内蒙古苏里格苏尔拉曼地区早石炭世火山岩锆石u-pb年代学研究

内蒙古苏里格苏尔拉曼地区早石炭世火山岩锆石u-pb年代学研究

中亚造山带位于西伯利亚板块和中朝板块之间。这是一个巨大的缝煤带，形成于古代亚洲古代的海拔高度。它也是世界上最富有的地区之一，记录了显生世纪时期以来巨大新增地壳的形成（jahetal.a.b.wetal.a.2000；huetal.a.2004；jahn，2004）。越来越多的研究也显示在中亚造山带古生代的地壳演化过程中古老地壳物质的再造也发挥了重要的作用（Demouxetal.,2009;Kröneretal.,2014;Wangetal.,2016b,2017）。中亚造山带东部称为兴蒙造山带，在中国境内主要分布于东北和内蒙古中东部地区，前人根据前寒武纪地质体和其间的缝合带将其划分为额尔古纳、兴安-爱力格庙、松辽-浑善达克、佳木斯等地块（徐备等，2014；图1a）。兴蒙造山带经历了古亚洲洋构造体系作用，前人对古亚洲洋在古生代时期的演化有不同认识。一种观点认为古亚洲洋在古生代发生陆陆碰撞，之后古亚洲洋闭合并处于造山后的伸展环境（Tang,1990;Xuetal.,2013；徐备等，2014,2018;Zhangetal.,2015；庞崇进等，2018；张晋瑞等，2018）。具体来说，这一过程又分为两个阶段：第一阶段为早古生代俯冲碰撞造山过程，即早-中古生代古亚洲洋沿苏尼特左旗-红格尔一带发育向北俯冲，沿温都尔庙-西拉木伦河一带发育向南俯冲，形成南、北两条造山带，且在380Ma闭合；第二阶段表现为晚古生代伸展和裂谷发育过程，形成了晚古生代双峰式火成岩和碱性岩、低压高温变质岩、上叠盆地和伸展盆地等，对早期构造格局产生了强烈的改造。另一种观点则认为：华北克拉通和南蒙古微陆块之间的古亚洲洋南部在整个古生代均处于南北双向俯冲加积的过程中，即从晚寒武世开始大洋板片向南、向北分别俯冲于华北克拉通和南蒙古微陆块下，这一俯冲作用一直持续到晚古生代末，直到中-晚二叠世至中三叠世古亚洲洋才沿索伦-西拉木伦-长春-延吉缝合带最终闭合（Chenetal.,2000,2009;Xiaoetal.,2003,2009,2015;Li,2006;Wuetal.,2007;Eizenhöferetal.,2014;Songetal.,2015;Liuetal.,2017）。苏左旗地区位于兴安-爱力格庙地块西南部，是北造山带的典型出露地区（图1a），该区域分布有大面积晚古生代岩浆岩，是揭示古亚洲洋构造体系晚古生代演化和地壳增生历史的关键区域。前人对该区晚古生代演化历史存在不同认识：一种观点认为，古亚洲洋板块在石炭纪期间向北俯冲形成宝力道岛弧带，并产出一系列中基性深成岩和酸性侵入岩（Chenetal.,2000,2009）；另一种观点认为该区晚古生代处于古亚洲洋闭合后的伸展环境，从早石炭世开始在大陆基础上拉张形成二连-贺根山蛇绿岩带、二叠纪双峰式火山岩带和碱性岩带（徐备等，2014,2018;Zhangetal.,2015）。苏左旗北部沙尔塔拉地区出露有一套较大面积的晚古生代火山-沉积地层，蒋干清等（1995）、高德臻和蒋干清（1998）通过岩石组合、地质剖面、沉积环境和Rb-Sr定年研究，将其确定为早二叠世大石寨组，并认为形成于活动大陆边缘环境。笔者通过对其中火山岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb定年，将其时代厘定为早石炭世，并对其进行系统的岩石组合、年代学、主微量元素和锆石Hf同位素研究，试图查明该期岩浆活动的岩石组合、时空分布及形成环境，从而制约苏左旗早石炭世岩浆作用的性质，进而探讨内蒙中部早石炭世岩浆作用时空分布和构造背景以及地壳增生过程。1地球化学和年代学研究区位于内蒙古中部苏尼特左旗东北部，大地构造位置属于兴安-爱力格庙地块西部（图1a）。研究区出露最古老的地质体是中元古代片麻状花岗岩（～1.3Ga）和昌特敖包组石英岩与变质砂岩（沉积时限为1245～926Ma，贺跃等，2018）。前人认为该期花岗岩具有A型地球化学特征，并将其与哥伦比亚超大陆的裂解相联系（Hanetal.,2017）。研究区内晚古生代-早中生代建造包括早二叠世大石寨组、哲斯组、晚石炭世和三叠纪（310Ma、222Ma）基性和酸性侵入岩。前人将大石寨组分为三段：下段以砾岩、含砾砂岩和砂岩、粉砂岩为主；中段分布于昌特敖包到达尔罕敖包一带，以中基性-酸性火山岩及其凝灰岩为主；上段主要分布在包尔敖包附近，岩石组合以英安岩、流纹岩及其熔结凝灰岩为特征。根据中段安山岩的Rb-Sr年龄（281Ma），有研究者认为其时代为早二叠世（蒋干清等，1995；高德臻和蒋干清，1998）；近年来，Zhangetal.(2017）通过系统的火山岩锆石U-Pb年代学研究将其时代厘定为292～279Ma。哲斯组出露面积较大，主要由一系列砾岩、含砾砂岩、长石石英砂岩组成，产腕足、双壳和腹足类化石，与下伏大石寨组呈平行不整合接触（内蒙古自治区地质矿产局，1991；蒋干清等，1995；高德臻和蒋干清，1998）。晚石炭世（310Ma）辉长岩-闪长岩侵入于新元古代昌特敖包组内，三叠纪（222Ma)A-型花岗岩大面积出露在研究区东南部（石玉若等，2007）。另外，在苏左旗南部也分布有大量的晚古生代-早中生代侵入岩，例如宝力道地区出露有322～316Ma高钾钙碱性系列的花岗闪长岩和二长花岗岩、310Ma闪长岩、234Ma二长花岗岩-花岗闪长岩-淡色花岗岩组合和222～204MaA-型花岗岩（Chenetal.,2000,2009；石玉若等，2004;Huetal.,2015）。本文主要对苏左旗北部沙尔塔拉地区原定早二叠世大石寨组中段（达尔罕敖包）和上段（包尔敖包）火山岩进行系统的岩相学、年代学和地球化学研究（图1）。野外地质剖面显示这套火山岩岩石组合为玄武安山岩、安山岩、英安岩和流纹岩（图2）。玄武安山岩样品（DXT1）新鲜面为黑色，具有块状构造和隐晶质结构，主要由细粒且发生暗化的柱状暗色矿物（～20%）和斜长石（～75%）以及少量粒状不透明矿物和副矿物（～5%）组成；斜长石呈板条状，局部可见聚片双晶，呈交织排列，后期发生较强烈的绢云母化蚀变（图3a）。样品（DXT3）新鲜面为暗红色，发育块状构造、斑状结构和安山结构；斑晶以斜长石（～15%）和暗化的暗色矿物（～10%）为主，斜长石遭受了绢云母化蚀变；基质为隐晶质结构，主要矿物有细粒的斜长石和少量暗色矿物（图3b）。安山岩均具有斑状结构和块状构造，斑晶为斜长石（～5%），基质主要为细粒斜长石交织排列，同时还存在少量暗色矿物，发生绿帘石化（图3c）。英安岩样品（DXT2-2、17SZ23-9）新鲜面为灰白色，发育块状构造和斑状结构，斑晶以石英（8%～10%）和斜长石(10～15%）为主，斜长石发生绢云母化蚀变，基质为隐晶质结构，由长英质矿物组成（图3d）。流纹岩样品（DXT6,17SZ23-1、3、5）新鲜面为灰白色，具有流纹构造和斑状结构，基质呈隐晶质结构；斑晶主要由石英（～8%）、斜长石（～10%）和碱性长石（～5%）组成，斜长石发育聚片双晶和绢云母化蚀变，碱性长石主要为自形的长条状透长石，卡式双晶发育，石英发育波状消光，具有港湾状熔蚀结构；基质主要为隐晶质的长英质矿物，斜长石可见聚片双晶（图3e,f）。2实验数据和方法锆石挑选由河北省廊坊市拓轩岩矿检测服务有限公司完成。锆石U-Pb同位素和Hf同位素测试在中国地质调查局西安地质调查中心国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室利用7700x型四级杆等离子体质谱仪、NeptunePlus型多接收等离子体质谱仪同时与GeolasPro型激光剥蚀系统联机完成。激光束斑为32μm，采用锆石国际标样91500作外标。氦气作为载气，为了调节和提高仪器灵敏度，气路中间引入了氩气和少量氮气，气溶胶匀化之后被分别输送到等离子体质谱仪和多接收等离子体质谱仪中同时进行锆石微量元素和U-Pb同位素年龄测试和Hf同位素测试。每分析6个点样品分析一次标准样品NIST610、91500和GJ-1,GJ-1同时作为U-Pb年龄和Hf同位素测试监控样品。实验数据运用GLITTER4.4软件进行处理（Griffinetal.,2008）。普通Pb校正采用Andersen(2002）的方法，锆石年龄谐和图及加权平均年龄和频谱图均通过ISOPLOT宏程序获得（Ludwig,2003），单个测试点的同位素比值和年龄误差均为1σ。本文计算ε主量元素测试分别在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室、武汉上谱分析科技有限公司采用X光荧光光谱（XRF）分析完成，元素分析的准确度优于3%；微量元素分析分别在中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室、河北地质大学区域地质与成矿作用重点实验室和武汉上谱分析科技有限公司利用电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）完成，微量元素的分析精度及准确度一般优于10%。3分析的结果3.1岩浆成因关系本文主要对沙尔塔拉地区原定早二叠世大石寨组内玄武安山岩（DXT1-1）、流纹岩（17SZ23）进行了锆石U-Pb年代学研究，部分锆石的CL图像见图4，定年结果见表1。玄武安山岩（DXT1-1）：采于前人原定的早二叠世大石寨组地层中段。通过锆石CL图像可以看出玄武安山岩中岩浆锆石均呈自形-半自形晶，显示出清晰的内部结构，但具有两类特征：第一类岩浆锆石呈半自形板状，具有条痕状吸收，与中基性岩中锆石特征一致（图4a）；另一类锆石多呈长柱状，发育密集的岩浆振荡生长环带，与酸性岩中锆石特征基本吻合。结合其高的Th/U比值（0.30～1.45）表明它们都具有岩浆成因（Pupin,1980;Koschek,1993）。该样品中所有锆石测点均位于谐和线上及其附近，其中10个锆石测点给出了一组最年轻的谐和年龄，其流纹岩（17SZ23）：采于该套地层上段，样品中锆石颗粒均呈自形-半自形短柱状，CL图像特征均一，发育密集的岩浆振荡生长环带，不发育变质边（图4b）。结合测试的24个锆石U-Pb年龄中的Th/U比值（0.48～0.84）表明其岩浆成因（Pupin,1980;Koschek,1993）。22个锆石测点均位于谐和线上及其附近，给出的3.2化学地球化学3.2.1全岩主微量元素地球化学本文主要对苏尼特左旗北部沙尔塔拉地区上述早石炭世玄武安山岩、安山岩、英安岩和流纹岩进行了系统的全岩主微量元素地球化学研究，分析结果见表2。玄武安山岩和安山岩的SiO英安岩和流纹岩的SiO3.2.2锆石hf同位素本文主要对沙尔塔拉地区早石炭世早期玄武安山岩、英安岩和早石炭世中期流纹岩进行了锆石Lu-Hf同位素研究，分析结果见表3和图8。玄武安山岩样品（DXT1-1）中代表形成年龄的10个岩浆锆石（349Ma）测点的早石炭世早期英安岩（DXT6）中岩浆锆石（345.7Ma）的4讨论4.1岩浆形成时代及演化已有研究表明，苏左旗北部大面积分布的原大石寨组火山岩地层可能属于不同时代。前人主要获得安山岩的Rb-Sr年龄为281Ma，将其时代确定为早二叠世晚期（蒋干清等，1995；高德臻和蒋干清，1998）。然而，由于Rb-Sr同位素体系容易受后期岩浆热事件的改造，该年龄可能不足以准确限定该套火山岩的形成时代。Zhangetal.(2017）对研究区附近的火山岩进行LA-ICP-MS锆石U-Pb定年研究，确定早二叠世（292～279Ma）火山岩地层的存在。而贺跃等（2018）在该地区对原定大石寨组火山岩进行锆石年代学研究，获得了英安岩的形成时代为346Ma，即早石炭世。因此，目前对该套地层的时代分布仍需要更多的年代学约束。本文对该套地层中段（达尔罕敖包）和上段（包尔敖包）火山岩进行了系统的LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学研究，分别厘定出早石炭世早期和早石炭世中期的形成年龄，结合区域上最新的年代学资料，可以进一步揭示研究区及邻区石炭纪岩浆作用的时空分布。玄武安山岩和英安岩中岩浆锆石呈自形-半自形板状和柱状，具有条痕状吸收以及岩浆振荡生长环带。另外上述样品中的锆石均具有较高的Th/U比值（0.30～1.45），表明它们均是岩浆结晶作用的产物。定年结果显示，玄武安山岩中最年轻的一组通过本文的年代学研究，结合前人的研究成果可以将兴安-爱力格庙地块西南部苏左旗地区石炭纪岩浆作用分为四期：349～345Ma、335Ma、322～316Ma和310～309Ma。如前所述，前两期主要分布于苏左旗北部的沙尔塔拉地区；322～309Ma岩浆岩主要分布在苏左旗南部宝力道地区，其中322～316Ma是一套高钾钙碱性系列的花岗闪长岩和二长花岗岩，表现出碰撞后花岗岩的地球化学特征（Huetal.,2015);310～309Ma岩浆作用的产物以闪长岩为主（Chenetal.,2000,2009）。另外，在研究区以北的二连-贺根山蛇绿岩带内还识别出了少量同期次的岩浆活动，包括贺根山蛇绿岩中的354Ma辉长岩和333Ma斜长花岗岩（Jianetal.,2012），二连蛇绿岩中的360～348Ma流纹岩和斜长花岗岩、354～345Ma辉长岩和313Ma闪长玢岩（Zhangetal.,2015;Yangetal.,2017）。一些研究者还在二连北部以及白音乌拉地区发现了少量317～310Ma花岗岩（云飞等，2011；许立权等，2012；李可等，2015），在苏右旗以及锡林浩特地区还出露有晚石炭世（310～300Ma）玄武岩和角闪辉长岩（潘世语等，2012;Pangetal.,2016；庞崇进等，2018），兴安-爱力格庙地块西延部分———蒙古ZamynUud地区也存在少量晚石炭世与区域伸展有关的岩浆活动，例如辉绿岩和花岗斑岩脉（306Ma）以及石英二长岩（300Ma;Huetal.,2017）。4.2岩石成因4.2.1地球化学特征苏左旗沙尔塔拉地区早石炭世早期玄武安山岩具有较低的SiO另外，玄武安山岩相对富集轻稀土元素（LREEs）和大离子亲石元素（LILEs，如Rb、Ba和Sr等），亏损重稀土元素（HREEs）和高场强元素（HFSEs，如Nb、Ta和Ti；图7a,b），而且具有高的La/Nb(2.26～2.93）、Ba/La(13.70～31.17）和Ba/Nb(40.10～70.37）比值，显示出类似弧火山岩的地球化学特征。然而玄武安山岩具有高的K相比之下，安山岩具有中等的SiO4.2.2酸性火山岩地球化学特征年代学研究显示，研究区早石炭世酸性岩可分为346.5Ma和335.1Ma两期，岩石组合均为英安岩和流纹岩。它们都具有高的SiO两期酸性火山岩具有较高的重稀土元素含量（如Yb分别为3.02×10其次，上述两期酸性火山岩地球化学特征也存在一定的差异，例如，与早石炭世早期的酸性岩相比，335Ma英安岩和流纹岩具有更高的重稀土元素含量和更加平坦的稀土配分模式、较强的Eu、Sr、P和Ti负异常，和较高的Zr、Nb、Y、Ce含量和Ga/Al比值，上述特征与A型花岗岩一致（Whalenetal.,1987;Kingetal.,1997；邱检生等，2000）。这也与中期的酸性火山岩给出了比早期岩石更高的Zr饱和温度（早期和中期岩石的平均值分别为830℃和876℃；表2;Watsonetal.,2006）相吻合。上述源区性质和高温等特征表明早石炭世酸性火山岩形成于陆壳伸展环境，与同时代板内成因基性岩的出现相一致。4.3地壳组成的不均一性锆石是酸性火成岩中大量存在的一种副矿物，不易被后期的地质过程改造，其Lu-Hf同位素体系能可靠地记录新增生地壳形成的时间、大陆地壳的性质及演化（新增生地壳或是古老地壳再造）和地壳物质组成的不均一性（Yangetal.,2007；吴福元等，2007;VervoortandKemp,2016;Wangetal.,2016b）。本文通过对苏左旗北部沙尔塔拉地区早石炭世英安岩和流纹岩进行了锆石原位Hf同位素分析，并总结了研究区附近晚石炭世花岗岩和酸性凝灰岩的锆石Hf同位素特征，进一步揭示兴安-爱力格庙地块西部石炭纪地壳属性与增生历史。首先，早石炭世早期英安岩（DXT6）中岩浆锆石（～346.5Ma）具有正的ε其次，苏左旗南部和二连浩特地区晚石炭世酸性火成岩岩浆锆石显示出更加年轻的t4.4早石炭世岩浆活动特点如前所述，前人对该区古亚洲洋早古生代演化的认识相对统一，而对晚古生代的演化存在较大争议：即古亚洲洋俯冲作用是一直持续至早中生代，还是在晚古生代经历了碰撞闭合后的伸展直到最终闭合？上述争论主要归结于中亚造山带东部晚古生代是否存在古大洋、深海沉积和俯冲增生杂岩等洋壳存在的证据（徐备等，2014,2018;Xiaoetal.,2015），另一方面，这也受到了本区泥盆纪-早石炭世岩浆岩的出露情况及相关研究不足的制约。因此，本文对兴安-爱力格庙地块西南部苏左旗地区早石炭世火山岩的研究将为该区石炭纪早期深部动力学过程研究提供重要依据。本文确定了苏左旗北部早石炭世火山岩可分为～347Ma和335Ma两期。其中早石炭世早期玄武安山岩属于拉斑系列，表现出板内成因特点，而安山岩则具有岩浆混合成因特点，因此玄武安山岩和同时代英安岩-流纹岩构成了一套双峰式火山岩组合。这些特征共同表明研究区处于陆内伸展环境。其次，早石炭世中期英安岩-流纹岩具有更高的Zr饱和温度（平均值为876℃）以及A型花岗岩的地化特征，共同揭示了伸展作用的持续进行，而且随着时代变新伸展作用可能有逐渐增强的趋势。这也可以得到上述两期酸性岩从老到新Sr/Y比值降低、重稀土元素含量和岩浆结晶温度升高的支持（图12）。从时空分布来看早石炭世岩浆活动分布范围较小，除了苏左旗地区，主要局限分布于二连-贺根山蛇绿岩带内（图13）。Jianetal.(2012）从贺根山蛇绿岩中识别出早石炭世辉长岩（354～333Ma），认为其形成于岩石圈伸展的构造背景。黄竺等（2015）在贺根山蛇绿岩铬铁矿体中证实有金刚石、SiC等深部地幔矿物，也暗示了强烈的伸展作用伴随有深部地幔物质的上涌。另外，二连浩特蛇绿岩中～354Ma辉长岩和玄武岩表现出N-MORB地球化学特征，而且出现了Nd同位素强烈亏损的同时代斜长花岗岩，表明该带内可能已经拉张形成洋壳（徐备等，2014;Zhangetal.,2015;Yangetal.,2017）。沉积学研究显示，二连浩特本巴图和西乌旗迪彦庙地区晚石炭世碎屑岩-碳酸盐沉积与下伏蛇绿岩的中厚层硅质岩夹灰岩为连续沉积关系，说明从早石炭世的裂谷沉积作用过渡为晚石炭世的陆表海沉积（张焱杰等，2018）。上述研究，结合二连-贺根山蛇绿岩带南北两侧前石炭纪地质体的可对比性（Xuetal.,2017；徐备等，2018；张焱杰等，2018），本文认为二连-贺根山蛇绿岩带很可能代表了一个从早石炭世早期开始打开的陆间小洋盆。相对而言，晚石炭世（322～300Ma）岩浆作用较为强烈，也形成了一系列板内玄武岩、辉长岩、辉绿岩和铝质A型花岗岩，基本上呈面状分布于锡林浩特-苏左旗-二连浩特一带以及蒙古东南部，延续了早期的伸展环境（邵济安等，2014,2015；徐备等，2014;Pangetal.,2016;Huetal.,2017;Zhuetal.,2017；庞崇进等，2018）。另一方面，石炭纪（345～309Ma）发育低压高温变质岩、广泛的混合岩化和基性岩脉的侵入，经历了顺时针P-T演化，可能也指示了造山后的陆内伸展过程（张晋瑞等，2018）。综上所述，苏左旗及二连-贺根山带早石炭世岩浆作用可能形成于陆内伸展和有限洋盆环境，而非俯冲环境。其中二连-贺根山蛇绿岩带位于伸展的轴部，而苏左旗地区位于该带的南部边缘，主要表现为陆壳的局部伸展作用，该作用从早石炭世早期至晚期有增强的趋势。一部分研究显示苏左旗南部发育晚志留世同碰撞花岗岩带和泥盆纪前陆盆地磨拉斯建造，而且内蒙中部地区泥盆纪总体处于剥蚀状态，发育陆相和海陆交互相沉积；石炭纪以陆表海滨浅海相沉积建造为特点（张兴洲等，2012;Zh