甘肃北山新元古代侵入岩的厘定及其对北山盆山演化格局的制约

王红杰， 郭峰， 冯乃琦， 刘佳

(1.中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所，河南 郑州 450006； 2.自然资源部多金属矿综合利用评价重点实验室，河南 郑州 450006； 3.西北地质科技创新中心，陕西 西安 710054)

0 引言

新元古代—古生代，中亚造山带由多个造山带经过多次汇聚和增生演化而成，是典型的增生型造山带[1-3]，北山地区是中亚造山带的重要组成部分，北临西伯利亚板块南缘，南属塔里木板块北缘，西有哈萨克斯坦板块嵌入，大地构造位置十分特殊[4-6]。该区广泛发育古生代不同期次的花岗岩类侵入岩体，类型众多，为揭示甘肃北山造山带构造演化提供了重要信息。近年来，众多学者多围绕北山造山带花岗岩进行探讨，争论焦点在于北山造山带盆山演化各时期的构造格局，但对新元古代北山造山带古陆裂解演化的研究较少[7-19]。北山地区发育多个前寒武纪微陆块，其中明水—旱山地块作为北山地区前寒武纪重要的结晶基底，其归属问题是相关研究关注的焦点，针对该地质科学问题，前人多从前寒武纪结晶基底变质岩方面进行讨论，但基底岩石多受后期变质作用影响，地层原有序列特征多数已被破坏，缺乏高精度的测年数据[20-24]。

本文依托1∶5万区域地质调查项目，在北山造山带明水—旱山地块原划泥盆纪侵入岩中厘定出了新元古代侵入岩，深入研究这套侵入岩的年代学、地球化学特征对讨论北山造山带新元古代盆山演化和构造格局重建都具有重要的指示意义。

1 区域地质背景

明水—旱山地块由太古宙结晶岩系和中元古代变质岩系组成，古生代基本为一微陆块，接受剥蚀作用和沉积作用，在华力西期被卷入造山运动，之后局部发生裂谷作用，形成了二叠纪裂谷，晚期形成坳陷盆地，发育中生代—新生代陆内盆地沉积。在明水—旱山地块内部及周围产出有大量侵入岩体，时代分布从新元古代到二叠纪，侵入岩种类也比较多样，从基性到中酸性侵入岩均有出露。

研究区位于明水—旱山地块南侧，马鬃山镇咸水沟附近，产出有新元古代侵入岩和泥盆纪侵入岩，其中新元古代侵入岩由本研究新厘定，命名为咸水沟新元古代侵入体，岩性主要为二长花岗岩，前人认为其形成时代为泥盆纪[25]，本研究通过锆石U-Pb同位素定年，将其厘定为新元古代。咸水沟新元古代侵入岩体呈不规则状出露，长轴近东西向展布，岩体侵入界线不明显，不发育冷凝边、烘烤边，有花岗岩岩脉和石英脉体侵入其中。由于受后期多期构造作用改造导致岩体破碎，其构造面理(弱片麻理)与主构造线方向一致，呈NE向，表明岩体的侵位、构造改造和再改造均受控于基底构造(图1)。

图1 研究区大地构造位置(左)及地质简图(右)[26]

2 岩石学特征

咸水沟新元古代侵入岩体出露在肃北蒙古族自治县马鬃山镇北部咸水沟附近，岩体周围发育泥盆纪侵入岩，岩体内部脉体发育。本研究对象为前人所划泥盆纪侵入岩[25]中解体出的一套具有弱片麻状构造的细粒二长花岗岩。

咸水沟新元古代二长花岗岩呈灰色，细粒花岗结构，块状构造(图2)，主要矿物成分为钾长石(38%～40%)、斜长石(33%～35%)、石英(20%～23%)、黑云母(1%～2%)和白云母(1%～2%)。钾长石呈它形粒状，粒径0.2～2.0 mm，多数表面较干净，个别发生轻微土化； 斜长石呈半自形柱状，粒径0.2～1.0 mm，斜长石表面发生强烈绢云母化和轻微土化，表面较浑浊，多数斜长石发育聚片双晶； 石英呈它形粒状，粒径多数为0.2～2.0 mm，个别粒径达2.0～4.5 mm，石英表面干净无色，多见石英边缘镶嵌长石，构成嵌晶结构； 黑云母呈半自形片状，片径0.05～0.4 mm，具浅黄至浅褐色多色性； 白云母呈半自形片状，片径0.05～0.25 mm； 岩石内部发育少量显微裂隙，裂隙宽0.01～0.25 mm不等，裂隙内多被石英、黑云母和氧化铁质集合体充填。副矿物有黄铁矿、磷灰石、锆石，次生矿物为高岭土、绢云母。

3 年代学特征

选取新鲜的咸水沟二长花岗岩进行锆石U-Pb测年，样品编号PM001-28TW。锆石U-Pb测年工作在中国地质调查局西安地质调查中心岩浆作用成矿与找矿重点实验室完成，选择没有明显裂痕和包裹体的锆石样品，采用Geolas 193nm ArF准分子激光剥蚀系统，ICP-MS为Agilent7700，激光束斑直径24 μm，同位素标样选择915作为主标，GJ作为监控，用SRM610为元素含量标样进行校正，数据处理使用ICPMSDataCal(9.2)软件，年龄计算及投图使用ISOPLOT软件。从样品的锆石阴极发光图像可以看出新元古代咸水沟二长花岗岩锆石呈深褐色或无色透明，柱状，自形程度高，玻璃光泽，锆石颗粒轻微破碎，粒径80～150 μm，锆石的振荡环带清晰，岩浆型锆石特征明显(图3)。

图3 二长花岗岩锆石阴极发光图像及年龄值

咸水沟新元古代二长花岗岩锆石Th含量为(90.43～560.18)×10-6，U含量为(221.42～759.3)×10-6，Th/U值为0.41～0.84(表1)。选取24颗锆石进行测点，其中23个为有效测点，1个测点的锆石谐和度在90～110之外，其余23个测点谐和度较高且年龄较集中，其206Pb/238U年龄加权平均值为 (787±15)Ma，MSWD=0.48(图4)。

表1 咸水沟二长花岗岩(PM001-28TW)锆石U-Pb定年数据

图4 二长花岗岩锆石U-Pb年龄谐和图(左)和加权平均年龄(右)

4 岩石地球化学特征

采集5件新鲜的咸水沟新元古代二长花岗岩样品进行岩石地球化学分析，分析工作在中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所多金属矿综合利用评价重点实验室完成，结果见表2。样品高SiO2，属酸性岩类，低TiO2，富Al2O3，里特曼指数σ为1.21～2.24，富碱，低镁。SiO2-K2O图解(图5)显示出钙碱性-高钾钙碱性系列特征，A/CNK-A/NK图解(图6)表现为过铝质的特征。综上新元古代咸水沟二长花岗岩体具有高硅、富碱、低镁、铝质的钙碱性花岗岩特征。

表2 二长花岗岩全岩主量元素、微量元素分析结果及特征参数

图5 二长花岗岩SiO2-K2O图解[27-28]

图6 二长花岗岩A/CNK-A/NK图解[29]

样品均具有相似的稀土配分模式(图7)，模式曲线显示LREE相对于HREE富集，LREE/HREE值为12.73～17.35，(La/Yb)N值为15.20～23.28，轻重稀土高度分异，(La/Sm)N比值为3.14～4.22，轻稀土分馏较大。δEu值为0.23～0.72，为负Eu异常。样品的原始地幔标准化微量元素蛛网图(图8)具有明显的右倾特征，可以看出Rb、Th、La富集，Nb、P、Ti、Sr亏损。

图7 二长花岗岩球粒陨石标准化稀土元素配分型式图[30]

图8 二长花岗岩原始地幔标准化微量元素蛛网图[31]

5 讨论

5.1 岩石成因

花岗岩成因类型通常分为I型、S型、A型和M型，本研究的样品没有表现出过碱性特征，不同于A型花岗岩[32]，具有高硅、过铝、低钛、贫镁、钙碱性-高钾钙碱性系列特征， A/CNK>1.05，说明新元古代咸水沟二长花岗岩属S型花岗岩[33]，在ACF图解中样品也多落在S型花岗岩区域(图9)，A/MF-C/MF图解(图10)显示样品多来源于变质杂砂岩和变质泥岩的部分熔融，与基性岩的部分熔融没有关系，这与样品具有低的Mg#值相一致，也反映出样品具有以沉积岩为源岩的S型花岗岩特征。低Mg#值与明显的负Eu异常，可能与斜长石的分离结晶作用有关[34]。

图9 二长花岗岩ACF图解[33]

图10 二长花岗岩A/MF-C/MF图解[35]

综上，咸水沟二长花岗岩为S型花岗岩，其岩浆源区为古老下地壳杂砂岩和泥质岩。

5.2 构造环境分析

北山地区位于西伯利亚板块、塔里木板块和哈萨克斯坦板块接触部位，大地构造位置十分特殊。研究区北部为红石山蛇绿岩带，南部为红柳河—洗肠井—牛圈子蛇绿岩带，既发育有前寒武纪大陆基底，也有板块俯冲造山作用形成的花岗岩。咸水沟二长花岗岩属S型花岗岩，一般认为S型花岗岩产生于同碰撞和后碰撞的构造背景，但是没有相关高级变质作用指示新元古代该地区发生过碰撞造山作用，因此，咸水沟二长花岗岩产生的构造环境应该不是同碰撞或后碰撞背景下的伸展环境[36]。花岗岩的主要化学成分可以有效判定其形成的大地构造环境。Maniar等[37]按花岗岩形成时的构造环境，将花岗岩分为岛弧花岗岩类、大陆弧花岗岩类、大陆碰撞花岗岩类、造山后花岗岩类、与裂谷有关的花岗岩类、陆内造陆抬升花岗岩类和大洋斜长花岗岩类，其中前4类为造山花岗岩类，其余为非造山花岗岩类。在K2O-SiO2图解(图11(a))中，样品投影点落入非大洋斜长类型花岗岩区域； 在(TFeO+MgO)-CaO图解(图11(b))中，样品投点落在造山花岗岩区域； 在山德指数图解(图11(c))中样品投影点2个落入大陆碰撞花岗岩区域，3个落入大陆碰撞花岗岩、大陆弧花岗岩和造山后花岗岩的重合区域，综上认为新元古代咸水沟二长花岗岩属于Maniar花岗岩分类中的大陆碰撞花岗岩； 在R1-R2构造环境判别图解(图11(d))中，样品投影点落入同碰撞和造山后区域，但其亏损Nb、Ta、Sr等，与板内形成的A型花岗岩又明显不同，本研究认为新元古代咸水沟二长花岗岩形成于大陆碰撞构造环境。

5.3 形成时代及地质意义

1∶25万马鬃山幅区域地质调查工作认为咸水沟侵入岩体时代为泥盆纪[25]，本文对其中的二长花岗岩进行锆石U-Pb测年，获得206Pb/238U年龄加权平均值为(787±15) Ma，指示咸水沟二长花岗岩形成于新元古代。

在东天山—北山地区已有部分新元古代花岗岩的报道(表3)，对比发现，新元古代花岗岩在整个东天山—北山地区广泛发育，该时期花岗岩在天山、塔里木周缘、柴达木北缘、祁连、准噶尔周缘也有发现，同时该期岩浆活动也可以在全球范围内对比[45]，综合认为包括明水—旱山地块在内，北山地区在新元古代属于Rodinia超大陆的一部分，位于Rodinia超大陆边缘，可能代表了Rodinia超大陆裂解后，西伯利亚、塔里木和哈萨克斯坦板块发生汇聚碰撞作用对应的构造-岩浆-热事件。

表3 东天山—北山地区部分新元古代花岗岩类年龄统计[39-46]

6 结论

(1)北山咸水沟二长花岗岩的时代应为新元古代，锆石206Pb/238U年龄值为(787±15) Ma。

(2)二长花岗岩具有高硅、富碱、低镁、贫钛、过铝质的钙碱性-高钾钙碱性系列特征，岩石地球化学指示其属于S型花岗岩，其岩浆源区应为古老下地壳杂砂岩和泥质岩。

(3)新元古代二长花岗岩形成于大陆碰撞构造环境下，位于Rodinia超大陆边缘，该时期北山地区发生了板块碰撞。

致谢：本论文研究工作的开展和撰写得到了中国地质调查局西安地质调查中心、甘肃省地质调查院等单位专家的指导和帮助，审稿专家和编辑对本文提出了宝贵的建议，一并表示感谢。