內(nèi)蒙古四子王旗小文公鄉(xiāng)古元古代基性巖墻鋯石測(cè)年及其構(gòu)造意義

李繼業(yè),柳長(zhǎng)峰,祝艷,董帥,祝永平

(1.天津華北地質(zhì)勘查總院,天津 300170;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100083)

0 引言

華北克拉通在經(jīng)歷呂梁運(yùn)動(dòng)的增生聚合、碰撞事件后成為全球前羅迪尼亞超大陸的一部分[1-3]。自古元古代后期開(kāi)始,隨著巖石圈厚度增大,華北克拉通長(zhǎng)時(shí)期處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),故能夠完整地記錄保存地質(zhì)事件,尤其是全球性的超大陸裂解事件在華北克拉通會(huì)有較好的響應(yīng)和記錄。如裂谷盆地發(fā)育和基性巖墻群侵位等伸展性質(zhì)的地質(zhì)活動(dòng)便成了超大陸裂解事件的重要證據(jù)。

華北克拉通北緣是整個(gè)克拉通內(nèi)地質(zhì)歷史記錄保存最完整的地區(qū)[4],長(zhǎng)期以來(lái),吸引了眾多學(xué)者的目光。近年來(lái),在華北克拉通基性巖墻群獲得的一些精確的年齡數(shù)據(jù),為進(jìn)一步約束華北克拉通古元古代末伸展構(gòu)造事件提供了年代學(xué)的證據(jù)。這些研究大多集中在山西、河北北部,在內(nèi)蒙古中部地區(qū)相關(guān)的報(bào)道較少,且多為Rb-Sr等時(shí)線年齡、40Ar-39Ar年齡或鋯石稀釋法年齡,但這些方法難以排除在后期變質(zhì)流體的改造或巖石形成過(guò)程中與地殼物質(zhì)的混染作用的影響以及混合鉛、繼承鉛、鉛丟失等問(wèn)題。

本文選擇內(nèi)蒙古中部四子王旗小文公鄉(xiāng)地區(qū)出露的基性巖墻群為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行了精確的鋯石LA-ICP-MS U-Pb定年,以期為深入研究華北克拉通北緣古元古代末地殼演化及前寒武紀(jì)超大陸對(duì)比研究提供新的證據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

四子王旗小文公鄉(xiāng)地區(qū)位于索倫—林西縫合帶以南,華北克拉通北緣,北部為中元古代白云鄂博裂陷沉積,緊鄰溫都爾廟-白乃廟早古生代蛇綠巖島弧雜巖,南部為渣爾泰裂陷沉積。區(qū)域出露地質(zhì)體以克拉通結(jié)晶基底、元古代沉積地層、古生代侵入巖和中新生代火山-沉積地層為特征。

研究區(qū)結(jié)晶基底主要為新太古界色爾騰山巖群及古元古代變質(zhì)鉀質(zhì)花崗巖(圖1),出露的地層主要為中元古界白云鄂博群以及中生界侏羅系大青山組、白堊系固陽(yáng)組和新近系寶格達(dá)烏拉組,侵入巖主要為晚古生代輝長(zhǎng)巖302 Ma±2 Ma[5]、正長(zhǎng)花崗巖264.0 Ma±3.4 Ma[6]以及早中生代白云母花崗巖。

圖1 內(nèi)蒙古四子王旗小文公鄉(xiāng)地區(qū)大地構(gòu)造位置(a)和地質(zhì)簡(jiǎn)圖(b)(據(jù)1∶25萬(wàn)四子王旗幅地質(zhì)圖修編)Fig.1 Geotectonic location (a) and geological sketch (b) of the Xiaowengongxiang area, Siziwangqi banner, Inner Mongolia1.第四系;2.下白堊統(tǒng);3.侏羅紀(jì)火山巖;4.中新太古代變質(zhì)巖;5.二疊紀(jì)花崗巖;6.新太古代變質(zhì)花崗巖;7.中元古代輝綠巖墻;8.采樣位置

色爾騰山巖群以石英巖、石英片巖、黑云片巖及大理巖為特征,經(jīng)歷高級(jí)變質(zhì)變形,被古元古代變質(zhì)鉀質(zhì)花崗巖侵入,區(qū)域上可見(jiàn)局部呈巖片疊覆在渣爾泰山群之上。古元古代變質(zhì)鉀質(zhì)花崗巖巖性主要為正長(zhǎng)花崗巖,以發(fā)育韌性剪切變形為特征,內(nèi)部發(fā)育大量北西向基性巖墻,獲得同位素年齡為1939 Ma(張華峰, 未刊資料)。白云鄂博群一般認(rèn)為是古元古代末華北克拉通化基礎(chǔ)上發(fā)育起來(lái)的中元古代裂陷槽,以石英巖、結(jié)晶灰?guī)r、變質(zhì)砂巖為主,不整合覆蓋于基底之上,區(qū)域上可見(jiàn)其不整合于北西向基性巖墻之上,被古生代—中生代花崗巖侵入,最近的鋯石同位素年代學(xué)資料表明開(kāi)始沉積時(shí)間晚于1.8 Ga[7-8]。大青山組以礫巖、砂巖為特征,不整合覆蓋于晚古生代—早中生代花崗巖之上。固陽(yáng)組主要為泥巖和砂巖。寶格達(dá)烏拉組由較松散的礫巖、砂巖組成。

2 樣品采集及測(cè)試方法

本次用于U-Pb定年的樣品取自小文公鄉(xiāng)西10 km左右的一條輝長(zhǎng)輝綠巖墻。該巖墻侵入新太古代-古元古代變質(zhì)花崗巖中,走向320°左右,可見(jiàn)延伸1 km左右;巖石具變余輝長(zhǎng)輝綠結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。輝長(zhǎng)輝綠巖遭受強(qiáng)烈熱液蝕變作用,發(fā)生強(qiáng)次閃石化、綠簾石化及黝簾石化。巖石中的斜長(zhǎng)石50%左右,大致呈0.2～0.8 mm半自形板狀,個(gè)別板條狀,強(qiáng)烈鈉黝簾石化,少數(shù)顆粒殘留較好的聚片雙晶;假像輝石(次閃石伴綠簾石取代)50%左右,大致呈0.2～0.5 mm粒狀、短柱狀外形,已被次閃石強(qiáng)烈交代,基本無(wú)殘留;磁鐵礦少量,0.1～0.5 mm粒狀,被褐鐵礦交代。

鋯石采用常規(guī)選法,雙目鏡下挑純;選出的鋯石顆粒在北京離子探針中心與標(biāo)樣一起制靶,用于陰極發(fā)光(CL)研究和U-Pb定年。鋯石陰極發(fā)光圖像在北京離子探針中心陰極發(fā)光實(shí)驗(yàn)室完成(圖2);同位素定年方法采用LA-ICP-MS方法,在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。有關(guān)分析測(cè)試方法、流程和相關(guān)的儀器工作參數(shù)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。鋯石U-Pb測(cè)定采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500(1062 Ma)作為外標(biāo)進(jìn)行校正,束斑直徑采用30 μm。每5個(gè)樣品點(diǎn)測(cè)一次標(biāo)樣,在10次樣品分析點(diǎn)之后測(cè)一次美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)局人工合成硅酸鹽玻璃NIST 610,作為外標(biāo)對(duì)鋯石U、Th、Pb含量進(jìn)行標(biāo)定,以29Si作內(nèi)標(biāo)進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果采用GLITTER(Ver 4.0, Macquaie University)軟件計(jì)算得出207Pb/206Pb、206Pb/238U、207Pb/235Th三組同位素比值、年齡及誤差。樣品普通鉛含量很低,因此未進(jìn)行普通鉛矯正。對(duì)測(cè)試結(jié)果采用ISOPLOT軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到諧和圖和加權(quán)平均年齡。

圖2 內(nèi)蒙古四子王旗小文公鄉(xiāng)地區(qū)基性巖墻鋯石陰極發(fā)光(CL)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及定年結(jié)果Fig.2 Zircon CL images of the basic dike in the Xiaowengongxiang area, Inner Mongolia

鋯石U-Pb測(cè)年分析數(shù)據(jù)與結(jié)果,見(jiàn)表1、圖3。

表1 內(nèi)蒙古四子王旗小文公鄉(xiāng)地區(qū)基性巖墻鋯石LA-ICP-MS U-Pb分析結(jié)果Table 1 Zircon U-Pb isotopic analysis of the basic dike in the Xiaowengongxiang area, Inner Mongolia

圖3 四子王旗地區(qū)基性巖墻鋯石U-Pb諧和年齡圖Fig.3 Zircon U-Pb Concordia for the basic dike from Xiaowengongxiang area, Inner Mongolia

3 測(cè)試結(jié)果與討論

鋯石CL圖像顯示大量鋯石呈渾圓狀,由核、邊雙層結(jié)構(gòu)組成,部分鋯石具有核幔邊三層結(jié)構(gòu)。核部、幔部發(fā)育明顯的巖漿成因的震蕩環(huán)帶,邊部具有較強(qiáng)的CL發(fā)光特征而呈白色,無(wú)生長(zhǎng)環(huán)帶,與后期熱事件改造有關(guān),很可能與巖石鈉黝簾石化、次閃石化關(guān)系密切。鋯石邊部較窄,不足10 μm,無(wú)法定年。

本次工作對(duì)其中6顆鋯石進(jìn)行了15個(gè)點(diǎn)的定年工作,w(Th)/w(U)=0.30～0.52,多數(shù)鋯石測(cè)試結(jié)果都落在U-Pb諧和線附近(圖3)。測(cè)試結(jié)果顯示,變質(zhì)輝長(zhǎng)輝綠巖中的鋯石復(fù)雜,所測(cè)鋯石15個(gè)點(diǎn)分布在1934 Ma～275 Ma之間,形成3組年齡,第一組測(cè)點(diǎn)位于鋯石核部(圖2),共5個(gè),但其中14和15測(cè)點(diǎn)由于核部破碎,獲得的年齡很不諧和,其他3個(gè)測(cè)點(diǎn)獲得207Pb/206Pb年齡為1925～1934 Ma;第二組測(cè)點(diǎn)位于鋯石幔部(圖2),共6個(gè)測(cè)點(diǎn),207Pb/206Pb 年齡在1798 Ma～1865 Ma之間,其加權(quán)平均年齡為1838 Ma±30 Ma (MSWD=8.0);第三組鋯石年齡相對(duì)年輕,共4個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖2),諧和度極好,獲得206Pb/238U年齡介于275～285 Ma之間,其加權(quán)平均值為281.0±7.8(MSWD=6.0)。

本次所測(cè)鋯石內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯示出的巖漿韻律環(huán)帶和高Th/U比值(表1)的特征,說(shuō)明它們均屬巖漿成因的鋯石。第一組年齡測(cè)試點(diǎn)都位于鋯石核部,屬捕獲鋯石;第二組在鋯石幔部獲得的1838 Ma±30 Ma的年齡應(yīng)代表了輝綠巖脈的侵位年齡,這與野外地質(zhì)證據(jù)相吻合;第三組年齡鋯石較為特殊,該鋯石并未發(fā)育變質(zhì)增生邊,也沒(méi)有繼承核,其281.0 Ma±7.8 Ma(MSWD=6.0)的加權(quán)平均年齡與區(qū)域上廣泛發(fā)育的晚古生代侵入巖年齡一致[5-6],可能為混入鋯石,代表了后期一次構(gòu)造熱事件的年齡。

第一組年齡。位于鋯石核部的測(cè)點(diǎn)(圖2)分別獲得的1934 Ma±10 Ma、1934 Ma±8 Ma和1925±7 Ma的207Pb/206Pb年齡,與輝綠巖墻的圍巖-華北克拉通基底中的鉀質(zhì)花崗巖鋯石諧和年齡一致(張華鋒,未刊資料),說(shuō)明第一組鋯石是在巖墻侵位時(shí)從圍巖鉀質(zhì)花崗巖中捕獲的。該組年齡也與白云鄂博基底雜巖獲得的年齡(1948 Ma～1917 Ma)一致[10]。在古元古代華北克拉通發(fā)育的3個(gè)主要活動(dòng)帶(遼吉活動(dòng)帶、晉豫活動(dòng)帶、豐鎮(zhèn)活動(dòng)帶)均有大量該時(shí)期的年齡紀(jì)錄,它們具有規(guī)模不同但機(jī)制類(lèi)似的顯生宙造山帶特點(diǎn),造山作用的結(jié)束在1930 Ma前后,可能與前羅迪尼亞超大陸的形成有關(guān)[11]。

第二組年齡。鋯石年齡為1838 Ma±30 Ma的輝綠巖墻侵位年齡。該期基性巖墻群在華北克拉通結(jié)晶基底內(nèi)廣泛發(fā)育,前人在華北克拉通北緣晉冀蒙交界地區(qū)巖墻群的研究程度相對(duì)較高,Qian等[12]和Halls等[13]做了大量古地磁工作,Qian等[12]、張臣等[14]和侯貴廷等[15-17]進(jìn)行了較為詳細(xì)的K-Ar年代學(xué)工作,但年齡跨度較大(1922 Ma～1195 Ma)。大同北北西向基性巖墻群獲得的鋯石SHRIMP年齡為1778 Ma±3 Ma[18],恒山輝綠巖墻單顆粒鋯石U-Pb年齡為1769 Ma±2 Ma[19],太行山南段的輝長(zhǎng)輝綠巖墻40Ar-39Ar年齡為1780.7 Ma±0.5 Ma[20],魯西泰山輝綠玢巖墻鋯石SHRIMP年齡侵位年齡為1830 Ma±17 Ma[17],河北懷安輝綠輝長(zhǎng)巖墻群的Rb-Sr等時(shí)線年齡為1885 Ma±43 Ma[4],均是這次伸展事件的產(chǎn)物和標(biāo)志。以上年齡數(shù)據(jù)以及本文獲得的巖墻侵位年齡,代表了華北克拉通基性巖墻群大致侵位于1800 Ma左右,表明基性巖墻群是華北克拉通古元古代末一次普遍的構(gòu)造熱事件。在華北克拉通內(nèi)部也有大量該時(shí)代非造山巖漿作用的記錄,如內(nèi)蒙孔茲巖內(nèi)巨大石榴石-堇青石花崗巖具有1850 Ma、1820 Ma的Pb-Pb和鋯石U-Pb年齡[21],白云鄂博礦區(qū)廣泛分布的非造山巖漿巖鋯石U-Pb年齡為1800 Ma左右[22],Yangyang環(huán)斑花崗巖的SHRIMP鋯石年齡集中在1840 Ma[23]。此外,華北克拉通基底廣泛經(jīng)歷了1850 Ma—1800 Ma的麻粒巖相-高角閃巖相變質(zhì)作用[24-26],一部分學(xué)者將其劃歸為巖石圈尺度的伸展-熱構(gòu)造事件[11]。從裂陷槽內(nèi)火山巖和火山沉積巖獲得的大量年齡數(shù)據(jù)也反映華北克拉通裂陷事件主要在1830 Ma—1800 Ma開(kāi)始發(fā)生[27],肖榮閣等[28]在渣爾泰炭窯溝取得鉀質(zhì)細(xì)碧巖的Sm-Nd年齡為1824 Ma,彭潤(rùn)民等[29]在渣爾泰東升廟獲得雙峰式火山巖Sm-Nd年齡為1767 Ma—1867 Ma?？偟膩?lái)說(shuō),華北克拉通古元古代末發(fā)生的基性巖墻群、非造山巖漿活動(dòng)、麻粒巖相-高角閃巖相變質(zhì)作用以及裂陷槽具有一定的成因聯(lián)系,是同一時(shí)期剛性塊體伸展作用的產(chǎn)物,標(biāo)志著華北克拉通古元古代末大陸裂解的開(kāi)始,是前羅迪尼亞超大陸裂解事件的一部分。

第三組年齡。可能代表基性巖墻的變質(zhì)時(shí)代,其281.0 Ma±7.8 Ma(MSWD=6.0)的加權(quán)平均年齡與華北陸塊北緣晚古生代大陸邊緣弧巖漿性質(zhì)的侵入巖時(shí)代(279 Ma—310 Ma[5,30-34])一致;略早于區(qū)內(nèi)碰撞后花崗巖侵位時(shí)代[6,35-36],可能是興蒙造山帶碰撞造山事件的反映。

4 結(jié)論

內(nèi)蒙古中部四子王旗地區(qū)侵入華北克拉通基底的輝長(zhǎng)輝綠巖墻的鋯石LA-ICP-MS U-Pb定年結(jié)果表明,該巖墻形成于1838 Ma±30 Ma,是古元古代末期巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物。其捕獲鋯石揭示出與華北克拉通北緣基底一致的1930 Ma左右的年齡信息;侵位年齡與華北克拉通早期非造山巖漿巖、結(jié)晶基底廣泛經(jīng)歷的1850 Ma—1800 Ma的麻粒巖相-高角閃巖相變質(zhì)作用以及裂谷沉積時(shí)代相對(duì)應(yīng),暗示華北克拉通在古元古代末已經(jīng)成為前羅迪尼亞大陸的一部分,此后進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期,于1830 Ma左右開(kāi)始經(jīng)歷伸展作用;而獲得的281.0 Ma±7.8 Ma的變質(zhì)年齡可能是興蒙造山帶碰撞造山事件的響應(yīng)。本文所揭示的3期熱事件對(duì)華北克拉通的構(gòu)造演化歷史的研究對(duì)比工作具有重要意義。