华北克拉通北缘中段多伦地区早二叠世双峰式岩浆作用

Early Permian Bimodal Magmatism in the Duolun Area of the Central Section of the Northern Margin of the North China Craton

摘要

东大山地区双峰式岩浆岩位于内蒙古多伦县东部，处于华北板块北缘. 岩体由石英二长岩和玄武岩组成. 对其开展了全岩地球化学、锆石U-Pb年代学和Hf同位素组成研究. 研究结果表明：石英二长岩和玄武岩锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果分别为283±1.6 Ma、280±2.9 Ma，形成于早二叠世；二者锆石Hf同位素组成整体较相似，两阶段模式年龄（t _DM2）普遍较为古老（1 760~2 354 Ma，仅玄武岩内测得324 Ma、824 Ma两个较新年龄），与华北板块基底接近；岩体SiO₂含量在50.64%~65.87%存在明显的间断，具有双峰式岩浆岩特征，都相对富K、Na、Al，亏Ca、Mg，石英二长岩较玄武岩明显亏损Ti、P，具有明显的互补迹象. 结合前人研究成果，认为东大山地区双峰式岩浆岩可能是板块俯冲、后撤引起的伸展背景下，古亚洲洋俯冲板片脱水引起上地幔部分熔融形成的幔源岩浆向上运移、聚集于华北板块之下引起古老基底部分熔融的产物，研究区早二叠世期间构造环境为活动大陆边缘.

Abstract

This paper presents petrological,Hf isotopes, geochronological and geochemical study on the early Permian Bimodal magmatites in Duolun area, Inner Mongolia, which is tectonically located in the northern margin of North China Craton, comprising quartz monzonite and basalt. U-Pb dating of zircons from the samples by LA-ICP-MS yield weighed mean ²⁰⁶Pb /²³⁸U ages of 283±1.6 Ma and 280±2.9 Ma respectively. They have similar Hf isotopes. Hf isotopes t _DM2 was oldgenerally (from 1 760 to 2 354 Ma, merely two youngs:324 Ma and 824 Ma) and closed to these reported in ancient basement of North China Plate. The quartz monzonite and basalt exhibit SiO₂ geochemical discontinuity (50.64%~65.87%), showing typically bimodal features. They also significantly enrich K, Na, Al and deplete Ca, Mg. Besides, the quartz monzonite show significantly depletions in Ti and P compared with the basalt, showing complementary relations. This paper, combined with previous data, suggest that Bimodal magmatitesare the products of partial melting of the ancient basement of the North China Plate under the background of extension, which was caused by the upward migrating and gathering of the mantle magma formed from partial melting of mantle resulted in dewatering of subducted plate of the ancient Asian Ocean. In the early Permian, Dongdashan area is under the background of active continental margin.

关键词

双峰式岩浆岩 / 华北板块北缘 / 伸展背景 / 活动大陆边缘 / 早二叠世 / 地球化学

Key words

bimodal magmatites / Northern margin of North China Craton / extension setting / active continental margin / the early Permian / geochemistry

0 引言

中亚造山带横贯亚洲中部，是全球著名的显生宙增生造山带，也是我国重要的成矿带，一直备受地质学者的关注. 前人在与之相关的诸多科学问题上已取得了丰富的研究成果（Xiao et al.， 2003， 2009， 2015；Wu et al.， 2007， 2011；邵济安等，2014；Liu et al.， 2017；刘永江等，2019；李世超等，2020），然而，其古生代期间的构造演化问题至今仍存在极大的争议. 争议主要围绕古亚洲洋的闭合时限及位置开展. 部分学者认为，古亚洲洋早在泥盆-石炭纪期间就已沿二连-贺根山一带碰撞闭合（邵济安等，2014；徐备等， 2014，2018），整个晚古生代期间，区域上处于造山后的陆内伸展环境，局部地区甚至处于裂陷槽环境；另一些学者则认为，晚古生代期间，区域上仍处于海洋环境，华北板块北缘一带还存在着洋壳俯冲活动，古亚洲洋直至古生代末期-早中生代时期才自西向东剪刀式闭合（王玉净和樊志勇，1997；尚庆华，2004；李锦轶等， 2007；陈井胜等，2008；王挽琼等，2013；董晓杰等，2016；关庆彬等，2016；张晓飞等，2016，2018a，2018b；李世超等，2020）. 本文报道了内蒙古多伦县东大山地区早二叠世双峰式岩浆岩体，该岩体位于华北板块北缘，其形成时代正是古亚洲洋构造演化的关键时间节点——早二叠世，该时期介于上述两种观点的闭合时限之间，其大地构造属性可以为区分上述两种观点提供限定. 本次工作对多伦地区东大山岩体开展了系统的全岩地球化学、锆石U-Pb年代学和锆石Hf同位素研究，讨论了岩石的可能成因及形成构造背景，为确定研究区及中亚造山带中段早二叠世期间的构造属性提供了可靠的证据，为解决中亚造山带中段闭合时限争论提供约束.

1 地质背景及样品特征

1.1　区域地质背景及研究区地质特征

研究区位于内蒙古多伦县东部东大山地区，大地构造处于华北板块北缘（图1a）. 区内第四系覆盖严重，出露地层主要为中元古界白云鄂博群、下二叠统额里图组及下白垩统火山岩系. 区内出露侵入岩主要为早二叠世石英二长岩，其次为少量的早白垩世中细粒二长花岗岩（图1b）.

中元古界白云鄂博群呈北东向展布于研究区中东部，其北西侧被下二叠统额里图组及下白垩统火山岩系不整合覆盖，南东侧被早二叠世石英二长岩侵入、残蚀（图1b）. 岩性主要为灰色石英片岩，上部夹少量灰黑色碳质板岩；下二叠统额里图组多被剥蚀殆尽，仅在研究区中东部煤窑沟、东大山西部等地零星可见（图1b），主要为一套陆源粗碎屑沉积岩，顶部为深灰色玄武岩；下白垩统火山岩系包括满克头鄂博组、玛尼吐组及义县组，呈北东向分布在研究区北西部，多被第四系覆盖（图1b），整体为一套中酸性火山岩.

早二叠世石英二长岩主要分布在东大山一带，出露面积约8 km²，前人将其划分到古元古代，本次研究中，依据锆石定年结果将其划分到早二叠世；早白垩世二长花岗岩主要出露在工作区中南部，侵入早二叠世石英二长岩中，多呈小岩体产出，出露面积小.

1.2　样品特征

石英二长岩新鲜面呈浅灰褐色，风化面灰白色，中粒花岗结构，块状构造，主要矿物为斜长石（45%）、碱性长石（35%）、石英（17%）及少量黑云母（3%）（图2a）；斜长石呈半自形板状-他形粒状分布，均不同程度高岭土化、绢云母化，粒度0.2~1.2 mm；碱性长石呈半自形板状-他形粒状分布，均已不同程度高岭土化、绢云母化，粒度0.2~1.2 mm；石英呈他形粒状分布于长石矿物颗粒间，粒度0.2~2.0 mm（图2b）.

玄武岩新鲜面呈灰黑色，风化面浅灰绿色，斑状结构，块状构造（图2c）；斑晶主要为斜长石，呈半自形-它形，粒径多在1~3 mm之间，个别可达5~6 mm，含量约1%，基质主要为斜长石、角闪石微晶，其次为不透明矿物，斜长石普遍高岭土化、钠黝帘石化，角闪石强绿泥石化（图2d）.

2 分析方法

2.1　全岩地区化学分析

选取9件新鲜的岩石样品（石英二长岩5件，玄武岩4件）进行全岩主量元素和微量元素成分分析，由国土资源部呼和浩特矿产资源监督检测中心（内蒙古自治区矿产实验研究所）完成. 样品测试流程如下：将样品洗净、烘干、粉碎后用玛瑙钵研磨至小于200目，将粉末分为两份，分别用于主量、微量元素测试. 主量元素测试采用X射线荧光光谱法分析（XRF）完成. 具体方法为：将样品粉末与试剂（成分为LiF、Li₂B₄O₇、NH₄NO₃）混合均匀后滴入LiBr溶液，放置于熔样机中熔融，冷却后玻璃熔片完成制备. 测试分析精度和准确度均优于5%；痕量元素测试采用等离子质谱法（ICP-MS）分析完成. 具体方法为：取样品粉末置于Teflon有盖熔样弹中，加入高纯度HF、HNO₃以及HClO₄，将熔样弹置于140 ℃的电热板之上，并开盖加热至蒸干；再次加入高纯度HF、HNO₃，将熔样弹放入钢套中冷却，放入烤箱中烘烤48 h（190 ℃）；烘烤结束后，擦净熔样弹后置于电热板上开盖蒸干；再加入高纯度HNO₃，并置于电热板（140 ℃）上蒸干；再次加入1︰1 HNO₃，将熔样弹装入钢套冷却，拧紧后放入烘箱中烘烤12 h（190 ℃）；烘干结束取出熔样弹擦净后将样品倒入聚乙烯材质的塑料瓶，加水稀释至80 g定溶，同时加1 g铑作为内标. 测试使用的标样为AGV-1和BHVO-1等，分析精度和准确度均优于10%.

2.2　锆石U-Pb年代学及Hf同位素分析

锆石挑选、制靶、照相及U-Pb测年等工作在北京中科矿研检测技术有限公司完成，锆石阴极发光图像在场发射扫描电镜MIRA3上完成，锆石U-Pb定年和Lu-Hf同位素测试在激光烧蚀多接收器等离子体质谱仪（LA-MC-ICP-MS）上进行，测试时使用锆石国际标样GJ-1和Plesovice作为参考，Lu-Hf分析微区与锆石定年微区一致，具体测试方法、详细分析步骤见文献（候可军等，2007）.

3 分析结果

3.1　锆石定年及Lu-Hf同位素

根据锆石阴极发光图像（CL）和显微镜下特征，避开含有包裹体、裂隙和杂质的锆石，选取自形程度高、晶形完整、颗粒较大的锆石进行激光剥蚀测试获取U-Pb年龄数据. 本次研究中石英二长岩共选取25颗锆石进行U-Pb测年，锆石表面较光滑、洁净，主要呈自形-半自形柱状，晶型完整，大小约为100~160 μm，其长宽比大部分介于1.2~2.2之间. 锆石CL图像显示多数锆石见到震荡环带结构或生长韵律（图3），Th/U值介于0.70~3.56之间（多数为0.9~1.3之间）. 玄武岩选取了17颗锆石进行U-Pb测年，锆石多呈半自形-自行长柱状，少数呈短柱状，晶型较完整，大小约为60~190 μm，其长宽比大部分介于1.0~3.5之间；锆石CL图像显示锆石呈板片状或者浑圆状，部分锆石有震荡环带（图3），Th/U值介于0.43~1.20之间（多数为0.7左右）.

样品LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果见表1，石英二长岩锆石²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄在293~278 Ma（1σ）之间，主要集中在286~280 Ma（1σ）之间，加权平均年龄为283±1.6 Ma（MSWD=0.47），大多数锆石年龄在谐和曲线上（图4a）；玄武岩锆石²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄在313~207 Ma（1σ）之间，主要集中在281~274 Ma（1σ）之间，加权平均年龄为280.0±2.9 Ma（MSWD=0.75），大多数锆石年龄在谐和曲线上（图4b）；二者形成于同一时期，成岩时代为早二叠世.

石英二长岩的锆石¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf比值介于0.282 132~0.282 401之间，ε_Hf（t）值在-16.70~-7.27之间，单阶段模式年龄（t _DM1）和两阶段模式年龄（t _DM2）分别为1 223~1 583 Ma、1 76~2 354 Ma（表2，图5a）；玄武岩的锆石¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf比值介于0.281 911~0.283 039之间，ε_Hf（t）值在-13.89~15.23之间，主要集中在-13.89~-10.38段，正高值仅7.47和15.23两个点，单阶段模式年龄（t _DM1）和两阶段模式年龄（t _DM2）分别为307~1 498 Ma、324~2 170 Ma，集中在1 337~1 498 Ma、1 956~2 170 Ma之间，仅有324 Ma和824 Ma两个较新二阶段模式年龄（表2，图5b）.

3.2　地球化学

3.2.1　主量元素

样品主量、微量元素分析结果（表3）可以看出，石英二长岩的SiO₂=65.87%~67.17%，TiO₂=0. 33%~0.43%，Al₂O₃=15.89%~16.62%，MgO=0.63%~0.81%，CaO=1.59%~1.98%，P₂O₅=0.12%~0.15%，K₂O=4.75%~5.17%，全碱（Na₂O+K₂O）=9.47%~9.85%，A/CNK=0.98~1.04，Mg^#介于0.23~0.33之间；玄武岩的SiO₂=48.83%~50.64%，TiO₂=3.08%~3.24%，Al₂O₃=14.63%~15.81%，MgO=4.07%~5.14%，CaO=1.61%~2.08%，P₂O₅=0.85%~0.91%，K₂O=2.68%~3.44%，全碱（Na₂O+K₂O）=6.60%~7.16%，A/CNK=1.28~1.61，Mg^#介于0.37~0.44之间；石英二长岩、玄武岩SiO₂含量在50.64%~65.87%存在明显的间断，具有双峰式岩浆岩特征，都相对富K、Na、Al，亏损Ca、Mg，此外，石英二长岩还较玄武岩明显亏损Ti、P；石英二长岩锆石饱和温度为801.76~813.34 ℃，介于低温-高温花岗岩之间（吴福元等，2007a）. 在TAS侵入岩分类图中，石英二长岩样品均投在石英二长岩范围内（图6a）；Zr/TiO₂-Nb/Y图解上，玄武岩样品均位于亚碱性玄武岩范围内（图6a）.

3.2.2　微量元素

石英二长岩稀土元素总量为230.012×10^-6~321.887×10^-6，LREEs/HREEs为10.06~13.11，Eu弱负异常（δEu=0.54~0.72），轻重稀土分馏强烈（（La/Yb）_N=46.15~53.31），具有相对富集轻稀土、亏损重稀土元素的右倾型稀土元素配分特征（表3，图7a）；玄武岩稀土元素总量为165.472×10^-6~185.404×10^-6，LREEs /HREEs为6.31~6.91，Eu弱负异常（δEu=0.93~0.97，（La/Yb）_N=5.49~7.08），稀土元素配分曲线相对较为平坦，轻微右倾；石英二长岩集稀土元素含量明显更高，轻重稀土分馏强度也远大于玄武岩（表3，图7a）. 两者皆富集大离子亲石元素Cs、Rb、Ba、K 等，相对亏损高场强元素Nb、Ta、U、Hf等，Sr明显亏损.

4 讨论

4.1　形成时代

石英二长岩和玄武岩中的锆石晶型较好，呈自形-半自形，内部结构清晰，震荡环带发育，Th /U值较高，具有明显岩浆成因锆石特征，测得的年龄均投在协和线及其附近区域，具有较高可靠性，代表了岩浆的结晶年龄，二者的形成时代分别为283±1.6 Ma、280±2.9 Ma，为早二叠世晚期，与近年来在研究区西部双敖包村西下二叠统额里图组取得的锆石U-Pb年龄（271±7 Ma）接近；玄武岩样品中测得的324 Ma的Hf二阶段模式年龄，与锆石定年结果相近，推测为幔源岩浆从地幔分离的时间（吴福元等，2007b）.

4.2　岩石成因

石英二长岩主要造岩矿物为碱性长石、斜长石和石英，暗色矿物为黑云母，CIPW标准矿物计算显示，副矿物为磁铁矿、紫苏辉石等；主量元素以富Si、Al、K、Na，贫Ti、Mg、Ca、P为特征，A/CNK为0.97~1.03（<1.1），属于弱过铝质-偏铝质（小于1.1），具有I型花岗岩特征，在I型-A型花岗岩图解上，所有样品点均投影在I型花岗岩区域（图8a），重稀土强烈亏损，可能受岩浆源区影响，富集轻稀土和大离子亲石元素Rb、Ba、K等，亏损高场强元素Nb、Ta、Ti、Hf等，具有岛弧岩浆岩特征；玄武岩主要造岩矿物为斜长石、角闪石，主量元素相对富Al、K、Na、Mg等，较石英二长岩明显富集Ti、P，富集大离子亲石元素Rb、Ba、K等，亏损高场强元素Nb、Ta、Hf、Sm等， Mg^#值（0.37~0.44）较低，同样具有岛弧岩浆岩特征.

4.3　岩浆起源

石英二长岩具有较高、变化范围较大的ε_Hf（t）负值（-16.70~-7.27）及较为古老的Hf二阶段模式年龄（1 760~2 354 Ma），与研究区南、东部华北板块基底锆石U-Pb年龄相当（初航等，2012；崔玉良等，2019），表明石英二长岩原始岩浆可能来自于华北板块古老基底的部分熔融；玄武岩ε_Hf（t）值变化范

围较大（-13.89~15.23，主要集中在-13.890~-10.398之间），Hf二阶段模式年龄整体较古老（324~2 170 Ma，主要在1 956~2 170 Ma之间，仅有324 Ma、824 Ma两个年轻测点），较大的ε_Hf（t）值推测是玄武岩幔源岩浆源区Hf同位素组成，低ε_Hf（t）值应为玄武岩幔源岩浆上升过程中引起部分熔融围岩的Hf同位素组成；Nb/U=15.70~21.62，均值19.15，介于壳、幔之间， La/Yb-Sm/Yb图解中样品全位于尖晶石二辉橄榄岩稳定区（图8b），表明基性端元岩浆可能起源于上地幔，在上升过程中引起华北板块古老基底部分熔融且与生成岩浆发生混合作用，最终的成岩岩浆中壳源比重大.

石英二长岩及玄武岩SiO₂含量存在50.64%~65.87%范围内的明显间断，具有双峰式岩浆岩特征，Ti和P在石英二长岩中强烈亏损，在玄武岩中相对富集，相反的，Hf、Sm在玄武岩中相对亏损，在石英二长岩中相对富集，具有明显的互补性，表明二者可能形成于同源岩浆的分离结晶作用或是伸展环境下相同岩浆源区的部分熔融作用；在Harker图解上，石英二长岩及玄武岩TiO₂、FeO、MgO与SiO₂整体呈明显的负相关，局部变异趋势又截然不同（图9），表明二者并非同源浆演化形成，但岩浆起源存在较为密切的联系；研究区内玄武岩分布范围远不如石英二长岩广泛，且锆石U-Pb定年也偏新，石英二长岩的Hf同位素组成全部来自华北板块古老基底，玄武岩的Hf同位素组成虽也主要来自华北板块古老基底，但个别测点具有明显的幔源特征，玄武岩中FeO、MgO等矿物随着SiO₂降低而快速增高可能正是幔源岩浆加入所致；因此，本文认为东大山地区双峰式岩浆岩应形成于伸展环境下相同岩浆源区的部分熔融作用，而非同源岩浆的分离结晶作用，在部分熔融过程中，富Ti、P的金红石、磷灰石等矿物残留在岩浆源区，富Hf、Sm的矿物可能优先进入熔体中，石英二长岩岩浆形成于部分熔融早期，不含幔源组分，幔源岩浆继续加热残留有富含Ti、P等元素的金红石、磷灰石等矿物的岩浆源区，并与形成的岩浆发生混合作用，最终形成壳源比重较大的玄武岩岩浆.

4.4　构造背景

在微量元素w（Y+Nb）-w（Rb）构造环境判别图上，石英二长岩样品均落在火山弧花岗岩分布区靠近板内花岗岩一侧（图10a）；Th-Ta协变判别图解中，玄武岩样品部分投在活动大陆边缘玄武岩区域内，部分投在活动大陆边缘弧玄武岩与板内玄武岩之间，皆位于过渡性玄武岩范围内（图10b），与研究区西部内蒙古武川县西北地区、内蒙古温都尔庙南-铁沙盖地区、内蒙古镶黄旗哈达庙地区及东部内蒙古赤峰市刘家营子地区发现的同时期活动大陆边缘I型花岗岩，西部达茂地区、商都县西井子镇，东部赤峰市朝阳地、翁牛特旗，北部苏尼特左旗、锡林浩特、林西等地出露的同时期火山岩（吕志成等，2002；袁桂邦和王惠初，2006；陈井胜，2008；郝百武和蒋杰，2010；程天赦等，2013；王挽琼等，2013；曹代勇等，2014；刘军等，2014；梅可辰等，2015；董晓杰等，2016；关庆彬等，2016；彭斌等，2016；童英等，2016；张晓飞等，2016；王月古，2018）形成背景相似；石英二长岩锆石饱和温度范围介于低温-高温花岗岩之间，低温花岗岩更可能反映俯冲有关的构造环境，高温花岗岩可能反映的是软流圈上涌环境（吴福元等，2007a），可能反映了古亚洲洋俯冲作用下，华北板块局部处于伸展环境.

研究区位于中亚造山带与华北板块的交接带上北缘，其早二叠世期间的构造属性至今仍没有统一的认识，目前主要存在两种观点：一种观点认为其当时应处于造山后的伸展环境（邵济安等，2014；徐备等， 2014，2018），另一种观点则认为其当时仍处于古亚洲洋的俯冲作用下，属于活动大陆边缘环境（李锦轶等，2007；王挽琼等，2013；彭斌等，2016；董晓杰等，2016；张晓飞等，2016，2018a， 2018b；李世超等，2020）. 本次研究结果表明，东大山地区早二叠世石英二长岩、玄武岩空间上紧密共生，地球化学、Hf同位素组成等较为特殊，既含有伸展环境岩浆岩特征，又具有岛弧岩浆岩特性，形成背景较为复杂. 观点一与东大山地区石英二长岩、玄武岩的双峰式特征较为吻合，在此前提下，石英二长岩的岛弧特征只能继承自岩浆源区，即研究区在早二叠世之前曾处于岛弧环境，应是造山带新生陆壳的组成部分，然而本次分析测试结果显示，东大山地区早二叠世石英二长岩Hf同位素组成全部来自华北板块古老基底，并不含有新生陆壳Hf同位素组成，因此研究区早二叠世期间不太可能处于造山后的伸展环境. 前人研究成果显示与俯冲有关的活动大陆边缘、弧后盆地等地区也是可以存在伸展环境的（张晓飞等，2018a， 2018b）；东大山地区石英二长岩锆石饱和温度也正好反映了一种俯冲作用下的伸展背景. 夏炎等（2016）、朱日祥和徐义刚（2019）对古太平洋板块向华北板块之下的俯冲演化过程与我国东部沿海岩浆作用的研究进展对合理研究、解释东大山地区双峰式岩浆岩的岩石成因及大地构造背景具有很好的启示作用. 古亚洲洋向华北板块俯冲过

程中，板片脱水引起地幔楔部分熔融，随着俯冲角度的逐渐增大、俯冲板块的回撤，俯冲带上部应力环境逐渐转变为张性，华北板块北缘处于伸展环境，板片脱水形成的流体、地幔楔部分熔融形成的岩浆不断向上运移、汇聚至华北板块之下引起古老基底部分熔融，石英二长岩岩浆形成于部分熔融早期，不含幔源组分；幔源岩浆继续加热残留有富含Ti、P等元素的金红石、磷灰石等矿物的岩浆源区，并与形成的岩浆发生混合作用，最终形成壳源比重较大的玄武岩岩浆（图11）.

5 结论

（1）锆石U-Pb测年结果表明，东大山地区石英二长岩、玄武岩的锆石U-Pb年龄分别为283±1.6 Ma、280±2.9 Ma，形成时代为早二叠世；

（2）全岩地球化学、锆石Hf同位素特征表明，东大山地区石英二长岩、玄武岩具有双峰式岩浆岩特征，可能是板块俯冲、后撤引起的伸展背景下，古亚洲洋俯冲板片脱水引起上地幔部分熔融形成的幔源岩浆向上运移、汇聚至华北板块之下引起古老基底部分熔融的产物；石英二长岩岩浆形成于部分熔融作用早期，不含幔源组分；玄武岩岩浆是幔源岩浆持续加热残留有磷灰石、金红石等矿物的石英二长岩岩浆源区，并与形成的岩浆发生混合作用形成的.

（3）早二叠世期间，研究区仍遭受到古亚洲洋的持续俯冲作用，华北板块北缘广大地区仍处于活动大陆边缘环境.

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基金资助

国家自然科学基金(41872234;41872194)

内蒙古自治区地质勘查基金项目(NMKD2015-35)

中国核工业地质局项目(202101;202203-4;202204-1)