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  地质通报  2018, Vol. 37 Issue (5): 805-818  
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支倩, 李永军, 王冉, 段丰浩, 晁文迪, 石歌. 新疆西准噶尔塔尔根一带花岗岩锆石U-Pb年龄、地球化学特征及其地质意义[J]. 地质通报, 2018, 37(5): 805-818.
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Zhi Q, Li Y J, Wang R, Duan F H, Chao W D, Shi G. Zircon U-Pb chronology, geochemistry of the Taergen granite in Western Junggar, Xinjiang, and their geological significance[J]. Geological Bulletin of China, 2018, 37(5): 805-818.
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基金项目

国家自然科学基金项目《西准噶尔玉依塔勒盆克提花岗岩中石榴石的形成机制及地质意义》(批准号:41402044)和新疆国土厅地质勘查基金项目《新疆西准噶尔地区构造-岩浆带成矿地质作用及矿化特征调查与研究》(编号:Y14-5-LQ06)、《新疆东、西准噶尔泥盆系—石炭系典型剖面对比研究》(编号:Y15-1-LQ01)

作者简介

支倩(1994-), 女, 在读硕士生, 从事矿物学、岩石学、矿床学专业研究。E-mail:2511979891@qq.com

通讯作者

李永军(1961-), 男, 教授, 博士生导师, 从事区域地质学及地球化学调查研究。E-mail:yongjunl@chd.edu.cn

文章历史

收稿日期: 2017-03-20
修订日期: 2017-05-08
新疆西准噶尔塔尔根一带花岗岩锆石U-Pb年龄、地球化学特征及其地质意义
支倩1 , 李永军1,2 , 王冉1,2 , 段丰浩1 , 晁文迪3 , 石歌4     
1. 长安大学地球科学与资源学院, 陕西 西安 710054;
2. 国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室, 陕西 西安 710054;
3. 中国冶金地质总局西北局, 陕西 西安 710119;
4. 中国科学院大学地球科学学院, 北京 100049
摘要: 新疆西准噶尔达尔布特构造-岩浆带分布大量的中酸性侵入体,其成因类型和侵位期次对于认识区域岩浆演化具有重要意义。通过对玛依勒山北段塔尔根一带的岩体进行野外地质调查,并结合LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学及岩石地球化学分析,确定其形成时代、岩石成因及形成的构造环境。塔尔根一带岩体主要由正长花岗岩和二长花岗岩组成,正长花岗岩锆石U-Pb年龄为296.6±2.0Ma(n=27,MSWD=0.33),属早二叠世早期。岩石地球化学研究表明,其具有高硅、富碱、低钛和铝、贫钙镁,富集大离子亲石元素Rb、Th、K及高场强元素Zr、Hf,强烈亏损Sr、Eu、P、Ti,中等亏损Ba、Nb、Ta等元素,104Ga/Al值及Zr+Nb+Ce+Y含量较高的特征,属碱性准铝质-弱过铝质A型花岗岩,为低压高温条件下长英质地壳物质部分熔融的产物。综合区域构造演化并结合前人认识可知,西准噶尔地区在晚石炭世—早二叠世仍处于俯冲体系,很可能与晚石炭世洋脊俯冲作用有关。
关键词: A型花岗岩    岩石成因    早二叠世早期    俯冲    西准噶尔    
Zircon U-Pb chronology, geochemistry of the Taergen granite in Western Junggar, Xinjiang, and their geological significance
ZHI Qian1, LI Yongjun1,2, WANG Ran1,2, DUAN Fenghao1, CHAO Wendi3, SHI Ge4     
1. School of Earth Science and Resources, Chang'an University, Xi'an 710054, Shaanxi, China;
2. Key Laboratory for the Study of Focused Magmatism and Giant Ore Deposits, MLR, Xi'an 710054, Shaanxi, China;
3. Northwest Bureau of China Metallurgical Geology, Xi'an 710119, Shaanxi, China;
4. College of Earth Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: There are large numbers of intermediate-acid intrusions distributed along the Darbut tectono-magmatic belt in Western Junggar, Xinjiang. It is of great significance to understand the regional magmatic evolution through their petrogenesis and emplacement periods. The formation time, petronenesis and tectonic setting of Taergen granites, located in the northern part of Mayile Mountain, are reported in this study through field observation, LA-ICP-MS zircon U-Pb dating and geochemical analysis. The Taergen granites are mainly composed of monzonitic granite and syenogranite, LA-ICP-MS zircon U-Pb dating of monzonitic granite yielded an age of 296.6±2.0Ma (n=27, MSWD=0.33), corresponding to early Early Permian. Petrogeochemical analysis indicates that Taergen granites are characterized by high silica, alkali, low titanium and aluminum, lean calcium and magnesium. They are also enriched in large ion lithophile elements (e. g. Rb, Th, K) and high strength field elements (e. g. Zr, Hf) and are strongly depleted in Sr, Eu, P, Ti and mediate depleted in Ba, Nb, Ta, with high 104Ga/Al ratios and Zr+Nb+Ce+Y contents. These features indicate that Taergen granites are metaluminous to weakly peraluminous alkaline series A-type granite, which were originated from the partial melting of felsic crust under high temperature and low pressure conditions. Combined with regional tectonic evolution and previous results, we suggest that the Western Junggar region was still in a subduction-dominated setting in the Late Carboniferous-Early Permian, and probably associated with the ridge subduction during Late Carboniferous period.
Key words: A-type granite    petrogenesis    early Early Permian    subduction    Western Junggar    

西准噶尔构造带分布大量中酸性侵入体,其侵位期次和成因类型对揭露区域构造演化具有十分重要的意义[1-6]。前人对区域内大多数岩体进行了详细的岩石地球化学和同位素年代学研究。从成岩时代看,以庙尔沟、阿克巴斯陶、铁厂沟、哈图等岩体为主的碱性系列大岩基的时代主要集中在308~296Ma,地球化学特征揭示其多为A型花岗岩[1, 7-14];而钙碱性系列的中酸性小岩体(如包古图、别鲁阿嘎希等), 其时代主要集中在310~320Ma,地球化学特征揭示其多具I型花岗岩特征[15-21],且部分小岩体在上升侵位过程中发生过强烈的壳幔岩浆混合作用[22-23],个别具有埃达克质岩石的地球化学特征[24-28]。目前对于该区花岗岩的构造环境有不同的认识,主要包括与俯冲有关的岛弧环境[2, 8, 15, 24, 29-30]和后碰撞伸展环境[1, 7, 3, 5, 31]。这些认识上的差异在很大程度上制约了对该区构造演化的深入探索。

位于托里县南玛依勒山麓的塔尔根岩体被托里断裂左行错断, 前人研究多局限于对断裂以东的(文中Ⅱ号岩体)岩体成岩时代的确定[1, 32],对其岩石成因类型及地球动力学背景、与区域岩浆活动的关系等未进行深入研究。鉴于此,本文通过详细的野外地质调查并结合锆石U-Pb年代学、岩石地球化学分析,阐明其成因类型和可能的地球动力学背景,以期为区域晚古生代岩浆活动、构造演化等研究提供基础资料。

1 区域地质概况

中亚造山带是世界上最大的增生型造山带之一(图 1-a)[36-37],也是全球显生宙大陆地壳生长最显著的地区[35, 38]。西准噶尔地区位于准噶尔盆地西北缘,是中亚造山带的重要组成部分[36, 39],也是构造背景复杂、岩浆活动极其频繁和强烈的地区[1-2, 4-6, 8, 40]。以谢米斯台断裂为界,西准噶尔可分为南、北两部分。北部主要以近EW向展布的古生代沉积-火山碎屑岩系及火山弧拼贴、碰撞为特征,南部广泛发育一系列NE—NNE向走滑断裂,沿主要断裂出露达尔布特、克拉玛依、巴尔雷克等多条蛇绿混杂岩带[41-43]和众多中酸性侵入体,岩体侵位时代多集中在晚石炭世—早二叠世(图 1-b)。已有地球化学资料显示,该区花岗岩为I-A型花岗岩,具有较高的正εNd值、极年轻的Nd、Hf模式年龄[7, 31, 44],与整个中亚造山带出露的花岗岩基本一致,且西准噶尔地区尚未有确凿的古老变质基底存在的报道,说明其可能主要由幔源新生物质组成[35, 45]

图 1 中亚造山带构造简图[35](a)、西准噶尔南部地质简图(b)(据参考文献[30]修改)及塔尔根岩体地质图(c) Fig.1 Simplified tectonic sketch of the Central Asian Orogenic Belt(a), regional geological map of the southern west Junggar, Xinjiang(b) and distribution map of the Taergen pluton in the west Junggar(c)

玛依勒山地区出露的地层主要为志留系—二叠系,以石炭系分布面积最广(图 1-b)。其中,志留系为一套深海相中基性火山熔岩、火山碎屑岩及细碎屑岩,夹硅质岩。泥盆系以库鲁木迪组和巴尔雷克组为主,为一套沉积火山岩建造,主要由凝灰质粉砂岩、凝灰质砂岩、凝灰质砂砾岩和凝灰岩组成。石炭系主要出露下石炭统包古图组和希贝库拉斯组。包古图组以细碎屑岩为主,主要岩性为灰色、黑色凝灰质粉砂岩、砂岩和沉凝灰岩,夹少量中、酸性火山岩和灰岩条带,为深水还原条件下的沉积。希贝库拉斯组主要为灰色、灰绿色砾岩、含砾砂岩和粗砂岩,整体为一套粗碎屑岩,代表了浅水高能环境下的产物。二叠系主要出露哈尔加乌组和卡拉岗组,其中哈尔加乌组为一套杏仁状安山岩、玄武岩夹中性凝灰岩、火山碎屑岩,卡拉岗组主要为英安斑岩、流纹岩、酸性凝灰岩及凝灰质角砾岩。

2 岩体地质及岩石学特征

塔尔根岩体位于托里县南玛依勒山麓塔尔根一带,被托里断裂后期左行错断,结合区域地质资料和遥感影像特征可知, 该岩体断距为8~ 10km(图 1-c)。断裂以西(文中Ⅰ号岩体)的岩体形态不规则,岩性主要为肉红色细中粒二长花岗岩和细中粒正长花岗岩,呈港湾状侵入于中泥盆统库鲁木迪组(D2k)火山碎屑岩及下二叠统哈尔加乌组(P1h)火山岩中;断裂以东(文中Ⅱ号岩体)岩体近NS向展布,长轴约12km,最宽处为3~ 4km,岩性主要为肉红色中粒正长花岗岩,侵入于下二叠统哈尔加乌组火山岩中。岩石学特征如下。

正长花岗岩:中粒结构,块状构造,主要由斜长石、石英、钾长石和少量黑云母及角闪石组成。其中斜长石呈自形-半自形板状,粒径0.3mm × 0.4mm~1.0mm×2.5mm,发育聚片双晶,含量50%~ 55%;石英多呈他形,粒径0.3~3.5mm,分布极不均匀,含量25%~30%;钾长石自形程度较好,粒径1.5~ 3.0mm,含量10%~15%;黑云母含量约3%,粒径0.2~ 1.5mm;角闪石多呈集合体产出,含量不足1% (图 2-a)。

图 2 塔尔根一带岩体岩石学及岩相学显微照片(正交偏光) Fig.2 Microphotographs of Taergen granite (Orthogonal polarized) a—正长花岗岩;b—二长花岗岩;Qtz—石英;Pl—斜长石;Kfs—钾长石;Am—角闪石;Bi—黑云母

二长花岗岩:细中粒结构,块状构造,主要由斜长石、钾长石、石英和少量角闪石、黑云母组成。其中斜长石呈自形-半自形板状,粒径0.2mm × 0.3mm~0.5mm×1.5mm,发育聚片双晶,可见泥化、绢云母化,含量35%;钾长石自形程度较好,粒径0.5~1.0mm,具条纹结构,为条纹长石,含量约30%;石英多呈他形粒状,粒径0.2~1.5mm,分布极不均匀,含量25%~30%;角闪石多呈集合体产出,部分呈短柱状,含量3%~5%;黑云母含量小于1%,粒径0.5~ 0.8mm(图 2-b)。

3 样品采集与分析方法

于塔尔根Ⅰ号岩体中采集1件新鲜样品用于LA-ICP-MS锆石U-Pb测年, 于塔尔根Ⅰ号和Ⅱ号岩体不同部位共采集12件未蚀变、有代表性的新鲜样品进行岩石地球化学分析。具体采样位置见图 1-c

用于LA-ICP-MS锆石U-Pb测年的样品采自塔尔根Ⅰ号岩体近中心部位正长花岗岩中(样品编号TEGRZ1-1)。采样点坐标为北纬45°43.230′、东经83°26.579′。锆石分选在廊坊诚信地质服务有限公司完成。锆石的激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)原位U-Pb定年在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。实验采用的ICP-MS为美国Agilent公司生产的Agilent 7500a,激光剥蚀系统为德国M-icroLas公司生产的GeoLas 200M,激光剥蚀束斑直径约30μm,剥蚀深度为20~40μm。锆石年龄采用标准锆石91500为外部标准物质。本次选择29Si为内标,采用Glitter(ver4.0, Macquarie University)对锆石的同位素比值及元素含量进行计算,最终的年龄计算及谐和图采用Isoplot(ver3.0)完成,详细的实验原理和流程及仪器参数参见文献[46]。

主量元素分析在长安大学国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室采用X射线荧光光谱法(XRF)完成,所用主要仪器为日本岛津顺序扫描LAB CENTER XRF-1800型波长色散X射线荧光光谱仪,分析误差优于1%。烧失量(LOI)在烘箱中经1000℃高温烘烤90min后称重获得。微量元素分析在中科院广州地球化学研究所同位素年代学和地球化学重点实验室,采用perkin-Elmer Sciex Elan 6000型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)完成。相关仪器工作条件和方法参见文献[47]。微量元素中含量大于10×10-6的样品分析误差优于5%(2σ),小于10×10-6的样品的分析误差优于10%(2σ), 所有稀土元素的分析误差优于5%(2σ)。

4 分析结果 4.1 锆石U-Pb年龄

本次获得的正长花岗岩(TEGRZ-1)中锆石大多为无色透明或浅黄色, 晶形发育较好, 多呈长柱状、正方双锥状自形-半自形晶体,长100~200μm,宽80~ 150μm,长宽比2.5:1~1:1。阴极发光图像(图 3)显示,绝大多数锆石均具有清晰的内部结构和典型的岩浆振荡环带及明暗相间的条带结构,属于岩浆结晶锆石,可以反映岩浆冷却结晶及岩体侵位的时代。

图 3 塔尔根岩体典型锆石阴极发光(CL)图像 Fig.3 Cathodoluminescence images of zircon gains of Taergen granite

锆石U-Pb测试分析结果列于表 1。从表 1可以看出, 样品的Th含量为18.1×10-6~82.6×10-6,U含量为45.0 ×10-6~174 ×10-6,Th/U值较高(0.34~ 0.62),并呈现良好的正相关(图 4-a),指示锆石属典型的岩浆成因。27个测点的207Pb/206Pb值非常接近(0.05181~0.05355),表明该批锆石为同期岩浆成因锆石。本次获得的所有测试点年龄值较集中,206Pb/ 238U年龄加权平均值为296.6 ± 2.0Ma(n=27, MSWD=0.33,95%置信度;图 4),时代为早二叠世早期,即塔尔根Ⅰ号岩体形成于早二叠世早期。

图 4 塔尔根岩体锆石U-Pb谐和图(a)和年龄直方图(b) Fig.4 Concordia plots of zircon U-Pb dating results (a) and age histogram (b) of Taergen granite
表 1 塔尔根Ⅰ号岩体LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb分析结果 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb isotopic analysis of Taergen granite
4.2 岩石化学组成

塔尔根一带岩体岩石地球化学分析结果及有关参数列于表 2

表 2 塔尔根岩体主量、微量及稀土元素分析结果 Table 2 Major, trace elements and REE contents of Taergen granite

表 2可以看出, 塔尔根Ⅰ号岩体样品主量元素具有较高的SiO2(73.73%~76.13%)、Al2O3(12.80%~ 13.87%)和K2O(4.11% ~4.89%)含量,以及较低的MgO(0.19% ~0.36%)、CaO(0.22% ~0.48%)和TiO2(0.24%~0.30%)含量,富碱且相对富钾(K2O+Na2O= 8.29%~9.70%,K2O/Na2O=0.94~1.22)。在R1-R2图解(图 5-a)中,样品点全部落入正长花岗岩区域;在AR-SiO2图解中,样品点全部位于碱性区域(图 5-b);铝饱和度指数A/CNK=0.96~1.11(仅1个样品大于1.10),A/NK=1.00~1.20, 属于准铝质-弱过铝质系列(图 5-c),与样品CIPW标准矿物计算出现少量刚玉分子(0.48%~1.36%, 平均0.77%)一致,而明显有别于S型花岗岩强烈富铝(A/CNK>1.10)的特征[49]

图 5 塔尔根岩体主量元素相关图解 Fig.5 Major elements related diagrams for Taergen granite

塔尔根Ⅱ号岩体正长花岗岩的SiO2含量为74.75%~75.29%, Al2O3含量为12.88%~13.31%,K2O含量为4.53%~4.96%, MgO、CaO和TiO2含量较低,分别为0.06%~0.43%、0.28%~0.67%、0.20%~0.32%。岩石富碱且相对富钾(K2O+Na2O=8.23%~9.10%,K2O/Na2O=1.17~1.26)。在R1-R2图解(图 5-a)中,样品点大多落入正长花岗岩及碱性花岗岩向正长花岗岩过渡区域;AR-SiO2图解中,样品点均落入碱性区域(图 5-b);铝饱和度指数A/CNK=0.99~ 1.13(仅1个样品大于1.10),A/NK=1.08~1.20,属于准铝质-弱过铝质系列(图 5-c),与样品CIPW标准矿物计算出现少量刚玉分子(0.33%~1.60%,平均0.66%)一致,同样有别于S型花岗岩强烈富铝(A/CNK>1.10)的特征[49]

塔尔根Ⅰ号和Ⅱ号岩体岩石均富铁、贫镁, TFeO/MgO值分别为5.55~9.94(平均8.74)、5.08~ 27.74(平均14.82),均在铝质A型花岗岩TFeO/MgO值变化范围内(4.16~35.2)[50], 远高于I型(平均2.27)、S型(平均2.38)及M型(平均2.37)花岗岩[51]。TFeO/ (TFeO+MgO)值分别为0.85~0.91和0.84~0.97,在SiO2-TFeO/(TFeO+MgO)图解中(图 5-d),所有样品点均落入铁质区域。在Harker图解(图 6)上, TiO2、Al2O3、MgO、TFe2O3、CaO、Na2O、P2O5含量随着SiO2含量的增加而降低,呈较好的负线性关系,K2O含量则与SiO2含量呈弱的正相关,表明在岩浆演化过程中, 铁镁矿物、斜长石、磷灰石等的分离结晶可能起到了重要作用。

图 6 塔尔根岩体主量元素哈克图解 Fig.6 Hark diagrams of major elements for the Taergen granite
4.3 地球化学特征

图 7可以看出,塔尔根Ⅰ号和Ⅱ号岩体稀土元素球粒陨石标准化配分曲线及原始地幔标准化微量元素蛛网图中各元素变化趋势一致,稀土元素配分曲线均表现为典型的右倾“海鸥型”(图 7-a),轻稀土元素中等富集, 重稀土元素相对亏损;稀土元素总量均较低且变化范围较小,分别为117.97×10-6~ 183.70 ×10-6(平均145.32 ×10-6)和136.64 ×10-6~ 212.62×10-6(平均171.38×10-6);轻、重稀土元素分馏较明显,(La/Yb)N值分别为2.75~4.40和0.89~3.82;均具有明显的负Eu异常,δEu值分别为0.22~0.40(平均0.27)和0.15~0.32(平均0.19),暗示岩石经历了斜长石的分离结晶作用或源区残留有大量的斜长石。

图 7 塔尔根岩体稀土元素配分曲线图(a)和微量元素蛛网图(b)(标准化值据参考文献[48]) Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns plot (a) and primitive mantle-normalized trace element spider plot (b) for Taergen granite

微量元素蛛网图显示,塔尔根Ⅰ号和Ⅱ号岩体均富集大离子亲石元素Rb、Th、K及高场强元素Zr、Hf等, 强烈亏损Sr、P、Ti, 中等亏损Ba、Nb、Ta等元素(图 7-b)。

5 讨论 5.1 岩石类型

本次研究的塔尔根Ⅰ号和Ⅱ号岩体均具有高硅、富碱、低钛和铝、贫钙镁的特征,为准铝质-弱过铝质岩石,其TFeO/MgO值较高(分别为5.55~9.94、5.09~27.75),与A型花岗岩高铁镁值特征吻合[51];稀土元素配分曲线均表现为典型的右倾“海鸥型”,富集大离子亲石元素Rb、Th、K及高场强元素Zr、Hf等, 强烈亏损Sr、Eu、P、Ti, 中等亏损Ba、Nb、Ta等元素,具有较高的104Ga/Al值(分别为2.49~2.91,2.61~3.76;仅1个样品小于2.6)和Zr+Nb+Ce+Y含量(分别为381.42×10-6~496.62×10-6、365.67×10-6~ 625.41×10-6,均大于350×10-6),主量及微量元素均符合A型花岗岩特征。

塔尔根Ⅰ号和Ⅱ号岩体岩石分异指数(DI)分别为75.68~94.82(仅1个样品小于90)和92.05~95.93,表明岩浆演化较彻底,而高分异I型、S型花岗岩与A型花岗岩在地球化学特征和矿物组成上极相似,因此需要对其加以区分。相比而言,高分异S型花岗岩因具有更高的P2O5含量(平均为0.14%),低的Na2O含量(平均为2.81%),且P2O5含量随分异程度的增加而增多的特点[52],可以较好地与A型花岗岩进行区分。王强等[53]通过对桐柏-大别造山带燕山晚期A型花岗岩的研究发现,高分异的I型花岗岩较A型花岗岩,具有较低的全铁含量(大多数小于1.00%)和较高的Rb含量(绝大多数大于270×10-6)。塔尔根Ⅰ号和Ⅱ号岩体均具有低的P2O5含量(分别为0.03%~0.06%和0.02%~0.06%)和较高的Na2O含量(分别为3.74%~4.99%和3.65%~4.16%),且随着分异作用的进行,P2O5含量变化不明显,未出现递增趋势,也未见S型花岗岩富铝特征矿物出现,区别于高分异S型花岗岩。此外,Ⅰ号和Ⅱ号岩体中较高的全铁含量(分别为2.06%~2.36%和1.87%~2.46%)和低的Rb含量(分别为84.69 ×10-6~114.40 ×10-6和91.73×10-6~135.10×10-6),明显有别于高分异I型花岗岩。这也与Whalen等[51]提出的花岗岩岩石类型判别图解(图 8-a~c)中,Ⅰ号和Ⅱ号岩体所有样品点均投影于A型花岗岩区域的结果吻合。在Y/ Nb-Ce/Nb图解(图 8-d)中,所有样品点均落入A2型花岗岩区域。综上所述,塔尔根Ⅰ号和Ⅱ号岩体不仅与一般的I、S型花岗岩有明显差别,与分异作用完全的I、S型长英质花岗岩也能很好地区分,应归属A型花岗岩范畴。

图 8 塔尔根岩体岩石类型判别图解(a~c据参考文献[51]; d据参考文献[54]) Fig.8 The rock type discrimination diagrams for Taergen granite A—A型花岗岩类;I & S—I型和S型花岗岩类;FG—分异的长英质I型和S型花岗岩类;OGT—未分异的I,S和M型花岗岩类;OIB—洋岛玄武岩;IAB—岛弧玄武岩
5.2 岩浆源区与岩石成因

Frost等[55]通过总结前人研究成果,认为A型花岗岩可归纳为3种不同的成因:①长英质地壳的部分熔融;②玄武质岩浆的分异;③玄武质岩浆同化地壳物质并发生分异。西准噶尔地区并未出现与花岗岩时空关系密切且大面积分布的基性-超基性岩[7],因此其直接来源于碱性玄武质岩浆高度结晶分异的可能性不大。塔尔根Ⅰ号和Ⅱ号岩体所有样品的钾含量较高,相对富集大离子亲石元素和轻稀土元素, 亏损高场强元素;从微量元素特征看,岩体Nb/Ta值分别为11.51~14.00(平均12.68)和11.66~14.42(平均12.85),明显不同于幔源岩石(约17.5)[56],而与陆壳岩石Nb/Ta值(约11)[57]非常接近。Rb/Sr值分别为0.59~2.37(平均1.77)和0.89~5.47(平均3.24)、Rb/Nb值分别为11.07~13.10(平均11.79)和8.92~14.83(平均11.80),远高于全球上地壳平均值(0.32和4.5) [58],暗示其岩浆源区主要为壳源岩浆。此外,岩体HREE分布均较平缓,MREE较HREE略亏损(图 7-a),表明岩浆源区可能有角闪石残留,但不含石榴子石[59]。低Sr含量(均值分别为69.22和62.54)和明显的负Eu异常(表 2图 7),表明源区可能有斜长石残留, 暗示岩浆形成于浅部低压地区[60]

研究表明,A型花岗岩相对于S型和I型花岗岩,通常具有更高的成岩温度[50]。锆石饱和温度计算法是利用岩浆早期的结晶温度近似代表岩浆形成时的温度, 主要是根据Zr元素含量和主量元素含量来计算花岗质熔体锆石饱和温度的方法,计算公式为:TZr(℃) ={12900/[ln(496000/Zrmelt + 0.85M + 2.95]}-273[61]。式中Zrmelt为熔体中Zr的含量,可用全岩中Zr的含量近似代表熔体中Zr的含量,但该计算公式并不适用于过碱质岩石。塔尔根Ⅰ号和Ⅱ号岩体均为准铝质-弱过铝质岩石,两岩体全岩样品采用上述方法计算得出的锆石饱和温度分别为844~879℃和840~891℃(表 2),表明其形成于高温环境,符合A型花岗岩特征[51]。综合分析可知,塔尔根Ⅰ号和Ⅱ号岩体应源自低压高温条件下长英质地壳物质的部分熔融。

5.3 构造背景

西准噶尔地区晚古生代岩浆活动强烈,火山岩和侵入岩分布广泛,峰期主要为晚石炭世—早二叠世[1, 3, 8]。目前,对于西准噶尔地区晚石炭世的构造背景仍存在着激烈的争论。如前所述, 有学者认为,西准噶尔地区在晚石炭世晚期已进入后碰撞伸展阶段,且一直持续到早二叠世[1, 3, 31, 57];部分学者认为,西准噶尔地区在晚石炭世晚期仍处于俯冲消减背景[2, 8, 26, 29-30, 62-63]。然而,晚石炭世—早二叠世后碰撞伸展模式并没有得到下列地质证据支持:李菊英等[64]、晋慧娟等[65]通过对晚石炭世浊积岩和化石的研究,认为西准噶尔地区在该时期为深海相环境;古地磁研究同样表明,位于准噶尔岛弧和伊犁板块之间的准噶尔洋在晚石炭世仍然存在[66]。此外,系统的区域大地构造研究也显示,新疆北部地区直到晚石炭世—二叠纪早期仍具有活动陆缘特征[2]。上述证据表明,西准噶尔地区在晚石炭世可能仍处于俯冲背景,不可能是后碰撞伸展体制。本文也支持该观点。

西准噶尔南部地区出露的大多数中酸性侵入体已有大量的岩石地球化学和同位素年代学数据积累。系统整理前人资料可知,侵位于319~310Ma的中酸性小岩体岩性以花岗闪长岩、(石英)闪长岩类为主,地球化学特征显示其多为(高钾)钙碱性系列I型花岗岩;而侵位于308~296Ma、以正长花岗岩、二长花岗岩及碱长花岗岩类为主的大岩基,地球化学特征揭示其多为碱性系列A型花岗岩,表明区域晚石炭世—早二叠世可能存在性质不同的2期岩浆活动。在花岗岩微量元素判别图解(图 9)中,侵位于319~310Ma的中酸性小岩体样品点均落入火山弧花岗岩区,而侵位于308~296Ma的花岗岩基样品点部分落入火山弧花岗岩区,部分落入板内花岗岩过渡区域,可能代表区域岛弧俯冲挤压体制向后碰撞伸展体制的转换。然而,2期岩浆活动间隔时间过短(< 5Ma),在这么短的时间里发生区域构造体制的突变,可能性不大,这也进一步佐证西准噶尔地区在晚石炭世—早二叠世仍为俯冲体系的观点。

图 9 西准噶尔南部地区中酸性侵入体构造环境判别图解[67] Fig.9 Tectonic setting discriminiation diagrams for intermediate-acidic intrusions in southern west Junggar (①中数据据参考文献[12, 15-17, 19-21, 24-25, 28-29, 40]及部分未发表数据; ②中数据据参考文献[8-9, 12-14, 30-31]及部分未发表数据)

晚石炭世—早二叠世,西准噶尔地区出露埃达克岩(316~311Ma)[24-28]、赞岐质高镁安山岩(321~ 291Ma)[44, 62-63, 68-69]、紫苏花岗岩[8]等代表高温和拉张环境的特殊岩石组合。本次研究获得的塔尔根岩体年龄为296.6±2.0Ma,时代属早二叠世早期,与前人获得的西准噶尔A型花岗岩体年龄(约300Ma)在误差范围内一致,同时略晚于区域内小岩体(指岩性以石英闪长岩、花岗闪长岩类为主的钙碱性I型花岗岩类)的成岩时代(310~320Ma;图 1)。岩石地球化学特征表明,塔尔根一带岩体均具有A型花岗岩特征,来源于长英质地壳的部分熔融,且其源区残留斜长石,表明其形成时的深度不会大于30km,而该类花岗岩高温的特征必然要求其形成时具有很高的地热梯度[70]。为了合理解释上述特殊岩石组合,有学者提出了洋脊俯冲模式[8, 40, 44, 71]。晚石炭世早期,准噶尔洋继续自南向北深俯冲,当洋中脊抵达俯冲区域后,两者相互作用,正常的俯冲作用停止,“板片窗”随之打开,促使热的软流圈地幔上涌,形成埃达克岩、紫苏花岗岩、赞岐质高镁安山岩、A型花岗岩等代表高温环境的岩石组合。

6 结论

(1)LA-ICP-MS锆石U-Pb测年获得塔尔根岩体年龄为296.6±2.0Ma,时代为早二叠世早期。

(2)岩石地球化学研究表明,塔尔根一带岩体均具有高硅、富碱,低钛和铝、贫钙和镁,富集大离子亲石元素Rb、Th、K及高场强元素Zr、Hf,强烈亏损Sr、Eu、P、Ti,中等亏损Ba、Nb、Ta等元素,104Ga/Al值及Zr+Nb+Ce+Y含量较高的特征,属A型花岗岩,为低压高温条件下长英质地壳物质部分熔融的产物。

(3)综合区域地质资料及构造演化并结合前人认识可知,西准噶尔地区在晚石炭世—早二叠世仍处于俯冲体系,可能与西准噶尔地区晚石炭世的洋脊俯冲作用有关。

致谢: 实验测试分析得到长安大学王柱命老师和中国科学院广州地球化学研究所孙胜玲研究员的热情帮助;审稿专家对本文提出了许多宝贵的意见,在此一并致谢。

参考文献
[1] 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.
[2] Xiao W J, Han C M, Yuan C, et al. Middle Cambrian to Permian subduction-related accretionary orogenesis of Northern Xinjiang, NW China:implications for the tectonic evolution of central Asia[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2008, 32(2): 102–117.
[3] 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.
[4] 尹继元, 袁超, 王毓婧, 等. 新疆西准噶尔晚古生代大地构造演化的岩浆活动记录[J]. 大地构造与成矿学, 2011, 35(2): 278–291.
[5] 高睿, 肖龙, 王国灿, 等. 西准噶尔晚古生代岩浆活动和构造背景[J]. 岩石学报, 2013, 29(10): 3413–3434.
[6] Chen J F, Han B F, Zhang L, et al. Middle Paleozoic initial amalgamation and crustal growth in the West Junggar(NW China):Constraints from geochronology, geochemistry and Sr-Nd-Hf-Os isotopes of calc-alkaline and alkaline intrusions in the Xiemisitai-Saier Mountains[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2015, 113: 90–109. DOI:10.1016/j.jseaes.2014.11.028.
[7] 苏玉平, 唐红峰, 侯广顺, 等. 新疆西准噶尔达拉布特构造带铝质A型花岗岩的地球化学研究[J]. 地球化学, 2006, 35(1): 55–67.
[8] Geng H Y, Sun M, Yuan C, et al. Geochemical, Sr-Nd and zircon U-Pb-Hf isotopic studies of Late Carboniferous magmatism in the West Junggar, Xinjiang:Implications for ridge subduction?[J]. Chemical Geology, 2009, 266(3/4): 364–389.
[9] 庞振甲, 李永军, 赵玉梅, 等. 西准阿克巴斯陶铝质A型花岗岩厘定及意义[J]. 新疆地质, 2010, 28(2): 119–124.
[10] 魏荣珠. 新疆西准噶尔拉巴花岗岩地球化学特征及年代学研究[J]. 岩石矿物学杂志, 2010, 29(6): 663–674.
[11] 冯乾文, 李锦轶, 刘建峰, 等. 新疆西准噶尔红山岩体及其中闪长质岩墙的时代:来自锆石LA-ICP-MS定年的证据[J]. 岩石学报, 2012, 28(9): 2935–2949.
[12] Gao R, Xiao L, Pirajno F, et al. Carboniferous-Permian extensive magmatism in the West Junggar, Xinjiang, northwestern China:Its geochemistry, geochronology, and petrogenesis[J]. Lithos, 2014, 204: 125–143. DOI:10.1016/j.lithos.2014.05.028.
[13] 胡洋, 王居里, 王建其, 等. 新疆西准噶尔庙尔沟岩体的地球化学及年代学研究[J]. 岩石学报, 2015, 31(2): 505–522.
[14] 姜芸, 肖龙, 周佩, 等. 新疆西准噶尔红山岩体地质地球化学特征及对下地壳性质的启示[J]. 地球科学——中国地质大学学报, 2015, 40(7): 1129–1147.
[15] 高山林, 何治亮, 周祖翼. 西准噶尔克拉玛依花岗岩体地球化学特征及其意义[J]. 新疆地质, 2006, 24(2): 125–130.
[16] 贺敬博, 陈斌. 西准噶尔克拉玛依岩体的成因:年代学、岩石学和地球化学证据[J]. 地学前缘, 2011, 18(2): 191–211.
[17] 魏少妮, 朱永峰. 新疆西准噶尔包古图地区中酸性侵入体的岩石学、年代学和地球化学研究[J]. 岩石学报, 2015, 31(1): 143–160.
[18] Shen P, Shen Y C, Pan H D, et al. Geochronology and isotope geochemistry of the Baogutu porphyry copper deposit in the West Junggar region, Xinjiang, China[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2012, 49: 99–115. DOI:10.1016/j.jseaes.2011.11.025.
[19] 杨钢, 肖龙, 王国灿, 等. 西准噶尔别鲁阿嘎希花岗闪长岩年代学、地球化学特征及岩石成因[J]. 地球科学——中国地质大学学报, 2015, 40(5): 810–823.
[20] Cao M J, Qin K Z, Li G M, et al. Genesis of ilmenite-series I-type granitoids at the Baogutu reduced porphyry Cu deposit, western Junggar, NW China[J]. Lithos, 2016, 246: 13–30.
[21] 段丰浩, 支倩, 李永军, 等. 新疆西准噶尔库什库都克岩体地质时代、地球化学及岩石成因[J]. 地质科学, 2017, 52(2): 506–525. DOI:10.12017/dzkx.2017.034.
[22] 康磊, 李永军, 张兵, 等. 新疆西准噶尔夏尔莆岩体岩浆混合的岩相学证据[J]. 岩石矿物学杂志, 2009, 28(5): 423–432.
[23] 晁文迪, 李永军, 王冉, 等. 西准噶尔托里县布尔克斯台岩体岩浆混合成因的确认及其地质意义[J]. 西北地质, 2015, 48(3): 149–156.
[24] 张连昌, 万博, 焦学军, 等. 西准包古图含铜斑岩的埃达克岩特征及其地质意义[J]. 中国地质, 2006, 33(3): 626–631.
[25] Shen P, Shen Y C, Liu T B, et al. Geochemical signature of porphyries in the Baogutu porphyry copper belt, western Junggar, NW China[J]. Gondwana Research, 2009, 16(2): 227–242. DOI:10.1016/j.gr.2009.04.004.
[26] 唐功建, 王强, 赵振华, 等. 西准噶尔包古图成矿斑岩年代学与地球化学:岩石成因与构造、铜金成矿意义[J]. 地球科学-中国地质大学学报, 2009, 34(1): 56–74.
[27] 段丰浩, 李永军, 王冉, 等. 西准噶尔托里县都伦河东岩体埃达克岩特征及其地质意义[J]. 矿物岩石, 2015, 35(4): 8–16.
[28] 尹继元, 陈文, 肖文交, 等. 西准噶尔包古图Ⅰ号岩体的锆石UPb年代学和地球化学特征[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2016, 46(6): 1754–1768.
[29] Shen P, Pan H D. Country-rock contamination of magmas associated with the Baogutu porphyry Cu deposit, Xinjiang, China[J]. Lithos, 2013, 177: 451–469. DOI:10.1016/j.lithos.2013.07.019.
[30] Yang G X, Li Y J, Yan J, et al. Geochronological and geochemical constraints on the origin of the 304±5 Ma Karamay A-type granites from West Junggar, Northwest China:Implications for understanding the Central Asian Orogenic Belt[J]. International Geology Review, 2014, 56(4): 393–407. DOI:10.1080/00206814.2013.847608.
[31] Chen B, Arakawa Y. Elemental and Nd-Sr isotopic geochemistry of granitoids from the West Junggar foldbelt (NW China), with implications for Phanerozoic continental growth[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2005, 69(5): 1307–1320. DOI:10.1016/j.gca.2004.09.019.
[32] 宋彪, 李锦轶, 张进, 等. 西准噶尔托里地区塔尔根二长花岗岩锆石U-Pb年龄——托里断裂左行走滑运动开始的时间约束[J]. 地质通报, 2011, 30(1): 19–25.
[33] 晁文迪, 李永军, 王冉, 等. 西准噶尔托里县布尔克斯台岩体岩浆混合的锆石U-Pb年代学证据[J]. 矿物岩石地球化学通报, 2016, 35(1): 99–108.
[34] 申萍, 沈远超, 潘成泽, 等. 新疆哈图-包古图金铜矿集区锆石年龄及成矿特点[J]. 岩石学报, 2010, 26(10): 2879–2893.
[35] Jahn B M, Windley B, Natal'in B, et al. Phanerozoic continental growth in Central Asia[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2004, 23: 599–603. DOI:10.1016/S1367-9120(03)00124-X.
[36] Şengör 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: 209–304.
[37] 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: 31–47. DOI:10.1144/0016-76492006-022.
[38] Xiao W J, Santosh M. The western Central Asian Orogenic Belt:A window to accretionary orogenesis an continental growth[J]. Gondwana Research, 2014, 25: 1429–1444. DOI:10.1016/j.gr.2014.01.008.
[39] 李锦轶, 何国琦, 徐新, 等. 新疆北部及邻区地壳构造格架及其形成过程的初步探讨[J]. 地质学报, 2006, 80(1): 148–168.
[40] Tang G J, Wang Q, Wyman D A, et al. Ridge subduction and crustal growth in the Central Asian Orogenic Belt:Evidence from Late Carboniferous adakites and high-Mg diorites in the western Junggar region, northern Xinjiang (West China)[J]. Chemical Geology, 2010, 277(3): 281–300.
[41] 辜平阳, 李永军, 张兵, 等. 西准达尔布特蛇绿岩中辉长岩LAICP-MS锆石U-Pb测年[J]. 岩石学报, 2009, 25(2): 1364–1372.
[42] Yang G X, Li Y J, Xiao W J, et al. OIB-type rocks within West Junggar ophiolitic mélanges:Evidence for the accretion of seamounts[J]. Earth-Science Reviews, 2015, 150: 477–496. DOI:10.1016/j.earscirev.2015.09.002.
[43] Zhu Y F, Chen B, Qiu T. Geology and geochemistry of the Baijiantan-Baikouquan ophiolitic mélanges:Implications for geological evolution of west Junggar, Xinjiang, NW China[J]. Geological Magazine, 2015, 152: 41–69. DOI:10.1017/S0016756814000168.
[44] Tang G J, Wang Q, Wyman D A, et al. Late Carboniferous high εNd(t)-εHf(t) granitoids, enclaves and dikes in western Junggar, NW China:Ridge-subduction-related magmatism and crustal growth[J]. Lithos, 2012, 140/141(5): 86–102.
[45] Chen B, Jahn B. Genesis of post-collisional granitoids and basement nature of the Junggar Terrane, NW China:Nd-Sr isotope and trace element evidence[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2004, 23(5): 691–703. DOI:10.1016/S1367-9120(03)00118-4.
[46] Yuan H L, Gao S, Dai M N, et al. Simultaneous determinations of U-Pb age, Hf isotopes and trace element compositions of zircon by excimer laser-ablation quadrupole and multiple-collector ICPMS[J]. Chemical Geology, 2008, 247(1/2): 100–18.
[47] 李献华, 刘颖, 涂湘林, 等. 硅酸盐岩石化学组成的ICP-AES和ICP-MS准确测定:酸溶与碱溶分解样品方法的对比[J]. 地球化学, 2002, 31(3): 289–294.
[48] Sun S S, Mcdonough W F. Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts:Implications for mantle composition and processes[J]. Geological Society, London, Special Publications, 1989, 42(1): 313–345. DOI:10.1144/GSL.SP.1989.042.01.19.
[49] Chappell B W, White A J R. Two contrasting granite types[J]. Pacific Geology, 1974, 8(2): 173–174.
[50] King P L, White A J R, Chappell B W, et al. Characterization and origin of aluminous A-type granites from the Lachlan Fold Belt, southeastern Australia[J]. Journal of Petrology, 1997, 38(3): 371–391. DOI:10.1093/petroj/38.3.371.
[51] 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.
[52] Chappell B W, White A J R. I-and S-type granites in the Lachlan Fold Belt[J]. Transactions of the Royal Society of Edinburgh:Earth Sciences, 1992, 83(1/2): 1–26.
[53] 王强, 赵振华, 熊小林. 桐柏-大别造山带燕山晚期A型花岗岩的厘定[J]. 岩石矿物学杂志, 2000, 19(4): 297–306.
[54] Eby G N. Chemical subdivision of the A-type granitoids:Petrogenetic and tectonic implications[J]. Geology, 1992, 20(7): 641–644. DOI:10.1130/0091-7613(1992)020<0641:CSOTAT>2.3.CO;2.
[55] Frost C D, Frost B R. On ferroan (A-type) granitoids:Their compositional variability and modes of origin[J]. Journal of Petrology, 2011, 52(1): 39–53. DOI:10.1093/petrology/egq070.
[56] Hofmann A W. Chemical differentiation of the Earth:The relationship between mantle, continental crust, and oceanic crust[J]. Earth and Planetary Science Letters, 1988, 90(3): 297–314. DOI:10.1016/0012-821X(88)90132-X.
[57] Green T H. Significance of Nb/Ta as an indicator of geochemical processes in the crust-mantle system[J]. Chemical Gelolgy, 1995, 120(3/4): 347–359.
[58] Taylor S R, McLennan S M. The Continental Crust:Its Composition and Evolution[M]. Blackwell Scientific Publication, 1985: 57-72.
[59] Green T H. Experimental studies of trace-element partitioning applicable to igneous petrogenesis-Sedona 16 years later[J]. Chemical Geology, 1994, 117(1/4): 1–36.
[60] Rapp R P, Watson E B. Dehydration melting of metabasalt at 8~32 kbar:Implications for continental growth and crust-mantle recy-cling[J]. Journal of Petrology, 1995, 36: 891–931. DOI:10.1093/petrology/36.4.891.
[61] Watson E B, Harrison T M. Zircon saturation revisited:temperature and composition effects in a variety of crustal magma types[J]. Earth and Planetary Science Letters, 1983, 64(2): 295–304. DOI:10.1016/0012-821X(83)90211-X.
[62] Yin J Y, Yuan C, Sun M, et al. Late Carboniferous high-Mg dioritic dikes in western Junggar, NW China:Geochemical features, petrogenesis and tectonic implications[J]. Gondwana Research, 2010, 17(1): 145–152. DOI:10.1016/j.gr.2009.05.011.
[63] Ma C, Xiao W J, Windley B F, et al. Tracing a subducted ridgetransform system in a late Carboniferous accretionary prism of the southern Altaids:Orthogonal sanukitoid dyke swarms in western Junggar, NW China[J]. Lithos, 2012, 140/141(3): 152–165.
[64] 李菊英, 晋慧娟. 新疆准噶尔盆地西北缘石炭纪浊积岩系中遗迹化石的发现及其意义[J]. 地质科学, 1989, 24(1): 9–15.
[65] 晋慧娟, 李育慈. 准噶尔盆地西北缘石炭纪生物成因的沉积构造研究[J]. 科学通报, 1998, 43(17): 1888–1891. DOI:10.3321/j.issn:0023-074X.1998.17.024.
[66] Wang B, Chen Y, Zhang S, et al. Primary Carboniferous and Permian paleomagnetic results from the Yili Block (NW China) and their implications on the geodynamic evolution of Chinese Tianshan Belt[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2007, 263(3/4): 288–308.
[67] Pearce J A, Harris N B W, Tindle A G. Trace element discrimination diagrams for the tectonic interpretation of granitic rocks[J]. Journal of Petrology, 1984, 25(4): 956–983. DOI:10.1093/petrology/25.4.956.
[68] Yin J Y, Chen W, Xiao W J, et al. Petrogenesis of Early-Permian sanukitoids from West Junggar, northwest China:Implications for later Paleozoic crustal growth in central Asia[J]. Tectonophysics, 2015, 662: 385–397. DOI:10.1016/j.tecto.2015.01.005.
[69] Li G Y, Li Y J, Wang X C, et al. Identifying late Carboniferous sanukitoids in Hala'alate mountain, Northwest China:New constraint on the closing time of remnant ocean basin in West Junggar[J]. International Geology Review, 2017, 59(9): 1116–1130.
[70] 吴福元, 李献华, 杨进辉, 等. 花岗岩成因研究的若干问题[J]. 岩石学报, 2007, 23(6): 1217–1238.
[71] Yin J Y, Long X P, Yuan C, et al. A late Carboniferous slab window:Geochronological and geochemical evidence from mafic to intermediate dykes in West Junggar, NW China[J]. Lithos, 2013, 175(176): 146–162.