范志偉

(首鋼地質(zhì)勘查院地質(zhì)研究所，北京 100144)

內(nèi)蒙古額濟(jì)納旗北山巖群中石英巖巖組形成時代
——LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年的證據(jù)

范志偉

(首鋼地質(zhì)勘查院地質(zhì)研究所，北京 100144)

文章通過對北山巖群石英巖巖組地質(zhì)剖面及巖相學(xué)分析，認(rèn)為石英巖巖組至少經(jīng)歷了5次從(長石)石英雜砂巖→石英砂巖的沉積旋回；石英巖組中礦物組合為石英+黑云母+白云母±角閃石，具高綠片巖相—低角閃巖相的區(qū)域變質(zhì)作用特征。對北山巖群石英巖巖組中石英巖進(jìn)行LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年，其樣品中碎屑鋯石CL圖像顯示鋯石顆粒具有核幔結(jié)構(gòu)，核部鋯石多具有巖漿環(huán)帶，w(Th)/w(U)比值絕大多數(shù)大于0.1，說明石英巖巖組物源區(qū)巖石主要為巖漿巖。北山巖群石英巖組中最小年齡為1 301 Ma，限定了區(qū)內(nèi)北山巖群形成于中元古代；最大年齡值為2 769 Ma，落入新太古代時期的有三組年齡數(shù)據(jù)，說明區(qū)內(nèi)可能存在太古宙陸殼。

北山巖群；沉積旋回；LA-ICP-MS；鋯石U-Pb測年；中元古代；內(nèi)蒙古

0 引言

北山巖群分布在內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟額濟(jì)納旗的北山地區(qū)，其地理位置為新疆最東部、甘肅西北部和內(nèi)蒙古最西部；大地構(gòu)造位置處于西伯利亞、哈薩克斯坦和塔里木三大板塊交匯部位[1-5]。區(qū)內(nèi)的地質(zhì)研究程度較低，尤其對于變質(zhì)巖的研究。上世紀(jì)60年代初開展的1∶100萬地質(zhì)調(diào)查中，將區(qū)內(nèi)具有次生透入性面理的巖石地層統(tǒng)歸于古元古界，統(tǒng)稱北山巖群；70年代開展的1∶20萬地質(zhì)調(diào)查中，按照巖石組合以及變質(zhì)變形特征將北山巖群解體為晚奧陶世白云山組、早志留世勒巴泉群、早石炭世綠條山組和白山組等。然而，對這些變質(zhì)巖的時代歸屬問題一直是前人研究的薄弱環(huán)節(jié)，多數(shù)人均通過地層對比和全巖Sm-Nd同位素等時線年齡來確定區(qū)內(nèi)變質(zhì)巖的時代歸屬。左國朝[1]為了澄清“北山雜巖”的時代歸屬問題，通過“古陸臺比較大地構(gòu)造學(xué)”的一般原則綜合對比分析認(rèn)為“北山雜巖”是由不同時代的沉積巖和花崗-變質(zhì)巖層組成；聶風(fēng)軍等[2]通過對交叉溝片麻巖Sm-Nd同位素數(shù)據(jù)的綜合分析將北山巖群形成年代暫定為古元古代。以上表明，北山巖群存在解體不到位和定年方法太陳舊等方面的問題。2012年北山地區(qū)新開的1∶5萬區(qū)調(diào)對北山巖群進(jìn)行了重新認(rèn)識，螢石礦幅地質(zhì)填圖將區(qū)內(nèi)北山巖群分為片麻巖巖組和石英巖巖組2個巖石組合單元。

近年來，隨著同位素質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展使得人們對同一鋯石顆粒內(nèi)部不同成因類型的鋯石晶域進(jìn)行原位測年成為可能[6]。事實(shí)上，在研究古老的高級變質(zhì)巖時，鋯石U-Pb同位素測年相對于全巖Sm-Nd同位素測年有較多的優(yōu)點(diǎn)：①鋯石的普遍性，由于鋯石具有較低的吉布斯能[7]，從而它很容易結(jié)晶于各種地質(zhì)環(huán)境中并被完好的保存；②鋯石U-Pb在已知的礦物同位素中具有最高的封閉溫度，鋯石中Pb 的擴(kuò)散封閉溫度高達(dá) 900℃[8-10]，并且較多的研究中均已證明變質(zhì)巖的Sm-Nd 同位素多數(shù)發(fā)生過不同程度的擾動[11-12]；③由于鋯石晶體化學(xué)的特殊性，再結(jié)合鋯石U-Pb 年齡的微區(qū)分析技術(shù)，可以揭示該區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)演化歷程。由于鋯石具有以上優(yōu)點(diǎn)，所以鋯石已成為U-Pb法定年的最理想對象[13-15]。本文將對北山巖群石英巖巖組中的石英巖進(jìn)行LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年，以期探討北山巖群的時代歸屬問題。

1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景

內(nèi)蒙額濟(jì)納旗北山造山帶亦稱甘新蒙造山帶，其在構(gòu)造位置上從北至南分別橫跨了紅石山—百合山—蓬勃山、芨芨臺子—小黃山、牛圈子—洗腸井、輝銅山—賬房山4條蛇綠巖帶(圖1)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造極其復(fù)雜。前人對這4條蛇綠巖帶的構(gòu)造意義存在著較大的爭議：龔全勝等[17]、何世平等[18]認(rèn)為紅石山—百合山—蓬勃山蛇綠混雜巖帶是北部哈薩克斯坦板塊和南部塔里木板塊兩大板塊拼合的縫合線；劉雪亞等[19]、聶鳳軍等[20]認(rèn)為紅石山—百合山和柳園—大奇山蛇綠巖帶形成于洋盆環(huán)境，是西伯利亞板塊、哈薩克斯坦板塊和塔里木板塊的縫合界線；鄭國榮等[21]通過對月牙山—洗腸井蛇綠巖帶化學(xué)特征分析，認(rèn)為屬弧后擴(kuò)張的產(chǎn)物，并與其北部的東七一山火山弧構(gòu)成了北山中帶塔里木板塊北緣的“弧-盆”體系，而小黃山斷裂帶是哈薩克斯坦板塊與塔里木板塊的縫合帶；楊合群等[16]認(rèn)為月牙山—洗腸井蛇綠巖帶為哈薩克斯坦板塊和塔里木板塊的縫合帶，芨芨臺子—小黃山蛇綠巖帶形成于弧后盆地環(huán)境，而紅石山—百合山和輝銅山—帳房山蛇綠巖帶形成于類似于“紅海型”海槽的環(huán)境。

圖1 北山地區(qū)構(gòu)造綱要圖(據(jù)文獻(xiàn)[16]修改)Fig.1 Tectonic outline map of Beishan area①紅石山—百合山—蓬勃山蛇綠巖帶；②芨芨臺子—小黃山蛇綠巖帶；③紅柳河—牛圈子—洗腸井蛇綠巖帶；④輝銅山—賬房山蛇綠巖帶

圖2 內(nèi)蒙古阿拉善額濟(jì)納旗螢石礦地質(zhì)簡圖Fig.2 Geological sketch of fluorite deposit in Ejina banner,Alxa League, Inner Mongolia1.全新統(tǒng)；2.更新統(tǒng)；3.上新統(tǒng)；4.公婆泉組火山巖；5.公婆泉組碳酸鹽巖；6.上奧陶統(tǒng)白云山組；7.前寒武系北山巖群上段；8.前寒武系北山巖群下段；9.早石炭世花崗巖；10.晚泥盤世閃花閃長巖、石英閃長巖；11.早泥盆世花崗閃長巖；12.晚志留世輝石閃長巖；13.寒武紀(jì)輝長巖；14.斷層；15.韌恤剪切帶；16.鋯石U-Pb測年點(diǎn)位；17.斷面位置及編號；18.地名

研究區(qū)位于近EW走向的芨芨臺子—小黃山蛇綠混雜巖帶的東沿線上(圖1)。區(qū)內(nèi)寒武紀(jì)輝長巖侵入北山巖群中，其又被后期的二云母二長花崗巖侵位，并一起遭受了糜棱構(gòu)造的疊加，構(gòu)造線方向也呈近EW向。小黃山斷裂帶兩側(cè)巖石地層及其變質(zhì)變形特征較為一致，表明小黃山蛇綠巖套在區(qū)內(nèi)不具有板塊縫合帶的意義。前人對小黃山蛇綠巖地球化學(xué)分析認(rèn)為屬弧后拉張形成，其與東七一山火山島弧和月牙山—洗腸井蛇綠巖套從南至北一起構(gòu)成了“洋-弧-盆”體系。

2 北山巖群石英巖巖組地質(zhì)特征

2.1 產(chǎn)出特征

本次研究區(qū)的北山巖群石英巖巖組位于額濟(jì)納旗的東七一山地區(qū)。區(qū)內(nèi)出露的主要地層有中上志留統(tǒng)公婆泉組、上奧陶統(tǒng)白云山組和前寒武系北山巖群；巖體有寒武紀(jì)輝長巖、晚志留世輝石閃長巖、早泥盆世花崗閃長巖、晚泥盆世花崗-石英閃長巖以及早石炭世二云母二長花崗巖。新生代蓋層為上新世苦泉組砂礫石堆積物、晚更新世砂礫石堆積物和全新世河流沖積物(圖2)。公婆泉組屬于遠(yuǎn)離海溝、發(fā)育于洋殼上的島弧火山巖[22]。北山巖群位于公婆泉組火山巖的北部，按其巖石組合、變質(zhì)變形特征不同，將其分為下部片麻巖巖組和上部石英巖巖組2個巖石組合。下部(第一)巖組的巖性為黑云角閃斜長片麻巖、黑云斜長變粒巖、夾透鏡狀大理巖等，主要呈殘留體的形式出露于海西期花崗巖中，沒有大片出露；上部(第二)巖組的巖性為厚層石英巖、二云母石英巖、黑云石英片巖等。

本次工作中對北山巖群石英巖巖組進(jìn)行了剖面實(shí)測，剖面編號為Pm17(見圖2，表1)。剖面顯示石英巖巖組實(shí)測厚度大于609.2 m，無頂無底；頂部與正長花崗巖呈斷層接觸，底部被晚泥盆世的花崗-石英閃長巖侵位。巖石組合特征為斜長黑云石英片巖、黑云母石英片巖、二云母石英巖、純白色石英巖，局部層位中見有石榴子石和矽線石等特征變質(zhì)礦物。斜長黑云石英片巖—黑云母石英片巖—二云母石英巖—純白色石英巖的沉積序列，指示其原巖成熟度逐漸變高，可代表一次沉積旋回。由于缺失頂?shù)酌妫瑓^(qū)內(nèi)石英巖巖組至少由5次規(guī)模較大的沉積旋回構(gòu)成，其中以第(n+3)次沉積旋回規(guī)模最大(見表1)，每個旋回內(nèi)部也有次級的沉積動蕩。在第(n+3)次沉積旋回的石英巖中采集了同位素年齡樣品TK210-1，其地理坐標(biāo)位置為E41°26′13″-N99°40′26″。

2.2 石英巖的巖相學(xué)特征

石英巖，純白色，粒狀變晶結(jié)構(gòu)(圖3a)。主要礦物成分為石英，含量大于95%，巖石受到韌性變形作用，部分晶粒被碾磨呈細(xì)粒狀，大部分晶粒被塑性變形、拉長、定向、重結(jié)晶，波狀消光顯著，呈現(xiàn)糜棱結(jié)構(gòu)；巖石中多含有白云母和黑云母，少量巖石中見有角閃石；副礦物有榍石、鋯石等(圖3b)。石英巖巖組中的巖石礦物組合特征為石英(Q)+黑云母(Bi)+白云母(Ms)±角閃石(Am)，顯示石英巖巖組主要遭受了高綠片巖相—低角閃巖相的區(qū)域變質(zhì)作用。另外，少量層位中含有石榴子石、矽線石等變質(zhì)特征礦物，可能是動力變質(zhì)造成的局部高角閃巖相變質(zhì)作用。

表1 北山巖群石英巖巖組Pm17剖面數(shù)據(jù)

3 北山巖群石英巖巖組年代學(xué)特征

3.1 分析方法

樣品鋯石分選由河北省廊坊市區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室完成；鋯石制靶，以及陰極發(fā)光(CL)、透射光、反射光圖像的采集均在北京奧金頓科技有限公司進(jìn)行；鋯石LA-ICP-MS U-Pb測年由天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所測試中心完成。

根據(jù)鋯石的結(jié)構(gòu)并結(jié)合陰極發(fā)光、反射光和透射光圖像特征，選擇了合適的鋯石測年區(qū)域(盡量避開鋯石中的包體和裂隙)進(jìn)行測年。利用193 nm FX激光器對鋯石進(jìn)行剝蝕，激光斑束直徑為35 μm，頻率為10 Hz，采用He作為激光剝蝕物質(zhì)的載氣；送入Neptune(MC-ICPMS)，利用動態(tài)變焦擴(kuò)大色散使質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差很大的U、Pb同位素可以同時接收，進(jìn)行U-Pb同位素測定。使用標(biāo)準(zhǔn)鋯石GJ-1作為同位素組成的外標(biāo)鋯石；用Andersen方法[23]進(jìn)行同位素比值校正，以扣除普通Pb的影響。鋯石測年中的Pb同位素比值、U-Pb表面年齡和微量元素含量用ICPMS DataCal程序進(jìn)行處理[24-26]，年齡計算及成圖采用Isoplot[27]技術(shù)，測試數(shù)據(jù)、加權(quán)平均年齡的誤差均為1。具體測試方法、詳細(xì)分析步驟見文獻(xiàn)[28]。鋯石表面年齡采用206Pb/238U年齡值。

3.2 年齡測定結(jié)果

石英巖中的鋯石CL圖像(圖4)顯示，鋯石形態(tài)主要以橢球?yàn)橹?，個別近等軸狀和短柱狀，鋯石顆粒多為100～150 μm左右，個別可達(dá)200 μm。鋯石多具核幔結(jié)構(gòu)。核部鋯石具有巖漿環(huán)帶，w(Th)/w(U)比值除了7號、15號、22號、31號、41號、59號，以及62號7個數(shù)據(jù)點(diǎn)較低外(0.023～0.091)，其它均大于0.1(0.125～1.225)(表2)，說明源區(qū)巖石主要為巖漿巖的特點(diǎn)[10,29-30]；幔部鋯石為灰黑色的變質(zhì)鋯石環(huán)帶，寬度多在10 μm左右。由于幔部變質(zhì)鋯石環(huán)帶較窄，所以僅采集了核部鋯石的數(shù)據(jù)。

在樣品TK210-1中的64顆鋯石上采集了64組鋯石數(shù)據(jù)(見表2)。核部鋯石數(shù)據(jù)基本均落在諧和曲線上(除少數(shù)略有偏離)(圖5a)；核部鋯石的206Pb/238U年齡數(shù)據(jù)分部極其不均勻(圖5b)。其中，最小年齡值為1 301 Ma(見圖4中59號鋯石)，最大年齡值為2 769 Ma(見圖4中63號鋯石)，較為集中的鋯石年齡數(shù)據(jù)分布于1.8 Ga附近。石英巖的鋯石諧和圖和206Pb/238U年齡直方圖顯示僅有3組碎屑鋯石年齡值落入新太古代時期，可能預(yù)示著區(qū)內(nèi)存在太古宙陸殼；沉積巖中碎屑鋯石最小年齡值可以代表它形成時代的下限[31-32]，石英巖中最小鋯石年齡值為1 301 Ma，雖然略有偏離諧和曲線，但位于1 600 Ma—1 800 Ma之間大量碎屑鋯石年齡值的存在，也說明了區(qū)內(nèi)石英巖形成于中元古代，而非之前認(rèn)為的古元古代；大量1.8 Ga附近的碎屑鋯石年齡數(shù)據(jù)，預(yù)示著區(qū)內(nèi)在1.8 Ga可能遭受了一期“構(gòu)造-熱”事件。

圖4 石英巖中典型鋯石的CL圖像及206Pb/238U表面年齡標(biāo)注Fig.4 CL images and 206Pb/238U apparent ageannotations of typical zircon from the quartzite

樣品同位素比值206Pb/238U1σ207Pb/235U1σ207Pb/206Pb1σ年齡/Ma206Pb/238U1σ207Pb/235U1σ207Pb/206Pb1σw(Th)/w(U)TK210．10．30530．00164．44400．05200．10560．0012171791721201724210．141TK210．20．32220．00174．91280．05580．11060．00121800101804211809200．551TK210．30．32400．00204．96160．05890．11110．00121809111813221817200．426TK210．40．32140．00174．88480．05410．11020．00121797101800201803190．244TK210．50．33060．00185．19100．07020．11390．00151841101851251862240．585TK210．60．34650．00185．65260．06720．11830．00141918101924231931211．060TK210．70．31240．00174．64020．05470．10770．00121753101757211761210．085TK210．80．29640．00044．22400．04980．10340．0012167321679101687210．410TK210．90．25570．00173．25430．04480．09230．00111468101470201474220．449TK210．100．29380．00174．15670．04880．10260．00111660101666201672210．635TK210．110．28290．00153．88570．05300．09960．0013160691611221617250．712TK210．120．28400．00163．90060．04740．09960．0012161291614201617220．388TK210．130．32310．00184．93780．05900．11080．00131805101809221813210．313TK210．140．31340．00184．66820．05940．10800．00131758101762221766220．307TK210．150．31380．00194．75990．06160．11000．00141759111778231800220．091TK210．160．30790．00064．57110．06600．10770．0015173031744121761260．125TK210．170．32800．00195．08060．06310．11240．00131829111833231838210．145TK210．180．31020．00174．58300．05570．10710．00131742101746211751220．397TK210．190．31010．00174．58340．05430．10720．0012174191746211752210．440TK210．200．31370．00174．75780．05520．11000．0012175991777211799200．344TK210．210．28310．00194．19690．05110．10750．00121607111673201758200．306TK210．220．28520．00164．26000．05070．10830．0012161891686201771210．084TK210．230．35440．00226．11370．07570．12510．00151956121992252030211．047TK210．240．32230．00074．81420．06020．10830．0014180141787111772220．439TK210．250．32820．00185．09640．06200．11260．00131830101836221842210．362TK210．260．29510．00174．21940．05210．10370．0012166791678211691220．485TK210．270．30130．00164．33710．05090．10440．0012169891700201704210．366TK210．280．31190．00174．65770．05500．10830．0012175091760211771211．225TK210．290．48460．003111．34600．13590．16980．00192547162552312556180．389TK210．300．32390．00184．96450．06040．11120．00131809101813221819210．707TK210．310．25220．00163．35920．04180．09660．0011145091495191560220．057TK210．320．31300．00064．71380．05650．10920．0013175531770101787220．374TK210．330．31580．00174．74390．05640．10900．00121769101775211782210．463TK210．340．33900．00195．42110．06390．11600．00131882111888221895200．352TK210．350．32580．00175．02630．05820．11190．00121818101824211830200．314TK210．360．30610．00204．42070．06280．10470．00151722111716241710260．555TK210．370．31780．00174．73160．05470．10800．0012177991773201766200．432TK210．380．39720．00317．54640．10770．13780．00162156172179312200210．259TK210．390．32450．00204．97200．07470．11110．00151812111815271818240．477TK210．400．33230．00074．96210．05560．10830．001218493181391772200．240TK210．410．30410．00164．40020．05370．10490．0012171291712211713210．081TK210．420．34630．00415．66890．20130．11870．00221917231927681937340．841TK210．430．29940．00174．31410．05370．10450．00131689101696211705220．392TK210．440．32810．00185．08280．06420．11240．00141829101833231838220．562TK210．450．31880．00174．81410．06270．10950．00141784101787231792230．138TK210．460．29710．00184．24580．05870．10370．00141677101683231691250．383TK210．470．31160．00174．60450．06750．10720．00151749101750261752260．566TK210．480．31990．00074．90190．10620．11110．0024178941803181818400．483TK210．490．29550．00164．27260．05840．10490．0014166991688231712240．532TK210．500．34770．00205．69060．07560．11870．00151924111930261937220．337TK210．510．29130．00164．13830．05430．10300．0013164891662221679240．464TK210．520．32450．00175．02400．06060．11230．00131812101823221837210．217TK210．530．32150．00174．89580．06090．11050．00131797101802221807220．758TK210．540．46790．002610．53210．12740．16320．00192475142483302489190．286TK210．550．32010．00184．85720．06050．11010．00131790101795221801210．198TK210．560．30780．00064．59520．06420．10830．0015173031748121772250．559TK210．570．31460．00174．70880．05660．10850．0012176391769211775210．398TK210．580．25440．00143．23300．03860．09220．0011146181465171471220．637TK210．590．22360．00222．82130．04190．09150．00101301131361201458210．056TK210．600．30510．00164．43690．05000．10550．0011171791719191722200．141TK210．610．33090．00184．86580．05520．10670．00121843101796201743200．147TK210．620．31810．00174．81070．05460．10970．00121780101787201794200．023TK210．630．53660．003114．37560．17580．19430．00222769162775342779180．337TK210．640．31070．00194．58840．06040．10710．00141744101747231751230．711

圖5 石英巖中鋯石U-Pb諧和圖(a)和206Pb/238U年齡頻率分布圖(b)Fig.5 Diagram showing zircon U-Pb concordia (a) and 206Pb/238Uage frequency distribution histogram (b) of the quartzite

4 結(jié)語

通過對北山巖群石英巖巖組的巖相學(xué)特征以及LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年數(shù)據(jù)的分析得出如下5點(diǎn)結(jié)論：

(1)北山巖群中石英巖巖組至少經(jīng)歷了5次從(長石)石英雜砂巖→石英砂巖的沉積旋回；

(2)北山巖群石英巖巖組中石英+黑云母+白云母±角閃石的礦物組合特征，說明石英巖巖組遭受了高綠片巖相—低角閃巖相的區(qū)域變質(zhì)作用；

(3)北山巖群石英巖組中大量1.8 Ga附近的碎屑鋯石數(shù)據(jù)的存在，說明區(qū)內(nèi)該期可能存在“構(gòu)造-熱”事件的疊加；

(4)北山巖群石英巖組中最大碎屑鋯石年齡值為2 769 Ma，且落入新太古代時期的3組年齡數(shù)據(jù)的存在，反映區(qū)內(nèi)可能存在太古宙陸殼；

(5)北山巖群石英巖組中最小碎屑鋯石年齡值1 301 Ma限定了巖石形式時代的下限，故認(rèn)為北山巖群形成于中元古代而非之前認(rèn)為的古元古代。

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Formation period of quartzite of Beishan group in Ejina banner, Inner Mongolia —LA-ICP-MS zircon U-Pb dating evidence

FAN Zhiwei

(GeologicalResearchInstituteofShougangGeologicalExplorationInstitute,Beijing, 100144)

Analysis of geological section and petrography of quartzite in Beishan group shows that the quartzite includes five (feldspar) quartz greywacke→sandstone sedimentary cycles. The quartz + biotite + muscovite ± hornblende assemblage of the quartzite is of high green schist-low amphibolite-facied regional metamorphism.LA-ICP-MS zircon U-Pb dating age, core-mantle structure and magmatic ring belt at the core from image of the detrital zircon and most of the Th/U ratio > 0.1 reveal its source from magmatic rock area. The minimum age of 1301 Ma limits its formation period to Middle Proterozoic era. The maximum age of 2769 Ma is of the Neoarchean era implying that there might be Archean continental crust in the source area.

Beishan group；sedimentary cycle；LA-ICP-MS；zircon U-Pbdating；Middle Proterozoic Era；Inner Mongolia

2015-01-30； 責(zé)任編輯： 王傳泰

范志偉(1986—)，男，碩士研究生，主要從事前寒武紀(jì)地質(zhì)研究工作。通信地址：北京市石景山區(qū)晉元莊路23號，首鋼地質(zhì)勘查院地質(zhì)研究所；郵政編碼：100144；E-mail：fanzw0327@126.com

10.6053/j.issn.1001-1412.2015.04.014

P588.21，P597.1

A