西天山温泉地区奥陶纪侵入岩地球化学特征及成因探讨

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

中亚造山带是位于塔里木板块与西伯利亚古陆之间的巨大增生造山带(图1a)，是由古亚洲洋长期俯冲消减作用形成的[1]，其形成、演化过程中发生多期次与陆壳增生和碰撞造山有关的花岗岩浆活动，形成了大量古生代不同期次花岗岩类，而古生代又是古亚洲洋演化的重要时期，是学术界关注的焦点。天山造山带位于中亚造山带南缘，呈EW向延伸，从构造上由北往南划分为北、中、南3个带，在我国境内以库尔勒—乌鲁木齐一线为界分为西天山和东天山[2]，由于受多期强烈的岩浆活动及构造运动的改造，西天山地区早古生代的地质记录保存甚少，制约了人们对该地区早古生代地质演化的认识。西天山温泉地区位于中亚造山带南缘(图1a)，发育有新元古代及早古生代岩浆活动[3-6]，这些不同期次的花岗岩类可能记录了古亚洲洋形成演化的主要构造事件，是研究西天山和中亚造山带南部演化历史的重要线索。

本文以温泉县城南部奥陶纪侵入岩为研究对象，进行岩石学、地球化学特征研究，探讨其岩石成因，揭示该区奥陶纪中晚期构造背景，为该区早古生代古亚洲洋构造演化提供基础资料。

1 地质背景及岩体特征

研究区位于温泉县城南部，区内出露最古老的地质体是温泉岩群变质岩，为一套中深变质岩系，形成于古元古代，构成天山结晶基底，其内部变形复杂，变质作用强烈，经历多期次构造叠加和改造，广泛发育以“N”型褶皱为主的固态流变褶皱。区内奥陶纪侵入岩主要分布于蒙克—夏纳克一带，侵位于温泉岩群变质岩及早期次的青白口纪中细粒二长花岗岩中，近EW向展布，呈岩株、岩枝状产出。温泉县幅1∶5万区域地质调查报告将其划分为2个侵入阶段：第一侵入阶段岩性为闪长岩-石英闪长岩，深灰色—灰绿色，呈长条状EW向展布，岩体中顺节理面方向混入大量后阶段花岗闪长岩，呈脉状、透镜状，局部与花岗闪长岩形成黑白相间的似斑马状构造；第二侵入阶段岩性为花岗闪长岩，灰色—灰白色，条带状东西向展布，侵入于温泉岩群变质岩中，岩体中可见少量大块变质围岩残留体及二长花岗岩及闪长岩捕掳体，受动力变质作用影响，部分岩石破碎，呈碎裂结构。

1—第四系；2—温泉岩群；3—奥陶纪花岗闪长岩；4—奥陶纪闪长岩及石英闪长岩；5—青白口纪中细粒二长花岗岩；6—地质界线；7—正断层；8—逆断层；9—推测断层；10—性质不明断层图1 中亚造山带位置图及研究区侵入岩分布地质简图(图a据文献[7,8]修改)

2 岩石学特征

研究区奥陶纪侵入岩岩石类型主要有闪长岩、石英闪长岩、花岗闪长岩。

浅灰色粗中粒花岗闪长岩：粗中粒半自形粒状结构(图2a)，块状构造。岩石由斜长石(55%±)、钾长石(5%～10%)、角闪石(5%～10%)、黑云母(5%～10%)、石英(20%～25%)组成。斜长石呈半自形板状，杂乱分布，可见聚片双晶和卡钠复合双晶，可见环带构造，大部分颗粒被绢云母和黝帘石不均匀交代；钾长石呈半自形板状，星散分布，多见微斜长石，被高岭土不均匀交代；石英呈他形粒状；角闪石呈半自形长柱状，杂乱分布，部分颗粒被纤状次闪石交代呈假象，多数颗粒绿帘石交代呈假像；黑云母呈叶片状，多被绿泥石和绿帘石交代，局部析出铁质。

浅灰色轻碎裂状细中粒花岗闪长岩：变余细中粒花岗结构(图2b)，块状构造。岩石由斜长石(50%～55%)、钾长石(10%～15%)、石英(20%～25%)和暗色矿物假像(10%～15%)组成。斜长石呈半自形板状，杂乱分布，可见聚片双晶和卡钠复合双晶，偶见环带构造，大部分颗粒被绢云母和碳酸盐不均匀交代；钾长石呈半自形板状—他形粒状，可见条纹长石和微斜长石，内部嵌布板条状斜长石和他形粒状石英，轻微高岭土化，多数呈单晶状分布，边缘细粒化；暗色矿物呈他形粒状，多在裂隙分布，均被次闪石和绿帘石交代，部分呈假像；石英呈他形粒状，颗粒多显波状、带状消光，边缘呈齿状、缝合线状。

灰绿色细粒闪长岩：细粒半自形粒状结构(编号0012/1，图2c)，块状构造。岩石由斜长石(50%～55%)、角闪石(35%～40%)、黑云母(5%～10%)和石英(1%～5%)组成。斜长石呈半自形板状，杂乱分布，可见聚片双晶和卡钠复合双晶，可见环带构造，大部分颗粒被绢云母和黝帘石不均匀交代；角闪石呈半自形长柱状，杂乱分布，部分颗粒被纤状次闪石交代呈假象，少量颗粒绿帘石交代呈假像；黑云母呈叶片状，多被绿泥石交代，局部析出铁质；石英呈他形粒状，可见细粒单晶，充填状零星分布在斜长石粒间。

灰绿色碎裂状细中粒石英闪长岩：变余细中粒半自形粒状结构(图2d)，块状构造。岩石由斜长石(60%～65%)、暗色矿物假象(10%～15%)、黑云母(5%～10%)和石英(15%～20%)组成。斜长石呈半自形板状，杂乱分布，可见聚片双晶和卡钠复合双晶，偶见环带构造，大部分颗粒被绢云母和碳酸盐不均匀交代；暗色矿物假像呈他形粒状，杂乱多沿裂隙分布，均被绿帘石交代呈假像；黑云母呈叶片状，多被绿泥石和绿帘石交代，局部析出铁质；石英呈他形粒状，部分颗粒边部呈细粒化重结晶，部分成集合体状充填在斜长石颗粒间；岩内可见被细粒绿帘石、绿泥石和碳酸盐充填的裂隙，长石双晶弯曲，推测受成岩后构造应力作用，导致原岩破碎。

Pl—斜长石；Kf—钾长石；Qz—石英；Hb—角闪石；Bi—黑云母图2 奥陶纪侵入岩显微照片

3 岩石地球化学特征

本次工作在研究区花岗闪长岩、闪长岩和石英闪长岩中采集了4件新鲜且无脉体交代的样品进行地球化学分析，测试工作由中国冶金地质总局山东局测试中心完成，测试依据为《岩石矿物分析》2011年第四版(DZG 20.01-2011)。另外引用前人的2件闪长岩样品(样品号22-YQ1和22-YQ2)[9]。样品分析结果见表1。

表1 奥陶纪侵入岩主量元素、微量和稀土元素分析结果表

3.1 主量元素特征

SiO2含量(质量分数)为50.38%～67.89%，属中性—中酸性岩石。TiO2含量0.42%～1.31%，Al2O3含量15.79%～17.91%，Na2O含量3.50%～4.34%，K2O含量0.76%～2.92%，K2O/Na2O值0.22～0.69，具有贫钠富钾特征。在(Na2O+K2O)-SiO2图解[10]上(图3)，2件样品落入花岗闪长岩区，1件样品落入二长闪长岩区，1件样品落入二长闪长岩与二长岩交接区域，文献[9]的2件样品落入辉长岩与辉长闪长岩交接区域，这与岩石学特征基本一致。A/CNK值0.72～1.15，在A/CNK-A/NK图解[11]中可以看出：闪长岩—石英闪长岩属准铝质岩系，花岗闪长岩属过铝质岩系图4a。里特曼指数σ为1.87～3.92，除细粒闪长岩值稍高外，其他样品值均小于3.3，碱度率AR为1.39～2.34，在SiO2-K2O图解[12]中图4b，样品点落入钙碱性—高钾钙碱性区域。综上所述，奥陶纪侵入岩主量元素显示出准铝质—过铝质钙碱性岩石系列特征。

1—橄榄辉长岩；2—辉长岩；3—辉长闪长岩；4—闪长岩；5—花岗闪长岩；6—花岗岩；7—二长辉长岩；8—二长闪长岩；9—二长岩；10—石英二次岩；11—正长岩；12—似长辉长岩；13—似长二次长闪长岩；14—似长正长闪长岩；15—似长正长岩；16—似长岩图3 奥陶纪侵入岩(Na2O+K2O)-SiO2图解

图4 A/CNK-A/NK图解(a)和SiO2-K2O图解(b)

3.2 微量与稀土元素特征

从微量元素原始地幔标准化曲线图(图5a)上看出，不同样品的微量元素分布特征具有相似性，(Rb/Yb)N为17.73～60.80，均大于1，属于强不相容元素富集分配形式，Rb/Sr值为0.03～0.16，介于地幔平均值(0.025)与陆壳平均值(0.44)之间，显示壳幔混合特征。大离子亲石元素Sr、Ba相对富集，Th、Nb、P、Ti等高场强元素亏损，P、Ti的亏损与Ti-Fe氧化物、磷灰石的分离结晶作用有关[13]，表现出岛弧花岗岩地球化学特征[14-15]。

稀土元素总量∑REE为(74.63～157.27)×10-6，花岗闪长岩样品较闪长岩—石英闪长岩样品含量稍低，轻稀土总量∑LREE为(67.94～139.05)×10-6，重稀土总量∑HREE为(6.69～18.22)×10-6，轻重稀土比值∑LREE/∑HREE为6.80～10.16，(La/Yb)N值为6.22～13.02，(Ce/Yb)N值为5.50～9.07，属于轻稀土富集型，轻稀土元素内部分馏较明显。在稀土元素配分曲线上图5b，各样品曲线形态相似，La-Sm曲线较陡，Gd-Lu曲线逐渐趋于平缓，具重熔型花岗岩的特征，δEu为0.77～0.96，具轻微负Eu异常，且δEu>0.7，属于基性岩浆分异的花岗岩[16]。

图5 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)

4 讨论

4.1 岩石成因

目前，花岗岩的成因类型比较常用的有4种，分别为I、S、M和A型花岗岩[17]。研究区奥陶纪侵入岩群居性较好，且成因上关系较密切，Sr、Ba等大离子亲石元素相对富集，Th、Nb、P、Ti等高场强元素亏损，说明具有壳源物质的混染。Zr/Hf值为33.44～40.82，具有中等分异花岗岩的特征(高分异花岗岩Zr/Hf值小于25，中等分异花岗岩Zr/Hf值大于25，普通花岗岩Zr/Hf值大于55)[18]。岩石中Nb/U值可以反映岩浆源区的性质，地幔来源岩浆的Nb/U值为47，而壳源物质则为6.2[19]，本区侵入岩Nb/U值为5.76～13.96，平均值10.94，介于幔源岩浆与壳源岩浆之间，反映岩石圈地幔源区可能受到地壳物质混染。另外，在K2O-Na2O判别图解上(图6)[20]，样品点全部落入Ⅰ型花岗岩区；在岩石化学成分及微量元素SiO2-Rb图解和稀土元素δEu-(La/Yb)N图解上(图7)[21]，各侵入岩样品点基本上落入壳幔混合型花岗岩区。综合分析认为，研究区奥陶纪侵入岩属于中等分异的Ⅰ型花岗岩，具有壳幔混源岩浆特征。

图6 K2O-Na2O判别图

图7 SiO2-Rb图解(a)和δEu-(La/Yb)N图解(b)

4.2 构造意义

从前述微量元素特征看，研究区奥陶纪侵入岩具有岛弧花岗岩的地球化学特征。利用Pearce等不同类型花岗岩的微量元素构造判别图解[22-23]，在Nb-Y判别图上(图8a)，样品点落入火山弧+同碰撞火花岗岩区，在Rb-(Y+Nb)判别图上(图8b)，样品点落入后碰撞花岗岩与火山弧花岗岩区，在Rb-(Yb+Ta)(图8c)和Ta-Yb判别图(图8d)上，样品点均落入火山弧花岗岩区。综合分析认为，该期侵入岩形成于洋壳俯冲作用下的火山弧环境。

图8 Nb-Y、Rb-(Y+Nb)、Rb-(Yb+Ta)和Ta-Yb构造判别图解

笔者通过1∶5万区域地质调查，在研究区中细粒闪长岩、中细粒石英闪长岩、细中粒花岗闪长岩中获得LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分别为(465±3)Ma、(464±3)Ma和(452±3)Ma。另外，前人在该区粗—中粒斜长角闪岩(455.1±2.7)Ma和(451.4±5.4)Ma)[3]、粗粒闪长岩(452±7)Ma)[5]、片麻状石英闪长岩(457.9±3.1)Ma、(455.4±5.0)Ma和(467.7±5.4)Ma)[9]样品中获得了相似的年龄值。同时，这些不同类型的侵入岩均具有岛弧钙碱性岩石特征，与早古生代洋盆俯冲作用有关，说明研究区在奥陶纪进入古亚洲洋演化阶段，这对认识中亚造山带及天山地区古生代构造演化具有重要意义。

5 结论

(1)西天山温泉地区奥陶纪侵入岩主要岩石类型为闪长岩、石英闪长岩及花岗闪长岩。SiO2含量50.38%～67.89%，TiO2含量0.42%～1.31%，Al2O3含量15.79%～17.91%，Na2O含量3.50%～4.34%，K2O含量0.76%～2.92%，K2O/Na2O值0.22～0.69，A/CNK值0.72～1.15，里特曼指数σ为1.87～3.92，碱度率AR为1.39～2.34，具有贫钠富钾特征，属于准铝质—过铝质钙碱性岩石。

(2)(Rb/Yb)N为17.73～60.80，Rb/Sr值为0.03～0.16，显示壳幔混合特征。大离子亲石元素Sr、Ba相对富集，Th、Nb、P、Ti等高场强元素亏损。稀土元素总量为(74.63～157.27)×10-6，轻重稀土比值为6.80～10.16，(La/Yb)N值为6.22～13.02，(Ce/Yb)N值为5.50～9.07，属于轻稀土富集型，轻稀土元素内部分馏较明显。δEu为0.77～0.96，具轻微负Eu异常。Zr/Hf值为33.44～40.82，Nb/U值为5.76～13.96，研究区奥陶纪侵入岩属于中等分异的Ⅰ型花岗岩，具有壳幔混源岩浆特征。

(3)根据岩石地球化学特征及区域地质背景，综合分析认为西天山温泉地区奥陶纪侵入岩形成于洋壳俯冲作用下的火山弧环境，是奥陶纪古亚洲洋俯冲作用在本区的体现。