早古生代古亞洲洋俯沖作用:來(lái)自新疆哈爾里克侵入巖的鋯石U-Pb 年代學(xué)、巖石地球化學(xué)和Sr-Nd 同位素證據(jù)*

馬星華 陳斌 王超 鄢雪龍

MA XingHua1，CHEN Bin2，3＊＊，WANG Chao3 and YAN XueLong3

1. 國(guó)土資源部成礦作用與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037

2. 合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，合肥 230009

3. 造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871

1. Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China

2. School of Resources and Environmental Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China

3. Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution，School of Earth and Space Sciences，Peking University，Beijing 100871，China

2014-03-26 收稿，2014-07-20 改回.

1 引言

中亞造山帶是顯生宙形成的大規(guī)模增生型造山帶，記錄了西伯利亞板塊與塔里木及華北克拉通相向匯聚、古亞洲洋俯沖消減，以及多種構(gòu)造單元(島弧、陸緣弧、俯沖增生雜巖和夾持其中的微陸塊等)相互碰撞、拼合的復(fù)雜演化歷史(Dobretsov et al.，1995;Chen et al.，2000;Xiao et al.，2004;Badarch et al.，2002)。位于新疆東天山的哈爾里克構(gòu)造帶是保存古亞洲洋板片俯沖、弧-陸碰撞等地質(zhì)過(guò)程證據(jù)的關(guān)鍵地區(qū)之一(Xiao et al.，2004)。然而，目前對(duì)于哈爾里克的地質(zhì)構(gòu)造背景仍存在較大分歧:一些學(xué)者認(rèn)為哈爾里克是形成于晚古生代的構(gòu)造巖漿活動(dòng)帶，主體為泥盆紀(jì)島弧(馬瑞士等，1993;樓法生和唐春花，1995;王賜銀等，1996;李文明等，2002);而一些學(xué)者則認(rèn)為泥盆紀(jì)時(shí)期該區(qū)為弧后盆地(李錦軼，2004)，或者已進(jìn)入后碰撞環(huán)境(孫桂華等，2005，2007)。另外，隨著新的1∶25 萬(wàn)和1∶5 萬(wàn)地質(zhì)填圖工作的進(jìn)行，區(qū)內(nèi)原有的大面積泥盆系地層被詳細(xì)分解為奧陶系、志留系和泥盆系(新疆地質(zhì)調(diào)查院，2002①新疆地質(zhì)調(diào)查院. 2002. 1∶25 萬(wàn)五堡幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告);同時(shí)，侵位于這些地層之中的中酸性巖體(過(guò)去一度被認(rèn)為形成于泥盆紀(jì)和石炭紀(jì);新疆地礦局區(qū)測(cè)大隊(duì)，1996②新疆地礦局區(qū)測(cè)大隊(duì). 1996. 1∶20 萬(wàn)伊吾幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告)，部分也被初步確定為早古生代的產(chǎn)物(曹福根等，2006;郭華春等，2006)。因此，哈爾里克活動(dòng)帶的形成是開始于早古生代還是晚古生代，以及其構(gòu)造屬性(島弧/弧后盆地/其它)等問題仍需要重新厘定，這對(duì)認(rèn)識(shí)中亞造山帶早期的構(gòu)造演化過(guò)程具有重要意義。

哈爾里克山脈相對(duì)于其鄰區(qū)(例如博格達(dá)地區(qū))地殼抬升強(qiáng)烈(王宗秀等，2003)，剝蝕程度較高，造成帶內(nèi)的深成巖基出露廣泛，這些侵入體成為揭示區(qū)內(nèi)地質(zhì)演化的理想研究對(duì)象。然而，目前對(duì)這些巖體的研究較少，已有文獻(xiàn)大多僅報(bào)道了巖體年齡(曹福根等，2006;郭華春等，2006)。本文選擇新疆哈密市至巴里坤縣S303 公路穿切的奧爾達(dá)烏臺(tái)克侵入體，開展了系統(tǒng)的鋯石U-Pb 年代學(xué)、巖石學(xué)、地球化學(xué)和Sr-Nd 同位素方面的研究，試圖闡明奧爾達(dá)烏臺(tái)克巖體的成因及其構(gòu)造背景，為理解哈爾里克活動(dòng)帶的地質(zhì)演化過(guò)程提供科學(xué)依據(jù)。

2 地質(zhì)背景和巖石學(xué)特征

哈爾里克造山帶在大地構(gòu)造位置上位于天山山脈東段，地理坐標(biāo)為:東經(jīng)93°00' ～96°15'，北緯42°30' ～43°20'，呈NWW-SEE 走向，西接博格達(dá)山脈，東臨甘肅北山，北側(cè)為西伯利亞南緣顯生宙陸緣增生造山帶，南側(cè)為吐哈盆地、大南湖等復(fù)合島弧帶和塔里木古陸(圖1)。

區(qū)域內(nèi)出露的地層主要為中-上奧陶統(tǒng)、下泥盆統(tǒng)、石炭系、下二疊統(tǒng)和中新生代地層(圖2)。奧陶系主要是一套海相地層，由烏列蓋組(O2-3w)巖屑砂巖、變泥質(zhì)粉砂巖、大理巖，以及大柳溝組(O2-3d)巖屑砂巖、凝灰?guī)r和火山熔巖夾少量凝灰質(zhì)砂巖構(gòu)成。泥盆系主要是大南湖組(D1d)塊狀安山質(zhì)凝灰角礫巖、安山玢巖和泥質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)砂巖和杏仁狀玄武巖等。石炭系地層由下石炭統(tǒng)雅滿蘇組(C1y)火山碎屑巖、凝灰質(zhì)角礫巖和上石炭統(tǒng)居里得能組(C2j)火山碎屑巖、泥質(zhì)炭質(zhì)粉砂巖夾礫巖和凝灰?guī)r組成，與下覆泥盆系地層不整合接觸。下二疊統(tǒng)地層為庫(kù)菜組(P1k)礫巖、砂巖、粉砂巖夾少量火山熔巖和火山碎屑巖。侏羅系地層主要由泥巖、砂巖和礫巖構(gòu)成，與下覆二疊系地層呈角度不整合接觸。新生代地層主要為泥巖和砂巖，不整合于侏羅系地層之上。

區(qū)內(nèi)的斷層主要沿NWW-SEE 向分布，例如踏勒弧形斷裂、口門子韌性剪切帶和小鋪南韌性剪切帶等，與區(qū)域上的深大斷裂走向一致(圖1)。沿此方向出露有大面積的侵入巖(圖2)，巖石類型主要有黑云母花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖和輝長(zhǎng)巖。已有的年代學(xué)資料表明，巖體的形成時(shí)間可分為早古生代(462 ～430Ma)和晚古生代(316 ～294Ma)兩期(圖2)。早古生代巖體出露面積相對(duì)較小，但分布區(qū)域很廣泛，巖性包括花崗巖、閃長(zhǎng)巖和輝長(zhǎng)巖，主要侵位于中-上奧陶統(tǒng)地層中(曹福根等，2006;郭華春等，2006)，并顯示一定的變形和礦物蝕變特征(孫桂華，2007)。晚古生代侵入巖主要形成于晚石炭世和二疊紀(jì)，出露面積較大，遍及哈爾里克大部分地區(qū)(圖2)，巖石類型包括黑云母花崗巖、堿性花崗巖和少量閃長(zhǎng)巖(趙明等，2002;孫桂華等，2005;孫桂華，2007)，大部分巖石顯示無(wú)變形的塊狀構(gòu)造特征(孫桂華等，2007b)。除深成巖基外，區(qū)內(nèi)還發(fā)育大量的輝綠巖墻和閃長(zhǎng)玢巖巖脈，形成時(shí)代以二疊紀(jì)為主(孫桂華，2007)。

圖1 中亞造山帶及鄰區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖(a，據(jù)Jahn et al.，2000 修編)和哈爾里克造山帶及鄰區(qū)構(gòu)造地質(zhì)簡(jiǎn)圖(b 據(jù)Xiao et al.，2004 修編)Fig.1 Geological sketch map of the Central Asian Orogenic Belt and adjacent region (a，modified after Jahn et al.，2000)and structural geological map of the Harlik orogenic belt and adjacent region (b，modified after Xiao et al.，2004)

圖2 哈爾里克造山帶地質(zhì)圖(據(jù)孫桂華，2007 修編)Fig.2 Geological map of the Harlik orogenic belt (modified after Sun，2007)

圖3 奧爾達(dá)烏臺(tái)克巖體野外地質(zhì)照片(a)輝長(zhǎng)巖;(b)鎂鐵質(zhì)巖漿包體(MME)及寄主閃長(zhǎng)巖;(c)花崗閃長(zhǎng)巖;(d)輝綠巖巖墻Fig.3 Rock types of the Ordautec pluton from the Harlik orogenic belt(a)gabbro;(b)MME and the host diorite;(c)granodiorite;(d)diabase dike

本文研究的奧爾達(dá)烏臺(tái)克巖體位于哈爾里克構(gòu)造帶的西段(圖2)，出露的巖體由一套成份連續(xù)的巖石組合構(gòu)成，侵位于中奧陶統(tǒng)火山碎屑巖夾凝灰質(zhì)砂巖地層中。主要巖石類型從基性到酸性包括輝長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖和花崗閃長(zhǎng)巖(圖3)，以偏基性和中性的巖石類型為主，各巖石單元間不存在截然的接觸關(guān)系，空間上密切共生，總體呈灰綠-灰白色(圖3a-c)，存在不同程度的變形特征。巖體中普遍發(fā)育鎂鐵質(zhì)暗色包體(MME)(圖3b)，包體大小通常在幾厘米到幾十厘米之間，與寄主巖石的界限復(fù)雜多樣，或截然分明或模糊過(guò)渡(圖3b)。此外，研究區(qū)內(nèi)可見輝綠巖墻穿切其它各類巖基(圖3d)，是區(qū)內(nèi)較晚巖漿活動(dòng)的表現(xiàn)。

輝長(zhǎng)巖呈灰綠色，塊狀構(gòu)造(圖3a)，具有中粒堆晶結(jié)構(gòu)(圖4a)，主要造巖礦物包括斜長(zhǎng)石(40% ～85%)、單斜輝石(15% ～30%)、普通角閃石(5% ～10%)和少量橄欖石(＜5%);副礦物有磁鐵礦(3% ～8%)、磷灰石、榍石和鋯石等。輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖與輝長(zhǎng)巖呈漸變關(guān)系，中粒結(jié)構(gòu)，局部也可見堆晶結(jié)構(gòu)，礦物組合與輝長(zhǎng)巖類似。輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖與輝長(zhǎng)巖中的角閃石和斜長(zhǎng)石存在不同程度的綠泥石化和高嶺土化(圖4a)。

閃長(zhǎng)巖為中粒結(jié)構(gòu)(圖4b)，主要造巖礦物包括斜長(zhǎng)石(30% ～65%)、角閃石(25% ～40%)、石英(5% ～10%)和黑云母(5%)，其中角閃石、黑云母存在不同程度的綠泥石化蝕變;副礦物主要是榍石、鋯石、磷灰石和磁鐵礦(圖4b)。發(fā)育在其中的暗色包體呈橢圓或水滴狀(圖3b)，細(xì)粒結(jié)構(gòu)(圖4c)，主要為輝長(zhǎng)或閃長(zhǎng)質(zhì)成份，礦物組成包括斜長(zhǎng)石(35% ～60%)、角閃石(10% ～30%)、石英(5% ～10%)、黑云母(5% ～10%)和少量輝石(～5%)，副礦物為磁鐵礦、榍石以及針狀或短柱狀結(jié)構(gòu)的磷灰石(圖4c)。

花崗閃長(zhǎng)巖為中粒結(jié)構(gòu)(圖4d)，顯示出一定的變形特征，綠泥石和高嶺石化蝕變較為明顯，主要礦物包括斜長(zhǎng)石(30% ～40%)、鉀長(zhǎng)石(15% ～20%)、石英(15% ～25%)、角閃石(5% ～15%)和黑云母(3% ～5%)，斜長(zhǎng)石存在不平衡環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖4d);副礦物有鋯石、榍石、磷灰石和磁鐵礦等(圖4d)。

圖4 奧爾達(dá)烏臺(tái)克巖體顯微照片(a)輝長(zhǎng)巖;(b)閃長(zhǎng)巖;(c)鎂鐵質(zhì)暗色包體;(d)花崗閃長(zhǎng)巖.礦物縮寫:Cpx-單斜輝石;Hb-角閃石;Pl-斜長(zhǎng)石;Ksp-鉀長(zhǎng)石;Qtz-石英;Ap-磷灰石;Mag-磁鐵礦Fig. 4 Petrographic microphotographs of the Ordautec pluton(a)gabbro;(b)diorite;(c)mafic enclaves;(d)granodiorite.Cpx-clinopyroxene;Hb-hornblende;Pl-plagioclase;Ksp-potassium feldspar;Qtz-quartz;Ap-apatite;Mag-magnetite

3 樣品和分析方法

進(jìn)行鋯石U-Pb 定年的兩件樣品分別取自閃長(zhǎng)巖(HK-65)及內(nèi)部的鎂鐵質(zhì)巖漿包體(HK-63)。具體操作流程為:首先通過(guò)重力和磁選方法從巖石樣品中分選出鋯石，與標(biāo)準(zhǔn)鋯石(QH)一起制備成環(huán)氧樹脂靶。經(jīng)過(guò)拋光、清洗處理后，進(jìn)行透射光、反射光和陰極發(fā)光(CL)掃描電子顯微鏡照相(圖5)。鋯石U-Pb 年齡測(cè)定在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)科學(xué)研究院地學(xué)實(shí)驗(yàn)中心LA-ICP-MS 實(shí)驗(yàn)室完成。實(shí)驗(yàn)獲得的同位素比值采用Glitter 程序處理，普通鉛校正采用Andersen(2002)方法，數(shù)據(jù)處理、年齡諧和曲線及加權(quán)平均值計(jì)算采用Ludwig(2003)Isoplot(3.0)軟件。

經(jīng)過(guò)詳細(xì)的顯微鏡下觀察，選擇10 件相對(duì)新鮮的巖石樣品進(jìn)行主、微量元素地球化學(xué)分析。主量元素測(cè)試在南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心實(shí)驗(yàn)室ARL9800XP 型X 射線熒光光譜儀上測(cè)試，使用Li2B4O7和LiBO2(67∶33)混合熔劑和加拿大Glaisse 高溫自動(dòng)燃?xì)馊蹣訖C(jī)制樣，測(cè)試條件為X 射線工作電壓40kV，電流60mA。微量和稀土元素分析在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)科學(xué)研究院地學(xué)實(shí)驗(yàn)中心采用ICP-MS 方法完成，分析精度優(yōu)于5%。

圖5 奧爾達(dá)烏臺(tái)克閃長(zhǎng)巖(HK-65)和鎂鐵質(zhì)暗色包體(HK-63)鋯石陰極發(fā)光(CL)圖像及其U-Pb 年齡諧和圖Fig.5 Cathodoluminescence (CL)images and U-Pb concordia diagrams of zircons from the Ordautec diorites (HK-65)and mafic magmatic enclaves (HK-63)from the Harlik orogenic belt

對(duì)10 件樣品進(jìn)行了全巖Sr-Nd 同位素分析。Sr-Nd 同位素前處理在北京大學(xué)造山帶與地殼演化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室超凈分離實(shí)驗(yàn)室完成，樣品測(cè)試在天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所Triton 質(zhì)譜儀上完成，詳細(xì)實(shí)驗(yàn)處理流程和分析方法參考Chen et al.(2000)。

4 年代學(xué)及地球化學(xué)特征

4.1 鋯石U-Pb 年齡結(jié)果

陰極發(fā)光(CL)圖像顯示兩件樣品(HK-65、HK-63)鋯石結(jié)晶呈長(zhǎng)柱狀或六方雙錐狀，條紋環(huán)帶清晰，晶形完整(圖5)，Th/U 值分別為0.55 ～0.97 和0.63 ～1.17，為典型的巖漿鋯石。鋯石U-Pb 同位素測(cè)試結(jié)果列于表1 中，普通Pb 根據(jù)所測(cè)204Pb 校正，206Pb/238U-207Pb/235U 諧和年齡圖示于圖5。

樣品HK-65 取自?shī)W爾達(dá)烏臺(tái)克巖體中的閃長(zhǎng)巖，LAICP-MS 鋯石U-Pb 測(cè)試結(jié)果顯示，29 個(gè)分析點(diǎn)都集中分布在諧和曲線上，其中1 顆鋯石(分析點(diǎn)5)落在諧和曲線附近(圖5a)，可能由Pb 丟失所致。所有分析點(diǎn)給出的206Pb/238U加權(quán)平均年齡為447 ±2Ma，MSWD 為0.1，代表閃長(zhǎng)巖的形成年齡。樣品HK-63 取自閃長(zhǎng)巖中的暗色包體(圖3b)，29個(gè)鋯石分析點(diǎn)也都很好地分布在諧和線上或其附近(圖5b)，獲得的206Pb/238U 加權(quán)平均年齡為452 ±2Ma，MSWD 為0.2，代表包體的結(jié)晶年齡。由鋯石U-Pb 年代學(xué)分析結(jié)果可知，閃長(zhǎng)巖和其內(nèi)部包體的年齡在誤差范圍內(nèi)一致，表明兩者基本同時(shí)形成，均為晚奧陶世。

4.2 主、微量元素特征

奧爾達(dá)烏臺(tái)克巖體的全巖主、微量數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表2和圖6。整體來(lái)看，由于巖性復(fù)雜多樣，從輝長(zhǎng)巖(HK-67、HK-68)、輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖(HK-66、HK-69)、閃長(zhǎng)巖(HK-62、HK-65)到花崗閃長(zhǎng)巖(HK-61)，成份組成變化較大，SiO2含量從42.5%變化到70.3%，MgO 為1.1% ～6.0%，F(xiàn)e2O3T 為3.7% ～17.7%，CaO 為3.3% ～9.8%，全堿Na2O + K2O =3.2 ～6.7，Na2O ＞K2O(Na2O/K2O =1.8 ～13.3)，大部分樣品屬于中鉀-高鉀鈣堿性巖漿系列(圖6a)。其中3 件暗色包體(HK-60、HK-63、HK-64)均為閃長(zhǎng)質(zhì)成份，SiO2含量為54.6% ～57.3%，MgO 為4.0% ～5.2%，F(xiàn)e2O3T 為8.5% ～9.5%，CaO 為6.3% ～6.9%，也主要屬于中鉀鈣堿性巖漿系列(圖6a)。

輝長(zhǎng)巖和輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖稀土含量相對(duì)較高，富集輕稀土(LREE)和大離子親石元素(Ba、K、Rb、Pb)(圖7a，b)，略虧損Nb 和Ta，同時(shí)存在明顯的Eu 正異常，可能與該套巖石形成過(guò)程中發(fā)生斜長(zhǎng)石堆晶作用有關(guān)，這與鏡下觀察的斜長(zhǎng)石和輝石構(gòu)成堆晶結(jié)構(gòu)一致(圖4a)。閃長(zhǎng)巖也具有輕稀土富集的右傾式稀土配分模式(圖7a)以及富集K、Sr、Rb、Ba 等元素的特征(圖7b)，但Eu 異常不明顯(δEu=0.93 ～1.14)，可能指示巖漿具有較高的氧逸度(fO2)(Rollinson，1993)或者巖漿演化過(guò)程中斜長(zhǎng)石沒有發(fā)生顯著的分離結(jié)晶或堆晶作用。花崗閃長(zhǎng)巖稀土配分模式具有明顯Eu 負(fù)異常(δEu=0.67)(圖7a)以及存在Sr、Ti、P 的虧損(圖7b)，反映斜長(zhǎng)石、榍石、磷灰石等礦物的分離結(jié)晶。包體與寄主巖石閃長(zhǎng)巖的微量元素特征類似，相對(duì)更虧損Nb、Ta、P 和Ti(圖7b)。值得注意的是，原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖中微量元素分布模式(圖7)一致指示奧爾達(dá)烏臺(tái)克巖體(包括暗色包體)均具有虧損Nb、Ta、Ti 等高場(chǎng)強(qiáng)元素以及富集Ba、Rb、Th、LREE 等

大離子親石元素特征，這與典型弧巖漿的元素地球化學(xué)性質(zhì)十分類似(Rogers and Hawkesworth，1989;Rollinson，1993)。

表1 哈爾里克造山帶奧爾達(dá)烏臺(tái)克閃長(zhǎng)巖及包體的LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 定年數(shù)據(jù)Table 1 LA-ICP-MS U-Pb data of zircons from the Ordautec diorite and enclave from the Harlik orogenic belt

表2 哈爾里克造山帶奧爾達(dá)烏臺(tái)克侵入巖主量(wt%)、微量(×10 -6)元素分析結(jié)果Table 2 Major (wt%)and trace (×10 -6)elements data of the Ordautec pluton in the Harlik orogenic belt

圖6 哈爾里克造山帶奧爾達(dá)烏臺(tái)克巖體Harker 圖解圖8、圖10、圖11 的圖例同此圖Fig.6 Harker diagrams for the Ordautec pluton in the Harlik orogenic belt

4.3 Sr-Nd 同位素特征

盡管巖石類型不同，奧爾達(dá)烏臺(tái)克巖體從基性輝長(zhǎng)巖到偏酸性花崗閃長(zhǎng)巖的Sr-Nd 同位素組成變化不大，共同的特征是均具有高放射性Nd(εNd(t)值都大于0)和低(87Sr/86Sr)i比值(表3、圖8)。由表3 可知，除1 個(gè)閃長(zhǎng)巖樣品具有最高的εNd(t)值(+8.2)和最低的87Sr/86Sr(i)值(0.7031)外，其余樣品的εNd(t)值介于+4.4 至+5.9 之間，(87Sr/86Sr)i值為0.7032 ～0.7044。根據(jù)Nd 同位素獲得的模式年齡(tDM)為517 ～829Ma。在εNd(t)-(87Sr/86Sr)i圖上數(shù)據(jù)點(diǎn)基本落在地幔Sr-Nd 同位素演化序列范圍內(nèi)(圖8)，暗示巖漿很可能起源于同位素組成虧損的年輕地幔源區(qū)。

5 討論

5.1 巖石成因和基底性質(zhì)

5.1.1 殼幔巖漿混合作用

圖7 哈爾里克造山帶奧爾達(dá)烏臺(tái)克巖體稀土(a)和微量(b)元素圖解Fig.7 Chondrite-normalized rare earth elements patterns (a)and primitive mantle-normalized trace elements diagrams (b)for the Ordautec pluton in the Harlik orogenic belt

圖8 哈爾里克造山帶奧爾達(dá)烏臺(tái)克侵入巖Sr-Nd 同位素圖解Fig.8 εNd (t)vs. (87 Sr/86 Sr)i plot for the Ordautec pluton，the Harlik orogenic belt

如前所述，奧爾達(dá)烏臺(tái)克巖體中發(fā)育鎂鐵質(zhì)暗色包體，呈塑性拉長(zhǎng)的水滴狀或橢圓狀(圖3b)，具有典型的巖漿結(jié)晶結(jié)構(gòu)(圖4c)。這些特征表明包體為巖漿成因，曾經(jīng)與寄主巖石以巖漿形式共存，后來(lái)與寄主巖漿同時(shí)固結(jié)，兩者的鋯石U-Pb 年齡在誤差范圍內(nèi)近一致。包體中偏基性的成份，很可能代表來(lái)自地幔、高溫、演化的巖漿，包體具有細(xì)粒結(jié)構(gòu)以及發(fā)育針狀或短柱狀磷灰石反映包體巖漿注入到相對(duì)低溫的寄主巖漿時(shí)因溫度突然降低而發(fā)生過(guò)淬冷作用

(Holden et al.，1987;Chen et al.，2008;Feeley et al.，

2008)，而同源巖漿堆晶體模式(Noyes et al.，1983)或難熔的殘留體模式(Chappell et al.，1987;White et al.，1999)都不能解釋包體的這些特征。

圖9 奧爾達(dá)烏臺(tái)克巖體SiO2-Mg#圖解(玄武巖實(shí)驗(yàn)熔體數(shù)據(jù)引自Rapp and Watson，1995)Fig. 9 SiO2-Mg# diagram for the Ordautec pluton (the experimental data for basalts from Rapp and Watson，1995)

暗色包體巖漿注入到寄主巖漿后，與寄主巖漿發(fā)生了晶體和化學(xué)交換，主要證據(jù)包括:(1)包體中發(fā)育長(zhǎng)石捕擄晶(圖3b)，主要來(lái)自寄主巖漿較早結(jié)晶的礦物，此時(shí)的寄主巖漿因晶體與熔體共存而往往具有“晶粥”狀，包體注入時(shí)很容易捕獲寄主巖漿中已經(jīng)結(jié)晶的礦物(賀敬博和陳斌，2011);(2)同時(shí)，未固結(jié)的寄主巖漿也會(huì)混入來(lái)自包體中早期結(jié)晶的礦物，寄主巖石中常見斜長(zhǎng)石不平衡結(jié)構(gòu)(圖4d)，大量的研究表明這種不平衡結(jié)構(gòu)是成份不同的兩種巖漿發(fā)生混合的結(jié)果(Kemp，2004;Chen et al.，2008;Ma et al.，2013);(3)與玄武巖(基性下地殼)實(shí)驗(yàn)熔體相比(Mg#＜40;Rapp and Watson，1995)，閃長(zhǎng)巖及花崗閃長(zhǎng)巖具有更高的Mg#值(42 ～58)(圖9)，指示它們不可能是單一的殼源花崗質(zhì)熔體，Mg#值的偏高與幔源基性巖漿的加入有關(guān)(Chen et al.，2008);(4)在εNd(t)與SiO2、MgO、V、Sc 協(xié)變關(guān)系圖上(圖10)，除一個(gè)閃長(zhǎng)巖樣品(HK-62)外(后文討論)，其余樣品的εNd(t)值隨SiO2含量的升高和MgO、V、Sc 含量的降低而減小，構(gòu)成很好的線性演化趨勢(shì)(圖10)，是元素和同位素組成均不相同的兩種巖漿相互混合的表現(xiàn)。因此，這些證據(jù)都表明無(wú)論是包體還是寄主巖石都經(jīng)歷了晶體和化學(xué)物質(zhì)交換，均是由兩種巖漿混合而成，很可能分別是來(lái)自地幔和地殼部分熔融形成的基性和酸性巖漿。

表3 哈爾里克造山帶奧爾達(dá)烏臺(tái)克侵入巖Sr-Nd 同位素分析結(jié)果Table3 Sr-Nd isotopiccompositionsoftheOrdautecpluton in theHarlik orogenicbelt

5.1.2 地幔和地殼端元組成

奧爾達(dá)烏臺(tái)克巖體巖石類型豐富多樣，從輝長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖到花崗閃長(zhǎng)巖，構(gòu)成成份連續(xù)的巖石組合序列，偏基性的輝長(zhǎng)巖和偏酸性的花崗閃長(zhǎng)巖很可能最接近兩個(gè)巖漿端元(雖然存在一定的混合或混染)，基本可以用來(lái)反演巖漿源區(qū)的組成和性質(zhì)。

輝長(zhǎng)巖以及其它偏基性的巖石(暗色包體)應(yīng)該代表來(lái)自地幔、演化的巖漿。這些巖石中的角閃石普遍呈自形，指示富H2O 條件下較早結(jié)晶，副礦物常見榍石和磁鐵礦(圖4)，反映巖漿為高fO2的濕巖漿體系(Baldwin and Pearce，1982)。此外，這些巖石都具有輕稀土和大離子親石元素富集的特征(圖7)，說(shuō)明地幔源區(qū)應(yīng)該是微量元素富集的巖石圈地幔，很可能與俯沖流體的交代作用有關(guān)。高放射成因Nd 及低87Sr/86Sr(i)值的Sr-Nd 同位素組成特征表明這種地幔源區(qū)的同位素組成類似于虧損地幔，因此這種地幔很可能是被交代不久或正被改造(同俯沖)的年輕地幔(Dupuy et al.，1982;Sajona et al.，1996;Winter，2001)?？紤]到巖體顯示出典型島弧巖漿巖的地球化學(xué)特征，例如不但富集Ba、Rb、Sr、LREE 等大離子親石元素，還明顯虧損Nb、Ta、Ti 等高場(chǎng)強(qiáng)元素，以及低La/Yb 值(圖7)，并且根據(jù)La/Yb vs. Sc/Ni、Ti/100-Zr-3Y、Hf/3-Th-Ta 和2Nb-Zr/4-Y 構(gòu)造環(huán)境判別圖(圖11)所指示的巖漿屬于大洋島弧和鈣堿性火山巖(Rollinson，1993)，因此我們認(rèn)為奧爾達(dá)烏臺(tái)克偏基性巖石應(yīng)該主要來(lái)自正在被俯沖流體交代的巖石圈地幔。

幔源巖漿的底侵所帶來(lái)的高熱促使下地殼巖石發(fā)生部分熔融，形成花崗質(zhì)巖漿，并與玄武質(zhì)巖漿混合而形成混漿，隨后經(jīng)歷鎂鐵質(zhì)礦物和富鈣斜長(zhǎng)石的分離結(jié)晶而形成奧爾達(dá)烏臺(tái)克巖體的不同巖石類型。區(qū)內(nèi)的花崗閃長(zhǎng)巖很可能代表了偏酸性端元，應(yīng)該主要來(lái)自下地殼源區(qū)的部分熔融，但有少量的幔源物質(zhì)加入?；◢忛W長(zhǎng)巖同樣含有較自形的角閃石、原生磁鐵礦和榍石副礦物，也反映了巖漿富H2O、高fO2的特征。相比而言，區(qū)內(nèi)常見的鉀長(zhǎng)花崗巖和堿長(zhǎng)花崗巖，則很可能代表了單一的下地殼熔體，由麻粒巖相的源區(qū)物質(zhì)熔融生成，因此巖漿是相對(duì)貧水的(Chen and Arakawa，2005)。所以，奧爾達(dá)烏臺(tái)克花崗閃長(zhǎng)巖正是由于殼源貧水的巖漿混入了來(lái)自深部地幔含水的基性巖漿，才使得巖漿向富H2O、fO2轉(zhuǎn)變，這與世界其它地區(qū)典型島弧巖漿巖的形成過(guò)程是類似的，例如澳大利亞Lachlan 島弧(Blevin and Chappell，1995)、日本島弧(Hunter and Blake，1995)。

5.1.3 基底性質(zhì)

圖10 奧爾達(dá)烏臺(tái)克巖體εNd(t)對(duì)SiO2、MgO、V、Sc 圖解Fig.10 εNd(t)vs. SiO2，MgO，V and Sc diagrams for the Ordautec pluton

圖11 哈爾里克造山帶奧爾達(dá)烏臺(tái)克巖體構(gòu)造環(huán)境判別圖解(a)圖據(jù)Bailey (1981);(b)圖據(jù)Pearce and Cann (1971)，其中A 區(qū)為島弧拉斑玄武巖，B 區(qū)是MORB、島弧拉斑玄武巖和鈣堿性玄武巖，C 區(qū)是鈣堿性玄武巖，D 區(qū)是板內(nèi)玄武巖;(c)圖據(jù)Wood et al. (1979)，其中A 區(qū)N-MORB，B 區(qū)是E-MORB 和板內(nèi)拉斑玄武巖，C 區(qū)是板內(nèi)堿性玄武巖，D 區(qū)是火山弧玄武巖;(d)圖據(jù)Meschede (1986)，其中AI 區(qū)為板內(nèi)堿性玄武巖，AII 區(qū)為板內(nèi)堿性和拉斑玄武巖，B 區(qū)是EMORB，C 區(qū)是火山弧玄武巖和板內(nèi)拉斑玄武巖，D 區(qū)是火山弧玄武巖和N-MORBFig.11 Tectonic discrimination diagrams for the Ordautec pluton in the Harlik orogenic belt

圖12 奧爾達(dá)烏臺(tái)克巖體的Sr-Nd 同位素模擬虧損地幔:Sr =20 ×10 -6，ISr(t)=0.7025，Nd =1.2 ×10 -6，εSr(t)= +12;俯沖沉積物:Sr=200 ×10 -6，ISr(t)=0.7120，Nd=20 ×10 -6，εSr(t)= -8;天山TTG:Sr =620 ×10 -6，ISr(t)=0.70746，Nd=26 ×10 -6，εSr(t)= -31Fig.12 Sr-Nd isotopic modeling diagrams for the Ordautec pluton

目前，對(duì)于包括哈爾里克在內(nèi)的東天山地區(qū)的地殼存在:(1)前寒武紀(jì)古老陸殼(成守德等，2009)和(2)年輕陸殼(古生代大洋島弧雜巖和洋殼等)(Carroll et al.，1990;Chen and Jahn，2004;Chen and Arakawa，2005)兩種截然不同的認(rèn)識(shí)。為了查明這一問題，我們對(duì)可能存在的古老陸殼進(jìn)行了二端元混合模擬計(jì)算，選擇區(qū)內(nèi)古生代蛇綠巖的同位素組成(Miao et al.，2008)代表虧損地幔端元的成分，以天山的TTG 巖石代表下地殼成份，以現(xiàn)代俯沖沉積物代表上地殼成份(Plank and Lanmuir，1998)。模擬結(jié)果顯示(圖12)，奧爾達(dá)烏臺(tái)克巖體的所有樣品基本都分布在虧損地幔分別與俯沖沉積物和TTG 模擬曲線之間，比較靠近虧損地幔端元，表明混入的古老地殼物質(zhì)很少(＜1.5%)，因此哈爾里克地區(qū)不存在古老的陸殼，而是以古生代以來(lái)的年輕陸殼為主。這與孫桂華等(2007)對(duì)哈爾里克地區(qū)石炭紀(jì)砂巖中的碎屑鋯石的年齡統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致，其年齡主要集中在418 ～482Ma 之間，指示鋯石原巖的時(shí)代應(yīng)該不老于早奧陶紀(jì)，這也與區(qū)域上僅出露奧陶系和志留系地層而不見更老地層相吻合(新疆地質(zhì)調(diào)查院，2002)。

綜上可知，奧爾達(dá)烏臺(tái)克巖體應(yīng)該是形成于早古生代古亞洲洋島弧俯沖作用，由富集巖石圈地幔和年輕下地殼起源的兩種巖漿發(fā)生不同程度混合并后來(lái)經(jīng)歷一定演化(堆晶或分離結(jié)晶)的結(jié)果。如前文所示，巖漿混合導(dǎo)致奧爾達(dá)烏臺(tái)克巖體的εNd(t)值與主微量元素顯示很好的相關(guān)性(圖10)。值得注意的是，1 個(gè)閃長(zhǎng)巖樣品(HK-62)具有明顯高的εNd(t)值(+8.2)，我們認(rèn)為該閃長(zhǎng)巖很可能代表了地幔玄武質(zhì)巖漿直接分離結(jié)晶的產(chǎn)物，其受到地殼物質(zhì)混染的程度較弱，同位素組成基本能夠代表當(dāng)時(shí)地幔源區(qū)的同位素組成。因此，從地殼生長(zhǎng)的角度來(lái)看，殼幔巖漿混合作用和幔源巖漿的直接供給均是導(dǎo)致中亞造山帶地殼增生的重要方式。

圖13 哈爾里克構(gòu)造帶及鄰區(qū)地質(zhì)演化示意圖Fig.13 Cartoon showing the tectonic evolution of the Harlik orogenic belt and adjacent region

5.2 對(duì)古亞洲洋構(gòu)造演化過(guò)程的制約

過(guò)去哈爾里克一帶一直被認(rèn)為是華力西期構(gòu)造巖漿活動(dòng)帶，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為其為泥盆紀(jì)島弧(馬瑞士等，1993;樓法生和唐春花，1995;王賜銀等，1996;李文明等，2002)或弧后盆地(李錦軼，2004)，而本文對(duì)奧爾達(dá)烏臺(tái)克島弧巖漿巖組合的確立，證實(shí)了哈爾里克早古生代巖漿弧的存在，將古亞洲洋俯沖作用的時(shí)間追溯至奧陶紀(jì)。

Xiao et al.(2004)曾將哈爾里克和大南湖構(gòu)造帶歸為開始于早古生代的統(tǒng)一島弧(圖1)，認(rèn)為克拉麥里洋向南的俯沖和沿康古爾塔格深大斷裂向北的俯沖導(dǎo)致晚古生代期間(泥盆紀(jì)-中石炭世)島弧發(fā)生南北向裂解，最終形成雙島弧帶(哈爾里克、大南湖)與弧間盆地(吐哈盆地)并存的格局(圖1)。基于本文對(duì)奧爾達(dá)烏臺(tái)克巖體的研究，結(jié)合區(qū)內(nèi)已有的巖漿及碎屑鋯石年代學(xué)數(shù)據(jù)(趙明等，2002;郭華春等，2006;孫桂華等，2007)，以及來(lái)自古生物化石(周濟(jì)元，1987)、蛇綠巖(Hu et al.，2000;Wang et al.，2003)、礦床(芮宗瑤等，2002;王義天等，2006)和大地構(gòu)造(李錦軼，2004;Xiao et al.，2004)方面的資料，我們認(rèn)為哈爾里克構(gòu)造帶及鄰區(qū)的地質(zhì)演化過(guò)程可能大致如下(圖13 所示):

(1)早古生代(或更早)西伯利亞克拉通與塔里木板塊相向匯聚，洋片俯沖導(dǎo)致多個(gè)島弧和陸緣弧的形成(圖13a)。哈爾里克島弧是奧陶紀(jì)克拉麥里洋向南俯沖的結(jié)果，與北方的南安加拉活動(dòng)陸緣構(gòu)成雙向俯沖巖漿弧(圖13a)。南側(cè)庫(kù)米什洋向北的俯沖導(dǎo)致中天山島弧的形成，而最南端成為塔里木被動(dòng)陸緣(圖13a)。并且，在這一時(shí)期形成了與島弧或陸緣弧巖漿作用相關(guān)的大批斑巖型Cu、Au 礦床和海相火山-次火山巖型磁鐵礦礦床，例如大紅山金礦等(王元龍和成守德，2001;芮宗瑤等，2002;李文淵等，2012)。

(2)至泥盆紀(jì)時(shí)期，沿著哈爾里克島弧南緣向北的俯沖作用導(dǎo)致大南湖島弧從哈爾里克島弧中裂解出來(lái)(圖13b)，進(jìn)而在兩者之間形成了吐哈弧間盆地(Xiao et al.，2004)，該盆地可能一直出現(xiàn)到造山作用結(jié)束形成殘余洋盆(圖13c)。至早石炭世末期，隨著俯沖洋殼的繼續(xù)消減，大洋最終消失、閉合(Coleman，1989;Bazhenov et al.，2003)，各地體間陸續(xù)發(fā)生碰撞和拼貼，最后形成陸緣弧、島弧、蛇綠巖、增生雜巖和殘余盆地等多種構(gòu)造單元組成的復(fù)合地體(?eng?r et al.，1993)(圖13c)，至此，區(qū)內(nèi)進(jìn)入統(tǒng)一的陸內(nèi)階段。

(3)晚石炭世至二疊紀(jì)期間(圖13c)，由于區(qū)域上構(gòu)造應(yīng)力由擠壓轉(zhuǎn)換為伸展背景(肖序常等，1992;徐學(xué)義等，2002)，導(dǎo)致幔源巖漿的上涌和底侵，新生陸殼熔融形成大規(guī)模的碰撞后花崗巖(韓寶福和洪大衛(wèi)，1998;Chen and Jahn，2004;Chen and Arakawa，2005)(圖13c)，同時(shí)形成遍及全區(qū)的雙峰式火山巖(顧連興等，2000;夏林圻等，2006)、基性-超基性雜巖(Xia et al.，2008;陳斌等，2013)和相關(guān)的Cu-Ni硫化物礦床(例如黃山東礦床;王登紅等，2000;Mao et al.，2008)，以及更晚期的A 型花崗巖和有關(guān)的稀有稀土金屬礦床和淺成低溫?zé)嵋旱V床(例如索爾巴斯陶金礦床等;王京彬和徐新，2006;Pirajno et al.，2009)。

6 結(jié)論

(1)新疆哈爾里克帶內(nèi)的奧爾達(dá)烏臺(tái)克巖體由一套成份連續(xù)的巖石組成，包括輝長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖和花崗閃長(zhǎng)巖。LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 定年結(jié)果顯示寄主閃長(zhǎng)巖及內(nèi)部包體近同時(shí)形成于450Ma，是晚奧陶世巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物。

(2)巖石學(xué)和地球化學(xué)證據(jù)表明該套巖漿具有富H2O、高fO2性質(zhì)，形成于俯沖階段，其中基性巖漿起源于同位素相對(duì)虧損而微量元素富集的巖石圈地幔，一部分與殼源花崗質(zhì)熔體發(fā)生混合，一部分經(jīng)歷演化后直接添加至上覆地殼。

(3)哈爾里克奧陶紀(jì)島弧的確立改變了該帶是泥盆紀(jì)島弧或弧后盆地的原有認(rèn)識(shí)。殼幔巖漿混合作用和幔源物質(zhì)直接加入是古亞洲洋俯沖階段陸殼增生的兩種重要方式。

致謝 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的蘇犁教授和北京大學(xué)造山帶與地殼演化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的朱文萍博士分別對(duì)本研究提供了鋯石U-Pb 測(cè)定和Sr-Nd 同位素樣品分離方面的幫助;評(píng)審專家對(duì)本文提出了有意義的修改建議;謹(jǐn)此一并表示感謝。

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