中天山與吐哈地塊的碰撞時限：來自早泥盆世后碰撞花崗巖類的證據(jù)?

尼加提阿布都遜，木合塔爾扎日，吳兆寧，郭瑞清

(1.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830049；2.新疆大學(xué)中亞造山帶大陸動力學(xué)與成礦預(yù)測自治區(qū)重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830049)

作為造山帶的重要組成部分，花崗巖與造山帶的形成和演化有密切的成因聯(lián)系，因此以花崗巖為研究對象來解決造山帶形成與演化、地殼增生等地質(zhì)問題是目前地球科學(xué)的前沿課題之一[1?3].伊犁—中天山地塊位于天山造山帶的核部，是塔里木和準(zhǔn)噶爾—哈薩克斯坦板塊間的一個微陸塊[4].由于兩側(cè)的古洋殼均向該陸塊之下俯沖以及俯沖碰撞后的造山伸展、垮塌作用，致使其中形成大量巖漿巖[5?9].區(qū)域地質(zhì)調(diào)查表明，中天山東段路白山一帶出露一套中酸性侵入巖，詳細(xì)的野外地質(zhì)關(guān)系和鋯石SHRIMP定年（408±20Ma）結(jié)果顯示，其形成時代為早泥盆世.這套侵入巖分布面積廣，巖體規(guī)模大，是中天山地塊北緣古生代以來最強的一次巖漿事件的產(chǎn)物.這次巖漿事件的確定對于認(rèn)識中天山北緣古洋盆演化過程與閉合時限具有重要的意義.在前人研究工作基礎(chǔ)上，對這套侵入巖進(jìn)行較詳細(xì)的地球化學(xué)分析，并結(jié)合筆者所在課題組近5年以來在該區(qū)開展的野外地質(zhì)工作及其相關(guān)科研成果，探討其形成的地質(zhì)構(gòu)造背景，以期為中天山地塊的地殼增生與演化提供約束.

0 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)大地構(gòu)造位置處于天山造山帶東段，涉及中天山和覺羅塔格兩個重要的大地構(gòu)造單元，是中亞造山帶（CAOB）的重要組成部分[10?11].以近東西向展布的阿其克庫都克斷裂帶為界，南側(cè)的中天山地塊是塔里木板塊的組成部分，自古元古代從塔里木板塊分離出來以后經(jīng)歷了與南部的南天山洋和北部的古亞洲洋裂解乃至關(guān)閉有關(guān)的多期巖漿事件[12?15]，存在多旋回巖漿作用，侵入巖分布面積廣，成為中天山地塊的主要組成部分；北側(cè)的覺羅塔格造山帶屬于古亞洲洋構(gòu)造域，是塔里木和準(zhǔn)噶爾—哈薩克斯坦兩大板塊在古生代期間會聚碰撞的產(chǎn)物[16].

1 巖體地質(zhì)及巖相學(xué)特征

中天山地塊東段早泥盆世花崗質(zhì)巖石出露于阿其克庫都克斷裂以南，是區(qū)內(nèi)面積最大的一套中-酸性侵入巖，分布面積約210 km2，主要成大型巖基、巖株，形態(tài)多成等軸狀、近橢圓狀，具主動侵位的特征（圖1）.巖體與星星峽群及中、新元古代的侵入巖成超動侵入接觸，并被早、晚石炭世花崗巖超動穿插.巖體沒有變形、變質(zhì)，可與中、新元古代的侵入巖區(qū)別，并以普遍含有基性暗色包體，發(fā)育大量基性-中酸性巖脈，形成罕見的亂石條地貌，可與石炭紀(jì)花崗巖區(qū)別.

圖1 研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)圖(據(jù)研究報告修編)

根據(jù)野外接觸關(guān)系和巖相學(xué)特征，將早泥盆世花崗巖類分為灰白色中粗粒花崗閃長巖（D1γδ）、淺肉紅色粗粒二長花崗巖（D1ηγ）、肉紅色粗粒鉀長花崗巖（D1ξγ）、肉紅色粗粒斑狀花崗巖（D1πγ）和紅色細(xì)?；◢弾r-花崗斑巖（D1γπ）等5個巖石單元(圖1).

灰白色中粗?；◢忛W長巖（D1γδ）為研究區(qū)早泥盆世侵入巖的主要巖石單元，成近等軸狀或不規(guī)則的巖株、巖枝產(chǎn)出，與長城系星星峽群、新元古界的花崗閃長巖和輝長巖均為侵入接觸.巖石為灰色，中粗粒等粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石主要礦物為石英（20%～25%）、斜長石（40%～50%）、堿性長石（20%～30%）及黑云母（<5%），副礦物有磷灰石、磁鐵礦和鋯石.斜長石主要為更長石，呈半自形板狀晶形，粒徑2～6 mm.堿性長石主要為條紋長石和微斜條紋長石，呈它形，粒徑3～5 mm.黑云母粒度小于2 mm，具不同程度的白云母化和綠泥石化.巖體的局部可見暗色包體，一般直徑約為5 cm左右，最大者達(dá)40 cm，主要為微粒輝長巖和閃長巖.此外，巖石中局部暗色礦物集中，形成不規(guī)則的析離體，基性巖脈發(fā)育.

淺肉紅色粗粒二長花崗巖（D1ηγ）為區(qū)內(nèi)的主要巖性，常與花崗閃長巖單元共生，呈漸變過渡的涌動接觸關(guān)系，局部形成獨立的巖株.巖石呈淺肉紅色，中粗粒花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造.主要礦物為石英（25%～30%）、斜長石（25%～30%）、堿性長石（30%～35%）及黑云母（<5%），部分樣品中可見少量白云母.副礦物主要有磷灰石、鋯石、磁鐵礦，或見少量的石榴石、綠簾石.斜長石主要為更長石，呈半自形板狀.堿性長石主要為微斜長石和條紋長石，半自形板狀-它形晶.黑云母常退色蝕變?yōu)榘自颇?，原生白云母含量小?%.石榴石含量小于1%，屬鐵鋁榴石.巖體中可見暗色包體和頂垂體，包體直徑約5 cm左右，頂垂體為寬100 m，長達(dá)200 m的透鏡體，其所含主要礦物為角閃石，斜長石及少量石英，具較強的絹云母化、綠簾石化和黝簾石化.該巖體中閃長玢巖-輝綠巖-花崗斑巖脈發(fā)育.

肉紅色粗粒鉀長花崗巖（D1ξγ）在研究區(qū)分布廣泛，但巖體規(guī)模不大，產(chǎn)狀較復(fù)雜：（1）產(chǎn)于粗粒斑狀花崗巖單元邊緣，一起構(gòu)成大規(guī)模的巖株；（2）在花崗閃長巖和二長花崗巖中成巖枝、巖滴產(chǎn)出，與前二者為脈動侵入接觸；（3）常成大型巖脈、巖滴侵入于新元古代的花崗閃長巖和輝長巖內(nèi).巖石為肉紅色，具中粗粒-細(xì)?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，組成礦物主要為堿性長石（50%～60%）、石英（25%～35%）、斜長石（10%～15%）、黑云母（3%～5%），偶見少量的白云母.堿性長石主要為微斜長石、正長石和條紋長石，半自形板狀-它形粒狀晶形，具輕度的高嶺土化，粒度5～8 mm.斜長石屬更長石，半自形板狀為主，粒度2～5 mm；石英，它形，粒度5 mm左右.常見較大的晚古生代輝長巖、花崗閃長巖捕虜體和頂垂體.

肉紅色-粗粒斑狀花崗巖（D1πγ）為研究區(qū)中酸性侵入巖的主要巖性，巖體規(guī)模較大，多與粗粒鉀長花崗巖單元伴生，成脈動關(guān)系侵入于鉀長花崗巖中.巖石成肉紅色，粗粒似斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造.斑晶為自形的肉紅色鉀長石，粒徑12～15 mm，含量20%～40%，斑晶周圍發(fā)育白色的鈉長石環(huán)邊；基質(zhì)主要為石英、鉀長石、黑云母和角閃石.石英，它形，粒徑2 mm左右，含量20%～30%；黑云母，含量5%左右；角閃石，粒度1～3 mm左右，含量10%左右.含細(xì)粒輝長巖和閃長巖等暗色包體，包體直徑2～40 cm不等，發(fā)育透入性的鉀長石交代斑晶.該巖石中各類巖脈發(fā)育，以北東和北西向的兩組輝綠巖脈最為典型.此外還有近南北向、東西向的輝綠巖、閃長玢巖脈、安山玢巖、正長斑巖、花崗斑巖、流紋斑巖、霏細(xì)巖脈，形成亂石條地貌.這些巖脈很少穿出寄主巖體，表明它們可能為同期巖漿演化過程的產(chǎn)物.

紅色細(xì)粒花崗巖-花崗斑巖（D1γπ）多成巖脈和巖枝侵入于早階段形成的巖體中.巖石為暗肉紅色，具細(xì)粒-等粒結(jié)構(gòu)，斑狀、塊狀構(gòu)造.斑晶可有鉀長石、斜長石、石英、黑云母，含量不等.斜長石斑晶含量可達(dá)10%，具環(huán)帶結(jié)構(gòu).內(nèi)核蝕變較強，有簾石化、絹云母化和泥化.外環(huán)帶干凈，含文象交生的石英.鉀長石斑晶較少見，主要為微斜長石.基質(zhì)主要礦物為鉀長石、石英、斜長石，其中鉀長石與石英規(guī)則交生的顯微文象結(jié)構(gòu)常見.暗色礦物含量少于3%，主要為黑云母.

圖2 侵入巖QAP分類三角圖

圖3 花崗巖類巖石ACF成因類型劃分圖

2 地球化學(xué)特征

2.1 主量元素特征

對研究區(qū)內(nèi)早泥盆世侵入巖不同巖性的主量、稀土及微量元素分析結(jié)果見表1.CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物和實際礦物成分在QAP三角圖（圖2）中的投影顯示，巖石類型主要為花崗閃長巖、二長花崗巖、鉀長花崗巖、閃長巖和石英閃長巖.在花崗巖ACF成因類型劃分圖（圖3）中主要以I型花崗巖為主.花崗巖類SiO2(75.26%～77.25%)含量高且較集中，MgO(0.11%～0.29%)、CaO(0.46%～1.25%)含量相應(yīng)較低；K2O（3.87%～6.54%）含量較高、K2O/Na2O（1.25～3.29）比值大于1，在SiO2-K2O圖解（圖4）上可以看出，石英閃長巖—鉀長花崗巖形成由中鉀鈣堿性逐漸向高鉀鈣堿性過渡的巖漿演化趨勢.各類巖石A/CNK值介于0.94～1.10，在A/CNK-A/NK圖解（圖5）中落入準(zhǔn)鋁質(zhì)—弱過鋁質(zhì)區(qū)域.

圖4 早泥盆世花崗巖類SiO2-K2O圖

圖5 早泥盆世花崗巖類A/CNK-A/NK圖

石英閃長巖和二長花崗巖中的暗色微粒包體具與寄主巖相反的主量元素特征.其中SiO2（57.56%～58.02%）含量較低，而MgO(2.78%～3.09%)、CaO(5.37%～6.05%)含量較高，Mg#值介于0.38～0.43之間；K2O（1.61%～2.3%）含量偏低，K2O/Na2O（0.42-0.70）比值小于1，在SiO2-K2O圖解（圖4）中落入中鉀鈣堿性系列.

2.2 稀土及微量元素特征

研究區(qū)早泥盆世侵入巖ΣREE含量總體較低（50.45×10?6～84.03×10?6）.在稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖（圖6A）上，輕稀土元素富集、重稀土元素相對虧損，輕重稀土元素分餾較明顯（(La/Yb)n=3.58～7.10）.除石英閃長巖（ADZ-02）外，其他巖石具較明顯的Eu負(fù)異常（δEu=0.18～0.58）.各巖石配分型式的趨同性，反映了同源巖漿演化形成了具分異特征的鈣堿性花崗巖系列[17].Eu負(fù)異常暗示在巖漿源區(qū)有斜長石殘留或斜長石經(jīng)歷了較強的結(jié)晶分離作用.

圖6 早泥盆世花崗巖類稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分圖（A）與微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖（B）

表1 早泥盆世花崗巖類主量元素（WB/%）與微量及稀土元素（WB/10?6）分析結(jié)果與部分參數(shù)

巖石中暗色微粒包體與石英閃長巖具有類似的稀土元素特征，即具相對較高的ΣREE豐度(124.85×10?6～131.5×10?6)，輕重稀土元素分餾不明顯（(La/Yb)n=2.72～4.31），配分曲線呈相對光滑的緩右傾型型式（圖6A），銪負(fù)異常不明顯（δEu=0.57～0.76）.

微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖（圖6B）顯示，花崗巖類的各巖性的分布曲線具明顯的趨同性，總體上表現(xiàn)為大離子親石元素（LILE）相對富集、高場強元素（HSFE）呈現(xiàn)不同程度的負(fù)異常，體現(xiàn)了一般殼源花崗巖的特點.石英閃長巖和微粒閃長巖包體以較低的Rb豐度和較弱的Ba、Zr、Hf負(fù)異常區(qū)別于花崗巖類.

3 成巖構(gòu)造背景及其地質(zhì)意義

3.1 成巖構(gòu)造背景

2005年開展的1:50000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中，前人把該區(qū)早泥盆世花崗巖類形成的構(gòu)造環(huán)境判定為陸緣弧.而基于上述分析，這些侵入巖體（群）具有后碰撞花崗巖類的特征.后碰撞花崗巖類的巖石類型多樣，多數(shù)以中—高鉀鈣堿性I型花崗巖為主，并伴有鐵鎂質(zhì)—超鐵鎂質(zhì)巖石的形成[18].研究區(qū)早泥盆世花崗巖類巖石類型多種，包括花崗閃長巖、二長花崗巖、鉀長花崗巖、斑狀花崗巖及花崗斑巖.其中部分二長花崗巖和鉀長花崗巖樣品出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)剛玉分子大于1%，且含有少量原生白云母、石榴石等富鋁礦物，略表現(xiàn)出向S型花崗巖過渡的地球化學(xué)特征，但鋁飽和指數(shù)小于1.1，屬弱過鋁質(zhì)，與典型的同碰撞強過鋁質(zhì)S型花崗巖不完全相同.其余巖石富含暗色微粒包體，鋁飽和指數(shù)介于0.94～1.0，屬準(zhǔn)鋁質(zhì)—弱過鋁質(zhì)，標(biāo)準(zhǔn)剛玉分子含量均小于1%（部分為0），與典型I型花崗巖類似.各類巖石以中—高鉀鈣堿性巖漿系列為主，微量元素富集大離子親石元素（LILE），虧損高場強元素（HFSE）；稀土元素富集輕稀土、相對虧損重稀土，并具較明顯的Eu負(fù)異常.從野外地質(zhì)特征來看，巖體沒有變形、變質(zhì)，發(fā)育大量同期基性巖脈.這些巖脈的分布受到巖體邊界控制，基本上不進(jìn)入圍巖，或在圍巖中很快尖滅，說明是在花崗巖未完全固結(jié)時侵位的，表明與該期花崗巖侵位的同時，還伴有幔源基性巖漿的底侵作用.可見，野外地質(zhì)與地球化學(xué)分析結(jié)果，均表現(xiàn)出后碰撞花崗巖類的基本特征.在Rb-(Y+Nb)構(gòu)造環(huán)境判別圖（圖7a）中，所有樣品均落入后碰撞花崗巖區(qū)域；在Nb-Y構(gòu)造環(huán)境判別圖（圖7b）中，樣品則落入島弧及同碰撞花崗巖區(qū)域，暗示前期俯沖作用對巖漿源區(qū)物質(zhì)組成有一定的貢獻(xiàn).這些花崗巖類分布在中天山地塊上，花崗巖中繼承鋯石的SHRIMP定年確定其年齡集中在1435±30Ma，與區(qū)內(nèi)中元古界片麻狀花崗巖的年齡一致，表明早泥盆世花崗巖類很可能是由深部的中元古界片麻狀花崗巖重熔的產(chǎn)物，富鉀特征明顯說明巖漿主要來源于成熟度較高的陸殼.結(jié)合巖石礦物組合中部分樣品含石榴石和白云母等過鋁質(zhì)的礦物的現(xiàn)象，推測其巖漿來源于沉積巖和火成巖的混合源區(qū).巖體內(nèi)含大量的中—基性巖脈、輝長巖捕虜體、細(xì)—微粒閃長巖并具巖漿包體的塑變形態(tài)，含透入性的鉀長石交代斑晶，局部出現(xiàn)小規(guī)模的閃長巖巖枝，這些表明，在殼源花崗質(zhì)巖漿侵位的同時，發(fā)生幔源基性巖漿的底侵作用，并為殼源花崗巖的形成提供了熱源.

圖7 花崗巖的微量元素構(gòu)造環(huán)境判別圖解（據(jù)Pearce,1996）

3.2 中天山與吐哈地塊的碰撞時限

前人普遍認(rèn)為，中天山北緣古生代早、中期花崗巖類的成因與其北側(cè)古天山洋盆的演化過程密切相關(guān)，然而，關(guān)于該洋盆的閉合時限觀點不一.部分學(xué)者認(rèn)為，中天山晚古生代（包括早古生代晚期）花崗巖的形成與早古生代的一次造山過程的晚期伸展階段有關(guān)[19?20]；也有學(xué)者認(rèn)為，中天山地塊450—400 Ma之間的花崗巖與板片俯沖有關(guān)，碰撞事件發(fā)生于泥盆紀(jì)或石炭紀(jì)[21?22].由此可見，爭論的焦點在于中天山與吐哈地塊之間的碰撞造山作用屬于早古生代還是晚古生代？此次碰撞事件的限定對重建中天山北緣與覺羅塔格地區(qū)古生代構(gòu)造格局至關(guān)重要.

中天山北緣洋盆（古天山洋盆）最早開裂時間為震旦紀(jì)，在寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)是裂解和俯沖的頂盛時期，并于加里東期（局部可滯后到泥盆紀(jì)）末關(guān)閉或僅在局部存在殘留洋盆[23?25].阿其克庫都克斷裂帶是古亞洲洋向南傾斜的加里東期俯沖帶[26?27]，在托克遜南米什溝、干溝一帶有蛇綠混雜巖[28?29]存在，向東可能斷續(xù)延至尾亞蛇綠混雜巖[27].中天山東段北側(cè)蛇綠混雜巖出露很少，存在不連續(xù)性，可能是晚古生代以后中天山向北逆沖推覆，遭受掩蓋和剝蝕的結(jié)果.中天山東段發(fā)育的典型淡色花崗巖形成時代不晚于354Ma，標(biāo)志著與其相關(guān)的碰撞構(gòu)造至少在354Ma前已經(jīng)完成[30].上已述及，中天山北緣早泥盆世花崗巖類形成于后碰撞構(gòu)造環(huán)境，進(jìn)一步說明中天山與吐哈地塊的主碰撞作用至少在408Ma前已經(jīng)完成.造山帶的同碰撞與后碰撞是前后相繼的兩個構(gòu)造演化階段，巖漿活動可能具有連續(xù)演化的特點，在時間上，后碰撞花崗巖類的形成一定晚于碰撞事件，也晚于蛇綠巖的構(gòu)造侵位，因而后碰撞花崗巖類就有可能侵入在蛇綠巖之中[18].新的研究結(jié)果顯示，中天山地塊干溝一帶425Ma的A型花崗巖侵入于干溝蛇綠巖中[20]，顯示后碰撞花崗巖的特征.從已有年齡數(shù)據(jù)來看，區(qū)域變質(zhì)作用集中于430—440Ma[9,20]，同時，440Ma的二云母花崗巖具同碰撞S型花崗巖的特征[31].從沉積建造來看，干溝蛇綠混雜巖發(fā)生綠片巖相變質(zhì)作用且強烈變形，并被未變形的下志留統(tǒng)米石溝復(fù)理石砂巖不整合接觸[10]；米什溝一帶含筆石的上志留統(tǒng)砂礫巖與下伏奧陶紀(jì)火山巖之間為不整合接觸[10].基于上述事實，中天山北緣洋盆于志留紀(jì)中期已閉合，致使中天山與吐哈地塊相互碰撞.從晚志留世開始，該區(qū)進(jìn)入后碰撞構(gòu)造演化階段.巴倫臺一帶370—350Ma的花崗巖類亦代表后碰撞巖漿活動的產(chǎn)物[22]，說明此階段可能一直持續(xù)到晚泥盆世.

4 結(jié)論

中天山東段路白山一帶早泥盆世巖漿活動頻繁，侵入巖廣泛發(fā)育，主要由花崗閃長巖、二長花崗巖、鉀長花崗巖、斑狀花崗巖及花崗斑巖組成，以中—高鉀鈣堿性I型花崗巖為主.野外地質(zhì)、巖石礦物及地球化學(xué)特征顯示，其形成于后碰撞構(gòu)造環(huán)境.中天山與吐哈地塊于志留紀(jì)中期發(fā)生碰撞，從此以后進(jìn)入較漫長的后碰撞構(gòu)造演化階段，并可能持續(xù)到晚泥盆世.