岩石学报  2012, Vol. 28 Issue (12): 4139-4150   PDF    
南阿尔金迪木那里克花岗岩地球化学、锆石U-Pb年代学与Hf同位素特征及其构造地质意义
杨文强1, 刘良1, 丁海波2, 校培喜3, 曹玉亭1, 康磊1     
1. 大陆动力学国家重点实验室,西北大学地质学系,西安 710069;
2. 新疆地矿局第三地质大队,库尔勒 841000;
3. 中国地质调查局西安地质矿产研究所,西安 710054
摘要: 迪木那里克花岗岩侵入到南阿尔金迪木那里克浅海相沉积地层中,岩性为钾长花岗岩。地球化学数据显示该花岗岩具有高SiO2、高钾、高铝的特征,富集Rb、Th、K、La、Zr,亏损Ba、Ta、Nb、Sr、P、Ti,属于弱过铝质高钾钙碱性系列,具有S型花岗岩的特征;其源岩为杂砂岩,熔融温度和压力约为>800℃与~10kbar。锆石εHf(t) 介于-3.52~0.95,LA-ICP-MS锆石U-Pb定年确定其形成时代为452.8±3.1Ma。迪木那里克花岗岩的形成时代明显晚于南阿尔金高压-超高压变质岩的峰期变质时代(486~504Ma),而与超高压岩石的退变质时代(455Ma) 基本一致,又与形成时代为467Ma的长沙沟-清水泉一带裂谷型层状镁铁质-超镁铁质杂岩体伴生,其成因可能是阿尔金深俯冲陆壳板片发生断离后,深部地幔物质上涌导致地壳杂砂岩熔融的产物,具有同折返岩浆作用的特点。结合以往研究,南阿尔金俯冲碰撞杂岩带中早古生代花岗岩的演化期次可初步划分为:1) 约500Ma,与高压-超高压变质岩的峰期变质时代一致,形成于陆-陆碰撞造山作用过程中的陆壳相互叠置加厚阶段;2) 为466~451Ma,与超高压岩石的退变质时代大致相当,形成于深俯冲陆壳断离后的伸展构造背景;3) 为426~385Ma,形成于碰撞造山作用结束后的伸展减薄阶段。
关键词: LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄     S型花岗岩     同折返岩浆作用     迪木那里克     南阿尔金    
Geochemistry, geochronology and zircon Hf isotopes of the Dimunalike granite in South Altyn Tagn and its geological significance
YANG WenQiang1, LIU Liang1, DING HaiBo2, XIAO PeiXi3, CAO YuTing1, KANG Lei1     
1. State Key Laboratory of Continental Dynamics, Department of Geology, Northwest University, Xi'an 710069, China;
2. The Third Geological Branch, Xinjiang Geological and Mineral Burean, Kuerle 841000, China;
3. Xi'an Institute of Geology and Mineral Resources, China Geological Survey, Xi'an 710054, China
Abstract: The Dimunalike moyite intruded the Dimunalike shallow marine sedimentary strata in the South Altyn Tagh. Geochemical data shows that, this granite is high in SiO2, K2O and Al2O3, enriched in Rb, Th, K, La, Zr, depleted in Ba, Ta, Nb, Sr, P, Ti, and belongs to weakly peraluminous high-K calc-alkaline series. The Dimunalike moyite has characteristics of S-type granite. The magma of this granite might be derived from melting of greywacke under the temperature of >800℃ and pressure~10kbar. Variations of εHf(t) are -3.52~0.95. Zircon LA-ICP-MS U-Pb dating yields a weighted average age of 452.8±3.1Ma. The crystallization age of the Dimunalike granite was consistent with the retrograde metamorphic age of the UHP rocks and significantly younger than the peak metamorphic age of the HP-UHP rocks. The Dimunalike granite occurred associated with the Changshagou-Qingshuiquan rifting-related banded mafic-ultramafic intrusion. A possibly reason for this is that, after break-off of the Altyn deep subducted continantal slab, the upwelling material and heat from the deep mantle triggered partial melting of the greywacke unit in the crust. The genesis of the Dimunalike granite displays characteristics of syn-exhumation magmatism. Combined with previous studies, tectonic setting evolution process of the Early Paleozoic granite plutons of the South Altyn continental subduction-collision complex can be subdivided into three stages: I)~500Ma, this period was dominated by continent-continent collision and crustal thickening, and the age constraint is consistent with the peak age of the HP-UHP metamorphism; Ⅱ) 462~451Ma, the study area was within an extensional tectonic setting caused by break-off of deep subducted continental slab as indicated by the retrograde metamorphic age of the UHP rocks; Ⅲ) 426~406Ma, the tectonic setting of this stage is dominated by post-collisional extension and crustal thinning.
Key words: LA-ICP-MS U-Pb zircon dating     S-type granite     Syn-exhumation     Dimunalike     South Altyn Tagn    
1 引言

近十多年来,南阿尔金江尕勒萨依、淡水泉和英格利萨依等地陆续发现了具有陆壳属性的多种类型的高压-超高压变质岩石(刘良等, 1996; Liu et al., 2002, 2004, 2005, 2007; Zhang et al., 2001, 2002, 2004, 2005),并确定这些高压-超高压岩石的峰期变质时代为486~504Ma (Liu et al., 2009, 2010及其参考文献),退变质时代为455Ma (Liu et al., 2012)。这些研究揭示南阿尔金构造带在早古生代经历了陆壳深俯冲及其后抬升折返的构造演化过程。大规模陆壳深俯冲作用及其折返的过程中,必然会引发幔源岩浆与壳源岩浆发生混合作用或(和) 大陆地壳的重熔,形成各类花岗岩体(Pitcher, 1983; Miller et al., 1999)。南阿尔金地区出露大量花岗岩岩体,它们作为南阿尔金造山带构造演化的岩浆响应,记录着壳幔相互作用、岩石圈演化的大量信息(Barbarin, 1999; Jahn et al., 1999),是研究揭示南阿尔金陆壳深俯冲作用及折返演化过程的重要窗口。但由于该区海拔高、自然条件恶劣、交通不便,花岗岩的研究程度总体较低,很多花岗岩岩体的精细研究还是空白,仅有的一些相关研究主要着重于部分单个岩体,如:阿尔金南缘断裂带的玉苏普阿勒克塔格406~424Ma的花岗岩(王超等, 2008)、塔特勒克布拉克451~462Ma复式花岗岩体(曹玉亭等, 2010康磊等, 2012) 和鱼目泉497Ma花岗岩(孙吉明等, 2012)。那么,南阿尔金早古生代花岗质岩浆活动究竟有几期?不同期次花岗质岩浆作用的构造背景及其与超高压变质作用之间的构造成因联系是什么?目前尚缺乏系统深入的研究。为此,本文重点研究了南阿尔金迪木那里克花岗岩体的地球化学特征、年代学和锆石Hf同位素特征及其成因,并在此基础上,结合区内花岗岩体和超高压变质岩等前人的研究成果,初步探讨了南阿尔金早古生代花岗质岩浆活动期次及其与超高压变质作用之间的构造成因联系。

2 区域地质背景

阿尔金造山带从北至南划分为四个构造单元(图 1),依次为:阿北地块、红柳沟-拉配泉蛇绿构造混杂岩带、米兰河-金雁山地块、南阿尔金俯冲碰撞杂岩带(许志琴等, 1999; 刘良等, 1999; Zhang et al., 2001; 车自成等, 2002)。其中,南阿尔金俯冲碰撞杂岩带大致可进一步划分为南阿尔金高压-超高压变质带和南阿尔金蛇绿构造混杂岩带两部分。迪木那里克花岗岩出露于南阿尔金蛇绿构造混杂岩带中的绢云千枚岩地层之中,该地层已被初步确定为浅海相(火山) 沉积地层(杨文强等, 2012)。

图 1 阿尔金构造地质简图(a, 据Liu et al., 2012修改) 和南阿尔金迪木那里克地质图(b, 据广西壮族自治区地质调查研究院, 2003a, b修改) Ⅰ-塔里木盆地;Ⅱ-柴达木盆地;Ⅲ1-阿北地块;Ⅲ2-红柳沟-拉配泉蛇绿构造混杂岩带;Ⅲ3-米兰河-金雁山地块;Ⅲ4-南阿尔金俯冲碰撞杂岩带;1-阿尔金南缘断裂带 Fig. 1 Geological sketch map of Altyn Tagh (a, modified after Liu et al., 2012) and geological sketch map of Dimunalike in South Altyn Tagh (b) Ⅰ-Tarim Basin; Ⅱ-Qaidam Basin; Ⅲ1-the north Altyn Archean complex; Ⅲ2-the north Altyn oceanic-type subduction complex; Ⅲ3-the Milanhe-Jinyanshan block; Ⅲ4-the south Altyn continental-type subduction-collision complex; 1-the southern marginal fault zone of Altyn

①广西壮族自治区地质调查研究院. 2003a.瓦石峡幅(J45C002003) 1:25万区域地质图

②广西壮族自治区地质调查研究院. 2003b.阿尔金山幅(J45C003003) 1:25万区域地质图

沿阿尔金南缘断裂带南侧,东起青海-新疆交界的茫崖,西至阿帕,长约700km的狭长范围内,分布有规模不等上百个镁铁-超镁铁质岩体。以往多数学者认为它们均具有蛇绿岩性质,将其称为阿帕-茫崖蛇绿岩带(董显扬等, 1995; 刘良等, 1998; 张旗和周国庆, 2001; 李向民等, 2009)。根据以下几方面的资料,该蛇绿岩带的形成时代应≥500Ma:茫崖地区8件具有MORB或OIB特征的基性火山岩Sm-Nd年龄为481±53Ma (刘良等, 1998)、区内鱼目泉加厚地壳背景下形成的混合花岗岩的时代为496.9±1.9Ma (孙吉明等, 2012)、约马克其具蛇绿岩特征的镁铁-超镁铁质岩石时代为500.7±1.9Ma (李向民等, 2009)。但最近,马中平等(2009)在这条镁铁-超镁铁质岩带中的长沙沟-清水泉一带识别出一套非蛇绿岩组成单元的镁铁-超镁铁质层状侵入岩,其形成时代为467.4±1.4Ma,并结合地球化学特征认为其形成于南阿尔金后碰撞伸展背景(马中平等, 2009, 2010)。因此,分布于阿尔金南缘断裂带附近的镁铁-超镁铁质岩体可分为两类:一类形成时代≥500Ma,具有蛇绿岩性质;另一类形成时代约为465Ma,不具有蛇绿岩性质。

3 岩相学特征

迪木那里克花岗岩的岩石类型为钾长花岗岩。主要矿物有碱性长石(40%~45%),斜长石(10%~15%) 和石英(40%),次要矿物有黑云母(5%),副矿物有榍石,帘石(图 2)。碱性长石较大,粒径2~5mm不等,分为条纹长石和微斜长石,条纹长石具有细脉状的条纹结构,客晶纳长石脉状条纹延长方向基本一致,具有一致的消光位(图 2a);微斜长石具有特有的格子双晶(图 2b)。斜长石大小不一,粒径0.2~5mm,斜长石普遍发生了蚀变,主要蚀变为细粒的高岭石,还保留了斜长石的晶形,个别未蚀变的斜长石颗粒具有特征的钠长石双晶。黑云母一组极完全解理特征明显,近平行消光,多数黑云母已蚀变为绿泥石,绿泥石仍然保持了黑云母的晶形轮廓(图 2b)。

图 2 迪木那里克花岗岩显微岩石学照片 Per-条纹长石; Mi-微斜长石; Bi-黑云母; Qtz-石英; Chl-绿泥石 Fig. 2 Microstructures of moyite Per-perthite; Mi-microcline; Bi-biotite; Qtz-quartz; Chl-chlorite
4 分析方法

除锆石由河北廊坊诚信地质服务有限公司挑选外,其它所有测试分析均在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。全岩主量元素分析在日本理学Rigaku RIX 2100型XRF仪上测定;全岩微量和稀土元素测试在美国Perkin Elmer公司Elan 6100 DRC型电感耦合等离子质谱(ICP-MS) 仪上完成, 样品测试中以AVG-1、BHVO-1和BCR-2标样监控;锆石的CL图像分析在装有英国Gatan公司生产的Mono CL3+阴极发光装置系统的电子显微扫描电镜上完成;锆石的微量元素分析和U-Pb年龄测定是在连接Geolas 2005紫外激光剥蚀系统(193nm深紫外ArF激光器) 的Agilient 7500a型ICP-MS上进行的,激光剥蚀斑束直径为30μm,采样为单点剥蚀方式,以He作为剥蚀物质的载气,ICP-MS数据采集选用跳峰方式,数据处理采用Glitter (ver 4.0) 程序,年龄计算以标准锆石91500为外标进行同位素比值分馏校正样品的谐和图和加权平均年龄计算及绘制均采用用Isoplot (ver 2.49) (Ludwig, 2003);锆石原位Lu-Hf同位素测定是在配备了Geolas 2005激光剥蚀系统的Nu Plasma HR (Wrexham, UK) 多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS) 上完成的,激光剥蚀的脉冲频率是10Hz,激光束斑直径为44μm,分析中利用锆石样品91500和GJ-1作外标,详细分析步骤和数据处理方法详见Yuan et al. (2008)

5 分析结果 5.1 地球化学特征 5.1.1 主量元素

南阿尔金迪木那里克花岗岩的SiO2含量为70.46%~71.99%,Na2O+K2O含量为7.34%~8.05%,里特曼指数δ=1.86~2.36,K2O/N2O=1.41~1.58(表 1),属于高钾钙碱性系列岩石(图 3a)。MgO含量低(0.61%~0.64%),FeOT=2.12%~2.27%,CaO=1.96%~2.06%,TiO2=0.30%~0.34%。Al2O3=13.97%~14.63%,A/CNK=1.03~1.04,为弱过铝质花岗岩(图 3b),Al2O3/TiO2=42.52~48.77,均小于100,CaO/Na2O=0.63~0.68,均大于0.3。

图 3 迪木那里克花岗岩的SiO2-K2O图解(a, 据Rickwood, 1989) 和A/CNK-A/NK图解(b, 据Peccerillo and Taylor, 1976) Fig. 3 SiO2-K2O diagram (a, after Rickwood, 1989) and A/CNK-A/NK diagram (b, after Peccerillo and Taylor, 1976) for moyite

表 1 迪木那里克花岗岩的地球化学组成(主量元素:wt%;微量元素:×10-6) Table 1 Element compositions of moyite (Major element: wt%; Trace element: ×10-6)
5.1.2 稀土和微量元素

稀土元素总量介于171.0×10-6~185.9×10-6。(La/Yb)N=8.18~14.07,LREE/HREE=8.21~10.82,轻重稀土元素分馏明显。在稀土元素球粒陨石标准化配分图上(图 4a),各样品均为轻稀土相对富集的右倾特征,具有负铕异常(δEu=0.57~0.61)。

图 4 迪木那里克花岗岩稀土模式图(a) 和微量元素蛛网图(b)(球粒陨石值据Boynton, 1984; 原始地幔值据Sun and McDonough, 1989) Fig. 4 Chondrite-normalized REE-pattern (a) and primitive-mantle normalized spider diagram (b) for moyite (normalization values after Boynton, 1984; Sun and McDonough, 1989)

微量元素原始地幔标准化蛛网图(图 4b) 显示富集大离子亲石元素Rb、Th、K、La、Zr等,亏损Ba、Ta、Nb、Sr、P、Ti。Rb/Ba比值小于0.3,Sr、P和Ti亏损可能分别指示斜长石、磷灰石和钛铁矿的分离结晶。

5.2 锆石U-Pb年龄和稀土特征

锆石形态主要为半自形长柱状,长宽比多为2:1(图 5)。锆石CL图像显示多数环带特征不明显,一些具有弱的环带特征(如图 5-269101112),可能主要是因为锆石的U、Th、REE含量比较高造成的(表 2),一般锆石的这些元素含量越高,锆石阴极发光的强度越弱(Hanchar and Miller, 1993; Hanchar and Rudnick, 1995; Corfu et al., 2003; Rubatto and Gebauer, 2000; 吴元保和郑永飞, 2004)。对挑选出的锆石共进行了15次分析,其中3个测点的信号较差且明显偏离谐和一致曲线,可能与其204Pb含量过高有关(Andersen, 2002),剔除后剩余12个锆石点测试结果见图 5图 6a表 2表 3,测点的206Pb/238U加权平均年龄为452.8±3.1Ma。

图 5 迪木那里克花岗岩锆石CL图像及U-Pb年龄 Fig. 5 CL images and U-Pb ages of zircons in moyite

图 6 迪木那里克花岗岩锆石U-Pb年龄谐和图(a) 和稀土元素配分图(b) Fig. 6 Concordia diagram showing results of LA-ICP-MS U-Pb dating (a) and chondrite-normalized REE pattern (b) of zircons in moyite

表 2 迪木那里克花岗岩的锆石LA-ICP-MS定年分析结果 Table 2 LA-ICP-MS U-Pb age of zircons in moyite

表 3 迪木那里克花岗岩的锆石稀土元素分析结果(×10-6) Table 3 LA-ICP-MS trace element compositions of zircons in moyite (×10-6)

表 3可以看出,锆石测点稀土元素总量较高,∑REE=1961×10-6~4743×10-6,Th和U的含量比较高,Th的含量介于519×10-6~2102×10-6,U的含量介于959×10-6~3019×10-6,从锆石的稀土元素配分图(图 6b) 看出HREE明显富集,具有Ce正异常和Eu负异常,δCe=1.4~5.4,δEu=0.12~0.37。Th/U比值介于0.28~0.75之间,平均值为0.48,这些特征与典型的岩浆锆石的特征是一致的(Corfu et al., 2003)。一般认为Ce的正异常是由于Ce3+被氧化成Ce4+后,离子半径与Zr接近,比其它轻稀土元素更容易进入到锆石晶格中。Eu的负异常一般认为同时期有长石结晶,Eu更易于进入到长石晶格中造成的(Hoskin and Schaltegger, 2003)。

5.3 锆石Hf同位素

在已准确测定锆石U-Pb同位素年龄的点位或其旁用较大斑束(44μm) 剥蚀进行锆石Hf同位素测定,得到10个分析数据(表 4)。其中,176Hf/177Hf比值均小于0.002,表明锆石形成后放射性成因Hf积累很少,因此,176Hf/177Hf比值基本上可以代表锆石结晶时体系的Hf同位素组成(第五春荣等, 2008)。对于花岗岩,锆石的两阶段Hf模式年龄(tDMC) 不代表花岗岩和其源岩形成时代,仅代表着形成花岗岩的源岩地壳物质从亏损地幔库脱离的年龄,为重要的地壳增生期(吴福元等, 2007a)。计算tDMC采用上地壳平均值为0.008(Taylor and McLennan, 1981),计算εHf(t) 和tDMC采用各点对应的U-Pb年龄。分析结果见表 4图 7,其176Hf/177Hf=0.282376~0.282531,εHf(t) 介于-3.52~0.95,平均值为-0.75,暗示该花岗岩的源岩来源于陆壳物质,tDMC=1200~1465Ma,表明该花岗岩源岩的组成物质从地幔储库中脱离的时间为中元古代。

图 7 锆石的εHf(t)-t图解 Fig. 7 εHf(t)-t diagram for zircon in moyite

表 4 迪木那里克花岗岩中锆石的Hf同位素组成 Table 4 Hf isotope compositions of zircon in moyite
6 讨论 6.1 源岩特征

迪木那里克花岗岩的主量元素SiO2=70.46%~71.99%、Al2O3/TiO2=43~49、CaO/Na2O=0.6~0.7、K2O/N2O=1.4~1.6,与由地壳沉积岩部分熔融形成的S型花岗岩的地球化学特征(SiO2 < 74%、Al2O3/ TiO2 < 100、CaO/Na2O>0.3、K2O/N2O>1) 完全吻合(路凤香和桑隆康, 2002),暗示其源岩为地壳沉积岩;微量元素原始地幔标准化蛛网图显示富集大离子亲石元素Rb、Th、K、La、Zr等,亏损Ba、Ta、Nb、Sr、P、Ti,Th/U比值为7~9,高于地壳平均值(2.8,Taylor and McLennan, 1981),Zr/Hf比值为37~38,与上地壳的Zr/Hf比值(~37) 相当(Gao et al., 1998),亦显示其源岩具有地壳沉积物的特征。

对于源岩由地壳沉积岩熔融形成的花岗岩,Sylvester (1998)研究表明CaO/Na2O比值能够示踪源区成分,来自于富粘土而贫斜长石的泥质岩源岩熔体的CaO/Na2O较低( < 0.3),而来自于富斜长石而贫粘土的沙屑质源岩熔体的CaO/Na2O比值较高(>0.3)。迪木那里克花岗岩具有较高的CaO/Na2O (大于0.6),暗示其源岩可能为陆壳沉积的砂质岩。Harris and Inger (1992)的研究显示,由泥质类源岩水饱和熔融产生的铝长英质岩浆具有高Sr/Ba (0.5~1.6) 及附加正Eu异常,而该样品的Sr/Ba比值(0.21~0.26) 很低,具有负Eu异常,与泥质类源岩的特征不符。在CaO/(MgO+FeO)-Al2O3/(MgO+FeO) 图解(图 8a) 和Rb/Sr-Rb/Ba图解中(图 8b),样品均落于杂砂岩的部分熔融范围。因此,迪木那里克花岗岩的源岩为地壳杂砂岩沉积物。

图 8 钾长花岗岩的C/MF-A/MF图解(a) 和Rb/Sr-Rb/Ba图解(b)(据Gerdes et al., 2000) Fig. 8 C/MF-A/MF diagram (a) and Rb/Sr-Rb/Ba diagram (b) of moyite (after Gerdes et al., 2000)
6.2 熔融条件

温度和压力是岩浆熔融的主要条件,但是岩浆形成时的温压条件较难获取,目前对花岗岩岩浆起源时温压的认识主要基于实验岩石学的资料,但是实验岩石学资料有限,而花岗岩千差万别,因此不得不借助其它方面的手段来获取相关信息。对于温度,一般认为花岗岩大多是绝热上升就位的,在此过程中温度变化慢而压力变化较快,所以岩浆早期结晶时的温度可以近似代表岩浆起源时的温度(吴福元等, 2007b);对于压力,岩浆结晶时的压力已有较好的方法可以获得(Anderson, 1996),但对源岩发生部分熔融时的压力仍然所知甚少,目前一般根据源区残留相矿物估算源区的压力条件,如果源区残留石榴石,则岩浆起源的压力较高(>10kbar),而如果源区残留斜长石,一般认为岩浆起源的压力较低。

目前常应用于花岗岩的地质温度计有锆石饱和温度计和锆石钛温度计(Watson and Harrison, 1983; Watson et al., 2006; Ferry and Watson, 2007)。本次选用这两个温度计对比分析,计算公式分别采用Watson and Harrison (1983)Ferry and Watson (2007)的模拟公式。利用锆石饱和温度计和锆石钛温度计所得的平均温度分别为798℃和835℃,计算结果见表 5。从表 5中可以看出,利用锆石Ti温度计所得结果精确度较差,温度变化范围大(794~927℃),可能主要有两个原因:1) 不能保证挑选出的锆石都与金红石共生;2) 锆石中Ti含量(16.25×10-6~51.58×10-6) 测试不够准确。因此,我们选用锆石饱和温度计约800℃的计算值。而在花岗质岩浆体系中锆石是较早结晶的副矿物,一般认为锆石中Zr的分配系数对温度极度敏感,其它因素对其没有明显影响(Calvin et al., 2003; 秦江锋等, 2005),因此利用锆石饱和温度计计算的结果约800℃可近似代表花岗岩近液相线的温度,也近似代表岩浆起源时温度的最小值。

表 5 迪木那里克花岗岩的锆石饱和温度计和锆石Ti温度计计算结果 Table 5 Values for moyite by zircon saturation thermometer and Ti-in-zircon thermometer

关于该花岗岩起源时的压力条件,这里只大致根据该花岗岩的地球化学特征推测残留相,再结合实验岩石学资料,估计该花岗岩岩浆起源时的压力条件。Castillo (2006)总结一些岩石地球化学特征与残留矿物相之间的关系:高Sr (>300×10-6) 和无负Eu异常表明源区残留相中基本无斜长石;低Y ( < 15×10-6)、高Sr/Y (>20)、低Yb ( < 1.9×10-6) 和高La/Yb (>20) 均是源区残留相中有石榴石的特征表现。该岩石具有低Sr (133×10-6~151×10-6) 和负Eu异常,表明源区残留相中具有斜长石,高Y (23×10-6~30×10-6)、低Sr/Y (4.5~6.5)、较高Yb (1.9×10-6~2.3×10-6) 和低La/Yb (12~21) 都说明了源区无石榴子石残留,轻微HREE亏损可能是残留相中含有角闪石(Xiong et al., 2005)。因此,熔融残留相矿物组合为角闪石+斜长石(不含石榴石),由此推断该岩石的形成压力较低(Defant and Drummond, 1990);Rapp et al. (1991)分别在0.8GPa、1.6GPa、2.2GPa和3.2GPa压力下玄武岩脱水熔融试验表明,在0.8GPa时,残留相中石榴石尚不出现,在1.6GPa时,残留相中出现石榴子石,表明源区压力应至少小于1.6GPa。对于杂砂岩源岩,主要由黑云母脱水部分熔融形成熔体,黑云母脱水熔融实验表明,875℃、1.0GPa条件下,熔体体积可达到33%(Patiňo Douce and Johnston, 1991)。结合这些实验岩石学资料,估计形成该花岗岩源区的压力可能约为1.0GPa。

6.3 构造背景

已有研究表明南阿尔金地区高压-超高压岩石的峰期变质时代为486~504Ma (Liu et al., 2009, 2010及其参考文献),超高压岩石的退变质时代为455Ma (Liu et al., 2012),揭示陆壳深俯冲板片发生断离的时间介于486~455Ma之间。而在深俯冲陆壳折返的过程中,易产生与折返相关的同折返岩浆作用(郑永飞, 2004)。世界各地由深俯冲板片断离(breakoff) 诱导的同折返岩浆活动一般具有以下特征(Davies and von Blanckenbury, 1995; Sun et al., 2002; 李曙光等, 1996; 高天山等, 2004):1) 岩浆作用发生在地缝合线附近或造山带中;2) 岩浆作用晚于峰期超高压变质时间,与高压-超高压岩石的早期折返同时;3) 产生双峰式岩浆,即镁铁质岩+花岗岩,前者由岩石圈地幔熔融形成,后者由前者侵入引起的地壳熔融形成。迪木那里克花岗岩侵位于南阿尔金蛇绿构造混杂岩带中的浅海相沉积地层,其形成时代晚于区内高压-超高压峰期变质时代(约500Ma),而与超高压岩石的退变质时代(455Ma) 基本一致;其次,沿阿尔金南缘断裂带位于迪木那里克以东的长沙沟-清水泉地区出露镁铁质-超镁铁质岩体(图 1),马中平等(2009)根据该岩体富集LREE和强不相容元素、高的Zr/Y比值、特征矿物(如云母类矿物)、特征矿化(钛-磁铁矿工业矿体、镍-硫化物矿化) 及与围岩间呈侵入接触关系等,认为其不是蛇绿岩的组成部分,而是大陆裂谷环境形成的侵入体,并确定其形成时代为467.4±1.4Ma,迪木那里克花岗岩与长沙沟-清水泉镁铁质-超镁铁质岩体在空间上密切伴生(图 1),二者可能共同构成双峰式岩浆岩。因此,迪木那里克花岗岩具有同折返岩浆作用的性质,其形成可能是南阿尔金深俯冲陆壳板片发生断离后,深部地幔物质上涌导致地壳杂砂岩熔融的产物。

6.4 早古生代花岗质岩浆活动期次及其与构造演化的关系初探

结合近年来南阿尔金俯冲碰撞杂岩带中报道的花岗岩的研究成果,可初步将南阿尔金古生代花岗质岩浆活动分为3期:1) 约500Ma;2) 466~451Ma;3) 424~385Ma。

第一期花岗质岩浆活动时代约为500Ma,形成于陆-陆碰撞造山作用阶段地壳加厚背景。目前,这期花岗岩仅在阿尔金南缘断裂带鱼目泉有一例报道,孙吉明等(2012)对鱼目泉花岗岩研究后认为该花岗岩体含有大量暗色闪长质包体,是基性岩浆和酸性岩浆发生不均匀混合作用产生的,该花岗岩的形成时代(497Ma) 与南阿尔金超高压变质时代(504~487Ma) 一致,结合其高Sr (平均446×10-6),低Y (14.0×10-6)、Yb (1.5×10-6) 的特征,表明这期花岗岩与陆壳的深俯冲有关,在约500Ma时南阿尔金造山带总体上处于地壳相互叠覆增厚的陆-陆碰撞造山作用阶段。

第二期花岗质岩浆活动时代为466~451Ma,形成于深俯冲陆壳发生断离后的伸展背景。这期花岗岩区内分布最为广泛,在阿尔金南缘断裂带和南阿尔金碰撞杂岩带北部均有分布。本文研究的迪木那里克花岗岩和约马克其花岗岩(马中平等, 2011) 沿阿尔金南缘断裂带分布,形成年龄分别为453Ma和466Ma;塔特勒克布拉克复式花岗岩体出露于南阿尔金俯冲碰撞杂岩带北部,形成年龄分别为462Ma、451Ma (曹玉亭等, 2010; 康磊等, 2012),它们的形成时代与南阿尔金超高压岩石退变质作用的时代基本一致,均显示是沉积杂砂岩部分熔融的产物,表明该阶段已发生深俯冲陆壳板片的断离,区内已由挤压背景转换为伸展背景,断离导致地幔物质上涌,对其上覆陆壳加热,引起地壳物质熔融形成这一期花岗岩。

第三期花岗质岩浆活动时代为424~385Ma,形成于造山期后的伸展背景。这期花岗岩仅局限分布在阿尔金南缘断裂带的玉苏普阿勒克塔格地区以及阿尔金南缘断裂带以南的吐拉牧场东岩体。王超等(2008)通过对玉苏普阿勒克塔格具环斑结构花岗岩及其暗色包体进行岩石学和地球化学研究,认为该花岗岩为A型花岗岩,是早古生代末期幔源岩浆发生底侵作用,引起幔源岩浆与下地壳不断相互作用的结果。吴锁平等(2007)确认吐拉牧场东花岗岩体为偏铝质A型花岗岩,认为其形成于造山后的伸展环境,可能与阿尔金断裂左行走滑作用有关。这些研究均表明,在早古生代末期,南阿尔金地区已进入造山后阶段,经历了地壳连续伸展减薄的过程。

7 结论

(1) 南阿尔金迪木那里克花岗岩为弱过铝质高钾钙碱性系列,具有S型花岗岩的特征,其源岩为沉积杂砂岩,岩浆起源温压条件约为>800℃和~10kbar。

(2) LA-ICP-MS锆石U-Pb定年确定迪木那里克花岗岩的形成年龄为452.8±3.1Ma,其锆石εHf(t) 介于-3.52~0.95,暗示该花岗岩的源岩来源于陆壳物质;两阶段模式年龄tDMC=1200~1465Ma代表花岗岩源岩的组成物质从地幔储库中脱离的时间为中元古代。

(3) 迪木那里克花岗岩可能与长沙沟-清水泉一带镁铁质-超镁铁质杂岩体构成双峰式火山岩,具有同折返岩浆作用的特征,其成因可能是阿尔金深俯冲陆壳板片发生断离后,区域构造背景由挤压已转为拉张,地幔物质上涌引起地壳杂砂岩物质熔融形成。

(4) 南阿尔金俯冲碰撞杂岩带中早古生代花岗质岩浆活动可初步分为三期:第一期形成时代约为500Ma,形成于陆壳深俯冲引起的陆-陆碰撞造山、地壳加厚阶段,与超高压变质作用同时期;第二期形成时代为466~451Ma,形成于深俯冲陆壳断离后的伸展背景,与超高压岩石退变质作用基本同时期;第三期时代为426~385Ma,形成于造山期后的伸展背景。

致谢 野外工作和实验工作得到梁莎、廖小莹、王亚伟同学的帮助;成文过程中得到张成立教授和第五春荣博士的建议;在此一并表示衷心的感谢!
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南阿尔金迪木那里克花岗岩地球化学、锆石U-Pb年代学与Hf同位素特征及其构造地质意义
杨文强, 刘良, 丁海波, 校培喜, 曹玉亭, 康磊