新疆西准噶尔晚古生代侵入岩的年龄和构造意义:来自锆石LA-ICPMS定年的证据

尹继元, 陈 文, 袁 超, 张运迎, 龙晓平,喻 顺, 张 彦, 李 洁, 孙敬博

(1. 中国地质科学院 地质研究所 同位素热年代学实验室, 大陆构造与动力学国家重点实验室, 北京 100037; 2. 中国科学院 广州地球化学研究所 同位素地球化学国家重点实验室, 广东 广州 510640)

0 引 言

花岗岩是大陆地壳生长的重要标志, 也是探讨大陆地壳生长的最佳窗口和研究对象。中亚造山带在显生宙期间发生过显著的陆壳生长, 大量花岗岩的出露是显生宙陆壳生长的最重要的物质表现, 使中亚造山带成为研究显生宙陆壳增生与改造的典型地区之一[1‒5]。西准噶尔是中亚造山带的重要组成部分, 分布有大量的古生代侵入岩。前人对西准噶尔晚古生代侵入岩的研究中, 积累了一些 LA-ICPMS和SHRIMP锆石U-Pb的年龄数据[6‒12], 为限定西准噶尔岩浆活动时限提供了重要的年代学信息。沿着谢米斯台断裂, 将西准噶尔分为南部和北部[13]。相对于南部, 北部花岗岩的研究程度相对较低。然而,西准噶尔南部和北部都广泛出露有各种花岗岩, 它们在年代学、岩浆活动期次上具有怎样的特征, 显示何种地球动力学意义。此外, 西准噶尔石炭-二叠世的构造背景也有岛弧环境[14‒19]和后碰撞环境[4,7,20,21]的争议。基于此, 在前人研究基础之上, 本研究拟对西准噶尔北部几个典型的侵入岩体进行精确的LA-ICPMS锆石U-Pb定年, 并根据已有的研究成果, 对西准噶尔南部和北部侵入岩的岩浆活动时限和期次以及构造背景等提供约束, 为研究西准噶尔乃至中亚造山带地壳生长与演化提供年代学依据。

1 地质背景

西准噶尔构造带总体呈北东-南西方向延伸, 但北部的吾尔喀什尔山、谢米斯台山、赛尔山、沙尔布尔提山和萨吾尔山是呈近东西走向的山脉, 构造线也呈近东西走向(图 1, 图 2)。其中发育多个蛇绿岩体, 最老的唐巴勒蛇绿岩体中斜长岩的 Pb-Pb同位素年龄为(523±7) Ma[23], 最年轻的克拉玛依蛇绿岩体的蚀变辉长岩的锆石 SHRIMP年龄为(332±14)Ma[24], 显示西准噶尔地区从寒武纪到石炭纪经历了长期的、复杂的增生和拼贴演化过程[2‒3]。

西准噶尔地区出露大面积的古生代地层, 主要以火山碎屑沉积为主。在西准噶尔北部,沉积岩的分布受扎尔玛-萨吾尔火山弧和博什库尔-成吉斯火山弧控制(图2)。扎尔玛-萨吾尔火山弧主要由泥盆-早石炭统弧火山岩组成。博什库尔-成吉斯火山弧则为志留-早石炭统火山岩。在西准噶尔南部, 地层主要以石炭系火山-海相沉积为主(图 2), 分布在达拉布特断裂带两侧广大地区；二叠系主要分布于艾比湖以北、托里县城一带以及柳树沟等地, 在西准噶尔的分布面积很少,而且岩相变化较大。区内侵入岩非常发育, 从超基性岩至酸性岩均有出露。同位素年代学数据显示, 西准噶尔侵入岩形成于晚志留-早二叠世[4,6,7,9]。

图1 西准噶尔及其邻区主要缝合带构造简图(据Xu et al.[13]和Han et al.[22]修改)Fig.1 Tectonic map showing the main units separated by major suture zones in the West Junggar and adjacent regions

图2 西准噶尔地区区域地质简图Fig.2 Simplified geological map of the West Junggar

本文所研究的7个侵入岩样品分别采自塔尔巴哈台山、吾尔喀什尔山、阿尔加提山、沙尔布尔提山和多拉那勒地区(图2)。它们由辉长岩、二长闪长岩、二长花岗岩、石英正长斑岩和石英二长岩组成,侵入到泥盆-早石炭统的弧火山岩中。样品 WJ1105由斜长石(42%)、钾长石(30%)、石英(25%)和黑云母(3%)组成, 副矿物为不透明矿物、锆石和磷灰石(图3a),定名为二长花岗岩。样品 WJ1107由斜长石(60%)、辉石(20%)、角闪石(20%)和石英(少量)组成,副矿物中有不透明矿物、磷灰石和锆石。辉石呈自形-半自形柱状, 为透辉石, 杂乱分布, 沿边部及解理缝被碳酸盐及少量绿泥石等交代, 部分已全部被交代呈假像(图 3b), 定名为蚀变辉长岩。样品WJ1109由斜长石(60%)、钾长石(10%)、石英(10%)、黑云母(10%)、角闪石(5%～10%)和辉石(1%～5%)组成,副矿物为不透明矿物、磷灰石和锆石(图3c), 定名为黑云石英二长闪长岩。样品WJ1117由斜长石(35%)、钾长石(40%)、石英(20%)、黑云母(少量)和角闪石(5%)组成, 副矿物为不透明矿物、磷灰石、锆石、榍石和褐帘石(图3d), 定名为角闪二长花岗岩。样品WJ1133和WJ1135由斑晶和基质组成。斑晶为钾长石(2%), 零星分布, 他形粒状。基质由钾长石(80%)、斜长石(3%)和石英(15%)组成, 均匀分布, 钾长石为正长石,半自形板条状, 高岭土化。副矿物为不透明矿物和锆石(图 3e), 定名为石英正长斑岩。样品WJ1143由斜长石(45%～50%)、钾长石(30%)、石英(15%)、黑云母(5%)和角闪石(1%～5%)组成, 副矿物有不透明矿物、磷灰石、锆石、榍石和褐帘石(图3f),定名为黑云母石英二长岩。

2 分析方法

图3 西准噶尔侵入岩的显微镜照片Fig.3 Microscopic photos of pluton in the West Junggar region

新鲜的全岩样品通过人工重砂法分选出锆石,然后在双目显微镜下挑选出晶形好、无裂隙、透明干净的自形锆石颗粒, 在玻璃板上用环氧树脂固定,并抛光至锆石中心, 然后进行反射光和透射光照相。用阴极发光扫描电子显微镜详细检查锆石内部结构, 以选择最佳分析点。LA-ICPMS锆石U-Pb定年测试在香港大学地球科学系完成, 所用仪器为VG PQ Excell ICP-MS及与之配套的 New Wave UP213激光剥蚀系统。激光剥蚀所用束斑直径为30 μm,频率为6 Hz, 通常的剥蚀时间是30～60 s, 剥蚀深度为20～40 μm。测试前, 在样品表面进行10 s的剥蚀以排除普通铅的污染。锆石年龄采用国际标准锆石91500进行外标校正, 每隔5个样品分析点测1次标样, 以保证标样和样品的仪器条件完全一致。详细的分析流程见Xia et al.[25]。

3 锆石LA-ICPMS U-Pb定年结果

本文7个典型的侵入岩样品锆石为半透明至透明, 以半透明为主, 主要为长柱状, 部分为棱柱状。长度为 80～250 μm, 长宽比在 1.2∶1～3∶1 之间。部分代表性锆石的阴极发光(CL) 图像(图 4)显示锆石具有振荡环带结构, 为典型的岩浆锆石。各岩体锆石U-Pb定年分析数据见表1, 其定年结果描述如下。

3.1 多拉那勒岩体(样品WJ1105)

多拉那勒二长花岗岩的锆石 U-Pb定年分析点共 22个, 其 Th/U比值为 0.54～1.43。在分析的 22个点中的15个点均落在谐和线上或谐和线附近, 可将其分为两组年龄。第一组由5个点组成,206Pb/238U年龄在 334～344 Ma之间, 加权年龄平均为(337±4)Ma(图5a)。另一组由10个点组成,206Pb/238U年龄在322～327 Ma之间, 加权年龄平均为(325±2) Ma(图5a)。上述两组年龄都比韩宝福等[4]测得的闪长岩年龄(300±4) Ma相对较老。笔者对多拉那勒二长花岗岩的地球化学研究显示, 多拉那勒二长花岗岩具有高的 SiO2(＞75%)、K2O(＞5%)和全碱(＞8%)含量,是花岗岩而不是闪长岩(笔者未发表数据)。本文对多拉那勒二长花岗岩的测年结果与韩宝福等[4]对闪长岩的测年结果存在差异, 可能是测年对象不同所致。因此, 多拉那勒可能至少存在两期岩浆事件,一期为早石炭纪, 另一期为晚石炭纪。

图4 代表性锆石阴极发光图像和测试点位置Fig.4 Representative CL images of zircons and analyzed points

表1 西准噶尔侵入岩的锆石LA-ICPMS U-Pb定年分析结果Table 1 LA-ICPMS U-Pb Zircon dating results from the West Junggar plutons

(续表 1)

(续表 1)

(续表 1)

3.2 达因苏岩体(样品WJ1107)

达因苏蚀变辉长岩的锆石 U-Pb定年分析点共22个, 其Th和U含量较高, Th/U比值为1.60～3.24。WJ1107-6和WJ1107-16这2个分析点的206Pb/238U表观年龄明显偏离正态分布特征, 在数据处理中没有考虑, 其他20个点在谐和图上形成单一和集中的聚集束。206Pb/238U年龄在342～345 Ma之间, 加权年龄平均为(343±2) Ma(图5b), 代表了该样品的结晶年龄。Chen et al.[9]对该岩体的锆石U-Pb测年获得两组年龄,一组为(346±3) Ma, 另一组为(333±2) Ma。所获得的年龄与第一组年龄在误差范围内一致。

3.3 活吉尔岩体(样品WJ1109)

活吉尔黑云石英二长闪长岩的锆石 U-Pb定年分析点共22个, 其Th/U比值为0.46～0.87。WJ1109-4和WJ1109-6这2个分析点的206Pb/238U表观年龄明显偏离正态分布特征, 其他20个点在谐和图上形成单一和集中的聚集束。206Pb/238U年龄在328～330 Ma之间, 加权年龄平均为(329±2) Ma(图5c), 代表了该样品的结晶年龄。该年龄与韩宝福等[4]测得的年龄(325±4) Ma在误差范围内一致。

3.4 库鲁木苏岩体(样品WJ1117)

库鲁木苏角闪二长花岗岩的锆石 U-Pb定年分析点共22个, 其Th/U比值为0.35～0.89。WJ1117-7和WJ1117-22这2个分析点的206Pb/238U表观年龄明显偏离正态分布特征, 其他20个点在谐和图上形成单一和集中的聚集束。206Pb/238U年龄在291～297 Ma之间, 加权年龄平均为(294±2) Ma(图5d), 代表了该样品的结晶年龄。该年龄比Chen et al.[9]测得的年龄(302±2) Ma相对年轻。

3.5 朱鲁木特地区(样品WJ1133和WJ1135)

图5 西准噶尔侵入岩的LA-ICPMS锆石U-Pb谐和图Fig.5 U-Pb concordia diagrams showing zircon ages obtained by LA-ICPMS for pluton in the West Junggar region

石英正长斑岩(WJ1133)的锆石 U-Pb定年分析点共22个, 其Th/U比值为0.61～2.03。在分析的22个点中的 11个点落在谐和线上或谐和线附近。206Pb/238U年龄在 295～299 Ma之间, 加权年龄平均为(297±2) Ma(图 5e), 这个年龄被解释为该样品的结晶年龄。石英正长斑岩(WJ1135)的锆石U-Pb定年分析点共22个, 其Th/U比值为0.78～1.70。在分析的22个点中的17个点落在谐和线上或谐和线附近。206Pb/238U年龄在 276～287 Ma之间, 加权年龄平均为(283±2) Ma(图 5f),这个年龄被解释为该样品的结晶年龄。

3.6 阿尔加提地区(样品WJ1143)

阿尔加提黑云母石英二长岩的锆石颗粒相对较小, 长度 60～120 μm, 长宽比接近 1∶1。样品的锆石U-Pb定年分析点共 22个, 其 Th/U 比值为 0.65～1.56。在分析的 22个点中的 13个点落在谐和线上或谐和线附近。206Pb/238U年龄在298～303 Ma之间,加权年龄平均为(302±2) Ma(图 5g), 这个年龄被解释为该样品的结晶年龄。

4 讨 论

4.1 西准噶尔晚古生代侵入岩的时空分布

西准噶尔北部的7个侵入岩体的锆石定年研究显示, 这些侵入岩的岩浆活动范围在343～283 Ma之间。此外, 前人对西准噶尔地区的侵入岩也取得一批高精度的锆石U-Pb定年数据(表2)。本文结合前人的定年数据和研究成果, 将西准噶尔地区晚古生代岩浆活动分为两期, 一期为早石炭世(346～321 Ma), 另一期为晚石炭-早二叠世(316～281 Ma)。从年代学上看,西准噶尔南部和北部岩浆活动时限也存在差异。下面分别讨论西准噶尔两期侵入岩的时空分布特征。

表2 西准噶尔晚古生代侵入岩代表性锆石U-Pb年龄结果Table 2 Representative zircon U-Pb age data of Late Paleozoic plutons in the West Junggar

4.1.1 早石炭世侵入岩的时空分布

西准噶尔早石炭世侵入岩主要由蚀变辉长岩、二长花岗岩和黑云石英二长闪长岩等组成。从时间分布来看, 其侵入时限在346～321 Ma之间(图6a,表2)。从空间分布来看, 这些早石炭世侵入岩主要分布在西准噶尔北部的扎尔玛-萨吾尔火山弧上。而西准噶尔南部, 仅在多拉那勒岩体的二长花岗岩中获得了两组早石炭世的年龄数据(337±4)Ma和(325±2)Ma (图 5a和表 2)。

图6 西准噶尔侵入岩的锆石U-Pb年龄柱状图Fig.6 Histograms of zircon U-Pb ages for plutons in the West Junggar年龄数据来自本文和表2

4.1.2 晚石炭-早二叠世侵入岩的时空分布

西准噶尔晚石炭-早二叠世侵入岩主要由角闪二长花岗岩、石英正长斑岩和黑云母石英二长岩等组成。从时间分布来看, 西准噶尔南部花岗岩(316～287 Ma)比北部花岗岩(303～283 Ma)的侵位时限相对更早, 其最大间隔达15 Ma(图6b, 表2)。而岩浆活动结束时间几乎相近, 岩浆活动的高峰期在 310～295 Ma之间(表2)。从空间分布来看, 西准噶尔地区晚石炭-早二叠世花岗岩在该地区广泛分布, 不受构造界限控制。从分布规模来看, 西准噶尔南部的花岗岩比北部分布面积更多、更广, 其岩石组成也相对较复杂[4,6,8]。

4.2 构造意义

西准噶尔早石炭世的构造背景目前仍然存在着不同看法, 一些学者认为是岛弧环境[9,16‒19,28]；另一些学者认为是后碰撞环境[4,7]。西准噶尔早石炭世的花岗岩主要由 I型花岗岩组成, 并没有与后碰撞相关的A型花岗岩的报道。这些I型花岗岩富集大离子亲石元素和轻稀土元素, 亏损高强场元素(如Nb、Ta和Ti), 显示了岛弧岩浆的特征[17,28]。在锆石饱和温度计算中, 这些早石炭世的 I型花岗岩锆石饱和封闭温度(718～813 ℃)明显比晚石炭-早二叠世的 A型花岗岩(774～1030 ℃)更低(图 7), 进一步显示其为正常的岛弧岩浆。此外, 从年代学来看, 这些早石炭世的花岗岩几乎只分布于扎尔玛-萨吾尔火山弧上, 严格受构造界限控制。资料显示, 扎尔玛-萨吾尔火山弧北侧的额尔齐斯-斋桑洋在早石炭世依然存在, 并向南北两侧的哈萨克斯坦和阿尔泰板块俯冲[2,9,29]。因此, 西准噶尔北部早石炭世的花岗岩可能是额尔齐斯-斋桑洋南向俯冲的产物。

图7 西准噶尔地区侵入岩的锆石饱和温度分类图Fig.7 Diagram for variations in zircon saturation temperatures from the West Junggar plutons

西准噶尔晚石炭-早二叠世的侵入岩分布非常广泛, 遍及全区。从岩石属性上看, 这些侵入岩不仅包含了A型花岗岩和紫苏花岗岩, 还有埃达克质花岗闪长岩和富镁闪长岩等, 与此同时, 还伴生有碱性玄武岩、拉斑玄武岩和赞岐岩等特殊岩石组合[8,12,27,30‒34]。从岩浆形成条件来看, 晚石炭-早二叠世的 A型花岗岩(774～1030 ℃)的岩浆锆石饱和温度比早石炭世I型花岗岩更高(图7)。A型花岗岩代表贫水、碱性、非造山花岗岩, 通常形成于伸展、高温的构造环境中[35]。目前的研究显示, A型花岗岩不仅可以形成于后碰撞背景, 也可能形成于洋脊俯冲环境, 是高地热梯度、伸展环境的产物[35]。与A型花岗岩同时伴生的紫苏花岗岩、埃达克岩、富镁闪长岩和碱性玄武岩等特殊岩石也反映了高温岩浆的特征。因此, 在晚石炭-早二叠世, 西准噶尔地区大量高温岩浆形成可能是岩浆形成环境发生巨变所致。目前, 越来越多的研究显示, 洋脊俯冲以及随后的板片窗的形成可能是西准噶尔晚石炭-早二叠世广泛的高温岩浆产生的重要动力学机制[8,12,27,30‒34]。从岩石分布看, 西准噶尔地区的埃达克岩(315 Ma)仅出露于克拉玛依和包古图一带, 而且其年龄明显老于西准噶尔地区的A型花岗岩,因此这些埃达克岩出露的位置, 可能代表俯冲板片的前端位置。随着洋中脊的进一步俯冲, 形成一个巨大的板片窗, 软流圈上涌, 使西准噶尔地区处于一个巨大的“火炉”之上, 从而导致广泛的 A型花岗岩、紫苏花岗岩等特殊岩石的产生。从时间上看, 西准噶尔南部的花岗岩侵位时限比北部花岗岩相对更早, 这也可能暗示着俯冲作用是从南往北逐渐推进的过程。

5 结 论

(1)根据本文和前人的锆石 U-Pb定年数据, 将西准噶尔晚古生代的侵入岩分为早石炭世(346～321 Ma)和晚石炭-早二叠世(316～281 Ma)两期。

(2)早石炭世的侵入岩主要由 I型花岗岩组成,主要出露于扎尔玛-萨吾尔火山弧上, 可能与额尔齐斯-斋桑洋的南向俯冲有关。

(3)晚石炭-早二叠世的侵入岩在全区广泛分布,不受构造界限控制。在时间上, 西准噶尔南部的侵入岩(316～287 Ma)比北部侵入岩(303～283 Ma)形成时间相对较早, 其最大间隔达15 Ma。这些侵入岩主要由A型花岗岩、紫苏花岗岩、埃达克岩和富镁闪长岩等特殊岩石组成, 反映了一个高温和张性环境。洋脊俯冲伴随板片窗的产生可能是西准噶尔晚石炭-早二叠世侵入岩形成的重要机制。

样品的锆石 U-Pb定年分析和数据处理工作得到香港大学地球科学系的耿红燕博士、Wong Jean博士和中国科学院广州地球化学研究所的岑涛等的帮助; 西北大学董云鹏教授和中国科学院广州地球化学研究所唐功建博士以及两位匿名审稿人审阅了本文初稿, 对本文修改提出了宝贵的建议和意见,使得本文不断完善, 在此一并表示衷心的感谢!

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