東昆侖群力地區(qū)晚泥盆世A型花崗巖的年代學(xué)、地球化學(xué)和構(gòu)造意義

劉雷，錢燁,2，孫豐月,2，李予晉,2，顧焱，張建平

1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長春130061；2.國土資源部東北亞礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春130061；3.青海省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，西寧810029

0 引言

A型花崗巖最早被定義為貧水(anhydrous)、堿性 (alkaline)以及非造山(anorogenic)的花崗巖[1]，它是形成于伸展環(huán)境下的一種特殊的巖石。一直以來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)A型花崗巖關(guān)注密切，并從其巖石地球化學(xué)特征、巖石成因及地球動(dòng)力學(xué)等方面進(jìn)行了深入研究。從A型花崗巖形成的構(gòu)造背景來講，它既有可能形成于板內(nèi)的伸展環(huán)境，也有可能形成于碰撞后板塊邊緣的伸展環(huán)境[2,3]。因此，A型花崗巖可以作為判斷造山事件起始的重要巖石學(xué)標(biāo)志[4]。

東昆侖造山帶地處青藏高原的北部柴達(dá)木盆地南緣，位于南北中國板塊群之間，是中央造山帶的重要組成部分[5,6]，同時(shí)也是一條巨型的巖漿巖帶[7](圖1)。該造山帶主要出露大量的早古生代和晚古--早中生代兩個(gè)時(shí)期的侵入巖 ，早古生代對(duì)應(yīng)了始特提斯洋的構(gòu)造演化，晚古生代--早中生代的侵入巖對(duì)應(yīng)了古特提斯洋的構(gòu)造演化?，F(xiàn)已有研究表明,在早寒武世之前,東昆侖應(yīng)該已經(jīng)發(fā)生了始特提斯洋的打開和擴(kuò)張[8,9]。從寒武世末期開始，東昆侖地區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)一系列與俯沖作用有關(guān)的巖漿事件與變質(zhì)事件。例如，在東昆侖都蘭可可沙地區(qū)發(fā)現(xiàn)了515 Ma左右的具有俯沖性質(zhì)的石英閃長巖[10]；在東昆侖祁漫塔格山鴨子泉地區(qū)發(fā)現(xiàn)了480 Ma島弧閃長巖[11]；在東昆侖清水泉地區(qū)發(fā)現(xiàn)了438 Ma的鎂鐵質(zhì)輝綠巖脈，可能代表了東昆侖始特體斯洋殼俯沖最晚的巖漿記錄[12]；許榮華等在東昆侖萬寶溝溝頭地區(qū)發(fā)現(xiàn)了412.6 Ma的碰撞型二云母花崗巖，表明晚志留世—早泥盆世時(shí)期始特提斯洋盆已經(jīng)閉合[13]；在東昆侖冰溝地區(qū)發(fā)現(xiàn)了代表伸展背景的A2型正長花崗巖，是目前東昆侖地區(qū)報(bào)道的時(shí)代最晚的古生代A型花崗巖，年齡為391±3 Ma，它的出現(xiàn)標(biāo)志著中泥盆世時(shí)期東昆侖始特提斯洋構(gòu)造演化的徹底終結(jié)和和古特提斯洋構(gòu)造演化的嶄新開始[14]。本研究在東昆侖造山帶昆北裂陷帶群力地區(qū)發(fā)現(xiàn)了代表始特提斯洋閉合后伸展的A型花崗巖，在野外地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)該套巖石進(jìn)行了LA--ICP--MS鋯石U--Pb年代學(xué)和巖石地球化學(xué)特征研究，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景分析，探討其巖石成因及形成的構(gòu)造環(huán)境，從而對(duì)始特提斯洋的構(gòu)造演化進(jìn)行了新的限定與制約。

圖1 東昆侖造山帶大地構(gòu)造位置圖Fig.1 Tectonic location map of eastern Kunlun orogenic belt

1 地質(zhì)概況及樣品特征

群力正長花崗巖體位于昆北地體中(圖1)。該區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)復(fù)雜且強(qiáng)烈，先后經(jīng)歷了海西期、印支期和燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，發(fā)育有不同規(guī)模和力學(xué)性質(zhì)的構(gòu)造，區(qū)域上的主體構(gòu)造線為NWW向斷裂構(gòu)造，其控制著各個(gè)時(shí)代地層的分布和各期次巖漿巖的侵入[15]。

研究區(qū)內(nèi)主要出露地層為元古界金水口群白沙河巖組，其巖石類型主要為混合片麻巖、大理巖、變質(zhì)石英巖、角巖和矽卡巖。第四紀(jì)主體分布于研究區(qū)中東部，為風(fēng)成沙堆積而成。區(qū)內(nèi)巖漿侵入活動(dòng)較強(qiáng)烈，以華力西期為主，主要巖石類型包括花崗巖、細(xì)粒閃長巖、花崗閃長巖和閃長巖等，巖體在區(qū)內(nèi)呈條帶狀、不規(guī)則巖珠狀分布，巖體長軸方向與區(qū)域構(gòu)造線基本一致；印支期侵入巖受NEE向構(gòu)造控制，以酸性巖為主；燕山期侵入巖呈不規(guī)則長條狀巖株零星產(chǎn)出(圖2)。

本次研究的花崗巖采樣位置如圖2所示，巖性為正長花崗巖。巖石手標(biāo)本為淺肉紅色，花斑結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造(圖3a)。主要礦物組合為石英(30%)+鉀長石(45%～50%)+斜長石(15%)+黑云母(5%～10%)。鏡下表現(xiàn)為石英呈自形--半自形粒狀，粒徑約0.2～1.0 mm；鉀長石呈半自形板狀，粒徑約0.5～0.8 mm；斜長石呈半自形板狀，粒徑約0.3～0.8 mm；黑云母呈片狀，粒徑約在0.2～0.5 mm(圖3b)。

2 分析方法

選擇新鮮無蝕變的正長花崗巖體露頭,采集10 kg重的原巖樣品用于鋯石分選。鋯石分選與制靶工作在廊坊市宏信地質(zhì)勘查技術(shù)服務(wù)有限公司完成。將新鮮無蝕變的樣品用機(jī)械粉碎研磨至約100目，隨后利用礦物介電分選儀進(jìn)行電選和磁選，分選出鋯石礦物。

鋯石U--Pb同位素定年在國土資源部東北亞礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用LA--ICP--MS完成。工作時(shí)激光束斑直徑為32 μm，以He作為剝蝕物質(zhì)的載氣，剝蝕樣品深度為20～40 μm。鋯石年齡以國際標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500作為外標(biāo)，以NIST SRM610作為元素含量的外標(biāo)，29Si作為元素含量的內(nèi)標(biāo)。利用Glitter軟件計(jì)算同位素比值及元素的含量。利用Isoplot程序計(jì)算年齡及諧和圖的繪制，普通鉛校正使用Andersen[16]程序完成。群力正長花崗巖LA--ICP--MS U--Pb年齡分析結(jié)果見表1。

全巖的主量元素、稀土元素和微量元素均由國土資源部東北亞礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。全巖的主量元素采用X--射線熒光光譜儀測(cè)定，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為2%～5%。微量和稀土元素采用電感耦合等離子質(zhì)譜分析法測(cè)定，微量與稀土元素的分析精度控制在元素含量>1×10-6，誤差<5%；元素含量<1×10-6者，誤差<10%。主量和微量元素分析結(jié)果見表2。

3 分析結(jié)果

3.1 鋯石U--Pb年齡

群力正長花崗巖樣品的鋯石在陰極發(fā)光圖像中呈自形--半自形短柱狀，長寬比1∶1～3∶1,粒徑約60～150 μm。所測(cè)鋯石內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰，具有明顯的巖漿振蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖4)，鋯石U/Th比變化范圍為0.43～0.78(表1)，表明巖漿成因。對(duì)其中18顆鋯石進(jìn)行 LA--ICP--MS U--Pb年齡分析，數(shù)據(jù)列于表1。結(jié)果顯示18個(gè)鋯石分析點(diǎn)集中分布在諧和線上(圖5a)，206Pb /238U年齡集中在373～383 Ma之間，加權(quán)平均年齡為376.2±2 Ma(n=18，MSWD = 0.25；圖5b) ，表明群力正長花崗巖的結(jié)晶年齡，暗示其為晚泥盆世巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物。

3.2 主量、微量元素

群力花崗巖主量元素組成具有如下特點(diǎn)：①富硅，SiO2=74.61%～77.85%；②高鉀，K2O=3.64%～4.52%，K2O/Na2O平均值為1.09，在SiO2-K2O中樣品落入高鉀鈣堿性巖石系列(圖6a)；③富堿，K2O+Na2O=7.03%～7.94%；④鋁含量適中，Al2O3=10.89%～12.18%；⑤貧鈣，CaO=0.50%～1.01%；適中的鋁飽和指數(shù)(A/CNK=0.84～1.09<1.1),在A/CNK-A/NK圖解中整體顯示準(zhǔn)鋁質(zhì)--弱過鋁質(zhì)性質(zhì)(圖6b)；低鐵(FeOT=1.61%～2.37%)、低鈦(TiO2=0.13%～0.15%)、低鎂(MgO=0.06%～0.20%)。

1.第四系；2.元古界金水口群混合片麻巖；3.金水口群元古界大理巖；4.元古界矽卡巖；5.華力西期花崗巖；6.華力西期花崗閃長巖；7.華力西期閃長巖;8.閃長玢巖脈;9.角閃巖脈；10.采樣位置圖2 研究區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.2 Geological sketch map of study area

圖3 群力正長花崗巖巖體野外露頭(a)及顯微鏡下照片(b)Fig.3 Outcrop photos(a)and photomicrographs(b)of Qunli syenogranite

群力正長花崗巖的微量元素特征：①稀土元素總量ΣREE較高(ΣREE=291.20×10-6～408.35×10-6)，且輕重稀土分餾明顯(ΣLREE/ΣHREE=5.27～7.94，(La/Yb)N=4.68～8.17)。在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖中表現(xiàn)為明顯的右傾特征(圖7a)；②強(qiáng)烈的負(fù)Eu異常(Eu/Eu*=0.08～0.09；圖7a)；③相對(duì)富集Rb、Th、U、K、Zr等大離子親石元素，其中Rb含量為139.8×10-6～179.2×10-6，Zr含量為524.6×10-6～648.2×10-6(圖7b)；④明顯虧損Ba、Nb、Ta、Sr、P、Ti(圖7b)；⑤高鎵含量(Ga=22.86×10-6～27.06×10-6)。富集高場(chǎng)強(qiáng)元素組合(Zr+Ce+Nb+Y=720×10-6～891×10-6)。

表2 群力正長花崗巖主量(%)，微量元素(10-6)分析結(jié)果Table 2 Major elements(%)and trace elements(10-6) data for Qunli syenogranite

圓圈數(shù)字代表U--Pb分析點(diǎn)，編號(hào)同表 1.圖4 群力正長花崗巖中鋯石陰極發(fā)光圖像Fig.4 CL images of zircons from Qunli syenogranite

圖5 群力正長花崗巖中鋯石的U--Pb年齡諧和圖 (a) 和加權(quán)平均年齡 (b)Fig.5 Diagrams of U--Pb concordia (a) and weighted average ages (b) of zircons from Qunli syenogranite

圖6 群力正長花崗巖的K2O-SiO2圖解 (a);群力正長花崗巖的A/NK-A/CNK圖解 (b)Fig.6 Diagram of K2O-SiO2 (a) and A/NK-A/CNK (b) for Qunli syenogranite

圖7 群力正長花崗巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線圖 (a)及微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(b)Fig.7 Chondrite normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle normalized trace element spider diagrams (b) of Qunli syenogranite

4 討論

4.1 巖石成因

花崗巖按照源巖的性質(zhì)不同可分為I型、S型和M型。群力正長花崗巖較高的K2O含量(3.64%～4.52%>1%)，這與M型花崗巖特征明顯不一；較低的Al2O3(10.89%～12.18%)和P2O5(=0.01%)含量，且鏡下觀察未見白云母、石榴石等過鋁質(zhì)礦物，使得其和S型花崗巖一般特征相背離[17]。

除此之外還有一類堿性(alkaline)、貧水(anhydrou)和非造山(anorogenic)的花崗巖被稱為A型花崗巖[1]。與A型花崗巖相比較，群力正長花崗巖在如下幾點(diǎn)與之有相似之處：①較高的全堿及K2O含量；②較高的稀土總量；③較高的高場(chǎng)強(qiáng)元素組合(Zr+Ce+Nb+Y)；④相對(duì)富集大離子親石元素(Rb、Th、U、K、Zr)；⑤較低的TiO2、MgO、P2O5和CaO含量，且相對(duì)虧損Ba、Sr、P、Ti；⑥較高的Ga含量與較低的Al2O3含量導(dǎo)致的高Ga/Al比值。在104×Ga/Al-(Na2O+K2O) (圖8a)、104×Ga/Al-(FeOT/MgO)(圖8b)、104×Ga/Al-Zr (圖8c)、以及在高場(chǎng)強(qiáng)元素組合(Zr+Nb+Ce+Y)/(FeOT/MgO) (圖8d) 圖解中，均落入A型花崗巖區(qū)域。除此之外，群力正長花崗巖還具有高的鋯石飽和溫度(991℃～1 201℃)的特征，這使得其和I型花崗巖的低鋯石飽和溫度(< 800℃)[18]相去甚遠(yuǎn)，與典型的A型花崗巖相一致。另外，群力正長花崗巖鋯石的CL圖像中也未識(shí)別出繼承鋯石，其鋯石飽和溫度可以代表初始巖漿的最低溫度[19]，即其源自高溫巖漿(>1 201℃) 。綜上所述，筆者認(rèn)為群力花崗巖屬A型花崗巖。

關(guān)于A型花崗巖的巖石成因，至今未達(dá)成共識(shí)，目前國內(nèi)外學(xué)者提出的成因模式至少有9種[20]，主要?dú)w納為3種：①A型花崗巖的成因與地幔作用有關(guān)[21]；②A型花崗巖的成因與地殼作用有關(guān)[22,23]；③A型花崗巖由幔源巖漿與殼源巖漿相互作用形成[24,25]。

群力正長花崗巖樣品的Rb/Nb比值為6.70～8.13，K/Nb比值為1 622～2 197，它們與地殼相應(yīng)比值(5.36～6.55和1 498～2 976)較為接近，明顯高于地幔相應(yīng)比值(0.24～0.89和249～349)[26]；樣品中Nb含量20.55×10-6～23.18×10-6，平均值為21.47×10-6，Ta含量1.34×10-6～1.55×10-6，平均值為1.45×10-6，與地殼巖石中Nb、Ta(Nb=8×10-6～11.5×10-6±2.6×10-6，Ta=0.7×10-6～0.92×10-6±0.12×10-6)[27]相比含量略高，巖石的Nb/Ta比值為13.29～15.66，平均為14.82，與陸殼巖石Nb/Ta值[28]較為接近，而低于原始地幔的Nb/Ta比值(17.5±2.0)[29]。14組正長花崗巖樣品在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖中都顯示出強(qiáng)烈的Ba虧損，與高成熟度陸殼巖石的特征一致[30]。綜上所述，筆者推測(cè)本區(qū)的A型花崗巖并非由幔源巖漿的分離結(jié)晶作用形成，很有可能是早期地殼物質(zhì)部分熔融的產(chǎn)物。

圖8 群力正長花崗巖樣品 104×Ga/Al-(Na2O+K2O) (a);104×Ga/Al-(FeOT/MgO)(b);104×Ga/Al-Zr (c);(Zr+Nb+Ce+Y)/(FeOT/MgO) (d) 圖解[2]Fig.8 104×Ga/Al-(Na2O+K2O) (a),104×Ga/Al-(FeOT/MgO)(b),104×Ga/Al-Zr (c) and(Zr+Nb+Ce+Y)/(FeOT/MgO)(d) diagrams of Qunli syenogranite

圖9 群力正長花崗巖的(Y+Nb)-Rb (a)和Y-Nb (b) 圖解[31]Fig.9 (Y+Nb)-Rb (a) and Y-Nb (b) diagram of Qunli syenogranite

4.2 構(gòu)造背景

群力正長花崗巖樣品在(Y+Nb)-Rb和Y-Nb構(gòu)造環(huán)境判別圖解中(圖9)，所有樣品均投入板內(nèi)環(huán)境區(qū)域；在Nb-Y-3×Ga圖解和Nb-Y-Ce圖解中(圖10)，群力花崗巖樣品全部投入A2型花崗巖區(qū)域內(nèi)，暗示其形成于造山后的構(gòu)造環(huán)境，巖石為地殼部分熔融的產(chǎn)物[32]，這與成因類型分析結(jié)果一致。

圖10 群力正長花崗巖的Nb-Y-3×Ga圖解 (a) 和Nb-Y-Ce圖解 (b)Fig.10 Nb-Y-3×Ga (a) and Nb-Y-Ce (b) diagram of Qunli syenogranite

東昆侖造山帶記錄了始特提斯洋從打開、擴(kuò)張、消減到最后閉合的整個(gè)過程[33]。隨著人們對(duì)東昆侖地區(qū)早古生代侵入巖研究不斷的深入，許多學(xué)者針對(duì)始特提斯洋的打開、擴(kuò)張、消減以及閉合時(shí)間[34,35]，給出了一些較為明確的巖石學(xué)和年代學(xué)等方面的證據(jù)。已有的研究顯示，在早泥盆時(shí)期，東昆侖出現(xiàn)了大量的由擠壓向伸展轉(zhuǎn)換的巖漿事件，這些巖漿事件發(fā)生的時(shí)間集中在413～394 Ma[14,36]。近幾年來，東昆侖地區(qū)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)出露的A2型花崗巖，夏日哈木地區(qū)正長花崗巖和冰溝地區(qū)正長花崗巖的形成年代均為391 Ma，是目前東昆侖地區(qū)報(bào)道的時(shí)代較晚的古生代A型花崗巖，表明在早泥盆世時(shí)期，東昆侖地區(qū)已經(jīng)由碰撞擠壓環(huán)境轉(zhuǎn)向造山后伸展環(huán)境[14,37]。本次研究結(jié)果表明，群力A型花崗巖形成時(shí)間為晚泥盆世(376.2±2 Ma)，結(jié)合巖石地球化學(xué)特征和構(gòu)造背景，顯示出A2型花崗巖的特征，表明群力花崗巖形成于造山后的伸展構(gòu)造背景，這一結(jié)果將始特提斯洋閉合后的伸展作用時(shí)間從從前人研究[14]的中泥盆世延長到晚泥盆世。

5 結(jié)論

(1)群力正長花崗巖的鋯石LA--ICP--MS U--Pb加權(quán)平均年齡為376.2 Ma (MSWD=0.25)，代表巖體的結(jié)晶年齡，屬晚泥盆世。

(2)群力正長花崗巖的巖石地球化學(xué)特征與A型花崗巖特征相一致，歸屬于A2型花崗巖類。

(3)群力正長花崗巖形成于始特提斯洋閉合后的伸展構(gòu)造背景；這一結(jié)果將始特提斯洋閉合后的伸展作用從中泥盆世延長到晚泥盆世。