甘肅北山新元古代侵入巖的厘定及其對北山盆山演化格局的制約

王紅杰， 郭峰， 馮乃琦， 劉佳

(1.中國地質科學院鄭州礦產綜合利用研究所，河南 鄭州 450006； 2.自然資源部多金屬礦綜合利用評價重點實驗室，河南 鄭州 450006； 3.西北地質科技創(chuàng)新中心，陜西 西安 710054)

0 引言

新元古代—古生代，中亞造山帶由多個造山帶經過多次匯聚和增生演化而成，是典型的增生型造山帶[1-3]，北山地區(qū)是中亞造山帶的重要組成部分，北臨西伯利亞板塊南緣，南屬塔里木板塊北緣，西有哈薩克斯坦板塊嵌入，大地構造位置十分特殊[4-6]。該區(qū)廣泛發(fā)育古生代不同期次的花崗巖類侵入巖體，類型眾多，為揭示甘肅北山造山帶構造演化提供了重要信息。近年來，眾多學者多圍繞北山造山帶花崗巖進行探討，爭論焦點在于北山造山帶盆山演化各時期的構造格局，但對新元古代北山造山帶古陸裂解演化的研究較少[7-19]。北山地區(qū)發(fā)育多個前寒武紀微陸塊，其中明水—旱山地塊作為北山地區(qū)前寒武紀重要的結晶基底，其歸屬問題是相關研究關注的焦點，針對該地質科學問題，前人多從前寒武紀結晶基底變質巖方面進行討論，但基底巖石多受后期變質作用影響，地層原有序列特征多數(shù)已被破壞，缺乏高精度的測年數(shù)據(jù)[20-24]。

本文依托1∶5萬區(qū)域地質調查項目，在北山造山帶明水—旱山地塊原劃泥盆紀侵入巖中厘定出了新元古代侵入巖，深入研究這套侵入巖的年代學、地球化學特征對討論北山造山帶新元古代盆山演化和構造格局重建都具有重要的指示意義。

1 區(qū)域地質背景

明水—旱山地塊由太古宙結晶巖系和中元古代變質巖系組成，古生代基本為一微陸塊，接受剝蝕作用和沉積作用，在華力西期被卷入造山運動，之后局部發(fā)生裂谷作用，形成了二疊紀裂谷，晚期形成坳陷盆地，發(fā)育中生代—新生代陸內盆地沉積。在明水—旱山地塊內部及周圍產出有大量侵入巖體，時代分布從新元古代到二疊紀，侵入巖種類也比較多樣，從基性到中酸性侵入巖均有出露。

研究區(qū)位于明水—旱山地塊南側，馬鬃山鎮(zhèn)咸水溝附近，產出有新元古代侵入巖和泥盆紀侵入巖，其中新元古代侵入巖由本研究新厘定，命名為咸水溝新元古代侵入體，巖性主要為二長花崗巖，前人認為其形成時代為泥盆紀[25]，本研究通過鋯石U-Pb同位素定年，將其厘定為新元古代。咸水溝新元古代侵入巖體呈不規(guī)則狀出露，長軸近東西向展布，巖體侵入界線不明顯，不發(fā)育冷凝邊、烘烤邊，有花崗巖巖脈和石英脈體侵入其中。由于受后期多期構造作用改造導致巖體破碎，其構造面理(弱片麻理)與主構造線方向一致，呈NE向，表明巖體的侵位、構造改造和再改造均受控于基底構造(圖1)。

圖1 研究區(qū)大地構造位置(左)及地質簡圖(右)[26]

2 巖石學特征

咸水溝新元古代侵入巖體出露在肅北蒙古族自治縣馬鬃山鎮(zhèn)北部咸水溝附近，巖體周圍發(fā)育泥盆紀侵入巖，巖體內部脈體發(fā)育。本研究對象為前人所劃泥盆紀侵入巖[25]中解體出的一套具有弱片麻狀構造的細粒二長花崗巖。

咸水溝新元古代二長花崗巖呈灰色，細?；◢徑Y構，塊狀構造(圖2)，主要礦物成分為鉀長石(38%～40%)、斜長石(33%～35%)、石英(20%～23%)、黑云母(1%～2%)和白云母(1%～2%)。鉀長石呈它形粒狀，粒徑0.2～2.0 mm，多數(shù)表面較干凈，個別發(fā)生輕微土化； 斜長石呈半自形柱狀，粒徑0.2～1.0 mm，斜長石表面發(fā)生強烈絹云母化和輕微土化，表面較渾濁，多數(shù)斜長石發(fā)育聚片雙晶； 石英呈它形粒狀，粒徑多數(shù)為0.2～2.0 mm，個別粒徑達2.0～4.5 mm，石英表面干凈無色，多見石英邊緣鑲嵌長石，構成嵌晶結構； 黑云母呈半自形片狀，片徑0.05～0.4 mm，具淺黃至淺褐色多色性； 白云母呈半自形片狀，片徑0.05～0.25 mm； 巖石內部發(fā)育少量顯微裂隙，裂隙寬0.01～0.25 mm不等，裂隙內多被石英、黑云母和氧化鐵質集合體充填。副礦物有黃鐵礦、磷灰石、鋯石，次生礦物為高嶺土、絹云母。

3 年代學特征

選取新鮮的咸水溝二長花崗巖進行鋯石U-Pb測年，樣品編號PM001-28TW。鋯石U-Pb測年工作在中國地質調查局西安地質調查中心巖漿作用成礦與找礦重點實驗室完成，選擇沒有明顯裂痕和包裹體的鋯石樣品，采用Geolas 193nm ArF準分子激光剝蝕系統(tǒng)，ICP-MS為Agilent7700，激光束斑直徑24 μm，同位素標樣選擇915作為主標，GJ作為監(jiān)控，用SRM610為元素含量標樣進行校正，數(shù)據(jù)處理使用ICPMSDataCal(9.2)軟件，年齡計算及投圖使用ISOPLOT軟件。從樣品的鋯石陰極發(fā)光圖像可以看出新元古代咸水溝二長花崗巖鋯石呈深褐色或無色透明，柱狀，自形程度高，玻璃光澤，鋯石顆粒輕微破碎，粒徑80～150 μm，鋯石的振蕩環(huán)帶清晰，巖漿型鋯石特征明顯(圖3)。

圖3 二長花崗巖鋯石陰極發(fā)光圖像及年齡值

咸水溝新元古代二長花崗巖鋯石Th含量為(90.43～560.18)×10-6，U含量為(221.42～759.3)×10-6，Th/U值為0.41～0.84(表1)。選取24顆鋯石進行測點，其中23個為有效測點，1個測點的鋯石諧和度在90～110之外，其余23個測點諧和度較高且年齡較集中，其206Pb/238U年齡加權平均值為 (787±15)Ma，MSWD=0.48(圖4)。

表1 咸水溝二長花崗巖(PM001-28TW)鋯石U-Pb定年數(shù)據(jù)

圖4 二長花崗巖鋯石U-Pb年齡諧和圖(左)和加權平均年齡(右)

4 巖石地球化學特征

采集5件新鮮的咸水溝新元古代二長花崗巖樣品進行巖石地球化學分析，分析工作在中國地質科學院鄭州礦產綜合利用研究所多金屬礦綜合利用評價重點實驗室完成，結果見表2。樣品高SiO2，屬酸性巖類，低TiO2，富Al2O3，里特曼指數(shù)σ為1.21～2.24，富堿，低鎂。SiO2-K2O圖解(圖5)顯示出鈣堿性-高鉀鈣堿性系列特征，A/CNK-A/NK圖解(圖6)表現(xiàn)為過鋁質的特征。綜上新元古代咸水溝二長花崗巖體具有高硅、富堿、低鎂、鋁質的鈣堿性花崗巖特征。

表2 二長花崗巖全巖主量元素、微量元素分析結果及特征參數(shù)

圖5 二長花崗巖SiO2-K2O圖解[27-28]

圖6 二長花崗巖A/CNK-A/NK圖解[29]

樣品均具有相似的稀土配分模式(圖7)，模式曲線顯示LREE相對于HREE富集，LREE/HREE值為12.73～17.35，(La/Yb)N值為15.20～23.28，輕重稀土高度分異，(La/Sm)N比值為3.14～4.22，輕稀土分餾較大。δEu值為0.23～0.72，為負Eu異常。樣品的原始地幔標準化微量元素蛛網圖(圖8)具有明顯的右傾特征，可以看出Rb、Th、La富集，Nb、P、Ti、Sr虧損。

圖7 二長花崗巖球粒隕石標準化稀土元素配分型式圖[30]

圖8 二長花崗巖原始地幔標準化微量元素蛛網圖[31]

5 討論

5.1 巖石成因

花崗巖成因類型通常分為I型、S型、A型和M型，本研究的樣品沒有表現(xiàn)出過堿性特征，不同于A型花崗巖[32]，具有高硅、過鋁、低鈦、貧鎂、鈣堿性-高鉀鈣堿性系列特征， A/CNK>1.05，說明新元古代咸水溝二長花崗巖屬S型花崗巖[33]，在ACF圖解中樣品也多落在S型花崗巖區(qū)域(圖9)，A/MF-C/MF圖解(圖10)顯示樣品多來源于變質雜砂巖和變質泥巖的部分熔融，與基性巖的部分熔融沒有關系，這與樣品具有低的Mg#值相一致，也反映出樣品具有以沉積巖為源巖的S型花崗巖特征。低Mg#值與明顯的負Eu異常，可能與斜長石的分離結晶作用有關[34]。

圖9 二長花崗巖ACF圖解[33]

圖10 二長花崗巖A/MF-C/MF圖解[35]

綜上，咸水溝二長花崗巖為S型花崗巖，其巖漿源區(qū)為古老下地殼雜砂巖和泥質巖。

5.2 構造環(huán)境分析

北山地區(qū)位于西伯利亞板塊、塔里木板塊和哈薩克斯坦板塊接觸部位，大地構造位置十分特殊。研究區(qū)北部為紅石山蛇綠巖帶，南部為紅柳河—洗腸井—牛圈子蛇綠巖帶，既發(fā)育有前寒武紀大陸基底，也有板塊俯沖造山作用形成的花崗巖。咸水溝二長花崗巖屬S型花崗巖，一般認為S型花崗巖產生于同碰撞和后碰撞的構造背景，但是沒有相關高級變質作用指示新元古代該地區(qū)發(fā)生過碰撞造山作用，因此，咸水溝二長花崗巖產生的構造環(huán)境應該不是同碰撞或后碰撞背景下的伸展環(huán)境[36]?；◢弾r的主要化學成分可以有效判定其形成的大地構造環(huán)境。Maniar等[37]按花崗巖形成時的構造環(huán)境，將花崗巖分為島弧花崗巖類、大陸弧花崗巖類、大陸碰撞花崗巖類、造山后花崗巖類、與裂谷有關的花崗巖類、陸內造陸抬升花崗巖類和大洋斜長花崗巖類，其中前4類為造山花崗巖類，其余為非造山花崗巖類。在K2O-SiO2圖解(圖11(a))中，樣品投影點落入非大洋斜長類型花崗巖區(qū)域； 在(TFeO+MgO)-CaO圖解(圖11(b))中，樣品投點落在造山花崗巖區(qū)域； 在山德指數(shù)圖解(圖11(c))中樣品投影點2個落入大陸碰撞花崗巖區(qū)域，3個落入大陸碰撞花崗巖、大陸弧花崗巖和造山后花崗巖的重合區(qū)域，綜上認為新元古代咸水溝二長花崗巖屬于Maniar花崗巖分類中的大陸碰撞花崗巖； 在R1-R2構造環(huán)境判別圖解(圖11(d))中，樣品投影點落入同碰撞和造山后區(qū)域，但其虧損Nb、Ta、Sr等，與板內形成的A型花崗巖又明顯不同，本研究認為新元古代咸水溝二長花崗巖形成于大陸碰撞構造環(huán)境。

5.3 形成時代及地質意義

1∶25萬馬鬃山幅區(qū)域地質調查工作認為咸水溝侵入巖體時代為泥盆紀[25]，本文對其中的二長花崗巖進行鋯石U-Pb測年，獲得206Pb/238U年齡加權平均值為(787±15) Ma，指示咸水溝二長花崗巖形成于新元古代。

在東天山—北山地區(qū)已有部分新元古代花崗巖的報道(表3)，對比發(fā)現(xiàn)，新元古代花崗巖在整個東天山—北山地區(qū)廣泛發(fā)育，該時期花崗巖在天山、塔里木周緣、柴達木北緣、祁連、準噶爾周緣也有發(fā)現(xiàn)，同時該期巖漿活動也可以在全球范圍內對比[45]，綜合認為包括明水—旱山地塊在內，北山地區(qū)在新元古代屬于Rodinia超大陸的一部分，位于Rodinia超大陸邊緣，可能代表了Rodinia超大陸裂解后，西伯利亞、塔里木和哈薩克斯坦板塊發(fā)生匯聚碰撞作用對應的構造-巖漿-熱事件。

表3 東天山—北山地區(qū)部分新元古代花崗巖類年齡統(tǒng)計[39-46]

6 結論

(1)北山咸水溝二長花崗巖的時代應為新元古代，鋯石206Pb/238U年齡值為(787±15) Ma。

(2)二長花崗巖具有高硅、富堿、低鎂、貧鈦、過鋁質的鈣堿性-高鉀鈣堿性系列特征，巖石地球化學指示其屬于S型花崗巖，其巖漿源區(qū)應為古老下地殼雜砂巖和泥質巖。

(3)新元古代二長花崗巖形成于大陸碰撞構造環(huán)境下，位于Rodinia超大陸邊緣，該時期北山地區(qū)發(fā)生了板塊碰撞。

致謝：本論文研究工作的開展和撰寫得到了中國地質調查局西安地質調查中心、甘肅省地質調查院等單位專家的指導和幫助，審稿專家和編輯對本文提出了寶貴的建議，一并表示感謝。