内蒙古科右前旗树木沟地区黑云母二长花岗岩特征及构造意义

Characteristics and Tectonic Significance of Biotite Adamellite in Shumugou, Keyouqianqi, Inner Mongolia

摘要: 科右前旗树木沟所处大地构造位置为天山–兴蒙造山系之大兴安岭弧盆系，三级构造单元是锡林浩特岩浆弧。本论文在详细野外调查基础上，对岩石学、岩石地球化学和年代学特征进行分析，对研究区侵入岩的成因进行了探讨，认为黑云母二长花岗岩的锆石U-Pb年龄为222 ± 2.5 Ma，形成于中三叠世印支期，且具有相对富钾，过铝质的特点，属于过铝质的高钾钙碱性岩石系列。黑云母二长花岗岩岩石类型为I型，分异程度较低，为印支期造山后–后碰撞的伸展构造环境下所形成的产物。

Abstract: The tectonic position of Shumugou, Keyouqianqi is located in the Daxing’anling arc-basin system of Tianshan-Xingmeng orogenic system, and the third-order tectonic unit is Xilinhaote magmatic arc. Based on the detailed field investigation, this paper studies the petrology, rock geochemical characteristics and chronological characteristics. We discuss the origin of the intrusive rocks. The zircon U-Pb age of biotite adamellite is 222 ± 2.5 Ma, which is the product of Middle Triassic magmatism and is characterized by relatively rich potassium and peraluminous. It belongs to peraluminous high potassium calc-alkaline rock series. The biotite adamellite is the type of I, and with a low degree of differentiation, which is the product of post-orogenic-post-collision (relaxation) extensional tectonic setting.

1. 引言

科右前旗树木沟大地构造位置为天山–兴蒙造山系的大兴安岭弧盆系，三级构造单元是锡林浩特岩浆弧。前人对兴蒙造山带中岩浆岩开展了部分研究，认为林西地区的黑云母二长花岗岩具铝质Ａ花岗岩特征，可能形成于中二叠世弧陆碰撞后伸展的环境中 [1]；乌拉特中旗石哈河地区分布的黑云母二长花岗岩具有钙碱性偏铝质弱过铝质I型花岗岩特征，可能形成于早二叠世晚期的活动大陆边缘环境中 [2]；四子王旗地区二长花岗岩具S型或A型特征，可能形成于中、晚三叠纪造山后伸展作用和岩石圈拆沉过程中 [3]，因此对兴蒙造山带构造演化还没有统一认识。本次工作在树木沟西北部发现了三叠纪的黑云母二长花岗岩，结合地质调查成果，本文着重对其开展了岩石学、岩石地球化学及年代学的研究，探讨了其形成的时代、成因及所处的构造背景，取得了一系列成果，以期为兴蒙造山带侵入岩的研究工作提供新的基础资料。

2. 地质特征

三叠纪侵入岩出露面积不大，分布于树木沟幅北部648.5高地，呈岩株状展布，岩性为黑云母二长花岗岩，长轴约400 m，纵轴150~250 m。长轴呈NE向展布，北侧侵入大石寨组地层，局部呈断层接触，断层破碎带具有多次错动特征，破碎带宽十余米，角砾直径大小约2~5 cm，磨圆度差，见少量断层泥；南部与林西组地层呈断层接触，部分林西组岩石可见热接触变质特征，发育有黄铁矿化，岩性为空晶堇青变质碳质泥岩。本次工作测制剖面PM14 (图1)。

3. 岩石学特征

黑云母二长花岗岩：岩石新鲜面呈红褐色，细粒花岗结构，块状构造。岩石成分主要由钾长石、斜长石和石英等组成，粒径一般0.15~1.75 mm。岩石经受弱绢云母化、弱泥化。

Figure 1. Measured section of biotite monzogranite in shumugou

图1. 树木沟黑云母二长花岗岩实测剖面

镜下特征观察：钾长石，主要为正长石、条纹长石，较弱泥化、零星绢云母化。土褐色，半自形为主，少量它形，板条状，一级灰干涉色。斜长石，弱绢云母化，淡褐色，半自形，板条状，一级灰干涉色，聚片双晶。石英，表面干净，它形，粒状，一级灰干涉色。成分含量：石英25%~30%；钾长石30%~35%；斜长石30%~40%；黑云母10%。

副矿物类型(图2)：由锆石、磷灰石、黄铁矿、金红石、白铅矿、方铅矿、白钛石、榍石、赤褐铁矿、绿帘石、金属球粒、磁铁矿组成。锆石，主要粉黄色，微铁染，自半自形双锥柱状、破碎块状，可见晶内裂纹，晶锥稍显钝化，可见部分凹坑溶蚀痕迹，本样品中锆石的颜色单一，晶群较集中，说明其改造程度比较相近，是同源产物。

Figure 2. Types and contents of accessory minerals in biotite monzogranite in shumugou (unit: mg)

图2. 树木沟黑云母二长花岗岩副矿物类型及含量(单位：mg)

4. 岩石地球化学特征

黑云母二长花岗岩的QAP分类图解显示，其主要落在二长花岗岩区域(图3(a))，在TAS图解上投在石英二长岩和花岗岩区域(图3(b))。黑云母二长花岗岩SiO₂含量变化较小，介于68.46%~70.38%之间，全碱含量K₂O + Na₂O介于9.02%~9.39%，K₂O/Na₂O介于0.90~1.54，多数样品显示岩体相对富钾。样品Al₂O₃含量介于15.74%~16.26%，Fe₂O₃含量介于1.20%~2.32%，FeO含量介于0.62%~1.68%，CaO含量介于0.25%~1.63%，MgO含量介于0.60%~0.80%。里特曼指数δ [4] 变化介于3.09~3.40，为钙碱性岩石。在SiO₂-K₂O图解上，多数落入钾玄岩–高钾钙碱性岩石区域(图3(d))；在A/CNK-A/NK图解上，铝饱和指数介于1.02%~1.27%，显示具有过铝质的特点(图3(c))。综上所述，岩体应属于过铝质的高钾钙碱性岩石系列 [5]。

Figure 3. QAP diagram (a), TAS diagram (b) of biotite monzogranite, A/NK-A/CNK diagram (c), K₂O-SiO₂ diagram (d)

图3. 黑云母二长花岗岩QAP图解(a)，TAS图解(b)，A/NK-A/CNK关系图(c)，K₂O-SiO₂关系图(d)

测试样品稀土元素总量含量介于180.99 × 10⁻⁶~240.13 × 10⁻⁶，轻稀土(LREE)含量介于163.55 × 10⁻⁶~226.55 × 10⁻⁶，重稀土(HREE)含量介于11.96 ×10⁻⁶~21.67 × 10⁻⁶，LREE/HREE介于9.38~16.68。球粒陨石标准化配分图解中，曲线明显呈右倾，轻重稀土的分异明显(图4(a))，(La/Yb)_N介于10.45~27.93，(Gd/Yb)_N介于1.60~2.64。样品中Eu/Eu*介于0.74~0.81，显示较弱的负Eu异常。微量元素显示大离子亲石元素(Rb、K)富集，高场强元素(Nb、Zr)相对较亏损，在原始地幔标准化蛛网图上(图4(b))，原始地幔标准化蛛网图具Rb、Th、K、La正异常， Ba、Ta、Nb、Sr、Ti、P负异常特征，曲线总体呈较平缓右倾。

Figure 4. (a) Normalized REE chondrite distribution of biotite monzogranite; (b) Normalized spider web map of trace element primitive mantle

图4. (a) 黑云母二长花岗岩稀土元素球粒陨石标准化配分图；(b) 微量元素原始地幔标准化蛛网图

5. 年代学特征

黑云母二长花岗岩进行了21个点的定年分析，其锆石阴极发光(CL)图像见图5。所测锆石Th和U含量分别为(30~227) × 10⁻⁶和(55~253) × 10⁻⁶，Th/U比值为0.52~1.02，一致于岩浆成因锆石的Th/U比值 [6]。在锆石U-Pb谐和图上(图6)，数据点均落在谐和线上，说明锆石形成后处在较封闭的环境。单颗粒锆石²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄介于216~230 Ma，其加权平均年龄为222 ± 2.5 Ma (MSWD = 0.26)，其中PM14b34-9年龄为230 ± 11 Ma、PM14b34-12年龄为222 ± 4 Ma、PM14b34-18年龄为224 ± 7 Ma，的和谐度达到90%，其余样品未达到90%，但与三个样品年龄接近，具有可信度，故参与年龄计算。该年龄表明岩体形成于中三叠世。

Figure 5. CL image of zircon from biotite monzogranite

图5. 黑云母二长花岗岩锆石CL图像

Figure 6. Zircon U-Pb ages concordance of biotite monzogranite

图6. 黑云母二长花岗岩锆石U-Pb年龄谐和图

6. 岩石类型及构造环境

6.1. 岩石类型

在10,000 × Ga/Al对K₂O + Na₂O主量元素的图解中(图7(a))，黑云母二长花岗岩落入A型花岗岩区域。在10,000 × Ga/Al对TFeO/MgO主量元素的图解中(图7(b))，其落入I&S型花岗岩区域。根据Whalen等 [7] 给出的A型花岗岩地球化学特征建议值，TFeO/MgO大多数小于10，黑云母二长花岗岩TFeO/MgO小于10。10,000 × Ga/Al为2.10~2.32，低于标准值2.60。黑云母二长花岗岩Zr + Nb + Ce + Y介于144.10~197.20 × 10⁻⁶，低于350 × 10⁻⁶，岩石不具有A型花岗岩特征 [8] [9]。在10,000 × Ga/Al对Nb和Y (Agpaitic Index)图解上(图7(c)、图7(d))，岩石样品都落入I&S型花岗岩范围内。在Zr + Nb + Ce + Y对TFeO/MgO图解中(图7(e))，岩石样品大部分落入分异的I型花岗岩和未分异的I型花岗岩区间。

锆石饱和温度范围为650.94℃~721.20℃，低于800℃。黑云母二长花岗岩的锆石饱和温度平均值为702.3℃ (表1)，低于I型花岗岩形成的均值温度(764℃) [10]，也低于隋振民等统计的大兴安岭地区I型花岗岩锆石饱和温度均值(769℃)，显著区别于其统计的大兴安岭地区A型花岗岩的形成温度均值(897℃) [11]。

Table 1. Calculation results of zircon saturation temperature of biotite monzogranite

表1. 黑云母二长花岗岩锆石饱和温度计算结果

6.2. 构造环境

本区黑云母二长花岗岩为过铝质–高钾钙碱性系列岩石，成因类型为I型。Liegeois等(1998)认为高钾钙碱性岩石岩浆源区与早期俯冲作用有关，是同碰撞岩石圈加厚后的伸展垮塌向非造山板内的过渡阶段的产物。在R1-R2图解中(图8(a))，样品均落入造山晚期区域附近。在SiO₂-TFeO/TFeO + MgO构造判别图解 [12] [13] 中(图8(b))，岩体基本落入POG附近，主要为后造山花岗岩类。在Rb/10-Hf-3Ta构造判别图解(图9(a))中，样品落于碰撞大地构造背景花岗岩，Rb/30-Hf-3Ta构造判别图解(图9(b))则显示出该岩体具有同碰撞向后碰撞过渡的特点，在(Y + Nb)-Rb图解和(Yb + Ta)-Rb构造判别图(图9(c)、图9(d))中，样品主要属于岛弧花岗岩。微量元素判别图解与主量元素判断的结果，共同反映了当时大兴安岭地区处于伸展构造环境 [14]。普遍认为东北地区在古生代期间，经历了古亚洲洋构造体系的演化，数个微陆块拼合以及中生代早期的古亚洲洋的最终闭合 [15] [16]，中生代以后则受到了环太平洋构造体系的叠加，又遭受了蒙古–鄂霍茨克构造体系的改造 [17] [18]。综合以上分析研究认为，区内黑云母二长花岗岩系印支期造山后–后碰撞(松弛)的伸展构造环境形成的产物。

Figure 7. 10,000 × Ga/Al and K₂O + Na₂O diagram (a), FeOT/MgO (b), Y (c), Nb (d) diagram, Zr + Nb + Ce + Y and TFeO/MgO diagram of biotite monzogranite

图7. 黑云母二长花岗岩10,000 × Ga/Al对K₂O + Na₂O (a)，FeOT/MgO (b)，Y (c)，Nb (d)图解，以及Zr + Nb + Ce + Y对TFeO/MgO图解

Figure 8. R1-R2 discriminant diagram of biotite monzonitic granite (a), diagram for distinguishing tectonic environment of major elements (b)

图8. 黑云母二长花岗岩岩体R1-R2判别图解(a)，主量元素构造环境判别图解(b)

Figure 9. Rb/10-Hf-3Ta diagram (a), Rb/30-Hf-3Ta diagram (b), (Y + Nb)-Rb Structural discrimination diagram (c), (Yb + Ta)-Rb Structural discrimination diagram (d)

图9. Rb/10-Hf-3Ta图解(a)和Rb/30-Hf-3Ta图解(b)，(Y + Nb)-Rb构造判别图(c)，(Yb + Ta)-Rb构造判别图(d)

7. 结论

1) 科右前旗树木沟黑云母二长花岗岩相对富钾，显示具有过铝质的特点，属于过铝质高钾钙碱性岩石系列。轻重稀土分异明显，总体显示较弱负Eu异常；微量元素显示富集大离子亲石元素Rb、K，相对亏损高场强元素Nb、Zr，曲线总体呈较平缓右倾。

2) 通过LA-ICP-MS锆石U-Pb测年，年龄为222 ± 2.5 Ma，代表科右前旗黑云母二长花岗岩的侵入年龄，是中三叠世岩浆活动的产物。

3) 综合分析确定黑云母二长花岗岩岩石类型为I型，显著区别于大兴安岭地区A型花岗岩的形成温度平均值，且分异程度较低；通过构造环境判别图解分析，认为黑云母二长花岗岩为印支期造山后–后碰撞的伸展构造环境下所形成的产物，反映了当时大兴安岭地区处于伸展构造环境。

地调项目

中国地质调查局项目(编号12120115041901)。

参考文献