东准噶尔卡拉麦里晚古生代岩石圈“阶段式”拆沉机制

张治中，张博文，冯京，陈川，高丹

摘  要：东准噶尔是中亚造山带在新疆北部区域的重要组成单元，是晚古生代岩浆剧烈活动的区域，以发育卡拉麦里巨量富碱花岗岩带为主要特征，也是中亚造山带发育年轻地壳的典型地区。通过分析该地区巨量深成岩浆岩来重塑岩石圈拆沉作用及新生地壳生长机制成为新的研究热点。近年来，众多学者对卡拉麦里岩带内的6个主要岩体的岩相学、岩石地球化学、年代学及Nd-Hf同位素进行大量研究，认为该地区深成岩浆活动主要集中于330～280 Ma之间，形成于后碰撞伸展环境。由新生下地壳部分熔融演化，派生的大规模A2型花岗岩是研究该地区岩石圈拆沉作用最重要的岩石探针。结合前人研究成果综合得出，该岩带6个岩体的花岗岩自西北向东南，存在岩浆结晶年龄逐渐年轻，就位深度变大，岩浆分异程度降低，且岩浆条件由还原-中等还原性向氧化性过渡的空间差异性，这种差异暗示该地区晚古生代岩石圈减薄可能是由西北向东南诱发的“阶段式”拆沉机制造引起。

关键词：东准噶尔;卡拉麦里花岗岩带;A型花岗岩;“阶段式”拆沉作用

拆沉作用是重要的地球动力学过程，是指岩石圈地幔因软流圈侵入而与上覆地壳剥离的过程，其直接主导下地壳及岩石圈地幔向软流圈陷落[1]，并引起软流圈地幔物质上涌，与下地壳、岩石圈地幔发生物质交换，诱发一系列拆沉效应：如岩浆活动、地壳抬升、构造松弛及造山带垮塌等[2-6]。由于人们对拆沉作用过程难以直接观察，而相应的大规模岩浆作用产物及岩石圈地球物理约束却是记录拆沉作用的最佳证据[1-3，6，7]，其中后碰撞伸展环境下形成的巨量花岗岩带是拆沉作用引发岩浆活动的直接产物，故广泛发育的A型花岗岩是研究造山带拆沉作用及新生地壳生长最重要的岩石探针[8]。

新疆东准噶尔地区卡拉麦里花岗岩带是一个NW向巨大岩基，由晚古生代330～280 Ma的后碰撞环境岩浆事件引发[9]，被认为是准噶尔陆块东缘晚古生代陆壳生长的重要证据[10-24]。拆沉作用与新生地壳生长息息相关，东准噶尔晚古生代卡拉麦里花岗岩带显示该区域存在强烈的拆沉作用，且该岩带中A型花岗岩自西向东具多样性，在岩相学、岩石地球化学、形成时限等方面存在一定差异性，暗示该地区受特殊的岩石圈拆沉机制约束。因此，本文对该岩带A型花岗岩进行系统对比研究，以期厘定准噶尔板块东缘晚古生代岩石圈减薄的拆沉机制，同时深化对中亚造山带岩石圈拆沉作用认识，为新生地壳生长时限、形成机制等一系列科学问题提供依据。

1  区域地质背景

东准噶尔造山带位于准噶尔盆地东北缘，是中亚造山带西南部极为重要的构造单元，毗邻阿尔泰及天山造山带。该区域自北向南分为3个主要构造单元：①额尔齐斯断裂带。该带北侧是阿勒泰造山带，南侧为东准噶尔构造带;②扎河坝-阿尔曼蛇绿岩带。该带就位于乌伦古断裂南侧，为形成于晚寒武—早奥陶纪的古洋盆洋壳残片[25-26];③卡拉麦里构造带。该带位于东准噶尔最南侧区域，以卡拉麦里断裂带为界与准噶尔盆地分割，主要由北部的晚古生代卡拉麦里花岗岩带及南部的晚志留—早泥盆世卡拉麦里蛇绿岩带组成 （图1）[27-28]。

卡拉麦里构造带内主要出露两套地层，一套是被认为代表活动大陆边缘弧环境的中泥盆统北塔山组，主要岩性为玄武安山岩、流纹质火山角砾岩及凝灰质砂岩[29];另一套地层是具板内火山岩性质的下石炭统松喀尔苏组，主要岩性为中基性火山岩夹中酸性火山凝灰岩[30]。另外，该区域内新发现出露少量粗粒碎屑岩地层，被定义为上泥盆统克安库都克组磨拉石建造[30]。

早石炭世开始，准噶尔洋开始闭合，西伯利亚板块与哈萨克-准噶尔板块发生陆陆碰撞[31]。随后，在晚石炭—早二叠世期间，东准噶尔地区发生广泛强烈的构造-岩浆事件，后碰撞岩浆活动主要集中于330～310 Ma及305～280 Ma两个峰期[9]。卡拉麦里构造带形成一系列规模各异的花岗岩岩体，最终组成一条NW向延伸长约130 km的花岗岩带，总体面积可达1 068 km2，构成区内规模最大的富碱花岗岩岩基[9，32-33]。该巨大花岗岩带自西向东依次由327 Ma的卡姆斯特岩体、314～309 Ma老鸦泉岩体（未发表）、306～283 Ma 的贝勒库都克岩体、313～306 Ma的萨北岩体、巴勒巴朵依岩体、305～300 Ma的黄羊山岩体及304 Ma的苏吉泉岩体等多個大小不一的岩体组成[13，14，16， 19， 24， 27，34-36]。

2  岩石地球化学特征

本文收集前人对带内6个主要出露岩体（自西向东依次为卡姆斯特、老鸦泉、贝勒库都克、萨北、黄羊山、苏吉泉）的岩石地球化学数据，并与该岩带北侧乌伦古断裂带南侧的乌图布拉克岩体进行对比（表1）。主量元素结果显示，该岩带花岗质岩石SiO2含量总体为71.38%～79.83%，全碱Na2O+K2O为6.61%～10.37%，Al2O3为7.68%～12.98%，Fe2O3介于0.04%～2.61%，总体呈现高硅、碱性-过碱性、准铝质-弱过铝质、贫钙镁特征，明显区别于该岩带北部乌图布拉克岩体（360 Ma）SiO2（62.09%～74.82%），全碱Na2O+K2O（6.81%～9.52%），Al2O3（12.68%～16.6%）及TFeO（1.6%～5.06%）的地球化学特征[37]。由TAS图解可知，该岩带花岗质岩石几乎均集中投点于花岗岩区域（图2-b）。从AR- SO2图解可知，岩带样品数据分散投点于碱性-过碱性的宽泛区域，东部黄羊山岩体显示强烈过碱性，区别于其他岩体集中分布于碱性区域。由图2-c可见，卡拉麦里岩带内花岗岩均集中投点于明显铁质花岗岩系列内，不同于乌伦古断裂南侧的乌图布拉克岩体镁质花岗岩系列。从A/NK-A/CNK图解可看出（图2-a），该岩带样品投点于过碱质-弱过铝质区域内，东部黄羊山、苏吉泉岩体多为过碱质系列，有别于西部弱过铝质的卡姆斯特及老鸦泉岩体。

由微量元素数据可知（表1），卡拉麦里岩带花岗岩样品整体强烈亏损Sr，Ba，Eu，Sc元素，富集Hf，Rb，Y，Zr元素，明显区别于邻区乌图布拉克岩体（图3-a，b），其中Ba含量为2.53×10-6～609.0×10-6（均值1.56×10-6），Sr含量为2.60×10-6～342.0×10-6（均值26.60×10-6），Rb含量为26.9×10-6～735.0×10-6（均值343.64×10-6），Zr含量为80.4×10-6～947.0×10-6（均值194.83×10-6），10000Ga/Al比值为1.71～6.42（4.12>2.6），Y/Nb比值为1.34～10.42（5.87）K/Rb比值为50.83～351.89（均值147.35）。该岩带内的花岗岩样品∑REE为86.92×10-6～343.51×10-6（均值169.90×10-6），LREE/HREE值为1.23～10.32（均值3.37），LaN/YbN=0.05～1.0（均值0.25），δEu值为0.02～1.65（均值0.11），由稀土元素分布图可知（图3-c），曲线均呈微弱左倾，强烈负铕异常的深“V”型（两组苏吉泉数据除外），与乌图布拉克岩体平坦且略微正铕异常的分布曲线区别明显。总体来说，该岩带6个岩体花岗岩样品的微量、稀土元素分布曲线趋势基本一致，显示其地球化学性质相近，指示可能产于同一岩浆源区。

3  讨论

3.1  岩石成因

基于卡拉麦里岩带花岗岩体野外分布及各岩体花岗岩侵位的接触关系，结合地球化学亲缘性及Nd-Hf同位素特征及前人年代学研究结果（图2，3，表1），本文认为该岩带花岗质岩石为330～280 Ma期间同一个构造-岩浆事件的产物，可整合进行成因及构造背景讨论，并进行下一步对比分析。

众多国外学者认为，高硅、高FeOt/MgO值，富F，Ga，HFSE（Zr，Hf，Nb，Ta，Y，REE）元素，且明显亏损CaO，Cr，Ni及Sr元素，是厘定A型花岗岩的重要地球化学证据[42-44]。可看出，卡拉麦里岩带内花岗岩高硅（71.378%～79.830%），高10000Ga/Al比值（4.12>2.6）[46]，富Zr（80.4×10-6～947.0×10-6），Hf（3.51×10-6～22.3×10-6），REE（86.92×10-6～343.51×10-6）及贫CaO，MgO，Sr元素（均值26.60×10-6）特征与A型花岗岩十分相近。另据Na2O+K2O-10000*Ga/Al图解可知（图4）[45，46]，卡拉麦里岩带6个岩体样品均投点于A型花岗岩区域内，成因属性上与被认为是I-S过渡型花岗岩的乌图布拉克岩体具明显区别 [47]。

另外，以下证据可进一步识别卡拉麦里岩带内花岗质岩石主体为A型花岗岩系列：①A型花岗岩主要为铁质高硅系列[40]。有较高FeOt含量及FeOt/（FeOt+MgO）比值[46]，区别于I型花岗岩或高分异I型花岗岩的FeOt<1.0%。卡拉麦里岩带花岗岩的FeOt均>1.0%（除贝勒库都克岩体），且FeOt/（FeOt+MgO）=0.92（均值），显示 A型花岗岩亲缘性;②强烈亏损Sr通常是A型花岗岩区别于I型、高分异I型花岗岩识别标志[48]。卡拉麦里岩带花岗岩Sr元素含量为2.60×10-6～342.00×10-6（26.60×10-6），明显低于典型I型花岗岩[49];③卡拉麦里岩带花岗岩（除苏吉泉1组数据）极度亏损Eu，显示强烈负铕异常（δEu均值0.11），也被认为是约束于A型花岗岩系列最重要的地球化学指示[42，43，50，51];④该岩带花岗岩锆石Ti饱和温度为775°C ～1013°C（均值845°C），明显高于高分异I型花岗岩的平均值764°C[52]，且其部分熔融形成于岩浆源区的初始温度也高于845°C[42，53]。总体上，卡拉麦里岩带内花岗岩多数显示A型花岗岩属性，虽部分岩体（老鸦泉、苏吉泉、黄羊山岩体）显示局部高分异I型花岗岩地球化学特征，但整体约束于A型花岗岩系列内，明显区别于该带北侧360 Ma的I-S过渡型乌图布拉克岩体。

3.2  构造背景

从Ce/Nb-Y/Nb及Yb/Ta-Y/Nb辨别图解可看出（图5-a，b），卡拉麦里岩带6个岩体的样品绝大多数投点于岛弧玄武岩（IAB）及A2区域，显示该岩带A型花岗岩可划分为A2型花岗岩亚类，岩浆源区可能形成于俯冲作用或陆-陆碰撞背景，區别于乌图布拉克岩体投点的洋岛玄武岩（OIB）区域。同时，卡拉麦里岩带花岗岩具高Y/Nb比值（1.34～10.42），均值5.8>1.2[24]，与A2型花岗岩特征一致[46，54]，暗示这些花岗岩形成于后碰撞构造背景的伸展环境。另外，SiO2-Al2O3及Rb/30-Hf-3×Ta构造辨析图解直接指示该岩带西部花岗岩主体形成于后碰撞环境（图5-c，d），而东部花岗岩则多数投点于“非造山”拉张环境或火山弧环境，指示意义较模糊。

目前东准噶尔区域地质证据表明，中泥盆世开始东准噶尔地区发生强烈的造山运动[26，28，55]，随后从晚石炭世起，一直持续到早二叠世，该地区南部沿卡拉麦里深大断裂出现强烈的岩浆活动。结合该带内花岗岩εNd（t）正值（+1～+8）及εHf（t）极高正值的Nd-Hf同位素特征[56]（图6），如卡姆斯特岩体εNd（t）为3.5～6.0，εHf（t） 为10.5～15.24[22，24]，贝勒库都克岩体εHf（t）为10.3～13.8[19]，萨北岩体εNd（t）为4.9～5.3[27]，黄羊山岩体εNd（t）为5.7～6.5[36]及苏吉泉岩体εNd（t）为5.9～6.3[13]，可认为以上岩浆事件是由陆-陆碰撞加厚的新生地壳拆沉作用诱发引起，后碰撞背景下该作用直接导致幔源物质的底侵作用及热松弛现象，从而形成一系列高温岩浆熔体上侵，自西北至东南形成巨量的A2型花岗岩体，组成1 068 km2的卡拉麦里花岗岩基。另外，卡拉麦里岩带内出露一系列超基性岩体（329.9～319 Ma）也暗示有早期玄武质岩浆底侵作用的发生[57]。

3.3  “阶段式”拆沉机制

张旗就华北板块北缘发生于170～120 Ma之间的大规模岩浆活动提出华北克拉通岩石圈减薄的大陆下地壳拆沉模式[58]，并指出下地壳拆沉是一个逐步、缓慢的过程，可能在时间空间上呈现“阶段性”特征。同样，在晚石炭—早二叠世期间，东准噶尔地区后碰撞深成岩浆活动主要集中在330～310 Ma和305～280 Ma两个时段[9]，间断持续50 Ma的岩浆作用大致有一个由西向东花岗质岩石结晶年龄逐渐趋于年轻的演化，如最西端324 Ma的卡姆斯特岩体及最东端304 Ma的苏吉泉岩体，暗示有可能存在一个缓慢持续的岩石圈拆沉过程。

对应于岩浆活动时限的演化趋势，卡拉麦里岩带花岗岩自西向东同样存在岩相学及岩石地球化学特征的差异性分布。如：①由Gd/Yb-锆石Ti饱和温度图解可知（图7），卡拉麦里岩带偏西端的花岗岩主要形成于低压、相对浅部的地壳环境，如卡姆斯特、老鸦泉及贝勒库都克岩体，而东端的花岗岩形成于相对高压较深的地壳位置，如萨北、黄羊山及苏吉泉岩体，总体显示岩体侵位西深东浅的差异性;②该岩带花岗岩岩浆分异程度呈由西向东逐渐降低的趋势，从图8-b可看出，西端卡姆斯特、老鸦泉及贝勒库都克岩体投点于高分异区域，而东端萨北、黄羊山及苏吉泉岩体大多数投点于中等分异区间内，少数位于未分异区域，显示岩浆分异程度不一致。同样在岩相学上，也表现出卡姆斯特岩体极高硅且缺乏暗色矿物，而黄羊山岩体富含大量伟晶暗色包体的巨大差别（图7）;③在岩浆还原氧化条件方面，西端的卡姆斯特及贝勒库都克岩体呈现强-中等还原性，与锡矿化关系密切，发育重要锡矿床，而东端的萨北、黄羊山及苏吉泉岩体则显示强烈氧化性（图8-a），与金矿化关系密切，在岩体周围发育大量构造蚀变岩型金矿床[60]。

卡拉麦里地区晚古生代岩浆活动自西向东的空间差异性，可能由晚古生代岩石圈长期的拆沉作用造成，且该作用并不是由岩石圈地壳整体发生，暗示存在一个自西向东的“阶段式”拆沉机制。首先，后碰撞伸展背景下的岩石圈减薄事件先发于该岩带西端较脆弱的下地壳，随后新生地壳部分熔融形成高温贫水熔体进入地壳较浅部位，结晶形成年龄较老的高分异卡姆斯特岩体、老鸦泉岩体等，之后随拆沉作用向东推进，拆沉速率逐渐减低，岩浆逐渐侵位停滞于较深地壳，进而形成晚期含大量暗色包體、分异程度较低的黄羊山、苏吉泉岩体等。

总体来说，该地区早泥盆世晚期—中泥盆世早期（404 Ma）形成的中-高K、中Ti及低Al的北塔山组火山岩地层，显示为洋壳俯冲阶段的陆缘弧环境[29]，且最新识别的上泥盆统磨拉石建造证实，晚泥盆世开始发生大规模造山运动[30]，早石炭世双峰式火山岩沉积地层及上覆扇三角洲沉积地层指示地质进程已由盆地开裂转化为拗陷沉积[30，62]。而后，拉开序幕的伸展事件并未停止，反而持续至晚石炭世，甚至于二叠纪仍有响应。在330～280 Ma持续地伸展作用下[9]，岩石圈发生了大尺度减薄事件，在卡拉麦里构造带内发育出一系列深成花岗岩体，这些A2型花岗岩在空间分布上极具差异性，暗示该地区古老岩石圈自西北向南东可能存在“阶段式”拆沉机制。

4  结论

（1）卡拉麦里岩带花岗质岩石表现出高硅、铁质、碱性-过碱性、过碱质-弱过铝质及贫钙镁的特征，富Hf，Rb，Hf，强烈亏损Sr，Eu，为A2型花岗岩。

（2）卡拉麦里花岗岩带岩浆活动时限大致为320～280 Ma，Nd-Hf同位素显示，源区为晚古生代新生下地壳。

（3）卡拉麦里岩带A2型花岗岩自西向东在空间分布上极具差异性，西部岩体年龄较老，形成于地壳浅部，分异程度高，以还原性为主，与锡矿化关系密切，而东部岩体年龄较新，形成深度较深，分异程度低，具强氧化性，与金矿化关系密切。

（4）准噶尔东缘卡拉麦里构造带晚古生代古老岩石圈可能存在一个自西向东“阶段式”拆沉机制。

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"Stage type" Delamination Mechanism of Late Paleozoic Lithosphere in Kalamaili， East Junggar——Evidence from Isotopic Chronology and Geochemistry of A Type Granite Belt

Zhang Zhizhong1，2， Zhang Bowen1，2， Feng Jing3， Chen Chuan1，2， Gao Dan1，2

1.College of Geology and Mining Engineering Xinjiang University，Urumqi，Xinjiang，830049，China; 2. Laboratory of Continental Dynamics and Metallogenic Prognosis of Central Asian Orogenic Belt， Urumqi，Xinjiang，830049，China;

3.Xinjiang Uygur Bureau of Geology and Mineral Resources， Urumqi，Xinjiang，830000，China）

Abstract：The Eastern Junggar in Northern Xinjiang province is an important component unit of the Central Asian Orogenic Belt， and is a significant area of Late Paleozoic magmatism. It is characterized by the development of Karamari massive alkali rich granite belt， and also a typical area where the Central Asian Orogenic Belt develops juvenile crust. At present， it has become a new research hotspot to reconstruct the lithosphere delamination and the growth mechanism of the juvenile crust by analyzing the huge amount of plutonic magmatite in this area. In recent years， many scholars have done a lot of research on petrography， petrochemistry， geochronology and Nd-Hf isotopes of six main plutons in the Karamari belt. It is concluded that the plutonic magmatism in the area is mainly concentrated in 330-280 Ma. The large-scale A2 type granite formed in the post collisional extensional environment and evolved from the partial melting of the newborn lower crust is the most important rock probe to study the lithospheric delamination in this area. Combined with the results of previous research， it is concluded that there are six granite plutons in the belt from northwest to southeast， with magma crystallization age gradually younger， emplacement depth deeper， the degree of magma differentiation decreasing， and the spatial difference of the transition of magma conditions from reducibility to medium-reducibility to oxidizability. This difference suggests that the lithospheric thinning in the late Paleozoic period may be caused by a “staged” delamination  triggered from west to east.

Key words： Eastern Junggar; Karamari granite belt; A-type granite; Staged delamination