西昆仑苏纳克早古生代花岗岩锆石U-Pb年龄、地球化学特征及其地质意义

2020-08-01陈贵民刘俊辰王义天胡乔青黄诗康孙政浩尼加提阿布都逊孔德懿刘景峰

地球科学与环境学报 2020年4期

陈贵民，刘俊辰，王义天，胡乔青，黄诗康，孙政浩，尼加提·阿布都逊，孔德懿，刘景峰

(1. 新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第六地质大队，新疆哈密 839000； 2. 中国地质科学院矿产资源研究所自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037； 3. 中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院，北京 100083； 4. 新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐 830046；5. 新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第十地质大队，新疆和田 848000)

0 引言

西昆仑造山带横亘于塔里木盆地西南缘与青藏高原西北缘之间，隶属于中国大陆中央造山带的最西端[1]，整体呈NW—SE向巨型反“S”展布。西昆仑造山带与原特提斯洋的闭合及随后的碰撞造山密切相关，历经了漫长而复杂的构造演化历史，全面记录了洋-陆转换过程中的重要地史信息[1-9]。其地层主体自早古生代被卷入造山运动，至中生代又受到强烈的构造抬升和剥蚀，浅层次沉积建造的保存极为有限，加之恶劣的自然地理环境，西昆仑目前仍是中国地质研究程度最低的造山带之一，对于板块构造单元划分、构造演化时限及动力学过程等重要科学问题仍存在分歧[1,3,7-16]，严重制约了对区域构造演化的认识。

岩浆岩是造山带中极其重要的物质组成部分，也是重建造山带演化历史的重要依据[17-19]。西昆仑造山带岩浆岩分布极广，岩浆活动频繁，镁铁质-长英质岩浆岩均非常发育，为造山带的研究提供了有利条件。西昆仑造山带岩浆岩主要分布于奥依塔格—库地—其曼于特断裂以南，形成了上千千米的巨型岩浆岩带[7,9,15-16,20-26]。按其侵入时代和分布，可大致划分为晚中元古代—早古生代北部岩浆岩带和晚古生代—早中生代南部岩浆岩带[9]。晚中元古代—早古生代岩浆岩被认为与原特提斯洋的消减闭合有关，对反演区域构造演化过程的重要意义不言而喻，而与之不相匹配的则是薄弱的地质研究现状。大同岩体作为西昆仑造山带早古生代规模最大、研究程度最高的岩体之一，其成因和形成时代尚未获得统一认识[27-32]。而奥依塔格—库地—其曼于特断裂以北的岩浆岩报道更是少有，依托2003～2005年开展的1∶250 000区域地质调查项目，部分早古生代岩浆岩在断裂北侧被识别并进行了年代学研究[21,33-35]，但其中一些岩体所测锆石仅为1、2粒[21,33]，其年龄可靠性尚待认证；同时，缺乏对这些岩体的地球化学、岩石成因及地质意义的研究探讨。

西昆仑早古生代岩浆岩成因研究的匮乏以及认识分歧制约了对区域构造演化的全面认识。苏纳克花岗岩产于西昆仑的库尔良裂谷带中，该裂谷带是西昆仑造山带与塔里木板块南缘相接的过渡区域，是认识和理解西昆仑造山带显生宙构造演化的重要构造单元。本文通过开展苏纳克花岗岩体的野外地质调查、锆石U-Pb年代学及地球化学的系统研究，并结合前人研究成果，以期阐明其成岩时代、岩石成因及形成的构造环境，为进一步探讨西昆仑早古生代岩浆活动和构造演化过程提供新的证据。

1 区域地质背景

F1为柯岗断裂；F2为库尔良断裂；图件引自文献[39]，有所修改图1 西昆仑库尔良裂谷带地质简图Fig.1 Geological Sketch Map of Kuerliang Rift Zone in West Kunlun

西昆仑造山带是中国大陆中央造山带重要组成部分[1，36]，由性质截然不同的两大地质构造单元组成。其北部为隶属华北板块组成部分的塔里木板块，南部为隶属扬子板块组成部分的羌塘板块[37-38]，总体上呈NW向展布，为向南突出的巨大弧形造山带(图1)。西昆仑造山带自新太古代以来经历了长期复杂的地质演化历史，包括前寒武纪的古陆形成、解体与拼合，古生代至中生代的洋陆形成、俯冲、碰撞，以及新生代喜马拉雅构造叠加等多期次构造演化过程[1-8]。综合前人对西昆仑造山带东段构造单元划分，从北向南依次为北昆仑地体、南昆仑地体、甜水海地体和喀喇昆仑地体[15-16]。

研究区所处的库尔良裂谷带隶属于北昆仑地体，位于铁克里克隆起带南侧，其北以柯岗断裂为界，南侧以库尔良—托满断裂为界(图1)，是奥依塔格—恰尔隆晚古生代陆缘裂谷的东南延伸部分[8]。库尔良裂谷带构造演化复杂，历经前震旦纪基底演化、奥陶纪古特提斯洋俯冲消减、泥盆纪—早二叠世伸展扩张及晚二叠世—三叠纪逐步闭合等演化过程[7-8]。早古生代的板块构造演化奠定了该区NWW向的构造格架，以一系列叠瓦状逆冲断层和挤压褶皱为主要构造表现形式(图1)。晚中生代的板内演化阶段形成了一系列NE或EW向走滑断层及压扭性韧性剪切带[21]。柯岗断裂是历经上述区域构造体制转变的典型代表，地质和遥感解析证明其在中生代前为逆冲推覆构造，中生代后发生脆韧性剪切变形，形成一系列韧性剪切带[40]。

研究区内出露地层主要为下石炭统他龙群(C1t)和中—上石炭统库尔良群(C2-3k)，分布于库尔良裂谷带内，其次为少量的古元古界埃连卡特岩群(Pt1a)、长城系赛拉加兹塔格岩群(Chs)、蓟县系桑株塔格岩群(Jxs)和寒武系—奥陶系西合休岩组((∈—O)x)[21,34](图1)，前寒武纪基底主要为绿片岩相变质岩[21]。下石炭统他龙群为一套海相细碎屑岩夹少量灰绿色碳质粉砂岩、泥质粉砂岩，含辉石岩、辉绿岩及大量玄武岩透镜体[21]。中—上石炭统库尔良群由浅变质的滨浅海相碎屑岩、碳酸盐岩夹双峰式火山岩组成，主要岩性有灰色、深灰色和少量灰绿色砾岩、长石石英砂岩、粉砂岩、碳质粉砂岩、千枚岩和灰岩，以及辉长岩、辉绿岩、大量玄武岩和火山碎屑岩[21]。区内地层破碎，岩石强烈片理化，普遍经受了中低温动力热变质作用，沿走向自西向东变质程度逐渐加深。

研究区内岩浆岩发育，主要沿断裂分布。其中以早古生代岩浆活动最为强烈，从规模上来看，岩性以中酸性岩浆岩为主(图1)，岩石类型有寒武纪角闪闪长岩(年龄为(506.8±1.2)Ma)、片麻状英云闪长岩((502.3±9.1)Ma)、似斑状花岗闪长岩((500.2±1.2)Ma)，奥陶纪石英二长岩((467.8±3.2)Ma)、二长花岗岩((466.1±1.0)Ma)，以及志留纪花岗闪长岩((429.6±1.4)Ma)[21,26,33-35]，均为早古生代岩浆-构造作用的产物。其中，寒武纪岩浆活动被认为与裂解期裂谷-小洋盆的形成有关[34]，而奥陶纪—志留纪岩浆活动则记录了板块的碰撞挤压-伸展过程[21,26]。此外，研究区内还发育有数条基性岩脉，其中部分发现有黄铜矿化，具有一定的成矿潜力[39]。

2 样品特征及分析方法

研究对象黑云母二长花岗岩位于库尔良裂谷带东段，苏纳克西南约4 km河沟附近[图2(a)]。岩体出露于库尔良群中，与地层呈不整合接触，整体呈NW向展布，长度超过700 m。岩体岩性为中粗粒黑云母二长花岗岩，其中发育一条宽约30 cm的花岗闪长岩脉，产状为130°∠69°[图2(b)]。黑云母二长花岗岩呈浅灰白—浅肉红色，具中粗粒等粒结构和块状构造。主要矿物组成为石英(体积分数为30%～35%)、斜长石(30%～35%)、钾长石(25%～30%)、黑云母(5%～10%)、白云母(<5%)；副矿物主要为锆石、榍石、磷灰石和磁铁矿等[图2(c)]。花岗闪长岩脉呈灰白色，具中粒结构和块状构造。主要矿物组成为斜长石(体积分数为40%～50%)、石英(20%～25%)、钾长石(10%～15%)、黑云母(10%)、角闪石(5%)；副矿物主要为锆石、榍石、磷灰石等[图2(d)]。

图2 苏纳克花岗岩野外地质特征和手标本照片Fig.2 Field Geological Characteristics and Hand Specimen Photographs of Sunake Granites

本次共采集了7件黑云母二长花岗岩样品(编号为TK-7～TK-13)和1件花岗闪长岩样品(编号为TK-5)进行测试分析，采样点的地理坐标为(36° 48′25″N，78° 39′18″E)(图1)。选取其中的花岗闪长岩样品(TK-5)和1件黑云母二长花岗岩样品(TK-7)进行锆石U-Pb年代学测试，其余6件黑云母二长花岗岩样品用于元素地球化学分析。

用于锆石U-Pb年代学测试的样品首先破碎，经重选和磁选后在双目镜下挑选出单颗粒锆石。将锆石颗粒固定于环氧树脂靶上，经研磨抛光后对锆石进行镜下透射光、反射光以及阴极发光(CL)图像分析。锆石制靶及阴极发光图像采集均在北京锆年领航科技有限公司的实验室完成。LA-ICP-MS锆石U-Pb定年测试在南京聚谱检测科技有限公司完成。测试仪器包括：193 nm ArF准分子激光剥蚀系统，由澳大利亚Australian Scientific Instruments公司制造，型号为RESOlution LR；四极杆型电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)仪，由安捷伦科技(Agilent Technologies)制造，型号为Agilent 7700x。准分子激光发生器产生的深紫外光束经匀化光路聚焦于锆石表面，能量密度为8.0 J·cm-2，束斑直径为33 μm，频率为6 Hz，共剥蚀40 s，剥蚀气溶胶由氦气送入ICP-MS仪完成测试。测试过程中以标准锆石91500为外标，校正仪器质量歧视与元素分馏；以标准锆石GJ-1为盲样，检验U-Pb定年数据质量；以NIST SRM 610为外标，以Si为内标标定锆石中的Pb含量，以Zr为内标标定锆石中其余微量元素含量[41-42]。原始测试数据经ICPMSDataCal软件离线处理完成[41,43]，使用Isoplot 3.00程序完成年龄计算和谐和曲线绘制[44]。

用于元素地球化学分析的样品TK8～TK13经破碎、研磨(200目)制成分析样品。全岩主量、微量元素分析在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成。主量元素分析使用Philips PW2404型X射线荧光光谱(XRF)仪分析测试，X射线管电压为50 kV，电流为50 mA，元素的测定精度可达0.01%，分析误差小于5%。采用传统的湿法化学滴定法对样品中FeO含量进行分析。包含稀土元素在内的微量元素分析使用 Finnigan MATElemntⅠ型电感耦合等离子体质谱仪完成，测试方法参照《电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析方法通则》(DZ/T 0223—2001)[45]，微量元素含量(质量分数，下同)大于10×10-6时相对误差小于5%，小于10×10-6时相对误差小于10%。

3 结果分析

3.1 锆石特征和U-Pb年龄

花岗闪长岩(样品TK-5)和黑云母二长花岗岩(样品TK-7)中的锆石特征相似，多呈柱状，自形程度较高，长为100～200 μm，长宽比大多为2∶1～3∶1。阴极发光图像(图3)显示，锆石晶形完好，裂纹不发育，振荡环带清晰，具有岩浆锆石的特征[46]。本次研究对样品TK-5和TK-7分别选取了14个分析点进行测试，锆石U-Pb定年结果列于表1。花岗闪长岩中，锆石U含量为(297.95～868.35)×10-6，平均值为489.61×10-6；Th含量为(141.88～705.88)×10-6，平均值为387.90×10-6；Th/U值为0.33～1.29，平均值为0.80。黑云母二长花岗岩中，锆石U含量为(169.38～834.61)×10-6，平均值为425.02×10-6；Th含量为(108.44～484.02)×10-6，平均值为295.44×10-6；Th/U值为0.55～0.89，平均值为0.70。两件样品的锆石Th/U值均具有典型岩浆锆石特征[47]。样品TK-5和TK-7所有分析点的锆石年龄数据比较集中，均落在一致线上或者附近[图4(a)、(b)]，计算获得206Pb/238U加权平均年龄分别为(466.7±2.0)Ma(平均标准权重偏差(MSWD)为0.16)和(477.0±2.1)Ma(MSWD值为0.62)[图4(c)、(d)]，可分别代表花岗闪长岩和黑云母二长花岗岩的结晶年龄。

图3 苏纳克花岗岩锆石阴极发光图像及对应年龄Fig.3 CL Images of Zircons and Corresponding Ages of Sunake Granites

图4 苏纳克花岗岩锆石U-Pb谐和曲线和年龄分布Fig.4 Concordia Diagrams and Distributions of Zircon U-Pb Ages of Sunake Granites

表1 苏纳克花岗岩锆石U-Pb同位素分析结果Tab.1 Analysis Results of Zircon U-Pb Isotope of Sunake Granites

3.2 岩石地球化学特征

本文对苏纳克花岗岩中的黑云母二长花岗岩进行了主量和微量元素分析，分析结果见表2。SiO2含量较高，为72.75%～76.44%，平均值为74.56%；Al2O3含量为13.35%～14.70%，平均值为14.00%，铝饱和指数A/CNK值为1.02～1.11，平均值为1.07，为弱过铝质；Na2O含量为3.69%～4.01%，K2O含量为4.78%～5.25%，Na2O+K2O值为8.58%～9.12%，里特曼指数(σ)为2.24～2.80，显示了富碱的特征。总体上，黑云母二长花岗岩具有高硅、富碱、弱过铝质的特征。在A/CNK-A/NK图解[图5(a)]和SiO2-K2O图解[图5(b)]中，样品分别落入弱过铝质和高钾钙碱性系列范围内。

表2 黑云母二长花岗岩主量和微量元素分析结果Tab.2 Analysis Results of Major and Trace Elements of Biotite Monzogranite

黑云母二长花岗岩的稀土元素总含量为(85.57～161.91)×10-6，平均值为129.46×10-6。轻稀土元素(LREE)总含量为(56.33～135.48)×10-6，平均值为100.47×10-6，重稀土元素(HREE)总含量为(25.71～34.23)×10-6，平均值为29.00×10-6。LREE/HREE值为1.93～5.13，(La/Yb)N值为1.51～4.88，表明轻、重稀土元素分馏不明显，轻稀土元素较重稀土元素略富集，在球粒陨石标准化稀土元素配分模式中呈平缓的右倾型[图6(a)]。(La/Sm)N值为1.30～2.70，(Gd/Yb)N值为1.00～1.43，表明轻稀土元素之间和重稀土元素之间的分馏程度都不高。Eu异常为0.04～0.16，在稀土元素配分模式中呈明显的“V”字型，具有显著的负Eu异常特征。原始地幔标准化微量元素蛛网图[图6(b)]显示，黑云母二长花岗岩明显富集Rb、K等大离子亲石元素(LILE)和Th、U等高场强元素(HFSE)，强烈亏损Ba、Sr、P、Eu、Ti以及弱亏损Ta、Nb、Zr等。Ta、Nb、P、Ti负异常类似于岛弧环境的岩石特征，明显的Sr、Eu负异常反映其源区存在斜长石残留，形成压力较低。

ws为样品含量；wc为球粒陨石含量；wp为原始地幔含量；球粒陨石标准化数据与原始地幔标准化数据引自文献[53]、[54]图6 黑云母二长花岗岩球粒陨石标准化稀土元素配分模式及原始地幔标准化微量元素蛛网图Fig.6 Chondrite-normalized REE Pattern and Primitive Mantle-normalized Trace Element Spider Diagram of Biotite Monzogranite

4 讨论

4.1 岩体形成时代

黑云母二长花岗岩与花岗闪长岩中的锆石特征表明其为岩浆锆石，锆石U-Pb年龄数据集中且谐和[图4(a)、(b)]，其年龄可信，即苏纳克黑云母二长花岗岩的成岩年龄为(477.0±2.1)Ma(MSWD值为0.62)，侵入其中的花岗闪长岩脉成岩年龄为(466.7±2.0)Ma(MSWD值为0.16)，分别为早奥陶世和中奥陶世岩浆活动的产物。

早古生代是西昆仑造山带最主要的岩浆岩形成时期之一[20]，其分布极广，面积巨大，岩石类型齐全，从超基性至酸性均有出露，规模上以中酸性岩浆岩为主。岩浆岩主体沿奥依塔格—库地—其曼于特断裂以南、康西瓦—苏巴什断裂以北的区域分布，受区域深大断裂控制，形成了一条长上千千米的巨型岩浆岩带[7,9,15-16,20-26]。恰尔隆南侧的大同复式岩体为西昆仑造山带规模最大的早古生代岩体之一，形成于479～446 Ma[27-32]；新藏公路128公里岩体中花岗闪长岩的锆石U-Pb年龄为(471±5)Ma[22]；从冬巴克结晶基底岩系中解体出的片麻状英云闪长岩锆石U-Pb年龄为(502.3±9.1)Ma[34]；库尔良南侧桑株河中—下游的片麻状花岗闪长岩与黑云母角闪闪长岩的锆石U-Pb年龄分别为(500.2±1.2)Ma和(506.8±9.8)Ma[35]；此外，区域南侧出露的黑云母二长花岗岩和黑云母石英二长岩的锆石U-Pb年龄分别为(466.1±3.2)Ma和(467.8±3.2)Ma[21]；杨绍等在库尔良东南侧库尔良群中发现花岗闪长岩，其锆石U-Pb年龄为(429.6±1.4)Ma[26]，与蒙古包—普守一带的黑云母二长花岗岩(443.1～430.7 Ma)[33]同为早志留世。这些数据充分说明西昆仑造山带在早古生代发生了强烈的构造活动，岩浆岩从晚寒武世至早志留世均有发育，岩浆活动频繁。

本次获得的苏纳克黑云母二长花岗岩的年龄早于南侧黑云母石英二长岩约10 Ma，而其中侵入的花岗闪长岩脉年龄与南侧黑云母石英二长岩一致。根据两个岩体在成岩时间、空间位置以及岩性上的相近关系，推测其在深部可能相连，共同构成一个大型的复式岩体，这需要进一步的工作验证。成岩年龄的差异可能是不同的定年方法及实验误差所致。前人研究表明，单个侵入体从岩浆形成到锆石U-Pb同位素体系封闭的时间一般不超过1 Ma[55-57]。上述年龄间隔(约10 Ma)说明这些侵入体可能是从源区上升的不同期次岩浆就位的结果。苏纳克黑云母二长花岗岩及其中的花岗闪长岩脉与南侧黑云母石英二长岩在成岩时间和矿物组成上的差异可能正是这一演化过程所致，即黑云母二长花岗岩所在的位置可能为复式岩体的边缘相，而南侧黑云母石英二长岩则更靠近中心。

4.2 岩石成因

底图引自文献[58];FG为分异花岗岩；OGT为未分异花岗岩(I-S过渡型)图7 黑云母二长花岗岩岩石成因类型判别图解Fig.7 Discrimination Diagrams of Petrogenetic Type of Biotite Monzogranites

苏纳克黑云母二长花岗岩具有高硅(SiO2含量为72.75%～76.44%)、富碱(Na2O+K2O值为8.58%～9.12%)的特征，K2O/Na2O值均大于1，且CaO含量(0.43%～0.99%)和MgO含量(0.08%～0.21%)较低，A/CNK值为1.02～1.11，属于弱过铝质、高钾钙碱性系列。稀土元素总含量为(85.57～161.91)×10-6，球粒陨石标准化稀土元素配分模式中轻稀土元素相对富集，表现为平缓的右倾型，且呈“V”字型特征，具有强烈负Eu异常[图6(a)]。Rb、K等大离子亲石元素及Th、U等高场强元素强烈富集，Ba、Sr、Eu、P、Ti强烈亏损，Ta、Nb等弱亏损，Sr、Eu强烈亏损反映源区存在斜长石的残留，形成压力较低，深度较浅。总体上，岩石地球化学特征显示出与A型花岗岩富Si、Na和K，贫Ca、Mg，强烈亏损Sr、Eu及高Ga/Al值特征[58]的一致性。10 000Ga/Al值为2.74～3.38，大于2.60，在10 000Ga/Al-Y和10 000Ga/Al-Nb图解中落入A型花岗岩范围内[图7(a)、(b)]。但是，高分异I型花岗岩与A型花岗岩在地球化学特征上极其相似，不少高分异I型花岗岩同样落入A型花岗岩区域，从而导致岩石成因类型判别的困难。A型花岗岩由于富碱而往往具有较高的Zr、Nb、Ce、Y含量，苏纳克黑云母二长花岗岩在相应的判别图解中则落入了分异花岗岩区域中[图7(c)、(d)]。苏纳克黑云母二长花岗岩中的Zr显示为弱亏损，与A型花岗岩往往具有较高的Zr含量有差异(Zr含量高于250×10-6)，但A型花岗岩如果发生分异，会使Zr含量降低至100×10-6左右[59-61]。因此，单从微量元素特征很难判别黑云母二长花岗岩的成因类型。

实质上，A型花岗岩是一种高温花岗岩，其形成温度相对于I型和S型花岗岩更高[60-62]。根据锆饱和温度计算[63]，黑云母二长花岗岩的形成温度为713 ℃～769 ℃，并不属于高温花岗岩。同时，A型花岗岩多产于地壳伸展减薄的构造背景中[61-62]，而前人研究认为西昆仑造山带早古生代(500～450 Ma)花岗岩具有典型的I型花岗岩特征，与原特提斯洋的俯冲活动有关[9,15-16,64]。目前，在苏纳克花岗岩附近也并没发现同时期基性岩脉的报道。综上所述，苏纳克黑云母二长花岗岩为高分异I型花岗岩。

4.3 成岩动力学背景

岩浆岩是造山带中极其重要的物质组成部分，作为特定地质背景下的产物，在一定程度上记录了形成时的构造背景，是重建造山带演化历史的重要依据[17-19]。西昆仑造山带历经了漫长复杂的构造演化。前人研究表明，西昆仑东段存在晚中元古代—早古生代(530～400 Ma)和晚古生代—早中生代(240～200 Ma)两条长达数千千米的岩浆岩带[9,15-16,64]。其中，晚中元古代—早古生代是西昆仑造山带的主构造期，具有奠基作用。前人研究表明，原特提斯洋经寒武纪的演化扩张后，于530 Ma左右开始俯冲[15-16]。至于俯冲方向方面尚存的争议[65-67]，在此不做过多的讨论。500～470 Ma为俯冲作用的峰期，形成了大量具有岛弧特征的花岗岩。早古生代花岗岩的地球化学特征研究表明，500～450 Ma花岗岩具有I型花岗岩的特征，而430～400 Ma花岗岩则为A型花岗岩[15-16,64,68-69]。A型花岗岩产于地壳伸展减薄的构造背景中，其出现标志着碰撞造山作用的结束。同时，在这一时期内还形成了库地—其曼于特蛇绿岩带[70-71]和柯岗蛇绿岩带[72-74]。苏纳克黑云母二长花岗岩的成岩年龄为477 Ma，正是原特提斯洋俯冲活动峰期中的产物。

西昆仑早古生代构造演化的时限目前存在不同认识。高晓峰等对西昆仑中西段的大同复式岩体研究表明，其形成于后碰撞-伸展的演化阶段[32]。早—中奥陶世西昆仑造山带可能已经整体进入了后碰撞的演化阶段，即大洋板块的俯冲消减-碰撞过程在480 Ma左右已经完成，随即进入后碰撞-伸展拉伸的构造体制转换阶段，导致花岗岩沿着缝合带先后侵位。目前对西昆仑早古生代岩浆岩带的研究还很薄弱，缺乏系统的成因分析。对于西昆仑造山带的构造演化时限厘定，仍有待更多系统深入的岩石学、地球化学和区域构造地质学研究。