东天山黄山西角闪辉长岩成因及其地质意义：来自锆石U-Pb年代学及地球化学的证据

2021-09-10张海迪陈博吕鹏瑞罗彦军郭伟立康磊刘生荣任广利

西北地质 2021年3期

张海迪，陈博，吕鹏瑞，罗彦军，郭伟立，康磊，刘生荣，任广利

(中国地质调查局西安地质调查中心,中国地质调查局造山带地质研究中心，陕西西安 710054)

东天山位于中国天山造山带东段，保存了大量古亚洲洋俯冲、弧陆碰撞、洋陆转换及其演化等重要信息(Windley, et al.，1990；Xiao ,et al.，2004；李锦轶等，2006; 周涛发等，2010；徐学义等，2014)。觉罗塔格构造带位于东天山北部，是塔里木板块和哈萨克斯坦准噶尔板块碰撞对接的关键部位，区内出露大量石炭纪—二叠纪岩浆岩，同时也伴随大规模金、铜、镍的成矿作用，是解剖天山造山带晚古生代洋-陆格局转换的关键地区。基于区内石炭纪—二叠纪岩浆岩岩石学、地球化学及年代学特征，前人对觉罗塔格构造带晚古生代构造环境做了大量研究，并取得许多进展，然而对于该区域内石炭纪的构造环境仍然存在争议。主要有3种认识：①俯冲环境分为弧间盆地(马瑞士等, 1990, 1993)、多岛洋弧体系(Xiao, et al.，2004)和弧后盆地(徐兴旺等, 1998；罗婷等, 2020)等不同认识。②残余洋盆，即准噶尔板块与塔里木板块之间古洋盆的残余，但是对该洋盆的演化时限有不同认识(姬金生等,1994; 杨兴科等, 1996 ; 李锦轶等, 2006; 曹瑞等, 2016)。③拉张环境分为陆内裂谷(王广瑞，1996；夏林圻等，2002a，2002b，2004，2006)和有限洋盆(王国灿等，2019)2种观点，前者认为北天山古洋盆已于晚泥盆世—早石炭世闭合，石炭纪由于地幔柱的作用而发育大陆裂谷；而后者认为该地区石炭纪由于北天山洋闭合后的后碰撞伸展环境和南天山洋向北俯冲弧后扩张共同作用形成的康古尔有限洋盆。

笔者基于近些年在觉罗塔格构造带东段红丘陵地区开展的1∶5万区域地质调查工作，选取区内石炭纪角闪辉长岩为研究对象，通过岩石学、地球化学及锆石U-Pb年代学研究，厘定角闪辉长岩的形成时代，揭示其源区性质和岩浆演化过程，分析其成岩的构造环境，为进一步探讨觉罗塔格地区晚古生代岩浆活动提供新的依据。

1 区域地质背景

研究区位于东天山觉罗塔格构造带，北侧以康古尔断裂为界，与吐哈地块相邻，南侧以阿其克库都克断裂为界，与中天山地块相邻(图1)。依据区内物质组成及构造变形特征，以康古尔断裂和雅满苏断裂为界，觉罗塔格构造带进一步划分为大南湖-头苏泉岛弧带(北带)、康古尔韧性剪切带(中带)、雅满苏岛弧带(南带)3个构造单元(王京彬等，2006)。

图1 (a)东天山及邻区构造单元划分(据王京彬等，2006修改)和(b)红丘陵区域地质图Fig.1 (a)Tectonic units of the East Tianshan and its periphery ( Modified after Wang Jingbin, et al., 2006)and(b)Geological sketch map of the area of Hongqiuling

北带位于康古尔断裂以北，主要出露古生代岛弧火山岩、海相凝灰岩和砂岩等组成的火山-沉积岩系和以中酸性岩为主的各类侵入岩，总体为岛弧沉积环境。中带位于康古尔断裂和雅满苏断裂之间，宽度10～30 km。主要由一套变形、变质强烈的无序地层-构造岩片组成，其原岩主要为下石炭统干墩组复理石建造和中石炭统梧桐窝子组拉斑玄武岩-放射虫硅质岩-泥质岩等深水沉积组成，带内发育较多晚石炭—早二叠中酸性岩体，沿康古尔断裂及其边缘分布大量铁镁质、超镁铁质岩，与区内香山、黄山、黄山东等铜镍硫化物矿床的形成关系密切。南带位于雅满苏断裂与阿其克库都克断裂之间，出露下石炭统雅满苏组，由灰色碎屑岩夹石灰岩、中酸性火山碎屑岩、火山熔岩等组成，岩石普遍强劈理化，大部分露头上层理已经基本被劈理置换。

2 样品特征及分析方法

2.1 样品特征

本研究涉及的角闪辉长岩体位于黄山铜镍矿矿区以西30 km处，呈近东西向展布，与区内构造线一致，其南侧侵入到石炭系干墩组内，北侧被灰白色中细粒英云闪长岩侵入，东侧和西侧均被第四系新疆群覆盖。该岩体主要岩石类型有角闪辉长岩、角闪石岩、含斜长石角闪石岩等。角闪石岩、含斜长石角闪石岩主要出露于岩体东南侧。岩体受后期构造作用改造明显，整体发育近东西走向劈理，较为破碎，局部发育强韧性剪切带。

笔者用于同位素及地球化学研究的样品采自哈密市G30铜镍矿服务区东约20 km的采石场南部大沟内，地理坐标北纬42°14′13″，东经94°22′21″。样品岩性为角闪辉长岩，深灰色，中细粒结构，块状构造，主要由角闪石(45%)和斜长石(55%)组成。岩石受后期构造作用影响，斜长石多发生细粒化，角闪石局部出现拉长状、纤维状，但整体保留了原始岩浆结构(图2)。

a、b. 英云闪长岩与角闪辉长岩侵入接触；c、d. 变余辉长结构(-)；e、f.堆晶结构(+)；pl.斜长石；Hb.角闪石图2 研究区角闪辉长岩代表性宏观及显微照片Fig.2 The typical outcropping and microscopic photographs of the hornblende gabbro in the study area

2.2 分析方法

样品的全岩主量、微量、稀土元素分析均在中国地质调查局西安地质调查中心实验测试中心完成。主量元素采用X荧光光谱分析(XRF)测定，仪器编号SX-45，分析测试误差小于1%；微量和稀土元素利用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测定，分析测试误差优于5%～10%；检测依据为GB/T14506.28-2010、DZG20-05、GB/T14506.14-2010和DZ/T0223-2001。

锆石的分选工作在河北廊坊诚信地质服务有限公司完成。锆石制靶和CL照相工作在北京地时科技有限公司完成。锆石样品是经过人工重砂、电磁选和双目镜下挑选后，从角闪辉长岩样品中将结晶好、透明度好、无裂隙、无包体的颗粒，用环氧树脂固定并抛光至锆石颗粒完全暴露，然后进行阴极发光(CL)内部结构和LA-ICP-MS同位素分析测试。根据反射光、透射光及锆石阴极发光图像的分析，选择吸收程度较为均匀的区域进行U-Pb定年。锆石U-Pb定年是在中国地质调查局西安地质调查中心实验测试中心完成，使用激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)完成。

激光剥蚀系统为GeoLas Pro，ICP-MS为Agilent 7700x。激光剥蚀过程中采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度，二者在进入ICP之前通过一个T型接头混合。每个时间分辨分析数据包括大约10 s的空白信号和40s的样品信号。对分析数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年龄计算)采用软件Glitter 4.4完成，详细仪器参数和测试过程可参考文献(Horn, et al.，2000；Ballard, et al.，2001；Yuan, et al.，2004；李艳广等，2015)。

U-Pb同位素定年中采用锆石标准91500作外标进行同位素分馏校正。对于与分析时间有关的U-Th-Pb同位素比值漂移，利用91500的变化，采用线性内插的方式进行了校正。锆石样品的U-Pb年龄谐和图绘制和年龄权重平均计算均采用Isoplot/Exver 3(LUDWIG，2003)完成。锆石微量元素含量利用参考标样NIST610玻璃作为多外标、Si作内标的方法进行定量计算，NIST610玻璃中元素含量的推荐值据GeoReM数据库(http://georem.mpch-mainz.gwdg.de/)。

3 锆石U-Pb年代学

黄山西角闪辉长岩(样品号D6005-3)锆石阴发光图像和U-Pb表观年龄见图3。U-Pb同位素比值和表面年龄测试数据见表1。本次获得锆石多为黄褐色，半透明，锆石颗粒晶形较差，大多呈棱角状、次棱角状，极个别颗粒晶形完好，呈粒状，短柱状，粒径为70～200 μm，锆石内部裂隙发育，个别锆石内部含矿物包裹体，多数锆石阴极发光图像(CL)表现出明显的岩浆振荡环带，环带分带之间宽度较宽(图3)。锆石的Th/U 值为0.21～1.11，平均值为0.57，属于典型的岩浆锆石(吴元保等，2004)。

图3 黄山西角闪辉长岩锆石阴极发光图像Fig.3 CL images of the ziocons for the hornblende gabbro from the west Huangshan

19个锆石测点的206Pb/238U年龄介于316～327.6 Ma(表1), 在一致曲线图中, 数据点集中分布在谐和线上(图4), 其206Pb/238U年龄的加权平均值为(319.8±2.6)Ma(MSWD=0.24,n=19)。综合锆石的形态、Th/U值和CL图像特征，作者认为(319.8±2.6)Ma代表辉长岩的结晶年龄，黄山西角闪辉长岩是晚石炭世早期岩浆活动产物。

图4 (a)黄山西角闪辉长岩锆石U-Pb谐和图和(b)加权平均年龄图Fig.4 (a)Zircon U-Pb concordia diagram and (b)weighted mean age of hornblende gabbro from the west Huangshan

4 岩石地球化学

4.1 主量元素

岩石地球化学分析结果显示(表2)，黄山西角闪辉长岩SiO2含量为48.72%～53.09%，平均值为51.21%；Al2O3含量介于16.75%～19.48%，平均值为17.92%；里特曼指数σ为2.37～2.95，显示钙碱性岩石系列特征。在SiO2-K2O图解中(图5a)，所有样品均落入了钙碱性系列。Alk(Na2O+K2O)介于4.05%～5.18%，MgO含量为5.67%～7.87%，平均值为6.87%，Mg#值介于53.83～66.85；CaO含量为7.83%～9.99%，平均值为8.87%；TiO2含量为0.77%～1.35%，平均值为0.92%。所有样品的Al2O3含量大于13%，TiO2含量大多小于1%，P2O5含量均小于0.3%。在岩石TAS图解中(图5b)，样品主要落入了亚碱性系列的辉长岩和辉长闪长岩区域。以上数据说明黄山西角闪辉长岩体有一定的成分变化。

图5 (a)黄山西角闪辉长岩w(K2O)-w(SiO2)图解与(b)TAS图解Fig.5 (a)The w(K2O)-w(SiO2)diagram and (b)TAS diagram of hornblende gabbro from the west Huangshan

表2 黄山西角闪辉长岩主量元素(%)、微量及稀土元素(10-6)分析结果表Tab.2 Major elements(%) and trace elements(10-6) analysisresults of hornblende gabbro from the west Huangshan

续表2

通过对角闪辉长岩的主要氧化物与MgO进行协变分析(图6)，发现随着MgO含量的降低，主要氧化物如SiO2、TiO2、TFe2O3、K2O、Na2O、P2O5的含量呈逐渐上升趋势，Al2O3、CaO的含量则呈逐渐下降的趋势。结合岩体东南部发育角闪石岩及含斜长石角闪石岩等堆晶岩系的特征(图2e、图2f)，推测角闪辉长岩在形成过程中应该经历了角闪石的分离结晶。

4.2 稀土和微量元素

稀土元素球粒陨石标准化配分图显示(图7a)，黄山西角闪辉长岩呈轻稀土元素(LREE)相对富集、重稀土元素(HREE)比较平坦的右倾型配分模式。稀土元素总量较低，介于60.44×10-6～94.74×10-6；LREE/HREE值为4.78～5.69，δEu和δCe值分别介于0.95～0.98和1.01～1.02(表2)，显示一定程度的分异，无明显的Eu和Ce异常。原始球粒陨石标准化的(La/Yb)N、(Ce/Yb)N值分别介于4.66～5.80和4.28～5.18。

图6 黄山西角闪辉长岩主要氧化物与MgO协变图解Fig.6 The major oxides and MgO covariant diagrams of hornblende gabbro from the west Huangshan

角闪辉长岩的微量元素分析结果见表2。微量元素Rb含量为13.90×10-6～17.30×10-6，Ba含量为229×10-6～376×10-6，U含量为0.21×10-6～0.35×10-6，Sr含量为514×10-6～873×10-6。Sr具有明显的富集，其平均值为675.8×10-6，明显高于大陆地壳Sr平均含量(325×10-6)(Rudnick, et al.，1995)。在原始地幔标准化蛛网图上(图7b)，Rb、Ba、Th、U、K、Sr等大离子亲石元素(LILE)明显富集，高场强元素Ta、Nb出现亏损，但Zr、Hf元素不亏损。

图7 (a)黄山西角闪辉长岩稀土球粒陨石标准化配分型式图与(b)微量元素原始地幔标准化蛛网图Fig.7 (a) Chondrite-normalized REE pattern and (b)primitive mantle-normalized trace elementsspider diagram of hornblende gabbro from the west Huangshan

5 讨论

5.1 辉长岩的年代学意义

黄山西角闪辉长岩体南部与早石炭世干墩组呈侵入接触关系(图2a、图2b)，接触边界干墩组岩石发育明显的热接触变质作用(图1b)，岩体北部被早二叠世未变形的英云闪长岩侵入(297.7±2.2 Ma，未发表)，上述野外接触关系指示辉长岩形成于早石炭世—晚石炭世之间，本次获得角闪辉长岩的锆石年龄(319.8±2.6) Ma与地质体的野外产出特征相一致。笔者通过已有同位素年代统计，显示觉罗塔格地区存在明显的晚石炭世早期320～315 Ma岩浆活动(图8)，本次获得角闪辉长岩与区域上晚石炭世早期的岩浆活动相对应。崔亚川等(2018)获得了黄山角闪辉长岩的形成时代为282Ma，该岩体未受到康古尔剪切带剪切作用的影响，完好地保留辉长结构，与笔者所探讨的受韧性剪切作用改造的角闪辉长岩差异显著。因此，本次识别出的晚石炭世早期岩浆活动进一步限定了康古尔断裂带的活动时限为晚石炭世晚期—早二叠世早期。

东天山地区发育大量与铜镍矿成矿作用有关的早二叠世基性、超基性岩浆岩，已有矿床的成矿时代指示与铜镍矿成矿作用相关的幔源岩浆活动时限为274～300 Ma, 持续了约30 Ma(王亚磊等，2016)。笔者获得的角闪辉长岩锆石年龄早于区域上广泛发育的铜镍矿化镁铁-超镁铁质岩石形成时代，加之辉长岩体南部做过大量铜镍矿探槽、钻探等勘探工作，找矿效果不明显。另外，早二叠世形成的黄山角闪辉长岩显示了极为亏损的Nd同位素特征(εNd(t)=+10.66～+12.54)(崔亚川等，2018)，而晚石炭世基性岩浆活动则显示了较大的Nd同位素变化范围(εNd(t)=+2.6～+9.4)(崔策等，2018；罗婷等，2020)。以上信息表明晚石炭世早期的岩浆事件可能与早二叠世铜镍矿成矿主期岩浆作用存在差别。

5.2 岩石成因及构造背景

黄山西角闪辉长岩Mg#值介于53.83～66.85，略低于未分异初始岩浆的Mg#值(60～71)(Langmuir,et al.1977)，表明岩浆可能经历了低程度的结晶分异作用，这在MgO与其他氧化物的协变图解中也有所反映(图6)。角闪辉长岩的Zr/Hf、Rb/Sr、Nb/Ta值分别介于38.44～44.44(平均40.06)、0.019～0.029(平均0.024)、12.36～13.69(平均13.07)，接近原始地幔的比值(分别为36.27±2.0、0.025、14.0～22.5)(Rudnick, et al.，1995；Stolz,et al.，1996；金成伟等，2000；张贵山等，2009)。然而富集LILE和LREE、亏损Nb、Ta的特征表明其岩浆源区经历过流体交代。另一方面，较高的La/Nb值(2.23～2.85)、Rb/Nb值(2.44～4.22)和Ba/Nb值(53.50～90.68)，较低的Nb/U值(13.69～20.38)和Ta/U(1.00～1.52)值，以及较稳定的Nb/Zr值(0.03～0.05)，表明交代其源区的应该为俯冲带流体。与黄山西岩体同期的晚石炭世早期的火山岩也显示出受俯冲带流体交代特征的Sr-Nd同位素特征(崔策等，2018；罗婷等，2020)。黄山西岩体中大量角闪石的结晶所反映的岩浆富水特征可能也与此相关。

尽管如此，角闪辉长岩的地球化学特征并不能明确指示其形成于俯冲环境，因为俯冲阶段受俯冲流体交代的软流圈地幔会在一定的时间范围内保留这一地球化学印记，在后续的地质过程中，该源区熔融形成的熔体将继承弧火山岩的特征。已有研究表明东天山地区与洋壳俯冲相关的岩浆活动主要在泥盆纪发育，该洋盆于早石炭世之前闭合，形成区域内广泛发育的下石炭统与上泥盆统的角度不整合，石炭世之后大规模的岩浆作用(图8)被认为形成于后碰撞环境(顾连兴等,2006,2007;周涛发等,2010；夏林圻等,2002；李向民等,2006)。大陆板内玄武岩不管是否受到地壳或岩石圈地幔混染，均具有较高的Zr含量(70×10-6)和Zr /Y值(>3)(夏林圻等，2007;宋哲等，2020)。本次角闪辉长岩的Zr含量为81.5×10-6～208×10-6，Zr/Y值为5.62～9.90，显示其可能为板内环境的产物。在Nb×2-Zr/4-Y图解(图9a)中，3个样品落入板内碱性玄武岩和板内拉斑玄武岩区域。而在Zr /Y-Zr图解(图9b)中，样品全部落入板内玄武岩构造环境区域。综合以上信息，笔者认为晚石炭世觉罗塔格地区进入到板内伸展的构造环境，由于位于觉罗塔格北部的北天山洋(干沟蛇绿岩-康古尔塔格蛇绿岩-大草滩蛇绿岩)在中晚泥盆世之交闭合，晚泥盆世—石炭纪期间区域上进入碰撞后伸展阶段(王国灿等，2019)，导致被晚古生代早期(或早古生代)俯冲流体交代的软流圈地幔发生熔融，形成了富集LILE，亏损Nb、Ta的玄武质岩浆，该岩浆在分离结晶作用下，形成了以角闪辉长岩、角闪石岩为代表的黄山西岩体。

(数据来自：韩宝福等，2004；三金柱等, 2010；夏明哲等,2008,2010；Qin Kezhnag, et al., 2011；张小连等，2012；周涛发等，2010；王亚磊等，2016；张小连等,2012；崔亚川等，2018；白建科等，2018，Zhao Lian-dang,et al.,2019; 罗婷等，2020及项目内部数据)图8 东天山觉罗塔格地区晚石炭世—早二叠世不同岩浆活动分布直方图Fig.8 Histogram of the distribution of different magmatic activities from the late Carboniferous to early Permian in the Jueluotage area of East Tianshan