東天山黃山西角閃輝長巖成因及其地質(zhì)意義：來自鋯石U-Pb年代學及地球化學的證據(jù)

張海迪，陳博，呂鵬瑞，羅彥軍，郭偉立，康磊，劉生榮，任廣利

(中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心,中國地質(zhì)調(diào)查局造山帶地質(zhì)研究中心，陜西 西安 710054)

東天山位于中國天山造山帶東段，保存了大量古亞洲洋俯沖、弧陸碰撞、洋陸轉換及其演化等重要信息(Windley, et al.，1990；Xiao ,et al.，2004；李錦軼等，2006; 周濤發(fā)等，2010；徐學義等，2014)。覺羅塔格構造帶位于東天山北部，是塔里木板塊和哈薩克斯坦準噶爾板塊碰撞對接的關鍵部位，區(qū)內(nèi)出露大量石炭紀—二疊紀巖漿巖，同時也伴隨大規(guī)模金、銅、鎳的成礦作用，是解剖天山造山帶晚古生代洋-陸格局轉換的關鍵地區(qū)。基于區(qū)內(nèi)石炭紀—二疊紀巖漿巖巖石學、地球化學及年代學特征，前人對覺羅塔格構造帶晚古生代構造環(huán)境做了大量研究，并取得許多進展，然而對于該區(qū)域內(nèi)石炭紀的構造環(huán)境仍然存在爭議。主要有3種認識：①俯沖環(huán)境分為弧間盆地(馬瑞士等, 1990, 1993)、多島洋弧體系(Xiao, et al.，2004)和弧后盆地(徐興旺等, 1998；羅婷等, 2020)等不同認識。②殘余洋盆，即準噶爾板塊與塔里木板塊之間古洋盆的殘余，但是對該洋盆的演化時限有不同認識(姬金生等,1994; 楊興科等, 1996 ; 李錦軼等, 2006; 曹瑞等, 2016)。③拉張環(huán)境分為陸內(nèi)裂谷(王廣瑞，1996；夏林圻等，2002a，2002b，2004，2006)和有限洋盆(王國燦等，2019)2種觀點，前者認為北天山古洋盆已于晚泥盆世—早石炭世閉合，石炭紀由于地幔柱的作用而發(fā)育大陸裂谷；而后者認為該地區(qū)石炭紀由于北天山洋閉合后的后碰撞伸展環(huán)境和南天山洋向北俯沖弧后擴張共同作用形成的康古爾有限洋盆。

筆者基于近些年在覺羅塔格構造帶東段紅丘陵地區(qū)開展的1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作，選取區(qū)內(nèi)石炭紀角閃輝長巖為研究對象，通過巖石學、地球化學及鋯石U-Pb年代學研究，厘定角閃輝長巖的形成時代，揭示其源區(qū)性質(zhì)和巖漿演化過程，分析其成巖的構造環(huán)境，為進一步探討覺羅塔格地區(qū)晚古生代巖漿活動提供新的依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于東天山覺羅塔格構造帶，北側以康古爾斷裂為界，與吐哈地塊相鄰，南側以阿其克庫都克斷裂為界，與中天山地塊相鄰(圖1)。依據(jù)區(qū)內(nèi)物質(zhì)組成及構造變形特征，以康古爾斷裂和雅滿蘇斷裂為界，覺羅塔格構造帶進一步劃分為大南湖-頭蘇泉島弧帶(北帶)、康古爾韌性剪切帶(中帶)、雅滿蘇島弧帶(南帶)3個構造單元(王京彬等，2006)。

圖1 (a)東天山及鄰區(qū)構造單元劃分(據(jù)王京彬等，2006修改)和(b)紅丘陵區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 (a)Tectonic units of the East Tianshan and its periphery ( Modified after Wang Jingbin, et al., 2006)and(b)Geological sketch map of the area of Hongqiuling

北帶位于康古爾斷裂以北，主要出露古生代島弧火山巖、海相凝灰?guī)r和砂巖等組成的火山-沉積巖系和以中酸性巖為主的各類侵入巖，總體為島弧沉積環(huán)境。中帶位于康古爾斷裂和雅滿蘇斷裂之間，寬度10～30 km。主要由一套變形、變質(zhì)強烈的無序地層-構造巖片組成，其原巖主要為下石炭統(tǒng)干墩組復理石建造和中石炭統(tǒng)梧桐窩子組拉斑玄武巖-放射蟲硅質(zhì)巖-泥質(zhì)巖等深水沉積組成，帶內(nèi)發(fā)育較多晚石炭—早二疊中酸性巖體，沿康古爾斷裂及其邊緣分布大量鐵鎂質(zhì)、超鎂鐵質(zhì)巖，與區(qū)內(nèi)香山、黃山、黃山東等銅鎳硫化物礦床的形成關系密切。南帶位于雅滿蘇斷裂與阿其克庫都克斷裂之間，出露下石炭統(tǒng)雅滿蘇組，由灰色碎屑巖夾石灰?guī)r、中酸性火山碎屑巖、火山熔巖等組成，巖石普遍強劈理化，大部分露頭上層理已經(jīng)基本被劈理置換。

2 樣品特征及分析方法

2.1 樣品特征

本研究涉及的角閃輝長巖體位于黃山銅鎳礦礦區(qū)以西30 km處，呈近東西向展布，與區(qū)內(nèi)構造線一致，其南側侵入到石炭系干墩組內(nèi)，北側被灰白色中細粒英云閃長巖侵入，東側和西側均被第四系新疆群覆蓋。該巖體主要巖石類型有角閃輝長巖、角閃石巖、含斜長石角閃石巖等。角閃石巖、含斜長石角閃石巖主要出露于巖體東南側。巖體受后期構造作用改造明顯，整體發(fā)育近東西走向劈理，較為破碎，局部發(fā)育強韌性剪切帶。

筆者用于同位素及地球化學研究的樣品采自哈密市G30銅鎳礦服務區(qū)東約20 km的采石場南部大溝內(nèi)，地理坐標北緯42°14′13″，東經(jīng)94°22′21″。樣品巖性為角閃輝長巖，深灰色，中細粒結構，塊狀構造，主要由角閃石(45%)和斜長石(55%)組成。巖石受后期構造作用影響，斜長石多發(fā)生細粒化，角閃石局部出現(xiàn)拉長狀、纖維狀，但整體保留了原始巖漿結構(圖2)。

a、b. 英云閃長巖與角閃輝長巖侵入接觸；c、d. 變余輝長結構(-)；e、f.堆晶結構(+)；pl.斜長石；Hb.角閃石圖2 研究區(qū)角閃輝長巖代表性宏觀及顯微照片F(xiàn)ig.2 The typical outcropping and microscopic photographs of the hornblende gabbro in the study area

2.2 分析方法

樣品的全巖主量、微量、稀土元素分析均在中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心實驗測試中心完成。主量元素采用X熒光光譜分析(XRF)測定，儀器編號SX-45，分析測試誤差小于1%；微量和稀土元素利用電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定，分析測試誤差優(yōu)于5%～10%；檢測依據(jù)為GB/T14506.28-2010、DZG20-05、GB/T14506.14-2010和DZ/T0223-2001。

鋯石的分選工作在河北廊坊誠信地質(zhì)服務有限公司完成。鋯石制靶和CL照相工作在北京地時科技有限公司完成。鋯石樣品是經(jīng)過人工重砂、電磁選和雙目鏡下挑選后，從角閃輝長巖樣品中將結晶好、透明度好、無裂隙、無包體的顆粒，用環(huán)氧樹脂固定并拋光至鋯石顆粒完全暴露，然后進行陰極發(fā)光(CL)內(nèi)部結構和LA-ICP-MS同位素分析測試。根據(jù)反射光、透射光及鋯石陰極發(fā)光圖像的分析，選擇吸收程度較為均勻的區(qū)域進行U-Pb定年。鋯石U-Pb定年是在中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心實驗測試中心完成，使用激光剝蝕-電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(LA-ICP-MS)完成。

激光剝蝕系統(tǒng)為GeoLas Pro，ICP-MS為Agilent 7700x。激光剝蝕過程中采用氦氣作載氣、氬氣為補償氣以調(diào)節(jié)靈敏度，二者在進入ICP之前通過一個T型接頭混合。每個時間分辨分析數(shù)據(jù)包括大約10 s的空白信號和40s的樣品信號。對分析數(shù)據(jù)的離線處理(包括對樣品和空白信號的選擇、儀器靈敏度漂移校正、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年齡計算)采用軟件Glitter 4.4完成，詳細儀器參數(shù)和測試過程可參考文獻(Horn, et al.，2000；Ballard, et al.，2001；Yuan, et al.，2004；李艷廣等，2015)。

U-Pb同位素定年中采用鋯石標準91500作外標進行同位素分餾校正。對于與分析時間有關的U-Th-Pb同位素比值漂移，利用91500的變化，采用線性內(nèi)插的方式進行了校正。鋯石樣品的U-Pb年齡諧和圖繪制和年齡權重平均計算均采用Isoplot/Exver 3(LUDWIG，2003)完成。鋯石微量元素含量利用參考標樣NIST610玻璃作為多外標、Si作內(nèi)標的方法進行定量計算，NIST610玻璃中元素含量的推薦值據(jù)GeoReM數(shù)據(jù)庫(http://georem.mpch-mainz.gwdg.de/)。

3 鋯石U-Pb年代學

黃山西角閃輝長巖(樣品號D6005-3)鋯石陰發(fā)光圖像和U-Pb表觀年齡見圖3。U-Pb同位素比值和表面年齡測試數(shù)據(jù)見表1。本次獲得鋯石多為黃褐色，半透明，鋯石顆粒晶形較差，大多呈棱角狀、次棱角狀，極個別顆粒晶形完好，呈粒狀，短柱狀，粒徑為70～200 μm，鋯石內(nèi)部裂隙發(fā)育，個別鋯石內(nèi)部含礦物包裹體，多數(shù)鋯石陰極發(fā)光圖像(CL)表現(xiàn)出明顯的巖漿振蕩環(huán)帶，環(huán)帶分帶之間寬度較寬(圖3)。鋯石的Th/U 值為0.21～1.11，平均值為0.57，屬于典型的巖漿鋯石(吳元保等，2004)。

圖3 黃山西角閃輝長巖鋯石陰極發(fā)光圖像Fig.3 CL images of the ziocons for the hornblende gabbro from the west Huangshan

19個鋯石測點的206Pb/238U年齡介于316～327.6 Ma(表1), 在一致曲線圖中, 數(shù)據(jù)點集中分布在諧和線上(圖4), 其206Pb/238U年齡的加權平均值為(319.8±2.6)Ma(MSWD=0.24,n=19)。綜合鋯石的形態(tài)、Th/U值和CL圖像特征，作者認為(319.8±2.6)Ma代表輝長巖的結晶年齡，黃山西角閃輝長巖是晚石炭世早期巖漿活動產(chǎn)物。

圖4 (a)黃山西角閃輝長巖鋯石U-Pb諧和圖和(b)加權平均年齡圖Fig.4 (a)Zircon U-Pb concordia diagram and (b)weighted mean age of hornblende gabbro from the west Huangshan

4 巖石地球化學

4.1 主量元素

巖石地球化學分析結果顯示(表2)，黃山西角閃輝長巖SiO2含量為48.72%～53.09%，平均值為51.21%；Al2O3含量介于16.75%～19.48%，平均值為17.92%；里特曼指數(shù)σ為2.37～2.95，顯示鈣堿性巖石系列特征。在SiO2-K2O圖解中(圖5a)，所有樣品均落入了鈣堿性系列。Alk(Na2O+K2O)介于4.05%～5.18%，MgO含量為5.67%～7.87%，平均值為6.87%，Mg#值介于53.83～66.85；CaO含量為7.83%～9.99%，平均值為8.87%；TiO2含量為0.77%～1.35%，平均值為0.92%。所有樣品的Al2O3含量大于13%，TiO2含量大多小于1%，P2O5含量均小于0.3%。在巖石TAS圖解中(圖5b)，樣品主要落入了亞堿性系列的輝長巖和輝長閃長巖區(qū)域。以上數(shù)據(jù)說明黃山西角閃輝長巖體有一定的成分變化。

圖5 (a)黃山西角閃輝長巖w(K2O)-w(SiO2)圖解與(b)TAS圖解Fig.5 (a)The w(K2O)-w(SiO2)diagram and (b)TAS diagram of hornblende gabbro from the west Huangshan

表2 黃山西角閃輝長巖主量元素(%)、微量及稀土元素(10-6)分析結果表Tab.2 Major elements(%) and trace elements(10-6) analysisresults of hornblende gabbro from the west Huangshan

續(xù)表2

通過對角閃輝長巖的主要氧化物與MgO進行協(xié)變分析(圖6)，發(fā)現(xiàn)隨著MgO含量的降低，主要氧化物如SiO2、TiO2、TFe2O3、K2O、Na2O、P2O5的含量呈逐漸上升趨勢，Al2O3、CaO的含量則呈逐漸下降的趨勢。結合巖體東南部發(fā)育角閃石巖及含斜長石角閃石巖等堆晶巖系的特征(圖2e、圖2f)，推測角閃輝長巖在形成過程中應該經(jīng)歷了角閃石的分離結晶。

4.2 稀土和微量元素

稀土元素球粒隕石標準化配分圖顯示(圖7a)，黃山西角閃輝長巖呈輕稀土元素(LREE)相對富集、重稀土元素(HREE)比較平坦的右傾型配分模式。稀土元素總量較低，介于60.44×10-6～94.74×10-6；LREE/HREE值為4.78～5.69，δEu和δCe值分別介于0.95～0.98和1.01～1.02(表2)，顯示一定程度的分異，無明顯的Eu和Ce異常。原始球粒隕石標準化的(La/Yb)N、(Ce/Yb)N值分別介于4.66～5.80和4.28～5.18。

圖6 黃山西角閃輝長巖主要氧化物與MgO協(xié)變圖解Fig.6 The major oxides and MgO covariant diagrams of hornblende gabbro from the west Huangshan

角閃輝長巖的微量元素分析結果見表2。微量元素Rb含量為13.90×10-6～17.30×10-6，Ba含量為229×10-6～376×10-6，U含量為0.21×10-6～0.35×10-6，Sr含量為514×10-6～873×10-6。Sr具有明顯的富集，其平均值為675.8×10-6，明顯高于大陸地殼Sr平均含量(325×10-6)(Rudnick, et al.，1995)。在原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖上(圖7b)，Rb、Ba、Th、U、K、Sr等大離子親石元素(LILE)明顯富集，高場強元素Ta、Nb出現(xiàn)虧損，但Zr、Hf元素不虧損。

圖7 (a)黃山西角閃輝長巖稀土球粒隕石標準化配分型式圖與(b)微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖Fig.7 (a) Chondrite-normalized REE pattern and (b)primitive mantle-normalized trace elementsspider diagram of hornblende gabbro from the west Huangshan

5 討論

5.1 輝長巖的年代學意義

黃山西角閃輝長巖體南部與早石炭世干墩組呈侵入接觸關系(圖2a、圖2b)，接觸邊界干墩組巖石發(fā)育明顯的熱接觸變質(zhì)作用(圖1b)，巖體北部被早二疊世未變形的英云閃長巖侵入(297.7±2.2 Ma，未發(fā)表)，上述野外接觸關系指示輝長巖形成于早石炭世—晚石炭世之間，本次獲得角閃輝長巖的鋯石年齡(319.8±2.6) Ma與地質(zhì)體的野外產(chǎn)出特征相一致。筆者通過已有同位素年代統(tǒng)計，顯示覺羅塔格地區(qū)存在明顯的晚石炭世早期320～315 Ma巖漿活動(圖8)，本次獲得角閃輝長巖與區(qū)域上晚石炭世早期的巖漿活動相對應。崔亞川等(2018)獲得了黃山角閃輝長巖的形成時代為282Ma，該巖體未受到康古爾剪切帶剪切作用的影響，完好地保留輝長結構，與筆者所探討的受韌性剪切作用改造的角閃輝長巖差異顯著。因此，本次識別出的晚石炭世早期巖漿活動進一步限定了康古爾斷裂帶的活動時限為晚石炭世晚期—早二疊世早期。

東天山地區(qū)發(fā)育大量與銅鎳礦成礦作用有關的早二疊世基性、超基性巖漿巖，已有礦床的成礦時代指示與銅鎳礦成礦作用相關的幔源巖漿活動時限為274～300 Ma, 持續(xù)了約30 Ma(王亞磊等，2016)。筆者獲得的角閃輝長巖鋯石年齡早于區(qū)域上廣泛發(fā)育的銅鎳礦化鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖石形成時代，加之輝長巖體南部做過大量銅鎳礦探槽、鉆探等勘探工作，找礦效果不明顯。另外，早二疊世形成的黃山角閃輝長巖顯示了極為虧損的Nd同位素特征(εNd(t)=+10.66～+12.54)(崔亞川等，2018)，而晚石炭世基性巖漿活動則顯示了較大的Nd同位素變化范圍(εNd(t)=+2.6～+9.4)(崔策等，2018；羅婷等，2020)。以上信息表明晚石炭世早期的巖漿事件可能與早二疊世銅鎳礦成礦主期巖漿作用存在差別。

5.2 巖石成因及構造背景

黃山西角閃輝長巖Mg#值介于53.83～66.85，略低于未分異初始巖漿的Mg#值(60～71)(Langmuir,et al.1977)，表明巖漿可能經(jīng)歷了低程度的結晶分異作用，這在MgO與其他氧化物的協(xié)變圖解中也有所反映(圖6)。角閃輝長巖的Zr/Hf、Rb/Sr、Nb/Ta值分別介于38.44～44.44(平均40.06)、0.019～0.029(平均0.024)、12.36～13.69(平均13.07)，接近原始地幔的比值(分別為36.27±2.0、0.025、14.0～22.5)(Rudnick, et al.，1995；Stolz,et al.，1996；金成偉等，2000；張貴山等，2009)。然而富集LILE和LREE、虧損Nb、Ta的特征表明其巖漿源區(qū)經(jīng)歷過流體交代。另一方面，較高的La/Nb值(2.23～2.85)、Rb/Nb值(2.44～4.22)和Ba/Nb值(53.50～90.68)，較低的Nb/U值(13.69～20.38)和Ta/U(1.00～1.52)值，以及較穩(wěn)定的Nb/Zr值(0.03～0.05)，表明交代其源區(qū)的應該為俯沖帶流體。與黃山西巖體同期的晚石炭世早期的火山巖也顯示出受俯沖帶流體交代特征的Sr-Nd同位素特征(崔策等，2018；羅婷等，2020)。黃山西巖體中大量角閃石的結晶所反映的巖漿富水特征可能也與此相關。

盡管如此，角閃輝長巖的地球化學特征并不能明確指示其形成于俯沖環(huán)境，因為俯沖階段受俯沖流體交代的軟流圈地幔會在一定的時間范圍內(nèi)保留這一地球化學印記，在后續(xù)的地質(zhì)過程中，該源區(qū)熔融形成的熔體將繼承弧火山巖的特征。已有研究表明東天山地區(qū)與洋殼俯沖相關的巖漿活動主要在泥盆紀發(fā)育，該洋盆于早石炭世之前閉合，形成區(qū)域內(nèi)廣泛發(fā)育的下石炭統(tǒng)與上泥盆統(tǒng)的角度不整合，石炭世之后大規(guī)模的巖漿作用(圖8)被認為形成于后碰撞環(huán)境(顧連興等,2006,2007;周濤發(fā)等,2010；夏林圻等,2002；李向民等,2006)。大陸板內(nèi)玄武巖不管是否受到地殼或巖石圈地?；烊荆哂休^高的Zr含量(70×10-6)和Zr /Y值(>3)(夏林圻等，2007;宋哲等，2020)。本次角閃輝長巖的Zr含量為81.5×10-6～208×10-6，Zr/Y值為5.62～9.90，顯示其可能為板內(nèi)環(huán)境的產(chǎn)物。在Nb×2-Zr/4-Y圖解(圖9a)中，3個樣品落入板內(nèi)堿性玄武巖和板內(nèi)拉斑玄武巖區(qū)域。而在Zr /Y-Zr圖解(圖9b)中，樣品全部落入板內(nèi)玄武巖構造環(huán)境區(qū)域。綜合以上信息，筆者認為晚石炭世覺羅塔格地區(qū)進入到板內(nèi)伸展的構造環(huán)境，由于位于覺羅塔格北部的北天山洋(干溝蛇綠巖-康古爾塔格蛇綠巖-大草灘蛇綠巖)在中晚泥盆世之交閉合，晚泥盆世—石炭紀期間區(qū)域上進入碰撞后伸展階段(王國燦等，2019)，導致被晚古生代早期(或早古生代)俯沖流體交代的軟流圈地幔發(fā)生熔融，形成了富集LILE，虧損Nb、Ta的玄武質(zhì)巖漿，該巖漿在分離結晶作用下，形成了以角閃輝長巖、角閃石巖為代表的黃山西巖體。

(數(shù)據(jù)來自：韓寶福等，2004；三金柱等, 2010；夏明哲等,2008,2010；Qin Kezhnag, et al., 2011；張小連等，2012；周濤發(fā)等，2010；王亞磊等，2016；張小連等,2012；崔亞川等，2018；白建科等，2018，Zhao Lian-dang,et al.,2019; 羅婷等，2020及項目內(nèi)部數(shù)據(jù))圖8 東天山覺羅塔格地區(qū)晚石炭世—早二疊世不同巖漿活動分布直方圖Fig.8 Histogram of the distribution of different magmatic activities from the late Carboniferous to early Permian in the Jueluotage area of East Tianshan

圖9 (a)黃山西角閃輝長巖Nb×2-Zr/4-Y圖解和(b)Zr/Y-Zr圖解Fig.9 Nb×2-Zr /4-Y diagram and Zr /Y vs. Zr diagram of hornblende gabbro from the west Huangshan

6 結論

(1)東天山覺羅塔格構造帶東段黃山西角閃輝長巖的形成時代為晚石炭世早期(319.8±2.6)Ma。

(2)東天山覺羅塔格構造帶東段黃山西晚石炭世早期角閃輝長巖的巖漿源區(qū)受俯沖流體交代作用影響明顯，角閃輝長巖在侵位過程中經(jīng)歷了角閃石的分離結晶作用。

(3)東天山覺羅塔格構造帶東段黃山西晚石炭世早期角閃輝長巖體形成于北天山閉合之后的板內(nèi)伸展構造環(huán)境。