内蒙古北山小黑山辉长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄及地球化学特征
刘强1, 赵志雄1,2, 贾元琴1, 许海1, 王新亮1, 高鉴1
1.内蒙古地质矿产勘查院,呼和浩特 010011
2.集宁师范学院,乌兰察布 012000
通信作者简介:赵志雄(1984—),男,工程师,主要从事区域地质矿产调查及岩石学研究。Email:443844234@qq.com

第一作者简介:刘强(1965—),男,高级工程师,主要从事地质矿产勘查研究。Email: 344154791@qq.com

摘要

内蒙古北山地区泥盆纪岩浆作用的研究对于探讨晚古生代早期的构造演化具有十分重要的意义。小黑山辉长岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果显示,其就位年龄为(404.9±1.6) Ma,为早泥盆世。岩石学和地球化学分析结果表明: 岩石SiO2含量低,富Al、Ca,低K、P, Mg#值大,属于钙碱性岩石系列; 岩石稀土元素总量低,富集轻稀土,轻、重稀土元素之间分馏相对明显,具有正Eu异常( δEu=1.70~1.71); 岩体富集大离子亲石元素Ba、Sr、K等和强不相容元素U,亏损高场强元素Nb、Ta、Ti等。综合区域地质、地球化学特征,认为该岩体形成的构造环境为火山弧,岩浆上升过程中遭受到地壳物质的混染,进而认为本区泥盆纪仍处于造山作用过程中。

关键词: 辉长岩; 地球化学; 锆石U-Pb年龄; 构造环境; 北山小黑山
中图分类号:P588.124;P597.3 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2019)01-0041-07
Geochemical characteristics and LA-ICP-MS zircon U-Pb age of the gabbro in Xiaoheishan of Beishan area, Inner Mongolia
LIU Qiang1, ZHAO Zhixiong1,2, JIA Yuanqin1, XU Hai1, WANG Xinliang1, GAO Jian1
1. Inner Mongolia Institute of Geological Survey and Mineral Exploration, Hohhot 010011, China
2. Jining Normal University, Ulanqab 012000, China
Abstract

Research on Devonian magmatism has important significance for the structural evolution of early Late Paleozoic in Beishan area of Inner Mongolia. LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results show that the emplacement age of the Xiaoheishan gabbro is (404.9±1.6) Ma, which is Early Devonian. Petrological and geochemical analysis shows that the gabbro belongs to cal-alkaline igneous rock, and is characterized by the shortage of SiO2, K, P, enrichment of Al and Ca, and high Mg# value. The total amount of rare-earth elements (REE) is low, and that of light rare-earth elements (LREE) is enriched. Fractional distillation is obvious between LREE and HREE with positive Eu anomalies ( δEu=1.70~1.71). The large ion lithophile elements (Ba, Sr, K) and the strong incompatible element(U) are enriched in the gabbro, while the high field strength elements (Nb, Ta, Ti) are relatively depleted. Combined with the regional geology and geochemical characteristics, the authors conclude that the tectonic setting is volcanic arc, and that the lava is polluted by the earth crust during the upward process, which means the Devonian period in this area is still in orogeny period.

Keyword: gabbro; geochemistry; zircon U-Pb age; tectonic setting; Xiaoheishan of Beishan area
0 引言

北山地处中亚造山带中段南缘, 位于华北板块、塔里木板块和哈萨克斯坦板块的交汇地带, 西邻东天山, 东接阿拉善, 以阿尔金和星星峡两大走滑断裂为界, 位于一个构造楔形区内[1, 2, 3, 4, 5, 6]。区内构造-岩浆活动强烈, 是近年来的研究热点。前人认为志留纪末北山地区结束了古生代板块碰撞造山的构造体制, 进入板内构造演化阶段, 统一大陆于早石炭世沿红石山— 百合山— 蓬勃山一带发生裂解, 重新出现板块构造格局[7, 8, 9]。该区泥盆纪构造背景研究十分薄弱, 目前仅见杨岳清等[10]对东七一山花岗岩岩基和李舢等[11]对辉铜山钾长花岗岩开展了研究, 二者皆认为北山地区泥盆纪仍处于造山阶段, 并非板内演化。笔者在开展1: 5万区调[12]时, 获得小黑山辉长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb加权平均年龄为(404.9± 1.6) Ma, 为早泥盆世。显然, 确定侵入体就位时所处的大地构造背景可以为本区构造演化提供重要信息和科学依据。因此, 本文选择小黑山辉长岩为研究对象, 通过岩石学、地球化学、锆石U-Pb年代学等方面的研究, 分析岩石成因, 揭示其形成的构造背景, 为该区晚古生代构造演化提供新的资料。

1 研究区地质概况

研究区位于额济纳旗西小黑山一带, 大地构造位置处于南部红柳河— 牛圈子— 洗肠井蛇绿岩带与北部红石山— 蓬勃山蛇绿岩带之间(图1左)[13]。构造单元划分属于公婆泉岛弧(Ⅲ 级)[14]。区内地层为古元古代北山岩群, 北山岩群出露面积小, 为一套高绿片岩相-低角闪岩相岩石组合, 岩性为黑云(斜长)石英片岩、二云石英片岩、石榴石黑云母片岩、黑云斜长变粒岩、石英岩及大理岩等, 夹黑云斜长角闪岩[12]。区内岩浆侵入作用强烈, 岩性为辉长岩、石英闪长岩、花岗闪长岩及二长花岗岩等(图1右)。

图1 研究区大地构造位置(左)及地质简图(右)[13]Fig.1 Tectonic location (left) and geological sketch (right) of the study area[13]

区内辉长岩分布于小黑山北部, 总体呈近东西向展布, 由4个不规则小岩株组成, 总出露面积约2.15 km2。辉长岩侵入早志留世石英闪长岩(锆石U-Pb年龄为(436.1± 1.5)Ma)或被早泥盆世花岗闪长岩、二长花岗岩(锆石U-Pb年龄为(402.5± 1.3) Ma)侵入[12], 岩石中普通辉石发生了次闪石化。岩性为灰绿色次闪石化中粒辉长岩, 具辉长结构, 块状构造。岩石主要由辉石和斜长石组成。岩石中斜长石大小多数2~5 mm, 半自形板状— 半自形柱状, 部分5~8 mm, 少数1~2 mm, 比较干净, 发育聚片双晶, 为拉长石; 普通辉石大小1~3 mm, 柱状或柱粒状, 多数发生强烈次闪石化。斜长石(拉长石)含量60%~65%, 普通辉石(部分发生次闪石化)含量35%~40%, 绿帘石少量。

2 分析方法

锆石U-Pb年代学测定样品, 在河北省区域地质矿产研究所实验室利用标准技术对锆石进行分选, 透射光、反射光和阴极发光照相在北京锆年领航科技有限公司完成, 锆石U-Pb同位素分析在天津地质矿产研究所同位素实验室完成, 使用仪器为Neptune多接收电感耦合等离子体质谱仪和193 nm激光取样系统(LA-MC-ICP-MS)。激光剥蚀的斑束直径为35 μ m, 能量密度为13~14 J/cm2, 频率为8~10 Hz, 激光剥蚀物质以He为载气送入Neptune(MC-ICP-MS)。锆石标样采用TEMORA标准锆石。数据处理采用ICPMSDataCal程序和Isoplot程序进行作图[15, 16], 采用208Pb对普通铅进行校正, 利用NIST作为外标计算锆石样品的Pb、Th、U含量。主量元素和微量元素分析由河北省区域地质矿产研究所实验室完成。主量元素用X射线荧光光谱仪(Axiosmax)分析; 微量元素用等离子体质谱仪(X-serise 2)分析, 分析精度优于5%。

3 测试结果
3.1 LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄

本次采用LA-MC-ICP-MS对辉长岩样品(TW6003)进行了锆石U-Pb同位素测年, 共对24颗锆石进行了24个点的测试, 分析数据见表1。所测锆石多为无色透明, 粒径小, 多数小于100 μ m, 呈短柱状、等轴状, 个别为自形— 半自形长柱状。阴极发光CL图像(图2)显示锆石结构相对均一, 呈斑块状或发育环带较宽的韵律生长环带, 反映晶体生长时温度较高, 显示出典型基性岩岩浆成因锆石特征。所测锆石的Th 、U含量变化大, 分别为72× 10-6~4 345× 10-6、23× 10-6~1 894× 10-6, Th/U比值多数大于0.1, 亦表明所测锆石具有岩浆锆石的特征[17]

表1 辉长岩(TW6003) LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析结果 Tab.1 Analysis of LA-ICP-MS zircon U-Pb isotopes in the gabbro (TW6003)

图2 辉长岩样品TW6003锆石的CL图像Fig.2 CL images of zircons from the sample TW6003 of the gabbro

在锆石U-Pb年龄206Pb/238U-207Pb/235U谐和图(图3)中, 13个点206Pb/238U表面年龄较集中, 加权平均年龄为(404.9± 1.6) Ma, 由于这些锆石具有典型的基性岩岩浆成因锆石特征, 该年龄值应代表辉长岩的结晶年龄。5号、18号、19号、20号、21号、22号、23号、24号测试点偏离谐和线, 可能由于后期热事件的影响发生了放射成因Pb的丢失; 10号、14号测试点206Pb/238U表面年龄大, 分别为(1 429± 9) Ma和(821± 5) Ma, 接近于笔者等[18]在辉长岩围岩(北山岩群)中获得的年龄, 并且这2颗锆石的表面发生一定程度的圆化, 故认为其可能为岩浆上升过程中同化围岩而捕获的围岩中锆石。17号点表面年龄为328 Ma, 地质意义有待于进一步研究。

图3 辉长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb谐和年龄图Fig.3 LA-ICP-MS zircon U-Pb concordia diagram of the gabbro

3.2 主量元素

从主量元素分析结果表(表2)可以看出: 辉长岩的SiO2含量为49.62%~50.83%, 属于基性岩; TiO2含量介于0.30%~0.38%之间, 低于典型大洋拉斑玄武岩的含量[19]; MgO 含量(5.69%~8.60%)中等; Al2O3含量(18.99%~21.12%)、CaO含量(13.00%~13.58%)较高, P2O5 含量低; K2O/Na2O值小, (Na2O+K2O)总含量(2.40%~3.01%)小于4%, Mg#值(78.76~80.52)大, 符合典型的钙碱性辉长岩的地球化学组成[20]。Al2O3、CaO含量高, 应该与斜长石堆晶有关。在TAS图解(图4左)中落入辉长岩区内, 在SiO2- FeOt/ MgO图解(图4右)中落入钙碱性区, 也表现出钙碱性辉长岩的属性。

表2 辉长岩主量元素分析结果及相关参数 Tab.2 Analysis results and related parameters of major elements of the gabbro

图4 辉长岩TAS图解(左)和SiO2- FeOt/ MgO图解(右)Fig.4 TAS diagram (left) and SiO2- FeOt/ MgO diagram (right) of the gabbro

3.3 稀土元素

稀土元素分析结果见表3。从表中可以看出辉长岩的稀土总量很低, 变化于36.54× 10-6~50.23× 10-6, 轻重稀土比值(LREE/HREE)为6.60~7.64, 表明轻稀土元素轻微富集。(La/Yb)N介于7.16~9.07之间, 表明轻、重稀土元素之间分馏相对明显; (La/Sm)N为2.01~2.47, (Gd/Yb)N为2.20~2.26, 表明轻稀土、重稀土分馏不明显。球粒陨石标准化稀土配分图(图5左)上, 显示为右倾轻稀土富集型, 其中δ Eu=1.70~1.71, 为Eu正异常, 也暗示可能存在斜长石的堆晶作用。

表3 辉长岩稀土元素分析结果及相关参数 Tab.3 Analysis results and related parameters of rare earth elements of the gabbro

图5 辉长岩球粒陨石标准化稀土配分图(左)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(右)[21, 22]Fig.5 Chondrite-normalized REE pattern (left) and primitive mantle-normalized trace element spider diagram (right) of the gabbro[21, 22]

3.4 微量元素

微量元素分析结果(表4)显示出Ba、Sr、K等大离子亲石元素富集和U、Nb、Ta、Ti等高场强元素较为亏损的模式(图5右)[21, 22], 反映出一定的弧火成岩组分特征。另具有较为强烈的Th负异常, 而大陆环境和弧体系形成的辉长岩都是富集Th, 只有下地壳岩石亏损Th, 因此岩浆活动中可能混染了下地壳物质[23]

表4 辉长岩微量元素分析结果及相关参数 Tab.4 Analysis results and related parameters of trace elements of the gabbro
4 讨论
4.1 辉长岩形成时代

前人对小黑山一带辉长岩的形成时代研究较少, 缺乏高精度同位素年龄等方面数据, 仅依据岩体相互接触关系将其归属于早石炭世[24]。而本次研究采用LA-ICP-MS法进行了准确定年, 获得锆石U-Pb加权平均年龄为(404.9± 1.6) Ma。同时, 其侵入的早志留世石英闪长岩获得锆石U-Pb年龄为(436.1± 1.5) Ma, 侵入辉长岩的二长花岗岩中获得锆石U-Pb年龄为(402.5± 1.3) Ma, 这也限定了辉长岩的形成时代介于402.5~436.1 Ma之间, 因此(404.9± 1.6) Ma应代表其确切的侵位年龄, 表明其形成于早泥盆世, 并非前人认为的早石炭世。需要说明的是, 1 429 Ma锆石U-Pb年龄可能为北山地区前寒武纪基底物质年龄, 而821 Ma则暗示了Rodina超大陆的聚散事件对本区的影响[25]

4.2 岩浆源区

研究表明, 与下地壳部分熔融有关的岩浆Mg#值一般小于40[26], 而小黑山辉长岩Mg#值为78.76~80.52, 表明其不可能为下地壳部分熔融形成; 同时, 岩石总体亏损高场强元素, 富集大离子亲石元素, 具有明显的Nb、Ta、Ti负异常, 表现出富集地幔的特征[27], 上述表明小黑山辉长岩的岩浆源区应为地幔, 而非下地壳。

小黑山辉长岩富集轻稀土, Th、U含量较高, 表明岩浆在上升过程中受到了地壳物质的混染。岩石中Nb含量为0.51× 10-6~1.44× 10-6, Ta含量为0.05× 10-6~0.14× 10-6, 介于原始地幔值(Nb为0.713× 10-6, Ta为0.041× 10-6)与大陆地壳值(Nb为8× 10-6, Ta为0.7× 10-6)之间; Th/Ta、Zr/Hf比值分别为2.81~3.97、23.85~27.86, 均介于原始地幔值(分别为2.2和36.7)与大陆地壳值(分别为10和11)之间, 进一步说明地壳物质对其岩浆的混染。

4.3 构造背景

地球化学特征显示, 小黑山辉长岩具有较低的SiO2含量(< 53%), K2O含量也较低, Al2O3含量(18.99%~21.12%)相对较高, 有学者认为其岩浆起源于活动大陆边缘(或岛弧环境), 因为陆壳物质为玄武岩浆富铝创造了有利的条件[28]。高场强元素Zr、Hf等在岩石形成及演化过程中具有良好的稳定性, 是判断源区性质及环境的良好示踪剂。小黑山辉长岩Zr、Hf含量分别为30.85× 10-6~39.89× 10-6和 1.29× 10-6~1.43× 10-6, 与一般火山弧拉斑玄武岩接近(分别为40× 10-6、1.17× 10-6)[29]; 岩石相对富集LREE, 轻重稀土分馏较明显, 大离子亲石元素Ba、Sr、K富集, 高场强元素Nb、Zr、Hf相对亏损, 具有较低的Zr含量(远小于130× 10-6), 表现出类似于岛弧火山岩的特征[30], 而大陆玄武岩无论是否遭受地壳和岩石圈混染都具有较高的Zr(> 70× 10-6)含量。综上所述, 小黑山辉长岩岩体形成环境应为火山弧。

北山地区的构造演化主要受塔里木板块、哈萨克斯坦板块、西伯利亚古板块以及其间古洋壳运动的制约, 总体上经历了前寒武纪古陆壳基底形成阶段、加里东期岛弧及裂陷-闭合阶段、华力西期岛弧期后构造-岩浆活动及陆壳再次裂陷-闭合阶段。前人认为志留纪末北山及邻区结束了早古生代板块碰撞造山构造体制, 进入板内构造演化阶段[8, 9]。然而, 本文研究得出小黑山辉长岩形成于火山弧环境, 表明本区泥盆纪仍处于造山作用过程中, 这与杨岳清等[10]和李舢等[11]得出的北山地区的地壳活动并没有因为早古生代晚期的碰撞造山作用而相对趋于平稳, 泥盆纪本区仍处于造山阶段的认识相一致。这一认识对深化北山地区晚古生代构造演化的研究具有重要意义。

5 结论

(1)小黑山辉长岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(404.9± 1.6) Ma, 为早泥盆世岩浆活动的产物。

(2) 区内辉长岩SiO2含量低, 富Al、Ca, 低K、P, Mg#值大, 属于钙碱性岩石系列。综合区域地质、地球化学特征, 该岩体形成的构造环境应为火山弧; 岩浆起源于地幔, 上升过程中遭受到地壳物质的混染。

(3)早泥盆世北山小黑山地区仍处于造山作用过程中, 并非板内构造演化。

致谢: 天津地质调查矿产研究所周红英教授级高级工程师在锆石测试方面给予了指导, 在此致以诚挚的谢意!

The authors have declared that no competing interests exist.

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