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2. 河北省地质调查院, 河北 石家庄 050081
2. Hebei Institute of Geological Survey, Shijiazhuang 050081, Hebei, China
新疆北部包括天山—准噶尔—阿尔泰地区，属于中亚造山带的一部分，本区以其完整的碰撞造山旋回(从主碰撞、后碰撞到板内环境)、强烈的后碰撞构造-岩浆活动以及良好的后期保存条件，成为研究构造-成矿的理想地区，受到学者们的广泛关注[1-6]。玛依勒山地区位于准噶尔盆地西缘，广泛发育晚古生代酸性侵入岩，有关区内后碰撞岩浆活动时限，前人认为主体时限为石炭纪至二叠纪[7]。但是，新疆北部地区后碰撞阶段的时限尤其是后碰撞阶段挤压、伸展旋回的时限仍需进一步的厘定[8-12],有关侵入岩的岩浆演化和岩石成因尚待进一步研究。本文以准噶尔盆地西缘阔依塔斯杂岩体为研究对象，来探讨其地球化学特征、年代学以及地球动力学背景。
1 地质背景研究区位于准噶尔盆地西缘玛依勒山地区，北距托里县城约90 km，东北距221省道及庙尔沟镇约50 km，大地构造划分属于不成熟的加里东期新生陆壳之上发展起来的晚古生代岛弧带[13]。区内出露的地层主要为石炭系希贝库拉斯组二段。该段上部主要岩性为中厚层状硅质粉砂岩、中细粒长石岩屑砂岩夹火山尘凝灰岩，下部岩性主要为含砾细砂岩夹薄层晶屑凝灰岩，以及绿泥粉砂质板岩(图 1)。玛依勒山地区侵入岩较发育，以中酸性岩为主。对于区内广泛发育的酸性侵入岩的时代、成因及其地球动力学意义研究较少。
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图 1 新疆西准噶尔玛依勒山地区地质图 Fig.1 Geological sketch map of Mayileshan region in western Junggar, Xinjiang |
阔依塔斯杂岩体是玛依勒山地区重要的中酸性侵入岩体，岩体呈似圆磨盘状，主体长轴呈近南北向，南北长约5.5 km，东西宽约3.8 km，出露面积约18.36 km2，呈岩株侵入于下石炭统希贝库拉斯组地层，接触面一般向外陡倾，在侵入接触带上，围岩中广泛发育角岩化带，东西宽100~200 m，局部有混染交代现象，内接触带具弱蚀变，岩石中暗色矿物增多。构成阔依塔斯杂岩体的岩石主要有深灰色辉长闪长岩、灰色石英闪长岩、灰色花岗闪长岩。
2 岩相学特征阔依塔斯杂岩体主要岩性为辉长闪长岩、石英闪长岩、花岗闪长岩。
辉长闪长岩：岩石呈深灰色，中粒结构，块状构造。主要由斜长石、石英、角闪石、黑云母、透辉石组成。斜长石半自形板状，粒径2 mm左右，含量65%~70%；石英他形粒状，大小1 mm，含量2%~5%；角闪石柱、粒状，一般2 mm左右，含量20%~25%；黑云母鳞片状，含量5%；透辉石呈残留体状存在于角闪石粒内，并被角闪石交代，含量5%。
石英闪长岩：岩石呈灰色，粒状结构，块状构造。主要由斜长石、钾长石、石英、黑云母、角闪石组成。斜长石半自形板状，一般2~4 mm，含量65%~70%；钾长石呈他形粒状，0.2~1.5 mm，填隙状分布，含量5%~10%；石英呈他形粒状，大小0.1~2mm，填隙状分布，含量15%~20%；黑云母呈鳞片状零星分布，含量5%；角闪石为柱、粒状，一般2 mm左右，零星分布，含量3%~5%。
花岗闪长岩：岩石呈灰色，粒状结构，块状构造。主要由斜长石、钾长石、石英、黑云母、角闪石组成。斜长石半自形板状，一般2~4.5 mm，含量65%~70%；钾长石他形，0.3~2.0 mm，填隙状分布，含量＞10%；石英他形粒状，大小0.3~2 mm，含量15%~20%；黑云母鳞片状，含量5%；角闪石柱、粒状，一般2 mm左右，零星分布，含量约3%。
3 分析方法全岩主量元素分析在河北省区域地质矿产调查研究所完成，采用可见分光光度计和原子吸收分光光度计测定，分析精度优于5%。微量元素在河北省区域地质矿产调查研究所采用等离子质谱仪(ICP-MS)测定，分析精度优于5%。
锆石U-Pb定年在国土资源部天津地质矿产研究所利用LA-ICP-MS完成。所用等离子体质谱仪为Thermo Fisher公司制造的Neptune，采用193 nm激光器对锆石进行剥蚀，斑束直径为35 μm，采用He作为剥蚀物质的载气，锆石标样TEMORA作为年龄外标，元素含量用NIST612作为外标标定。Pb同位素比值、U-Pb表面年龄和U、Th、Pb含量采用ICPMSDataCal程序和Isoplot程序进行数据处理，采用208Pb校正法对普通铅进行校正[14]。
4 分析结果 4.1 主量元素特征主量元素分析结果、CIPW标准矿物结果及岩石化学参数见表 1和表 2。
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表 1 西准噶尔阔依塔斯杂岩体主量元素(%)、微量和稀土元素(10-6)分析结果 Table 1 Analyses of major elements, trace elements and REE from Kuoyitasi complex body in west Junggar |
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表 2 阔依塔斯杂岩体CIPW标准矿物及岩石化学参数一览表 Table 2 Analyses of CIPW and chemical parameters of rock from Kuoyitasi complex body |
辉长闪长岩：SiO2含量为52.40%~54.60%，平均为53.25%，在TAS图解中样品落入辉长岩—闪长岩区域，属中基性岩类(图 3-a)。里特曼指数(δ)为1.55~1.87，平均为1.73，碱度率(AR)为1.40~1.55，平均为1.45，为钙碱性岩系列。固结指数(SI=32.38~37.98，平均为34.45)中等，分异指数(DI=38.55~44.2，平均为40.90)中等，均反映岩浆分异程度中等。铝质指数(A/CNK)为0.783~0.833，平均为0.808，为准铝质系列。
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图 2 阔依塔斯杂岩体岩石学特征 Fig.2 Petrologic characteristics of Kuoyitasi complex body a—石英闪长岩中含大量角闪闪长岩包体，同时可见大量后期钾长石细脉；b—花岗闪长岩内各类包体；c—花岗闪长岩中辉石闪长岩包体(内又有角闪闪长岩包体)；d—角闪岩包体；e—花岗闪长岩与辉长闪长岩间脉动接触；f—辉长闪长岩镜下照片；g—石英闪长岩镜下照片；h—花岗闪长岩镜下照片 a-Plenty of amphibole diorite inclusions in quartz diorite, with large quantities of late K-feldspar veinlits; b-Various inclusions in granodiorite; c- Gabbro diorite inclusions in granodiorite (with amphibole diorite inclusions); d-Diorite inclusion; e-Pulsation contact between granodiorite and gabbro diorite; f-Microphotograph of gabbro diorite; g- Microphotograph of quartz diorite; h- Microphotograph of granodiorite |
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图 3 西准噶尔阔依塔斯杂岩体主量元素图解(a-TAS图解; b-SiO2-K2O图解) Fig.3 Main elements diagram of Kuoyitasi complex body in west Junggar (a-TAS diagram ;b-SiO2-K2O diagram) |
石英闪长岩：SiO2含量为61.64%，在TAS图解中样品落入闪长岩区域，为中性岩类(图 3-a)。里特曼指数(δ)为1.98，碱度率(AR)为1.90，为钙碱性岩系列。固结指数(SI=22.47)较小，分异指数(DI=64.70)较大，均反映岩浆分异程度中等。铝质指数(A/CNK)为1.017，为过铝质系列。
花岗闪长岩：SiO2含量为67.53%，在TAS图解中样品落入闪长岩-花岗岩区域，为中酸性岩类(图 3-a)。石英含量较高，CIPW标准分子的Q>17，为25.37。里特曼指数(δ)为1.47，碱度率(AR)为1.97，为钙碱性岩系列。固结指数(SI=18.59)较小，分异指数(DI=72.18)较大，均反映岩浆分异程度中等。铝质指数(A/CNK)为0.976，为准铝质系列。
在SiO2-K2O图解(图 3-b)和AR-SiO2图解(图 4-a)中，岩石样品均落入钙碱性岩系列区；在A/CNK-A/NK图解中(图 4-b)，样品均落入准铝质和过铝质系列区。其中AR=[Al2O3+CaO+(Na2O+K2O)]/[Al2O3+CaO-(Na2O+K2O)];A/NK: Al2O3/(Na2O+K2O);A/CNK: Al2O3/(Na2O+CaO+K2O)。
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图 4 西准噶尔阔依塔斯杂岩体岩石类型判别图(a-AR-SiO2图解; b-A/CNK-A/NK图解) Fig.4 Rock type discrimination diagram for Kuoyitasi complex body in west Junggar (a- AR-SiO2 diagram b-A/NK-A/NCK diagram) |
稀土元素及微量元素含量、相关参数见表 1。
辉长闪长岩：稀土总量较低，为58.67×10-6~61.14×10-6，稀土配分模式曲线(图 5-a)向右倾斜，斜率较小，δEu=1.02~1.15，具有微弱的铕正异常。(La/Yb)N为4.13~4.95，LREE为47.87×10-6~51.00×10-6，HREE为9.83×10-6~10.80×10-6，LREE/HREE为4.43~5.18，表明轻重稀土之间分异较弱。轻稀土分馏程度(La/Sm)N为1.63~2.18，重稀土分馏程度(Gd/Yb)N为1.57~1.81，轻稀土分馏程度略大于重稀土分馏程度。
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图 5 西准噶尔阔依塔斯杂岩体稀土(a)和微量元素(b)元素配分型式图 Fig.5 REE and trace element patterns of Kuoyitasi complex body in west Junggar |
石英闪长岩：稀土总量较低，为127.60×10-6。稀土配分模式曲线(图 5-a)向右倾斜，斜率较大，δEu=0.76，具有中等的铕负异常。(La/Yb)N为5.22，LREE为110.21×10-6，HREE为17.39×10-6，LREE/HREE为6.34，表明轻重稀土之间分异较强。轻稀土分馏程度(La/Sm)N为2.86，重稀土分馏程度(Gd/Yb)N为1.24，轻稀土分馏程度大于重稀土分馏程度。
花岗闪长岩：稀土总量较低，为132.52×10-6。稀土配分模式曲线(图 5-a)向右倾斜，δ Eu=0.72，具有中等的铕负异常。(La/Yb)N为6.49，LREE为116.45×10-6，HREE为16.07×10-6，LREE/HREE为7.25，表明轻重稀土之间分异较强。轻稀土分馏程度(La/Yb)N为3.04，重稀土分馏程度(Gd/Yb)N为1.24，轻稀土分馏程度大于重稀土分馏程度。
4.3 微量元素特征辉长闪长岩：微量元素含量与维氏闪长岩相比，Nb、Ta、Zr、Hf均较低，Zr/Hf=21.88(均值)，与参数值近似，而Nb/Ta=12.80(均值)、Ba/Rb=27.19(均值)均高于闪长岩参数值。其Rb/Sr=0.023，低于地壳平均值。
石英闪长岩：微量元素含量与维氏闪长岩相比，Nb、Ta、Zr、Hf均较高，其微量元素特征参数比值Nb/Ta=12.80、Zr/Hf=41.10、Ba/Rb=15.38均高于闪长岩参数值数倍。Rb/Sr=0.143，低于地壳平均值。
花岗闪长岩：微量元素含量与维氏闪长岩相比，Nb、Ta、Zr、Hf均较高，其微量元素特征参数比值Nb/Ta=12.80、Zr/Hf=40.93、Ba/Rb=9.44均高于闪长岩参数值数倍。其Rb/Sr=0.359，低于地壳平均值。
微量元素蛛网图上(图 5-b)，各岩类样品的Rb、Ba、Th含量均较高，其中，辉石闪长岩样品具有显著的Sr正异常，Nb、Ta、Ti的负异常；石英闪长岩和花岗闪长岩样品相似，具有Zr和Hf的正异常，Nb、Ta、Sr、P、Ti表现出负异常。Nb和Ta的相对亏损指示其岩浆可能来源于地壳重熔，也可能经历了富Nb、Ta矿物的结晶分异作用；P、Ti偏低可能与磷灰石、钛铁氧化物的结晶分异有关；Sr的正异常指示了岩浆未发生斜长石的分异作用，Sr的负异常暗示岩浆发生了斜长石的分异结晶作用。重稀土含量较低，暗示源区具有含重稀土矿物的结晶或残留。以上特征反映该侵入体岩浆分异程度中等。
4.4 U-Pb年龄花岗闪长岩样品中的锆石在透射光和反射光下无色，半透明—透明，总体较粗大，大小在100~300μm，长宽比为2:1~3:1。锆石颗粒表面干净，个别颗粒中见有不透明包裹体。大部分锆石颗粒自形程度较好，多成长柱状，柱面长，锥面较小，两头较钝。阴极发光图像(图 6)显示，锆石颗粒的晶体内部结构清晰，振荡生长环带显著，为典型的岩浆锆石。
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图 6 西准噶尔阔依塔斯杂岩体锆石CL图像 Fig.6 CL images of zircons from Kuoyitasi complex body in west Junggar |
利用LA-ICP-MS对样品P10TW1进行了锆石U-Pb年龄分析，共测定18个点，分析结果如表 3所示，锆石中Th含量变化范围为22×10-6~113×10-6，U含量为45×10-6~155×10-6，Th/U比值变化范围为0.38~0.86，研究表明，不同成因锆石具有不同的Th、U含量和Th/U比值。岩浆锆石的Th、U含量较高，Th/U比值较大(一般>0.4)；变质锆石的Th、U含量低，Th/U比值小(一般 <0.1)[15]。样品P10TW1锆石分析点具有较高的Th/U比值，进一步表明其为岩浆成因锆石。在U-Pb谐和图中，数据投影点落于谐和线且集中分布(图 7)，206Pb/238U年龄加权平均值为(297±2)Ma(MSWD=1.2)，代表了岩体的结晶年龄，为晚石炭世—早二叠世。
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图 7 西准噶尔阔依塔斯杂岩体中锆石U-Pb谐和图 Fig.7 U-Pb concordia diagram of zircons from Kuoyitasi complex body in west Junggar |
在(Al-Na-K)-Ca-(Fe2++Mg)三角图解中[16-17](图 8-a)，辉长闪长岩样品岩石化学成分点落入斜长石-堇青石-黑云母区域内，石英闪长岩样品岩石化学成分点也落入斜长石-堇青石-黑云母区域内，石英二长闪长岩样品岩石化学成分点也落入斜长石-堇青石-白云母区域内，说明该侵入岩岩浆物质应来源于地壳。在A/MF-C/MF图解中[18](图 8-b)，辉长闪长岩和石英闪长岩都落入基性岩的部分熔融区，石英二长闪长岩落入基性岩部分熔融区与变杂砂岩部分熔融区的交界位置。
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图 8 西准噶尔阔依塔斯杂岩体岩石成因判别图(a—Al-Na-K-Ca-Fe+Mg图解; b—A/MF-C/MF图解：A—变泥质岩的部分熔融; B—变杂砂岩的部分熔融; C—基性岩的部分熔融) Fig.8 Genesis discrimination diagram of Kuoyitasi complex body in west Junggar (a-Al-Na-K-Ca-Fe+Mg diagram; b-A/MF-C/MF diagram) |
闪长岩类样品可能来源于镁铁质下地壳熔融或富集俯冲带组分的上地幔熔融或受到陆壳混染的亏损地幔的部分熔融[19]。根据熔融实验，Al2O3含量是压力的指示计：当压力≤16 kbar时，熔体的Al2O3含量低于15%，残留物为角闪石、斜长石和斜方辉石；当压力＞16 kbar时，熔体的Al2O3含量大于15%，残留体为单斜辉石、角闪岩、斜长石和石榴子石[20];当压力为20~30 kbar时，熔体与无斜长石、含石榴子石的角闪岩、麻粒岩或榴辉岩平衡[21-22]。高压熔融可以导致低Y、HREE含量和高Sr、Sr/Y比值。Sr/Y比值不受分异作用的影响，可以反映源区的特征[23-24]。
本区闪长岩类样品的Al2O3含量为14.92%~17.85%，平均为16.50%，大于15%，为弱过铝质，且Sr/Y(50.89~59.56)比值较高，故其熔融压力可能大于16 kbar，残留相可能是角闪石、斜长石和斜方辉石，是镁铁质下地壳物质熔融的产物[25]。由于1 GPa的压力相当于33 km深度，压力16 kbar相当于1.6GPa，据此推测该岩浆的来源深度为：1.6×33=52.8km，即岩浆房的深度为50~60 km。
5.2 岩浆演化该杂岩体发育辉长闪长岩、石英闪长岩和花岗闪长岩，其SiO2含量由53.25%→61.64%→67.53%，总体呈升高趋势；碱值(Na2O+K2O)含量由4.55%→4.63%→6.04%，同样为升高趋势；FeOT含量由7.74%→5.46%→3.68%，总体呈降低趋势；MgO含量由6.21%→3.26%→2.17%，也为降低趋势。总体上，岩浆具有向偏酸、偏碱、铁镁含量降低方向演化的特征。
固结指数(SI)是反映岩浆分异程度和岩石基性程度的重要岩石化学参数，岩浆分异程度高，则SI值就小，岩石酸性程度高；若分异程度差，SI值就大，岩石的基性程度就高[26]。分异指数DI由40.90(均值)→64.70→72.18，升高；固结指数SI由34.45(均值)→22.47→18.59，降低，这符合正常岩浆房酸度逐渐增高的岩浆分异趋势。由于DI值都不大(最大值为72.18)，表明岩浆结晶分异作用不明显，杂岩体可能是在同一岩浆房内由于重力作用形成分层式岩浆房所致。
在岩浆分异过程中，Sr主要在早期的分异岩浆中富集(Sr易进入斜长石及其它富钙矿物晶体内)，而Rb则相反，因此随岩浆分异作用加强，Rb/Sr值是增加的[27]。Rb/Sr和Rb/Ba分别由0.023(均值)→0.143→0.359，升高、0.041(均值)→0.065→0.106，升高。以上特征显示由辉长闪长岩至石英闪长岩至花岗闪长岩，岩浆结晶分异程度越来越高。Rb/Sr值与固结指数SI反映的事实一致。
K/Rb值也是岩浆分异程度的重要参数，由于Rb的离子半径大于K，更趋向于在残余岩浆中富集，因此，K/Rb值越大，反映岩浆分异程度越低。该杂岩体从辉长闪长岩至石英闪长岩再至花岗闪长岩，K/Rb值呈连续的下降，即从470.79(均值)→267.81→242.73，K/Rb值变化特征反映的事实与固结指数反映的事实也是一致的。另外，铕的变化也遵循一定的规律性，即从辉长闪长岩至石英闪长岩再至花岗闪长岩，δEu值从1.07(均值)→0.76→0.72，正铕异常到铕负异常，轻、重稀土分馏程度中等。
综上所述，该杂岩体在岩石学、岩石化学及地球化学等方面具有连续演化的特征，符合同源岩浆演化的特点，岩浆结晶分异作用不明显，杂岩体可能是在同一岩浆房内由于重力作用形成分层式岩浆房所致。
5.3 U-Pb年龄准噶尔盆地周边地区是古生代的造山带，古板块碰撞最晚发生在早石炭世[1]。韩宝福等(1999)[28]认为新疆北部地区后碰撞岩浆活动的时限为330～250 Ma。如铁厂沟碱长花岗岩的锆石U-Pb年龄为243 Ma，阿克巴斯套碱长花岗岩为256 Ma、红山碱长花岗岩为244 Ma以及庙尔沟黑云母花岗岩为277 Ma等，其形成年龄基本一致[29]。周涛发等(2006)[11]认为西准噶尔萨吾尔地区晚古生代侵入岩年龄在328.2~290.7 Ma，时代上属于晚石炭世至早二叠世。靳松等(2010)[12]对西准噶尔恰其海岩体研究发现，LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(280.1±3.2)Ma，代表了岩体结晶年龄。以上表明在海西晚期西准噶尔地区有广泛的酸性岩浆活动，褶皱回返，后碰撞阶段通常伴随大规模的花岗质岩浆作用和剪切活动，以大规模的(钙碱性-偏碱性)花岗质岩浆活动和剪切活动结束[28]。
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表 3 西准噶尔阔依塔斯杂岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测试结果 Table 3 Zircon U-Pb isotopic data obtained by LA-ICP-MS from Kuoyitasi complex body in west Junggar |
阔依塔斯杂岩体的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为(297±2)Ma，为晚石炭世—早二叠世，岩石具有偏碱性特点，形成于造山晚期伸展体制的构造环境中，应为后碰撞阶段，显然早于东准噶尔后碰撞的时间(二叠纪末)，表明西准噶尔地区闭合成陆的时间可能略早于东准噶尔地区，反映出构造运动具有由西向东的迁移性。
6 结论(1)阔依塔斯杂岩体具有碱性和准铝质—过铝质的岩石化学特征，该杂岩体在岩石学、岩石化学及地球化学等方面具有连续演化的特征，符合同源岩浆演化的特点，岩浆结晶分异作用不明显，杂岩体可能是在同一岩浆房内由于重力作用形成分层式岩浆房所致。
(2)阔依塔斯杂岩体为镁铁质下地壳物质熔融的产物。
(3)阔依塔斯杂岩体的LA-ICP-MS锆石UPb年龄为(297±2)Ma，为晚石炭世—早二叠世，形成于造山晚期伸展体制的构造环境中，应为后碰撞阶段，早于东准噶尔后碰撞的时间(二叠纪末)，表明西准噶尔地区闭合成陆时间可能略早于东准噶尔地区，反映出构造运动具有由西向东的迁移性。
致谢: 本文的研究得到了新疆国土资源厅地质调查项目管理办公室、河北省地质调查院和河北省地球物理勘查院的支持，成文过程中得到了中国地质大学(武汉)钟增球教授、吴元保教授的指导，参加野外工作的还有河北省地质调查院杨进京、康贵军、李晓峰、陶光活、马燕冰等同志，在此一并致谢。特别感谢各位审稿专家的宝贵意见和建议。
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