中亚造山带位于西伯利亚克拉通、塔里木—华北克拉通之间，由众多岩浆弧、微型陆块、洋壳残留物拼合而成，期间伴随着显著的地壳增生事件^[1-5]。大兴安岭位于中亚造山带的东段，其中存在着相当数量的中酸性侵入体，这些花岗质岩石蕴藏着大量的岩石圈结构、组成和演化的信息^[5-8]，可以为研究中亚造山带的构造演化提供重要约束。杜尔基岩体出露于大兴安岭中南段，是该地区比较重要的岩体之一，然而，目前关于该岩体的成因争议依然很大^[9-10]，杜尔基花岗岩是否为典型的I型花岗岩以及它们的源区特征为何亟待研究，也只有理清这一点，才能更好对构造背景提供约束。本文报道了杜尔基花岗岩的矿物学和Hf同位素特征，期望对这一问题的解决有所帮助。

1.   地质背景

内蒙古兴安盟杜尔基花岗岩位于距乌兰浩特市西南约300 km，大地构造位置上处于古亚洲构造域和滨西太平洋构造域的叠加部位^[12-13]，区内分布着超过200000 km²华力西期和燕山期中酸性侵入体，享有“花岗岩海”之称^[14]。杜尔基花岗岩位于大兴安岭中南段（图 1），区内出露的地层主要有二叠纪大石寨组合林西组片理化凝灰质砂岩，主要分布在研究区南侧一带，侏罗纪玛尼吐组合满克头鄂博组凝灰岩分布较广，呈北东-南西向展布在研究区中，白垩纪梅勒图组安山质凝灰岩和角砾岩主要零星分布在研究区的西侧。另外，第四系在研究区分布广泛。以杜尔基镇为中心进行了野外调查，包含杜尔基镇北部区域、吐列毛杜区域、毛杜营子区域、新巴彦哈拉区域和杜尔基镇西部区域。野外路线为孟恩陶勒盖铅矿矿区-杜尔基南-杜尔基北-杜尔基林场-亚门毛都-毛杜营子-新巴彦哈拉-杜尔基西。杜尔基地区花岗岩整体发生不同程度的蚀变，呈黏土化、绿泥石化。在地貌上，杜尔基地区花岗岩二长花岗岩分布在杜尔基岩体东部，成岩时代约为130 Ma。二长花岗岩结构从中粗粒二长花岗岩向中细粒二长花岗岩逐渐过渡，主要组成矿物为斜长石（32%）、钾长石（45%）、石英（20%），次要矿物为黑云母、角闪石和辉石等暗色矿物（3%；图 2）。另外，岩石发生一定程度的蚀变，可见少量的绢云母。正长花岗岩在研究区中部和东部均有分布，根据前人的成果^{[7, 9, 11]}，位于中部的正长花岗岩的年龄为130 Ma，位于东部的正长花岗岩年龄为213 Ma^[10]，两个时代的正长花岗岩的结构和构造特征相似，均具有中粗粒结构，块状构造，主要组成矿物为石英（10%~15%）、钾长石（60%~70%）和斜长石（30%），次要矿物为黑云母（约5%），岩石发生轻度的黏土化和云母化。黑云母正长花岗岩主要分布在杜尔基岩体的东南部，江思宏等报道了其成岩时代为154 Ma左右^[9]，结构为中细粒结构，矿物组成为石英（15%）、钾长石（50%~60%）和斜长石（15%~20%），黑云母含量较高，约为10%。

图  1  杜尔基地区花岗岩地质简图（据文献[11]修改）

Figure  1.  Geological sketch map of Dorolj area (modified after reference [11])

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  2  杜尔基地区二长花岗岩镜下图解

a—二长花岗岩中的角闪石颗粒，单偏光；b—二长花岗岩中的辉石颗粒，正交偏光；Q—石英；Pl—斜长石；Cpx—单斜辉石；Am—角闪石

Figure  2.  Microscopic illustration of adamellite from Dorolj area

a-Amphibole grains in monzonitic granite, plane-polarized light; b-Pyroxene grains in monzonitic granite, crossed-polarized light; Q-Quartz; Pl-Plagioclase; Cpx-Clinopyroxene; Am-Amphibole

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.   测试方法

本文对杜尔基花岗岩中的二长花岗岩和正长花岗岩采取样品，进行了系统的矿物学和Hf同位素研究。首先将二长花岗岩和正长花岗岩制成标准的探针片，进行详细的薄片岩石学研究，电子探针测试在中国地质科学院矿产资源所电子探针实验室完成。实验条件为加速电压15 kV，电流1×10^-8 A，束斑2~5μm，分别对花岗岩中的长石、云母、角闪石和辉石等矿物进行测试，对分析的数据采取ZAF修正法校正。

锆石U-Pb微区Hf同位素测定分析在天津地质矿产研究所同位素实验室完成，在LA-MCICP-MS锆石U-Pb定年的基础上，进行锆石微区Hf同位素进行了分析，利用193 nm FX激光器对锆石进行剥蚀，激光剥蚀的斑束直径为50μm，能量密度为10~11 J/cm2，频率为8~10 Hz，激光剥蚀物质以He为载气送入Neptune（LA-MC-ICP-MS）。利用澳大利亚Macquarie大学大陆地球化学演化和矿床成因研究中心（GEMOC）标准锆石GJ-1（¹⁷⁶Hf/ ¹⁷⁷Hf=0.7325进行指数归一化校正）。详细测试流程及仪器运行条件等参见文献[15]。

3.   测试结果

3.1   矿物学

长石是花岗岩的主要组成矿物，其矿物组成如表 1所示。在二长花岗岩中，长石呈自形半自形板状，钾长石含量为35%~45%，粒度分布在0.15 mm×0.08 mm~5 mm×3.5 mm，斜长石含量约为30%~35%，粒度变化范围为0.1 mm×0.08 mm~5.2 mm×4 mm，且广泛发育条纹长石，其中钾长石为正长石，成分变化范围为Ab_2.19-14.75An_0.00-0.14Or_85.23-97.81，斜长石变化范围为Ab_88.73-99.71An_0.13-15.93Or_0.07-0.65，多为钠长石和更长石（图 3-a）。在位于杜尔基岩体东部的正长花岗岩（213 Ma）中，钾长石含量为60%~70%，粒度在(0.24~5.2) mm×7 mm，其成分变化范围为Ab_5.54-62.4An_0.00-1.15Or_36.45-94.46(图 3-a)，斜长石含量较低，多作为钠长石与钾长石构成条纹长石，其成分变化集中在Ab_97.3-98.23An_1.60-2.44Or_0.18-2.45范围内(图 3-a)。位于杜尔基岩体中部的正长花岗岩（130 Ma）中，钾长石为Na-正长石，斜长石为更长石（图 3-a）。

图  3  内蒙古杜尔基岩体二长花岗岩和正长花岗岩的矿物学图解

a—长石分类图解；b—云母分类图解（据[16]）；c—角闪石分类图解（据[17]）；d—辉石分类图解（据[18]）

Figure  3.  Mineralogical diagrams of the monzonitic granite and syenogranite in Doroji, Inner Mongolia

a-The classification of feldspar; b-The classification of biotite (after reference [16]); c-The classification of amphibole (after reference [17]); d-The classification of clinopyroxene (modified after reference [18])

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  1  杜尔基地区花岗岩长石电子探针数据（%）

Table  1.  Major element analyses of the feldspar in the Doroji granites（%）

下载: 导出CSV 

| 显示表格

另外，在二长花岗岩中，还含有一定量的暗色矿物，如云母、角闪石、辉石等。镜下观察显示，黑云母呈片状分布于长石和石英之间，含量约为2%，粒度变化范围为0.13 mm×0.15 mm~0.27 mm×0.5 mm，发育一组解理，可见深褐色异常干涉色，测试结果显示黑云母多为铁质黑云母和铁叶云母（表 2，图 3-b）。另外，角闪石和辉石作为粒间矿物出现，角闪石主要是韭闪石和普通角闪石（表 3，图 3-c），辉石为普通辉石（表 3，图 3-d）。

表  2  杜尔基地区花岗岩黑云母电子探针数据（%）

Table  2.  Major element analyses of the biotite in the Doroji granites（%）

下载: 导出CSV 

| 显示表格

表  3  杜尔基地区花岗岩角闪石电子探针数据（%）

Table  3.  Major element analyses of the amphibole in the Doroji granites（%）

下载: 导出CSV 

| 显示表格

3.2   Hf同位素

杜尔基花岗岩中的锆石呈短柱状、长柱状双锥自形晶，颗粒较大，长度为90~200μm，CL图像具有明显的振荡环带，呈现出岩浆锆石的典型特征。本次研究分别对二长花岗岩、正长花岗岩进行了Hf同位素分析，结果见表 4。对已完成U-Pb测年的32颗二长花岗岩（U-Pb年龄为131 Ma^[10]）中锆石的Hf同位素分析得出，¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf比值变化范围为0.282648~0.283189，平均值为0.282908，εHf(t)范围为-1.6~17.6，平均值为7.68，二阶段亏损地幔模式年龄（T_DM2）变化范围为581~1290 Ma。位于杜尔基岩体东部的正长花岗岩样品（U-Pb年龄为213 Ma^[10]）中，27个锆石测点¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf比值为0.282737~0.282989，平均值为0.282926，εHf(t)范围为3.3~12.2，平均值为10.11，二阶段亏损地幔模式年龄（T_DM2）变化范围497~1037 Ma。另外，对一颗U-Pb年龄为448 Ma的锆石的测试结果显示，初始¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf偏小（0.282390），εHf(t)值为-3.8。位于杜尔基岩体中部的正长花岗岩样品（U-Pb年龄为130 Ma[10）]中的锆石测点¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf比值为0.282844~0.282970，平均值为0.282910，εHf(t)范围为5.4~9.8，平均值为7.82，二阶段亏损地幔模式年龄（T_DM2）变化范围557~842 Ma。

表  4  杜尔基地区花岗岩辉石电子探针数据（%）

Table  4.  Major element analyses of the feldspar in the Doroji granites（%）

下载: 导出CSV 

| 显示表格

4.   讨论

4.1   矿物学对杜尔基花岗岩源区的指示

花岗岩的矿物学特征可以成为区分其类型的重要标志之一。不同类型的花岗岩往往会呈现出不同的矿物学组合，比如，S型花岗岩以出现过铝的矿物（白云母、铁铝榴石、堇青石等）为特征，A型花岗岩常出现富钠的角闪石和辉石，而I型花岗岩中普遍含有角闪石。根据本文的测试结果，二长花岗岩中并没有发现铁铝榴石等过铝矿物，暗色矿物主要为黑云母、角闪石和辉石，而且角闪石和辉石均不是富钠的变种，矿物学总体呈现出一个I型花岗岩的特征，指示其源区仍以火成岩为主。

4.2   Hf同位素对杜尔基花岗岩源区的制约

Zr和Hf具有相似的地球化学性质，二者可以通过类质同象存在于锆石中，锆石中可以含有1%~2%的HfO₂，同时具有极低的Lu/Hf比值（ < 0.002）^[19-20]，锆石形成后的Hf同位素受放射性同位素¹⁷⁶Lu衰变而形成的¹⁷⁶Hf影响较小。另外，锆石具有很高的Hf同位素封闭温度，有能力保留锆石的初始Hf同位素特征。因此，锆石Hf同位素常常作为研究岩石成因的有效手段^[21-22]，最新的研究表明，锆石Hf同位素对示踪花岗岩源区有着重要意义^[23-26]，如果花岗质岩石具有正的εHf(t)值，则被认为它们可能是起源于亏损地幔或者是新生地壳部分熔融的产物，若呈现出负的εHf(t)值，则说明花岗质岩石可能起源于古老地壳的重融^{[7, 27]}。杜尔基花岗岩中的二长花岗岩的εHf(t)值变化范围为-1.6~17.6，213 Ma的正长花岗岩的εHf(t)范围为3.3~12.2，130 Ma正长花岗岩的εHf(t)范围为5.4~9.8（图 4-a），由此可见，杜尔基地区花岗岩的Hf同位素特征以εHf(t)正值为特征，说明岩浆源区是以新生的地壳物质为主。通过数据统计显示，它们的初始¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf值集中分布在0.2829附近，εHf(t)值亦相互重叠（图 4-b），二阶段模式年龄分布在500~800 Ma，指示杜尔基花岗岩中各岩性单元可能来自于同一个源区。杜尔基地区花岗岩位于以NE走向为主的岩浆带中，呈现出I型花岗岩的特征，因此为地幔岩浆-热作用与地壳物质重熔的产物。

图  4  杜尔基地区岩体中锆石Hf同位素直方图和特征

Figure  4.  Hf isotopic histograms and features of zircons from the Doroji granites

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  5  杜尔基地区花岗岩 Hf同位素数据

Table  5.  Hf isotopic compositions of the Doroji granites

下载: 导出CSV 

| 显示表格

5.   结论

本文对杜尔基地区花岗岩中的主要岩性单元二长花岗岩和正长花岗岩做了系统的矿物学和Hf同位素研究。两种花岗岩均广泛发育条纹长石，二长花岗岩中的暗色矿物主要是黑云母、角闪石和辉石，而且不是碱性变种，指示其为I型花岗岩的矿物学特征。另外，结合锆石Hf同位素研究，表明起源于地幔的新生地壳物质在杜尔基地区花岗岩的形成中起主导作用。