東天山北克孜爾卡拉薩依二長花崗巖鋯石U-Pb年代學(xué)、地球化學(xué)及地質(zhì)意義

陳紅旗，焦建剛，王祚鵬，劉海生，何 碧，尹高攀，趙得龍

(1.甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730020；2.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院/西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.國土資源部巖漿作用成礦與找礦重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引言

花崗巖作為板塊碰撞及陸殼垂向增生的重要產(chǎn)物，是大陸地殼的主要組成部分，對研究殼幔演化過程、板塊相互作用和形成構(gòu)造背景具有重要意義[1]。大南湖島弧帶中段分布大量的花崗巖侵入體，前人已對其做了大量研究工作，包括年代學(xué)、地球化學(xué)及同位素等。關(guān)于這些花崗巖的成因，一些人認(rèn)為是北天山洋向北俯沖的產(chǎn)物，例如，Wang等[2]通過對該島弧帶三岔溝巖體中花崗閃長巖的研究，認(rèn)為古天山洋從早志留紀(jì)開始向北發(fā)生俯沖作用；Zhang等[3]通過對中基性侵入巖體的研究，認(rèn)為在晚石炭紀(jì)—早二疊紀(jì)時期，東天山地區(qū)處于構(gòu)造過渡階段，古洋盆閉合，溝-弧-盆體系演化結(jié)束，該區(qū)進(jìn)入后碰撞伸展環(huán)境。其他一些學(xué)者偏向于是由卡拉麥里洋向南俯沖形成[4-6]。這些認(rèn)識上的差異在一定程度上阻礙了對東天山晚古生代構(gòu)造演化模型的建立。

本文選擇大南湖島弧帶中段克孜爾卡拉薩依巖體為研究對象(圖1a)，通過詳細(xì)的野外地質(zhì)調(diào)查資料，結(jié)合巖石地球化學(xué)分析及鋯石U-Pb年代學(xué)，對克孜爾卡拉薩依巖體進(jìn)行年代學(xué)和巖石成因分析，并結(jié)合已有資料探討該巖體形成的大地構(gòu)造背景，以期為東天山晚古生代巖漿活動以及構(gòu)造演化過程提供進(jìn)一步的基礎(chǔ)研究資料。

圖1 區(qū)域地質(zhì)圖(a)與采樣剖面(b)Fig.1 Regional and geological map (a) and geological section of the samples (b)1—第四系 2—漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)頭屯河組 3—下侏羅統(tǒng)三工河組 4—花崗斑巖 5—正長花崗巖 6—二長花崗巖 7—花崗閃長巖 8—閃長巖 9—輝綠巖 10—輝長巖 11—斷層 12—整合接觸 13—不整合接觸 14—侵入接觸 15—剖面線

1 區(qū)域地質(zhì)背景及巖石學(xué)特征

中亞造山帶是顯生宙以來全球地殼增生和改造最為顯著的區(qū)域之一[7-10]，其碰撞造山運(yùn)動受到西伯利亞板塊、塔里木—中朝板塊以及歐洲板塊的控制。東天山位于中亞造山帶西南緣，為準(zhǔn)噶爾與塔里木板塊縫合帶，其從古生代以來經(jīng)歷了復(fù)雜的碰撞造山過程，巖漿活動頻繁。由于其特殊的地理位置，是解密古亞洲洋生長演化的天然窗口。

大南湖島弧帶位于東天山北緣，其上分布有大量的火山巖、侵入巖，以及由硅質(zhì)巖、濁積巖、玄武巖和超基性巖構(gòu)成的增生復(fù)合體[8，11]。帶中出露地層主要以大柳溝組、大南湖組、頭蘇泉組和企鵝群組為主，為一套鈣堿性火山巖及內(nèi)碎屑巖建造。其中，奧陶紀(jì)—泥盆紀(jì)主要以海相環(huán)境為主，至中泥盆世，大南湖島弧帶北側(cè)康古爾塔格組出現(xiàn)磨拉石建造，與下伏地層(大南湖組)呈不整合接觸[12]，而大南湖島弧帶南側(cè)晚石炭世底坎兒組主體仍為海相火山碎屑沉積建造，至二疊紀(jì)轉(zhuǎn)為陸相環(huán)境[4，13]。島弧帶內(nèi)廣泛發(fā)育有兩期巖漿活動，奧陶紀(jì)—泥盆紀(jì)巖漿活動，多為中酸性侵入體，表現(xiàn)為島弧帶巖漿的特點(diǎn)[14-15]，部分具有埃達(dá)克巖的特點(diǎn)[16-17]；石炭紀(jì)—二疊紀(jì)巖漿活動，多為基性—超基性雜巖和中酸性侵入體，中酸性侵入體地球化學(xué)特征與A型花崗巖的地球化學(xué)特征相似[18-19]，其構(gòu)造環(huán)境多被認(rèn)為是伸展、島弧、弧后環(huán)境等。

本次對島弧帶中部的克孜爾卡拉薩依巖體做了詳細(xì)調(diào)查，其主要巖性為花崗閃長巖、二長花崗巖和正長花崗巖，多呈小巖株或巖脈形式產(chǎn)出(圖1b)，相互之間為漸變接觸關(guān)系，因而是同一期次巖漿事件產(chǎn)物?？俗螤柨ɡ_依巖體與地層接觸界線清楚，侵入體界面不平直(圖1c)，根據(jù)野外調(diào)查，結(jié)合遙感影像特征其界線呈舒緩波狀彎曲，大部分地段向外陡傾(圖2a、2b)，圍巖沒有明顯的接觸變質(zhì)現(xiàn)象，巖石結(jié)構(gòu)整體粗，成分單元和結(jié)構(gòu)單元復(fù)雜，且沿節(jié)理破碎嚴(yán)重(圖2c)，同期侵入脈巖發(fā)育，表現(xiàn)了該巖體中—深剝蝕巖性，侵入最老地層為中下奧陶統(tǒng)恰干布拉克組，侵入最新地層為上泥盆統(tǒng)康古爾塔格組。巖石學(xué)特征如下：

二長花崗巖：塊狀構(gòu)造，中細(xì)粒花崗結(jié)構(gòu)(圖2d)，主要由石英、斜長石、鉀長石和黑云母等組成，副礦物為榍石和鋯石，粒度大多在2～5 mm之間。石英(約25%)：他形粒狀，粒度為0.25～3.50 mm，晶體表面較干凈，分布在礦物粒間；斜長石(約35%)：他形粒狀—半自形板狀，以更—中長石為主，長徑為0.20～3.80 mm，聚片雙晶發(fā)育，有時少見環(huán)帶，弱絹云母化、泥化、綠泥石化等；鉀長石(約37%)：他形粒狀，粒度大小為0.15～4.80 mm，主要為條紋長石和微斜長石，弱的絹云母化、泥化；黑云母(約2%)：片狀，長徑為0.30～1.30 mm，部分弱綠泥石化，不均勻分布于其他礦物粒間；角閃石(約1%)：半自形柱狀，粒徑為0.35～2.50 mm，部分蝕變?yōu)楹谠颇负徒饘俚V物；金屬礦物(微量)：半自形—他形粒狀，粒徑為0.01～0.04 mm，星點(diǎn)狀分布(圖2e、2f)。

圖2 克孜爾卡拉薩依巖體野外(a～c)、手標(biāo)本(d)及鏡下照片(e～f)Fig.2 Hand specimen，field photo and micrograph of Kezierkalasayi granitePl—斜長石 Qz—石英 Chl—綠泥石 Kfs—鉀長石

2 樣品采集與分析方法

本次研究在克孜爾卡拉薩依二長花崗巖中采集一件新鮮樣品用于LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年研究；采集5件未蝕變且具有代表性的新鮮樣品進(jìn)行全巖地球化學(xué)分析，所采集樣品均采自于不同的基巖露頭(圖1b)。主、微量及稀土元素分析在長安大學(xué)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。主量元素分析采用X射線熒光光譜法完成，使用儀器為Shimadzu XRF-1700/1500，分析誤差優(yōu)于1%。燒失量在烘箱中經(jīng)(1000℃)烘烤90 min后稱重獲得。微量元素及稀土元素所使用的分析儀器為Thermo-X7電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，微量元素中質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10×10-6的樣品分析精度優(yōu)于5%(2σ)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10×10-6的樣品分析精度優(yōu)于10%。所有稀土元素的分析精度均優(yōu)于5%。具體分析方法可見Liang等(2000)。

LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年研究實(shí)驗(yàn)在中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心巖漿作用成礦與找礦重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，分析儀器為Agilent7700x型激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(LA-ICP-MS)，激光剝蝕系統(tǒng)為配備有193 nm ArF-excimer激光器的GeoLas 200 M，激光剝蝕束斑直徑為32 μm，頻率為5 Hz，樣品經(jīng)剝蝕后，由He氣作為載氣，再與Ar氣混合后進(jìn)入ICP-MS進(jìn)行分析。鋯石U-Pb年齡測定采用國際標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500作為外標(biāo)進(jìn)行校正，鋯石微量元素測定采用人工合成硅酸鹽玻璃標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)NIST610為外標(biāo)。采用Glitter(ver4.0，Macquarie University)對各元素含量和同位素比值進(jìn)行計(jì)算；使用LA-ICP-MS Common Lead Correction(按照Anderson Tom方法)完成普通鉛矯正[20]。實(shí)驗(yàn)具體方法與步驟詳見Yuan等(2004)。

3 分析結(jié)果

3.1 鋯石U-Pb年齡

本次獲得的二長花崗巖樣品中所挑選的鋯石顆粒主要呈自形—半自形棱柱狀晶體，形態(tài)完整，長50～300 μm，寬40～200 μm，長寬比為3∶1。在鋯石陰極發(fā)光(CL)圖像上(圖3)，鋯石顆粒具有明顯的巖漿振蕩環(huán)帶及明暗相間的條帶結(jié)構(gòu)，為典型巖漿成因鋯石。

二長花崗巖樣品的24個測點(diǎn)在206Pb/238U -207Pb/235U諧和年齡圖中(圖4a)，所有測點(diǎn)都分布于諧和線附近或線上；24個測點(diǎn)的U-Pb年齡在誤差范圍內(nèi)具有較好的一致性(表1、圖4b)，其206Pb/238U年齡的加權(quán)平均年齡為(372.3±2.5)Ma。由于二長花崗巖與花崗閃長巖及正長花崗巖之間為漸變接觸關(guān)系，因此本次測年結(jié)果較好地代表了克孜爾卡拉薩依花崗巖類巖體的結(jié)晶年齡，時代為晚泥盆世早期，稍晚于前人測得的克孜爾卡拉薩依花崗巖類巖體鋯石206Pb/238U(357.3.3±6.2)Ma[21]，這可能與巖漿的多期次有關(guān)。

圖3 二長花崗巖鋯石陰極發(fā)光圖像Fig.3 Cathodoluminescence image of zircon in monzogranite

圖4 二長花崗巖鋯石協(xié)和年齡圖和年齡直方圖Fig.4 Concordia age plot and histogram of zircon in monzogranite

3.2 主量元素特征

由表2可見，克孜爾卡拉薩依二長花崗巖樣品具有較高的SiO2(70.68%～77.45%)、Al2O3(12.14%～17.45%)、Na2O(3.42%～4.48%)和K2O(3.13%～5.22%)，低MgO(0.12%～1.34%)、TFe(0.63%～2.66%)和CaO(0.40%～2.63%)(圖5a)；巖石富堿且相對富鉀 [w(K2O+Na2O)=6.72%～8.64%，K2O/Na2O=0.79～1.53]，在SiO2- K2O圖中，樣品大致落入高鉀鈣堿性系列區(qū)域(圖5c)。鋁飽和指數(shù)A/CNK為0.97～1.03(有一個樣品A/CNK值為1.42)，在A/CNK - A/NK圖中(圖5b)，總體屬于準(zhǔn)鋁質(zhì)—弱過鋁質(zhì)花崗巖類。在哈克圖(圖6)中，這些二長花崗巖的Al2O3、TiO2、TFe、MgO、CaO、P2O5與SiO2呈負(fù)相關(guān)，而K2O與SiO2呈正相關(guān)，Na2O與SiO2呈弱正相關(guān)，表明巖漿可能經(jīng)歷了分離結(jié)晶或起源于不同程度的部分熔融。

表1 克孜爾卡拉薩依二長花崗巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb分析結(jié)果Table 1 LA-ICP-MS U-Pb analysis data of zircon in Kezierkalasayi monzogranite

3.3 微量元素特征

由圖7可見，克孜爾卡拉薩依二長花崗巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線及原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖曲線變化趨于一致，稀土元素配分曲線表現(xiàn)為典型的右傾式“海鷗型”。稀土元素總量較低，且變化幅度較大(稀土元素總量為55.93×10-6～186.71×10-6)；輕稀土元素富集，重稀土元素相對虧損 [(La/Yb)N=5.91～19.27，均值為10.41]，輕稀土元素之間分餾程度較好，而未發(fā)生明顯的重稀土元素分餾 [(La/Sm)N=3.08～5.31，(Gd/Yb)N=1.01～2.25](圖7a)；且均具有負(fù)Eu異常，δEu值為0.37～0.76(平均值為0.56)，暗示巖漿演化過程中存在一定程度的斜長石的結(jié)晶分異或源區(qū)有斜長石的殘留。此外，微量元素蛛網(wǎng)圖(圖7b)顯示，這些二長花崗巖明顯富集Rb、Ba、U和K等大離子親石元素，虧損Nb、Ta、P和Ti等高場強(qiáng)元素，但無明顯的Zr、Hf虧損(圖6b)。并且，由表2分析，樣品具有相對高的Nb/Ta值(均值9.9)、Zr/Hf值(均值39.2)和低的Rb/Sr值(均值0.6)、Rb/Ba(0.2)值。

4 討論

4.1 巖石類型

通常在花崗巖的成因類型分類問題上，以巖漿源區(qū)性質(zhì)劃分的I型、S型、A型和M型為常用的花崗巖成因分類方案[1，23-25]?？俗螤柨ɡ_依二長花崗巖在薄片上未觀察到典型的A型花崗巖所具有的堿性暗色礦物，并且含有較高的SiO2和全堿含量，含有低的CaO、Fe2O3、TiO2、MnO、MgO和P2O5含量；而在稀土元素配分曲線(圖7a)中，曲線呈右傾趨勢，輕重稀土元素分餾明顯 [(La/Yb)N=5.56～18.12]，且具有明顯的負(fù)Eu異常，在微量元素蛛網(wǎng)圖(圖7b)中，Nb、Ti、Ta和P負(fù)異常明顯，以及較低的104×Ga/Al值(1.64～2.57，平均值為2.23)等特征；在Whalen等(1987)提出的一系列以104×Ga/Al值為基礎(chǔ)的花崗量單位：主量元素wB/%；微量元素wB/10-6；稀土元素wB/10-6。

表2 克孜爾卡拉薩依巖體主量、微量和稀土元素分析結(jié)果Table 2 Analysis data of major，trace and rare earth elements of Kezierkalasayi granite

圖6 克孜爾卡拉薩依巖體花崗巖類主量元素哈克圖解Fig.6 Hack diagram of major elements of Kezierkalasayi granite

圖7 克孜爾卡拉薩依巖體稀土元素配分曲線圖(a)和微量元素蛛網(wǎng)圖(b) (標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[22])Fig.7 Chondrite-normalized REE distribution curve diagram (a)and trace element spider diagram of Kezierkalasayi granite (b)

巖巖石類型判別圖解(圖8)中，所有的樣品均落入I&S型花崗巖區(qū)域。因此克孜爾卡拉薩依二長花崗巖不屬于A型花崗巖，應(yīng)當(dāng)屬于S型或I型花崗巖。

克孜爾卡拉薩依二長花崗巖整體屬于準(zhǔn)鋁質(zhì)—弱過鋁質(zhì)，P2O5含量低且與SiO2含量呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系[24](圖6)，再結(jié)合鏡下觀察時未見到堇青石、白云母、電氣石及石榴子石等S型花崗巖中常見的富鋁質(zhì)礦物，這些特征與S型花崗巖有很大的差異，而顯示出I型花崗巖的特征。因此，克孜爾卡拉薩依二長花崗巖應(yīng)為高鉀鈣堿性I型花崗巖。

圖8 克孜爾卡拉薩依巖體花崗巖類巖石類型判別圖解(底圖引自文獻(xiàn)[26])Fig.8 Discriminant diagram of Kezierkalasayi granite [26]

4.2 巖漿成因及源區(qū)分析

克孜爾卡拉薩依二長花崗巖TiO2、Al2O3、MgO、P2O5、CaO含量與SiO2含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，Na2O、K2O與SiO2含量呈正相關(guān)關(guān)系(圖7)，表現(xiàn)出較為一致的演化趨勢，指示在巖漿演化過程中結(jié)晶分異作用起到了重要的作用。樣品中Zr/Nb比值與Zr值呈正相關(guān)關(guān)系，表明巖漿生成過程中出現(xiàn)過部分熔融作用。樣品總體富集輕稀土元素以及大離子親石元素，虧損重稀土元素和高場強(qiáng)元素(Nb、Ta、P和Ti)，與俯沖帶相關(guān)的島弧帶巖漿的地球化學(xué)特征類似[27]。

研究指出，在俯沖條件下容易發(fā)生幔源巖漿對下地殼的底侵作用[28]。克孜爾卡拉薩依二長花崗巖的Zr/Hf值(35.8～41.0)遠(yuǎn)高于地殼巖石的Zr/Hf值(～33)[29]，且與幔源巖石的Zr/Hf值(～36.3)[30]接近，指示其成巖過程中有幔源物質(zhì)的加入。同時樣品具有較高的SiO2(70.68%～77.45%)和Al2O3(12.14%～17.45%)值，富集Zr、Hf，虧損Nb、Ta、Ti等元素，表明幔源物質(zhì)加入量較少，結(jié)合高的SiO2及全堿含量，表明巖漿源區(qū)主要以殼源物質(zhì)為主[31-32]。樣品的Nb/U值為(3.4～6.2)，遠(yuǎn)低于洋中脊玄武巖、洋島玄武巖(47±10)和原始地幔的Nb/U值(33.6)，符合大陸地殼中Nb/U值[33]；此外，樣品的Sm/Nd值為0.17～0.21，符合大陸地殼的Sm/Nd值(0.17～0.25)[34-35]，進(jìn)一步證明巖石組分多源于地殼物質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)表明，玄武質(zhì)下地殼的熔體Mg#總是小于40(無論熔融程度多大)，如果地幔組分加入，Mg#則大于40[36-37]?？俗螤柨ɡ_依巖體中，Mg#值為21.36～47.35，平均值為32.91，小于40，表明幔源物質(zhì)對其貢獻(xiàn)很小。

在島弧環(huán)境中，巖石的成因通常會直接或間接的受到俯沖帶沉積物熔體或流體的影響。在弧巖漿體系中，Th/Yb值可以指示沉積物或其熔體參與程度，而Ba/La值則可以衡量流體參與程度[38]。本文的花崗巖樣品Th/Yb值(2.33～5.02，平均值為3.85)對比Ba/La值(4.30～35.10，平均值為23.17)變化范圍較小且值較低，反映俯沖板片流體在成巖過程中具有相對重要的作用。

綜上，克孜爾卡拉薩依二長花崗巖主要源于地殼物質(zhì)的部分熔融，在這個過程中俯沖帶流體的加入起著重要作用。

4.3 構(gòu)造背景及地質(zhì)意義

大南湖島弧帶發(fā)育大量的古生代花崗巖侵入體，對其成因問題，一些學(xué)者認(rèn)為是北天山洋向北俯沖的產(chǎn)物[39]，另一些學(xué)者認(rèn)為是由于卡拉麥里洋向南俯沖形成[4]，還有部分學(xué)者認(rèn)為其屬于古康古爾洋在不同時期雙向俯沖的產(chǎn)物[8]。

本文分析的克孜爾卡拉薩依二長花崗巖富集大離子親石元素(如Rb、Ba、U和K)，相對虧損高場強(qiáng)元素(如Nb、Ta、P和Ti)，其與島弧帶巖漿的地球化學(xué)特征一致。在(Y+Nb)/Rb和(Yb+Ta)/Rb圖解(圖9)中，樣品均落入到了火山弧花崗巖區(qū)域，進(jìn)一步證明克孜爾卡拉薩依在泥盆紀(jì)為島弧環(huán)境，這與前人的研究成果相吻合。結(jié)合其形成時代，表明在晚泥盆世早期，該地區(qū)已經(jīng)發(fā)生俯沖作用。

圖9 克孜爾卡拉薩依巖體中花崗巖類構(gòu)造環(huán)境判別圖解(底圖引自文獻(xiàn)[40])Fig.9 Discriminant diagram of tectonic environment of Kezierkalasayi granite [40]

近年來，關(guān)于大南湖島弧帶的奧陶紀(jì)—石炭紀(jì)巖漿巖陸續(xù)被報(bào)道[3，5，12，14，16，21，41-47]，該地區(qū)的侵入巖及火山巖在侵入時代上具有明顯的北老南新的特點(diǎn)[48]，反映了不同時代的島弧依次向南增生以及古洋殼在向北俯沖的極性。Wang等[2]通過獲得的三岔口的石英閃長巖侵入體LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為440 Ma，將古天山洋殼向北俯沖時間提前到了440 Ma，并且將大南湖島弧帶的形成時間推到了早志留世之前。

本次研究獲得的克孜爾卡拉薩依巖體花崗巖類形成年齡為(372.3±2.5)Ma，屬于晚泥盆世，結(jié)合前人研究，以及克孜爾卡拉薩依巖體的成因類型、形成機(jī)制以及構(gòu)造環(huán)境分析，認(rèn)為在晚泥盆世，古天山洋也發(fā)生向北的俯沖作用，且俯沖作用導(dǎo)致大南湖島弧帶下部地殼部分熔融形成了克孜爾卡拉薩依巖體。

5 結(jié)論

1)通過LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年獲得克孜爾卡拉薩依二長花崗巖年齡為(372.3±2.5)Ma，時代為晚泥盆世早期。

2)通過巖石地球化學(xué)分析得出，克孜爾卡拉薩依二長花崗巖具有高硅、富堿、低鎂鈦以及低Mg#的特征，A/CNK值為0.96～1.42，為準(zhǔn)鋁質(zhì)到過鋁質(zhì)高K鈣堿性I型花崗巖；此外富集輕稀土元素和大離子親石元素(Rb、Ba、U、K)，虧損重稀土元素和高場強(qiáng)元素(Nb、Ta、P、Ti)，未見明顯的Zr、Hf虧損，具有中等Eu負(fù)異常。

3)綜合區(qū)域構(gòu)造演化以及前人的工作可得，克孜爾卡拉薩依巖體形成于晚古生代古天山洋向北俯沖的島弧環(huán)境，成因主要與古天山洋向大南湖島弧帶之下俯沖導(dǎo)致的地殼的部分熔融有關(guān)。