北天山西部温泉岩群变质岩地球化学特征及其地质意义

孟令华

(中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东泰安 271000)

0 引言

研究区所处的北天山西部位于中亚造山带南缘(高永伟等，2015)，温泉岩群是区内出露的最古老的地质体，是天山结晶基底的组成部分(Allen et al.，1993；Gao et al.，1998；胡霭琴等，1999，2001；Wang et al.，2006，2007；刘畅等，2016)，是研究天山地区前寒武纪地质发展史及构造演化的重要窗口。自20世纪90年代以来，一些地质工作者对温泉群进行过一系列相关研究。新疆维吾尔自治区地质矿产局(1993)将温泉群划入古元古界，认为该群主要由黑云长英片麻岩、长英片麻岩、绿泥白云母片麻岩及少量大理岩、石英岩组成，原岩为碎屑岩建造和复理石建造。温泉幅1∶20万区调报告将其划分为上、下两个亚群，温泉幅仅出露下亚群，由一套中深变质程度的低角闪岩相变质岩系组成，原岩为碎屑岩夹碳酸盐岩沉积，由角闪片岩、角闪石英片岩和眼球状花岗片麻岩构成一条年龄值，其Sm-Nd全岩等时线年龄为1727 Ma，并根据同位素年龄资料认为变质岩的母岩形成于2000～1700 Ma①。胡霭琴等(1997)对温泉群的变质岩原岩进行了系统研究，认为角闪岩、斜长角闪岩、石英云母片岩和眼球状片麻岩的原岩为基性或酸性火山岩和花岗岩，属正变质岩；变质基底岩石的Nd模式年龄均在2000～1600 Ma内(Hu et al.，1998，2000)。刘伟等(2009)将温泉群划分为变质片麻岩类及变质表壳岩类，其中泥质长英质变质岩的原岩主体为亚杂砂岩和杂砂岩，属陆源碎屑沉积建造。王立新等(2009)将灰色片麻岩系从温泉群中解体出来，新建为古元古代花岗质片麻岩套，将变质表壳岩系重新厘定为温泉岩群。李孔森等(2013)将温泉群划分为前早新元古代变质火山岩和变质沉积岩、早新元古代混合岩和正片麻岩以及早古生代侵人岩三个岩石构造单元，并认为新元古代早期曾位于Rodinia超大陆聚合带。王仕林等(2018)将古元古界变质岩系厘定为温泉岩群，并将其划分为西伯提岩组、牙马特岩组和托克塞岩组三个岩组，并推测石榴角闪岩形成于晚奥陶世古亚洲洋俯冲消减环境中。总体上，前人对温泉岩群岩石单元的划分及它们之间地质、构造关系未形成相对统一的认识，对变质岩石地球化学特征研究明显不足，原岩性质存在争议，从而制约了对温泉群构造属性、形成环境的认识。

本次工作在侵入温泉岩群的二长花岗岩中获得锆石U-Pb年龄为884±6 Ma，另新疆地矿局第二区调大队在研究区以西倍子来白萨依地区温泉岩群变质岩中获得了2081～1884 Ma的Sm-Nd模式年龄，平均2000±15 Ma②。结合以上前人研究成果，本次工作采用构造岩石填图单位将温泉地区出露的该套变质岩系厘定为古元古代滹沱纪温泉岩群，并解体出五个岩组，分别为片麻岩组、混合岩组、变粒岩组、石英岩组、大理岩组②。同时对温泉岩群斜长角闪片麻岩、条带状混合岩、斜长石英二云片岩、黑云变粒岩、二云二长变粒岩、方解大理岩等典型变质岩进行了岩石学、地球化学特征研究，并探讨了变质岩的原岩性质及形成环境，为区域构造演化提供基础资料。

1 地质特征

研究区位于温泉县城南部托斯呼尔特一带，属西天山造山带，经历了古元古代泛大陆古陆核增生、中元古代泛大陆裂解、新元古代罗迪尼亚超大陆形成与裂解、于早古生代进入古亚洲洋演化阶段(左朝国等，2008)。研究区大地构造位置处于天山兴蒙造山系(Ⅰ级)、伊宁-中天山地块(Ⅱ级)、赛里木陆缘盆地(Ⅲ级)之赛里木地块(Ⅳ级)(潘桂棠等，2009)(图1)。区内构造发育，褶皱构造以向斜为主，早期褶皱形迹由于强烈的构造置换作用而破坏，无根褶皱发育，后期变形变质分异作用较强，发育固态流变褶皱，反映多期次变形的特点。区内断裂构造多为元古代形成的基底断裂，断裂展布方向以近东西向、北东东向为主，北西向次之。受多期侵入岩和构造影响，温泉岩群岩层出露不完整，呈东西方向展布，东侧被第四系覆盖，南侧被中泥盆世汗吉尕组、晚泥盆世托斯库尔他乌组不整合覆盖(图1)。变质作用类型属于区域动力热流变质作用，变质程度达低角闪岩相，划归为石榴石+角闪石带(大理岩除外)，后期遭受区域混合岩化作用，角闪石、石榴石多被交代、替换，但其物质组成、形态特征仍有保留。

图1 区域大地构造略图(a)、研究区地质简图(b)

2 样品和分析方法

2.1 样品特征

在研究区温泉岩群变质岩中采集新鲜样品7件，进行主量、微量元素、稀土元素测试。其中温泉岩群镁铁质变质岩中采集1件样品，岩性为斜长角闪片麻岩，样品编号0029/2；泥质-长英质变质岩中采集了4件样品，岩性为条带状混合岩(编号0023/1)、斜长石英二云片岩(编号0029/3)、黑云变粒岩(编号0030/2)、二云二长变粒岩(编号0030/5)；钙质变质岩中采集了2件样品，岩性为方解大理岩，编号0030/3、0030/4。部分样品的岩石学特征描述如下，镜下特征见图2。

图2 温泉岩群变质岩显微照片

斜长角闪片麻岩：柱粒状变晶结构(图2a)，片麻状构造；由斜长石(35%～40%)、钾长石(1%～5%)、角闪石(55%)、石英(5%)组成。长石呈它形粒状，粒度0.1～0.4 mm，镶嵌状，定向分布，集合体与暗色矿物相间似条带状分布；角闪石呈它形柱粒状，粒度0.15～2 mm，定向分布，集合体与浅色矿物相间似条带状分布，多色性显著；石英呈它形粒状，粒度0.1～0.7 mm，定向分布。

斜长石英二云片岩：片状粒状变晶结构(图2b)，片状构造；由斜长石(15%～20%)、白云母(25%～30%)、黑云母(10%～15%)、石英(40%～45%)组成。斜长石呈它形粒状-近半自形板状，粒度0.15～1.4 mm，镶嵌状，多定向分布；云母呈叶片状，片径0.15～2 mm，长轴定向分布，首尾相接，线纹状、条纹状分布；石英呈它形粒状，粒度0.15～1.35 mm，粒间齿状镶嵌，粒内波状消光。

变粒岩：包括黑云变粒岩及二云二长变粒岩，其中黑云变粒岩为片状粒状变晶结构(图2c)，似片状构造；由石英(30%+)、长石(40%-)、云母(30%+)组成。石英呈它形粒状，粒度0.1～0.3 mm，定向分布，颗粒间呈镶嵌状，粒内可见波状消光；长石主为斜长石，呈它形粒状，粒度0.1～0.2 mm，定向分布，颗粒间呈镶嵌状；云母呈片状，粒度0.05～0.8 mm，集合体呈线痕状断续定向分布。

方解大理岩：粒状变晶结构(图2d)，块状构造；由方解石(95%+)、石英(5%-)组成。方解石呈半自形菱形，粒度0.03～0.2 mm，镶嵌状分布，多具三边镶嵌平衡结构；石英呈它形粒状，粒度0.1～0.2 mm，零星分布。

2.2 分析方法

主微量及稀土元素检测由中国冶金地质总局山东局测试中心完成，分析结果见表1。主量元素主检设备ARL 9900XP型X射线荧光光谱仪，依据标准GB/T 14506.28-2010、DZG93-05。微量、稀土元素主检设备X Series2电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，美国Thermo公司)，依据标准《岩石矿物分析》2011年第四版(DZG 20.01-2011)。主量元素分析精度(相对标准差)小于1%，微量元素和稀土元素分析精度优于5%。

表1 温泉岩群变质岩主量元素(%)、微量和稀土元素(×10-6)分析结果

3 岩石地球化学特征

3.1 主量元素特征

镁铁质变质岩主要为斜长角闪片麻岩，采集1件样品(序号1)，尼格里值al满足alk+c>al>alk，t<0，属正常系列岩石；SiO2含量为50.80%，Al2O3含量16.26%，且FeO>Fe2O3、CaO>MgO、K2O略大于Na2O，以富FeO、CaO、MgO为特征。从野外产状来看，斜长角闪片麻岩呈似层状产出，与周围其它岩石有较清楚的界线，表明该类镁铁质变质岩为正变质成因，属早期的基性岩墙或岩体，后卷入温泉岩群强烈的变形变质过程中。泥质-长英质变质岩类型主要为片岩、变粒岩、混合岩，采集4件样品(序号2～5)，尼格里值al>alk+c，t>0，属铝过饱和系列；氧化物SiO2含量61.79%～74.93%，Al2O3含量13.49%～17.94%，FeO含量1.00%～2.54%，在化学成分上差异性不大。钙质变质岩以方解大理岩为主，采集2件样品(序号6、7)，SiO2含量很低，CaO含量极高，尼格里值al满足alk+c>al>alk，t<0，属正常系列岩石。

3.2 微量元素特征

斜长角闪片麻岩中Nb、Zr元素为富集型，Th、Sr、P、Ti、Ba元素为亏损型，微量元素标准化曲线左部具“大隆起”型式(图3a)，显示出板内拉张玄武岩特征(Pearce et al.，1984)。泥质-长英质变质岩中Th、Zr为富集型，Nb、Sr、P、Ti、Ba元素为亏损型，显示近源沉积的特点。另外，Taylor和McLennan曾指出，太古代沉积岩的某些微量元素比值与后太古代沉积岩有显著不同(Taylor and McLennan，1985)。温泉岩群变质沉积岩微量元素的平均比值为La/Th=2.1、La/Sc=3.8、Th/Sc=2.2，同太古代和后太古代沉积岩中相应元素比值相比较，与后太古代沉积岩相近(表2)。

表2 变质沉积岩微量元素比值表

3.3 稀土元素特征

斜长角闪片麻岩稀土总量∑REE为58.51×10-6，轻重稀土比值4.90；泥质-长英质变质岩稀土总量∑REE为(112.49～221.33)×10-6，轻重稀土比值5.87～6.86；钙质变质岩稀土总量∑REE为(5.54～9.55)×10-6，轻重稀土比值4.31～4.83。(Ce/Yb)N为3.47～5.46，(La/Yb)N为3.67～6.52，比值大于1，属于轻稀土富集型。δEu为0.32～1.02，泥质-长英质变质岩具明显的负铕异常，铕亏损明显，稀土元素配分曲线在Eu处呈谷状；而斜长角闪片麻岩未见明显的铕亏损，稀土元素配分曲线在Eu处为近直线状。总体上，各类稀土元素配分曲线图呈左高右低轻缓右倾的曲线模式(图3b)。

图3 温泉岩群变质岩微量元素原始地幔标准化曲线图(a)和稀土元素配分曲线图(b)(标准化值据Sun and McDonough，1989)

4 原岩恢复

温泉岩群变质岩系变质程度较高，原岩的结构、构造多已分辨不清，仅有少数岩石保留部分岩相学特征，在薄片鉴定的基础上，可以利用岩石地球化学特征对变质岩进行原岩恢复。

(1)周世泰K-A图解是判别正副变质岩的一种相关图解(周世泰，1984)，在该图解上(图4a)，斜长角闪片麻岩样品落入火成岩区，为正变质岩；泥质-长英质变质岩的3个样品和钙质变质岩的2个样品落入沉积岩区，为副变质岩。

(2)((al+fm)-(c+alk))-Si图解最早是西蒙南在研究芬兰西南部地区早太古代瑞芬期上地壳岩石的地层学和沉积作用时提出来的，是利用尼格里值进行分析形成的一套变异的变质原岩的分布图解(王仁民等，1987)。在该图解上(图4b)，斜长角闪片麻岩样品落入火山岩区；泥质-长英质变质岩中的片岩样点(2号)落入厚层泥岩区，变粒岩样点(3、4号)靠近砂岩区。

图4 温泉岩群变质岩原岩恢复图解

(3)(Al+Fe+Ti)-(Ca+Mg)图解是莫伊纳和罗谢在应用岩石的化学成分研究斜长角闪岩的成因时提出来的，用于区分变质的杂砂岩、碳酸盐质杂砂岩和基性火山岩，其中Al、Fe、Ti、Ca、Mg均为原子数(王仁民等，1987)。在该图解上(图4c)，斜长角闪片麻岩样品落入粗玄岩-玄武安山岩区；泥质-长英质变质岩中的3个样品落入亚杂砂岩区。

(4)变质岩的A-C-F图解是温克勒在研究不同变质条件下各种变质岩的原岩类型和变质矿物共生组合之间的关系时提出来的(王仁民等，1987)，其中A=Al2O3+Fe2O3-Na2O-K2O，C=CaO，F=FeO+MgO+MnO，Al2O3、Fe2O3、FeO、Na2O、K2O、CaO、MgO、MnO均为相应分子数，A+C+F=100。在该图解上(图4d)，斜长角闪片麻岩样品落入玄武岩和安山质岩区；泥质-长英质变质岩中的片岩样点(2号)靠近粘土和页岩区，变粒岩3号样点落于玄武岩和安山质岩区并靠近杂砂岩区，变粒岩4号样点落于靠近杂砂岩区；钙质变质岩的2个样品靠近泥灰岩区。

综上所述，斜长角闪片麻岩为正变质岩，属玄武岩类的粗玄岩-玄武安山岩或细碧岩-玄武岩；另外，在火山岩TAS分类图解(Le Bas et al.，1986)上(图5a)，样点落于玄武岩与玄武安山岩的交界位置。因此，温泉岩群斜长角闪片麻岩的原岩为玄武岩-玄武安山岩。泥质-长英质变质岩的原岩属陆源碎屑沉积建造，其中片岩的原岩为粘土岩，变粒岩及混合岩的的原岩为杂砂岩或亚杂砂岩。钙质变质岩以方解大理岩为主，其原岩类型为碳酸盐岩(灰岩)，陆源碎屑和粘土质矿物含量很低。

5 构造背景分析

温泉岩群是温泉地区出露的最古老的地层，在区域上与长城纪特克斯岩群为断层接触，前人对温泉岩群中出露的角闪岩、混合岩及片麻状花岗岩的岩石类型及构造环境进行了较多的研究(胡霭琴等，2008，2010；李孔森等，2013；王仕林等，2018)，但从变质原岩方面的反映较少。本次根据温泉岩群斜长角闪片麻岩中稀土元素含量特征，在(La/Yb)N-∑REE图解(Allegre and Minster，1978)上(图5b)，其原岩类型落入大陆拉斑玄武岩范围。Bhatia(1985)曾指出，不同大地构造环境杂砂岩、亚杂砂岩的稀土元素特征不同，温泉岩群变质沉积岩稀土元素特征与不同构造环境杂砂岩、亚杂砂岩对比，与大陆岛弧沉积岩稀土元素特征相近，但同时亦与安第斯型大陆边缘沉积岩的稀土元素特征较相近(表3)。另外，通过泥质-长英质变质岩化学成分与太古代、元古代不同构造环境杂砂岩对比(表4)，其平均岩石化学成分与元古代及活动陆缘成分更接近。一般认为主量元素相比微量元素更能反映沉积作用的环境(Taylor and McLennan，1985)，因此，泥质-长英质变质岩可能形成于挤压背景下的活动陆缘构造环境中。

表3 不同大地构造环境的沉积盆地杂砂岩稀土元素特征表

表4 温泉岩群泥质-长英质变质岩与太古代、元古代及不同构造环境杂砂岩对比表

图5 火山岩的TAS图解(a)及(La/Yb)N-∑REE图解(b)

总体上，古元古代末期的兴地运动(相当于吕梁运动)使南、北海槽封闭，中元古界不整合于下元古界之上，并有红色片麻状花岗岩(2073 Ma)侵入(高振家等，1993)，在强烈挤压背景下，使古元古代地层(北天山西部温泉地区主要由一套陆源碎屑沉积建造组成，夹有少量的碳酸盐岩和中基性火山岩)发生强烈变形变质、褶皱回返(刘正宏和周裕文，1993)，在高热流强度下地壳发生塑性变形并产生中-低相系的低角闪岩相的区域动力热流变质作用，温泉岩群变质岩就是在此背景下形成的，之后，变质基底经历了抬升冷却，最终出露地表。

6 结论

(1)北天山西部的温泉岩群是一套经历多期次变形、变质作用的中深变质岩系，变质作用类型属于区域动力热流变质作用，变质程度达低角闪岩相，解体出五个岩组，分别为片麻岩组、混合岩组、变粒岩组、石英岩组、大理岩组。

(2)温泉岩群原岩建造主要为陆源碎屑沉积建造，夹有少量的碳酸盐岩和中基性火山岩；其中斜长角闪片麻岩的原岩为玄武岩-玄武安山岩，片岩的原岩为粘土岩，变粒岩及混合岩的原岩为杂砂岩或亚杂砂岩，方解大理岩的原岩为碳酸盐岩。

(3)古元古代温泉地区以沉积岩建造为主，并发育有一定强度的火山活动，在强烈挤压背景下，使该套地层发生强烈变形变质，产生区域动力热流变质作用，形成温泉岩群变质岩。

致谢：成文过程中得到了审稿专家及编辑部提出的恳切意见与建议，在此表示由衷的感谢！同时感谢野外工作的同事的支持和帮助！

[注 释]

① 新疆地矿局第一区域地质调查大队.1993.温泉幅1∶20万区域地质调查报告[R].

② 中化地质矿山总局山东地质勘查院.2018.新疆温泉县牙马特一带1∶5万区域地质调查报告[R].