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2. 内蒙古自治区有色地质勘查局综合普查队, 内蒙古 呼和浩特 010010;
3. 昆明理工大学, 云南昆明 650093
2. Comprehensive Survey Party, Inner Mongolia Bureau of Nonferrous Geological Exploration, Hohhot 010010, Inner Mongolia, China ;
3. Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093 Yunnan, China
华北板块与西伯利亚板块汇聚、碰撞缝合过程中，伴随有强烈的多期、次岩浆活动[1]。晚古生代以来，岩浆岩呈近东西走向的带状沿华北板块北缘展布在内蒙古隆起之上，在这些广泛分布的多期次岩浆岩中尤以早石炭世晚期—中二叠世岩浆活动最为强烈[2]。近年来，前人对该岩浆岩带的成因及其地质意义做了大量的研究：许立权[3]认为白云鄂博—满都拉地区南带早中二叠世花岗岩可能形成于俯冲作用下的大陆弧环境；张拴宏[2]认为华北板块北缘早石炭世晚期—中二叠世岩浆侵位于安第斯型活动大陆边缘弧，其形成可能与古亚洲洋向华北地块的俯冲作用有关；张青伟[4]对乌拉特中旗乌兰地区含石榴石花岗岩进行研究后，将其判别为造山期后碰撞构造环境的产物；王挽琼[5]认为乌拉特中旗海西期黑云母二长花岗岩形成于活动大陆边缘碰撞前环境，与古亚洲洋的俯冲有关。由此可见，对华北板块北缘岩浆岩带的认识还存在着一定的分歧，要取得共识仍需要更加深入全面的研究，同时也离不开更多基础资料的支撑。
本文在研究区1:25万区域地质调查工作的基础上，通过对石哈河地区黑云母二长花岗岩的同位素年代学、岩石学及地球化学资料的系统研究，探讨其成因、构造环境及地质意义，以期为区域构造演化提供新的证据。
1 区域地质概况内蒙古乌拉特中旗石哈河地区位于华北克拉通北缘中段狼山—白云鄂博台缘凹陷内，地跨狼山—白云鄂博裂谷与色尔腾山—太仆侍旗岩浆弧两个三级构造分区(图 1)。区内发育的地层有新太古界东五分子岩组阳起黑云片岩、黑云斜长片岩及黑云二长片岩等，该套岩石韧性剪切、褶皱变形十分强烈，构成疏密不等的糜棱岩带、糜棱岩化带及一系列紧闭或宽缓的背向斜构造，表现为组内无序总体有序的层状构造岩石地层单位，构成了本区太古宇陆核的结晶基底。与东五份子岩组相伴而生的为新太古代变质深成侵入体，后者将前者分割的支离破碎，变质深成侵入体进一步划分为花岗质与闪长质❶两种类型；覆盖其上的为中—新元界白云鄂博裂谷及渣尔泰山裂陷槽沉积，构成了本区结晶基底之上的非二元结构盖层的过渡类型陆源碎屑沉积[6]；中新生界发育的泥岩、砂砾岩、零星的火山岩及砂砾石层不整合覆盖于上述古老地层之上。区内构造−岩浆活动十分强烈，以NW向脆韧性逆断层为主，NE向脆韧性平移断层为辅；岩浆活动以海西期岩浆活动为主，分布于石哈河乡—新忽热苏木一带，呈不同形态的岩株近NWW向或EW向展布，展布方向与本区总体构造线方向基本吻合，出露岩浆岩主要有闪长岩、石英闪长岩、英云闪长岩及黑云母二长花岗岩。黑云母二长花岗岩单个侵入体呈岩株状或不规则状侵入于新太古界、中—新元古界，以及五台期变质深成侵入体与早二叠世石英闪长岩、英云闪长岩之中，而被印支期二长花岗岩侵入。
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图 1 石哈河地区地质简图 Fig.1 Geological sketch map of the Shihahe area |
❶ 内蒙古自治区地质调查院. 1:25 万五原县幅区域地质调查报告. 2014.
2 岩石学特征黑云母二长花岗岩呈浅灰红色、浅灰色、黄色，中-中细粒结构，似斑状结构，块状构造。以中细粒-细粒似斑状结构为主，斑晶(5~8 mm)为钾长石，含量＜15%；基质为中细粒-细粒结构，主要成分为钾长石(35%~40%)、斜长石(25%)、石英(20%~30%)及黑云母(5%~15%)，岩石呈现轻微变质。局部为中细粒结构、中粒结构，矿物成分主要由钾长石(30%~45%)、斜长石(20%~30%)、石英(20%~30%)及黑云母(＜15%)组成。钾长石(条纹长石、微斜长石)呈半自形板状-他形粒状，具弱高岭土化。斜长石(更-中长石)形态及分布特征同钾长石，不同程度绿帘石化、高岭土化。石英呈变晶粒状、不规则状等形态定向分布于长石矿物颗粒间。黑云母呈鳞片状、叶片状或集合体状，不同程度绿泥石化。副矿物主要为榍石、绿帘石及磁铁矿。
3 样品分析测试本次在黑云母二长花岗岩岩体的不同部位共采集5件新鲜岩石样品进行岩石地球化学分析，选取其中的1件样品(Tn8725)进行锆石U−Pb测年。主量元素、微量及稀土元素的测定均由内蒙古自治区矿产实验研究所完成。主量元素采用全谱直读等离子体发射光谱仪(IRIS Intrepid II/DG-02)测定(DZG93- 01，DZG20.01-1991)，相对标准偏差为2%~5%。微量及稀土元素采用电感耦合等离子体质谱仪(Xseries2/DG-03)测定(DD2005-01)，相对标准偏差小于10%。
测年样品中锆石的挑选由河北省廊坊区域地质调查研究所完成。样品质量约为5 kg，经机械粉碎至80~100目，用浮选、电磁选方法进行分离，然后在双目镜下挑选出晶形和透明度较好的锆石颗粒用于年龄测定。锆石制靶[7]和阴极发光图像在中国地质科学院矿产资源研究所北京离子探针中心进行。锆石U−Pb同位素分析在天津地质调查中心实验测试室激光烧蚀多接收器等离子体质谱仪(LA−MC−ICP−MS)上完成。利用193 nm FX激光器对锆石进行剥蚀，激光斑束直径为35 μm，频率为10 Hz，采用He作为激光剥蚀物质的载气，送入Neptune(MC−ICPMS)，利用动态变焦扩大色散使质量数相差很大的U−Pb同位素可以同时接收，从而进行锆石U−Pb同位素测定。锆石标样采用TEM(417 Ma)标准锆石，数据处理采用中国地质大学刘勇胜研发的ICPMS DataCal程序，加权平均年龄计算及谐和图的绘制采用ISPLOT 3.0程序[8]。采用208Pb对普通铅进行校正，利用NIST612玻璃标样作为外标计算锆石样品的Pb、U、Th含量。具体测试方法与详细分析步骤见文献[7]。采用206Pb/238U年龄的加权平均值作为黑云母二长花岗岩的结晶年龄，数据误差1σ，可信度95%。
4 同位素年代学本次工作中对黑云母二长花岗岩进行了同位素测年，对由样品Tn8725中挑选出的25颗锆石采用LA−ICP−MS锆石U−Pb分析，分析结果见表 1。
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表 1 黑云母二长花岗岩LA−ICP−MS 锆石U−Pb 同位素测年数据 Table 1 LA−ICP−MS zircon U−Pb isotopic data of biotite monzonitic granites |
岩石中锆石表面光滑，自形程度较好，呈自形-半自形，绝大部分晶粒完整。锆石形态以长柱状为主、短柱状为辅。锆石阴极发光图像(图 2)显示，大部分锆石具有明显的岩浆结晶环带。w(Th)=(28~456)×10-6，w(U)=(293~1178)×10-6，Th/U=0.32~0.73，平均值为0.47，进一步反映锆石为岩浆成因[9-10]。
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图 2 黑云母二长花岗岩(Tn8725)中锆石的阴极发光图 Fig.2 CL images of representative zircons of biotite monzonitic granites (Tn8725) |
测年结果显示：锆石表面年龄(采用206Pb/238U)集中于274~276 Ma，在一致曲线图中成群分布(图 3)，206Pb/238U年龄加权平均值为(275.0±0.7)Ma，MSWD=0.116，代表了岩浆侵位结晶年龄。
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图 3 黑云母二长花岗岩(Tn8725)锆石U−Pb 同位素谐和图 Fig.3 U−Pb isotopic concordia diagram for zircons of biotite monzonitic granites (Tn8725) |
岩石中SiO2含量为69.06%~75.16%，平均为72.82%。随着SiO2含量的增加，TFeO、CaO、MgO等均呈规律减小，K2O呈增加趋势，Na2O规律不明显(表 2)；Al2O3含量为12.99%~15.13%，平均为13.92%；K2O含量为3.78%~4.53%，平均为4.39%；Na2O含量为3.28%~4.88%，平均为3.87%；TFeO含量为0.99%~2.69%，平均为1.85%。(K2O+Na2O)含量较高，为7.90%~8.66%，平均为8.26%；K2O一般高于Na2O，K2O/Na2O为0.77~1.54，平均为1.17；σ值2.01~2.88，属于钙性-钙碱性岩，在SiO2-(Na2O+K2O)图上岩石成分点投入亚碱性系列区(图 4)，在AFM图解上显示钙碱性系列的特征(图略)；A/CNK为0.93~1.10，A/NK为1.15~1.32，在A/CNK − A/NK图解(图 4)中，除Tn8735样品稍有偏差外，其余所有岩石成分点均落入过铝质区域和S−I型花岗岩分界线附近靠近I型的一侧，属于偏铝质−弱过铝质I型花岗岩[11]；在SiO2-K2O图解(图略)中所有点均落入了高钾钙碱性系列区内。
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表 2 黑云母二长花岗岩主量元素(%)和微量元素(10-6)组成 Table 2 Major (%) and trace element (10-6) values of biotite monzonitic granites |
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图 4 SiO2−(Na2O+ K2O)和A/CNK−A/NK 图解 Fig.4 SiO2−(Na2O + K2O) and A/CNK−A/NK diagrams |
岩石稀土元素含量偏低(表 2)，ΣREE=41.22×10-6~101.88×10-6，ΣLREE=37.42×10-6~91.00×10-6，ΣHREE=3.80×10-6~6.98×10-6，其中LREE/HREE为9.86~15.63，反映了岩石轻重稀土分异程度较高。轻稀土配分曲线明显右倾(图 5−a),(La/Sm)N=3.18~8.52，反映轻稀土分馏程度较高;重稀土配分曲线呈近水平，(Gd/Yb)N=1.87~2.59，反映重稀土分馏程度较低。δ Eu=0.55~1.26，平均为0.98，Eu异常不明显或呈弱的负异常，暗示经历了不太明显的斜长石分离结晶作用[12]。稀土元素配分模式曲线为右倾型，属轻稀土富集型[11, 13]。
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图 5 黑云母二长花岗岩的稀土元素球粒陨石标准化配分型式(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b) Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle normalized trace elements spider diagram (b) of biotite monzonitic granites |
在微量元素原始地幔标准化蛛网图(图 5−b)上，曲线总体偏低，表明不相容元素富集程度整体不高。曲线明显右倾，富集大离子亲石元素Rb、K等，相比而言高场强元素Nb亏损严重，反映了原岩中有陆壳物质的混入[14]。蛛网图特征与正常弧花岗质岩石基本一致，暗示岩石的成因与岩浆弧环境有关。
6 岩石成因及构造环境黑云母二长花岗岩中主量元素以富Si、Al、K，贫Ti、Ca 、Mg为特征，A/CNK为0.93~1.10，属于偏铝质−弱过铝质，表明为Ⅰ型花岗岩；微量元素富Rb，反映了岩浆岩区有泥质成分的混入；轻稀土元素富集，重稀土元素亏损，Eu异常不明显，显示壳幔混合型花岗岩的特征。
构造运动控制着岩浆活动，而岩浆活动是构造运动的一种表现形式，不同的岩石组合与岩石成分对构造环境有着明显的指示作用。随着地球化学分析测试技术的不断发展，在大地构造研究中越来越多地引入了地球化学的研究方法、手段和成果，特别是火成岩的特征微量元素组合特点进行构造环境判别研究占有特殊地位[15]。在华北板块北缘分布的岩浆带中，近年来取得了大量的新资料，通过岩浆岩岩石地球化学数据、同位素年龄数据反演其成岩过程及判别其构造环境，为深入认识古亚洲洋壳的俯冲、消减以及华北板块与西伯利亚板块的碰撞拼合时限提供了全新的信息支撑：邵济安等[16]认为华北板块北缘经过长期裂解的孕育阶段，于晚古生代初通过仰冲、洋内消减乃至小洋盆充填的多种方式导致洋盆的闭合；张栓宏等[2]通过对华北陆块北缘近年来获得的晚古生代—早中生代岩浆岩锆石U−Pb年龄及39Ar−40Ar年龄分析，认为本区该时段至少经历了3期明显的岩浆作用过程，其中早石炭世晚期—中二叠世岩浆活动的形成与古亚洲洋向华北地块的俯冲作用有关，而二叠纪末—三叠纪的岩浆活动与板块拼合后的伸展及岩石圈的拆沉作用有关；赵磊等[18]在乌拉特中旗北橄榄辉长岩中取得的SHRIMP锆石U−Pb年龄为(269±8)Ma，认为华北板块北缘中段在此时已经进入大陆板内构造演化阶段；王挽琼[5]在乌拉特中旗北东部黑云母二长花岗岩中获得(279±3)Ma、(266±3)Ma两组锆石U−Pb年龄，认为岩石形成于与俯冲有关的活动大陆边缘碰撞前环境，从而说明早、中二叠世古亚洲洋在本区并未消失，仍在持续向华北板块北缘俯冲；陶继雄[17]在满都拉地区复合侵入体内获得了285~280 Ma的单颗粒锆石U−Pb年龄，通过岩石地球化学分析，认为侵入体具有大洋岛弧岩浆岩的特点，是俯冲造山过程的岩石记录，表明了该区板块缝合时间至少应在早二叠世之后；柳长峰[19]以索伦—西拉木伦缝合带为界，将内蒙古中部地区岩浆岩划分为南北两条带，认为早二叠世在南北两带内均发育具有火山弧性质的侵入体，其形成于板块碰撞之前，侵位与古亚洲洋向两侧板块俯冲、消减有关，最终将碰撞拼合时间限定在281~256 Ma。
石哈河地区黑云母二长花岗岩的岩石地球化学显示其以富Si、Al、K，贫Ti、Ca，富集大离子亲石元素与轻稀土元素，而亏损高场强元素和重稀土元素为特征，显示出岛弧和活动大陆边缘花岗岩的特征。在Pearce等(1984)花岗岩Y−Nb判别图解中(图 6)，样品落入火山弧与同碰撞花岗岩区。在(Y+Nb)−Rb判别图解中(图 6)，所有样品均落入火山弧花岗岩区，且岩石属于高钾钙碱性系列，未出现低钾系列，表明岩石产出于活动大陆边缘环境[20]；综上所述，笔者认为研究区内黑云母二长花岗岩形成于活动大陆边缘构造环境，与洋壳的俯冲、消减有关。原始岩浆于地幔向上运移过程中经历了地壳物质的熔融与混入，于(275.0±0.7)Ma侵位形成了具有壳幔混合特征的I型花岗岩，即本区由洋壳俯冲阶段转入陆−陆碰撞构造演化阶段的时间上限应晚于(275.0±0.7)Ma。这与前人所得结论虽稍有差异，但基本吻合，同时也辅证了两大板块缝合时限的时空规律——西早东晚，由乌拉特中期北部的前(269±8)Ma到北东部的后(279±3)Ma及本区的后(275.0±0.7)Ma，向东到满都拉地区的后285~280 Ma以及四子王旗地区的281~256 Ma。
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图 6 黑云母二长花岗岩的构造环境判别图解 Fig.6 Tectonic setting discrimination diagrams of biotite monzonitic granites |
基于对乌拉特中旗石哈河地区黑云母二长花岗岩的岩石学、岩石地球化学及锆石U−Pb年代学特征的系统研究，初步得出如下几点结论：
(1) 黑云母二长花岗岩属于偏铝质−弱过铝质Ⅰ型花岗岩，为钙碱性系列。岩石ΣREE偏低，富集轻稀土元素而亏损重稀土元素，轻重稀土分异程度较高，Eu异常不明显或呈弱的负异常；岩石富集大离子亲石元素Rb、K等，而亏损高场强元素Nb。
(2) 黑云母二长花岗岩形成于早二叠世晚期，锆石206Pb/238U的年龄加权平均值为(275.0±0.7)Ma。
(3) 石哈河地区黑云母二长花岗岩形成于活动大陆边缘构造环境，与洋壳的俯冲、消减有关，推测研究区内由洋壳俯冲阶段转入陆−陆碰撞构造演化阶段的时间上限应晚于早二叠世晚期。
致谢: 感谢审稿专家和编辑部李亚萍老师对本文提出的宝贵修改意见！
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