阿尔泰山西段结特库勒岩体锆石U-Pb年龄、地球化学特征及地质意义

韩琼，赵同阳，郑加行，孙耀锋，唐智

(新疆维吾尔自治区地质调查院，新疆 乌鲁木齐 830000)

阿尔泰造山带位于中国、蒙古、俄罗斯和哈萨克斯坦4国交界处，是中亚造山带的重要组成部分[1]，发育大量侵入岩，古生代中酸性岩浆侵入活动频繁，中酸性侵入岩研究一直是近几十年来地球科学研究的热点及重点，作为造山带的重要组成部分其记录了造山过程的各种重要信息，为研究中亚造山带的重要窗口[2]，对于探讨区域构造岩浆演化具重要意义。前人对中国阿尔泰侵入岩做了很多研究工作，积累了丰富的资料，并对其基本特征进行了初步总结[3]。认为阿尔泰花岗岩类形成时代主要为海西期，印支、燕山期的花岗岩类很少，具多成因、多来源、多类型特征[4-6]。近年来通过定年方法对阿尔泰的侵入岩类进行了大量分析测试，获得了一大批年龄数据[7-11]，认为阿尔泰造山带不仅存在海西期花岗岩，还存在大量加里东期侵入岩类。本次研究在1∶20万资料综合研究基础上❶❶ 地质部第十三地质大队.1∶20万琼库尔幅地质图，1957.，结合1∶5万区域地质调查工作❷❷ 新疆地质调查院.新疆阿尔泰1∶5万M45E021013、M45E021014、M45E022013、M45E022014四幅区域地质矿产调查报，2017.，在研究区识别出大量加里东期侵入岩类，该发现对阿尔泰地区早古生代大地构造演化、构造-岩浆事件等具重要意义。

1 区域地质背景

研究区位于中亚造山带(图1-a)，阿尔泰造山带北部(图1-b)，阿尔泰弧盆系(图1-c)，阿尔泰古生代陆缘弧之喀纳斯被动陆缘带。区内为一套中深变质岩系震旦系—下寒武统喀纳斯群，为一套巨厚复理石建造(图1-b)。新疆地质调查院将震旦系—下寒武统喀纳斯群进行解体，并结合同位素测年，对其进行了重新划分，自下而上为中寒武—下奥陶统依列克塔斯岩组、中寒武—下奥陶统贝留特岩组。中寒武—下奥陶统喀纳斯群解体为中寒武—下奥陶统喀纳斯群苏木代尔格组、中寒武—下奥陶统喀纳斯群哲里开特组[12-14]。结特库勒岩体侵入的最新地层为中寒武—下奥陶统贝留特岩组第二岩性段(图1-d)，为一套结晶片岩建造，主要为灰色红柱石黑云母石英片岩、灰色蚀变条带状长石黑云母红柱石片岩、含红柱石斜长绿泥石英片岩、含绿泥石黑云母石英红柱石片岩、灰色红柱石二云母石英片岩、含红柱石绿泥二云母石英片岩、含绿泥石红柱石白云母石英片岩等。在岩体与地层接触带上石英脉较发育。

2 岩体特征

岩体位于禾木乡南侧约20 km的结特库勒一带，分布形态近圆形，面积约2.85 km2，岩体出露较好，受后期风化作用影响，呈峰林状产出(图2-a，b)，由于其形态各异，当地牧民称之为“怪石头”，岩体球形风化明显，局部以岩墙形式产出，岩石直立，发育多组节理。岩体风化面为深灰、灰色，新鲜面为浅灰色，岩体与地层间为侵入接触，接触面烘烤现象明显，地层中多见花岗岩脉侵入。岩体中常见电气石，以短柱状产出，局部较集中分布于白云母之间。岩体因风蚀作用形成洼坑，大小不等，半径多为5～10 cm，在洼地处发生钾化和褐铁矿化。钾化呈肉红色，浸染状，褐铁矿化为薄膜状，岩体与第四系接触部位高岭土化明显。岩体内部石英脉发育，受构造运动影响呈碎块状，颜色较纯净，无矿化现象(图 1-d)。

图1 研究区综合地质图Fig.1 Comprehensive geological map of the study area

图2 结特库勒岩体宏观照片Fig.2 Macro photo of Jietekule rock Mass

3 岩石学特征及测试方法

3.1 岩石学特征

本次研究共采集样品7件，其中同位素测年样1件，编号为14TW-0001，取样位置为东经：87°28′48″，北纬：48°20′50″。岩石地球化学样6件，编号为14YQ1～14YQ6。岩体主要的岩性为片麻状白云母斜长花岗岩，岩石风化面为灰、灰白色(图3-b)，鳞片粒状变晶结构，片麻状构造，岩石主要由斜长石和石英组成，此外，含少量石英、白云母、钾长石，微量磷灰石及个别电气石(图3-a)。斜长石呈他形板状，较干净，粒径为0.28～3.6 mm，含量约64%；钾长石为微斜长石，局部分布于斜长石、石英之间，分布不均匀，含量约1%；石英呈他形粒状，具波状消光，石英、长石呈条带状分布，含量约30%；白云母呈鳞片状，呈条带状分布于长石、石英之间，具片麻状构造，含量约5%。灰石呈他形粒状、柱状，分布于斜长石、石英之间或白云母、长石、石英之间。电气石呈他形柱状，分布于长石之间或长石、石英之间。

图3 片麻状白云母斜长花岗岩电子显微照相（50×正交偏光）及岩石表面照片Fig.3 Electron photomicrograph(50×Orthogonal polarized light）and rock surface photos of gneissic muscovite plagiogranite

3.2 测试方法

锆石分选在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。样品靶制和显微照相拍摄在重庆宇劲科技有限公司完成，对样品靶上的锆石进行透射光、反射光和阴极发光照相。测年在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成，测试使用与New Wave 213 nm激光取样系统连接起来的Agilent 7500a ICP-MS完成。激光束斑直径采用20～30 μm，频率5 Hz。样品经剥蚀后，由He气作为载气，和Ar气混合后进入ICP-MS进行分析，U-Pb分馏据澳大利亚锆石标样GEMOC GJ-1(207Pb/206Pb age of 608±1.5Ma)校正[15]，锆石标样Mud Tank(Inercept age of 732±5 Ma)为内标[16]，每个测试流程的开头和结尾分别测试2个GJ标样，另测试1个MT标样和20个待测样品点。U-Pb年龄和U、Th、Pb的计算由GLITTER软件(ver.4.4)获得，普通Pb校正和谐和图的绘制运用Isoplot完成[17]。

4 地球化学特征

4.1 主量元素

SiO2含量为69.4%～74%，TiO2含量为0.05%～0.14，全碱含量(Na2O+K2O)为7.5%～8.18%(表1)，里特曼指数σ为1.88～2.45，均小于3.3，碱度率AR为2.44～3.43(表2)。在AR-SiO2图解中(图4-a)，1个样品落在钙碱性区内，其余样品落在碱性区内，表明岩石为钙碱性-碱性岩石序列。Al2O3含量为15%～17.4%(表1)，在CIPW标准矿物计算中，出现刚玉，含量为3.27%～7.77%(表2)，在A/CNK-A/NK图解中4个样品落在过铝质范围内，表明结特库勒岩体岩石为过铝质岩石系列(图5-b)。

表1 片麻状白云母斜长花岗岩主量元素测试结果表Table 1 Major elements test results table of gneissic muscovite plagiogranite

表2 片麻状白云母斜长花岗岩CIPW计算Table 2 CIPW test results gneissic muscovite plagiogranite

图4 片麻状白云母斜长花岗岩岩石序列判别图和A/CNK-A/NK图解Fig.4 Rock Sequence discriminant and A/CNK-A/NK illustration of gneissic muscovite plagiogranite

图5 片麻状白云母斜长花岗岩微量元素和稀土元素蛛网图Fig.5 Trace elements and Rare earth elements spider diagram of gneissic muscovite plagiogranite

4.2 微量元素和稀土元素

岩石中高场强元素(HFSE)含量较高，Nb/Ta为2.1～4.34。岩石具高的Y和Yb，含量分别11.9×10-6～20.3×10-6和1.4×10-6～2×10-6(表3)，在原始地幔标准化蛛网图中(图5-a)，总体上显示基本一致的分布模式，Ba，U，Nd，Sr，Ti元素呈明显负异常，Rb，U，P，Hf，Y呈正异常，Nb的亏损不明显，K，Rb等有明显增加。岩石稀土元素成分及特征见表3，ΣREE含量为25.86×10-6～35.27×10-6，LREE含量为19.24×10-6～26.67×10-6，HREE为6.03×10-6～8.6×10-6，表明稀土总量较低，且以轻稀土为主；LREE/HREE为2.91～4.18，表明轻稀土富集，重稀土亏损，LaN/YbN为2.06～3.23，也表明轻重稀土分馏不均，且轻稀土富集，重稀土亏损的特点。在稀土元素球粒陨石标准化分布形式图上(图5-b)，表现为较一致的分布曲线，总体上向右倾斜，表现为“V”型，5件样品出现Gd的负异常，稀土元素表现为稀土总量较低，且以轻稀土为主，轻重稀土分馏作用明显，轻稀土明显富集，重稀土明显亏损，出现Gd的负异常。

5 锆石U-Pb年龄

在阴极发光照片中，锆石形态不规则，且具热液蚀变边，说明锆石受到后期岩浆热液的影响较大，为了获得其结晶年龄，选择不受热液蚀变、避免在包体和裂纹且环带清晰的部位进行测年。206Pb/238U年龄集中在417～503 Ma(表4，图6)，在锆石U-Pb年龄谐和图上(图7)，测点全部落在谐和线上及其附近，但有两个明显的中心：495～504 Ma和417～442 Ma，206Pb/238U 平 均 年 龄 (462±27)Ma(MSDW=1.5，n=11)，结合岩浆型锆石特点，将该加权平均年龄解释为片麻状白云母斜长花岗岩的结晶年龄，说明为晚奥陶世岩浆侵入活动产物。

表3 片麻状白云母斜长花岗岩微量元素和稀土元素测试结果及特征值表Table 3 Trace elements and Rare earth elements test results and eigenvalues of gneissic muscovite plagiogranite

表4 片麻状白云母斜长花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb测年分析结果Table 4 LA-ICP-MS zircon U-Pb ages test results of gneissic muscovite plagiogranite

图6 片麻状白云母斜长花岗岩锆石CL照片Fig.6 Zircon CLphotos of gneissic muscovite plagiogranite

6 讨论

6.1 成岩作用

岩石化学表明，该岩体为过铝质碱性系列岩石，在ACF图解中(图8-a)，所有样品均落在“S”型花岗岩区内，说明为地壳物质部分熔融形成，原岩为沉积岩。在C/MF-A/FM图解中(图8-b)，4个样品落在“A”区内，为变质泥岩部分熔融区，2个样品落在“B”区，表明原岩为变质砂岩的部分熔融，为“S”型花岗岩，是变质泥岩和变质砂岩部分熔融的产物。在标准矿物作花岗岩类Q-Ab-An等温等压力图解中，所有样品落在800℃附近，显示结特库勒片麻状英云闪长岩侵入时的熔融温度在800℃附近。压力特征不明显，显示高温低压的特点，根据压力推断，应为浅源物质的部分熔融。该类花岗岩在阿尔泰一带分布较广泛，部分学者将该类“高温、过铝质”的侵入岩称为“SP”型花岗岩[18-20]。

图7 片麻状白云母斜长花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄谐和图及统计直方图Fig.7 LA-ICP-MS zircon U-Pb ages map and diagram of gneissic muscovite plagiogranite

图8 片麻状白云母斜长花岗岩成因判别图Fig.8 Cause distinction diagram of gneissic muscovite plagiogranite

关于“SP”型花岗岩，在20世纪80年代，与碰撞有关的“SP”型花岗岩往往被划分为同碰撞花岗岩，后来的研究发现，大量“SP”型花岗岩是后碰撞的产物。后碰撞作用环境下，根据地壳加厚程度和岩浆底侵程度的不同可分为高温型和高压型，相应地“SP”型花岗岩可分为高温型和高压型[21]。高压型“SP”花岗岩是指在“高压”碰撞过程中由超厚地壳(大于50 km)的后碰撞折返作用形成，具较高的Al2O3/TiO2比值。而高温型“SP”花岗岩是形成于巨型褶皱带的“高温”碰撞中。在这类碰撞造山过程中，地壳加厚不明显，形成不了高压环境，但在后碰撞阶段，岩石圈可发生拆沉作用与热流圈上涌，使有关地壳发生深熔作用，形成高温型“SP”花岗岩，以具相对低的Al2O3/TiO2比值为特征，以富黑云母含堇青石的英闪岩、花岗闪长岩和二长花岗岩为主[21-22]。结特库勒岩体岩石A/CNK为1.18～1.67，均小于1.1，Al2O3/TiO2为124.36～326.96，该值相对较低，其形成温度在800℃左右，且具高温低压特点。结合区域构造背景，认为该岩体为高温型“SP”花岗岩类，为碰撞阶段岩石圈发生拆沉，地壳物发生深熔，上涌混合成岩。

6.2 形成环境

阿尔泰造山带花岗岩发育，主要形成于加里东晚期和华力西期，而华力西期岩体多为中晚期[5,9]。最新研究结果表明：阿尔泰造山带(包含哈、俄、中、蒙4国的阿尔泰地区)的古生代花岗岩集中形成于4个阶段：①中晚奥陶世(470～440 Ma)花岗岩；②晚志留世—泥盆纪(425～360 Ma)花岗岩；③早石炭世(355～318 Ma)花岗岩；④早二叠世(290～270 Ma)侵入岩[1]，其中阿尔泰造山地带的碰撞造山活动主要形成于450～370 Ma[23]。结特库勒岩体的成岩时代为(462±27)Ma，在误差范围内，反映该岩体形成于碰撞造山环境。在R1-R2图解中(图9-a)，所有样品落在“⑥”附近，反映其为碰撞型花岗岩；在Yb+Nb-Rb构造判别图解中(图9-b)，所有样品落在“syn-COLG”，为同碰撞环境。

图9 结特库勒岩体构造环境判别图Fig.9 Tectionic discriminant diagram of Jietekule Mass

结合研究区的侵入岩特点，认为在中晚奥陶世期间，随着古亚洲洋向北侧西伯利亚板块之下俯冲，构造环境向活动大陆边缘转变，洋壳不断向大陆块体下俯冲，伴随着流体活动，带入大量挥发分，形成了高温高压环境，深部上地幔岩石圈发生部分熔融作用，随着熔浆不断上升运移，为地壳物质的部分熔融提供了热源，同时随着地壳物质的不断加入，也使幔源岩浆发生了同化混染作用，显示出了准铝质钙碱性系列岩石的特征。在幔源岩浆加热过程中，巨厚复理石建造的地壳沉积岩发生云母类矿物脱水熔融，形成强过铝质高钾钙碱性系列中酸性侵入体，岩石成因类型主体为“S”型花岗岩。随着俯冲作用的持续，形成了同碰撞-后碰撞环境下的钙碱性-碱性花岗岩体。此时在深部流体作用形成的高温中低压条件下，下地壳物质(泥质)发生部分熔融，形成大量过铝质碱性系列岩石，总体呈现由同碰撞向后碰撞花岗岩演化的特点。通过上述分析，认为结特库勒岩体形成于同碰撞-后碰撞环境。

7 结论

(1)结特库勒岩体片麻状白云母斜长花岗岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(462±27)Ma，为晚奥陶世岩浆侵入活动的产物。

(2)结特库勒岩体为高温型“SP”花岗岩类，可能是在碰撞造山过程中发生岩石圈拆沉与热流圈上涌，使地壳发生深熔，上涌混合成岩。

(3)结特库勒岩体形成于碰撞造山环境，很可能为同碰撞-后碰撞的环境。