引用本文
黎娇, 王高, 刘祥, 王哲, 凤骏. 雅满苏地区中酸性岩浆岩同位素年代学特征及意义[J].中国地质调查, 2022,9(1): 54-63.
LI Jiao, WANG Gao, LIU Xiang, WANG Zhe, FENG Jun. Isotopic chronological characteristics and significance of intermediate-acid magmatic rocks in Yamansu area[J].Geological Survey of China, 2022,9(1): 54-63.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2022.01.06
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雅满苏地区中酸性岩浆岩同位素年代学特征及意义
黎娇1,2, 王高1,2, 刘祥3, 王哲4, 凤骏4
1.赣中南地质矿产勘查研究院,江西 南昌 330000
2.江西省地质局工程地质大队,江西 南昌 330000
3.新疆大学地质与矿业工程学院,新疆 乌鲁木齐 830000
4.新疆维吾尔自治区地质调查院,新疆 乌鲁木齐 830000
通信作者简介: 王高(1988—),男,高级工程师,主要从事区域矿产地质调查工作。Email: 707960760@qq.com。

第一作者简介: 黎娇(1990—),女,工程师,主要从事区域地质调查工作。Email: 407809781@qq.com。

收稿日期: 2020-12-21 修回日期: 2021-10-26
基金资助: 新疆地质勘查基金“新疆哈密市景峡一带1:5万K46E013017(南湖戈壁幅)、K46E013018(景峡站幅)、K46E013019(木头井子幅)三幅区域地质专项调查项目(编号: T16-1-LQ14)”项目资助
摘要

雅满苏地区跨越多个区域构造带,过往研究对于每个构造带的形成、相对构造运动形式、相对构造运动规模存在较大争议。通过采集不同构造带内中酸性岩体的岩石样品,对雅满苏地区3个构造带内的中酸性岩体开展岩石学、地球化学以及锆石U-Pb同位素年代学研究。结果表明: 除苦水混杂岩带花岗斑岩(TW-1)为过铝质钙碱性I型花岗岩,其他2个构造带的中酸性岩体均为弱过铝质高钾钙碱性S型花岗岩类。稀土配分曲线显示样品的轻稀土相对富集,重稀土相对平坦。微量元素特征显示岩体的物质来源总体上为壳源,TW-1中混有少量幔源物质。U-Pb同位素年代学显示研究区在早二叠世(295.1 Ma和285.1 Ma)发生了2次构造岩浆作用。构造判别图解显示3个构造带的岩体均形成于碰撞作用相关的构造环境,反映了碰撞俯冲—隆起—碰撞俯冲—板内伸张的过程。结合区域地质情况,雅满苏中天山地区古特提斯洋向北俯冲碰撞的能级和影响范围远大于康古尔洋向南的俯冲碰撞。

关键词: 中酸性岩浆岩; 同位素年代学; 锆石U-Pb测年; 雅满苏地区
中图分类号:P588.12;P597 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2022)01-0054-10
Isotopic chronological characteristics and significance of intermediate-acid magmatic rocks in Yamansu area
LI Jiao1,2, WANG Gao1,2, LIU Xiang3, WANG Zhe4, FENG Jun4
1. Ganzhongnan Institute of Geology and Mineral Exploration, Jiangxi Nanchang 330000, China
2. Engineering Geology Brigade of Jiangxi Geology Bureau, Jiangxi Nanchang 330000, China
3. College of Geology and Mining Engineering of Xinjiang University, Xinjiang Urumqi 830000, China
4. Geological Survey Institute of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Xinjiang Urumqi 830000, China
Abstract

Yamansu area stretched across multiple regional tectonic belts, and there was significant controversies about the formation of each tectonic zone, the form and scale of relative tectonic movement in previous researches. The petrology, geochemistry and zircon U-Pb isotopic chronology of the intermediate-acid magmatic rocks were investigated through collecting intermediate-acid magmatic rock samples from different tectonic belts. The results show that the granite porphyry (TW-1) in the Kushui melange zone was peraluminous and calc-alkaline I-type granite, and the other two tectonic belts are weak peraluminous high potassium calcium-alkaline S-type granite. All samples were relatively enriched in LREE and are relatively even in HREE. The trace element character istics shows the source of all samples was crust and TW-1 was mixed with some mantle materials. The U-Pb isotopic chronology shows that there were two magmatic intrusions in the study area in Early Permian (295.1 Ma and 285.1 Ma). Granites from these three tectonic belts were formed under the collision-related structural environment by structural discrimination diagrams, which reflects the process of collision subduction-uplift-collision subduction-intraplate extension. Combining with the regional geology of the study area, the energy level and influence range of the northward collision and subduction of the Paleo-Tethys Ocean are much larger than the southward collision of the Kangur Ocean.

Keyword: intermediate-acid magmatic rock; isotope chronology; zircon U-Pb isotopic chronology; Yamansu area
0 引言

雅满苏地区跨越多个区域构造带, 前人对雅满苏地区区域构造带的形成、带内中酸性岩浆岩的成因存在不同认识。曹锐等[1]认为苦水混杂岩带为晚石炭世形成的弧后盆地; 王华星等[2]认为苦水混杂岩带是黄山地体与星星峡地块的汇聚拼合构造带; 杨震等[3]认为早石炭世侵入体为造山初期形成的高钾钙碱性I型花岗岩, 早二叠世侵入体为碰撞后期形成的钙碱性I型花岗岩, 中二叠世侵入体为造山后形成的高钾钙碱性A型花岗岩; 熊双才等[4]认为在包含了苦水混杂岩带的东准噶尔板块内, 碱性花岗岩的成因是由于大量幔源岩浆底侵到下地壳, 使该区仍在垂向增生而产生的岩浆岩; 赵宏刚等[5]认为雅满苏花岗岩的形成与幔源岩浆内新地壳物质的部分熔融有关, 形成于印支中期板内伸展环境; 雷如雄等[6]认为在包含了巴仑台— 星星峡微地块在内的东天山雅满苏地区, 印支期岩浆活动能量源与中— 晚石炭世天山陆壳整体进入板内阶段有关; 罗婷等[7]认为东天山雅满苏岛弧带的形成与东天山在石炭纪的俯冲事件有关, 且东段早于中段和西段, 由东到西的俯冲形式类似于“ 剪刀” 闭合的过程。本文分析研究了雅满苏地区3个构造带内的中酸性岩浆岩, 期望为研究东天山造山带的构造物质组成、大地构造格局与发展演化历史提供新的参考。

1 区域地质背景

研究区跨越3个区域构造带, 北部为苦水混杂岩带, 中部为阿齐山— 雅满苏晚古生代岛弧带, 东南部为巴仑台— 星星峡微地块(图1)。

图1 研究区构造地质简图[2]
①.北天山南缘深断裂带; ②.吐— 哈盆地南缘大断裂; ③.康古尔塔格断裂带; ④.苦水断裂; ⑤.雅满苏大断裂; ⑥.阿奇克库都克— 沙泉子断裂; ⑦.阿克塔格— 尖山子大断裂; ⑧.卡拉塔格— 石英滩大断裂; ⑨.库都克塔格— 星星峡大断裂; ⑩.大水— 红柳河断裂; I1.博格达— 哈尔力克裂谷-岛弧带; I2.大南湖晚古生代岛弧带; II1.塔里木板块; II2.觉罗塔格晚古生代沟弧带; II3.巴仑台— 星星峡微地块; II4.北天山弧后裂谷褶皱带。Fig.1 Tectonic and geological map of the study area[2]

苦水混杂岩带在大地构造位置上处于塔里木板块北部活动的边缘。构造带内的岩浆岩以华力西期闪长岩-花岗闪长岩-二长花岗岩等侵入体为主, 华力西晚期还出露有钾长花岗岩及少量超基性岩[8]。阿齐山— 雅满苏晚古生代岛弧带为中天山陆块北部的边缘弧, 广泛发育石炭纪至三叠纪的侵入体[9]。巴仑台— 星星峡微地块又称为中天山地块, 地块内发育华力西早期构造岩浆岩带, 以钙碱性I型花岗闪长岩、二长花岗岩、钾长花岗岩为主, 华力西中期以同熔型花岗岩为主, 部分陆壳改造型, 华力西晚期还发育碱长花岗岩[6, 10]。

2 岩石地球化学特征
2.1 样品采集与岩性特征

苦水混杂岩带中部的岩株样品TW-1为弱蚀变斜长花岗斑岩、具斑状结构, 斑晶主要由斜长石组成, 基质主要由微晶粒状斜长石组成, 具泥化。

阿齐山— 雅满苏晚古生代岛弧带中部的岩脉样品TW-7为蚀变花岗闪长岩, 具花岗结构, 主要由斜长石和石英组成; 南部的岩脉样品YQ-27为泥化花岗斑岩, 具斑状结构, 斑晶主要由斜长石组成, 基质主要由微粒状正长石组成。

巴仑台— 星星峡微地块西北部的样品YQ-29为花岗斑岩, 具斑状结构, 斑晶和基质主要由钾长石组成。西北部的岩脉样品TW-9为蚀变花岗闪长岩, 具花岗结构, 由斜长石、石英、角闪石等组成。

2.2 岩石地球化学特征

样品的主量元素、微量元素以及稀土元素的测试分析由新疆维吾尔自治区矿产实验研究所完成, 每个样品重约0.5 kg。主量元素采用X射线荧光法测定, 样品熔成玻璃饼后用X射线荧光光谱测试, 于烘烤箱中高温烘烤1.5 h, 得到岩石的烧失量, 测试精度高于1%。微量元素和稀土元素采用两酸高压反应釜溶样方法进行溶解, 使用等离子质谱仪测定其元素含量。岩石地球化学图解使用Geokit软件制作[11]。各样品主量元素、微量元素、稀土元素数据及特征参数见表1。

表1 研究区样品主量元素、微量元素和稀土元素含量及特征参数 Tab.1 Content and characteristic parameters of major, trace elements and REE from samples of the sudy area

在TAS图解(图2)上, TW-9落入花岗闪长岩系列中, 其余样品都落入花岗岩系列中。在岩石系列SiO2- K2O图解(图3)上, TW-1落入钙碱性系列, TW-9落入高钾钙碱性系列和钙碱性系列的过渡界线上, 其余样品落入高钾钙碱性系列。

图2 研究区花岗岩TAS图解Fig.2 TAS classification diagram of granites in the study area

图3 研究区花岗岩SiO2-K2O图解Fig.3 SiO2-K2O diagram of granites in the study area

样品的Al2O3含量为13.68%~15.94%, 具有准铝质-过铝质特征。岩石的成岩物质主要来源于地壳中上部, 软流圈或拆沉的岩石圈部分熔融产生的岩浆, 一部分沿壳幔界面侧向漫流形成底侵, 另一部分上升后在地壳中上部侧向漫流形成内侵, 内侵热量造成地壳岩石发生部分熔融分凝和上升[12]。其中TW-1的A/CNK值最高, 指示其成岩来源中可能混入了少量幔源物质。在A/CNK-A/NK图解(图4)上, TW-1表现出过铝质特征, 其余样品都落在准铝质-过铝质的过渡界线上。SiO2-Zr花岗岩分类图解(图5)显示TW-1样品落入I型花岗岩, 其他样品均落入S型花岗岩。

图4 研究区花岗岩A/CNK-A/NK图解Fig.4 A/CNK-A/NK diagram of granites in the study area

图5 研究区花岗岩SiO2-Zr图解Fig.5 SiO2-Zr diagram of granites in the study area

TW-9的分异指数(DI)最小, 为69.29, 其他样品的分异指数处于8.17~90.54之间, 说明TW-9花岗闪长岩的结晶分异时间短, 不够充分, 不同构造带之间和同一构造带内的岩浆分异演化特征均存在差异。TW-1样品的里特曼指数σ 为1.41, 说明TW-1花岗斑岩的物质来源中可能有幔源物质, 与SiO2-Zr花岗岩分类图解的分类一致(图5)。

样品的稀土元素总量偏低, 稀土配分曲线整体右倾(图6)。轻稀土相对富集, 重稀土相对平坦, 具有较高的(La/Yb)N值和LREE/HREE值, 较低的负Eu异常。其中TW-1样品的(La/Yb)N值和LREE/HREE值最高(表1), 表现出了一定的差异性。

图6 研究区花岗岩球粒陨石标准化稀土元素配分曲线Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns from granites of the study area

样品的原始地幔标准化微量元素蛛网图(图7)显示, TW-1中Rb、K、U、La、Zr、Hf、Yb、Y、Lu富集, Nb、Sr、P、Ti等亏损; TW-9中Rb、K、U、La、Zr、Sr、Hf、Yb、Y、Lu富集, Nb、Ti等亏损。样品的Nd/Th值和Nb/Ta值与壳源岩石相当(Nd/Th≈ 3, Nb/Ta≈ 12), 而明显低于幔源岩石(Nd/Th> 15, Nb/Ta≈ 22)[13, 14], 指示雅满苏地区的花岗类岩石是地壳物质部分熔融, 而非幔源岩浆演化的产物。同时TW-1的Nd/Th值和Nb/Ta值高于其他样品, 其物质来源中可能混有少量的幔源物质。

图7 研究区花岗岩原始地幔标准化微量元素蛛网图Fig.7 Primitive mantle-normalized trace element patterns from granies of the study area

5个样品的主量元素、微量元素和稀土元素含量特征显示3个构造带内中酸性花岗岩样品的地球化学特征存在差异, 说明3个构造带经历了不同性质的构造运动, 导致后期形成岩体的物质来源、岩性特征、构造环境都有截然不同的特征。

3 年代学特征

锆石中的Th、U含量和Th/U值可以指示锆石的成因, 岩浆锆石的Th、U含量一般较高, Th/U值大于0.1[15, 16, 17, 18]。本研究选取样品TW-1和TW-7进行锆石U-Pb同位素年代学分析, 2组样品的Th/U值均大于0.1, 指示典型的岩浆成因。

原岩样品经分选等步骤后分离出锆石单矿物, 挑选透明、晶形完好、无裂隙、未蚀变的锆石颗粒清洗抛光。锆石制靶、锆石激光原位U-Pb同位素分析测试均由武汉上谱分析科技有限责任公司完成。阴极发光图像(图8)显示, 锆石结晶良好, 内部结构较为清晰, 具有明显的生长震荡环带。

图8 TW-1花岗斑岩(a)和TW-7花岗闪长岩(b)锆石CL阴极发光图像及年龄值Fig.8 CL images and ages of zircon from TW-1 granite porphyry (a) and TW-7 granodiorite (b)

测年结果和U-Pb年龄谐和图见表2和图9。TW-1花岗斑岩的206Pb/238U测年结果为307~285 Ma, 加权平均年龄为(295.1± 5.4) Ma(MSWD=5.7, n=10); TW-7花岗闪长岩的206Pb/238U测年结果为290~272 Ma, 加权平均年龄为(285.1± 2.1) Ma(MSWD=7.9, n=20)(表2, 图9)。2个样品的形成时代均为早二叠世, 属海西期岩浆岩。

表2 TW-1花岗斑岩和TW-7花岗闪长岩LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果 Tab.2 LA-ICP-MS zircon U-Pb isotopic compositions and dating results of TW-1 granite porphyry and TW-7 granodiorite

图9 TW-1花岗斑岩(左)和TW-7花岗闪长岩锆石(右)U-Pb年龄谐和图Fig.9 U-Pb concordia diagrams of TW-1 granite porphyry (left) and TW-7 granodiorite (right)

4 讨论
4.1 构造环境分析

C/MF-A/MF图解(图10)表明, 研究区大部分花岗岩类为壳源变质碎屑岩和泥质岩部分熔融的产物, 符合板块缝合带岛弧消亡进入后造山阶段的花岗岩类的主要特征。微量元素(Y+Nb)-Rb图解和Rb/10-Hf-3Ta图解表明3个构造带内的花岗岩均为火山弧花岗岩; R1-R2构造环境判别图解表明3个构造带内的花岗岩均为同碰撞花岗岩类, TW-9为碰撞后隆起期花岗岩。

图10 研究区花岗岩构造判别图解
WPG.板内花岗岩类; VAG.火山弧花岗岩类; syn-COLG.同碰撞花岗岩类; ORG.大洋中脊斜长花岗岩类; ①地幔斜长花岗岩; ②破坏性活动板块边缘(板块碰撞前)花岗岩; ③板块碰撞后隆起期花岗岩; ④造山晚期花岗岩; ⑤非造山A型花岗岩; ⑥同碰撞花岗岩; ⑦造山期后A型花岗岩。Fig.10 Structural discrimination diagrams of granites from the study area

从各图解看, 3个构造带内的花岗岩类成岩构造环境相似, 结合同位素年代学特征, 反映了一个碰撞俯冲— 隆起— 碰撞俯冲— 板内伸张的过程。

4.2 地质意义

根据同位素年代学特征与构造判别图解, 分析了研究区构造演化历史(图11)。从雅满苏地区北部的苦水混杂岩带到南部的巴仑台— 星星峡微地块可能存在一个连续的花岗质岩浆演化带。岩石地球化学分析显示这个连续的花岗质岩浆演化带所属的构造特征存在差异, 体现了该地区构造演变的复杂性。

图11 研究区构造演化历史Fig.11 Tectonic evolution history of the study area

早二叠世早期, 古康古尔洋向南侧的阿齐山— 雅满苏晚古生代岛弧带俯冲[22], 在接触带形成了消减带杂岩体, 同时也形成了大量的辉长岩岩体[8]。该岩体表现出俯冲背景I型花岗岩的地球化学特征, 形成于大陆边缘岛弧环境。在早二叠世碰撞造山阶段(如TW-1, 295.1 Ma), 花岗斑岩的侵入成型。

随着古特提斯洋向北天山地块俯冲碰撞造山, 古康古尔洋的俯冲基本结束[23], 阿齐山— 雅满苏带进入碰撞后伸展阶段。山根拆沉作用导致软流圈地幔上升, 板块俯冲熔融, 在阿齐山— 雅满苏构造带形成大量玄武岩[24, 25], 同时使该带内的沉积砂岩重熔, 形成地壳重熔S型花岗岩类(如TW-7, 285.1 Ma)。

早三叠世印支早期, 古特提斯洋向北的俯冲和碰撞基本结束, 中天山板块板内发生伸展作用, 由于伸展作用容易发生在造山带与古陆的敛合部位, 在阿奇克库都克— 沙泉子断裂周边形成大量的碰撞后花岗岩类(如TW-9, 248.8 Ma, 未发表), 该花岗岩类岩石的地球化学特征既不是幔源岩浆分异的产物, 也不是幔源岩浆与壳源的酸性岩浆在深部岩浆房混合的产物, 而是由原生的下陆壳中-高钾的变质玄武岩在高温和高压条件下部分熔融的结果[5, 26, 27, 28]。

从整个区域的地质情况可以看出, 古特提斯洋向北俯冲碰撞的能级和影响范围远大于康古尔洋向南的俯冲碰撞。

5 结论

(1)岩石年代学研究显示在295.1 Ma和285.1 Ma研究区发生了2次构造岩浆作用, 从北部的苦水混杂岩带到南部的巴仑台— 星星峡微地块可能存在一个连续的花岗质岩浆演化带。岩石地球化学分析显示这个连续的花岗质岩浆演化带所属的构造特征存在差异, 体现了该地区构造演变的复杂性。

(2)区域内岩石地球化学和同位素年代学特征表明在雅满苏地区附近, 古特提斯洋向北俯冲碰撞的能级和影响范围可能远大于康古尔洋向南的俯冲碰撞。

致谢: 在野外地质调查过程中, 得到了新疆维吾尔自治区地质调查院穆利修主任和新疆大学弓小平教授的精心指导, 新疆大学的学生一起参与了野外地质调查。武汉上谱分析科技有限责任公司协助进行了U-Pb同位素年龄数据处理。在此一并表示衷心感谢。

(责任编辑: 魏昊明)

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