地质通报  2021, Vol. 40 Issue (1): 58-70  
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卢鹏, 童英, 孟秋熠, 张华锋. 东准噶尔北缘乌伦古地区晚二叠世A型花岗质岩墙成因及构造背景[J]. 地质通报, 2021, 40(1): 58-70.
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Lu P, Tong Y, Meng Q Y, Zhang H F. Petrogenesis and tectonic setting of the Late Permian A-type granitic dyke swarm in Ulungur, East Junggar[J]. Geological Bulletin of China, 2021, 40(1): 58-70.
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基金项目

国家重点研发计划《成矿系统构造-岩浆-成矿作用研究集成》(编号: 2018YFC0603702)、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)、《基础地质学科(岩石)数据库建设与共享应用》(编号: DD20190685)和国际地球科学计划《从聚合到碰撞的造山带结构和地壳生长: 以中亚造山带及特提斯造山带为例》(编号: IGCP662)

作者简介

卢鹏(1996-), 男, 在读硕士生, 从事花岗岩研究。E-mail: 2863031892@qq.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: 2020-09-10
修订日期: 2020-11-10
东准噶尔北缘乌伦古地区晚二叠世A型花岗质岩墙成因及构造背景
卢鹏1,2, 童英1, 孟秋熠3, 张华锋2    
1. 中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心, 北京 100037;
2. 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083;
3. 中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037
摘要: 中亚造山带西南缘的东准噶尔地区出露大量晚古生代花岗岩,是揭示该造山带地壳演化的良好对象。在东准噶尔北缘乌伦古西北的阿克吉拉识别出一套走向与区域构造线总体垂直的晚古生代花岗质岩墙,其时代和成因研究对深入理解本区的构造演化具有重要意义。SHRIMP锆石U-Pb测年结果显示其侵位于晚二叠世(266±2 Ma)。岩石地球化学组成上,它们具有高硅(SiO2=75.66%~76.69%)、富碱(Na2O+K2O=8.67%~9.16%)、低钙(CaO=0.06%~0.14%)和镁(MgO=0.04%~0.06%)的特征;具有明显的负Eu异常(δEu=0.16~0.18),相对亏损Ba、Sr、P、Ti等,明显富集Nb、Zr、Th、Ta、Hf等高场强元素,具有较大的Ga/Al值(>2.6),指示该花岗岩属弱过铝质A1型花岗岩。岩石具有正的εNdt)值(+4.7)和年轻的模式年龄(655 Ma),暗示源区物质主要为年轻幔源物质。综合分析,推测该岩墙形成于后碰撞环境,由地幔上涌引起新生下地壳部分熔融而成。
关键词: 东准噶尔    A型花岗岩    U-Pb年龄    二叠纪    后碰撞    
Petrogenesis and tectonic setting of the Late Permian A-type granitic dyke swarm in Ulungur, East Junggar
LU Peng1,2, TONG Ying1, MENG Qiuyi3, ZHANG Huafeng2    
1. Beijing SHRIMP Center, Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
2. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
3. Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China
Abstract: A large number of Late Paleozoic granites occur in the East Junggar on the southwest margin of the Central Asian Orogenic belt, providing a good chance to reveal the crustal evolution of the Central Asian Orogenic Belt. In this study, a series of Late Paleozoic granitic dykes striking vertically to the suture zone were recognized in Akejila, northwest of Ulungur of East Junggar. Their timing of emplacement and petrogenesis are critical to understand the tectono-crustal evolution of the study area. SHRIMP zircon U-Pb dating yielded a Late Permian age (266±2 Ma). Geochemical analyses indicate that they are characterized by relatively high concentration of silica (SiO2=75.66%~76.69%) and alkali (Na2O+K2O=8.67%~9.16%), but low calcium (CaO =0.06%~0.14%) and magnesia (MgO =0.04%~0.06%)content. The obvious negative Eu anomaly (δEu=0.16~0.18), relative depletion of Ba, Sr, P and Ti, and significant enrichment of Nb, Zr, Th, Ta and Hf, as well as high Ga/Al value (>2.6) characterize the weakly peraluminous A1 type granites. The positive εNd(t) value (+4.7) and a young model age (655 Ma) suggest that these dykes are mainly derived from the juvenile mantle. Therefore, the comprehensive analysis indicates that the dykes were formed by the partial melting of the juvenile lower crust caused by the upwelling of the mantle in a post-collision setting.
Key words: East Junggar    A-type granite    U-Pb age    Permian    post-collision    

中亚造山带是全球最大的显生宙增生造山带[1-7],具有复杂的增生造山过程[8-9],在晚古生代末期—早中生代早期最终闭合[6-10]。东准噶尔位于阿尔泰、准噶尔、西南蒙古和东天山结合部位,沿乌伦古-扎河坝蛇绿岩、卡拉麦里蛇绿岩带发育2条石炭纪—二叠纪岩浆岩带,其中发育大量的与地壳伸展有关的碱性(A型)花岗岩,是研究中亚造山带晚古生代构造演化的关键地区。

前人虽然对这些岩浆岩进行过大量的时代与成因研究,并获得了很多研究成果[11-16],但是对其形成的构造环境仍存在不同的认识。一种观点认为,石炭纪东准噶尔北缘已转入后造山环境,晚石炭世—二叠纪全区已进入大规模伸展阶段[17],至少在二叠纪东准噶尔处于后造山阶段[13];另一种观点则提出,二叠纪东准噶尔可能仍存在大洋的俯冲[18-19]

最近,通过地质填图,在东准噶尔北缘乌伦古河西北侧识别出一套走向上与区域构造线近垂直的富碱细晶花岗质岩墙,其特殊的产状、侵位时代,以及岩石地球化学特征和成因对深入认识该地区岩浆演化和构造背景具有重要的地质意义。为此,本文对其开展锆石U-Pb定年和岩石地球化学及同位素分析,探讨其岩石类型、成因和构造环境。

1 区域地质概况与岩墙特征

东准噶尔位于西伯利亚板块与哈萨克斯坦-准噶尔板块结合部位,构造上位于天山-兴蒙造山系(Ⅰ级)东-西准噶尔弧盆系(Ⅱ级)的东准噶尔弧盆系,是中亚造山带的重要组成部分[20]。区内广泛发育碱性花岗岩,并在空间上与深大断裂、蛇绿岩带等密切共生,呈北西向展布,自北向南大致分为布尔根、乌伦古、卡拉麦里3条富碱花岗岩带[21-22]。南部的卡拉麦里带主要以大型石炭纪—二叠纪碱性花岗岩和铝质A型花岗岩岩基沿卡拉麦里断裂带分布及蛇绿岩带大面积分布为特征,并伴随一系列偏碱性花岗斑岩小岩体的侵入和锡、石墨矿化,形成一条呈北西西向展布的锡-石墨矿化带[23-26]。北部的布尔根带邻近阿尔泰造山带,整体位于额尔齐斯断裂带内,以早石炭世布尔根碱性花岗岩[27]和少量泥盆纪A型花岗岩分布为特征。相对来说,中部的乌伦古带以发育大量小型碱性花岗岩体为特征,包括扎河坝、萨尔铁列克、塔斯嘎克、阿尔曼太等岩体[28],也包括分布于乌伦古断裂带两侧的碱性花岗岩(图 1)[29],与乌伦古-扎河坝蛇绿岩紧密共生,并延入西南蒙古,时代多集中在晚石炭世。

图 1 中亚造山带地质简图(a)、东准噶尔构造位置图(b)、乌伦古碱性花岗岩带区域地质图(c)[13, 28]和阿克吉拉岩墙区域地质图 Fig.1 Geological map of the Central Asian orogenic belt(a), tetonic map of East Junggar(b), regional geological map of the Ulungur alkali-rich granite belt(c), and geological map of Akejila dykes(d) (d,底图据参考文献[30])(数据据参考文献[31-35]①②③④)

阿克吉拉地区位于东准噶尔北缘乌伦古带西北端,区内被大面积的第四系沉积物覆盖,只有极少量的泥盆系出露,包括下泥盆统托让格库都克组和中泥盆统北塔山组。托让格库都克组主要岩性为玄武岩、安山岩、岩屑凝灰岩、火山角砾岩,北塔山组主要岩性为安山质流纹岩、晶屑凝灰岩。

阿克吉拉岩墙位于富蕴至杜热的公路西侧,距杜热乡约30 km处,集群发育,宽度为5~10 m,近直立,走向为北东向(25°~45°),与区域北西走向的构造线近垂直相交,较大的岩墙在卫星照片上非常清晰(图 2-ab),阿吉克拉岩墙的主要岩石类型为细晶花岗岩。

图 2 阿克吉拉花岗岩岩墙群卫星照片(a)、野外照片(b,镜头朝向210°)和细晶花岗岩显微照片(c为单偏光、d为正交偏光) Fig.2 Satellite image of the Akejila dyke swarm(a), field photo(b), and micrographs of aplite granite(c, d) Or—钾长石;Q—石英

细晶花岗岩呈浅肉红色,块状构造,局部可见明显晶洞,氧化后的晶洞呈褐黄色。矿物粒度非常小,肉眼几乎看不清矿物颗粒,只能见到少量的细小长石斑晶。矿物颗粒多数小于100 μm,主要由钾长石(65%~70%)和石英(20%~25%)组成,钾长石表面多呈土状,较大的钾长石斑晶多为条纹长石,条纹长石呈自形-半自形结构,局部可见钾长石与石英交生的文象结构(图 2-cd),另外可见少量的细小黑云母,副矿物有锆石和磁铁矿。

2 测试方法

锆石样品的制靶和阴极发光(CL)照相在北京锆年领航科技有限公司实验室完成,制靶过程参考SHRIMP定年锆石样品靶的制备流程[36]。锆石SHRIMP U-Pb同位素测试在中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心的SHRIMP Ⅱ型离子探针上进行。测年方法和原理见参考文献[37]。锆石测年为5组扫描,一次离子流强度约7.5 nA,加速电压约10 kV,束斑直径25~30 μm。应用标准锆石SL13(参考年龄572 Ma)和TEMORA(参考年龄417 Ma)分别标定未知样品的U、Th含量和年龄校正[38]。数据处理采用Squid和Isoplot程序[39]。根据实测204Pb进行普通铅扣除。锆石年龄为206Pb/238U年龄,单个数据点误差为1σ,年龄加权平均值具95%的置信度。

全岩主量、微量元素分析测试在加拿大ACME实验室采用标准流程完成,详细的分析方法与ACME中LF202组的流程相同,所有分析偏差均优于3%左右,FeO采用湿法滴定测得[40]。Sr-Nd同位素分析在中国科学技术大学地壳幔材料与环境重点实验室完成,Sr的总空白小于300×10-10 g,Nd的总空白小于50×10-10 g,具体分析流程见参考文献[41]。在两阶段Nd模式年龄的计算中,平均大陆地壳值147Sm/144Nd为0.118[42]

3 分析结果 3.1 锆石U-Pb测年

阿克吉拉花岗岩样品X19726-1.1(东经88°41′35.62″、北纬46°44'2.49″)的锆石晶形完好,形态多为短柱状、长柱状、等轴状,晶棱、晶面较清晰,长宽比接近2:1。多数颗粒粒径为100~200 μm。绝大多数锆石内部发育较好的结晶环带,显示岩浆锆石特点(图 3-a),在分析结果中除1号点和10号点的Th、U含量较高及Th/U值较大外,其余18颗锆石的Th/U值为0.6~1.1,均大于0.4,与岩浆锆石特征一致(图 3-a)。本次对样品中的20颗锆石进行了20个点的测试,结果显示,206Pb/238U和207Pb/235U年龄大部分落在谐和线及其附近,206Pb/238U年龄介于264~266 Ma之间,非常集中(表 1),年龄加权平均值为266±2 Ma(MSWD=0.02,n=20)(图 3-b),代表了阿克吉拉花岗质岩墙的侵位年龄。

图 3 阿克吉拉细晶花岗岩锆石阴极发光(CL)图像(a)及U-Pb年龄谐和图(b) Fig.3 CL images(a)and U-Pb concordia diagram(b)of zircons from the Akejila aplite granite
表 1 东准噶尔阿克吉拉细晶花岗岩(X19726-1.1)SHRIMP锆石U-Pb同位素分析结果 Table 1 SHRIMP zircon U-Pb analytical results of the aplite granite of the Akejila pluton from the East Junggar
3.2 岩石地球化学特征

阿克吉拉细晶花岗岩的全岩主量、微量和稀土元素分析结果见表 2。细晶花岗岩具高硅(SiO2=75.66%~76.69%)和富钾特点(K2O=4.21%~4.62%),在SiO2-K2O图解中,所有样品点落入高钾钙碱性系列范围,与乌伦古带花岗岩的整体特征一致(图 4-a),同时,细晶花岗岩的Na2O含量也很高,整体显示出强烈富碱(Na2O+K2O=8.67%~9.16%),以及低钙、铝(CaO=0.06%~0.14%;Al2O3=12.56%~12.92%)、磷(P2O5=0.01%~0.02%)、钛(0.11%)和镁(MgO=0.04%~0.07%);其A/NK=1.04~1.08;A/CNK=1.03~1.06,显示出弱过铝质特征(图 4-b)。

表 2 阿克吉拉细晶花岗岩主量、微量和稀土元素分析结果 Table 2 Analytical results of major, trace elements and REE of the Akejila aplite granites
图 4 阿克吉拉细晶花岗岩及乌伦古带花岗岩SiO2-K2O(a)和A/CNK-A/NK图解(b)(数据据参考文献[25, 28, 31, 42-51]) Fig.4 SiO2-K2O(a)and A/CNK-A/NK diagrams(b)of the Akejila aplite granites and granitiods from Ulungur belt

阿克吉拉细晶花岗岩稀土元素含量较高且变化范围不大,稀土元素总量ΣREE=91.26×10-6~192.48×10-6,轻、重稀土元素分馏不明显,LREE/HREE=1.18~2.65。稀土元素球粒陨石标准化分布模式图中,所有样品的稀土元素配分曲线表现出一致的变化趋势,均显示强的负Eu异常(δEu=0.16~0.18)(图 5-a),与乌伦古带碱性花岗岩的稀土元素配分曲线一致。在微量元素方面,富集Nb、Ta、Zr、Hf等高场强元素,亏损Ba、Sr等大离子亲石元素(LILE),在原始地幔标准化微量元素分布图解中,表现出明显的Ba、Sr、P和Ti的负异常(图 4-b)。所有样品的10000×Ga/Al值(2.66~2.81)均大于A型花岗岩的下限值2.60[43]。Sm-Nd分析结果(表 3)显示,阿克吉拉细晶花岗岩具有正的εNd(t)值(+4.70)和年轻的二阶段模式年龄(655 Ma)。

图 5 阿克吉拉细晶花岗岩稀土元素配分曲线(a)和微量元素蛛网图(b) Fig.5 Chondrite-normalized REE distribution patterns(a)and primitive mantle-normalized spidergrams for trace elements(b)of the Akejila aplite granites (球粒陨石和原始地幔标准值据参考文献[44];其他数据据参考文献[28, 32-33, 43-47])
表 3 东准噶尔乌伦古花岗岩带主要富碱花岗岩Sm-Nd同位素特征 Table 3 The Sm-Nd isotope data of the alkali-rich granites from Ulungur granite belt in the East Junggar
4 讨论 4.1 岩石成因

地球化学分析结果显示,阿克吉拉细晶花岗岩均属于高钾钙碱性系列(图 4-a),与乌伦古碱性花岗岩相似[21-22, 45]。这些花岗岩具有强负Eu异常,微量元素Nb、Ta、Zr和Hf相对富集,尽管与部分含碱性暗色矿物的碱性花岗岩一样,其Zr+Nb+Ce+Y含量略低于350×10-6,但都具有较高的TFeO/MgO、Nb和(K2O+Na2O)/CaO值,而其10000×Ga/Al值为2.66~2.81,均大于A型花岗岩的下限值2.60,在花岗岩类型判别图中,所有样品点都落入A型花岗岩区域[43](图 6-ab)。另外,在野外可以在细晶花岗岩中见到一定数量的晶洞,并且在薄片中可见典型的显微文象结构,这些特征与A型花岗岩的岩相学特征一致,表明阿克吉拉细晶花岗岩属于A型花岗岩。只是由于矿物颗粒较细小,无法辨认出是否有典型的碱性暗色矿物,所有花岗岩的A/CNK值为1.03~1.06,A/CNK-A/NK图解中,样品均落于弱过铝质范围(图 4-b),可将阿克吉拉细晶花岗岩归入到铝质A型花岗岩。在此基础上,利用Nb-Y-Ce三角图解[46]进一步细分,所有样品落于A1型花岗岩范围(图 6-c)。

图 6 A型花岗岩(Zr+Nb+Y+Ce)-(K2O+Na2O)/CaO(a)、10000×Ga/Al -Nb(b) 判别图解[43]、Nb-Y-Ce分类图解(c)[46]及(Y+Nb)-Rb构造环境判别图解(d)[63] Fig.6 (Zr+Nb+Y+Ce)-(K2O+Na2O)/CaO(a), 10000×Ga/Al -Nb(b), Nb-Y-Ce discriminant diagrams(c)for the subdivision of the A-type granites, and (Y+Nb)-Rb tectonic discrimination diagram(d) (数据来源同图 4)

关于A型花岗岩的成因,大致可以归为4种认识:①幔源岩浆高度结晶分异或液态不混熔作用[47-48],源区既可能是亏损地幔[49],也可能有富集地幔[42, 50];②幔源岩浆底侵导致的下地壳部分熔融[51, 53-55],包括新生的下地壳;③地幔岩浆壳-幔相互作用[56-57];④下地壳部分熔融并经历幔源富碱流体的交代而成[58-59]。阿克吉拉A型花岗岩具有高的正εNd(t)值(+4.7),与乌伦古带的(A型)碱性花岗岩的Nd同位素特征相似(表 3),在年龄-εNd(t)图解(图 7)中,这些A型花岗岩均落在北疆洋壳演化线上,其模式年龄小于800 Ma,表明其来自于年轻亏损地幔物质源区[27]。这些A型花岗岩具较高的Nb含量,可能是富Nb镁铁质下地壳的部分熔融导致[60],或俯冲洋壳交代的地幔楔熔融产物参与了岩石的成岩过程[61],而阿克吉拉A型花岗岩具有低Sr(14.3×10-6~22.2×10-6)和高Yb(3.6×10-6~3.88×10-6)含量,暗示其不可能通过俯冲洋壳部分熔融形成。相对变化较大的Nb/Ta值,表明岩浆可能受到地壳物质的混染。而所有花岗岩都具有非常明显的负Eu异常(图 5-a),以及强烈的Ba、Sr、P和Ti亏损(图 5-b),与长石及富P、Ti的副矿物的结晶分异作用有关。

图 7 乌伦古带花岗岩年龄-εNd(t)图解 Fig.7 Age-εNd(t) diagram of the granites from Ulungur belt (数据见表 3)
4.2 构造环境

A型花岗岩作为一类特殊的花岗岩,其形成与伸展背景相适应,虽然有部分学者认为其可以形成于与俯冲相关的弧后伸展背景下,但绝大多数情况下,这类花岗岩多形成于造山后或板内环境[46, 62]。在构造环境判别图解中,所有样品点都落在后碰撞花岗岩区(图 6-d),而在A型花岗岩分类图解中,阿克吉拉细晶花岗岩归属于A1型花岗岩,即与板内环境相关(图 6-c),表明该岩墙侵位时区域应已进入了后碰撞阶段,甚至可能处于向板内环境转变阶段。重要的是,大量的区域资料很好地佐证了这一点。首先,阿克吉拉细晶花岗岩形成于266 Ma,几乎晚于整个阿尔泰造山带的二叠纪岩浆活动时限[17]。在乌伦古带,乃至东准噶尔地区也属于非常晚阶段的岩浆活动(表 4图 8-a),而稍早的晚石炭世—早二叠世,在东准噶尔地区发育大规模(A型)碱性花岗岩,从南到北展现出区域同步发育的特征,并没有展现出自北向南变年轻的趋势(图 8-b)。显然难以用弧后伸展来解释,而当走向(25°~45°)几乎垂直于区域构造线(北西向)的阿克吉拉花岗质岩墙上侵就位时(图 1-d),其北部额尔齐斯断裂带强烈活动也基本结束[27, 81],大量的典型后构造岩体也基本就位,整个阿尔泰—东准噶尔地区岩浆活动已明显减弱,随后几乎没有岩浆活动,进一步证实了该地区增生-碰撞作用的结束,表明阿克吉拉细晶花岗岩岩墙形成于后碰撞环境伸展背景,甚至已进入板内环境。

表 4 东准噶尔乌伦古带富碱性花岗岩带主要岩体形成时代 Table 4 The age data of alkali-rich granites from Ulungur granite belt in the East Junggar
图 8 东准噶尔花岗岩年龄直方图(a)和3条富碱花岗岩带(A型)碱性花岗岩形成年龄图(b) Fig.8 Histogram of ages of granitoid in the East Junggar(a)and A-type granites in the three different alkali-rich granite belts(b) (数据据参考文献[17-18, 22, 25, 28-34, 40, 49, 52, 64-80])
5 结论

(1) SHRIMP锆石U-Pb年代学研究表明,东准噶尔阿克吉拉细晶花岗质岩墙侵位于晚二叠世(266±2 Ma),属东准噶尔晚古生代岩浆活动的尾声,是“宁静期”的前奏。

(2) 岩石学及地球化学结果显示,阿克吉拉细晶花岗岩属于弱过铝质A2型花岗岩,是在碰撞后伸展背景下地幔岩浆底侵导致新生的镁铁质下地壳发生部分熔融,并经历一定程度的岩浆分异作用。在花岗岩墙就位时,乌伦古地区应已转入后碰撞伸展背景。

致谢: 感谢审稿专家提供的宝贵意见,感谢中国地质科学院孟贵祥研究员团队在野外给予的帮助。

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