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2. 兰州大学, 甘肃 兰州 730000
2. Lanzhou University, Lanzhou 730000, Gansu, China
北山地区位于华北板块、塔里木板块和哈萨克斯坦板块的交汇部位，总体上为一近东西向展布的构造-岩浆活动带，从区域地层建造及岩浆岩组合特征来看，可划分出北、中、南三个构造带。北带指明水南—石板井一线以北，南带指方山口—月牙山一线以南地区，南、北两带之间为中带[1-5]。鉴于该区构造位置特殊，近年来一直成为研究的热点。对于区内白山组的时代归属问题长期以来存在争议，1：100万区调❶、1：20万区调❷将其划归早石炭世；《内蒙古自治区岩石地层》认为白山组与绿条山组为连续沉积，空间上两者常呈交错状接触，而绿条山组中含有腕足类Syringothyris sp.、珊瑚Caninia sp.，Caninophyllum sp.等早石炭世海相动物化石[6]，据此将其时代定于早石炭世；黄增保等[7]认为白山组为早石炭世晚期红石山洋向塔里木板块俯冲形成的；卢进才等[1]在红石山白山组安山质角砾晶屑凝灰熔岩中获得LA-MC- ICP-MS锆石U- Pb年龄为(314.9±3.3)Ma，属于晚石炭世早期。本文通过对北山地区风雷山一带分布的白山组流纹岩的产出状态、岩石学、地球化学、锆石U-Pb年代学等方面的研究，厘定白山组的地层时代，明确其形成的构造环境。
❶甘肃玉门幅K-47 1：100 万地质图说明书.地质部地质研究所,1964.
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1 地质概况及岩石学特征研究区位于内蒙古额济纳旗西部地区，大地构造位置处于南部明水—石板井—小黄山蛇绿岩带与北部红石山—蓬勃山蛇绿岩带之间(图 1-a)。区内出露地层主要为古元古界北山岩群和石炭系白山组，北山岩群1：20万区调时划归下石炭统白山组❷，依据岩石地层清理结果，将其从白山组分解出来，岩性以中高级变质岩为主，将其归并为北山岩群；白山组由中酸性、酸性火山熔岩、火山碎屑岩组成，顶被二叠世的双堡塘组不整合覆盖[6]，上述地层被中新生代地层覆盖。
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图 1 风雷山地区所处大地构造位置(a)(据文献[8]修改)及地质图、采样位置图(b) Fig.1 Schematic geological map of sampling location (b) and tectonic sketch map (a) (after reference [8]) of Fengleishan area |
经野外实地调查，白山组岩性主要为紫红色流纹岩、流纹质含角砾岩屑晶屑凝灰岩、英安质、安山质晶屑凝灰岩夹少量灰色英安岩等，被晚石炭世石英闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩等侵入(图 1-b)。该套岩层层面平缓，2个主要岩性单元空间顺序可以确定，即底部为红色酸性熔岩，上部为中酸性火山碎屑岩。依据喷发特征和岩石空间叠置关系将其划分为白山组一段、二段。一段岩性主要为紫红色流纹岩；二段岩性主要为流纹质、英安质岩屑晶屑凝灰岩，大部分都含角砾。浅褐红色流纹岩：岩石风化面呈紫红色，新鲜面呈浅褐红色，斑状结构，基质隐晶状-微晶状结构，块状构造。斑晶：斜长石为0.5~2.5 mm半自形板状，约占15%；石英为0.5~3 mm熔蚀浑圆状或熔蚀半自形晶，约占5%~8%；钾长石少量。基质由0.01~0.1 mm隐晶状长英质(30%~40%)、霏细状长英质(30%~40%)以及少量球粒状长英质(5%~10%)构成。
2 分析测试方法岩石薄片经显微镜下鉴定后，选择新鲜样品进行地球化学分析。首先将岩石样品在破碎机上进行粗碎，然后在玛瑙钵体和柱头的研磨机上研磨至200目以下，样品加工过程均在无污染设备中进行。样品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-serise2)分析，分析精度优于5%。
用于锆石U-Pb年代学测定的样品，在河北省区域地质矿产研究所实验室对锆石进行分选。将完整的典型锆石置于DEVCON环氧树脂中，待固结后抛磨，使锆石内部充分暴露，然后进行锆石的显微照相(反射光和透射光)和锆石的阴极发光(CL)照相，锆石的透射光、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)。激光剥蚀的斑束为35 μm，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。数据处理采用中国地质大学Liu等编写的ICPMSDataCal程序[9]和Ludwing等编写的Isoplot程序[10]进行作图，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。
3 年代学测定结果流纹岩样品采自额济纳旗西红石门。地理坐标：东经99°15′24″，北纬41°57′23″。样品(TW6151)中的锆石多呈无色，短柱状—长柱状，长宽比多介于1:2~1:3，个别为1:1，阴极发光CL图像(图 2)显示出多数锆石内部具典型的明暗相间的环带结构，表明其属于岩浆结晶的产物[11]，少量锆石的中心存在浑圆状老核。锆石U-Pb测年结果见表 1，25个点的测试结果显示锆石的Th/U比值介于0.42~1.06，也说明了锆石属于典型岩浆成因锆石[12-13]。在锆石U-Pb年龄206Pb/238U-207Pb/235U谐和图中(图 3)，所有分析数据点均分布在谐和线上及其附近，206Pb/238U加权平均年龄为(318.5±1.2)Ma(n=25)，MSWD=0.95(1σ)。
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图 2 风雷山白山组流纹岩(TW6151)代表性锆石的CL图像及分析点和年龄 Fig.2 CL images of the representative zircons for rhyolites (TW6151) from Baishan Formation in Fengleishan area showing the analyzed spots and their ages |
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表 1 风雷山白山组流纹岩(TW6151)LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析结果 Table 1 LA-ICP-MS U-Pb data for zircons of rhyolites from Baishan Formation in Fengleishan |
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图 3 风雷山白山组流纹岩LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb年龄谐和图 Fig.3 LA-ICP-MS zircon U-Pb concordia diagram for rhyolites from Baishan Formation in Fengleishan |
从表 2中可以看出，流纹岩SiO2含量高(77.05%~77.52%)；Al2O3含量中等(11.96%~12.32 %)；全碱(K2O+Na2O)含量为7.50%~7.83 %，其中K2O为3.80%~4.06%，K2O/Na2O＞1(1.03~1.07)，但未出现Ne、Lc、Ac等过碱性矿物；TiO2(0.06%~0.19%)、CaO(0.38%~1.04%)、MgO(0.09%~0.17%)含量低。岩石化学计算结果表明，岩石的里特曼指数σ(σ=((K2O+Na2O)2/SiO2-43))＜1.8，在1.65~1.78变化，平均为1.74，为钙性系列，TAS火山岩分类图解中3个样品投影点均落于流纹岩区内(图 4)。
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表 2 风雷山白山组流纹岩的主量元素(%)、微量元素(10-6)含量 Table 2 Major(%), trace element (10-6) values of rhyolites from Baishan Formation in Fengleishan |
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图 4 火山岩TAS分类命名图(据文献[14]修改) Fig.4 The classification and nonmenclature diagram for rhyolites from Baishan Formation in Fengleishan (modified after reference [14]) |
在原始地幔标准化的微量元素配分图(图 5-a)中，可以看出流纹岩相对富集了易溶于水的、来自于富集型交代地幔楔的大离子亲石元素(LILE)Rb、K，而亏损较难溶于水的高场强元素(HFSE)Nb、Ta、P、Ti，反映了俯冲带岩浆岩的特征[15]。样品稀土总量变化于125.22×10-6~143.02×10-6，平均为138.47×10-6，轻稀土总量(ΣLREE平均为127.55×10-6)明显高于重稀土(ΣHREE平均为10.92×10-6)，轻重稀土分馏明显((La/Yb)N变化于6.37~7.88，平均为7.05；(La/Sm)N变化于4.51~4.61，平均为4.55)，Eu具较为明显的负异常(δ Eu平均仅为0.62)，与图中(图 5-b)显示特征相符。相对亏损Sr，且Eu具较为明显的负异常，说明可能发生了斜长石的分离结晶作用。
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图 5 风雷山白山组流纹岩原始地幔标准化微量元素配分图(a)(标准化值来源于文献[16])和球粒陨石标准化稀土配分图(b)(标准化值来源于文献[17]) Fig.5 Primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (a) (normalized value after reference [16])and chondritenormalized REE patterns (b) (normalized value after reference [17])of rhyolites from Baishan Formation in Fengleishan |
研究区位于旱山陆块，大地构造单元划分属于明水岩浆弧(Ⅲ级)[18]，龚全胜等认为早石炭世红石山大洋向南俯冲于明水—旱山陆块之下，在其大陆边缘形成陆缘岩浆弧[19]。流纹岩地球化学特征显示样品的里特曼指数(σ)均小于1.8，属钙性系列，而钙碱性系列岩石与大洋板块的俯冲作用是密切相关的，是俯冲消减带特有的产物[20-21]。岩石样品具有富SiO2、高K2O、低TiO2的特征，富集K、Rb、Th，亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素，轻稀土富集，Ta/Yb平均值为0.24，具有钙碱性火山弧的一般特征[22]。白山组流纹岩中富集大离子亲石元素Rb、Th、U，明显亏损高场强元素Nb、Ta等，并具有显著的Sr负异常(图 5-a)，这与成熟岛弧环境形成的火山岩具有相似的曲线分布形式[23]。一般岛弧火山岩以玄武岩、安山岩为主，酸性火山岩少见，钾含量低，且Ta/Yb值大多小于0.1[24]。研究区白山组以流纹岩为主，且大量产出爆发形成的火山碎屑岩，与岛弧火山岩明显不同，而与陆缘弧火山岩岩石组合相似[25]，在log(Ta/Yb)- log(Th/Yb)图解中(图 6)中样品均落入陆缘弧火山岩区内。综上所述，风雷山白山组流纹岩构造环境为陆缘弧。这与《内蒙古自治区岩石地层》所述白山组形成于岛弧环境[6]不一致，但与黄增保等红石山地区白山组研究结果相一致[7]。
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图 6 风雷山白山组流纹岩构造判别图 Fig.6 Tectonic discrimination diagrams of rhyolites from Baishan Formation in Fengleishan |
风雷山白山组流纹岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(318.5±1.2)Ma，与部分学者获得的白山组火山岩年龄分布范围(297.6±1.3)Ma～(318.5±4.8)Ma[1]相吻合，属于晚石炭世。此外，牛亚卓等在黑鹰山采集白山组英安斑岩获得LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(308.6±1.0)Ma，哈珠南采集英安—安山质角砾熔岩岩屑晶屑凝灰岩获得LA-ICP-MS锆石UPb年龄为(299.1±2.4)Ma[26]，也属于晚石炭世。但这与《内蒙古自治区岩石地层》中白山组形成时代为早石炭世[6]不完全一致。前人认为白山组与绿条山组为连续沉积，应为同一时代形成的，绿条山组中含有腕足类Syringothyris sp.、珊瑚Caninia sp.，Caninophyllum sp.等早石炭世海相动物化石[6]，其时代应为早石炭世，但从变质程度来看，绿条山组岩石多经历了低绿片岩相变质，以变质(粉)砂岩、板岩、千枚岩为主，而白山组岩石未发生变质，二者应不是同期形成的，白山组形成时代明显晚于绿条山组，结合年代学结果，笔者认为白山组形成于晚石炭世。
6 结论(1) 风雷山白山组流纹岩具有富SiO2、高K2O、低TiO2的特征，富集K、Rb、Th，亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素，轻稀土富集，Ta/Yb平均值为0.24，σ小于1.8，揭示出其构造环境为火山弧，岩石组合以流纹岩和火山碎屑岩为主，与陆缘弧火山岩岩石组合相似，故风雷山白山组火山岩构造环境为陆缘弧。
(2) 风雷山白山组流纹岩LA-ICP-MS锆石UPb年龄为(318.5±1.2)Ma，结合区域地质特征，认为其形成时代为晚石炭世。
致谢: 项目组成员陈海东、高勇、郝增元、邱锦雄、鲁宁、王建斌等3年来在野外工作中提供了帮助；天津地质矿产研究所周红英教授在LA-MC-ICPMS锆石U-Pb年龄测试中给予了技术帮助；天津地质调查中心辛后田教授级高级工程师、广东省地震局郭良田教授级高级工程师对野外地质问题的认识方面给予了指导；匿名审稿人审阅了全文，并提出了宝贵的意见。在此一并致以诚挚谢意。
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