东准噶尔东北缘阿舒达斯晚石炭世碱性花岗岩SHRIMP锆石U-Pb定年、岩石地球化学特征及构造意义

2020-07-04 02:04阿里木江·艾合买提宫相宽李咸阳郑飞尚明亮木扎帕尔·木合塔尔
新疆地质 2020年2期

阿里木江·艾合买提 宫相宽 李咸阳 郑飞 尚明亮 木扎帕尔·木合塔尔

摘   要:准噶尔盆地周缘出露大量晚古生代花岗岩,与古亚洲洋的闭合及陆陆碰撞造山过程密切相关。对东准噶尔东北缘阿舒达斯一带碱性花岗岩进行年代学和岩石地球化学研究,通过对SHRIMP锆石U-Pb测定,确定该地区碱性花岗岩结晶年龄为(319.3±2.5) Ma。岩石化学组成上碱性花岗岩具高SiO2(70.16%~75.64%)、富碱(Na2O+K2O=8.57%~10.15%)和贫CaO(0.26%~0.73%)、低Al2O3(11.99%~14.07%)特征。微量元素上富集大离子亲石元素Rb,Th和高场强元素Nb,Zr,Hf,亏损Ba和Sr元素,轻重稀土元素分馏较明显,(La/Yb)N=3.07~6.77,具强Eu负异常,δEu=0.14~0.3。稀土元素分布模式呈右倾海鸥型,具极高的全岩锆石饱和温度,为873 ℃~918 ℃,平均894 ℃,显示典型A型花岗岩特征。据前人研究成果,阿舒达斯一带A型花岗岩为乌伦古碱性花岗岩带的一部分,可能是幔源岩浆底侵,导致富Nb玄武岩部分熔融后与其发生的岩浆混合,经一定程度陆壳混染和结晶分异作用的产物,其形成标志着东准噶尔北缘造山阶段的结束和板内伸展环境的开始。

关键词:东准噶尔;岩石地球化学;SHRIMP锆石U-Pb定年;晚石炭世;碱性花岗岩

准噶尔盆地位于天山和阿尔泰造山带之间,是中亚造山带重要组成部分。前人对准噶尔地区进行大量研究,在准噶尔洋盆演化时限、构造属性、板块边界、东西准噶尔对比等方面取得丰硕成果[1-4]。目前关于东准噶尔地区古亚洲洋闭合后陆陆碰撞的时限问题争议较大,有研究者认为东准噶尔在355~318 Ma已处于后碰撞作用尾声[5];也有学者提出该区域后碰撞岩浆活动时限为330~265 Ma[4],甚至在320 Ma左右区域上依然存在古亚洲洋的俯冲消减作用[6]。

准噶尔盆地周缘出露大量火山岩和侵入岩,被认为是古亚洲洋盆闭合和陆陆汇聚碰撞过程中岩浆活动产物,记录了准噶尔乃至中亚造山带的构造演化历史[6-7]。东准噶尔东北缘乌伦古河地区发育一条碱性花岗岩带,由多个出露面积为几到几十平方千米,呈岩株状产出的岩体组成,形成时代为323~299 Ma[8-10]。有学者对其中部分岩体开展了岩石成因和形成背景研究,目前它们究竟是造山后期拉张环境下岩浆活动产物[10-11],还是形成于板内拉张裂谷环境仍存在争议[12]。该区碱性花岗岩带西北缘,邻近准噶尔盆地乌伦古河地区零散分布有少量花岗质侵入体,它们是否为该碱性花岗岩带的一部分,形成时代如何,形成于何种构造背景尚缺少详细研究。为此,本文以乌伦古河北缘阿舒达斯地区碱性花岗岩为研究对象,在系统岩相学、地球化学和SHRIMP锆石U-Pb定年分析基础上,探讨岩石形成机理,为准噶尔东北缘晚古生代构造演化提供依据。

1  地质概况和样品特征

研究区地处新疆富蕴县西南60 km处,区域构造上位于东准噶尔东北缘,唐古巴勒-卡拉麦里古生代复合沟弧带内乌伦古大断裂附近,东部邻近扎河坝蛇绿混杂岩(图1-a),北部为索尔库都克铜钼矿。该区被大面积第四系沉积物覆盖(图1-b),出露地层由老到新分别为下泥盆统托让格库都克组,主要岩性为玄武岩、安山岩、岩屑凝灰岩、火山角砾岩;中泥盆统北塔山组,主要岩性为安山质流纹岩、晶屑凝灰岩;晚白垩世红砾山组,主要岩性包括砾岩、泥岩、石英砂岩;古—新近系沙湾组,主要岩性为砂岩、砂砾岩、砂质泥岩。区内碱性花岗岩零星分布,多个岩体间彼此不接触,呈岩体或岩株状产出,岩石风化普遍较严重(图2-a),球形风化和劈理发育,风化面呈黑褐色。位于研究区南部碱性花岗岩体与沙湾组呈不整合接触,东北部碱性花岗岩与北塔山组呈断层接触,接触界线可见糜棱岩化、碎裂岩化,可能为滑脱构造引起。本文对该区碱性花岗岩进行采样,共采集新鲜岩石样品11件(W-1~W-11),岩石类型主要为碱性花岗岩和石英碱性正长岩。同位素年代学样品1件(TW-12,与样品W-8采自同一位置),采样位置见图1-b。

碱性花岗岩呈浅肉红色,花岗结构,块状构造,主要由钾长石(64%)、石英(35%)和少量钠铁闪石(1%)组成(图2-b),副矿物为磁铁矿和磷灰石。钾长石为半自形板状或他形粒状,粒径1.2~3.8 mm,条纹构造发育,为条纹长石,高岭土化普遍较强;钾长石粒间呈不规则状分布有他形粒状石英,粒径0.3~1.7 mm;钠铁闪石呈深绿色,柱状,粒径(0.37~1.8)×(0.5~0.55) mm,断续定向分布于钾长石和石英粒间。

石英碱性正长岩呈肉灰色,半自形粒状结构,块状构造,主要由钾长石(80%)、石英(17%)和钠铁闪石(3%)组成,副矿物为磁铁矿和磷灰石。钾长石呈半自形板粒状,粒径1.0~3.6 mm,发育条纹构造,普遍發生高岭土化;石英呈他形粒状充填于钾长石粒间,粒径0.7~4 mm;钠铁闪石呈黄绿色-深绿色,柱状,粒径(0.4~1.5)×(0.5~0.6) mm,断续定向分布。

2  分析方法

全岩主微量元素分析测试工作在武汉地质调查中心实验室完成,主量元素利用X射线荧光光谱仪(XRF)测试分析,分析精度和准确度优于5%,微量元素采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)分析完成,分析精度和准确度优于10%。锆石样品的制靶和阴极发光(CL)图像采集工作在北京锆年领航科技有限公司实验室完成,制靶过程参考SHRIMP定年锆石样品靶的制备流程[14],CL图像采集加载了英国Gatan阴极荧光探头的日本电子JSM6510型电子显微镜下完成。SHRIMP锆石U-Pb同位素测试在中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心的SHRIMPⅡ型离子探针上进行。测试中一次离子流强度约7.5 nA,加速电压约10 kV,样品靶上的离子束,斑直径25~30 μm。应用标准锆石SL13(参考年龄572 Ma)和TEM(参考年龄417 Ma)分别标定未知样品的U,Th含量和年龄校正[15-16]。普通铅用实测的204Pb 校正。每个锆石点连续分析5次,取平均值,误差为 lσ。207Pb/206Pb、206Pb/238U加权平均年龄值具95%的置信度。有关年龄数据处理和绘图采用SQUID和ISOPLOT软件。

3  分析结果

3.1  锆石U-Pb同位素测年

阿舒达斯碱性花岗岩中锆石形态多为自形-半自形柱状或粒状,粒径100~200 μm,多为150 μm左右,长宽比为1∶1~2∶1。CL图像分析显示,所有锆石均具清晰振荡环带结构(图3-a),显示岩浆锆石特征。

本次研究对碱性花岗岩中24颗锆石进行SHRIMP锆石U-Pb定年分析,测点数据见表1。分析结果显示,锆石Th/U比值介于0.40~2.14,大于0.3,表明为岩浆成因锆石。24个测点中有两个点年龄值偏低,206Pb/238U年龄分别为(295±9)Ma和(296±7)Ma,可能是铅丢失的结果。其余22个测点206Pb/238U年龄较一致,介于311~325 Ma,在U-Pb谐和图上形成一个年龄集中区(图3-a)。206Pb/238U加权平均值为(319.3±2.5) Ma(MSDW=0.47,n=22),表明该碱性花岗岩为晚石炭世岩浆活动产物(图3-b)。

3.2  岩石地球化学特征

本文对11件样品进行全岩主量、微量和稀土元素分析(表2)。结果表明,阿舒达斯碱性花岗岩具高硅,SiO2=70.16%~75.64%、富碱,Na2O+K2O=8.57%~10.15%、低CaO(0.26%~0.73%)和低MgO(0.075%~0.48%)特征。Mg#值较低,为7.23~21.11。Fe2O3T含量高,为1.92%~5.69%,TiO2含量0.18%~0.3%,P2O5含量较低,为0.018%~0.05%。SiO2碱率图解中(图4-a),样品主要落入高钾钙碱性系列范围,与乌伦古碱性花岗岩相似特征。A/CNK比值为0.83~1.1。A/CNK-A/NK图解中,样品多落在过碱质区域(图4-b),少部分落入过铝质范围。总体上,本文研究的碱性花岗岩属富硅和碱、低钙和镁的高钾钙碱性系列过碱质-弱过铝质侵入岩。

阿舒达斯碱性花岗岩稀土元素含量较高且变化范围不大,∑REE=155.7×10-6~312.16×10-6,轻稀土元素(LREE)含量较高,为135.12×10-6~273.06×10-6,均值197.71×10-6,重稀土(HREE)含量较低,为20.58×10-6~39.1×10-6,均值28.97×10-6,轻重稀土分馏较明显,LREE/HREE=5.08~8.77;(La/Yb)N=3.07~6.77。稀土元素球粒陨石标准化分布模式图中(图4-c),所有样品稀土元素分布曲线均具一致的变化趋势,具同源岩浆演化特征,显示强Eu负异常,δEu=0.14~0.3,表明岩浆在演化过程中经斜长石分离结晶作用或者源区残留斜长石。原始地幔标准化微量元素分布图解中(图4-d),高场强元素Nb,Zr,Th,Ta,Hf明显富集,大离子亲石元素(LILE)Ba,Sr明显亏损,与乌伦古碱性花岗岩微量元素组成特征一致。10 000×Ga/Al比值为2.77~4.39,均大于A型花岗岩的下限值2.60[21]。花岗岩类型判别图中,碱性花岗岩全落入A型花岗岩区域(图5)。此外,通过全岩锆石饱和温度计算,得到碱性花岗岩岩浆形成温度为873 ℃~918 ℃,均值894℃,表明岩浆形成温度极高,显示A型花岗岩特征[22]。

4  讨论

4.1  岩石成因

本文研究的东准噶尔阿舒达斯碱性花岗岩具高硅(SiO2>70.44%)、富铁(Fe2O3T=1.92%~5.69%)特征。MgO含量较低,为0.075%~0.48%,Mg#值仅为7.23~21.11,具壳源岩石特征。因此,该岩体不可能直接由幔源岩石部分熔融形成[23]。微量元素组成显示Ba,Sr和Eu强亏损(图4),表明岩浆早期经一定程度斜长石和钾长石等矿物的分离结晶作用[24]。该碱性花岗岩Nb/Ta比值普遍较高且变化范围大,为9.0~20.9,介于地壳岩石10~12和幔源岩石17.5±2之间[25-26],反映其同样不可能单纯通过大陆地壳岩石部分熔融形成[23]。另该岩石具较高的Nb含量。研究表明,这种相对富集Nb的特征可能与富Nb镁铁质下地壳的部分熔融有关[27],或俯冲洋壳交代的地幔楔熔融产物参与了岩石的成岩过程[28]。该结果与前人研究认为东准噶尔北缘碱性花岗岩的形成不仅与富Nb玄武岩或俯冲洋壳的部分熔融有关,还与幔源岩浆的参与有关的认识基本一致[29]。阿舒达斯碱性花岗岩具低Sr(13.94×10-6~88.26×10-6)、高Y(33.4×10-6~62.5×10-6)及高Yb(4.0×10-6~7.6×10-6)含量,明显区别于埃达克岩[30],暗示其不可能通过俯冲洋壳部分熔融形成。结合前人研究成果及该区碱性花岗岩普遍具较高的εNd(t)和εHf(t)值,分别为4~7.5和4.8~12.4[29,31],且岩石中出现较老的捕获锆石[29],我们认为,阿舒达斯北一带石炭纪碱性花岗岩与幔源岩浆底侵到下地壳,促使下地壳富Nb玄武岩部分熔融并与其发生壳幔岩浆混合有关,岩浆在上侵过程中受到陆壳组分的混染并发生结晶分异,最终侵位形成碱性花岗岩。

4.2  構造意义

阿舒达斯碱性花岗岩与乌伦古河碱性花岗岩带碱性花岗岩具一致的形成时代(323~299 Ma)和相似的地球化学特征(图4)[10,32],反映其为该碱性花岗岩带的组成部分。研究表明,花岗岩类矿物学特征和地球化学组成,尤其是微量元素特征可为其形成构造环境提供有效限定[33-34]。阿舒达斯碱性花岗岩中发育典型碱性暗色矿物钠铁闪石,元素组成具右倾海鸥型稀土元素分布曲线和强Eu负异常,微量元素Nb,Ta,Zr和Hf相对富集,Ga/Al比值高,花岗岩类型判别图中均落入A型花岗岩区域(图5-a,b),均反映其属A型花岗岩[20]。A型花岗岩是一类具特殊构造指示意义的花岗岩类型,多形成于与伸展拉张有关的后碰撞或板内构造背景下[33]。微量元素构造环境判别图解中(图5-c),样品多落于板内花岗岩区域,部分落在后碰撞花岗岩区域,表明其具由后碰撞向板内环境转换过渡属性。R1-R2构造环境判别图中(图5-d),所有样品落于造山期后花岗岩和非造山花岗岩区域,暗示阿舒达斯碱性花岗岩为后碰撞环境演化到非造山期背景下岩浆活动产物。研究表明,卡拉麦里断裂北部姜巴斯套组发育双峰式火山岩,形成时代为(319.8±2) Ma[35],表明此时东准噶尔局部地区已逐渐进入陆内伸展阶段。本文研究的阿舒达斯碱性花岗岩及所属乌伦古碱性花岗岩带正是这一时期和相似构造背景下形成和发育的。综上所述,阿舒达斯碱性钾长花岗岩的形成标志着与陆-陆碰撞有关的后碰撞作用进入尾声,它的出现代表了造山作用的结束和板内伸展环境的开始。

5  结论

(1) SHRIMP锆石U-Pb年代学研究表明,东准噶尔阿舒达斯北一带碱性花岗岩侵位结晶年龄为(319.3±2.5) Ma,形成于晚石炭世。

(2) 阿舒达斯一带晚石炭世碱性花岗岩是乌伦古碱性花岗岩带一部分,岩石地球化学和矿物组合具A型花岗岩特征。认为阿舒达斯北一带晚石炭世碱性花岗岩由幔源岩浆底侵到富Nb下地壳,导致部分熔融,与熔融产物混合后经陆壳物质混染和结晶分异形成,属后碰撞末期阶段构造环境岩浆活动产物,其形成标志着东准噶尔北缘造山阶段的结束和板内环境的开始。

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LA-ICP-MS Zircon U-Pb Dating, Geochemical Characteristics and Tectonic Significance of Ashudas Late Carboniferous Alkaline

Granite in Northeast Margin of Eastern Junggar,Xinjiang

Alimujiang·Aihemaiti1,Gong Xiangkuan1,Li Xianyang2,Zheng Fei2,

Shang Mingliang2,Muzhapaer·Muhetaer1

(1.Xinjiang Key Laboratory for Geodynamic Processes and Metallogenic Prognosis of Central Asian Orogenic Belt,Xinjiang University; College of Geology and Mining Engineering, Urumqi, Xinjiang,830046,China; 2.Xinjiang Institute of Geological Survey, Urumqi, Xinjiang,830000,China)

Abstract: A large number of late Paleozoic granites are found around junggar basin , it is closely related to the closure of the ancient Asian ocean and the process of land-land collision orogeny.  Geochronology and petrochemistry study of alkaline granites in the area of ashudas, northeastern margin of eastern Junggar . The crystal age of the alkaline granites was determined to be (319.3±2.5) Ma by the LA-ICP-MS zircon U-Pb determination in this area. The alkali granite is characterized by high SiO2(70.16%~75.64%), high alkaline(Na2O+K2O=8.57%~10.15%), low CaO(0.26%~0.73%)and low Al2O3(11.99%~14.07%). It is enriched in light rare earth elements (LREE), Rb, Ta, Zr, Hf, Th and depleted in Ba, Sr. The fractionation of the light and heavy rare earth elements is obvious((La/Yb)N=3.07~6.77), showing right dipping lines with strong negative Eu anomaly and obvious right-leaning. It also has extremely high zircon saturation temperature(873~918 ℃,average 894 ℃), it shows the characteristics of typical A-type granite.The data presented here in conjunction with previously published data suggest that Ashudasi A-type granite has been formed by partial melting of the predominantly Nb-rich basalt in the lower crust, which was caused by mantle-derived magma underplating in a post-collision or intracontinental setting and influenced by crustal contamination and crystallization differentiation. Its formation marks the collision event in the northern margin of the East Junggar and the beginning of intraplate extensional environment.

Key words:  East Junggar; Geochemistry; SHRIMP zircon U-Pb dating; Late carboniferous; Alkali granite