新疆西天山温泉岩体群LA-ICP-MS锆石U-Pb定年及其地质意义

2022-05-31孟令华马明永崔庆岗

地质与勘探 2022年3期

孟令华，马明永，崔庆岗

(1.中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东泰安 271000；2.山东省煤田地质规划勘察研究院，山东济南 250104)

0 引言

1 区域地质背景及岩体特征

研究区所在的别珍套山东段温泉县城南部地区，大地构造位置处于天山兴蒙造山系之伊宁-中天山地块之赛里木陆缘盆地之赛里木地块(潘桂棠等，2009)(图1)。温泉群是赛里木地块中出露的最古老的地质体，是天山结晶基底的组成部分(胡霭琴等，1999；Wang et al.，2006)。区内构造发育，褶皱构造以向斜为主，早期褶皱行迹由于强烈的构造置换作用而破坏，无根褶皱发育，后期变形变质分异作用较强，发育固态流变褶皱，反映多期次变形的特点(孟令华，2021)。区内断裂构造多为元古代形成的基底断裂，断裂展布方向以近东西向、北东东向为主，北西向次之。

图1 西天山温泉县城南部区域大地构造略图(a)及侵入岩分布地质简图(b)

该区侵入岩主要侵位于古元古代滹沱纪温泉群变质岩(HtW)，呈近东西向平行山系走向及区域构造走向延伸，由空间上密切“群居”的岩体群组成(图1)。本文根据野外地质调查和最新的锆石U-Pb测年数据将该套岩体解体为青白口纪和奥陶纪2个侵入期。

青白口纪侵入岩(ηγQb)主体岩性为灰白色中细粒二长花岗岩，分布于提斯比力依东、哈布特乌兰一带(图2)，呈岩株、岩枝、岩瘤状产出，与围岩接触界线较清楚，多呈波状、港湾状、锯齿状，由6个岩体组成，出露面积约8.61 km2；岩体平行于温泉群接触带方向可见少量大块变质围岩残留体，仍保持与围岩一致的走向及变形特征。奥陶纪侵入岩主要分布于蒙克、夏纳克一带(图2)，近东西向呈岩株、岩枝状产出，侵位于温泉群变质岩(HtW)及青白口纪中细粒二长花岗岩(ηγQb)中。根据岩石类型及锆石U-Pb测年数据将其划分为2个侵入阶段。第一侵入阶段(δοOa)岩性为深灰色-灰绿色闪长岩、石英闪长岩，呈长条状、椭圆状东西向展布，由4个岩体组成，出露面积约14.03 km2，岩体中混入大量后阶段花岗闪长岩，呈脉状、透镜状，顺岩体节理面方向贯入，局部可见与后阶段花岗闪长岩体形成的黑白相间的似斑马状构造。第二侵入阶段(γδOb)岩性为灰色-灰白色花岗闪长岩，呈条带状东西向展布，侵入于温泉群变质岩中，由5个岩体组成，出露面积约10.86 km2，岩体中可见少量大块变质围岩残留体及前期次的二长花岗岩及闪长岩捕掳体，受动力变质作用影响，部分岩石破碎，呈碎裂结构。

图2 夏纳克-哈布特乌兰附近岩体(a)及蒙克-提斯比力依附近岩体(b)剖面示意图

2 样品特征与测试方法

2.1 样品特征

本次工作在温泉县城南别珍套山东段提斯比力依东、哈布特乌兰一带温泉岩体群中采集了4件样品进行LA-ICP-MS锆石U-Pb定年研究，采样位置见图1。4件样品分别为灰白色中细粒二长花岗岩(编号TW0011/1，位置：N44°56′03.56″，E81°07′32.04″)、深灰色中细粒闪长岩(编号TW0012/1，位置：N44°55′45.56″，E81°06′54.58″)、灰色中细粒石英闪长岩(编号TW0021/1，位置：N44°57′20.77″，E81°01′55.83″)、浅灰色细中粒花岗闪长岩(编号TW0024/1，位置：N44°56′22.64″，E81°01′59.04″)。其镜下岩石学特征如下：

灰白色中细粒二长花岗岩：中细粒花岗结构(图3a)，块状构造。岩石由斜长石(45%±)、钾长石(30%±)、石英(25%±)组成。斜长石：呈半自形板状-它形粒状，粒径一般为0.2～2.0 mm的细粒，2.0～2.5 mm的中粒次之，杂乱分布，可见聚片双晶和卡钠复合双晶，粒间可见细粒变晶集合体，大部分颗粒呈不均匀绢云母、高岭土和碳酸盐化。钾长石：它形粒状，可见条纹长石和微斜长石，粒径一般为0.2～2.0 mm的细粒，2.0～2.5 mm的中粒次之，粒间可见板条状斜长石，轻微高岭土化，多数呈单晶状分布，可见细粒集合体。石英：呈它形粒状，粒径一般为0.2～2.0 mm的细粒，它形粒状变晶集合体分布在其他大颗粒之间，显波状、带状消光，边缘呈齿状、缝合线状。岩内见少量绿泥石，集合体呈扇状，粒径一般0.03～0.05 mm，但偏光下呈黄色，呈堆状沿矿物裂隙分布。岩内可见矿物晶体边缘的细粒化和双晶的弯曲现象，推测原岩可能受到应力作用。

深灰色中细粒闪长岩：中细粒半自形粒状结构(图3b)，块状构造。岩石由斜长石(60%～65%)、角闪石(25%～30%)、黑云母(5%±)和石英(5%±)组成。斜长石：半自形板状，粒径一般为0.25～2.0 mm的细粒，2.0～3.5 mm的中粒次之，杂乱分布，可见聚片双晶和卡钠复合双晶，可见环带构造，大部分颗粒被绢云母和黝帘石不均匀交代。角闪石：半自形长柱状，粒径一般为0.25～1.8 mm的细粒，杂乱分布，部分颗粒被纤状次闪石交代呈假象，少量颗粒绿帘石交代呈假象。黑云母：叶片状，片径0.2～1.0 mm，多被绿泥石交代，局部析出铁质。石英：它形粒状，粒径0.1～0.75 mm，可见细粒单晶，充填状零星分布在斜长石粒间。

图3 温泉岩体群侵入岩显微照片

灰色中细粒石英闪长岩：中细粒半自形粒状结构(图3c)，块状构造。岩石由斜长石(60%±)、钾长石(5%～10%)、角闪石(10%～15%)、黑云母(1%～5%)和石英(15%～20%)组成。斜长石：半自形板状，粒径一般为0.25～2.0 mm的细粒，2.0～4.5 mm的中粒次之，杂乱分布，可见聚片双晶和卡钠复合双晶，可见环带构造，大部分颗粒被绢云母和黝帘石不均匀交代。钾长石：半自形板状，粒径一般为0.25～1.6 mm的细粒，星散分布，多见微斜长石，被高岭土不均匀交代。角闪石：半自形长柱状，粒径一般为0.25～1.8 mm的细粒，杂乱分布，部分颗粒被纤状次闪石交代呈假象，多数颗粒绿帘石交代呈假像。黑云母：叶片状，片径0.2～1.8 mm，多被绿泥石交代，局部析出铁质。石英：它形粒状，粒径多为0.1～2.0 mm的细粒，2.0～3.2 mm的中粒较少，可见细粒单晶零星分布在斜长石粒间。

浅灰色轻碎裂状细中粒花岗闪长岩：变余细中粒花岗结构(图3d)，块状构造。岩石由斜长石(50%～55%)、钾长石(10%～15%)、石英(20%～25%)和暗色矿物假像(10%～15%)组成。斜长石：半自形板状，粒径一般为2.0～5.0 mm的中粒，0.25～2.0 mm的细粒和5.0～6.0 mm的粗粒次之，杂乱分布，可见聚片双晶和卡钠复合双晶，偶见环带构造，大部分颗粒被绢云母和碳酸盐不均匀交代。钾长石：半自形板状-它形粒状，可见条纹长石和微斜长石，粒径一般为2.0～3.5 mm的中粒和0.2～2.0 mm的细粒，内部嵌布板条状斜长石和它形粒状的石英，轻微高岭土化，多数呈单晶状分布，边缘细粒化。暗色矿物：它形粒状，粒径一般为0.25～2.0 mm的细粒，多在裂隙分布，均被次闪石和绿帘石交代，部分呈假像。石英：粒径多为0.1～2.0 mm的细粒和2.0～3.5 mm的中粒，呈它形粒状，颗粒多显波状、带状消光，边缘呈齿状、缝合线状。

2.2 测试方法

每件锆石U-Pb定年样品采集重量约10 kg，经过粉碎后，于双目镜下挑选出晶形和透明度较好的锆石单矿物，将其粘贴在环氧树脂表面，待环氧树脂充分固化后，打磨至锆石中心，进行抛光处理，使锆石内部完全暴露出来。用装有阴极荧光探头的扫描电镜进行阴极发光显微照相(CL)，了解锆石内部结构，并选取合适的测点位置。阴极发光显微照相、LA-ICP-MS法锆石微区原位U-Pb同位素年龄测定由中国冶金地质总局山东局测试中心完成。样品检测设备采用Thermo iCPAQ电感耦合等离子体质谱仪和GeoLas Pro 193 nm准分子激光器，并采用标准锆石91500作为外标，元素测量值校正采用NIST SRM 610作外标，29Si作内标，具体实验环境、实验步骤参考李凤春等(2016)。测试数据的处理采用ICP MS Date Cal 4.3(Liu et al.，2008)，利用Andersen(2002)的软件进行普通Pb校正，U-Pb谐和图、锆石加权年龄值计算采用ISOPLOT 3.0软件(Ludwig，2003)。LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析结果见附表1。

3 LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果

对锆石内部结构的分析是合理解释所测年龄的依据，而阴极发光影像是揭示锆石内部结构的有效手段(李建华等，2012)。从样品的显微镜下观察和锆石CL图像可见：TW0011/1样品的锆石呈浅玫瑰色，棱角-次棱角柱状、长柱状，金刚光泽，透明，大小以0.05～0.15 mm为主，次为0.16～0.25 mm，长宽比1:1～1:3，延长系数主要为1.5～3，少数含气液包体。TW0012/1、TW0021/1、TW0024/1样品的锆石呈浅玫瑰色、浅黄色，呈棱角-次棱角柱粒状、次棱角柱状，金刚光泽，透明，大小以0.05～0.15 mm为主，次为0.16～0.25 mm，长宽比1:1～1:3，延长系数主要为1.5～3，少量含气液、暗色包体。

所有样品锆石均发育较清晰的内部结构和明显的岩浆震荡环带(图4)，表明锆石为岩浆成因(Belousova et al.，2002；柏治安等，2020)。TW0011/1样品有25个测点，Th的变化范围为(19.6～375)×10-6，U的变化范围为(110～1457)×10-6，除测点1外，Th/U值为0.14～1.19。TW0012/1样品有25个测点，Th的变化范围为(33.2～1251.8)×10-6，U的变化范围为(84.1～835.3)×10-6，除测点22外，Th/U值为0.23～1.52。TW0021/1样品有25个测点，Th的变化范围为(28.3～467.5)×10-6，U的变化范围为(63.9～1040.7)×10-6，Th/U值为0.28～0.89。TW0024/1样品有25个测点，Th的变化范围为(140.3～478.6)×10-6，U的变化范围为(228.6～524.2)×10-6，Th/U值为0.60～0.91。因此，所有锆石样品的Th/U值多在0.14～1.52间，大于0.1，且Th与U具有较好的相关性，进一步暗示其为岩浆成因(Pupin，1980；孟令华等，2020)。

图4 锆石CL图像及测点位置

TW0011/1样品25个测点中有11个测点的年龄值偏离谐和线，其中测点3、7、9、12、19的年龄值较老(1245～1500 Ma)，可能为变质岩混合岩化作用残留锆石②；测点11、15、16、18、20、22给出的年龄值偏低，偏离谐和线，其中11、15、18、22点年龄值702～781 Ma，16、20点年龄值409～439 Ma，依前文所述，该二长花岗岩样品可能受轻微变质作用影响，发生不同程度的放射性成因铅的丢失，不能代表准确的年龄信息(李曙光等，1994)。其余14个测点位于谐和线附近(图5a)，206Pb/238U加权平均年龄为884±6 Ma(MSWD = 0.23)，该年龄可代表该区中细粒二长花岗岩体的结晶年龄。

图5 锆石U-Pb年龄谐和图

TW0012/1样品25个测点中有3个测点(测点3、17、22)的年龄值明显偏离谐和线，可能为捕获锆石或继承锆石的年龄，不参与计算，其余22个测点均位于谐和线附近(图5b)，206Pb/238U加权平均年龄为465±3 Ma(MSWD=0.41)，该年龄可代表区内闪长岩的成岩年龄。

TW0021/1样品25个测点中有3个测点(测点9、10、11)的谐和度较低，且206Pb/238U与207Pb/206Pb、207Pb/235U年龄值差别较大，不参与计算，其余22个测点均位于谐和线附近(图5c)，206Pb/238U加权平均年龄为464±3 Ma(MSWD=0.094)，可代表区内石英闪长岩的成岩年龄。

TW0024/1样品25个测点中有1个测点(测点19)的谐和度较低，且206Pb/238U与207Pb/206Pb、207Pb/235U年龄值差别较大，不参与计算，其余24个测点均位于谐和线附近(图5d)，206Pb/238U加权平均年龄为452±3 Ma(MSWD=1.5)，可代表区内花岗闪长岩的成岩年龄。

4 讨论：地质意义

大量的野外地质调查及同位素测年资料为查明研究区侵入岩的形成时代及地质演化历史提供了重要依据。

本文所测温泉岩体群中细粒二长花岗岩(TW0011/1)的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为884±6 Ma，定位为新元古代青白口纪，与胡霭琴等(2010)于温泉县城南夏勒巴克特科克萨依沟和库拉尔别景真沟采集的粗粒片麻状花岗岩的SHRIMP年龄值919±6 Ma、904±13 Ma相近，且与李孔森等(2013)于温泉县城西29 km处采集的花岗片麻岩的锆石SHRIMP年龄值907±11 Ma亦相近，表明研究区在新元古代存在一期重要的岩浆作用。通过分析前人资料，天山各地段均存在新元古代早期花岗岩浆活动记录(表1)，基于同位素组成特征和岩石元素地球化学特征，这些花岗岩多数具有大陆边缘岩浆岩的特征。另外，在新疆塔里木盆地北缘存在着与天山同时代的新元古代早期花岗岩(胡霭琴等，1997，2006；Xu et al.，2009；王飞等，2010)，并且有学者认为塔里木板块在中新元古代曾经是Rodinia超大陆的一部分(陆松年，1998；Zhan et al.，2007；Lu et al.，2008)。Rodinia超大陆是中元古代晚期-新元古代早期由于格林威尔造山运动形成的，在新元古代晚期逐步裂解的一个超大陆，它的形成和裂解影响新元古代全球构造演化(陆松年，1998)，约1000～820 Ma新元古代青白口纪早期的中国洋陆分布正是受此全球Rodinia超大陆汇聚构造环境的影响(张克信等，2018)。因此，包括研究区在内的天山地区同塔里木板块在新元古代早期可能均参与Rodinia超大陆的汇聚，并构成其一部分。

表1 天山不同地区新元古代岩浆岩年龄一览表

本文所报道的温泉岩体群中细粒闪长岩(TW0012/1)、中细粒石英闪长岩(TW0021/1)、细中粒花岗闪长岩(TW0024/1)的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分别为465±3 Ma、464±3 Ma和452±3 Ma，定位为早古生代奥陶纪，为一套准铝质-过铝质钙碱性岩石，形成于洋壳俯冲作用下的火山弧环境(孟令华，2022)。本文获得的年龄值与李孔森等(2013)从侵入温泉岩群变质岩中的粗粒闪长岩中获得的锆石SHRIMP年龄值452±7 Ma相近。另外，胡霭琴等(2008)在温泉县城南部温泉岩群中采集了粗、中粒斜长角闪岩样品，其形成年龄为455.1±2.7 Ma和451.4±5.4 Ma(SHRIMP U-Pb定年)。这些年龄值的一致性说明研究区存在早古生代岩浆作用，这对认识中亚造山带及天山地区古生代构造演化具有重要意义。与新元古代花岗岩相似的是，奥陶纪岛弧岩浆岩在天山其它地区亦均有发育(表2)。基于同位素组成特征和岩石元素地球化学特征，大部分学者认为这些早古生代侵入岩多数具有岛弧钙碱性岩石的特征，形成于岛弧或活动大陆边缘区，与天山古生代洋盆俯冲作用有关(表2)。西天山地区在经历了新元古代Rodinia超大陆形成与裂解的发展过程后，在早古生代奥陶纪进入多陆块及多岛弧型的古亚洲洋演化阶段(左国朝等，2008)，本文锆石U-Pb测年数据为古亚洲洋在奥陶纪的消减机制提供了新的年代学证据。