东准噶尔卡拉麦里断裂以南早石炭世后碰撞花岗岩的发现及其地质意义*

田健 廖群安＊＊ 樊光明 聂小妹 王富明

1.中国地质大学地球科学学院，武汉 430074

2.中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室，武汉 430074

1 引言

新疆北部位于西伯利亚板块、哈萨克斯坦板块和中朝板块的连接处，隶属于中亚造山带。准噶尔盆地位于天山与阿勒泰造山带之间(图1a)。东准噶尔地区发育两条重要的蛇绿岩带，即阿尔曼太蛇绿岩带和卡拉麦里蛇绿岩带，前人研究认为，卡拉麦里洋盆在志留系末期-泥盆系初形成(李锦轶等，1990，2009;黄岗等，2012)，早-中泥盆世为俯冲消减阶段(张海祥等，2004;张招崇等，2006)，但是对于卡拉麦里洋盆的闭合时间，却存在不同的认识。王道永和邓江红(1995)认为卡拉麦里洋盆在泥盆系已经闭合，吴润江等(2009)、黄岗等(2012)和吴琪等(2012)认为洋盆在早石炭中期之前闭合，但并未给出洋盆闭合的具体时限;另一些学者则认为洋盆在早石炭世中晚期-晚石炭世期间闭合(Su et al.，2012;Zhang et al.，2009)，还有一些学者认为洋盆在晚石炭世闭合(Xiao et al.，2011)，龙晓平等(2006)则认为洋盆在二叠系才真正闭合。所以，卡拉麦里洋盆闭合时间的限制需要更多可靠的证据。

研究表明，后碰撞构造演化的时限对于造山带的研究具有重要的限定作用(韩宝福等，2006;王京彬和徐新，2006)。韩宝福等(2006)认为东准噶尔后碰撞花岗岩的时限为330～265Ma 之间，且岩浆活动的高峰期为330～310Ma 和305～280Ma 两个时段。但是大量的花岗岩数据集中在晚石炭世-二叠纪，对于早石炭世的花岗岩报道很少(刘家远和袁奎荣，1996)。近年来，许多学者对于卡拉麦里断裂以北的花岗岩进行了详细的研究，锆石年龄也主要集中在284～314Ma(苏玉平等，2006;李月臣等，2007;林锦富等，2007;唐红峰等，2007;杨高学等，2008，2009;李永军等，2009;Yang et al.，2011;韩宇捷等，2012)。但是对于卡拉麦里断裂以南的花岗岩却还未曾报道。本文研究的五彩城岩体位于卡拉麦里断裂以南，岩体的锆石LA-ICP-MS 年龄为341.1±4.0Ma～340.9 ±5.1Ma，是目前在卡拉麦里地区报道的最老年龄，岩相学、地球化学以及同位素特征显示出后碰撞花岗岩的性质，较肯定地表明卡拉麦里洋盆在早石炭世中期之前，很可能是晚泥盆世时已经闭合。

2 岩体地质及岩相学特征

2.1 岩体地质特征

五彩城岩体位于卡拉麦里断裂以南的五彩城城景区的北侧，岩体地理中心坐标约为东经89°05＇，北纬45°10＇。区内出露的地层有早古生代的奥陶系(?)、志留系和下中泥盆统的一套连续的被动陆缘沉积建造，中泥盆统时的北塔山组、为一套具活动陆缘特征的火山-沉积建造，下石炭统松喀尔苏组代表了后碰撞阶段的开始，至晚石炭世的巴塔玛依内山组则完全转变为陆内火山-沉积盆地的发育阶段。岩体呈近长条状展布，走向约135°，出露长度约14km，宽度约3km(图1b 所示)，北缘与下石炭统松喀尔苏组的火山-沉积地层成明显的侵入接触，南部边界被北西向的断层破坏。岩体内部相带变化明显，边缘相由细粒钾长花岗岩和花岗斑岩组成，含大量闪长质包体(图2c)，包体呈椭圆状、浑圆状，大小不一，局部可见闪长岩与钾长花岗岩的渐变接触界面(图2a，b);中心相主要为中-粗粒钾长花岗岩构成，并有涌动侵入的二长花岗岩滴产出。

2.2 岩相学特征

据实测矿物含量的Q-A-P 分类(图3)，五彩城岩体的主体岩石单元为钾长花岗岩和二长花岗岩，包体边缘的浆混岩带为石英二长闪长岩、石英二长岩或二长花岗岩(图4):

石英二长闪长岩(图4a，b):细粒结构、斑状结构，斑杂构造，石英(10%～15%)、碱性长石(10%～15%)、斜长石(45%～60%)和角闪石(10%～20%)，矿物呈不均匀分布(图4a)，斜长石为长柱状，发育聚片双晶及环带结构，为更长石-中长石，角闪石为半自形-自形，部分蚀变为绿泥石，碱性长石、石英呈他形充填，副矿物为针状磷灰石(图4b)、磁铁矿、锆石等。

石英二长岩(图4c):中-细粒结构，块状-斑杂状构造，石英(5%～10%)、碱性长石(30%～40%)、斜长石(25%～40%)和角闪石(10%～15%)，斜长石为长柱状，聚片双晶发育;碱性长石发育简单双晶，半自形-他形，石英呈他形充填，角闪石多为半自形。副矿物主要为不透明的磁铁矿、锆石等。

二长花岗岩(图4d):半自形粒状结构，块状构造，石英(20%～25%)、碱性长石(35%～45%)、斜长石(15%～25%)和角闪石(5%～10%)，斜长石呈半自形板状;碱性长石以条纹长石为主;角闪石自形程度中等-差，副矿物包括磷灰石、锆石、磁铁矿等。

钾长花岗岩(图4e，f):半自形粒状结构，块状构造，碱性长石(45%～50%)、石英(20%～25%)、斜长石(10%～15%)和角闪石(5%左右)，斜长石自形程度较高，聚片双晶发育，碱性长石呈半自形-他形，石英呈他形充填，显微文象结构发育。

3 分析方法

3.1 全岩化学成分

样品的主量元素、微量元素、稀土元素测试由湖北省地质实验研究所完成，其中主量元素中的氧化物测定采用X 荧光光谱a 系数测定法，H2O+的测定采用重量法，CO2的测定采用非水滴定法，分析精度小于1%(H2O+和CO2除外);微量元素、稀土元素测试则通过电感耦合等离子质谱仪完成，分析结果见表1。

图1 新疆北部准噶尔地区地质简图(a，据Chen and Jahn，2004 略修改)和五彩城花岗岩类岩体地质图(b，据樊光明等，2014①樊光明等.2014.卡拉麦里1∶5 万区域地质调查研究成果修改)J-K:侏罗系-白垩系地层;P1-2s:二叠系胜利沟组;C2b:上石炭统巴塔玛依内山组;C1t:下石炭统塔木岗组;C1hs:下石炭统黑山头组;C1s:下石炭统松喀尔苏组;D2b:中泥盆统北塔山组;D1-2k:泥盆系卡拉麦里组;O?:可能为奥陶系地层Fig.1 Simplified geological map of the Junggar terrane in northern Xinjiang (a，modified after Chen and Jahn，2004)and geological map of the Wucaicheng pluton (b)

图2 五彩城花岗岩类岩浆混合及花岗岩中的包体(a、b)闪长岩与钾长花岗岩的接触关系;(c)闪长质包体Fig.2 Magma mixing of Wucaicheng granitic rocks and the dioritic enclaves of granites

图3 五彩城花岗岩类QAP 分类图解(据Streckeisen and LeMaitre，1979)图6、图7、图10、图11 的图例同此图Fig.3 QAP classification diagram for Wucaicheng granitic rocks (after Streekeisen and LeMaitre，1979)

3.2 锆石测年

样品无污染碎样和锆石的挑选工作是在河北省廊坊区域地质矿产调查研究所实验室完成的。将挑选出的锆石粘贴制成环氧树脂样品靶，经过打磨抛光使锆石露出中心后进行透射光、反射光和阴极发光(CL)显微照相。阴极发光显微照相在中国地质大学采用扫描电镜完成，加速电压为15kV。锆石U-Pb 同位素定年在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室利用LA-ICP-MS 分析完成的。激光剥蚀系统为GeoLas 2005，电感耦合等离子质谱(ICP-MS)为Agilent 7500a。激光斑束直径为32μm，载气为He，气流速度为270mL/min，工作电压为27.1kV，激光能量密度为29J/cm2。实验过程采用Nist610、GJ-1 外标和91500内标控制的方法，每隔5～6 个数据点分别用两个91500 标样校正。采用软件ICPMSDataCal 对分析数据进行离线处理，以29Si 作为内标校正锆石微量元素，详细的仪器操作过程和定年数据处理方法见Liu et al.(2008，2010a，b)。锆石UPb 年龄谐和图的绘制和MSWD 的计算均采用Isoplot/Ex_ver3(Ludwig，2003)。

图4 五彩城花岗岩类的岩相学特征(a)石英二长闪长岩;(b)针状磷灰石;(c)石英二长岩;(d)二长花岗岩;(e)钾长花岗岩;(f)文象结构(红色区域).Pl-斜长石;Kf-碱性长石;Qz-石英;Am-角闪石Fig.4 Petrological characteristics for Wucaicheng granitic rocks

表1 五彩城花岗岩类全岩主量元素(wt%)、微量元素和稀土元素(×10 -6)数据Table 1 Whole-rock major elements (wt%)and trace elements (×10 -6)of the Wucaicheng granitic rocks

续表1Continued Table 1

表2 五彩城钾长花岗岩锆石U-Pb 定年数据Table 2 Zircon LA-ICP-MS U-Pb data for the K-feldspar granitic rocks of Wucaicheng

续表2Continued Table 2

图5 五彩城钾长花岗岩锆石CL图像(a)和锆石U-Pb年龄谐和图(b、c)虚线框表示计算时排除的数据虚Fig.5 CL imaging of zircons (a) and U-Pb age concordia plots of zircons (b，c) from Wucaicheng granites

3.3 Sr、Nd 同位素

原始样品经风干后细碎过20 目筛，再用玛瑙研钵磨至200 目以下，供同位素分析测试。全岩Sr-Nd 同位素分析在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室采用MAT-261 热电离同位素质谱仪进行测量，仪器的准确度通过标样NBS987 和La Jolla 国际标样进行监测，Sr 同位素的质量分馏用88Sr/86Sr =8.375209 校正，Nd 同位素质量分馏用146Nd/144Nd = 0.721900 校正，详细流程见Gao et al.(2004)。

4 分析结果

4.1 锆石结果分析

本文对五彩城岩体2 个钾长花岗岩(022-7-1、025-5-1)进行了锆石LA-ICP-MS U-Pb 定年，测试结果见表2。样品的锆石多为无色长柱状晶形(长50～200μm)，长宽比为1∶1～3∶1，锆石振荡环带清晰(图5a)，Th 含量37.77 ×10-6～683.5 ×10-6，U 含量74.14 ×10-6～877.7 ×10-6，Th/U 在0.39～1.15(表2)，显示出岩浆锆石的特点(Hoskin and Black，2000;吴元保和郑永飞，2004)。由于岩体的锆石年龄小于1000Ma，所以采用206Pb/238U 年龄。22-7-1 样品共测试24 个锆石点(表2)，其中13 个测点位于谐和线上及谐和线附近(图5b)，12 个测试点在误差范围内给出了一致的206Pb/238U 加权平均年龄，为340.9 ±5.1Ma(MSWD =2.4)，另1 个测试点(22-7-16)环带清晰，谐和度较高(94%)，其206Pb/238U 年龄为373.7 ±6.5Ma，代表了早期的岩浆活动;其余11 个测点谐和度较低(4%～82%)，偏离协和线，可能发生了204Pb 的丢失，所以未参与锆石的206Pb/238U 加权平均年龄计算。25-5-1 样品共20 个测试点(表2)，但由于8 个测点偏离谐和线(谐和度40%～82%)，所以仅对其余12 个测点进行分析，结果显示12 个测点全部位于谐和线上(图5c)，数据质量较高，206Pb/238U 加权平均年龄为341.1 ± 4.0Ma(MSWD=0.72)。

2 个钾长花岗岩锆石的206Pb/238U 加权平均年龄在误差范围内基本一致，代表了五彩城岩体花岗质岩浆的结晶时代，所以五彩城岩体形成于早石炭世，年龄约为340.9 ±5.1Ma～341.1 ±4.0Ma。

4.2 岩石地球化学

全岩SiO2含量变化在59.35%～69.51%之间，Na2O +K2O 值为5.65%～8.56%，Na2O/K2O 从1.08 变化到2.40，平均为1.54。里特曼指数(δ)除025-6-4 以外均小于3.3，显示出钙碱性的特点，在SiO2-K2O 图中(图6)，岩石总体表现为中-高钾钙碱性系列。铝饱和指数(A/CNK)为0.86～1.02，小于1.1，多数为准铝质，少数为弱过铝质，主量元素特征上与I 型花岗岩相似。

全岩哈克图解中(图7)，各岩石单元的SiO2与其它氧化物之间具有明显的线性关系，应与岩体中含大量暗色包体和岩相学特征反应出来的岩浆混合现象有关系，反应了在岩浆演化过程中，岩浆混合作用的重要性(Kwon et al.，1989;Roman et al.，2005)。

微量元素蛛网图中(图8)，所有样品均具相似的分布型式，富集大离子亲石元素Rb、K、Pb，不同程度的亏损高场强元素Nb、Ta、P、Ti。

样品的ΣREE =126.0 ×10-6～172.7 ×10-6，变化范围窄。不同样品的稀土元素配分型式也十分一致(图9)，具LREE 富集的右倾配分型式，(La/Yb)N=3.81～5.92，轻重稀土分馏程度中等，具有弱的负Eu 异常，δEu=0.75～0.95，说明斜长石的分离结晶作用不明显。(Gd/Yb)N=1.13～1.54，重稀土平缓，Dy、Ho 含量相对亏损，Y/Yb = 8.12～8.62，接近10，暗示角闪石可能为源区的残留相(葛小月等，2002)。

4.3 Sr、Nd 同位素分析结果

同位素数据表明(表3)，钾长花岗岩、二长花岗岩具有正的εNd值(+ 5.4～ + 5.5)、较 低 的Isr值(0.70289～0.70335)及年轻的模式年龄(650Ma)，用单阶段与两阶段法计算得到的Nd 模式年龄十分相近，表明花岗岩来源于年轻地壳。石英二长闪长岩的εNd为正值(+5.2)，但Isr值更低(0.70144)，反映了其源区可能具有幔源属性。

表3 五彩城花岗岩类Sr、Nd 同位素数据Table 3 Sr-Nd isotopic composition of the Wucaicheng granitic rocks (t=341Ma)

图7 五彩城花岗岩类主量元素哈克图解Fig.7 Harker digrams of major elements for the Wucaicheng granitic rocks

5 讨论

韩宝福(2007)指出后碰撞花岗岩类最突出的特点是岩石类型的多样性，多数造山带的后碰撞花岗岩类以中-高钾钙碱性I 型花岗岩为主。五彩城岩体中岩石的暗色矿物以角闪石为主，SiO2含量小于70%，Na2O/K2O 大于1，且Na2O含量大于3.2%，准铝质-弱过铝质，P2O5-SiO2显示出较好的负相关性(图10a，b)，显示出I 型花岗岩的特点(Chappell and White，1974;Chappell，1999)。K2O-SiO2图解中，岩体投影点落在中-高钾钙碱性系列之内，FeOT/MgO-10000Ga/Al和(Na2O + K2O)/CaO-Zr + Nb + Ce + Y 判别图解显示(图10c，d)，岩体分布于I、S 型花岗岩与A 型花岗岩的接触边界附近，均与后碰撞I 型花岗岩的特点一致。

图8 五彩城花岗岩类微量元素蛛网图(标准化值据Sun and McDonough，1989)Fig.8 Primitive mantle-normalized trace element spidergrams of the Wucaicheng granitic rocks (normalizing data after Sun and McDonough，1989)

图9 五彩城花岗岩类稀土元素配分曲线(标准化值据Sun and McDonough，1989)Fig.9 Chondrite-normalized REE patterns of the Wucaicheng granitic rocks (normalizing data after Sun and McDonough，1989)

原始地幔标准化的蛛网图解上，岩体富集大离子亲石元素(K、Rb 和Ba)，不同程度的亏损Nb、Ta、P 和Ti(图7)，稀土元素配分曲线显示岩体REE 含量(126.0 ×10-6～172.7 ×10-6)较高，δEu(0.75～0.95)不明显(图8)。这些特征与西准噶尔地区早石炭世后碰撞花岗岩的特点相似(袁峰等，2006;范裕等，2007;Zhou et al.，2008)。

图10 五彩城花岗岩类岩石成因判别(a)A/NK-A/CNK 图解(底图据Shand，1927);(b)P2O5-SiO2图解;(c)FeOT/MgO-10000Ga/Al(底图据Whalen et al.，1987);(d)(Na2 O+K2O)/CaO-Zr+Nb+Ce+Y(底图据Whalen et al.，1987)Fig.10 Discrimination diagrams for the granitic rocks of Wucaicheng

在花岗岩类形成环境的Rb-Y +Nb 判别图(图11a)中，五彩城岩体投点在火山弧与板内的分界线附近的火山弧一侧Pearce(1996)补充圈定的后碰撞花岗岩叠加区域内;R1-R2判别图解(图11b)中，花岗岩类投点(除部分石英二长闪长岩、石英闪长岩以外)则落入碰撞后隆起(3 区)和造山晚期(4 区)的界限附近;在FM-C 图解中(图11c)，五彩城花岗岩类均落入了后造山花岗岩类的区域内;F-M 图解中(图11d)，二长花岗岩、钾长花岗岩落入了后造山的区域内，中性的石英二长闪长岩、石英闪长岩则落在圈定的后造山花岗岩类边界附近。

图11 五彩城花岗岩类构造判别图(a)Rb-Y+Nb 判别图(Pearce et al.，1984)，ORG-大洋脊花岗岩;WPG-板内花岗岩;VAG-火山弧花岗岩;Syn-COLG-同碰撞花岗岩;post-COLG-后碰撞花岗岩;(b)R1-R2 判别图(Batchelor and Bowden，1985)，1-幔源花岗岩;2-板块碰撞前消减地区花岗岩;3-板块碰撞后隆起花岗岩;4-晚造山期花岗岩;5-非造山花岗岩;6-地壳熔融的花岗岩(同碰撞);7-造山后期花岗岩;(c)FM-C 图解(Maniar and Piccoli，1989);(d)F-M 图解(Maniar and Piccoli，1989)，IAG-岛弧花岗岩类;CAG-大陆弧花岗岩类;CCG-大陆碰撞花岗岩类;POG-后造山花岗岩类;RRG-与裂谷有关的花岗岩类;CEUG-与大陆的造陆抬升有关的花岗岩类Fig.11 Tectonic setting determinant diagram of the Wucaicheng granitic rocks

在卡拉麦里断裂以北的黄羊山、老鸭泉等地，后碰撞或碰撞后的A 型花岗岩有大量的报道(韩宝福等，2006;苏玉平等，2008;杨高学等，2009;杨宝凯等，2011;韩宇捷等，2012)，年龄集中在292～311Ma，形成于晚石炭世-二叠纪。本研究获得的341Ma 左右的后碰撞花岗岩年龄，是目前在卡拉麦里地区发现的最老的后碰撞花岗岩年龄，其后碰撞的构造属性为卡拉麦里造山带后碰撞阶段的时间下限提供了可靠的证据，表明卡拉麦里洋盆在早石炭世中期之前已经闭合。

这一结论得到了本项目在该区获得的地质证据的支持，本研究中的五彩城花岗岩侵入的围岩为松喀尔苏组，其下部以一套巨厚的大砾岩明显地角度不整合在下-中泥盆统的卡拉麦里组海相地层之上，我们在砾岩层中发现了晚泥盆世-早石炭世的植物化石Prelepidondron sp.(先鳞木);中部为一套含煤线的砂-粉砂岩，具陆相沉积的特征;上部为一套中基性的火山岩，火山岩的锆石年龄为346.8 ±3.3Ma(另文发表)，表明不整合面上的松喀尔苏组应属早石炭世，在这之前卡拉麦里已造山隆起。吴润江等(2009)在卡拉麦里地区也发现了一套具磨拉石建造特征的地层，将其归入山梁砾石组，在其上的中基性火山岩中获得SHRIMP 锆石U-Pb 年龄为350Ma±6Ma，认为洋盆闭合于早石炭世早期之前。类似的研究成果还有许多，如:黄岗等(2012)对不整合于卡拉麦里蛇绿岩之上地层中的凝灰岩进行锆石定年，获得LA-ICPMS 锆石U-Pb 年龄为343.0 ±5.0Ma，认为其代表了卡拉麦里蛇绿岩侵位年龄的上限;吴琪等(2012)依据截切卡拉麦里蛇绿岩带的花岗质糜棱岩中的锆石SIMS U-Pb 年龄(343.5±2.6Ma)，认为以卡拉麦里蛇绿岩带为代表的准噶尔洋在343Ma 前已关闭;杨高学等(2011)在研究卡拉麦里地区下石炭统黑山头组火山岩(全岩Rb-Sr 等时年龄为339 ±4Ma)时指出，卡拉麦里地区早石炭世岩浆活动形成于后碰撞的伸展背景;汪帮耀等(2011)获得卡拉麦里断裂以北姜巴斯套组双峰式火山岩LA-ICP-MS 锆石U-Pb 年龄为319.8 ±2Ma，表明自早石炭世中期到早石炭世末期本区已完成了碰撞后-陆内裂谷的转化。

从区域上看，东准噶尔的卡拉麦里地区与西准噶尔地区的情况非常相似，西准噶尔地区早石炭世后碰撞岩浆活动也十分发育，早石炭世后碰撞花岗岩以I 型花岗岩为主，年龄集中在324～338Ma(袁峰等，2006;韩宝福等，2006;范裕等，2007)，晚石炭世-早二叠世则发育大量的A 型花岗岩(韩宝福等，2006;苏玉平等，2006;周涛发等，2006;陈家富等，2010)，显示了由早石炭世到晚石炭世花岗岩类型转化的特点。

6 结论

(1)五彩城岩体低SiO2(59.35%～69.51%)，Na2O ＞K2O，A/CNK ＜1.1，SiO2与P2O5较好的负相关性，暗色矿物以角闪石为主，显示出I 型花岗岩的特点。

(2)五彩城岩体钾长花岗岩的锆石加权平均年龄为340.9 ±5.1Ma～341.1 ±4.0Ma，岩石地球化学显示其具有后碰撞花岗岩的构造属性，表明卡拉麦里洋盆在早石炭世之前已经闭合。

(3)准噶尔地区后碰撞岩浆活动具有一致性，早石炭世与晚石炭世-二叠系花岗岩类型的差异可能反映了碰撞后-陆内裂谷的转变过程。

致谢 文章撰写得到了吴元保教授的指导与帮助;锆石UPb 年龄及Rb、Sr 同位素分析得到了中国地质大学(武汉)刘勇胜和周炼等老师的帮助;在此一并表示诚挚的感谢。

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