新疆库鲁克塔格地区古生代花岗质侵入岩全岩Sr-Nd和锆石Hf同位素地球化学特征及其意义

刘桂萍，郭瑞清，魏震，孙敏佳，崔涛，吴华楠，宋志豪

(新疆中亚造山带大陆动力学与成矿预测自治区重点实验室，新疆大学地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046)

南天山造山带位于中亚造山带西南缘(图1a)，经历了长期复杂的地质演化历史，历来都是地质学界重点研究的对象。南天山造山带的形成与南天山洋的开启-俯冲-闭合有关。在南天山造山带发现的最老蛇绿岩年龄(约590～600 Ma)表明，古南天山洋可能在新元古代晚期就已经形成(杨海波等，2005)。然而，南天山洋闭合时限仍存在很大争议，如泥盆纪末期(李锦轶等，2006)、石炭纪早中期(龙灵利等，2006)以及石炭纪末期(Gao et al., 2009)等不同认识。

库鲁克塔格地区位于塔里木克拉通与南天山造山带的交界处(图1b)，是了解古生代南天山洋开启-俯冲-闭合的关键部位。近年来，在库鲁克塔格地区获得了许多古生代花岗质侵入体的年代学和地球化学数据，一定程度约束了该时期花岗质侵入体形成的时代、成因和成岩构造背景，限定了南天山洋的闭合时代。它们分别为乌斯腾高勒东部岩体(458±3) Ma和乌斯腾高勒西部岩体(454.6±4.6) Ma(郭瑞清等，2013b)、铁门关东南岩体(419.2 ±3.1) Ma(郭瑞清等，2013a)、博斯腾乡岩体(418±2.7) Ma(郭瑞清等，2013a)、铁门关东岩体(400.6±1.6) Ma和乌斯腾高勒岩体(399.9±1.5) Ma(贾晓亮等，2013)、白海子南岩体(340.6±5.7) Ma(尼加提·阿布都逊等，2013)(图1c)。然而，前人研究工作大多针对单个岩体进行研究，缺乏整体上的对比分析。另外，对这些岩体也缺乏更全面的同位素方面的研究。U-Pb、Sm-Nd和Lu-Hf 同位素能够在后期复杂的地质过程中表现得非常稳定。因此，这些同位素往往被用于示踪源岩性质和物质来源(Iizuka et al., 2005)；Nd和Hf同位素模式年龄也能更精确地指示出地壳的形成时代(Lin et al., 2007)。对库鲁克塔格地区古生代花岗岩的系统对比分析及同位素方面的研究，可以为南天山造山带古生代构造演化提供新的证据和约束条件，对于深化认识中亚造山带西南缘增生造山过程中岩浆的形成机制、地壳生长及构造演化之间的联系具有重要意义。

白海子南岩体的年龄为(340.6±6) Ma，且属强过铝质S型花岗岩(尼加提·阿布都逊等，2013)，但由于缺乏示踪岩浆源区和物质来源等方面的研究，致使之前的研究工作具有一定的局限性。笔者对该岩体进行了全岩Sr-Nd、锆石Hf同位素及锆石微量元素分析，以进一步分析讨论白海子南岩体的物质来源、岩石成因及构造背景，并与该地区已有的代表性古生代花岗岩类数据资料进行综合对比分析，以期为库鲁克塔格地区古生代的地壳生长与演化提供新的认识。

1 区域地质背景及岩体特征

研究区位于塔里木克拉通东北缘，与南天山增生造山带的界线为库勒湖-色日克牙依拉克蛇绿岩带南界断裂(图1b)，地理坐标为86°15′00″E～87°15′00″E，40°40′00″N～42°20′00″N(图1c)。该区总体上呈东西向展布，是塔里木克拉通前寒武纪基底出露最完好的地区之一。

a.中亚造山带及其邻区构造图(据Gao et al., 2011)；b.塔里木北缘地质略图(据郭瑞清等，2013)；c.库鲁克塔格地区地质简图(据邹明玉，2018)图1 塔里木北缘及邻区构造略图Fig.1 Structural sketch of northern margin of Tarim and its adjacent area

库鲁克塔格地区古老基底为太古代和古元古代的变质岩。库鲁克塔格地区片麻岩、片岩及花岗岩Nd、Hf同位素模式年龄主要分布在3.3～2.5 Ga，表明该区在太古代时期可能存在重大的地壳再造和地壳增生作用(曹晓峰等，2012)。该区广泛出露新元古时期的酸性、基性-超基性岩浆岩，这些岩浆岩的生成被认为与罗迪尼亚超大陆裂解有关(Ge et al., 2012; Huang et al., 2019; Ren et al., 2017)。近期，发现该地区发育有相当规模的古生代岩浆岩，时代为晚奥陶世—早石炭世，以晚志留世—早泥盆世为主。研究表明这些岩浆活动与古生代南天山洋盆的演化有关(Ge et al., 2012; Qin et al., 2016; Huang et al., 2019; Ren et al., 2017)。

白海子南岩体出露于博斯腾湖南岸白海子镇以南，岩体采样坐标为N41°43′06.3″，E86°28′44.5″。该岩体整体呈浅肉红色(图2a)，岩性较均一，为二长花岗岩，面积约5.3 km2，近东西向展布，侵入到泥盆纪岩体中，北部被第四系覆盖。岩石具块状构造，细粒花岗结构，主要由斜长石(35%～40%)、钾长石(35%～40%)、石英(25%)及少量白云母等组成(图2b)。钾长石近半自形-他形粒状，粒径约0.2～0.5 mm，呈定向分布，内常见格子双晶和微细脉状钠质条纹。斜长石呈近半自形板状，粒径约0.2～0.5 mm，呈定向分布，常见聚片双晶、卡纳复合双晶、局部见肖钠双晶。石英呈他形粒状，粒径约为0.2～0.5 mm，呈半透明-透明，波状消光较强烈。白云母呈片状，粒径约为0.1～0.2 mm，少量分布。

前人根据U-Pb年代学和岩石地球化学的研究得出白海子南岩体年龄为(340.6±6)Ma， 属S型花岗岩(尼加提·阿布都逊等，2013)，属高钾钙碱性系列，具有高铝、高硅、高钾、贫镁和贫Na、低Sr、低Y的特征，A/CNK值为1.14～2.45，CIPW标准刚玉分子>1%，属过铝质花岗岩，Al2O3/TiO2值小于100(在41～72)。微量元素显示出δCe(1.05～1.67)的正异常，δEu(0.52～0.62)的负异常，总体上表现出轻稀土元素富集，重稀土元素亏损的特征；富集Th、Ba、Rb等元素，明显亏损Ti、Ta、Nb等元素(尼加提·阿布都逊等，2013)。

a.白海子岩体野外照片；b.镜下特征；Qtz.石英；Pl.斜长石；Kfs.钾长石图2 白海子南花岗岩体图Fig.2 Photos of Baihaizi granite

2 同位素分析方法

本文岩石样品HX-T2(1-5)的全岩Rb-Sr、Sm-Nd以及锆石Lu-Hf同位素测试均由中国科学院广州地球化学研究所国家重点实验室完成。使用热电离质谱计对Sr-Nd同位素进行测定，Sr-Nd同位素的化学分离纯化体系及分析流程可见Chen et al.(2010)。所有实测143Nd/144Nd和86Sr/88Sr值分别用146Nd/144Nd=0.721 9和86Sr/88Sr=0.119 4进行标准化。Hf同位素的分离纯化采用离子交换树脂原理，数据测试在Isoprobe等离子体质谱仪上完成，仪器运营及其具体分析流程可见Lin et al.(2007)。εHf(t)的计算使用176Lu衰变常数为1.867×10-11a(Albarède et al., 2006)，现今的球粒陨石176Hf/177Hf值为0.282 785和176Lu/177Hf值为0.033 6(Bouvier et al., 2008)；Hf亏损地幔模式年龄(TDM1)的计算采用现今的亏损地幔176Hf/177Hf值为0.283 25和176Lu/177Hf值为0.038 4(Vervoort et al., 1999)，二阶段Hf模式年龄(TDMC)计算采用平均地壳的176Lu/177Hf值为0.015(Rudnick et al., 2003)。

3 分析结果

3.1 Sr-Nd同位素组成

对白海子南岩体5件样品进行全岩Rb-Sr、Sm-Nd同位素组成分析结果表明，87Rb/86Sr值均低于3，ISr无异常低(<0.700)情况。样品的ISr比值在0.710 01～0.712 87，低于大陆地壳平均值(0.719)而高于大陆中基性火山岩平均值(0.705 77)(Faure et al., 1978)，为中等ISr比值。εNd(t)值在-21.01～-18.07，模式年龄采用Nd同位素二阶段模式年龄，这样可以尽量避免过低的fSm/Nd影响计算结果，其二阶段模式年龄值介于2.6～2.84 Ga(均值为2.78 Ga)，分析结果见表1。

表1 库鲁克塔格地区白海子岩体Sr-Nd同位素组成表Tab.1 Sm-Nd isotopes of Baihaizi pluton in Kuruktag region

3.2 Hf同位素组成

对已测定的U-Pb年龄的10颗锆石进行了原位Hf同位素分析(图3)，结果显示大部分锆石176Lu/177Hf值介于0.000 855～0.003 605，仅有1颗锆石176Lu/177Hf值为0.003 605，εHf(t)值的变化范围在-26.55～-17.28(均值为-22.6)，其地壳平均年龄范围为2.43～3.0 Ga(均值2.76 Ga)，分析结果见表2。

表2 库鲁克塔格地区白海子岩体LA -ICP-MS锆石Hf同位素分析结果表Tab.2 LA-ICP-MS in-situ analysis of zircon Hf isotopes of Baihaizi Pluton in Kuruktag region

图3 锆石阴极发光图像Fig.3 CL images of zircons

3.3 锆石微量元素组成

白海子南岩体中锆石的U含量值在125.03×10-6～340.88×10-6，Th含量值介于78.87×10-6～315.86×10-6，Pb含量值在11.84×10-6～31.41×10-6，这些元素的含量变化较大，可能与锆石自身特点以及激光剥蚀深度有关，具体分析结果见表3。锆石微量元素特征分析结果显示，样品中锆石具有重稀土元素富集且Eu负异常的特点，而轻稀土元素则呈强烈亏损，并具显著Ce正异常的特点(图4)，而且Th/U值均大于0.4。

图4 (a)白海子南岩体锆石球粒陨石标准化稀土元素配分图和(b)微量元素蛛网图(据Sun et al.,1989)Fig.4 (a)Chondrite-normalized REE patterns and(b) primitive mantle normalized traceelement spider diagrams of Baihaizi pluton (After Sun et al., 1989)

表3 白海子南岩体锆石微量元素数据(10-6)Tab.3 Trace element data (10-6) of zircons from the Baihaizi pluton in the Kuruktag region

4 讨论

4.1 岩浆源区

通常认为花岗岩具有较高的εNd(t)值和较低的二阶段模式年龄值(TDM2)，表示它们可能来源于新生地壳的再循环或有新生地幔物质加入到了大陆地壳中，而低的εNd(t)值和高的TDM2值则表明花岗岩来源于先存古老地壳物质的深熔或重熔(朱弟成等，2009)。白海子南岩体具有较高的TDM2(2.6～2.84 Ga)和相对较低的εNd(t)(-21.01～-18.07)值，以及相对较高的初始Sr值，在εNd(t)-t图解中投点于2.5 Ga地壳演化线以下区域(图5a)，表明岩体很可能形成于古老地壳再造的过程中。因花岗岩Nd模式年龄可代表岩浆源区物质的平均地壳存留年龄(胡霭琴等，1999)，而本文中白海子南岩体的Nd模式年龄在2.6～2.84 Ga，暗示其源区岩石与新太古代地壳物质的部分熔融有关。

锆石的原位Hf同位素能有效地确定形成岩石的岩浆来源(吴福元等，2007)。白海子南岩体样品中176Lu/177Hf值均小于或接近0.002，表明锆石在形成后积累了很少的放射性成因Hf同位素，故锆石形成时的176Hf/177Hf值可以用初始176Hf/177Hf值来代表。通常εHf(t)<0代表岩石是在古老下地壳部分熔融过程中形成的(Vervoort et al., 2000)，白海子南岩体的锆石εHf(t)值介于-26.55～-17.28，二阶段模式年龄介于2.43～3.0 Ga，在εHf-t图解中投点远离球粒陨石演化线，位于2.7 Ga新太古代演化线附近(图5b)，这与全岩Sr-Nd同位素分析结果一致，表明白海子岩体的岩浆来源于古元古代—新太古代地壳物质的部分熔融。该样品中的锆石Hf同位素具明显的不均一性(变化范围达8个ε单位)，这就需要一个开放系统来引起熔体中176Hf/177Hf值的明显变化，由于锆石Hf同位素的比值不会随部分熔融或分离结晶作用发生变化，因此锆石Hf同位素大范围变化可能是由于幔源新生岩浆和古老地壳物质相互作用导致的(Alberto et al., 1999)。另外，S型花岗岩锆石的Hf同位素组成的变化并不一定指示了岩浆混合作用，而也有可能是源区不均一性的体现(Villaros et al., 2012)。

a.ISr-εNd(t)图;b.176Hf/177Hf-年龄图;c.年龄-εNd(t)图;d.年龄-εHf(t)图(奥陶纪、志留纪、泥盆纪岩体同位素数据引自邹明煜等，2018)图5 全岩Sr-Nd同位素组成特征及锆石Hf同位素组成特征图Fig.5 Whole-rock Sr - Nd isotopic composition and Hf isotopic characteristics of zircon

Condie et al.(1998, 2010)通过对花岗质岩石和碎屑锆石的U-Pb年龄统计研究，总结出新太古代(2.8～2.5 Ga)是大陆地壳生长分异的重要时期，且在2.7 Ga时达到峰期。库鲁克塔格是太古宙岩石研究，最早最成熟前寒武纪露头区，并且露头主要出露于辛格尔、兴地和库尔勒3个地区。该区域报道中记载了2.7 Ga变质杂岩体(Ge et al., 2014)和锆石结晶年龄为2.71～2.72 Ga的TTG片麻岩(Cindie et al., 2010)等，前人认为2.7 Ga时期是塔里木北缘新太古代岩浆作用最重要的时期。同时，该区出露有(2 534±19)Ma的钾长花岗岩(Zhang et al., 2007)、(2 470±24)Ma的片麻状花岗岩以及(2 469±12)Ma的变闪长岩(Shu et al., 2011),这些岩石可能代表了塔里木克拉通新太古代—古元古代早期大陆地壳的净大陆生长或改造(Ge et al., 2014)。白海子南岩体的Nd二阶模式年龄TDM2介于2.6～2.84 Ga，(均值2.78 Ga)，锆石Hf平均地壳年龄TDMC介于2.43～3.0 Ga(均值2.76 Ga)，其岩浆源区主要是古元古代早期—新太古代时期从地幔分异出来的陆壳物质，白海子南岩体源区岩石的形成很可能是对全球陆核生长事件的响应。

4.2 岩石成因与构造环境

地球化学数据分析表明白海子南岩体为强过铝质花岗岩，它的形成与富铝的岩石部分熔融有关，高钾、低钠的特征暗示此岩体的形成与含云母岩浆源区脱水熔融有关(尼加提·阿布都逊等，2013)。过铝质花岗岩是由富铝壳源物质部分熔融而形成，其形成的构造背景至今仍是一个争论的话题。具有过铝质S型花岗岩不仅产生于同碰撞时期，在后碰撞时期也可以大量产生(韩宝福等，2007)；花岗岩的形成与“热源”密切相关，而和构造并没有直接关系(张旗等，2007)。研究表明，过铝质S型花岗岩的形成环境复杂，可形成于多种动力学背景，常见形成于俯冲板片后撤所引起的弧后伸展、同碰撞早期的地壳加厚，后碰撞时期等(Pitcher et al., 1983)。

岩浆形成时的温度值一般可用锆石饱和温度来估算，因锆石饱和温度和液相线温度几乎相一致(Ferreira et al., 2003)。当Zr的含量值为80 ×10-6～150 ×10-6时，花岗岩被称为富含继承锆石花岗岩，TZr为730～780 ℃，均值为(766±24) ℃，其源区锆石饱和，Zr含量不全在熔体中，而是有部分在继承锆石中，因此该时期TZr代表了岩浆温度上限(韩宝福等，2007)。笔者通过全岩Zr含量计算出的白海子岩体TZr介于715～763 ℃(表3，均值为745 ℃)。锆石Ti含量地质温度计计算出该岩体Ti温度均值为692 ℃(表3)，与锆石饱和温度近似。由此可见，白海子花岗岩属“冷”岩浆，含水矿物不能自发的脱水熔融和产生热量，此类岩浆的熔融需要流体的加入(郑永飞等，2013)。南天山洋向塔里木克拉通俯冲过程在奥陶世(454.6 Ma)之前后就已经开始了(Ge et al., 2012)，持续到泥盆世(郭瑞清等，2013b)，直到晚石炭世进入弧-陆碰撞闭合阶段(310～290 Ma)，南天山洋盆最终关闭(郭瑞清等，2013a)。白海子南岩体为早石炭纪侵入岩，此时南天山洋处于俯冲阶段末期，洋盆未完全闭合，俯冲过程中幔源岩浆底侵产生的余热为该岩体熔融提供热源。俯冲作用的后期，俯冲板片后撤导致洋壳减薄和压力变小，由幔源岩浆底侵作用引起的温度升高被认为是导致地壳物质熔融的关键因素。此外，压力降低以及流体加入也被认为是导致花岗岩浆形成的重要因素(Chen et al.,2010)。锆石的U-Er判别图中本文数据落入弧火山岩(VAB)区域(图6)。综上所述，推测白海子南岩体形成于主动大陆边缘，是南天山洋向南俯冲到塔里木克拉通之下后期阶段的产物。

图6 白海子岩体锆石微量元素判别图解(据Schulz et al., 2006)Fig.6 Discrimination plots of the trace element of zircon from Baihaizi pluton (After Schulz et al., 2006)

4.3 库鲁克塔格古生代构造演化

库鲁克塔格地区出露有一系列古生代(约470～340 Ma)侵入体。奥陶纪岩体(乌斯腾高勒西部岩体454.6 Ma，乌斯腾高勒东部岩体458 Ma)具低εNd(t)值(-20.01～-16.37)和高TDM2(2.56～2.84 Ga)值，εHf(t)值介于-26.7～-11.6，TDMC变化范围在2.2～3.1 Ga(吴华楠，2019)；晚志留世岩体(铁门关东南岩体419.2 Ma、博斯腾乡岩体418 Ma)具稍低εNd(t)值(-9.64～-6.18)(邹明煜等，2018)，同奥陶纪岩体相比，明显升高>10个ε单位值，Nd二阶段模式年龄TDM2(1.99～2.54 Ga)较奥陶纪岩体也稍年轻，这些岩体的锆石εHf(t)介于-4.07～0.82，TDMC介于1.36～1.66 Ga(邹明煜，2018)。早泥盆世岩体(铁门关东岩体400.6 Ma和乌斯腾高勒岩体399.9 Ma)具稍低εNd(t)值(-11.82～-9.93)，Nd二阶段模式年龄TDM2(1.97～2.13 Ga)较奥陶纪岩体也稍年轻，这些岩体的锆石εHf(t)介于-6.59～0.67，TDMC介于1.35～1.80 Ga(邹明煜，2018)；这些岩体整体为钙碱性-高钾钙碱性Ⅰ型花岗岩，具有大陆弧花岗岩的地球化学特征，被认为形成于南天山洋向南的俯冲消减(郭瑞清等，2013a, 2013b)。通过塔里木北缘这一时期岩浆岩的εNd(t)-Age、εHf(t)-Age图解，可以发现奥陶纪—早泥盆世随着岩石形成时代逐渐变年轻，εNd(t)、εHf(t)值逐渐升高(图7)，Nd、Hf的模式年龄逐渐降低，可能对应于一个陆壳减薄、地幔上涌的构造环境。奥陶纪岩体的锆石饱和温度TZr=778～791℃，晚志留世岩体的锆石饱和温度TZr=770～851℃(邹明煜，2018)，呈现一个上升的趋势，进一步佐证岩浆岩区受幔源岩浆的影响逐渐变大。晚志留世—早泥盆世是塔里木南缘岩浆作用最活跃的时期，是南天山洋洋壳俯冲消减达到高峰，同时期还发育有基性岩浆岩(郭瑞清等，2018)。该时期塔里木北缘岩浆岩特征与后撤式俯冲特征相吻合，南天山洋后撤式的俯冲样式导致库鲁克塔格地块地壳减薄，岩浆源区年轻物质比例增大，基性岩浆增加。

早泥盆世—早石炭世，随着岩石形成时代逐渐变年轻，εNd(t)、εHf(t)值逐渐降低(图7)，Nd、Hf的模式年龄逐渐升高，可能对应于一个陆壳增厚的环境，岩浆源区古老基底比例增大。

图7 塔里木克拉通北缘古生代岩体年龄-εNd(t)及年龄-εHf(t)图(数据引自Ge et al., 2012, 2013; Zhao et al., 2015; Lin et al., 2013; Huang et al., 2013)Fig.7 εNd(t) versus age diagram and εHf(t) versus age diagram of Paleozoic plutons in the southern margin of Tarim block(Date source from Ge et al., 2012, 2013; Zhao et al., 2015; Lin et al., 2013; Huang et al., 2013)

南天山造山带是塔里木克拉通和哈萨克斯坦-伊犁-中天山地块的陆陆碰撞而成的古生代碰撞带造山带(Xiao et al., 2013)。南天山洋向塔里木克拉通俯冲过程持续到石炭纪，库鲁克塔格白海子南岩体(340.6 Ma)产生于大陆弧环境，是俯冲作用后期的产物，极富集的εNd(t)表明岩浆源区为地壳物质。额尔宾山中部的盲起苏花岗岩体(297±4)Ma被认为形成于后碰撞伸展的早期阶段(于新慧等，2020)。因此，南天山洋可能闭合于二叠纪之前，持续的俯冲增生直至陆陆碰撞是导致库鲁克特格地区地壳加厚的主要原因。

5 结论

(1)白海子南岩体的ISr比值为0.710 01～0.712 87，εNd(t)值介于-21.01～-18.07，其二阶段亏损地幔模式年龄值为2.6～2.84 Ga，εHf(t)值介于-26.55～-17.28，其二阶段地幔模式年龄为2.43～3.0 Ga，是古元古代早期—新太古代地壳物质再循环的产物。

(2)锆石微量元素分析表明，该岩体锆石为壳源岩浆锆石，TZr均值为745℃，TTi均值为692℃，属于“冷”岩浆。白海子南岩体形成于主动大陆边缘，是南天山洋向南俯冲到塔里木克拉通之下后期阶段的产物，俯冲过程中幔源岩浆底侵产生的余热为该岩体熔融提供热源。

(3)南天山洋向塔里木克拉通俯冲过程中，库鲁克塔格地区奥陶纪—早石炭世地壳演化经历了先减薄再加厚的演化过程。