东天山星星峡杂岩构造热年代学研究

王逸琼，朱文斌，罗 梦

内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室，南京大学 地球科学与工程学院，南京 210023

前寒武的变质岩和混合岩富含了地壳长期演化的信息，如岩浆活动、抬升剥露以及地壳尺度的沉降。目前对中天山微陆块的研究集中于同位素定年、岩石地球化学判断成因及源区性质等方面，关于基底形成后的构造演化研究数据较少。中天山地区基底露头为研究基底长期的t-T演化提供了天然场所，通过低温热年代学数据结合锆石U-Pb测年、40Ar/39Ar测年等资料，可以重建从元古代一直到中新生代基底长期演化历史，并讨论其与塔里木以及北山的亲缘性。

1 地质背景

天山造山带位于中亚造山带西南（图1），东起甘肃—新疆交界的星星峡地区，西至哈萨克斯坦境内，东西向延伸超过 3000 公里；其南北分别是塔里木克拉通和准噶尔盆地。中天山以大规模岛弧及增生杂岩为特征，被认为是世界上规模最大的增生造山带之一（Khain et al., 2002; Tomurtogoo et al., 2005; Windley et al., 2007）。地理位置上，通常将东经 90 度以东的天山地区称为东天山（Xiao,2003; Wang et al., 2011）。基于断裂和缝合带的位置，东天山由北向南又可以进一步分为北天山岛弧（NTS）、中天山微陆块（CTS）和南天山缝合带（STS）。中天山微陆块（CTS）大致呈东西向延伸，其北界为阿奇库都克-尾亚断裂，南部以卡瓦布拉克断裂为界，区域内出露的岩石主要有前寒武纪基底岩石和古生代至早中生代的花岗质岩石（图2）（胡霭琴等，1986；胡受奚等，1990;顾连兴等,1990；高振家等, 1993）。

图1 新疆天山构造示意图（据He et al., 2014修改）Fig. 1 Tectonic sketch map of the Chinese Tianshan Belt

中天山地块前寒武纪基底岩石主要由三个部分组成：中元古代早期混合岩化片麻岩、新元古代眼球状片麻岩和一套中元古代晚期变质表壳岩。区内最古老的基底岩石为1.4 Ga的中元古条带状混合岩化片麻岩，前人通过野外观察、镜下观察、锆石U-Pb定年、Hf同位素、微量元素测量等工作表明（胡霭琴, 2006; Lei et al., 2013; 黄河等, 2015;Huang et al., 2014），其具有典型的活动大陆边缘岩浆弧地球化学特征。

星星峡群覆盖在1.4 Ga的条带状片麻岩之上（图3），是由1.3~2.0 Ga和0.8~1.0 Ga 沉积物组成一套变质地层。在研究区大面积出露，主要岩石类型为石英岩、石英片岩、大理岩、斜长角闪岩、副片麻岩和钙硅酸岩。约 0.9 Ga星星峡群被后期的岩浆活动侵入，野外可见明显侵入边界，并在区域内形成了一套新元古代眼球状片麻岩，它们整体与1.4 Ga片麻岩具有一致的近北东走向片麻理。许多学者对这些前寒武纪的正—副变质岩进行了大量的研究工作，认为这些岩石整体经历了角闪岩相到麻粒岩相的变质作用（He et al., 2014, 2015； Mao et al., 2015; Huang et al., 2014）。

图3 星星峡群剖面图AA’Fig. 3 AA’geological section of Xingxingxia Group

卡瓦布拉克群在研究区出露面积有限，岩石类型为粒状大理岩、透辉石大理岩、条带状大理岩、含炭质、硅质碎屑细粒条带状大理岩和石英云母片岩、石英岩、变质灰岩。研究区内可见星星峡群与卡瓦布拉克群接触关系，为不整合接触。

古生界地层主要是石炭系雅满苏组和底坎尔组地层全部出露于研究区西北部沙泉子-阿其克库都克断裂以北，二者为角度不整合接触。岩浆活动以石炭纪和二叠纪为峰期出露面积约占中天山微陆块地表面积的50%。

2 样品采集与结果

研究区采样点分布位置见图2，采样点具体信息见表1。星星峡地区一共采样9块。整体来说星星峡地区采集样品分为两类,一类为以元古代变质基底为主的星星峡群石英片岩、片麻岩和眼球状片麻岩为主，如样品X15-20-1、16XX-6、16WX-6、16WX-7、16WX-10、16WX-13；另一类以区域内大量出露的古生代—三叠纪花岗岩和花岗闪长岩为主，如样品16WX-9(2)、16WX-12、16WX-17(2)。其中，X15-20-1用于白云母40Ar/39Ar测年，16XX-6用于黑云母40Ar/39Ar测年，16WX-6、16WX-7、16WX-9(2)、16WX-10、16WX-12、16WX-13、16WX-17(2)用于磷灰石裂变径迹测年。

表1 星星峡地区样品信息Table 1 Sample information in Xingxingxia region

图2 东天山星星峡地区采样点分布图（据星星峡1:5万变质基底专题地质天图汇报修改）Fig. 2 Samples locations in Xingxingxia region of Eastern Tianshan

2.1 实验方法

本研究的40Ar/39Ar测年在科廷大学氩—氩实验室完成。采用每3~4个样品中间插入一个空白标样，空白样40Ar含量为1×10-16~2×10-16mol。使用110W Spectron Laser Systems Nd：YAG激光器（1064 nm）进行样品的持续加热，在样品上连续扫描1分钟以确保样品温度均匀。同位素比率用M.O. McWilliams编写的Argus程序，在LabView环境中运行获得。原始数据使用ArArCALC软件处理。

磷灰石裂变径迹采用激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱分析（Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，以下简称LA-ICP-MS）法进行年龄测定。样品制备和径迹计数在南京大学裂变径迹实验室完成，磷灰石238U含量的测定在中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室完成，采用Agilent 7900型四极杆电感耦合等离子体质谱仪（Q-ICP-MS）和Resolution M50-LR型ArF准分子激光剥蚀系统（LA），能量密度为2.4 J/cm2，束斑直径为26 μm，频率为10 Hz，剥蚀时间为15秒，标样为NIST 610、NIST 612和Durango磷灰石。本研究对样品16WX-6、16WX-7、16WX-9(2)、16WX-17(2) 4个磷灰石样品进行了电子探针分析，以获得其Cl/F含量。实验在南京大学地球科学学院内生金属矿床成矿机制研究国家实验室完成， 使用 JXA-8100（JEOL）电子探针，探针束流 20 μA，加速电压为 15 kv，电子束斑直径 1 μ，实验标样为来自美国国家标准局的天然矿物、中国标委的合成矿物。

2.2 40Ar/39Ar年龄结果

X15-20-1和16XX-6为采自星星峡群云母石英片岩，由测定的40Ar/39Ar坪谱图可见（图4），X15-20-1坪 年龄为266.46±2.25 Ma。反 等 时线年龄为266.20±2.77 Ma，与坪年龄基本一致。MWSD为1.20，拟合度良好，40Ar/36Ar的初始比值为306.5±41，与现代空气氩比值295.5在存在一定误差，略高的氩比值可能与样品形成年龄太老，形成于地球深部环境有关（Wang et al., 2013）。为了消除这种误差，本研究选择使用反等时线年龄代表40Ar/39Ar体系的实际年龄，即样品X15-20-1的白云母40Ar/39Ar年龄为266.20±2.77 Ma。16XX-6的坪年龄为240.13±1.08 Ma。反等时线年龄为239.74±1.54 Ma，也与坪年龄基本一致。MWSD为1.03，拟合度非常高。而40Ar/36Ar的初始比值为314.7±42.9，仍表现出比现代空气氩比值295.5高，有过剩氩的存在。因此本研究也采用反等时线年龄作为实际年龄，即样品16XX-6的黑云母40Ar/39Ar年龄为239.74±1.54 Ma。

图4 40Ar/39Ar阶段升温年龄谱及反等时线图Fig. 4 40Ar/39Ar age spectra and Inverse Isochron

2.3 裂变径迹年龄结果

一般样品P(X2)（卡方检验数值）大于0.05，则代表样品通过卡方检验，意味着样品为单一组分。野外样品除16WX-9(2)和16WX-10未能通过卡方检验，其余样品全部为单一组分（表2；图5）。16WX-7黑云二长片麻岩，变质变形强烈，采自星星地区最古老的基底岩石为1.4 Ga的条带状片麻岩，中心年龄为91.7±3.5 Ma，P(X2)=0.32，平均径迹13.10 μm，表明其快速通过部分退火带。

图5 星星峡地区地磷灰石裂变径迹结果Fig. 5 Apatite fission track results in Xingxingxia region

表2 星星峡地区样品磷灰石裂变径迹测年结果Table 2 Apatite fission track dating results of samples in Xingxingxia region

16WX-6、16WX-10眼球状片麻岩为星星峡群副变质岩，变质变形强烈，褶皱发育。其中16WX-6中心年龄为70.5±2.3 Ma，P(X2)=0.15通过检测，平均径迹长度为13.45 μm，表明其快速通过部分退火带。16WX-10变形明显，有深熔作用形成的条带，片麻理倾向西北,中心年龄81.2±4.1 Ma，但该样品未通过开方检测。由于该样品没有长度信息而Dpar与年龄大小无相关性，故该样品的单颗粒年龄分散可能是因为样品在部分退火带居留时间较长。

16WX-9（2）采自侵入到古老的星星峡群中古生代花岗闪长岩，该期侵入岩又被新一期花岗岩脉切穿。该样品平均年龄82.2±6.3 Ma，其年龄未通过卡方检测，平均径迹长度为13.70 μm。岩浆岩的裂变径迹年龄如果出现年龄分异，一般因为样品成分差异或者长时间处在部分退火带，但该样品单颗粒Cl/F比值与单颗粒年龄没有明显关系，平均径迹长度又比较长，猜测可能是因为样品包裹体含量比较多，影响数据结果，因此该样品裂变径迹年龄仅供参考。 16WX-12同样采自侵入星星峡岩体的花岗岩，磷灰石裂变径迹年龄为92.5±4.1 Ma，P(X2)=0.14。Wang 等（2010）对此岩体做过详细研究，该岩体的锆石U-Pb年龄为236 Ma，无韧性变形。这表明岩体在三叠纪形成后未经历韧性变形从而限定星星峡地区韧性变形不会晚于236 Ma，之后该岩体在地下缓慢抬升，至晚白垩世（92.5 Ma）抬升至裂变径迹的封闭温度范围内（约地下4 km）。16WX-17（2）为露头较小的黑云母花岗岩。样品中心年龄为84.4±1.9 Ma，P(X2)=0.09，平均径迹长度13.08 μm，表明其快速通过部分退火带。

16WX-13为星星峡群中880~740 Ma的眼球状片麻岩。磷灰石裂变径迹年龄为71.1±2.2 Ma，P(X2)=0.08。

2.4 热史模拟

为进一步确定样品的隆升—剥蚀过程，对星星峡地区基底和岩体样进行了热史模拟（图6）。使用HeFTy软件，根据测得的单颗粒年龄和径迹长度数据，结合地质事件进行模拟，恢复该样品的时间-温度演化轨迹。利用计算机模拟10000次得到最佳拟合曲线。这个样品的封闭径迹全部达到100条，模拟结果可靠度更高，模拟结果如图6。

图6 星星峡地区样品磷灰石裂变径迹Hefty热模拟Fig. 6 Hefty thermal simulation of apatite fission track in Xingxingxia region

四个样品中，16WX-6和16WX-7为星星峡群变质岩，16WX-9(2)和16WX-17(2)为古生代侵入岩。所以本研究起始约束120~200℃范围设置较大，并且都大于裂变径迹最老年龄，而在实测年龄附近给予60~130℃约束。通过热模拟发现，这些样品具有类似的热历史，90 Ma左右经历一次快速冷却事件。

3 讨论

3.1 40Ar/39Ar年龄对比及地质意义

本研究获得的两个星星峡群片岩的40Ar/39Ar年龄为266 Ma、240 Ma，其中黑云母240 Ma的变质年龄与Wang 等（2010）在星星峡韧性剪切带内外得到了的得到白云母、黑云母40Ar/39Ar年龄240~235 Ma一致，代表了星星峡左旋韧性剪切时间。由于时间上与阿尔金断裂同时而且构造样式类似，认为星星峡断裂是阿尔金断裂的北支。星星峡北东向韧性剪切带切割东西向中天山韧性剪切带，说明三叠以前北山和天山是在一起的。那么260 Ma是代表冷却年龄还是记录韧性剪切？一方面，利用40Ar/39Ar热年代学来约束韧性变形发生的时间，是因为其封闭温度与韧性变形发生的温度条件接近，利用40Ar/39Ar年龄在逼近韧性变形发生的时间。但另一方面当发生韧性变形时，较高的温度会重置矿物40Ar/39Ar年龄，在后期冷却过程中会重新记录体系封闭年龄。本质上来说，40Ar/39Ar年龄仍是一个“冷却年龄”。

所以260 Ma的白云母年龄可解释为：

（1）代表韧性变形，由于不同的封闭温度白云母更早记录了韧性变形的时间，说明这期韧性变形时间可能早于260 Ma；或者266 Ma代表了更早一期的韧性变形。从区域上看在星星峡断裂以北，如干沟-阿奇克库都克剪切活动时间就在~267 Ma（Wang et al., 1994; Shu et al., 1998, 1999）同时结合构造变形，在野外也至少可以区分三期变形活动，所以白云母266 Ma代表240 Ma之前一期韧性变形，但这期韧性变形大部分区域仍处在地下深部，仅小范围区域发生隆升。240 Ma发生第二期韧性变形，这一期韧性变形十分强烈，影响地区十分广泛，整个中天山、北天山、北山、阿尔泰地区全部都记录到韧性变形的发生。这一期韧性变形重置了前一期韧性变形的40Ar/39Ar年龄，使得大部分地区结果均为249~239 Ma。蔡志慧（2012）在中天山—北山北缘剪切带中得到白云母坪年龄结果为 367. 6±3.2 Ma，黑云母坪年龄结果为 290.0±2.4 Ma以及二云母石英片岩中白云母坪年龄结果为241.8±1.3 Ma说明中天山—北山北缘剪切带在392~367.6 Ma、290 Ma 和241.8 Ma都曾发生韧性变形。

（2）代表抬升，由于白云母和黑云母40Ar/39Ar两种体系封闭温度仅差20℃（Grove and Harrison，1996; Robbins，1972, Hames and Bowring, 1994)，但却有26 Ma的时差，说明266~240 Ma的降温速率仅为0.769℃/Ma。这个降温速率实际上反映的是相对慢速的隆升—剥蚀才能造成的。这个时期也是中亚造山带的构造活跃期，在其北面有东天山270 Ma的韧性走滑，中天山南缘—星星峡韧性右行走滑剪切带东段阿奇山西面的亚尔沙布拉克的前寒武基底糜棱岩化角闪片岩和采自马鞍桥南的前寒武基底长英质糜棱岩白云母坪年龄为 292.4 ±2.6 Ma和黑云母坪年龄为 298.2±3.0 Ma（许志琴等，2011），40Ar/39Ar年龄结果表明中天山南缘—星星峡剪切带曾在 290~280 Ma活动，其南面有北山300~290 Ma左右的韧性剪切。而此时中天山地块未见任何古生代沉积岩，说明此时中生代地质运动活跃。有学者把天山地区二叠纪时期走滑剪切变形解释为中亚造山带完全拼合之后南部塔里木地块向北楔入或准噶尔地块构造旋转导致的陆内走滑变形事件（Laurent-Charvet et al., 2003；Wang et al., 2011；蔡志慧等,2012）。也有的认为此时处于俯冲，造山带增生过程。

3.2 裂变径迹年龄对比及地质意义

星星峡地区的裂变径迹年龄分布在90~70 Ma，长 度 在12~13 μm之 间 比Gillespie （2017）在 靠近星星峡晚古生代岩体得到磷灰石裂变径迹年龄100~140 Ma略年轻，与磷灰石(U-Th)/He的年龄在107 Ma类似，但其热模拟得到230~180 Ma和130~100 Ma快速冷却吻合，说明了在100 Ma左右的中到快速抬升。同时Gillespie在柳园结合裂变径迹和磷灰石(U-Th)/He年龄，得到了自145 Ma以来与现今大致的速度抬升，而在敦煌大致是在180 Ma开始快速抬升。虽然星星峡的裂变径迹年龄小于北山但二者磷灰石的(U-Th)/He得到了相似的年龄70 Ma（未发表数据）左右，结合热历史模拟，相比较星星峡，北山记录了更早一期230 Ma的冷却时间然后传播到星星峡。

同时在星星峡周缘前寒武基底也得到了相似的年龄。张志勇等（2010）对塔里木西北缘阿克苏前寒武蓝片岩定年，得到裂变径迹年龄为107.5~62.5 Ma，长度10.46~12.12 μm；塔里木盆地东北缘的库鲁克塔格裂变径迹年龄为210.8~67.6 Ma，径迹长度为11.02~12.48 μm和库尔勒铁门关裂变径迹年龄107.4~71.9 Ma，平均径迹长度介于10.15~13.53 μm。朱文斌等（2007）在兴地河剖面元古界兴地塔格群获得裂变径迹年龄146.0±13.4~67.6±6.7 Ma，长度11.79±0.14~13.89±0.27 μm。说明辛格尔、兴地和阔克苏等地基底岩石的最初隆升年代大约是早侏罗纪世，库鲁克塔格却尔却克山奥陶系砂岩的最初隆升年代大约是晚三叠纪世，而库尔勒地区基底岩石最初于早白垩世末隆升剥露于地表。肖晖等（2011）对库鲁克塔格磷灰石裂变径迹测试也得到164~73 Ma, 平均径迹长度分布在 11.5~13.2 μm。这些都说明了区域范围内存在130~100 Ma的构造隆升活动，有学者认为此期受拉萨地块的碰撞拼贴影响或者是与此同时的Mongol-Okhotsk造山运动影响而引发的区域抬升。

4 结论

（1）根据40Ar/39Ar年代学数据，本文认为研究区在260~240 Ma发生了韧性剪切作用，可能代表了北天山洋闭合后，天山地区后碰撞的走滑作用。

（2）结合前人的低温热年代学数据，根据裂变径迹年龄峰可以得 到220~200 Ma的年龄，这可能代表了大洋闭合后的陆内变形或者是羌塘地块拼贴的远程效应导致的剥露；本文得到的90 Ma的快速抬升，可能对应了拉萨地块拼贴的远程效应或者是同时的蒙古—鄂霍茨克造山运动的影响。该区的磷灰石(U-Th)/He 70 Ma的年龄说明了该区同样受到喀喇昆仑或者Kohistan-Dras岛弧拼贴远程影响而发生的构造抬升。