阿尔金造山带南缘晚奥陶世碱性辉长岩成因及其大地构造意义

陈宁 ，曾忠诚 ，赵端昌 ，张若愚 ，李琦 ，赵江林 ，王天毅 ，刘向东

（1.陕西省地质调查院，陕西 西安 710054；2.自然资源陕西省卫星应用技术中心，陕西 西安 710000）

阿尔金造山带位于青藏高原北缘，地处柴达木板块和塔里木板块之间，是一条经历多期次俯冲—碰撞事件的构造复合带（ Li et al.，2015；李琦等，2015，2018；毕政家等，2016；Liu et al.，2018；赵江林等，2018），自北向南依次为红柳沟—拉配泉蛇绿构造混杂岩带、阿中地块和阿南蛇绿构造混杂岩带3 个构造单元（校培喜等，2014）。近年来，阿尔金造山带的研究不断取得新进展，主要包括陆壳俯冲深度和极性、折返时限和变质演化等方面（刘良等，2015），这对研究古俯冲—碰撞造山过程、壳—幔相互作用和构造体制转换等方面具有重要的指示意义。已有研究表明，南阿尔金造山带俯冲碰撞阶段可以分为洋壳俯冲、陆壳深俯冲、陆壳折返和碰撞后伸展等4 个阶段（刘良等，2015）。早古生代由深俯冲陆壳折返引起的碰撞挤压向伸展体制转换的区域构造过程，引起了造山带南缘最为强烈的一期岩浆活动（马中平等，2009，2011；曹玉亭等，2010；孙吉明等，2012；杨文强等，2012；康磊等，2013；Wang et al.，2014；董洪凯等，2014），这类岩浆岩均属于高K钙碱性岩石系列，很可能为幔源物质上涌引起的中上地壳部分熔融作用形成的产物（刘良等，2015）。然而，这期由构造体制转换引起的岩浆活动却鲜见碱性岩浆事件的报道。

基性岩作为幔源岩浆的典型代表，对地幔物质组成、岩石圈演化和大陆动力学研究具有重要的指示意义（Hoek et al.，1995），可以形成于多种构造环境，具有明确的构造演化和地球动力学意义（Jiang et al.，2018；蒋幸福等，2021；张海迪等，2021）。碱性基性岩作为基性岩的一种特殊类型，常形成于伸展环境，是示踪地幔性质和探讨地球动力学的理想研究对象（王联魁等，2003；赵甫峰等，2011）。最近，笔者在阿尔金造山带北部的玉苏普勒克地区新识别出一套晚奥陶纪碱性辉长岩。通过岩相学、锆石年代学和全岩地球化学等手段，确定了该辉长岩的形成时代和成因背景，为限定阿尔金造山带北部的构造环境演化时限，以及该时期造山带的构造格架和构造体制转换提供更多的科学依据。

1 区域地质背景

阿尔金断裂带位于青藏高原西北部，走向呈NEE 向，是柴达木盆地和塔里木盆地的“分隔线”（Wittlinger et al.，1998）。阿尔金地区侵入岩分布广泛，且形成时代覆盖了前南华纪至晚三叠世，但岩浆活动的高峰期主要集中于南华纪—中泥盆世，形成了酸性、中性、基性和超基性岩等多种性质的岩浆岩（计文化等，2020），但鲜见碱性岩浆作用。

研究区位于阿尔金造山带南缘主断裂的南部，该断裂带南北两侧分别为阿南（蛇绿）构造混杂岩带和阿中地块（图1a）。阿南蛇绿混杂岩带主要由蛇纹石化纯橄岩和方辉橄榄岩，基性岩火山岩，枕状玄武岩和硅质岩以及少量的辉长岩、安山岩和硅质岩等（何国琦等，1994；刘良等，1998；王焰等，1999）。笔者研究对象为侵入阿南蛇绿混杂岩带的晚奥陶纪辉长岩，根据本次地质调查成果，该辉长岩属于晚奥陶纪—早志留纪阿勒克塔格岩体，分布于玉苏普勒克一带（图1b）。根据岩石组合、接触关系和年代学特征，本次地质调查过程中，将阿勒克塔格岩体从早到晚依次划分为辉长岩、细粒闪长岩、中细粒花岗闪长岩、中粒二长花岗岩、正长花岗岩和碳酸岩等6 个侵入体，各侵入单元之间均呈脉动接触关系，时代为455～420 Ma （Wang et al.，2014）。

图1 阿尔金造山带地质构造图（a）（据Liu et al.，2002 修改）和研究区地质简图（b）（据原西安地质矿产研究所，2003 修改）Fig.1 (a) Tectonic map of the Alty Tagh and (b) sketch geological map of the study area

野外地质调查结果显示辉长岩主要呈小型岩株产出（图2a），出露面积约为6.08 km2。辉长岩侵入体为近椭圆形，与花岗闪长岩呈脉动接触关系，且在辉长岩中可见大量花岗闪长岩脉体。遥感影像特征显示辉长岩侵入体为墨绿色色调，树枝状、羽状影纹，影纹较粗糙，无植被覆盖，尖棱状山脊，树枝状水系，水系紧密，杂乱分布，发育V 形谷（图2b）。

2 岩相学特征

野外露头显示，辉长岩呈灰黑色，块状构造（图2c）。显微岩相学观察结果表明，其主要由角闪石（50%～53%）、斜长石（28%～32%）、黑云母（10%～13%）和铁质矿物（3%～5%），以及少量磷灰石、锆石和榍石等副矿物组成（图2d）。角闪石多呈半自形柱状—他形粒状，粒径大小为0.2～2.5 mm，浅黄—黄绿/绿色多色性，干涉色多为一级黄至橙黄或受颜色的干扰而呈黄绿色，部分颗粒可见典型的角闪石式解理或简单接触双晶。斜长石呈半自形柱状-他形粒状，粒径为0.2～1.4 mm，表面浑浊多发生较强烈的黏土化和绢云母化，部分蚀变较弱颗粒可观察到聚片双晶或卡钠复合双晶，部分包含或边缘嵌入黑云母或角闪石呈包含嵌晶结构。黑云母呈半自形板片状-他形片状，粒径大小为0.1～2.7 mm，呈浅黄—黄褐色多色性显著，可见一组极完全解理，干涉色多受本身颜色影响而呈黄褐色，部分颗粒局部绿泥石化或绿帘石化。铁质矿物呈半自形-他形粒状，浸染状分布。

3 分析方法

3.1 锆石U—Pb 同位素分析方法

晚奥陶世辉长岩年代学样品（约12 kg）的锆石挑选工作在核工业二〇三研究所完成，制靶和抛光后，在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成反射光、透射光和阴极发光显微照相工作，锆石的CL 图像分析在装有英国Gatan 公司生产的Mono CL3+阴极发光装置系统的电子显微扫描电镜上进行。通过对反射光、透射光和阴极发光图像分析，选择吸收程度均匀和形态明显不同的区域进行分析。

锆石U—Pb 定年和微量元素分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。分析仪器为美国Agilent 公司生产的Agilent7500a 型四极杆质谱仪和德国Microlas 公司生产的Geolas200M 型激光剥蚀系统。每个分析点的气体背景采集时间为30 s，信号采集时间为40 s，每完成5 个待测样品测定，插入标准锆石91500 两次，元素含量采用美国国家标准物质局人工合成硅酸盐玻璃NISTSRM610 作为外标，29Si 作为内标元素进行校正。数据采集处理采用GLITTER，年龄计算及谐和图绘制采用ISOPLOT（3.0 版）软件完成。详细的实验原理和流程及仪器参见文献（Yuan et al.，2003）。

3.2 全岩地球化学分析方法

全岩地球化学分析工作在核工业二〇三研究所分析测试中心完成。FeO 采用容量法分析，依据标准GB/T14506.14—2010。其他常量元素和微量元素中P、Ba、V、Cr、Rb、Sr、Zr、Sc 均采用XRF 法分析，依据标准GB/T14506.28—2010。所有稀土元素及微量元素中Co、Ni、Nb、Hf、Ta、Th、U 采用ICP—MS 法分析，依据标准GB/T14506.30—2010。TFe2O3则通过公 式TFe2O3＝Fe2O3＋FeO×1.111 3 计 算 获 得。主 量 元 素、微量元素和稀土元素分别在Axios 型X 射线光谱仪和XSERIESⅡ型ICP—MS 仪器上完成，其中常量元素分析误差小于1%，微量元素和稀土元素分析精度优于5%。

4 年代学分析结果

本次研究的辉长岩锆石CL 图像显示其颗粒晶形多为柱状，粒径多为60 µm×100 µm～80 µm×200 µm，少数为浑圆状。根据CL 图像特征（图3），锆石均具有典型的岩浆震荡环带结构，但部分颗粒的环带结构较宽，可能与其结晶时高温度导致微量元素扩散速度过快有关，此外，少量颗粒内部较为复杂，且可见继承核和较窄的变质边。选取了辉长岩样品中20 个锆石颗粒进行了U—Pb 定年，年代学结果见表1。

图3 阿尔金造山带南缘晚奥陶纪辉长岩CL 图像及和U-Pb 年龄值图Fig.3 CL images and U—Pb ages of the late Ordovician gabbro in the South Altyn orogeny

辉长岩样品的20 个颗粒锆石分析结果表明，其Th/U 值为0.11～1.57，结合其振荡环带结构特征，显示锆石属于典型的岩浆成因（吴元保等，2004）。其中#1号点206Pb/238U 年龄值为505 Ma，推测其很可能为继承性锆石，这也与锆石CL 图像结果一致（图3）；#16 号点206Pb/238U 年龄值为388 Ma，表明该锆石颗粒可能遭受了晚期热事件的影响。剩余18 个分析点均落在谐和线上及其附近，206Pb/238U 加权平均年龄为（448.1±3.3）Ma（MSWD=0.1）（图4），代表该辉长岩侵入体的形成年龄。

图4 阿尔金造山带南缘晚奥陶纪辉长岩锆石U-Pb 谐和图Fig.4 Concordia diagram of the late Ordovician gabbro in the South Altyn orogeny

5 全岩地球化学特征

辉长岩地球化学分析结果显示（表2），SiO2含量为42.40%～44.21%；MgO 含量为7.70%～8.29%，Mg#值为51.91～52.77。Na2O 和K2O 含量分别为2.02%～2.23%和1.38%～1.57%，具有富Na、贫K 的特点，全碱含量为3.56%～3.66%，在TAS 图解中，样品落入辉长岩范围，属碱性系列（图5a），与里特曼指数（11～33）结 果 一 致。辉 长 岩 碱 度 率（AR）为1.33～1.44，在SiO2—AR图解中也落入碱性岩区域（图5b）。辉长岩Al2O3和TiO2含量分别为15.72%～15.88%和2.69%～2.88%，CaO 含量为9.04%～9.81%。主量元素显示该辉长岩总体为一套钠质碱性系列。

表2 阿尔金造山带南缘晚奥陶纪碱性辉长岩样品主量元素（%）和微量元素（10—6） 地球化学分析结果表Tab.2 Major (%) and trace (10—6) elements geochemical data of the late Ordovician alkaline gabbro in the South Altyn orogenic belt

图5 阿尔金造山带南缘晚奥陶纪辉长岩TAS 图解（a）（Middlemost，1994）和SiO2-AR 图解（b）Fig.5 (a) TAS diagram and (b) SiO2—AR diagram for the late Ordovician gabbro samples in the South Altyn orogeny

阿尔金造山带南缘玉苏普地区碱性辉长岩的稀土含量中等，∑REE 值为161.77×10—6～164.31×10—6，轻、重稀土含量分别为111.17×10—6～117.67×10—6和18.26×10—6～19.30×10—6。在球粒陨石标准化稀土元素配分图中（图6），表现轻稀土富集，重稀土亏损特征，（La/Yb）N值为6.21～7.13，指示轻重稀土分馏程度一般。此外，（La/Sm）N和（Gd/Yb）N值分别为1.59～1.90 和2.44～2.53，表明重稀土分馏程度较轻稀土高。稀土元素配分图中，辉长岩样品的δEu 和δCe 不明显。玉苏普地区碱性辉长岩在微量元素原始地幔标准蛛网图中表现出一致的分布特征（图6），样品整体富集大离子亲石元素，如Cs、Pb 和Sr 等，而Zr、Hf 等高场强元素和La、P 等元素明显亏损。

图6 阿尔金造山带南缘晚奥陶纪碱性辉长岩稀土元素配分图（a）与微量元素蛛网图（b）Fig.6 (a) Chondrite—normalized REE distribution diagram and (b) primitive mantle—normalized trace element diagram of the late Ordovician gabbro in the South Altyn orogen

6 讨论

6.1 阿尔金造山带南缘晚奥陶纪碱性岩浆事件

阿尔金造山带南缘广泛出露古生代岩浆作用，这类岩浆岩多为高K 钙碱性花岗质岩石系列，且呈现出多期次特征，如刘良等（2015）综合前人研究认为该造 山 带 存在517 Ma，501～496 Ma，462～451 Ma 和426～385 Ma 4 次岩浆作用（刘良等，2015），并提出南阿尔金构造背景在～450 Ma 处于俯冲碰撞向伸展抬升转换的阶段。近年来越来越多的研究表明，阿尔金南缘也发育少量的基性—超基性岩，如长沙沟和清水泉地区（马中平等，2009，2011；董洪凯等，2014）。此外，曾忠诚等（2022）在该研究区发现了早古生代（～445 Ma）的赞岐质闪长岩。总的来说，阿尔金造山带南缘鲜见早古生代碱性岩浆事件的报导（曾忠诚等，2022）。

笔者对南阿尔金造山带玉苏普地区碱性辉长岩进行的LA—ICP—MS 锆石U—Pb 定年结果显示，该辉长岩的形成时代为448 Ma，这一数据记录了造山带南缘晚奥陶纪碱性岩浆事件的发生。此外，该碱质基性岩浆侵位时代与研究区的赞岐质闪长岩形成时间一致（曾忠诚等，2022），也与区内古生代最为强烈的一期花岗质岩浆活动相当，暗示它们应形成于相似的构造背景。结合北阿尔金出露的同时代S 型花岗岩和埃达克质岩石（吴才来等，2005；Wu et al.，2009；Yu et al.，2018），表明早古生代最强烈的一期岩浆活动贯穿了整个阿尔金造山带。

6.2 岩石成因和源区性质

阿尔金造山带南缘玉苏普地区的碱性辉长岩具有高的Mg 含量（MgO=7.70%～8.28%）和铁含量（Fe2O3=7.95%～8.23%），Mg#值为51.91～52.77，表明母岩浆在演化过程中分离结晶的作用较弱。在MgO 与不相容元素比值图解中（图7），随着MgO 含量的升高，Th/Nb 和La/Nb 值增大而Th/Ta 值则减小，进一步证明了研究区碱性辉长岩形成过程中弱的分离结晶作用，同时也显示该岩石形成过程中遭受了一定程度的地壳混染作用（庄玉军等，2023）。在微量元素蛛网图中，高场强元素Th 和Nb 含量变化较大，然而在MgO—Th/Nb 哈克图解中（图7c），两者却显示较好的正相关关系，推测这很可能是地壳混染作用导致。除此之外，辉长岩样品整体上富集大离子亲石元素，如Pb、Sr 等，而亏损Zr、Hf 等高场强元素和La、P 等元素，因此讨论其岩石成因和源区性质时，可以考虑上述微量元素和稀土元素，但应尽量排除Th 和Nb 元素的影响。

图7 南阿尔金造山带奥陶纪辉长岩MgO-Th/Ta 图解（a）、Th/Nb 图解（b）和Ta/Nb 图解（c）Fig.7 (a) MgO-Th/Ta, (b) Th/Nb and (c) Ta/Nb diagrams of the late Ordovician gabbro in the South Altyn orogen

玉苏普地区碱性辉长岩的主量元素数据显示其为钠质碱性辉长岩系列，这类岩石通常起源于富集地幔源区（张学诚，1995），这些异常地幔源的形成很可能与特殊的地幔深部动力学过程或地幔流体交代作用相关，而超深大断裂作为岩浆上升的通道，是钠质地幔富碱岩系形成的重要条件（张学诚，1995；郑海飞等，1996；Marty et al.，2003）。研究区辉长岩微量元素整体富集Rb、Cs、Pb 和Sr 等大离子亲石元素而亏损Hf、Zr 等高场强元素（图6），表明该源区岩浆性质与俯冲板片脱水交代上覆地幔楔发生部分熔融作用有关，并且辉长岩的Zr/Hf 值为37.21～39.04（平均值为38.01），明显高于大陆地壳相应的比值（33）（Taylor et al.，1985）。这些证据表明，玉苏普地区碱性辉长岩很可能起源于富集地幔源区，但该源区在部分熔融之前遭受大洋俯冲板片俯冲熔/流体的交代作用，在形成后的侵位过程中，阿尔金南缘主断裂为其提供了上升就位通道。

研究区碱性辉长岩在形成过程中，遭受一定程度的地壳混染作用。地壳物质是在地幔源区遭受板片俯冲熔/流体作用交代时带入的大洋沉积物还是后期侵位过程中的陆壳物质，这一问题的解决还需要进一步研究。曾忠诚等（2022）在研究区报道了～445.5 Ma 的赞岐质闪长岩，并提出该闪长岩在形成过程中遭受了俯冲沉积物溶体的富集交代作用（曾忠诚等，2022）。然而，与该赞岐质闪长岩相比，文中的碱性辉长岩微量元素分布特征与其不同且关键比值也差别较大。La/Nb 和La/Ba 值是探讨岩石是否遭受地壳混染的有效手段之一（夏林圻等，2016），碱性辉长岩的分析样品具有高的La/Nb 和较低的La/Ba 值，且随着MgO 含量的升高，Th/Nb 和La/Nb 值增大而Th/Ta 值则减小（图7），加上～505 Ma 的继承性锆石特征（图3）。笔者认为碱性辉长岩很可能在上升侵位过程中遭受了一定程度的地壳混染作用。

6.3 构造环境和大地构造意义

俯冲带构造背景下由于俯冲板片脱水交代上覆地幔楔发生部分熔融作用而引起的岩浆性质，由于在富水环境中，更易使得形成的岩石富集大离子亲石元素（富含于造岩矿物）而亏损高场强元素（残留在源区）。玉苏普地区辉长岩样品的地球化学数据表现出相似特征，富集Rb、Cs、Pb 和Sr 等大离子亲石元素而亏损Hf、Zr 等高场强元素（图8），表明该辉长岩可能形成于俯冲—碰撞构造环境或在形成过程中其岩浆源区遭受了俯冲板片流体的交代作用。在构造环境判别图解中（图8），研究区碱性辉长岩样品整体落入大陆裂谷环境，因此排除其形成于俯冲—碰撞背景。结合研究区最新报道的～450 Ma 赞岐质闪长岩以及北阿尔金地区获得的同时代S 型花岗岩和埃达克质岩花岗岩（吴才来等，2005；Wu et al.，2009；Yu et al.，2018；曾忠诚等，2022），笔者推测研究区该时期应处于后碰撞环境的构造演化阶段。

越来越多的幔源岩浆事件的报道，表明其在阿尔金造山带应属于一期区域性构造热事件（刘良等，2015）。例如，南阿尔金造山带长沙沟中段记录的464～445 Ma 辉长岩（马中平等，2009，2011；董洪凯等，2014）；南阿尔金造山带出露的～450 Ma 辉长岩和赞岐质闪长岩（康磊等，2015；曾忠诚等，2022）。这一区域性幔源岩浆事件很可能与本研究中碱性辉长岩的成因机制存在密切关系，因为碰撞构造环境中大洋俯冲板片的断离容易诱发地幔楔减压熔融形成幔源岩浆（刘良等，2015）。随着俯冲—碰撞作用的持续，在后碰撞构造背景下，板片流体交代富碱地幔源区形成的富碱岩浆沿阿尔金主断裂上升侵位，并在侵位过程中捕获了～500 Ma 形成的锆石。

7 结论

（1）全岩地球化学分析结果显示，南阿尔金辉长岩富Na、贫K，属于典型的富Na 碱质辉长岩系列。

（2）碱性辉长岩的锆石U—Pb 年代学结果显示其形成时代为（448.1±3.3）Ma，与南阿尔金造山带俯冲碰撞向伸展抬升转换阶段而引起的区域岩浆侵入事件发生的时间一致。

（3）碱性辉长岩整体上富集大离子亲石元素且亏损高场强元素，结合区域研究成果，推测该辉长岩应形成于后碰撞构造环境下富碱岩浆沿阿尔金主断裂主断裂上升侵位过程。