西天山溫泉地區奧陶紀侵入巖地球化學特征及成因探討

孟令華

(中化地質礦山總局山東地質勘查院，山東 泰安 271000)

0 引言

中亞造山帶是位于塔里木板塊與西伯利亞古陸之間的巨大增生造山帶(圖1a)，是由古亞洲洋長期俯沖消減作用形成的[1]，其形成、演化過程中發生多期次與陸殼增生和碰撞造山有關的花崗巖漿活動，形成了大量古生代不同期次花崗巖類，而古生代又是古亞洲洋演化的重要時期，是學術界關注的焦點。天山造山帶位于中亞造山帶南緣，呈EW向延伸，從構造上由北往南劃分為北、中、南3個帶，在我國境內以庫爾勒—烏魯木齊一線為界分為西天山和東天山[2]，由于受多期強烈的巖漿活動及構造運動的改造，西天山地區早古生代的地質記錄保存甚少，制約了人們對該地區早古生代地質演化的認識。西天山溫泉地區位于中亞造山帶南緣(圖1a)，發育有新元古代及早古生代巖漿活動[3-6]，這些不同期次的花崗巖類可能記錄了古亞洲洋形成演化的主要構造事件，是研究西天山和中亞造山帶南部演化歷史的重要線索。

本文以溫泉縣城南部奧陶紀侵入巖為研究對象，進行巖石學、地球化學特征研究，探討其巖石成因，揭示該區奧陶紀中晚期構造背景，為該區早古生代古亞洲洋構造演化提供基礎資料。

1 地質背景及巖體特征

研究區位于溫泉縣城南部，區內出露最古老的地質體是溫泉巖群變質巖，為一套中深變質巖系，形成于古元古代，構成天山結晶基底，其內部變形復雜，變質作用強烈，經歷多期次構造疊加和改造，廣泛發育以“N”型褶皺為主的固態流變褶皺。區內奧陶紀侵入巖主要分布于蒙克—夏納克一帶，侵位于溫泉巖群變質巖及早期次的青白口紀中細粒二長花崗巖中，近EW向展布，呈巖株、巖枝狀產出。溫泉縣幅1∶5萬區域地質調查報告將其劃分為2個侵入階段：第一侵入階段巖性為閃長巖-石英閃長巖，深灰色—灰綠色，呈長條狀EW向展布，巖體中順節理面方向混入大量后階段花崗閃長巖，呈脈狀、透鏡狀，局部與花崗閃長巖形成黑白相間的似斑馬狀構造；第二侵入階段巖性為花崗閃長巖，灰色—灰白色，條帶狀東西向展布，侵入于溫泉巖群變質巖中，巖體中可見少量大塊變質圍巖殘留體及二長花崗巖及閃長巖捕擄體，受動力變質作用影響，部分巖石破碎，呈碎裂結構。

1—第四系；2—溫泉巖群；3—奧陶紀花崗閃長巖；4—奧陶紀閃長巖及石英閃長巖；5—青白口紀中細粒二長花崗巖；6—地質界線；7—正斷層；8—逆斷層；9—推測斷層；10—性質不明斷層圖1 中亞造山帶位置圖及研究區侵入巖分布地質簡圖(圖a據文獻[7,8]修改)

2 巖石學特征

研究區奧陶紀侵入巖巖石類型主要有閃長巖、石英閃長巖、花崗閃長巖。

淺灰色粗中粒花崗閃長巖：粗中粒半自形粒狀結構(圖2a)，塊狀構造。巖石由斜長石(55%±)、鉀長石(5%～10%)、角閃石(5%～10%)、黑云母(5%～10%)、石英(20%～25%)組成。斜長石呈半自形板狀，雜亂分布，可見聚片雙晶和卡鈉復合雙晶，可見環帶構造，大部分顆粒被絹云母和黝簾石不均勻交代；鉀長石呈半自形板狀，星散分布，多見微斜長石，被高嶺土不均勻交代；石英呈他形粒狀；角閃石呈半自形長柱狀，雜亂分布，部分顆粒被纖狀次閃石交代呈假象，多數顆粒綠簾石交代呈假像；黑云母呈葉片狀，多被綠泥石和綠簾石交代，局部析出鐵質。

淺灰色輕碎裂狀細中粒花崗閃長巖：變余細中粒花崗結構(圖2b)，塊狀構造。巖石由斜長石(50%～55%)、鉀長石(10%～15%)、石英(20%～25%)和暗色礦物假像(10%～15%)組成。斜長石呈半自形板狀，雜亂分布，可見聚片雙晶和卡鈉復合雙晶，偶見環帶構造，大部分顆粒被絹云母和碳酸鹽不均勻交代；鉀長石呈半自形板狀—他形粒狀，可見條紋長石和微斜長石，內部嵌布板條狀斜長石和他形粒狀石英，輕微高嶺土化，多數呈單晶狀分布，邊緣細粒化；暗色礦物呈他形粒狀，多在裂隙分布，均被次閃石和綠簾石交代，部分呈假像；石英呈他形粒狀，顆粒多顯波狀、帶狀消光，邊緣呈齒狀、縫合線狀。

灰綠色細粒閃長巖：細粒半自形粒狀結構(編號0012/1，圖2c)，塊狀構造。巖石由斜長石(50%～55%)、角閃石(35%～40%)、黑云母(5%～10%)和石英(1%～5%)組成。斜長石呈半自形板狀，雜亂分布，可見聚片雙晶和卡鈉復合雙晶，可見環帶構造，大部分顆粒被絹云母和黝簾石不均勻交代；角閃石呈半自形長柱狀，雜亂分布，部分顆粒被纖狀次閃石交代呈假象，少量顆粒綠簾石交代呈假像；黑云母呈葉片狀，多被綠泥石交代，局部析出鐵質；石英呈他形粒狀，可見細粒單晶，充填狀零星分布在斜長石粒間。

灰綠色碎裂狀細中粒石英閃長巖：變余細中粒半自形粒狀結構(圖2d)，塊狀構造。巖石由斜長石(60%～65%)、暗色礦物假象(10%～15%)、黑云母(5%～10%)和石英(15%～20%)組成。斜長石呈半自形板狀，雜亂分布，可見聚片雙晶和卡鈉復合雙晶，偶見環帶構造，大部分顆粒被絹云母和碳酸鹽不均勻交代；暗色礦物假像呈他形粒狀，雜亂多沿裂隙分布，均被綠簾石交代呈假像；黑云母呈葉片狀，多被綠泥石和綠簾石交代，局部析出鐵質；石英呈他形粒狀，部分顆粒邊部呈細粒化重結晶，部分成集合體狀充填在斜長石顆粒間；巖內可見被細粒綠簾石、綠泥石和碳酸鹽充填的裂隙，長石雙晶彎曲，推測受成巖后構造應力作用，導致原巖破碎。

Pl—斜長石；Kf—鉀長石；Qz—石英；Hb—角閃石；Bi—黑云母圖2 奧陶紀侵入巖顯微照片

3 巖石地球化學特征

本次工作在研究區花崗閃長巖、閃長巖和石英閃長巖中采集了4件新鮮且無脈體交代的樣品進行地球化學分析，測試工作由中國冶金地質總局山東局測試中心完成，測試依據為《巖石礦物分析》2011年第四版(DZG 20.01-2011)。另外引用前人的2件閃長巖樣品(樣品號22-YQ1和22-YQ2)[9]。樣品分析結果見表1。

表1 奧陶紀侵入巖主量元素、微量和稀土元素分析結果表

3.1 主量元素特征

SiO2含量(質量分數)為50.38%～67.89%，屬中性—中酸性巖石。TiO2含量0.42%～1.31%，Al2O3含量15.79%～17.91%，Na2O含量3.50%～4.34%，K2O含量0.76%～2.92%，K2O/Na2O值0.22～0.69，具有貧鈉富鉀特征。在(Na2O+K2O)-SiO2圖解[10]上(圖3)，2件樣品落入花崗閃長巖區，1件樣品落入二長閃長巖區，1件樣品落入二長閃長巖與二長巖交接區域，文獻[9]的2件樣品落入輝長巖與輝長閃長巖交接區域，這與巖石學特征基本一致。A/CNK值0.72～1.15，在A/CNK-A/NK圖解[11]中可以看出：閃長巖—石英閃長巖屬準鋁質巖系，花崗閃長巖屬過鋁質巖系圖4a。里特曼指數σ為1.87～3.92，除細粒閃長巖值稍高外，其他樣品值均小于3.3，堿度率AR為1.39～2.34，在SiO2-K2O圖解[12]中圖4b，樣品點落入鈣堿性—高鉀鈣堿性區域。綜上所述，奧陶紀侵入巖主量元素顯示出準鋁質—過鋁質鈣堿性巖石系列特征。

1—橄欖輝長巖；2—輝長巖；3—輝長閃長巖；4—閃長巖；5—花崗閃長巖；6—花崗巖；7—二長輝長巖；8—二長閃長巖；9—二長巖；10—石英二次巖；11—正長巖；12—似長輝長巖；13—似長二次長閃長巖；14—似長正長閃長巖；15—似長正長巖；16—似長巖圖3 奧陶紀侵入巖(Na2O+K2O)-SiO2圖解

圖4 A/CNK-A/NK圖解(a)和SiO2-K2O圖解(b)

3.2 微量與稀土元素特征

從微量元素原始地幔標準化曲線圖(圖5a)上看出，不同樣品的微量元素分布特征具有相似性，(Rb/Yb)N為17.73～60.80，均大于1，屬于強不相容元素富集分配形式，Rb/Sr值為0.03～0.16，介于地幔平均值(0.025)與陸殼平均值(0.44)之間，顯示殼幔混合特征。大離子親石元素Sr、Ba相對富集，Th、Nb、P、Ti等高場強元素虧損，P、Ti的虧損與Ti-Fe氧化物、磷灰石的分離結晶作用有關[13]，表現出島弧花崗巖地球化學特征[14-15]。

稀土元素總量∑REE為(74.63～157.27)×10-6，花崗閃長巖樣品較閃長巖—石英閃長巖樣品含量稍低，輕稀土總量∑LREE為(67.94～139.05)×10-6，重稀土總量∑HREE為(6.69～18.22)×10-6，輕重稀土比值∑LREE/∑HREE為6.80～10.16，(La/Yb)N值為6.22～13.02，(Ce/Yb)N值為5.50～9.07，屬于輕稀土富集型，輕稀土元素內部分餾較明顯。在稀土元素配分曲線上圖5b，各樣品曲線形態相似，La-Sm曲線較陡，Gd-Lu曲線逐漸趨于平緩，具重熔型花崗巖的特征，δEu為0.77～0.96，具輕微負Eu異常，且δEu>0.7，屬于基性巖漿分異的花崗巖[16]。

圖5 微量元素原始地幔標準化曲線圖(a)和稀土元素配分曲線圖(b)

4 討論

4.1 巖石成因

目前，花崗巖的成因類型比較常用的有4種，分別為I、S、M和A型花崗巖[17]。研究區奧陶紀侵入巖群居性較好，且成因上關系較密切，Sr、Ba等大離子親石元素相對富集，Th、Nb、P、Ti等高場強元素虧損，說明具有殼源物質的混染。Zr/Hf值為33.44～40.82，具有中等分異花崗巖的特征(高分異花崗巖Zr/Hf值小于25，中等分異花崗巖Zr/Hf值大于25，普通花崗巖Zr/Hf值大于55)[18]。巖石中Nb/U值可以反映巖漿源區的性質，地幔來源巖漿的Nb/U值為47，而殼源物質則為6.2[19]，本區侵入巖Nb/U值為5.76～13.96，平均值10.94，介于幔源巖漿與殼源巖漿之間，反映巖石圈地幔源區可能受到地殼物質混染。另外，在K2O-Na2O判別圖解上(圖6)[20]，樣品點全部落入Ⅰ型花崗巖區；在巖石化學成分及微量元素SiO2-Rb圖解和稀土元素δEu-(La/Yb)N圖解上(圖7)[21]，各侵入巖樣品點基本上落入殼幔混合型花崗巖區。綜合分析認為，研究區奧陶紀侵入巖屬于中等分異的Ⅰ型花崗巖，具有殼幔混源巖漿特征。

圖6 K2O-Na2O判別圖

圖7 SiO2-Rb圖解(a)和δEu-(La/Yb)N圖解(b)

4.2 構造意義

從前述微量元素特征看，研究區奧陶紀侵入巖具有島弧花崗巖的地球化學特征。利用Pearce等不同類型花崗巖的微量元素構造判別圖解[22-23]，在Nb-Y判別圖上(圖8a)，樣品點落入火山弧+同碰撞火花崗巖區，在Rb-(Y+Nb)判別圖上(圖8b)，樣品點落入后碰撞花崗巖與火山弧花崗巖區，在Rb-(Yb+Ta)(圖8c)和Ta-Yb判別圖(圖8d)上，樣品點均落入火山弧花崗巖區。綜合分析認為，該期侵入巖形成于洋殼俯沖作用下的火山弧環境。

圖8 Nb-Y、Rb-(Y+Nb)、Rb-(Yb+Ta)和Ta-Yb構造判別圖解

筆者通過1∶5萬區域地質調查，在研究區中細粒閃長巖、中細粒石英閃長巖、細中粒花崗閃長巖中獲得LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡分別為(465±3)Ma、(464±3)Ma和(452±3)Ma。另外，前人在該區粗—中粒斜長角閃巖(455.1±2.7)Ma和(451.4±5.4)Ma)[3]、粗粒閃長巖(452±7)Ma)[5]、片麻狀石英閃長巖(457.9±3.1)Ma、(455.4±5.0)Ma和(467.7±5.4)Ma)[9]樣品中獲得了相似的年齡值。同時，這些不同類型的侵入巖均具有島弧鈣堿性巖石特征，與早古生代洋盆俯沖作用有關，說明研究區在奧陶紀進入古亞洲洋演化階段，這對認識中亞造山帶及天山地區古生代構造演化具有重要意義。

5 結論

(1)西天山溫泉地區奧陶紀侵入巖主要巖石類型為閃長巖、石英閃長巖及花崗閃長巖。SiO2含量50.38%～67.89%，TiO2含量0.42%～1.31%，Al2O3含量15.79%～17.91%，Na2O含量3.50%～4.34%，K2O含量0.76%～2.92%，K2O/Na2O值0.22～0.69，A/CNK值0.72～1.15，里特曼指數σ為1.87～3.92，堿度率AR為1.39～2.34，具有貧鈉富鉀特征，屬于準鋁質—過鋁質鈣堿性巖石。

(2)(Rb/Yb)N為17.73～60.80，Rb/Sr值為0.03～0.16，顯示殼幔混合特征。大離子親石元素Sr、Ba相對富集，Th、Nb、P、Ti等高場強元素虧損。稀土元素總量為(74.63～157.27)×10-6，輕重稀土比值為6.80～10.16，(La/Yb)N值為6.22～13.02，(Ce/Yb)N值為5.50～9.07，屬于輕稀土富集型，輕稀土元素內部分餾較明顯。δEu為0.77～0.96，具輕微負Eu異常。Zr/Hf值為33.44～40.82，Nb/U值為5.76～13.96，研究區奧陶紀侵入巖屬于中等分異的Ⅰ型花崗巖，具有殼幔混源巖漿特征。

(3)根據巖石地球化學特征及區域地質背景，綜合分析認為西天山溫泉地區奧陶紀侵入巖形成于洋殼俯沖作用下的火山弧環境，是奧陶紀古亞洲洋俯沖作用在本區的體現。