蒙古弧地体南缘古生代构造演化：来自二连浩特地区沉积岩和花岗岩的证据

【摘要】：中亚造山带夹持于北边的东欧—西伯利亚板块和南边的塔里木—华北板块之间,是地球历史中最大的增生型造山带之一。现有研究表明,它是新元古代—早中生代时期古亚洲洋演化的产物,由不同时代的岛弧、海山、微陆块等地质体经过多阶段的增生、碰撞等复杂的地质作用最终形成。目前,关于古亚洲洋最终闭合的时间和位置等关键地质问题仍未解决,因而严重制约到对中亚造山带构造地质演化的认识。内蒙古中部二连浩特地区位于争议较大的中亚造山带东段,涉及其中的乌利亚斯太大陆边缘和二连—贺根山蛇绿岩带两个次级构造单元。本论文研究在综合前人研究成果的基础上,通过对二连浩特地区古生代碎屑沉积岩的岩相学、碎屑锆石U-Pb年代学和Hf同位素组成,以及岩浆岩的年代学、锆石Hf同位素组成、全岩地球化学特征等的研究,系统讨论了研究区古生代地层和岩浆岩的形成时代、源区物质组成及其形成时的大地构造背景。在此基础上,详细分析了贺根山洋发育过程中岩浆事件与沉积过程的响应机制,限定了贺根山洋盆发育的时间,从而明确了其与古亚洲洋演化的关系,并探讨了中亚造山带东段古生代的构造演化历史。二连浩特地区古生代的浅变质及未变质碎屑沉积岩分布广泛,岩性主要有长石砂岩、岩屑砂岩、粉砂岩,以及浅变质的千枚岩、云母片岩等。由于该套地层出露较差、被广泛分布的古生代花岗岩侵入,并且受到断层系统的切割,因而连续性较差且区域对比困难,导致目前对于该套地层的沉积时代划分及其形成时的构造背景等问题仍然存在不同认识。本研究系统采集了该套地层的碎屑沉积岩样品,其碎屑锆石多呈现典型的岩浆震荡环带,并且Th/U比值大部分大于0.4,说明主要为岩浆成因的锆石。根据碎屑沉积岩样品中最年轻的碎屑锆石来估算地层的最大沉积年龄,同时结合化石资料等前人的研究成果,重新厘定研究区古生代地层的沉积时代划分如下:乌宾敖包组碎屑沉积岩沉积于晚奥陶世或之后,而非形成于早—中奥陶世;在二连—贺根山蛇绿岩带内的崩巴图地区,原先被定为沉积于早石炭世、中泥盆世的碎屑沉积岩应该都是沉积于中二叠世或之后。二连浩特地区北部的查干敖包庙地区中,上奥陶—中泥盆统碎屑沉积岩中的碎屑锆石U-Pb年龄分布特征显示,其主要年龄分布区间为511～490 Ma,此外还有次要的年龄分布区间982～891 Ma,834～790 Ma和574 Ma左右,并且它们具有变化范围较大的εHf(t)值(-20.77～+16.94);上石炭—下二叠统碎屑沉积岩中的碎屑锆石U-Pb年龄分析结果显示,寒武纪—早石炭世(500～300 Ma)的岩浆锆石占绝对主导,且其年龄峰值较为单一,大致在410 Ma和336 Ma,并且这些锆石的εHf(t)值绝大部分为正(+1.30～+14.86),而前寒武纪的碎屑锆石极少。二连浩特地区南部的崩巴图地区中,中二叠统碎屑沉积岩中的碎屑锆石以寒武纪—中二叠世(517～261 Ma)的岩浆锆石为主,同时存在少量前寒武纪的碎屑锆石(2687～544Ma)。这些锆石的εHf(t)值变化范围总体较大,其中前寒武碎屑锆石的εHf(t)值大部分为负,古生代碎屑锆石中,年龄为500～350 Ma和300～261 Ma的碎屑锆石的εHf(t)值变化范围较大(-13.97～+15.31),而年龄介于350～300 Ma的碎屑锆石的εHf(t)值全部为正(+0.14～+16.00)。通过对二连浩特地区上奥陶—中二叠统碎屑沉积岩中碎屑锆石的U-Pb年代学和Hf同位素组成研究,可以得出以下认识:查干敖包庙地区上奥陶—中泥盆统的碎屑沉积物主要来自新元古代—早泥盆世的岩浆弧物质,尤其是寒武纪的岩浆弧物质。与周缘板块的碎屑沉积物组成及岩浆事件比对可以得到,其物源区主要为蒙古弧。上石炭—下二叠统的碎屑沉积物则主要来源于寒武纪—早石炭世岩浆弧,其主要源区为蒙古弧和北造山带。该套碎屑沉积岩中年轻的碎屑锆石(新远古之后)的比例远远高于年老的碎屑锆石(中元古之前),并且其εHf(t)值特征表明源区物质组成中除了有少量古老地壳重熔的产物以外,伴有大量古生代新生物质的加入,这些都指示该套碎屑沉积岩形成于活动大陆边缘。此外,对比不同时代地层样品的碎屑锆石年龄分布特征,可以看出,从上奥陶—中泥盆统到上石炭—下二叠统碎屑沉积岩,其碎屑锆石年龄峰呈现由多峰到单峰的变化,并且其εHf(t)值呈现出由变化范围较大(“有正有负”)到“全部为正”且分布集中的变化规律,这可能与石炭世时期贺根山洋盆的发育带来的构造环境变化有关。崩巴图地区中二叠统的碎屑沉积物主要来源于寒武纪—中二叠世新生的岩浆弧物质。与周缘板块的碎屑沉积物组成及岩浆事件比对可以得到,它们的源区主要为蒙古弧、二连—贺根山蛇绿岩带和北造山带。该套碎屑沉积岩中碎屑锆石的年龄组成与前述查干敖包庙地区相似,也显示出活动大陆边缘沉积物的特征。此外,根据古生代碎屑锆石的εHf(t)值随着其U-Pb年龄的变化关系,再结合区域上的岩浆事件记录,可以得到贺根山洋可能为弧后盆地属性,其持续时间大致为350～300 Ma,该时期内新生物质为物源区物质组成的绝对主导。洋盆的打开和闭合时间可能分别对应于εHf(t)值出现明显转变的350～330 Ma和300 Ma。在300 Ma之后,源区物质组成中有更多的古老陆壳再造产物加入,可能指示其构造环境开始向后造山的伸展阶段转化。岩浆岩方面,二连浩特地区发育的晚石炭—早二叠世高钾钙碱性花岗岩类岩石,根据其岩相学、地球化学及锆石Hf同位素组成特征,可以推断其可能来源于中亚造山带新生地壳或岩石圈地幔的部分熔融作用,并且岩浆在演化过程中经历了一定程度的结晶分异作用和轻微的陆壳混染作用。此外,通过不同时代花岗岩类岩石的地球化学及锆石Hf同位素组成的变化特征,再结合构造环境判别图,可以得到,晚石炭—早二叠世花岗岩类岩石形成于碰撞造山阶段向后造山阶段转化的构造背景下,可能与贺根山洋的关闭及后期地壳的伸展垮塌过程相关。综合分析前述古生代碎屑沉积岩物源分析、岩浆岩岩石成因及其构造环境研究的结果,可以推断,晚奥陶—中泥盆世时贺根山洋还没有打开,此时二连浩特主要受古亚洲洋北向俯冲作用的控制;石炭世时期,贺根山洋发育,其应为古亚洲洋演化过程中的次生洋盆,具弧后盆地属性;晚石炭—早二叠世,贺根山洋盆关闭,乌利亚斯太大陆边缘和北造山带沿着二连—贺根山一带碰撞拼合;中二叠世时,二连—贺根山一带的蛇绿岩已经侵位,二连浩特地区处于由碰撞造山阶段向后造山阶段转化的构造环境中,然而此时古亚洲洋主洋盆仍未关闭,还在继续俯冲。