北山南带新场岩体地球化学特征及构造意义

张竞嘉，云龙，田霄，罗辉

（核工业北京地质研究院中核集团高放废物地质处置重点实验室北京 100029）

中亚造山带是世界上著名的显生宙增生型造山带，带内花岗岩广泛发育，且花岗岩多与新生陆壳的演化密切相关［1-2］。北山造山带位于中亚造山带南部，大地构造位置特殊，作为连接西伯利亚、哈萨克斯坦和塔里木—华北三大板块的重要纽带，北山造山带具有重要的地质意义。造山带内岩浆岩广泛发育，其中花岗岩类岩石出露最多，约占全区侵入岩的95%［3］（图1b）。针对北山地区花岗岩，前人进行了大量研究并积累了较丰富的资料，但受限于研究程度和认识上的差异，关于北山地区花岗岩的属性、岩浆成因特征以及构造演化历史等问题，许多学者提出了不同的认识［4-10］。新场岩体位于北山南带中段，通过对新场岩体开展详细的地球化学研究，分析了岩体的地球化学特征、形成机制及大地构造背景，并结合前人研究成果，对新场岩体及北山南带地区的大地构造归属等问题进行了探讨。

1 区域地质概况

北山造山带位于中亚造山带的南部，其大地构造位置处于西伯利亚板块、哈萨克斯坦板块和塔里木—华北板块的结合部位（图1a）。造山带内广泛出露有前寒武纪和古生代地层，同时发育有不同时代的岩浆岩，构造行迹十分复杂。在三大板块的相互作用下，北山地区广泛分布的微陆块、洋壳、岛弧等众多地体经历了多次增生拼合，并由北向南形成了4条蛇绿岩带（图1b），其中最北部的红石山蛇绿岩带形成于早石炭世，石板井—小黄山蛇绿岩带形成于早石炭世，红柳河—牛圈子—洗肠井蛇绿岩带形成于中奥陶世—早志留世，最南部的辉铜山—帐房山蛇绿岩带（音凹峡蛇绿岩）形成于晚石炭世—早泥盆世［10，13-15］。

图1 中亚造山带地质简图（a）和北山地区侵入岩分布简图（b）（据ZHENG Rongguo，et al［11］，MIAO Laicheng，et al.［12］修编）Fig.1 Geology sketch of the Central Asian Orogenic Belt（a）and the intrusive rocks in Beishan area（b）（Modified after ZHENG Rongguo，et al.［11］and MIAO Laicheng，et al.［12］）

在南北向上，北山地区横跨塔里木-华北板块和哈萨克斯坦板块，据杨合群［16］修订的划分方案，北山地区包括2个一级构造单元，在红柳河—牛圈子—洗肠井缝合带北侧为哈萨克斯坦板块，南侧为塔里木板块。这2个一级构造单元在北山地区各有1个二级构造单元，北侧为星星峡-旱山微板块，该陆块可以进一步划分为4个三级构造单元；南侧为敦煌微板块，该陆块可以进一步划分为3个三级构造单元。新场岩体位于塔里木板块的敦煌地块北缘，磁海—红柳园—白山堂晚古生代陆内裂谷带的南侧。花岗岩在该构造带内十分发育，以花岗闪长岩为主，其次为二长花岗岩、石英闪长岩和斜长花岗岩等［4，18］。

2 岩体地球化学特征

新场花岗岩体的岩性主要由花岗闪长岩和二长花岗岩组成，岩体大致呈东西向线状展布（图2）。本次研究选取新场岩体的8个花岗闪长岩，6个二长花岗岩样品，开展了样品的主量及微量元素分析工作。样品的测试工作由核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成。样品的分析结果见表1、2。

表1 主量元素含量/%表Table 1 Major element contents/% of Xinchang pluton

图2 新场岩体地质图Fig.2 Geological map of Xinchang pluton

2.1 主量元素

花岗闪长岩中SiO2的含量为62.8%～76.7%，Al2O3含量为12.0%～16.3%，K2O/Na2O为0.39～1.13（平均为0.81），K2O+Na2O为6.37%～7.54%，（K2O+Na2O）/Al2O3为0.41～0.58，钠质成分和全碱含量较高，MgO、MnO、Fe2O3T、CaO和P2O5含量相对较低，里特曼指数分布在1.41～2.52，平均为1.76（＜3.3）。随SiO2含量的增高，Al2O3、Fe2O3、CaO、P2O5、Na2O、TiO2、MgO、MnO和K2O等主要元素的含量逐渐递减。花岗闪长岩在SiO2-A.R图解［20］（图3a）中处于钙碱性和碱性系列；在A/KNCA/NK图解［21］（图3b）中属于过铝质和准铝质岩类；在SiO2-K2O图解［19］（图4a）中处于钙碱性和高钾钙碱性系列；在侵入岩类的岩石全碱二氧化硅TAS分类图上［22］（图4b）分别落入花岗岩和花岗闪长岩的范围内。

二长花岗岩SiO2的含量为71.7%～76.3%，Al2O3含量中等，为12.3%～13.9%，K2O/Na2O为0.93～1.31（平均值为1.09），K2O+Na2O为7.25%～7.79%，钾质成分和全碱含量较高，（K2O+Na2O）/Al2O3为0.54～0.63，MgO、MnO、Fe2O3T、CaO、P2O5含量相对较低，里特曼指数分布在1.67～1.95，平均为1.82（＜3.3）。随SiO2含量的增高，Al2O3、Fe2O3、CaO、P2O5、Na2O、TiO2、MgO、MnO和K2O等主量元素的含量逐渐递减。二长花岗岩在SiO2-A.R图解［20］（图3a）中处于碱性系列；在A/CNKA/NK图解［21］（图3b）中属于过铝质和准铝质岩类；在SiO2-K2O图解［19］（图4a）中处于高钾钙碱性系列；在侵入岩类的岩石全碱二氧化硅TAS分类图上［22］（图4b），样品数据全部落入花岗岩的范围内。

图3 （a）岩石SiO2-A.R相关图解（据Wright［20］）；（b）岩石A/CNK-A/NK图解（据Shand［21］）Fig.3（a）SiO2-A.R diagram of the Xinchang pluton（After Wright［20］）；（b）A/CNK-A/NK diagram of the Xinchang pluton（After Shand［21］）

图4 （a）岩石SiO2-K2O相关图解（据Peccerillo and Taylor［19］）；（b）岩石全碱二氧化硅（TAS）图解（据Middlemost［22］）Fig.4（a）SiO2-K2O diagram of Xinchang pluton（After Peccerillo and Taylor［19］）；（b）TAS diagram of Xinchang pluton（After Middlemost［22］）

2.2 微量元素

表2和图5分别为新场花岗岩微量元素分析结果和洋中脊花岗岩标准化蛛网图。根据表2和图5，新场岩体中花岗闪长岩和二长花岗岩的微量元素含量的变化较小，二者具有相似或一致的分布曲线，反映出它们具有同源岩浆的特性。

表2 微量元素和稀土元素含量/10-6表Table 2 Trace and race earth element contents/10-6 of Xinchang pluton

从洋中脊花岗岩标准化图解中可以看出，花岗闪长岩和二长花岗岩的配分模式与上地壳相似（图5），大离子亲石元素（LILE）K、Rb、Ba和高场强元素（HFSE）Th呈现富集的特征，而Hf、Zr、Sm、Y及Yb等元素呈现相对亏损的状态；Ba的含量介于195×10-6～799×10-6，平均值为486×10-6，低于花岗岩的平均值557×10-6［26］；Nd/Th值介于0.94～3.87之间，平均值为1.81，明显低于幔源岩石的Nd/Th值（Nd/Th>15［27］），接 近 于 壳 源 岩 石 的Nd/Th值（Nd/Th≈3［27］）；A1/Ga的比值介于3 435～4 282之间，该值接近于花岗岩平均值（2 000～8 000［28］）和中国花岗岩平均值（≈7 900［26］）。

图5 新场岩体洋中脊花岗岩标准化蛛网图（洋中脊花岗岩值引自Pearce et al.［23］；地壳值数据引自Taylor and Mclennan［24］）Fig.5 The ORG normalized spider-diagram of Xinchang pluton（ORG contents after Pearce et al.［23］；crust contents after Taylor and Mclennan［24］）

2.3 稀土元素

表2和图6分别为新场花岗岩稀土元素分析结果和球粒陨石标准化配分图。根据表2和图6所示，新场岩体中花岗闪长岩和二长花岗岩的稀土元素含量变化较小，两者具有相似或一致的分布曲线，反映出它们具有同源岩浆的特性。

图6 新场岩体稀土元素球粒陨石标准化配分图（标准化值数据引自Boynton［25］）Fig.6 Chondrite-normalised REE pattern of Xinchang pluton（Normalization values after Boynton［25］）

花岗闪长岩和二长花岗岩的稀土元素总量为48.47×10-6～166.54×10-6，总体呈现为偏低的状态；轻、重稀土比值介于9.77～23.99之间，属轻稀土元素富集；（La/Yb）CN比值为13.36～39.8，（La/Sm）CN比值为3.35～6.26，（Ga/Yb）CN比值为2.09～5.04，轻、重稀土呈现较明显的分馏特征，其中轻稀土富集且分异明显，重稀土亏损且分异不显著。由图6可见，花岗闪长岩和二长花岗岩的球粒陨石标准化配分曲线表现为右倾的特征。δEu值介于0.52～1.61之 间，平均值为0.92，δCe值 介 于0.78～1.14，平均值为0.99，表明Eu和Ce均呈现轻微异常的特点。

3 讨论

3.1 岩石成因类型

新场花岗岩类岩石为准铝质到弱过铝质（图3b），属钙碱性系列和高钾钙碱性系列（图4a）。图7a为新场花岗岩Na2O-K2O图解［29］，由图7可见，部分样品落入I型花岗岩范围内，另一部分落入A型花岗岩范围内。图7b为新场花岗岩ACF图解［30］，图中显示所有样品全部落入I型花岗岩范围内。图8a为（Zr+Nb+Ce+Y）-FeO*/MgO图解，从该图可以看出样品落入未分异的和分异的M、S、I花岗岩分界处，并靠近未分异的M、S、I花岗岩一侧。图8b为（Zr+Nb+Ce+Y）-（K2O+Na2O）/CaO图解［31］，图中显示样品全部落入未分异的M、S、I花岗岩中。新场花岗岩的Ga/A1×104值介于2.34～2.91之间，平均为2.66，略微高于A型花岗岩的最低边界值2.6［31］；A型花岗岩FeO*/MgO的比值为13.4［31］，而新场花岗岩的FeO*/MgO比值介于3.07～12.08之间，平均为7.00，这与A型花岗岩富铁的特征有明显不同；A型花岗岩的最低边界值为350×10-6［31］，而新场花岗岩Zr+Nb+Ce+Y含量介于87.46×10-6～291.17×10-6之间，平均值为191.18×10-6，明显呈现较低的状态。综上所述，新场岩体属于未分异的I型花岗岩，这与其岩浆演化过程中的部分熔融作用及没有发生显著的分离结晶作用有关［32-33］。

图7 （a）新场岩体Na2O-K2O图解（据Collions［29］；Rollinson［34］）；（b）ACF图解（据Nakada，et al.［30］）Fig.7（a）：Na2O-K2O diagram of Xinchang pluton（After Collions［29］；Rollinson［34］）；（b）：ACF diagram（After Nakada，et al.［30］）

图8 新场岩体成因类型判别图Fig.8 Discrimination diagrams of the granite genesis for Xinchang pluton

3.2 岩浆源区及演化特征

新场岩体中花岗闪长岩和二长花岗岩的微量元素和稀土元素含量变化不大，二者分布曲线形态十分相似或一致，反映其具有同源岩浆的特性。图9a为岩石A/MF-C/MF图解，由图9a可见，部分样品落入基性岩石的部分熔融区，另一部分样品落入变质砂岩的部分熔融区，反映出与基性岩石和变质砂岩部分熔融的亲缘性。在K2O-SiO2分类图（图9b）中，样品落入大陆花岗岩的范围内及其附近，反映出与大陆花岗岩的亲缘性。图10为花岗岩源岩判别图［35］，从图中可以看出绝大多数样品落入富含黑云母源岩区，且与分离结晶趋势线一致，据此推测花岗闪长岩和二长花岗岩可能由富含黑云母的源岩经部分熔融作用所形成。图11为La-La/Sm和La-La/Yb判别图解，由图11可见，样品均落在部分熔融的区域内，表明花岗闪长岩和二长花岗岩的形成主要与部分熔融作用有关。前人研究成果表明，如果岩浆源区存在以石榴子石为主的残留相时，其所形成的熔体将具有倾斜的HREE配分特征，同时Y/Yb的比值通常大于10；而当岩浆源区存在以角闪石为主的残留相时，其所形成的熔体具有轻微向上凹的HREE配分特征，且其Y/Yb的比值接近10［34，36］。花岗闪长岩和二长花岗岩的Y/Yb比值为8.34～11.83，平均值为10.73，由图6可见，岩石的HREE配分模式不具有分馏的特征，配分曲线表现为轻微上凹的形态，结合前人研究成果，推测新场花岗岩的岩浆源区残留相应以角闪石为主。由上述特征推测，其岩浆应来源于下地壳富含角闪岩相的基性岩石与富含黑云母的变质砂岩部分熔融源区。

图9 新场岩体A/MF-C/MF判别图（a）及K2O-SiO2分类图（b）（据肖庆辉，等［45］）Fig.9 A/MF-C/MF diagram（a）and K2O-SiO2 diagram（b）of Xinchang pluton（After XIAO Qinghui，et al.［45］）

图10 新场岩体源岩判别图解（据Patino［35］）Fig.10 Discrimination diagrams of source rocks for Xinchang pluton（After Patino［35］）

图11 （a）新场岩体La-La/Sm图解；（b）新场岩体La-La/Yb图解（据胡军，等［46］）Fig.11（a）La-La/Sm diagram of Xinchang pluton；（b）La-La/Yb diagram of Xinchang pluton（After HU Jun，et al.［46］）

在∑REE-Y/∑REE关系图（图12a）和δEu-（La/Yb）N（图12b）图解中，可以看出花岗闪长岩样品基本落入壳幔混合型花岗岩区域中，而二长花岗岩大部分样品落入壳型花岗岩的范围内。从新场岩体Y-Nb和Y+Nb-Rb图解（图13）中可以看出，花岗闪长岩和二长花岗岩全部落入火山弧+同碰撞（VAG+Sny+COLG）花岗岩范围内，两者的REE表现为明显的分馏特征，δEu异常不明显，在图5中显示与上地壳相似的配分型式。样品的Th/U比值在2.00～11.58之间，平均为5.19，接近于下地壳的Th/U比值6.0［37］；Nd/Th值变化于0.94～3.87，平均为1.81，与壳源岩石平均值Nd/Th≈3［27］相当，而远低于幔源岩石平均值Nd/Th＞15［27］。Ba的含量为195×10-6～799×10-6，平均值为486×10-6，与花岗岩的平均值557×10-6［38］接近。这些特征表明岩浆应该没有斜长石结晶，说明其岩浆受到了幔源物质的混合，指示岩浆可能源于岩石圈地幔岩浆作用而导致上覆下地壳物质的部分熔融源区［7］。较低的Al2O3、MgO、Cr和Ni含量和较高的K2O［39］含量通常为下地壳部分熔融形成的岩浆的共同特征，新场岩体中花岗闪长岩和二长花岗岩具有较低 含量的MgO（0.21%～2.53%）、Mg#（12.62～36.75）、Cr（5.23×10-6～32.6×10-6）和Ni（1.25×10-6～9.14×10-6），K2O/Na2O的比值为0.39～1.31，轻微富含钾质成分，表明岩浆可能来自于下地壳岩石的部分熔融源区。前人研究成果表明，在花岗岩成岩过程中如果发现有幔源物质的参与，那么造成这种现象的原因通常有两个：1）幔源岩浆与部分熔融的地壳形成的长英质岩浆在地壳深部混合形成岩浆；2）幔源岩浆先侵入到地壳基底岩石中形成新的地壳，在后期构造事件的影响下，新生地壳发生了部分熔融而形成混合岩浆［40］。由表2可见，新场岩体中的花岗闪长岩和二长花岗岩具有Nb和Ti的负异常，造成这种负异常的原因通常有3个：1）代表俯冲背景，地幔物质与大陆地壳发生了混染［41-42］；2）代表源区有金红石残留，来源较深［43］；3）代表源区为早先存在的火山弧或地壳［7］。根据本次研究成果，在新场花岗岩体中发育北东走向的闪斜煌斑岩脉体和辉长岩脉体，这说明新场花岗岩体的形成可能有幔源岩浆的参与，Nb和Ti的负异常表明岩浆来源较深［18，43］，岩浆可能源于岩石圈地幔岩浆作用导致增厚的敦煌地块北缘下地壳岩石部分熔融源区，并在上升过程中混染了下地壳物质所形成的壳幔混合成因的花岗岩［44］。

图12 （a）新场岩体∑REE-Y/REE图解；（b）新场岩体δEu-（La/Yb）N图解（据胡军，等［46］）Fig.12（a）∑REE-Y/REE diagram of Xinchang pluton；（b）δEu-（La/Yb）N diagram of Xinchang pluton（After HU Jun，et al.［46］）

3.3 构造意义

通过洋中脊花岗岩标准化图（图5）可知，新场花岗岩体的配分型式与上地壳相似。图13为新场岩体Y-Nb和Y+Nb-Rb构造判别图解，从图中可以看出，花岗闪长岩和二长花岗岩落入火山弧+同碰撞花岗岩（VAG+Sny+COLG）和火山弧花岗岩（VAG）区域内，表明岩石与火山弧+同碰撞花岗岩的亲缘性。现阶段利用花岗岩构造判别图解来研究花岗岩形成的构造环境通常具有一定的多解性，并且花岗岩类研究的许多理论和判别图解思路来源于玄武岩的研究成果［47］，因而对于研究花岗岩的形成构造环境和背景，应在岩石地球化学特征研究的基础上，结合整个区域的构造演化历史来进行综合分析，才能得出正确可信的结论［48］。

图13 （a）新场岩体Y-Nb图解；（b）新场岩体Y+Nb-Rb图解（据Pearce，et al.［23］）Fig.13（a）Y-Nb diagrams of Xinchang pluton；（b）Y+Nb-Rb diagrams of Xinchang pluton（After Pearce，et al.［23］）

前人研究表明，中亚造山带（古亚洲洋）自石炭纪—三叠纪由西向东呈现为“剪刀式”闭合的特征［50-51］。北山造山带位于天山造山带和兴蒙造山带的交界处，对该地区最终造山作用的时限存在着较大争议。事实上，北山南北两带具有不同的构造演化历史，因而这两个带的碰撞造山作用可能并不是等时的。在大地构造位置上，新场花岗岩体位于塔里木板块的敦煌地块北缘，北山最南部的辉铜山-帐房山蛇绿岩带（音凹峡蛇绿岩带）南侧，其为一晚古生代蛇绿岩带［15］，该蛇绿岩带也是被广大学者早就认可的“北山裂谷”带［16，52-54］，带内广泛发育石炭纪—二叠纪裂谷型火山-沉积岩地层。北山地区由南向北分别发育有晚元古代、早古生代和晚古生代的增生大陆边缘，北山西部的东天山地区也具有相似的特征，反映了古亚洲洋在塔里木—敦煌地块北缘增生演化的特点。目前越来越多的证据表明，北山地区与古亚洲洋闭合有关的造山作用发生于二叠纪-早三叠世，这与北山北带大规模剪切带的活动时间245～260 Ma［55］是一致的。因此，对于古亚洲洋构造演化而言，本地区在二叠纪应处于俯冲-碰撞造山环境，新场岩体的岩浆活动即在此构造背景下侵入。

4 结论

1）新场花岗岩为准铝质到弱过铝质，属钙碱性系列和高钾钙碱性系列。大离子亲石元素（LILE）K、Rb、Ba和高场强元素（HFSE）Th呈现富集的特征，而Hf、Zr、Sm、Y及Yb等元素呈现相对亏损的状态。轻重稀土分馏明显，具轻微的Eu异常。

2）新场花岗岩属于未分异的I型花岗岩，花岗闪长岩和二长花岗岩应是同源岩浆不同演化阶段的产物，岩浆可能源于岩石圈地幔岩浆作用导致增厚的敦煌地块北缘下地壳岩石部分熔融源区，并在上升过程中混染了下地壳物质而形成了壳幔混合成因的花岗岩。

3）新场花岗岩体的形成与音凹峡裂谷带的闭合和古亚洲洋俯冲-碰撞作用有关，新场花岗岩体的岩浆活动即在此构造背景下侵入。