内蒙古科尔沁右翼前旗地区满克头鄂博组火山岩年代学、地球化学特征及其地质意义

贾 彬，魏立勇，吴欢欢,2，张 振，唐卫东，刘天航，柴晨晖，孟五一

(1. 中国地质调查局 西安矿产资源调查中心， 陕西 西安 710100； 2. 中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院，北京 100083； 3. 中国地质调查局 廊坊自然资源综合调查中心， 河北 廊坊 065000)

大兴安岭地区位于中亚造山带东段，先后受古生代古亚洲洋构造域和中生代古太平洋构造域影响而显示出多阶段演化特点，其中中生代强烈的岩浆作用形成了超十万平方公里的火山岩带(Li， 2006； Wangetal.， 2006； Xuetal.， 2013)。特殊的地理位置以及复杂的构造背景，使得该区域自19世纪80年代以来就成为国内外学者的研究热点。早期的研究大多依靠岩石组合特征、地层对比以及少量Rb-Sr、K-Ar等方法，近些年来锆石U-Pb测年方法的广泛运用获得了较多该地区中生代火山岩的精确年龄(Zhangetal.， 2010； 程银行等， 2014； 杜洋等， 2017； 臧延庆等， 2018； Gouetal.， 2019)。但由于区域上研究样品分布不够均匀、不够系统，准确限定中生代火山岩的时空分布规律仍存在一些问题。同时，对于中生代火山岩的成因机制和构造背景也具有较大争议，一些学者认为大兴安岭地区中生代火山岩是古太平洋板块俯冲作用及俯冲后伸展作用的结果(Wangetal.， 2006； Zhangetal.， 2010； Wuetal.， 2011)，一些学者则认为与蒙古-鄂霍茨克洋闭合造山后的伸展有关(Fanetal.， 2003； Meng， 2003； 张连昌等， 2007； 王建国等， 2013)，还有一些学者认为可能是地幔柱活动的结果(葛文春等，2000)。要厘清这些问题需要对该地区中生代火山岩进行详细的岩石学、全岩地球化学及年代学研究，并结合区域上同期火山岩进行对比研究。满克头鄂博组是大兴安岭中南段大规模火山作用的初始地层，限定其形成年代及构造背景具有重要意义。该套火山岩在大兴安岭中段的内蒙古科尔沁右翼前旗地区广泛发育，但目前尚未有关于其锆石U-Pb年龄的报道，导致对于该区的岩浆作用，特别是火山岩的时代、成因及构造环境不太确定。由此，在区调工作的基础上，本文采集该地区满克头鄂博组典型样品进行了精细的锆石U-Pb定年工作，同时结合其岩石地球化学特征以及区域上该套火山岩的时空分布讨论其形成时代及构造背景。

1 区域地质概况

科尔沁右翼前旗地区位于大兴安岭中南部，大地构造位置属兴蒙造山带东段，古生代受古亚洲洋构造域控制，属天山-兴蒙造山系中的大兴安岭弧盆系，三级构造单元属于锡林浩特岩浆弧(图1a)。中-新生代以来，主要受滨太平洋构造域控制，主体构造线为北东-北北东向，显示出古亚洲洋构造域与滨太平洋构造域两大构造体制及区域成矿系统叠加特点。

研究区内主要发育中生代火山岩(占测区面积的62%)，由老到新依次为满克头鄂博组(J3m)、玛尼吐组(J3mn)、白音高老组(K1b)、五叉沟组(βN1w)。其中满克头鄂博组主要为一套陆相中酸性火山熔岩及火山碎屑岩组合，厚度大于1 km，岩性组合为灰色-灰白色(球泡)流纹岩、流纹质(角砾)晶屑凝灰岩、流纹质(角砾)晶屑熔结凝灰岩、流纹质(集块、角砾)玻屑熔结凝灰岩、流纹质角砾熔岩、粗面岩，中细粒凝灰质(岩屑)长石砂岩夹砾岩、粉砂岩等。区域上总体来看，流纹质火山岩上覆于粗面质火山岩，且厚度明显大于后者。区内构造主要为正断层、平移断层，局部发育少量逆断层及宽缓褶皱，构造线以北东向为主，次为北西向构造，少量的南北向构造(图1b)。

2 样品特征及分析方法

本次研究采集区内满克头鄂博组共11件火山岩样品(包括6件流纹岩和5件粗面岩)进行全岩主微量元素分析，选取剖面PM06上2件典型流纹岩样品进行LA-ICP-MS锆石U-Pb测年(PM06剖面图及采样位置见图2)。

流纹岩新鲜面为灰黄-浅紫红色，具斑状结构，流纹构造(图3a)。镜下观察斑晶主要为石英(10%～15%，体积分数)、钾长石(3%～5%)(图3b)。钾长石为自形-半自形，0.5～1.0 mm，棱角多被熔蚀，表面具有不同程度的高岭土化；石英多为长条形，少量被熔蚀为港湾状。基质(80%～85%)主要为隐晶质-微晶质，颗粒定向呈现流动构造。

图 1 兴蒙造山带东段大地构造图(a)和研究区地质简图 (b， 据原武警黄金第四支队， 2019❶)Fig. 1 Tectonic map of the eastern part of the Xing-Meng orogenic belt(a) and geological sketch map of the study area (b， after No. 4 Team of Gold Exploration Branch of Chinese Armed Police Force, 2019❶)❶ 原武警黄金第四支队. 2019. 1∶5万特莫牧场幅等四幅区调地质调查报告.

图 2 内蒙古科尔沁右翼前旗地区满克头鄂博组(PM06)剖面图Fig. 2 Profile map of Manketouebo Formation (PM06) in Horqin Right-Front Banner area, Inner Mongolia

图 3 内蒙古科尔沁右翼前旗地区满克头鄂博组流纹岩(a、b)与粗面岩(c、d)野外和正交偏光照片Fig. 3 Field and orthogonal polarized photographs of rhyolite (a, b) and trachyte (c, d) of Manketouebo Formation in Horqin Right-Front Banner area, Inner MongoliaPl—斜长石； Kfs—钾长石； Qz—石英Pl—plagioclase； Kfs—K-feldspar； Qz—quartz

粗面岩新鲜面为灰绿色或紫红色，块状构造，具斑状结构(图3c)。镜下观察斑晶主要为钾长石，钾长石粒径为 0.5～1.5 mm，呈自形-半自形板状，可见卡式双晶，部分长石有熔蚀边，具港湾状熔蚀，含量约10%～15%。基质主要为钾长石微晶、少量斜长石微晶，微晶矿物多呈针状、板状，可见弱定向排列，形成粗面结构(图3d)。

锆石挑选由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。样品常规粉碎淘洗后，经磁选和重液分离，并在双目镜下进行人工挑选。锆石制靶和阴极发光(CL)图像采集由北京锆石领航科技有限公司完成。锆石U-Pb同位素测年由北京科荟测试技术有限公司完成，测试过程中，激光斑束直径为30 μm，频率为8 Hz，采用了He作为载体，Ar作为补偿气，采用ICPMSDataCal软件对数据进行后期处理，年龄的计算和谐和图的绘制采用Isoplot3.0软件完成。

11件主微量样品测试在核工业北京地质研究所完成。样品在去除风化壳后经破碎机粉碎，然后用球磨仪研磨至粉末状(>200目)进行测试。主量元素用X射线荧光光谱法(XRF)测试，FeO应用氢氟酸-硫酸溶样、重铬酸钾滴定的容量法测试，分析精度优于2%，微量元素使用ICP-MS测试，分析精度优于5%。

3 分析结果

3.1 锆石U-Pb年代学

2件流纹岩测年样品(PM06TW25、PM06TW39)采自吉拉斯台嘎查地区实测地层剖面(PM06)，采样坐标分别为46°37′50″N、120°56′25″E和46°39′49″N、120°56′30″E。所测样品中锆石多为无色透明-浅褐色，自形-半自形短柱状，长110～150 μm，长宽比介于1.5∶1～2∶1之间，发育岩浆锆石典型的振荡环带(图4)。LA-ICP-MS分析结果列于表1和表2，U-Pb谐和图及加权平均年龄图见图5。

表 1 满克头鄂博组流纹岩(PM06TW25)LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb分析结果Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb analytical result of rhyolite (PM06TW25) in Manketouebo Formation

表 2 满克头鄂博组流纹岩(PM06TW39)LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb分析结果Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb analytical result of rhyolite (PM06TW39) in Manketouebo Formation

图 4 满克头鄂博组酸性火山岩部分锆石阴极发光图像Fig. 4 CL images of selected zircons from the felsic volcanic rocks of Manketouebo Formation

2件样品的锆石测试数据在U-Pb谐和图中均位于谐和线上及其附近(图5)。其中PM06TW25中的31个锆石测试点位206Pb/238U年龄介于151±3～141±2 Ma之间，获得加权平均年龄为145.9±1.0 Ma(MSWD=0.71)(图5a)。样品PM06TW39中的31个锆石测试点位206Pb/238U年龄介于153±4～143±2 Ma之间，加权平均年龄为146.0±1.3 Ma(MSWD=1.5)(图5b)。可见，本区满克头鄂博组火山岩成岩年龄为146.0±1.3～145.9±1.0 Ma，为晚侏罗世。

图 5 锆石U-Pb年龄谐和图和206Pb/238U加权平均年龄图Fig. 5 Zircon U-Pb concordia diagrams and weighted mean 206Pb/238U age plots

3.2 岩石地球化学特征

11件满克头鄂博组火山岩主微量元素测试结果列于表3。

表 3 满克头鄂博组流纹岩主量(wB/%)、微量(wB/10-6)元素分析结果Table 3 Major (wB/%) and trace (wB/10-6) compositions of rhyolites in Manketouebo Formation

结果显示，流纹岩样品具有较高的SiO2含量(72.17%～77.40%，平均值为75.29%)、Al2O3含量(12.19%～14.27%，平均为13.23%)以及较高的全碱(K2O+Na2O)含量(8.00%～9.26%，平均值为8.55%)，同时具有较低的CaO含量(0.14%～0.87%，平均值为0.37%)、MgO含量(0.10%～0.40%，平均值为0.19%)和P2O5含量(0.02%～0.07%，平均值为0.03%)。粗面岩样品相比流纹岩样品具有较低的SiO2含量(63.28%～68.77%，平均值为65.98%)，较高的Al2O3含量(15.17%～16.18%，平均值为15.79%)、CaO含量(0.99%～3.43%，平均值为1.89%)、MgO含量(0.48%～1.52%，平均值为0.96%)和P2O5含量(0.13%～0.38%，平均值为0.22%)。所有样品总体富钠，K2O/Na2O值范围为0.37～1.48，平均值为0.92。在火山岩TAS分类图解中，5个粗面岩落在粗面岩区，6个流纹岩样品落在流纹岩区(图6)。在K2O-SiO2图解中，除1件粗面岩和1件流纹岩样品分别落入钾玄岩和钙碱性系列区域外，其他样品均落入高钾钙碱性系列中(图7a)。在A/NK-A/CNK图解上，除1个粗面岩样品外，其余样品点均落于过铝质区域(图7b)。综上，研究区满克头鄂博组火山岩样品属于过铝质、高钾钙碱性系列岩石。

图 6 内蒙古科尔沁右翼前旗地区火山岩样品TAS分类图(底图据Middlemost， 1994)Fig. 6 TAS diagram of volcanic rocks from Horqin Right-Front Banner area in Inner Mongolia(after Middlemost， 1994)

所有样品稀土元素总量(∑REE)为51.94×10-6～222.25×10-6，均值147.66×10-6。LREE/HREE=5.46～11.75，(La/Yb)N=2.85～17.27。在球粒陨石标准化稀土元素配分模式图中，样品轻、重稀土元素分馏明显，呈现轻稀土元素富集，中等至强烈的负Eu异常(δEu=0.07～0.23，平均值为0.19)的不对称的右倾“海鸥型”配分型式(图8a)。在原始地幔标准化蛛网图中，所有样品均显示出相似的分布型式。表现为富集大离子亲石元素Rb、K等，亏损高场强元素Nb、Ta、Ti、P(图8b)。

4 讨论

4.1 火山岩形成时代

本文进行LA-ICP-MS测试的流纹岩样品中的锆石发育清晰的振荡环带，结合较高的Th/U值(0.41～1.32， >0.2)，显示出典型的岩浆成因特征(Rubatto and Hermann， 2003)。因此，这些锆石的测年结果可以代表本区火山岩的结晶年龄，即内蒙古科尔沁右翼前旗地区满克头鄂博组火山岩形成于晚侏罗世(146.0±1.3 Ma～145.9±1.0 Ma)。

根据Gou等(2019)对大兴安岭地区中生代侵入岩及火山岩数据的最新统计，大兴安岭地区晚中生代大规模岩浆作用始于晚侏罗世初(～163 Ma)，持续到早白垩世末(～106 Ma)。同时存在2个峰期年龄，分别为晚侏罗世(162～150 Ma)和早白垩世(140～125 Ma)。本文对近几年发表的大兴安岭地区满克头鄂博组火山岩锆石U-Pb年龄进行了统计(表4)，其中年龄最大的为164.0±1.0 Ma，最小的为132.2±0.5 Ma，跨越了2个峰期年龄，指示满克头鄂博组火山岩在不同地区喷出时代具有较大跨度。同时，数据显示，满克头鄂博组火山岩时代自西南向东北总体呈现逐渐变新的趋势(图9)。

表 4 大兴安岭地区满克头鄂博组火山岩锆石U-Pb同位素年龄统计Table 4 Reported zircon U-Pb ages of volcanic rocks of Manketouebo Formation in the Da Hinggan Mountains

图 7 内蒙古科尔沁右翼前旗地区火山岩样品的K2O-SiO2图解(a， 底图据Peccerillo and Taylor， 1976)和A/NK-A/CNK图解(b)Fig. 7 K2O-SiO2 diagram (a, after Peccerillo and Taylor， 1976) and A/NK-A/CNK diagram(b) for volcanic rocks from Horqin Right-Front Banner area, Inner Mongolia

图 8 满克头鄂博组火山岩球粒陨石稀土元素配分图(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)(标准化数据据Sun and McDonough， 1989)Fig. 8 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagram(b) for the Manketouebo Formation volcanic rocks (normalized values are from Sun and McDonough, 1989)

4.2 岩浆源区及岩石成因

对于大兴安岭地区广泛分布的晚中生代酸性火山岩成因目前主要有以下几种观点： ① 可能与同区域发育的玄武岩共同构成双峰式火山岩组合(葛文春等， 2000； 林强等， 2003； Zhangetal., 2010)； ② 由钙碱性系列玄武质岩浆经历分离结晶作用而来(Fanetal.， 2003； 张连昌等， 2007)； ③ 造山带陆壳部分熔融后经历分离结晶作用而来(高晓峰等， 2005； Guoetal.， 2009)。本研究区未见大面积的中基性岩浆岩出露，因此并不符合双峰式火山岩组合的特征。同时，中基性岩浆很难演化形成如此大规模的酸性岩浆喷发，玄武质岩浆经分离结晶作用成因的可能性不大(程银行等， 2014)。因此本文主要探讨陆壳部分熔融后经历分离结晶作用的成因模式。

研究区满克头鄂博组火山岩主要为流纹质火山碎屑岩、火山熔岩及少量粗面质火山岩。本文样品具有高硅(SiO2平均值为71.06%)，富碱(K2O+Na2O平均值为8.66%)的特征。稀土元素(REE)含量较高，轻、重稀土元素分馏明显 [(La/Yb)N平均为7.76]，同时富集大离子亲石元素(LILE)Rb、K，亏损高场强元素Nb、Ta、Ti、P，显示出壳源岩浆特征。与此同时，中等-明显的Eu、Sr负异常指示其岩浆源区发生了斜长石残留或岩浆经历了显著的分离结晶作用。全岩Nb/Ta值为10.0～15.4(平均为11.9)，与地壳平均值12～13较为接近(Barthetal.， 2000)，而明显低于原始地幔的平均值(17.8； Mcdonough and Sun， 1995)，进一步指示其壳源属性。

本文研究的5件粗面岩样品La/Sm值范围为4.19～6.63(平均为5.01)，6件流纹岩样品La/Sm值范围为4.04～7.99(平均为6.91)，两者并没有太大的差别，暗示两者应该不是经不同程度部分熔融而来。在哈克图解中(图10)，TiO2、Al2O3、TFeO、MgO、CaO和P2O5均与SiO2具有良好的线性演化关系，指示两者更倾向于由同一岩浆经分离结晶作用形成。同时，5件粗面岩样品δEu范围为0.22～0.23(平均0.23)，明显高于流纹岩样品的0.07～0.20(平均0.15)，更高的Eu异常进一步指示流纹岩经历了更高程度的斜长石分离结晶。

图 9 大兴安岭地区满克头鄂博组火山岩时空分布简略图(图中数据见表4) Fig. 9 Simplified diagram of the temporal and spatial distribution of volcanic rocks in the Manketouebo Formation in the Da Hinggan Mountains(the data are shown in Table 4)

图 10 满克头鄂博组火山岩哈克图解Fig. 10 Hark diagrams of the volcanic rocks of the Manketouebo Formation

因此，认为大兴安岭中南段内蒙古科尔沁右翼前旗地区满克头鄂博组火山岩是由于壳源物质部分熔融之后，经历了不同程度的分离结晶作用后喷发至地表分别形成粗面岩和流纹岩。

4.3 构造环境

大兴安岭中生代火山岩产出的构造背景一直是广受争议的问题，前已述及主要有地幔柱热动力相关的地幔熔融、蒙古-鄂霍次克缝合带闭合后伸展和太平洋板块俯冲3种观点。根据相关的年代学统计，大兴安岭中生代火山岩的形成时代变化范围较大，且不存在所谓的环状火山岩带，因此很难用地幔柱作用模式来解释(Fanetal.， 2003； 张连昌等， 2007)。 Liégeois等(1998)提出高钾钙碱性岩浆的出现，并向粗安质岩浆过渡可以作为造山过程演化到最后阶段的标志，研究区粗安质岩浆的出现也证明造山过程到了后期阶段。本文研究样品总体具有低Sr(平均206×10-6，<400×10-6)、高Yb(平均2.91×10-6，>2×10-6)的特征，与浙闽型造山后花岗岩较为相似(张旗等， 2008)，显示了造山后伸展环境特点。在Whalen等(1987)提出的花岗岩分类图解上(图11a)，大部分样品落在I型和S型花岗岩分类靠近A型花岗岩区域，2个样品落入A型花岗岩区域，与大兴安岭其他地区晚侏罗-早白垩世火山岩基本特征一致(Gouetal.， 2019)。在微量元素构造判别图解上全部样品落入造山后期区域(图11b)，进一步指示该期火山活动形成于造山后伸展构造环境。

图 11 满克头鄂博组火山岩花岗岩判别图解(a， 底图据Whalen et al.， 1987)和Rb-(Y+Nb)构造图解(b， 底图据Pearce et al.， 1984)Fig. 11 Granite discriminant diagram (a, after Whalen et al.， 1987) and Rb-(Y+Nb) diagram (b, after Pearce et al.， 1984) of the Manketouebo Formation volcanic rocks

近几年的一些研究表明大兴安岭远离太平洋板块俯冲带，并且大兴安岭北段和南段的中生代火山岩形成时间不同，因此中生代大兴安岭地区大规模火山作用受太平洋板块的俯冲影响较弱(许文良等， 2013； 尹志刚等， 2019)。同时，对蒙古-鄂霍茨克构造带的研究表明蒙古-鄂霍次克洋于晚古生代末局部发生俯冲，晚三叠世开始发生自西向东的剪刀式闭合(许文良等， 2013； 黄始琪等， 2014)。许文良等(2013)等认为早侏罗世蒙古-鄂霍茨克大洋板块向额尔古纳地块下俯冲，中侏罗世蒙古-鄂霍次克洋开始闭合，东部闭合时间可持续到晚侏罗世-早白垩世。本文统计的大兴安岭地区满克头鄂博组火山岩时空分布显示，大兴安岭区域该组火山岩自西南向东北总体上有变新的趋势(图9)，与蒙古-鄂霍次克洋闭合特征相符合。结合前文岩石地球化学特征讨论，笔者认为科尔沁右翼前旗地区满克头鄂博组火山岩主要受蒙古-鄂霍次克缝合带闭合造山后伸展作用的影响。

5 结论

(1) 科尔沁右翼前旗地区满克头鄂博组流纹岩LA-ICP-MS 锆石U-Pb年龄为145.9±1.0 Ma和146.0±1.3 Ma，表明其形成时代为晚侏罗世。

(2) 满克头鄂博组火山岩属于过铝质、高钾钙碱性系列，具有高硅、富碱，富集大离子亲石元素Rb、K，亏损高场强元素Nb、Ta、Ti、P等特征，显示出壳源岩浆的典型特征。结合主微量元素演化趋势，推测该区满克头鄂博组火山岩是由于壳源物质部分熔融之后，经历了不同程度的分离结晶作用后喷发形成。

(3) 研究区满克头鄂博组火山岩具有造山后岩浆作用地球化学特征，结合大兴安岭地区满克头鄂博组时空分布上存在自西南向东北年龄逐渐变新的特点，推测该期火山作用与蒙古-鄂霍次克缝合带闭合后伸展作用密切相关。