岩石学报  2013, Vol. 29 Issue (8): 2653-2664   PDF    
东天山雅满苏北岩体的年代学、地球化学及其构造意义
雷如雄1,2, 吴昌志2, 张遵忠3, 顾连兴2,3, 唐俊华3, 黎广荣2     
1. 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室,长安大学地球科学与资源学院,西安 710054;
2. 内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室,南京大学地球科学与工程学院,南京 210093;
3. 江苏省有色金属华东地质勘查局,南京 210007
摘要: 雅满苏北岩体位于新疆东天山地区的觉罗塔格晚古生代构造带。岩性为钾长花岗岩,主要矿物成分为石英 (25%~40%)、条纹长石 (40%~70%)、斜长石 (10%~25%,An18~30) 和黑云母 (2%~5%)。LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果表明, 该岩体侵位于中三叠世 (227.90±0.47Ma),为印支中期产物。该岩体的主量元素以高硅 (SiO2为74.27%~75.99%)、富碱 (ALK为7.64%~8.29%)、高钾 (K2O为4.37%~4.79%) 和准铝质 (A/CNK为0.96~1.00) 以及较低的Ti,Ca,Fe和Mg含量为特征,属于高钾钙碱性岩花岗岩。岩体的微量元素总体富集大离子亲石元素 (LILE) K、Rb和Cs等和高场强元素 (HFSE) Th、U、Zr和Hf,贫大离子亲石元素Ba、Sr和高场强元素Nb、Ta及Y。稀土元素的球粒陨石标准化配分曲线呈右倾型,轻重稀土分馏明显,轻稀土分异明显,而重稀土分异并不显著,Eu呈现弱负异常 (δEu=0.48~0.86)。来自岩体的锆石原位Hf同位素测定结果表明,εHf(t) 值变化于8.60~11.31, 加权平均值为9.96±0.53(n=8),二阶段Hf模式年龄 (tDM2) 变化于538~711Ma。通过该岩体岩相学、地球化学及Hf同位素特征的综合研究以及该区区域构造演化表明,雅满苏北岩体是幔源岩浆底侵带来的大量热能使得新元古代新生的下地壳物质发生部分熔融的产物。结合前人的研究,笔者认为,东天山地区的印支期岩浆活动的动力来源可能与中-晚石炭世天山陆壳整体化进入板内阶段后又受到特提斯构造体制显著影响有关。
关键词: 花岗岩     LA-ICP-MS锆石U-Pb定年     Hf同位素     地球化学     印支期     东天山    
Geochronology, geochemistry and tectonic significances of the Yamansubei pluton in eastern Tianshan, Northwest China
LEI RuXiong1,2, WU ChangZhi2, ZHANG ZunZhong3, GU LianXing2,3, TANG JunHua3, LI GuangRong2     
1. Key Laboratory of Western China's Mineral Resources and Geological Engineering Ministry of Education, College of Earth Sciences and Resource, Chang'an University, Xi'an 710054, China;
2. State Key Laboratory for Mineral Deposit Research, School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210093, China;
3. Eastern China Geological and Mining Organization for Non-ferrous Metals, Nanjing 210007, China
Abstract: The Yamansubei granite pluton (YB) is situated in the Late paleozioic Qoltag orogenic belt, eastern Tianshan, Northwest China. Petrographically, the pluton is a K-feldspar granite, which is composed of quartz (25%~40%), perthite (40%~70%), plagioclase (10%~25%, An=18~30) and biotite (2%~5%). Zircon LA-ICP-MS U-Pb dating shows that the YB pluton intruded at 227.9±0.47Ma of Middle Triassic. Geochemically, the pluton is characterized by high silicon (SiO2=74.27%~75.99%), alkali (ALK=7.64%~8.29%), potassium (K2O=4.37%~4.79%) and metaluminous, whereas low titanium, calcium, iron and magnesium, which attributes to high K calc-alkaline granite. The pluton is also rich in LILE (K, Rb, Cs etc.), HFSE (Th, U, Zr, Hf etc.) and depleted in Ba, Sr, Nb, Ta and Y. Chondrite-normalised REE distribution pattern for the YB pluton displays right skewed shapes with slightly negative Eu anomalies (δEu=0.48~0.86), indicating fractionation of LREE, and fractionation between LREE and HREE. Zircon in-situ Hf isotopic composition analysis yields the εHf(t) and tDM2 values of the YB pluton varying +8.60~+11.31 and 538~711Ma, respectively. Integrated studies in petrography, geochemistry and Hf isotope and regional tectonic evolution indicate that the YB pluton resulted from mantle magma underpalting induced partial melting of the Neoproterozoic new-born lower crust. After comprehensive study on previous contributions, this paper suggests that the geodynamic source for Indosinian magmatism in eastern Tianshan could attribute to the influence of the Paleo-Tethys ocean tectonic regime.
Key words: Granite     Zircon LA-ICP-MS U-Pb dating     Hf isotopic compositions     Geochemistry     Indosinian     East Tianshan    

东天山一般指东经88°以东的天山地区,属于中亚造山带的一部分,以其完整的碰撞造山演化历史 (从主碰撞到板内环境)、强烈的构造-岩浆活动、显著的陆壳增生过程和大规模成矿作用成为研究构造岩浆活动以及成矿作用的理想地区,而长期以来受到学者们的广泛关注 (Gu et al., 1999; Hu et al., 2000; Jahn et al., 2000; Jahn, 2004; Wang et al., 2006顾连兴等,2006肖文交等,2006朱永峰,2007Xiao et al., 2004, 2009; Han et al., 2011; Shu et al., 2011杨经绥等,2011焦建刚等,2012)。对于东天山的构造-岩浆热事件以及陆壳增生过程前人已作了大量研究,取得了许多方面的重要进展。关于东天山的碰撞造山演化历史,虽然还存在着分歧,但大多数学者认为,该区于石炭纪晚期发生主碰撞 (胡霭琴等, 1995, 1997Li et al., 2003顾连兴等,2006张遵忠等, 2006吴昌志等,2006Han et al., 2011),二叠纪进入后碰撞阶段,构造环境也由挤压转为拉张,并形成大量镁铁-超镁铁质岩和近同时代的花岗质岩石 (Gu et al., 1999; Han et al., 1997; Hong et al., 2004; Qin et al., 2011周涛发等,2010),至三叠纪海西期大陆碰撞对东天山构造的持续影响已经减弱,东天山进入了板内环境 (顾连兴等, 2006周涛发等,2010)。

前人对东天山古生代、尤其是海西期的岩浆活动与构造演化过程已作过大量研究,成果颇丰 (胡受奚等,1990肖序常等,1992何国琦等,1994胡霭琴等,1997顾连兴等,2001舒良树等,2001李锦轶等,2002朱永峰和宋彪等,2006郭召杰等,2007Han et al., 1997, 2011; Gu et al., 1999; Xiao et al., 2004; Chen et al., 2011; Shu et al., 2011; Wu et al., 2011贺振宇等,2012)。然而,由于该区已发现的印支期地质体 (如花岗岩类) 较少 (Hong et al., 2004李华芹等,2004张遵忠等,2006),因而对于东天山地区印支期岩浆活动、成矿作用与构造演化的研究程度也较低。近年来随着高精度同位素年代学研究的深入,对于东天山印支期岩浆活动的研究取得了可观的进展 (Zhang et al., 2005, 2007张遵忠等,2006周涛发等,2010)。张遵忠等 (2006)Zhang et al.(2005, 2007) 曾报导了位于中天山东段的印支期尾亚杂岩体成因机制、源区特征,并探讨了其形成的构造环境;周涛发等 (2010)曾对东天山觉罗塔格带的印支期花岗岩类的年代学进行了一定程度的研究;但是由于缺乏足够的高精度年代学、地球化学等证据,目前对于东天山印支期岩浆活动和构造动力学过程还缺乏有效的约束,印支期岩浆成因机制和构造演化模式亦尚待进一步深入研究。

雅满苏北钾长花岗岩岩体位于东天山觉罗塔格晚古生代构造带中,总体呈浑圆状,明显切割晚古生代火山-沉积地层,且在空间上与南侧的中天山印支期尾亚杂岩体和天湖岩体呈等距分布。本文将以该岩体为例,在通过LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学确定其精确侵位时代的基础上,通过岩相学、地球化学及锆石原位Hf同位素等方面的综合研究,探讨该岩体的源区特征、成岩过程及其大地构造意义,并结合研究区印支期花岗岩的分布和特征探讨东天山印支期岩浆活动特征及其地球动力学背景。

1 区域地质概况

东天山位于中亚造山带南缘,自北到南分别为克拉麦里-哈尔里克造山带、准-吐哈陆块、觉罗塔格造山带、中天山陆块及南天山造山带 (Coleman, 1989; Windley et al., 1990; Sengör et al., 1993; Xiao et al., 2004; Shu et al., 2011; Wu et al., 2011)(图 1)。迄今为止的研究表明,克拉麦里-哈尔里克造山带为准-吐哈陆块北缘的晚古生代火山弧 (何国琦等,1994),其北则的库兰卡孜干造山带为西伯利亚板块南缘的晚古生代火山弧,两者之间的克拉麦里-莫钦乌拉断裂带和沿此带分布的蛇绿岩套代表着由晚石炭世碰撞所造成的古亚洲洋闭合带 (马瑞士等, 1993, 1997)。

图 1 东天山区域地质略图 (据顾连兴等,2006) YB-雅满苏北岩体; WY-尾亚杂岩体; TH-天湖岩体 Fig. 1 Regional geological map of the East Tianshan area (after Gu et al., 2006)

本文所称的觉罗塔格地区为夹于准-吐哈陆块与中天山前寒武纪地块之间的长条形构造带,并被近东西向的康古尔-黄山韧性剪切带分割成北部大南湖-头苏泉岛弧带和南部的阿奇山-雅满苏岛弧带。从现有资料来看,觉罗塔格构造带是吐哈地块南缘的晚古生代活动大陆边缘,它是早、中石炭世天山洋壳沿阿奇克库都克断裂向北俯冲的产物 (何国琦等,1994顾连兴等, 2001, 2007Xiao et al., 2004)。

觉罗塔格北部的大南湖-头苏泉岛弧区主要出露有泥盆纪和石炭纪的火山-沉积岩系及中酸性侵入岩 (李锦轶等,2002)。该区地层包括下泥盆统大南湖组和图拉尔根组,以及中上泥盆统头苏泉组和康古尔塔格组,主要分布在吐哈盆地东南缘大南湖-梧桐窝子泉以北。觉罗塔格南缘的阿齐山-雅满苏岛弧区地层以下石炭统雅满苏组出露最为广泛,其岩性为浅海相中酸性、基性熔岩、火山碎屑岩、陆源碎屑和碳酸盐岩等一套相变比较复杂的沉积物,厚度一般大于2000m,其中在雅满苏地区厚度较大,而在阿齐山一带稍薄。

觉罗塔格南侧的中天山是一条具有前寒武纪基底的早古生代岛弧带 (Windley et al., 1990; Lei et al., 2011; Wu et al., 2011),其前寒武纪地质演化特征与邻区塔里木板块相一致,最终形成与介于吐哈陆块和塔里木大陆之间的古天山大洋 (或中蒙大洋) 在奥陶-志留纪时期沿着中天山北缘向南俯冲有关 (胡受奚等,1990马瑞士等,1997张遵忠等,2006Lei et al., 2011)。中天山与觉罗塔格之间的阿奇克库都克-沙泉子断裂在早古生代为古天山大洋向中天山、塔里木板块俯冲的界线 (郭召杰等,2007马瑞士等,1997Gao et al., 1998)。

2 岩体地质和岩相学

雅满苏北岩体位于东天山觉罗塔格构造带南缘,阿奇克库都克-沙泉子断裂北侧的雅满苏地区。雅满苏北岩体整体形状为椭圆状,出露面积约200km2,岩性相对均一,主要为钾长花岗岩,岩相分带不明显,只是岩体边缘岩石结构变细,并出现斑状结构。该岩体侵位于下石炭统雅满苏组海相火山-沉积岩系中,局部地方被第四系所覆盖。岩体围岩遭受明显热接触变质作用,常见各种角岩,其内接触带可见明显同化混染特征。此外,在岩体中还可见到石炭纪地层的顶垂体。

雅满苏北岩体呈肉红色,中粗粒结构,块状构造,主要矿物成分为石英 (25%~40%)、斜长石 (10%~25%)、条纹长石 (40%~70%) 和黑云母 (2%~4%)(图 2)。石英多为1.5~3.5mm,他形晶,波状消光显著;条纹长石他形-半自形,2~4mm,表面微弱泥化,有些包含细粒的斜长石和石英,条纹长石为正条纹长石,条纹沿一定方向排列,一般大小相近,分布均匀,形态较规则,为钠质出熔的结果;斜长石 (An18~30) 为板柱状晶体,1~2.5mm不等,聚片双晶、钠长石双晶发育,多遭受绢云母化和黝帘石化;黑云母自形-半自形,多色性明显,有些发生绿泥石化,应为岩浆晚期的产物。副矿物主要为为榍石 (2%~3%) 和磁铁矿 (1%~2%),偶见磷灰石。榍石0.2~0.5mm,正高突起,糙面清晰。此外,雅满苏岩体中花斑结构常见 (图 2),结合其黑云母较晚结晶的特征,可判断其源区应相对贫水。

图 2 雅满苏北岩体显微照片 Pl-斜长石; Kfs-条纹长石; Q-石英 Fig. 2 Representative photomicrographs of the Yamansubei (YB) granite
3 测试分析方法

样品测试用锆石来自于雅满苏北岩体。锆石分离系野外所采新鲜样品 (3~5kg) 粉碎至0.2~0.5mm,经磁选和重力分选后,在双目镜下仔细挑选透明、无裂隙和无包裹体之锆石,再将其用环氧树脂胶粘住,待环氧树脂充分固化后抛光至锆石完好露出。

阴极发光图像在中国科学院广州地球化学研究所同位素年龄学和地球化学重点实验室 (仪器型号:JXA-8100) 拍摄。单颗粒锆石LA-ICP-MS定年在西北大学大陆动力学国家重点实验室进行。实验由美国Agilent公司生产的Agilent7500a ICP-MS与德国MicroLas公司生产的193nm的激光剥蚀系统GeoLas200M联机完成。本次试验斑束直径为40μm,激光能量为90mJ,频率为10Hz。采用He作为剥蚀物质载气,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NIST SRM610进行仪器最佳化,使仪器达到最高的灵敏度、最小的氧化物产率、最低的背景值和稳定的信号。采样方式为单点剥蚀,数据采集选用一个质量峰一点的跳峰方式 (peak jumping)。每个5个样品分析点测一次标准样,以便保证标准和样品的仪器条件完全一致。以Si作为内标测定锆石中的U,Th和Pb含量,以国际标准91500锆石作为外表标,其详细分析方法参见Yuan et al.(2004)。样品的同位素比值及元素含量计算采用GLITTER (ver4.0,Macquarue University) 程序;年龄数据处理及谐和图的绘制采用Isoplot (ver3.0, Ludwig, 2003) 完成。详细的数据处理及方法参见Yuan et al.(2003)

全岩样品细碎至200目以上后进行主量和微量元素分析。常量元素氧化物中FeO由南京大学地球科学系中心实验室用湿法化学分析, 分析精度优于0.5%~1%,其它氧化物和烧失量 (LIO) 由南京大学现代分析中心用VF320单道萤光光谱仪 (XRF) 分析,分析精度优于5%;分析方法采用熔融制片法,电压40kV,电流60mA。微量元素由内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室 (南京大学) HR-ICP-MS分析,仪器型号为Element2,由Finnigan MAT公司生产,分析精度优于10%。详细的数据处理及方法参见高剑峰等 (2003)以及Qi et al.(2000)

锆石原位Lu-Hf同位素测定在中国地质科学院矿产资源研究所配有Newwave UP213激光剥蚀系统的Finnigan Neptune型多接收等离子质谱 (MC-ICP-MS) 上完成的,其分析方法类似于Wu et al.(2006),详细分析方法参见侯可军等 (2007)。激光束斑直径为55μm,剥蚀频率为10Hz,激光束脉冲能量为100mJ。样品测定以国际标准锆石GJ-l作为外标。采用179Hf/177Hf=0.7325对Hf同位素比值进行指数归一化质量歧视校正,采用173Yb/172Yb=1.3527对Yb同位素比值进行指数归一化质量歧视校正。εHf(t) 计算采用的176Lu衰变常数为1.865×10-11a-1,球粒陨石现今的176Hf/177Hf=0.282772和176Lu/177Hf=0.0332。亏损地幔Hf模式年龄 (tDM1) 计算采用的现今亏损地幔176Hf/177Hf=0.28325和176Lu/177Hf=0.03842;二阶段Hf模式年龄 (tDM2) 采用平均大陆壳176Lu/177Hf=0.015进行计算。

4 锆石年代学

所测锆石多呈浅褐色或浅黄色,透明至半透明,颗粒大小一般为100μm左右,少数可达150μm以上,多呈柱状,晶型完整,振荡环带发育。本次共对21颗锆石进行了年龄测定,分析结果见表 1。由表 1可知,21颗锆石的Th/U值介于0.53~1.53之间,与变质成因锆石Th/U值 (通常小于0.1,Vavra et al., 1996, 1999; Rubatto, 2002) 明显不同,结合其均发育振荡环带结构,表明本区锆石均为岩浆锆石。本次测定的数据点沿水平方向不同程度的偏离协和线 (图 3),这一分布形式在相对年轻的锆石中较为常见,其主要原因是由于年轻锆石中的207Pb丰度较低而难以测准,另一方面也可能与锆石中存在微量普通铅有关 (Yuan et al., 2003)。在上述情况下,206Pb/238U年龄更能准确反映其成岩年龄。本次测试的21个锆石点的206Pb/238U年龄值为219~257Ma。除点06、09和21外,其余均集中在225~229Ma之间,变化幅度较小,数据协和度高,由18个相对集中测点的数据所得出的206Pb/238U加权平均年龄为227.9±0.47Ma (可信度为95%,MSWD=0.77,2σ),精度较高,可以准确地反映岩体的形成年龄,表明雅满苏北岩体形成于中三叠世,为印支中期产物。

表 1 雅满苏北岩体锆石U-Pb年龄分析结果 Table 1 U-Pb dating results for zircons from the YB granite

图 3 雅满苏北岩体U-Pb协和图 Fig. 3 U-Pb concordia diagram of zircons from the YB granite
5 地球化学 5.1 主量元素

雅满苏北岩体的主量元素分析结果和CIPW标准矿物计算结果列于表 2。如表 2所示,雅满苏北岩体总体富硅 (SiO2为74.27%~75.99%)、富碱 (ALK为7.64%~8.29%)、富钾 (K2O为4.37%~4.79%,K2O/Na2O为1.21~1.37) 而贫钙 (CaO为0.03%~0.08%) 和钛、铁及镁,A/CNK为0.96~1.00,属高钾钙碱性花岗岩。此外,该花岗岩CaO/Na2O值较高 (>0.3) 而Al2O3/TiO2值较低 (<60),表明它的源岩成熟度较低而成岩温度较高 (Sylvester, 1998)。

表 2 雅满苏北岩体主量元素 (wt%) 和微量元素 (×10-6) 测试结果 Table 2 Chemical analyses of major (wt %) and trace (×10-6) elements of the YB granite
5.2 稀土元素

雅满苏北岩体的稀土元素分析结果列于表 2。稀土元素球粒陨石标准化配分图示于图 4。由表 2可知,稀土总量 (ΣREE) 介于79.68×10-6~131.3×10-6之间,轻稀土和重稀土比值 (ΣLREE/ΣHREE) 介于18.62~24.11之间,(La/Lu)CN和 (La/Sm)CN比值分别为18.96~22.21和17.65~36.24。由图 4可见,稀土的球粒陨石标准化配分曲线呈右倾型,轻重稀土分馏明显,轻稀土分异明显,而重稀土分异不显著。Eu呈现弱负异常 (δEu=0.48~0.86,表 2图 4),且δEu与样品SiO2含量呈反比 (图略),表明样品的Eu弱负异常应是斜长石分离结晶作用的结果,其源区不存在斜长石残留相。此外,样品的重稀土相对于轻稀土的明显亏损,轻重稀土比值较大,指示源区应存在石榴石残留相,反映较高的成岩压力。

图 4 雅满苏北岩体稀土元素球粒陨石标准化配分图 (标准化值据Boynton, 1984) Fig. 4 Chondrite-normalised REE distribution pattern of the YB granite (Normalization values after Boynton, 1984)
5.3 微量元素

雅满苏北岩体的微量元素分析结果列于表 2,微量元素洋中脊花岗岩标准化蛛网图示于图 5。由表 2图 5可知,雅满苏北岩体总体上富集大离子亲石元素 (LILE) K、Rb等和高场强元素 (HFSE) Th、U、Zr和Hf,但贫Ba、Sr、Nb、Ta及Y。在洋中脊花岗岩标准化图解上显示与下地壳相似的配分型式。相对于下地壳,该岩体存在较明显的Ba负异常和Rb、Th正异常。Ba的含量为55.8×10-6~250.1×10-6,远低于花岗岩的平均值 (Ba为557×10-6史长义等,2005),这可能与岩浆经历过斜长石的分离结晶作用有关。Rb和Th的含量分别为126.2×10-6~208.0×10-6和21.88×10-6~31.71×10-6

图 5 雅满苏北岩体洋中脊花岗岩标准化蛛网图 (洋中脊花岗岩值据Pearce et al., 1984;地壳值据Taylor and Mclennan, 1985) Fig. 5 The ORG Normalized spidergrams of the YB granite (ORG contents after Pearce et al., 1984; crust contents after Taylor and Mclennan, 1985)

Nb和Ta亏损明显,含量分别为6.41×10-6~10.04×10-6和0.89×10-6~1.23×10-6,低于上地壳平均值 (Nb为25×10-6,Ta为2.2×10-6Taylor and McLennan, 1985),在微量元素蜘网图上显示明显的Nb负异常,表明该岩体的形成与陆壳有密切关系。Ga含量 (15.55×10-6~16.11×10-6) 接近于大多数火成岩 (1×10-6~40×10-6Černŷ et al., 1985) 和中国花岗岩平均值 (18×10-6史长义等,2005);Al/Ga比值 (8075~8687,表 2) 高于Černŷ et al., (1985)提供的花岗岩平均值 (2000~8000) 和史长义等 (2005)提供的中国花岗岩平均值 (≈7900)。相对于Ga而言,Al更易进入钙长石的结构之中,因此高的Al/Ga比值指示雅满苏北岩体源区可能没有斜长石的残留或者残留很少。

雅满苏北岩体的Nd/Th值 (变化于0.25~0.54) 和Nb/Ta值 (变化于7.19~9.18),与壳源岩石相当 (Nd/Th≈3;Nb/Ta≈12,Bea et al., 2001),而明显低于幔源岩石 (Nd/Th>15;Nb/Ta≈22,Bea et al., 2001);Ti/Zr值 (7.94~9.34) 和Ti/Y值 (114.4~172.3) 也都落入陆壳岩石的Ti/Zr值范围 (Ti/Zr<30,Wedepohl, 1995) 和Ti/Y值范围 (Ti/Y<200,Wedepohl, 1995)。

5.4 Hf同位素

锆石是一种非常稳定的矿物,具有封闭温度高, 相对于其它矿物较稳定,而且锆石中具有较高的Hf含量和极低的Lu含量,从而导致其Lu/Hf具有非常低的比值 (176Lu/177Hf通常小于0.002),176Lu衰变而成的177Hf很少,因此锆石在形成以后基本没有明显的放射性成因Hf的积累,且很少受到后期岩浆热事件的影响,即使在麻粒岩相等高级变质条件下,所测样品的176Lu/177Hf基本可以代表其形成时体系的同位素组成 (Scherer et al., 2001Griffin et al., 2000, 2002吴福元等,2007)。

在进行了LA-ICP-MS定年的锆石中,我们选择了8颗锆石进行了锆石原位Hf同位素测定 (表 3)。它们的176Hf/177Hf变化于0.282890~0.282966,176Lu/177Hf变化于0.000956~0.001332,表明锆石在形成以后具有较低的放射性成因Hf的积累。根据该样品锆石的U-Pb平均年龄 (227Ma) 统一计算的εHf(t) 值变化于+8.60~+11.31,加权平均值为+9.96±0.53(n=8)。岩体的单阶段亏损地幔Hf模式年龄 (tDM1) 比较年轻,变化于421~531Ma;二阶段Hf模式年龄 (tDM2) 变化于538~711Ma。以上结果表明,雅满苏北岩体的Hf同位素具有类似于亏损地幔特征,说明成岩岩浆来自于相对亏损的源区。

表 3 雅满苏北岩体锆石原位Hf同位素MC-ICP-MS测试结果 Table 3 Zircon Hf isotopic data for granite of the YB pluton
6 讨论 6.1 岩石成因

雅满苏北岩体高硅、富碱、高钾,而贫Ti,Fe,Ca和Mg,具有低的A/CNK值、Al2O3/TiO2值较低 (小于60) 和较高的CaO/Na2O值 (大于0.3),表明其源岩成熟度较低而成岩温度较高。微量元素的典型对比值方面,该岩体具有较低的Nd/Th、Ti/Y、Ti/Zr和Nb/Ta比值,这样低的比值均反映的是壳源特征,而不会是幔源岩浆演化的产物。

壳源岩石部分熔融时所产生熔体的CaO/Na2O值主要与源岩成分和成岩压力有关,而Al2O3/TiO2值则与成岩温度有关 (Sylvester, 1998)。由泥质岩 (富含白云母) 部分熔融所产生的熔体一般具有较低的CaO/Na2O值 (<0.3,Sylvester, 1998),而由富含黑云母或基性程度高的源岩部分熔融所产生熔体的CaO/Na2O比值较高 (>0.3,Sylvester, 1998),其中前者熔融所需的温度较低,熔体Al2O3/TiO2值较大,而后者部分熔融所需温度较高,熔体Al2O3/TiO2值也较小。雅满苏北岩体CaO/Na2O值较高 (大于0.3) 而Al2O3/TiO2值较低 (小于60),表明其具有较高的成岩温度。稀土元素特征弱Eu异常、高的Al/Ga比值均说明源区没有斜长石,重稀土相对于轻稀土的明显亏损以及Y和Yb的明显亏损指示源区有石榴石的残留,表明岩体可能由深部地壳的富含石榴子石的基性程度高的麻粒岩相源岩部分熔融所产生,而成岩温度和成岩压力都较高。而前人 (Rapp and Watson, 1995; Patino Douce and Harris, 1998) 的实验已证明,下地壳玄武岩经脱水熔融可产生相当数量的花岗质岩浆,尤其在下地壳具高温的条件下,这种熔融更易发生 (Rapp and Watson, 1995)。

雅满苏北岩体的Hf同位素具幔源特征,地球化学却表现为壳源特点,两者似有矛盾。然而,研究 (Zheng et al., 2006) 发现,对于陆壳花岗岩来说, 不能简单的把所测定的正εHf(t) 值解释为岩浆源于亏损地幔, 原因有二:其一,实验岩石学已经证明, 地幔橄榄岩部分熔融不可能直接形成花岗岩, 必须经过玄武质地壳这一步;其二,亏损地幔和原始地幔均处于Zr不饱和状态, 由这类地幔岩石部分熔融不可能直接形成锆石, 必须通过新生地壳熔融再造或幔源岩浆侵位过程中地壳混染才能实现锆石的生长。因此,对其成因就有这样两种可能性:(1) 花岗岩的源岩本身就具有较高的εHf(t) 值, 可能是地幔分异出来的新生地壳的再循环;(2) 地壳熔融产生的岩浆与地幔熔融形成的岩浆混合而成,且幔源岩浆占主导作用,使得岩体的Hf同位素显示幔源特征,模式年龄为新生幔源物质与古老陆壳的混合年龄。

首先,上述地球化学特征已经表明,雅满苏北岩体不是幔源岩浆分异的产物,而是壳源岩石。其次,雅满苏北岩体的Hf同位素初始比值和模式年龄比较均一,样品εHf(t) 值的变化不超过2.7,表明该其源岩相对均一。另外,野外地质和岩相学方面也没有岩浆混合的证据。这些特征均排除了幔源岩浆和壳源岩浆混合的可能性,因此,雅满苏北岩体的幔源Hf同位素特征应该是继承其源岩的特征,表明岩体应该为地幔分异出来年青陆壳物质重熔的产物。根据其二阶段Hf模式年龄 (tDM2) 为538~711Ma,我们推测岩体的源岩是新元古代从亏损地幔中分异出来的年青陆壳物质,这也符合前人 (Wu et al., 2000) 通过Sr-Nd同位素研究认为中亚造山带中的大面积造山后花岗岩岩浆来源于新元古代从地幔分异出来的地壳物质的认识。同时,最近的实验岩石学研究结果 (Ratajeski et al., 2005Sisson et al., 2005) 也证实了地幔分异出来的年青陆壳物质可以在一定的温度、压力和氧逸度条件下经部分熔融而产生花岗质岩浆的可能性。因此,笔者认为雅满苏北岩体是幔源岩浆底侵造成下地壳新元古代新生地壳物质发生部分熔融的产物。

6.2 构造意义

雅满苏北钾长花岗岩的产生除从地幔分异出来的年青陆壳作为源岩外,尚需大量外部热源。前人研究表明 (胡霭琴等,1997Li et al., 2003顾连兴等,2006唐俊华等2007周涛发等,2010Han et al., 2011Shu et al., 2011),北疆地区大陆碰撞主要发生在大约300 Ma左右。二叠纪该区构造环境随之由挤压转为拉张。至三叠纪早期,北疆盆地的沉积物特征表明 (肖序常等,1992郭召杰等,1998),东天山晚古生代碰撞后的高山-高原地形已强烈夷平,海西期大陆碰撞对东天山构造的持续影响也已减弱。因此,在三叠纪 (250Ma前后),东天山已进入板内阶段 (顾连兴等,2006)。一般认为,板内环境形成的花岗岩需要来自地幔的热源,其化学特征主要决定于其源岩成分,而与地壳浅层构造作用无关 (张旗等,2007)。

雅满苏北钾长花岗岩体总体呈浑圆状,在空间上与该区南侧同期的近圆形尾亚杂岩体和天湖岩体呈等距分布 (图 1),且这三个岩体的连线呈南东方向,与该区碰撞阶段和碰撞后伸展阶段所形成岩体的区域构造线排列方向并不一致。结合区域构造演化历史,雅满苏北岩体与尾亚岩体和天湖岩体应该有着相似地球动力学背景,其形成与幔源岩浆底侵提供的热量有关 (顾连兴等,2006Zhang et al., 2005, 2007)。

从东天山及其邻区来看,北山地区的多个印支期侵入体 (穆治国等,1992江思宏等,2003)、东昆仑大量印支期花岗岩 (许志琴等,2001)、中天山的尾亚杂岩体各个相带,天湖岩体 (241.8±2.6Ma,LA-ICP-MS数据,本课题组未发表) 和星星峡后山花岗岩 (239.7±4.1Ma, LA-ICP-MS数据,本课题组未发表) 以及觉罗塔格构造带250~210Ma花岗岩的侵入活动 (姬金生等,1994)、白山岩体 (239±8Ma,SHRIMP锆石U-Pb年龄) 和土墩岩体 (246.2±2.6Ma,LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄,周涛发等,2010),均表明东天山地区存在显著的印支期岩浆活动。

关于东天山的印支期构造演化,李华芹等 (1998)从同位素地质学和成矿作用的角度阐述了该区印支事件的重要性。舒良树等 (2004)在吐哈盆地北西侧的艾维尔沟见中-上三叠统泥砂质岩石角度不整合于二叠纪地层之上,并在吐哈盆地地震剖面中发现中-上三叠统与古生界之间多处呈现明显不整合接触,认为印支事件确实波及到整个东天山地区。张遵忠等 (2006)Zhang et al.(2005, 2007) 通过对印支早-中期尾亚杂岩体的岩相学、地球化学及其成岩机制、成岩意义的详细研究,从岩浆活动和陆壳增生的角度表明了本区印支期构造演化的重要性。朱永峰 (2007)对于北疆地区的印支运动年代学和成矿作用进行了研究,认为天山地区绝大多数与韧性剪切带有关的金矿均形成于印支期, 印支期是中亚地区最重要的成矿时代之一。综合分析前人研究成果和已有资料,结合本文研究,笔者认为东天山地区的印支期岩浆活动和构造演化的动力来源可能是与中-晚石炭世天山陆壳整体化进入板内阶段以后又受到特提斯构造体制的显著影响有关 (张遵忠等,2006Zhang et al., 2007顾连兴等,2006)。

7 结论

(1) 雅满苏北岩体形成于印支中期 (228Ma),是幔源岩浆底侵带来的大量热能使得新元古代新生的下地壳物质发生部分熔融的产物;

(2) 东天山地区的印支期岩浆活动的动力来源可能与中-晚石炭世天山陆壳整体化后又受到特提斯构造体制显著影响有关。

致谢 江苏省华东有色金属地质勘局刘荣芳博士、徐薇硕士和罗小星硕士参与了部分野外工作,作者谨致谢忱。
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