西天山溫泉地區(qū)奧陶紀(jì)侵入巖地球化學(xué)特征及成因探討

孟令華

(中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院，山東 泰安 271000)

0 引言

中亞造山帶是位于塔里木板塊與西伯利亞古陸之間的巨大增生造山帶(圖1a)，是由古亞洲洋長(zhǎng)期俯沖消減作用形成的[1]，其形成、演化過(guò)程中發(fā)生多期次與陸殼增生和碰撞造山有關(guān)的花崗巖漿活動(dòng)，形成了大量古生代不同期次花崗巖類，而古生代又是古亞洲洋演化的重要時(shí)期，是學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)。天山造山帶位于中亞造山帶南緣，呈EW向延伸，從構(gòu)造上由北往南劃分為北、中、南3個(gè)帶，在我國(guó)境內(nèi)以庫(kù)爾勒—烏魯木齊一線為界分為西天山和東天山[2]，由于受多期強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造，西天山地區(qū)早古生代的地質(zhì)記錄保存甚少，制約了人們對(duì)該地區(qū)早古生代地質(zhì)演化的認(rèn)識(shí)。西天山溫泉地區(qū)位于中亞造山帶南緣(圖1a)，發(fā)育有新元古代及早古生代巖漿活動(dòng)[3-6]，這些不同期次的花崗巖類可能記錄了古亞洲洋形成演化的主要構(gòu)造事件，是研究西天山和中亞造山帶南部演化歷史的重要線索。

本文以溫泉縣城南部奧陶紀(jì)侵入巖為研究對(duì)象，進(jìn)行巖石學(xué)、地球化學(xué)特征研究，探討其巖石成因，揭示該區(qū)奧陶紀(jì)中晚期構(gòu)造背景，為該區(qū)早古生代古亞洲洋構(gòu)造演化提供基礎(chǔ)資料。

1 地質(zhì)背景及巖體特征

研究區(qū)位于溫泉縣城南部，區(qū)內(nèi)出露最古老的地質(zhì)體是溫泉巖群變質(zhì)巖，為一套中深變質(zhì)巖系，形成于古元古代，構(gòu)成天山結(jié)晶基底，其內(nèi)部變形復(fù)雜，變質(zhì)作用強(qiáng)烈，經(jīng)歷多期次構(gòu)造疊加和改造，廣泛發(fā)育以“N”型褶皺為主的固態(tài)流變褶皺。區(qū)內(nèi)奧陶紀(jì)侵入巖主要分布于蒙克—夏納克一帶，侵位于溫泉巖群變質(zhì)巖及早期次的青白口紀(jì)中細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖中，近EW向展布，呈巖株、巖枝狀產(chǎn)出。溫泉縣幅1∶5萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告將其劃分為2個(gè)侵入階段：第一侵入階段巖性為閃長(zhǎng)巖-石英閃長(zhǎng)巖，深灰色—灰綠色，呈長(zhǎng)條狀EW向展布，巖體中順節(jié)理面方向混入大量后階段花崗閃長(zhǎng)巖，呈脈狀、透鏡狀，局部與花崗閃長(zhǎng)巖形成黑白相間的似斑馬狀構(gòu)造；第二侵入階段巖性為花崗閃長(zhǎng)巖，灰色—灰白色，條帶狀東西向展布，侵入于溫泉巖群變質(zhì)巖中，巖體中可見少量大塊變質(zhì)圍巖殘留體及二長(zhǎng)花崗巖及閃長(zhǎng)巖捕擄體，受動(dòng)力變質(zhì)作用影響，部分巖石破碎，呈碎裂結(jié)構(gòu)。

1—第四系；2—溫泉巖群；3—奧陶紀(jì)花崗閃長(zhǎng)巖；4—奧陶紀(jì)閃長(zhǎng)巖及石英閃長(zhǎng)巖；5—青白口紀(jì)中細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖；6—地質(zhì)界線；7—正斷層；8—逆斷層；9—推測(cè)斷層；10—性質(zhì)不明斷層圖1 中亞造山帶位置圖及研究區(qū)侵入巖分布地質(zhì)簡(jiǎn)圖(圖a據(jù)文獻(xiàn)[7,8]修改)

2 巖石學(xué)特征

研究區(qū)奧陶紀(jì)侵入巖巖石類型主要有閃長(zhǎng)巖、石英閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖。

淺灰色粗中粒花崗閃長(zhǎng)巖：粗中粒半自形粒狀結(jié)構(gòu)(圖2a)，塊狀構(gòu)造。巖石由斜長(zhǎng)石(55%±)、鉀長(zhǎng)石(5%～10%)、角閃石(5%～10%)、黑云母(5%～10%)、石英(20%～25%)組成。斜長(zhǎng)石呈半自形板狀，雜亂分布，可見聚片雙晶和卡鈉復(fù)合雙晶，可見環(huán)帶構(gòu)造，大部分顆粒被絹云母和黝簾石不均勻交代；鉀長(zhǎng)石呈半自形板狀，星散分布，多見微斜長(zhǎng)石，被高嶺土不均勻交代；石英呈他形粒狀；角閃石呈半自形長(zhǎng)柱狀，雜亂分布，部分顆粒被纖狀次閃石交代呈假象，多數(shù)顆粒綠簾石交代呈假像；黑云母呈葉片狀，多被綠泥石和綠簾石交代，局部析出鐵質(zhì)。

淺灰色輕碎裂狀細(xì)中粒花崗閃長(zhǎng)巖：變余細(xì)中?；◢徑Y(jié)構(gòu)(圖2b)，塊狀構(gòu)造。巖石由斜長(zhǎng)石(50%～55%)、鉀長(zhǎng)石(10%～15%)、石英(20%～25%)和暗色礦物假像(10%～15%)組成。斜長(zhǎng)石呈半自形板狀，雜亂分布，可見聚片雙晶和卡鈉復(fù)合雙晶，偶見環(huán)帶構(gòu)造，大部分顆粒被絹云母和碳酸鹽不均勻交代；鉀長(zhǎng)石呈半自形板狀—他形粒狀，可見條紋長(zhǎng)石和微斜長(zhǎng)石，內(nèi)部嵌布板條狀斜長(zhǎng)石和他形粒狀石英，輕微高嶺土化，多數(shù)呈單晶狀分布，邊緣細(xì)?；?；暗色礦物呈他形粒狀，多在裂隙分布，均被次閃石和綠簾石交代，部分呈假像；石英呈他形粒狀，顆粒多顯波狀、帶狀消光，邊緣呈齒狀、縫合線狀。

灰綠色細(xì)粒閃長(zhǎng)巖：細(xì)粒半自形粒狀結(jié)構(gòu)(編號(hào)0012/1，圖2c)，塊狀構(gòu)造。巖石由斜長(zhǎng)石(50%～55%)、角閃石(35%～40%)、黑云母(5%～10%)和石英(1%～5%)組成。斜長(zhǎng)石呈半自形板狀，雜亂分布，可見聚片雙晶和卡鈉復(fù)合雙晶，可見環(huán)帶構(gòu)造，大部分顆粒被絹云母和黝簾石不均勻交代；角閃石呈半自形長(zhǎng)柱狀，雜亂分布，部分顆粒被纖狀次閃石交代呈假象，少量顆粒綠簾石交代呈假像；黑云母呈葉片狀，多被綠泥石交代，局部析出鐵質(zhì)；石英呈他形粒狀，可見細(xì)粒單晶，充填狀零星分布在斜長(zhǎng)石粒間。

灰綠色碎裂狀細(xì)中粒石英閃長(zhǎng)巖：變余細(xì)中粒半自形粒狀結(jié)構(gòu)(圖2d)，塊狀構(gòu)造。巖石由斜長(zhǎng)石(60%～65%)、暗色礦物假象(10%～15%)、黑云母(5%～10%)和石英(15%～20%)組成。斜長(zhǎng)石呈半自形板狀，雜亂分布，可見聚片雙晶和卡鈉復(fù)合雙晶，偶見環(huán)帶構(gòu)造，大部分顆粒被絹云母和碳酸鹽不均勻交代；暗色礦物假像呈他形粒狀，雜亂多沿裂隙分布，均被綠簾石交代呈假像；黑云母呈葉片狀，多被綠泥石和綠簾石交代，局部析出鐵質(zhì)；石英呈他形粒狀，部分顆粒邊部呈細(xì)粒化重結(jié)晶，部分成集合體狀充填在斜長(zhǎng)石顆粒間；巖內(nèi)可見被細(xì)粒綠簾石、綠泥石和碳酸鹽充填的裂隙，長(zhǎng)石雙晶彎曲，推測(cè)受成巖后構(gòu)造應(yīng)力作用，導(dǎo)致原巖破碎。

Pl—斜長(zhǎng)石；Kf—鉀長(zhǎng)石；Qz—石英；Hb—角閃石；Bi—黑云母圖2 奧陶紀(jì)侵入巖顯微照片

3 巖石地球化學(xué)特征

本次工作在研究區(qū)花崗閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖和石英閃長(zhǎng)巖中采集了4件新鮮且無(wú)脈體交代的樣品進(jìn)行地球化學(xué)分析，測(cè)試工作由中國(guó)冶金地質(zhì)總局山東局測(cè)試中心完成，測(cè)試依據(jù)為《巖石礦物分析》2011年第四版(DZG 20.01-2011)。另外引用前人的2件閃長(zhǎng)巖樣品(樣品號(hào)22-YQ1和22-YQ2)[9]。樣品分析結(jié)果見表1。

表1 奧陶紀(jì)侵入巖主量元素、微量和稀土元素分析結(jié)果表

3.1 主量元素特征

SiO2含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為50.38%～67.89%，屬中性—中酸性巖石。TiO2含量0.42%～1.31%，Al2O3含量15.79%～17.91%，Na2O含量3.50%～4.34%，K2O含量0.76%～2.92%，K2O/Na2O值0.22～0.69，具有貧鈉富鉀特征。在(Na2O+K2O)-SiO2圖解[10]上(圖3)，2件樣品落入花崗閃長(zhǎng)巖區(qū)，1件樣品落入二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖區(qū)，1件樣品落入二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖與二長(zhǎng)巖交接區(qū)域，文獻(xiàn)[9]的2件樣品落入輝長(zhǎng)巖與輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖交接區(qū)域，這與巖石學(xué)特征基本一致。A/CNK值0.72～1.15，在A/CNK-A/NK圖解[11]中可以看出：閃長(zhǎng)巖—石英閃長(zhǎng)巖屬準(zhǔn)鋁質(zhì)巖系，花崗閃長(zhǎng)巖屬過(guò)鋁質(zhì)巖系圖4a。里特曼指數(shù)σ為1.87～3.92，除細(xì)粒閃長(zhǎng)巖值稍高外，其他樣品值均小于3.3，堿度率AR為1.39～2.34，在SiO2-K2O圖解[12]中圖4b，樣品點(diǎn)落入鈣堿性—高鉀鈣堿性區(qū)域。綜上所述，奧陶紀(jì)侵入巖主量元素顯示出準(zhǔn)鋁質(zhì)—過(guò)鋁質(zhì)鈣堿性巖石系列特征。

1—橄欖輝長(zhǎng)巖；2—輝長(zhǎng)巖；3—輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖；4—閃長(zhǎng)巖；5—花崗閃長(zhǎng)巖；6—花崗巖；7—二長(zhǎng)輝長(zhǎng)巖；8—二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖；9—二長(zhǎng)巖；10—石英二次巖；11—正長(zhǎng)巖；12—似長(zhǎng)輝長(zhǎng)巖；13—似長(zhǎng)二次長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖；14—似長(zhǎng)正長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖；15—似長(zhǎng)正長(zhǎng)巖；16—似長(zhǎng)巖圖3 奧陶紀(jì)侵入巖(Na2O+K2O)-SiO2圖解

圖4 A/CNK-A/NK圖解(a)和SiO2-K2O圖解(b)

3.2 微量與稀土元素特征

從微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化曲線圖(圖5a)上看出，不同樣品的微量元素分布特征具有相似性，(Rb/Yb)N為17.73～60.80，均大于1，屬于強(qiáng)不相容元素富集分配形式，Rb/Sr值為0.03～0.16，介于地幔平均值(0.025)與陸殼平均值(0.44)之間，顯示殼?；旌咸卣?。大離子親石元素Sr、Ba相對(duì)富集，Th、Nb、P、Ti等高場(chǎng)強(qiáng)元素虧損，P、Ti的虧損與Ti-Fe氧化物、磷灰石的分離結(jié)晶作用有關(guān)[13]，表現(xiàn)出島弧花崗巖地球化學(xué)特征[14-15]。

稀土元素總量∑REE為(74.63～157.27)×10-6，花崗閃長(zhǎng)巖樣品較閃長(zhǎng)巖—石英閃長(zhǎng)巖樣品含量稍低，輕稀土總量∑LREE為(67.94～139.05)×10-6，重稀土總量∑HREE為(6.69～18.22)×10-6，輕重稀土比值∑LREE/∑HREE為6.80～10.16，(La/Yb)N值為6.22～13.02，(Ce/Yb)N值為5.50～9.07，屬于輕稀土富集型，輕稀土元素內(nèi)部分餾較明顯。在稀土元素配分曲線上圖5b，各樣品曲線形態(tài)相似，La-Sm曲線較陡，Gd-Lu曲線逐漸趨于平緩，具重熔型花崗巖的特征，δEu為0.77～0.96，具輕微負(fù)Eu異常，且δEu>0.7，屬于基性巖漿分異的花崗巖[16]。

圖5 微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化曲線圖(a)和稀土元素配分曲線圖(b)

4 討論

4.1 巖石成因

目前，花崗巖的成因類型比較常用的有4種，分別為I、S、M和A型花崗巖[17]。研究區(qū)奧陶紀(jì)侵入巖群居性較好，且成因上關(guān)系較密切，Sr、Ba等大離子親石元素相對(duì)富集，Th、Nb、P、Ti等高場(chǎng)強(qiáng)元素虧損，說(shuō)明具有殼源物質(zhì)的混染。Zr/Hf值為33.44～40.82，具有中等分異花崗巖的特征(高分異花崗巖Zr/Hf值小于25，中等分異花崗巖Zr/Hf值大于25，普通花崗巖Zr/Hf值大于55)[18]。巖石中Nb/U值可以反映巖漿源區(qū)的性質(zhì)，地幔來(lái)源巖漿的Nb/U值為47，而殼源物質(zhì)則為6.2[19]，本區(qū)侵入巖Nb/U值為5.76～13.96，平均值10.94，介于幔源巖漿與殼源巖漿之間，反映巖石圈地幔源區(qū)可能受到地殼物質(zhì)混染。另外，在K2O-Na2O判別圖解上(圖6)[20]，樣品點(diǎn)全部落入Ⅰ型花崗巖區(qū)；在巖石化學(xué)成分及微量元素SiO2-Rb圖解和稀土元素δEu-(La/Yb)N圖解上(圖7)[21]，各侵入巖樣品點(diǎn)基本上落入殼?；旌闲突◢弾r區(qū)。綜合分析認(rèn)為，研究區(qū)奧陶紀(jì)侵入巖屬于中等分異的Ⅰ型花崗巖，具有殼幔混源巖漿特征。

圖6 K2O-Na2O判別圖

圖7 SiO2-Rb圖解(a)和δEu-(La/Yb)N圖解(b)

4.2 構(gòu)造意義

從前述微量元素特征看，研究區(qū)奧陶紀(jì)侵入巖具有島弧花崗巖的地球化學(xué)特征。利用Pearce等不同類型花崗巖的微量元素構(gòu)造判別圖解[22-23]，在Nb-Y判別圖上(圖8a)，樣品點(diǎn)落入火山弧+同碰撞火花崗巖區(qū)，在Rb-(Y+Nb)判別圖上(圖8b)，樣品點(diǎn)落入后碰撞花崗巖與火山弧花崗巖區(qū)，在Rb-(Yb+Ta)(圖8c)和Ta-Yb判別圖(圖8d)上，樣品點(diǎn)均落入火山弧花崗巖區(qū)。綜合分析認(rèn)為，該期侵入巖形成于洋殼俯沖作用下的火山弧環(huán)境。

圖8 Nb-Y、Rb-(Y+Nb)、Rb-(Yb+Ta)和Ta-Yb構(gòu)造判別圖解

筆者通過(guò)1∶5萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查，在研究區(qū)中細(xì)粒閃長(zhǎng)巖、中細(xì)粒石英閃長(zhǎng)巖、細(xì)中?；◢忛W長(zhǎng)巖中獲得LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡分別為(465±3)Ma、(464±3)Ma和(452±3)Ma。另外，前人在該區(qū)粗—中粒斜長(zhǎng)角閃巖(455.1±2.7)Ma和(451.4±5.4)Ma)[3]、粗粒閃長(zhǎng)巖(452±7)Ma)[5]、片麻狀石英閃長(zhǎng)巖(457.9±3.1)Ma、(455.4±5.0)Ma和(467.7±5.4)Ma)[9]樣品中獲得了相似的年齡值。同時(shí)，這些不同類型的侵入巖均具有島弧鈣堿性巖石特征，與早古生代洋盆俯沖作用有關(guān)，說(shuō)明研究區(qū)在奧陶紀(jì)進(jìn)入古亞洲洋演化階段，這對(duì)認(rèn)識(shí)中亞造山帶及天山地區(qū)古生代構(gòu)造演化具有重要意義。

5 結(jié)論

(1)西天山溫泉地區(qū)奧陶紀(jì)侵入巖主要巖石類型為閃長(zhǎng)巖、石英閃長(zhǎng)巖及花崗閃長(zhǎng)巖。SiO2含量50.38%～67.89%，TiO2含量0.42%～1.31%，Al2O3含量15.79%～17.91%，Na2O含量3.50%～4.34%，K2O含量0.76%～2.92%，K2O/Na2O值0.22～0.69，A/CNK值0.72～1.15，里特曼指數(shù)σ為1.87～3.92，堿度率AR為1.39～2.34，具有貧鈉富鉀特征，屬于準(zhǔn)鋁質(zhì)—過(guò)鋁質(zhì)鈣堿性巖石。

(2)(Rb/Yb)N為17.73～60.80，Rb/Sr值為0.03～0.16，顯示殼?；旌咸卣?。大離子親石元素Sr、Ba相對(duì)富集，Th、Nb、P、Ti等高場(chǎng)強(qiáng)元素虧損。稀土元素總量為(74.63～157.27)×10-6，輕重稀土比值為6.80～10.16，(La/Yb)N值為6.22～13.02，(Ce/Yb)N值為5.50～9.07，屬于輕稀土富集型，輕稀土元素內(nèi)部分餾較明顯。δEu為0.77～0.96，具輕微負(fù)Eu異常。Zr/Hf值為33.44～40.82，Nb/U值為5.76～13.96，研究區(qū)奧陶紀(jì)侵入巖屬于中等分異的Ⅰ型花崗巖，具有殼幔混源巖漿特征。

(3)根據(jù)巖石地球化學(xué)特征及區(qū)域地質(zhì)背景，綜合分析認(rèn)為西天山溫泉地區(qū)奧陶紀(jì)侵入巖形成于洋殼俯沖作用下的火山弧環(huán)境，是奧陶紀(jì)古亞洲洋俯沖作用在本區(qū)的體現(xiàn)。