中天山比吉盖布鲁斯台辉长岩LA-ICP-MSCP-MS锆石U-PbU-Pbb年龄及其构造环境

米宝昕，靳刘圆，李平，刘宏，王洪刚，王晓晨

（1.新疆维吾尔自治区地质学会， 新疆乌鲁木齐 830000； 2.新疆维吾尔自治区地质调查院， 新疆乌鲁木齐 830000；3.安徽省勘查技术院， 安徽合肥 230031； 4.内蒙古自治区第二水文地质工程地质勘查院， 内蒙古鄂尔多斯 017000）

0 引言

中亚造山带是由众多微陆块、岛弧、洋岛、海山及增生杂岩等多种属性地质体碰撞拼贴而成的全球最大的增生造山带[1～4]，发育有大量古生代至中生代侵入岩，这些侵入岩是研究陆壳增生的最佳对象[5～6]。国内外学者对中亚造山带进行了大量的研究工作，涉及岩石地球化学、沉积地层学、古地磁学、构造地质学和变质地质学等，并取得许多重要的进展和共识[5，7～9]。但在一些关键地质问题如石炭纪-二叠纪这一构造转换关键时期的地质背景等方面依然存在较大的争议[8，10～13]。我国西天山造山带是研究中亚造山带西段构造演化历史的关键地区，然而对天山洋的闭合和造山作用时间同样存在较大争议，大部分学者认为南天山古洋盆于晚古生代闭合[10，15～23]，也有学者认为南天山为三叠纪碰撞造山带[24～26]。

中天山构造带是西天山造山带的重要组成部分。沿中天山南缘缝合带之北，出露有大量的花岗岩类及少量基性岩。前人对这些基性侵入岩进行了研究，并取得了一定的成果，如与早志留世南天山洋向北俯冲作用有关的菁布克拉基性杂岩体[辉石闪长岩锆石SHRIMP年龄(434.4±6.2)Ma][27]，地幔岩低程度部分熔融形成的小哈军山基性-超基性杂岩体[28]，哈拉达拉基性-超基性杂岩体中辉长岩[锆石SHRIMP年龄(308.3±1.8)Ma][29]，亏损地幔部分熔融岩浆与长英质岩浆混合作用形成的骆驼沟辉长岩体[Rb-Sr等时线(321±10)Ma][30]等等。

本文对位于中天山南缘的新疆巴伦台镇北部比吉盖布鲁斯台一带辉长岩进行了研究，通过同位素年代学和岩石地球化学特征分析，研究辉长岩体形成的地质构造环境与动力学背景，进而为探讨南天山洋的构造演化进一步提供证据。

1 地质背景和岩石学特征

图1 比吉盖布鲁斯台地区地质简图Figure 1.Geological sketch of the Bijigaibulusitai area

图2 辉长岩宏观(a)及显微照片(b)Figure 2.Macro-(a)and microscopic photo(b)of gabbro

研究区位于中天山南缘侵入岩带中，距东南方向的新疆和静县约100km。区内地层有中元古界长城系星星峡岩群、蓟县系卡瓦布拉克岩群，古元古界那拉提岩群。区内广泛出露大面积的泥盆纪、石炭纪侵入岩，泥盆纪侵入岩主要为闪长岩和二长花岗岩；石炭纪岩性较为复杂，超基性至酸性均有出露，主要岩性有蛇纹石化橄榄岩、闪长岩、石英闪长岩、花岗岩。本次研究的辉长岩岩体呈北西-南东向面状展布(图1b)，南北宽约3km，北部与泥盆纪、石炭纪侵入岩断层接触，东部被石炭纪闪长岩侵入，南部被第四系覆盖，西部侵入下元古界那拉提岩群。

辉长岩：中细粒辉长结构，块状构造，主要由斜长石、单斜辉石组成。斜长石近半自形板状，大小一般1～2mm，局部可见5～8mm，杂乱分布，斜长石被绢云母及黝帘石、方解石交代。单斜辉石近半自形柱状，大小一般1～2mm，部分2～5mm，杂乱分布，多已变为角闪石集合体，少孤岛状残留。角闪石为半自形-他形柱状，大小一般0.02～0.2mm，局部被黝帘石及阳起石交代（图2）。

2 分析方法

主量元素使用熔片法X-射线荧光光谱法(XRF)测试，微量元素使用ICP-MS法测试，主量元数与微量元素测试，均在新疆维吾尔自治区矿产实验室完成，地球化学图件绘制采用Geokit软件完成[31]。

锆石单矿物挑选在河北省廊坊区调队试验室完成，并拍摄锆石阴极发光(CL)图，然后在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成锆石U-Pb同位素测年及锆石微量元素测定。测试仪器采用等离子体质谱仪Agilent7500a，激光能量70mJ，频率8Hz，激光束斑直径32μm，剥蚀物质的载气使用He，锆石年龄计算采用标准锆石91500作为外标，NIST610作为内标。数据处理采用ICP-MS DataCa8.3程序，并进行普通铅校正[32]，年龄计算及谐和图绘制采用ISOPLOT4.0软件完成[33]。

3 锆石U-Pb测年

本次研究在比吉盖布鲁斯台辉长岩体中采集锆石U-Pb同位素年龄样品1件。样品位置：北纬42°55′29.7″，东经85°26′57.9″。

图3 比吉盖布鲁斯台辉长岩锆石阴极发光图Figure 3.Cathodoluminescence images of zircons from the Bijigaibulusitai gabbro

辉长岩体中分选出的锆石，多为无色透明，半自形，多呈柱状，较为破碎，长宽比在1～3之间，粒径在50～150μm之间，测试时选择内部纯净、没有包裹体和裂隙的部位测定（图3）。锆石CL图像显示其具有岩浆的震荡环带。大量研究表明，不同成因的锆石有不同的232Th/238U比值，其中，变质成因的锆石232Th/238U比值一般小于等于0.1，而岩浆成因的锆石232Th/238U比值一般大于0.4[34～35]。本次测定样品的U-Pb同位素数据列于表1。18颗锆石的232Th/238U比值介于0.05～1.58，平均值为0.63，与岩浆锆石的Th/U值一致，为岩浆成因锆石特征。该样品18个测点的数据点集中于谐和线上及其附近，其206Pb/238U年龄加权平均值（334.9±3.2）Ma，代表了辉长岩的形成年龄（图4），故将比吉盖布鲁斯台辉长岩的形成时代置于早石炭世。

4 岩石地球化学

4.1 主量元素

比吉盖布鲁斯台辉长岩SiO2含量为48.43%～49.56%，均值为48.91%；Al2O3、CaO含量较高，分别为20.44%～22.11%、13.16%～14.04%，均值分别为21.42%、13.53%；TiO2和P2O5含量较低，分别为0.43%～0.74%、0.02%～0.03%，均值分别为0.52%、0.025%；MgO含量为6.78%～7.31%，均值6.88%，Mg#介于57.8～60.31，均小于65，但非常接近原始岩浆的参考值[4]，表明原始岩浆经历了较弱的分异作用；K2O含量（0.18%～0.22%，均值0.2%）低于Na2O含量（1.88%～2.28%，均值2.12%）。主要元素结果分析见表2。在TAS图解（图5）中，岩石落在亚碱性辉长岩范围内；在FAM图解(图6)中，样品均落于拉斑系列区内。

图4 比吉盖布鲁斯台辉长岩锆石U-Pb谐和图及206U/238Pb年龄加权平均值Figure 4.U-Pb concordia diagram and 206U/238Pb age weighted average value diagram of zircons from the Bijigaibulusitai gabbro

表1 比吉盖布鲁斯台辉长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析结果Table 1.LA-ICP-MS U-Pb isotopic data of zircons from the Bijigaibulusitai gabbro

图5 比吉盖布鲁斯台辉长岩TAS分类图解[36]Figure 5.Total alkali versus silica(TAS)diagram of the Bijigaibulusitai gabbro[36]

图6 比吉盖布鲁斯台辉长岩FAM图解[36]Figure 6.FAM diagram of the Bijigaibulusitai gabbro[36]

4.2 稀土与微量元素

稀土、微量元素分析结果见表3。辉长岩稀土元素总量∑REE较低（11.64×10-6～13.88×10-6），球粒陨石标准化曲线呈右倾型（图7），LREE/HREE为2.81～3.23，（La/Yb）N=2.21～2.57，表明轻重稀土分馏较为明显；δEu=1.82～2.24，为Eu正异常，与Sr的正异常特征一致，表明辉长岩形成过程中没有发生明显的斜长石结晶分离作用。在微量元素原始地幔标准化曲线图（图8）中，相对亏损Nb、Ta、Th等高场强元素（HFSE），Ba、U、Sr等大离子亲石元素（LILE）显示出相对富集的特征，这与岛弧火山岩的特征类似[37]。

图7 辉长岩稀土元素球粒陨石标准化曲线Figure 7.REE chondrite-normalized pattern of the Bijigaibulusitai gabbro(after Sun and McDonough，1989 for the chondrite data)

图8 辉长岩微量元素原始地幔标准化曲线Figure 8.REE primitive mantle-normalized pattern of the Bijigaibulusitai gabbro (after Sun and McDonough，1989 for the chondrite data)

表2 比吉盖布鲁斯台辉长岩主量元素（%）分析结果Table 2.Major element(%)composition of the Bijigaibulusitai gabbro

表3 比吉盖布鲁斯台辉长岩稀土和微量元素（10-6）分析结果Table 3.REE and trace element（10-6）compositions of the Bijigaibulusitai gabbro

5 讨论

比吉盖布鲁斯台辉长岩属拉斑玄武岩系列，具有高Si、高Al、低Ti特征。在Zr-TiO2图解（图9）中样品均落于火山弧玄武岩区，在Ti/100-Zr-3Y图解（图10）中，样品均落于火山弧低钾拉斑玄武岩区。稀土元素球粒陨石标准化曲线为“右倾型”，具有Eu的正异常且重稀土分馏较弱，反映源区残留相存在石榴石的残余而基本无斜长石的残留。微量元素地球化学特征显示，岩石表现为大离子亲石元素Ba、U、Sr相对富集，高场强元素Nb、Ta、Th相对亏损，进一步指示岩石具有火山弧侵入岩的特点。

图9 比吉盖布鲁斯台辉长岩TiO2-Zr构造环境判别图[40]Figure 9.TiO2-Zr tectonic setting discrimination diagram for the Bijigaibulusitai gabbro[40]

图10 比吉盖布鲁斯台辉长岩Ti/100-Zr-3Y构造环境判别图[40]Figure 10.Ti/100-Zr-3Y tectonic setting discrimination diagram for the Bijigaibulusitai gabbro[40]

中天山南缘构造带上，哈拉达拉基性-超基性杂岩体中辉长岩的锆石SHRIMP年龄为（308.3±1.8）Ma[28]；骆驼沟辉长岩体Rb-Sr等时线年龄为（321±10）Ma[29]；琼阿乌孜基性-超基性岩体的Sm-Nd同位素年龄为(314±1.9)Ma[39]。虽然这些辉长岩的岩浆源区类型各不相同，基性超基性岩的岩石组合互有差异，但各岩体的同位素测龄数据总体接近，可能代表在中天山南缘晚石炭世有一次较为广泛的地幔熔融事件，该事件可能和南天山洋向北俯冲有关。

对比吉盖布鲁斯台辉长岩体的LA-ICP-MS锆石U-Pb定年分析获得成岩时代为（334.9±3.2）Ma，为晚石炭世。主量元素和稀土、微量元素特征分析显示辉长岩体具有火山弧岩浆岩特点，说明比吉盖布鲁斯台岩体可能形成于俯冲环境，暗示了晚石炭世南天山洋仍处于俯冲阶段。

6 结论

（1）比吉盖布鲁斯台辉长岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb加权平均年龄为（334.9±3.2）Ma（n=18，MSWD=0.077），指示辉长岩的形成时代为早石炭世晚期。该时期中天山南缘发育有较大规模的岩浆活动。

（2）辉长岩属低钾拉斑玄武岩系列，高Al、Ca，低Ti、P，稀土元素标准化曲线为“右倾型”，呈Eu正异常，富集大离子亲石元素Ba、U、Sr，亏损高场强元素Nb、Ta、Th，形成于火山弧构造环境。

（3）至晚石炭世，南天山洋仍然存在向北俯冲事件。比吉盖布鲁斯台辉长岩为南天山洋壳向北俯冲的产物。