中天山比吉蓋布魯斯臺輝長巖LA-ICP-MSCP-MS鋯石U-PbU-Pbb年齡及其構(gòu)造環(huán)境

米寶昕，靳劉圓，李平，劉宏，王洪剛，王曉晨

（1.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)學會， 新疆烏魯木齊 830000； 2.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院， 新疆烏魯木齊 830000；3.安徽省勘查技術(shù)院， 安徽合肥 230031； 4.內(nèi)蒙古自治區(qū)第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘查院， 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

0 引言

中亞造山帶是由眾多微陸塊、島弧、洋島、海山及增生雜巖等多種屬性地質(zhì)體碰撞拼貼而成的全球最大的增生造山帶[1～4]，發(fā)育有大量古生代至中生代侵入巖，這些侵入巖是研究陸殼增生的最佳對象[5～6]。國內(nèi)外學者對中亞造山帶進行了大量的研究工作，涉及巖石地球化學、沉積地層學、古地磁學、構(gòu)造地質(zhì)學和變質(zhì)地質(zhì)學等，并取得許多重要的進展和共識[5，7～9]。但在一些關(guān)鍵地質(zhì)問題如石炭紀-二疊紀這一構(gòu)造轉(zhuǎn)換關(guān)鍵時期的地質(zhì)背景等方面依然存在較大的爭議[8，10～13]。我國西天山造山帶是研究中亞造山帶西段構(gòu)造演化歷史的關(guān)鍵地區(qū)，然而對天山洋的閉合和造山作用時間同樣存在較大爭議，大部分學者認為南天山古洋盆于晚古生代閉合[10，15～23]，也有學者認為南天山為三疊紀碰撞造山帶[24～26]。

中天山構(gòu)造帶是西天山造山帶的重要組成部分。沿中天山南緣縫合帶之北，出露有大量的花崗巖類及少量基性巖。前人對這些基性侵入巖進行了研究，并取得了一定的成果，如與早志留世南天山洋向北俯沖作用有關(guān)的菁布克拉基性雜巖體[輝石閃長巖鋯石SHRIMP年齡(434.4±6.2)Ma][27]，地幔巖低程度部分熔融形成的小哈軍山基性-超基性雜巖體[28]，哈拉達拉基性-超基性雜巖體中輝長巖[鋯石SHRIMP年齡(308.3±1.8)Ma][29]，虧損地幔部分熔融巖漿與長英質(zhì)巖漿混合作用形成的駱駝溝輝長巖體[Rb-Sr等時線(321±10)Ma][30]等等。

本文對位于中天山南緣的新疆巴倫臺鎮(zhèn)北部比吉蓋布魯斯臺一帶輝長巖進行了研究，通過同位素年代學和巖石地球化學特征分析，研究輝長巖體形成的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境與動力學背景，進而為探討南天山洋的構(gòu)造演化進一步提供證據(jù)。

1 地質(zhì)背景和巖石學特征

圖1 比吉蓋布魯斯臺地區(qū)地質(zhì)簡圖Figure 1.Geological sketch of the Bijigaibulusitai area

圖2 輝長巖宏觀(a)及顯微照片(b)Figure 2.Macro-(a)and microscopic photo(b)of gabbro

研究區(qū)位于中天山南緣侵入巖帶中，距東南方向的新疆和靜縣約100km。區(qū)內(nèi)地層有中元古界長城系星星峽巖群、薊縣系卡瓦布拉克巖群，古元古界那拉提巖群。區(qū)內(nèi)廣泛出露大面積的泥盆紀、石炭紀侵入巖，泥盆紀侵入巖主要為閃長巖和二長花崗巖；石炭紀巖性較為復雜，超基性至酸性均有出露，主要巖性有蛇紋石化橄欖巖、閃長巖、石英閃長巖、花崗巖。本次研究的輝長巖巖體呈北西-南東向面狀展布(圖1b)，南北寬約3km，北部與泥盆紀、石炭紀侵入巖斷層接觸，東部被石炭紀閃長巖侵入，南部被第四系覆蓋，西部侵入下元古界那拉提巖群。

輝長巖：中細粒輝長結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要由斜長石、單斜輝石組成。斜長石近半自形板狀，大小一般1～2mm，局部可見5～8mm，雜亂分布，斜長石被絹云母及黝簾石、方解石交代。單斜輝石近半自形柱狀，大小一般1～2mm，部分2～5mm，雜亂分布，多已變?yōu)榻情W石集合體，少孤島狀殘留。角閃石為半自形-他形柱狀，大小一般0.02～0.2mm，局部被黝簾石及陽起石交代（圖2）。

2 分析方法

主量元素使用熔片法X-射線熒光光譜法(XRF)測試，微量元素使用ICP-MS法測試，主量元數(shù)與微量元素測試，均在新疆維吾爾自治區(qū)礦產(chǎn)實驗室完成，地球化學圖件繪制采用Geokit軟件完成[31]。

鋯石單礦物挑選在河北省廊坊區(qū)調(diào)隊試驗室完成，并拍攝鋯石陰極發(fā)光(CL)圖，然后在中國地質(zhì)大學(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室完成鋯石U-Pb同位素測年及鋯石微量元素測定。測試儀器采用等離子體質(zhì)譜儀Agilent7500a，激光能量70mJ，頻率8Hz，激光束斑直徑32μm，剝蝕物質(zhì)的載氣使用He，鋯石年齡計算采用標準鋯石91500作為外標，NIST610作為內(nèi)標。數(shù)據(jù)處理采用ICP-MS DataCa8.3程序，并進行普通鉛校正[32]，年齡計算及諧和圖繪制采用ISOPLOT4.0軟件完成[33]。

3 鋯石U-Pb測年

本次研究在比吉蓋布魯斯臺輝長巖體中采集鋯石U-Pb同位素年齡樣品1件。樣品位置：北緯42°55′29.7″，東經(jīng)85°26′57.9″。

圖3 比吉蓋布魯斯臺輝長巖鋯石陰極發(fā)光圖Figure 3.Cathodoluminescence images of zircons from the Bijigaibulusitai gabbro

輝長巖體中分選出的鋯石，多為無色透明，半自形，多呈柱狀，較為破碎，長寬比在1～3之間，粒徑在50～150μm之間，測試時選擇內(nèi)部純凈、沒有包裹體和裂隙的部位測定（圖3）。鋯石CL圖像顯示其具有巖漿的震蕩環(huán)帶。大量研究表明，不同成因的鋯石有不同的232Th/238U比值，其中，變質(zhì)成因的鋯石232Th/238U比值一般小于等于0.1，而巖漿成因的鋯石232Th/238U比值一般大于0.4[34～35]。本次測定樣品的U-Pb同位素數(shù)據(jù)列于表1。18顆鋯石的232Th/238U比值介于0.05～1.58，平均值為0.63，與巖漿鋯石的Th/U值一致，為巖漿成因鋯石特征。該樣品18個測點的數(shù)據(jù)點集中于諧和線上及其附近，其206Pb/238U年齡加權(quán)平均值（334.9±3.2）Ma，代表了輝長巖的形成年齡（圖4），故將比吉蓋布魯斯臺輝長巖的形成時代置于早石炭世。

4 巖石地球化學

4.1 主量元素

比吉蓋布魯斯臺輝長巖SiO2含量為48.43%～49.56%，均值為48.91%；Al2O3、CaO含量較高，分別為20.44%～22.11%、13.16%～14.04%，均值分別為21.42%、13.53%；TiO2和P2O5含量較低，分別為0.43%～0.74%、0.02%～0.03%，均值分別為0.52%、0.025%；MgO含量為6.78%～7.31%，均值6.88%，Mg#介于57.8～60.31，均小于65，但非常接近原始巖漿的參考值[4]，表明原始巖漿經(jīng)歷了較弱的分異作用；K2O含量（0.18%～0.22%，均值0.2%）低于Na2O含量（1.88%～2.28%，均值2.12%）。主要元素結(jié)果分析見表2。在TAS圖解（圖5）中，巖石落在亞堿性輝長巖范圍內(nèi)；在FAM圖解(圖6)中，樣品均落于拉斑系列區(qū)內(nèi)。

圖4 比吉蓋布魯斯臺輝長巖鋯石U-Pb諧和圖及206U/238Pb年齡加權(quán)平均值Figure 4.U-Pb concordia diagram and 206U/238Pb age weighted average value diagram of zircons from the Bijigaibulusitai gabbro

表1 比吉蓋布魯斯臺輝長巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素分析結(jié)果Table 1.LA-ICP-MS U-Pb isotopic data of zircons from the Bijigaibulusitai gabbro

圖5 比吉蓋布魯斯臺輝長巖TAS分類圖解[36]Figure 5.Total alkali versus silica(TAS)diagram of the Bijigaibulusitai gabbro[36]

圖6 比吉蓋布魯斯臺輝長巖FAM圖解[36]Figure 6.FAM diagram of the Bijigaibulusitai gabbro[36]

4.2 稀土與微量元素

稀土、微量元素分析結(jié)果見表3。輝長巖稀土元素總量∑REE較低（11.64×10-6～13.88×10-6），球粒隕石標準化曲線呈右傾型（圖7），LREE/HREE為2.81～3.23，（La/Yb）N=2.21～2.57，表明輕重稀土分餾較為明顯；δEu=1.82～2.24，為Eu正異常，與Sr的正異常特征一致，表明輝長巖形成過程中沒有發(fā)生明顯的斜長石結(jié)晶分離作用。在微量元素原始地幔標準化曲線圖（圖8）中，相對虧損Nb、Ta、Th等高場強元素（HFSE），Ba、U、Sr等大離子親石元素（LILE）顯示出相對富集的特征，這與島弧火山巖的特征類似[37]。

圖7 輝長巖稀土元素球粒隕石標準化曲線Figure 7.REE chondrite-normalized pattern of the Bijigaibulusitai gabbro(after Sun and McDonough，1989 for the chondrite data)

圖8 輝長巖微量元素原始地幔標準化曲線Figure 8.REE primitive mantle-normalized pattern of the Bijigaibulusitai gabbro (after Sun and McDonough，1989 for the chondrite data)

表2 比吉蓋布魯斯臺輝長巖主量元素（%）分析結(jié)果Table 2.Major element(%)composition of the Bijigaibulusitai gabbro

表3 比吉蓋布魯斯臺輝長巖稀土和微量元素（10-6）分析結(jié)果Table 3.REE and trace element（10-6）compositions of the Bijigaibulusitai gabbro

5 討論

比吉蓋布魯斯臺輝長巖屬拉斑玄武巖系列，具有高Si、高Al、低Ti特征。在Zr-TiO2圖解（圖9）中樣品均落于火山弧玄武巖區(qū)，在Ti/100-Zr-3Y圖解（圖10）中，樣品均落于火山弧低鉀拉斑玄武巖區(qū)。稀土元素球粒隕石標準化曲線為“右傾型”，具有Eu的正異常且重稀土分餾較弱，反映源區(qū)殘留相存在石榴石的殘余而基本無斜長石的殘留。微量元素地球化學特征顯示，巖石表現(xiàn)為大離子親石元素Ba、U、Sr相對富集，高場強元素Nb、Ta、Th相對虧損，進一步指示巖石具有火山弧侵入巖的特點。

圖9 比吉蓋布魯斯臺輝長巖TiO2-Zr構(gòu)造環(huán)境判別圖[40]Figure 9.TiO2-Zr tectonic setting discrimination diagram for the Bijigaibulusitai gabbro[40]

圖10 比吉蓋布魯斯臺輝長巖Ti/100-Zr-3Y構(gòu)造環(huán)境判別圖[40]Figure 10.Ti/100-Zr-3Y tectonic setting discrimination diagram for the Bijigaibulusitai gabbro[40]

中天山南緣構(gòu)造帶上，哈拉達拉基性-超基性雜巖體中輝長巖的鋯石SHRIMP年齡為（308.3±1.8）Ma[28]；駱駝溝輝長巖體Rb-Sr等時線年齡為（321±10）Ma[29]；瓊阿烏孜基性-超基性巖體的Sm-Nd同位素年齡為(314±1.9)Ma[39]。雖然這些輝長巖的巖漿源區(qū)類型各不相同，基性超基性巖的巖石組合互有差異，但各巖體的同位素測齡數(shù)據(jù)總體接近，可能代表在中天山南緣晚石炭世有一次較為廣泛的地幔熔融事件，該事件可能和南天山洋向北俯沖有關(guān)。

對比吉蓋布魯斯臺輝長巖體的LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年分析獲得成巖時代為（334.9±3.2）Ma，為晚石炭世。主量元素和稀土、微量元素特征分析顯示輝長巖體具有火山弧巖漿巖特點，說明比吉蓋布魯斯臺巖體可能形成于俯沖環(huán)境，暗示了晚石炭世南天山洋仍處于俯沖階段。

6 結(jié)論

（1）比吉蓋布魯斯臺輝長巖體LA-ICP-MS鋯石U-Pb加權(quán)平均年齡為（334.9±3.2）Ma（n=18，MSWD=0.077），指示輝長巖的形成時代為早石炭世晚期。該時期中天山南緣發(fā)育有較大規(guī)模的巖漿活動。

（2）輝長巖屬低鉀拉斑玄武巖系列，高Al、Ca，低Ti、P，稀土元素標準化曲線為“右傾型”，呈Eu正異常，富集大離子親石元素Ba、U、Sr，虧損高場強元素Nb、Ta、Th，形成于火山弧構(gòu)造環(huán)境。

（3）至晚石炭世，南天山洋仍然存在向北俯沖事件。比吉蓋布魯斯臺輝長巖為南天山洋殼向北俯沖的產(chǎn)物。