文章快速检索    
  地质通报  2018, Vol. 37 Issue (5): 790-804  
0

引用本文 [复制中英文]

宋鹏, 童英, 王涛, 黄河, 张建军, 黄伟. 新疆东天山哈尔里克山石炭纪花岗岩锆石U-Pb年龄、成因演化及地质意义[J]. 地质通报, 2018, 37(5): 790-804.
[复制中文]
Song P, Tong Y, Wang T, Huang H, Zhang J J, Huang W. Zircon U-Pb ages, genetic evolution and geological significance of Carboniferous granites in the Harlik Mountain, East Tianshan, Xinjiang[J]. Geological Bulletin of China, 2018, 37(5): 790-804.
[复制英文]

基金项目

国家自然科学基金-新疆联合基金重点支持项目《北疆及邻区深部新老地壳时空分布构架及其成矿制约》(编号:U1403291)和中国地质调查局项目《显生宙重大岩浆事件调查与岩浆岩试点填图》(编号:DD20160123)、《中国岩浆岩综合研究》(编号:DD20160345)

作者简介

宋鹏(1988-), 男, 在读博士生, 从事花岗岩与大地构造研究。E-mail:songpengyx@foxmail.com

通讯作者

童英(1974-), 男, 博士, 研究员, 从事花岗岩地球动力学研究。E-mail:yingtong@cags.ac.cn

文章历史

收稿日期: 2017-03-17
修订日期: 2017-05-10
新疆东天山哈尔里克山石炭纪花岗岩锆石U-Pb年龄、成因演化及地质意义
宋鹏1,2 , 童英1 , 王涛1 , 黄河1 , 张建军1 , 黄伟3     
1. 中国地质科学院地质研究所, 北京 100037;
2. 中国地质大学(北京), 北京 100083;
3. 武警黄金第一支队, 黑龙江 牡丹江 157021
摘要: 新疆北部广泛发育的石炭纪—二叠纪花岗质岩石一直是中亚造山带西段研究的热点之一。新获得东天山哈尔里克地区小铺黑云母二长花岗岩和沁城南含角闪石二长花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分别为316±4Ma和320±3Ma。地球化学特征显示,小铺岩体为弱过铝质高钾钙碱性I型花岗岩,沁城南岩体为准铝质高钾钙碱性A型花岗岩。小铺岩体的εHft)值为+8.0~+13.8,沁城南岩体则更高,达到+10.8~+16.7,对应的地壳模式年龄(TDMc)分别为822~450Ma和641~268Ma,反映源区为年轻地壳物质。结合区域同时代产出的基性岩,指示这些年轻物质很可能与新的幔源基性底侵岩浆有关,为北疆哈尔里克地区石炭纪后碰撞地壳垂向生长提供了新证据。此外,沁城南岩体具有A型特征花岗岩的出现,进一步揭示晚石炭世为碰撞-后碰撞的重要构造转换期。
关键词: 花岗岩    地壳生长    锆石U-Pb年龄    东天山    石炭纪    
Zircon U-Pb ages, genetic evolution and geological significance of Carboniferous granites in the Harlik Mountain, East Tianshan, Xinjiang
SONG Peng1,2, TONG Ying1, WANG Tao1, HUANG He1, ZHANG Jianjun1, HUANG Wei3     
1. Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
2. China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
3. No.1 Gold Geological Party of CAPF, Mudanjiang 157021, Heilongjiang, China
Abstract: Extensively developed granitoids in northern Xinjiang have constituted one of the hotspots in the study of granite in the western Central Asian Orogenic Belt. LA-ICP-MS zircon U-Pb analysis of the Xiaopu biotite monzogranite and Qinchengnan hornblende monzogranite in the Harlic area yielded crystallization ages of 316±4Ma and 320±3Ma. Their petrological and geochemical characteristics show that Xiaopu pluton belongs to high-K calc-alkaline and weakly peraluminous series of I-type granite, whereas the Qinchengnan pluton belongs to high-K calc-alkaline and metaluminous series with A-type granite characteristics. The Xiaopu pluton has positive zircon εHf (t) values of +8.0~+13.8, and the Qinchengnan pluton has higher εHf (t) values up to +10.8~+16.7, with corresponding Hf model ages (TDMc) of 822~450Ma and 641~268Ma, respectively. These isotopic compositions indicate that young crust served as the main source of the granite generation. Combined with coeval basic rocks with similar isotopic compositions in this region, it can be believed that these young granites might have been related to the new mantle-derived basic magma underplating and exhibited the post-collision vertical growth. Additionally, the Qinchengnan granites have A-type granite characteristics, thus providing a further evidence for the transition period of Late Carboniferous from collision to post-collision settings.
Key words: granites    crustal growth    zircon U-Pb ages    East Tianshan    Carboniferous    

中亚造山带(CAOB)是全球最大的显生宙增生造山带[1-3]和陆壳生长区[4-6],其北邻西伯利亚克拉通,南接塔里木克拉通[7-8],由众多属性不同的构造块体拼合而成,包括古老陆块、古生代岛弧、蛇绿岩套残片、海山、增生杂岩等[2, 4-5]。中亚造山带最大的特点是发育有大量显生宙形成的、具有相对“年轻” Nd-Hf同位素特征的花岗质岩石,暗示显生宙发生了大规模陆壳生长。

北疆地区位于中亚造山带西段,是中亚造山带的重要组成部分,广泛发育古生代岩浆岩,是研究中亚造山带显生宙构造演化、地壳生长等科学问题的重要地区[4-5, 9-10]。近年来,北疆地区后碰撞构造演化为众多学者关注,但是关于后碰撞开始的时限还存在很大争议[3, 8, 10-12]。位于东天山东北段的哈尔里克山,其北为东准噶尔,南接吐哈盆地,东南为甘肃北山,向西与博格达造山带相连(图 1),发育大量的花岗质岩石,其中很多岩体为多成因、多期次的复合岩体。对这些岩体开展系统的岩石学、地球化学和地质年代学研究,有助于加深对哈尔里克地区构造岩浆演化的认识,同时,为上述问题提供约束。

图 1 北疆及邻区地质简图(花岗岩图据参考文献;主要构造划分据参考文献[13-14]) Fig.1 Geological sketch map of North Xinjiang

本文通过东天山东北段哈尔里克山地区小铺花岗岩体和沁城南花岗岩体进行岩石学、地球化学、锆石U-Pb年代学及Hf同位素研究,确定其形成时代并探讨岩石成因。同时,结合区域资料,进一步讨论岩体形成的构造环境,以及哈尔里克山深部物质组成和陆壳生长方式。

1 区域地质概况

哈尔里克山出露的地层主要为泥盆系和石炭系火山-沉积岩系。其中,泥盆系为大南湖组,由凝灰岩、安山玢岩、砾岩、砂岩、粉砂岩、砂岩与粉砂岩互层组成,呈近东西向分布在研究区北部;石炭系为一套火山-沉积岩系,出露在研究区东南部,其中,下石炭统雅满苏组由灰绿色泥岩、粉砂岩、火山角砾岩、凝灰岩等组成,向上逐渐过渡为上石炭统居里得能组。居里得能组为该区出露最广泛的岩层,由片岩夹凝灰砂岩和粉砂岩、砂岩、粉砂岩、凝灰砂岩、凝灰角砾岩夹安山玢岩等组成。

哈尔里克地区发育卡拉麦里-哈尔里克断裂带,该断裂呈北西—南东向展布。在断裂带南北两侧,沿哈尔里克山发育大量的次一级断裂,其主要延伸方向为北西—南东、北北东向—南南西向,以及一些弧形断裂。

区内岩浆活动较强烈,前人研究表明,哈尔里克地区主要发育3期岩浆活动:①早古生代岩浆活动,岩体规模较小,侵位时代为晚奥陶世—早志留世[15-16];②晚石炭世岩浆活动,岩性为闪长岩、二长花岗岩、黑云母花岗岩、碱性花岗岩等,分布广泛,岩体规模较大,如八大石等岩体,侵位时代为340~ 310Ma[17-19];③早二叠世岩浆活动,侵位时代集中在290~270Ma之间[20-23]

2 岩体地质及岩相学

本次研究的小铺花岗岩体位于哈尔里克地区中部,形状呈不规则椭圆状,近东西向展布,出露面积超过2000km2,为一巨型岩基。岩体北部侵入于泥盆系大南湖组,南部侵入于石炭系居里得能组,并被少量中基性脉岩穿插(图 2)。岩体由石英闪长岩、钾长花岗岩和二长花岗岩组成,接触关系不清,主体为一套中粗粒二长花岗岩。样品采自岩体西部,为中粗粒黑云母二长花岗岩,块状构造,中粗粒花岗结构(图 3-a),主要矿物为斜长石,半自形-他形粒状,含量30%(体积分数,下同),钾长石为半自形-他形粒状,含量40%~45%,石英呈他形粒状,含量20%~25%,黑云母片状,含量5%,副矿物为磁铁矿、锆石和磷灰石。岩体总体未变形,局部偶见糜棱岩化。

图 2 哈尔里克山地质图(据参考文献[16]修改) Fig.2 Geological map of the Harlik Mountain
图 3 小铺黑云母二长花岗岩(a)和沁城南含角闪石二长花岗岩(b)显微照片 Fig.3 Photomicrographs of granites from Xiaopu (a) and Qinchengnan (b) Qz—石英;Pl—斜长石;Kf—钾长石

沁城南花岗岩体位于哈尔里克地区中南部,出露面积大于100km2,平面上呈不规则状。侵入石炭系居里得能组,局部围岩发育角岩化或混合岩化,范围较窄,其接触面较陡,岩体被大量中基性脉岩侵入,脉岩多为辉绿岩和闪长玢岩(图 2)。沁城南花岗岩体由钾长花岗岩、二长花岗岩组成,钾长花岗岩位于岩体西部,中细粒二长花岗岩位于岩体东北部。样品采自岩体北部,为中细粒含角闪石二长花岗岩,块状构造,中细粒花岗结构(图 3-b),主要矿物为斜长石,半自形板状,含量30%~35%,钾长石为半自形-他形粒状,含量40%~45%,石英为半自形-他形粒状,含量20%~25%,角闪石为半自形柱状,含量3%~5%,副矿物为磁铁矿、锆石和磷灰石。

3 测试方法及测试结果 3.1 测试方法

对锆石测年样品采用常规重选和电磁选方法进行锆石分选,再在双目镜下挑选出晶形和透明度较好的锆石颗粒,将其粘贴在环氧树脂表面,待固结后抛磨,使锆石内部充分暴露,然后进行反射光、透射光和阴极发光显微照相。通过对反射光、透射光和阴极发光图像的观察分析,排除多裂纹、多包裹体和抛光不清晰的锆石,选择具有代表性的锆石进行测试。

锆石U-Pb年龄分析在中国地质调查局西安地质调查中心微区同位素地球化学实验室完成,所用质谱仪型号为Agilent 7700x及配套的Geolas Pro激光剥蚀系统。采用32μm的激光束斑直径、6.0J/cm2的激光能量密度和9Hz的激光频率,激光取样过程采用20s的背景采集时间、40s的剥蚀取样时间和10s的样品池冲洗时间,剥落的样品由高纯氦气(1.100L/min)带入ICP-MS;同位素204Pb、206Pb、208Pb和232Th采用20ms,238U采用10ms,207Pb采用30ms的积分时间;用锆石标样91500作为外标进行U-Pb分馏效应和质量歧视的校正计算,Plesovice锆石标样作为监控盲样监视测试过程的稳定性,保证每5个样品点至少插入测试一组标样。数据处理应用Glitter(ver 4.0,Macquarie University)程序计算锆石的同位素比值和元素含量;应用Isoplot(3.71)计算程序[26]对锆石样品的206Pb/238U年龄和207Pb/235U年龄在谐和图上进行投图,并计算谐和测点的206Pb/238U年龄加权平均值。

样品的主量、微量和稀土元素分析在加拿大温哥华Acme实验室完成。首先选取0.20g粉末样品与1.50g LiBO2助熔剂置于石墨坩埚内进行充分混合,然后将混合物于马弗炉上在1050℃下加热15min,提取熔融后的混合物,倒入100mL由去离子水和ACS级纯度硝酸配制的5%浓度的HNO3溶液中。将溶液摇晃2h使其充分溶解,取一部分置入聚丙烯分析管内。通过电感耦合等离子光谱分析(ICP-AES)进行主要氧化物和Ba、Sc、Cu、Zn和Ni含量的分析,在ICP-MS上进行其他微量元素和稀土元素含量的分析。对于贵金属,称取0.50g样品,置于3mL高温的(95℃)王水中进行溶解后,通过ICP-MS进行分析。

锆石Hf同位素测试在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成,测试仪器为Neptune Plus多接收等离子质谱和Compex pro. 193紫外激光剥蚀系统(LA-MC-ICP-MS)。实验过程中采用氦作为剥蚀物质载气,将剥蚀物质从激光探针传送到MC-ICP-MS之前与氩混合,形成混合气。锆石Hf测试点位选择在U-Pb年龄测试点附近,根据锆石大小,剥蚀直径一般采用44μm,激光脉冲频率为6Hz,具体流程及仪器运行条件等见参考文献[27]。实验数据采用ICPMSDataCal程序[28]进行处理。

3.2 测试结果 3.2.1 锆石U-Pb年龄

本次研究样品中的锆石大多晶形较完整,偶见不完整晶体。锆石除少量为不规则形状外,多为长柱状,颗粒长轴多在100~180μm之间,长宽比为3:1~1:1,且透明度较好,阴极发光(CL)图像显示,多数具有明显的岩浆成因振荡环带(图 4)。锆石U-Pb分析结果列于表 1

图 4 小铺黑云母二长花岗岩(T12716-1.2)和沁城南含角闪石二长花岗岩(T12716-8.4)锆石阴极发光(CL)图像 Fig.4 Zircon CL images of Xiaopu and Qinchengnan granites (图中实线圆圈为年龄分析点位,虚线圆圈为Hf同位素分析点位)
表 1 哈尔里克地区花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb测试结果 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb dating results for representative granites from the Harlik area

对小铺黑云母二长花岗岩测年样品(T12716- 1.2)分析了30个测点,其中11、26和29号测点在谐和图中明显偏离谐和线,在加权平均值计算时予以剔除,其余测点在U-Pb谐和图中的投点均落在谐和线上及其附近(图 5-a),Th/U值为0.25~0.62。结合形态学特征,较高的Th/U值指示这些锆石为岩浆锆石。27个测点的206Pb/238U年龄介于300~ 335Ma之间,年龄加权平均值为316±4Ma(MSWD= 1.2),时代为晚石炭世,代表了花岗岩的结晶年龄。

图 5 小铺黑云二长花岗岩(a)和沁城南含角闪石二长花岗岩(b)锆石U-Pb年龄谐和图 Fig.5 Zircon U-Pb concordia diagrams of Xiaopu (a) and Qinchengnan (b) granites

沁城南含角闪石二长花岗岩测年样品(T12716-8.4)分析了30个测点,其中4、19号测点在谐和图中明显偏离谐和线,在加权平均值计算时予以剔除,其余测点在U-Pb谐和图中的投点均落在谐和线上及其附近(图 5-b),Th/U值为0.43~0.77。结合形态学特征,较高的Th/U值指示这些锆石为岩浆锆石。28个测点的206Pb/238U年龄介于313~327Ma之间,年龄加权平均值为320±3Ma(MSWD=0.31),时代为晚石炭世,代表了花岗岩的结晶年龄。

3.2.2 岩石地球化学特征

哈尔里克山地区小铺和沁城南花岗岩体样品的主量、微量和稀土元素测试结果见表 2

表 2 哈尔里克地区花岗岩主量、微量和稀土元素组成 Table 2 Major, trace and rare earth elements compositions of granites from the Harlik area

小铺黑云母二长花岗岩SiO2含量为68.42%~ 72.83%,Al2O3含量为14.04%~16.15%,全碱(Na2O+ K2O)含量为7.55% ~8.13%,MgO含量较低,为0.31%~0.41%;沁城南含角闪石二长花岗岩SiO2含量为67.71% ~72.26%,Al2O3含量为13.87% ~ 17.00%,全碱(Na2O+K2O)含量为7.13%~10.88%,MgO含量较小铺黑云母二长花岗岩低,为0.16%~ 0.18%。二者铝饱和指数(A/CNK)略有差别,前者为1.00~1.04,准铝质,后者为0.95~0.98,弱过铝质;在SiO2-K2O图解中,2个岩体的样品点均落于高钾钙碱性系列(图 6)。

图 6 哈尔里克山花岗岩类SiO2-K2O(a)和A/CNK-A/NK图解(b) Fig.6 SiO2 versus K2O (a) and A/CNK versus A/NK (b) diagrams for the granitoids in the Harlik Mountain (a、b底图分别据参考文献[29][30],数据来源于参考文献[19]和本文)

微量及稀土元素地球化学特征显示,小铺黑云母二长花岗岩稀土元素总量∑REE为89.62×10-6~ 145.67×10-6,(La/Yb)N值为8.47~11.91;沁城南含角闪石二长花岗岩∑REE为81.44×10-6~221.12×10-6,(La/Yb)N值为2.12~10.44。在稀土元素球粒陨石标准化图解中,具较明显的轻稀土元素富集、重稀土元素亏损的右倾型(LREE/HREE=3.1~ 9.6)。沁城南花岗岩具有明显的负Eu异常(δEu= 0.39~0.47,有1个为1.21),重稀土元素轻微上翘,呈“海鸥型”配分模式;而小铺花岗岩Eu负异常程度较弱(δEu=0.79~1.30),重稀土元素轻微右倾。在原始地幔标准化微量元素蛛网图解中,小铺花岗岩表现出Ba、K富集,强烈亏损U、P和Ti;而沁城南花岗岩富集Ba、Zr、Nd,亏损Ta、Nb、P、Ti等(图 7)。

图 7 小铺和沁城南花岗岩稀土元素球粒陨石标准化分布型式(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b) Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive-mantle normalized spidergrams (b) of Xiaopu and Qinchengnan granites (球粒陨石和原始地幔标准化数据据参考文献[31],小铺东花岗岩数据据参考文献[21])
3.2.3 锆石Hf同位素特征

选取具有谐和年龄的典型锆石进行Hf同位素测试,每颗锆石εHf(t)及地壳模式年龄(TDMC)根据各自锆石颗粒的206Pb/238U年龄计算(表 3)。

表 3 哈尔里克地区花岗岩锆石Hf同位素测试结果 Table 3 Zircon Hf isotopic compositions of representative granites from the Harlik area

小铺黑云母二长花岗岩(样品T12716-1)共测试了19个点的锆石Hf同位素,176Hf/177Hf值为0.282808~0.282987,εHf(t)值为+8.0~+13.8,地壳Hf模式年龄为822~450Ma。

沁城南含角闪石二长花岗岩(样品T12716-8)共测试了19个点的锆石Hf同位素,176Hf/177Hf值为0.282934~0.283064,εHf(t)值为+10.8~+16.7,地壳Hf模式年龄为641~268Ma。

4 讨论 4.1 岩石成因及物源分析

小铺岩体和沁城南岩体均属于高钾钙碱性系列,但是前者A/CNK为1.00~1.04,为弱过铝质系列,后者A/CNK为0.95~0.98,为准铝质系列。2个岩体的10000Ga/Al值较接近,分别为2.00~2.11和2.26~2.35,但在一组以10000Ga/Al为横坐标的花岗岩成因类型图解中,小铺岩体样品落入I & S型区域,而沁城南岩体样品落入A型花岗岩区域;在以Zr+Nb+Ce+Y为横坐标的另一组图解中,小铺岩体样品落入未分异I、S和M型花岗岩(OGT)区域,而沁城南岩体样品同样落入A型花岗岩区域(图 8)。因此,小铺岩体与沁城南岩体属于不同的成因类型,前者具有I型花岗岩特点,后者具有A型花岗岩特征。沁城南岩体分异指数(DI)为90.56~ 90.57,表明原始岩浆的结晶分异强烈;在100 (MgO+TFeO+TiO2)/SiO2-(Al2O3 +CaO)/(TFeO+ Na2O+K2O)图解(图 9)中,除1个样品落入高分异钙碱性系列,其余3个样品均落入碱性系列区,说明沁城南花岗岩体可能为A型花岗岩。综上所述,小铺花岗岩体应为I型花岗岩,而沁城南花岗岩体为A型花岗岩或具有A型花岗岩特点。

图 8 小铺花岗岩和沁城南花岗岩A型花岗岩判别图解(底图据参考文献[35]) Fig.8 Discrimination diagrams of A-type granite for Xiaopu and Qinchengnan granites I & S—I型和S型花岗岩分布区;FG—分异的I & S型花岗岩分布区;OGT—未分异的I、S & M型花岗岩分布区
图 9 小铺和沁城南花岗岩100(MgO+TFeO+TiO2)/SiO2-(Al2O3+CaO)/(TFeO+Na2O+K2O)图解 Fig.9 100(MgO+TFeO+TiO2)/SiO2 versus (Al2O3+CaO)/(TFeO+Na2O+K2O) diagram of Xiaopu and Qinchengnan granites (底图据参考文献[36])

锆石Hf同位素分析结果显示,小铺岩体和沁城南岩体在物质来源方面稍有不同,小铺岩体的εHf(t)值为+8.0~+13.8,沁城南岩体则更高,达到+10.8~+16.7,表明有更多的幔源物质参与花岗岩的形成,对应的地壳模式年龄分别为822~450Ma和641~268Ma,均反映了年轻物质为二者源区的主要组成。花岗质岩石源自年轻地壳(从幔源分异不久)是中亚造山带花岗岩的一个重要特点,揭示了大规模的显生宙地壳生长[4]。此外,在原始地幔标准化微量元素蛛网图解中,2个岩体也略有不同,但都表现出P、Ti、Nb、Ta的亏损,显示了大陆地壳的特征。因此,小铺岩体和沁城南岩体形成物质主要来自年轻地壳源区,并可能有地幔物质的加入,同位素特征揭示一些锆石测点几乎达到亏损地幔线,显示地幔和年轻地壳物质的混合。此外,哈尔里克地区出露同时代的基性-中性岩,具有相似的年轻的地壳Hf模式年龄(宋鹏,未刊资料),这些特征暗示,小铺和沁城南花岗岩可能均为壳幔混合成因。

在哈尔里克山地区报道的二叠纪八大石和小铺东花岗岩也为高钾钙碱性岩体,说明高钾钙碱性花岗岩普遍存在,它们具有正的εNd(t)值(+3.1和+ 4.5)和年轻的Nd模式年龄TDM(944Ma和648Ma),岩浆来源于新元古代的初生陆壳[21],结合本文2个岩体的模式年龄,表明新元古代可能是这一广大地区陆壳增生的重要时期。总的来看,哈尔里克山石炭纪花岗岩类均为高钾钙碱性,准铝质-弱过铝质系列,而二叠纪多为高钾钙碱性,少量为钙碱性的准铝质-弱过铝质系列(图 6)。小铺岩体形成时代为晚石炭世(316Ma)和早二叠世(295Ma),二者地球化学性质不同(图 7),说明小铺花岗岩体应是多期岩浆的产物。综合区域地质背景及岩石地球化学研究表明,研究区花岗岩源于下地壳物质(源岩为底侵的玄武质岩浆)的部分熔融,引起地壳物质部分熔融的主要原因是地壳拉张-减薄-降压的构造动力机制和由此引起的地幔底侵玄武岩浆或地幔底辟体对岩浆源区提供热力作用[37]

4.2 构造环境

本文研究的小铺花岗岩和沁城南花岗岩形成时代为晚石炭世,均为高钾钙碱性,小铺花岗岩为I型,而沁城南花岗岩为A型,两者均具有高的Th/Ta值,为7.8~23.5,似乎显示弧岩浆特点[38]。在微量元素Y-Nb和(Yb+Ta)-Rb构造环境判别图解中,也均落入火山弧花岗岩区域(图略)。这与八大石和小铺东岩体[22]相似。但在构造判别图解中,落入火山弧花岗岩的岩体并不一定形成于俯冲环境。碰撞后岩体的岩浆源区可能受到俯冲带地质作用的强烈影响,或者岩浆在碰撞前的岛弧环境下就已生成,因为挤压环境不利于岩浆分凝和上升,直到碰撞后伸展背景下才得以侵位。后碰撞环境可以同时出现I型和A型花岗岩[39]。一般来说,高钾钙碱性系列花岗岩产生在陆弧环境或后碰撞环境[40]或构造体制转化背景[41],说明晚石炭世应为碰撞-后碰撞的构造转化期。结合晚石炭世其他典型A型花岗岩的发现,区域上构造应力由挤压转换为伸展背景,导致幔源岩浆的上涌和底侵,新生陆壳熔融形成大规模的后碰撞花岗岩[19]。因此,支持晚石炭世(320Ma)构造背景处于碰撞后挤压-伸展转折期的观点。

北疆地区晚古生代后碰撞构造岩浆活动非常活跃,岩体分布往往不受重要地质界线的限制,在阿尔泰、东西准噶尔、天山地区均有分布,亦有岩体直接侵位到标志缝合带位置的蛇绿岩或蛇绿混杂岩中,具有“钉合岩体”的特征[11, 42-43]。根据年代学资料,东准噶尔后碰撞深成岩浆活动集中在330~ 280Ma,西准噶尔为310~295Ma[10, 44-45],阿尔泰集中在290~270Ma[46]。而确定后碰撞期的时限,是正确认识和恢复后碰撞期构造-岩浆动力学演化过程的基础和前提。之前多认为哈尔里克山后碰撞时限为二叠纪[22],但是在晚石炭世,哈尔里克山地区已经发现了典型的A型碱性花岗岩侵入到花岗岩基中[19],暗示该区在晚石炭世已进入后碰撞伸展阶段。在晚石炭世(305Ma),北疆地区开始进入后碰撞阶段,特别是晚石炭世晚期,构成现今北疆地区的构造块体之间已无大洋的存在,阿尔泰、东准噶尔和东天山地区基本上都进入了后碰撞(后造山)阶段,从二叠纪开始,整个北疆地区才真正进入统一的演化阶段[12]

4.3 深部物质组成及陆壳生长

小铺花岗岩和沁城南花岗岩具有正的εHf(t)值+8.0~+16.7,年轻的地壳模式年龄为822~268Ma,收集的该地区花岗岩Hf同位素数据显示,εHf(t)值为+5.4~+16.9,地壳模式年龄为995~226Ma,说明该区年轻组分在花岗岩浆源区占有很大比例的贡献。

一般而言,后碰撞花岗岩中年轻物源有3种可能:①新底侵的幔源物质(基性岩浆)[47],如准噶尔Wlungur花岗岩[9];②残留在地壳的洋壳或年轻的火山弧及增生楔物质[48];③早期(元古宙)底侵的基性岩浆转换的年轻下地壳[49]。从图 10可见,后碰撞花岗岩可能是新底侵的幔源物质与陆壳物质的混合,或者是年轻的洋壳或火山弧物质与古老地壳物质的混合。但是,在晚古生代,板块俯冲碰撞的动力学体制已经结束,后碰撞岩浆形成必然需要新的动力学及热源,而幔源底侵是最常见的后碰撞岩浆活动的热源和物源,同时,沁城南岩体被大量中-基性岩脉,特别是基性岩脉侵入,也为第一种情况提供了重要证据。综上所述,哈尔里克山地区深部物质组成主要为年轻地壳物质,这些年轻物质最有可能与新的幔源基性底侵岩浆有关。

图 10 哈尔里克山地区花岗质岩石的εHf(t)随年龄变化图解(a)及Hf模式年龄TDMC频率分布直方图(b) Fig.10 206Pb/238U age versus εHf(t) value (a) and frequency distribution histogram of Hf model ages (TDMC) (b) for zircons from the granitic rocks in the Harlik Mountain (数据来源于参考文献[19, 23]和本文)

这些花岗岩中含有的年轻组分主要是新底侵的年轻的幔源岩浆提供的,这种作用造成的地壳生长特点是显生宙垂向生长[9, 47, 50]。例如,与哈尔里克山北部相邻的东准噶尔造山带,发育大量后碰撞花岗岩,具有高的正εNd(t)值和εHf(t)值,显示了显生宙的垂向生长[10]。区域上后碰撞花岗岩出露面积大于早古生代同造山花岗岩面积,占哈尔里克山的80%,小铺、八大石岩体等规模巨大。因此,这种花岗岩浆形式的地壳垂向生长量是可观的,而这些已经加入地壳的年轻幔源组分需要更巨量的底侵于下地壳的幔源基性岩浆来提供。因此,后碰撞垂向生长具有不可忽视的作用。

中亚造山带发育后碰撞年轻物源特点的花岗岩(在很多地带占主体,如东、西准噶尔地区),揭示了显著的后碰撞大规模地壳垂向生长[9, 44]。本文研究的2个320Ma左右的高εHf(t)值(+8.0~+16.7)花岗质岩体为此提供了新的证据。

5 结论

(1)东天山东北段哈尔里克山小铺和沁城南花岗岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分别为316± 4Ma和320±3Ma,均为晚石炭世。

(2)小铺岩体为弱过铝质高钾钙碱性I型花岗岩,沁城南岩体为准铝质高钾钙碱性,且具有A型花岗岩特征,结合地球化学特征和区域岩浆岩组合,支持构造背景为后碰撞挤压-伸展转折期的认识。

(3)2个岩体显示年轻地壳物源特点(εHf(t)值为+8.0~+16.7,TDMC为822~268Ma),结合区域同时代基性岩产出,这些年轻物质可能与新的幔源基性底侵岩浆有关,为北疆哈尔里克地区石炭纪后碰撞地壳垂向生长提供了新证据。

致谢: 感谢中国地质科学院地质研究所贾孝新硕士和中国地质大学(北京)张义、王玮、许元全、刘鹏杰、陈林君硕士在数据测试中提供的帮助,以及评审专家对本文提出的宝贵修改意见。

参考文献
[1] Sengör A M C, Natal'in B A, Burtman V S. Evolution of the Altaid tectonic collage and Paleozoic crustal growth in Eurasia[J]. Nature, 1993, 364(6435): 299–307. DOI:10.1038/364299a0.
[2] Windley B F, Alexeiev D, Xiao W J, et al. Tectonic models for accretion of the Central Asian Orogenic Belt[J]. Journal of the Geological Society, 2007, 164(1): 31–47. DOI:10.1144/0016-76492006-022.
[3] Xiao W J, Windley B F, Sun S, et al. A tale of amalgamation of three Permo-Triassic collage systems in Central Asia:Oroclines, sutures, and terminal accretion[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2015, 43(1): 477–507. DOI:10.1146/annurev-earth-060614-105254.
[4] Jahn B M, Wu F Y, Chen B. Massive granitoid generation in Central Asia:Nd isotope evidence and implication for continental growth in the Phanerozoic[J]. Episodes, 2000, 23(2): 82–92.
[5] Jahn B M, Wu F Y, Chen B. Granitoids of the Central Asian Orogenic Belt and continental growth in the Phanerozoic[J]. Transactions of the Royal Society of Edinburgh. Earth Sciences, 2000, 91(1): 181–193.
[6] Wilhem C, Windley B F, Stampfli G M. The Altaids of Central Asia:A tectonic and evolutionary innovative review[J]. Earth Science Reviews, 2012, 113(3/4): 303–341.
[7] Cawood P, Kroner A. Earth accretionary orogens in space and time[J]. Geological Society of London Special Publication, 2009, 318: 1–36. DOI:10.1144/SP318.1.
[8] Xiao W J, Windley B F, Allen M B, et al. Paleozoic multiple accretionary and collisional tectonics of the Chinese Tianshan orogenic collage[J]. Gondwana Research, 2013, 23(4): 1316–1341. DOI:10.1016/j.gr.2012.01.012.
[9] Han B F, Wang S G, Jahn B M, et al. Depleted-mantle source for the Ulungur River A-type granites from North Xinjiang, China:geochemistry and Nd-Sr isotopic evidence, and implications for Phanerozoic crustal growth[J]. Chemical Geology, 1997, 138(3/4): 135–159.
[10] 韩宝福, 季建清, 宋彪, 等. 新疆准噶尔晚古生代陆壳垂向生长(Ⅰ)-后碰撞深成岩浆活动的时限[J]. 岩石学报, 2006, 22(5): 1077–1086.
[11] 韩宝福, 郭召杰, 何国琦. "钉合岩体"与新疆北部主要缝合带的形成时限[J]. 岩石学报, 2010, 26(8): 2233–2246.
[12] 童英, 王涛, 洪大卫, 等. 北疆及邻区石炭-二叠纪花岗岩时空分布特征及其构造意义[J]. 岩石矿物学杂志, 2010, 29(6): 619–641.
[13] Ren J S, Niu B G, Wang J, et al. Advances in research of Asian geology-A summary of 1:5M International Geological Map of Asia project[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2013, 72(4): 3–11.
[14] Xiao W J, Han C M, Liu W, et al. How many sutures in the southern Central Asian Orogenic Belt:Insights from East Xinjiang-West Gansu (NW China)?[J]. Geoscience Frontiers, 2014, 5(4): 525–536. DOI:10.1016/j.gsf.2014.04.002.
[15] 曹福根, 涂其军, 张晓梅, 等. 哈尔里克山早古生代岩浆弧的初步确定——来自塔水河一带花岗质岩体锆石SHRIMP U-Pb测年的证据[J]. 地质通报, 2006, 25(8): 923–927.
[16] 马星华, 陈斌, 王超, 等. 早古生代古亚洲洋俯冲作用:来自新疆哈尔里克侵入岩的锆石U-Pb年代学、岩石地球化学和Sr-Nd同位素证据[J]. 岩石学报, 2015, 31(1): 89–104.
[17] 孙桂华, 李锦轶, 高立明, 等. 新疆东部哈尔里克山闪长岩锆石SHRIMP U-Pb定年及其地质意义[J]. 地质论评, 2005, 51(4): 463–469.
[18] 孙桂华, 李锦轶, 朱志新, 等. 新疆东部哈尔里克山片麻状黑云母花岗岩锆石SHRIMP U-Pb定年及其地质意义[J]. 新疆地质, 2007, 25(1): 4–10.
[19] 黄伟. 东天山哈密地区石炭-二叠纪碱性花岗岩年代学、地球化学及成因[D]. 中国地质大学(北京)硕士学位论文, 2014.
[20] 汪传胜, 顾连兴, 张遵忠, 等. 新疆哈尔里克山二叠纪碱性花岗岩-石英正长岩组合的成因及其构造意义[J]. 岩石学报, 2009, 25(12): 3182–3196.
[21] 汪传胜, 顾连兴, 张遵忠, 等. 东天山哈尔里克山区二叠纪高钾钙碱性花岗岩成因及地质意义[J]. 岩石学报, 2009, 25(6): 1499–1511.
[22] 陈希节, 舒良树. 新疆哈尔里克山后碰撞期构造-岩浆活动特征及年代学证据[J]. 岩石学报, 2010, 26(10): 3057–3064.
[23] 陈希节, 张奎华, 张关龙, 等. 新疆东天山哈尔里克二叠纪奥莫尔塔格碱性花岗岩特征、成因及构造意义[J]. 岩石矿物学杂志, 2016, 35(6): 929–946.
[24] 赵明, 舒良树, 朱文斌, 等. 东疆哈尔里克变质带的U-Pb年龄及其地质意义[J]. 地质学报, 2002, 76(3): 379–383.
[25] 郭华春, 钟莉, 李丽群. 哈尔里克山口门子地区石英闪长岩锆石SHRIMP U-Pb测年及其地质意义[J]. 地质通报, 2006, 25(8): 928–931.
[26] Ludwig K R. Isoplot/Ex 3. 70. A Geochronological Toolkit for Microsoft Excel[M]. Berkeley Geochronological Center, Special publication No. 4, 2008.
[27] Hu Z C, Liu Y S, Gao S, et al. Improved in situ Hf isotope ratio analysis of zircon using newly designed X skimmer cone and jet sample cone in combination with the addition of nitrogen by laser ablation multiple collector ICP-MS[J]. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2012, 27(9): 1391–1399. DOI:10.1039/c2ja30078h.
[28] Liu Y S, Gao S, Hu Z C, et al. Continental and oceanic crust recycling-induced melt-peridotite interactions in the Trans-North China orogen:U-Pb dating, Hf isotopes and trace elements in zircons from mantle xenoliths[J]. Journal of Petrology, 2010, 51(1/2): 537–571.
[29] Peccerillo A, Taylor S R. Geochemistry of eocene calc-alkaline volcanic rocks from the Kastamonu area, Northern Turkey[J]. Contributions to Mineralogy & Petrology, 1976, 58(1): 63–81.
[30] Maniar P D, Piccoli P M. Tectonic discrimination of granitoids[J]. Geological Society of America Bulletin, 1989, 101(5): 635–643. DOI:10.1130/0016-7606(1989)101<0635:TDOG>2.3.CO;2.
[31] Sun S S, Mcdonough W F. Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts:Implications for mantle composition and processes[J]. Geological Society of London Special Publications, 1989, 42(1): 313–345. DOI:10.1144/GSL.SP.1989.042.01.19.
[32] Blichert-Toft J, Albarède F. The Lu-Hf isotope geochemistry of chondrites and the evolution of the mantle-crust system[J]. Earth and Planetary Science Letters, 1997, 148(1/2): 243–258.
[33] Griffin W L, Pearson N J, Belousova E, et al. The Hf isotope composition of cratonic mantle:LAM-MC-ICPMS analysis of zircon megacrysts in kimberlites[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2000, 64(1): 133–147. DOI:10.1016/S0016-7037(99)00343-9.
[34] Scherer E, Münker C, Mezger K. Calibration of the lutetium-hafnium clock[J]. Science, 2001, 293(5530): 683–687. DOI:10.1126/science.1061372.
[35] Whalen J B, Currie K L, Chappell B W. A-type granites:geochemical characteristics, discrimination and petrogenesis[J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 1987, 95(4): 407–419. DOI:10.1007/BF00402202.
[36] Sylvester P J. Post-collisional alkaline granites[J]. The Journal of Geology, 1989, 97(3): 261–280. DOI:10.1086/629302.
[37] 陈希节. 东天山古生代构造-岩浆作用及地球动力学演化[D]. 南京大学博士学位论文, 2013, 1-127.
[38] Rogers G, Hawkesworth C J. A geochemical traverse across the North Chilean Andes:evidence for crust generation from the mantle wedge[J]. Earth Planet. Sci. Lett., 1989, 91(3/4): 271–285.
[39] 韩宝福. 后碰撞花岗岩类的多样性及其构造环境判别的复杂性[J]. 地学前缘, 2007, 14(3): 64–72.
[40] Pitcher W S. Granite type and tectonic environment[C]//Hsu K J. Mountain Building Processes. Academic Press, London, 1983: 19-40.
[41] Barbarin B. A review of the relationships between granitoid types, their origins and their geodynamic environments[J]. Lithos, 1999, 46(3): 605–626. DOI:10.1016/S0024-4937(98)00085-1.
[42] 黄河, 王涛, 秦切, 等. 南天山西段巴雷公花岗岩体的地质年代学及锆石Hf同位素特征——岩石成因及对构造演化的约束[J]. 岩石矿物学杂志, 2015, 34(6): 971–990.
[43] 田健, 廖群安, 樊光明, 等. 东准噶尔卡拉麦里断裂以南幔源底侵体、"钉合花岗岩体"的发现及其地质意义[J]. 岩石学报, 2016, 32(6): 1715–1730.
[44] Yang G, Li Y J, Wu H E, et al. Geochronological and geochemical constrains on petrogenesis of the Huangyangshan A-type granite from the East Junggar, Xinjiang, NW China[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2011, 40(3): 722–736. DOI:10.1016/j.jseaes.2010.11.008.
[45] Liu W, Liu X, Liu L. Underplating generated A-and I-type granitoids of the East Junggar from the lower and the upper oceanic crust with mixing of mafic magma:Insights from integrated zircon U-Pb ages, petrography, geochemistry and Nd-Sr-Hf isotopes[J]. Lithos, 2013, 179: 293–319. DOI:10.1016/j.lithos.2013.08.009.
[46] 王涛, 童英, 李舢, 等. 阿尔泰造山带花岗岩时空演变、构造环境及地壳生长意义——以中国阿尔泰为例[J]. 岩石矿物学杂志, 2010, 29(6): 595–618.
[47] 王涛, 李伍平, 李金宝, 等. 东天山东段同造山到后造山花岗岩幔源组分的递增及陆壳垂向生长意义——Sr、Nd同位素证据[J]. 岩石学报, 2008, 24(4): 762–772.
[48] Hong D W, Zhang J, Wang T, et al. Continental crustal growth and the supercontinental cycle:evidence from the Central Asian Orogenic Belt[J]. Acta Geologica Sinica, 2004, 23(5): 799–813.
[49] 吴福元, 林强, 江博明. 中国北方造山带造山后花岗岩的同位素特点与地壳生长意义[J]. 科学通报, 1997, 42(20): 2188–2192. DOI:10.3321/j.issn:0023-074X.1997.20.017.
[50] 顾连兴, 张遵忠, 吴昌志, 等. 关于东天山花岗岩与陆壳垂向增生的若干认识[J]. 岩石学报, 2006, 22(5): 1103–1120.
王涛, 张磊, 郭磊, 等. 中国北方重要成矿区带显生宙花岗岩时空演变框架、构造背景及其成矿意义成果报告. 2016.