敦煌地塊晚石炭世二長花崗巖年代學(xué)、地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義

楊國林，任文秀，李軍，丁仨平，梁明宏 ,歐陽征健

（1.蘭州城市學(xué)院培黎石油工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070;2.甘肅省地質(zhì)調(diào)查院，甘肅 蘭州 730000;3.蘭州城市學(xué)院地理與環(huán)境工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

中亞造山帶南部與華北板塊和塔里木板塊相接，該造山帶是當(dāng)今地學(xué)界研究熱點(diǎn)區(qū)域之一[1-9]。敦煌地區(qū)處于祁連造山帶、北山造山帶和塔里木盆地銜接部位[10-12]。因特殊的大地構(gòu)造位置，研究該區(qū)域巖體對認(rèn)識祁連造山帶、中國板塊構(gòu)造和中亞造山帶及演化歷史具有重要意義，近年來越來越受到地質(zhì)學(xué)家的關(guān)注[4,6,12-13]。

敦煌地塊的歸屬問題至今仍然存在爭議[11-12]。傳統(tǒng)觀點(diǎn)根據(jù)敦煌地區(qū)具前寒武紀(jì)基底，把敦煌地區(qū)稱之為“敦煌地塊”[12,14]；有人認(rèn)為敦煌地塊是阿拉善地塊的西延部分[12,15]；有人認(rèn)為敦煌地塊是塔里木克拉通結(jié)晶基底的一部分[12,16]；也有人認(rèn)為敦煌地塊可能屬于華北克拉通[4,12,17]。

對于該地塊的研究主要集中于二個(gè)方面的研究：一是研究該地塊前寒武紀(jì)基底的形成、演化[4,17]；二是研究該地塊早古生代構(gòu)造熱事件[4]。對于該地區(qū)晚古生代構(gòu)造熱事件的研究較為薄弱[4]。本文通過對敦煌地塊中部白墩子二長花崗巖地球化學(xué)特征進(jìn)行研究，討論該巖體形成的構(gòu)造環(huán)境，為探討敦煌地塊大地構(gòu)造環(huán)境、演化及地球動力學(xué)機(jī)制提供新的證據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

敦煌地塊北側(cè)為北山造山帶，西側(cè)為塔里木克拉通，西北為且末-星星峽斷裂，東南為祁連造山帶和阿爾金斷裂[11,12]（圖1-a）。敦煌地塊南部發(fā)育有2條與阿爾金主斷裂近平行的斷裂，為三危山北緣斷裂和南截山北緣斷裂[11-12,18-19]。敦煌地塊的地層主要為敦煌群，敦煌群由老到新共劃分為4個(gè)巖組：第一巖組主要由石榴黑云片巖和角閃黑云斜長片麻巖、條痕-眼球狀混合巖、石英巖及少量大理巖、透輝石巖透鏡體組成;第二巖組為大理巖,局部夾少量石榴黑云石英片巖;第三巖組為黑云斜長片麻巖、白云母石英片巖和含榴二云母石英片巖夾少量含石榴黑云斜長角閃巖;第四巖組主要為黑云斜長片麻巖、黑云石英片巖和黑云母變粒巖等[11-12,19-20]。另外，敦煌地塊還出露中生代基性巖墻和早、晚古生代花崗巖、斜長花崗巖[4,11-12,19,21]。

圖1 敦煌地區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Geologycl sketch map of the Dunhuang area

白墩子二長花崗巖體位于甘肅省瓜州縣北西方向20 km處，柳園南東方向30 km處（圖1-b），構(gòu)造上處于阿爾金主斷裂北側(cè)[22]。

2 巖相學(xué)特征

甘肅省瓜州縣白墩子二長花崗巖呈半自形粒狀結(jié)構(gòu)，糜棱結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要由鉀長石（44%～46 %）、斜長石（28%～30 %）、石英（22 %）、白云母（4%）等組成（圖2）。斜長石呈半自形板柱狀，無色，可見聚片雙晶，表面發(fā)生強(qiáng)絹云母化和泥化。鉀長石呈半自形-自行寬板狀，無色，一級灰白干涉色，可見條紋，無蝕變。石英呈他形粒狀，無色，一級灰白干涉色，石英顆粒因糜棱巖化較破碎，后期經(jīng)動態(tài)重結(jié)晶，邊緣呈鋸齒狀。白云母呈片狀、長條狀，無色，主要為次生蝕變形成，沿長石和石英顆粒之間分布。

圖2 白墩子二長花崗巖25×正交偏光（a）和25×單偏光（b）鏡下照片F(xiàn)ig.2 The microscopic micrograph of monzogranite 25×perpendicular polarized light(a)and 25×polarized light(b)

3 樣品采集和測試方法

在甘肅瓜州縣白墩子石炭紀(jì)花崗巖體中采集巖石地球化學(xué)樣品4件，同位素測年樣品1 件，采樣點(diǎn)地理坐標(biāo)：E95°35′43′′，N40°51′08′′。樣品鋯石分選是在西安地質(zhì)調(diào)查中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，首先將原巖樣品破碎至100 μm，其次用磁法和重液進(jìn)行分選，然后在雙目顯微鏡下手工挑選制靶[24]。本文鋯石陰極發(fā)光（CL）圖像和鋯石U-Pb 測年均在西安地質(zhì)調(diào)查中心實(shí)驗(yàn)室完成，其中測年使用的分析儀器為激光等離子體質(zhì)譜儀（LA-ICP-MS）。數(shù)據(jù)處理、年齡計(jì)算和圖件繪圖使用ISOPLOT程序[25]。

巖石樣品的主量元素在長安大學(xué)成礦作用及動力學(xué)實(shí)驗(yàn)室分析完成，采用X 熒光光譜（XRF）方法測試，測試精度在1%以內(nèi)；微量元素和稀土元素在國土資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心分析測試完成。測試時(shí)室內(nèi)溫度20°C，相對溫度35%，儀器型號為ELEMENT等離子體質(zhì)譜分析儀。

4 LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年結(jié)果

對白墩子二長花崗巖BD01 樣品進(jìn)行LA-ICPMS 鋯石U-Pb 定年。該巖體鋯石顆粒大小不等，以柱狀為主，鋯石長寬比在1.52∶1～2.13∶1，CL圖像清晰明亮，顆粒內(nèi)部顯示良好的振蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)（圖3）。對白墩子二長花崗巖共進(jìn)行了24 個(gè)點(diǎn)的LA-ICP-MS 定年分析（表1）。白墩子二長花崗巖樣品BD01 的18個(gè)鋯石顆粒中（剔除測點(diǎn)號1、4、5、6、8、16 異常值），大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)落于諧和線上及附近（圖4），說明這些顆粒形成后U-Pb體系是封閉的，基本沒有U或Pb 同位素的丟失或加入。參與年代學(xué)計(jì)算的點(diǎn)共18 個(gè)（剔除異常值），其206Pb/238U 年齡集中在283～326 Ma 之間，206Pb/238U 的加權(quán)平均值為（306.1±5.3）Ma（MSWD=2.5），表明白墩子二長花崗巖體時(shí)代為晚石炭世。

表1 白墩子二長花崗巖BD01LA-ICP-MS鋯石U-Pb 年齡測年結(jié)果Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb isotopic analysis of the monzogranite from the Baidunzi

圖3 白墩子二長花崗巖鋯石陰極發(fā)光（CL）圖像和LA-ICP-MS測點(diǎn)位置Fig.3 CL images and206Pb/238U ages of single zircon of the monzogranite in the Baidunzi

圖4 白墩子二長花崗巖鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig.4 Zircon U-Pb Concordia diagram and 206Pb/238U age plot for the monzogranite from the Baidunzi

5 地球化學(xué)特征

選取新鮮的巖石樣品進(jìn)行主量、微量和稀土元素測量分析（表2）。

表2 白墩子二長花崗巖主、微量元素和稀土元素分析結(jié)果Table 2 Major,rare earth and trace elements concentration for the monzogranite from the Baidunzi

5.1 主量元素

二長花崗巖樣品SiO2含量為72.14%～75.71%，平均73.99%，在TAS圖解中落入花崗巖范圍內(nèi)（圖5-a）。Al2O3（13.09 %～14.05 %）含量較高，平均13.51%；全堿（Na2O+K2O）含量平均7.81%；Na2O含量平均3.18%，K2O 含量平均4.63%，K2O/Na2O 平 均1.57%，均大于1%，顯示為富鉀質(zhì)特征，從SiO2-K2O圖解中可看出（圖5-b），2件樣品落入高鉀鈣堿性系列區(qū)域，1件樣品落入鉀玄巖系列區(qū)域，1件樣品落入鈣堿性系列區(qū)域。CaO含量為0.89%～1.34%；MgO含量為0.10 %～0.54 %。鋁飽和指數(shù)A/CNK 平均為1.12，鋁飽和指數(shù)圖解中均落入過鋁質(zhì)花崗巖區(qū)（圖5-c）?？梢姲锥兆油硎渴蓝L花崗巖屬過鋁質(zhì)高鉀鈣堿性系列巖石。

圖5 白墩子二長花崗巖TAS圖解（a）、SiO2-K2O圖解（b）和鋁飽和指數(shù)圖解（c）Fig.5 TAS diagram(a),SiO2-K2O diagram(b) and ANK-ACNK plot(c)of monzogranite from the Baidunzi

5.2 稀土元素

二長花崗巖體稀土元素特征顯示（表2），稀土總量較低（∑REE=60.40×10-6～81.24×10-6，平均64.64×10-6），LREE/HREE=6.66～17.40，平均10.92，說明輕稀土富集，重稀土虧損；（La/Yb）N=13.35～18.83，平均17.11，說明輕重稀土分餾明顯；（La/Sm）N=3.19～8.60，平均4.92，說明LREE 分餾程度較低；（Gd/Yb）N=1.47～3.91，平均3.06，表明HREE 分餾不明顯。赫爾曼據(jù)未發(fā)生分餾的球粒隕石Sm/Nd=0.333 為界，將比值小于0.333 的稀土元素劃為LREE富集型，比值大于0.333的稀土元素劃為LREE虧損型[27]。白墩子二長花崗巖類Sm/Nd=0.16～0.22，為LREE 富集型。從白墩子二長花崗巖體稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布圖可看出（圖6-a），曲線總體表現(xiàn)為較陡右傾型特征，樣品曲線大致平行，顯示同源演化特征，右翼較平緩，左翼較陡，說明LREE 分餾程度高于HREE。樣品具Eu 弱負(fù)異常（δEu=0.78），Ce 負(fù)異常（δCe=0.18）。

5.3 微量元素

從表2可看出，Sr含量為125.4×10-6～227.0×10-6，平均166.43×10-6；Yb含量為0.35×10-6～0.69×10-6，平均0.6×10-6；Y 含量為3.81×10-6～13.9×10-6，平均9.48×10-6。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖中（圖6-b），白墩子二長花崗巖體總體表現(xiàn)右傾趨勢。高場強(qiáng)元素Nb，Ta，Sr等相對虧損且向右逐漸降低，大離子親石元素Th，Pb，Rb等相對富集。

圖6 白墩子二長花崗巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布圖（a）和微量元素原始地幔蛛網(wǎng)圖（b）Fig.6 Chondrite-normalized REE(a)and primary mantle-normalized trace element(b)fractional diagrams for monzogranite from the Baidunzi

6 討論

6.1 巖體成巖時(shí)代

通過對二長花崗巖樣品進(jìn)行鋯石U-Pb定年，顯示該巖體鋯石206Pb/238U 同位素加權(quán)平均年齡為（306.1±5.3）Ma，為晚石炭世花崗巖體。在柳園地區(qū)，西澗泉子、橋?yàn)澈鸵舭紞{等地出露有（304～281）Ma后碰撞花崗巖[12,29-32]。敦煌地塊南部小草湖巖體主要為似斑狀花崗巖，侵位時(shí)代為石炭紀(jì)（340 Ma），安盆溝花崗巖侵位于石炭紀(jì)（～340 Ma）[11]。敦煌地塊青石溝黑云母石英閃長巖鋯石206Pb/238U同位素加權(quán)平均年齡為（335.0±1.5）Ma[21]。本文獲得敦煌地塊二長花崗巖鋯石206Pb/238U同位素加權(quán)平均年齡為（306.1±5.3）Ma。

6.2 源巖和構(gòu)造環(huán)境分析

二長花崗巖具高SiO2（含量大于56%，平均73.99%）、較高Al2O3（平均13.51%）和低MgO（含量小于3%，平均0.31%）的特征，虧損重稀土元素Yb（含量小于1.9×10-6；平均0.6×10-6）和Y（含量小于18×10-6；平均9.48×10-6）。Na2O 含量均值3.18%，Na2O/K2O 均值0.88，均低于俯沖板片熔融形成的埃與埃達(dá)克質(zhì)巖石地球化學(xué)特征較為接近；在Sr/Y-Y 圖解中（圖7-b），3件樣品落在埃達(dá)克巖附近，說明其為埃達(dá)克質(zhì)巖石。P2O5和SiO2含量之間線性關(guān)系特征廣泛用于判別“I”型和“S”型花崗巖[13,37]。巖體中P2O5與SiO2呈負(fù)相關(guān)性，同樣為“I”型花崗巖（圖8-a），上述特征說明白墩子二長花崗巖具有“I”型花崗巖特征。

白墩子二長花崗巖體中La／Sm與La呈正相關(guān)（除1件異常樣品），與部分熔融趨勢一致，可排除準(zhǔn)鋁質(zhì)熔體結(jié)晶分異的成因（圖8-b）。巖石較低的MgO 含量（平均0.31%）、Ni 含量（0.66×10-6～1.93×10-6）和Cr 含量（0.56×10-6～2.98×10-6），與拆沉下地殼部分熔融的富C、富Ni、高M(jìn)g#的特征明顯不同[21,40]。巖體具較高Sr/Y 比、低Yb 和弱Eu負(fù)異常特征，表明該巖體為下地殼基性巖石高度達(dá)克質(zhì)巖石的 Na2O 值（4.88%）和Na2O/K2O 比 值（2.5～6.5）[21,33]。據(jù)A/CNK[34-35]和K2O/Na2O 比值來判斷巖體成因類型[36]。巖石A/CNK 為1.01～1.27，均值1.12，在鋁飽和指數(shù)圖解中落入過鋁質(zhì)花崗巖區(qū)（圖5-c）；K2O/Na2O 均值1.57，在Na2O-K2O 圖解中（圖7-a），所有樣品落入“I”型花崗巖區(qū)域。巖石具有較高的Sr/Y 比值（11.81～43.65），熔融所產(chǎn)生，且該巖體Mg#（16.95～21.58，平均19.92）與下地殼部分熔融產(chǎn)生的巖漿Mg#（小于45）相似[41]。因此，本文認(rèn)為白墩子二長花崗巖體為加厚下地殼部分熔融的產(chǎn)物。

圖7 白墩子二長花崗巖成因類型判別圖Fig.7 Genetic type discrimination diagram for monzogranite from the Baidunzi

圖8 白墩子二長花崗巖SiO2-P2O5（a）和La-La/Sm（b）圖解Fig.8 SiO2-P2O5 diagram(a)and La-La/Sm diagram for monzogranite from the Baidunzi

6.3 地質(zhì)意義

敦煌地塊在早古生代期間經(jīng)歷了廣泛的構(gòu)造-熱事件，而該地塊位于祁連造山帶、東天山-北山造山帶和阿爾金造山帶等幾大造山帶連接處[4,11-12,19,21]。位于敦煌地塊北緣的橋?yàn)潮被◢弾r巖體鋯石LA-ICP-MS年齡為（303.7±2.4）Ma，反映在晚石炭世北山地區(qū)的碰撞拼貼已完成[42]。本次獲得敦煌地塊白墩子二長花崗巖鋯石206Pb/238U同位素加權(quán)平均年齡為（306.1±5.3）Ma，構(gòu)造環(huán)境判別圖解表明，其形成環(huán)境是陸內(nèi)伸展環(huán)境（圖9）。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景及前人研究資料[21,42]，表明塔里木-敦煌地區(qū)在晚古生代由陸陸俯沖（地殼加厚）向陸內(nèi)伸展體制轉(zhuǎn)換[21]。

圖9 白墩子二長花崗巖Y+Nb-Rb圖解Fig.9 Y+Nb-Rb diagram for monzogranite from the Baidunzi

7 結(jié)論

（1）白墩子二長花崗巖LA-ICP-MS 鋯石206Pb/238U 同位素加權(quán)平均年齡為（306.1±5.3）Ma，時(shí)代為晚石炭世。

（2）白墩子二長花崗巖體所具較高Sr/Y 比、低Yb、弱Eu 負(fù)異常、Mg#值為16.95～21.58 的特征，說明白墩子二長花崗巖體為加厚下地殼部分熔融的產(chǎn)物。

（3）晚石炭世白墩子二長花崗巖可能形成于板內(nèi)伸展構(gòu)造環(huán)境。

致謝：感謝中國礦業(yè)大學(xué)陳軍林博士在論文撰寫方面提供的指導(dǎo)與幫助。感謝匿名審稿人給予本文寶貴的修改意見與建議。