巴尔喀什成矿带晚古生代地壳增生与构造演化

引用本文

刘刚, 陈宣华, 董树文, 陈正乐, 韩淑琴, 杨屹, 叶宝莹, 施炜. 2012. 巴尔喀什成矿带晚古生代地壳增生与构造演化. 岩石学报, 28(7): 1995-2008 复制到剪切板

LIU G, CHEN XH, DONG SW, CHEN ZL, HAN SQ, YANG Y, YE BY and SHI W. 2012. Late Paleozoic crustal growth and tectonic evolution in Balkhash metallogenic belt (Kazakhstan), Central Asia. Acta Petrologica Sinica, 28(7): 1995-2008(in Chinese with English abstract) 复制到剪切板

巴尔喀什成矿带晚古生代地壳增生与构造演化

刘刚¹, 陈宣华¹, 董树文¹, 陈正乐², 韩淑琴², 杨屹³, 叶宝莹⁴, 施炜²

1. 中国地质科学院，北京 100037;
2. 中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081;
3. 新疆维吾尔自治区地质矿产开发勘查局第一区调大队，乌鲁木齐 830011;
4. 中国地质大学，北京 100083

2011-12-01 收稿; 2012-05-10 改回.

基金项目: 本文受国家科技支撑计划重点项目暨国家305项目 (2007BAB25B02) 资助

第一作者简介: 刘刚，男，1977年生，博士，主要从事造山带与盆地构造演化研究，E-mail：liugang@cags.ac.cn

摘要: 巴尔喀什成矿带是中亚成矿域重要的晚古生代斑岩铜钼成矿带。巴尔喀什成矿带晚古生代花岗岩类 (石炭-二叠纪) 主要为高钾钙碱性系列，晚期出现钾玄岩系列岩石，主要为I型花岗岩类；石炭纪处在同碰撞和火山弧环境，二叠纪为后碰撞环境。分析表明，博尔雷属于经典的岛弧花岗岩区，科翁腊德、阿克斗卡和萨亚克属于埃达克岩 (Adakite) 区。巴尔喀什成矿带内花岗岩类ε_Nd(t) 值为 (-5.87~+5.94)，ε_Sr(t) 值为 (-17.16~+51.10)。以巴尔喀什中央断裂为界，成矿带东、西分带，断裂两侧具有不同的地壳生长历史：断裂以东的萨亚克和阿克斗卡地区ε_Nd(t) 值较高，具有亏损地幔组分特征，为古生代增生的新生陆壳；以西的科翁腊德和博尔雷ε_Nd(t) 值较低，主要是壳幔岩浆混合的结果，反映了古老基底的存在，主要为新元古代增生地壳。成矿带花岗岩类²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb、²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb和²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb比值范围分别为18.3346~20.9929、15.5213~15.7321和38.2874~40.0209，为造山带花岗岩类，具有与天山、阿尔泰和准噶尔花岗岩类的亲缘性。

关键词: 地壳增生构造环境 Sr-Nd-Pb同位素巴尔喀什成矿带

Late Paleozoic crustal growth and tectonic evolution in Balkhash metallogenic belt (Kazakhstan), Central Asia

LIU Gang¹, CHEN XuanHua¹, DONG ShuWen¹, CHEN ZhengLe², HAN ShuQin², YANG Yi³, YE BaoYing⁴, SHI Wei²

1. Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
2. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
3. Geological Survey Team No.1, Xinjiang Bureau of Geological Exploration, Urumqi 830011, China;
4. China University of Geosciences, Beijing 100083, China

Abstract: The Balkhash metallogenic belt in Kazakhstan is a famous porphyritic Cu-Mo metallogenic belt in the Central Asian metallogenic domain. The Late Paleozoic granitoids from Balkhash metallogenic belt are mainly of high-K calc-alkaline and I-type granites, with shoshonite in the late stage. Geochemistry analyses and tectonic discrimination show a change of tectonic setting from syn-collision and volcanic arc in Carboniferous to post-collision in Permian. The Late Paleozoic granitoids from Borly porphyry deposit formed in classical island-arc environment, though that from Kounrad, Aktogai and Sayak are adakitic. The ε_Nd(t) values for the Late Paleozoic granitoids here are between -5.87 and +5.94, and ε_Sr(t) values from -17.16 to +51.10. The continental crustal growth histories are different on the both sides of Central Balkhash fault. On the east side, ε_Nd(t) values from Aktogai and Sayak are very high with character of depleted mantle, suggesting the crustal growth in the Late Paleozoic. On the west side, ε_Nd(t) values from Borly and Kounrad are slightly low, suggesting the existence of the New Proterozoic basement and the mixing of crust and mantle during magmatism. The granitoids have ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb, ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb, and ²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb values ranging in 18.3346~20.9929, 15.5213~15.7321 and 38.2874~40.0209, respectively, showing the affinity of the Late Paleozoic magmatism in Balkhash with that in Tianshan, Altai and Junggar areas.

Key words: Crustal growth Tectonic setting Sr-Nd-Pb isotope Balkhash metallogenic belt

1 引言

花岗岩类是探索大陆地壳生长、演化与深部化学地球动力学的窗口。中亚造山带正ε_Nd值花岗岩的发育，说明该区在显生宙发生过显著的大陆地壳生长，上地幔来源的新生物质在显生宙花岗岩中占压倒优势，因而同世界其他地区地壳来源的显生宙花岗岩形成鲜明的对比 (洪大卫等，2003)。Kröner et al.(2008) 认为大量的新元古代初始地壳卷入，形成了哈萨克斯坦中部古生代岩浆弧。王涛等 (2005)认为中亚造山带后造山花岗岩中的幔源物质不全是来自新增生的年轻物质。

本文采集了处在中亚成矿域核心部位的巴尔喀什成矿带 (图 1) 基底花岗岩类样品共27个，包括科翁腊德、博尔雷、阿克斗卡斑岩型铜矿床和萨亚克矽卡岩型铜矿田的花岗岩类样品，进行岩石地球化学与同位素示踪研究，结合岩浆活动的年代学，探讨了巴尔喀什基底岩浆活动的性质，进行构造环境判别，确定了巴尔喀什成矿带晚古生代的大地构造环境，提出了该地区巴尔喀什中央断裂两侧东西部地壳增生和构造演化特点。

图 1 巴尔喀什成矿带区域地质简图 1-第四系；2-第三系 (古近系)；3-侏罗系；4-三叠系；5-二叠系；6-石炭系-二叠系 (未分)；7-石炭系；8-泥盆系-石炭系 (未分)；9-泥盆系；10-志留系；11-奥陶系；12-寒武系；13-前寒武系；14-三叠纪花岗岩类；15-二叠纪花岗岩类；16-石炭纪花岗岩类；17-泥盆纪花岗岩类；18-志留纪花岗岩类；19-奥陶纪花岗岩类；20-寒武纪花岗岩类；21-前寒武纪花岗岩类；22-巴尔喀什湖区；23-逆冲断裂；24-左行走滑断裂；25-右行走滑断裂；26-断裂：①科翁腊德-博尔雷断裂，②巴尔喀什中央断裂，③南阿克斗卡断裂，④成吉斯-准噶尔断裂；27-矿床位置 Fig. 1 Simplified geologicalmap of the Balkhash metallogenic belt

2 巴尔喀什成矿带地质概况

巴尔喀什成矿带是中亚成矿域哈萨克斯坦-天山马蹄形构造带的内缘，为一晚古生代 (海西期) 褶皱区，是中亚多核成矿系统的核心部分 (朱永峰等，2007；Chen et al., 2010; 陈宣华等, 2009, 2010a, b, c，2011)。巴尔喀什成矿带具多期构造-岩浆侵入活动，其中以海西期最为强烈，侵入岩分布十分广泛，主要为中酸性侵入岩，早石炭世花岗岩分布在北巴尔喀什复背斜的边缘，中石炭世-晚石炭世是岩浆活动的鼎盛期，大面积分布的花岗闪长岩-花岗岩建造以及中浅层侵入的中酸性斑岩，构成具最潜力的成矿建造。在托克劳盆地的托帕尔杂岩体，科翁腊德超大型斑岩铜矿床就产于其中最晚期的花岗闪长斑岩中。

晚古生代构造-岩浆活动造就了巴尔喀什成矿带，使之成为哈萨克斯坦最主要的斑岩型铜矿化集中区 (申萍和沈远超，2010；李光明等，2008)，同时也是世界上三大斑岩型铜矿带最重要的铜矿区之一。成矿带西部和东部分别产出有著名的科翁腊德超和阿克斗卡大型斑岩铜矿床，与成矿有关的二长花岗斑岩结晶年龄分别为327.3±2.1Ma和327.5±1.9Ma (李勇等，2012)。西部博尔雷大型斑岩铜钼矿床的成矿时代为315.9Ma (Chen et al., 2010; 陈宣华等, 2010a, b, c)。该带还产出萨亚克大型矽卡岩型铜矿田，与矽卡岩型铜成矿作用有关的早期闪长岩和晚期花岗闪长岩结晶年龄分别为335±2Ma和308±10Ma (陈宣华等，2012)。此外，该带还产出一系列石英脉-云英岩型钨钼矿床，其成矿时代分别为298.0Ma (东科翁腊德)、295.0Ma (扎涅特) 和289.3Ma (阿克沙套)(Chen et al., 2010; 陈宣华等, 2010a, b, c)。

3 岩石地球化学特征与构造环境判别 3.1 分析方法

花岗岩类岩石地球化学分析由国家地质实验测试中心完成。其中，主量元素除FeO外检测依据为GB/T14506.28-1993，FeO、H₂O⁺、CO₂、LOI检测依据分别为GB/T14506.14-1993、GB/T14506.2-1993、GB9835-1988、LY/T1253-1999，检测仪器为X荧光光谱仪 (2110型)。微量和稀土元素含量检测依据为DZ/T0223-2001，检测仪器为等离子质谱 (X-series)。分析结果见表 1和表 2。

表 1 巴尔喀什成矿带花岗岩类主元素分析数据 (wt%) Table 1 Major element compositions of granitoids from basement of Balkhash metallogenic belt (wt%)

序号	样品号	岩性	位置	SiO₂	TiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	FeO	MnO	MgO	CaO	Na₂O	K₂O	P₂O₅	H₂O⁺	CO₂	LOI	总量
1	Xh080910-2(1)	二长花岗斑岩	科翁腊德	65.24	0.50	16.56	2.93	1.31	0.08	1.82	1.23	4.71	2.42	0.19	2.48	0.12	2.41	102.00
2	Xh080910-7(1)	英云闪长玢岩	科翁腊德	63.86	0.53	16.68	3.14	2.05	0.11	2.53	3.45	3.39	3.15	0.14	1.32	0.12	1.25	101.72
3	Xh080910-10(1)	碱性花岗岩	科翁腊德	76.25	0.16	12.64	0.77	0.25	0.06	0.12	0.78	3.85	4.58	0.02	0.32	0.12	0.18	100.10
4	Xh080911-1(1)	碱性花岗岩	科翁腊德	73.58	0.29	13.88	1.03	0.41	0.07	0.25	0.71	4.16	5.52	0.04	0.42	0.20	0.34	100.90
5	Xh080911-3(1)	石英斑岩	科翁腊德	78.88	0.13	12.58	0.59	0.27	0.01	0.14	0.14	1.62	4.78	0.01	1.00	0.29	0.86	101.30
6	Xh080911-24(1)	碱性花岗岩	巴尔喀什	77.93	0.16	12.05	0.62	0.22	0.01	0.09	0.28	3.37	4.65	0.11	0.52	0.20	0.39	100.60
7	Xh080911-26(1)	花岗闪长岩	巴尔喀什	69.07	0.62	13.80	2.19	1.08	0.05	1.20	2.30	3.31	4.94	0.15	0.70	0.20	0.53	100.14
8	Xh080912-2(1)	二长花岗岩	巴尔喀什	67.56	0.60	15.11	3.29	0.83	0.11	1.28	1.65	4.32	4.35	0.31	0.86	0.03	0.80	101.10
9	Xh080912-9(2)	花岗闪长斑岩	博尔雷	66.51	0.67	16.81	3.11	1.76	0.06	2.36	0.61	2.24	3.01	0.19	3.14	0.12	3.01	103.60
10	Xh080912-9(3)	花岗闪长岩	博尔雷	65.94	0.48	15.98	2.87	2.16	0.15	1.60	2.46	3.28	2.66	0.15	2.16	0.29	1.89	102.07
11	Xh080914-2(1)	二长闪长岩	阿克扎尔	57.73	0.79	16.73	3.99	2.80	0.12	3.62	5.00	4.22	2.21	0.24	2.50	0.20	2.20	102.35
12	Xh080914-9(1)	花岗闪长岩	阿克舍套	70.33	0.35	14.97	2.15	1.31	0.09	1.35	2.06	2.90	3.92	0.09	0.78	0.12	0.62	101.04
13	Xh080914-10(1)	碱性花岗岩	阿克舍套	77.00	0.12	12.24	0.16	0.23	0.06	0.16	0.54	3.60	5.52	0.01	0.24	0.12	0.04	100.04
14	Xh080914-10(2)	花岗闪长岩	阿克舍套	69.61	0.30	14.74	1.92	1.02	0.12	1.19	2.90	3.30	4.13	0.07	0.82	0.12	0.45	100.69
15	Xh080915-1(1)	二长花岗岩	巴尔喀什	70.56	0.16	15.30	1.01	0.65	0.04	0.72	1.19	4.97	3.12	0.07	1.36	0.29	1.67	101.11
16	Xh080915-4(1)	碱性花岗岩	巴尔喀什	75.56	0.27	13.93	0.12	0.25	0.01	0.02	0.44	4.12	5.10	0.01	0.66	0.12	0.67	101.28
17	Xh080915-5(3)	二长花岗斑岩	扎涅特	71.68	0.31	14.17	0.49	0.56	0.04	0.49	2.18	4.30	4.88	0.05	0.92	0.12	0.80	100.99
18	Xh080915-5(5)	碱性花岗岩	扎涅特	79.09	0.08	11.62	0.24	0.32	0.02	0.05	0.48	3.31	4.42	0.01	0.52	0.12	0.22	100.50
19	Xh080917-6(2)	闪长岩	萨亚克	63.95	0.51	14.20	0.48	1.29	0.05	2.26	5.49	4.34	3.08	0.01	1.06	0.29	0.72	97.73
20	Xh080917-6(4)	花岗闪长岩	萨亚克	65.78	0.53	15.03	2.03	1.89	0.04	2.78	3.09	3.43	3.82	0.15	0.90	0.12	0.60	100.19
21	Xh080917-9(2)	二长岩	萨亚克	60.07	0.66	13.42	1.61	2.32	0.08	6.37	5.50	3.54	5.27	0.27	0.70	0.20	0.50	100.51
22	Xh080917-11(1)	花岗闪长岩	萨亚克	69.39	0.31	15.67	1.31	0.68	0.03	1.05	2.58	4.08	3.34	0.08	0.90	0.12	0.75	100.29
23	Xh080917-12(1)	花岗闪长岩	萨亚克	69.97	0.28	15.60	1.17	0.86	0.02	1.18	2.27	4.41	3.31	0.08	0.90	0.12	0.94	101.11
24	Xh080918-2(1)	碱性花岗岩	萨-阿	78.52	0.18	12.10	0.96	0.21	0.08	0.12	0.32	3.91	3.85	0.01	0.18	0.03	0.05	100.52
25	Xh080919-4(1)	英云闪长岩	阿克斗卡	64.27	0.61	15.18	3.62	1.99	0.11	2.49	4.41	3.20	3.00	0.12	1.02	0.12	0.64	100.78
26	Xh080919-5(4)	花岗闪长斑岩	阿克斗卡	67.04	0.44	15.34	1.86	0.75	0.02	1.45	1.91	3.83	3.65	0.18	2.40	0.54	2.80	102.21
27	Xh080919-5(5)	二长花岗斑岩	阿克斗卡	66.89	0.48	16.03	1.38	0.92	0.02	1.61	1.63	4.50	4.29	0.19	1.88	0.45	1.97	102.24

表 1 巴尔喀什成矿带花岗岩类主元素分析数据 (wt%) Table 1 Major element compositions of granitoids from basement of Balkhash metallogenic belt (wt%)

表 2 巴尔喀什成矿带花岗岩类稀土与微量元素分析数据 (×10^-6) Table 2 Rare earth and trace element compositions of granitoids from basement of Balkhash metallogenic belt (×10^-6)

序号	样品号	La	Ce	Pr	Nd	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu	Y	Rb	Sr	Nb	Ta
1	Xh080910-2(1)	15.9	31.7	4.40	17.6	3.38	0.85	2.57	0.38	1.99	0.39	1.16	0.16	1.17	0.17	12.1	29.4	487	4.81	0.91
2	Xh080910-7(1)	21.7	48.1	4.99	17.7	3.40	0.89	2.83	0.45	2.42	0.51	1.54	0.22	1.57	0.25	16.1	93.7	786	6.51	1.37
3	Xh080910-10(1)	38.2	55.5	5.25	15.4	1.98	0.28	1.32	0.20	1.08	0.23	0.75	0.12	1.02	0.18	7.86	144	49.5	14.0	2.37
4	Xh080911-1(1)	23.8	29.3	5.65	21.6	4.86	0.57	4.32	0.73	4.49	0.96	2.94	0.47	3.27	0.52	29.9	297	28.5	27.9	4.34
5	Xh080911-3(1)	23.6	32.9	5.71	19.9	3.50	0.24	2.38	0.37	2.11	0.41	1.24	0.18	1.27	0.19	13.0	199	15.6	12.1	2.08
6	Xh080911-24(1)	24.7	30.8	2.90	7.62	0.82	0.17	0.56	0.08	0.44	0.09	0.30	0.06	0.47	0.08	3.56	234	26.9	11.8	1.77
7	Xh080911-26(1)	54.1	128	13.6	48.3	8.08	1.10	5.70	0.86	4.46	0.86	2.57	0.36	2.30	0.35	27.8	278	316	16.0	2.93
8	Xh080912-2(1)	32.1	69.5	7.94	30.3	5.84	1.13	4.86	0.74	4.13	0.84	2.53	0.37	2.44	0.37	27.4	140	283	11.2	1.96
9	Xh080912-9(2)	26.2	59.8	5.93	21.8	3.81	0.89	2.79	0.41	2.17	0.41	1.30	0.19	1.34	0.21	13.2	218	270	7.37	1.56
10	Xh080912-9(3)	19.0	40.8	4.58	17.7	3.55	0.83	2.78	0.42	2.23	0.45	1.35	0.19	1.41	0.21	14.6	90.2	414	7.43	1.97
11	Xh080914-2(1)	35.6	75.2	7.70	28.6	5.49	1.37	4.57	0.70	3.70	0.76	2.18	0.31	2.13	0.32	23.8	96.2	739	14.6	2.27
12	Xh080914-9(1)	24.0	48.2	4.98	17.3	3.22	0.79	2.59	0.38	2.23	0.45	1.35	0.22	1.53	0.22	14.2	192	276	8.62	2.20
13	Xh080914-10(1)	38.3	49.8	3.58	9.14	1.23	0.12	0.93	0.15	0.94	0.22	0.83	0.16	1.55	0.30	8.95	649	4.78	21.3	3.27
14	Xh080914-10(2)	29.9	56.2	5.68	18.8	3.23	0.65	2.42	0.38	2.16	0.45	1.34	0.20	1.46	0.24	14.4	171	289	9.37	2.73
15	Xh080915-1(1)	17.3	24.6	3.63	12.6	2.18	0.58	1.71	0.28	1.43	0.28	0.81	0.12	0.84	0.12	9.61	56.0	145	11.7	1.96
16	Xh080915-4(1)	7.12	15.7	2.58	10.1	1.87	0.35	1.07	0.19	1.27	0.28	0.92	0.17	1.12	0.18	9.20	233	53.0	11.7	2.20
17	Xh080915-5(3)	60.7	109	9.68	26.6	4.23	0.50	3.20	0.58	3.85	0.94	3.60	0.73	6.45	1.13	40.9	618	92.9	25.6	2.73
18	Xh080915-5(5)	31.7	45.0	3.80	8.35	1.01	0.06	0.78	0.15	0.99	0.27	1.20	0.27	2.56	0.50	13.9	626	8.87	36.9	9.17
19	Xh080917-6(2)	14.9	36.8	4.14	16.7	3.28	0.84	2.71	0.41	2.15	0.44	1.29	0.18	1.30	0.20	13.7	65.6	731	4.35	0.74
20	Xh080917-6(4)	14.0	30.7	3.54	13.6	2.85	0.73	2.19	0.30	1.57	0.31	0.92	0.13	0.89	0.13	10.4	112	607	3.52	0.62
21	Xh080917-9(2)	12.4	33.4	4.24	18.2	3.93	1.06	3.38	0.45	2.43	0.48	1.42	0.18	1.25	0.18	14.6	151	543	3.07	0.55
22	Xh080917-11(1)	12.4	25.1	3.24	12.4	2.55	0.71	1.97	0.27	1.29	0.25	0.71	0.10	0.62	0.11	7.82	77.3	671	2.63	0.55
23	Xh080917-12(1)	13.8	32.3	3.29	12.7	2.48	0.66	1.82	0.24	1.21	0.22	0.63	0.09	0.62	0.08	6.79	103	506	2.68	0.70
24	Xh080918-2(1)	18.5	19.1	2.99	9.81	1.57	0.16	1.33	0.20	1.21	0.28	0.97	0.17	1.31	0.21	9.76	184	7.96	8.31	1.34
25	Xh080919-4(1)	15.8	37.0	4.18	17.5	4.14	0.88	3.69	0.56	3.14	0.68	1.94	0.28	1.94	0.30	20.7	110	429	3.30	0.51
26	Xh080919-5(4)	19.8	33.7	4.52	17.0	2.92	0.83	2.14	0.28	1.46	0.27	0.82	0.11	0.80	0.12	8.82	63.2	419	2.80	0.38
27	Xh080919-5(5)	17.0	33.9	4.33	17.1	3.08	0.89	2.16	0.29	1.45	0.30	0.83	0.11	0.78	0.12	9.11	90.9	680	3.21	0.46
注：岩性及位置同表 1

3.2 岩石地球化学特征

本次采集的巴尔喀什成矿带花岗岩类样品分析表明，早古生代 (志留纪) 花岗岩类样品为轻稀土富集型，稀土总量 (ΣREE) 为66.48×10^-6，轻重稀土比值LREE/HREE为16.13，(La/Yb)_N=13.89，(La/Sm)_N=4.99，(Gd/Yb)_N=1.64，δCe=0.75，δEu=0.92，铕亏损不明显。石炭纪花岗岩类主要为轻稀土明显富集型和明显铕亏损型 (有少量为铕低正异常)，稀土总量变化范围较大，ΣREE为61.72×10^-6~270.6×10^-6，LREE/HREE为9.41~44.45，(La/Yb)_N=5.49~35.43，(La/Sm)_N=2.40~19.74，(Gd/Yb)_N=0.25~2.56，δCe=0.68~1.15，δEu=0.21~1.06。二叠纪花岗岩类主要为轻稀土明显富集型，部分为明显铕亏损型，部分为铕亏损不明显，稀土总量 (ΣREE) 变化范围为42.92×10^-6~121.5×10^-6，LREE/HREE为6.73~32.94，(La/Yb)_N=4.29~25.25，(La/Sm)_N=1.98~12.14，(Gd/Yb)_N=0.77~2.18，δCe=0.61~1.11，δEu=0.34~0.89。

花岗岩类痕量元素Rb的含量范围为29.4×10^-6~649×10^-6，平均为197.1×10^-6，高于世界上花岗岩中Rb含量的平均值 (150×10^-6)。岩石中K/Rb比值范围为58.6~683.3，平均为250.7，高于世界花岗岩的平均比值 (约为230)。Rb/Sr比值范围为0.06~135.77，平均为10.41。

在A/NK-A/CNK图解 (图 2) 中，志留纪花岗岩类处在过铝质范围，石炭纪和二叠纪花岗岩类处在准铝质和过铝质范围。其中，志留纪和部分石炭纪花岗岩类显示S型花岗岩类的特征，其它花岗岩类 (含二叠纪花岗岩类) 均显示非S型花岗岩类的特征。在K₂O-SiO₂图解 (图 3) 中，志留纪、石炭纪和二叠纪花岗岩类主要处在高钾钙碱性系列，二叠纪出现钾玄岩系列岩石。在P₂O₅-SiO₂图解 (图 4) 中，P₂O₅显示出与SiO₂大致的负相关关系，总体上具有I型花岗岩的趋势。

图 2 巴尔喀什成矿带花岗岩类A/NK-A/CNK图解 I-S型花岗岩分界线据Maniar and Piccoli (1989) Fig. 2 Plot of A/NK vs. A/CNK of granitoids from basement of Balkhash metallogenic belt

图 3 巴尔喀什成矿带花岗岩类K₂O-SiO₂图解 (底图据Rickwood，1989；韩宝福，2007) Fig. 3 K₂O vs. SiO₂ diagram for granitoids from basement of Balkhash metallogenic belt (after Rickwood, 1989; Han, 2007)

图 4 巴尔喀什成矿带花岗岩类的P₂O₅-SiO₂图解 (据Chappell and White 1992) Fig. 4 P₂O₅ vs. SiO₂ diagram for granitoids from basement of Balkhash metallogenic belt (after Chappell and White, 1992)

3.3 构造环境判别

巴尔喀什成矿带花岗岩类形成的时间主要在志留纪至二叠纪时期，均处在大洋板块及其边缘的构造环境，具有海陆交互的特征。因此，应用一系列地球化学图解进行巴尔喀什成矿带花岗岩类的构造环境判别是可行的。

从K₂O-SiO₂图解 (图 5a) 可以看出，分析的花岗岩类样品中基本不存在大洋斜长花岗岩 (OP)。结合Al₂O₃-SiO₂图解、FeO^T/(FeO^T+MgO)-SiO₂图解、(Al₂O₃-Na₂O-K₂O)-FeO^T-MgO三角图解和 (Al₂O₃-Na₂O-K₂O)-(FeO^T+MgO)-CaO三角图解 (图 5b-e)，石炭纪花岗岩类投点大部分落在IAG+CAG+CCG区域 (即岛弧+大陆弧+大陆碰撞花岗岩类)，二叠纪花岗岩类主要落在POG (后造山花岗岩类) 区域。微量元素构造环境判别图解 (图 6；Pearce et al., 1984) 说明，志留纪花岗岩处在火山弧环境，石炭纪花岗岩类主要处在同碰撞和火山弧两种环境，二叠纪花岗岩类处在与后碰撞相一致的构造环境。

图 5 巴尔喀什成矿带花岗岩类构造环境判别 (据Maniar and Piccoli, 1989) (a) K₂O-SiO₂图解；(b) Al₂O₃-SiO₂图解；(c) FeO^T/(FeO^T+MgO)-SiO₂图解；(d)(Al₂O₃-Na₂O-K₂O)-FeO^T-MgO三角图解 (取其中部分变化而来)；(e)(Al₂O₃-Na₂O-K₂O)-(FeO^T+MgO)-CaO三角图解 (取其中部分变化而来)；(f) TiO₂-SiO₂图解.IAG-岛弧花岗岩类；CAG-大陆弧花岗岩类；CCG-大陆碰撞花岗岩类；POG-后造山花岗岩类；RRG-裂谷花岗岩类；CEUG-大陆造陆抬升花岗岩类；OP-大洋斜长花岗岩类 Fig. 5 Tectonic setting discrimination diagrams of the granitoids from basement of Balkhash metallogenic belt (after Maniar and Piccoli, 1989)

图 6 巴尔喀什成矿带花岗岩类微量元素构造环境判别图解 (底图据Pearce et al., 1984) (a) Nb-Y；(b) Ta-Yb；(c) Rb-(Y+Nb)；(d) Rb-(Yb+Ta). syn-COLG：同碰撞花岗岩；VAG：火山岛弧花岗岩；WPG：板内花岗岩；ORG：洋脊花岗岩；post-COLG：后碰撞花岗岩 Fig. 6 Tectonic setting discrimination diagrams of the granitoids from basement of Balkhash metallogenic belt (after Pearce et al., 1984)

本文对照典型埃达克岩的主量与微量元素特征 (张连昌等，2006)，对巴尔喀什成矿带花岗岩类进行了区分。科翁腊德斑岩铜矿床的二长花岗斑岩 (327.3Ma) 和英云闪长玢岩样品 (308.7Ma)，其SiO₂>56%，Al₂O₃接近17%，Na₂O接近或>3.5%，Sr>400×10^-6，Y<18×10^-6，Yb<1.9×10^-6，δEu为0.88(不具正铕异常)，具正锶异常，Sr/Y>40，La/Yb为~13.7(小于20)，基本可以满足埃达克岩 (Adakite) 的判别条件，属于埃达克岩。阿克斗卡斑岩铜矿床花岗闪长斑岩和二长花岗斑岩 (327.5Ma)，其SiO₂>56%，Al₂O₃接近17%，Na₂O>或接近3.5%，Sr>400×10^-6，Y<18×10^-6，Yb<1.9×10^-6，δEu为1.02~1.06(具正铕异常)，具正锶异常，Sr/Y>40，La/Yb>20，基本可以满足埃达克岩的判别条件，也属于埃达克岩。博尔雷斑岩铜矿床的花岗闪长斑岩 (316.3Ma) 和花岗闪长岩 (305Ma)，其SiO₂>56%，Al₂O₃接近或小于17%，Na₂O接近或小于3.5%，Sr>或 < 400×10^-6，Y<18×10^-6，Yb<1.9×10^-6，具负铕异常，Sr/Y < 40，La/Yb < 或接近20，基本不满足埃达克岩的判别条件，可能不属于埃达克岩，而属于经典的岛弧花岗岩类。萨亚克矽卡岩-斑岩铜矿床的闪长岩 (335Ma)、花岗闪长岩 (308Ma)、和二长岩 (297Ma)，其SiO₂>56%，Al₂O₃接近或小于17%，Na₂O>3.5%，Sr>400×10^-6，Y < 18×10^-6，Yb < 1.9×10^-6，不具正铕异常，Sr/Y>40，La/Yb大于、接近或小于20，基本可以满足埃达克岩的判别条件，属于埃达克岩，并可能有向经典的岛弧花岗岩类过渡的趋势。在 (La/Yb)_N-Yb_N和Sr/Y-Y图解 (图 7；Defant and Drummond, 1990) 中，它们分属于经典的岛弧花岗岩区和埃达克岩 (Adakite) 区。由此说明埃达克岩的发育与斑岩型铜成矿作用具有密切的关系。

图 7 巴尔喀什成矿带花岗岩类 (La/Yb)_N-Yb_N(a) 和Sr/Y-Y (b) 图解 (底图据Defant and Drummond, 1990) Fig. 7 Plot of (La/Yb)_N-Yb_N(a) 和Sr/Y-Y (b) of granitoids from basement of Balkhash metallogenic belt (after Defant and Drummond, 1990)

4 同位素示踪 4.1 分析方法

Sr、Nd、Pb同位素分析由国土资源部同位素地质重点实验室完成。Sr同位素分析采用MAT262固体同位素质谱计，电离带用Re带，蒸发带用Ta带，标定结果为SRM987 SrCO₃ ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0.710247±12(2σ)，质量分馏采用⁸⁸Sr/⁸⁶Sr=8.37521校正。Nd同位素分析采用Nu Plasam HR MC ICP-MS，DSN-100膜去溶，标定结果为JMC Nd₂O₃ ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd=0.511125±10(2σ)，质量分馏采用¹⁴⁶Nd/¹⁴⁴Nd=0.721900校正 (何学贤等，2007)。采用沈渭洲和徐士进 (1999)、DePaolo (1988)和陈江峰和江博明 (1999)计算ε_Sr(t) 和ε_Nd(t)，采用两阶段模式 (Liew and Hofmann，1988) 计算t_DM。Pb同位素比值用Nu Plasma HR MC-ICP MS测定，质量分馏以Tl同位素外标校正 (何学贤等，2007)；根据岩石形成时间 (测定值和估计值；李勇等，2012；陈宣华等，2012) 计算经时间校正的全岩铅同位素初始 (t) 比值 (张宏飞等，2005)。

4.2 分析结果

花岗岩类Sr-Nd和Pb同位素分析数据分别见表 3和表 4。其中，志留纪花岗岩现今⁸⁷Sr/⁸⁶Sr、¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd、²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb、²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb和²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb比值分别为0.714319、0.512088、19.1049、15.6535和38.719，石炭纪花岗岩类的相应比值范围分别为0.705497~1.190645、0.512419~0.512815、18.3346~20.9929、15.5213~15.7321和38.2874~40.0209，二叠纪花岗岩类的相应比值范围分别为0.708099~0.833012、0.512509~0.512815、18.583~19.1923、15.5552~15.6291和38.583~38.9009。它们具有高的现今⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb、²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb、²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb比值，以及低的¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd比值。根据分析数据计算得到志留纪花岗岩类ε_Sr(t) 和ε_Nd(t) 分别为51.10和-5.87，石炭纪花岗岩类ε_Sr(t) 和ε_Nd(t) 的变化范围分别为-17.16~37.55和-1.12~5.94，二叠纪花岗岩类ε_Sr(t) 和ε_Nd(t) 分别为8.97和0.71~5.80；志留纪、石炭纪和二叠纪花岗岩类t_DM分别为1.66Ga、0.588~1.16Ga和0.582~1.00Ga。

表 3 巴尔喀什成矿带花岗岩类Sr-Nd同位素分析数据 Table 3 Sr-Nd isotopic composition of granitoids from basement of Balkhash metallogenic belt

序号	样品号	⁸⁷Sr/⁸⁶Sr	±2σ	¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd	±2σ	ε_Sr(t)	ε_Nd(t)	t_DM(Ga)
1	Xh080910-2(1)	0.70649	0.000020	0.512472	0.000005	22.46	-0.07	1.09
2	Xh080910-7(1)	0.707146	0.000020	0.512512	0.000015	21.75	0.53	1.03
3	Xh080910-10(1)	0.7221	0.000020	0.512509	0.000012	-	1.83	0.91
4	Xh080911-1(1)	0.762866	0.000022	0.51263	0.000010	-	1.89	0.902
5	Xh080911-3(1)	0.762826	0.000019	0.512594	0.000009	-	2.58	0.865
6	Xh080911-24(1)	0.750254	0.000020	0.512529	0.000010	-	2.88	0.832
7	Xh080911-26(1)	0.713847	0.000020	0.512599	0.000010	-17.16	2.85	0.839
8	Xh080912-2(1)	0.711872	0.000014	0.512428	0.000005	22.77	-1.12	1.16
9	Xh080912-9(2)	0.716782	0.000016	0.512435	0.000008	34.03	-0.46	1.12
10	Xh080912-9(3)	0.708615	0.000022	0.512502	0.000010	25.63	0.09	1.06
11	Xh080914-2(1)	0.708384	0.000015	0.512449	0.000009	37.55	-0.72	1.13
12	Xh080914-9(1)	0.714814	0.000015	0.512424	0.000010	30.17	-1.06	1.16
13	Xh080914-10(1)	1.190645	0.000022	0.512472	0.000005	-	1.11	0.978
14	Xh080914-10(2)	0.712997	0.000021	0.512419	0.000005	22.51	-0.81	1.14
15	Xh080915-1(1)	0.714319	0.000020	0.512088	0.000008	51.10	-5.87	1.66
16	Xh080915-4(1)	0.730668	0.000012	0.512522	0.000015	-	0.71	0.999
17	Xh080915-5(3)	0.760571	0.000015	0.512526	0.000015	-	1.57	0.94
18	Xh080915-5(5)	0.978984	0.000016	0.512529	0.000009	-	2.56	0.859
19	Xh080917-6(2)	0.706289	0.000012	0.512782	0.000010	13.86	5.94	0.608
20	Xh080917-6(4)	0.706475	0.000014	0.51281	0.000007	0.78	5.91	0.588
21	Xh080917-9(2)	0.708099	0.000016	0.512815	0.000009	8.97	5.76	0.591
22	Xh080917-11(1)	0.706005	0.000020	0.512756	0.000008	6.28	4.95	0.666
23	Xh080917-12(1)	0.707323	0.000012	0.512736	0.000007	9.48	4.82	0.677
24	Xh080918-2(1)	0.833012	0.000020	0.512753	0.000006	-	5.80	0.582
25	Xh080919-4(1)	0.707116	0.000018	0.512815	0.000008	-6.35	5.51	0.644
26	Xh080919-5(4)	0.705733	0.000013	0.512731	0.000015	-5.20	5.53	0.636
27	Xh080919-5(5)	0.705497	0.000012	0.512738	0.000010	-5.34	5.44	0.642
注：岩性及位置同表 1

表 3 巴尔喀什成矿带花岗岩类Sr-Nd同位素分析数据 Table 3 Sr-Nd isotopic composition of granitoids from basement of Balkhash metallogenic belt

表 4 巴尔喀什成矿带花岗岩类Pb同位素分析数据 Table 4 Pb isotopic composition of granitoids from basement of Balkhash metallogenic belt

序号	样品号	U	Th	Pb	²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb	²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb	²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb	²³⁸U/²⁰⁴Pb	²³⁵U/²⁰⁴Pb	²³²Th/²⁰⁴Pb	(²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb)t	(²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb)t	(²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb)t
1	Xh080910-2(1)	1.75	5.14	10.4	18.8218	15.6169	38.702	12.38	0.08982	36.64	18.177	15.583	38.104
2	Xh080910-7(1)	3.59	13.6	16.6	18.7914	15.6131	38.7593	15.92	0.11548	60.76	18.010	15.572	37.824
3	Xh080910-10(1)	1.74	9.57	20.0	18.6583	15.6018	38.583	6.38	0.04626	35.33	18.361	15.586	38.066
4	Xh080911-1(1)	4.95	13.8	20.1	19.1923	15.6291	38.9009	18.27	0.13249	51.30	18.353	15.585	38.160
5	Xh080911-3(1)	1.41	9.12	5.98	19.0513	15.6152	39.7683	17.66	0.12806	115.04	18.173	15.569	37.973
6	Xh080911-24(1)	1.41	12.7	17.0	18.6876	15.6007	39.0739	6.13	0.04441	55.55	18.392	15.585	38.232
7	Xh080911-26(1)	4.16	27.9	19.6	19.1366	15.6199	39.5471	15.87	0.11508	107.19	18.358	15.579	37.896
8	Xh080912-2(1)	2.84	13.4	49.6	18.4007	15.5923	38.3586	4.17	0.03024	19.82	18.196	15.582	38.054
9	Xh080912-9(2)	5.20	14.4	43.2	18.783	15.6234	38.5763	8.84	0.06412	24.66	18.338	15.600	38.187
10	Xh080912-9(3)	7.28	17.9	19.3	19.3657	15.6429	39.1946	28.16	0.20424	69.75	18.001	15.571	38.134
11	Xh080914-2(1)	2.27	9.08	13.1	18.8317	15.6295	38.8383	12.78	0.09270	51.50	18.210	15.597	38.053
12	Xh080914-9(1)	6.59	17.8	22.8	19.18	15.6483	39.0438	21.48	0.15581	58.45	18.136	15.594	38.152
13	Xh080914-10(1)	34.3	25.8	21.0	20.8667	15.7321	40.0209	125.86	0.91281	95.36	14.789	15.413	38.576
14	Xh080914-10(2)	6.20	21.4	19.5	19.5028	15.6609	39.2471	23.80	0.17263	82.76	18.346	15.600	37.985
15	Xh080915-1(1)	1.22	5.24	5.82	19.1049	15.6535	38.719	15.50	0.11241	67.06	18.027	15.594	37.265
16	Xh080915-4(1)	3.71	8.53	11.6	18.8941	15.6154	38.7538	23.58	0.17101	54.61	17.810	15.559	37.965
17	Xh080915-5(3)	5.42	16.8	22.7	18.887	15.6175	38.5292	17.55	0.12727	54.79	18.040	15.573	37.699
18	Xh080915-5(5)	4.85	28.0	24.5	20.9929	15.7297	39.8811	15.25	0.11061	88.69	20.256	15.691	38.537
19	Xh080917-6(2)	2.67	9.23	16.3	18.3608	15.5213	38.2874	11.90	0.08630	41.43	17.726	15.488	37.595
20	Xh080917-6(4)	4.76	8.31	6.77	18.8603	15.577	38.5552	51.65	0.37457	90.82	16.333	15.444	37.161
21	Xh080917-9(2)	2.01	6.32	6.22	19.0525	15.5839	38.8927	23.91	0.17341	75.73	17.925	15.525	37.772
22	Xh080917-11(1)	1.72	6.10	14.3	18.683	15.5593	38.3136	8.78	0.06370	31.38	18.253	15.537	37.832
23	Xh080917-12(1)	2.40	8.06	12.2	18.8572	15.5744	38.5475	14.45	0.10478	48.87	18.150	15.537	37.797
24	Xh080918-2(1)	1.68	6.48	15.3	18.583	15.5552	38.5936	8.04	0.05829	31.23	18.214	15.536	38.143
25	Xh080919-4(1)	1.18	7.80	10.2	18.6718	15.5539	38.6564	8.49	0.06154	56.50	18.218	15.530	37.710
26	Xh080919-5(4)	0.78	4.99	8.19	18.3375	15.5328	38.4481	6.93	0.05028	44.67	17.976	15.514	37.718
27	Xh080919-5(5)	0.84	5.42	10.2	18.3346	15.5312	38.4474	5.99	0.04347	38.96	18.022	15.515	37.811
注：岩性及位置同表 1；²³⁸U/²⁰⁴Pb、²³⁵U/²⁰⁴Pb和²³²Th/²⁰⁴Pb利用全岩U、Th和Pb含量和现今Pb同位素比值计算得到

表 4 巴尔喀什成矿带花岗岩类Pb同位素分析数据 Table 4 Pb isotopic composition of granitoids from basement of Balkhash metallogenic belt

4.3 同位素示踪

根据²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb-²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb同位素相关图解，巴尔喀什成矿带花岗岩类样品的投影点主要落在BSE与PREMA之间，与新疆北部天山、阿尔泰和东、西准噶尔花岗岩类类似 (图 8)，显示了中亚成矿域花岗岩类的亲缘性。

图 8 巴尔喀什成矿带花岗岩类²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb-²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb关系图解据Zindler and Hart (1986)识别的地幔储库位置.DMM-亏损地幔 (A和B)；EM I-I型富集地幔；EM II-II型富集地幔；PREMA-流行地幔；HIMU-高μ值地幔；BSE-全硅酸盐地球.新疆北部天山、阿尔泰和东、西准噶尔花岗岩类的大致范围据韩宝福等 (1998) Fig. 8 ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb vs. ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb diagram for granitoids from basement of Balkhash metallogenic belt

在ε_Nd(t)-ε_Sr(t) 图解中 (图 9)，巴尔喀什成矿带花岗岩类处在从亏损地幔组分 (DMC) 到澳大利亚I型花岗岩的区间范围内，大致构成地幔端元与地壳端元的混合曲线。其中，志留纪花岗岩处在亏损地幔端元与地壳端元的中间位置上；一部分石炭纪花岗岩类处在亏损地幔端元的附近，另一部分石炭纪花岗岩类处在未分异地球的附近；而二叠纪花岗岩类处在亏损地幔端元的附近。它们可能是从幔型 (M型) 花岗岩演化而来，具有从志留纪、石炭纪至二叠纪越来越趋向于亏损地幔端元的特点。

图 9 巴尔喀什成矿带花岗岩类ε_Nd(t)-ε_Sr(t) 图解 Fig. 9 ε_Nd(t) vs. ε_Sr(t) diagram for granitoids from basement of Balkhash metallogenic belt

5 讨论

在初始Nd同位素成分的基础上，大陆地壳一般可以分成地幔来源的新生地壳和至少有部分古老地壳来源的进化地壳。前者具有正ε_Nd值，类似亏损地幔来源；后者具有负ε_Nd值，类似古老地壳来源 (Bowring and Housh, 1995)。中亚地区从古生代以来可能就是地球上大陆地壳生长最重要的地带 (洪大卫等，2003)。中亚造山带古生代-中生代花岗岩的Sm-Nd同位素研究表明，该区发育大规模正ε_Nd值花岗岩，并且随着时代逐渐变新，花岗岩的ε_Nd值逐渐降低 (Jahn and Condie, 1995; Jahn et al., 2000a, b)。上地幔来源的新生物质在中亚造山带显生宙花岗岩的来源中占压倒优势，大量的地幔源物质通过花岗岩定位到陆壳中，导致陆壳的大规模生长。

本文研究表明，巴尔喀什成矿带既有增生的地壳，也有古老地壳的残余。以巴尔喀什中央断裂 (图 1) 为界，东部的萨亚克和阿克斗卡地区通过地幔来源的新生物质导致陆壳的大规模生长，ε_Nd(t) 值为高的正值，为古生代新生地壳 (图 10)，揭示了中亚造山带晚古生代大陆地壳生长 (Coleman，1989；韩宝福等，1998；Jahn et al., 2000a, b；洪大卫等，2003；Wu et al., 2000, 2002；Kozakov et al., 2003；Kovalenko et al., 2004；王涛等，2005)；而在西部的科翁腊德地区，ε_Nd(t) 偏低，显示壳源和幔源的双源特点，反映了新元古代地壳的“回炉”即古老基底地壳的重熔 (图 10)。

图 10 巴尔喀什成矿带晚古生代花岗岩类的ε_Nd(t) 与侵入时代的关系 Fig. 10 ε_Nd(t) vs. intrusive age plot for Late Paleozoic granites from basement of Balkhash metallogenic belt

6 结论

本文根据巴尔喀什成矿带志留纪-石炭纪-二叠纪花岗岩类的岩石地球化学和同位素示踪分析，结合花岗岩类结晶年龄，得出如下结论：

(1) 巴尔喀什成矿带晚古生代 (石炭-二叠纪) 花岗岩类主要为高钾钙碱性系列，晚期出现钾玄岩系列岩石；主要为I型；其中，石炭纪为岛弧 (火山弧) 环境 (分为经典的岛弧和埃达克岩区)，二叠纪具有后碰撞 (后造山) 性质；

(2) 同位素组成特征表明，巴尔喀什成矿带石炭纪与二叠纪花岗岩类可能具有相同的源区，为亏损地幔端元与地壳端元的混合 (二叠纪更接近亏损地幔端元)，为造山带花岗岩类，具有从幔型 (M型) 花岗岩演化而来的特征。巴尔喀什成矿带具有与天山、阿尔泰和准噶尔地壳的亲缘性；

(3) 以巴尔喀什中央断裂为界，巴尔喀什成矿带东部地区发育正ε_Nd值花岗岩，为古生代增生的地幔来源新生地壳；西部地区具有古老的结晶基底，晚古生代花岗 (斑) 岩类可能为地壳和地幔物质混合的结果。

致谢本文一起参加野外工作的还有杨农、李光明、张进、申萍、薛春纪、吕新彪、张林浩、埃莉诺拉·西姆拉托娃、西尔班·佳克巴娃等人；研究工作得到新疆维吾尔自治区国家305项目办公室和哈萨克斯坦萨特巴耶夫地质科学研究所的大力支持与帮助；资料收集得到新疆自然资源与生态环境研究中心王煜高级工程师的帮助；国家地质实验测试中心和国土资源部同位素地质重点实验室分别完成元素含量和同位素组成分析；在此一并谨表衷心感谢。

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岩石学报 2012, Vol. 28 Issue (7): 1995-2008	PDF