地质通报  2019, Vol. 38 Issue (5): 777-789  
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王伟, 孟勇, 王凯, 宿晓虹, 余吉远, 吕舜, 郭周平, 全守村. 新疆东天山旱草湖环状岩体锆石U-Pb年龄、地球化学特征及成因[J]. 地质通报, 2019, 38(5): 777-789.
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Wang W, Meng Y, Wang K, Su X H, Yu J Y, Lü S, Guo Z P, Quan S C. Zircon U-Pb ages, geochemical characteristics and petrogenesis of ringed pluton in the Hancaohu area, eastern Tianshan Mountains of Xinjiang[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(5): 777-789.
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基金项目

中国地质调查局项目《中国大地构造演化和国际亚洲大地构造图编制》(编号:DD20190364)和《新疆东天山1:25万沁城幅区调(修测)》(编号:1212011120473)

作者简介

王伟(1979-), 男, 博士, 高级工程师, 从事地质调查与区域成矿研究。E-mail:26064166@qq.com

通讯作者

孟勇(1979-), 男, 硕士, 高级工程师, 从事区域地质调查工作。E-mail:16392800@qq.com

文章历史

收稿日期: 2017-06-05
修订日期: 2017-07-18
新疆东天山旱草湖环状岩体锆石U-Pb年龄、地球化学特征及成因
王伟1,2 , 孟勇2 , 王凯2 , 宿晓虹2 , 余吉远2 , 吕舜2 , 郭周平2 , 全守村2     
1. 自然资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室/中国地质调查局西安地质调查中心, 陕西 西安 710054;
2. 长安大学, 陕西 西安 710064
摘要: 以新疆东天山旱草湖地区中酸性环状岩体为研究对象,进行LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄和全岩地球化学研究,探讨其成因和地质意义。结果表明,侵入英云闪长岩的最老年龄为275.0±2.9Ma(MSWD=4.8),侵位时代为二叠纪。岩体Al2O3含量为14.46%~17.05%,A/CNK为0.93~1.09,属准铝质和弱过铝质系列,较富集K2O,MgO含量较低,为0.71%~2.84%,Mg#值为33.3~48.6。微量元素高Sr、低Y,Sr含量为217×10-6~740×10-6,Y含量为4.26×10-6~21.4×10-6,Sr/Y值为16.87~145.07,富集大离子亲石元素Rb、Sr、Ba,亏损高场强元素Nb、Ta、Ti。稀土元素配分模式图呈现平坦右倾的轻稀土元素富集、重稀土元素亏损,表明岩体来源于石榴子石和金红石较稳定而斜长石不稳定的区域,属于角闪岩相向榴辉岩相过渡阶段,可能是同时期底侵的产物。地球化学特征表明岩体不是一期岩浆事件结晶分离演化的结果,不同岩性的岩体之间没有发生结晶分离。部分熔融程度和新生幔源组分的不同导致了旱草湖环状花岗质岩体的形成,二叠纪旱草湖地区存在较强烈的中酸性岩浆活动,是东天山二叠纪构造-岩浆演化的响应。
关键词: 新疆    东天山    旱草湖    中酸性环状岩体    锆石U-Pb年龄    地球化学    
Zircon U-Pb ages, geochemical characteristics and petrogenesis of ringed pluton in the Hancaohu area, eastern Tianshan Mountains of Xinjiang
WANG Wei1,2, MENG Yong2, WANG Kai2, SU Xiaohong2, YU Jiyuan2, LÜ Shun2, GUO Zhouping2, QUAN Shoucun2     
1. Key Laboratory for the Study of Focused Magmatism and Giant ore Deposits, MNR/Xi'an Center of Geological Survey, CGS, Xi'an 710054, Shaanxi, China;
2. Chang'an University, Xi'an 710064, Shaanxi, China
Abstract: Choosing the Hancaohu intermediate-acid annular pluton distributed in East Tianshan Mountains of Xinjiang as the study object, the authors used LA-ICP-MS zircon U-Pb isotope chronology and geochemical characteristics to study the petrogenesis and geological significance of the pluton. The results indicate that the age of the earliest intrusive tonalite pluton is 275.0 ±2.9Ma (MSWD=4.8), suggesting that its emplacement epoch is Permian. The Al2O3 of the ringed pluton is 14.46%~17.05%, and A/CNK is 0.93~1.09, suggesting metaluminous and weak peraluminous series. The rocks are enriched in K2O, and their MgO content is 0.71%~2.84% and Mg# value is 33.3~48.6. Their trace elements are high in Sr and low in Y, the content of Sr is 217×10-6~740×10-6, that of Y is 4.26×10-6~21.4×10-6, and Sr/Y ratio is 16.87~145.07. They are enriched in LILEs(Rb, Sr, Ba) and depleted in HFSEs(Nb, Ta, Ti). They are characterized by LREE enrichment and HREE depletion, implying that they were formed in an area with stable garnet, rutile and unstable plagioclase, belonging to the transitional stage from amphibolite facies to eclogite facies; they were probably formed by underplating in the same period. The variation of main elements and race elements content and discontinuous LREE/HREE show that the pluton was not formed by crystallization evolution of one magmatic event, and the plutons of different lithologies are not separately crystallized from each other. Comprehensive analyses show that the lithospheric extension after Permian collision in Huangshan-Jingerquan area caused asthenosphere mantle upwelling and lithosphere delamination. The lithosphere vertical accretion at the boundary of the underplating crust and mantle induced the partial melting and produced high K calc-alkaline magma. With the instant intrusion of the magma, the difference of partial melting and newly formed mantle source components led to the formation of Hancaohu granitic pluton. It is shown that there was violent intermediate-acid magmatism in the Hancaohu area in Permian, and it was the response to tectonic-magmatism evolution in Permian in East Tianshan Mountains.
Key words: Xinjiang    East Tianshan Mountains    Hancaohu    intermediate-acid annular pluton    zircon U-Pb ages    geochemistry    

新疆东天山造山带处于塔里木陆壳板块与准噶尔洋壳板块聚合部位,东西延长约560km,南北宽约110km[1-4],其上发育大规模石炭纪—二叠纪花岗岩类及少量泥盆纪与三叠纪花岗岩类[5-10]。花岗岩是大陆地壳的主要组成部分,是板块俯冲碰撞及陆壳垂向增生的重要产物,对于研究壳幔演化过程,探讨板块相互作用及形成构造背景具有重要的意义[11]。众多研究者对东天山广泛发育的晚古生代岩浆作用开展了年代学、岩石学、地球化学等方面的研究[12-14],并取得了重要进展。但对旱草湖地区特殊形态(环状中酸性岩体)侵入体的研究较少。而这种特殊形态的岩体,其岩石地球化学特征、形成机制及构造背景可能具有特殊的构造意义。因此,笔者在参与“新疆东天山1:25万沁城幅区调(修测)”项目过程中,对旱草湖环状中酸性岩体进行了详细的野外地质调查,采集了大量样品开展分析测试,通过对锆石UPb年龄、岩石地球化学数据处理,研究环状中酸性岩体的成因、形成的构造环境等,为完善东天山古生代岩浆格架、构造-岩浆演化与成矿作用关系提供新的依据。

1 地质背景与样品特征 1.1 区域地质背景

新疆天山构造带传统上被划分为北天山、中天山和南天山三部分[15]。研究区位于北天山构造带,康古尔塔格-红石山韧性剪切带以南地区(图 1)。北天山地区广泛发育石炭纪—二叠纪中酸性侵入岩体,以康古尔塔格断裂为界分为南、北两带,石炭纪中酸性侵入岩(334~319Ma)以南带西段岩浆活动最强烈,花岗岩体数量多、规模大。二叠纪中酸性侵入岩(293~236Ma)以北带中西段岩浆活动较强,南带西段与东段次之[16]

图 1 东天山旱草湖地区地质简图 Fig.1 Geological sketch map of Hancaohu area in East Tianshan Mountains

旱草湖中酸性岩体侵入下石炭统干墩组灰色-深灰色长石石英砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩中(图 1),长轴方向呈NE—SW向展布,与区域构造线方向近于一致,其北部、西部出露同时代的黄山、黄山东等大型超基性岩体。旱草湖中酸性岩体与干墩组是旱草湖穹窿背斜的组成部分。该岩体呈环形出露,由中心至边部岩性依次为二长花岗岩、花岗闪长岩、正长花岗岩、石英闪长岩和英云闪长岩。从野外侵入关系判断,侵入顺序为英云闪长岩-花岗闪长岩-二长花岗岩-正长花岗岩-石英闪长岩。

1.2 岩体地质特征

英云闪长岩分布在环状岩体的最外围,西部与花岗闪长岩相间出露,东部与二长花岗岩相间分布,它们之间呈侵入接触,其与外围早石炭世地层干墩组大多为侵入接触。岩体中心被花岗闪长岩和二长花岗岩侵入。岩体呈灰色-浅灰色,粒径主要为细粒,块状构造,花岗结构,镜下为半自形-他形结构,粒径0.4~2mm,岩石主要由斜长石(65%)、石英(25%)、黑云母(10%)及金红石、锆石、磷灰石等组成。斜长石呈他形-半自形粒状,常见增生环带。石英为他形粒状,单晶或聚晶呈现。黑云母呈叶片状半自形,具红褐色-浅褐多色性(图版Ⅰ-ab)。

图版Ⅰ   PlateⅠ   a.英云闪长岩与闪长质包体;b.英云闪长岩镜下特征;c.花岗闪长岩;d.花岗闪长岩镜下特征;e.二长闪长岩;f.二长花岗岩镜下特征。Pl—斜长石;
Mic—微斜长石;Q—石英;Ms—白云母;Bt—黑云母

花岗闪长岩主要分布在环状岩体中部和西部,出露零散,面积较大的岩体位于环状岩体核部地区,西部侵入英云闪长岩中,而岩体中部被二长花岗岩侵入。岩体呈浅褐灰色,粒径主要为中粒,块状构造,花岗结构,镜下为不等粒半自形-他形结构,粒径0.2~5mm,主要成分为斜长石(55%)、石英(20%)、微斜长石(10%)、黑云母(10%)、角闪石(5%)、榍石、磁铁矿、磷灰石、锆石等。斜长石多呈半自形,少量他形,粒径中-大(1~5mm)。内部常具环带构造,残留少量帘石化、绢云母化。而石英、黑云母、角闪石、钾长石及少量他形斜长石呈细粒变晶集合体分布在斜长石粒间。黑云母和角闪石大致定向分布,多为他形粒状,粒径1~0.2mm。钾长石常交代斜长石,可见交代文象结构(图版Ⅰ-cd)。

二长花岗岩分布在环状岩体中心部位,呈面状出露,中部被正长花岗岩侵入,东部侵入英云闪长岩中。二长花岗岩岩体为椭球体,长轴方向与环状花岗岩长轴方向一致。岩体呈浅肉红色,粒径为中-粗粒,块状构造,花岗结构,镜下为半自形-他形结构,粒径0.6~4mm,主要成分为石英(30%)、微斜长石(35%)、斜长石(30%)、黑云母(5%)、白云母、锆石、磁铁矿、磷灰石、帘石等。石英为他形粒状,常呈聚晶团块出现。粒径小-大,常见塑变遗迹。斜长石呈半自形,少量他形,粒径小-中,或呈团块出现或被微斜长石包裹交代,可见环带结构,残留帘石化、绢云母化。微斜长石呈他形粒状,粒径中-大,其内常有斜长石,黑云母包裹并交代之。黑云母呈叶片状,粒径较小。微斜长石交代斜长石,显交代蠕虫结构或文象结构(图版Ⅰ-ef)。

正长花岗岩分布在环状花岗岩体中部和东南部,出露较少,呈岩枝、岩脉状产出。岩体延伸方向大致与旱草湖穹窿构造长轴方向一致。岩体侵入英云闪长岩和二长花岗岩中,呈肉红色,粒径为粗粒,块状构造,花岗结构,镜下为不等粒半自形-他形结构,粒径0.6~6mm,主要成分为石英(30%)、碱性长石(45%)、斜长石(20%)、黑云母(5%),以及锆石、磁铁矿、磷灰石、榍石、帘石等。石英为他形粒状,常呈聚晶团块出现。斜长石呈半自形、他形,粒径中等,或呈团块出现或被碱长石包裹交代,可见环带结构。碱性长石呈他形粒状,粒径较大,其内包含斜长石,被黑云母包裹并交代。黑云母呈叶片状,个别绿泥石化,粒径偏小。斜长石被碱长石交代,显交代蠕虫结构或文象结构(图版Ⅱ-ab)。

图版Ⅱ   Plate Ⅱ   a.正长闪长岩;b.正长花岗岩镜下特征;c.花岗闪长岩;d.花岗闪长岩镜下特征。
Pl—斜长石;Q—石英;Mic—微斜长石;Hb—角闪石;Bt—黑云母

石英闪长岩分布在旱草湖穹窿构造南部,只整体出露一块,形状不规则,侵入正长花岗岩中。岩体呈浅灰色,粒径为细粒,块状构造、片麻状构造,花岗结构,镜下为半自形结构,弱片麻状构造。粒径0.2~2mm,主要成分为斜长石(70%)、石英(10%)、角闪石(15%)、黑云母(5%)、磁铁矿、榍石、帘石等。斜长石大致定向分布,半自形斜长石常具净边环带结构,内核局部绢云母化、帘石化,黑云母和角闪石分布在长石粒间,大致定向,黑云母交代角闪石。石英呈他形粒状,粒度最小,似有塑变特征,与角闪石、黑云母一样分布于斜长石粒间(图版Ⅱ-cd)。

2 旱草湖岩体锆石U-Pb测年

为确定环状中酸性岩体的形成年代,选择最早期侵入外围早石炭世干墩组的英云闪长岩进行锆石U-Pb年龄测定。

锆石U-Pb年龄样品碎样及挑选由河北省区域地质矿产调查研究所完成。在显微镜下挑选晶形完好的锆石,将其制备成样品靶。在西北大学扫描电镜实验室对所选取的锆石进行透射光、反射(BSE)和阴极发光(CL)显微照相。依据尽量避开裂隙、包裹体及不同时代混合区域的原则,选取锆石测点位置。最后,在西北大学大陆动力学国家重点实验室进行锆石LA-ICP-MS测年。使用仪器为Agilient 7500a ICPMS和GeoLas 200M(波长193nm)ArF准分子激光器系统。激光剥蚀斑束直径为30μm,剥蚀样品深度为20~40μm。以氦气为激光剥蚀物质的载气,并用美国国家标准技术研究院研制的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NIST SRM610实现仪器最佳化调试。采样方式为单点剥蚀,数据采集选用一个质量峰一点的跳峰方式,每测定4~5个样品点,插入测1次标准样,每测定15~20个点前后各测2次NIST SRM610。锆石年龄的计算采用标准锆石91500为外部标准物质,成分标样用NIST SRM610,其中29Si为内标元素。样品的同位素比值及元素含量计算采用Glitter_ver4.0(Macquarie University)程序,用Anderson[17]软件对测试数据进行普通铅校正后,用Isoplot(ver3.0)程序制作锆石U-Pb谐和图[18]。测定结果见表 1

表 1 旱草湖环状岩体英云闪长岩锆石U-Th-Pb定年分析数据 Table 1 Zircon U-Th-Pb analytic results of tonalite in Hancaohu ringed pluton

本次在英云闪长岩的18个测点中选取了13个有效测点,测试所选锆石主要呈粒状或短柱状,半透明-透明,只有少部分形态不是非常完整,裂隙及包裹体少见。锆石阴极发光图像(图 2)显示,绝大部分锆石具有典型的岩浆振荡环带结构,且Th/U值为0.16~0.41,进一步指示岩浆锆石的特点[19-21]。在207Pb/235U-206Pb/238U谐和图(图 3-a)上,所有测点都位于谐和线上或其附近,具有很好的一致性。206Pb/238U年龄加权平均值为275.0 ± 2.9Ma(MSWD=4.8)(图 3-b)。年龄真实可靠,可以作为英云闪长岩的结晶年龄。前已述及,本样品采于环状岩体最外环,因此认为早二叠世为旱草湖环状岩体的最早侵位时代,并在随后发生了数次侵位。

图 2 旱草湖环状岩体英云闪长岩锆石阴极发光图像 Fig.2 Cathodoluminescence images of zircons from tonalite in Hancaohu ringed pluton
图 3 英云闪长岩锆石U-Pb谐和图(a)与206Pb/238U年龄加权平均值(b) Fig.3 U-Pb concordia diagram (a) and weighted average 206Pb/238U ages (b) of the zircons from the tonalite
3 岩石地球化学特征

样品在西北大学碎样室粉碎。主量、微量与稀土元素的测试分析均在自然资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室完成。主量元素采用Xios4.0kwX-荧光光谱仪测试分析,分析偏差优于1%。微量和稀土元素利用酸溶法制备样品后采用等离子体质谱仪ICP-MS测试分析,分析偏差优于5%~10%。主量、微量和稀土元素分析测试结果列于表 2

表 2 旱草湖环状岩体主量、微量和稀土元素分析结果 Table 2 Major, trace elements and REE analytic data of Hancaohu ringed pluton
3.1 主量元素

旱草湖环状岩体自外而内的SiO2含量变化较大(60.03%~71.92%),最先侵位的英云闪长岩酸性程度较高,花岗闪长岩居中,二长花岗岩和正长花岗岩酸性程度最高,最后侵位的石英闪长岩酸性程度最低。所有岩性Al2O3和Na2O含量都较高,Al2O3为14.46%~17.05%,Na2O为3.52%~4.60%。而K2O和CaO含量差别较大,K2O含量在1.07%~4.28%之间,英云闪长岩和石英闪长岩K2O含量较低,分别为1.07%~1.38%、1.30%~1.76%;二长花岗岩和正长花岗岩K2O含量较高,分别为3.07%~3.30%、4.04%~4.28%;CaO含量变化于1.95%~4.73%之间,二长花岗岩和正长花岗岩CaO含量较低,分别为2.09%~2.17%、1.95%~2.09%,而石英闪长岩和花岗闪长岩CaO含量较高,分别为4.61%~4.73%、4.33%~4.53%。K2O/Na2O值变化同样较大,正长花岗岩K2O/Na2O > 1,而其他岩类的K2O/Na2O < 1。所有岩性的里特曼指数σ均小于3.3,属于钙碱性系列。SiO2-K2O图解(图 4)显示,所有岩体都属于高钾钙碱性-钙碱性系列。

图 4 旱草湖环状岩体SiO2-K2O图解[22] Fig.4 SiO2-K2O diagram of Hancaohu ringed pluton

不同岩性岩体的Al饱和指数A/CNK也有变化,英云闪长岩、二长花岗岩和正长花岗岩:1 < A/CNK < 1.1;花岗闪长岩和石英闪长岩:A/CNK < 1。在A/NK-A/CNK图解(图 5)上,英云闪长岩属于过铝质系列,且A/NK含量较高,与其标准刚玉分子(C) > 1%相符。二长花岗岩和正长花岗岩同样属于过铝质系列,但其A/NK含量较低。花岗闪长岩和石英闪长岩则属于准铝质系列。

图 5 旱草湖环状岩体A/CNK-A/NK图解[23] Fig.5 A/CNK-A/NK diagram of Hancaohu ringed pluton

在Na2O-K2O成因图解(图 6)上,正长花岗岩位于I型与S型交汇处,其他不同岩性的岩体位于I型花岗岩内部。

图 6 旱草湖环状岩体K2O-Na2O成因图解[25] Fig.6 K2O-Na2O origin diagram of Hancaohu ringed pluton

主量元素特征表明,旱草湖环状岩体并非一次岩浆事件结晶分离演化的结果。

3.2 微量元素

旱草湖环状中酸性岩体中,不同岩性的岩体Sr含量都较高,为217.00×10-6~740.00×10-6,但英云闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩和石英闪长岩的Rb含量不高,为44.60×10-6~95.4×10-6,仅正长花岗岩Rb含量较高(174.00×10-6~184.00×10-6),Rb/Sr值都很低(0.06~0.6)。由表 2所示,二长花岗岩和正长花岗岩Ba的含量均大于花岗闪长岩,二长花岗岩Sr的含量大于花岗闪长岩,Rb/Sr值小于花岗闪长岩。前人研究提出,若一个侵入体能按照由基性到酸性演化,则会产生斜长石的分离结晶[24],而斜长石的分离结晶会导致Al2O3、CaO、Sr和Ba含量降低,Rb/Sr值升高。环状岩体所有岩体的Ba含量都很高(191.00×10-6~912.00×10-6),Rb/Sr值都很低,这与斜长石的分离结晶不符。因此,根据微量元素特征判断,花岗闪长岩与二长花岗岩、正长花岗岩不是同一个岩浆事件结晶分离的结果。在微量元素原始地幔标准化蛛网图(图 7)上,岩体整体富集大离子亲石元素(LILE),如Rb、Sr、Ba等,不同岩性岩体有一定的变化范围,其中二长花岗岩和石英闪长岩Sr富集较明显,岩体整体亏损高场强元素(HFSE)Nb、Ta和Ti,亏损程度略有不同,但Zr、Th相对富集,显示可能有幔源组分的代入,环状中酸性岩体形成过程中以壳源物质占主导,同时可能有一定的幔源组分参与。Y含量较低,为4.26×10-6~21.4×10-6,Sr/Y值为16.87~145.07,其曲线总体呈右倾多峰谱型,亏损Nb、Ta和Ti,富Sr,与东天山埃达克岩较相似[27-28]

图 7 旱草湖环状岩体微量元素蛛网图 Fig.7 Trace element spidergrams of Hancaohu ringed pluton (标准化值据参考文献[26])
3.3 稀土元素

旱草湖环状中酸性岩体中,花岗闪长岩的稀土元素总量最高,为113.97×10-6~146.16×10-6,二长花岗岩和正长花岗岩的稀土元素总量最低,分别为61.459×10-6~77.99×10-6和84.79×10-6~89.96×10-6。其中,二长花岗岩的LREE/HREE值最高,为17.58~20.13,其(La/Yb)N值也最高,为22.0~25.6,表明轻、重稀土元素分馏显著,而其他岩体的LREE/HREE值略低,总体为8.37~12.24,(La/Yb)N值也较二长花岗岩更低,为7.4~13.1,轻、重稀土元素分馏程度不如二长花岗岩。从这个角度可以推断,按照英云闪长岩-花岗闪长岩-二长花岗岩-正长花岗岩-石英闪长岩侵位顺序,环状中酸性岩体应该不是同一个岩浆演化序列(即岩浆分离结晶)的产物。因为按轻、重稀土元素分馏的特点,若岩体是一个完整的演化序列,轻稀土元素(LREE)较重稀土元素(HREE)碱性更强,更应该在岩浆作用晚期富集。而从野外地质特征和U-Pb年龄看,轻、重稀土元素分馏程度最高的二长花岗岩并不是最晚期的侵入体,在二长花岗岩之后侵位的正长花岗岩的轻、重稀土元素分馏远不及前者。结合前述分析,环状中酸性岩体的形成不是一个岩浆事件分离结晶的结果,而是不同期次的独立侵入体。在所有的岩体中,(La/Sm)CN值都大于1,为2.4~5.8,反映不同岩性岩体LREE都较富集。球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(图 8)显示LREE富集右倾,与张旗等[29]总结出的埃达克岩的配分曲线极类似。δEu值均在1左右,二长花岗岩为1.14~1.28,Eu呈轻微正异常,而其他岩体的δEu值略小于1,Eu呈轻微负异常。

图 8 旱草湖环状岩体球粒陨石标准化稀土元素配分模式图 Fig.8 Normalized REE patterns of Hancaohu ringed pluton (标准化值据参考文献[26])
3.4 旱草湖岩体源岩性质

花岗岩的形成过程极其复杂,其主要性质的区别在于源岩的差异。许多学者认为,对于花岗岩的研究,源岩性质是最重要的[11, 30-31]。花岗岩在形成过程中,会对其源岩的性质具有相当大程度的继承性,通过一些地球化学特征可从一定程度上判定花岗岩的源岩性质。

在C/MF-A/MF图解(图 9)上,可见英云闪长岩、花岗闪长岩和石英闪长岩的源岩基本位于基性岩和变质砂岩重叠区,而二长花岗岩和正长花岗岩位于变质砂岩部分熔融区。这种特征显示,环状中酸性岩体的形成既继承了基性岩的特点,又继承了碎屑岩的特点,岩体的形成可能与壳幔相互作用有关。

图 9 旱草湖环状岩体C/MF-A/MF图解 Fig.9 C/MF-A/MF diagram of Hancaohu ringed pluton
4 讨论

旱草湖环状中酸性岩体不同岩性间具有极相似的微量元素原始地幔标准化曲线(图 7)和稀土元素球粒陨石标准化配分曲线(图 8)特征,由于微量和稀土元素的地球化学性质较稳定,相似的构成说明环状中酸性岩体的源岩及成因过程较类似。

在判断源岩的K2O-Na2O图解(图 6)上,环状中酸性岩体集中位于I型花岗岩内,Na2O/K2O值较高,在判断碱性-钙碱性的SiO2-K2O图解(图 4)上,环状中酸性岩体集中位于高钾钙碱性-钙碱性系列,故将其概括为I型高钾钙碱性-钙碱性系列。通常情况下,源区为火成岩熔融的I型花岗岩K2O含量都较低,而高钾的I型花岗岩要求其源区K含量较高。地壳岩石部分熔融实验证明,高钾的I型花岗岩只能起源于地壳中含水的钙碱性-高钾钙碱性、镁铁质或中性变质岩[32]。通过Pitcher等[33]的研究,主要有2种构造背景可以产生高钾钙碱性岩浆,一种为大陆岛弧背景,通过地幔楔与下沉板块流体相互作用而形成;另一种为后碰撞背景,通过地壳加厚拉伸引发镁铁质岩浆底侵形成。

张旗等[34]根据花岗岩中微量元素Sr、Yb的含量,提出一种花岗岩形成与压力关系的模式,即具有高Sr、低Yb特征的中酸性岩浆岩可能与榴辉岩处于平衡,形成深度较大;而具有低Sr、高Yb特征的岛弧安山岩-英安岩-流纹岩与斜长角闪岩处于平衡,形成深度较浅。依据该模式,本次研究中采集的中酸性岩石样品,都具有很低的Yb含量(平均值小于1.23×10-6)和较高的Sr含量(平均值大于400×10-6),故推断其应形成于加厚的下地壳环境,类似于埃达克岩。CIPW标准矿物的计算(表 3)表明,只有英云闪长岩体的标准刚玉分子(C) > 1%。所有岩体的MgO含量都较低(均小于3%),Mg#值也较低(均小于48.6),说明岩体可能没有受到被消减板片交代的地幔楔物质的影响,与基性-超基性岩的地幔来源不同。

表 3 旱草湖环状岩体CIPW标准矿物计算结果 Table 3 CIPW normative mineral calculation data of Hancaohu ringed pluton

幔源岩浆底侵壳幔边界是壳幔相互作用及陆壳生长的重要机制[35-36],旱草湖环状中酸性岩体的成岩时代主要在二叠纪,而黄山—镜儿泉地区在二叠纪处于后碰撞伸展阶段已得到绝大多数学者的认同[6, 37-38]。在这一时期,岩石圈地幔拉伸减薄,软流圈地幔上涌至壳幔边界,导致陆壳出现垂向增生,地壳加厚,完全可以满足产生高Sr、低Yb花岗岩的条件。据王涛等[39]研究,在东天山后造山阶段,的确有较多的深部幔源物质加入到地壳中。

本文研究的旱草湖环状中酸性岩体Al2O3含量高(14.46%~17.05%),A/CNK值为0.93~1.09,属准铝质和弱过铝质,较富集K2O,属高钾钙碱性-钙碱性系列,MgO含量较低,为0.71%~2.84%,Mg#值为33.3~48.6。微量元素具高Sr、低Y特征,Sr含量为217×10-6~740×10-6,Y含量为4.26×10-6~21.4×10-6,Sr/Y值为16.87~145.07,在原始地幔标准化曲线上,富集大离子亲石元素Rb、Sr、Ba,亏损高场强元素Nb、Ta、Ti。另外,环状中酸性岩体中的MgO、Mg#及Ni含量都偏低,显示其可能没有受到被消减板片交代的地幔楔物质的影响,与基性-超基性岩的地幔来源不同,是软流圈地幔玄武质岩浆底侵壳幔边界后,在地壳垂向增生的条件下诱发部分熔融的结果。不同岩体之间岩性的差异可能与部分熔融程度的差别和熔融时新生幔源物质组分的不同有关,最终岩体的形成可能是不同熔融程度和不同幔源组分岩浆分期侵入的结果。

5 地质意义

新疆北部晚古生代是大规模岩浆作用的爆发期,尤其是石炭纪—二叠纪,强烈的岩浆活动产生了一系列的大中小型矿床。对于东天山地区,黄山、黄山东、香山、图拉尔根等大中型铜镍硫化物矿床的形成与石炭纪—二叠纪区域地质背景紧密相连。关于东天山地区晚古生代的区域地质背景,争议较大,争议的焦点主要集中在泥盆纪—石炭纪构造背景上。前人对古洋盆闭合的时限一直争论不休。有学者认为古洋盆闭合时间为石炭纪中期[40],也有学者认为古洋盆闭合时间为泥盆纪末—石炭纪初期[41-42],而后在此基础上,又再次拉张形成裂谷[41, 43]。对于黄山—镜儿泉地区,区域地质背景的认识也不统一。有学者[44]认为,康古尔-镜儿泉构造带是一个弧间盆地,夹于北侧哈尔里克岛弧与南侧觉罗塔格岛弧之间;也有学者[45-46]认为,康古尔断裂代表北侧哈萨克斯坦板块与南侧塔里木板块碰撞的俯冲带;还有学者[47-48]认为,康古尔-镜儿泉构造带是一个因觉罗塔格洋向北俯冲形成的弧后盆地,而二叠纪处于后碰撞伸展阶段已得到绝大多数学者的认同[6, 38, 49]。本文研究的旱草湖环状中酸性岩体就是此区域背景下的产物。有研究者[48, 50]曾将本文研究的环状中酸性岩体区域统一划分为过铝质花岗岩区,并对应幔源岩浆内侵形成的过铝质花岗岩。然而,通过本次研究,旱草湖环状中酸性岩体应对应幔源岩浆底侵,导致地壳垂向增生而诱发部分熔融形成的高钾钙碱性-钙碱性花岗岩。环状中酸性岩体的存在,说明区域内发生过幔源岩浆的底侵和地壳的垂向增生。

在二叠纪,陆-陆碰撞后岩石圈伸展,导致软流圈地幔上涌,岩石圈拆沉,上涌的软流圈地幔一方面加热产生玄武质岩浆,玄武质岩浆上升,经过结晶分离形成了黄山东岩体;另一方面底侵壳幔边界产生地壳的垂向增生,诱发部分熔融生成高钾钙碱性岩浆,这些岩浆不断分期侵入,由于部分熔融程度和新生幔源组分的不同,形成旱草湖环状中酸性岩体。在伸展环境下,形成的延伸至上地幔的区域性深大断裂(康古尔塔格断裂),为岩浆的上升提供了有利的空间通道。旱草湖环状岩体的长轴方向与区域构造线方向一致,其主要成岩时代为二叠纪,表明这一时期旱草湖一带存在较强烈的中酸性岩浆活动,是东天山二叠纪构造-岩浆演化的响应。

6 结论

(1)环状中酸性岩体位于旱草湖穹窿背斜内部,从野外的侵入关系判断,侵入顺序为英云闪长岩-花岗闪长岩-二长花岗岩-正长花岗岩-石英闪长岩。

(2)通过U-Pb同位素测年,获得环状中酸性岩体最早侵位的英云闪长岩的成岩年龄为275.0± 2.9Ma(MSWD=4.8),表明二叠纪旱草湖一带存在较强烈的中酸性岩浆活动,是东天山二叠纪构造-岩浆演化的响应。

(3)不同岩性的岩体轻、重稀土元素比值不连续,依据主量、微量元素含量的变化,岩体不是一个岩浆事件结晶分离演化的结果,彼此之间也没有发生结晶分离。不同岩性岩体间微量元素原始地幔标准化曲线和稀土元素球粒陨石标准化曲线极相似,表明不同岩性岩体的源区和成岩环境相似。

(4)岩体为高钾钙碱性-钙碱性花岗岩,富集大离子亲石元素Rb、Sr、Ba,亏损高场强元素Nb、Ta、Ti。在稀土元素球粒陨石标准化配分曲线上,呈现平坦右倾的轻稀土富集、重稀土元素亏损,说明黄山—镜儿泉地区二叠纪碰撞后的岩石圈伸展,导致软流圈地幔上涌,岩石圈拆沉,底侵壳幔边界产生地壳的垂向增生,诱发部分熔融生成高钾钙碱性岩浆。这些岩浆不断分期侵入,形成了旱草湖环状花岗质岩体。不同岩体之间岩性的差异可能与部分熔融程度的差别和新生幔源组分的不同有关。

致谢: 样品测试工作得到自然资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室郑民奇教授级高工和韩延兵、程秀花、李艳广高级工程师的大力支持;研究过程中得到中国地质调查局西安地质调查中心陈隽璐、贾群子研究员的有益指导;审稿专家提出宝贵的意见,在此一并致谢。

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