±2 LA-ICP-MS Zhang et al., 2009a
      7 T1 109°3.9′ 41°54.7′ 乌拉特中旗 黑云母二长花岗岩 279±3 LA-ICP-MS 王挽琼等,2013
      8 ZQ05-06 41°20′33″ 108°11′13″ 乌梁斯太 花岗岩 277±3 SHRIMP 罗红玲等,2009
      9 99-7 113.61° 42.42° 镶黄旗 黑云角闪石英闪长岩 277.2±2.9 LA-ICP-MS 童英等,2010
      10 D252 116°55.5′ 41°03.3′ 厢黄旗 辉长岩 276±2 SHRIMP Zhang et al., 2009a
      11 SL04-28 108°05.3′ 41°31.7′ 乌拉特中旗 辉长岩 269±8 SHRIMP 赵磊等,2011
      12 06B195 - - 白云鄂博 花岗闪长岩 269±3 LA-ICP-MS 范宏瑞等,2009
      13 NM08-59 41°44′49″ 110°31′39″ 达茂旗 正长花岗岩 268±2 LA-ICP-MS 冯丽霞等,2013
      14 BJG1 41°35′ 111°9.6′ 四子王旗 正长花岗岩 264±3.4 LA-ICP-MS 柳长峰等,2010
      火山岩
      15 G3117-12 41°46′ 113°11′ 土牧尔台 玄武安山岩 278.9±1.1 LA-ICP-MS 未发表数据
      16 07057-1 41°50.62′ 112°51.18′ 三井泉乡 流纹质凝灰岩 276±2 LA-ICP-MS Zhang et al., 2016
      17 07D024-1 42°24.40′ 119°41.58′ 赤峰 安山岩 273±6 SHRIMP Zhang et al., 2016
      18 P28N9-1 41°45′53″ 113°13′49″ 西井子 流纹岩 269.5±3.4 LA-ICP-MS 董晓杰等,2016
      19 - - - 白云鄂博 安山岩 265.9 K-Ar 许立权,2005
      20 08485-1 41°59′33″ 111°34′24″ 达茂旗 流纹岩 264±2 LA-ICP-MS Zhang et al., 2016
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    出版历程
    • 收稿日期:  2018-01-09
    • 刊出日期:  2018-09-01

    华北板块北缘中段花岗闪长岩-苏长辉长岩的锆石U-Pb年代学、地球化学特征及其形成机制

      通讯作者: 徐仲元, xuzy@jlu.edu.cn
      作者简介: 王师捷(1993-), 男, 博士研究生, 主要从事构造地质学研究
    • 1. 吉林大学地球科学学院, 吉林长春 130061
    • 2. 西南石油大学地球科学与技术学院, 四川成都 610500
    基金项目:  吉林大学研究生创新基金资助项目 2017092国家自然科学基金项目 41272223中国地质调查局项目 DD20189614国家自然科学基金项目 41402169

    摘要: 华北板块北缘中段土牧尔台地区发育大量的酸性侵入岩,仅局部出露一些苏长辉长岩岩体.前人对该基性岩岩体的研究较少,且缺少其与周围同时代酸性侵入岩演化关系的讨论.基于年代学和地球化学方法,锆石U-Pb测年结果显示,花岗闪长岩年龄为275.3±2.6 Ma,苏长辉长岩为270.1±4.2 Ma,两者均为早二叠世产出.苏长辉长岩贫硅(SiO2=46.2%~49.8%)和高场强元素(Nb、Ti、Zr等),富Mg#(59.16~67.58)和大离子亲石元素(Cs、Ba、Sr等),具有较低的稀土总量和较平缓的配分曲线,及Eu正异常(δEu=1.02~2.41),显示幔源侵入岩的特点;花岗闪长岩SiO2含量在65.6%~67.0%之间,K2O含量为3.71%~4.15%,为准铝质系列(A/CNK=0.94~0.98),属于高钾钙碱性I型花岗岩.样品富集轻稀土、大离子亲石元素(Cs、Rb、K等),亏损重稀土元素、高场强元素(Nb、Ti、Th等),存在Eu负异常(δEu=0.61~0.69),具有大陆弧火山岩的特征,同时岩石中存在镁铁质包体,表明其岩浆来源是壳幔混源的.两者的时空关系及地球化学特征显示,基性岩浆来自于受俯冲流体交代的亏损岩石圈地幔,底侵加热地壳产生花岗质岩浆并与之发生混合作用.结合区域研究背景,表明花岗闪长岩-苏长辉长岩岩体形成于俯冲的构造背景下,且在早二叠世,古亚洲洋仍未闭合.

    English Abstract

    • 中亚造山带作为全球范围内显生宙增生最为强烈的地区之一(Sengör and Natal'in, 1996; Windley et al., 2007肖文交等,2008),一直被学者们持续广泛地关注(Xiao et al., 2003, 2009; Chen et al., 2009; Zhao et al., 2013).它的形成与古亚洲洋的演化紧密相关,自早古生代以来,经历了大洋俯冲、微陆块的拼合、大陆板块碰撞、造山带垮塌和拉张等演化阶段(Dobretsov et al., 1995),是目前为止时间最长,构造-岩浆演化最为复杂的造山带.其中广泛的岩浆活动,记录了古亚洲洋近10亿年的演化历程.

      兴蒙造山带作为中亚造山带的重要一段,一直是了解该区域演化历史的重要窗口.其中大面积的火成岩,是古亚洲洋闭合时限及最终位置的天然记录,并常被用来恢复该地区的古大地构造环境(Zhang et al., 2011),而二叠纪到早三叠世之间的火成岩尤其发育(张拴宏等,2010).现在大多数学者认同索伦缝合带为其最终碰撞及缝合位置(Xiao et al., 2003, 2009; Li, 2006),但对于碰撞时限目前主要有两种认识:(1)部分学者认为碰撞发生在泥盆纪或中晚泥盆世-石炭纪(Jahn et al., 2009; Zhang et al., 2010; Xu et al., 2013王键等,2016);(2)另一部分学者则认为碰撞发生在二叠纪-早三叠世初(Xiao et al., 2003; Zhang et al., 2011; Liu et al., 2013刘敏等,2017).

      虽然前人对缝合带内大面积的岩浆岩进行了较详尽的研究,获得了大量年龄和地球化学数据,但主要以长英质岩石为主,少见基性侵入岩.而本文所研究岩体,为空间上相邻的花岗闪长岩与苏长辉长岩,既可以补充该区域内基性侵入岩上的研究不足,又可以进一步探究两者的成因与区域大地构造关系.为此,本文在1:5万土牧尔台等4幅填图的基础上,结合野外产状,年代学研究和地球化学特征等,进一步确定了两者形成时代和构造背景,为华北板块北缘中段晚古生代构造演化提供新的依据.

      • 研究区位于内蒙古自治区乌兰察布盟中北部和锡林郭勒盟西南一隅,土牧尔台镇附近,地处内蒙古高原上,地势相对平坦.大地构造位置位于中亚造山带东南段,华北板块北缘,区域上以赤峰-白云鄂博断裂为界,与温都尔庙俯冲增生杂岩带和白乃庙岛弧所构成的南部造山带相邻(图 1a).其中主要出露小面积新元古界及古生代地层,主要有白云鄂博群、阿牙登组、拴马桩组和苏吉组.其中白云鄂博群为前寒武纪沉积地层,通常被认为是华北板块北缘中-新元古代大陆边缘裂谷带的一部分;阿牙登组为一套早古生界含动物化石的海相碎屑岩-灰岩建造;晚古生界的拴马桩组为一套陆相碎屑岩,苏吉组为一套同时期的火山岩.多数地层受岩浆活动和构造运动破坏,或被新生代地层严重覆盖,出露不完整,往往不见其顶底;新生界出露比较广泛.研究区出露大面积的晚古生代侵入岩,岩体形态各异,岩石种类多样,辉长岩-闪长岩-花岗岩均有出现,但区域上仍以花岗质岩石面积最广(图 1b).

        图  1  内蒙中部区域构造简图(a)和研究区地质简图(b, c)

        Figure 1.  Regional tectonic sketch of middle Inner Mongolia (a) and regional geological sketch of the study area (b, c)

      • 本文所研究的花岗闪长岩-苏长辉长岩岩体,位于研究区西井子乡西侧,属于区内一个规模较小的岩体.野外地质调查显示:苏长辉长岩呈岩株状产出,出露面积不足1.5 km2;花岗闪长岩面积较大,呈东西向分布(图 1b1c).两者的接触界线并不清晰且并未见冷凝边,岩体内矿物也没有明显粒度变化.但在接触界线附近的花岗闪长岩中,可见几厘米到几十厘米形状不规则的苏长辉长岩捕掳体,且其周围也无淬冷边,笔者推测两者可能是同时期或者花岗闪长岩稍晚一些.同时花岗闪长岩侵入到白云鄂博群和早二叠世花岗斑岩中,后期被中二叠世花岗岩侵入(图 1c).

        花岗闪长岩:风化面为浅灰白色,新鲜面为灰白色,细粒花岗结构,普遍可见细粒黑云闪长岩包体(图 2a, 2b),块状构造(图 2c).主要造岩矿物为斜长石(40%~50%)、微斜长石(10%~15%)、石英(15%~20%)、黑云母(15%~20%)和少量角闪石(少于5%).其中斜长石可见环带结构(图 2e),部分样品局部含有少量的针柱状磷灰石和双锥锆石副矿物.笔者野外采集了5块花岗闪长岩样本(P27H2-1、P27H4-1、P27H4-2、P27H4-3、P27H4-4),对其进行全岩主量和微量元素分析,另采集1块新鲜且体积较大的样本P27N2-1(113°11′07″E,41°47′01″N),进行SHRIMP锆石定年研究,采样位置如图 1c所示.

        图  2  花岗闪长岩和苏长辉长岩的野外和镜下照片

        Figure 2.  Specimen photos and photomicrographs of the granodiorite and norite gabbro

        苏长辉长岩:风化面为浅灰色,新鲜面为灰黑色,细粒辉长结构,块状构造(图 2d).主要矿物为斜长石(50%~60%)、普通辉石(15%~20%)、紫苏辉石(10%~15%),橄榄石、黑云母和角闪石含量不足5%(图 2f),部分橄榄石发生蛇纹石化.野外采集6块苏长辉长岩样品,采样位置如图 1c所示,其中T2014-5、T2014-6、P27b9-1为靠近接触界线附近样品,P27b9-2、P27b9-3、P27b9-4为岩体中的样本.对后三者中形态较好、解理清晰的斜长石进行光轴角(010)∧Np′的测定,分别为38°、30°、30°,查表可知均为拉长石.对所有的6块样品进行全岩主量和微量元素分析,另采集1块新鲜且体积足够大的样本P27N9-4(113°10′29″E,41°48′33″N)进行LA-ICP-MS锆石定年研究.

      • 在河北省廊坊市区域地质调查所实验室进行了锆石挑选,中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心进行制靶和阴极发光(CL)图像的采集.LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析在中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成.具体测试方法、详细分析步骤见李怀坤等(2009).整个数据处理过程中,采用208Pb对普通铅进行校正,利用NIST612玻璃标样计算锆石样品的Pb、U、Th含量.

        SHRIMP锆石U-Pb同位素分析在中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心用SHRIMP Ⅱ型离子探针测定.在分析过程中,应用标准锆石TEM进行元素间的分馏校正,Pb/U校正公式采用Pb/U=A(UO/U)2(Claoue-long et al., 1995),详细的SHRIMP分析方法和过程参阅Claesson(1987).以上数据的处理和谐和图的绘制均采用ISOPLOT程序(Ludwig, 2003).

        岩石化学分析在国家地质实验测试中心和广州澳实矿物实验室完成,主量元素采用X-荧光光谱法(XRF)分析,LOI为1 000 ℃烧蚀;稀土和微量元素则采用电感偶合等离子质谱仪(ICP-MS)分析方法,将试样加入到LiBO2溶剂中混合均匀,在1 000 ℃以上的熔炉中熔化.溶液冷却后,用硝酸定容,再用等离子体质谱仪(ICP-MS)分析.对比国际标样分析结果表明,主量元素分析精度和准确度优于5%,痕量元素的分析精度和准确度优于10%.

      • 花岗闪长岩中的锆石自形程度较好,呈自形至半自形,长200~240 μm,以长柱状或短柱状为特征,长宽比例1:2~1:3,晶型保存较完好,图 3上可明显见到振荡环带结构,个别具有核幔构造.实验测得15颗锆石的数据点(表 1),U、Th的含量变化范围分别是173×10-6~438×10-6,99×10-6~242×10-6,其Th/U比值在0.52~0.78之间变化,都大于0.5,为典型的岩浆成因锆石(Belousova et al., 2002).其中15个测试点数据均集中在谐和线附近,显示出非常集中的206Pb/238U年龄(图 4a),加权平均年龄为275.3±2.6 Ma,代表着花岗闪长岩的侵位年龄.

        图  3  锆石阴极发光照片

        Figure 3.  CL images of the dated zircons for granodiorite and norite gabbro

        样品 含量(10-6) Th/U 同位素比值 年龄(Ma)
        Th U 207Pb/206Pb 1δ 207Pb/235U 1δ 206Pb/238U 1δ 208Pb/232Th 1δ 206Pb/238U 1δ
        P27N2-1
        1 178 326 0.56 0.051 97 0.032 62 0.303 64 0.069 84 0.044 00 0.019 02 257.3 14.6 277.6 5.2
        2 205 380 0.56 0.053 19 0.029 85 0.288 08 0.106 45 0.044 40 0.019 29 250.8 20.8 280.0 5.3
        3 159 265 0.62 0.053 35 0.035 11 0.285 03 0.064 53 0.043 50 0.019 27 251.9 11.8 274.5 5.2
        4 105 207 0.52 0.051 29 0.038 30 0.234 16 0.073 94 0.043 12 0.019 76 226.8 12.7 272.1 5.3
        5 132 210 0.65 0.055 42 0.049 85 0.299 01 0.079 94 0.042 96 0.019 95 249.1 13.1 271.2 5.3
        6 202 365 0.57 0.051 99 0.032 94 0.295 38 0.064 09 0.043 19 0.020 19 260.5 12.7 272.6 5.4
        7 99 173 0.59 0.054 69 0.042 94 0.311 56 0.062 13 0.043 60 0.020 27 271.4 12.9 275.1 5.5
        8 221 337 0.68 0.051 37 0.032 00 0.312 88 0.038 61 0.043 46 0.018 61 267.4 8.2 274.2 5.0
        9 241 438 0.57 0.053 76 0.032 97 0.339 86 0.039 07 0.044 76 0.018 20 300.3 8.8 282.3 5.0
        10 181 238 0.78 0.054 09 0.047 90 0.283 42 0.088 78 0.043 16 0.019 73 261.9 12.4 272.4 5.3
        11 147 281 0.54 0.053 55 0.034 57 0.327 08 0.039 68 0.044 30 0.019 48 283.5 9.5 279.4 5.3
        12 242 380 0.66 0.052 95 0.029 26 0.337 04 0.036 66 0.045 26 0.018 44 285.2 11.1 285.4 5.1
        13 125 214 0.60 0.055 09 0.038 31 0.295 87 0.071 57 0.043 08 0.019 83 251.8 13.5 271.9 5.3
        14 111 216 0.53 0.053 43 0.039 50 0.269 82 0.116 28 0.042 30 0.020 44 234.0 22.1 267.1 5.3
        15 173 278 0.64 0.054 07 0.034 04 0.274 83 0.063 19 0.043 28 0.019 18 243.5 10.9 273.1 5.1
        P27N9-4
        1 101 186 0.54 0.054 43 0.005 33 0.322 23 0.030 03 0.043 62 0.001 04 246.5 14.6 275.2 6.5
        2 139 224 0.62 0.049 36 0.003 45 0.280 07 0.021 26 0.040 87 0.000 74 233.8 12.1 258.2 4.6
        3 331 605 0.55 0.054 43 0.001 97 0.319 30 0.010 41 0.042 99 0.000 61 233.3 5.9 271.3 3.8
        4 340 329 1.03 0.051 05 0.002 00 0.295 68 0.010 89 0.042 39 0.000 46 228.1 4.8 267.6 2.9
        5 127 318 0.40 0.056 57 0.002 33 0.335 60 0.014 00 0.043 03 0.000 50 229.6 8.8 271.6 3.1
        6 183 296 0.62 0.053 21 0.002 12 0.315 79 0.011 75 0.043 60 0.000 74 238.8 7.7 275.1 4.6
        7 141 147 0.96 0.053 92 0.005 56 0.320 76 0.032 07 0.044 28 0.002 44 226.8 16.5 279.3 15.1
        8 120 195 0.61 0.054 28 0.002 33 0.320 50 0.013 27 0.043 40 0.000 66 249.3 9.9 273.8 4.1

        表 1  花岗闪长岩和苏长辉长岩的锆石U-Pb定年数据

        Table 1.  Zircon age data for the granodiorite and norite gabbro

        图  4  花岗闪长岩与苏长辉长岩的锆石U-Pb谐和图

        Figure 4.  Concordia diagrams showing zircon U-Pb dating results of granodiorite and norite gabbro

        苏长辉长岩中的锆石自形程度同样较好,锆石Th、U含量较高,分别为101×10-6~340×10-6和147×10-6~605×10-6,Th/U为0.54~1.03,锆石具振荡环带,属岩浆成因型.对该岩体中的8颗锆石进行了测年,8个测点的206Pb/238U年龄均一,加权平均年龄为270.1±1.4 Ma(图 4b).结合锆石属岩浆成因,270.1±1.4 Ma代表了苏长辉长岩岩体的侵位年龄.由此可知,花岗闪长岩与苏长辉长岩近乎为同一时期形成.

      • 样品的主量、微量和稀土元素分析结果见表 2.

        岩性 花岗闪长岩 苏长辉长岩
        样品号 P27H2-1 P27H4-1 P27H4-2 P27H4-3 P27H4-4 P27H9-1 P27H9-2 P27H9-3 P27H9-4 T2014-5 T2014-6
        SiO2 65.6 66.3 66.2 67.0 66.8 49.8 47.0 46.6 46.2 48.1 47.8
        Al2O3 15.65 15.45 15.25 15.45 15.20 19.65 25.10 25.70 23.6 16.45 18.30
        Fe2O3 4.26 4.11 4.04 4.05 4.13 7.87 5.08 4.97 5.53 10.20 9.21
        CaO 3.49 3.40 3.67 3.55 3.43 11.00 15.40 15.55 15.35 10.70 11.30
        MgO 1.98 1.94 1.90 1.90 1.92 7.00 4.79 4.47 5.82 7.46 6.80
        K2O 3.78 4.15 3.77 3.87 3.71 0.92 0.28 0.20 0.19 0.98 1.13
        Na2O 3.41 3.24 3.37 3.41 3.37 1.95 1.16 1.16 1.08 2.19 1.80
        TiO2 0.54 0.51 0.51 0.50 0.51 0.51 0.30 0.41 0.28 1.08 0.76
        MnO 0.07 0.06 0.06 0.06 0.06 0.12 0.09 0.08 0.09 0.18 0.15
        P2O5 0.13 0.12 0.12 0.12 0.12 0.10 0.04 0.06 0.04 0.28 0.20
        LOI 0.49 0.47 0.66 0.55 0.58 1.22 0.75 0.96 1.28 1.42 1.51
        Total 99.64 99.98 99.74 100.70 100.05 100.30 100.20 100.40 99.74 99.25 99.17
        Mg# 47.94 48.32 48.23 48.17 47.94 63.79 65.13 64.05 67.58 59.16 59.39
        La 36.0 50.4 47.1 50.8 48.1 17.3 5.5 6.9 4.8 18.4 15.6
        Ce 67.4 91.0 85.3 91.9 86.2 32.8 11.4 13.4 8.9 43.7 34.2
        Pr 6.76 9.09 8.63 9.06 8.63 3.54 1.25 1.53 0.98 5.75 4.38
        Nd 23.5 30.6 29.6 30.7 29.2 13.0 5.2 6.2 4.2 23.9 17.8
        Sm 4.11 5.26 5.23 5.24 5.05 2.55 1.14 1.33 0.97 5.22 3.89
        Eu 0.88 1.08 0.99 1.07 0.99 1.03 0.81 0.81 0.81 1.77 1.42
        Gd 3.74 4.69 4.78 4.60 4.49 2.57 1.19 1.46 1.09 5.41 4.04
        Tb 0.50 0.62 0.62 0.64 0.61 0.34 0.18 0.19 0.16 0.74 0.52
        Dy 3.20 3.84 3.87 3.98 3.78 2.23 1.06 1.21 0.99 4.53 2.96
        Ho 0.63 0.75 0.76 0.76 0.71 0.43 0.22 0.23 0.20 0.94 0.61
        Er 2.06 2.49 2.64 2.62 2.42 1.38 0.65 0.63 0.63 2.64 1.81
        Tm 0.21 0.33 0.37 0.39 0.35 0.17 0.08 0.10 0.07 0.38 0.23
        Yb 1.91 2.28 2.44 2.50 2.38 1.21 0.63 0.53 0.61 2.35 1.49
        Lu 0.27 0.33 0.35 0.37 0.33 0.17 0.09 0.08 0.07 0.38 0.26
        Y 19.1 22.6 23.2 23.8 22.5 12.4 6.1 6.1 5.6 26.2 17.3
        Rb 118.0 144.5 148.0 155.5 145.0 30.4 11.0 5.5 6.4 29.6 48.4
        Sr 275 334 315 311 322 516 545 644 544 605 698
        Ba 860 1185 936 970 911 346 130 133 101 236 343
        U 0.90 1.09 2.06 1.51 1.42 0.55 0.17 0.14 0.10 0.49 0.86
        Th 13.80 15.90 18.05 19.45 20.50 4.08 0.89 0.72 0.53 2.39 2.59
        Nb 7.8 8.9 9.9 9.5 9.5 4.3 1.3 1.5 0.8 6.9 4.5
        Ta 0.4 0.6 0.9 1.0 0.7 0.3 0.2 0.2 0.2 0.3 0.3
        Zr 253 240 222 231 243 95 32 26 19 90 67
        Cr 50 80 70 70 80 110 280 240 300 220 110
        V 860 1185 936 970 911 158 170 159 214 315 249
        Hf 6.8 6.5 6.3 6.5 6.7 2.6 0.9 0.8 0.7 3.0 2.1
        ∑REE 151.17 202.76 192.68 204.63 193.24 78.72 29.4 34.6 24.48 116.11 89.21
        LREE/HREE 126.47 182.31 148.57 149.23 135.97 8.26 6.17 6.81 5.41 5.68 6.48
        (La/Yb)N 12.71 14.9 13.01 13.70 13.63 9.64 5.89 8.78 5.31 5.28 7.06
        δEu 0.69 0.66 0.61 0.67 0.64 1.23 2.13 1.78 2.41 1.02 1.10

        表 2  花岗闪长岩和苏长辉长岩的主量元素(%)和微量元素(10-6)分析结果

        Table 2.  Maior (%), trace elements (10-6) compositions for the granodiorite and norite gabbro

        花岗闪长岩SiO2含量变化范围较小,在65.60%~67.00%之间,属于酸性岩;Al2O3含量介于15.20%~15.65%;K2O=3.71%~4.15%;Na2O=3.24%~3.41%;MgO=1.90%~1.98%;CaO=3.40%~3.67%;K2O/Na2O=1.10~1.28;FeOT=3.64%~3.83%;Mg#=47.94~48.32;里特曼指数在2.11~2.34之间;铝饱和指数(Al2O3/(CaO+K2O+Na2O)分子比)为0.94~0.98,为准铝质花岗岩类.其暗色矿物为角闪石和黑云母等,具有I型花岗岩的特点.在图 5a中,样品点主要落在花岗闪长岩中;在图 5b中,岩石样品具有高钾钙碱性岩石系列特征.

        图  5  花岗闪长岩和苏长辉长岩的TAS(a)和SiO2-K2O图解(b)

        Figure 5.  TAS diagram (a) and SiO2-K2O diagram (b) for the granodiorite and norite gabbro

        苏长辉长岩SiO2含量变化范围较小,在46.20%~49.80%之间,属于基性岩;Al2O3含量介于16.45%~25.70%;K2O=0.19%~1.13%;Na2O=1.08%~2.19%;MgO=4.47%~7.46%;TiO2=0.28%~1.08%;(K2O+Na2O)=1.27%~3.17%;里特曼指数在0.50~1.97之间;FeOT=4.47%~ 9.18%;Mg#=59.17~67.59;铝饱和指数(Al2O3/(CaO+K2O+Na2O)分子比)为0.68~0.85,为准铝质岩石.在图 5a中,样品点均落在辉长岩区域,且基本都落在亚碱性区域;在图 5b中,岩石样品具有钙碱性岩石系列特征.

      • 花岗闪长岩、苏长辉长岩均具有相对富集轻稀土(LREEs)、亏损重稀土元素(HREEs)的右倾型稀土元素配分曲线,大部分互相重合叠加或平行排列.花岗闪长岩的稀土元素总量∑REE=151.17×10-6~204.63×10-6;LREE/HREE=11.07~12.23,(La/Yb)N=12.71~14.90,轻重稀土分异强;δEu变化范围在0.61~0.69之间,呈弱Eu负异常(图 6a);(La/Sm)N=5.51~6.10,(Gd/Yb)N=1.48~1.66,轻稀土分馏较强,重稀土相对平缓.

        图  6  花岗闪长岩和苏长辉长岩的稀土元素配分模式(a, c)和微量元素蛛网图(b, d)

        Figure 6.  The REE distribution patterns (a, c) and the spider diagrams (b, d) of trace elements ratio of granodiorite and norite gabbro

        苏长辉长岩的稀土总量∑REE=24.48×10-6~116.11×10-6,稀土总量中等;LREE/HREE=5.41~8.26,(La/Yb)N=5.28~9.64,轻重稀土分异较强;δEu变化范围1.02~2.41之间,均值1.61,呈Eu正异常(图 6c);(La/Sm)N=2.52~4.27,均值3.07,(Gd /Yb)N=1.44~2.22,轻重稀土各自的分馏程度相似.

        微量元素原始地幔标准化蛛网图中,花岗闪长岩和苏长辉长岩具有较一致的曲线形式,可见类似的特征:大离子亲石元素(LILEs:Cs、Rb、Ba、K、Sr、Th和U)明显富集,高场强元素(HFSEs:Nb、Ti、P)明显亏损(图 6b, 6d).

      • 本文所研究的花岗闪长岩-苏长辉长岩,锆石内部结构和Th/U比值都指示其为岩浆成因,因此所测年龄应代表该侵入岩的形成时代,即早二叠世.根据区域地质调查显示,研究区周围也出露大量的二叠纪侵入岩.在华北板块北缘早中二叠世存在一条由西向东的岩浆岩带,如图 7所示,从乌拉特中旗由西至东,至承德、赤峰,一直延伸至吉林延吉一带.其中,侵入岩占绝大部分,而对应的火成岩面积较小,仅在赤峰、达茂旗及白云鄂博地区有少量的火山岩分布(张拴宏等,2010).笔者统计了近期一些比较有代表性的年龄(表 3),数据基本遍布整个华北板块北缘.但从宏观上来看,岩性的分布与组合并没有明显的双峰式特点,从基性至酸性的火成岩均有分布.这一东西向分布的火成岩带也直接说明了在早二叠世华北板块北缘存在强烈的岩浆活动,且酸性岩浆活动尤其明显.

        图  7  华北板块北缘二叠纪火成岩分布

        Figure 7.  The distribution of the Permian igneous rocks in the northern margin of the North China Block

        序号 样品号 纬度 经度 采样位置 岩性 年龄(Ma) 测试方法 来源
        侵入岩
        1 D490 41°03′57″ 117°20′22″ 波罗诺 角闪辉长岩 297±1 LA-ICP-MS Zhang et al., 2009b
        2 WZ08 41°39′58″ 108°50.28′ 乌拉特中旗 花岗闪长岩 291±4 SHRIMP 罗红玲等,2007
        3 05A06 40°50.35′ 113°37.14′ 喇嘛沟门 闪长岩 288±5 SHRIMP 王慧初等,2007
        4 D079-1 41°01′37″ 117°06′17″ 凌营 花岗闪长岩 288±4 LA-ICP-MS Zhang et al., 2009a
        5 ZL21C 40°59′ 115°39′ 赤城 二长花岗岩 287±1 LA-ICP-MS 王芳等,2009
        6 D464 40°57′29″ 116°45′08″ 五道营子 闪长岩 283±2 LA-ICP-MS Zhang et al., 2009a
        7 T1 109°3.9′ 41°54.7′ 乌拉特中旗 黑云母二长花岗岩 279±3 LA-ICP-MS 王挽琼等,2013
        8 ZQ05-06 41°20′33″ 108°11′13″ 乌梁斯太 花岗岩 277±3 SHRIMP 罗红玲等,2009
        9 99-7 113.61° 42.42° 镶黄旗 黑云角闪石英闪长岩 277.2±2.9 LA-ICP-MS 童英等,2010
        10 D252 116°55.5′ 41°03.3′ 厢黄旗 辉长岩 276±2 SHRIMP Zhang et al., 2009a
        11 SL04-28 108°05.3′ 41°31.7′ 乌拉特中旗 辉长岩 269±8 SHRIMP 赵磊等,2011
        12 06B195 - - 白云鄂博 花岗闪长岩 269±3 LA-ICP-MS 范宏瑞等,2009
        13 NM08-59 41°44′49″ 110°31′39″ 达茂旗 正长花岗岩 268±2 LA-ICP-MS 冯丽霞等,2013
        14 BJG1 41°35′ 111°9.6′ 四子王旗 正长花岗岩 264±3.4 LA-ICP-MS 柳长峰等,2010
        火山岩
        15 G3117-12 41°46′ 113°11′ 土牧尔台 玄武安山岩 278.9±1.1 LA-ICP-MS 未发表数据
        16 07057-1 41°50.62′ 112°51.18′ 三井泉乡 流纹质凝灰岩 276±2 LA-ICP-MS Zhang et al., 2016
        17 07D024-1 42°24.40′ 119°41.58′ 赤峰 安山岩 273±6 SHRIMP Zhang et al., 2016
        18 P28N9-1 41°45′53″ 113°13′49″ 西井子 流纹岩 269.5±3.4 LA-ICP-MS 董晓杰等,2016
        19 - - - 白云鄂博 安山岩 265.9 K-Ar 许立权,2005
        20 08485-1 41°59′33″ 111°34′24″ 达茂旗 流纹岩 264±2 LA-ICP-MS Zhang et al., 2016

        表 3  华北板块北缘二叠纪火成岩年龄汇总

        Table 3.  Summary of ages of the Permian igneous rocks in the northern margin of the North China Block

      • 本文的苏长辉长岩样品可明显分为两类,一类稀土元素总量低,有明显的Eu正异常;另一组稀土总量依次增加,且Eu异常较弱.根据野外采样位置,这可能是受到花岗闪长岩的影响,后者的SiO2含量也稍高一些.加之样品明显较高的LOI值,说明岩石有可能受到热液蚀变.在蚀变和变质过程中Zr和Th不易发生扰动,常用来判断其他元素活动性(Gibson et al., 1982).利用Zr和Th为横坐标,Rb、Ba、Sr、Nb、La和Sm等元素为纵坐标作图可知,其中Rb、Ba、La、Sm与Zr和Th具有很好的正相关性,而Sr的相关性较弱.结合微量元素蛛网图,除Ba,Sr有波动外,其余元素基本有着同样的趋势(图 6d).综上,REE和HFSEs元素,后期没有随蚀变等而发生明显改变,可以用其来示踪源区;LILEs(Rb、Ba、Sr)可能受到一定扰动,但其特征也具有一定参考意义.

        样品具有低SiO2含量(46.20%~49.80%),相对较高的MgO和FeOT含量(4.47%~7.46%和3.64%~3.83%),和较高的过渡元素含量(如V,Cr),这些都显示了其明显的幔源来源,岩石中橄榄石和紫苏辉石的出现也和岩浆源区有很好的对应.但和原始岩浆相比,样品具有相对适中的Mg#(59.17~67.59),和较低的Ni含量,部分样品甚至没有达到检出限,暗示其更有可能来自于地幔的部分熔融(Zhang et al., 2011).斜长石的An值远小于原始地幔玄武质岩浆(Kuritani et al., 2014),且样品具有Eu正异常,表明其在岩浆演化阶段,可能经历了分离结晶作用.除此之外,软流圈地幔玄武岩的La/Nb<1.5,La/Ta<22,而来自岩石圈地幔的玄武岩则正好反之(Huang et al., 2000),本文的苏长辉长岩的La/Nb为2.7~6.0,La/Ta为24.0~61.3,分别远远大于1.5和22.0;在Nb-Zr地幔类型判别图解中,样品的Zr/Nb大于18,均落在亏损型地幔中.

        然而,研究区苏长辉长岩的微量元素组成显示其来源是比较复杂的.其明显富集大离子亲石元素(LILEs)Rb、Ba、K、Cs和Sr等;相对亏损Th、Ta、Nb等高场强元素(HFSEs),这和火山弧地区玄武岩的微量元素相似,显示其具有俯冲带幔源岩石的成分特点,并可能受到一定程度的地壳混染或者有俯冲流体的加入(Keppler, 1996).样品的Rb/Sr在0.009~0.069之间,均值0.036,稍高于原始地幔的0.030,说明其可能受到地壳的混染;La/Nb本身也可以判断是否有混染的发生,因其与源区有关而与岩浆过程无关,本文苏长辉长岩的La/Nb的平均值为4.16,远大于大陆地壳平均值(2.2),且结晶分异不会造成La/Nb的升高(Nb的不相容性大于La),这说明地壳混染并不是主要因素,流体的加入才更有可能造成上述结果.在图 8a中(Saunders et al., 1992),基性岩样品几乎都偏离了洋岛玄武岩(OIB)范围,向俯冲改造的大陆岩石圈地幔方向演化.那么改造过程中流体的来源是什么呢?俯冲环境的流体主要来自大洋沉积物的加入或者俯冲板片的脱水.Ba/La-Th/Yb图解能很好地对流体的来源进行限制,由图 8b可知,研究区的流体主要来自于俯冲带洋壳沉积物(Woodhead et al., 2001).

        图  8  苏长辉长岩的La/Ba-La/Nb图解(a)和Ba/La-Th/Yb图解(b)

        Figure 8.  La/Ba vs La/Nb (a) and Ba/La vs Th/Yb (b) diagrams for the norite gabbro

        通常情况下,La/Yb反映了岩浆源区的熔融程度:La/Yb的值低,代表着熔融程度高/残余熔体以尖晶石为主要残留相;反之,则代表熔融程度低/残余熔体以石榴石为主要残留相(Yang et al., 2007),如图 9a所示,基性岩有着向左下方演化的趋势.而在图 9b中,也显示较低的(La/Sm)N和(Tb/Yb)N,这也说明源区有尖晶石成分(Zhang et al., 2008).结合基性岩相对平缓的稀土元素配分模式,说明岩浆源区有着比较高程度的部分熔融并且有尖晶石的残留.由此笔者也可推测,源区的深度应浅于60~70 km.

        图  9  苏长辉长岩的Dy/Yb-La/Yb图解(a)和(Tb/Yb)N-(La/Sm)N图解(b)

        Figure 9.  Dy/Yb vs La/Yb (a) and (Tb/Yb)N vs (La/Sm)N (b) diagrams for the norite gabbro

      • 本文所采集的花岗闪长岩样品具有准铝质的地球化学特征,存在普通角闪石和黑云母等暗色矿物,并且没有石榴石等富铝质矿物的存在,说明其不具备S型花岗岩的特点.在Whalen et al.(1987)所提出的花岗岩判别图解中,样品点均落在Ga/Al图解中非A型区域,Zr+Nb+Ce+Y图解中则落在I/A边界处(图 10).但通过其他条件,笔者依然能排除其为A型花岗岩的可能:(1)A型花岗岩具有强烈的Eu异常(常小于0.30),且有Sr、Ba、Ti、P的强烈亏损(张旗等,2012),本文的样品和其相差较大;(2)根据Zr元素和主量元素含量可以估算出锆石的饱和温度,本文的温度在796~808 ℃之间,明显低于典型的A型花岗岩锆石饱和温度868~928 ℃(Watson and Harrison, 1983).综上,研究区的花岗闪长岩应为I型花岗岩.

        图  10  I-A型花岗岩判别图

        Figure 10.  I-A type granite discrimination diagram

        通过花岗闪长岩的地球化学特征来看,其明显富集轻稀土元素和大离子亲石元素,亏损高场强元素(Nb、P、Ti),这些特征显示,其原始岩浆应来自地壳物质的部分熔融;花岗闪长岩的Rb/Sr比值均值为0.46,略低于壳源岩浆范围(>0.5),不同于原始地幔0.03;Zr/Hf与Nb/Ta均值分别为36.2和13.7,在原始地幔37和17.8、地壳33和11.4之间(Taylor and McLennan, 1985; McDonough and Sun, 1995);结合其具有比一般酸性岩高的Mg#值和不突出的SiO2含量,说明在岩浆演化的过程中,其受到了一定程度的幔源影响.

      • 对于产出时间与空间上与基性岩如此接近的花岗质岩石,其成因有两种可能:其一,两者是同源的,基性岩浆经过分离结晶作用演化为花岗质岩浆;其二是两者有着独立的岩浆来源,但在演化过程中发生了岩浆混合作用.

        就地球化学特征来看:两种岩性SiO2的Harker图解中,两者之间线性相关性并不是很明显,说明通过同一母岩浆分离结晶演化的可能性较小(图 11);其次,分离结晶会导致稀土元素的分馏,花岗质岩石的轻稀土应明显高于基性岩,而重稀土应明显低于基性岩,而实际情况与之不符;Rb/Ti的比值也可以区分不同的岩浆来源,来源于同一岩浆房的岩浆Rb/Ti比值相对固定,变动不大,反之,不同岩浆房的比值变化较大(李永军等,2003).基性岩的Rb/Ti比值为0.002~0.010,酸性岩的值在0.036~0.052之间,两者明显具有不同的源区.这样看来,两者更有可能发生混合作用.参考研究区相邻的同时代花岗闪长岩(271.4±1.3 Ma)里包体的地球化学数据,利用图 12可以直观地观察岩浆混合作用(Barth et al., 2000),在共分母图解中,三者呈较好的线性关系(图 12a, 12b);在不共分母图解中,三者呈曲线关系(图 12c, 12d),显示了很好的岩浆混合特征.综上,笔者基本排除了花岗质岩石为分离结晶成因的可能.

        图  11  花岗闪长岩和苏长辉长岩Harke图解

        Figure 11.  Harke diagrams for compositions of the granodiorite and norite gabbro

        图  12  花岗闪长岩和苏长辉长岩协变图解

        Figure 12.  Covariant diagrams for compositions of the granodiorite and norite gabbro

        在岩相学上,花岗闪长岩中存在针状磷灰石和环带状斜长石,也一定程度上指示岩浆混合.针柱状磷灰石的出现常代表岩浆侵位过程中的快速冷凝,可能是岩浆温度迅速变化的结果;而斜长石环带被当做是岩浆混合作用引起的成分改变或晶体溶解的结果(张建军等,2012).最重要的,花岗闪长岩中还普遍存在黑云闪长岩包体,且包体成透镜状的流动形态,年龄为268.5±1.3 Ma(未发表数据),与寄主岩石基本为同一时代,这是发生岩浆混合的最直接证据(Hibbard, 1991).因此,笔者认为,花岗质岩浆有独立的岩浆来源,且经历了岩浆混合作用.

      • 研究区火山岩和侵入岩都有发育,其中早二叠世苏吉组为玄武安山岩、安山岩、英安岩和流纹岩及其碎屑岩,而与之相伴的有同时代的辉长岩、闪长岩、花岗闪长岩和花岗岩,是一套典型的大陆边缘弧环境的火山岩组合.在上文中,研究区的苏长辉长岩有着明显的与俯冲相关的特征,且具有大陆弧火山岩的地球化学性质;花岗闪长岩属于I型花岗岩,且属于高钾钙碱性、准铝质系列,反映了典型的安第斯型活动大陆边缘特点;其中花岗岩中富水矿物普通角闪石的存在,也说明岩石形成在一个水不易逸出的封闭环境,更有可能在俯冲背景下,而不是俯冲后伸展的张性背景.在图 13a中,本文的苏长辉长岩都落在俯冲带玄武岩中的大陆弧玄武岩范围内;在图 13b中,样品同样落在火山弧花岗岩的范围内.所以在早二叠世,研究区极有可能处在一个俯冲环境中.

        图  13  苏长辉长岩和花岗闪长岩的构造判别图解

        Figure 13.  The discrimination diagrams for the norite gabbro and granodiorite

        对比区域上同时代的花岗闪长岩与辉长岩,它们有着非常相似的地球化学特征(图 6),都具有大陆边缘弧或者处于俯冲背景的特点(罗红玲等,2007; Zhang et al., 2009a, 2009b).纵观整个华北北缘,证明二叠纪俯冲的证据并不少见.与本文研究区域相邻的早二叠世闪长岩,也具有活动大陆边缘火山岩的特点,且中二叠世之后的花岗岩类才逐渐有后碰撞花岗岩的属性(王挽琼, 2013, 2014);而华北板块北缘的一系列二叠纪火山岩也显示出了大陆弧火山岩的特征(董晓杰等,2016).除此之外,古地理和古生物证据表明,内蒙古中部二叠纪深水沉积中出现放射虫(王惠等,2005),表明当时板块并未完全拼合;并且在二叠纪的沉积地层中,由底到顶显示出细粒-粗粒的变化,由海相转为陆相的一套海退序列,说明在二叠纪古亚洲洋是一个残余海盆而不是裂陷盆地(Li, 2006).

        综上所述,在早二叠世,古亚洲洋仍存在,华北板块北缘中部此时仍受古亚洲洋俯冲影响,且该地区属于安第斯型活动大陆边缘环境.前人提出的地质模型(Chen et al., 2016)能很好地解释类似于本文研究区的岩浆成因(图 14):首先,由俯冲流体交代的岩石圈地幔的部分熔融产生了富水的玄武质岩浆;玄武质岩浆底侵到深部地壳,提供了热源,加之有流体加入,加速了下部地壳的熔融,形成酸性岩浆房;结晶不完全的玄武质岩浆在上升过程中,进入到酸性岩浆房中并经历了不同程度的岩浆混合作用,产生了含有基性包体的花岗质岩浆;而那些没有经过混合作用的少量基性岩浆,则一直上涌,沿途经历一些地壳混染,最终停留在浅部地壳固结成岩.

        图  14  早二叠世华北板块北缘构造环境示意图和岩浆演化模式

        Figure 14.  Schematic diagram of tectonic setting for the northern margin of North China Block during Early Permian and schematic diagram of mechanism in formation of the magma

      • 基于土牧尔台地区花岗闪长岩-苏长辉长岩的锆石U-Pb年代学和岩石地球化学分析,并和相邻地区出露的火山岩进行归纳对比,笔者得出以下认识:

        (1) 花岗闪长岩-苏长辉长岩均形成于早二叠世(275.3±2.6 Ma、270.1±4.2 Ma),且在早二叠世华北板块北缘有着规模较大的岩浆活动.

        (2) 研究区的苏长辉长岩来自于俯冲流体交代的亏损岩石圈地幔,演化中经历了分离结晶及微弱的地壳混染;花岗闪长岩为I型花岗岩,来源于地壳,在演化过程中与基性岩浆有着一定程度的混合作用.

        (3) 在早二叠世,华北板块和西伯利亚板块仍未闭合,古亚洲洋以残余海盆的状态存在,华北板块北缘为安第斯型活动大陆边缘,且处于俯冲的背景下.

    参考文献 (85)

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