Volume 17 Issue 4
Dec.  2011
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GUO Shuo, TENG Xue-jian, LIU Yang, et al., 2017. GEOCHEMISTRY, CHRONOLOGY AND HF ISOTOPE FEATURES OF THE PERMAIN INTERMEDIATE-BASIC VOLCANIC ROCKS IN WULANAOBAO AREA, URAD HOUQI, INNER MONGOLIA AND ITS GEOLOGICAL SIGNIFICANCE. Journal of Geomechanics, 23 (3): 397-410.
Citation: TONG Heng-mao, WANG Ming-yang, HAO Hua-wu, et al., 2011. THEORETICAL DEVELOPMENT OF MAXIMUM EFFECTIVE MOMENT CRITERION. Journal of Geomechanics, 17 (4): 312-321.
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THEORETICAL DEVELOPMENT OF MAXIMUM EFFECTIVE MOMENT CRITERION

  • State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China

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    Abstract
  • Theoretical analysis shows that the Maximum Effective Moment, which cause preexisting cleavage or bedding to rotate, is related to the direction of pre-existing cleavage or bedding, and the Maximum Effective Moment Criterion (Meff=0.5(σ1-σ3) Lsin2αsinα, simplified as MEMC) proposed by Zheng et al is theoretically expanded to General Criterion of Maximum Effective Moment (MG-eff=0.5(σ1-σ3) Lsin2αsin (α-θ), simplified as GCMEM), which can be used to determine the Maximum Effective Moment with any direction of cleavage in this paper.MEMC is a special case of GCMEM when cleavage is parallel to maximum principal compressive stress (σ1).Theoretical analysis of GCMEM shows that:① when cleavage is parallel to σ1, there occur two values of Maximum Effective Moment symmetrically on either side of σ1 in the direction of ± 54.7°, and two conjugate deformation zone are predicted to appear with obtuse angle (109.4°) facing σ1 direction.② When cleavage is oblique to σ1, one Maximum Effective Moment, along which one deformation zone will appear, is predicted to occur on other side of σ1, and the angle between deformation zone and σ1 will decrease (from 54.7 ° when θ=0° reduced to 35.3° when θ=90°), while the angle between pre-existing cleavage and deformation zone will increase (from 54.7° when θ=0° increased to 125.3° when θ=90°) with pre-existing cleavage deviating from the σ1 direction.③ when cleavage is perpendicular to σ1, there also occur two values of Maximum Effective Moment symmetrically on either side of σ1 in the direction of ± 35.3°, but two conjugate deformation zone with acute angle (70.6°) facing σ1 direction.When the directions of pre-existing cleavage and deformation zone on principal strain surface and shear direction (sinistral or dextral) are known, the direction of maximum principal stress can be determined.GCMEM overcomes the incompatibility of MEMC with Slip Line Theory, and can be used to explain most of the kink zone development and other non-conjugate phenomena.It is expected to have wide application prospects in ductile deformation field.

     

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  • 0.   引言

    兴蒙造山带位于西伯利亚板块与华北板块之间, 其经历了较完整的俯冲、增生造山、碰撞以及碰撞之后的板内构造活动。兴蒙造山带地质演化历史一直被众多学者所关注, 尤其对华北板块与西伯利亚板块之间的古亚洲洋的演化更为重视, 但对其演化历史和最终的闭合时间存在较大分歧[1~4]。学者们从岩浆岩、地层、构造、古地磁等不同角度提出:(1) 晚古生代早期中晚泥盆世到早石炭世, 在华北陆块北缘存在较多的不整合面, 标志着古亚洲洋的消亡、板块碰撞[3, 5], 到了晚石炭世末期华北陆块北缘已转入板内环境[6~9]; 到早二叠世, 华北陆块北缘存在堆晶辉长岩[10]、碱性花岗岩[11~13]及后碰撞双峰式火山岩[14], 这些岩浆岩是在伸展体制下形成, 与俯冲无关[4, 15~17]; 中二叠世开始裂解形成近东西向分布的有限洋盆, 晚二叠世—早三叠世之后, 有限洋盆最终闭合[18, 19]; (2) 在早古生代晚寒武世—晚奥陶世时期古亚洲洋南部靠近华北板块一侧存在洋内俯冲, 形成岛弧岩浆岩带[20, 21], 晚志留世—早泥盆世发生弧—陆(微陆块)碰撞[22], 之后中晚泥盆世为弧—陆碰撞后的伸展阶段[23], 到石炭纪—早二叠世在华北陆块北缘形成广泛的大陆边缘弧[24~28]或大洋岛弧[29, 30], 最终在二叠纪晚期才最终闭合[28, 31]。

    出现这种分歧的重要原因在于西伯利亚板块和华北板块之间存在多个微陆块, 洋-陆作用复杂, 同时华北陆块北缘岩浆岩分布时空范围广, 具有后碰撞及板内构造活动和岩浆作用的叠加, 且同一岩石地球化学特征的岩体的形成背景具有多解性。本文通过对兴蒙造山带西部地区早二叠世中—基性火山岩岩石学、地球化学及同位素的研究, 并结合前人资料, 探讨岩石形成的地质背景, 为恢复该区古构造环境提供有益资料。

    1.   研究区地质概况

    研究区位于内蒙古乌拉特后旗西北部乌兰敖包地区。大地构造位置位于华北陆块北缘西段, 兴蒙造山带西部, 东侧为狼山西缘断裂(吉兰泰断裂), 北侧为恩格尔乌苏断裂, 南部为查干楚鲁断裂(巴丹吉林断裂), 区内广泛发育二叠纪火山岩(见图 1)。中元古代宝音图陆块完成了由华北地块边缘裂解、重新拼贴在华北地块边缘的构造演化[32]; 到早古生代奥陶—志留纪, 在研究区内发生一期造山拼合事件, 形成了岩石组合以石英闪长岩、花岗闪长岩以及白云母二长花岗岩为主的岩浆岩带, 反映了一次早古生代时期存在的微陆块碰撞[33]; 晚古生代, 区内构造应力场由拉张向挤压环境转变, 形成了岩石组合以石英闪长岩、花岗闪长岩以及二长花岗岩为主的岩浆岩带; 三叠纪时期, 区域构造应力场转向为伸展构造体制, 形成了大规模的偏碱性—钙碱性二长花岗岩侵入; 中新生代研究区内继承了印支期的构造格局, 构造应力场仍以南北向的伸展变形为主, 形成了大规模的断陷盆地。

    图  1  乌兰敖包地区构造位置及区域地质略图[33]
    Figure  1.  Simplified geological map of tectonic location and regional geology in Wulanaobao area
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    二叠纪中—基性火山岩发育在大石寨组中。作者通过1:5万区域地质调查, 对该组进行了详细的研究。大石寨组整体呈近北东向展布, 出露面积约18 km2, 其喷发不整合在阿木山组和宝音图群之上, 顶部与乌兰素海组呈角度不整合接触或被第四系覆盖(见图 1), 火山喷发中心呈串珠状分布, 具由北东向南西迁移的特征, 岩浆性质由基性向中性演化。研究区东北处的大石寨组(P5剖面)下部以灰白色细砾岩、紫色—深灰色中薄层长石石英中砂岩为主, 可见少量的火山角砾岩(见图 2b), 火山角砾可见玄武质火山岩角砾、宝音图群大理岩角砾、灰岩角砾和花岗岩角砾等, 灰绿色致密块状安山岩, 向上为火山活动间歇期, 岩性以紫红色厚层细砾岩、中层岩屑长石中砂岩、薄层长石岩屑细砂岩夹薄层粉砂岩为主; 上部以喷发—溢流相玄武安山岩和少量的安山岩为主, 从上述火山的特征来看, 该处火山活动是以基性岩浆活动为主, 早期的火山活动多以爆发—溢流的形式, 伴随大量正常碎屑岩沉积, 晚期以喷溢方式为主; 研究区西南处的大石寨组(P4、P7剖面)下部可见少量的灰黄色细砂质砾岩, 向上可见灰褐色安山质火山集块岩、灰色安山质含角砾晶屑凝灰岩、灰绿色气孔杏仁状安山岩、灰黄色英安质晶屑凝灰岩和灰黄色块状英安岩; 上部以灰绿色气孔杏仁状玄武安山岩、褐红色块状玄武安山岩、红褐色块状安山岩和少量的灰黄色气孔状英安岩, 从上述特征来看该处火山活动是以中性岩浆活动为主, 早期火山活动以爆发-溢流的形式为主, 晚期以喷溢方式为主。

    图  2  早二叠世火山岩野外及镜下特征
    a—气孔杏仁状玄武岩; b—火山角砾岩(玄武质角砾); c—玄武安山岩; d—玄武岩(单偏光), 气孔杏仁状构造, 少斑结构); e—玄武安山岩间隐结构(正交偏光); f—安山岩多斑结构(正交偏光)
    Figure  2.  Field and microscopic characteristics of the lower Permian volcanic rocks
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    2.   样品特征及实验方法

    本文选取了P4、P5、P7等三条剖面进行了详细的观察。观察研究表明, 剖面上出露的岩性以玄武岩、玄武安山岩、安山岩及相应的火山碎屑岩为主(结合岩石地球化学数据定名)。

    玄武岩呈深灰绿色、灰绿色, 多呈少斑—无斑结构, 基质为间粒结构、间粒—间隐结构, 块状构造、气孔杏仁状构造(见图 2a、2d)。斑晶由斜长石和少量暗色矿物假象构成, 杂乱分布, 粒度1~2 mm; 呈半自形板状, 绿帘石化、局部碳酸盐化。基质由斜长石、辉石构成, 粒度0.1~0.4 mm; 斜长石呈半自形板状、少量板条状, 杂乱或半定向分布, 绿帘石化明显、局部碳酸盐化、绢云母化等; 辉石呈半自形-它形晶, 多填隙状分布斜长石间, 次闪石化, 局部绿帘石化、少碳酸盐化。岩石内杏仁体, 定向分布, 填充次生石英、碳酸盐、绿泥石等。

    玄武安山岩呈灰绿色、浅灰色, 斑晶极少, 基质多为间隐结构, 块状构造(见图 2c、2e)。斑晶由斜长石组成, 分布不规则, 粒度0.7~1.9 mm, 半自形板状, 绿帘石化明显。基质多数已脱玻化, 被绿帘石、碳酸盐等不均匀交代。

    安山岩呈浅灰绿色、浅灰色, 多数呈多斑晶结构, 基质为交织结构, 块状构造、气孔杏仁状构造(见图 2f)。斑晶主要由斜长石组成, 偶见辉石、角闪石和少量的钾长石; 斜长石大小0.3~1.5 mm, 呈半自形板状, 具弱绢云母化、高岭土化, 局部碳酸盐化。基质由斜长石、石英、暗色矿物假象组成。斜长石呈细板条状, 略显定向分布, 具弱绢云母化、高岭土化, 局部碳酸盐化。石英呈它形粒状, 填隙状分布。暗色矿物呈微晶状, 分布于斜长石间, 被绿泥石、碳酸盐交代, 呈假象。岩内见硅质、绿帘石、绿泥石等充填的不规则状杏仁体, 星散状分布, 大小0.5~2.5 mm不等。

    在剖面P4、P5、P7上选取了13件岩石样品进行了岩石化学全分析, 2件进行了锆石挑选、制靶并进行LA-ICP-MS锆石测年和Lu-Hf同位素测试。其中岩石化学全分析由天津地质矿产研究所实验测试中心完成, 锆石挑选由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成, 制靶由北京锆年领航科技有限公司完成, U-Pb及Lu-Hf同位素测试由天津地质矿产研究所实验测试中心完成。

    3.   地球化学特征

    表 1为岩石全分析数据。按照TAS图解分类(见图 3a), 将研究区的中基性火山岩分为三类:分别是玄武岩、玄武安山岩和安山岩。岩石中SiO2变化较连续, 含量分布在49.33~65.84%之间; TiO2在不同样品之间含量变化明显, 与SiO2呈负相关, 其在玄武岩中含量最高, 平均值为1.51%, 玄武安山岩中次之为1.37%, 安山岩中含量最少为0.77%;Al2O3在不同样品之间含量变化不明显, 含量平均为16.7%, 具有弱富Al的特点; MgO与SiO2呈负相关, 在玄武岩中含量最高为6.56%, 玄武安山岩中次之为5.42%, 安山岩中最少4.02%;CaO与SiO2呈负相关, 在玄武岩中含量最高为10.51%, 玄武安山岩中次之为7.67%, 安山岩中最少6.90%;Na2O在不同岩性之间变化不明显, 分布在0.53~5.49%之间, 平均值为3.39%;K2O与SiO2呈正相关, 在玄武岩中平均含量较低0.37%, 玄武安山岩中为1.30%, 安山岩中为2.42%。在SiO2-K2O图解中多数样品落于钙碱性系列, 4个样品落入低钾系列, 1个样品落入高钾系列(见图 3b)。

    表  1  乌兰敖包火山岩主量元素、微量元素及稀土元素分析结果
    Table  1.  Analysis results of major elements, trace elements and rare earth elements of the volcanic rocks in Wulanaobao area
    送样号 P4-33-1 P4-37-1 P4-40-1 P4-41-1 P4-64-1 P4-65-1 P5-1-1 P5-5-1 P5-26-1 P5-41-1 P7-11-1 P7-38-1 P7-40-1
    样品名称 玄武岩 玄武岩 安山岩 玄武岩 安山岩 安山岩 玄武岩 玄武安山岩 安山岩 安山岩 安山岩 玄武安山岩 玄武安山岩
    SiO2 47.90 49.88 58.41 49.52 58.92 60.16 50.13 52.32 58.69 64.08 56.43 54.28 54.82
    TiO2 1.06 1.72 0.82 1.59 0.80 0.82 1.52 1.39 0.86 0.67 0.53 1.30 1.31
    Al2O3 16.26 15.11 16.83 15.27 16.77 17.12 17.57 19.96 16.39 15.35 11.77 16.79 16.55
    Fe2O3 4.01 5.71 2.41 7.91 2.32 4.83 3.20 4.88 2.75 2.32 2.62 3.39 4.43
    FeO 5.52 5.55 3.34 2.30 2.98 0.68 5.36 2.37 2.97 1.77 0.89 3.51 2.65
    MgO 7.95 5.92 4.38 4.32 3.24 2.09 7.38 4.53 4.52 2.54 6.69 5.69 5.66
    MnO 0.16 0.15 0.09 0.14 0.08 0.06 0.14 0.10 0.11 0.08 0.07 0.08 0.10
    CaO 11.21 9.56 4.23 11.98 8.03 7.97 8.28 6.87 5.39 3.67 11.02 7.08 8.51
    Na2O 2.23 3.62 5.35 4.92 2.80 2.90 3.20 3.82 2.91 4.93 0.51 3.21 2.67
    K2O 0.69 0.23 1.39 0.25 1.26 1.30 0.28 2.06 2.21 1.77 6.20 1.44 0.30
    P2O5 0.12 0.22 0.26 0.22 0.19 0.19 0.20 0.13 0.20 0.15 0.09 0.42 0.41
    LOI 2.09 1.52 1.91 1.13 2.1 1.62 1.95 1.09 2.47 2.28 2.91 2.24 2.14
    Total 99.2 99.21 99.43 99.56 99.49 99.73 99.21 99.53 99.47 99.6 99.73 99.43 99.54
    Cu 69.3 79.4 28.5 45.3 23.6 22.1 62.5 30.3 23.4 49.7 7.73 26.9 51.4
    Pb 9.39 3.72 7.49 6.26 17.1 23.7 8.42 7.86 11.9 14.4 27.9 11.2 16.4
    Zn 64 88.2 61.2 74.7 64.6 61.2 71.8 69.2 59.5 57 54.5 77.9 72.3
    Cr 129 81.8 85.8 52.2 118 141 278 118 214 87.9 47.8 201 197
    Ni 80.9 39.2 73.8 38 25.4 23.5 140 44.1 94 50.1 16.9 67.9 67.1
    Co 46.8 42.8 19.9 41.1 18.8 17 41.2 24.7 22.2 14.3 7.18 23.4 23.2
    Li 33.2 41.6 55 72.7 25.8 49.9 17.7 13.6 30 20.1 23.4 28.2 32.4
    Rb 24 11.5 39.4 12.5 39.2 42.7 10.8 82.3 60.6 61.7 202 30.3 6.3
    Cs 2.66 5.22 4.15 7.09 2.16 4.64 0.79 2.72 2.99 1.95 7.56 4.32 2.24
    Sr 384 261 400 162 676 676 332 389 326 561 191 920 862
    Ba 720 745 399 129 498 681 120 196 368 283 704 554 311
    V 229 267 114 246 119 116 147 134 79.3 61.4 50.8 118 108
    Sc 43 37.6 20.2 39.6 18 21.1 30 26.5 21.2 20.6 12.9 20.6 21.2
    Nb 7.15 14.8 7.32 14.3 5.85 5.96 3.74 4.16 7.38 8.15 9.98 9.35 8.99
    Ta 0.47 0.98 0.46 0.88 0.44 0.41 0.29 0.34 0.61 0.67 0.7 0.66 0.59
    Zr 63.2 121 151 92.9 135 137 162 156 204 179 218 254 246
    Hf 1.82 3.29 3.76 2.54 3.82 3.64 3.87 4.1 5 4.65 6.12 5.94 5.49
    Ga 16.4 17.1 17.8 14.4 18.2 19.6 18.9 20.8 18.5 20.3 14.1 19.4 19.8
    U 0.29 0.56 1.35 1.84 1.46 1.69 0.62 0.66 1.58 1.92 2.93 1.41 1.24
    Th 0.87 1.82 3.8 1.59 5.54 5.52 1.61 1.92 5.79 7.21 9.01 5.46 5.01
    La 7.71 14.4 22.9 12.3 22.2 23.1 11.1 10.3 21.3 29.1 33 27.8 27.5
    Ce 17.2 31 48.3 26.6 46.4 48.4 28.7 25.4 46.4 61.2 67.7 61.2 60.4
    Pr 2.36 4.1 5.57 3.44 5.59 5.65 4.1 3.77 5.59 7.47 8.4 7.76 7.62
    Nd 10.7 18 21.5 14.8 21.6 21.7 18.5 17.4 22.2 27.9 31.9 31.8 31
    Sm 2.92 4.49 3.86 3.56 4.15 4.15 4.68 4.49 4.75 4.76 5.94 6.41 6.09
    Eu 1.15 1.55 1.07 1.12 1.12 1.18 1.46 1.44 1.33 1.18 1.06 1.78 1.71
    Gd 3 4.56 3.31 3.46 3.58 3.67 4.29 4.21 4.33 3.74 5.33 5.58 5.3
    Tb 0.6 0.91 0.51 0.68 0.58 0.55 0.85 0.84 0.75 0.51 0.87 0.91 0.87
    Dy 3.78 5.5 2.63 4.35 3.02 2.96 5.15 5.14 4.34 2.43 5.06 4.96 4.79
    Ho 0.76 1.1 0.49 0.88 0.57 0.56 1.01 1.02 0.84 0.45 1 0.95 0.9
    Er 2.12 3.08 1.41 2.51 1.6 1.56 2.81 2.9 2.41 1.33 3.01 2.64 2.52
    Tm 0.31 0.46 0.2 0.37 0.23 0.22 0.42 0.42 0.35 0.18 0.46 0.38 0.36
    Yb 1.92 2.82 1.25 2.29 1.44 1.41 2.61 2.67 2.21 1.13 2.96 2.35 2.23
    Lu 0.29 0.43 0.19 0.34 0.22 0.21 0.4 0.4 0.35 0.17 0.46 0.36 0.34
    Y 20.6 28.9 14 23.5 15.4 15.9 29 27.2 24.6 12.8 30.9 25.2 25.5
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    图  3  乌兰敖包火山岩K2O+Na2O-SiO2图解(a)和K2O-SiO2图解(b)(底图据[34])
    Figure  3.  Diagrams of K2O+Na2O-SiO2 (a) and K2O-SiO2 (b) of the volcanic rocks in Wulanaobao area
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    研究区火山岩的稀土元素特征差异较大(图 4d-f)。玄武岩中稀土总量变化较小, 在54.82~92.40 ppm之间, 平均为77.5 ppm, 在配分模式图中曲线略微右倾, LREE/HREE值在3.29~4.15之间, LaN/YbN值在2.88~3.85之间, δEu异常不明显; 玄武安山岩中稀土总量变化范围较大, 在80.4~154.88 ppm之间, 平均值为128.97 ppm, 配分模式图中曲线右倾程度大于玄武岩, LREE/HREE值在3.57~7.76之间, LaN/YbN值在2.77~8.85之间, δEu呈现出弱负异常, 平均值为0.93;安山岩中稀土总量变化较小, 在112.3~167.15 ppm, 平均值为127.78 ppm, 配分模式图中曲线右倾明显, LREE/HREE值在6.52~13.24之间, LaN/YbN值在6.91~18.47之间, δEu异常明显, 平均值为0.82。

    图  4  乌兰敖包火山岩稀土元素及微量元素特征
    Figure  4.  Trace elements spiderdiagram (a-c) and rare earth distribution pattern (d-f) of the volcanic rocks in Wulanaobao area
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    在微量元素蛛网图中, 研究区火山岩具有同源演化的特征, 但不同岩石类型之间有一定差异(图 4a-c)。图中玄武岩的曲线整体较平坦, 有两件样品具有较强烈的U、Ba富集和Ta、Nb的弱亏损, K呈较弱的亏损; 玄武安山岩的曲线较一致, Ta、Nb和P呈亏损; 安山岩的曲线具有典型的弧火山岩的特征, Ta、Nb、P和Ti明显亏损, Ba、K具有弱富集特征。

    4.   年代学及Hf同位素特征

    研究区的玄武岩中矿物颗粒细小、结晶程度差, 岩石中锆石难以挑选, 所以选择玄武安山岩(P7-38-1) 和安山岩(P5-48-1) 挑选锆石, 并以此代表该套火山岩的形成时代分析结果见表 2。

    表  2  乌兰敖包火山岩LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析数据
    Table  2.  LA-MC-ICP-MS zircon U-Pb isotopic analysis data of the volcanic rocks in Wulanaobao area
    样品号 含量(×10-6) 同位素比值 年龄(Ma)
    Pb U 206Pb/238U 1σ 207Pb/235U 1σ 207Pb/206Pb 1σ 206Pb/238U 1σ 207Pb/235U 1σ 207Pb/206Pb 1σ
    P5.48.1.1 5 91 0.0449 0.0005 0.3248 0.0173 0.0524 0.0028 283 3 286 15 304 120
    P5.48.1.2 7 79 0.0753 0.0008 0.5862 0.0092 0.0565 0.0007 468 5 468 7 470 29
    P5.48.1.3 25 575 0.0374 0.0004 0.3468 0.0045 0.0673 0.0008 237 2 302 4 846 23
    P5.48.1.4 47 85 0.4566 0.0054 9.8848 0.1433 0.1570 0.0018 2424 29 2424 35 2424 19
    P5.48.1.5 51 209 0.2304 0.0024 2.7059 0.0505 0.0852 0.0016 1337 14 1330 25 1319 36
    P5.48.1.6 10 190 0.0452 0.0006 0.5302 0.0596 0.0850 0.0097 285 4 432 49 1315 221
    P5.48.1.7 2 24 0.0745 0.0009 0.5860 0.0096 0.0570 0.0007 463 6 468 8 493 28
    P5.48.1.8 22 301 0.0745 0.0007 0.6258 0.0086 0.0609 0.0007 463 5 493 7 635 26
    P5.48.1.9 21 437 0.0451 0.0005 0.4123 0.0218 0.0663 0.0034 284 3 351 19 817 107
    P5.48.1.10 6 110 0.0546 0.0006 0.4024 0.0072 0.0535 0.0009 342 3 343 6 350 37
    P5.48.1.11 16 348 0.0456 0.0005 0.3264 0.0055 0.0519 0.0008 287 3 287 5 283 34
    P5.48.1.12 20 314 0.0633 0.0007 0.4743 0.0079 0.0544 0.0008 395 4 394 7 386 35
    P5.48.1.13 21 260 0.0744 0.0008 0.5765 0.0124 0.0562 0.0011 462 5 462 10 462 44
    P5.48.1.14 10 215 0.0450 0.0005 0.3717 0.0068 0.0599 0.0010 284 3 321 6 602 36
    P5.48.1.15 28 334 0.0746 0.0008 0.6395 0.0099 0.0622 0.0008 464 5 502 8 680 29
    P5.48.1.16 33 736 0.0418 0.0004 0.4249 0.0058 0.0738 0.0009 264 3 360 5 1035 24
    P5.48.1.17 11 222 0.0454 0.0005 0.3257 0.0116 0.0521 0.0018 286 3 286 10 288 79
    P5.48.1.18 6 130 0.0399 0.0008 0.2851 0.0091 0.0518 0.0010 253 5 255 8 275 44
    P5.48.1.19 18 150 0.0890 0.0009 5.4437 0.1236 0.4436 0.0097 550 6 1892 43 4064 33
    P5.48.1.20 12 155 0.0744 0.0009 0.5824 0.0701 0.0568 0.0069 463 6 466 56 482 270
    P5.48.1.21 3 53 0.0454 0.0005 0.3240 0.0055 0.0518 0.0008 286 3 285 5 277 35
    P5.48.1.22 16 214 0.0745 0.0007 0.5782 0.0082 0.0563 0.0007 463 5 463 7 465 28
    P5.48.1.23 24 286 0.0799 0.0009 0.6299 0.0354 0.0572 0.0031 495 5 496 28 500 120
    P5.48.1.24 9 149 0.0596 0.0006 0.4439 0.0062 0.0540 0.0007 373 4 373 5 371 28
    P7.38.1.1 28 435 0.0665 0.0006 0.5067 0.0048 0.0553 0.0004 415 4 416 4 423 17
    P7.38.1.2 30 481 0.0663 0.0006 0.5033 0.0049 0.0551 0.0004 414 4 414 4 416 18
    P7.38.1.3 30 482 0.0668 0.0006 0.5055 0.0070 0.0549 0.0007 417 4 415 6 408 29
    P7.38.1.4 16 374 0.0416 0.0004 0.2952 0.0027 0.0514 0.0005 263 2 263 2 259 21
    P7.38.1.5 26 386 0.0667 0.0005 0.5070 0.0250 0.0552 0.0027 416 3 416 21 418 109
    P7.38.1.6 5 92 0.0423 0.0004 0.3842 0.0035 0.0659 0.0005 267 2 330 3 802 17
    P7.38.1.7 23 371 0.0664 0.0005 0.5121 0.0073 0.0559 0.0008 415 3 420 6 448 30
    P7.38.1.8 25 56 0.3991 0.0029 6.9921 0.0553 0.1271 0.0010 2165 15 2110 17 2058 14
    P7.38.1.9 187 570 0.3341 0.0025 5.2104 0.0646 0.1131 0.0015 1858 14 1854 23 1850 24
    P7.38.1.10 17 207 0.0737 0.0005 0.5721 0.0091 0.0563 0.0009 458 3 459 7 465 35
    P7.38.1.11 14 181 0.0756 0.0005 0.5894 0.0129 0.0565 0.0012 470 3 470 10 473 48
    P7.38.1.12 11 162 0.0666 0.0006 0.5008 0.0032 0.0545 0.0004 416 3 412 3 392 16
    P7.38.1.13 35 566 0.0666 0.0005 0.5189 0.0048 0.0565 0.0005 416 3 424 4 472 18
    P7.38.1.14 27 405 0.0665 0.0006 0.5025 0.0038 0.0548 0.0004 415 4 413 3 406 16
    P7.38.1.15 38 610 0.0662 0.0005 0.5038 0.0046 0.0552 0.0004 414 3 414 4 419 15
    P7.38.1.16 70 1739 0.0416 0.0004 0.3040 0.0021 0.0529 0.0004 263 3 270 2 326 17
    P7.38.1.17 2 50 0.0424 0.0004 0.3035 0.0018 0.0520 0.0003 268 3 269 2 283 14
    P7.38.1.18 55 897 0.0664 0.0005 0.5107 0.0088 0.0558 0.0010 414 3 419 7 444 40
    P7.38.1.19 11 293 0.0416 0.0003 0.3012 0.0061 0.0525 0.0011 263 2 267 5 306 46
    P7.38.1.20 10 230 0.0419 0.0003 0.3075 0.0031 0.0533 0.0006 264 2 272 3 340 25
    P7.38.1.21 38 597 0.0666 0.0005 0.5082 0.0253 0.0554 0.0024 416 3 417 21 427 97
    P7.38.1.22 15 343 0.0425 0.0005 0.3996 0.0164 0.0682 0.0028 268 3 341 14 873 85
    P7.38.1.23 8 276 0.0245 0.0002 0.1704 0.0050 0.0504 0.0015 156 1 160 5 214 68
    P7.38.1.24 22 294 0.0665 0.0005 0.5050 0.0034 0.0550 0.0004 415 3 415 3 414 15
    P7.38.1.25 6 99 0.0664 0.0005 0.5047 0.0051 0.0551 0.0005 414 3 415 4 417 22
    P7.38.1.26 24 611 0.0421 0.0003 0.3240 0.0020 0.0559 0.0003 266 2 285 2 447 14
    P7.38.1.27 43 198 0.2064 0.0015 2.5681 0.0240 0.0902 0.0009 1210 9 1292 12 1430 19
    P7.38.1.28 29 188 0.1318 0.0009 1.2810 0.0337 0.0705 0.0018 798 6 837 22 943 53
    P7.38.1.29 21 656 0.0323 0.0002 0.2353 0.0024 0.0528 0.0005 205 1 215 2 319 23
    P7.38.1.30 26 395 0.0662 0.0005 0.5128 0.0038 0.0562 0.0004 413 3 420 3 460 16
    P7.38.1.31 31 501 0.0666 0.0005 0.5143 0.0034 0.0560 0.0004 416 3 421 3 453 16
    P7.38.1.32 45 1054 0.0419 0.0003 0.3193 0.0074 0.0552 0.0013 265 2 281 7 422 52
    P7.38.1.33 17 372 0.0475 0.0004 0.3715 0.0098 0.0567 0.0009 299 2 321 8 480 35
    P7.38.1.34 22 323 0.0667 0.0012 0.5026 0.0097 0.0547 0.0010 416 8 413 8 399 42
    P7.38.1.35 11 165 0.0672 0.0006 0.5067 0.0037 0.0546 0.0004 420 3 416 3 398 16
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    P5-48-1为灰绿色块状安山岩, 采自那仁宝力格幅苏海音高勒东约1 km处, 锆石整体形态不一致, 锆石CL图像亮度不一致, 形态多数呈不规则状, 内部环带较不清晰, 部分可见继承核; 少数呈半自形短柱状, 内部可见板状岩浆振荡环带或扇形结构, 为典型中-基性岩浆锆石(见图 5)。该样品测试结果较复杂, 其中2424 Ma、1337 Ma以及±463 Ma的锆石具有明显的熔蚀边, 个别锆石粒度较大, 具有酸性岩浆锆石的特征, 该部分锆石应为从围岩中捕获; 237 Ma、253 Ma、264 Ma年龄孤立且唯一, 可能受后期地质作用影响, 同位素体系发生变化; ±280 Ma的年龄较为集中, 锆石发育板状岩浆振荡环带, 个别具有扇形结构, 整体粒度较细小, 具有中-基性岩浆锆石的特征, 其加权平均年龄为285.0±2.3Ma(图 6), 可以代表该安山岩喷出时代。

    图  5  乌兰敖包火山岩锆石CL图像
    Figure  5.  Zircon CL images of the volcanic rocks in Wulanaobao area
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    图  6  乌兰敖包火山岩锆石U-Pb谐和图及加权平均年龄
    Figure  6.  Zircon U-Pb Concordia diagram and weighted average age of the volcanic rocks in Wulanaobao area
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    P7-38-1为灰绿色块状玄武安山岩, 采自那仁宝力格幅达日其格图西北约2 km处, 锆石整体形态不一致, 锆石CL图像亮度不一致, 形态多数呈不规则状, 内部环带较不清晰, 部分可见继承核; 少数呈半自形短柱状, 内部可见板状岩浆振荡环带或扇形结构, 为典型中-基性岩浆锆石(见图 5)。该样品测试结果较复杂, 其中2165 Ma、1858 Ma、±465 Ma以及±415 Ma为捕获锆石; 156 Ma和205 Ma的锆石可能受后期地质作用影响; ±265 Ma的锆石年龄较为集中, 锆石细小并具有中-基性岩浆锆石的特征, 其加权平均年龄为265.0±1.5 Ma(见图 6), 可以代表该玄武安山岩喷出时代。

    锆石Hf同位素分析结果列于表 3, 两件样品Hf同位素组成不均一。P5-48-1样品受锆石数量及大小制约, 仅获得3个有效结果。结果显示(见图 7)2颗锆石的176Hf/177Hf初始值分别为0.282339和0.282481对应的εHf(t)为-6.5和-3.2, 可能代表岩浆源区混有壳源物质; 1颗锆石的176Hf/177Hf较高为0.282876, 对应的εHf(t)为11.1, 可能代表幔源物质对岩浆的贡献。P7-38-1样品测试结果分为2类(见图 7):部分锆石176Hf/177Hf初始值较低, 在0.282389~0.282421之间, 对应的εHf(t)均为负, 平均值为-6.0;另一部分176Hf/177Hf初始值较高, 在0.282609~0.282621之间, 对应的εHf(t)均为正, 平均值为2.9。

    表  3  乌兰敖包火山岩LA-MC-ICP-MS锆石Hf同位素分析数据
    Table  3.  LA-MC-ICP-MS zircon Hf isotope analysis data of the volcanic rocks in Wulanaobao area
    分析号 t(Ma) 176Lu/177Hf 176Yb/177Hf 176Hf/177Hf 176Hf/177Hf(i) 2s εHf(0) εHf(t) tDM1 tDM2 fLu/Hf
    P7.38.1.1 265 0.0006 0.0173 0.282421 0.282389 0.000015 -12.4 -6.7 1164 1710 -0.98
    P7.38.1.2 265 0.0012 0.0385 0.282713 0.282652 0.000019 -2.1 3.5 769 1062 -0.96
    P7.38.1.3 265 0.0011 0.0326 0.282446 0.282391 0.000015 -11.5 -5.9 1143 1659 -0.97
    P7.38.1.4 265 0.0013 0.0378 0.282680 0.282612 0.000023 -3.3 2.3 818 1138 -0.96
    P7.38.1.5 265 0.0006 0.0130 0.282426 0.282397 0.000020 -12.2 -6.5 1155 1697 -0.98
    P7.38.1.6 265 0.0012 0.0330 0.282481 0.282421 0.000015 -10.3 -4.7 1097 1582 -0.96
    P7.38.1.13 265 0.0015 0.0415 0.282686 0.282609 0.000019 -3.1 2.5 814 1127 -0.95
    P7.38.1.14 265 0.0016 0.0469 0.282703 0.282621 0.000022 -2.4 3.1 791 1088 -0.95
    P5.48.2 285 0.0015 0.0443 0.282420 0.282339 0.000015 -12.5 -6.5 1192 1710 -0.96
    P5.48.4 285 0.0004 0.0145 0.282505 0.282481 0.000014 -9.4 -3.2 1042 1506 -0.99
    P5.48.7 285 0.0007 0.0185 0.282914 0.282876 0.000028 5.0 11.1 476 591 -0.98
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    图  7  乌兰敖包火山岩岩浆锆Hf同位素组成(底图据[35])
    Figure  7.  Zircon Hf isotope composition of the volcanic magma in Wulanaobao area
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    5.   讨论

    5.1   火山岩形成时代及喷发基底特征

    本文中获得的火山岩中安山岩和玄武安山岩中的锆石加权平均年龄分别为285.0±2.3 Ma和265.0±1.5 Ma, 代表火山岩的形成时代, 为早—中二叠世。

    研究区火山岩位于元古宙宝音图群、石炭系以及奥陶纪-志留纪花岗岩之上, 火山角砾岩中可见上述地层或岩体的角砾。由于基性岩浆中的自生锆石较少, 多捕获锆石, 所以样品中捕获锆石特征对基底也有所反映。样品中捕获的锆石年龄主要集中在以下几个年龄段:1) 中元古代以前, 207Pb/206Pb年龄主要为1319 Ma、1403 Ma、1850 Ma、2508 Ma、2424 Ma, 该年龄段的锆石普遍具有核-幔构造, 且边部圆滑, 具有熔蚀特征。研究区出露的宝音图群沉积年龄下限年龄为~1426 Ma[36], 所以上述锆石可能来自宝音图群。而宝音图群为华北陆块的一部分[36, 37], 并接受了古生代以来的构造-岩浆事件。2) 中奥陶世, 206Pb/238U年龄主要集中在460~470 Ma之间, 且锆石数量多达10个, CL图像上亮度较均一, 少数具有核幔结构, 多数具有典型酸性岩浆锆石的振荡环带, 可能为捕获岩体的锆石。研究区火山岩附近出露有奥陶纪灰红色片麻状中细粒花岗闪长岩和灰红色片麻状中细粒二长花岗岩, 岩石具有弱片麻状构造, 测得该岩体的锆石U-Pb年龄为468.4 Ma±1.7 Ma, 且形成于古亚洲洋向华北板块俯冲的背景下。3) 晚志留世-早泥盆世, 206Pb/238U年龄主要集中在410~420 Ma之间, 锆石CL图像上亮度较一致, 粒度相当, 内部岩浆振荡环带清晰, 部分具有变质边, 且具有熔蚀特征。类似的, 在火山岩出露附近发现有413.6 ±1.8Ma的深灰色细粒石英闪长岩[33]和418.0±2.3Ma的二云母花岗岩[38], 该套岩体形成与同碰撞阶段, 反映早古生代末期的华北北缘地壳显著增生, 且该次构造事件规模巨大, 在达茂旗—白乃庙一带也有响应[20, 22, 39, 40]。从乌兰敖包地区火山岩与下伏地层接触关系及岩石中捕获的锆石来看, 其喷发基地为华北陆块北缘, 即古亚洲洋与华北板块俯冲带南侧陆壳上。

    5.2   岩浆起源、演化与火山岩形成的大地构造环境

    玄武质岩浆起源于地幔橄榄岩的部分熔融, 但不同构造位置产生的岩浆, 其地球化学特征不尽相同。研究区火山岩都具有不同程度的Ta、Nb亏损, U、Ba、K等大离子亲石元素富集, 这与同时期来自富集地幔的乌拉特中旗温更地区北七哥陶辉长岩岩体地球化学特征一致[10], 反映其熔融地幔源区受到了来自俯冲板片的改造, 具有弧火山岩的特征。锆石Hf同位素同样具有示踪功能, 且能更好反应岩浆的混合或同化作用[35], 由于Hf其特殊的地球化学性质, 流体携带Hf能力有限, 因此Hf受到俯冲板片流体交代的影响较小[41], 仍能反映物源的特征。本文中锆石Hf同位素明显分为两类, 其中一类176Hf/177Hf初始值较高, 最高可达0.282876, 对应的εHf(t)为11.1, 虽然测试结果数量上较少, 但至少反映其物源有长期亏损的地幔物质的贡献。另一类锆石176Hf/177Hf初始值较低, 对应的εHf(t)均为负, 则表明其岩浆源区受到过地壳物质的混染或来自于富集型地幔, 而锆石测试结果显示岩浆起源于长期亏损Hf同位素的地幔, 所以176Hf/177Hf初始值较低, 表明岩浆源区有地壳物质的贡献。在研究区南侧发现同时代的酸性火山岩, 推测壳源物质的贡献方式为岩浆混合。

    关于乌兰敖包玄武质岩石形成的构造环境存在如下几种观点:(1) 该套玄武岩是在伸展体制下形成[4, 17, 38]; (2) 石炭纪-早二叠世华北陆块北缘存在广泛的大陆边缘弧[24~26, 28]或大洋岛弧[29, 30]。造山后伸展体质下的玄武岩以碱性玄武岩居多, 且相对富集HFSE[42], 前人多是依据出现碱性花岗岩体或双峰式火山岩作为造山后伸展的标志[38], 但是越来越多的研究表明, 双峰式火山岩的产出环境不仅限于伸展体质下[42, 43]而碱性花岗岩也可能形成于俯冲带后撤所导致的伸展及板片断离引起的软流圈上涌。岛弧火山岩多是发育在洋壳或过渡型地壳之上, 成分上主体为一套低钾钙碱性玄武岩-安山岩系列。研究区的火山岩发育在华北北缘元古代基底之上, 且明显富集Ba、Rb、Th、K等大离子亲石元素, 亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素, 具有活动大陆边缘火山岩的特点, TiO2*10-Al2O3-K2O*10图解(见图 8)中火山岩多数落入岛弧、造山带玄武岩-安山岩区。研究区火山岩比北侧的索伦山SSZ型蛇绿岩(299~290 Ma)[28]略晚, 与华北陆块北缘闪长岩-石英闪长岩-英云闪长岩共同构成一个大陆边缘弧。

    图  8  乌兰敖包火山岩A(Al2O3)-T(TiO2×10)-K(K2O×10) 图解(底图据[44])
    Figure  8.  The A(Al2O3)-T(TiO2×10)-K(K2O×10) diagram of the volcanic rocks in Wulanaobao area
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    5.3   关于古亚洲洋闭合时间的探讨

    研究区出露的古生代地层主要为晚石炭世阿木山组和中下二叠统火山岩。阿木山组为一套滨海-浅海的沉积环境, 底部为主要为碎屑岩, 可见火山岩碎屑, 顶部为海相灰岩, 存在大量珊瑚化石, 沉积构造位置为前陆盆地; 中下二叠统火山岩与研究区东侧的早中二叠世(辉长岩)闪长岩-花岗闪长岩侵入体共同构成大陆边缘岩浆弧。恩格尔乌苏地区硅质岩中的放射虫[45], 索伦地区硅质岩中的放射虫[46], 以及在索伦-西拉木伦断裂两侧古生物的研究[47], 均表明二叠纪末期两大板块之间已经基本拼合。古地磁的研究也支持早二叠世之后西伯利亚板块开始快速向南漂移, 二叠纪末期(~250 Ma)和华北地块发生碰撞, 导致索伦缝合带的形成[48]。关于古亚洲洋最终闭合时间的证据来自岩浆岩最多, 大量研究结果表明华北板块与西伯利亚板块最终闭合时间为二叠纪末—三叠纪初[26, 49, 50], 而闭合时间不同地区不尽相同, 总体上西侧可能稍早于东侧[23, 31]。研究区东侧发育有后碰撞环境的二长花岗岩-正长花岗岩岩石组合(~250 Ma), 这与乌兰敖包地区火山岩(最小年龄为265 mm)共同限定了古亚洲洋的闭合时间为265 Ma~250 Ma。

    6.   结论

    (1) 乌兰敖包地区火山岩为一套钙碱性玄武质岩石, 其中安山岩和玄武安山岩中的锆石的加权平均年龄分别为285.0±2.3Ma和265.0±1.5Ma, 为早—中二叠世。

    (2) 岩石主、微量地球化学特征及Hf同位素特征显示, 研究区火山岩岩浆起源于受俯冲板片改造并长期亏损的地幔, 并在上升过程有地壳物质的加入。

    (3) 早中二叠世研究区属于大陆边缘弧环境, 古亚洲洋继续向华北板块俯冲, 并在265 Ma~250 Ma之间最终闭合。

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