内蒙古索伦地区花岗斑岩岩石成因及构造背景

张鹏,和钟铧,隋振民,高龙飞,任子慧

1.吉林大学地球科学学院，长春130061；2.吉林农业大学环境与资源学院，长春130118

0 引言

大兴安岭地区出露大面积中生代火成岩，其中以花岗岩最为发育，近年来发表的高精度锆石U--Pb年龄数据基本确定了大兴安岭地区显生宙花岗岩的年代学格架[1--4]，并为大兴安岭地区构造岩浆演化提供了重要依据[5--9]。但是目前尚缺乏对浅成岩的系统研究，尤其对与成矿关系非常密切的岩脉的研究较少,笔者在1∶5万区域地质调查的基础上,对内蒙古索伦地区与成矿关系密切的花岗斑岩(脉)进行了系统的野外地质调查，确定了花岗斑岩(脉)产出状态，并对花岗斑岩(脉)的岩石学、地球化学和Hf同位素等进行了研究，为大兴安岭地区构造岩浆演化提供依据，同时对寻找与花岗斑岩(脉)矿化密切的铜、铅和锌等矿产亦有重要的实际意义。

1 地质背景与岩石学特征

研究区位于兴蒙造山带东段的兴安地块上，大地构造位置属兴安地块的中南部(图1)，为古亚洲洋构造域与古太平洋构造域的交汇部位。晚古生代地层主要发育二叠系下统大石寨组(P1ds)、中统的哲斯组(P2z)和上统的林西组(P3l)，受古亚洲洋最终碰撞闭合的影响，普遍经历了低绿片岩相的变质作用。三叠纪—中侏罗纪时期，本区以剥蚀作用为主。自晚侏罗世以来,受鄂霍茨克洋闭合碰撞的影响和古太平洋板块的俯冲作用, 大兴安岭南部地区基底构造复活，岩浆活动强烈，形成了受NE或NW向控制的断陷盆地，其内发育满克头鄂博组(J3m)、玛尼吐组(J3mn)和白音高老组(K1b)3套陆相中--酸性火山岩地层，同时还发育大量黑云母花岗岩、正长花岗岩、花岗斑岩等同时期的中酸性侵入岩。已发表的年代数据显示满克头鄂博组火山岩多形成于138～145 Ma[10,11]、玛尼吐组火山岩形成于130～135 Ma[12,13]、白音高老组火山岩形成于121～132 Ma之间[14,15]，同时期中酸性侵入岩多形成于120～129 Ma之间[16,17]。空间上，索伦地区花岗斑岩多呈岩脉或小岩珠侵入于这些火山岩地层之中，LA--ICP--MS锆石U--Pb分析结果显示索伦地区花岗斑岩形成于120 Ma±,为早白垩世晚期，其形成时期应该与白音高老组形成时间相近或其之后，花岗斑岩体应是白音高老组酸性火山岩同时异相的产物，火山岩喷发后剩余岩浆沿北东、北西向裂隙充填而形成花岗斑岩脉。

花岗斑岩具有斑状结构，块状构造(图2)。斑晶含量约5%～15%，斑晶成分主要为石英和碱性长石，少量斜长石和黑云母，粒径多在0.5～3.0 mm，个别达5.0 mm。石英斑晶为半自形粒状或浑圆粒状，边界熔蚀明显，常呈港湾状；碱性长石斑晶半自形板状，高岭土化明显。斜长石斑晶为半自形板状，聚片双晶发育，绢云母化轻微。基质为微粒结构，粒径多为0.01～0.1 mm，基质主要由石英、碱性长石和斜长石组成。副矿物为锆石、榍石和磁铁矿等。

2 分析方法

花岗斑岩的岩石样品取自乌兰毛都嘎查东部地区，在野外基岩露头处采集锆石测年样品(PB1063)。地球化学分析由河北区域地质矿产调查研究所实验室完成，其中主量元素分析通过PW2404型荧光光谱仪(XRF)测定，采用玻璃熔片法，分析精度和准确度优于5%; 稀土和微量元素采用ELEMENT XR型电感耦合等离子质谱仪(ICP--MS)进行分析，分析精度和准确度一般优于10%，全过程参考国家标准GB/T14506.30--2010。

样品锆石的挑选由河北区域地质矿产调查研究所完成；北京凯德正科技有限公司和吉林大学地球科学学院显微鉴定实验室完成锆石的制靶、透射光和反射光照片的采集；北京锆年领航科技有限公完成CL图像采集工作；在中国地质大学(北京) 采用LA--ICP--MS完成锆石U--Pb同位素测年分析，实验中通过将He作为剥蚀物质的载气,以人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NIST610和国际标准锆石91500进行仪器最佳化，作为同位素组成的外标，

图1 索伦地区地质略图Fig.1 Geological sketch map of Suolun area

利用Glitter4.0程序进行锆石U--Pb同位素比值年龄测算整理，最后通过Isoplot3.0软件绘制协和图并计算年龄。

锆石原位Lu--Hf同位素分析在中国科学院地质与地球物理研究所完成，实验通过193 nm激光系统与NeptuneMC--ICP--MS的联合使用对Lu--Hf同位素进行分析。实验过程中采用He作为剥蚀物质的载气，激光剥蚀束斑直径为63 μm, 激光脉冲宽为15 ns, 剥蚀采样时间为23 s, 详细的实验分析步骤和数据处理方法参见文献 [18，19]。

3 分析结果

3.1 锆石U--Pb年龄

用于锆石测年的样品编号为PB1063取自索伦地区花岗斑岩体(图1)，所测锆石在CL图像上为无色--淡黄色透明状，多呈长柱形，为具明显振荡环带的自形岩浆锆石(图3)，锆石Th/U值为0.41～0.92，具岩浆结晶锆石的典型特征，反映其岩浆成因[20]。样品PB1063共进行了22个锆石的测定(表1)，大部分数据点位于U--Pb谐和线上及其附近，表明这些年龄具有确切的地质意义，应代表岩浆冷却结晶的年龄。有一个数据点距离协和线较远(126 Ma)，可能为岩浆上升过程中捕获的早期岩浆锆石。其他21个锆石U--Pb同位素加权平均年龄为119.9±1.6 Ma(MSWD=3.1,n=21)，确定研究区花岗斑岩形成于早白垩世晚期。

a,b.花岗斑岩野外照片；c,d.花岗斑岩镜下照片(正交偏光)；Q.石英；Af.碱性长石图2 花岗斑岩镜下照片及野外照片Fig.2 Microphotographs and field photographs of granite porphyry

图3 索伦地区花岗斑岩锆石阴极发光图像及锆石U--Pb谐和图Fig.3 CL images of selected zircons of granite porphyry in Suolun area and diagrams of zircon U--Pb concordia

表1 索伦地区花岗斑岩LA--ICP--MS锆石U--Th分析结果Table 1 LA--ICP--MS zircon U--Th analysis results of granite porphyry in Suolun area

3.2 主量元素分析

索伦地区花岗斑岩的地球化学分析结果见表2。从分析结果可以看出，主量元素整体呈现高硅、富碱的特点，其中SiO2含量为72.30%～77.19%，平均值为75.56%，K2O含量为4.31%～6.17%，平均值为4.88%，Na2O含量为2.31%～4.45%，平均值为3.43%，全碱(Na2O+K2O)含量为7.29%～9.35%，平均值为8.19%。岩石相对富K和Al2O3，其中K2O/Na2O的值为0.97～2.67， Al2O3含量为12.20%～13.73%，平均值为12.98%，A/CNK (Al2O3/(CaO +K2O+Na2O))为1.03～1.21，平均为1.12，其他主量元素含量相对较低，其中TiO2含量为0.10%～0.29%，TFeO含量为0.86%～2.84%，MgO含量为0.06%～0.60%，P2O5含量为0.02%～0.11%。在A/CNK-ANK图解(图4)中样品均集中在过铝质区域。在SiO2-K2O图解上，岩石普遍落入高钾钙碱性区域，少量显示钾玄岩特征。

表2 索伦地区花岗斑岩主量元素(%)和微量元素(10-6)分析结果Table 2 Major elements(%) and trace elements(10-6) analysis results of granite porphyry in Suolun area

图4 A/NK-A/CNK图解和SiO2-K2O图解Fig.4 Diagram of A/NK-A/CNK and diagram of SiO2-K2O

3.3 微量、稀土元素特征

索伦地区花岗斑岩的稀土总量∑REE为77.16×10-6～150.54×10-6，平均为127.90×10-6，其中轻稀土LREE含量为49.75×10-6～121.53×10-6，平均为95.06×10-6，重稀土HREE含量为22.70×10-6～43.50×10-6，平均35.84×10-6。LREE/HREE值为1.81～4.19，表明轻稀土元素(La、Ce、Pr)富集，重稀土元素(Tm、Yb、Lu)相对亏损，轻重稀土分馏明显。δEu值变化在0.18～0.59，具有明显负Eu异常,在球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(图5)上，配分曲线呈不对称的右倾“海鸥型”分布。索伦地区花岗斑岩具有相似的微量元素特征，在原始地幔标准化微量元素蛛网图上(图5)，Rb 、Th、U等大离子亲石元素相对富集，Nb、Ta、P、Ti等高场强元素和 Ba、Sr等部分大离子亲石元素相对亏损，显示壳源岩浆或岩浆被地壳物质混染的微量元素配分特征。

图5 索伦地区花岗斑岩球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)[21，22]Fig.5 Chondrite normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle normalized trace element spider diagrams (b) of granite porphyry in Suolun area

3.4 锆石Hf同位素特征

花岗斑岩样品锆石Hf同位素测试结果见表3。176Hf/177Hf的值为0.282 220～0.282 695，加权平均值为0.282 597±0.000 010(2σ，n=20),能够反映出岩石结晶演化过程中Hf同位素的组成情况，176Lu/177Hf的值为0.000 619～0.001 975，平均值为0.000 944，表明锆石形成后由Lu衰变形成的Hf极少，fLu/Hf值较低 (平均值为-0. 971 56)，说明测得的锆石Lu--Hf同位素二阶段模式年龄能够指示其源区物质在地壳中存留的年限或从地幔中抽离的年限，Hf 同位素εHf(t)的值为+7.5～+10.8，加权平均值为+8.7±0.5，单阶段模式年龄352～477 Ma，二阶段模式年龄为489～695 Ma。

表3 索伦地区花岗斑岩锆石Hf同位素分析结果Table 3 Zircon Hf isotopic analysis results for granite porphyry in Suolun area

4 花岗斑岩成因及构造背景

4.1 花岗斑岩成因

索伦地区花岗斑岩主要由石英、钾长石和少量斜长石组成，暗色矿物主要为黑云母，未见堇青石、石榴子石等富铝矿物，副矿物为锆石、榍石和磁铁矿等，岩矿组合特点显示研究区内花岗斑岩并不具有S型花岗岩的特点[23]，暗示成因类型可能为I型或A型花岗岩。而在区分A型和I型花岗岩判别图解上[24](图6)，数据点基本上落在了高分异 的I型花岗岩区，且在主量元素分析表上，全铁含量(0.86%～2.84%)相对较低，有别于A型花岗岩富铁的特性，而且花岗斑岩锆石饱和温度在757.610℃～807.972℃之间，低于A型花岗岩的锆石饱和温度[25]，表明研究区内花岗斑岩可能属于高分异的I型花岗岩。另外索伦地区花岗斑岩具有 Sr、Ba、Ti、Nb 和Eu的明显负异常，暗示岩石形成时具有强烈分异的分离结晶作用存在，Sr含量为40.478×10-6～233.00×10-6、 Yb为1.622×10-6～3.168×10-6，具有低Sr、高 Yb 的特点，张旗等[26]将这种类型的岩石称为“南岭型”花岗岩，一般形成于正常至减薄的地壳厚度下，其残留相主要为斜长石和角闪石。研究区花岗斑岩具有高硅质、富碱和贫铁镁的特点，富集大离子亲石元素(Rb、Th、U)和轻稀土元素(La、Ce、Pr)，亏损高场强元素(Nb、Ta)，这些地球化学特征显示了壳源岩浆的特点。花岗斑岩的εHf(t)在+7.5与+10.8之间，二阶段亏损地幔模式年龄为695～489 Ma之间，反映了其源区物质可能形成于早古生代—新元古代基性下地壳物质的熔融，该岩浆源区的形成可能与古亚洲洋演化过程中地壳的增生作用有关[27，28]。

4.2 花岗斑岩形成的构造背景

自中生代以来，大兴安岭地区受蒙古—鄂霍茨克构造域的控制和古太平洋构造体系的影响，早期基底断裂复活，岩浆活动强烈，广泛发育受正断层控制的北东向断陷盆地[29]其内发育白音高老组流纹岩和梅勒图组玄武岩为代表的双峰式火山岩[30]，同时还发育早白垩世变质核杂岩等[31]，所有这些均表明大兴安岭地区在早白垩世期间已处于伸展环境。研究区花岗斑岩在Y+Nb-Rb图解上和R1-R2图解上[32](图7)均落入后碰撞和造山期后附近，亦显示它们形成于造山期后伸展构造环境。但对于该伸展环境的动力学机制存在不同的认识：一种观点认为与蒙古—鄂霍茨克缝合带闭合后加厚陆壳的拆沉过程相联系[33--34]；另一种认为是古太平洋板块俯冲于欧亚大陆之下的弧后伸展环境[15]。从已有的研究成果中可知，在140 ～125 Ma期间古太平洋板块是向NE方向约33°方向扩张的[35]，在大兴安岭地区不可能形成与俯冲方向近于平行的弧后盆地和岩浆活动带，因此这一时期的火成岩与古太平洋板块作用没有直接关系[36]。索伦地区花岗斑岩为I型高分异花岗岩，一般认为这种类型的花岗岩主要与后造山事件有关[37]。进一步研究表明蒙古—鄂霍茨克构造体系在中生代晚期(～145 Ma) 曾经历过重要的陆壳加厚过程，于早白垩世晚期(～125 Ma)发生区域性的伸展事件[38]，而形成于早白垩世晚期的索伦地区花岗斑岩应是蒙古—鄂霍茨克缝合带闭合后后造山事件的产物。

图6 索伦地区花岗斑岩成因类型判别图解[24]Fig.6 Discrimination diagrams for granite porphyry in Suolun area

图7 索伦地区花岗斑岩构造环境判别图解Fig.7 Tectonic distinction diagrams for granite porphyry in Suolun area

5 结论

(1)索伦地区花岗斑岩多呈岩株和岩脉产出，其LA--ICPMS锆石U--Pb同位素测年为119.9±1.6 Ma，形成于早白垩世晚期。

(2)索伦地区花岗斑岩属于铝质--过铝质高钾钙碱性系列，具有高分异I型花岗岩的特点，其εHf(t)为+7.5～+10.8，二阶段亏损地幔模式年龄为695～489 Ma，反映其源区物质可能形成于早古生代—新元古代基性下地壳物质的熔融。

(3)索伦地区花岗斑岩形成于造山后伸展环境，这种构造背景可能与蒙古—鄂霍茨克缝合带闭合后加厚陆壳的拆沉作用有关。