张祥信, 高永丰, 雷世和



内蒙古中部红格尔地区玛尼吐组钾玄质火山岩锆石U-Pb年龄、地球化学及其地质意义

张祥信*, 高永丰, 雷世和

(河北地质大学 资源学院, 河北 石家庄 050031)

内蒙古中部红格尔地区玛尼吐组火山岩主要由粗面英安岩、粗面岩、粗安岩和安山岩组成。LA-ICP-MS锆石U-Pb方法获得该火山岩的形成年龄为133~137 Ma, 表明其形成时代为早白垩世。岩石富碱(Na2O + K2O = 6.22%~8.26%)、高K2O (2.49%~4.58%)、低TFe2O3(3.76%~6.53%)、贫TiO2(0.92%~1.61%)、高Al2O3(14.27%~15.88%)。富集Rb、Ba、Th、U等大离子亲石元素和轻稀土元素, 相对亏损Nb、Ta和Ti等高场强元素, 且在微量元素蛛网图上呈现明显的负异常。Nd()为正值(+0.40~ +1.64),DM变化于694~767 Ma之间; 有较高的放射性Pb同位素组成, (206Pb/204Pb)i为18.180~18.498, (207Pb/204Pb)i为15.503~15.533, (208Pb/204Pb)i为37.914~38.042。主元素、微量元素地球化学和Sr-Nd-Pb同位素组成显示红格尔地区玛尼吐组火山岩为钾玄质岩, 钾玄质岩浆上升演化过程中经历了铁镁矿物、斜长石、钛铁矿、磁铁矿和磷灰石的分离结晶作用, 基本未受地壳物质混染。玛尼吐组钾玄质岩源于古亚洲洋俯冲板片释放流体交代的富集岩石圈地幔, 是在伸展体制下富集岩石圈地幔减压部分熔融的产物。这种伸展体制是早白垩世蒙古-鄂霍茨克洋闭合后加厚岩石圈重力跨塌引起的, 反映了造山后板内伸展环境。

玛尼吐组; 钾玄质岩; 锆石U-Pb年龄; 地球化学; 兴蒙造山带

0 引 言

大兴安岭及邻区分布了大面积的中生代火山岩和同期的花岗岩[1–3], 为我国东部大火成岩省的重要组成部分[1,2,4], 也是东亚大陆边缘最显著的特征之一[1–2]。这些火山岩构成了大兴安岭及邻区中生代地层的主体[5]。以往根据地层间的接触关系与少量古生物化石、Rb-Sr和K-Ar年龄数据, 认为这些中生代火山岩形成于中晚侏罗世[6–7]。但是, 新近大量的锆石U-Pb和Ar-Ar年代学结果[1,2,8–14]表明大兴安岭及邻区中生代火山岩主要形成于早白垩世, 部分在晚罗世喷发。值得注意的是, 大兴安岭及邻区侏罗纪-早白垩世的火山岩地层包括满克头鄂博组、玛尼吐组、白音高老组和梅勒图组[1,2,6,10], 显示了相似的年龄范围[1,2,10]。越来越多的锆石U-Pb年龄证据表明大兴安岭及邻区中生代火山岩与区域上中生代花岗岩的时代是一致的[1–5,10,14]。但是, 与中生代花岗岩[3–5]相比, 这些火山岩的岩石成因及形成构造环境存在较多争议[1,2,10–20], 这阻碍了对兴蒙造山带中生代构造-岩浆演化的认识。

位于内蒙古中部的红格尔地区分布了较为广泛的中生代火山岩, 是大兴安岭及邻区中生代火山岩带的组成部分。但是, 由于缺乏火山岩锆石U-Pb年代学和地球化学方面的资料, 对其形成时代、成因及形成构造环境研究不足, 制约了该区乃至兴蒙造山带中生代构造-岩浆演化历史的深入认识。笔者等依托“内蒙古1∶5 万准和热木音苏木(L49E021018)等六幅区域地质矿产调查”项目, 识别出红格尔地区早白垩世玛尼吐组火山岩具有钾玄质岩的地球化学特征。本文通过对该组钾玄质火山岩锆石U-Pb年代学、元素地球化学和同位素地球化学进行研究, 揭示其形成时代, 讨论岩浆源区特征、岩石成因及形成的构造环境, 以期为兴蒙造山带中生代构造-岩浆演化提供新资料。

1 区域地质背景

兴蒙造山带夹持于西伯利亚板块和华北板块之间, 是中亚造山带的重要组成部分, 经历了复杂而长期的多块体拼贴与造山作用[21–25]。晚古生代-早中生代, 其经历了古亚洲洋和蒙古-鄂霍茨克洋的闭合以及华北板块与西伯利亚板块的最终拼贴等过程。晚中生代, 进入了造山后阶段, 表现为岩石圈的伸展作用, 形成盆-岭构造格局并伴随着强烈的火山喷发活动[16,26,27], 造就了大规模的北东-北北东向中生代构造岩浆带。

红格尔地区位于苏尼特左旗北部, 大地构造位置属于兴蒙造山带西部, 是古生代古亚洲构造域与中-新生代环太平洋构造域、蒙古-鄂霍茨克构造域的强烈叠加、复合和转换部位。紧邻索伦缝合带北部北方造山带, 二连-贺根山断裂从研究区南部通过(图1)。

区内主要出露中生界地层和侵入岩, 上古生界地层少量分布。上古生界地层为上石炭统宝力高庙组滨浅海相碎屑岩。中生界地层为下白垩统玛尼吐组、白音高老组陆相火山岩和大磨拐河组河湖相碎屑岩、黏土岩。玛尼吐组中性火山岩被大磨拐河组砂岩、泥岩整合覆盖, 两者产状受断裂影响略有差别。火山岩产状平缓, 倾向南或南东, 倾角10°~30°。侵入岩主要为晚石炭世花岗岩体, 呈岩株产出。岩体的岩石类型包括碱长花岗岩、花岗闪长岩与黑云母二长花岗岩。在巴润和热木一带, 玛尼吐组中性火山岩呈东西向条带状喷发不整合覆盖于碱长花岗岩体之上, 沿两者接触带发育近东西向正断层。

2 火山岩岩石学特征

红格尔地区玛尼吐组分布广泛, 其岩性主要为粗面英安岩、粗面岩、粗安岩和安山岩(图2)。岩石颜色以灰紫色、浅灰色为主, 块状构造、气孔构造和杏仁构造发育, 以含有明显的斜长石、碱性长石和辉石斑晶为特点, 常见多斑结构和聚斑结构, 基质主要为交织结构、微晶结构或粗面结构。

粗面英安岩: 斑晶由斜长石(15%~20%)、石英(4%)、辉石和黑云母(5%)组成, 杂乱分布, 粒径0.2~2.7 mm。斜长石呈半自形板状, 局部边缘熔蚀, 可见环带构造; 石英呈他形粒状, 有的熔蚀成港湾状, 具弱波状消光; 辉石呈短柱状, 有的被绿泥石、硅质等交代呈假象。黑云母呈鳞片状, 沿解理及边缘褐铁矿化明显。基质由斜长石、辉石、少量石英和黑云母组成, 粒径小于0.2 mm。副矿物为磁铁矿、磷灰石、钛铁矿和锆石。

图1 研究区所在位置及地质简图

(a) 中亚造山带构造简图; (b) 大地构造位置分区图(据文献[28]修改); (c) 红格尔地区地质简图。(a) Tectonic framework of the Central Asian Orogenic Belt; (b) tectonic location of the study area (modified from reference [28]); (c) geological sketch map of the Honggeer area.

图2 红格尔地区玛尼吐组火山岩地质剖面图(剖面位置见图1c)

粗安岩: 斑晶由斜长石(15%)、钾长石(1%~5%)和少量辉石、黑云母组成, 粒径0.2~4.8 mm。斜长石呈半自形板状, 聚斑状产出, 有的见环带结构; 钾长石呈半自形板状, 聚斑状产出, 有的粒内见斜长石包体, 局部见熔蚀边; 辉石呈半自形柱粒状, 聚斑状产出; 黑云母为棕色, 叶片状, 零星分布, 局部暗化现象明显。基质由斜长石、钾长石、辉石和黑云母组成, 粒径小于0.2 mm。副矿物为磁铁矿、磷灰石、钛铁矿和锆石。

安山岩: 斑晶由斜长石(15%)和辉石(2%~5%)组成, 杂乱分布, 粒径0.1~2.2 mm。斜长石呈半自形板状, 有的具熔蚀结构, 隐约可见环带构造。电子探针分析表明安山岩中斜长石斑晶An含量为43.89%~ 44.64%, Ab变化于51.69%~52.52%之间, 为中基性斜长石。辉石为短柱状, 电子探针分析表明主要为斜顽辉石和少量普通辉石。基质呈交织结构, 由长石、辉石微晶和隐晶质组成, 微晶粒径小于0.1 mm。副矿物为磷灰石、钛铁矿和锆石。

3 分析方法

本文样品(TW01、TW02和TW03)采自采石场或公路两侧的新鲜基岩露头。锆石的分选工作在河北省区域地质矿产调查研究所完成。样品按照常规方法粉碎淘洗后, 经磁选和重液分离, 然后在双目镜下挑选出晶形较好, 无明显裂痕和包裹体的锆石颗粒。锆石的制靶和透射光、反射光、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同位素定年和微量元素含量测试在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室利用LA-ICPMS同时分析完成。激光剥蚀系统为GeoLas 2005, ICP-MS为Agilent 7500a。分析中采用的激光斑束直径为30 μm, 以氦气作为剥蚀物质的载气, 分析流程见文献[29–30]。锆石91500作为外部标准来校正分析过程中的同位素分馏, NIST610作为外部标准来获得分析点的Th和U的含量, Si作内标进行校正, 普通Pb的校正采用文献[31]的方法进行。锆石加权平均年龄的计算和谐和图的绘制采用ISOPLOT 3.0程序[32]。

火山岩样品的地球化学数据在核工业北京地质研究院分析测试研究中心分析完成。主元素采用XRF玻璃熔片法分析, 分析仪器为AB104-L、PW2404 X射线荧光光谱仪, 分析精度和准确度优于5%; 微量元素和稀土元素采用ICP-MS分析方法, 分析仪器为ELEMENT等离子体质谱分析仪, 分析精度和准确度一般优于10%。Sr-Nd-Pb同位素组成用英国Isotopx公司制造的PHOENIX热电离质谱仪分析测定。Sr同位素比值采用86Sr/88Sr = 0.1194进行质量分馏校正, Nd同位素比值采用146Nd/144Nd = 0.7219进行校正。Pb同位素比值采用NBS-981标样进行校正。

4 分析结果

4.1 锆石U-Pb年龄测定结果

锆石U-Pb同位素分析结果见表1。CL图像显示(图3), 所测的TW01、TW02和TW03等3个火山岩样品的锆石颗粒晶形较好, 自形或半自形, 多呈长柱状或短柱状, 具有明显岩浆成因的振荡生长环带。锆石的Th/U比值均大于0. 1, 分别为0.31~ 1.15、0.49~1.06和0.47~1.26 (表1), 为岩浆成因的锆石[33–34]。

样品TW01岩性为粗面英安岩, 采自红格尔东南约8.15 km处, 采样位置112°20′33″E, 44°37′08″N。17粒锆石测点的206Pb/238U表面年龄变化范围大, 介于((118±2)~(464±6)) Ma之间(表1), 可分为4组, 分别为((118±2)~(156±5)) Ma、(203±3) Ma、(349±4) Ma和((428±8)~(464±6)) Ma。下部13个测点位于U-Pb谐和线上或其附近,206Pb/238U表面年龄介于((118±2)~ (156±5)) Ma之间, 加权平均年龄为(137±2) Ma (MSWD = 0.8), 代表岩浆结晶年龄(图4)。上部4个测点206Pb/238U表面年龄分别为(203±3) Ma、(349± 4) Ma、(428±8) Ma和(464±6) Ma, 为早期的捕虏锆石年龄。

样品TW02岩性为粗面英安岩, 采自红格尔东南13.23 km处, 采样位置112°25′22″E, 44°38′32″N。19粒锆石测点的206Pb/238U表面年龄介于((101±3)~ (322±5)) Ma之间(表1)。17个测点位于U-Pb谐和线上或其附近, 加权平均年龄为(137±2) Ma (MSWD = 0.4), 代表岩浆结晶年龄(图4)。上部1个测点206Pb/238U表面年龄(322±5) Ma, 为早期的捕虏锆石年龄。下部1个测点206Pb/238U表面年龄(101±3) Ma年龄偏低, 可能是Pb丢失的结果。

表1 玛尼吐组火山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb定年数据

(续表1)

图3 玛尼吐组火山岩部分锆石阴极发光图像

样品TW03岩性为粗面英安岩, 采自红格尔东南12.15 km处, 采样位置112°24′38″E, 44°37′30″N。20粒锆石测点的206Pb/238U表面年龄变化范围大, 介于((81±1)~(154±3)) Ma之间(表1)。上部18个测点位于U-Pb谐和线上或其附近, 加权平均年龄为(133±3) Ma (MSWD = 1.6), 代表岩浆结晶年龄(图4)。下部2个测点206Pb/238U表面年龄(81±1) Ma, (102±2) Ma年龄偏低, 可能是Pb丢失的结果。

综上分析, 红格尔地区玛尼吐组火山岩的成岩年龄为(133~137) Ma, 属早白垩世的产物。

4.2 主元素特征

玛尼吐组火山岩主元素特征见表2。从表2可见, 火山岩的SiO2含量变化于58.23%~67.93%之间, 平均62.55%。全碱(Na2O+K2O)含量高, 为6.22%~ 8.26%, 平均7.69%。K2O含量高, 介于2.49%~4.58%之间, 平均3.86%。K2O/Na2O为0.67~1.35, 平均1.01,相对富钾。全铁TFe2O3含量低, 为3.76%~6.53%, 平均5.41%。MgO含量低, 介于0.62%~2.6%之间, 平均1.29%。TiO2含量低, 介于0.92%~1.61%之间, 平均1.28%。Al2O3含量高, 变化范围小, 在14.27%~ 15.88%之间, 平均15.38%。Mg#为24.34~48.14, 平均34.44。多数样品的A/CNK比值小于1, 介于0.90~1.10之间, 平均0.97, 属于偏铝质岩石。里特曼指数为2.52~3.64, 属于钙碱性系列。

图4 玛尼吐组火山岩锆石U-Pb年龄谐和图

Fig.4 Zircon U-Pb concordia diagrams for the Manitu Formation volcanic rocks

表2 玛尼吐组火山岩主元素(%)、微量元素和稀土元素含量(μg/g)

(续表2)

(续表2)

在TAS火山岩分类命名图解(图5a)中, 样品落在了亚碱性系列区, 少数落在碱性和亚碱性系列分界线附近。除样品H05和H06分别属于安山岩和粗面安山岩之外, 其余均为粗面岩(标准矿物Q < 20%)、粗面英安岩(标准矿物Q > 20%)。在AFM图解(图5b)中, 样品具有钙碱性岩浆的演化趋势系列, 并表现出先富铁后降低的拉斑质岩浆的演化趋势。在K2O-SiO2图解(图6a)中, 多数样品落于钾玄岩系列区或附近, 少数落于高钾钙碱性系列区; 但在K2O-Na2O图(图6b)中, 所有样品均落在了钾玄质区域。

图5 玛尼吐组火山岩TAS图(a)和AFM图(b)

(a) 岩石分类据文献[35], 系列界线据文献[36]; (b) 据文献[36]。(a) TAS diagram (classification is from reference [35], and separating line between the alkaline and sub-alkaline series is from reference [36]); (b) AFM diagram (from reference [36]).

Pc–苦橄玄武岩; B–玄武岩; O1–玄武安山岩; O2–安山岩; O3–英安岩; R–流纹岩; S1–粗面玄武岩; S2–玄武质粗面安山岩; S3–粗面安山岩; T–粗面岩、粗面英安岩; F–副长石岩; U1–碱玄岩、碧玄岩; U2–响岩质碱玄岩; U3–碱玄质响岩; Ph–响岩; TH–拉斑玄武岩系列; CA–钙碱性系列。

图6 玛尼吐组火山岩K2O-SiO2图(a)和K2O-Na2O图(b)

(a)实线据文献[37]; 虚线据文献[38]; (b) 据文献[39]。
(a) K2O-SiO2diagram (solid lines are from reference [37], and dashed lines are from reference [38]); (b) K2O-Na2O diagram (from reference [39]).

4.3 微量元素特征

玛尼吐组火山岩的微量元素表现出较为一致的特征(表2和图7a), 大离子亲石元素(LILE) Rb、Ba、Th、U强烈富集, 普遍为原始地幔的100~200倍, 最高的为370倍。其中, Rb为120~189 μg/g, 平均148.8 μg/g; Ba为1003~1965 μg/g, 平均1326 μg/g; Th为8.3~20 μg/g,平均13.2 μg/g; U为2.22~7.78 μg/g, 平均3.36 μg/g。相对富集流体活化元素Pb, 含量为16.5~29.6 μg/g, 平均20.2 μg/g。高场强元素(HFSE) Nb、Ta、Ti和P强烈亏损, Zr、Hf相对富集。在原始地幔标准化微量元素蛛网图上(图7a), 所有样品的微量元素分布曲线较为相似, 表现为总体向右倾形式。存在明显的Nb、Ta、Ti、Sr和P负异常, 具显著的Pb峰和Zr、Hf正异常。岩石中Sr的负异常表明岩浆中可能存在斜长石的分离结晶, 而P的负异常与磷灰石的分离结晶有关。

火山岩中微量元素具有较高的Ce/Yb (66.3~ 88.6)、Th/Yb (4.8~13.7)和Ta/Yb (1.0~1.4)比值。在Ce/Yb-Ta/Yb和Th/Yb-Ta/Yb图解[43](图8)中, 所有样品均落在钾玄岩系列区域。这与主元素判别结果一致, 进一步确定玛尼吐组火山岩为钾玄质岩。

4.4 稀土元素特征

玛尼吐组火山岩稀土元素分析结果见表2。从表2可见, 稀土总量(∑REE)变化于231~311 μg/g, 平均278 μg/g; LREE/HREE比值为14.1~17.8, 平均15.7, 轻重稀土分异强烈; (La/Yb)N为22.0~30.3, 平均26.9, 属轻稀土富集型。在球粒陨石标准化图解(图7b)中, 各样品具有相似的稀土分布模式, 稀土分馏程度基本一致, 均体现为轻稀土元素富集且配分曲线较陡、重稀土元素相对亏损, 表现为一组右倾且互相平行的平滑曲线, 暗示各岩石为同源岩浆演化的产物。(La/Sm)N为3.6~4.6, 平均4.0; (Gd/Yb)N为3.3~4.4, 平均3.8, 显示轻稀土元素内部和重稀土元素内部均发生了一定程度的分馏; 而且随原子序数增加, 分馏程度明显降低, 曲线近于平坦。Eu为0.69~0.91, 平均0.85, 具弱的Eu负异常, 与Sr的负异常相吻合, 反映岩浆中存在斜长石的分离结晶作用, 与岩石中含有斜长石斑晶相一致。

图7 玛尼吐组火山岩原始地幔标准化微量元素蛛网图(a)和球粒陨石标准化稀土元素分布曲线图(b)

原始地幔数据引自文献[41]; 球粒陨石值引自文献[42]。

Primitive mantle values are from reference [41], and chondrite values are from reference [42].

图8 玛尼吐组火山岩Ce/Yb-Ta/Yb和Th/Yb-Ta/Yb图解(据文献[43])

4.5 Sr-Nd-Pb同位素特征

对5件玛尼吐组火山岩样品进行了Sr-Nd-Pb同位素测定, 测定结果列于表3。根据表3, 火山岩的(87Sr/86Sr)i值变化于0.70441~0.70492之间, (143Nd/144Nd)i值变化于0.51247~0.51255之间,Nd()值为正值(+0.16~ +1.64),DM值变化于(694~767) Ma之间。这些结果显示火山岩具有亏损地幔源区的Sr-Nd同位素组成。在Nd()-(87Sr/86Sr)i图解(图9)中, 样品落在洋岛玄武岩(OIB)区域及附近, 与美国西部盆岭区(Basin and Range Province)新生代火山岩[44–45]相似。火山岩样品具有正Nd()和低DM值, 和大兴安岭中生代火成岩Sr-Nd同位素特征基本一致[47–48]。

火山岩具有较高的放射性Pb同位素组成, (206Pb/204Pb)i值为18.180~18.498, (207Pb/204Pb)i值为15.503~15.533, (208Pb/204Pb)i值为37.914~38.042。在208Pb/204Pb-206Pb/204Pb图解(图10a)中, 样品落在印度洋中脊玄武岩(India MORB)区域及附近, 除1件样品(TW01)外, 其余样品位于北半球参考线(NHRL)之上。在207Pb/204Pb-206Pb/204Pb图解(图10b)中, 样品落在OIB和India MORB区域, 并且位于北半球参考线之上和地球演化线(Geochron)右侧。

5 讨 论

5.1 形成时代

大兴安岭及邻区中生代火山岩地层划分存在较多争议[52]。以往依据岩石组合将中生代火山岩地层由老至新一般划分为: 上侏罗统满克头鄂博组、玛尼吐组、白音高老组和下白垩统梅勒图组, 但对其形成时代缺乏详细的高精度的年代学研究[5–6]。本文研究的红格尔地区玛尼吐组火山岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(133~137) Ma。这个年龄与扎兰屯西南柴河地区玛尼吐组角闪安山岩锆石U-Pb年龄(135 Ma)[53]在误差范围内一致。Ying.对研究区以东的突泉地区玛尼吐组安山岩进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb定年, 获得年龄(139±1) Ma[9]。Zhang.在林西地区玛尼吐组上部安山岩中获得锆石U-Pb年龄(138±1) Ma, 在平山盆地斑状辉石安山岩中获得锆石U-Pb年龄(132±1) Ma[2]。Yang.在突泉盆地和图列毛都玛尼吐组安山岩、粗面英安岩获得了LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄(128~142) Ma[54]。因此, 上述高精度的锆石U-Pb年龄一致地表明, 红格尔地区玛尼吐组火山岩的形成时代与区域上是吻合的, 属早白垩世火山活动的产物。

表3 红格尔地区玛尼吐组火山岩Sr-Nd-Pb同位素组成

图9 玛尼吐组火山岩εNd(t)-(87Sr/86Sr)i图解(盆岭区(Basin and Range Province)据文献[44–45]; 洋中脊玄武岩(MORB)和洋岛玄武岩(OIB)区据文献[46])

Fig.9Nd()-(87Sr/86Sr)idiagram for the Manitu Formation volcanic rocks

(Fields for Basin and Range Province are from references [44] and [45], and MORB and OIB fields are from reference [46])

太平洋和北大西洋中脊(Pacific & North Atlantic MORB)区据文献[49]; 印度洋中脊(Indian MORB)和洋岛玄武岩(OIB)区据文献[50]; 北半球参考线(NHRL)和地球演化线(Geochron)据文献[51]。

Fields for Pacific and North Atlantic MORB, Indian MORB, OIB, and NHRL and Geochron are from references [49], [50] and [51], respectively.

根据新近的锆石U-Pb及Ar-Ar年代学资料, 大兴安岭及邻区中生代火山岩主要形成于(106~ 166) Ma之间[1,2,8–14,19,20]。对上述定年结果进行统计, 结果表明, 大兴安岭及邻区中生代火山活动主要存在3个阶段: (155~166) Ma (晚侏罗世)、(133~ 145) Ma (早白垩世早期)和(106~128) Ma (早白垩世晚期)。前者即晚侏罗世火山作用与区域上分布的塔木兰沟组和满克头鄂博组、冀北、辽西地区的蓝旗组和髫髻山组火山岩相对应, 早白垩世早期火山作用与区域上的吉祥峰组和本区的玛尼吐组以及冀北、辽西的张家口组火山岩相对应, 而后者即早白垩世晚期火山作用与区域上分布的上库力组、伊列克得组、梅勒图组和本区的白音高老组火山岩相对应[12,55]。

我们要着眼长远，从实现我党的长期执政的角度更加清醒地评估乡村治理的价值，城口县探索实施组织振兴举措、构建乡村治理体系具有很强的地域意义和实践意义。搭建党组织引领，各类集体经济组织和乡村社会组织支撑的“三位一体”的村级组织架构，对于边远贫困区县如何实现组织振兴提供了一种工作思路，围绕村级集体经济组织和农村社会组织建设抓乡村治理应当是抓党建促脱贫攻坚、抓党建促乡村振兴的重要突破口。

因此, 大兴安岭及邻区的中生代火山岩主要形成于早白垩世[1,2,10,14], 这一新的年龄结果与Wu.提出的中国东部早白垩世大火成岩事件的峰期时代相吻合[4]; 而且, 早白垩世不仅是大兴安岭及邻区中生代岩浆活动的主要时期, 也是中国东部大规模成矿作用的重要阶段[56–57]。

5.2 岩浆源区

前已述及, 主元素、微量元素地球化学特征一致显示红格尔地区玛尼吐组火山岩为钾玄质岩。岩石富碱、高K2O/Na2O比值、低TiO2含量、Al2O3含量高且变化范围小。强烈富集大离子亲石元素(LILE) (如Rb、Ba、Th、U等)和轻稀土元素(LREE), 相对亏损高场强元素(HFSE), Nb、Ta和Ti呈明显的负异常。上述地球化学特征表明玛尼吐组钾玄质火山岩来源于俯冲板片释放的流体交代的岩石圈地幔[58],而不是由OIB或MORB成分的岩浆经历陆壳混染的结果, 从而导致岩浆源区相对富集LILE而亏损HFSE。在(87Sr/86Sr)i-SiO2与Nd()-SiO2图解(图11)中, 样品均无明显的相关性, 说明在岩浆演化过程中受陆壳物质混染的影响较小。

地幔源区的交代主要受俯冲板片熔融和或板片脱水作用所控制。俯冲板片的脱水在板片熔融之前就已经发生, 因而其释放的流体在地幔楔熔融和富集作用中起关键作用。本区玛尼吐组钾玄质火山岩的Ba/Nb比值变化范围大, 为38.01~71.61; 而Ce/Nb比值变化范围小, 为3.45~6.34, 反映其源区特征与流体交代作用特征相近[59], 而非受俯冲板片熔融所影响。而且, Th/Ta与Th/Nb比值高, 分别为4.46~13.71、0.26~0.97, 同样表明岩浆来自受俯冲流体交代的地幔源区[60–61]。如前所述, 玛尼吐组火山岩样品在Nd()-(87Sr/86Sr)i图解中落在OIB区域及附近, 与美国西部盆岭区新生代火山岩相似。地球化学研究业已证明美国西部盆岭区新生代火山岩的岩浆源区为俯冲板片流体交代的岩石圈地幔[18, 44, 45, 59]。因此, 玛尼吐组钾玄质火山岩的岩浆源区与美国西部盆岭区新生代火山岩一致, 为早期俯冲事件释放的流体交代的岩石圈地幔。蛇绿岩和构造推覆体的分布表明兴蒙造山带在古生代-早中生代发生了多期洋壳俯冲事件[21, 22, 28, 56, 62], 交代组分主要来源于古亚洲洋闭合期间俯冲板片释放的流体。

已有研究表明, 钾玄质岩石主要起源于与俯冲作用有关的富钾和大离子亲石元素交代地幔[63–65]。其K含量受角闪石/金云母含量、卷入的地幔组分和部分熔融程度等因素所控制[66]。地幔包体中的角闪石显示相对高的K、Sr、LREE、HFSE和Ba含量, 而Rb、Th含量低; 相反, 金云母富K、Sr、Ba和Rb, 贫REE、HFSE 和Th。金云母的K/Rb比值为40~400, 而角闪石和含角闪石熔体的K/Rb比值一般大于1100[67]。本区玛尼吐组钾玄质火山岩K/Rb比值(143~275)相对低, REE和HFSE含量也低, 表明金云母是源区主要的含水矿物, 岩石富钾的特征来自源区存在金云母而不是角闪石。含金云母的岩石圈地幔小比例部分熔融产生了钾玄质岩浆[41, 68, 69]。

综合上述, 玛尼吐组钾玄质岩浆可能是富集的中生代岩石圈地幔上部含金云母的二辉橄榄岩部分熔融的产物[59]。

5.3 岩浆作用类型

玛尼吐组钾玄质火山岩具有较高的SiO2含量, MgO含量低, Mg#值(24.34~48.14)较低, 相容元素Cr (32.9~136 μg/g)、Co (7.5~18.9 μg/g)、Ni (7.9~17.5 μg/g)含量均较低, 表明岩浆经历了分离结晶作用过程。

从Harker图解(图略)可以看出, 火山岩的TFe2O3、MgO、TiO2、P2O5、CaO与SiO2呈明显的负相关关系, Al2O3、K2O与SiO2呈大致正相关关系, Na2O与SiO2相关性不明显, 反映了在岩浆演化过程中存在铁镁矿物、斜长石、钛铁矿、磁铁矿和磷灰石的分离结晶。这与岩石薄片观察中辉石、斜长石主要为斑晶相, 钛铁矿、磁铁矿和磷灰石为副矿物相一致。

在(La/Yb)N-SiO2图解(图12a)中, SiO2与(La/Yb)N呈明显的正相关关系, 同样表明铁镁矿物的分离结晶, 这与哈克图解的结论是一致的。重稀土(HREE)在铁镁矿物中的分配系数比轻稀土(LREE)的分配系数大得多, 当铁镁矿物分离结晶时, 必然会使熔体中重稀土含量相对轻稀土降低。在Eu-Sr图解(图12b)中,Eu与Sr含量呈明显的正相关关系, Eu负异常的增大, 伴随着Sr含量减小, 进一步证明了岩浆中存在斜长石的分离结晶。La/Sm-La图解(图略)表明, 随着La含量增大, La/Sm比值稳定, 变化不大, 基本保持为常数, 说明在岩浆演化过程中, 分离结晶作用起到了主控作用。

图11 玛尼吐组火山岩(87Sr/86Sr)i-SiO2和εNd(t) -SiO2图解

图12 玛尼吐组火山岩(La/Yb)N-SiO2 (a)和δEu-Sr (b)图解

(a) 相关系数为0.72; (b) 相关系数为0.83。

Correlation coefficients in figures a and b are 0.72 and 0.83, respectively.

5.4 地质意义

钾玄质岩石是富碱高钾岩浆岩, 可以形成于不同的大地构造环境: 大洋弧、大陆弧、碰撞后弧和板内[41,70,71]。与岛弧环境有关的钾玄质岩高度富集LILE和LREE以及显著的Ta-Nb-Ti负异常[41,71]。大洋板内钾玄质岩具有典型的洋岛玄武岩(OIB)微量元素特征[72–73]; 而大陆板内钾玄质岩既有岛弧型微量元素特征[69,74], 也有OIB型微量元素特征[75]。

如前所述, 红格尔地区玛尼吐组钾玄质火山岩有正的Nd()值、Ta-Nb-Ti负异常、Sr和P负异常, 具显著的Pb峰和Zr、Hf正异常。显示Eu轻微负异常(Eu = 0.69~0.92)、富集大离子亲石元素(LILE)和LREE, 微量元素分布形式与板内玄武岩相似, 表明玛尼吐组钾玄质火山岩的形成与岛弧无关。与美国西部盆岭区新生代火山岩地球化学特征相似, 是在岩石圈伸展和减薄过程中富集的岩石圈地幔减压部分熔融形成的[18,59]。因此, 本区玛尼吐组钾玄质火山岩的形成具有与之相似的构造背景。古生代末期, 古亚洲洋闭合, 西伯利亚板块与华北板块碰撞拼合形成了兴蒙造山带。在上述造山过程中古亚洲洋俯冲板片释放流体交代的富集岩石圈地幔, 成为玛尼吐组钾玄质火山岩的岩浆源区。

古地磁和地质资料显示, 蒙古-鄂霍茨克洋从晚石炭世开始, 呈剪刀式从西往东逐渐闭合, 在中-晚侏罗世最终闭合[76–77]。中生代期间, 伴随着蒙古-鄂霍茨克洋闭合, 蒙古-华北大陆与西伯利亚大陆发生碰撞[24,78], 导致陆壳缩短与岩石圈加厚。蒙古-华北北部地块中晚侏罗世处于地壳缩短和推覆加厚时期[78–79],在燕山、大青山和北山地区出现的大规模逆冲推覆构造记录了这次强烈的挤压构造变形事件[79]。随着蒙古-鄂霍茨克洋闭合碰撞, 造山后加厚的岩石圈发生重力垮塌, 挤压构造环境转变为拉张环境, 触发先前俯冲板片释放流体交代的富集岩石圈地幔发生减压部分熔融, 是本区早白垩世钾玄质火山岩形成的地球动力学背景。

在玄武岩的Ti-Zr构造环境判别图解(图13a)中, 本区钾玄质岩样品均落在板内玄武岩的范围内。在Ti/Y-Nb/Y构造环境判别图解(图13b)中, 样品落在板内玄武岩区域及附近。因此, 红格尔地区玛尼吐组钾玄质火山岩形成于板内环境, 与蒙古-鄂霍茨克洋的演化有关, 是造山后加厚岩石圈跨塌阶段的板内伸展环境的产物。

综上所述, 随着蒙古-鄂霍茨克洋闭合, 造山后加厚的岩石圈发生重力垮塌, 构造体制由挤压转变为拉张, 蒙古-鄂霍茨克构造带进入后造山阶段。研究区玛尼吐组钾玄质火山岩形成于早白垩世造山后加厚岩石圈跨塌的板内伸展构造背景, 同时表明苏尼特左旗北部红格尔地区(133~137) Ma已经处于板内拉张环境。

因此, 苏尼特左旗北部红格尔地区玛尼吐组钾玄质火山岩的厘定为认识兴蒙造山带中生代构造-岩浆演化提供了资料。

6 结 论

(1) 红格尔地区玛尼吐组火山岩主要由粗面英安岩、粗面岩、粗安岩和安山岩组成。岩石形成于(133~137) Ma, 属早白垩世火山活动的产物。

图13 玛尼吐组火山岩Ti-Zr (a)和Ti/Y-Nb/Y (b)图解(据文献[80])

MORB–洋中脊玄武岩; Thol. –拉斑玄武岩系列; Alk. –碱性玄武岩系列; Trans. –过渡系列。

(2) 玛尼吐组火山岩属于钾玄质岩组合, 富碱、高K、低Fe、贫Ti。富集大离子亲石元素(LILE) Rb、Ba、Th、U和轻稀土元素, 相对亏损高场强元素(HFSE), Nb、Ta和Ti呈明显的负异常。其同位素组成具有正Nd()和低DM值, 有较高的放射性Pb同位素组成。

(3) 玛尼吐组钾玄质火山岩是伸展体制下富集岩石圈地幔减压部分熔融的产物, 这种伸展体制是早白垩世蒙古-鄂霍茨克洋闭合后加厚岩石圈重力跨塌引起的, 反映了造山后板内伸展环境。在岩浆上升演化过程中经历了铁镁矿物、斜长石、钛铁矿、磁铁矿和磷灰石的分离结晶作用, 基本无地壳物质的混染。

方勇勇教授、许圣传博士参加了部分野外工作; 秦旭亮、李晓伟、谷凤羽等硕士研究生帮助完成了锆石U-Pb测年工作; 两位审稿专家提出了建设性的修改意见, 编辑老师对本文进行了详细的润色与修改, 对完善本文起了很大的作用。在此一并表示衷心感谢！

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Zircon U-Pb age and geochemistry of shoshonitic rocks from the Manitu Formation in the Honggeer area, central Inner Mongolia and their geological significance

ZHANG Xiang-xin*, GAO Yong-feng and LEI Shi-he

College of Resource Science, Hebei GEO University, Shijiazhuang 050031, China

Volcanic rocks of the Manitu Formation from the Honggeer area, central Inner Mongolia are mainly composed of trachydacite, trachyte, trachyandesite and andesite. The results of LA-ICP-MS Zircon U-Pb dating indicate that these volcanic rocks were formed during the Early Cretaceous time with the ages of 133~137 Ma. The volcanic rocks are high in alkali (Na2O + K2O = 6.22%~8.26%), potassium (K2O = 2.49%~4.58%) and aluminum (Al2O3= 14.27%~15.88%), whereas they are low in iron (total Fe2O3= 3.76%~6.53%) and titanium (TiO2= 0.92%~1.61%). These volcanic rocks are obviously enriched in LILEs such as Rb, Ba, Th, U and LREEs, and depleted in HFSEs such as Nb, Ta and Ti with obvious negative anomalies. Their Sr-Nd-Pb isotopic compositions show positiveNd() (+0.40~ +1.64), and lowDM((694~767) Ma). The geochemical characteristics of these volcanic rocks suggest that they belong to the shoshonitic series, and were likely generated from the partial melting of an enriched lithospheric mantle which was metasomatized by fluids releasing from subducted slabs during the closure of the Paleo-Asian oceans. Elemental and isotopic variations reveal that fractional crystallization with the removal of ferromagnesian minerals, plagioclase, ilmenite, magnetite and apatite played an important role in the evolution of magma, and the shoshonitic magma was not affected by crustal contamination as it passed through the continental crust. These shoshonitic rocks were formed in an intraplate extensional tectonic setting resulting from the gravitational collapse of the orogenically thickened lithosphere at the Early Cretaceous, which was related with the collision after closure of the Mongol-Okhotsk Ocean.

Manitu Formation; shoshonitic rock; LA-ICP-MS zircon U-Pb dating; geochemistry; Inner Mongolia- Daxing’anling Orogenic Belt

P59; P595; P597

A

0379-1726(2016)04-0356-18

2015-12-14;

2016-01-21;

2016-03-24

中国地质调查局地质调查项目(1212011220458)

张祥信(1975–), 男, 副教授, 构造地质学专业, 主要从事构造地质学教学和区域地质矿产调查工作。

ZHANG Xiang-xin, E-mail: zhxiangxin@126.com, Tel: +86-311-87208397