阿尔泰巴利尔斯河一带岩体LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb年代学、岩石成因及地质意义

朱伯鹏，秦纪华，何 斌，张汉青，吴晓贵

(新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局 第四地质大队，新疆 阿勒泰 836500)

0 引 言

阿尔泰造山带是中亚造山带的重要组成部分[1]，发育有大量花岗岩。一直以来，国内外诸多学者[2-7]将中国阿尔泰花岗岩作为主要的研究课题，对其成因和构造环境等方面进行了深入研究，认为该造山带花岗岩具有多时代、多类型、多成因、多来源等特征，形成于多种构造环境。随着岩石年代学精度的不断提高，许多学者[8-26]利用锆石SHRIMP U-Pb和LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb法对中国阿尔泰花岗岩类进行了精确定年工作，结果显示中国阿尔泰有多次强烈的岩浆侵入活动，其峰值为 460 Ma、410 Ma、380 Ma和 265 Ma[12-15]。同时，大量岩石地球化学和同位素数据为阿尔泰花岗岩类成因、构造演化、造山作用和陆壳增生等方面的研究奠定了良好基础。

近年来，随着巴利尔斯河一带一系列铁矿床(点)，如乌吐布拉克、巴拉巴克布拉克、巴利尔斯等磁铁矿床的发现、勘查和开发，该地区基础地质研究，特别是该地区岩浆侵入活动与成矿关系的研究显得尤为重要。杨富全等[18]和张志欣等[23]对乌吐布拉克铁矿、蒙库铁矿和巴利尔斯铁矿区岩浆侵入活动做了大量研究工作，但对区域岩体研究较为薄弱，岩体岩石成因、构造环境等方面还有待深入研究。笔者通过该地区1∶5万区域地质调查工作对巴利尔斯河一带岩体开展了剖面测制和地质路线调查等工作，详细研究了岩体地质特征、同位素年代学和岩石地球化学，以期限定岩体形成时代，探讨岩石成因和构造环境，为阿尔泰花岗岩形成演化以及区域构造演化提供新信息。

1 地质概况及岩相学特征

中国阿尔泰造山带位于新疆北部，呈北西向展布，大地构造位置属西伯利亚板块南缘，北至中蒙、中俄及中哈边境，南以额尔齐斯—玛因鄂博构造带与哈萨克斯坦—准噶尔板块北缘相邻。何国琦等[27]以红山嘴—诺尔特断裂和阿巴宫—库尔提断裂为界将中国阿尔泰造山带划分为北阿尔泰、中阿尔泰和南阿尔泰3个块体。研究区属中阿尔泰块体(图1)，区域上总体构造线走向呈北西方向(310°～330°)，由一系列北西向线性褶皱和沿走向侵入其间的大量岩体组成。

研究区岩体分布较为广泛，呈北西—南东向展布的岩枝、岩墙、岩基状，侵位于长城系苏普特岩群和下泥盆统康布铁堡组中。根据相互接触和穿插关系，岩体划分为二长花岗岩和花岗闪长岩。各侵入体局部均发育不同程度的片麻状构造，片麻理与区域构造线基本一致，呈北西—南东向(图2)。花岗闪长岩主要侵位于康布铁堡组第二段和第三段，具弱片麻状构造，岩体与地层呈明显的侵入接触关系。花岗闪长岩体呈不规则岩株状，沿中细粒二长花岗岩侵入体边部呈带状分布，两者为脉动接触关系，界线明显，在岩体中局部可见细粒二长花岗岩小岩枝侵入其中。二长花岗岩为侵入岩主体，呈岩基状，侵位于苏普特岩群第二、第三岩组，侵入体内残留地层较多。岩体受构造作用发育构造片理及劈理。二长花岗岩体外侧与地层接触处为中细粒黑云二长花岗岩，黑云母含量高，接触带内具有弱片麻状构造，局部界线不清晰，与主体二长花岗岩为渐变过渡关系。

花岗闪长岩呈浅灰白色，块状构造，中细粒花岗结构。岩石由斜长石、钾长石、角闪石、石英、黑云母组成。斜长石(45%)为粒状，少数呈半自形板状，粒径0.4～3.2 mm，轻度泥化、绢云母化。钾长石(20%)为粒状，粒径0.3～2.2 mm，具条纹结构、格子状双晶，多为条纹长石，少量为微斜长石。角闪石(10%)为针状、长柱状，粒径1～2 mm，局部蚀变明显，为绿泥石化。石英(18 %)为它形粒状，粒径0.2～2.6 mm，强波状消光。黑云母为片状，片径0.1～0.7 mm，黄—褐色，可见绿泥石化，含量约5 %。磷灰石为柱状、粒状，粒径0.03～0.20 mm，微量。磁铁矿为粒状，粒径0.03～0.10 mm，微量。

中细粒二长花岗岩呈浅灰色，块状构造，中细粒花岗结构。由斜长石、钾长石、石英、黑云母组成。斜长石呈它形粒状，粒径2.0～0.4 mm，斜长石聚片双晶不发育，轻微泥化，含量约25%。石英具波状消光，含量约20%。钾长石呈它形粒状，粒径多在2.0～0.8 mm之间，少量颗粒较粗(粒径11.2～4.0 mm)，钾长石发育条纹结构，格子双晶，呈定向分布，含量约为45%。黑云母呈半自形片状，片径1.2～0.4 mm，具褐—浅黄多色，长轴平行定向排列，含量约2%。磷灰石呈粒状，粒径0.4～0.1 mm，微量。

黑云二长花岗岩呈灰白色，块状构造，中细粒花岗结构。由斜长石、钾长石、石英、黑云母组成。斜长石呈它形粒状，粒径2.0～0.6 mm，斜长石聚片双晶不发育，轻微泥化，含量约30%。石英呈它形粒状，波状消光，油脂光泽，含量约25%。钾长石呈短柱状，粒径多在2.0～0.8 mm之间，发育格子双晶，含量约35%。黑云母呈半自形片状，片径1.2～0.4 mm，具褐—浅黄多色性，含量约10%。磷灰石呈粒状，微量。

图1 新疆阿尔泰巴利尔斯河一带地质简图(据新疆地质矿产局第四地质大队*新疆地质矿产局第四地质大队.新疆富蕴县巴尔鲁克—库珠尔特1∶5万区域地质调查报告.修编) Fig.1 Geological sketch map of Baliersi River area of the Chinese Altay (after the Fourth Geological Team,Xinjiang Geology andMineral Bureau)1.康布铁堡组上段；2.康布铁堡组中段；3.康布铁堡组下段；4.苏普特岩群；5.二长花岗岩；6.黑云二长花岗岩；7.二云花岗岩；8.花岗闪长岩；9.闪长岩；10.铁矿床(点)；11.矽卡岩；12.断裂；13.河流；14.样点

图2 巴利尔斯河一带岩体野外及显微特征照片Fig.2 Field photos and microphotographs of the granitoids in the Baliersi River areaa.二长花岗岩片麻状构造；b.黑云二长花岗岩；c.花岗闪长岩；d.二长花岗岩显微镜下单偏光照片;Pl.斜长石；Q.石英；Kfs.钾长石

2 样品及测试方法

本次分别对区内二长花岗岩、黑云二长花岗岩和花岗闪长岩进行样品采集，其中全岩地球化学样品5件(二长花岗岩2件，黑云二长花岗岩2件，花岗闪长岩1件)，锆石U-Pb同位素样品2件(二长花岗岩1件，花岗闪长岩1件)，即YQ-46(E89°02′35″，N47°33′30″)、YQ-55(E89°13′40″，N47°29′30″)、YQ-68(E89°07′52″，N47°34′10″)、YQ-62(E89°10′06″，N47°31′40″)、YQ-57(E89°04′20″，N47°31′10″)，均采自新鲜的岩石露头，具体采样位置见图1。

岩石样品主量元素、稀土元素和微量元素分析在中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所完成。采用粉末样品压片制样，主量元素和稀土元素之外的其他微量元素用X射线荧光光谱法测定。主量元素分析精度优于5%，其中FeO采用容量法分析。稀土元素采用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)分析，分析精度优于10%。

LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb定年样品(图3)，在河北省区域地质调查研究所实验室利用标准技术对锆石进行分选和制靶。锆石的阴极发光(CL)显微照相在中国地质科学院地质研究所离子探针仪器上完成，采用日立HITACHIS3000-N型扫描电子显微镜。锆石U-Pb同位素测定在中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室分析完成，分析仪器为Finnigan Neptune型MC-ICP-MS及与之配套的New Wave UP213 激光剥蚀系统。详细的仪器参数、数据软件处理、校正等见相关文献[28-32]，锆石年龄加权平均值计算及U-Pb谐和图的绘制采用Isoplot 3.0软件[33]。

3 分析结果

3.1 锆石LA-MC-ICP-MS年龄

花岗闪长岩和二长花岗岩样品LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb同位素结果见表1。锆石阴极发光(CL)图像显示，锆石颗粒多呈无色、浅灰褐色，半自形—自形、透明—半透明短柱状及双锥状晶体，晶棱清楚，粒度较小，长轴多变化于50～200 μm之间，长短轴比一般约为2∶1～5∶3。在阴极发光图像中，大多数锆石具有清晰的振荡环带结构(图3)，显示典型岩浆锆石特征。

花岗闪长岩(H-1)测定了20个锆石的20个测点，其中2号和8号测点年龄相对较小，可能与岩体形成后遭受后期热液改造时导致Pb同位素丢失有关，予以剔除。其余18颗锆石Th/U比值为0.44～1.33，均大于0.4，显示岩浆成因特征。在锆石的U-Pb谐和曲线图(图4a)中，18个数据点均位于U-Pb谐和线上或附近，得到206Pb/238U年龄加权平均值为(386.8±1.2) Ma(MSWD=0.18)。

表1 巴利尔斯河一带花岗闪长岩和二长花岗岩LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析结果

注：样品H-1为花岗闪长岩；样品R-1为二长花岗岩。

图3 巴利斯河一带花岗闪长岩(a)和二长花岗岩(b)样品锆石阴极发光(CL)图像Fig.3 Representative cathodoluminescence(CL) images of zircons from the granodiorite(a)and monzogranite(b)

中细粒二长花岗岩20颗锆石测点的年龄分成3组，第一组2颗锆石(点17，点20)的206Pb/238U年龄介于401～479 Ma之间，可能是岩浆上升过程中捕获的奥陶系—志留系锆石。第二组2颗锆石(点10，点19)的206Pb/238U年龄介于351～365 Ma之间，较年轻，可能与岩石形成后遭受热液改造时导致Pb同位素丢失有关[34]。第三组16颗锆石(点1—20)在误差范围内有较一致的206Pb/238U比值，在谐和图(图4b)上基本成群集中分布在谐和线上及其附近，得到的206Pb/238U年龄加权平均值为(386.4±2.8) Ma(MSWD=0.06)。

综上所述，巴利尔斯河一带花岗闪长岩和二长花岗岩体的主体岩浆侵位结晶年龄为(386.8±1.2) Ma和(386.4±2.8) Ma，为中泥盆世。

3.2 岩石化学特征

由巴利尔斯河一带黑云二长花岗岩、二长花岗岩和花岗闪长岩主量元素和微量元素分析结果(表2)可以看到，样品SiO2含量较高，为74.33%～76.70%， K2O含量为3.57%～4.80%，Na2O含量为2.97%～3.55%，富碱(Na2O+K2O, 6.83%～8.22%)并相对富钾(K2O/Na2O值均>1)；样品里特曼指数为1.49～2.04，小于3.3，表明具有亚碱性岩石特征。在SiO2-K2O图解(图5a)中，样品均落入高钾钙碱性系列。分异指数(DI)介于84.7～92.7之间，指示该时期岩体经历了高程度的分异演化过程。Al2O3含量介于12.34%～13.59%之间，岩石的铝饱和指数(A/CNK)介于1.00～1.07之间，小于1.1，在A/CNK-A/NK图解中样品落入弱过铝质岩石系列区域，同时落入Ⅰ型花岗岩区域(图5b)。

黑云二长花岗岩、二长花岗岩和花岗闪长岩的稀土元素总量(∑REE)为118.48×10-6～231.38×10-6，轻重稀土比值(LREE/HREE)为4.70～10.16，(La/Yb)N和(La/Sm)N分别为3.33～12.18和1.76～3.34，具有轻稀土元素(LREE)富集及重稀土元素(HREE)相对亏损的特征。在球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(图6a)上，所有样品均具有相似的配分模式，表现为轻稀土曲线右倾而重稀土曲线相对平坦的特征，并有显著“V”形谷状的负Eu异常，是典型岛弧岩浆岩特征。δEu为0.31～0.84，具有明显负Eu异常，暗示岩浆在向上运移演化过程中可能经历了较强的斜长石的分离结晶作用或源区残留斜长石。岩石的高场强元素(HFSE)含量较高，Th为16.2×10-6～21.5×10-6，U为1.28×10-6～2.72×10-6，Zr为93.2×10-6～150×10-6，Hf为3.1×10-6～5.89×10-6，但Nb(7.41×10-6～13.1×10-6)与Ta(0.63×10-6～1.23×10-6)的含量相对较低，Nb/Ta比值在9.4～14.8之间。原始地幔标准化蛛网图(图6b)显示了较为一致的分布模式，Nb、Ti、P、Sr、Ba元素呈现明显的负异常，Th、K、La、Hf元素呈现正异常。Sr的负异常说明了岩石经历了斜长石的分离结晶作用或源区残留斜长石，与稀土元素反映的特征一致；Zr、P、Ti元素的负异常暗示锆石、磷灰石、钛铁矿等的分离结晶，或是源区有锆石、磷灰石和钛铁矿的残留[22]。

图4 巴利尔斯河一带花岗闪长岩(a)和二长花岗岩(b)中锆石U-Pb谐和图Fig.4 LA-MC-ICP-MS zircon U-Pb concordia diagrams of the Baliersi River granodiorite (a) and monzogranite (b)

样号SiO2Na2OMgOAl2O3P2O5K2OCaOTiO2MnOFe2O3FeO烧失量总量A/CNKσDIYQ-467640.1120.024.70.80.100.461.8099.812.0492YQ-557530.24130.054.81.30.200.0220.199.91.041.8689YQ-687740.23130.044.60.90.100.040.90.11001.031.9593YQ-627430.41140.053.61.90.200.51.90.199.91.071.4985YQ-577630.25130.054.71.10.200.321.80.31001.051.8590样号LaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLuYRbYQ-4617.854.34.7818.64.560.983.90.84.912.830.53.30.525176YQ-5525.959.16.4925.76.960.855.61.2714.440.85.250.843163YQ-6823.255.16.4127.68.310.735.71.15.713.310.53.070.531155YQ-6246.599.111.442.78.752.196.81.15.513.010.52.580.428138YQ-5732.673.29.1936.29.130.98.51.89.725.620.94.820.853161样品BaThULiTaNbCeSrPZrHfTiδEu(La/Yb)NΣREERb/SrYQ-4659321.52.7111.2313.154.31742001505.646800.693.641181YQ-5542716.21.35.41.2111.459.11595101093.3114700.43.331522.1YQ-6821418.92.3240.747.4155.1743601505.897100.315.111421YQ-6288918.72400.638.8499.112253093.23.120700.8412.22311.1YQ-5736219.61.8180.639.2973.2495201375.4114900.314.571953.3

注：YQ-46、YQ-55为黑云二长花岗岩；YQ-68、YQ-62为二长花岗岩；YQ-57为花岗闪长岩。

4 讨 论

4.1 花岗岩形成时代及其地质意义

关于中国阿尔泰造山带花岗岩的形成时代，许多学者[8-25]利用锆石SHRIMP U-Pb 法和LA-MC-ICP-MS 锆石 U-Pb 法进行了详细研究，认为阿尔泰花岗质岩浆侵入活动从奥陶纪一直持续至三叠纪，其中400 Ma 左右的花岗质岩石分布最为广泛，多沿区域构造线分布，主要岩石类型有花岗岩和花岗闪长岩，多经历了区域变形作用，发育程度不同的片麻状构造。

在中阿尔泰地块，花岗岩体形成时代主要集中于泥盆纪(413～372 Ma)，如蒙库岩体(404～400 Ma,SHRIMP锆石U-Pb年龄)[18]、可可托海岩体((399±2) Ma,TIMS锆石U-Pb年龄)[12]和二厂房岩体((398±3.5)Ma, LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄)[25]。同时，在阿尔泰南缘也发现了大量的该时期具有岛弧特征的火山岩、基性侵入岩及弧后扩张的产物——库尔提蛇绿岩[28]。

本次获得的花岗闪长岩和中细粒二长花岗岩锆石U-Pb年龄分别为(386.8±1.2) Ma、(386.4±2.8) Ma，属中泥盆世岩浆侵入活动的产物，这与区域大面积分布的中泥盆世花岗岩体时代相一致，进一步证实了380～400 Ma的岩浆活动是阿尔泰造山带岩浆活动的高峰，为阿尔泰造山作用的时期。

杨富全等[18]认为巴利尔斯河一带一系列铁矿床(点)(乌吐布拉克、巴拉巴克布拉克、巴利尔斯等磁铁矿床)的形成与区域岩浆侵入活动密切有关，因此本次研究成果可以间接证明该地区一系列铁矿床的形成时代为386 Ma左右，这与张志欣等[23]在乌吐布拉克铁矿得到的成矿时代(388～386 Ma)相一致。

图5 巴利尔斯河一带花岗岩主量元素成分图Fig.5 Plots of major element compositions for the Baliersi River granites a.硅-钾图(据Rickwood[35]); b.A/CNK-A/NK图(据Maniar等[36])

图6 巴利尔斯河一带花岗岩稀土元素配分型式(a.球粒陨石标准化值据Boynton[37])和微量元素蛛网图(b.原始地幔标准化值据Sun等[38]) Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns (a.chondrite normalizing values from Boynton[37]) and primitive mantle-normalized trace element spidergrams (b.primitive mantle-normalizing values from Sun et al.[38]) of the Baliersi River granites

4.2 岩体成因

本文研究的花岗闪长岩、黑云二长花岗岩和二长花岗岩具弱过铝质特征，CIPW标准矿物中刚玉分子含量均小于1%，岩石矿物组成中也没有堇青石、白云母、石榴子石等S型花岗岩中常见的过铝矿物，P2O5的含量也远低于S型花岗岩的含量值0.15%[39]，因此本文研究的花岗岩不是S型花岗岩。另外，本文研究花岗岩体在地球化学特征上显示出了部分A型花岗岩特征，即富SiO2，具有较高的K2O+Na2O值和较低的MgO、CaO、P2O5含量，TFeO/MgO比值和Ce、Nb、Y、Ga等元素含量较低。10 000×Ga/Al比值高是判断A型花岗岩的重要指标，岩石样品中只有1件样品(YQ-62)10 000×Ga/Al比值高于A型花岗岩的下限值(2.60)。以10 000×Ga/Al比值为基础的花岗岩类型判别图解(图7a—c)中，样品主要落入靠近A型花岗岩的I型和S型花岗岩区域，仅有1件样品(YQ-62)落入A型花岗岩的范围。在(Zr+Nb+Ce+Y)-TFeO/MgO图解(图7d)中落入高分异I型花岗岩的范围。

图7 巴利尔斯河一带花岗岩类型10 000×Ga/Al对Y、Ce、Zr及(Nb+Y+Ce+Zr)-TFeO/MgO判别图解(底图据Whalen等[39],图例同图5) Fig.7 Diagrams of 10,000×Ga/Al vs.Y,Ce,Zr,and (Nb+Y+Ce+Zr) vs.TFeO/MgO for the Baliersi River granites(Base map after Whalen et al.[39])OGT.未分异的I型、S型和M型花岗岩区；FG.高分异的Ⅰ型花岗岩区

研究区花岗闪长岩、黑云二长花岗岩和二长花岗岩稀土元素表现为轻稀土富集、重稀土相对亏损，具负Eu异常，Sr含量较低且在原始地幔标准化微量蛛网图(图7b)中表现为负异常。长石类矿物为该岩体主要造岩矿物，推测不是由于长石类矿物分离而造成锶的负异常，该岩体源区本身锶含量低，暗示了该地区花岗质岩浆可能起源于下地壳(下地壳锶含量低)。岩体中Rb/Sr比值为1.01～3.27，高于上地壳的Rb/Sr比值(0.25)，指示岩体经历了高程度的分离结晶作用；Nb/Ta比值介于9.50～14.82，平均值为11.80，大于大陆地壳Nb/Ta值(11)，小于原始地幔Nb/Ta比值(17.5)；Th/U比值介于7.90～12.66之间，大于下地壳Th/U比值(6.00)[40]，表明岩浆物质来源可能和下地壳物质熔融有关，并伴随有地幔物质的参与。

综上所述，巴利尔斯河一带花岗岩体为下地壳部分熔融的高分异I型花岗岩，在源区有地幔物质的混入，并发生了岩浆分异作用。

4.3 成岩构造环境判别

尽管诸多学者对阿尔泰造山带泥盆纪构造环境存在不同认识，如大陆边缘裂谷环境[27，41-42]、与俯冲有关的岛弧或弧后盆地环境[8，43-44]、活动大陆边缘的陆弧环境[45-46]、活动大陆边缘的伸展环境[47]等，但随着研究的深入，越来越多的学者认同阿尔泰泥盆纪时期处于活动大陆边缘，岩浆活动与板块俯冲有关。

图8 巴利尔斯河一带花岗岩体构造环境判别图解(底图据Pearce[53]；图例同图5)Fig.8 Tectonic discrimination diagrams for the Baliersi River granites (Base map after Pearce[53])syn-COLG.同碰撞花岗岩；WPG.板内花岗岩；VAG.火山弧花岗岩；ORG.洋脊花岗岩

巴利尔斯河一带花岗闪长岩、黑云二长花岗岩和二长花岗岩具有钙碱性、过铝质特点，轻稀土元素富集、重稀土相对亏损，微量元素Cs、Rb、Th、U、La、Hf等富集，Nb、Ti、Sr、Ba等元素亏损，这与该区中泥盆世花岗岩地球化学特征相一致。另外，微量元素特征值Th/Nb比值较高，Th含量远大于Ta，Ta/Yb<0.5及出现Eu负异常的特点(Th/Nb=1.42～2.55，Ta/Yb=0.13～0.37，Th/Ta=13.39～29.92，δEu=0.31～0.84)与俯冲带有关的陆缘弧岩浆岩的地球化学特征一致[48-53]，暗示其形成与俯冲带关系密切。在(Y+Nb)-Rb、(Yb+Ta)-Rb构造环境判别图解中(图8)，所有岩石样品落入了火山弧花岗岩与板内花岗岩接触部位靠近火山弧花岗岩区域，显示了与俯冲带有关的火山弧花岗岩特征。前人研究结果表明，同时期火山岩也具有俯冲带活动大陆边缘特征[48]。

该区域内乌吐布拉克铁矿[23]和巴利尔斯铁矿[49]的成矿构造背景均为泥盆纪(388～385 Ma)活动大陆边缘的岩浆弧环境，且成矿与区域岩浆侵入活动密切相关。柴凤梅、宋国学、单强等[50-52]先后对泥盆纪阿尔泰造山带南缘的火山岩进行了详细的研究，证实该时期火山岩的形成与古亚洲洋板块向西伯利亚大陆板块俯冲-消减作用引起的地壳熔融有关。本文通过对巴利尔斯河一带花岗岩的研究，认为其与阿尔泰南缘地区380～400 Ma大规模花岗岩具有相似的构造环境。

5 结 论

(1)巴利尔斯河一带花岗闪长岩和二长花岗岩LA-MC-ICP-MS 锆石U-Pb年龄分别为(386.2±1.8) Ma和(386.4±2.8) Ma，显示其为中泥盆世同一期岩浆活动的产物。

(2)巴利尔斯河一带花岗岩体为高分异的Ⅰ型花岗岩，形成于与俯冲作用有关的活动大陆边缘构造环境，其形成的动力学背景与古亚洲洋的向北俯冲消减有关。

致谢：本文在成稿过程中得到了匿名审稿人、中国地质大学(武汉)胡新露副教授、中国科学院新疆生态与地理研究所分院刘国仁教授级高级工程师的意见和建议；黄庆、赵运江、胡荣辉、张磊等同志参与了野外工作；在此一并致谢。