东天山觉罗塔格带黄山地区角闪辉长岩岩体的年代学、地球化学特征及岩石成因

崔亚川，于介江，杨万志，张元厚，崔 策，于介禄

1.吉林大学地球科学学院,长春 130061 2.新疆维吾尔自治区地质调查院，乌鲁木齐 830000

0 引言

中亚造山带是世界上最大的显生宙增生型造山带，其系统地纪录了欧亚大陆形成和演化的完整信息，因而成为大陆增生演化研究的关键地区和热点地区之一[1-5]。东天山觉罗塔格带是中亚造山带的重要组成部分，伴随着古亚洲洋板片的俯冲、消减和洋内诸多微陆块的汇聚、增生、碰撞(拼合)以及碰撞后伸展等多样式复杂造山演化过程[6-10]，形成了巨量火成岩。其中，沿康古尔断裂及其边缘分布的铁镁质、超镁铁质岩构成了东天山地区规模最大的铁镁-超镁铁岩带[11]，因其保存完好且部分岩体(土墩、香山、黄山、黄山东等岩体)赋存铜镍硫化物矿床而受到广泛关注[12-15]。部分研究者认为，这些镁铁-超镁铁质岩属蛇绿岩型，是被肢解了的大洋岩石圈残片[16-18]，而另一些研究者将其归属于岩浆型。有关于形成环境或构造背景上存在的不同认识，主要包括活动大陆边缘阿拉斯加型[19-20]、后碰撞伸展环境[21-22]、与地幔柱活动有关[23-24]等不同论点。由此可见，在岩石成因及其形成构造背景等一些关键地质问题上，目前仍存在认识上的分歧。此外，现今出露于地表的镁铁质和超镁铁质岩，既包括了以镁铁质和超镁铁质岩共存的形式产出的杂岩体，也包括了仅由单一岩性构成的辉长岩体，但前人研究主要集中在黄山、黄山东和香山等含矿杂岩体上[25]，而对黄山地区存在的辉长岩体却少有涉及。例如：对这些辉长岩体的形成时代、源区性质及其反映的构造背景，以及其与黄山地区含矿杂岩体有何成因之间的联系，我们知之甚少。鉴于此，本文通过对黄山地区角闪辉长岩体进行锆石U-Pb定年、岩石地球化学以及Sr-Nd同位素分析，以期对揭示觉罗塔格带早二叠世基性岩浆作用的性质以及限定区域构造演化历史提供帮助。

1 地质背景与样品描述

东天山觉罗塔格构造带位于哈萨克—准噶尔板块、西伯利亚板块和塔里木板块的交汇部位(图1a)，南至中天山微陆块北缘的阿其克库都克—沙泉子断裂，北至吐哈盆地南缘的梧桐窝子泉断裂，西起托克逊，东至甘肃与新疆交界。根据地层出露情况和构造发育特征，该带可以康古尔断裂和雅满苏断裂为界进一步划分为3个次级构造单元(图1b)，即大南湖—头苏泉岛弧带(北带)、康古尔—黄山剪切带(中带)和阿齐山—雅满苏岛弧带(南带)。北带出露地层主要为泥盆系大南湖组、头苏泉组和石炭系小热泉子组、企鹅山群、底坎尔组等火山-沉积岩系，并可见区内最古老地层中奥陶统大柳沟组。与北带相比，南带缺乏北带下部的奥陶系-泥盆系，地层主体为下石炭统雅满苏组以及部分上石炭统土古土布拉克组海相火山-沉积岩系。中带则为一套强变形的无序地层系统，主要由石炭系苦水组、干墩组和梧桐窝子组构成，其中梧桐窝子组存在一套由洋底玄武岩(细碧岩)-放射虫硅质岩-远源复理石组成的古生代洋壳残片，表明该带前身可能为宽阔的大洋环境[28]。

区内广泛分布晚古生代中酸性侵入岩，基性-超基性岩分布较为局限，主要沿康古尔断裂及其边缘分布。本文研究的辉长岩岩体位于中带东段的黄山一带，在地表上它们多呈不连续且规模较小的岩株状侵位于石炭系干墩组、梧桐窝子组中(图2)，岩性组成较为单一，主要为角闪辉长岩。由于多数地段岩石风化、破碎严重，导致不同岩体及其与围岩之间的接触关系较难辨别，且岩石多存在不同程度的蚀变。本次研究尽量选取无明显蚀变的角闪辉长岩作为研究样品，具体采样位置见图2。其中，定年样品2件(HS-01和HS-02)，主微量元素测试6件(HS-01、HS-02、HS-05、HS-06、HS-07、HS-11)，Sr-Nd同位素2件(HS-02和HS-11)。样品的显微岩相学特征为：中细粒辉长结构(图3a)，局部可见嵌晶结构(自形斜长石包裹在角闪石中)(图3b)和斜长石堆晶结构(图3c)，块状构造。主要矿物成分为斜长石和角闪石(图3)，副矿物主要为磁铁矿和磷灰石，少量样品(HS-02、HS-11)磁铁矿体积分数为5%(图3d)。斜长石体积分数为55%～65%，多呈自形—半自形板状，长度多为1～2 mm，聚片双晶、卡钠联晶和环带结构均较发育，部分具黝帘石化；角闪石体积分数为30%～40%，柱状或不规则充填状(充填在板状斜长石之间)，粒径或长度多为0.8～2.5 mm，可见轻微绿泥石化和次闪石化。

①大草滩断裂；②梧桐窝子泉断裂；③康古尔断裂；④雅满苏断裂；⑤阿其克库都克—沙泉子断裂。a.据文献[26]修编；b.据文献[27]修编。图1 东天山大地构造分区简图(a)和东天山觉罗塔格带构造地质单元划分简图(b)Fig.1 Simplified geological map of East Tianshan area(a) and tectonic sub-division of the Qoltag ore belt of eastern Tianshan area(b)

图2 研究区区域地质图及样品采集位置Fig.2 Geological section and the sample locations in the study area

a.样品HS-05，角闪辉长岩，辉长结构，正交偏光；b.样品HS-05，角闪辉长岩，嵌晶结构，正交偏光；c.样品HS-02，角闪辉长岩，局部斜长石堆晶，正交偏光；d.样品HS-11，含磁铁角闪辉长岩，单偏光。Pl.斜长石；Hb.角闪石；Mag.磁铁矿。图3 研究区角闪辉长岩代表性样品显微照片Fig.3 Microscopic photographs of the typical hornblende gabbro in the study area

2 分析方法

2.1 锆石定年

锆石的挑选在河北省廊坊市区域地质调查院完成。样品靶的制备在中国地质调查局天津地质矿产研究所进行。锆石的反射光、透射光图像拍摄和阴极荧光照相在天津地质矿产研究所实验室完成。锆石U-Pb同位素测年工作在天津地质矿产研究所实验室利用激光烧蚀多接收器等离子体质谱法(LA-MC-ICPMS)完成。所使用仪器为美国Thermo Fisher公司生产的NEPTUNE。激光剥蚀的斑束为35 μm，激光输出最大功率为15 J/cm2，频率为8～12 Hz，激光剥蚀物质以He为载气带出样品池，与氩气混合后送入Neptune，用TEMORA标准锆石作为标样。并用中国地质大学Liu等[30]研发的ICPMSDataCal程序和Kenneth RLudwig[31]的Isoplot程序进行数据处理，采用208Pb对普通铅进行校正。利用NIST612作为外标计算锆石样品的Pb、U、Th质量分数。

2.2 全岩主量元素和痕量元素分析

对6件样品进行全岩地球化学分析。首先对新鲜样品去除风化壳，在河北省区域地质矿产调查研究所实验室粉碎并研磨全岩粉末状(小于200目)，测试分析在天津地质矿产研究所实验室完成。其全岩主量元素采用XRF(X射线荧光光谱仪PW4400/40)分析，稀土和微量元素采用ICP-MS(X SeriesⅡ等离子体质谱仪)分析。方法依据国标GB/T 14506-2010测试，主量元素分析精度优于2%，稀土元素和微量元素分析精度优于5%。

2.3 Sr-Nd同位素分析

样品的化学制样工作在百级空气净化实验室中完成。全岩Sr-Nd同位素分析在中国地质调查局天津地质矿产研究所的Trition热电质谱仪上完成。以国际标准岩石样品BCR-2(玄武岩)监测分离流程，其结果是：87Sr/86Sr=0.704 958±0.000 030。Sr分馏的内校正因子均采用88Sr/86Sr=8.375 209；143Nd/144Nd=0.512 633±0.000 030。Nd分馏的内校正因子均采用146Nd/144Nd=0.721 9。用平行双灯丝构件的离子源测试。Sr的质谱标准样NBS987 Sr的结果为87Sr/86Sr=0.710 245±0.000 030；实验室内部标样LRIG质谱标准样的结果为143Nd/144Nd=0.512 202±0.000 030。

3 分析结果

3.1 锆石U-Pb定年

2件样品HS-01(42°16′55″N， 94° 45′ 43″E) 和HS-02(42°16′51″N， 94° 45′ 50″E)分析数据列于表1，部分锆石的阴极发光图像(CL)和锆石U-Pb年龄谐和图分别见图4和图5。由于所测定的岩石形成于晚古生代，其结果以206Pb/238U年龄计算，单点分析年龄误差为1σ，加权平均年龄误差为2σ。

样品HS-01中的锆石多呈自形—半自形晶，粒径为80～120 μm，阴极发光图像上具条痕状吸收和震荡环带结构(图4)，Th/U值较高(0.24～0.46)，表明它们为岩浆成因[32]。24颗锆石U-Pb定年结果给出的表面年龄比较集中，除了测点HS-01-6(可能为捕获锆石)为(292±3)Ma外，其他23个测点的206Pb/238U表面年龄为(279±3)～(282±3)Ma(表1)，其加权平均年龄为(281.1±1.2)Ma(NSWD=0.054，n=23)(图5a)，代表了样品的结晶年龄。

样品HS-02中的锆石多呈自形—半自形晶，粒径为50～100 μm，阴极发光图像上具条痕状吸收和震荡环带结构(图3)，Th/U为0.23～0.58。除了3个测点(HS-02-4，7，8可能为捕获锆石)的年龄为(292±3)～(299±3)Ma外，其他21个测点的206Pb/238U表面年龄为(281±3)～(284±3)Ma(表1)，其加权平均年龄为(282.3±1.3)Ma(NSWD=0.061，n=21)(图5b)，代表了样品的结晶年龄。

3.2 地球化学特征

3.2.1 主量元素

角闪辉长岩6件样品的w(SiO2)为46.45%～52.76%(表2)，均属于基性岩类。其中w(A12O3)=14.52%～16.84%，w(MgO)=5.15%～8.42%，w(TFeO)=7.51%～12.36%(w(TFeO)=w(FeO)+0.899w(Fe2O3)),呈现富铁的特征，w(Na2O)=3.01%～3.96%，w(K2O)=0.34%～0.51%，Na2O/K2O=7.48～9.18，w(P2O5)=0.09%～0.32%，w(TiO2)多为0.78%～1.18%，除去样品HS-02和HS-11以外(含有大量的磁铁矿)，总体上显示出岛弧玄武岩(w(A12O3)>13%，w(TiO2)< 1%，w(P2O5)<0.3%)[33]的主量元素特征。其Mg#值主要为0.55～0.63，略低于原生玄武质岩浆Mg#值(0.68～0.75)。在TAS图解(图6a)上，样品主要投在亚碱性系列中的辉长岩区以及辉长岩与辉长闪长岩的过渡区，在w(K2O)-w(SiO2)图(图6b)中，样品分别投在低钾(拉斑)系列和钙碱性系列区并集中分布在两者分界线附近。

表1 研究区角闪辉长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb数据表

续表1

图4 研究区角闪辉长岩中代表性锆石的阴极发光图像Fig.4 CL images of the typical zircons for the hornblende gabbro in the study area

3.2.2 微量元素

研究区角闪辉长岩6件样品的稀土元素总体组成相似(表2)，w(∑REE)主要为46.17×10-6～61.99×10-6(样品HS-11为113.71×10-6)，LREE/HREE=3.36～5.11，(La/Yb)N=2.64～4.41，稀土元素标准化配分模式均呈轻稀土富集的右倾型图(图7a)，多具弱正铕异常(δEu值为1.06～1.98)，仅样品HS-11具有弱负铕异常(δEu值为0.86)。在微量元素原始地幔标准化蛛网图(图7b)上，表现出大离子亲石元素Rb、Ba、K、Sr等的明显富集和高场强元素Nb、Ta的强烈亏损，适度亏损Zr、P、Hf。其中2个样品(HS-02、HS-11)表现Ti的富集，应与样品含较多的磁铁矿有关(图3d)。一般情况下，角闪石和磁铁矿含较高的Ce(即分配系数较大)[38-39]，稀土元素蛛网图显示样品HS-11的Ce异常高，这与镜下观察到大量角闪石和磁铁矿相吻合(图3d)。此外，在低氧逸度环境中，铁的氧化物溶解，Ce4+还原成Ce3+，会出现富集的情况[37]。所以Ce异常高同样反映出岩浆演化后氧逸度降低。

a.样品HS-01；b.样品HS-02。图5 研究区角闪辉长岩中LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄谐和图Fig.5 Concordia diagrams showing age data derived from LA-ICP-MS zircon U-Pb dating for the hornblende gabbro in the study area

样品号SiO2Al2O3Fe2O3FeOCaOMgOK2ONa2OTiO2P2O5烧失量总量Mg#PbHS-0150.4716.751.206.799.087.520.393.010.780.112.8098.900.637.30HS-0247.0016.841.479.958.785.150.373.323.990.121.5398.520.454.81HS-1146.4514.522.3210.277.808.420.483.592.970.321.3098.440.555.91HS-0551.1516.811.826.988.267.250.463.760.850.141.7599.230.608.76HS-0652.7616.491.755.948.296.460.513.960.960.151.9899.250.608.25HS-0749.1816.731.988.679.127.720.343.121.180.091.2399.360.577.37样品号CrNiCoRbSrBaScNbTaZrHfGaUThHS-0168.1013.4038.709.30330.0095.4028.101.680.1054.201.1614.300.250.60HS-02123.007.8637.608.00359.00101.0031.802.000.2962.201.3315.700.170.57HS-11145.0012.9038.308.66388.00115.0029.502.540.0874.902.3714.700.291.38HS-05128.0068.7048.207.69304.00152.0030.601.930.1349.901.4816.300.210.98HS-06169.0076.7046.009.40298.00113.0032.001.100.2582.401.9817.300.170.56HS-0782.209.4232.7010.10401.00210.0026.302.180.0783.602.0312.800.442.21样品号LaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLuHS-016.2816.702.139.632.651.322.610.452.740.521.450.211.250.18HS-026.1116.002.039.192.441.612.480.422.520.491.330.191.190.17HS-118.6820.122.5213.153.281.213.720.573.390.672.150.252.020.26HS-056.4515.031.9810.212.621.353.030.453.100.591.850.221.750.21HS-0614.7043.105.5424.305.841.635.580.925.201.042.750.382.390.34HS-078.4519.362.4811.473.051.263.620.543.360.642.130.261.860.28

续表2

注：主量元素质量分数单位为%；稀土、微量元素质量分数单位为10-6。

a底图据文献[34]；b底图据文献[35]。图6 研究区角闪辉长岩TAS图解(a)和w(K2O)- w(SiO2)图解(b)Fig.6 TAS diagram(a) and w(K2O)- w(SiO2) diagram(b) for the hornblende gabbro in the study area

a.球粒陨石标准化数据引自文献[36]；b.原始地幔标准化数据引自文献[37]。图7 研究区角闪辉长岩的球粒陨石标准化稀土元素配分型式(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spidergrams (b) for the hornblende gabbro in the study area

3.2.3 Sr-Nd同位素

研究区早二叠世角闪辉长岩的Sr-Nd同位素的测定结果和年龄校正值见表3。样品(87Sr/86Sr)i值为0.703 4和0.705 1(平均为0.704 3)，(143Nd/144Nd)i值为0.512 9和0.512 8(平均为0.512 85)，εNd(t)=12.54和10.66(t=282 Ma)，平均为11.60，其特征与该区黄山杂岩体、黄山东杂岩体中的辉长岩具有类似的Sr-Nd同位素组成[25]，均显示出亏损地幔特征。

4 讨论

4.1 形成时代

沿康古尔断裂及其边缘分布着数量众多的基性-超基性岩体[29]，其中不仅包括由橄榄岩、辉石岩、辉长岩等多种岩性组成的杂岩体，也包括了仅由辉长岩组成的简单岩体。已往年代学研究主要集中在这些杂岩体上，如将其主体形成时代厘定为晚石炭世—二叠纪[40-42]，并识别出少量早古生代杂岩体[43-44]，但对这些“简单岩体”却一直缺乏高精度定年结果的报道，导致其形成时代缺乏年代学约束。

采自于2个角闪辉长岩体中的锆石均显示出镁铁质火成岩中锆石特点：条痕状吸收(图4)和较高的Th/U值(表1)，表明它们具有岩浆成因，所测定的年龄应代表岩体的形成时代。定年结果表明，2个岩体的形成时代分别为(281.1±1.2)Ma和(282.3±1.3)Ma(图4)，在误差范围内基本一致(281～282)Ma，均为早二叠世。这一定年结果与分布于康古尔断裂及其附近的葫芦[41]、黄山东[21,42]、黄山[45]、香山[42,46]以及二红洼[47]等杂岩体中辉长岩的锆石U-Pb定年结果(274～285)Ma基本一致，表明沿康古尔断裂存在一条规模较大的早二叠世基性-超基性岩带。此外，与该基性-超基性岩带相伴还出现大面积同时代花岗岩，如管道(284 Ma)、红石(283 Ma)、黄山(288 Ma)、白山东(284 Ma)[48]以及三岔口(278 Ma)[49]、图拉尔根沟岩体(275 Ma)[50]。这表明，该区不仅存在早二叠世基性岩浆作用，而且存在同期花岗质岩浆作用。

4.2 源区性质

早二叠世角闪辉长岩具有低硅、贫钾和富铁、镁、钙的主量元素特征，指示其原始岩浆为上地幔部分熔融而形成的基性岩浆[51]。那么，所研究的样品是否具有原始岩浆性质？早二叠世角闪辉长岩体的岩性单一，成分均匀，Mg#值平均0.57，暗示原始岩浆形成后被改造的程度较小，但局部堆晶结构以及正铕异常的存在表明有斜长石的堆晶。相对而言，样品HS-01、HS-05、HS-06的Mg#值较高(0.60～0.63)，HS-05、HS-06 的正铕异常微弱(1.16和1.06)，说明它们更接近于原始岩浆成分，因而可以较好地限定岩浆源区性质。

表3 研究区角闪辉长岩Sr-Nd同位素分析数据

早二叠世角闪辉长岩的εNd(t)分别为10.66和12.54，说明岩浆源区为亏损地幔，但样品普遍存在大离子亲石元素富集和高场强元素亏损，表明存在地壳物质的加入。那么，这种地壳物质的加入是反映了岩浆源区的属性还是由于岩浆上升及演化过程中遭遇地壳物质混染的结果？本文研究的角闪辉长岩岩体的内部或边部少见围岩捕掳体，显微岩相学上少见外来矿物和明显的不平衡组构等同化混染标志，在主量元素特征上具有相对低Si、高Mg#值特征，因而可以排除岩浆上升和演化过程中遭受较高程度地壳物质混染的可能性。一般认为，总分配系数相同或相近元素(如La、Ce、Th、Zr、Nb等)的比值不受分离结晶作用和部分熔融程度的影响，不同元素比值之间的相关性可以较好地限定同化混染作用是否存在及其程度。早二叠世角闪辉长岩的La/Nb-Zr/Nb、Ce/Pb-Th/Zr、Ce/Nb-Th/Nb、Nb/Ta-La/Yb不存在明显的相关性(图略)，验证同化混染作用不存在或发生的程度较弱[52-54]，从而排除同化混染作用是造成微量元素与Sr-Nd同位素解耦的主要原因。这表明地幔不相容元素的加入是发生在岩浆源区，即反映了岩浆源区性质。另一方面，已有研究表明La、Ba、Th、Zr和Nb的比值不同可以指示岩浆源区性质[55-56]，采用La/Ba-La/Nb(图8a)和Nb/Zr-Th/Zr相关图解(图8b)进行判定，结果样品均显示出受俯冲流体/熔体交代的岩石圈地幔特征，这与样品中存在大量原生含水矿物角闪石及其所反映的岩浆源区富含流体相的岩相学特征相一致。

综上所述，可以认为早二叠世角闪辉长岩的岩浆源区主要为受俯冲流体交代的亏损地幔楔[33]，而较低的(87Sr/86Sr)i值(平均为0.704 3)和较高的εNd(t)值表明可能存在软流圈物质的加入[12,55]。

4.3 构造背景

已有研究表明，在泥盆纪--石炭纪觉罗塔格带南北两侧存在具有古老陆块性质的中天山地块[59-60]和吐哈地块[10,61-62]，其间产出一套以梧桐窝子组洋底玄武岩-放射虫硅质岩-远源复理石为代表的古生代洋壳残片[28]，它们共同构成了自北向南依次为吐哈地块—古亚洲洋(康古尔洋)—中天山地块的大地构造格局。在此基础上，开始了大洋板片的俯冲消减以及陆块之间的汇聚、碰撞、碰撞后伸展等不同阶段的晚古生代造山作用。一般认为，俯冲阶段主要发生在早泥盆世—早石炭世[28]，碰撞阶段主要发生在晚石炭世，此后(早二叠世)该区进入了碰撞后伸展阶段[45]，而区内强烈的早二叠世基性岩浆作用正是这一阶段造山作用的响应。

首先，从早二叠世角闪辉长岩的岩浆源区性质上看，它们为受俯冲流体交代的亏损地幔楔，表明其源区岩石的形成应与古亚洲洋板块的俯冲作用有关，这与该区广泛存在的与俯冲作用有关的石炭纪火山岩[7,28]和花岗岩[48]相一致；其次，从火成岩组合上看，东天山觉罗塔格带黄山及相邻地区不仅存在早二叠世基性-超基性岩[12]，而且广泛分布同时代的花岗岩[48]，它们构成双峰式火成岩组合，反映了伸展环境的存在；再次，区域上广泛发育二叠纪磨拉石建造，它们属于造山后快速隆升阶段的沉积[63]，表征了碰撞后伸展环境的存在；最后，在觉罗塔格带东段的图拉尔根沟岩体中识别出结晶年龄为275 Ma的铝质花岗岩[50]，这与本区晚二叠世双峰式火成岩组合所反映的伸展环境相吻合。上述分析表明，早二叠世角闪辉长岩的形成应与先期存在的古亚洲洋板片的俯冲以及洋壳消失和陆陆碰撞后的伸展背景有关。

a底图据文献[57] ；b底图据文献[58]。DM.亏损地幔；OIB.洋岛玄武岩；PM.原始地幔；CC.大陆地壳。图8 研究区La/Ba-La/Nb图解(a)和Nb/Zr-Th/Zr图解(b)Fig.8 La/Ba vs. La/Nb (a)and Nb/Zr vs. Th/Zr diagrams(b) in the study area

综上所述，认为觉罗塔格带黄山地区早二叠世角闪辉长岩形成于吐哈地块和中天山地块碰撞后的伸展背景。

5 结论

1)东天山觉罗塔格黄山地区角闪辉长岩体的形成时代为早二叠世(281.1～282.3)Ma。

2)东天山觉罗塔格黄山地区早二叠世角闪辉长岩的岩浆源区主要为受俯冲流体交代的亏损地幔楔，同时存在软流圈物质的加入。

3)东天山觉罗塔格黄山地区早二叠世角闪辉长岩形成于吐哈地块和中天山地块碰撞后的伸展背景。

致谢：河北省廊坊区域地质调查研究所在锆石分选过程中给予了支持，中国地质调查局天津地质矿产研究所工作人员在年代学、地球化学和Sr-Nd同位素测试分析方面给予了帮助，吉林大学地球科学学院的拓万斐、冯方圆等同学在野外工作中给予了帮助，吉林大学地球科学学院博士研究生曹嘉麟、贺云鹏和南京大学地球科学与工程学院博士研究生李兴奎等在本文的撰写过程中给予了指导，在此一并致谢。