張征峰熊雙才范香蓮

新疆地礦局第一地質大隊,新疆昌吉,831100

內容提要:木炭窯地區(qū)位于東準噶爾東部。 木炭窯同造山花崗巖具有高硅、富堿、貧鈣、低鈦的特征,富集大離子親石元素Rb、Ba、K、Th 及高場強元素Zr,相對虧損P、Ti、Nb、Ta。 稀土元素總量較低,輕稀土富集明顯,且輕稀土元素內部分餾相對較強,重稀土元素元素內部分餾較弱,弱的Eu 負異常(δEu =0.64 ～0.95)。 鋯石溫度飽和溫度740～807℃;在Sr—Yb 圖中投入浙閩型與Adakitic 型(高鍶低釔型或譯埃達克型)花崗巖之間,屬中高等壓力。 綜合巖石學和地球化學特征,認為其成因類型為I 型花崗巖,成巖物質主要來源地殼砂巖和少量泥質巖部分熔融,并且有少量地幔物質參與。 LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 年齡顯示其結晶年齡為349.8±3.5 Ma,表明其形成時代為早石炭世。 綜合本文數據及區(qū)域地質特征,木炭窯地區(qū)在早石炭世早期進入俯沖向碰撞造山轉化的過渡期,拼貼到西伯利亞板塊,開始了地殼的側向和垂向增生。

東準地區(qū)晚古生代成巖成礦作用是增生造山過程演化的產物,東準噶爾巖漿構造發(fā)育(李錦軼等,1990;鄧晉福等,2015)是研究該區(qū)造山帶的有利地段(Xiao Wenjiao et al., 2009, 2015)。 前人對東準噶爾的花崗巖研究大多側重于后碰撞的A 型花崗巖(王中剛等,1993;朱笑青等,2006;童英,2006;毛啟貴等,2008;蘇玉平等,2008;王濤等,2010;梁培等,2017),而對具同碰撞特征的花崗巖報道較少。木炭窯位于東準噶爾造山帶東部,自然環(huán)境惡劣,前人僅對該區(qū)部分古生代地層(馬雪等,2005;張超等,2005;張冀等,2013;王軍等,2016)做了少量研究,而對侵入巖研究較少,缺乏精確的年代數據。 本次研究結合“新疆巴里坤縣1 ∶5 萬六幅區(qū)域地質調查”項目成果,通過高精度的鋯石U-Pb 定年、巖石地球化學綜合研究,結合區(qū)域對比,確定其成巖時代、構造環(huán)境,為研究區(qū)域晚古生代構造巖漿作用提供年代學及巖石地球化學依據。

1 區(qū)域地質背景

按照全國資源潛力評價最新的構造劃分,研究區(qū)大地構造位置屬天山興蒙造山系—準噶爾弧盆系—唐古巴勒—卡拉麥里古生代復合溝弧帶—三塘湖晚古生代弧間盆地(圖1a)。 地層區(qū)劃屬北疆—興安地層大區(qū)北疆地層區(qū)北準噶爾地層分區(qū)北塔山地層小區(qū)。 研究區(qū)出露的地層由老到新為:上泥盆統(tǒng)卡希翁組(D3kx)主要為一套火山碎屑巖夾少量火山熔巖、沉積巖,上泥盆統(tǒng)—下石炭統(tǒng)江孜爾庫都克組(D3C1j)主要為一套火山噴出巖夾火山碎屑巖,上石炭統(tǒng)巴塔瑪衣內山組(C2b)主要以中、酸性熔巖為主,少量基性熔巖夾火山碎屑巖。各時代的地層的展布方向為NW—SN 向(圖1b)。區(qū)內斷裂極其發(fā)育,由于長期受NE—SW 向擠壓,形成大量的NW—SE 向逆斷裂,及NE、NW 向平移斷裂。 區(qū)內斷裂規(guī)律性較強,控制不同時代地層的分布,控制侵入體的產狀、形態(tài),甚至控制構造機制的發(fā)生和發(fā)展。 侵入巖發(fā)育,主要巖性為石英二長巖(出露面積10.66 km2,是本區(qū)出露面積最大的巖體),呈長條狀巖株產出;少量(二長)花崗斑巖和輝綠玢巖脈分布于巖體邊部及周圍。 巖體產于玫瑰泉大斷裂兩側,整體呈NW—SE 分布,與區(qū)域構造方向一致。 石英二長巖及花崗斑巖統(tǒng)稱為木炭窯巖體,主要侵入在上泥盆統(tǒng)卡希翁組(D3kx)一套火山巖地層中。

圖1 東準噶爾木炭窯地區(qū)大地構造位置(a,據徐興旺等,2013)及地質簡圖(b,實測)Fig. 1 Geotectonic location(a,from Xu Xingwang et al., 2013＆) and geological map (b,actual measurements) of Mutanyao area, eastern Junggar, Xinjiang

2 巖石學特征

中細粒石英二長巖:巖石呈淺肉紅色,塊狀構造,中細?；◢徑Y構。 主要礦物成分:斜長石(38%～44%)半自形—自形板狀,具卡鈉復合雙晶,部分具環(huán)帶結構;鉀長石(33%)半自形—自形板狀,具條紋結構,多與石英構成文象結構;石英(10% ～18%)他形粒狀,部分與鉀長石構成文象結構,均勻分布;角閃石(2%)、綠泥石(3%)、綠簾石(1%)、磷白鈦石(1%)。 副礦物磷灰石、鋯石、磁鐵礦、鈦鐵礦、黃鐵礦、金紅石。

花崗斑巖:巖石呈淺肉紅色,斑狀構造,無定向構造。 斑晶為斜長石(45%),半自形—自形板條狀,具鈉長石雙晶。 基質中斜長石(11%),他形—半自形柱狀,具鈉長石雙晶;鉀長石(8%)他形板柱狀,見顯微文象結構;石英(8%)他形粒狀;白云母(4%)半自形片狀,黑云母(5%)顯微鱗片—片狀。副礦物鋯石、榍石、磷灰石、鈦鐵礦、白鈦石、赤褐鐵礦、磁鐵礦、黃鐵礦。

3 巖石全分析

在3 個巖體上采集新鮮樣品9 件(圖1b),巖石全分析在廣州澳實礦物實驗室測試,樣品經過破碎、縮分、研磨至200 目后,采用ME-MS81 熔融法電感耦合等離子體質譜測定稀土元素含量,ME-XRF26X熒光光譜儀熔融法精密分析巖石主微量元素,Fe-VOL05 滴定法測定氧化鐵(表1)。

表1 東準噶爾木炭窯巖體主量(%)、微量及稀土元素(μg/g) 分析結果表Table 1 Whole-rock major (%), rare earth and trace elements (μg/g) concentrations of Mutanyao granite in eastern Junggar

樣號 Ⅰ-3YQ1 9YQ1 5YQ1 Ⅷ-2YQ1 Ⅳ-6YQ1 Ⅳ-9YQ1 Ⅸ-9YQ1 Ⅺ-131YQ1 8YQ1 A/CNK 1.06 0.98 0.98 1.10 0.97 1.03 1.07 1.10 1.03 A/NK 1.34 1.38 1.32 1.25 1.28 1.48 1.27 1.22 1.37 R1 2496 2106 1855 2475 1910 2583 2430 2310 2752 R2 482 600 609 388 568 574 431 378 484 Sr 291 206 326 289 283 520 215 270 358 Rb 20.90 88.60 50.70 76.00 49.00 9.50 65.70 69.70 65.30 Ba 593 1115 664 922 605 233 852 912 821 Th 5.49 8.48 4.77 5.14 5.18 5.03 4.91 4.84 4.96 Ta 0.30 0.90 0.40 0.50 0.40 0.40 0.50 0.50 0.60 Nb 3.50 13.20 4.90 6.40 4.70 4.30 5.90 6.10 6.00 Ce 28.10 67.00 36.50 37.30 37.40 30.00 34.40 36.70 40.40 Zr 153 235 195 125 206 177 111 106 91.00 Hf 3.90 5.90 5.30 3.40 5.30 4.60 3.20 3.20 2.60 La 14.0 0 23.40 35.70 17.40 19.00 15.40 18.70 18.60 18.50 Ce 28.10 67.00 36.50 37.30 37.40 30.00 34.40 36.70 40.40 Pr 3.40 7.60 4.50 4.10 4.80 3.60 4.10 4.00 4.20 Nd 12.70 28.4 18.80 13.80 19.40 14.40 14.40 14.10 13.90 Sm 2.72 5.79 4.67 2.45 4.31 3.12 2.59 2.69 2.46 Eu 0.88 1.17 1.18 0.57 1.09 0.90 0.62 0.66 0.62 Gd 2.89 5.16 4.91 2.26 4.73 3.14 2.40 2.36 1.94 Tb 0.52 0.80 0.84 0.37 0.76 0.54 0.39 0.40 0.28 Dy 3.20 4.90 5.09 2.29 4.64 3.24 2.43 2.53 1.58 Ho 0.66 1.01 1.12 0.51 1.01 0.72 0.52 0.50 0.34 Er 2.22 3.02 3.32 1.60 3.15 2.21 1.68 1.66 1.14 Tm 0.37 0.51 0.53 0.28 0.50 0.38 0.28 0.28 0.20 Yb 2.51 3.18 3.24 1.91 3.36 2.66 1.92 2.02 1.33 Lu 0.40 0.54 0.55 0.31 0.54 0.45 0.31 0.32 0.23 Y 20.60 27.60 29.40 15.80 30.50 22.60 16.70 16.70 10.60 ΣREE 74.53 164.78 102.65 86.42 104.66 80.73 84.62 86.71 91.97 LREE / HREE 4.84 7.62 4.24 8.07 4.60 5.05 7.52 7.61 12.06(La/Yb)N 4.00 8.05 3.85 7.02 4.06 4.15 6.95 6.57 12.62(La/Sm)N 3.32 3.98 2.41 4.93 2.85 3.19 4.64 4.44 6.14(Gd/Yb)N 0.95 1.34 1.25 0.98 1.16 0.98 1.03 0.97 1.21 δEu 0.95 0.64 0.75 0.73 0.73 0.87 0.75 0.78 0.84 δCe 0.97 0.95 0.99 1.00 0.94 0.96 0.93 1.00 0.93 tZr(℃) 783 807 786 772 793 792 758 757 740注:tZr/℃=TZr/K-273. 15= 1290 0 2.9 5+0.85M+ln 496000 Zrmelt/10-6-273. 15 ( Wa tson et al.,19 83),其中 M 為全巖n(Na)+n(K)+2n(C a)n(Al)·n(Si), 計算中令n(Si)+n(Al)+n(Fe)+n(Mg)+n(Ca)+n(Na)+n(K)+n(P)= 1;Zrmelt 為熔體中Zr 含量(參見王楠等,2017; 熊雙才等,2019)。

由表可見巖體具有高 SiO2( 66.67% ～73.78%);富堿(Na2O+K2O:6.13%～8.39%);富Na(Na2O/ K2O:0.83 ～9.75) 特 征。 CaO(0.71% ～2.39%)、P2O5(0.04% ～0.18%)、Fe2O3(0.29% ～2.69%)、MgO(0.27% ～1.06%) 及TiO2(0.1% ～0.59%)含量均較低,分異指數DI( 79.55 ～91.91)反映巖石經歷了高程度分異的特征。 特曼指數δ1.31～2.66(<3.3)為鈣堿性巖。 在侵入巖TAS 圖解(圖2a)中落入堿性線下方的石英二長巖和花崗巖區(qū)域。 在K2O—SiO2圖解(圖2b)中主要投入高鉀鈣堿性系列。 鋁過飽和程度A/NK 指數為1.22～1.48,A/CNK 為:0.97～1.10,在鋁飽和圖解(圖2c)中主要落入弱過鋁質范圍。 綜上,木炭窯地區(qū)花崗巖類屬酸性、高鉀富鈉鈣堿性、弱過鋁質的高分異侵入巖。

圖2 東準噶爾木炭窯巖體TAS 分類(a,底圖據Middlemost,1994)、K2O—SiO2(b,底圖據Peccerillo and Taylor,1976)及鋁飽和度(c,底圖據Maniar and Piccoli,1989)圖解Fig. 2 TAS classification (a,after Middlemost,1994)、 K2O—SiO2(b,after Peccerillo and Taylor,1976)and Aluminum(c,after Middlemost,1989) graphic of Mutanyao granite in eastern Junggar

在原始地幔標準化圖解中(圖3a),大離子親石元素K、Rb、Ba、Th 富集明顯;Nb、Ta、P、Ti 虧損。 稀土元素總量較低,∑REE=74.53 ～164.78,平均值97.45。 LREE/HREE=4.24 ～12.06,平均值6.85;La/YbN= 4.00 ～12.62,平均值為6.36;La/SmN=2.41～6.14,平均值為3.99;Gd/YbN=0.95 ～1.34,平均值為1.10,反映輕稀土相對富集,重稀土虧損,且輕稀土元素內部分餾相對較強,重稀土元素元素內部分餾較弱。δEu = 0.64 ～0.95,平均值0.78,具較弱Eu 負異常(圖3b)。

圖3 東準噶爾木炭窯巖體微量元素原始地幔標準化圖(a)及稀土元素球粒隕石標準化圖(b)(標準化值據Sun and Mc Donough,1989)Fig. 3 Chondrite-normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle-normalized trace lementspiderdiagrams (b) for Mutanyao granite in eastern Junggar (standardized value according to Sun and Mc Donough,1989 )

4 鋯石LA-ICP-MS分析

由河北省區(qū)域地質礦產調查研究所實驗室進行鋯石單礦物挑選,在南京大學內生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室完成制靶、CL 拍照、透反射光照相、鋯石測年和數據校正。 鋯石U-Pb 測試使用193 nm 激光取樣系統(tǒng)連接的Agilient7500a 型ICP-MS 上進行,激光剝蝕束斑直徑為 32 μm,頻率為 6 Hz,采用 He 氣作為剝蝕物質的載氣,再和Ar 氣混合后進行分析。實驗獲得的同位素比值采用 GLITTER 程序處理,并進行普通鉛校正采,測試結果如表2。 年齡諧和曲線及加權平均值計算采用 Isoplot(3.0)軟件處理。

鋯石樣品巖性為石英二長巖,采樣位置E93°59′31″,N44°39′33″。 鋯石為無色—淺黃色,呈短柱狀和近等粒狀(圖4),鋯石粒度整體偏小,粒徑集中在60～100 μm,長寬比主要介于1 ∶1.2～2。 所測鋯石 U 和Th 含量分別為(73 ～211)×10-6和(37 ～206) ×10-6,含量變化較大,在U—Th 圖上呈線性分布;Th/U值為0.42 ～0.77,比值變化較小,顯示巖漿鋯石特征。

圖4 東準噶爾木炭窯石英二長巖鋯石形態(tài)和陰極發(fā)光(CL)圖像Fig. 4 Zircon morphology and cathodoluminescence (CL) images of quartz monzonite in Mutanyao area, eastern Junggar

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19 個分析點中除3 個點(點號4、15、22)諧和率誤差較大外,余下16 個點給出了較好的諧和年 齡。 其 中 8 個 測 點 的n(206Pb)/n(238U)年齡介于336±4 Ma～356±3 Ma,齡范圍集中,且數據點在諧和圖中成群分布在一致曲線上及附近,加權平均年齡為349.8±3.5 Ma(MSDW=2.4)(圖5),代表了石英二長巖的結晶年齡。 另外,余下2 個測點的n(206Pb)/n(238U)年齡集中分布在諧和圖中一致曲線附近,386±4 Ma ～389±4 Ma,為繼承鋯石,該年齡應代表捕擄圍巖的年齡。

圖5 東準噶爾木炭窯地區(qū)石英二長巖LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 年齡諧和圖Fig. 5 LA-ICP-MS zircon U-Pb age concordiat diagram of quartz monzonite in Mutanyao area, eastern Junggar

5 討論

5.1 成因類型

研究表明,在準鋁質到弱過鋁質巖漿中,磷灰石的溶解度很低,并在巖漿分異過程中隨SiO2的增高而降低;而在強過鋁質巖漿中,磷灰石溶解度變化趨勢與此相反,隨SiO2的增加而增高或基本保持不變(Wolf et al., 1994),在SiO2—P2O5圖解上(圖6a),P2O5隨著SiO2的增加而降低,與I 型花崗巖趨勢一致。 P2O5含量較低(0.04%～0.18%),不同于典型S 型花崗巖常具較高 P2O5含量( > 0.20%)(Chappell,1999)。 A/CNK 值介于0.97～1.10,略低于典型S 型花崗巖A/CNK>1.1 的特征Chappell et al., 1992)。 在Rb—Y 圖解上,Y 含量隨Rb 增加變化不明顯,與S 型演化趨勢一致(圖6b)。 在A—C—F圖解(圖bc)投入S 型花崗巖中。 盡管角閃石、董青石和堿性暗色礦物是判斷I、S、A 三大類型花崗巖的重要礦物學標志,而白云母和石榴石并不是鑒定S 型花崗巖的有效標志(Miller,1985)。 木炭窯花崗巖體中,樣品中含原生角閃石2%,部分樣品中含白云母2%～4%。 總體上巖體顯示I 型花崗巖的特征。

圖6 東準噶爾木炭窯巖體SiO2—P2O5(a,底圖據Green,1995)、Rb—Y(b,底圖據Chappell,1999)及A—C—F(c,底圖據Chappell et al., 1992)圖解Fig. 6 SiO2—P2O5(a,after Green,1995)、Rb—Y(b,after Chappell,1999 andA—C—F(c,after Chappell et al., 1992)graphic of Mutanyao granite in eastern Junggar

5.2 物質來源及構造環(huán)境

巖體Nb/Ta 值10.00～14.67,平均11.99、略高于殼源比值11,遠低于幔源比值17.5;Zr/Hf 值33.13～39.23,平均36.98,接近幔源比值36.3,高于殼源比值33(Hofmann, 1988;Green,1995)。 Rb/Sr 值平均0.21 和 Rb/Nb 值平均9.00,略低于全球上地殼的平均值(分別為 0.32(Taylor et al., 1995)和9.33(McLennan, 2011)),遠高于大洋巖石圈和陸幔(黎彤, 2011)。 Mg#指數26.91～35.28,明顯小于玄武巖熔融實驗熔體成分的Mg#值( Rapp et al.,1995 ),地殼部分熔融形成的熔體不管熔融程度如何,形成的巖石均具有較低的Mg#<40)。 鋯石飽和溫度tzr740～807℃,平均776℃,介于S 型花崗巖平均 764℃和 I 型花崗巖平均781℃之間(King et al.,1997)。 高于該區(qū)650℃±的莫霍面溫度(汪洋等,2013)在Sr—Yb 圖中投入浙閩型與Adakitic 型(高鍶低釔型或譯埃達克型)花崗巖之間,屬于中—高等壓力,厚度30～40 km,相當于島弧地殼底部,處于正常厚度地殼向加厚地殼過渡(張旗等,2010)。 以上特征也均說明巖體與上地殼物質部分熔融有關,并且有少量地幔物質參與。 CaO/Na2O 值0.15 ～0.66,多數大于 0.3 暗示源區(qū)以砂巖為主,(Sylvester,1989),與A/MF—C/MF圖解和Rb/Ba—Rb/Sr 圖解結果一致(圖7)。

圖7 東準噶爾木炭窯巖體的A/MF—C/MF圖解(底圖據Alther et al.,2000)和La—La/Yb 圖解(底圖據Liu et al.,2013 )Fig. 7AFM—CFMdiagram (a,after Alther et al.,2000) and Rb/Ba—Rb/Sr diagram (b,after Liu et al.,2013) of Mutanyao granite in eastern Junggar

早期研究一般認為I 型花崗巖的源巖是地殼深部中基性變火成巖(Chappell,1988),近年來同位素的研究發(fā)現,受幔源巖漿改造的沉積物重熔同樣也可以形成I 型花崗巖(Kemp et al., 2007),此外,在地殼重熔過程中沉積物貢獻的減少和火成巖等成分的增多同樣可以使巖漿成分由S 型向I 型轉變,形成I 型或者I—S 過渡類型巖漿(Collins et al., 2008)。 西伯利亞與準噶爾兩大板塊之間存在多個地塊(多島洋)的增生造山過程(Xiao Wenjiao et al.,2009,2015),而不是兩大板塊強烈匯聚的陸一陸碰撞造山過程(如秦嶺一大別造山帶、喜馬拉雅造山帶等),因此缺乏大規(guī)模超高變質帶(如秦嶺一大別造山帶),也缺乏陸陸碰撞過程的強烈擠壓抬升和大量S 型花崗巖帶(如喜馬拉雅造山帶)的碰撞造山帶特征(張達玉,2012)。 晁文迪等(2015)在西準噶爾發(fā)現“滯后型”巖漿弧作用,表明板塊完成匯聚造山后,深部的弧巖漿作用仍在進行。 故該區(qū)同造山花崗巖具有I—S 型過渡特征,可能與多島弧增生、巖漿弧作用滯后以及地幔物質參與成巖有關。

在R1—R2 構造環(huán)境判別圖中投入造山花崗巖及附近,在Rb/10—Hf—3Ta 圖解中主要投入火山弧向碰撞構造環(huán)境過渡中(圖8)。 結合木炭窯地區(qū)地質特征,上泥盆統(tǒng)卡希翁組為海陸交互相,早石炭世黑山頭組(330.7±7.4 Ma)為活動大陸邊緣特征,晚石炭世為后碰撞環(huán)境(熊雙才等,2019a, b),表明木炭窯地區(qū)在早石炭世早期349.8±3.5 Ma 時進入俯沖向碰撞轉化的過渡期,拼貼到西伯利亞板塊,開始了地殼的側向和垂向增生。 這也與前人劃分的360～340 Ma 為東準噶爾陸—弧—弧碰撞時間一致(徐興旺等,2013)。

圖8 東準噶爾木炭窯巖體R1—R2(底圖據Batchelor and Bowden,1985)和Rb/10—Hf—3Ta 構造環(huán)境判別圖(底圖據Harris et al., 1986)Fig. 8R1 vs.R2 diagram(a,after Batchelor and Bowden,1985) and Rb/10—Hf—3Ta ectonic discrimination(b,after Harris et al., 1986) of Mutanyao granite in eastern Junggar

6 結論

(1) 新疆東準葛爾木炭窯地區(qū)花崗巖類屬酸性、高鉀富鈉鈣堿性、弱過鋁質的高分異的I 型花崗巖。 成巖具中高等壓力和較低鋯石飽和溫度(tZr=740～807 ℃)。 成巖物質主要來源地殼砂巖和少量泥質巖部分熔融,并且有少量地幔物質參與。

(2) LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 年齡顯示巖體結晶年齡為349.8±3.5 Ma,表明其形成時代為早石炭世。

(3) 木炭窯地區(qū)在早石炭世早期(349.8±3.5 Ma)時進入俯沖向碰撞造山轉化的過渡期,拼貼到西伯利亞板塊,開始了地殼的側向和垂向增生。