北山洋晚志留世—早泥盆世構造演化：內蒙古白云山蛇綠混雜巖帶南部侵入巖年代學、地球化學的制約

程先鈺，田 健，段霄龍，趙澤南，任邦方，張 永

(1.中國地質調查局 天津地質調查中心，天津 300170;2.河北省區(qū)域地質礦產(chǎn)調查研究所，河北 廊坊 065000)

0 引 言

中亞造山帶是一個持續(xù)俯沖增生的產(chǎn)物[1-3]，同時也是世界上最大的古生代增生帶和顯生宙大陸地殼生長帶[4-9]。北山造山帶作為中亞造山帶的重要組成部分，是研究中亞造山帶古生代構造格局轉化的重要地區(qū)，多年來受到廣大地質學者的關注[10-11]。

北山造山帶南鄰塔里木板塊，北接哈薩克斯坦板塊，西鄰東天山，東接阿拉善，是天山—興蒙造山帶的關鍵樞紐地帶[12]。北山造山帶在古生代發(fā)育多條蛇綠混雜巖帶，南部以紅柳河—牛圈子—白云山—月牙山—洗腸井蛇綠巖帶為標志，反映北山洋在古生代期間構造活動強烈，洋殼發(fā)生多期次或長期俯沖碰撞。多年來，前人對該條蛇綠混雜巖帶形成年齡進行了充分的研究，紅柳河蛇綠巖帶形成于425 Ma[13]，牛圈子蛇綠巖形成于443 Ma[14]，白云山蛇綠巖帶形成于496.4 Ma[15]，月牙山蛇綠巖帶形成于530 Ma[16]、536 Ma[17]。早古生代洋殼持續(xù)俯沖，晚志留世北山古生代洋盆已經(jīng)俯沖消亡，并轉化為碰撞造山[18]，白云山三個井組玄武巖形成年齡應晚于(396.6±3.3)Ma[19]，且處于板內伸展的構造背景，具有板內玄武質熔漿的成分特征。因此，探討北山洋由碰撞造山向板內拉伸裂解轉化的時間節(jié)點具有重要意義。

本文通過對出露于白云山蛇綠混雜巖帶西南部的中酸性侵入巖脈進行LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年和巖石地球化學特征研究，結合最新1:5萬區(qū)調資料，對花崗巖脈的巖石類型、年代學、大地構造背景等進行研究，對北山造山帶構造演化的時間節(jié)點進行了較細致的約束，研究結果對進一步認識北山地區(qū)古生代洋-陸轉化具有重要意義。

1 區(qū)域地質背景

白云山蛇綠混雜巖地處馬鬃山地塊與雙鷹山地塊接觸部位，東距額濟納旗約250 km，與月牙山—洗腸井蛇綠巖帶、牛圈子蛇綠巖帶和紅柳河蛇綠巖帶共同構成北山造山帶早古生代近東西向蛇綠混雜巖帶(圖1(a))。最新資料顯示白云山蛇綠混雜巖帶為早古生代時期洋盆俯沖形成，年齡(519.8±2.3)Ma[20]?；祀s巖帶呈北西西向帶狀展布，東西長約27 km，南北寬3～5 km(圖1(b))[20]，底部依次出露蛇紋石化的橄欖巖、輝橄巖、二輝橄欖巖等；上覆輝長巖、斜長花崗巖，局部見輝綠巖脈侵入；頂部為多呈巖塊分布的紫紅色放射蟲硅質巖?；祀s巖帶北鄰白云山組呈斷層接觸，白云山組北側大面積出露晚泥盆世花崗閃長巖?；祀s巖帶以南廣泛出露古生代地層，包括上奧陶統(tǒng)錫林柯博組、下泥盆統(tǒng)三個井組、上泥盆統(tǒng)墩墩山組。錫林柯博組主要巖性為灰綠色變質長石巖屑砂巖、灰綠色變質長石石英砂巖、灰褐色白云巖等，與三個井組呈斷層接觸。三個井組巖石組合主要為一套凝灰質長石巖屑砂巖、凝灰質粉砂巖、硅質黏土巖夾基性-中基性火山巖，火山巖主要由玄武巖、玄武安山巖、流紋質凝灰?guī)r等組成，與墩墩山組呈不整合接觸。

研究區(qū)元古宙海相地層與古生代地層呈斷層接觸，巖石組合主要為碳酸鹽巖沉積?；祀s巖帶南部局部出露晚志留世—早泥盆世中-酸性侵入巖脈，花崗閃長巖脈侵入石英閃長巖脈(圖1(c))，與元古宙地層呈侵入接觸。研究區(qū)三個井組火山巖與元古宙地層呈斷層接觸關系，由于第四系覆蓋，不能確定侵入巖脈與三個井組火山巖之間的關系。

2 巖石學特征

區(qū)內石英閃長巖呈灰白色，中細粒花崗結構，塊狀構造，由斜長石(60%～65%)、鉀長石(3%～5%)、石英(約10%)、角閃石假象(20%～25%)、黑云母假象(3%～5%)組成。斜長石主要呈半自形板狀，雜亂狀分布，具絹云母化、高嶺土化、黝簾石化、葡萄石化等。鉀長石呈它形粒狀，為正長石，填隙狀分布，有的呈斜長石環(huán)邊，具高嶺土化。石英呈它形粒狀，填隙狀分布。角閃石呈半自形-近半自形柱狀、粒狀，雜亂狀分布。黑云母呈葉片狀，多填隙于斜長石粒間，零散可見(圖2(a)和(b))。

花崗閃長巖呈灰白色，細?；◢徑Y構，由斜長石(70%～75%)、石英(20%～25%)、角閃石(3%～5%)組成。斜長石主要呈半自形板狀，雜亂狀分布，具絹云母化、黝簾石化，蝕變較明顯。石英呈它形粒狀，填隙狀分布，部分呈堆狀聚集，粒內顯波狀、帶狀消光。角閃石呈近半自形-它形柱狀、粒狀，少量填隙狀分布，顯綠色，多色性明顯(圖2(c)和(d))。

3 樣品及分析方法

3422、3424-1樣品分別采自白云山蛇綠巖帶西南部石英閃長巖脈和花崗閃長巖脈(圖1(c))，鋯石分選由河北省廊坊誠信地質服務有限公司完成。首先進行粉碎分選鋯石，然后在雙目鏡下挑選透明度較高、晶形較完好且內部無裂隙具有代表性的鋯石進行制靶。鋯石陰極發(fā)光圖像、制靶工作由北京鋯年領航科技有限公司完成。通過反射光、透射光及陰極發(fā)光圖像綜合分析，選擇晶形好、環(huán)帶清晰的鋯石樣品進行測試。鋯石LA-ICP-MS測試在天津地質調查中心實驗室完成，利用激光剝蝕等離子體質譜儀(LA-ICP-MS)進行鋯石U-Pb同位素測試。激光剝蝕系統(tǒng)為New Wave UP213，ICP-MS為布魯克M90。激光剝蝕過程中采用氦氣作載氣、氬氣為補償氣以調節(jié)靈敏度，二者在進入ICP 之前通過一個Y型接頭混合。每個時間分辨分析數(shù)據(jù)包括20～30 s的空白信號和50 s的樣品信號。對分析數(shù)據(jù)的離線處理，包括對樣品和空白信號的選擇、儀器靈敏度漂移校正、元素質量分數(shù)及U-Th-Pb同位素比值和年齡計算均采用軟件ICPMSDataCal[22]完成。鋯石的U-Pb年齡諧和圖繪制和年齡權重平均計算均采用Isoplot/Ex_ver3[23]完成。本次測試剝蝕直徑根據(jù)實際情況選擇25 μm。

樣品無污染磨碎至200目后，進行全巖主量、稀土和微量元素含量測定，測試在中國地質調查局天津地質調查中心實驗室完成。主量元素使用X射線熒光光譜儀(XRF-1500)測試，精度優(yōu)于2%～3%。稀土元素及微量元素利用酸溶法制備樣品，使用ICP-MS(ElementⅡ)測試，分析精度優(yōu)于10%?；瘜W分析測試流程參考文獻[24-25]介紹的方法。

4 分析結果

4.1 鋯石U-Pb年代學

本文鋯石U-Pb測試結果見表1。對石英閃長巖樣品TW3422選取24個單顆粒鋯石。由鋯石CL圖像(圖3(a))可知，鋯石長軸長為80～150 μm, 長寬比介于 1:1～1.5:1 之間，多為半自形、它形不規(guī)則狀；Th/U介于0.51～1.20之間，平均為0.89，且大部分鋯石具有清晰的振蕩環(huán)帶，具有典型巖漿巖鋯石特征[26-28]。TW3422的206Pb/238U加權平均年齡為(420.0±1.8)Ma，加權平均方差MSWD=0.18(圖3(b))，屬晚志留世。

表1 石英閃長巖(TW3422)、花崗閃長巖(TW3424-1)LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年分析數(shù)據(jù)

花崗閃長巖樣品TW3424-1同樣選取24個單顆粒鋯石。由鋯石CL圖像(圖3(c))可知，鋯石長軸長為60～100 μm, 長寬比介于 1:1～1.5:1 之間，多為自形-半自形板片狀；Th/U介于0.36～1.61之間，平均為0.55，同樣具有典型的巖漿巖鋯石特征。其206Pb/238U加權平均年齡為(404.6±2.6)Ma，加權平均方差MSWD=1.7(圖3(d))，屬早泥盆世。

另外，TW3424-1的Th、U含量非常低，與樣品TW3422的Th、U含量存在明顯差異。Th、U含量較低，顯示鋯石Pb丟失程度高，表明二者的Pb丟失程度差異較大；Th、U等元素一般殘留在熔漿液相，Th、U等元素的富集與鋯石等礦物的分離結晶有關，因此TW3422較TW3424-1的鋯石等礦物的分離結晶更成熟。

4.2 地球化學特征

4.2.1 主量元素

晚志留世石英閃長巖共選取兩個樣品進行地球化學分析，樣品編號為YQ3422-1、YQ3422-2;早泥盆世早期花崗閃長巖同樣選取兩個樣品進行分析，樣品編號為YQ3424-1、YQ3424-2，分析結果如表2所示。4個樣品SiO2含量為58.38%～69.46%，K2O含量為0.74%～1.38%，Al2O3含量為15.54%～16.95%，Na2O含量為4.15%～5.36%。在花崗巖SiO2-(Na2O+K2O)分類圖解(圖4(a))中，YQ3422樣品落入閃長巖區(qū)，YQ3424樣品落入花崗閃長巖區(qū)，與鏡下觀察結果一致。在鋁飽和指數(shù)判別圖解(圖5(a))中，花崗閃長巖樣品數(shù)據(jù)均分布于過鋁質花崗巖區(qū)內；在SiO2-K2O圖解(圖4(b))中，石英閃長巖屬鈣堿性系列侵入巖，花崗閃長巖屬低鉀拉斑系列花崗巖。

表2 石英閃長巖(YQ3422)和花崗閃長石(YQ3424)主量(%)、微量(10-6)和稀土元素(10-6)分析結果

4.2.2 稀土元素和微量元素

晚志留世石英閃長巖和早泥盆世早期花崗閃長巖稀土元素及微量元素分析結果見表2。石英閃長巖REE為99.53×10-6～107.60×10-6，平均值為103.57×10-6；花崗閃長巖REE為36.04×10-6～37.64×10-6，平均值為36.84×10-6。石英閃長巖LREE為80.36×10-6～86.96×10-6，花崗閃長巖LREE為30.55×10-6～32.10×10-6；石英閃長巖HREE為19.17×10-6～20.64×10-6，花崗閃長巖HREE為5.49×10-6～5.54×10-6。石英閃長巖(La/Yb)N=4.13～4.21，平均4.17；花崗閃長巖(La/Yb)N=6.01～6.46，平均6.24，說明輕稀土元素相對重稀土元素明顯富集(圖6(a))，稀土元素分餾明顯。石英閃長巖δEu=0.75～0.86，平均0.80，為明顯負Eu異常；花崗閃長巖δEu=0.87～0.96，平均0.91，為弱負Eu異常，二者巖石分離結晶作用明顯。

晚志留世石英閃長巖和早泥盆世早期花崗閃長巖均表現(xiàn)出不同程度地富集Rb、Th、U、K、Pb等元素，強烈虧損Ba、Sr、P、Ti、Eu等，弱虧損Nb、Ta等元素，高場強元素Zr(114×10-6～205×10-6)、Ta(0.21×10-6～0.68×10-6)、Hf(3.58×10-6～5.86×10-6)含量較低(圖6(b))，具有島弧(陸緣弧)巖漿巖的地球化學特征[29]。

在10000×Ga/Al-K2O+Na2O花崗巖類型地球化學判別圖(圖5(b))中，花崗閃長巖均落入Ⅰ型、S型區(qū)域，花崗閃長巖為分餾的I、S、M型花崗巖(圖5(c))。由于研究區(qū)花崗閃長巖脈不可能是幔源基性超基性巖漿分異的產(chǎn)物，且直接由地幔巖漿衍生的M型花崗巖在自然界中少見[31]，故排除其源巖為 M 型花崗巖的可能。Ce-SiO2圖解(圖5(d))則進一步表明，花崗閃長巖為Ⅰ型花崗巖。

花崗閃長巖的TiO2含量0.32%～0.34%，相對來說比較低；10000×Ga/Al為1.70～1.71，平均值為1.71，接近于Ⅰ型花崗巖的平均值2.10。綜上所述，可知研究區(qū)的花崗閃長巖主要為Ⅰ型花崗巖。

5 構造背景

白云山蛇綠混雜巖帶是早古生代北山洋盆向北俯沖消減的產(chǎn)物[32-36]。該蛇綠混雜巖帶區(qū)域上與紅柳河、牛圈子、月牙山、洗腸井蛇綠混雜巖帶構成近東西走向的縫合帶。白云山蛇綠混雜巖西南部花崗閃長巖脈的地球化學分析結果表明，樣品在Y-Nb圖解(圖7(a))中顯示出火山弧和同碰撞巖漿巖性質；在Yb-Ta、(Y+Yb)-Rb和(Yb+Ta)-Rb圖解(圖7(b)—(d))中，樣品全部投入火山弧巖漿巖端元，根據(jù)成巖年齡推測石英閃長巖脈同樣具有火山弧的構造環(huán)境。火山弧是由于板塊俯沖作用形成的火山島弧，同碰撞巖漿作用則是與地殼加厚和陸內收縮同時進行的巖漿作用[37]。二者微量元素中高場強元素Ta、Nb的虧損特征代表典型的島弧環(huán)境特征，且Sm/Nd為0.22～0.24，小于0.3，均是大陸地殼的典型特征。結合上述特征推測地殼物質參與了巖漿的形成。

前人在內蒙古北山地區(qū)開展了大量的地質研究[21,32-36,38-45]。有學者認為北山造山帶中部的洗腸井—白云山—牛圈子—紅柳河蛇綠巖最早形成于寒武紀[16-17,32]，奧陶紀向北強烈俯沖[10]，北山洋閉合于早泥盆世之前。本次采集的石英閃長巖的鋯石U-Pb年齡為(420.0±1.0)Ma，為晚志留世，結合地球化學分析結果表明，北山洋在晚志留世已經(jīng)閉合并發(fā)生碰撞造山。花崗閃長巖的鋯石U-Pb年齡為(404.6±2.6)Ma，其成巖年齡為早泥盆世早期，結合地球化學研究認為花崗閃長巖為同碰撞花崗巖。

石英閃長巖的鋯石Th、U值明顯高于花崗閃長巖的鋯石Th、U值，Th、U等元素的富集與鋯石等礦物的分離結晶有關。Th、U等元素一般殘留在熔漿液相中，高Th、U值代表鋯石等礦物處在高分離結晶的早期碰撞階段，低Th、U值代表低分離結晶的晚期碰撞階段。

李向民等認為，北山洋早古生代洋殼持續(xù)俯沖，晚志留世北山古生代洋盆已經(jīng)俯沖消亡，并轉化為碰撞造山[18]，本文的研究也印證了這一觀點。北山洋在晚志留世—早泥盆世早期完成閉合并發(fā)生碰撞，在研究區(qū)形成同碰撞花崗巖，碰撞時間限定到(404.6±2.6)Ma。有學者對白云山地區(qū)三個井組玄武巖進行了年代學研究，獲得(396.6±3.3)Ma的鋯石年齡[19]，并認為三個井組處于板內拉伸裂解的構造環(huán)境中。結合本次花崗閃長巖年代學、地球化學研究結果，推測北山造山帶在早泥盆世早期(404.6±2.6 Ma)之后，由碰撞造山轉化為板內拉伸裂解，(396.6±3.3)Ma之后北山造山帶全面進入陸內裂解階段。

6 結 論

(1)白云山蛇綠巖帶南部石英閃長巖脈的鋯石U-Pb年齡為(420.0±1.8)Ma，花崗閃長巖脈的鋯石U-Pb年齡為(404.6±2.6)Ma，為晚志留世至早泥盆世巖漿活動的產(chǎn)物。

(2)地球化學特征顯示石英閃長巖屬鈣堿性系列侵入巖，花崗閃長巖脈屬低鉀拉斑系列的過鋁質Ⅰ型花崗巖。中酸性侵入巖脈具有擠壓碰撞的島弧構造環(huán)境特征，且地殼物質參與了巖漿的形成。

(3)北山洋早古生代洋殼持續(xù)俯沖，在晚志留世—早泥盆世早期完成閉合并發(fā)生碰撞，碰撞時間限定到(404.6±2.6)Ma，之后由碰撞造山轉化為板內拉伸裂解，北山造山帶全面進入陸內拉伸裂解階段。

致謝：感謝兩位匿名審稿人為本文提出的建設性修改意見，同時對一起參加野外工作的同志們一并表示感謝。