东昆仑南缘布青山构造混杂带亿可哈拉尔花岗闪长岩年代学、地球化学特征及构造意义研究

李瑞保 , 裴先治 *, 李佐臣 , 陈国超, 刘成军,陈有炘, 刘战庆, 裴 磊

1)长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室, 陕西西安 710054;

2)长安大学地球科学与资源学院, 陕西西安 710054; 3)桂林理工大学地球科学学院, 广西桂林 541004;

4)中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083

经典的埃达克岩是一种产在俯冲带构造环境却又不同于普通钙碱性弧岩浆岩, 它是产于现代岛弧中的具有独特岩石地球化学组成的中酸性火成岩, 是早期俯冲消减的洋壳板片部分熔融及其演化的产物(Defant et al., 1990, 1993; Drummond et al.,1990; Kay et al., 1993)。随后又有学者研究发现具有埃达克质地球化学特征的岩石不仅局限于洋壳俯冲带构造环境, 在大陆碰撞背景中由俯冲陆壳部分熔融(张宏飞等, 2007)或在地壳拆沉构造背景下也可产出(张旗等, 2001)。近年来, 学者在东昆仑南缘厘定出一条包含有混杂基质与众多构造混杂岩块的布青山—阿尼玛卿构造混杂岩带(裴先治等,2011, 2013; 刘战庆, 2011)。布青山构造混杂带是一条浓缩了东昆仑地区新元古代晚期—古生代洋陆演化信息的重要的构造混杂带。迄今为止, 学者陆续在东昆仑造山带及其南缘布青山地区发现了较多早古生代构造岩浆事件, 包括东昆仑寒武纪科科可特镁铁—超镁铁质岩带(冯建赟等, 2010)、寒武纪乌妥蛇绿岩(朱云海等, 2000; 王国灿等, 1999)、寒武纪可可沙弧石英闪长岩(张亚峰等, 2010)、志留纪和勒岗那仁后碰撞花岗岩(Li et al., 2013), 志留纪五龙沟碰撞型二长花岗岩(陆露等, 2013)等, 这些岩浆岩形成于原特提斯洋构造演化的不同构造阶段, 对探讨原特提斯构造域东昆仑早古生代洋陆构造演化具有重要意义。近年来, 笔者在东昆仑南缘布青山构造混杂带进行1:5万区域地质填图过程中,发现多个早古生代与原特提斯洋演化相关的构造岩浆事件, 通过地质、地球化学及同位素年代学手段在布青山地区确证发育有志留纪埃达克质岩浆岩, 这对恢复东昆仑造山带早古生代洋壳俯冲时限、洋陆构造演化历史及早古生代晚期地壳生长具有重要理论意义。

1 区域地质背景及岩体地质特征

布青山构造混杂带位于东昆仑造山带南缘布青山—马尼特一带, 其南侧为巴颜喀拉构造带, 北邻东昆仑造山带, 东接阿尼玛卿构造带。该构造混杂带呈近东西向展布, 南北宽约 10 km, 东西长约35 km, 向东延伸与阿尼玛卿构造带相接(图1a)。因其产出的特殊大地构造位置, 前人从不同角度对东昆仑造山带及南缘布青山地区做了大量研究, 并取得了较多研究成果(刘成东等, 2003; Bian et al.,2004; 丰成友等, 2004; 杨经绥等, 2005; 郭安林等,2006; 边千韬等, 2007; 刘战庆, 2011; 刘战庆等,2011; 李瑞保等, 2012)。野外调查与室内详细研究表明, 布青山构造混杂带主要由众多不同时代、不同构造属性的混杂岩块及二叠纪马尔争组(Pm)浊积岩系组成。混杂岩块呈大小不等的构造透镜体产出, 与围岩马尔争组(Pm)为断层接触关系。混杂岩块主要包括中元古界基底岩块苦海岩群(Pt2K)、早古生代洋壳型岩块和岛弧型岩块、晚古生代MORB型岩块和OIB型岩块等(刘战庆, 2011)。亿可哈拉尔花岗闪长岩体位于东昆仑南缘布青山构造混杂带得力斯坦—亿可哈拉尔地区, 呈近北西西向展布,东西长 8～10 km, 南北宽 1～2 km, 出露面积约15～20 km2, 岩体北侧与中元古界苦海岩群(Pt2K)大理岩呈断层接触, 南侧与二叠系马尔争组砂板岩(Pm)及上二叠统格曲组(P3g)复成分砾岩为断裂接触, 东侧与印支期闪长岩体亦呈断裂接触, 岩体局部有印支期闪长岩脉体侵入(图 1b, 图 2)。岩体岩性主要为灰白色片麻状、似斑状中粗粒花岗闪长岩,普遍发育片麻理构造, 产状主体南倾。

图1 布青山构造混杂带大地构造背景(a)及地质简图(b)(据刘战庆, 2011略改)Fig.1 Tectonic background(a), and the simplified geological map(b) of Buqingshan Tectonic Mélange Belt(modified after LIU, 2011)

图2 亿可哈拉尔花岗岩体实测剖面图(剖面AB位置见图1b)Fig.2 Measured geological section of Yikehalaer granodiorite(see Fig.1b for section AB)

灰白色似斑状中粗粒花岗闪长岩: 岩石为灰-灰白色, 呈似斑状结构, 基质为中粒花岗结构, 片麻状构造。主要矿物组成为斜长石(45%～60%)、石英(20%～25%)、钾长石(15%)、角闪石(10%～15%)、黑云母(2%～5%), 还有少量的磷灰石、锆石、磁铁矿等副矿物。部分斜长石颗粒较粗大, 呈斑晶零散分布, 斑晶呈宽板状, 聚片双晶发育, 粒径为3～5 mm, 斑晶约占1%左右。基质中斜长石粒径为0.5～2.0 mm, 呈柱状及板条状杂乱分布。钾长石呈半自形粒状, 石英呈它形粒状分布于长石之间, 具波状消光现象。角闪石呈长柱状, 黑云母呈片状分布, 可见黑云母中包裹较自形的磷灰石矿物。岩石蚀变主要表现为长石的高岭土化及绢云母化, 角闪石与黑云母的绿泥石化及绿帘石化。

2 测试方法

样品分别进行主量元素和微量元素分析。样品磨碎至 200目后, 在中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室进行主量和微量元素分析测试。主量元素使用 X-射线荧光光谱仪(XRF-1500)测试, 精度优于3%。微量元素及稀土元素利用酸溶法制备样品, 使用 ICP-MS(Element Ⅱ)测试, 分析精度优于 10%。化学分析测试流程参考Chen等(2000, 2002)的方法。

锆石 U-Pb同位素测试在西北大学大陆动力学国家重点实验室的 LA-ICP-MS仪器上用标准测定程序进行。分析仪器为Elan6100DRC型四级杆质谱仪和 Geolas200M 型激光剥蚀系统, 激光器为193 nm ARF准分子激光器。激光剥蚀斑束直径为30 μm, 激光剥蚀深度为20～40 μm。锆石年龄计算采用国际校准锆石 91500作为外标, 元素含量采用美国国家标准物质局人工合成硅酸盐玻璃NIST610作为外标,29Si作为内标元素进行校正。样品的同位素比值和元素含量采用 GLITTER(4.0版本, Macquarie University)程序处理, 并采用Anderson(2002)软件对测试数据进行普通铅校正, 年龄计算及谐和图绘制采用 Isoplot(2.49版)软件完成。详细的实验原理和测试流程及仪器参见相关文献 Yuan等(2004)。

3 LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学特征

为了精确限定亿可哈拉尔花岗闪长岩的形成时代, 对该岩体(样品 11207-7)进行高精度LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素年代学研究。采样地理坐标为北纬 35°25.420′, 东经 97°59.021′。

亿可哈拉尔花岗闪长岩的锆石晶体呈浅黄色—无色透明, 自形程度较高, 多呈长柱状, 粒径多为200～400 μm, 长宽比为1:2～1:4。锆石阴极发光(CL)照片显示(图 3), 锆石具明显的生长震荡环带结构,表明为岩浆锆石。另有极少数锆石发育有古老锆石的残留核(11207-7-09、11207-7-12等), 在CL图像中呈黑色椭圆状。为避免继承锆石对测年结果的影响, 所选测点均位于明显的岩浆环带上。前人研究表明, 不同成因锆石具有不同的Th/U比值, 岩浆成因锆石 Th/U比值一般大于 0.4, 变质成因锆石Th/U比值一般小于 0.1。在 23个测点中, 锆石Th 含量介于 31.92×10–6～217.97×10–6, U 含量介于49.8×10–6～307.8×10–6, 且 Th、U 呈较好的线型关系(图略), 与典型的岩浆锆石特征一致。Th/U介于0.34～0.97, 主体大于 0.4, 也显示了岩浆成因锆石特征。剔除五个不谐和的数据外, 剩余 18个数据206Pb/238U 加 权 平 均 年 龄 值 为(436.9±5.7) Ma(MSWD=3.0)(图 4), 时代为早志留世, 代表亿可哈拉尔花岗闪长岩的结晶年龄。

4 岩石地球化学特征

4.1 主量元素

亿可哈拉尔花岗闪长岩体 SiO2表现出较宽的变化范围, 介于 66.08%～72.22%, 属于中酸性岩石。岩石具有较高的 Na2O含量(4.61%～5.01%),Na2O/K2O比值主体大于 1.0(1.22～5.27), 平均为1.92, 显示出I型花岗岩特征。全碱含量(Na2O+K2O)介于5.96%～8.45%。样品TiO2含量变化较大, 介于0.29%～0.54%。MgO含量介于0.71%～1.15%, Mg#值介于53.52～57.39, 高于埃达克岩平均值47(钱青,2001); Al2O3含量主体大于 15%(14.94%～16.36%),A/CNK主体小于1.1(1.04～1.11), 为准铝质-弱过铝质。里特曼指数 σ介于 1.32～2.55, 表明其为钙碱性系列, 在 SiO2-(Na2O+K2O)图解中, 样品落入亚碱性区域(图5a), 在SiO2-K2O图解中, 样品主体落入高钾钙碱性系列范围(图 5b), 只有极个别样品落入中钾钙碱性范围, 可能系分析误差所致或者同一源区产生的岩浆在上侵过程中, 不同部位的岩浆成分有一定差异(杨岳清等, 2013); 在ANK-ACNK图解上(Maniar et al., 1989), 样品主体落入弱过稆质区域(图 6)。总之, 亿可哈拉尔花岗闪长岩主要表现出高硅、富钠、弱过铝质钙碱性花岗岩特征。

图3 亿可哈拉尔花岗闪长岩(样品11207-7)代表性锆石的阴极发光图像Fig.3 Cathodoluminescence images of representative zircons from Yikehalaer granodiorite (Sample No.11207-7)

图4 亿可哈拉尔花岗闪长岩(样品11207-7)LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄谐和图和直方图Fig.4 LA-ICP-MS zircon U-Pb concordia diagram and weighted average diagram for Yikehalaer granodiorite (Sample No.11207-7)

图5 亿可哈拉尔花岗岩分类图解Fig.5 Rock classification of Yikehalaer granodiorite Rock classification of Yikehalaer granodiorite

图6 亿可哈拉尔花岗岩ACNK-ANK图解(a)、SiO2-ACNK图解(b)Fig.6 ACNK-ANK diagram (a), SiO2-ACNK diagram (b) of Yikehalaer granodiorite

4.2 稀土元素、微量元素

亿可哈拉尔花岗闪长岩稀土总量(∑REE)为123.47×10–6～204.24×10–6, LREE/HREE 比 值 为15.11～31.73, 平均值为 22.94, 反映了岩石具有较强的轻重稀土分馏。(La/Sm)N为 4.43～8.05,(La/Yb)N较化较大, 为26.30～84.76, 均大于20.0。δEu介于 0.62～1.10之间, 主体为 1.0左右, 具 Eu弱负异常或弱正异常特征, 表明熔融源区几乎没有斜长石的残留。在球粒陨石标准化稀土元素配分曲线图解上(图7a), 样品表现出轻稀土富集、重稀土显著亏损的曲线平滑的右倾特征, 与埃达克岩稀土元素配分曲线基本一致(Defant et al., 1990,1993; Kay et al., 1993; Stern et al., 1996; Drummond et al., 1996; Sajona et al., 2000; Martin et al., 2005)。

微量元素特征方面, 岩体表现出明显的高Sr及低 Y、Yb特征。其中, Sr含量较高, 介于280×10–6～493×10–6, 主体大于 400×10–6, Y、Yb 含量较低, Y 介于 3.76×10–6～11.7×10–6, 均小于 18.0×10–6,Yb 介于 0.28×10–6～0.86×10–6, 均小于 1.9×10–6。Sr/Y比值介于 23.93～125.0, 主体大于 40, 平均值为67.34。样品相容元素 Cr、Ni含量较低, Cr<14×10–6,Ni<17×10–6。在N-MORB标准化不相容元素蛛网图中(图7b), 岩体在具有富集大离子亲石元素(如Cs、Rb、Ba、Th、U)和轻稀土元素、亏损高场强元素(Nb、Ta、Hf)及 Ti的弧岩浆岩特征基础上, 突出表现为Y、Yb、Lu元素的亏损和Sr元素的富集, 表现出与N-MORB标准化埃达克质花岗岩相似的特征(Defant et al., 1990, 1993; Kay et al., 1993; Drummond et al., 1996; Stern et al., 1996; Sajona et al.,2000; Martin et al., 2005)。

图7 亿可哈拉尔花岗闪长岩稀土元素球粒陨石标准化配分图(a)和正常洋中脊标准化微量元素蛛网图(b)Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns (a) and NMORB-normalized spidergram (b) of Yikehalaer granodiorite

图8 亿可哈拉尔花岗岩Y-Sr/Y图解(a)、(La/Yb)N-YbN图解(b)Fig.8 Y-Sr/Y diagram (a), (La/Yb)N-YbN diagram (b) of Yikehalaer granodiorite

图9 亿可哈拉尔花岗岩SiO2-MgO判别图解(a)和熔融源区SiO2-Mg#判别图解(b)Fig.9 SiO2-MgO discrimination diagram (a), and SiO2-Mg# melting source (b)of Yikehalaer granodiorite

5 讨论

5.1 岩石类型及岩石成因

亿可哈拉尔花岗闪长岩体表现为弱过铝质、钙碱性系列 I型花岗岩, 岩石成因可能与俯冲带岩浆弧构造环境相关。该岩体表现出典型的埃达克岩地球化学特征(Defant et al., 1990, 1993; Kay et al.,1993; Petford et al., 1996; Stern et al., 1996), 如Al2O3含量大于 15%, Sr含量明显大于 400×10–6,Y 含量全部小于 18×10–6, Yb 含量均小于 1.9×10–6,Sr/Y>40。在 Sr/Y-Y 图解(Defant et al., 1990)和(La/Yb)N-YbN图解上(Drummond et al., 1990)(图8a,b), 全部落入埃达克岩区域。在SiO2-MgO图解中落入高硅埃达克岩区域(Martin et al., 2005)(图9a)。

目前, 有关埃达克质岩石的形成机制有多种,主要包括: (1)俯冲洋壳熔融(Defant et al., 1990);(2)增厚下地壳熔融(Atherton et al., 1993; Condie et al., 2005); (3)拆沉下地壳熔融(Kay et al., 1993; Xu et al., 2002; Gao et al., 2004; Wang et al., 2006);(4)玄武质岩浆的结晶分异(Castillo et al., 1999)等。亿可哈拉尔花岗岩岩石学、地球化学研究表明其岩石类型为富Al2O3、富Na2O、高Sr低Y、Yb的钙碱性岩浆, 与俯冲洋壳熔融形成的埃达克岩特征相似(Defant et al., 1990, 1993), 而明显有别于下地壳镁铁质岩石和拆沉下地壳物质熔融产生的埃达克质岩通常所具有的富K2O、富碱、低Al2O3的特征(Kay et al., 1993; 张旗等, 2001; Xu et al., 2002; Wang et al., 2007)。在SiO2-Mg#图解中(图9b), 样品落入俯冲洋壳起源区域, 表明其形成与俯冲洋壳板片熔融密切相关。在角闪石、石榴石和单斜辉石中, Sr的分配系数很小, 而 Y的分配系数较高, 熔融残留相中存在石榴石和角闪石将导致埃达克质岩浆亏损Y和HREE并具高Sr/Y和La/Yb比值(Drummond et al.,1990; Defant et al., 1990, 1993)。在重稀土元素中,Ho的正异常和Er的负异常可能与角闪石的分异作用有关(马昌前等, 2004), 而本文重稀土表现出的Ho负异常和 Er正异常特征, 很可能与熔融源区角闪石的富集相关。亿可哈拉尔花岗岩表现出以上属性, 表明源区主要熔融残留相为石榴石和角闪石,以及Fe-Ti氧化物、金红石等。另外, 埃达克质花岗岩的稀土元素配分图解显示重稀土元素区段呈适度平坦状, 表明角闪石为主要矿物残留相, 因此推测熔融源区岩石为含石榴石角闪岩而非榴辉岩, 并估算为约含 10%～20%石榴石角闪岩熔融的产物(图8b)。实验岩石学研究表明, 在l～4 GPa的压力条件下, 玄武质源岩部分熔融形成的埃达克岩的Mg#<50。但是, 当板片熔体被地幔楔橄榄岩混染后其Mg#迅速增加可大于50(Peacock et al., 1994)。亿可哈拉尔岩体Mg#略高, 而Cr、Ni值较低, 可能反映了地幔楔橄榄岩对其的轻微混染。总之, 亿可哈拉尔花岗闪长岩体为俯冲洋壳 10%～20%石榴石角闪岩部分熔融的产物, 并遭受地幔楔对其轻微混染。

5.2 区域大地构造意义

前人对东昆仑造山带新元古代晚期—早古生代构造岩浆事件进行了较多研究, 基本认为东昆仑造山带是一个以加里东造山作用为主造山期、叠置有晚古生代古特提斯洋陆演化的复合造山带。区域上,代表早期拉张裂解的构造岩浆事件有东昆仑金水口南具裂谷属性的变辉长岩和小庙基性岩墙,LA-ICP-MS锆石 U-Pb年龄分别为(796±41) Ma和(733.66±6.6) Ma(任军虎等, 2011), 基本与 Rodinia超大陆裂解时间相对应。随着东昆仑地区进一步拉张裂解、成洋, 形成了寒武纪乌妥蛇绿岩(王国灿等,1999)、科科可特镁铁-超镁铁质岩(冯建赟等, 2010)、东昆仑南缘得力斯坦蛇绿岩(511 Ma)(刘战庆, 2011;刘战庆等, 2011)以及玛积洋岛辉长岩(李王晔, 2008)等。之后, 洋壳开始发生复杂的俯冲作用, 区域上,东昆仑清水泉地区出露一套原岩为 N-MORB型基性熔岩的中高压麻粒岩, 其变质年龄为508 Ma, 代表洋壳于508 Ma左右已俯冲至地下45～40 km深处并发生中高压麻粒岩相变质作用(李怀坤等, 2006)。东昆仑地区发育一套早古生代纳赤台岩群变中基性弧火山岩, LA-ICP-MS 锆石 U-Pb年龄为474 Ma(裴先治等, 2013), 东昆仑万宝沟地区发育一套弧花岗岩, 侵入年龄为450 Ma, 东昆仑香日得以南发育一套岛弧性质的变形变质闪长岩体, 单颗粒锆石U-Pb年龄为(446.5±9.1) Ma(陈能松等, 2000),这些均为洋壳俯冲阶段的构造岩浆响应。

岩石成因研究表明亿可哈拉尔花岗闪长岩熔融源区相当于含 10%～20%的石榴石角闪岩而非榴辉岩, 以及岩石类型为 O型埃达克质花岗岩特征,表明早志留世仍处于洋壳俯冲阶段, 而非源区相当于榴辉岩相的大陆碰撞及陆壳加厚的构造背景。刘战庆(2011)报道布青山地区白日切特弧花岗闪长岩LA-ICP-MS锆石 U-Pb年龄为(441.1±6.3) Ma,弧流纹斑岩 LA-ICP-MS锆石 U-Pb年龄为(437.75±2.8) Ma。本项研究新获得亿可哈拉尔花岗闪长岩 LA-ICP-MS 锆石 U-Pb年龄为(436.9±5.7) Ma, 与上述学者报道的布青山地区弧花岗岩年龄近乎一致。因此, 本文确定布青山构造带于 441～437 Ma期间, 仍发育有一期重要的与洋壳俯冲相关的构造岩浆事件。综合东昆仑造山带及其南缘布青山构造混杂带新元古代以来具有不同构造属性岩浆事件群, 认为东昆仑古洋盆于寒武纪开始发生俯冲, 俯冲作用持续时间可能较长。本文数据进一步表明洋壳俯冲作用至少持续到早志留世(437 Ma), 并于俯冲晚期引发洋壳熔融事件(边千韬等, 2007), 造成东昆仑地区志留纪一次重要的地壳生长。

中晚志留志以来东昆仑地区转入后碰撞及陆内演化阶段。区域上, 东昆仑东段早古生代晚期 A型花岗岩标志东昆仑造山带转入后碰撞构造阶段(Li et al., 2013)。东昆仑中断裂高角度韧性逆冲变形时代为426—408 Ma(Wang et al., 2003), 应为洋盆关闭后碰撞造山阶段的地壳中深层次构造响应。沿昆中断裂带西段产出的同构造花岗斑岩(锆石206Pb/238U年龄为408 Ma和391 Ma)为加里东末期陆内构造变形的产物(陆露等, 2010)。泥盆纪牦牛山组磨拉石组合的沉积则宣告东昆仑造山带早古生代洋陆演化及加里东期主造山作用的彻底结束, 和新一轮与北古特提斯洋相关的洋陆旋回演化的开启(陈能松等, 2008; 李瑞保等, 2012; Li et al., 2013)。

6 结论

1)布青山构造混杂带亿可哈拉尔岩体主体岩性为灰白色似斑状、片麻状中粒花岗闪长岩, 与围岩为断层接触关系, 主量元素表现出高 SiO2、富Na2O、准铝-弱过铝钙碱性花岗岩特征。稀土元素和微量元素特征表明其为典型的埃达克质花岗闪长岩。

2)亿可哈拉尔花岗闪长岩 LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(436.45±6.8) Ma, 时代为早志留世, 代表该岩体于早志留世形成侵位。

3)亿可哈拉尔花岗闪长岩是由俯冲洋壳变质形成的约含 10%～20%的石榴石角闪岩部分熔融形成,源区主要熔融残留物为石榴石与角闪石。区域构造研究表明, 原特提斯构造域东昆仑古洋盆于寒武纪开始发生俯冲, 俯冲作用持续时间较长, 可能持续至早志留世(437 Ma), 并于俯冲晚期引发了一期重要的洋壳熔融事件。

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