引用本文
高鉴, 马刚, 邹运鑫, 任超军, 余双双. 内蒙古干劲山地区二长花岗岩年代学及地球化学特征研究[J].中国地质调查, 2017,4(2): 42-50.
GAO Jian, MA Gang, ZOU Yunxin, REN Chaojun, YU Shuangshuang. Geochronology and geochemical characteristic of monzonitic granite in Ganjin Mountain of Inner Mongolia[J].Geological Survey of China, 2017,4(2): 42-50.  
Doi:10.19388/j.zgdzdc.2017.02.05
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内蒙古干劲山地区二长花岗岩年代学及地球化学特征研究
高鉴, 马刚, 邹运鑫, 任超军, 余双双
内蒙古地质矿产勘查院,呼和浩特 010010

第一作者简介: 高鉴(1988—),男,助理工程师,主要从事区域地质矿产调查工作。Email:501852050@qq.com。

收稿日期: 2016-04-08
基金资助: 中国地质调查局“内蒙古 1:5 万红梁子、沙多山、红旗山、蓬勃山幅区域地质矿产调查(编号: 1212011220461)”项目资助
摘要

通过对内蒙古额济纳旗干劲山地区二长花岗岩的锆石U-Pb年代学、岩石地球化学特征研究,探讨了其侵入年代与构造背景。二长花岗岩的LA-ICP-MS锆石U- Pb加权平均年龄为(276.63±0.84)Ma, 属早二叠世。岩石地球化学研究显示二长花岗岩A/CNK值为0.97~1.15,里特曼指数( σ值)为1.64~1.96,属准铝质—过铝质钙碱性系列花岗岩。岩石富集Rb、Ba、Sr等大离子亲石元素和Th、U、Zr等高场强元素。稀土元素特征为轻稀土富集, 轻、重稀土分异不明显, 轻稀土发生了较明显的分馏作用,铕负异常较明显。岩体为同造山“I”型花岗岩,其构造背景为陆缘弧,是干劲山地区晚华力西期造山运动的产物,红石山—路井裂谷带在晚古生代的拼合时间被限定到早二叠世晚期之后。

关键词: 二长花岗岩; 锆石U-Pb年龄; 地球化学特征; 干劲山地区; 内蒙古
中图分类号:P588.121;P597.3 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2017)02-0042-09
Geochronology and geochemical characteristic of monzonitic granite in Ganjin Mountain of Inner Mongolia
GAO Jian, MA Gang, ZOU Yunxin, REN Chaojun, YU Shuangshuang
Geology and Mineral Exploration Institute of Inner Mongolia, Hohhot 010010, China
Abstract

By investigating the geochronology and petrogeochemistry of monzonitic granite in Ganjin Mountain, Ejinaqi, Inner Mongolia, the intruding age and tectonic background are discussed. The zircon U-Pb weighted average age is considered to be (276.63±0.84) Ma by using LA-ICP-MS method, constraining its formation age to be Early Permian. Lithological and geochemical characteristics indicate that the monzonitic granite belongs to subaluminous-peraluminous and calc-alkaline series, with A/CNK ratios of 0.97-1.15 and σ values of 1.64-1.96. The monzonitic granite is rich in large ion lithophyte elements (LILE, e.g., Rb, Ba, Sr), high field strength elements (HFSE, e.g., Th, U, Zr), and LREE with negative euanomolies on the chondrite-normalized diagram, and its LREEs and HREEs are not obviously differentiated. They share affinities with syn-orogenic I-type granites, indicating they formed in a continental arc setting. It is suggested that the monzonitic granite was generated during late Hercynian movement in Ganjin area. The time that terranes on both sides of the Hongshishan-Lujing rifting belt converged was limited to Early Permian.

Keyword: monzonitic granite; zircon U-Pb age; geochemistry; Ganjin Mountain; Inner Mongolia
0 引言

干劲山地区位于北山弧盆系中的红石山— 路井晚古生代裂谷带内[1], 针对该裂谷带, 前人[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]已在新-甘-蒙交界区及周边区域进行过较深入的研究。但由于工作条件较差, 干劲山地区晚古生代构造-岩浆活动的研究程度一直较低。就红石山— 路井裂谷带的构造环境而言, 目前认同度比较高的说法是裂谷在石炭纪— 二叠纪有一次裂解— 再拼合的地质过程[2, 5, 6]。干劲山地区分布有大量晚古生代花岗岩类岩石, 其中以二长花岗岩分布面积最广。此前对于该二长花岗岩的研究仅20世纪70年代的区域地质调查报告有涉及[11], 受限于当时的条件, 该岩体并未进行严格的相带划分, 其岩石地球化学研究程度不足, 亦无测年结果。本文以1: 5万区域地质调查工作[12]为基础, 通过对干劲山地区二长花岗岩的侵入年代以及岩石地球化学特征研究, 探讨了其成因及构造背景, 旨在为被撕开的红石山— 路井裂谷带两侧地体在早二叠世的汇聚事件提供时代约束, 并为区域构造-岩浆格架的建立提供进一步证据。

1 研究区地质背景和岩体特征
1.1 地质背景

研究区位于内蒙古额济纳旗以西约200 km处, 地处哈萨克斯坦板块东南陆缘增生带中的红石山— 路井洋盆带内[1]。区内出露地层主要为下石炭统绿条山组弱变质陆源碎屑岩, 另可见少量下— 中二叠统双堡塘组。区内褶皱、断裂构造均较发育, 褶皱构造主体构造线呈NWW向展布, 断裂构造则以NE-SW向走滑断裂为主。区内出露侵入岩主要为晚石炭世中粒石英闪长岩、晚石炭世细粒闪长岩、早二叠世英云闪长岩、早二叠世二长花岗岩和二叠纪正长花岗岩, 受主构造线的控制, 岩体一般呈NWW向带状产出(图1)。

图1 干劲山地区地质简图
1.哈萨克斯坦板块; 2.塔里木— 华北板块敦煌微陆块; 3.雀儿山— 狐狸山活动陆缘带; 4.红石山— 路井陆内裂谷带; 5.石板井— 旱山地块; 6.公婆泉活动陆缘带; 7.国界线; 8.省界线; 9.哈萨克斯坦板块与塔里木板块缝合线; 10.红柳河— 洗肠井断裂; 11.研究区位置; 12.第四系冲洪积物; 13.下石炭统绿条山组; 14.二叠纪正长花岗岩; 15.早二叠世似斑状中粒二长花岗岩; 16.早二叠世中粒二长花岗岩; 17.早二叠世中粒含角闪石二长花岗岩; 18.早二叠世英云闪长岩; 19.晚石炭世细粒石英闪长岩; 20.晚石炭世中粒石英闪长岩; 21.岩石地球化学样品位置及序号; 22.岩石地球化学、同位素样品位置及编号; 23.相变接触界线; 24.实测逆断层; 25.实测平移断层; 26.实测性质不明断层Fig.1 Geological sketch map of the Ganjin Mountain area

1.2 岩体特征

早二叠世二长花岗岩处于研究区正中, 面积约112.38 km2, 沿NWW向呈鹅卵形侵入晚石炭世、早二叠世岩体及下石炭统绿条山组地层中。岩体自南向北可分为3个相: 岩体南端为其边缘相, 边缘相岩性为中粒含角闪石二长花岗岩(η γ bP1); 过渡相岩性为中粒二长花岗岩(η γ aP1); 中心相岩性为似斑状中粒二长花岗岩(π η γ P1)。

中粒含角闪石二长花岗岩总体呈灰色、浅灰红色, 中粒花岗结构, 块状构造。成分主要由斜长石(25%± )、钾长石(40%± )、石英(25%± )、黑云母(3%± )和角闪石(2%± )组成, 矿物粒径以2~6 mm为主, 少量小于2 mm。含角闪石为该岩石独有特征。副矿物主要为磁铁矿、锆石等。岩石基本无变质变形, 少量黑云母被绿泥石交代, 可见细粒暗色闪长质包体。

中粒二长花岗岩总体呈浅灰红色、灰红色, 中粒花岗结构, 块状构造。成分主要由斜长石(25%± )、钾长石(45%± )、石英(25%± )和黑云母(5%± )组成, 矿物粒径2~7 mm。副矿物主要为磁铁矿、锆石等。岩石基本无变质变形, 少量黑云母被绿泥石交代, 可见细粒暗色闪长质包体。

似斑状中粒二长花岗岩总体呈浅灰红色、灰红色, 似斑状结构, 块状构造。斑晶为灰红色钾长石, 自形板状, 粒径多为7~10 mm, 最大可达2.5 cm, 斑晶含量5%~10%; 基质为中粒花岗结构, 成分主要为斜长石(20%~25%)、钾长石(40%± )、石英(25%± )和黑云母(5%± ), 矿物粒径2~4 mm。副矿物主要为磁铁矿、锆石等。岩石基本无变质变形, 少量黑云母被绿泥石交代, 可见细粒暗色闪长质包体。

2 样品分析与测试

根据岩体的展布特征, 在二长花岗岩的不同部位共采集6件岩石标本(标本1~6)进行岩石地球化学分析, 每个相带各取2件, 其中标本1、2岩性为似斑状中粒二长花岗岩, 标本3、4岩性为中粒二长花岗岩, 标本5、6岩性为中粒含角闪石二长花岗岩。主量元素、微量元素和稀土元素的测定均由河北省区域地质矿产调查研究所完成。主量元素用AxiosmaxX射线荧光光谱仪测定(GB/T 14506.28— 2010)。微量元素和稀土元素采用X Serise2等离子体质谱仪测定 (DZG20-1)。

同时, 对标本2进行了锆石U-Pb同位素年龄测定。测年样品在河北省区域地质矿产调查研究所采用常规方法进行粉碎, 通过浮选和电磁选法分选后在双目镜下挑选出晶形与透明度较好的锆石颗粒用于测年分析。锆石样品靶和阴极发光图像制作由北京锆年领航科技有限公司完成, 锆石U-Pb同位素分析由中国地质调查局天津地质调查中心同位素实验室完成。测试过程中, 根据TEMORA标准锆石对样品进行元素分馏校正, 普通Pb根据实测的208Pb进行校正, 应用NIST作为外标标定样品的U、Th、Pb含量。采用ICPMSDataCal程序和Isoplot程序对样品进行数据处理及图件制作[13]。

3 LA-ICP-MS锆石U- Pb年龄

测年样品中锆石颗粒在透射光和反射光下大部分为浅色, 少量为浅黄褐色、半透明, 颗粒破碎, 边部见磨圆现象, 部分锆石晶体内见暗色不透明包裹体。锆石晶体大小一般为100~150 μ m, 长宽比近2: 1, 多数锆石自形程度较好, 呈短柱状、板状, 少量呈长柱状, 表面较光滑。阴极发光图像(图2)显示, 锆石颗粒晶体内部结构清晰, 均发育有典型振荡生长环带, 表明为岩浆结晶成因锆石。通过透射光、反射光和阴极发光图像, 在标本2中选择了26颗自形程度和透明度均较好的岩浆锆石进行LA-ICP-MS U-Pb分析。

图2 似斑状二长花岗岩中部分锆石的阴极发光图像Fig.2 CL images of representative zircons of porphyritic monzonitic granite

锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄测试结果见表1, 获得3组年龄数据, 其中206Pb/238U和 207Pb/235U年龄比较接近, 误差相对较小, 207Pb/206Pb年龄变化明显, 误差也相对较大。根据年龄选择一般遵循的原则, 选择206Pb/238U年龄作为该岩体的年龄。

表1 似斑状二长花岗岩同位素测年数据表 Tab.1 LA-ICP-MS zircon U-Pb isotopic data of porphyritic monzonitic granite

从年龄谐和图(图3)可以看出, 标本2中26个测点仅7、22号测点偏离谐和线, 206Pb/238U表面年龄偏小, 分别为(267.99± 1.64)Ma、(245.65± 1.51)Ma, 可能锆石来源于稍晚期的正长花岗岩细脉(二长花岗岩被后期的正长花岗岩细脉侵入), 其余24个点206Pb/238U表面年龄为(271.42± 2.43)~(279.36± 1.92)Ma, 数值较为集中, 加权平均年龄为(276.63± 0.84)Ma, 确定为岩浆的结晶年龄。

图3 似斑状二长花岗岩锆石U-Pb同位素谐和图Fig.3 Zircon U-Pb concordia diagram of porphyritic monzonitic granite

4 岩石地球化学特征
4.1 主量元素

二长花岗岩主量元素分析结果见表2, 由表可以看出: SiO2含量为72.04%~76.28%, 属于酸性岩系列; Al2O3含量为12.61%~13.98%; σ 值为1.64~1.96, 显示岩石属钙碱性系列岩浆岩; K2O/Na2O< 1为主, 个别样品K2O/Na2O> 1(2件), 显示岩浆总体具有不明显的富钠贫钾的特点; A/CNK值为0.97~1.15, 属准铝质系列岩浆岩, 但具有轻微过铝质岩浆岩特性; 全碱含量K2O+Na2O为7.16%~7.85%。

表2 早二叠世二长花岗岩主量元素分析结果及相关参数 Tab.2 Major elements analysis and related parameters of monzonitic granite in Early Permian
4.2 微量元素与稀土元素

微量元素分析结果见表3, 结合微量元素原始地幔标准化蛛网图(图4左)可以看出, 岩石中明显富集Rb(93.83× 10-6~141.01× 10-6)、Ba(547.66× 10-6~982.9× 10-6)、Sr(90.16× 10-6~238.14× 10-6)等大离子亲石元素和Th(6.91× 10-6~16.39× 10-6)、U(1.79× 10-6~3.16× 10-6)、Zr(115.07× 10-6~183.34× 10-6)等高场强元素, 贫Li(16.30× 10-6~47.24× 10-6)等元素。以上特征表明二长花岗岩具有造山带弧岩浆作用形成的钙碱性岩浆岩特点[14] 。Rb/Sr比值变化较大, 为0.40~1.56。

图4 二长花岗岩微量元素原始地幔标准化蛛网图(左)和稀土元素球粒陨石标准化配分曲线图解(右)Fig.4 Normalizecl spider diagram of primitive mantle and trace elements (left) and chondrite-normalized REE patterns (right) of monzonitic granite

表3 早二叠世二长花岗岩微量元素分析结果 Tab.3 Trace elements analysis of monzonitic granite in Early Permian (10-6)

稀土元素分析结果见表4, 稀土元素含量相对较低, 稀土总量Σ REE为102.71× 10-6~177.73× 10-6, 平均值为142.94× 10-6。稀土元素球粒陨石标准化配分型式图(图4右)中整体曲线右倾, 轻稀土分布曲线陡倾, 而重稀土分布曲线呈平缓状。LREE/HREE为2.18~4.99, (La/Yb)N= 6.63~8.09, 显示轻重稀土分馏显著, 且具轻稀土富集特征; (La/Sm)N= 4.19~5.49, 显示轻稀土分异明显; (Gd/Yb)N= 0.92~1.24, 显示重稀土分异不明显。以上特征显示二长花岗岩具有火山弧岩浆岩特点[14]。岩石δ Eu值为0.39~0.97, 除样品6具弱铕负异常外, 其他样品铕负异常均较为显著(δ Eu值为0.39~0.76), 说明在岩浆演化过程中可能发生了斜长石的分离结晶作用[15]。

表4 早二叠世二长花岗岩稀土元素分析结果及相关参数特征 Tab.4 Rare earth elements analysis and related parameters of monzonitic granite in Early Permian
5 讨论
5.1 二长花岗岩年代学讨论

干劲山地区工作条件较差, 研究程度较低, 前人[11]未在干劲山二长花岗岩中取得测年结果, 但根据岩性对比在前期工作的周边图幅内取得类似岩体的年龄为271 Ma[16]。根据本次研究, 锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄测试结果显示似斑状中粒二长花岗岩加权平均年龄为(276.63± 0.84)Ma, 代表其岩浆的结晶年龄, 说明二长花岗岩形成于早二叠世晚期。

5.2 二长花岗岩构造环境及构造意义分析

二长花岗岩岩体在区域上呈长轴沿NWW向的椭球体形态展布, 分析其就位机制以主动就位为主。根据岩石结构构造及矿物成分特征, 自岩体边缘至中心可将其清晰地划分为中粒含角闪石二长花岗岩、中粒二长花岗岩、似斑状中粒二长花岗岩3部分。由岩体边缘至中心岩石结构由中粒结构变为似斑状中粒结构, 反映岩体由边缘至中心岩浆冷却结晶的速度逐渐变慢的特征。

岩体K2O/Na2O< 1为主, A/CNK值为0.97~1.15, σ 值为1.64~1.96。在A/CNK-A/NK图解(图5)中, 所有点均投影在准铝质— 过铝质界线附近, 故该二长花岗岩属准铝质— 过铝质钙碱性系列岩浆岩。

二长花岗岩岩体中含一定数量的暗色闪长质包体, 岩石内暗色矿物含角闪石、黑云母, 不透明矿物仅见磁铁矿。岩石地球化学数据中Sm/Nd值介于0.17~0.19之间, 平均值为0.18, 均小于0.33。在A/CNK-A/NK图解(图5)中可见, 6个样品中有5个投图到了“ I” 型花岗岩区。以上特征表明该二长花岗岩应属“ I” 型花岗岩。

Barbarin[17]认为, 含角闪石的钙碱性花岗岩类的形成与俯冲作用有关, 在花岗岩Nb-Y判别图解[18]中, 该岩体所有点均投影在同碰撞-火山弧花岗岩区(图6左), 在Rb-(Y+Nb)判别图解[18]中, 所有点均投影在火山弧花岗岩区(图6右), 表明二长花岗岩具火山弧花岗岩特征, 而Nb的强烈亏损表明花岗岩具有大陆壳的特征[19], 故笔者认为二长花岗岩为陆缘弧花岗岩。在花岗岩R1- R220判别图解中所有点均投影在同造山花岗岩区(图7), 结合锆石U-Pb年龄, 说明该二长花岗岩岩体的形成与研究区华力西晚期的造山作用有成因联系。

图5 二长花岗岩的A/CNK-A/NK图解Fig.5 A/CNK-A/NK diagram ofmonzonitic granite

综上分析, 干劲山地区二长花岗岩属准铝质— 过铝质钙碱性系列岩浆岩, 属“ I” 型花岗岩, 应为产于同造山活动中的陆缘弧花岗岩。

图6 二长花岗岩Nb-Y(左)和Rb-(Y+Nb)(右)构造环境判别图解[8]Fig.6 Nb-Y(left) and Rb-(Y+Nb)(right) tectonic setting discrimination diagrams of monzonitic granite[8]

图7 二长花岗岩R1-R2构造环境判别图解Fig.7 R1-R2 tectonic setting discrimination diagram of monzonitic granite

红石山— 路井裂谷带在华力西晚期经历了一次陆壳的裂解— 再拼合事件[2, 3, 4, 5, 6]。黄增宝等[5]、聂凤军等[6]根据红石山及邻近地区侵入岩的研究, 将裂谷带再次完全闭合的时代限定在了早二叠世之后。

根据本次1: 5万区域地质调查工作的结果[12], 研究区在这次陆壳的裂解— 再拼合事件中表现出的具体过程为: 在晚石炭世— 早二叠世早期, 研究区处于拉张环境, 地壳处于撕裂状态, 海水入侵后形成了新的陆源碎屑岩沉积, 这在研究区下二叠统双堡塘组内采集到的动物化石中可以获得时代依据。之后在早二叠世晚期— 中二叠世早期, 陆块重新汇聚, 裂谷带拼合, 近EW向张性断裂活化, 转变为逆冲挤压性断裂。笔者认为, 二长花岗岩的岩浆就是在此期间生成并在区域上沿近EW向构造侵位的。这一结论得到了锆石U-Pb年代学验证, 并在该岩体的岩石地球化学特征上有明显反映, 此外, 从区域地质图(图1)上可以看出, 整个岩体的展布形态受到了区域构造线的明显限制。鉴于似斑状中粒二长花岗岩的年龄值, 红石山— 路井裂谷带完全闭合的时间应在早二叠世晚期之后, 与前人研究结论[5, 6]相吻合。

6 结论

(1)干劲山地区二长花岗岩测年样品中锆石206Pb/238U加权平均年龄为(276.63± 0.84)Ma, 表明二长花岗岩形成于早二叠世。

(2)干劲山地区二长花岗岩属准铝质— 过铝质钙碱性系列岩浆岩, 富集大离子亲石元素和高场强元素, 为轻稀土富集型, 轻、重稀土分异不明显, 轻稀土发生了较明显的分馏作用, 铕负异常较明显。

(3)二长花岗岩属“ I” 型花岗岩, 应为同造山的陆缘弧花岗岩, 是研究区晚华力西期造山运动的产物, 红石山— 路井裂谷带在晚古生代的拼合时间被限定到早二叠世晚期之后。

The authors have declared that no competing interests exist.

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