甘肅馬莊山地區(qū)花崗巖類的元素地球化學(xué)、U-Pb年代學(xué)及Nd-Hf同位素特征

王琦崧 張靜 曹雙雙 于立棟 孫海微

1. 貴州民族大學(xué)建筑工程學(xué)院，貴陽 5500252. 中國地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室，北京 1000833. 新疆維吾爾族自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局七〇四隊，哈密 8390001.

中亞造山帶(CAOB)，夾持于西伯利亞和塔里木-華北板塊之間(圖1a)，是世界最大的顯生宙增生型造山帶之一，經(jīng)歷了漫長而又復(fù)雜的增生造山過程(eng?retal., 1993; Windleyetal., 2007; Wangetal., 2012; Goldfarbetal., 2014; Zhangetal., 2017; Chenetal., 2020)。北山造山帶地處中亞造山帶南緣，西鄰天山造山帶，東接索倫構(gòu)造帶，是剖析中亞造山帶南緣構(gòu)造演化過程的關(guān)鍵區(qū)域之一(圖1a)。北山造山帶南帶由花牛山和石板山島弧組成，記錄了古老微陸塊的俯沖-碰撞過程(Liuetal., 2011; Zongetal., 2017; Yuanetal., 2018)。北山北帶由馬鬃山島弧、旱山島弧和雀兒山島弧組成，其性質(zhì)和構(gòu)造演化尚存在爭議；一種觀點認為，晚古生代火成巖與俯沖-增生過程有關(guān)(Xiaoetal., 2010; Aoetal., 2016; Han and Zhao, 2018)；另一種觀點認為，晚古生代的侵入巖形成于伸展環(huán)境(Zhengetal., 2013; Zhangetal., 2017)?；诖耍疚膶Ρ鄙奖睅Ш瞪交?nèi)馬莊山地區(qū)廣泛分布的花崗巖類進行巖石學(xué)、元素地球化學(xué)、鋯石U-Pb年代學(xué)及Nd-Hf同位素等研究，結(jié)合前人的研究資料，分析研究區(qū)花崗巖類的巖石成因和巖漿來源，進一步探討北山北帶的構(gòu)造演化過程。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

北山造山帶是由前寒武系的變質(zhì)基底、古生代島弧、蛇綠巖帶、微陸塊和增生雜巖帶等拼合而成(毛啟貴, 2010; Tianetal., 2014; 鄭榮國等, 2016)，經(jīng)歷了古生代-中生代長期的多階段、復(fù)雜的俯沖拼貼過程，是研究中亞造山帶的地球動力學(xué)演化過程和古亞洲洋的最終閉合時限的關(guān)鍵區(qū)域(Xiaoetal., 2010; Songetal., 2013a, b; Tianetal., 2014; Clevenetal., 2015)。受南北板塊的構(gòu)造擠壓，造山帶、斷裂、盆地呈近東西走向，形成了造山帶、盆地相間的構(gòu)造格局(陳衍景, 2000)。由北向南，北山造山帶依次可劃分為雀兒山弧、黑鷹山-旱山弧、馬鬃山弧、雙鷹山-花牛山弧、石板山弧和等5個單元(圖1b, Xiaoetal., 2010)。雀兒山弧為奧陶紀-二疊紀的活動大陸邊緣弧，發(fā)育奧陶紀-二疊紀活動陸緣火山巖及碎屑沉積巖地層，并出露古生代侵入巖(聶鳳軍等, 2002; 劉明強等, 2006; 丁嘉鑫等, 2015)。黑鷹山弧為前寒武紀島弧，出露石炭系基性-中性火山巖及碎屑巖、古生代及中生代花崗巖(丁嘉鑫等, 2015)，帶內(nèi)發(fā)育淺成低溫?zé)嵋航鸬V床(圖1b，如霍勒扎德蓋金礦；疏孫平等, 2017)。旱山弧為一古生代的復(fù)合型島弧，主要由高級片麻巖和花崗巖組成(Xiaoetal., 2010)，并發(fā)育有多個以淺成低溫?zé)嵋盒徒鸬V床為主體的金礦床(如：馬莊山、南金山和修翁哈拉金礦床；Chenetal., 2012; Deng and Wang, 2016; Wangetal., 2019; 王琦崧等, 2019)。馬鬃山弧為奧陶紀-二疊紀的復(fù)合型島弧，主要由綠片巖-角閃巖相變質(zhì)巖、火山巖和侵入巖組成(Songetal., 2013c)，該弧內(nèi)分布金窩子、210等金礦床(Chenetal., 2020)。雙鷹山-花牛山島弧為寒武紀-二疊紀的復(fù)合型島弧，主要發(fā)育新元古代-晚古生代地層和侵入巖(王鑫玉, 2017)，已發(fā)現(xiàn)國慶、玉山等鎢礦床(丁嘉鑫等, 2015)。而最南端的石板山島弧為向南俯沖的古生代-二疊紀活動大陸邊緣弧，主要出露有泥盆系、石炭系和二疊系的碎屑沉積巖、火山巖和火山碎屑巖等(Xiaoetal., 2010)，弧內(nèi)發(fā)育有與韌性剪切帶有關(guān)的熱液金礦床(如：小西弓金礦；江思宏, 2004)。

2 巖體產(chǎn)出及巖相學(xué)特征

研究區(qū)位于新疆-甘肅交界的泉東山-馬莊山一帶，大地構(gòu)造位置屬于旱山弧西段，其南北兩側(cè)分別受星星峽走滑斷層和路井兩條大斷裂的控制(圖1b)。區(qū)內(nèi)出露地層除第四系沖洪積外，主要為薊縣系大理巖、灰?guī)r，長城系星星峽組片麻巖，石炭系灰?guī)r、火山碎屑巖、安山巖、英安巖和碳酸鹽巖等(圖1c)。巖漿活動以酸性為主，出露二長花崗巖、花崗閃長巖、花崗巖、石英斑巖等，其中以花崗巖類巖石分布最為廣泛，多呈巖基、巖株或巖枝狀侵入于石炭系火山巖中(圖1c、圖2a)，局部可見石英脈侵入英云閃長巖(圖2g)。野外地質(zhì)調(diào)查和資料顯示，各巖相侵入體從早到晚的時間順序大致為二長花崗巖、花崗閃長巖、花崗巖、石英斑巖，部分侵入體與圍巖的外接觸帶可見烘烤邊，表明其接觸關(guān)系為熱侵位。

花崗閃長巖主要出露在馬莊山以西約3km處，呈巖基和巖枝產(chǎn)出，灰白色-肉紅色(圖2b)，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要由石英(20%～25%)、斜長石(40%～45%)、鉀長石(～20%)、少量黑云母(～10%)組成。其中，斜長石表面渾濁，呈自形-半自形柱狀，粒徑約為0.5～3mm，局部可見環(huán)帶結(jié)構(gòu)，部分已絹云母化(圖2c)；鉀長石表面呈肉紅色，半自形板狀，部分絹云母化，大小為0.3～1.5mm；石英多呈他形粒狀，粒徑約為0.1～0.3mm，局部可見波狀消光；黑云母多呈片狀，粒徑約0.1～0.5mm。

圖1 中亞造山帶構(gòu)造示意圖(a, 據(jù)Sengor and NataPin, 1996)、北山構(gòu)造簡圖(b, 據(jù)Xiao et al., 2010修改)和馬莊山區(qū)域地質(zhì)圖(c, 據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局704隊, 2018(1)新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局704隊. 2018. 新疆哈密市玉峰金礦預(yù)查設(shè)計報告修改)

圖2 馬莊山地區(qū)花崗巖類野外及鏡下照片(a-c)花崗閃長巖的野外產(chǎn)狀、手標(biāo)本和顯微照片(+)，(d-f)鉀長花崗巖的野外產(chǎn)狀、手標(biāo)本和顯微照片(+)，(g-i)英云閃長巖的野外產(chǎn)狀、手標(biāo)本和顯微照片(+).Qtz-石英；Pl-斜長石；Kfs-鉀長石；Bt-黑云母；Amp-角閃石；Ser-絹云母Fig.2 Field and petrographic photos of granitoids in the Mazhuangshan area(a-c) occurrence, hand specimen and micrograph of granodiorite (+); (d-f) occurrence, hand specimen and micrograph of K-feldspar granite (+); (g-i) occurrence, hand specimen and micrograph of tonalite (+). Qtz-quartz; Pl-plagioclase; Kfs-K-feldspar; Bt-biotite; Amp-amphibole; Ser-sericite

鉀長花崗巖位于泉東山以北1km和玉峰以東約4km處，呈巖珠產(chǎn)出，在空間上總體呈NE向展布，明顯受區(qū)內(nèi)斷裂控制，出露面積較小，約20km2。巖石呈灰黃色-肉紅色、中粗粒結(jié)構(gòu)(圖2e)，主要礦物有石英(～40%)、鉀長石(～50%)和斜長石(～10%)。其中，鉀長石以條紋長石為主，發(fā)育格子雙晶，粒徑約為0.8～3mm；斜長石多呈半自形，斜長石表面渾濁，粒徑約為0.5～3mm；石英為灰白色，呈他形粒狀，局部可見波狀消光，粒徑為0.1～1mm(圖2f)。

英云閃長巖位于位于玉峰以東約4km處，呈巖枝產(chǎn)出，灰黑色-灰綠色，粒度中等，塊狀構(gòu)造(圖2h)。主要由黑云母(20%～30%)，石英(～25%)，斜長石(30%～40%)以及角閃石(5%)組成。其中，斜長石多呈自形-半自形，寬板狀、聚片雙晶發(fā)育(圖2i)，粒徑約為0.5～3.5mm；石英，灰白色，多呈他形粒狀，粒徑為0.1～0.3mm；角閃石呈他形，含量較少，粒徑約為0.2～0.5mm。

二長花崗巖主要出露在研究區(qū)東北部的明水附近，呈巖基產(chǎn)出，淺肉紅色和灰白色，中-粗粒，似斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要由微斜長石(20%～30%)、斜長石(25%～35%)、石英(35%～45%)和黑云母(8%～15%)組成。其中微斜長石主要為條紋長石和鉀長石，半自形板柱狀，卡氏雙晶、格子雙晶發(fā)育；斜長石多呈自形-半自形板狀，聚片雙晶和環(huán)帶結(jié)構(gòu)發(fā)育，部分已蝕變?yōu)榻佋颇?；石英他形粒狀；部分黑云母蝕變?yōu)榫G泥石、綠簾石和黝簾石(Zhangetal., 2017)。

3 樣品采集和測試方法

3.1 樣品采集

本次研究的花崗質(zhì)類巖石采自馬莊山金礦附近及其以北的10km范圍內(nèi)，巖體圍巖主要是石炭系火山碎屑巖、碳酸鹽巖和石英斑巖。在野外地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，對鉀長花崗巖、英云閃長巖、花崗閃長巖等進行系統(tǒng)采集，樣品采自巖體地表或鉆孔巖芯，具體位置見圖1c。取樣過程中，盡量選取新鮮、未蝕變的巖石；在對所有樣品進行顯微巖相學(xué)觀察的基礎(chǔ)上，篩選8件進行全巖成分分析，2件進行鋯石定年分析，3件進行同位素測試。

圖3 馬莊山地區(qū)花崗巖類的TAS圖解(a, 底圖據(jù)Middlemost, 1994)和K2O-SiO2圖解(b,底圖據(jù)Rickwood, 1989)Fig.3 TAS diagram (a, base map after Middlemost, 1994) and K2O vs. SiO2 diagram (b, base map after Rickwood, 1989) of the granitoids in Mazhuangshan area

3.2 測試方法

全巖主量、微量及稀土元素分析測試在澳實礦物實驗室(廣州)完成。主量元素測試采用ME-XRF06的分析方法，所用儀器為X-熒光光譜分析儀，型號為PANalytical AXIOS，檢測下限為0.01n×10-2，分析精度和準(zhǔn)確度優(yōu)于0.01%；微量元素所用分析方法為ME-ICP61，所用儀器為電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，型號為ELAN 9000，分析精度和準(zhǔn)確度：Th、U為0.05×10-6，Cs、Sr、Ta為0.1×10-6，Ba為0.5×10-6，Rb、Hf、Nb為0.2×10-6，Zr為2×10-6，V、Co、Ni、Cr為1×10-6，K、P、Ti為0.01%；稀土元素分析方法為ME-MS81(硼酸鋰熔融、等離子質(zhì)譜定量測試)，所用儀器仍為電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，分析精度和準(zhǔn)確度除La、Ce、Y為0.5×10-6外，其余均為0.05×10-6。

Nd同位素組成測試在中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國家重點實驗室完成，樣品測試所用儀器為Finnigan Neptune多接收器電感耦合等離子質(zhì)譜儀(MC-ICP-MS)。同位素分析采用Teflon溶樣器，加入HNO3和HF混合溶樣，用專用的陽離子交換柱進行分離。詳細的分析流程及儀器分析情況見(梁細榮等, 2002)。在本文樣品分析過程中，EstonJndi-1標(biāo)準(zhǔn)的143Nd/144Nd測定值0.512087±2(2σ，N=18)。

鋯石U-Pb定年在中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)過程和礦產(chǎn)資源重點實驗室完成，分析過程中使用的激光剝蝕束斑，直徑為32μm，使用He、Ar分別作為其載氣和補償氣。年齡外標(biāo)采用國際標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500校正，MUD作為同位素監(jiān)測樣品，元素含量的外標(biāo)和內(nèi)標(biāo)分別采用的是NIST610、29Si，通過本次實驗測得的標(biāo)樣的結(jié)果，在推薦值范圍內(nèi)(Ludwig, 2003)。

鋯石Hf同位素分析在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司完成，儀器采用多接收質(zhì)譜儀MC-ICP-MS(Neptune Plus)和相干193nm準(zhǔn)分子激光剝蝕系統(tǒng)(GeoLasPro HD)。關(guān)鍵參數(shù)：束斑：44μm，能量強度：8mJ/cm2，頻率：8Hz，載氣：600ml/min，標(biāo)樣推薦值(91500：0.282308，GJ-1：0.282013，TEM: 0.282677)。εHf(t)根據(jù)每個測點的鋯石U-Pb年齡計算而來，采用的176Lu衰變常數(shù)λ=1.867×10-11y(S?derlundetal., 2004)，利用平均大陸殼的176Lu/177Hf=0.015(Griffinetal., 2002)計算鋯石Hf同位素地殼模式年齡(tDM2)。

4 測試結(jié)果

4.1 主、微量元素

鉀長花崗巖SiO2含量為76.35%～78.48%、K2O為2.86%～4.95%、P2O5為0.01%、全堿(Na2O+K2O)含量7.14%～8.75%、K2O/Na2O比值0.67～1.33、Zr/Hf比值介于18～24之間(表1)。在TAS圖解上，樣品點落在花崗巖區(qū)域(圖3a)；在SiO2-K2O圖解(圖3b)中，主要落入高鉀鈣堿性-鈣堿性系列范圍。鉀長花崗巖的稀土元素總量中等，∑REE=83×10-6～154×10-6、(La/Yb)N值為1.4～6.3、δEu=0.04～0.21，相對富集輕稀土元素、虧損重稀土元素，顯示強的負Eu異常(圖4a)，表明巖漿曾發(fā)生明顯的斜長石的分離結(jié)晶作用(張宏飛和高山, 2012)。微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖顯示：鉀長花崗巖富集Rb、K、Th和U大離子親石元素，虧損P、Ta、Nb和Ta高場強元素(圖4b)。

英云閃長巖SiO2含量為64.54%～64.75%、K2O為3.63%～4.33%、P2O5為0.20%～0.21%、全堿(Na2O+K2O)含量為6.51%～6.94%、K2O/Na2O比值為0.50～0.91，Zr/Hf比值38～39。在TAS圖解上，樣品落在花崗閃長巖區(qū)域(圖3a)；在SiO2-K2O圖解上落入高鉀鈣堿性-鈣堿性區(qū)域(圖3b)。英云閃長巖的稀土元素總量中等，∑REE=153.35×10-6～162.49×10-6，(La/Yb)N值為8.6～10.9，δEu=0.89～0.90(表1)，表明輕重稀土分異中等，相對富集輕稀土元素、虧損重稀土元素，顯示弱的負Eu異常(圖4a)，表明巖漿沒有發(fā)生明顯的斜長石的分離結(jié)晶作用(張宏飛和高山, 2012)。總體富集Rb、K、Th和U大離子親石元素，虧損P、Ta、Nb和Ti高場強等元素(圖4b)。

花崗閃長巖SiO2含量為66.64%～67.86%、K2O為1.53%～4.65%、P2O5為0.02%～0.12%、全堿(Na2O+K2O)為4.72%～6.55%、K2O/Na2O比值0.30～0.43、Zr/Hf比值28～36。在TAS圖解上，樣品落在花崗閃長巖區(qū)域(圖3a)；全巖樣品中硅高鉀中磷，1件為鉀玄巖系列，另2件是鈣堿性系列(圖3b)。花崗閃長巖的稀土元素總量中等，∑REE=76×10-6～193×10-6，(La/Yb)N值為7.7～14.0，δEu=0.47～0.97(表1)，表明輕重稀土分異中等，顯示弱的負Eu異常(圖4a)。微量元素特征與英云閃長巖相似(圖4b)。

表1 馬莊山地區(qū)花崗巖類主量元素(wt%)、稀土、微量元素(×10-6)測試結(jié)果

圖4 馬莊山地區(qū)花崗巖類球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分型式(a, 標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Boynton, 1984)和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蜘蛛圖(b, 標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough, 1989)Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns (a, normalization values after Boynton, 1984) and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (b, normalization values after Sun and McDonough, 1989) of the granitoids

圖5 花崗巖類巖石中鋯石陰極發(fā)光圖像Fig.5 Cathodoluminescence images of the zircon from granitoids

圖6 花崗巖類巖石中鋯石的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖(標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Boynton, 1984)Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns of the zircon from granitoids (normalized after Boynton, 1984)

4.2 鋯石U-Pb年齡

選取2件巖石樣品進行了鋯石U-Pb定年分析。所測定鋯石多呈透明長柱或短柱狀，自形程度較好，粒徑多為80～120μm，陰極發(fā)光圖像上具清晰的震蕩環(huán)帶(圖5)。鋯石具有較高的Th(43×10-6～634×10-6)、U(154×10-6～758×10-6)含量和Th/U比值(0.28～0.86)(表2)，稀土元素配分曲線具有輕稀土虧損、重稀土富集、明顯Ce正異常、Eu負異常的特點(圖6)；顯示巖漿鋯石的特征(Belousovaetal., 2002)。

圖7 馬莊山地區(qū)花崗巖類LA-ICP-MS U-Pb年齡一致曲線(a、c)和加權(quán)平均年齡譜圖(b、d)Fig.7 U-Pb concordant age (a, c) and weighted mean zircon 206Pb/238U age (b, d) of the granitoids at Mazhuangshan

鉀長花崗巖(YF15-2)8顆鋯石顆粒的LA-ICP-MS U-Pb年齡測定表明，其U-Pb一致年齡為317.7±1.0Ma(MSWD=0.031；圖7a)，206Pb/238U加權(quán)平均年齡值為318.2±4.0Ma(MSWD=1.2；圖7b)。

花崗閃長巖(MZS7-6)22顆鋯石顆粒的LA-ICP-MS U-Pb年齡測定顯示，其U-Pb一致年齡為320.2±0.8Ma(MSWD=1.9；圖7c)，206Pb/238U加權(quán)平均年齡值為319.3±2.6Ma(MSWD=0.045；圖7d)。

4.3 Nd-Hf同位素

本文測試并統(tǒng)計研究區(qū)附近的全巖Nd同位素測試樣品共10件，統(tǒng)計結(jié)果見表3。鉀長花崗巖的εNd(t)在-5.30～-4.24之間，(143Nd/144Nd)i值為0.511958～0.512013?；◢忛W長巖的εNd(t)為-5.31，(143Nd/144Nd)i值為0.511968。石英斑巖的εNd(t)在-2.27～1.82之間，(143Nd/144Nd)i值為0.512135～0.512326。二長花崗巖的εNd(t)在-2.0～-1.7之間，(143Nd/144Nd)i值為0.512113～0.512128。

花崗閃長巖鋯石Hf同位素測點位于LA-ICP-MS U-Pb年齡測點旁(圖5b)，Hf同位素共測試12個點(MZS7-6)。測試結(jié)果見表4，176Lu/177Hf比值介于0.000804～0.001816，176Hf/177Hf比值在0.282489～0.282590，εHf(t)介于-3.6～-0.2，平均-1.1，tDM介于947～1086Ma，tDM2為1318～1537Ma。

5 討論

5.1 巖石成因

巖漿巖類型的識別對于巖漿源區(qū)、構(gòu)造環(huán)境識別有重要的意義，其成因類型可劃分為I型、S型和A型(Chappell and White, 1974, 1991; Collinsetal., 1982)。I型花崗巖被認為是未風(fēng)化的火成巖經(jīng)過部分熔融、結(jié)晶形成的，Na2O/K2O值一般小于1，特征礦物為角閃石(Chappelletal., 2012)；S型花崗巖被認為是殼源沉積物經(jīng)部分熔融、結(jié)晶形成的，Na2O/K2O值一般大于1，特征性礦物為堇青石、石榴石和夕線石(Chappell and White, 1974)；A型花崗巖是產(chǎn)于穩(wěn)定大陸板塊和裂谷內(nèi)部的堿性、無水的花崗巖，特征礦物是堿性暗色礦物(如鈉閃石；Chappell and White, 1974; Mille, 1985)。

研究區(qū)英云閃長巖在顯微鏡下明顯可見角閃石。英云閃長巖和花崗閃長巖的Na2O/K2O比值為0.3～0.9。在(Na2O+K2O)/CaO-Zr+Nb+Ce+Y圖解(圖8a)中，英云閃長巖和花崗閃長巖的投影點均落入未分異花崗巖區(qū)；在10000Ga/Al-Zr和10000Ga/Al-Nb圖解(圖8b, c)中， 樣品點均落在I或S型花崗巖范圍內(nèi)。巖漿分異演化過程中，I型花崗巖的P2O5含量具有隨著SiO2含量的增加而遞減的特征，S型花崗巖則具有相反的趨勢，因此，P2O5可以用來區(qū)分低分異的I型和S型花崗巖(Lietal., 2006, 2007; Wuetal., 2003)。在P2O5-SiO2關(guān)系圖解(圖8d)中，P2O5與SiO2相呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，與S型花崗巖的負相關(guān)性有明顯的區(qū)別；在Rb-Th和Rb-Y的圖解(圖8e, f)中，Y、Th與Rb均呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，與I型花崗巖的特征一致(Chappell, 1999; Green and Watson, 1982; Lietal., 2007)。綜上，認為研究區(qū)英云閃長巖和花崗閃長巖應(yīng)屬I型花崗巖，這也與區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育的二長花崗巖的類型相一致(Zhangetal., 2017)。

表3 馬莊山地區(qū)花崗巖類全巖Nd同位素組成

表4 馬莊山地區(qū)花崗閃長巖中鋯石的Hf同位素組成

圖8 馬莊山地區(qū)花崗巖類巖石的成因判別圖(底圖據(jù)Whalen et al., 1987)(a) (Na2O+K2O)/CaO與Zr+Nb+Ce+Y圖；(b) Zr與10000Ga/Al花崗巖分類圖；(c) Nb與10000Ga/Al花崗巖分類圖；(d) P2O5-SiO2圖解；(e) Rb-Th圖解；(f) Rb-Y圖解Fig.8 Discrimination diagrams of the granitoids at Mazhuangshan area (base map after Whalen et al., 1987)(a) (Na2O+K2O)/CaO vs. Zr+Nb+Ce+Y diagram; Zr (b) and Nb (c) vs. 10000 Ga/Al diagrams; (d) P2O5 vs. SiO2 diagram; Th (e) and Y(f) vs. Rb diagrams

圖9 馬莊山地區(qū)花崗巖類巖石t-εNd(t)(a)和t-εHf(t)(b)圖解除本文之外的其他數(shù)據(jù)引自聶鳳軍等(2002)、洪大衛(wèi)和謝錫林(2000)、Jahn et al. (2000)、Lei et al. (2013)、Song et al. (2013b)、Zhang et al. (2017)及王琦崧等(2019)Fig.9 Diagrams of the age vs. εNd(t) (a) and age vs. εHf(t) (b) for the granitoids in Mazhuangshan areaThe data of other intrusions from Nie et al. (2002), Hong and Xie (2000), Jahn et al. (2000), Lei et al. (2013), Song et al. (2013b), Zhang et al. (2017) and Wang et al. (2019)

相比較而言，區(qū)內(nèi)鉀長花崗巖因其較高的10000Ga/Al值，樣品總體落入了A型花崗巖和靠近A型花崗巖的區(qū)域內(nèi)(圖8b, c)?？紤]到A型花崗巖往往與SiO2>72%的I型或S型高分異花崗巖在地球化學(xué)特征上表現(xiàn)出一定的相似性(Whalenetal., 1987; Wuetal., 2003)，而鉀長花崗巖與花崗閃長巖是同時代的產(chǎn)物(其為年齡分別為317Ma和320Ma左右)(圖8a, b)，具有相同的礦物組合和類似的地球化學(xué)特征，因此，推測鉀長花崗巖為高分異I型花崗巖。

5.2 巖漿來源

中亞造山帶大部分顯生宙花崗巖以正的εNd(t)值與年輕的Sm-Nd模式年齡為主(Jahnetal., 2000)。研究區(qū)內(nèi)大部分花崗巖類樣品的εNd(t)值小于0，反映了前寒武紀古陸的殘余(圖9a)，或者說巖漿形成過程中有老地殼的混入，與研究區(qū)廣泛出露的早中元古界所處的淺海相沉積環(huán)境吻合(周濟元等, 2002)。與此同時，研究區(qū)少部分花崗巖類樣品的εNd(t)值>0，反映了巖石可能有一定的地幔物質(zhì)來源?？傮w而言，研究區(qū)花崗巖類的εNd(t)表現(xiàn)了殼?；旌系奶卣?。

Hf同位素具有較高的封閉溫度，不會因后期的部分熔融、分離結(jié)晶而發(fā)生變化，故Hf同位素可以用來揭示巖石源區(qū)特征(Griffinetal., 2000; 吳福元等, 2007)。鋯石Hf同位素分析目前被廣泛用于反應(yīng)花崗巖的源巖性質(zhì)和源區(qū)特征。一般來說，正的εHf(t)值被解釋為其源巖可能來自新生地殼或虧損地幔(Jahnetal., 2000; Vervoortetal., 2000)，負的εHf(t)值指示其源巖為古老地殼物質(zhì)(Kinny and Maas, 2003)。研究區(qū)花崗閃長巖的εHf(t)介于-3.6～-0.2，tDM2為1318～1537Ma。在εHf(t)-t圖解中，大部分樣品的投點落在虧損地幔(DM)和球粒隕石(CHUR)演化線之間，少部分樣品則落在球粒隕石演化線以下，暗示其源巖以古老地殼為主，并有少量新生地殼或虧損地幔參與(圖9b)，這也與研究區(qū)Nd同位素特征相一致。鋯石Hf二階段模式年齡(tDM2)指示虧損地幔熔融形成玄武質(zhì)下地殼時代，即模式年齡代表了殼幔分異時代(吳福元等, 2007)。研究區(qū)花崗閃長巖鋯石Hf二階段模式年齡(tDM2)為1321～1537Ma(表4)，與巖體的實際侵位年齡(～320Ma)差別較大，代表了旱山弧微古陸在中元古代早期有一次古老地殼增生。

圖10 旱山弧花崗質(zhì)巖石鋯石Hf模式年齡頻率直方圖Fig.10 Zircon Hf isotopic diagram from the granitoids in the Hanshan arc

為了對比研究，同時收集北山地區(qū)旱山弧內(nèi)、不同時代的花崗質(zhì)巖石的Hf同位素組成，分析旱山弧地殼演化史。從西到東分別選取紅柳井(95°E)、馬莊山(96°E)、石板井(98°E)的中元古代至晚古生代花崗質(zhì)片麻巖和花崗巖類巖石(Heetal., 2014, 2015; Wangetal., 2014; Gaoetal., 2015)，它們的鋯石Hf模式年齡介于1.3～2.3Ga之間，顯示1.5～1.6Ga和1.9～2.0Ga兩個峰值(圖10)。前人的研究表明，旱山弧與北山鋯石Hf模式年齡都具有1.9～2.0Ga峰值(Heetal., 2018)，這一時間與元古代全球陸殼增長的重大地質(zhì)事件同步(Kr?neretal., 2014, 2017)。這進一步印證了，研究區(qū)的古地殼可能是在古元古代(約2.0Ga)形成，之后經(jīng)歷了新一期的中元古代(約1.5Ga)地殼生長。

5.3 巖漿侵位時代與構(gòu)造環(huán)境

圖11 馬莊山地區(qū)花崗巖Hf-Rb/30-Ta×3構(gòu)造環(huán)境判別圖解(底圖據(jù)Rollinson, 1993)Fig.11 The Hf-Rb/30-Ta×3 discriminant diagram for granites (base map after Rollinson, 1993)

圖12 北山造山帶北帶奧陶紀-石炭紀構(gòu)造演化示意圖(據(jù)Ao et al., 2016修改)Fig.12 Schematic diagram showing the tectonic evolution of the Northern Beishan Orogen from Ordovician to Carboniferous (modified after Ao et al., 2016)

前人曾對研究區(qū)及附近的花崗巖類巖石開展了一系列的同位素年代學(xué)工作。Zhangetal. (2017)獲得研究區(qū)東北側(cè)明水地區(qū)的二長花崗巖鋯石LA-ICP-MS鋯石U-Pb一致年齡為328±2Ma；王琦崧等(2019)獲得馬莊山地區(qū)的石英斑巖的鋯石LA-ICP-MS鋯石U-Pb一致年齡分別為315.4±0.6Ma；本次工作首次獲得馬莊山地區(qū)的鉀長花崗巖和花崗閃長巖的鋯石LA-ICP-MS鋯石U-Pb一致年齡分別為317.7±1.0Ma 和320.2±0.8Ma。綜合上述研究結(jié)果，研究區(qū)花崗巖類巖石侵位時代在315～328Ma，反應(yīng)了該區(qū)巖漿巖侵位時代于早石炭世-晚石炭世。

前人對北山造山帶晚古生代的構(gòu)造環(huán)境的認識存在分歧。一種觀點認為，晚古生代火成巖與俯沖-增生過程有關(guān)(Xiaoetal., 2010; Aoetal., 2016; Han and Zhao, 2018)；而另一種觀點認為，晚古生代的侵入巖形成于伸展環(huán)境(Zhengetal., 2013; Zhangetal., 2017)。從本文研究區(qū)情況看，北山造山帶馬莊山地區(qū)的巖石組合為英云閃長巖、花崗閃長巖和鉀長花崗巖。上述部分花崗巖類巖石中含有富水礦物角閃石、黑云母，說明巖漿含水，顯示與洋殼俯沖作用有關(guān)的弧火山組合特征(肖慶輝等, 2009)。與此同時，巖石相對富集大離子親石元素，虧損高場強元素(圖4b)，Ti-Nb-Ta的負異常，顯示了巖石處于俯沖區(qū)弧火山巖特征(Pearceetal., 1984)。在花崗巖Hf-Rb/30-Ta×3構(gòu)造環(huán)境判別圖上(圖11)，英云閃長巖、花崗閃長巖和鉀長花崗巖樣品點均落入火山弧區(qū)，也反映了研究區(qū)晚石炭世為火山弧環(huán)境。

結(jié)合整個區(qū)域構(gòu)造演化情況以及研究區(qū)花崗巖類構(gòu)造環(huán)境背景，將北山造山帶內(nèi)奧陶紀-石炭紀期間旱山弧的構(gòu)造演化總結(jié)如下(圖12)：奧陶紀-泥盆紀時期，雙鷹山弧與馬鬃山弧之間的月牙山洋閉合，月牙山蛇綠巖形成，雙鷹山弧與馬鬃山弧拼貼在一起(圖12a)；早石炭世時期，古亞洲洋向東天山和北山下俯沖，俯沖板片后撤使得東天山-北山復(fù)合造山帶北部進入弧后拉分盆地時期(Xiaoetal., 2018)，紅石山洋和星星峽-石板井洋盆可能就是古亞洲洋板片后撤拉張的產(chǎn)物(張元元和郭召杰, 2008; Zhengetal., 2013; 王國強等, 2014; Xiaoetal., 2018)。與此同時，旱山弧南側(cè)的芨芨臺子-小黃山洋向南側(cè)俯沖(圖12b)；晚石炭世時期，以芨芨臺子-小黃山洋代表的洋向南俯沖角度逐漸減小，直至閉合。與此同時，古亞洲洋向南俯沖，在約317～320Ma，研究區(qū)處于火山弧環(huán)境，下地殼物質(zhì)的部分熔融形成了鉀長花崗巖和花崗閃長巖的初始巖漿，侵位至地殼淺部產(chǎn)出(圖12c)。晚石炭世末期，古大洋逐漸閉合，北山研究區(qū)開始進入后碰撞造山階段。

6 結(jié)論

(1)馬莊山地區(qū)的花崗巖類巖石包括花崗閃長巖、鉀長花崗巖、英云閃長巖，總體屬于富硅、鉀，低鐵、磷、鈦的高鉀鈣堿性-鈣堿性系列，英云閃長巖、花崗閃長巖顯示低分異I型花崗巖的特征，而鉀長花崗巖顯示高分異I型花崗巖的特征。

(2)馬莊山地區(qū)鉀長花崗巖與花崗閃長巖成巖年齡分別為317.7±1.0Ma、320.2±0.8Ma，形成于古亞洲洋俯沖背景下的弧環(huán)境。

(3)研究區(qū)花崗巖類初始εNd(t)在-5.31～1.82。花崗閃長巖鋯石176Hf/177Hf在0.282489～0.282590之間，εHf(t)介于-3.6～-0.2之間，tDM2為1318～1537Ma，認為其可能來源于下地殼物質(zhì)的部分熔融，原始巖漿在上侵過程中有部分地幔物質(zhì)的加入。

致謝野外工作得到了西部礦業(yè)哈密金礦、新疆有色704隊的大力支持；實驗工作得到了中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所肖兵博士、中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室相鵬老師的幫助和支持；兩位審稿人為本文提出了建設(shè)性修改建議；在此一并表示感謝。