Collision Processes of North China and Siberian Plates: Evidence from LA-ICP-MS Zircon U-Pb Age on Deformed Granite in Xar Moron Suture Zone
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摘要: 房框子沟花岗质片麻岩NEE向展布于内蒙古林西县双井镇的房框子沟村一带, 是一套侵入到双井片岩中的变质变形侵入体, 其边缘和中央分别为云染状和均质的花岗质片麻岩.利用LA-ICP-MS锆石U-Pb原位定年方法对采自该侵入体边缘和中央的样品进行了定年, 结果表明, 岩浆在271.9±1.6Ma开始侵位于双井片岩中, 在接触带上多发生混合岩化, 造成岩体边缘呈云染状, 在264.8±1.8Ma岩体主体侵位, 之后由于西伯利亚板块与华北板块的持续碰撞缝合, 岩体在应力作用下变形变质形成了今天看到的房框子沟花岗质片麻岩的面貌, 到231±2Ma碰撞基本结束, 西伯利亚板块与华北板块最终拼合.Abstract: The Fangkuangzigou granitic gneisses, extending with NEE trend along Fangkuangzi village in Linxi county, Inner-Mongolia province, are deformed and metamorphosed granites which intruded into the Shuangjing schists. The gneisses are nebulitic and homogeneous separately in its edge and center. The LA-ICP-MS zircon U-Pb dating method was applied to determine the ages of gneisses both from the edge and center. It is indicated that the magma emplacement initiated at about 271.9±1.6Ma ago and intruded into Shuangjing schists, then migmatization and nebulitic structure were induced into the contact zones. The pluton was formed dominantly at 264.8±1.8 Ma ago. The pluton was deformed and metamorphosed into granitic gneiss by the collision betweenthe Siberian and North China plates. The collision was ended until 231±2 Ma ago, then the Siberian and North China plates were finally converged.
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Key words:
- granitic gneiss /
- zircon /
- LA-ICP-MS dating /
- geochronology /
- Shuangjing /
- Inner-Mongolia
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0. 引言
双井微地块位于内蒙古林西地区的西拉木伦断裂带内.该断裂带NNE向展布于蒙古高原的东南缘, 是华北板块与西伯利亚板块对接活动带的一部分.双井微地块呈椭圆形东西向展布, 由片岩及变质变形侵入体构成并有后期岩体侵入, 其中的片岩组合被称为双井片岩, 属变质表壳岩, 是前人所划的非正式构造岩片地层单位(内蒙古第二区域地质调查队, 1997.双井地区1∶5万区域地质调查报告), 该岩片与变质变形侵入体均呈NEE向展布于双井微地块之中, 侵入体呈长条状, 分布局限, 仅见于林西县双井—下场一带, 早期的区域地质调查工作将该套侵入体划归早元古代, 并由老到新将其依次分为: 东沟片麻岩、房框子沟片麻岩和下海苏沟片麻岩, 三者原岩均为钙碱性系列S型花岗岩(内蒙古自治区第十地质矿产勘查开发院, 1998.黄岗梁地区1∶5万区调片区总结说明书).
关于这套变质变形侵入体的形成时代和构造属性目前尚不明确, 双井微地块作为华北板块与西伯利亚板块对接活动带的一部分, 其建造时代和构造属性的确定对研究华北板块与西伯利亚板块的闭合过程具有重要意义, 因此, 对该微地块上较老的地质单元的定年工作就显得十分迫切, 笔者在进行1∶25万锡林浩特市和林西县两个图幅的区域地质调查中, 对该套变质变形侵入体进行了详细的野外考察, 并采用LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测年方法对采自房框子沟花岗质片麻岩边缘和中央的两个样品进行了定年, 期望为进一步研究双井微地块的属性和演化提供新的信息.
1. 地质概况和样品特征
研究区位于内蒙古高原的东南缘, 处在NNE向展布的大兴安岭南段与内蒙古高原接壤地带, 行政区划属内蒙古自治区锡林浩特市和赤峰市管辖, 地理坐标: E115°30′~118°30′, 43°00′~44°00′N.区域大地构造位置位于华北板块与西伯利亚板块的对接活动带上, 属古亚洲构造域的范畴.北部和南部陆缘活动带以对接带分开, 该对接带是在加里东期板块汇聚作用中发展而来, 是早二叠世晚期之后西拉木伦深断裂的幼年期, 具有双向俯冲的拼合模式(内蒙古自治区地质矿产局, 1996).西拉木伦断裂带为一条宽20 km, 长达数千公里的复杂断裂带, 其深度达莫霍面, 属超岩石圈深断裂带, 双井微地块发育在该断裂带内, 对断裂带的发生、发展起着重要作用.微地块中的花岗质片麻岩侵入到双井片岩中(图 1), 岩体内部常见双井片岩捕虏体, 与围岩的接触关系较复杂, 可见混合岩化的渐变过渡接触关系和界线截然的侵入接触关系.岩石变形强烈, 片麻理发育, 多为高角度南倾, 局部直立, 拉伸线理发育, 倾向70°~90°, 倾角±15°.强变形带可见糜棱结构和眼球状-流状构造.
房框子沟花岗质片麻岩NEE向展布于林西县双井镇的房框子沟村一带, 故而得名.岩体规模不大, 与双井片岩的接触界面为条带状的混合岩带(李益龙等, 2007, 2008), 具渐变过渡特点, 岩体中有大量的伟晶岩脉和辉绿岩脉贯入, 伟晶岩脉发育与岩体一致的片麻理.岩体边缘呈浅灰色、云染状、中粒等粒结构、片麻状构造.矿物组成为: 石英25%、斜长石35%、钾长石20%、角闪石10%、黑云母8%、白云母2%, 暗色矿物分布不均匀, 局部具雾迷状构造.岩体中央呈灰白色, 结构均一, 细粒等粒结构, 片麻状构造, 矿物组成为: 石英30%、斜长石35%、钾长石30%、黑云母5%.本次测定的两个样品分别选自岩体的边缘(8875) 和中央(8877).
2. 锆石的CL图像特征
样品采用常规方法进行破碎, 经浮选和磁选后, 再在双目镜下挑选出晶形和透明度较好的锆石颗粒制成样品靶, 锆石样品靶的制备与SHRIMP定年锆石样品制备方法基本相同(宋彪等, 2002).锆石的阴极发光(CL) 显微照相在西北大学大陆动力学国家重点实验室进行, 测试仪器为装在热场发射环境扫描电子显微镜(Quanta 400 FEG) 上的Gatan阴极发光仪(MonoCL3+), 分析电压为10 kV, 电流为240 μA.
岩体边缘(8875) 和中央(8877) 的样品中的锆石特征相似, 均为自形柱状, 长宽比1.5∶1~2∶1, 具有明显的核-边结构.核部结构均匀, 部分可见岩浆振荡环带; 边部呈斑杂状, 切割原岩锆石环带, 显示经历过变质重结晶作用(Wu and Zheng, 2004).岩体边缘和中央样品中的锆石粒度相差较大, 锆石长轴分别为100~160 μm和60~110 μm (图 2).
3. 分析方法和分析结果
锆石LA-ICP-MS原位U-Pb同位素年龄分析(表 1, 表 2) 在中国地质大学(武汉) 地质过程与矿产资源国家重点实验室完成.测试仪器为电感耦合等离子体质谱仪(Agilent 7500a) 和准分子激光剥蚀系统(Geo Las2005) 联机, 激光器为193nm ArF准分子激光器.激光剥蚀斑束直径为32 μm, 激光剥蚀样品的深度为20~40 μm.实验中采用He作为剥蚀物质的载气.锆石年龄计算采用国际标准锆石91500作为外标(Wiedenbeck et al., 1995), 元素含量采用美国国家标准物质局研制的人工合成硅酸盐玻璃NIST SRM610作为外标(Pearce et al., 1997), 29Si作为内标元素进行校正.采样方式为单点剥蚀, 数据采集选用一个质量峰一点的跳峰方式(peak jump-ing), 每完成4~5个测点的样品测定, 加测标样一次.在15~20个锆石样品分析点前后各测2次NIST SRM610.样品的同位素比值和元素含量数据处理采用GLITTER (ver4.0, Macquarie university) 程序计算, 普通Pb采用Andersen的3D坐标法进行校正(Andersen, 2002), 加权平均年龄及谐和图的绘制采用ISOPLOT (ver3.00) (Ludwig, 1991) 完成.
表 1 云染状花岗质片麻岩(8875)的LA-ICP-MS锆石U-Pb分析结果Table Supplementary Table LA-ICP-MS zircon U-Pb analytic data for nebulitic granitic gneiss (8875)表 2 均质的花岗质片麻岩(8877)的LA-ICP-MS锆石U-Pb分析结果Table Supplementary Table LA-ICP-MS zircon U-Pb analytic data for homogeneous granitic gneiss (8877)3.1 锆石Th、U含量及Th/U比值
不同成因的锆石有不同的Th、U含量和Th/U比值: 岩浆锆石的Th、U含量较高, Th/U比值较大(一般大于0.4);变质锆石的Th、U含量低, Th/U比值小(一般小于0.1) (Wu and Zheng, 2004).但对明显发生变质重结晶的锆石, 其Th、U含量降低, Th/U值可能不变或变化不大, 有的甚至变大(Vavra et al., 1996, 1999).
对边缘云染状的花岗质片麻岩样品(8875) 中的锆石分析了23个点(表 1), 其中13个在柱状锆石的核部(表 1中8875-1~13), 10个在边部(表 1中8875-14~23).锆石核部13个分析点的Th/U值变化范围为0.48~0.88, 均大于0.4, 表明锆石核部保存了岩浆成因的特征.Th含量变化于46.38×10-6~1 405.25×10-6, U含量变化于88.97×10-6~1 597.36×10-6.锆石边部的10个分析点的Th/U值变化范围为0.37~0.74, Th含量变化于26.95×10-6~1 901.86×10-6, U含量变化于72.98×10-6~2 562.13×10-6.
对中央均质的花岗质片麻岩样品(8877) 中的锆石分析了17个点(表 2), 其中11个在柱状锆石的核部(表 2中8877-1~11), 6个在边部(表 2中8877-12~17).锆石核部11个分析点的Th/U值变化范围为0.42~0.79, 保存了岩浆成因的特征.Th含量变化于44.66×10-6~192.47×10-6, U含量变化于81.16×10-6~317.78×10-6.锆石边部的6个分析点的Th/U值变化范围为0.41~0.76, Th含量变化于50.43×10-6~151.19×10-6, U含量变化于87.90×10-6~199.25×10-6.
可以看出, 采自岩体边缘样品中的锆石Th、U含量和Th/U比值的变化范围均大于采自岩体中央样品中的锆石, 说明岩体边缘较内部经历了更强烈的后期变质事件, 导致锆石发生了更强烈的重结晶作用.
3.2 锆石U-Pb年龄
边缘云染状花岗质片麻岩样品(8875) 的23个分析点都靠近在谐和线上, 锆石核部的13个分析点集中于谐和线上一点, 206Pb/238U加权平均年龄为271.9±1.6 Ma (MSWD=0.73) (图 3a); 锆石边部的10个分析点给出的年龄值的分布范围较大, 206Pb/238U年龄介于231±2 Ma~262±3 Ma之间(图 3b).
中央均质的花岗质片麻岩样品(8877) 的17个分析点也都靠近在谐和线上, 锆石核部的11个分析点集中于谐和线上一点, 206Pb/238U加权平均年龄为264.8±1.8 Ma (MSWD=1.04) (图 3c); 锆石边部的6个分析点给出的年龄值的分布范围较大, 206Pb/238U年龄介于233±2 Ma~257±3 Ma之间(图 3d).
4. 讨论和结论
华北板块与西伯利亚板块最终缝合带的位置和碰撞缝合的时间是研究区存在的一个重要问题, 目前多数学者认为内蒙古北部锡林浩特(贺根山) -苏尼特左旗-索伦敖包一带是华北板块北缘和西伯利亚板块南缘最终缝合带(邵济安, 1986; 内蒙古自治区地质矿产局, 1991; 唐克东和张允平, 1991; Xu et al., 1996; 郝旭和徐备, 1997), 而最终碰撞对接时代一直没有定论. 陈斌等(2001)对苏尼特左旗南的弧岩浆岩和碰撞花岗岩分别进行了定年, 在弧岩浆岩中得出锆石SHRIMP U-Pb年龄490±8 Ma和309±8 Ma, 在碰撞花岗岩中得出Rb-Sr全岩等时线年龄228±21 Ma和锆石SHRIMP U-Pb年龄254±4 Ma, 提出苏尼特左旗一带的碰撞缝合应该发生在310~230 Ma之间. 李锦轶等(2007)对双井西边的中生代侵入体进行了研究, 指出该侵入体是壳源的, 可能主要来源于古生代增生-碰撞杂岩和相对古老的大陆边缘的重熔, 锆石SHRIMP U-Pb年龄为229.2±4.1 Ma和237.5±2.7 Ma, 为三叠纪中期侵位, 提出西伯利亚与华北板块之间沿西拉木伦缝合带的碰撞始于二叠纪中期约270 Ma, 于三叠纪中期结束.碰撞的起始时间与本文报道的房框子沟花岗质片麻岩给出的锆石LA-ICPMS U-Pb年龄范围一致, 该片麻岩记录了华北板块与西伯利亚板块在林西地区碰撞缝合的时间.
房框子沟花岗质片麻岩原岩属钙碱性系列S型花岗岩(内蒙古自治区第十地质矿产勘查开发院, 1998), 其形成与碰撞造山有关.岩体边缘样品中锆石核部给出的年龄(271.9±1.6 Ma) 是岩体开始侵位的时间, 代表了华北板块与西伯利亚板块沿西拉木伦缝合带碰撞缝合机制下岩浆开始活动的时间; 岩体中央样品中锆石核部给出的年龄(264.8±1.8 Ma) 代表了岩体主体侵位的时间; 两个样品中锆石边部给出的年龄范围基本一致, 介于231~262 Ma之间, 表明岩体侵位后两板块的碰撞仍在继续, 岩体在持续的挤压与剪切应力下发生变形变质而发育NEE向的片麻理.
房框子沟花岗质片麻岩南部的侵入体与李锦轶等(2007)报道的双井子岩体为同一个岩体(图 1), 该岩体局部具有片麻状构造和蠕英构造, 面理呈NEE向, 变形强烈处发育NEE向的拉伸线理, 与房框子沟片麻岩中的线理方向基本一致, 证实华北板块与西伯利亚板块的碰撞缝合持续到了230 Ma.综上所述, 房框子沟花岗质片麻岩原岩是华北板块与西伯利亚板块碰撞缝合造成陆壳加厚而发生重熔的产物, 岩浆在271.9±1.6 Ma开始侵位于双井片岩中, 在接触带上多发生混合岩化, 造成岩体边缘呈云染状, 在264.8±1.8 Ma岩体主体侵位, 之后由于板块的持续碰撞缝合, 岩体在应力作用下变形变质形成了今天看到的房框子沟花岗质片麻岩的面貌, 到231±2 Ma碰撞基本结束, 西伯利亚板块与华北板块的最终碰撞拼合.
致谢: 锆石的阴极发光显微照相在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成, 实验过程中得到了弓虎军博士和柳小明教授的大力帮助与关心, 野外工作中得到了中国地质大学(武汉) 杨巍然教授和赵温霞教授的悉心指导, 在此一并表示衷心的感谢! -
表 1 云染状花岗质片麻岩(8875)的LA-ICP-MS锆石U-Pb分析结果
Table 1. LA-ICP-MS zircon U-Pb analytic data for nebulitic granitic gneiss (8875)
表 2 均质的花岗质片麻岩(8877)的LA-ICP-MS锆石U-Pb分析结果
Table 2. LA-ICP-MS zircon U-Pb analytic data for homogeneous granitic gneiss (8877)
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