北山造山带东部微波山早志留世S型花岗岩成因及构造背景

Genesis and tectonic setting of Early Silurian S-type granite in the Weiboshan area of the eastern Beishan orogenic belt

摘要

为研究北山造山带东部微波山地区的大地构造背景，选取在该地区广泛发育的花岗岩为研究对象，通过野外地质工作、锆石U-Pb年代学、岩石学及地球化学等研究方法，深入剖析了微波山花岗岩的形成时代、类型、成因及构造背景。锆石年龄为(440.80±0.19) Ma和(155.05±0.37) Ma，表明该岩体形成于早志留世，并在侏罗世形成复式岩体。岩石学特征定名本次样品为二长花岗岩，地球化学特征显示成因类型为S型花岗岩，稀土配分曲线与微量元素蛛网图为右倾型，显示岛弧岩浆岩特征。根据Yb、Y、Sr、Al₂O₃的含量特征确定其中两个样品为埃达克岩，建立微波山构造-岩浆演化模型，早志留世小黄山洋盆向北俯冲，幔源岩浆底侵，长英质岩浆移出形成岛弧岩浆岩。

Abstract

To study the tectonic background of the Weiboshan area in the eastern part of the Beishan orogenic belt, granite, which is widely developed in this area, was selected as the research object. Through field geological work, zircon U-Pb geochronology, petrology, and geochemistry, the formation age, type, petrogenesis, and tectonic background of the Weiboshan granite were deeply analyzed. The zircon ages are (440.8±0.19) Ma and (155.05±0.37) Ma, indicating that the Weiboshan granite was formed in the Early Silurian and formed a composite granite body in the Jurassic. The samples are named monzonitic granite based on petrological characteristics; geochemical characteristics demonstrate that the genetic type is S-type granite. The rare earth distribution curve and trace element spider diagram are right-leaning, showing the characteristics of island arc magmatic rocks. According to the content characteristics of Yb, Y, Sr and Al₂O₃, it is determined that two of the samples are adakite. The tectonic-magmatic evolution model of Weiboshan is established: the Xiaohuangshan oceanic basin subducted northward in the Early Silurian, the mantle-derived magma intruded, and the felsic magma moved out to form island arc magmatic rocks.

Graphical abstract

关键词

北山造山带 / 早志留世 / S型花岗岩 / 埃达克岩

Key words

Beishan orogenic belt / Early Silurian / S-type granite / adakite

北山造山带地处中亚造山带南缘中段，为哈萨克斯坦板块、塔里木板块与华北板块的交汇地^[1]，该区凭借多阶段复杂的板块裂解-俯冲-碰撞-拼合演化过程^[2]，成为近年来地质研究的热点地区。北山地质工作多集中在中部附近，微波山位于北山东部，属旱山地块，向南紧邻小黄山蛇绿岩带。该区可能为中天山隆起带的东延地块^[3]，具体构造环境未有定论，且区内出露大量花岗岩，但其岩石地球化学属性、时代划分尚不明确，所以对该区域地体进行研究是非常必要的。本文在微波山地区采集有代表性的二长花岗岩进行岩石地球化学与锆石U-Pb年代学分析，研究其岩石成因、岩浆源区及构造背景，这对北山地区东部洋盆演化及大地构造环境的认识具有重要意义。

1 研究区概况与样品采集

研究区位于北山造山带东部，地理位置处于新-甘-蒙交界地带^[1]。左国朝^[3]认为该区可能是中天山隆起带经明水、石板井、旱山一线东延而来(图1(a)^[4])。区内出露的地层主要有下元古界北山岩群、中生界及新生界地层。侵入岩以中细粒二长花岗岩和斑状中粗粒正长花岗岩为主，时代为早志留世，呈岩株状产出，走向近东西，与区域构造线方向一致(图1(b))。

对微波山一带出露的酸性侵入岩实测剖面一条（图1(b)；PM016），在该剖面中采集到8个样品。样品显微特征显示主要有石英、黑云母、白云母、斜长石、钾长石、碳酸盐矿物等，副矿物有锆石、磷灰石、石榴子石等（图2）。同时在研究区内采集新鲜、无蚀变花岗岩样品(TK15-12)进行U-Pb年代学测试，采样点位置：东经99°38′44.93″，北纬41°42′25.2″。

2 测试方法

样品的主量、微量（痕量）、稀土等元素的测试工序在中国冶金地质总局一局测试中心首钢地质勘查院地质研究所完成。测试所采用方法如下：用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定样品中主、痕量元素及氧化钾与氧化钠；用电感藕合等离子体质谱法测定稀土元素含量；采用X射线荧光光谱法进行16个主次成分量测定，滴定法测定氧化亚铁含量，硫酸亚铁铵还原-硅钼蓝分光光度法测定铁矿石与硅含量，三氯化钛还原法测定全铁(TFe₂O₃)含量。

采用锆石U-Pb测年法进行年龄测定。锆石挑选由首钢地质勘查院完成。制靶过程如下：粉碎、淘洗、分选，挑出优质锆石颗粒固定于环氧树脂上，打磨、抛光至锆石颗粒表面完全出露，制成样靶。锆石样品的同位素分析工序由天津地质矿产研究所完成，具体内容：锆石内部结构利用阴极发光成像及反、透射光显微镜成像；锆石U-Pb同位素分析由LA-MC-ICP仪器完成；锆石剥蚀采用193 nm激光器，其束斑直径为35 μm。同位素分馏校正标准为GJ-1^[5]。Pb、U、Th含量的外标为NIST SRM 610玻璃标样^[6]。数据计算由软件ICPMS DataCal完成^[7]，年龄谐和图及加权平均值由IsoplotR程序完成^[8]。

3 分析结果

3.1 全岩地球化学特征

微波山一带早志留世二长花岗岩主量、微量及稀土元素数据见表1。在Q-A-P分类图解中(图3(a)^[9])，投点主要落入二长花岗岩-正长花岗岩界线附近，样品地球化学特征与史长义等^[10]测得中国二长花岗岩、天山-兴安造山系二长花岗岩、中国早古生代二长花岗岩的基本一致，结合岩石学特征综合定名为二长花岗岩。在TAS图解(图3(b)^[11])中，所有数据点均位于亚碱性系列区域。在SiO₂-K₂O图解(图3(c)^[12])中，岩石样品投入高钾钙碱性系列区域及边界线附近。铝饱和指数A/CNK=0.89~1.03，在A/NK-A/CNK图解(图3(d)^[13])上，主要显示为准铝质，少量为弱过铝质。

二长花岗岩样品的∑REE=57.44~277.03 μg/g，LREE/HREE平均值为11.24；原始地幔标准化(La/Yb)_N平均值为19.23 μg/g；轻、重稀土分馏程度较好，呈右倾型(图4(a)^[14])，δEu=0.55~1.31（平均值为0.82）。

在微量元素蛛网图(图4(b)^[14])上显示Nb、Ta、Ti的负异常及Pb正异常，相对富集大离子亲石元素Rb、Th等。

3.2 锆石U-Pb年代学

在TK15-12中测得28个有效点，Th/U比值显示为岩浆锆石的特征（表2）。其中10个测点年龄集中，²⁰⁶Pb/²³⁸U加权平均年龄为(440.80±0.19) Ma (图5^[8])，为早志留世。另有4个锆石测点年龄也相对集中，显示²⁰⁶Pb/²³⁸U加权平均年龄为(155.05±0.37) Ma。

4 讨论

4.1 成岩时代

本次在微波山获得二长花岗岩锆石U-Pb年龄为(440.80±0.19) Ma，与微波山附近的碱性花岗岩体年龄(430.00±1.50) Ma基本一致^[15]。孟庆涛^[4]、董洪凯等^[16]获得该区域的侵入岩年龄为早志留世，且在研究区附近的小黑山区域同样获得早志留世侵入岩^[17]。综合以上年代学研究结果将微波山二长花岗岩的形成时代划分为早志留世。

年龄测试结果中有一组明显不同((155.05±0.37) Ma)，可能代表了后期岩浆热事件的时限。胡二红等^[15]在微波山附近发现复式岩体，并获得锆石U-Pb年龄为(100±12) Ma，这与本次获得的侏罗世年龄结果相近，揭示本次所采集的测试样品可能为复式岩体。这为研究北山地区东部侵入岩岩浆演化时限及空间共生提供了重要依托。

4.2 岩石成因与源区

微波山二长花岗岩样品10 000 Ga/Al值均小于2.6，不符合A型花岗岩判别标准(10 000 Ga/Al>2.6^[18])。在研究区内并未发现与其共生的蛇绿岩或基性岩，所以也并非是幔源物质演化形成的M型花岗岩。在Y-10 000 Ga/Al图解(图6^[18])中，投点落入I＆S型花岗岩区域及边缘线上，I型花岗岩以角闪石为特征矿物，但角闪石在样品中并未出现，矿物组成中有黑云母、白云母、石榴子石和堇青石等S型花岗岩的特征矿物出现（图2），故认为微波山二长花岗岩为S型花岗岩。

样品Nb/Ta(9.07~16.01)平均值为12.69，与Rudnick等^[19]所得地壳平均值一致，而不同于地幔均值(17.5)；Sm/Nd(0.18~0.22)平均值为0.19，在陆壳均值范围内^[20]；样品Sr含量(158.3~502.9 μg/g)均值为322.3 μg/g，与陆壳Sr含量平均值(325 μg/g)基本一致。样品低Nb、Ta、Ti含量，也是地壳岩石或其部分熔融的特征体现。所以微波山二长花岗岩源岩为循环地壳物质熔融，也符合S型花岗岩的物源特征^[21]。形成S型花岗岩的地壳物质以变泥质岩与变杂砂岩为主^[22]，由于主量元素CaO和Na₂O在二者中含量差异显著，故CaO/Na₂O值可作为有力的判别标准。有学者研究^[23]认为CaO/Na₂O>0.3代表花岗岩是由变质杂砂岩部分熔融而来，<0.3则为泥质岩石。本次样品CaO/Na₂O(0.40~0.99)平均值为0.64，在A/FM-C/FM(图7^[24])投图中，样品全部落入变质杂砂岩区域。

哈克图解(图8)中各主量元素随SiO₂含量增加呈现良好的负相关性，指示分离结晶过程。Ti的亏损与钛铁矿的分离结晶有关；Eu的弱负异常可能由斜长石的分离结晶所致，仅样品P16H12-1的δEu=1.31显示正异常，是由斜长石局部堆晶成因作用导致。DI=72~88，表明岩浆发生分异。综上分析，微波山二长花岗岩原岩是由壳源变质杂砂岩部分熔融形成的，局部发生斜长石堆晶。

在(La/Yb)_N-Yb_N图解(图9(a)^[25])及Sr/Y-Y图解(图9(b)^[25])中，样品投点于埃达克岩及经典岛弧岩石区域。埃达克岩不同于以往的岩石命名，是指具有一定地球化学特征的中酸性岩石。埃达克岩以w(SiO₂)≥56%，w(Al₂O₃)≥15%（很少低于该值），Sr>400 μg/g，Yb<1.9 μg/g，Y<18 μg/g等岩石地球化学含量为判别标准^[25]。本次花岗岩样品中P16H14-1和P16H18-1符合以上埃达克岩地球化学特征，其余样品均显示典型岛弧岩浆岩特征。

4.3 构造环境

本次获得侵入岩年龄为(440.80±0.19) Ma，指示微波山地区在早志留世发生了大规模的岩浆活动。微波山向南紧邻石板井-小黄山蛇绿岩带，孟庆涛^[4]通过研究石板井-小黄山构造带中的侵入岩，指出该区域为弧后扩张环境。在小黄山获得的寒武纪SSZ型蛇绿岩^[26]代表了洋盆的形成时间，宋泰忠等^[27]也认为小黄山蛇绿岩套形成于扩张环境中。

红柳河-牛圈子-洗肠井蛇绿岩带作为古亚洲洋南部的一个分支，随着古亚洲洋剪刀式闭合而不断被南北两侧地块挤压吞没，这也是小黄山蛇绿岩套得以形成的原因。随着古亚洲洋闭合加剧，小黄山所代表的弧后伸展洋盆开始向北部微波山地区俯冲闭合。本次样品在Nb-Y图解(图10(a)^[28])、Rb-(Yb+Ta)图解(图10(b)^[28])和Hf-3Ta-Rb/30图解(图10(c)^[29])中均投入火山弧花岗岩区域，而A/CNK指数也显示火山弧花岗岩特征^[13]。Hf-3Ta-Rb/10图解(图10(d)^[28])显示样点落入碰撞大地构造背景上的花岗岩及附近区域。

综合图解信息与已有研究基础，总结如下演化模式：北山中部古亚洲洋分支于寒武世开启北向俯冲，形成公婆泉-东七一山岛弧带与石板井-小黄山弧后扩张小洋盆，小黄山蛇绿岩套所代表洋盆于早志留世向北部微波山地块俯冲，幔源岩浆底侵导致地壳逐渐加厚，下地壳物质部分熔融为长英质岩浆并移出，形成典型岛弧岩浆岩。

5 结论

1) 微波山二长花岗岩锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄为(440.80±0.19) Ma和(155.05±0.37) Ma，前者表明该岩体形成于早志留世，后者指示在侏罗世参与了一定程度的岩浆热事件，形成复式岩体。

2) 微波山二长花岗岩显示为钙碱性，亏损Nb、Ta、Ti，富集Pb、Rb、Th等，稀土元素配分曲线右倾，显示岛弧岩浆岩特征。

3) 由岩石学及地球化学特征确定研究区二长花岗岩成因类型为S型花岗岩，其岩浆源于下地壳变质杂砂岩的部分熔融，侵位过程中发生分离结晶作用，由此形成微波山二长花岗岩体。

4) 样品中出现了埃达克岩质岩石，结合区构造域演化特征，判定微波山地区早志留世为地壳加厚区。

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基金资助

国家自然科学基金项目(41673039)

内蒙古自治区自然科学基金项目(2020LH04001)

内蒙古工业大学科学研究项目(ZZ201911)