东准噶尔木炭窑地区同造山花岗岩锆石U-Pb 定年、地球化学及地质意义

张征峰熊双才范香莲

新疆地矿局第一地质大队,新疆昌吉,831100

内容提要:木炭窑地区位于东准噶尔东部。 木炭窑同造山花岗岩具有高硅、富碱、贫钙、低钛的特征,富集大离子亲石元素Rb、Ba、K、Th 及高场强元素Zr,相对亏损P、Ti、Nb、Ta。 稀土元素总量较低,轻稀土富集明显,且轻稀土元素内部分馏相对较强,重稀土元素元素内部分馏较弱,弱的Eu 负异常(δEu =0.64 ～0.95)。 锆石温度饱和温度740～807℃;在Sr—Yb 图中投入浙闽型与Adakitic 型(高锶低钇型或译埃达克型)花岗岩之间,属中高等压力。 综合岩石学和地球化学特征,认为其成因类型为I 型花岗岩,成岩物质主要来源地壳砂岩和少量泥质岩部分熔融,并且有少量地幔物质参与。 LA-ICP-MS 锆石U-Pb 年龄显示其结晶年龄为349.8±3.5 Ma,表明其形成时代为早石炭世。 综合本文数据及区域地质特征,木炭窑地区在早石炭世早期进入俯冲向碰撞造山转化的过渡期,拼贴到西伯利亚板块,开始了地壳的侧向和垂向增生。

东准地区晚古生代成岩成矿作用是增生造山过程演化的产物,东准噶尔岩浆构造发育(李锦轶等,1990;邓晋福等,2015)是研究该区造山带的有利地段(Xiao Wenjiao et al., 2009, 2015)。 前人对东准噶尔的花岗岩研究大多侧重于后碰撞的A 型花岗岩(王中刚等,1993;朱笑青等,2006;童英,2006;毛启贵等,2008;苏玉平等,2008;王涛等,2010;梁培等,2017),而对具同碰撞特征的花岗岩报道较少。木炭窑位于东准噶尔造山带东部,自然环境恶劣,前人仅对该区部分古生代地层(马雪等,2005;张超等,2005;张冀等,2013;王军等,2016)做了少量研究,而对侵入岩研究较少,缺乏精确的年代数据。 本次研究结合“新疆巴里坤县1 ∶5 万六幅区域地质调查”项目成果,通过高精度的锆石U-Pb 定年、岩石地球化学综合研究,结合区域对比,确定其成岩时代、构造环境,为研究区域晚古生代构造岩浆作用提供年代学及岩石地球化学依据。

1 区域地质背景

按照全国资源潜力评价最新的构造划分,研究区大地构造位置属天山兴蒙造山系—准噶尔弧盆系—唐古巴勒—卡拉麦里古生代复合沟弧带—三塘湖晚古生代弧间盆地(图1a)。 地层区划属北疆—兴安地层大区北疆地层区北准噶尔地层分区北塔山地层小区。 研究区出露的地层由老到新为:上泥盆统卡希翁组(D3kx)主要为一套火山碎屑岩夹少量火山熔岩、沉积岩,上泥盆统—下石炭统江孜尔库都克组(D3C1j)主要为一套火山喷出岩夹火山碎屑岩,上石炭统巴塔玛衣内山组(C2b)主要以中、酸性熔岩为主,少量基性熔岩夹火山碎屑岩。各时代的地层的展布方向为NW—SN 向(图1b)。区内断裂极其发育,由于长期受NE—SW 向挤压,形成大量的NW—SE 向逆断裂,及NE、NW 向平移断裂。 区内断裂规律性较强,控制不同时代地层的分布,控制侵入体的产状、形态,甚至控制构造机制的发生和发展。 侵入岩发育,主要岩性为石英二长岩(出露面积10.66 km2,是本区出露面积最大的岩体),呈长条状岩株产出;少量(二长)花岗斑岩和辉绿玢岩脉分布于岩体边部及周围。 岩体产于玫瑰泉大断裂两侧,整体呈NW—SE 分布,与区域构造方向一致。 石英二长岩及花岗斑岩统称为木炭窑岩体,主要侵入在上泥盆统卡希翁组(D3kx)一套火山岩地层中。

图1 东准噶尔木炭窑地区大地构造位置(a,据徐兴旺等,2013)及地质简图(b,实测)Fig. 1 Geotectonic location(a,from Xu Xingwang et al., 2013＆) and geological map (b,actual measurements) of Mutanyao area, eastern Junggar, Xinjiang

2 岩石学特征

中细粒石英二长岩:岩石呈浅肉红色,块状构造,中细粒花岗结构。 主要矿物成分:斜长石(38%～44%)半自形—自形板状,具卡钠复合双晶,部分具环带结构;钾长石(33%)半自形—自形板状,具条纹结构,多与石英构成文象结构;石英(10% ～18%)他形粒状,部分与钾长石构成文象结构,均匀分布;角闪石(2%)、绿泥石(3%)、绿帘石(1%)、磷白钛石(1%)。 副矿物磷灰石、锆石、磁铁矿、钛铁矿、黄铁矿、金红石。

花岗斑岩:岩石呈浅肉红色,斑状构造,无定向构造。 斑晶为斜长石(45%),半自形—自形板条状,具钠长石双晶。 基质中斜长石(11%),他形—半自形柱状,具钠长石双晶;钾长石(8%)他形板柱状,见显微文象结构;石英(8%)他形粒状;白云母(4%)半自形片状,黑云母(5%)显微鳞片—片状。副矿物锆石、榍石、磷灰石、钛铁矿、白钛石、赤褐铁矿、磁铁矿、黄铁矿。

3 岩石全分析

在3 个岩体上采集新鲜样品9 件(图1b),岩石全分析在广州澳实矿物实验室测试,样品经过破碎、缩分、研磨至200 目后,采用ME-MS81 熔融法电感耦合等离子体质谱测定稀土元素含量,ME-XRF26X荧光光谱仪熔融法精密分析岩石主微量元素,Fe-VOL05 滴定法测定氧化铁(表1)。

表1 东准噶尔木炭窑岩体主量(%)、微量及稀土元素(μg/g) 分析结果表Table 1 Whole-rock major (%), rare earth and trace elements (μg/g) concentrations of Mutanyao granite in eastern Junggar

样号 Ⅰ-3YQ1 9YQ1 5YQ1 Ⅷ-2YQ1 Ⅳ-6YQ1 Ⅳ-9YQ1 Ⅸ-9YQ1 Ⅺ-131YQ1 8YQ1 A/CNK 1.06 0.98 0.98 1.10 0.97 1.03 1.07 1.10 1.03 A/NK 1.34 1.38 1.32 1.25 1.28 1.48 1.27 1.22 1.37 R1 2496 2106 1855 2475 1910 2583 2430 2310 2752 R2 482 600 609 388 568 574 431 378 484 Sr 291 206 326 289 283 520 215 270 358 Rb 20.90 88.60 50.70 76.00 49.00 9.50 65.70 69.70 65.30 Ba 593 1115 664 922 605 233 852 912 821 Th 5.49 8.48 4.77 5.14 5.18 5.03 4.91 4.84 4.96 Ta 0.30 0.90 0.40 0.50 0.40 0.40 0.50 0.50 0.60 Nb 3.50 13.20 4.90 6.40 4.70 4.30 5.90 6.10 6.00 Ce 28.10 67.00 36.50 37.30 37.40 30.00 34.40 36.70 40.40 Zr 153 235 195 125 206 177 111 106 91.00 Hf 3.90 5.90 5.30 3.40 5.30 4.60 3.20 3.20 2.60 La 14.0 0 23.40 35.70 17.40 19.00 15.40 18.70 18.60 18.50 Ce 28.10 67.00 36.50 37.30 37.40 30.00 34.40 36.70 40.40 Pr 3.40 7.60 4.50 4.10 4.80 3.60 4.10 4.00 4.20 Nd 12.70 28.4 18.80 13.80 19.40 14.40 14.40 14.10 13.90 Sm 2.72 5.79 4.67 2.45 4.31 3.12 2.59 2.69 2.46 Eu 0.88 1.17 1.18 0.57 1.09 0.90 0.62 0.66 0.62 Gd 2.89 5.16 4.91 2.26 4.73 3.14 2.40 2.36 1.94 Tb 0.52 0.80 0.84 0.37 0.76 0.54 0.39 0.40 0.28 Dy 3.20 4.90 5.09 2.29 4.64 3.24 2.43 2.53 1.58 Ho 0.66 1.01 1.12 0.51 1.01 0.72 0.52 0.50 0.34 Er 2.22 3.02 3.32 1.60 3.15 2.21 1.68 1.66 1.14 Tm 0.37 0.51 0.53 0.28 0.50 0.38 0.28 0.28 0.20 Yb 2.51 3.18 3.24 1.91 3.36 2.66 1.92 2.02 1.33 Lu 0.40 0.54 0.55 0.31 0.54 0.45 0.31 0.32 0.23 Y 20.60 27.60 29.40 15.80 30.50 22.60 16.70 16.70 10.60 ΣREE 74.53 164.78 102.65 86.42 104.66 80.73 84.62 86.71 91.97 LREE / HREE 4.84 7.62 4.24 8.07 4.60 5.05 7.52 7.61 12.06(La/Yb)N 4.00 8.05 3.85 7.02 4.06 4.15 6.95 6.57 12.62(La/Sm)N 3.32 3.98 2.41 4.93 2.85 3.19 4.64 4.44 6.14(Gd/Yb)N 0.95 1.34 1.25 0.98 1.16 0.98 1.03 0.97 1.21 δEu 0.95 0.64 0.75 0.73 0.73 0.87 0.75 0.78 0.84 δCe 0.97 0.95 0.99 1.00 0.94 0.96 0.93 1.00 0.93 tZr(℃) 783 807 786 772 793 792 758 757 740注:tZr/℃=TZr/K-273. 15= 1290 0 2.9 5+0.85M+ln 496000 Zrmelt/10-6-273. 15 ( Wa tson et al.,19 83),其中 M 为全岩n(Na)+n(K)+2n(C a)n(Al)·n(Si), 计算中令n(Si)+n(Al)+n(Fe)+n(Mg)+n(Ca)+n(Na)+n(K)+n(P)= 1;Zrmelt 为熔体中Zr 含量(参见王楠等,2017; 熊双才等,2019)。

由表可见岩体具有高 SiO2( 66.67% ～73.78%);富碱(Na2O+K2O:6.13%～8.39%);富Na(Na2O/ K2O:0.83 ～9.75) 特 征。 CaO(0.71% ～2.39%)、P2O5(0.04% ～0.18%)、Fe2O3(0.29% ～2.69%)、MgO(0.27% ～1.06%) 及TiO2(0.1% ～0.59%)含量均较低,分异指数DI( 79.55 ～91.91)反映岩石经历了高程度分异的特征。 特曼指数δ1.31～2.66(<3.3)为钙碱性岩。 在侵入岩TAS 图解(图2a)中落入碱性线下方的石英二长岩和花岗岩区域。 在K2O—SiO2图解(图2b)中主要投入高钾钙碱性系列。 铝过饱和程度A/NK 指数为1.22～1.48,A/CNK 为:0.97～1.10,在铝饱和图解(图2c)中主要落入弱过铝质范围。 综上,木炭窑地区花岗岩类属酸性、高钾富钠钙碱性、弱过铝质的高分异侵入岩。

图2 东准噶尔木炭窑岩体TAS 分类(a,底图据Middlemost,1994)、K2O—SiO2(b,底图据Peccerillo and Taylor,1976)及铝饱和度(c,底图据Maniar and Piccoli,1989)图解Fig. 2 TAS classification (a,after Middlemost,1994)、 K2O—SiO2(b,after Peccerillo and Taylor,1976)and Aluminum(c,after Middlemost,1989) graphic of Mutanyao granite in eastern Junggar

在原始地幔标准化图解中(图3a),大离子亲石元素K、Rb、Ba、Th 富集明显;Nb、Ta、P、Ti 亏损。 稀土元素总量较低,∑REE=74.53 ～164.78,平均值97.45。 LREE/HREE=4.24 ～12.06,平均值6.85;La/YbN= 4.00 ～12.62,平均值为6.36;La/SmN=2.41～6.14,平均值为3.99;Gd/YbN=0.95 ～1.34,平均值为1.10,反映轻稀土相对富集,重稀土亏损,且轻稀土元素内部分馏相对较强,重稀土元素元素内部分馏较弱。δEu = 0.64 ～0.95,平均值0.78,具较弱Eu 负异常(图3b)。

图3 东准噶尔木炭窑岩体微量元素原始地幔标准化图(a)及稀土元素球粒陨石标准化图(b)(标准化值据Sun and Mc Donough,1989)Fig. 3 Chondrite-normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle-normalized trace lementspiderdiagrams (b) for Mutanyao granite in eastern Junggar (standardized value according to Sun and Mc Donough,1989 )

4 锆石LA-ICP-MS分析

由河北省区域地质矿产调查研究所实验室进行锆石单矿物挑选,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制靶、CL 拍照、透反射光照相、锆石测年和数据校正。 锆石U-Pb 测试使用193 nm 激光取样系统连接的Agilient7500a 型ICP-MS 上进行,激光剥蚀束斑直径为 32 μm,频率为 6 Hz,采用 He 气作为剥蚀物质的载气,再和Ar 气混合后进行分析。实验获得的同位素比值采用 GLITTER 程序处理,并进行普通铅校正采,测试结果如表2。 年龄谐和曲线及加权平均值计算采用 Isoplot(3.0)软件处理。

锆石样品岩性为石英二长岩,采样位置E93°59′31″,N44°39′33″。 锆石为无色—浅黄色,呈短柱状和近等粒状(图4),锆石粒度整体偏小,粒径集中在60～100 μm,长宽比主要介于1 ∶1.2～2。 所测锆石 U 和Th 含量分别为(73 ～211)×10-6和(37 ～206) ×10-6,含量变化较大,在U—Th 图上呈线性分布;Th/U值为0.42 ～0.77,比值变化较小,显示岩浆锆石特征。

图4 东准噶尔木炭窑石英二长岩锆石形态和阴极发光(CL)图像Fig. 4 Zircon morphology and cathodoluminescence (CL) images of quartz monzonite in Mutanyao area, eastern Junggar

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19 个分析点中除3 个点(点号4、15、22)谐和率误差较大外,余下16 个点给出了较好的谐和年 龄。 其 中 8 个 测 点 的n(206Pb)/n(238U)年龄介于336±4 Ma～356±3 Ma,龄范围集中,且数据点在谐和图中成群分布在一致曲线上及附近,加权平均年龄为349.8±3.5 Ma(MSDW=2.4)(图5),代表了石英二长岩的结晶年龄。 另外,余下2 个测点的n(206Pb)/n(238U)年龄集中分布在谐和图中一致曲线附近,386±4 Ma ～389±4 Ma,为继承锆石,该年龄应代表捕掳围岩的年龄。

图5 东准噶尔木炭窑地区石英二长岩LA-ICP-MS 锆石U-Pb 年龄谐和图Fig. 5 LA-ICP-MS zircon U-Pb age concordiat diagram of quartz monzonite in Mutanyao area, eastern Junggar

5 讨论

5.1 成因类型

研究表明,在准铝质到弱过铝质岩浆中,磷灰石的溶解度很低,并在岩浆分异过程中随SiO2的增高而降低;而在强过铝质岩浆中,磷灰石溶解度变化趋势与此相反,随SiO2的增加而增高或基本保持不变(Wolf et al., 1994),在SiO2—P2O5图解上(图6a),P2O5随着SiO2的增加而降低,与I 型花岗岩趋势一致。 P2O5含量较低(0.04%～0.18%),不同于典型S 型花岗岩常具较高 P2O5含量( > 0.20%)(Chappell,1999)。 A/CNK 值介于0.97～1.10,略低于典型S 型花岗岩A/CNK>1.1 的特征Chappell et al., 1992)。 在Rb—Y 图解上,Y 含量随Rb 增加变化不明显,与S 型演化趋势一致(图6b)。 在A—C—F图解(图bc)投入S 型花岗岩中。 尽管角闪石、董青石和碱性暗色矿物是判断I、S、A 三大类型花岗岩的重要矿物学标志,而白云母和石榴石并不是鉴定S 型花岗岩的有效标志(Miller,1985)。 木炭窑花岗岩体中,样品中含原生角闪石2%,部分样品中含白云母2%～4%。 总体上岩体显示I 型花岗岩的特征。

图6 东准噶尔木炭窑岩体SiO2—P2O5(a,底图据Green,1995)、Rb—Y(b,底图据Chappell,1999)及A—C—F(c,底图据Chappell et al., 1992)图解Fig. 6 SiO2—P2O5(a,after Green,1995)、Rb—Y(b,after Chappell,1999 andA—C—F(c,after Chappell et al., 1992)graphic of Mutanyao granite in eastern Junggar

5.2 物质来源及构造环境

岩体Nb/Ta 值10.00～14.67,平均11.99、略高于壳源比值11,远低于幔源比值17.5;Zr/Hf 值33.13～39.23,平均36.98,接近幔源比值36.3,高于壳源比值33(Hofmann, 1988;Green,1995)。 Rb/Sr 值平均0.21 和 Rb/Nb 值平均9.00,略低于全球上地壳的平均值(分别为 0.32(Taylor et al., 1995)和9.33(McLennan, 2011)),远高于大洋岩石圈和陆幔(黎彤, 2011)。 Mg#指数26.91～35.28,明显小于玄武岩熔融实验熔体成分的Mg#值( Rapp et al.,1995 ),地壳部分熔融形成的熔体不管熔融程度如何,形成的岩石均具有较低的Mg#<40)。 锆石饱和温度tzr740～807℃,平均776℃,介于S 型花岗岩平均 764℃和 I 型花岗岩平均781℃之间(King et al.,1997)。 高于该区650℃±的莫霍面温度(汪洋等,2013)在Sr—Yb 图中投入浙闽型与Adakitic 型(高锶低钇型或译埃达克型)花岗岩之间,属于中—高等压力,厚度30～40 km,相当于岛弧地壳底部,处于正常厚度地壳向加厚地壳过渡(张旗等,2010)。 以上特征也均说明岩体与上地壳物质部分熔融有关,并且有少量地幔物质参与。 CaO/Na2O 值0.15 ～0.66,多数大于 0.3 暗示源区以砂岩为主,(Sylvester,1989),与A/MF—C/MF图解和Rb/Ba—Rb/Sr 图解结果一致(图7)。

图7 东准噶尔木炭窑岩体的A/MF—C/MF图解(底图据Alther et al.,2000)和La—La/Yb 图解(底图据Liu et al.,2013 )Fig. 7AFM—CFMdiagram (a,after Alther et al.,2000) and Rb/Ba—Rb/Sr diagram (b,after Liu et al.,2013) of Mutanyao granite in eastern Junggar

早期研究一般认为I 型花岗岩的源岩是地壳深部中基性变火成岩(Chappell,1988),近年来同位素的研究发现,受幔源岩浆改造的沉积物重熔同样也可以形成I 型花岗岩(Kemp et al., 2007),此外,在地壳重熔过程中沉积物贡献的减少和火成岩等成分的增多同样可以使岩浆成分由S 型向I 型转变,形成I 型或者I—S 过渡类型岩浆(Collins et al., 2008)。 西伯利亚与准噶尔两大板块之间存在多个地块(多岛洋)的增生造山过程(Xiao Wenjiao et al.,2009,2015),而不是两大板块强烈汇聚的陆一陆碰撞造山过程(如秦岭一大别造山带、喜马拉雅造山带等),因此缺乏大规模超高变质带(如秦岭一大别造山带),也缺乏陆陆碰撞过程的强烈挤压抬升和大量S 型花岗岩带(如喜马拉雅造山带)的碰撞造山带特征(张达玉,2012)。 晁文迪等(2015)在西准噶尔发现“滞后型”岩浆弧作用,表明板块完成汇聚造山后,深部的弧岩浆作用仍在进行。 故该区同造山花岗岩具有I—S 型过渡特征,可能与多岛弧增生、岩浆弧作用滞后以及地幔物质参与成岩有关。

在R1—R2 构造环境判别图中投入造山花岗岩及附近,在Rb/10—Hf—3Ta 图解中主要投入火山弧向碰撞构造环境过渡中(图8)。 结合木炭窑地区地质特征,上泥盆统卡希翁组为海陆交互相,早石炭世黑山头组(330.7±7.4 Ma)为活动大陆边缘特征,晚石炭世为后碰撞环境(熊双才等,2019a, b),表明木炭窑地区在早石炭世早期349.8±3.5 Ma 时进入俯冲向碰撞转化的过渡期,拼贴到西伯利亚板块,开始了地壳的侧向和垂向增生。 这也与前人划分的360～340 Ma 为东准噶尔陆—弧—弧碰撞时间一致(徐兴旺等,2013)。

图8 东准噶尔木炭窑岩体R1—R2(底图据Batchelor and Bowden,1985)和Rb/10—Hf—3Ta 构造环境判别图(底图据Harris et al., 1986)Fig. 8R1 vs.R2 diagram(a,after Batchelor and Bowden,1985) and Rb/10—Hf—3Ta ectonic discrimination(b,after Harris et al., 1986) of Mutanyao granite in eastern Junggar

6 结论

(1) 新疆东准葛尔木炭窑地区花岗岩类属酸性、高钾富钠钙碱性、弱过铝质的高分异的I 型花岗岩。 成岩具中高等压力和较低锆石饱和温度(tZr=740～807 ℃)。 成岩物质主要来源地壳砂岩和少量泥质岩部分熔融,并且有少量地幔物质参与。

(2) LA-ICP-MS 锆石U-Pb 年龄显示岩体结晶年龄为349.8±3.5 Ma,表明其形成时代为早石炭世。

(3) 木炭窑地区在早石炭世早期(349.8±3.5 Ma)时进入俯冲向碰撞造山转化的过渡期,拼贴到西伯利亚板块,开始了地壳的侧向和垂向增生。