新疆吉木乃縣恰其海A型花崗巖的地球化學特征、年代學及構造意義*

靳 松,張兆祎,陳志彬,楊紅賓,楊進京,康貴軍

1)河北省地質調查院,河北石家莊 050081;

2)中國地質大學(武漢)地球科學學院,地質過程與礦產資源國家重點實驗室,湖北武漢 430074

新疆吉木乃縣恰其海A型花崗巖的地球化學特征、年代學及構造意義*

靳 松1,2),張兆祎1),陳志彬1),楊紅賓1),楊進京1),康貴軍1)

1)河北省地質調查院,河北石家莊 050081;

2)中國地質大學(武漢)地球科學學院,地質過程與礦產資源國家重點實驗室,湖北武漢 430074

新疆西準噶爾北部發育大量堿性花崗巖,其形成時代為早二疊世,巖石類型為鉀長花崗巖和石英鉀長正長巖。恰其海巖體的形成年齡為280 Ma,SiO2為66.83%～68.44%,高鋁(14.46%～15.41%);富含堿質,里特曼指數(δ)均大于3.3,介于4.47～4.61之間;富鉀貧鈉,K2O/Na2O為1.10～1.25;鐵高而鎂低,FeOt/MgO為4.06～7.85。其稀土配分模式右傾,輕重稀土分餾明顯,具有中等-強烈銪負異常。地球化學特征表明:巖石形成于造山晚期伸展體制的構造環境中,應為后碰撞演化的晚期階段,早于東準噶爾后碰撞的時間(二疊紀末)。構造圖解判別巖體為A2型花崗巖,可能受到與俯沖有關的流體交代的影響,為探索區域晚古生代地殼演化提供了約束。

西準噶爾;A型花崗巖;堿性花崗巖;二疊紀;后碰撞

新疆北部廣泛發育晚古生代酸性侵入巖,對這些侵入巖的地球化學特征及年代學研究對于新疆北部古生代的構造演化有著重要作用(周濤發等,2006a;袁峰等,2006;譚綠貴,2008)。研究發現,后碰撞巖漿活動是新疆北部陸殼增長和成礦的重要原因,有關后碰撞巖漿活動時限,前人認為主體時限為石炭紀—二疊紀(王京彬等,2006)。但是,新疆北部地區后碰撞階段時限的厘定還需要更廣泛的年代學證據,有關侵入巖的巖石成因和構造屬性還需要進一步研究。本文擬從西準噶爾薩吾爾地區恰其海巖體的地球化學特征、年代學入手,探討本區地球動力學背景,為巖石成因、構造演化和成礦提供依據。

1 地質背景

研究區位于西準噶爾北部,新疆吉木乃縣恰其海鄉南東,大地構造劃分上屬于不成熟的加里東期新生陸殼之上發展起來的晚古生代島弧帶(何國琦等,1995)。區內斷裂發育,依據變形特征、空間組合關系及相互切割順序等可歸納為近東西向高角度仰沖斷裂系和走滑剪切斷裂系,主要斷裂為薩吾爾斷裂系。在本研究區主要表現為北西西向和北東東向兩組壓扭性斷裂系(如圖1)。

區內出露的地層主要為石炭系巴塔瑪依內山組組和二疊系哈爾加烏組。巴塔瑪依內山組主要巖性為巖屑凝灰巖和中酸性火山熔巖,夾少量砂巖、粉砂巖、沉凝灰巖。哈爾加烏組巖性為粉砂巖、砂質泥巖、細礫巖以及酸性火山巖。

侵入巖主要分布在薩吾爾大斷裂以北,區內侵入巖由早到晚分別為:森塔斯巖體、沃肯薩拉巖體→塔斯特巖體→喀爾交巖體→闊依塔斯巖體、恰其海巖體(周濤發等,2006b)。恰其海巖體以巖枝、巖脈狀產出,出露面積約 35km2。巖體南西側侵入到二疊系卡拉崗組二段地層中,并在巖體的外接觸帶形成寬50～100 m的角巖帶,內接觸帶花崗巖顆粒變細,有程度不同的混合巖化作用。巖體南東側侵入到石炭紀吉木乃組二段地層中。巖體北側為新生界覆蓋。

圖1 新疆薩吾爾地區地質略圖Fig.1 Sketch geological map of Sawuer area,Xinjiang

2 巖相學特征

恰其海巖體可分解為2種巖石類型的侵入體,即細中粒石英鉀長正長巖及中粒鉀長花崗巖。巖體內各巖性單元時空關系密切,細中粒石英鉀長正長巖與中粒鉀長花崗巖間為涌動接觸關系,其邊緣與圍巖交代同化混染作用較強烈,往往出現細粒石英正長巖等。

細中粒石英鉀長正長巖:肉紅色,細中粒粒狀結構,塊狀構造。巖石主要由鉀長石、石英組成。鉀長石,它形粒狀,粒徑0.8～5.0mm,具條紋結構,為條紋長石,含量88%;斜長石,半自形板狀,粒徑0.5～2.0mm,聚片雙晶發育,含量2%;石英它形粒狀,粒徑 0.4～2.4mm,波狀消光,含量 10%;黑云母半自形片狀,片徑 0.3～0.6mm,多色性顯著,含量少;副礦物有磁鐵礦、磷灰石、榍石。

中粒鉀長花崗巖:肉紅色,中粒花崗結構,塊狀構造。巖石主要由鉀長石、石英組成。鉀長石,半自形粒狀,粒徑 0.8～5.2mm,具條紋結構,為條紋長石,含量78%;石英它形粒狀,粒徑0.5～1.4mm,波狀消光,分布不均勻,含量 20%;斜長石呈半自形板狀,粒徑0.4～0.8mm,聚片雙晶發育,含量2%;黑云母半自形片狀,片徑0.3～0.8mm,少量;副礦物有磁鐵礦、磷灰石、榍石。

3 分析方法

全巖主量元素在新疆地礦局第一區地質調查大隊實驗室完成,采用可見分光光度計和原子吸收分光光度計測定,分析精度優于5%。微量元素在河北省區域地質礦產調查研究所采用等離子質譜儀(ICP-MS)測定,分析精度優于5%。

鋯石 U-Pb定年在國土資源部天津地質礦產研究所利用LA-ICP-MS完成。所用等離子體質譜儀為Thermo Fisher公司制造的Neptune,采用193nm激光器對鋯石進行剝蝕,斑束直徑為35 μm,采用 He作為剝蝕物質的載氣,鋯石TEMORA作為年齡外標,元素含量用NIST612作為外標標定。鋯石測定點的Pb同位素比值、U-Pb表面年齡和U-Th-Pb含量采用ICPMSDataCal程序和 Isoplot程序進行數據處理,采用208Pb校正法對普通鉛進行校正(李懷坤等,2009)。

4 分析結果

4.1 主量元素特征

如表1所示,恰其海巖體的w(SiO2)為66.83%～68.44%。w(Al2O3)值為14.46%～15.41%;全堿值w(K2O+Na2O)為10.41%～10.80%,里特曼指數(δ)均大于 3.3,介于 4.47～4.61之間;富鉀貧鈉,K2O/Na2O為1.10～1.25;鐵高而鎂低,FeOt/ MgO為4.06～7.85,與 A 型花崗巖普遍具有富鐵貧鎂的特征相一致(Anderson et al.,2003;Kebede et al.,2003;Whalen et al.,1987);鋁飽和指數(A/CKN)變化在0.83～0.98(＜1.1)之間;在侵入巖 TAS圖解上(圖2),投影點落在堿性花崗巖區;在 A/CKN-A/KN圖上(圖3),樣品全部落在準鋁質區域內。因此樣品具有堿性和準鋁質的巖石化學特征。在K2O-SiO2判別圖解(圖4)上,所有樣品均富鉀,巖石樣品落在含鉀較高的鉀玄巖系列,這與其形成的地質背景相一致。

圖2 侵入巖TAS圖解Fig.2 TAS diagram

圖3 A/NK-A/NCK圖解Fig.3 A/NK-A/NCK diagram

表1 恰其海巖體主量元素、微量元素分析結果Table 1 Major and trace element compositions of Qiaqihai batholith

圖4 SiO2-K2O圖解Fig.4 SiO2-K2O diagram

4.2 稀土及微量元素特征

恰其海巖體稀土元素配分型式表現為右陡傾斜式(圖5),輕稀土明顯富集,稀土元素總量較高,∑REE 變化范圍是 233.36～299.04 μg/g,平均達262.01 μg/g,w(LREE)為205.43～ 263.54 μg/g,w(HREE)為25.30～35.50 μg/g,w(LREE)/w(HREE)=6.98～8.22,(La/Yb)N比值變化在6.43～8.58之間(平均為7.10)表明輕重稀土之間分異明顯。δEu為0.54～0.77(平均0.64),具有中等-強烈銪負異常。輕稀土分餾程度(La/Sm)N為2.94～3.75,重稀土分餾程度(Gd/Yb)N為1.31～1.48,輕稀土分餾程度大于重稀土分餾程度。在蛛網圖上盡管個別高場強元素顯示略虧損的特征,但相對于I和S型花崗巖,仍具有較高的豐度,特別是富含稀土元素,因此樣品具有明顯的A型花崗巖的特征。

恰其海巖體微量元素蛛網圖特征總體表現為“先隆后凹”式、或“三隆三凹”式(圖6),富集大離子親石元素 Rb、(Th+U)、Ba、K、Pb、(Zr+Hf+Sm)和重稀土元素(Gd+Tb+Dy+Ho+Er+Tm+Y+Yb+Lu);而虧損(Nb+Ta)、(Sr+P)和 Ti(沙淑清等;2007)。Nb和 Ta的相對虧損指示其巖漿可能來源于地殼重熔,也可能經歷了富 Nb、Ta礦物的結晶分異作用。Sr負異常指示巖體在形成過程中,巖漿發生了斜長石的分離結晶作用,或巖漿源區殘留有斜長石。P,Ti偏低可能與磷灰石、鈦鐵氧化物的結晶分異有關。巖石樣品的Rb/Sr和Rb/Ba分別為0.601～0.923和0.089～0.162,略高于原始地幔的相應比值(原始地幔Rb/Sr和Rb/Ba分別為0.029和0.088),說明巖漿經歷了較高程度的分異演化(李洪英等,2009)。

圖5 稀土元素配分型式Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns

圖6 微量元素蛛網圖Fig.6 Primitive mantle-normalized trace element patterns

4.3 年代學

研究表明,不同成因鋯石具有不同的Th、U含量和Th/U比值:巖漿鋯石的Th、U含量較高,Th/U比值較大(一般＞0.4);變質鋯石的Th、U 含量低,Th/U比值小(一般＜0.1)(Wu et al.,2004)。本文利用LA-ICP-MS對P6TW1樣品進行了分析,共測定18個點,分析結果如表2所示,其 Th含量為14～113 μg/g,U含量為14～104 μg/g,Th/U比值變化范圍為0.72～1.15(大于0.4),表明鋯石均為巖漿成因,U-Pb表面年齡諧和性好,所有鋯石均落在諧和線上,數據點成群分布(圖7),206Pb/238U年齡加權平均值為280.1±3.2 Ma(MSWD=2.8),代表了巖體的結晶年齡,為早二疊世。

5 討論

5.1 巖石成因

圖7 恰其海巖體鋯石U-Pb一致曲線圖Fig.7 U-Pb concordia diagram of zircons from Qiaqihai batholith

世界上所發現的正長巖多與 A型花崗巖伴生,二者在成因及地球化學特征上有很大聯系,因此學者常把正長巖歸入A型花崗巖中(Eby,1992;洪大衛等,1995;劉昌實等,2003)。A型花崗巖套常分為A1亞型和A2亞型,其中A1亞型主要與上地幔熱柱、裂谷作用有關,源區物質可能是虧損地幔和富集地幔的混合物;A2亞型其Y/Nb和Y/Ta比值則可由類似平均地殼變化至類似島弧玄武巖,巖漿起源于地殼或由島弧巖漿作用派生,產于地殼伸展或陸內剪切作用,后碰撞或后造山的張性構造環境(周宇章等,2006;胡建等,2010)。

恰其海巖體的堿性花崗巖屬富鉀堿性巖系,具有 A型花崗巖的特征,其鉀的質量分數高,落入鉀玄巖系列,所以它的源區應高鉀,但地殼中的巖石很難熔出高鉀巖石(Robert et al.,1992)。堿性巖的高鉀有兩種原因,一種是和軟流圈地幔的小比例部分熔融產生的熔體的交代作用有關(Angelo,1992),另一種是和俯沖區的堿性、富集元素的流體交代作用有關。A型花崗巖類或A型花崗巖套的結晶分異作用對高場強元素 Y/Nb比值的影響很小,該比值常作為識別源區的標志,在圖8顯示,堿長花崗巖落入靠近IAB區,而遠離OIB區,暗示它和軟流圈地幔沒有成因聯系,而與俯沖作用有關(Eby,1990;白云山等,2006)。巖石富鋁(Al2O3多大于14%),其原始巖漿應富鋁,因為陸殼物質為玄武巖漿富鋁創造了最有利的條件,Beard認為這是巖漿起源于活動大陸邊緣(或島弧環境)的一個標志。

對于 A型花崗巖的成因,大多學者認為起源于下地殼物質的部分熔融,巖體可能受到與俯沖有關的流體交代的影響,生成相對高堿性高鋁的巖漿,早期生成了正長巖,晚期受流體交代作用減弱,或斜長石等礦物的分離結晶,進而形成了堿性花崗巖。

圖8 Ce/Nb-Y/Nb圖解Fig.8 Ce/Nb-Y/Nb diagram

5.2 年代學

韓寶福等(1999)認為新疆北部地區后碰撞巖漿活動的時限為330～250 Ma。周濤發等(2006)認為西準噶爾薩吾爾地區晚古生代侵入巖年齡在 328.2～290.7 Ma,時代上屬于晚石炭世至早二疊世,侵入巖由早到晚(森塔斯巖體、沃肯薩拉巖體→塔斯特巖體→喀爾交巖體→闊依塔斯巖體、恰其海巖體)具有明顯的地球化學演化特征,同時,區內哈爾加烏組、卡拉崗組火山巖年齡在 296.7～280 Ma之間,為早二疊世火山活動產物。由此表明,這些花崗巖類是后碰撞巖漿活動的產物。后碰撞階段通常伴隨大規模的花崗質巖漿作用和剪切活動,以大規模的(鈣堿性-偏堿性)花崗質巖漿活動和剪切活動結束(韓寶福等,1999)。

我們在卡拉崗組含礫粗砂巖及灰色粉砂巖中發現了大量的早二疊Paracalamites stenocostatusGu et Zhi (細肋副蘆木)植物化石。恰其海巖體的LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為280.1±3.2 Ma,為早二疊紀,巖石具有偏堿性特點,形成于造山晚期伸展體制的構造環境中,應為后碰撞演化的晚期階段,略晚于前人認為的290.7±9.3 Ma(周濤發等,2006b),顯然早于東準噶爾后碰撞的時間(二疊紀末)。因哈薩克斯坦板塊與西伯利亞板塊已連為一體,隨兩大板塊邊部擠壓應力的消失,由擠壓變為張性,區內處于拉張機制下,卡拉崗組火山巖顯示出“雙峰式”的特征,隨后該區進入板內演化階段。

圖9 Zr+Nb+Ce+Y-(Na2O+K2O)/CaO圖解Fig.9 Zr+Nb+Ce+Y-(Na2O+K2O)/CaO diagram

5.3 構造意義

在Zr+Nb+Ce+Y-(Na2O+K2O)/CaO圖解上(圖9),數據落入A型花崗巖區,在劃分A型花崗巖亞類的Nb-Y-Ce等判別圖上(圖 10),數據均落入A2花崗巖區,在 Rb-Y+Nb環境判別圖(圖 11)上,顯示出后造山期花崗巖特征。A2(即PA)型花崗巖漿起源于經歷了陸陸碰撞或島弧巖漿作用的陸殼或下地殼,標志著造山作用不久后的拉張,是造山作用結束的標志。結合同位素年齡(LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為早二疊世),表明在早二疊世薩吾爾地區處于拉張的構造背景,應力環境由擠壓轉變為張性,是后碰撞階段的伸展期。

本文樣品普遍富集輕稀土(LREE)和Cs,Rb,Th,U等大離子親石元素(LILE),虧損Sr,P,Ti,Nb和Ta等元素,指示這些巖石的巖漿源區具有顯著的弧巖漿活動特點,其形成機制很可能與陸塊俯沖-地殼增生事件有關。Chen et al.(2005)認為,后碰撞巖漿活動是中亞造山帶(包括西準格爾)陸殼增生的主要原因。因此,薩吾爾地區 A型花崗巖的研究對于探索區域晚古生代地殼演化有重要意義。

圖10 A1-A2型花崗巖判別圖Fig.10 Triangular plot of A1 and A2 granitoids

圖11 Rb-Y+Nb圖解Fig.11 Rb-Y+Nb discriminant diagram

6 結論

(1)恰其海巖體具有堿性和準鋁質的巖石化學特征。

(2)恰其海巖體的LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為280.1±3.2 Ma,為早二疊紀初,形成于造山晚期伸展體制的構造環境中,應為后碰撞演化的晚期階段,早于東準噶爾后碰撞的時間(二疊紀末)。

(3)恰其海巖體可能為與俯沖有關的流體交代的產物,巖漿源區具有顯著的弧巖漿活動特點,其形成機制很可能與陸塊俯沖-地殼增生事件有關。

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JIN Song1,2),ZHANG Zhao-yi1),CHEN Zhi-bin1),YANG Hong-bin1),YANG Jin-jing1),KANG Gui-jun1)
1)Hebei Institute of Geological Survey,Shijiazhuang,Hebei050081;
2)State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources,Faculty of Earth Science,China University of Geosciences,Wuhan,Hubei430074

Large-size alkali granites are distributed in the northern part of western Junggar,Xinjiang,belonging to early Permian.Rock types include moyite and quartz syenite.The Qiaqihai intrusion is one of these granites.The SiO2content of Qiaqihai intrusion ranges from 66.83% to 68.44%,and the intrusion is also characterized by high content of Al (14.46%～15.41%)and alkali,rich K,depleted Na,and low MgO.Rittmann values vary between 4.47 and 4.61,whereas K2O/Na2O values between 1.10 and 1.25,and FeOt/MgO values between 4.06 and 7.85.The REE patterns are characterized by LREE enrichment and medium to strong negative Eu anomalies with obvious fractionation between LREE and HREE.These geochemical characteristics suggest that the Qiaqihai intrusion formed in a post-collisional extensional tectonic environment and occurred earlier than the collision time of East Junggar.The trace element features suggest that this intrusion belongs to A2-type granite and was possibly influenced by subduction-related fluid metasomatism.A-type granite can provide important constraints for late Paleo-zoic crustal evolution in this region.

western Junggar;A-type granite;alkali granite;Permian;post-collision

P588.121;P597.1

A

1006-3021(2010)06-803-10

本文由新疆國土資源廳地質調查項目(編號:XJQDZ2008-01,XJQDZ2008-03)聯合資助

2010-05-05;改回日期:2010-08-25。責任編輯:魏樂軍。

靳松,男,1982年生。博士研究生,助理工程師。主要從事巖石地球化學和區域地質礦產調查研究。通訊地址:050081,河北省石家莊市橋西區工農路515號。電話:0311-85921637。E-mail:js521@163.com。

致謝:本文的研究得到了新疆國土資源廳地質調查項目管理辦公室、河北省地質調查院和河北省地球物理勘查院的支持,成文過程中得到了中國地質大學(武漢)鐘增球教授,吳元保教授和河北地質調查院夏國禮教授級高工的指導,參加野外工作的還有河北省地質調查院孫志國,許肖斌,馬燕冰,李峰,李曉峰,陶光活等同志,在此一并致謝。