新疆蕴都卡拉A型碱性花岗岩岩石地球化学特征及其构造意义∗

2019-01-25张海军朱伯鹏吴晓贵

中山大学学报(自然科学版)(中英文) 2019年1期

张海军，朱伯鹏 , 吴晓贵

(1. 中国科学院大学，北京 10049；2. 中国科学院广州地球化学研究所∥中国科学院矿物学与成矿学重点实验室，广东广州 501640；3. 中国地质调查局武汉地质调查中心，湖北武汉 430205；4. 新疆维吾尔自治区矿产实验研究所，新疆乌鲁木齐 830002；5. 新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第四地质大队，新疆阿勒泰 836500)

东准噶尔地区位于西伯利亚板块和哈萨克斯坦板块的结合带，是一个构造背景极为复杂、岩浆活动极其强烈的地区，是中亚造山带的重要组成部分。一般认为，东准噶尔地区在石炭纪经历了西伯利亚板块和哈萨克斯坦板块的碰撞后，到二叠纪一直处于后碰撞阶段，并且这时候的地壳以年轻地壳增生为特征。然而，对于年轻地壳的增生过程还不清楚。晚古生代不同时期该地区的地壳增生方式明显不同，而A型花岗岩成因研究对于探究该地区地壳增生机制具有重要启示；同时，A型花岗岩不仅是研究壳-幔相互作用，也是钼、锡和锆等矿化的母岩，它的岩石成因与伴生矿化的形成模式关系非常密切[1-3]。

东准噶尔地区分布有3条富碱花岗岩带，从北向南依次沿额尔齐斯-玛因鄂博断裂、乌伦古大断裂和卡拉麦里大断裂呈北西向展布。近年来，针对卡拉麦里地区与锡矿相关的碱性花岗岩带是研究的热点，对卡拉麦里地区侵入岩的深入研究积累了大量同位素年龄资料，为建立准噶尔地区构造格架和恢复岩浆演化事件提供了最有力的证据[4-6]；目前，随着准噶尔东北缘蕴都卡拉一带碱性花岗岩带内发现的多处锡矿化及稀有元素找矿线索，使得对于乌伦古碱性花岗岩带的成因及其成矿动力学意义研究显得尤为重要。本文讨论蕴都卡拉一带碱性花岗岩带形成机制和构造背景，旨在为探究准噶尔东北缘蕴都卡拉一带地区以及新疆北部的后碰撞构造演化、古生代地壳增生机制等提供新的约束，同时为该地区进一步寻找锡矿和稀有元素矿床提供一定的指导意义。

1 区域地质概况及岩石学特征

分布在新疆乌伦古河大断裂附近，沿北西向区域构造线断续分布着一条长达400 km富碱花岗岩带，空间上与深大断裂、蛇绿岩、碱性花岗岩和非碱性花岗岩紧密伴生。该富碱花岗岩带分布的大地构造位置属西伯利亚板块与哈萨克斯坦-准噶尔板块的衔接部位，是巨型中亚造山带的一部分，区内分布有泥盆系-石炭系火山岩-沉积岩(图1)。研究区位于该富碱花岗岩带西部、乌伦古河南侧的蕴都卡拉一带，侵入的最新地层是上泥盆统-下石炭统江孜尔库都克组。蕴都卡拉岩体出露面积约30 km2，岩性单一，以碱性花岗岩为主，多呈现为细粒-斑状结构(图2)。岩体岩相分带不明显，未见明显粒度分异。局部为石英正长岩、碱长正长岩、碱长花岗斑岩等。

蕴都卡拉碱性花岗岩呈灰白色、浅肉红色、为半自形粒状结构和块状构造。岩石矿物为钾长石和石英，含少量钠铁闪石、斜长石、霓辉石。钾长石体积含量φ=74%-75%，他形板状，粒径0.4-2.0 mm，条纹结构，为条纹长石，轻微泥化；石英φ=20%-25%，他形粒状，粒径0.4-1.0 mm，具波状消光；斜长石φ=0-3%，半自形粒状，粒径0.5-1 mm；霓辉石φ=0-3%，粒径0.5-2.4 mm之间，往往呈聚集分布；钠铁闪石少量，呈半自形柱状，粒径0.1-0.4 mm，呈深蓝绿—褐绿多色性。

2 样品及测试方法

样品均采自新鲜的岩石露头，具体采样位置见图1。岩石样品主、微量元素分析在中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所完成。主量元素测试在Rigaku 100e光谱仪上完成，采用X射线荧光光谱(XRF)方法进行分析，详见Li et a1[7]；微量元素采用MAT ELEMENT电感耦合等离子质谱仪进行测定，具体分析方法和仪器参数详见Qi et a1[8]，结果见表1。

3 结果

3.1 岩石地球化学特征

蕴都卡拉碱性花岗岩具有高硅(wV(SiO2)=72.40%-74.17%)、富碱(w(Na2O+K2O)=8.41%-10.40%)和富铝(w(Al2O3)=12.39%-14.10%)的特征，但CaO、MgO、TiO2和P2O5的含量较低。(w(CaO)=0.38%-0.70%，w(MgO)=0.10%-0.40%，w(TiO2)=0.20%-0.40%，w(P2O5)=0.03%-0.01%)；在SiO2-AR碱率图解中投影点均落在碱性岩区域内(图3)。铝饱和指数(ASI)A/CNK值为0.87-1.02(平均为0.94)，在A/NK-A/CNK图解中其投影点均落入过碱质靠近准铝质岩石的区域内。

蕴都卡拉碱性花岗岩稀土元素总量(w(∑REE)=185-321 μg/g，轻稀土元素(LREE)=159-289 μg/g(平均值为206 μg/g)，重稀土元素(HREE)=16.9-32.7 μg/g(平均值24.7 μg/g)，LREE/HREE为5.1-10.5(平均值8.6)，说明该花岗岩具有明显的轻重稀土分馏特征。岩石δEu值为0.19-0.26(平均值0.22)，表现为强负Eu异常，暗示岩浆在向上运移演化过程中可能经历了较强的斜长石的分离结晶作用或源区残留有斜长石。稀土元素配分模式图显示，岩石具有铕明显亏损的海鸥型稀土元素分布模式(图4-a)。

原始地幔标准化蛛网图显示上，蕴都卡拉碱性花岗岩高场强元素(HFS)Zr、Th、Y、Ce明显富集，而大离子亲石元素(LILE)Sr和Ba等则明显亏损(图4b)。

图1 蕴都卡拉一带地质简图(据刘家远等[4]；张建东等[14]修改)Fig.1 Geological sketch map of the Yundukala area(after Liu et a1[4];Zhang et a1 [14])

项目YP-1YP-2YP-3YP-4YP-5主量元素wB/%SiO272.4073.3073.6074.1773.28TiO20.400.300.200.270.29Al2O314.1013.3013.3012.3913.28Fe2O31.301.501.501.741.41FeO1.100.700.500.320.41MnO0.200.200.200.190.15MgO0.400.200.100.210.2CaO0.700.400.400.460.38Na2O4.414.544.615.165.18K2O4.004.704.104.554.9P2O50.100.100.100.030.03烧失量0.100.100.100.220.46总量100.0099.8099.9099.7199.97主量元素指数NK/A0.600.690.650.780.76A/CNK1.020.940.940.8690.915TFeO/MgO5.6710.2518.508.988.39Na2O+ K2O8.419.248.719.7110.08微量元素wB/(μg·g-1)Rb148.0088.80128.02135.00117.00Ba139.01170.02162.0037.10100.00Th17.608.125.0010.408.94Ta4.602.802.001.391.04Nb36.7031.8012.0021.6018.50Sr38.5030.8034.0012.7012.08Zr504.08615.10358.05596.06598.05Hf15.3118.6014.0013.8112.40Y51.8030.0631.9030.0625.10Ga23.0924.0025.0026.0025.00La64.70034.6050.2052.9044.80Ce137.0075.7087.0099.8071.00Pr16.309.2011.6012.3010.10Nd58.8032.7042.2042.8035.50Sm11.107.107.907.386.04Eu0.800.500.600.420.39Gd8.706.205.705.554.72Tb1.401.101.000.920.75Dy8.607.605.205.104.35Ho1.601.701.401.060.87Er5.205.503.203.442.80Tm0.800.900.800.490.39Yb5.607.103.903.392.70Lu0.801.100.800.540.41微量元素指数ΣREE321.00191.00222.00236.00185.00LREE289.00159.00199.00216.00168.00HREE32.7031.2022.3020.5016.900LREE/HREE8.835.128.9510.509.88LaN/YbN8.293.499.2311.1911.90δEu0.240.220.260.190.22

图2 蕴都卡拉碱性花岗岩岩石手标本和显微照片(Kfs-钾长石，Q-石英，Art-钠铁闪石，Agt-霓辉石)Fig.2 Photograph and photomicrograph of the alkali granite from the Yundukala area

3.2 岩石形成时代

蕴都卡拉碱性花岗岩类侵入早泥盆-晚石炭纪地层中，将其限定于早泥盆-晚石炭统之后。张建东等[14]对该碱性花岗岩岩进行 LA-ICP-MS 锆石 U-Pb 测年，获得锆石同位素年龄为(315.2±6.9)Ma，将该碱性花岗岩体时代定为晚石炭世。

刘家远等[4]通过锆石铀铅测年获得该地区萨尔铁列克霓石-钠铁闪石碱长花岗岩为(320±2)Ma，塞尔铁列克钠铁闪石碱性花岗斑岩为(314±2) Ma，塔斯嘎克正长花岗岩为323 Ma，属晚石炭世早期。王式洸等[15]采用全岩-矿物Rb-Sr等时线法测得萨尔铁列克、结尔德卡拉和塔斯嘎克正长花岗岩3个岩体的同位素年龄值，依次分别为(292±13)、(297±8)、(309±6)Ma，年龄值略小，但仍属晚石炭世。两种测年手段得出的测年结果不同可能是由于二者同位素体系具有不同的封闭温度所致。韩宝福等[16]对已发表的Rb-Sr全岩等时线年龄进行重新计算得到了(300±86) Ma的年龄值，并认为这个年龄值为该地区碱性花岗岩的侵位时代。

张建东等[14]对研究区西侧阿克也尔克阔依阔腊中细粒钠铁闪石正长花岗岩进行了SHRIMP 锆石U-Pb测年，获得206Pb/238U年龄(320.1±86.2)Ma，表明该岩体的侵位时代为晚石炭世早期。

综上所述，蕴都卡拉一带A型碱性花岗岩体均形成于晚石炭世。

图3 SiO2-AR碱率图解(据Wright J B[9])Fig.3 SiO2-AR diagram of the alkali granites in the Yundukala area(after Wright J B[9])

4 岩石成因及构造意义

4.1 岩石类型及成因

自从Loiselle and Wones[17]提出非造山、碱性、无水的A型花岗岩以来，该类型花岗岩的形成机制和地球动力学背景一直受到国内外地质学家的高度关注，但到目前为止，对A型花岗岩尚无统一的认识。近年来A型花岗岩的识别标志像埃达克岩一样越来越依赖于主元素、微量元素、同位素等地球化学数据[18-21]。

蕴都卡拉碱性花岗岩的矿物组合以钾(条纹)长石、石英为主，含有少量碱性暗色矿物(钠铁闪石和霓辉石)(图2)，其中霓辉石及钠铁闪石呈他形充填于长英质矿物间隙中，有时也可见钠铁闪石插入长英质矿物斑晶中，或呈针状，毛发状散布。岩石特有的碱性暗色矿物表明了该地区花岗岩为典型碱性A型花岗岩。

对于高硅(w(SiO2)>72%)的花岗岩用TFeO/MgO-SiO2图解可以有效区分A型与I、S型花岗岩[18-21]，蕴都卡拉一带碱性花岗岩岩石样品在TFeO/MgO-SiO2图解中均落入A型花岗岩区域内(图5)。

图4 蕴都卡拉碱性花岗岩(a)稀土元素球粒陨石标准化值 [10-12]和(b)微量元素原始地幔标准化值 [13])Fig.4 (a) Chondrite-normalized REE patterns chondrite-normalized data after Rickwood[10]，Maniar&Piccoli[11]，Boynton[12]) and (b) primitive mantle-normalized trace element spider diagrams primitive mantle-normalized data after reference Sun et al. [13]) of the alkali granites in the Yundukala area

图5 TFeO/MgO-SiO2图(据Eby[19])Fig.5 TFeO/MgO-SiO2 diagram(after Eby[19])

当A型花岗岩的SiO2含量大于72.0%时，它与高度分异的I型花岗岩之间有许多相似之处，因此需要进一步将它们区分开来[19,21]：① 一般来讲，高分异I型花岗岩的TFeO含量较低(<1.00%)，而蕴都卡拉碱性花岗岩的TFeO含量为1.67%-2.30%，均>1.00%，且TFeO/MgO比值较高(5.60-18.50)，平均为10.40，远高于一般高分异I型(平均值2.27)、S型(平均值2.38)、M 型(平均值2.37)花岗岩[21]，而与世界A型花岗岩平均值(13.40)[22]相近。在主量元素判别图(图3)中蕴都卡拉碱性花岗岩的投影点均落入碱性岩区。②蕴都卡拉碱性花岗岩的各氧化物含量及平均值与世界A型花岗岩平均值最为接近，与澳大利亚高分异的I型Ackley岩体、S型Scandy Cape岩体[19]之间存在较大差异。③高温岩浆浅成就位是A型花岗岩的主要特征之一，是高硅A型花岗岩与高分异I型花岗岩的主要区别之一[19,21]。蕴都卡拉碱性花岗岩贫钙和镁，但Fe2O3含量总体偏高，且Fe2O3/FeO>1，反映A型花岗岩形成于相对氧化的介质环境，这可能与其定位较浅有关。④岩石的微量元素Ga、Rb、Ba、Sr、Zr、Y等含量范围及平均值与Whalen et al[18]的A型花岗岩相似。Ga丰度较高(23.02-26.00 μg/g，平均值23.80 μg/g)，符合中国、世界典型A型花岗岩的平均值(18.54-24.60 μg/g)，且具有较高的10000×Ga/Al值(5.40-7.00)，均大于A型花岗岩的下限值(2.60)，明显高于I型和S型花岗岩的平均值(分别为2.10和2.28)[18]；HFSE元素含量高，元素组合Zr+Nb+Ce+Y=489.04-759.34 μg/g，平均为686.00 μg/g，远高于A 型花岗岩下限值(350.23 μg/g)[18]；在原始地幔标准化蛛网图(图3b)上，表现为Rb、Th、La、Ce、Nd、Hf、Zr和Sm富集，而Ba、Sr强烈亏损，表明它是典型的A型花岗岩；Rb含量88.01-147.00 μg/g，平均为123.01 μg/g(<270 μg/g)，说明不是由高硅I型花岗岩分异形成[23]。蕴都卡拉碱性花岗岩的稀土总量较高，为184.00-321.00 μg/g(平均为231.00 μg/g)，远高于I型花岗岩(114.71 μg/g)和S型花岗岩(173.14 μg/g)∑REE值[22]，也明显高于区域上广泛出露的同时代略早的I型黑云花岗岩(52.73-132.58 μg/g)[23]。岩石的稀土配分曲线呈轻稀土富集且缓向右倾斜、重稀土平坦、铕强亏损的海鸥型，且微量元素蛛网图上出现Ba、Sr和Ti负异常，也与A型花岗岩特征相符，与东准噶尔贝勒库都克和苏吉泉A型花岗岩极为相似[5]。

在Zr-10 000×Ga/Al、Ce-10 000×Ga/Al、Nb-10 000×Ga/Al、Y-10 000×Ga/Al、NKA-10 000×Ga/Al、TFeO/MgO-(Zr+Nb+Ce+Y)图解中[18-19]，蕴都卡拉碱性花岗岩不仅与一般的I、S型花岗岩有明显差别，而且与分异作用完全的I、S型长英质花岗岩也能很好地区别开来(图6)。因而，蕴都卡拉碱性花岗岩的主量元素和微量元素均显示了A型花岗岩的典型特征。

关于A型花岗岩的成因，前人已进行了广泛的讨论，主要包含4种模式：幔源岩浆直接分离结晶；大陆地壳的部分熔融； AFC过程，即地壳混染和分离结晶；玄武质岩浆底侵下地壳，与地壳岩浆混合[18,20,22]。

首先，蕴都卡拉碱性花岗岩具有非常高的SiO2(>67.0%)和较低的MgO(<0.4%)含量，暗示不可能是地幔岩浆直接熔融而来。因为，地幔岩浆直接熔融只能形成中-基性岩浆[22]。如果花岗岩是通过中-基性岩浆分离结晶形成，则需要大量的中-基性岩浆，但准噶尔东北缘除了喀拉通克基性岩以外，缺乏大量的同期中-基性岩体。此外，碱性花岗岩中Ba、Sr、P、Eu、Ti具有明显的负异常，说明岩浆早期经历了一定程度的黑云母和长石等的分离结晶，并不是幔源岩浆直接分离结晶形成的。另一方面，蕴都卡拉碱性花岗岩富集Zr和Hf的特征说明存在地壳物质的加入[23-24]，但该岩石并没有明显Nb和Ta的亏损，且Nb还显示出一定程度的富集，表明该岩石不可能是单一长英质大陆地壳或先存弧物质(具有Nb、Ta负异常)部分熔融的产物[25]。根据实验岩石学研究[26]，这种富Nb的特征暗示其源区极可能有下地壳铁镁质物质的加入。张海祥等[27]研究表明蕴都卡拉碱性花岗岩显示出岛弧玄武岩的特征，这在一程度表明源区的铁镁质下地壳可能是古亚洲洋俯冲所形成的富Nb玄武岩。

刘家远[4]对乌伦古碱性花岗岩所做的钾长石铅同位素测试结果表明，碱性花岗岩的形成与岛弧环境有密切关系，而成岩物质显示多源特征的同时，还突显了深部成岩物质的特点。

综上所述，本文推断蕴都卡拉碱性花岗岩成因比较复杂，具有复合成因特征。它可能是幔源岩浆底侵到下地壳，促使下地壳先存的俯冲洋壳或富Nb玄武岩部分熔融，并发生壳幔岩浆混合形成A型花岗岩岩浆，岩浆经过一定程度的分离结晶而形成。

4.2 成岩构造意义

研究表明，花岗岩类的矿物学特征、地球化学组成(尤其是微量元素特征)可以提供有关构造环境方面的信息。蕴都卡拉碱性花岗岩在微量元素构造环境判别图解中均落在了火山弧花岗岩与板内花岗岩接触部位的后碰撞花岗岩区域(图7a)。在R1-R2图解上，蕴都卡拉碱性花岗岩的投影点位于非造山区和造山期后A型花岗岩区域(图7b)，且靠近造山晚期花岗岩的区域，进一步反映准噶尔东北缘碱性花岗岩由造山晚期，即向后碰撞环境演化到后造山期和非造山期。

A型花岗岩受控于张性构造背景已得到广泛共识，从构造环境上可划分为：代表非造山板内环境的AA或A1型花岗岩和代表造山后构造环境的PA或A2型花岗岩，它们具有不同的物质来源并分别对应于不同的大地构造环境，其中，AA或A1型来源于似大洋岛屿玄武岩，但受大陆裂谷或板内构造活动的制约，是裂谷活动开始的征兆；PA或A2型花岗岩浆则直接起源于经历了陆-陆碰撞或岛弧岩浆作用的陆壳或板下地壳，其规模和深度均较小，是造山作用结束的标志[19]。在Nb-Y-Ce判别图(图8)上，蕴都卡拉碱性花岗岩样品主体落入A2或PA区，为造山后构造环境，暗示其形成侵位时该地区造山作用已结束。

一直以来，多位学者对乌伦古流域岩体进行了系统的地球化学研究，认为属典型的A型碱性花岗岩[4,30-31]，具深源特征[4,32]；由其Nd和Pb同位素特征表明，在距今300 Ma左右的时期，揭示准噶尔周边地区有过一次重要的地壳生长阶段[6]，是本区海西期造山运动结束拉张构造环境的标志[33-34]，并结合其周边所零星出露的碱性花岗岩体标志着造山带区域热异常基本消失，地壳物质性质基本稳定，化学成分已经最大程度地硅铝化[35]。本次研究工作表明乌伦古流域-蕴都卡拉碱性花岗岩形成于晚石炭世碰撞造山之后的拉张构造环境，岩浆的形成过程反映了年轻地壳的增生过程。此外，东准噶尔北缘存在与碱性花岗岩同期的少量(高钾)钙碱性花岗岩类，研究表明其多是后碰撞环境的岩浆活动产物[27,36-37]，这也进一步证实了准噶尔东北缘晚古生代后碰撞构造背景下区内地壳的垂向增生作用；同时，也代表了准噶尔东北缘造山作用的结束。

图6 蕴都卡拉A型花岗岩岩石成因类型判别图(据Whalen et a1.[18])Fig.6 Classification diagrams of the A-type granites in the northern margin of Yundukala(after Whalen et a1.[18])FG: fractionated felsic granite;OGT: unfractionated M-I-S granite

图7 蕴都卡拉A型花岗岩构造环境判别图(据Pearce[28])Fig.7 Discrimination diagrams of tectonic settings for the A-type granites in the northern margin of Yundukala (after Pearce[28])(a) Syn-COLG-同碰撞花岗岩；WPG-板内花岗岩；VAG-火山弧花岗岩；ORG-洋中脊花岗岩；post-COLG-后碰撞花岗岩；(b) ①地幔斜长花岗岩；②破坏性活动板块边缘(板块碰撞前)花岗岩；③板块碰撞后隆起期花岗岩；④晚造山期花岗岩；⑤非造山区A型花岗岩；⑥同碰撞(S型)花岗岩；⑦造山期后A型花岗岩

图8 Nb-Y-Ce和Nb-Y-3Ga判别图(据Eby [29])Fig.8 Nb-Y-Ce and Nb-Y-3Ga discrimination diagrams(after Eby [29])A1-大陆裂谷或在板内A型花岗岩；A2-陆陆碰撞或岛弧A型花岗岩

然而，区域上乌伦古河流域大面积出露晚石炭世火山岩均形成于板内环境，与这个地区后碰撞花岗岩的时代相近，即两者形成于相似的构造背景下。同时，这套火山岩与区域上同期火山岩也具有相似性，是晚石炭世伸展拉张构造背景的响应和记录，反映了准噶尔北部地区伸展构造背景，这对研究本地区的大地构造格局具有重要的意义。

因此，从构造意义上讲，蕴都卡拉一带碱性花岗岩的形成代表了准噶尔东北缘造山作用的结束。据肖序常等[38]研究认为，早泥盆世哈萨克斯坦-准噶尔板块向北东西伯利亚板块下俯冲；中泥盆世末至晚泥盆世哈萨克斯坦-准噶尔板块和西伯利亚板块在洋壳的剧烈俯冲作用下，局部对接，挤压隆起，古亚州洋残余洋盆消减；早石炭世末期，板块剧烈碰撞挤压，洋盆彻底消失，哈萨克斯坦-准噶尔板块与西伯利亚板块全面对接，且西伯利亚板块向哈萨克斯坦-准噶尔板块之上逆冲推覆。新疆准噶尔东北缘由于两大板块碰撞后地壳的挤压隆起产生巨大热量，在中石炭世产生了大量华力西中晚期以I型(加里东I型)花岗岩为主的酸性岩浆的侵入；随后在中-晚石炭世受板块碰撞后反弹作用的影响，该地区开始向南扩张，形成拉张构造环境，从而导致了石炭纪中晚期以A型花岗岩为主的超酸富碱性花岗岩浆的侵入，蕴都卡拉一带碱性花岗岩就是在这一时期和构造背景下形成和发育的。