塔里木北缘前寒武纪古元古代花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄、地球化学特征及地质意义

白权金　明经发　王新军　吴兴城　陈宁　陈邦学　杨伟光

摘   要：塔里木克拉通经历了哥伦比亚超大陆（Columbia）演化相关事件，哥伦比亚超大陆（Columbia）的汇聚和裂解主要在古元古代（1 800～2 500 Ma），伴随有强烈的地壳增生事件，受到地质学者的广泛关注。目前对哥伦比亚超大陆汇聚和裂解时限仍存在较多争议。兴地塔格地区位于塔里木盆地东北缘，出露大量前寒武纪岩浆岩，是研究哥伦比亚超大陆演化的天然实验室。通过该区花岗岩（石英闪长岩、花岗闪长岩、花岗岩）岩石地球化学分析发现为同源岩浆演化形成的岩石组合，属高钾钙碱性岩石系列、准铝质花岗岩。富集大离子亲石元素（LILE）U，Sr，K，Ba等，Th，Rb等略微亏损，高场强元素（HFSE） Ta，Nb，P，Ti强烈亏损等，具典型的VAG特征。微量、稀土元素分布模式与上、中地壳分布模式相似。形成于板块俯冲消减环境。通过对锆石U-Pb测年，获得206Pb/238U 加权平均年龄为（1 930±11）Ma～（1 944±9） Ma，属古元古代晚期。结合区域构造背景认为，该期花岗岩可能与北塔里木向南塔里木俯冲并发生陆陆碰撞，最终形成统一的塔里木板块事件有关，是哥伦比亚超大陆聚合的动力学响应。

关键词：哥伦比亚超大陆；塔里木克拉通；兴地塔格地区；古元古代；花岗岩

自超大陆旋回概念提出后，前人已识别出4个典型的超大陆：乌尔超大陆（Ur）、哥伦比亚超大陆（Columbia）、罗迪尼亚超大陆（Rodinia）和潘吉尼亚超大陆（Pangea）[1]。有学者研究证明，塔里木克拉通经历了与哥伦比亚超大陆演化相关的俯冲造山和陆内裂谷相关事件，汇聚和裂解主要在古元古代（1 800～2 500 Ma），伴随有强烈的地壳增生事件，受到地质学者广泛关注[1、5-14]。塔里木克拉通位于中亚造山带与特提斯构造域之间，为全球最著名的古老克拉通之一（图1-a）。塔里木克拉通位于中国新疆，主要由前寒武纪变质基底及沉积盖层组成，被深熔花岗岩侵位，为新疆构造单元的重要组成部分。冯京等在沉积建造、火山建造、侵入岩建造、变质建造、构造变形、成矿规律等方面综合分析的基础上，将新疆划分为6个一级构造单元[2]。塔里木克拉通北部面对中天山南缘地壳对接带，南部面对秦祁昆造山系（图1-b）。花岗岩类作为大陆地壳较常见同时也是重要的组成部分之一，是板块俯冲碰撞及陆壳垂向增生的重要产物。对揭露地壳生长、探讨壳幔相互作用等具很大的研究价值[3]。塔里木克拉通周缘分布大量元古代花岗岩（图1-c）。塔里木克拉通前寒武纪地质研究较华南克拉通、华北克拉通相对薄弱[4]。目前对哥伦比亚超大陆汇聚和裂解时限仍存较多争议：辛后田等在阿尔金获得片麻状石英正长岩、片麻状石英闪长岩、二长花岗岩脉锆石U-Pb年龄2 050～2 140 Ma[5]；王海培在库鲁克塔格获得片麻状花岗闪长岩、石英闪长岩、花岗闪长岩、石英二长闪长岩锆石U-Pb年龄为1 922～2 405 Ma[6]；葛荣峰在库鲁克塔格获得二长花岗岩（2件）、石英闪长岩、含石榴子石花岗闪长岩（2件）、片麻状英云闪长岩、片麻状奥长花岗岩锆石U-Pb年龄1 929～1 942 Ma[7]；张梦迪在库鲁克塔格地区获得花岗闪长岩锆石U-Pb年龄1 945 Ma[8]；郭羽在库鲁克塔格地区获得花岗闪长岩锆石U-Pb年龄2 015 Ma[9]；李勇等在塔中获得花岗岩（2件）、片麻岩（2件）锆石U-Pb年龄1 916～1 976 Ma[10]。以上认为是哥伦比亚超大陆汇聚的响应；②王斌等在阿尔金获得正长花岗岩、花岗质片麻岩锆石U-Pb年龄为1 802～1 903 Ma[11]；高山林等在沙雅隆起桥古2井获得碱长花岗岩锆石U-Pb年龄1 847 Ma[12]；辛后田等在阿尔金获得片麻狀闪长岩锆石U-Pb年龄1 873 Ma[5]；董富荣等在库鲁克塔格获得二长花岗岩Sm-Nd年龄2 059 Ma[13]；张海军在库尔勒获得伟晶岩（3件）锆石U-Pb年龄1 797～1 810 Ma[14]。上述认为是哥伦比亚超大陆裂解响应。笔者认为学者们争论的焦点主要集中于哥伦比亚超大陆汇聚和裂解时限及演化有关的动力学转换机制等方面。

兴地塔格地区位于塔里木盆地东北缘，出露大量前寒武纪岩浆岩，是研究古元古代哥伦比亚超大陆演化的天然实验室。笔者在本区域工作时，发现一套花岗岩岩石组合（1 930～1 944 Ma）。本文通过兴地塔格地区花岗岩岩相学、LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学、岩石地球化学分析，讨论成因及构造环境，为进一步研究哥伦比亚超大陆汇聚和裂解时限及演化动力学转换机制提供新的依据。

1  区域地质背景、岩相学特征

研究区位于兴地塔格地区中北部夹持于辛格尔断裂与兴地断裂之间（图2-a）。区内发育一套石英闪长岩、花岗闪长岩、花岗岩岩石组合。地层主要为古元古界滹沱系兴地塔格岩群图努尔布拉克岩组，为一套低角闪岩相-角闪岩相变质的片麻岩、混合岩、结晶片岩、变粒岩、斜长角闪岩等；古元古界滹沱系兴地塔格岩群辛格尔岩组，为一套白色中厚层状显微白云质大理岩、灰白色团块状含透辉石、浅灰白色粗粒大理岩、灰白色蛇纹石白云质大理岩等；青白口系帕尔岗塔格群塞纳尔塔格组第三段，为一套变质细砂质粉砂岩、变质泥质粉砂岩等。区内断裂构造较为发育，断层具多期性，以走滑性质为主（图2-b）。

灰-灰绿色半自形细粒石英闪长岩（图3-A，D）：呈灰-灰绿色，半自形细粒结构，块状构造。主要由更-中长石、石英及暗色矿物等组成。更-中长石（70%～75%）：半自形板状，粒径0.4～1.8×1.2 mm。石英（5%～8%）：他形粒状。暗色矿物（20%）：黑云母、角闪石等。浅灰绿-灰色中细粒花岗闪长岩（图3-B，E）：呈浅灰绿-灰色，中-细粒结构，块状构造。主要由更-中长石、钾长石及石英等组成。更-中长石（50%～60%）：半自形板状，粒径0.5×0.4～2.7×1.4 mm。钾长石（15%）：他形粒状，具条纹结构。石英（25%）：他形粒状。黑云母、角闪石（少量）。磷灰石（微量）。浅灰-灰白色细粒花岗岩（图3-C，F）：呈浅灰-灰白色，略微肉红色，花岗结构，块状构造。由钾长石、更-中长石、石英等组成。钾长石（60%～65%）：他形粒状，具条纹结构。更-中长石（15%～20%）：半自形板状，可见聚片双晶。石英（20%）：他形粒状。磁铁矿（微量）。

2  样品信息和分析方法

本次研究的薄片鉴定和硅酸盐分析12件均采自兴地村以北区域地质剖面中。其中，石英闪长岩样品3件、花岗闪长岩5件、花岗岩4件。分析均由新疆地矿实验研究所承担。主量、微量、稀土元素的测试分析，每件样品重约10 kg，新鲜，较纯净，无外来体的混入。测试分析样品经粗碎后使用碳化钨钵磨细成可过200目筛的粉末，每次更换样品时均使用纯净水冲洗钵体并用工业酒精擦拭，防止样品间互相污染。主量元素测定采用XRF法，测试时将样品200目粉末熔成玻璃饼后使用X射线荧光光谱（XRF）进行测试，精度在l％内。烧失量的测试在烘烤箱中1 000 ℃烘烤90分钟获得。微量元素和稀土元素测试使用两酸（HNO3+HF）高壓反应釜溶样法对样品200目粉末进行溶解。使用等离子质谱仪（ICP-MS；Agilent 7 500a）来测定元素含量，高于10×10-6含量的元素误差在5％内，小于10×10-6含量的元素误差在10％内，分析原理和流程参照文献[16]。

本次采集新鲜U-Pb同位素样品3件（每件约20 kg），采样位置见图2-b。石英闪长岩U-Pb同位素样品采自86°52′53″、41°33′03″处，花岗闪长岩U-Pb同位素样品采自86°53′08″、41°32′06″处，花岗岩U-Pb同位素样品采自86°53′40″、41°34′24″处。送至廊坊区调研究所进行锆石挑选和制靶。经严格粉碎、重液分离、磁选后在双目镜下选出晶型完整、干净透明、无明显裂隙的锆石晶体（图4-A-C），将挑选出的锆石样品放置于环氧树脂中固结，经抛光后使锆石内核完全暴露，送至北京离子探针中心进行阴极发光（CL）照相[17]。LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测年分析在地大（武汉）地质过程与矿产资源国家重点实验室LA-ICP-MS完成，分析原理和流程参照文献[17]。

3  结果分析

3.1  LA-ICP-MS锆石U-Pb测年

石英闪长岩、花岗闪长岩、花岗岩分别挑选出24颗锆石（图4）。锆石大多晶型完整，晶面光洁清晰，无色透明，无裂痕，呈长柱状、长板状、椭圆状，长宽比在2∶1到3∶1之间。锆石阴极发光图显示，少量锆石边部发育白色环带，局部可见少量继承内核，边部平直且发育明显韵律环带，属典型岩浆锆石[16-19]。在LA-ICP-MS分析时，选择环带清晰、内部纯净，无裂隙及包裹体的部位打点。测龄结果显示（图5-A-C），锆石U-Pb年龄值范围为（1 930±11） Ma～（1 944±9） Ma，时代为古元古代晚期。

3.2  岩石地球化学特征

3.2.1  主量元素特征

石英闪长岩： CaO平均含量4.92%，含量较高；Na2O含量2.86%～3.84%，K2O含量1.05%～3.04%，富Na（Na2O＞K2O），Na2O+K2O=5.42%，碱含量中等。花岗闪长岩： CaO平均含量4.68%，含量较高；Na2O含量2.34%～3.59%，K2O含量2.31%～3.55%，富Na（Na2O＞K2O），Na2O+K2O=5.93%，碱含量中等。花岗岩：CaO平均含量1.96%，含量较高；Na2O含量1.19%～5.16%，K2O含量1.50%～3.66%，富Na（Na2O＞K2O），Na2O+K2O=5.08%，碱含量中等。

在侵入岩TAS图解中（图6-a），石英闪长岩样点落入闪长岩区域，花岗闪长岩样点落入花岗闪长岩区域，花岗岩样点落入花岗岩区域，样点总体位于Ir线之下，属钙碱性系列，样点投影结果与野外定名及岩矿鉴定成果基本一致；从图中可看出（图6-b），样品主要落入高钾钙碱性系列及钙碱性系列与高钾钙碱性系列分界线附近，属高钾钙碱性岩石系列。从图中可看出（图6-c），样品主要落入准铝质及过铝质与准铝质分界线附近，属准铝质。

3.2.2  微量元素特征

从图中可看出（图7-a），石英闪长岩、花岗闪长岩、花岗岩表现为变化规律近平行的曲线簇，整体表现为右倾式，轻稀土内部分馏明显，重稀土无明显分馏，分布模式与上、中地壳及平均陆壳分布模式近似一致，明显不同于下地壳。

石英闪长岩∑REE=130.81×10-6～381.20×10-6，平均276.98×10-6；轻稀土总量平均258.22×10-6；重稀土总量平均17.42×10-6；具较高的轻、重稀土比（9.77～22.74）；（La/Yb）N=11.76～49.61，反映轻稀土富集，重稀土亏损，轻重稀土分馏较明显；δCe=0.95～1.03，平均0.99，显示负异常特征；δEu=0.84～1.19，平均1.05，显示弱正异常特征。花岗闪长岩∑REE为257.92×10-6～420.82×10-6，平均312.15×10-6；轻稀土总量平均296.34×10-6；重稀土总量平均15.82×10-6；具较高的轻、重稀土比值（LREE/HREE=8.68～46.20）；（La/Yb）N=11.24～75.48，反映轻稀土富集，重稀土亏损，轻重稀土分馏较明显；δCe=0.95～0.98，平均0.97，显示负异常特征；δEu=0.80～1.70，平均1.17，显示正异常特征。花岗岩∑REE为108.36×10-6～359.50×10-6，平均231.49×10-6；轻稀土总量平均217.93×10-6；重稀土总量平均13.56×10-6；具较高轻、重稀土比值（LREE/HREE=10.97～41.75）；（La/Yb）N=19.18～75.15，反映轻稀土富集，重稀土亏损，轻重稀土分馏较明显；δCe 为0.97～1.00，平均0.99，显示负异常特征；δEu为0.43～0.91，平均0.57，显示负异常特征。

从图中可看出（图7-b），石英闪长岩、花岗闪长岩、花岗岩表现为变化规律近平行的曲线簇，呈锯齿状分布，与上、中地壳蛛网图相似，明显不同于平均陆壳及下地壳蛛网图。大离子亲石元素（LILE）U，K，Ba，Sr等富集，Rb，Th等微弱亏损，高场强元素（HFSE）Nb，Ta，P，Ti强烈亏损，具典型VAG特征[16]。

4  讨论

4.1  成岩时代

在兴地村以北区域针对石英闪长岩、花岗闪长岩、花岗岩，分别采集U-Pb同位素样品1件，各挑选24颗锆石进行测定。石英闪长岩锆石206Pb/238U表面年龄在1 923～1 964 Ma，数据点谐和性较好，206Pb/238U加权平均年龄为（1 939.5±3.7） Ma，MSWD=2.8，代表成岩年龄；花岗闪长岩锆石206Pb/238U表面年龄在1 887～2 173 Ma，数据点谐和性较好，206Pb/238U 加权平均年龄为（1 930±11） Ma，MSWD=1.7，代表成岩年龄；花岗岩锆石206Pb/238U表面年龄在1 914～2 031 Ma，数据点谐和性较好，206Pb/238U加权平均年龄为（1 944±9）M a，MSWD=0.51，代表成岩年龄。石英闪长岩、花岗闪长岩、花岗岩测龄结果显示，锆石U-Pb年龄值范围为（1 930±11） Ma～（1 944±9） Ma，时代为古元古代晚期。

在塔里木盆地周缘发育1 800 ～2 400 Ma花岗岩浆[5-14]，利用这些数据，初步划分出两期造山事件（图8）。1 800～2 000 Ma可能与北塔里木向南塔里木俯冲并发生陆陆碰撞，最终形成统一的塔里木板块事件有关[10]；2000～2400 Ma可能与新太古—古元古代陆壳改造增生事件有关[6]。本次取得锆石U-Pb年龄值为（1 930±11） Ma～（1 944±9） Ma，可能与北塔里木向南塔里木俯冲发生陆陆碰撞事件有关。

4.2  岩浆成因

花岗岩成因主要有3种划分方法：MIAS型、壳幔同熔型-陆壳改造型-幔源型、磁铁矿系列-钛铁矿系列[23]。3种划分方案中，MIAS分类是目前最常用的花岗岩成因分类方案[16、24]。自然界中由幔源衍生的“M”型花岗岩极少，通常与蛇绿岩相伴生的斜长花岗岩被认为是辉长质岩石在含水的条件下熔融形成的[16、25-26]。“A”型花岗岩基于特定性的化学指标（富SiO2，Na和K，贫CaO，MgO，高（K2O+Na2O）/Al2O3和FeOT/MgO值，富集Zr，Nb，Ti，Ga等高温元素）、矿物学特征（碱性角闪石、含F黑云母、角闪石和萤石等副矿物）和构造环境判别（裂谷、板内、后造山型）进行判断[16、27-29]。“I”和“S”型花岗岩基于岩石源区性质判定，而“I”型花岗岩通常被认为壳幔混源，具富钠、含黑云母、角闪石等副矿物[16、30]。

由岩相学和岩石化学结果来看，石英闪长岩、花岗闪长岩、花岗岩普遍富钠、见黑云母等矿物，属高钾钙碱岩石系列。从图9中可看出，SiO2与其他氧化物之间呈一定线性相关性，表明古元古代石英闪长岩、花岗闪长岩、花岗岩为同源岩浆演化形成的岩石组合。随SiO2含量的增高，铝、钙、镁、铁值逐渐降低，说明岩浆演化整体指示岩浆向贫铁镁、贫钙，富硅方向演化。本次古元古代花岗岩含较高CaO、富Na、中等碱含量，Nb，Ta，P，Ti强烈亏损，明显区别于“A”型花岗岩。从图6-c中可看出，样品落入准铝质区域，明显区别于“S”型花岗岩。从图10-a中可看出，样品落入“I”型花岗岩区域；从图10-b中可看出，样品落入部分熔融演化趋势线。从图7-a中可看出，其与上、中地壳及平均陆壳分布模式相似；从图10-c中可看出，其与上、中地壳蛛网图相似。从图7-c中可看出，样品点落入上地壳趋势线。综上判断该区花岗岩属“I”型花岗岩。

4.3  构造背景及地质意义

研究表明，诸多因素可能导致大陆地壳系统的内能上升及壳体内部岩石部分熔融[8、31]，花岗岩从大陆地壳底部部分熔融，到对流岩浆地层和重熔界面向上移动至浅层地壳，大陆地壳系统需长期的能量输入。岩石圈板块汇聚是所有地球动力学机制中唯一满足上述条件的模型[8、32]。

古元古代花岗岩富集大离子亲石元素（LILE）U，K，Ba，Sr等，Rb，Th等弱亏损，高场强元素（HFSE）Nb，Ta，P，Ti强烈亏损，具典型VAG特征[16、33-34]。从（图11-a，b）中可看出，样品均落入火山弧区域。从图11-c可看出，样品落入板块碰撞前花岗岩区域。说明其形成环境与板块俯冲消减有关。

据岩石温度计算公式得出[8、35]：石英闪长岩锆石饱和温度为795 ℃～835 ℃，平均814 ℃；花岗闪长岩锆石饱和温度为745 ℃～883 ℃，平均821 ℃；花岗岩锆石饱和温度为741 ℃～893 ℃，平均824 ℃。石英闪长岩、花岗闪长岩、花岗岩属同源岩浆演化形成的岩石组合，样品中未发现继承锆石，因此锆石饱和温度是源区原始岩浆最低温度。花岗岩锆石饱和温度为814 ℃～824 ℃（温度大于800 ℃），属“热”花岗岩[8、36-37]。这种“热”花岗岩往往跟深部持续的热源（低侵作用）有关，反映玄武质岩浆持续较长时间的低侵或岩石圈的拆沉，在该区引发高的地热梯度并不断产生岩浆作用[8、38]。

综上，笔者认为兴地塔格地区古元古代晚期花岗岩为“I”型花岗岩，形成于俯冲消减环境，由深部岩浆底侵作用，导致上地壳底部物质的部分熔融的产物。推断该期花岗岩可能与北塔里木向南塔里木俯冲并发生陆陆碰撞，最终形成统一的塔里木板块事件有关。结合全球约1.9 Ga的造山事件对比，推测本次研究的古元古代花岗岩，是哥伦比亚超大陆聚合的动力学响应。

5  结论

（1） 兴地塔格地区石英闪长岩、花岗闪长岩、花岗岩属同源岩浆演化形成的岩石组合，锆石U—Pb加权平均年龄为（1 930±11） Ma～（1 944±9） Ma，代表了其形成年龄，属古元古代晚期。

（2） 该期花岗岩富集大离子亲石元素（LILE）U，K，Ba，Sr等，Rb，Th等弱亏损，高场强元素（HFSE）Nb，Ta，P，Ti强烈亏损，属“I”型花岗岩，形成于俯沖消减环境，由深部岩浆底侵作用形成，是上地壳底部物质部分熔融的产物。

（3） 结合区域构造背景认为，该期花岗岩可能与北塔里木向南塔里木俯冲，并发生陆陆碰撞，与最终形成统一的塔里木板块事件有关，是哥伦比亚超大陆聚合的动力学响应。

致谢：论文的编制过程中得到了陈晔老师、赵同阳老师的细心指导。在此，对他们的辛勤付出深表感谢！

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LA-ICP-MS Zircon U-Pb Ages， Geochemical Characteristics， and Geological Significance

of Pre Cambrian Paleoproterozoic Granite in the Northern Margin of Tarim Basin

Bai QuanJin1， Ming Jingfa1， Wang Xinjun2， Wu Xingcheng1，

Chen Ning1， Chen Bangxue3， Yang Weiguang4，

（1.The 11th Geological Brigade of Xinjiang Geological and Mineral Bureau，Changji，Xinjiang，831100，China;2.Xinjiang Jintu Land Appraisal Consulting Company，Changji，Xinjiang，831100，China;3.Shaanxi Geological Exploration Institute of China National Chemical Administration，Xi'an，Shaanxi，710000，China;4.Urumqi Natural Resources Comprehensive Survey Center of China Geological Survey，Urumqi，Xinjiang，830000，China）

Abstract： The Tarim Craton has experienced events related to the evolution of the Columbia supercontinent. The convergence and fragmentation of the Columbia supercontinent mainly occurred in the Paleoproterozoic （1800 Ma～2500 Ma）， accompanied by strong crustal accretion events， and has received widespread attention from geologists. There is still considerable controversy over the timing of the convergence and fragmentation of the Colombian supercontinent. Xingditag area is located in the northeast margin of Tarim Basin， where a large number of Precambrian magmatic rocks are exposed. It is a natural laboratory for studying the evolution of Columbia supercontinent. Through geochemical analysis of the granite （quartz diorite， granodiorite， granite） in this area， it was found that it is a rock combination formed by the evolution of homologous magma， belonging to the high potassium calcium alkaline rock series and quasi aluminous granite. Enriched with large ion lithophilic elements （LILE） such as U， Sr， K， Ba， etc.， slightly depleted with Th， Rb， etc.， and strongly depleted with high field strength elements （HFSE） such as Ta， Nb， P， Ti， etc.， exhibiting typical VAG characteristics. The distribution patterns of trace and rare earth elements are similar to those of the upper and middle crust. Formed in a subduction and subduction environment of the plate. Through zircon U-Pb dating， a weighted average age of 206Pb/238U was obtained， ranging from 1930 ± 11 Ma to 1944 ± 9 Ma， indicating a late Paleoproterozoic period. Based on the regional tectonic background， it is believed that this period of granite may be related to the subduction of the North Tarim towards the South Tarim and the occurrence of land land collision， ultimately forming a unified Tarim plate event， which is a dynamic response to the aggregation of the Columbia supercontinent.

Key words： Columbia; Tarim Craton; Xingditag region; Ancient Proterozoic; Granite

项目资助：阿尔金铁铅锌资源基地调查项目（12120113042700）

收稿日期：2023-11-27；修订日期：2024-01-12

第一作者简介：白权金（1985-），男，四川广元人，高级工程师，2012年毕业于中国地质大学（武汉）资源勘查专业，现从事地质矿产勘查工作；E-mail： 543981882@qq.com

通讯作者：陈宁（1985-），男，宁夏固原人，高级工程师，2011年毕业于长春工程学院资源勘查专业，现从事区域地质调查工作；E-mail： 809790874@qq.com