2. 新疆大学中亚造山带大陆动力学与成矿预测自治区重点实验室, 乌鲁木齐 830046
2. Xinjiang Key Laboratory for Geodynamic Processes and Metallogenic Prognosis of the Central Asian Orogenic Belt, Xinjiang University, Urumqi 830046, China
0 引言
卡瓦布拉克杂岩带主要由中基性、超基性岩石组成，东西向延伸100多千米，是中天山地块最具有学术价值的地质现象之一。这两套成因和来源都不相同、形成时代也可能不同的岩石产出在一起，它们所蕴含的地质演化和大地构造信息，对重建中天山南缘古生代期间洋陆构造格局及其演变过程具有重要意义。新疆地矿局于20世纪60年代初首次发现该杂岩带，但因当时以地质找矿为主要工作目的，对其年代学、成因等没有进行深入研究①。21世纪初，李锦轶②在探索东天山南部地区地质构造演化的研究过程中，基于该杂岩的岩石组合、野外地质产状和地球化学分析结果，认为其中的中基性岩不是蛇绿岩的组成部分，是后碰撞造山阶段热侵入作用的产物，而超基性岩可能来自大洋岩石圈地幔的岩石，并指出它们可能代表一条古俯冲-碰撞带，卡瓦布拉克断裂带则是一条古板块之间的分界线 。虽然前人②对该杂岩带总体地质特征及岩石组合有一定的研究，但关于其侵位时间序列至今仍没有确切的同位素年代学证据，从而制约了人们对该杂岩的深入认识。笔者选择构成卡瓦布拉克杂岩带中基性岩石主体的闪长岩，首次对其进行精确的LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素年代学和LA-MC-ICP-MS锆石Hf同位素研究，以期为该杂岩带的成因及构造演化过程研究提供依据。
①新疆维吾尔自治区地矿局地质科学研究所. 新疆维吾尔自治区超基性岩及铬铁矿资料汇编.乌鲁木齐： 新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局，1979.
②李锦轶. 国土资源大调查项目“东天山构造格架研究”研究报告. 北京：中国地质科学院地质研究所,2002.
研究区位于中天山地块东段的卡瓦布拉克阿克塔格一带，为前寒武系中深变质区，其北以阿奇克库都克沙泉子断裂与觉罗塔格构造带相接，南以卡瓦布拉克断裂与南天山造山带相邻(图1)。区内地层出露相对连续和完整，以长城系星星峡群和蓟县系卡瓦布拉克群为主。星星峡群岩性为石英片岩、二云石英片岩、石英岩，夹少量大理岩，局部见层理构造。卡瓦布拉克群主要为一套滨海相碳酸盐岩建造，与下伏星星峡岩群多呈断层接触。该群可划分为3个组:第一组主要为灰岩、白云岩、白云质大理岩夹少量石英片岩及二云石英片岩；第二组主要为石英片岩、石英岩；第三组主要为大理岩、白云岩及灰岩，夹有硅质岩和石英砂岩，发育一定程度的硅化，富含不同类型叠层石[2, 3]。新元古代及海西两期岩浆热液活动在该区影响强烈，造成该区地质构造异常复杂[4, 5]。星星峡群和卡瓦布拉克群中广泛发育韧性剪切带，呈 NWW 向或近 EW 向延伸[3]。
卡瓦布拉克杂岩带出露于中天山地块东段卡瓦布拉克阿克塔格地区，地理坐标西起E91°38′、N41°32′，东至E92°49′、N41°25′，沿卡瓦布拉克断裂大致呈东西向展布，长105 km，宽4～8 km，总出露面积约8.01 km2(图2)。在该杂岩带中，出露岩体共计100多个，被分成19个岩体群。多数岩体长宽比大，呈脉状和透镜状，长轴延长与区域构造线一致；个别因后期断裂影响改造，呈不规则等轴状，规模稍大。杂岩带的构造变形，主要集中在卡瓦布拉克断裂带内，表现为强烈劈理化，劈理面产状为175°∠71°，走向与卡瓦布拉克断裂基本相同。岩石类型包括以蛇纹岩为主的超基性杂岩、劈理化辉长岩及变质玄武岩、闪长岩为主的中基性杂岩和红色花岗岩。其中以闪长岩为主的杂岩体，沿整个岩带都比较发育。
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| 1.杂岩带岩体；2.断裂；3.岩体(群)编号；4.地名；5.采样位置。据脚注①修编。 图 2 卡瓦布拉克杂岩带地质简图 Fig. 2 Geological sketch map of Kawabulak complex |
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①新疆维吾尔自治区地矿局地质科学研究所. 新疆维吾尔自治区超基性岩及铬铁矿资料汇编.乌鲁木齐： 新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局，1979.
本次研究对象为卡瓦布拉克杂岩带中出露面积相对较大且露头较新鲜的闪长岩(图3)，采用LA-ICP-MS法对其进行U-Pb同位素年龄测试。样品采自哈-罗公路(235省道)250km处，地理坐标为N41°30′11.6″，E91°47′23.9″。样品呈深灰色，半自形细粒状结构，块状构造。主要矿物组成为斜长石、角闪石和少量辉石。斜长石体积分数约为64%，为更-中长石，半自形板状，粒径为0.5~1.5 mm。角闪石体积分数约为35%，半自形柱状，粒径为0.5~2.0 mm，分布于斜长石颗粒之间。副矿物有锆石、磷灰石、黄铁矿等，其中黄铁矿多褐铁矿化，粒度为0.05~0.1 mm(图3)。
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| Pl.斜长石；Hb.角闪石；Aug.辉石。 图 3 卡瓦布拉克杂岩带中闪长岩的野外照片与镜下显微照片 Fig. 3 Field photographs and microphotographs of the studied diorite from Kawabulak complex |
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锆石单矿物分离由河北省廊坊区域地质调查队实验室完成。样品经破碎、细磨筛选和淘选分离后，在双目显微镜下挑选具代表性、晶形好、无裂纹和无包裹体的锆石进行年代学研究。将分选出的锆石与标准锆石(TEM)用环氧树脂固定在玻璃板上，然后将被固定的锆石颗粒磨至约一半，以便全面观察锆石的内部结构。再经过抛光、清洗处理后，对其进行阴极发光扫描电子显微镜照相，以了解锆石的内部结构，选择最佳测试部位进行U-Pb同位素年龄测试。激光剥蚀熔融等离子质谱(LA-ICP-MS)锆石U-Pb同位素分析在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室完成。锆石的U-Th-Pb同位素分析是将美国相干公司(Coherenc)的ComPex 102 ArF准分子激光器(工作物质ArF，波长193 nm)与Agilent 7500cs型ICP-MS以及MicroLas 公司的GeoLas 200M光学系统连接，用美国国家标准技术研究院研制的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NIST610进行仪器最优化，采用PLE标准锆石外部校正法进行锆石原位U-Pb分析，用He气做为剥蚀物质的载气。分析中采用的激光束斑直径为32 μm，激光剥蚀深度为30~40 μm，频率为5 Hz，能量密度为12 J/cm2。数据采集为20 s气体空白和60 s激光剥蚀。每隔4个样品分析点测一次PL2标准样，每隔12个样品分析点测一次610标准样，以便保证标准样和样品的仪器条件完全一致。同位素比值采用Glitter(4.0)程序[6]处理，样品的加权平均年龄计算及谐和图的绘制采用Isoplot(3.0)软件[7]完成。普通铅校正采用Anderson[8]的方法实现，单个数据点误差均为1σ，加权平均值误差为2σ。
锆石原位Lu-Hf同位素测试在中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成。采用仪器为Finnigan Neptune多接收等离子质谱(LA-MC-ICP-MS)，用New wave UP213紫外激光剥蚀系统熔样。实验过程中采用 He 作为剥蚀物质载气，根据锆石大小，剥蚀直径采用 55 μm或40 μm，激发频率为10 Hz，平均激光能量为2.5 g/cm3。测定时使用锆石国际标样 GJ1 和 Plesovice 作为参考物质，分析点与U/Pb定年分析点为同一位置。相关仪器运行条件及详细分析流程见文献[9]。具体原理与分析方法见文献[10]，Hf同位素计算参数据文献[11]。
4 锆石U-Pb分析结果及Hf同位素组成 4.1 锆石U-Pb年代学样品(KB2)中选取的测年锆石多为浅黄色无色透明短柱状、半截锥状、中长柱状、浑圆状等，粒度多为800~150 μm。阴极发光(CL)图像(图4)表现出典型的岩浆韵律环带和明暗相间的条带结构，表明锆石为岩浆成因。
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| U-Pb年龄(白字)和Hf同位素(红字)测试位置(黄圈)。 图 4 卡瓦布拉克杂岩带中闪长岩锆石代表性CL图像 Fig. 4 Representative zircon CL images of diorites from Kawabulak complex |
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锆石U-Pb分析共测试了31个点，测试结果见表1。一般认为，岩浆成因的锆石 Th/U值大于0.40，且Th和U之间具有明显的正相关关系，而变质重结晶锆石则小于0.10[12]。本次测定的31个数据的Th/U值为0.38~1.05，其中除有1个测点(KB2-4)的Th/U值(0.38)稍低外，其余30个测点的Th/U值均>0.40，且Th、U质量分数呈现出较好的正相关关系(图5)，同样表明了本次测试的锆石为岩浆成因。
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| 图 5 卡瓦布拉克杂岩带中闪长岩的锆石w(Th)-w(U)图解 Fig. 5 w(Th)-w(U) plots of zircons of diorites from Kawabulak complex |
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由锆石U-Pb谐和图(图6a)上可以看出，锆石年龄可以分为2组：第一组只有1个测点KB2-28，位于锆石边部，其边缘较亮且晶体稍破碎，较低的年龄值(164 Ma)可能代表了后期变质热事件年龄，也或者与晶体破碎导致放射性成因Pb丢失有关；第二组共有30个测点，其年龄变化范围较小，在误差范围内有一致的207Pb/206Pb、207Pb/235U、206Pb/238U值，所有分析点都集中于一致线上很小的区域(图6b)，表明这些锆石颗粒形成后U-Pb同位素体系是封闭的，基本上没有U或Pb的丢失或加入。其中206Pb/238U的年龄变化于374~377 Ma，其加权平均值为(375±1)Ma(图6c)。这组年龄数据点在谐和图上集中分布，可信度高(MSWD=0.081)，是锆石结晶年龄或岩浆侵位时代的具体展现，代表了卡瓦布拉克杂岩带中闪长岩的形成年龄。
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| 图 6 卡瓦布拉克杂岩带中闪长岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄谐和图(a、b)和直方图(c) Fig. 6 LA-ICP-MS zircon U-Pb Concordia diagrams (a, b) and line diagrams of weighted average ages(c) of diorites from Kawabulak complex |
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在LA-ICP-MS锆石U-Pb定年的基础上，对KB2样品的30颗锆石进行了锆石微区Hf同位素测定，测试对象与测年颗粒相一致，分析结果列于表2。εHf(t)值和模式年龄用岩体的谐和年龄计算。所测锆石的176Yb/177Hf和176Lu/177Hf值范围分别为0.010 311~0.032 436、0.000 298~0.001 066。所有锆石176Lu/177Hf值均小于0.002，表明锆石在形成以后没有放射性成因Hf的积累，且没有受后期岩浆热事件的影响，所测样品的176Lu/177Hf值可以代表其形成时的Hf同位素比值[13]。
| 分析点 | 年龄/Ma | 176Yb/177Hf | 176Lu/177Hf | 176Hf/177Hf | 2σ | εHf(t) | tDM/Ma | fLu/Hf |
| KB2-01 | 375 | 0.025 998 | 0.000 731 | 0.282 655 | 0.000 019 | 4.0 | 842 | -0.98 |
| KB2-02 | 375 | 0.022 030 | 0.000 719 | 0.282 663 | 0.000 025 | 4.2 | 832 | -0.98 |
| KB2-03 | 376 | 0.016 392 | 0.000 498 | 0.282 670 | 0.000 021 | 4.5 | 817 | -0.99 |
| KB2-04 | 374 | 0.025 516 | 0.000 691 | 0.282 860 | 0.000 015 | 11.2 | 553 | -0.98 |
| KB2-05 | 376 | 0.023 617 | 0.000 703 | 0.282 682 | 0.000 021 | 4.9 | 805 | -0.98 |
| KB2-06 | 377 | 0.016 050 | 0.000 490 | 0.282 664 | 0.000 017 | 4.4 | 824 | -0.99 |
| KB2-07 | 376 | 0.032 436 | 0.001 066 | 0.282 668 | 0.000 022 | 4.3 | 831 | -0.97 |
| KB2-08 | 375 | 0.015 653 | 0.000 441 | 0.282 669 | 0.000 020 | 4.5 | 816 | -0.99 |
| KB2-09 | 375 | 0.019 615 | 0.000 576 | 0.282 685 | 0.000 019 | 5.0 | 796 | -0.98 |
| KB2-10 | 375 | 0.020 152 | 0.000 583 | 0.282 657 | 0.000 018 | 4.1 | 836 | -0.98 |
| KB2-11 | 375 | 0.017 250 | 0.000 528 | 0.282 677 | 0.000 018 | 4.8 | 808 | -0.98 |
| KB2-12 | 375 | 0.010 311 | 0.000 298 | 0.282 656 | 0.000 018 | 4.1 | 832 | -0.99 |
| KB2-13 | 375 | 0.011 479 | 0.000 328 | 0.282 691 | 0.000 019 | 5.3 | 784 | -0.99 |
| KB2-14 | 376 | 0.021 588 | 0.000 634 | 0.282 697 | 0.000 021 | 5.5 | 782 | -0.98 |
| KB2-15 | 377 | 0.013 082 | 0.000 378 | 0.282 706 | 0.000 018 | 5.9 | 764 | -0.99 |
| KB2-16 | 376 | 0.014 531 | 0.000 431 | 0.282 689 | 0.000 021 | 5.2 | 788 | -0.99 |
| KB2-17 | 376 | 0.023 980 | 0.000 736 | 0.282 697 | 0.000 022 | 5.5 | 783 | -0.98 |
| KB2-18 | 376 | 0.025 196 | 0.000 761 | 0.282 747 | 0.000 019 | 7.2 | 714 | -0.98 |
| KB2-19 | 375 | 0.030 454 | 0.000 848 | 0.282 739 | 0.000 020 | 6.9 | 727 | -0.97 |
| KB2-20 | 375 | 0.029 416 | 0.000 868 | 0.282 718 | 0.000 022 | 6.1 | 757 | -0.97 |
| KB2-21 | 375 | 0.019 011 | 0.000 605 | 0.282 713 | 0.000 024 | 6.0 | 759 | -0.98 |
| KB2-22 | 375 | 0.022 602 | 0.000 677 | 0.282 701 | 0.000 022 | 5.6 | 777 | -0.98 |
| KB2-23 | 376 | 0.017 847 | 0.000 503 | 0.282 682 | 0.000 019 | 5.0 | 800 | -0.98 |
| KB2-24 | 375 | 0.024 301 | 0.000 725 | 0.282 729 | 0.000 019 | 6.6 | 738 | -0.98 |
| KB2-25 | 375 | 0.029 969 | 0.000 896 | 0.282 711 | 0.000 021 | 5.9 | 768 | -0.97 |
| KB2-26 | 374 | 0.026 144 | 0.000 769 | 0.282 711 | 0.000 019 | 5.9 | 764 | -0.98 |
| KB2-27 | 376 | 0.011 446 | 0.000 352 | 0.282 712 | 0.000 018 | 6.0 | 755 | -0.99 |
| KB2-29 | 375 | 0.016 718 | 0.000 521 | 0.282 672 | 0.000 022 | 4.6 | 814 | -0.98 |
| KB2-30 | 377 | 0.014 287 | 0.000 422 | 0.282 729 | 0.000 018 | 6.7 | 733 | -0.99 |
| KB2-31 | 375 | 0.014 050 | 0.000 400 | 0.282 683 | 0.000 021 | 5.0 | 796 | -0.99 |
| 注：tDM为亏损地幔模式年龄；fLu/Hf为分馏因子。 | ||||||||
样品KB2所测30颗锆石中，除点KB2-04具较高的Hf同位素组成及较年轻的亏损地幔模式年龄(176Hf/177Hf=0.282 860；εHf(t)=11.2；tDM=553 Ma)之外，其余29颗锆石Hf同位素组成较均一：176Hf/177Hf值为0.282 655~0.282 747，加权平均值为0.282 692±0.000 020(2σ，n=29)；εHf(t)值为4.0~7.2，平均值为5.3；亏损地幔模式年龄变化范围为714~842 Ma(均值为788 Ma)。
5 讨论 5.1 杂岩带的形成时代对中天山地块卡瓦布拉克杂岩带中闪长岩的LA-ICP-MS锆石U-Pb定年，获得206Pb/238U表面年龄为(375±1) Ma。结合所测锆石的阴极发光特征及Th/U值，将上述年龄解释为闪长岩的侵位年龄。从野外接触关系可以判断，杂岩带中以蛇纹岩为主的超基性岩与劈理化辉长岩及玄武岩为主的基性岩组合，形成比较早；以闪长岩为主的中基性杂岩形成较晚，属于后期火成岩；红色花岗岩形成最晚。尽管目前尚未获得其他岩石类型结晶成岩的同位素年龄，但由本文所报道的年龄数据可推断，超基性基性岩石侵位早于375 Ma，而酸性岩则晚于375 Ma。
5.2 地质意义卡瓦布拉克杂岩带中闪长岩的Hf同位素组成比较均一，由表2可知,176Lu/177Hf值为0.000 298~0.001 066，176Hf/177Hf值为0.282 655~0.282 747，εHf(t)均为正值，为4.0~7.2，平均值为5.3。在锆石εHf(t)直方图(图7)上，所有数据都落在球粒陨石演化线的右侧。176Hf/177Hf-t年龄图解(图8)中，锆石投点落于球粒陨石与亏损地幔演化线之间。这些数值表明，其母岩浆起源于亏损地幔源区。中天山其他地区的幔源岩石也具有与该闪长岩一致的Hf同位素组成，如白石泉和天宇二叠纪铁镁超铁镁质岩体[14]，反映中天山地幔经历了长期基性岩浆熔融和抽提作用，并造成了地幔储库的亏损。这些幔源岩石在成因上与古洋壳的俯冲以及碰撞后造山带伸展、垮塌作用密切相关[15, 16, 17, 18, 19]，反映古生代是中天山地区地壳增生的重要时段[20, 21, 22, 23, 24]。卡瓦布拉克杂岩带中闪长岩的矿物学及Hf同位素特征，显示其自身就是晚古生代地壳增生的重要组分之一。
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| 图 7 卡瓦布拉克杂岩带中闪长岩的锆石εHf(t)直方图 Fig. 7 Zircons εHf(t) histograms of diorites from Kawabulak compelx |
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| 图 8 卡瓦布拉克杂岩带中闪长岩的锆石176Hf/177Hf-t年龄图解 Fig. 8 Zircons 176Hf/177Hf-t diagram of diorites from Kawabulak compelx |
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中天山地块南缘古生代岩浆岩被视为南天山洋构造演化过程的产物[25, 26, 27, 28]。巴仑台库米什地区出露一套早泥盆世((396±4)~(416±5)Ma)的弧型花岗岩[29, 30]，说明至少在早泥盆世之前南天山洋已经开始向北俯冲于中天山地块之下。洋壳俯冲-消减过程中，俯冲板片上部地幔楔发生熔融及玄武质岩浆上涌带来的热引起中、下地壳的局部熔融，引起大陆边缘火山-岩浆活动，分别形成玄武质侵入岩及重熔型花岗岩[31, 32, 33]。中天山南缘存在的高压变质带中，榆树沟蛇绿岩的锆石U-Pb年龄为(364±5)Ma[34]、斜长角闪岩中变质角闪石40Ar/39Ar坪年龄为(368±5)Ma[35]，代表其变质作用的年龄；其东侧铜花山一带蓝片岩中蓝闪石40Ar/39Ar坪年龄为(360.7±1.6) Ma[36]，说明该期高压变质事件的形成年龄约为360 Ma。此外，巴仑台地区340 Ma的早石炭世侵入岩具有钙碱性火山弧花岗岩的地球化学特征[37]。据此推测，中天山南缘洋壳俯冲事件一直持续到早石炭世。中天山地块南缘在卡瓦布拉克地区存在晚泥盆世的杂岩为典型的幔源岩浆活动产物，可能代表该区活动大陆边缘岩浆弧的一部分。然而，由于缺乏岩石地球化学和全岩Sr-Nd同位素证据，该杂岩体形成的具体构造环境和深部岩浆过程还有待于进一步研究。
6 结论1)锆石U-Pb同位素测年获得卡瓦布拉克杂岩带中闪长岩的侵位年龄为(375±1) Ma(MSWD=0.081)，表明中天山地块南缘在卡瓦布拉克地区存在晚泥盆世的岩浆活动。
2)闪长岩具有较均一的Hf同位素组成，初始比值为0.282 655~0.282 747、εHf(t)值为4.0~7.2，其对应的亏损地幔模式年龄为714~842 Ma。结合矿物学特征，认为其母岩浆起源于亏损岩石圈地幔的部分熔融，可能代表该区活动大陆边缘岩浆弧的一部分。
本研究在测试分析各环节中，先后得到了河北省廊坊区域地质调查队实验室、北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室、中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室等相关单位和个人的大力支持与帮助；北京大学孙克克、中国地质大学(北京)博士生秦切等同学为样品测试、数据处理提供了帮助，在此表示诚挚的谢意。
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