中天山与吐哈地块的碰撞时限：来自早泥盆世后碰撞花岗岩类的证据∗

尼加提阿布都逊，木合塔尔扎日，吴兆宁，郭瑞清

(1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐830049；2.新疆大学中亚造山带大陆动力学与成矿预测自治区重点实验室，新疆乌鲁木齐830049)

作为造山带的重要组成部分，花岗岩与造山带的形成和演化有密切的成因联系，因此以花岗岩为研究对象来解决造山带形成与演化、地壳增生等地质问题是目前地球科学的前沿课题之一[1−3].伊犁—中天山地块位于天山造山带的核部，是塔里木和准噶尔—哈萨克斯坦板块间的一个微陆块[4].由于两侧的古洋壳均向该陆块之下俯冲以及俯冲碰撞后的造山伸展、垮塌作用，致使其中形成大量岩浆岩[5−9].区域地质调查表明，中天山东段路白山一带出露一套中酸性侵入岩，详细的野外地质关系和锆石SHRIMP定年（408±20Ma）结果显示，其形成时代为早泥盆世.这套侵入岩分布面积广，岩体规模大，是中天山地块北缘古生代以来最强的一次岩浆事件的产物.这次岩浆事件的确定对于认识中天山北缘古洋盆演化过程与闭合时限具有重要的意义.在前人研究工作基础上，对这套侵入岩进行较详细的地球化学分析，并结合笔者所在课题组近5年以来在该区开展的野外地质工作及其相关科研成果，探讨其形成的地质构造背景，以期为中天山地块的地壳增生与演化提供约束.

0 区域地质概况

研究区大地构造位置处于天山造山带东段，涉及中天山和觉罗塔格两个重要的大地构造单元，是中亚造山带（CAOB）的重要组成部分[10−11].以近东西向展布的阿其克库都克断裂带为界，南侧的中天山地块是塔里木板块的组成部分，自古元古代从塔里木板块分离出来以后经历了与南部的南天山洋和北部的古亚洲洋裂解乃至关闭有关的多期岩浆事件[12−15]，存在多旋回岩浆作用，侵入岩分布面积广，成为中天山地块的主要组成部分；北侧的觉罗塔格造山带属于古亚洲洋构造域，是塔里木和准噶尔—哈萨克斯坦两大板块在古生代期间会聚碰撞的产物[16].

1 岩体地质及岩相学特征

中天山地块东段早泥盆世花岗质岩石出露于阿其克库都克断裂以南，是区内面积最大的一套中-酸性侵入岩，分布面积约210 km2，主要成大型岩基、岩株，形态多成等轴状、近椭圆状，具主动侵位的特征（图1）.岩体与星星峡群及中、新元古代的侵入岩成超动侵入接触，并被早、晚石炭世花岗岩超动穿插.岩体没有变形、变质，可与中、新元古代的侵入岩区别，并以普遍含有基性暗色包体，发育大量基性-中酸性岩脉，形成罕见的乱石条地貌，可与石炭纪花岗岩区别.

根据野外接触关系和岩相学特征，将早泥盆世花岗岩类分为灰白色中粗粒花岗闪长岩（D1γδ）、浅肉红色粗粒二长花岗岩（D1ηγ）、肉红色粗粒钾长花岗岩（D1ξγ）、肉红色粗粒斑状花岗岩（D1πγ）和红色细粒花岗岩-花岗斑岩（D1γπ）等5个岩石单元(图1).

灰白色中粗粒花岗闪长岩（D1γδ）为研究区早泥盆世侵入岩的主要岩石单元，成近等轴状或不规则的岩株、岩枝产出，与长城系星星峡群、新元古界的花岗闪长岩和辉长岩均为侵入接触.岩石为灰色，中粗粒等粒结构，块状构造，岩石主要矿物为石英（20%∼25%）、斜长石（40%∼50%）、碱性长石（20%∼30%）及黑云母（<5%），副矿物有磷灰石、磁铁矿和锆石.斜长石主要为更长石，呈半自形板状晶形，粒径2∼6 mm.碱性长石主要为条纹长石和微斜条纹长石，呈它形，粒径3∼5 mm.黑云母粒度小于2 mm，具不同程度的白云母化和绿泥石化.岩体的局部可见暗色包体，一般直径约为5 cm左右，最大者达40 cm，主要为微粒辉长岩和闪长岩.此外，岩石中局部暗色矿物集中，形成不规则的析离体，基性岩脉发育.

浅肉红色粗粒二长花岗岩（D1ηγ）为区内的主要岩性，常与花岗闪长岩单元共生，呈渐变过渡的涌动接触关系，局部形成独立的岩株.岩石呈浅肉红色，中粗粒花岗结构，块状构造.主要矿物为石英（25%∼30%）、斜长石（25%∼30%）、碱性长石（30%∼35%）及黑云母（<5%），部分样品中可见少量白云母.副矿物主要有磷灰石、锆石、磁铁矿，或见少量的石榴石、绿帘石.斜长石主要为更长石，呈半自形板状.碱性长石主要为微斜长石和条纹长石，半自形板状-它形晶.黑云母常退色蚀变为白云母，原生白云母含量小于1%.石榴石含量小于1%，属铁铝榴石.岩体中可见暗色包体和顶垂体，包体直径约5 cm左右，顶垂体为宽100 m，长达200 m的透镜体，其所含主要矿物为角闪石，斜长石及少量石英，具较强的绢云母化、绿帘石化和黝帘石化.该岩体中闪长玢岩-辉绿岩-花岗斑岩脉发育.

肉红色粗粒钾长花岗岩（D1ξγ）在研究区分布广泛，但岩体规模不大，产状较复杂：（1）产于粗粒斑状花岗岩单元边缘，一起构成大规模的岩株；（2）在花岗闪长岩和二长花岗岩中成岩枝、岩滴产出，与前二者为脉动侵入接触；（3）常成大型岩脉、岩滴侵入于新元古代的花岗闪长岩和辉长岩内.岩石为肉红色，具中粗粒-细粒花岗结构，块状构造，组成矿物主要为碱性长石（50%∼60%）、石英（25%∼35%）、斜长石（10%∼15%）、黑云母（3%∼5%），偶见少量的白云母.碱性长石主要为微斜长石、正长石和条纹长石，半自形板状-它形粒状晶形，具轻度的高岭土化，粒度5∼8 mm.斜长石属更长石，半自形板状为主，粒度2∼5 mm；石英，它形，粒度5 mm左右.常见较大的晚古生代辉长岩、花岗闪长岩捕虏体和顶垂体.

肉红色-粗粒斑状花岗岩（D1πγ）为研究区中酸性侵入岩的主要岩性，岩体规模较大，多与粗粒钾长花岗岩单元伴生，成脉动关系侵入于钾长花岗岩中.岩石成肉红色，粗粒似斑状结构，块状构造.斑晶为自形的肉红色钾长石，粒径12∼15 mm，含量20%∼40%，斑晶周围发育白色的钠长石环边；基质主要为石英、钾长石、黑云母和角闪石.石英，它形，粒径2 mm左右，含量20%∼30%；黑云母，含量5%左右；角闪石，粒度1∼3 mm左右，含量10%左右.含细粒辉长岩和闪长岩等暗色包体，包体直径2∼40 cm不等，发育透入性的钾长石交代斑晶.该岩石中各类岩脉发育，以北东和北西向的两组辉绿岩脉最为典型.此外还有近南北向、东西向的辉绿岩、闪长玢岩脉、安山玢岩、正长斑岩、花岗斑岩、流纹斑岩、霏细岩脉，形成乱石条地貌.这些岩脉很少穿出寄主岩体，表明它们可能为同期岩浆演化过程的产物.

红色细粒花岗岩-花岗斑岩（D1γπ）多成岩脉和岩枝侵入于早阶段形成的岩体中.岩石为暗肉红色，具细粒-等粒结构，斑状、块状构造.斑晶可有钾长石、斜长石、石英、黑云母，含量不等.斜长石斑晶含量可达10%，具环带结构.内核蚀变较强，有帘石化、绢云母化和泥化.外环带干净，含文象交生的石英.钾长石斑晶较少见，主要为微斜长石.基质主要矿物为钾长石、石英、斜长石，其中钾长石与石英规则交生的显微文象结构常见.暗色矿物含量少于3%，主要为黑云母.

图2 侵入岩QAP分类三角图十字为CIPW标准矿物、圆圈为实际矿物含量投点.

图3 花岗岩类岩石ACF成因类型划分图

2 地球化学特征

2.1 主量元素特征

对研究区内早泥盆世侵入岩不同岩性的主量、稀土及微量元素分析结果见表1.CIPW标准矿物和实际矿物成分在QAP三角图（图2）中的投影显示，岩石类型主要为花岗闪长岩、二长花岗岩、钾长花岗岩、闪长岩和石英闪长岩.在花岗岩ACF成因类型划分图（图3）中主要以I型花岗岩为主.花岗岩类SiO2(75.26%∼77.25%)含量高且较集中，MgO(0.11%∼0.29%)、CaO(0.46%∼1.25%)含量相应较低；K2O（3.87%∼6.54%）含量较高、K2O/Na2O（1.25∼3.29）比值大于1，在SiO2-K2O图解（图4）上可以看出，石英闪长岩—钾长花岗岩形成由中钾钙碱性逐渐向高钾钙碱性过渡的岩浆演化趋势.各类岩石A/CNK值介于0.94∼1.10，在A/CNK-A/NK图解（图5）中落入准铝质—弱过铝质区域.

图4 早泥盆世花岗岩类SiO2-K2O图

图5 早泥盆世花岗岩类A/CNK-A/NK图

石英闪长岩和二长花岗岩中的暗色微粒包体具与寄主岩相反的主量元素特征.其中SiO2（57.56%∼58.02%）含量较低，而MgO(2.78%∼3.09%)、CaO(5.37%∼6.05%)含量较高，Mg#值介于0.38∼0.43之间；K2O（1.61%∼2.3%）含量偏低，K2O/Na2O（0.42-0.70）比值小于1，在SiO2-K2O图解（图4）中落入中钾钙碱性系列.

2.2 稀土及微量元素特征

研究区早泥盆世侵入岩ΣREE含量总体较低（50.45×10−6∼84.03×10−6）.在稀土元素球粒陨石标准化配分模式图（图6A）上，轻稀土元素富集、重稀土元素相对亏损，轻重稀土元素分馏较明显（(La/Yb)n=3.58∼7.10）.除石英闪长岩（ADZ-02）外，其他岩石具较明显的Eu负异常（δEu=0.18∼0.58）.各岩石配分型式的趋同性，反映了同源岩浆演化形成了具分异特征的钙碱性花岗岩系列[17].Eu负异常暗示在岩浆源区有斜长石残留或斜长石经历了较强的结晶分离作用.

图6 早泥盆世花岗岩类稀土元素球粒陨石标准化配分图（A）与微量元素原始地幔标准化蛛网图（B）

表1 早泥盆世花岗岩类主量元素（WB/%）与微量及稀土元素（WB/10−6）分析结果与部分参数

岩石中暗色微粒包体与石英闪长岩具有类似的稀土元素特征，即具相对较高的ΣREE丰度(124.85×10−6∼131.5×10−6)，轻重稀土元素分馏不明显（(La/Yb)n=2.72∼4.31），配分曲线呈相对光滑的缓右倾型型式（图6A），铕负异常不明显（δEu=0.57∼0.76）.

微量元素原始地幔标准化蛛网图（图6B）显示，花岗岩类的各岩性的分布曲线具明显的趋同性，总体上表现为大离子亲石元素（LILE）相对富集、高场强元素（HSFE）呈现不同程度的负异常，体现了一般壳源花岗岩的特点.石英闪长岩和微粒闪长岩包体以较低的Rb丰度和较弱的Ba、Zr、Hf负异常区别于花岗岩类.

3 成岩构造背景及其地质意义

3.1 成岩构造背景

2005年开展的1:50000区域地质调查中，前人把该区早泥盆世花岗岩类形成的构造环境判定为陆缘弧.而基于上述分析，这些侵入岩体（群）具有后碰撞花岗岩类的特征.后碰撞花岗岩类的岩石类型多样，多数以中—高钾钙碱性I型花岗岩为主，并伴有铁镁质—超铁镁质岩石的形成[18].研究区早泥盆世花岗岩类岩石类型多种，包括花岗闪长岩、二长花岗岩、钾长花岗岩、斑状花岗岩及花岗斑岩.其中部分二长花岗岩和钾长花岗岩样品出现标准刚玉分子大于1%，且含有少量原生白云母、石榴石等富铝矿物，略表现出向S型花岗岩过渡的地球化学特征，但铝饱和指数小于1.1，属弱过铝质，与典型的同碰撞强过铝质S型花岗岩不完全相同.其余岩石富含暗色微粒包体，铝饱和指数介于0.94∼1.0，属准铝质—弱过铝质，标准刚玉分子含量均小于1%（部分为0），与典型I型花岗岩类似.各类岩石以中—高钾钙碱性岩浆系列为主，微量元素富集大离子亲石元素（LILE），亏损高场强元素（HFSE）；稀土元素富集轻稀土、相对亏损重稀土，并具较明显的Eu负异常.从野外地质特征来看，岩体没有变形、变质，发育大量同期基性岩脉.这些岩脉的分布受到岩体边界控制，基本上不进入围岩，或在围岩中很快尖灭，说明是在花岗岩未完全固结时侵位的，表明与该期花岗岩侵位的同时，还伴有幔源基性岩浆的底侵作用.可见，野外地质与地球化学分析结果，均表现出后碰撞花岗岩类的基本特征.在Rb-(Y+Nb)构造环境判别图（图7a）中，所有样品均落入后碰撞花岗岩区域；在Nb-Y构造环境判别图（图7b）中，样品则落入岛弧及同碰撞花岗岩区域，暗示前期俯冲作用对岩浆源区物质组成有一定的贡献.这些花岗岩类分布在中天山地块上，花岗岩中继承锆石的SHRIMP定年确定其年龄集中在1435±30Ma，与区内中元古界片麻状花岗岩的年龄一致，表明早泥盆世花岗岩类很可能是由深部的中元古界片麻状花岗岩重熔的产物，富钾特征明显说明岩浆主要来源于成熟度较高的陆壳.结合岩石矿物组合中部分样品含石榴石和白云母等过铝质的矿物的现象，推测其岩浆来源于沉积岩和火成岩的混合源区.岩体内含大量的中—基性岩脉、辉长岩捕虏体、细—微粒闪长岩并具岩浆包体的塑变形态，含透入性的钾长石交代斑晶，局部出现小规模的闪长岩岩枝，这些表明，在壳源花岗质岩浆侵位的同时，发生幔源基性岩浆的底侵作用，并为壳源花岗岩的形成提供了热源.

图7 花岗岩的微量元素构造环境判别图解（据Pearce,1996）

3.2 中天山与吐哈地块的碰撞时限

前人普遍认为，中天山北缘古生代早、中期花岗岩类的成因与其北侧古天山洋盆的演化过程密切相关，然而，关于该洋盆的闭合时限观点不一.部分学者认为，中天山晚古生代（包括早古生代晚期）花岗岩的形成与早古生代的一次造山过程的晚期伸展阶段有关[19−20]；也有学者认为，中天山地块450—400 Ma之间的花岗岩与板片俯冲有关，碰撞事件发生于泥盆纪或石炭纪[21−22].由此可见，争论的焦点在于中天山与吐哈地块之间的碰撞造山作用属于早古生代还是晚古生代？此次碰撞事件的限定对重建中天山北缘与觉罗塔格地区古生代构造格局至关重要.

中天山北缘洋盆（古天山洋盆）最早开裂时间为震旦纪，在寒武纪—奥陶纪是裂解和俯冲的顶盛时期，并于加里东期（局部可滞后到泥盆纪）末关闭或仅在局部存在残留洋盆[23−25].阿其克库都克断裂带是古亚洲洋向南倾斜的加里东期俯冲带[26−27]，在托克逊南米什沟、干沟一带有蛇绿混杂岩[28−29]存在，向东可能断续延至尾亚蛇绿混杂岩[27].中天山东段北侧蛇绿混杂岩出露很少，存在不连续性，可能是晚古生代以后中天山向北逆冲推覆，遭受掩盖和剥蚀的结果.中天山东段发育的典型淡色花岗岩形成时代不晚于354Ma，标志着与其相关的碰撞构造至少在354Ma前已经完成[30].上已述及，中天山北缘早泥盆世花岗岩类形成于后碰撞构造环境，进一步说明中天山与吐哈地块的主碰撞作用至少在408Ma前已经完成.造山带的同碰撞与后碰撞是前后相继的两个构造演化阶段，岩浆活动可能具有连续演化的特点，在时间上，后碰撞花岗岩类的形成一定晚于碰撞事件，也晚于蛇绿岩的构造侵位，因而后碰撞花岗岩类就有可能侵入在蛇绿岩之中[18].新的研究结果显示，中天山地块干沟一带425Ma的A型花岗岩侵入于干沟蛇绿岩中[20]，显示后碰撞花岗岩的特征.从已有年龄数据来看，区域变质作用集中于430—440Ma[9,20]，同时，440Ma的二云母花岗岩具同碰撞S型花岗岩的特征[31].从沉积建造来看，干沟蛇绿混杂岩发生绿片岩相变质作用且强烈变形，并被未变形的下志留统米石沟复理石砂岩不整合接触[10]；米什沟一带含笔石的上志留统砂砾岩与下伏奥陶纪火山岩之间为不整合接触[10].基于上述事实，中天山北缘洋盆于志留纪中期已闭合，致使中天山与吐哈地块相互碰撞.从晚志留世开始，该区进入后碰撞构造演化阶段.巴伦台一带370—350Ma的花岗岩类亦代表后碰撞岩浆活动的产物[22]，说明此阶段可能一直持续到晚泥盆世.

4 结论

中天山东段路白山一带早泥盆世岩浆活动频繁，侵入岩广泛发育，主要由花岗闪长岩、二长花岗岩、钾长花岗岩、斑状花岗岩及花岗斑岩组成，以中—高钾钙碱性I型花岗岩为主.野外地质、岩石矿物及地球化学特征显示，其形成于后碰撞构造环境.中天山与吐哈地块于志留纪中期发生碰撞，从此以后进入较漫长的后碰撞构造演化阶段，并可能持续到晚泥盆世.

参考文献：

[1]肖庆辉,邢作云,张昱,等.当代花岗岩研究的几个重要前沿[J].地学前缘,2003,10(3):221-229.

[2]马昌前,佘振兵,张金阳,等.地壳根、造山热与岩浆作用[J].地学前缘,2006,13(2):130-138.

[3]肖庆辉.花岗岩类与大陆地壳生长初探—以中国典型造山带花岗岩类岩石的形成为例[J].中国地质,2009,36(3):594-622.

[4]舒良树,朱文斌,王博,等.新疆古块体的形成与演化[J].中国地质,2013,40(1):43-60.

[5]Gao J,Long L L,R Klemd,et al.Tectonic evolution of the South Tianshan orogen and adjacent regions,NW China:geochemical and age constraints of granitoid rocks[J].International Journal of Earth Sciences,2009,98:1221-1238.

[6]Long L L,Gao J,R Klemd,et al.Geochemical and geochronological studies of granitoid rocks from the Western Tianshan Orogen:Implications for continental growth in the southwestern Central Asian Orogenic Belt[J].Lithos,2011,126:321-340.

[7]Dong Y P,Zhang G W,Franz N,et al.Syn-and post-collisional granitoids in the Central Tianshan orogen:Geochemistry,geochronology and implications for tectonic evolution[J].Gondwana Research,2011,20:568-581.

[8]朱涛,马中平,徐学义,等.中天山南缘那拉提构造带达格特闪长岩的年龄、地球化学特征及其构造意义[J].地质通报,2012,31(12):1965-1972.

[9]陈义兵,张国伟,柳小明,等.中天山巴仑台地区变形花岗岩类LA-ICP-MS U-Pb年代学及其构造意义[J].地质论评,2012,58(1):117-125.

[10]车自成,刘洪福,刘良,等.中天山造山带的形成和演化[M].北京:地质出版社,1994:1-142.

[11]李锦轶,何国旗,徐新,等.新疆北部及邻区地壳构造格架及其形成过程的初步探讨[J].地质学报,2006,80(1):148-168.

[12]Gao J,R Klemd,Qing Q,et al.The collision between the Yili and Tarim blocks of the Southwestern Altaids:Geochemical and age constraints of a leucogranite dike crosscutting the HP–LT metamorphic belt in the Chinese Tianshan Orogen[J].Tectonophysics,2011,499:118-131.

[13]Xiao W J,Windley B F,Allen M B,et al.Paleozoic multiple accretionary and collisional tectonics of the Chinese Tianshan orogenic collage[J].Gondwana Research,2013,23:1316-1341.

[14]李锦轶.新疆东部新元古代晚期和古生代构造格局及其演变[J].地质评论,2004,50(3):304-322.

[15]Wang B,D Cluzel,Shu L S,et al.Evolution of calc-alkaline to alkaline magmatism through Carboniferous convergence to Permian transcurrent tectonics,western Chinese Tianshan[J].International Journal of Earth Sciences,2009,98:1275-1298.

[16]木合塔尔·扎日,张晓帆,吴兆宁,等.东天山准噶尔—哈萨克斯坦板块与塔里木板块缝合线的再厘定及其意义[J].地学前缘,2009,16(3):138-148.

[17]王中刚.稀土元素地球[M].北京:科学出版社,1989.

[18]韩宝福.后碰撞花岗岩类的多样性及其构造环境判别的复杂性[J].地学前缘,2007,14(3):64-72.

[19]韩宝福,何国琦,吴泰然,等.天山早古生代花岗岩锆石U-Pb定年、岩石地球化学特征及其大地构造意义[J].新疆地质,2004,22(1):4-11.

[20]Wang M,Zhang J J,Zhang B,et al.An Early Paleozoic collisional event along the northern margin of the Central Tianshan Block:Constraints from geochemistry and geochronology of granitic rocks[J].Journal of Asian Earth Sciences,2014,http://dx.doi.org/10.1016/j.jseaes.2014.7.1.

[21]姜常义,穆艳梅,白开寅,等.南天山花岗岩类的年代学、岩石学、地球化学及其构造环境[J].岩石学报,1999,15(2):298-308.

[22]Ma X X,Shu L S,Meert J G,et al.The Paleozoic evolution of Central Tianshan:Geochemical and geochronological evidence[J].Gondwana Research,2014,25(2):797-819.

[23]Xiao W J,Zhang L C,Qin K Z,et al.Paleozoic accretionary and collisional tectonics of the Eastern Tianshan(China):Implications for the continental growth of central Asia[J].American Journal of Science,2004,304(4):370-395.

[24]李锦轶,曲军峰,张进,等.中国北方造山区显生宙地质与历史重建与成矿地质背景研究进展[J].地质通报,2013,32(2-3):207-219.

[25]Han B F,He G Q,Wang X C,et al.Late Carboniferous collision between the Tarim and Kazakhstan-Yili terranes in the western segment of the South Tian Shan Orogen,Central Asia,and implications for the North Xinjiang,western China[J].Earth Science Reviews,2011,109:74-93.

[26]马瑞士,王赐银,叶尚夫,等.东天山构造格架及地壳演化[M].南京:南京大学出版社,1993:1-225.

[27]陈希节,舒良树,马绪宣.新疆尾亚蛇绿混杂岩与镁铁质麻粒岩地球化学特征及构造意义[J].高校地质学报,2012,18(4):661-675.

[28]朱宝清,冯益民,杨军录,等.新疆中天山干沟一带蛇绿混杂岩和志留纪前陆盆地的发现及其意义[J].新疆地质,2002,20(4):326-330.

[29]Xiao W J,Han C M,Yuan C,et al.Middle Cambrian to Permian subduction-related accretionary orogenesis of northern Xinjiang,NW China:Implication for the tectonic evolution of Central Asia[J].Journal of Asian Earth Sciences,2008,32(2-4):102-117.

[30]郭召杰,韩宝福,张志诚,等.中天山东段古生代淡色花岗岩的发现及其构造意义[J].岩石学报,2007,23(8):1841-1846.

[31]杨猛,王居里,王建其,等.新疆中天山北缘望峰地区花岗岩的地球化学、锆石U-Pb年代学及Hf同位素组成研究[J].岩石学报,2012,28(7):2121-2131.