地质力学学报  2018, Vol. 24 Issue (4): 533-543
引用本文
刘高峰, 王斌, 陈士海, 艾海平. 新疆西天山查汗查哈花岗岩锆石U-Pb定年、岩石地球化学特征及其大地构造意义[J]. 地质力学学报, 2018, 24(4): 533-543.
LIU Gaofeng, WANG Bin, CHEN Shihai, AI Haiping. ZIRCON U-PB DATING AND GEOCHEMICAL FEATURES OF CHAHANCHAHA GRANITE FROM WESTERN TIANSHAN, XINJIANG: IMPLICATIONS FOR TECTONIC EVOLUTION[J]. Journal of Geomechanics, 2018, 24(4): 533-543.
新疆西天山查汗查哈花岗岩锆石U-Pb定年、岩石地球化学特征及其大地构造意义
刘高峰1,2 , 王斌1,2 , 陈士海2 , 艾海平2     
1. 南京大学地球科学与工程学院, 江苏 南京 210093;
2. 江西省地质调查研究院, 江西 南昌 330030
摘要:查汗查哈岩体出露于新疆西天山东南段,位于中天山南缘断裂北缘的那拉提-中天山侵入岩带,岩性主要为片麻状花岗闪长岩和二长花岗岩。锆石U-Pb定年结果显示,查汗查哈岩体花岗质岩石形成于421.9±6.2 Ma。岩石地球化学特征表明其属于准铝质钙碱性Ⅰ型花岗岩,并具有较典型的大陆边缘弧侵入岩的特征。这一研究结果显示,南天山洋在晚志留世已经开始向北俯冲,并在中天山南缘形成大陆边缘弧环境。
关键词天山    花岗岩    锆石U-Pb年龄    志留纪    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2018.24.04.056     文章编号:1006-6616(2018)04-0533-11
ZIRCON U-PB DATING AND GEOCHEMICAL FEATURES OF CHAHANCHAHA GRANITE FROM WESTERN TIANSHAN, XINJIANG: IMPLICATIONS FOR TECTONIC EVOLUTION
LIU Gaofeng1,2 , WANG Bin1,2 , CHEN Shihai2 , AI Haiping2     
1. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210093, Jiangsu, China;
2. Geological Survery of Jiangxi province, Nanchang 330030, Jiangxi, China
Abstract: The Chahanchaha granitic body outcrops in the southeast part of the western Tianshan Mountains, Xinjiang, and it is located in the Nalati-Central Tianshan intrusive rock belt at the northern edge of the fault, south margin of the Central Tianshan. The rock type is dominated by granodiorite and monzonitic granite with weak gneissic foliation. The zircon U-Pb dating results indicate that the Chahanchaha granitic rocks formed at 421±6.2 Ma. The geochemical characteristics suggest that the granitic rocks are grouped in metaluminouscalc-alkaline Ⅰ-type granite, which exhibits typical characteristics of intrusive rocks in the continental arc. These data demonstrate that the paleo-south Tianshan ocean crust has started northward subduction at late Silurian, resulting in a continental arc upon the overriding plate.
Key words: Tianshan Mountains    granite    zircon U-Pb age    Silurian    

新疆西天山造山带位于古亚洲洋构造域南缘中部,岩浆活动强烈,古生代侵入岩发育。研究表明,早古生代(即加里东期)花岗岩类集中分布于中天山南缘,而晚古生代(即海西期)花岗岩类岩体数量最多,集中分布于中天山南北两缘,但是不同学者对这些古生代侵入岩的认识和观点却不尽相同,存在较大争议。韩宝福等[1]认为西天山古生代花岗岩形成于380~490 Ma,它们的岩石地球化学具有铝质A型花岗岩的特征,其形成可能与洋盆扩张过程或者与早古生代的一次造山过程的晚期伸展阶段有关。然而,另一些学者认为中天山古生代侵入岩具有活动大陆边缘的特征,可能与大洋俯冲过程有关[2~4]。根据在西天山东南段的区域地质调查发现,该地区侵入岩十分发育,自加里东期、华力西期、燕山期乃至喜马拉雅期均有岩浆活动,尤其以加里东期与华力西期最为活跃。因此,以西天山东南段的查汗查哈岩体为研究对象,在详细野外调查的基础上,选取典型花岗岩类岩石开展锆石U-Pb年代学和地球化学研究,结合现有地质资料,探讨天山造山带古生代侵入岩的大地构造环境及其地质意义。

1 区域地质特征

查汗查哈岩体位于新疆西天山东南段,属天山—兴蒙造山系,距离和硕县城向北约30 km。该岩体位于中天山地块,其南北两侧为北西西向的中天山北缘断裂和中天山南缘断裂[5]。中天山地块是伊犁—中天山微陆块的东延部分,主要由不同类型的花岗岩组成,见少量前寒武纪结晶基底、元古界变质地层、以及早古生界浅变质沉积岩及火山碎屑岩[6]。相关学者将中天山地块内的花岗岩命名为那拉提—中天山古生代侵入岩带[7],该带发育泥盆纪、志留纪、石炭—二叠纪等多个时期的侵入岩(见图 1)。

1—石炭—二叠纪侵入岩;2—泥盆纪侵入岩;3—志留纪侵入岩;4—中酸性火山岩分布区;5—中基性火山岩分布区;6—基性火山岩分布区;7—石炭—二叠系地层分布区;8—志留—石炭系地层分布区;9—泥盆—石炭系;10—断层;11—年龄样;12—全岩分析样 图 1 西天山东南段岩浆岩分布图(据文献[5]修改) Figure 1 Spatial distribution of magmatic rocks in the southwest segment of western Tianshan Mountians (modified after [5])

中天山南缘断裂两侧岩石地层截然不同,南侧主要出露泥盆纪、石炭纪地层,岩体以石炭纪—二叠纪为主;而北侧则出露元古代、早古生代地层,侵入岩以志留纪、泥盆纪岩体为主。查汗查哈岩体位于该断裂带北侧,以志留纪中酸性侵入岩为主,岩性为灰色片麻状中细粒花岗闪长岩、灰色片麻状中细粒黑云母二长花岗岩、灰色片麻状中细粒似斑状黑云母二长花岗岩。受后期构造影响,变质变形较强烈,片麻理多呈近东西向分布,矿物有明显的同向定向排列,局部发育眼球状构造。根据详细的野外调查,文中选取了14个变形较弱的花岗质岩石开展地球化学研究,1个弱片麻状花岗闪长岩进行锆石U-Pb年代学研究。

2 岩相学特征

在研究区内采得该系列岩石地球化学测试样品14件,其中花岗闪长岩7件,二长花岗岩4件,似斑状花岗岩3件。锆石U-Pb年龄分析样品岩性为花岗闪长岩。花岗闪长岩:呈浅灰—深灰色,中细粒花岗结构,块状构造,呈现弱片麻理,矿物组合为斜长石(59%)、钾长石(10%)、石英(23%)、角闪石(3%)和黑云母(4%)以及少量锆石和磁铁矿。斜长石为半自形板状,发生弱—中等程度绢云母化,长径1~2.5 mm,An值44,为中长石。钾长石粒径0.7~1 mm,泥化明显,具不发育的条纹构造,属正长条纹长石。石英呈它形粒状,粒径0.2~1.5 mm。普通角闪石呈半自形柱状,长径0.8~1.3 mm。黑云母为半自形片晶,片径0.5~2.5 mm,多发生不同程度的绿泥石化(见图 2a)。

a—花岗闪长岩;b—二长花岗岩;c—似斑状二长花岗岩Q—quartz; Pl—plagioclase; Bt—biotite 图 2 岩石显微照片 Figure 2 Rock micrographs

二长花岗岩:灰色,中细粒花岗结构,块状构造,呈现弱片麻理,矿物组合为斜长石(38%)、钾长石(37%)、石英(24%)、黑云母(4%)以及少量锆石、磷灰石和磁铁矿。斜长石为半自形板状,长径0.8~3.5 mm,An值50,为中性斜长石。钾长石为它形晶,粒径0.8~3 mm,具条纹构造,属正长条纹长石。石英为它形粒状,粒径0.7~3 mm。黑云母为半自形片状,片径0.2~ 1 mm。锆石呈自形柱状,长径0.03~0.06 mm(见图 2b)。

似斑状二长花岗岩:岩石风化面及新鲜面均呈灰白色,具似斑状结构,斑晶由钾长石和斜长石构成,基质为中粗粒花岗结构,块状构造,呈现弱片麻理。斜长石斑晶为半自形板柱状,粒度18~40 mm,含量~10%,蚀变弱,局部发育低程度的绢云母化或绿帘石化,An值为40,为中长石。钾长石斑晶为微斜条纹长石,呈半自形宽板状,粒度12~35 mm,含量2%~5%,可见格子双晶、钠质条纹,条纹呈微细脉状,常见半自形斜长石小包体,包体呈环带状产出,蚀变较弱,略显高岭土化。基质主要由斜长石(27%)、钾长石(13%)、石英(20%)和黑云母(5%)组成。斜长石呈半自形板状,粒度1~4 mm。钾长石呈半自形—它形粒状,粒度1~4 mm。基质和斑晶中二长石成分基本一致。石英呈它形粒状,粒度1~3 mm。黑云母呈叶片状,片径0.5~2 mm。副矿物主要有磁铁矿、锆石、榍石及褐帘石(见图 2)。

3 分析测试方法 3.1 锆石U-Pb定年

锆石矿物在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室挑选完成;武汉上谱分析科技有限责任公司对锆石进行了制靶与阴极发光等实验。岩石样品破碎后,将挑选出的锆石晶体放置于环氧树脂中,磨蚀、抛光至锆石核心出露。

锆石U-Pb同位素测年在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室(GPMR)利用LA-ICP-MS分析测试完成。激光剥蚀系统为GeoLas 2005,ICP-MS为Agilent 7500a。在等离子体中心气流(Ar+He)中加入少量氮气,以提高仪器灵敏度、降低了检出限、改善分析精密度[8]。另外,激光剥蚀系统配置的一个信号平滑装置,即使激光脉冲频率低至1 Hz,采用该装置后仍能获得光滑的分析信号[9]。每个时间分辨分析数据大约包括20~30 s的空白信号和50 s的样品信号,激光束直径为32~44 μm;对分析数据进行的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年龄计算)采用了软件ICPMSDataCal[10~11]完成。详细的仪器操作的条件和数据处理的方法同Liu et al.[10~11]。U-Pb同位素定年中采用锆石标准91500作外标进行同位素分馏校正,每分析5个样品点,分析2次以上91500。对于与分析时间有关的U-Th-Pb同位素比值漂移,利用91500的变化采用线性内插的方式进行了校正[12]。锆石以91500的U-Th-Pb同位素比值推荐值作为标准[13]。锆石样品的U-Pb年龄谐和图的绘制和年龄权重平均计算均采用Isoplot/Ex_ ver3[14]完成。

3.2 岩石主微量元素

岩石主微量元素测试分析由新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第三地质大队实验室完成。主量元素(SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MnO、MgO、CaO、Na2O、K2O、P2O5)采用X荧光光谱法(ME-XRF)分析,精度优于2%,检测下限为0.01%。微量元素采用等离子质谱(ICP-MS)分析,试样用氢氟酸、硝酸、高氯酸分解并赶尽高氯酸,用王水溶解后,移至聚乙烯试管中,定容、摇匀,分取澄清溶液,用硝酸溶液(3+97)稀释至1000倍(指试料总稀释系数为1000),用感应耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)进行测定,测定精密度优于5%,检测下限为0.05×10-6

4 分析结果 4.1 锆石U-Pb定年

花岗闪长岩中的锆石多为无色透明长柱状或浑圆状,粒度多在50~100 μm,长宽比1 : 1~1 : 3,CL图像(见图 3)显示大部分锆石内部存在核边结构,核部发光较好,发育震荡环带,应为岩浆成因锆石;幔部呈暗色,无环带结构,可能为花岗闪长岩变形过程中形成的锆石;锆石边部非常窄,发光幔部稍亮,可能为更晚期生长的锆石。

图 3 花岗闪长岩(PM02-44)锆石阴极放发光图像 Figure 3 Cathodeluminescence(CL) images for zircons from granodiorite(PM02-44)

锆石核部的Th、U和Pb含量范围在83×10-6~208×10-6、115~297×10-6和9.7~26.8×10-6(见表 1)。Th/U比值介于0.62~1.08之间,指示其为岩浆成因[15]。锆石幔部则具有较低的Th/U比值(0.26~0.65),可能为变质成因。放射成因的207Pb在地球早期历史中更为丰富,而显生宙以来207Pb生成比例很少,这种变化使得显生宙结晶的锆石207Pb/206Pb和207Pb/235U比值可信度降低,因此显生宙锆石采用206Pb/238U年龄更接近其真实年龄,而显生宙以前的锆石采用207Pb/206Pb更接近其真实年龄[16]。花岗闪长岩中锆石数据均落在谐和线上或附近(谐和度大于90%),核部206Pb/238U年龄介于406~436 Ma之间,最年轻的2个数据(406 Ma和408 Ma),与其它核部年龄相比,超出了误差范围,剩余的9个数据点加权平均年龄为421.9±6.2 Ma,MSWD=2.6,代表了花岗闪长岩的结晶年龄。相比于核部,幔部呈现出较老的206Pb/238U年龄,介于427~431 Ma之间,加权平均值为428.8±4.5 Ma,MSWD=0.13,与核部年龄在误差范围内一致,表明花岗闪长岩结晶和变质变形几乎同时发生(见图 4)。

表 1 锆石U-Pb测年结果表 Table 1 Zircons U-Pb dating results

图 4 花岗闪长岩(PM02-44)锆石U-Pb同位素年龄谐和图 Figure 4 Zircon U-Pb concordia diagrams from granodiorite(PM02-44)
4.2 岩石化学特征

花岗闪长岩SiO2含量变化范围较宽(见表 2),含量相对偏低,基本在58.45%~65.70%,具有较高含量的TiO2(0.40%~0.97%)、FeO(2.11%~6.01%)、CaO(3.37%~6.35)、MgO(1.29%~3.99%),较低含量的K2O(1.50%~4.20%)。Na2O/K2O比值多大于1,变化于0.73~2.68。显示岩浆富FeO、CaO、TiO2、MgO,贫K2O、Na2O的特征。

表 2 岩体主量(%)、微量(×10-6)及稀土(×10-6)元素化学成分表 Table 2 Major (%), trace elements (×10-6) and rare earth (×10-6) elements compositions of the granite body

二长花岗岩SiO2含量在63.30%~69.86%间(见表 2),含量相对偏低,具有较高含量的FeO(2.16%~3.80%)、CaO(1.55%~6.39%),较低含量的Al2O3(13.72%~15.27%)、TiO2(0.40%~0.97%),Na2O/K2O比值多大于1,变化于0.62~9.71。显示岩浆富FeO、CaO,贫Al2O3、TiO2的特征。

似斑状二长花岗岩SiO2在62.04%~70.92%间(见表 2),含量相对偏低,具有较高含量的FeO(2.11%~4.23%),较低含量的Al2O3(13.33%~14.28%)、Na2O(2.62%~3.27%),Na2O/K2O比值多小于1,变化于0.73~1.07,显示岩浆富FeO,贫Al2O3、Na2O的特征。

在SiO2-K2O图上(见图 5a),三类花岗质岩石样品主要落在高钾钙碱性系列及钙碱性系列范围内。A/CNK介于0.7~1.04(见表 3)之间,A/NK介于1.47~2.26之间,在A/CNK-A/NK图解中(见图 5b),大部分样品落在准铝质区域,少量样品落在准铝质与过铝质界线附近,分异指数DI=52.22~86.62,固结指数SI=3.4~23.99,并且从花岗闪长岩到二长花岗岩,分异指数显著增加,固结指数显著降低,表明其结晶分异程度越来越高。此外,三类岩石里特曼组合指数σ=1.30~2.22,表明其为钙碱性系列,具有Ⅰ型花岗岩的典型特征。

▲花岗闪长岩;■二长花岗岩;●似斑状二长花岗岩 图 5 SiO2—K2O图解及A/CNK—A/NK图解[17]~[18] Figure 5 SiO2 VS K2O diagram and A/CNK VS A/NK diagram[17]~[18]

表 3 岩体标准矿物含量及特征参数表 Table 3 Standard mineral contents and characteristic parameters of the granite body
4.3 地球化学特征 4.3.1 稀土元素特征

花岗闪长岩ΣREE为92.46×10-6~230.58×10-6,LREE/HREE为5.92~15.90,轻稀土富集较为明显,LaN/YbN为5.16~27.39,轻、重稀土分馏较明显,δEu变化于0.69~1.13,平均值为0.86,整体表现为弱负异常。

二长花岗岩ΣREE为25.74×10-6~195.30×10-6,LREE/HREE为5.82~13.74,轻稀土富集较为明显,LaN/YbN为6.53~21.36,轻、重稀土分馏较明显,δEu变化于0.51~1.48,平均值为1.00,整体表现为不异常。

似斑状二长花岗岩ΣREE为136.16×10-6~212.29×10-6,LREE/HREE为8.53~27.12,轻稀土富集较为明显,LaN/YbN为10.38~60.29,轻、重稀土分馏较明显,δEu变化于0.64~0.88,平均值为0.77,整体表现为中等负异常。

在稀土配分曲线图中(见图 6a),三类岩石的曲线分布较集中,形态相似,均向右倾,显示轻稀土较为富集,重稀土元素较平缓,轻、重稀土分馏较明显,Eu主要表现为中等到较弱的负异常,个别样品表现为较弱的正异常,表明岩浆分异程度较低,整体与平均上地壳稀土配分曲线相当。

a—稀土元素球粒陨石标准化曲线图;b—微量元素原始地幔标准化曲线图
▲花岗闪长岩;■二长花岗岩;●似斑状二长花岗岩
图 6 稀土及微量元素标准化曲线图[17~18] Figure 6 Chondrite-normalized REE patterns diagram and primitive mantle-normalized trace element patterns diagram[17~18]
4.3.2 微量元素特征

Ba、Rb、Sr对花岗岩中斜长石的行为非常敏感,通常情况下,在岩浆演化过程中,Sr、Ba在岩浆早期富集,Ba特别容易富集在岩浆早期晶出的高温含钾矿物中,Sr主要富集于磷灰石和An值较高的斜长石中,但是,Rb在岩浆演化过程中的行为与Sr和Ba的相反。因此,随着岩浆分异作用的进行,晚期岩浆中的Rb/Sr与Rb/Ba比值增大[19]。研究区内花岗闪长岩的Rb/Sr比值为0.08~0.39,平均值为0.32,Rb/Ba比值为0.08~0.22,平均值为0.15,二长花岗岩的Rb/Sr比值为0.06~1.1,平均值为0.51,Rb/Ba比值为0.08~0.33,平均值为0.17。由此可知,Rb/Sr和Rb/Ba比值从花岗闪长岩到二长花岗岩有增加的趋势,表明花岗闪长岩与二长花岗岩是同一期岩浆演化系列的产物。

在微量元素原始地幔[20]标准化蛛网图上(见图 6b),研究区内花岗质岩石亏损大离子亲石元素Th、U及稀土Ce、Nd、Sm、Tb等元素,而富集Ra、Ba、La、Sr、Hf、Zr等元素,Zr/Hf值在32~40之间,Nb/Ta值在32~40之间8~17之间,具有Ⅰ型花岗岩的特征[21~22]

5 讨论 5.1 岩石成因类型

查汗查哈岩体内的花岗质岩石具有SiO2含量偏低,富FeO、CaO,贫K2O、Na2O的特征。区内中酸性岩铝饱和指数(A/CNK)主要变化于0.703~ 1.04,除一个样品外其他均小于或等于1,属准铝质侵入岩类。在稀土配分曲线图中(见图 6a),所有样品曲线均呈现右倾趋势,表现出轻稀土较为富集而重稀土元素较平缓的特征,与典型的Ⅰ型花岗岩相似,不同于典型S型花岗岩的“海鸥型”稀土配分型式。在微量元素蛛网图中(见图 6b),所有岩石均表现出强烈亏损大离子亲石元素Th、U及稀土Ce、Nd、Sm、Tb等,富集Ra、Ba、La、Sr、Hf、Zr等元素。在(K2O+Na2O)/CaO及(Ce+Zr+Y+Nb)判别图解中,所有样品数据均落在未分异的花岗岩区域内(见图 7)。此外,研究区花岗质岩石普遍含有角闪石和榍石等岩浆成因矿物,却未见白云母和红柱石等沉积源区矿物。因此,这些数据均表明查汗查哈岩体为一套准铝质Ⅰ型花岗岩。

▲花岗闪长岩;■二长花岗岩;●似斑状二长花岗岩 图 7 (K2O+Na2O)/CaO及(Ce+Zr+Y+Nb)图解[23] Figure 7 (K2O+Na2O)/CaO VS (Ce+Zr+Y+Nb) diagram[23]

在源区物质判别图C/MF-A/MF图解中(见图 8),大部分样品落入基性岩部分熔融区域内,少量落入变质砂岩部分熔融区域内,这与地球化学特征判断的钙碱性弱过铝质Ⅰ型花岗岩的结论基本一致。因此,推测研究区花岗质岩石的物质来源当以下地壳的基性岩部分熔融为主,并可能有少量变质砂岩部分熔融的岩浆灌入。

▲花岗闪长岩;■二长花岗岩;●似斑状二长花岗岩 图 8 C/MF-A/MF图解 Figure 8 C/MF-A/MF diagram
5.2 大地构造意义

中天山早古生代晚期花岗岩的大地构造环境尚存争议。韩宝福等[1]根据地球化学分析以及年代学资料,认为这些花岗岩与南天山的扩张或者与早古生代的一次造山过程的晚期伸展阶段有关。但大部分学者根据地球化学特点认为中天山古生代侵入岩具有钙碱性火山弧花岗岩特征,与南天山洋的俯冲过程有关[2~4]。朱志新等[24]系统阐述了西天山造山带构造单元划分与构造演化,认为晚元古代天山地区作为古亚洲洋的一部分开始裂解,至寒武纪进入扩张的高峰,奥陶纪—石炭纪古俯冲带形成,古洋盆持续收缩,晚石炭世天山古洋盆关闭,统一大陆地壳形成,中新生代进入陆内演化阶段。

根据采集的锆石U-Pb定年结果显示,查汗查哈花岗岩的侵位时代为晚志留世421.9±6.2 Ma。这一结果与杨天南等[2]报道的中天山巴伦台以北地区出露的中—酸性侵入岩体的侵位时代(416~396 Ma)一致,与朱志新等[4]报道的伊犁地块南缘花岗质侵入岩体最早的侵位时代(436±8 Ma)一致。根据上述岩石成因类型的判别,查汗查哈花岗岩为一套准铝质钙碱性Ⅰ型花岗岩,其岩浆具有富FeO、CaO,贫K2O、Na2O的特征,当属俯冲作用的产物[25]。在Rb-Y+Nb、Rb-Yb+Ta构造环境判别图解中(见图 9),花岗岩样品均落入火山岛弧花岗岩区域。朱志新等[4]认为伊犁地块南缘在志留纪时期已经存在俯冲作用。因此,推断查汗查哈岩体形成的大地构造环境为大陆边缘弧,其形成应与南天山洋的俯冲有关。这进一步表明,南天山洋在晚志留世已经开始向北俯冲,并在中天山南缘形成大陆边缘弧环境。

图 9 元素构造环境判别图解 Figure 9 Element diagrams to discriminate tectonic settings
6 结论

(1) 西天山东南段查汗查哈花岗岩体的岩石地球化学特征表明其为准铝质钙碱性Ⅰ型花岗岩,具有与俯冲作用相关的岛弧花岗岩特征,推测其形成于大陆边缘弧环境。此外,花岗岩岩浆以下地壳的基性岩部分熔融为主,并可能有少量变质砂岩部分熔融的岩浆灌入。

(2) 西天山东南段查汗查哈花岗岩体中锆石U-Pb年龄为421.9±6.2 Ma,确定了该花岗岩体的侵位时间为晚志留世。结合岩石地球化学特征,表明南天山洋在晚志留世已经开始向北俯冲,并在中天山南缘形成大陆边缘弧环境。

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