地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (4): 590-606
引用本文
李瑞强, 贺承广, 陈泳霖, 姚帅, 王坤, 李兰兰. 西昆仑塔什库尔干地块马尔洋一带中寒武世花岗岩的发现及地质意义[J]. 地质力学学报, 2019, 25(4): 590-606.
LI Ruiqiang, HE Chengguang, CHEN Yonglin, YAO Shuai, WANG Kun, LI Lanlan. THE DISCOVERY AND GEOLOGICAL SIGNIFICANCE OF MID-CAMBRIAN GRANITES IN MAERYANG AREA, TASHKURGHAN MASSIF, WEST KUNLUN[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(4): 590-606.
西昆仑塔什库尔干地块马尔洋一带中寒武世花岗岩的发现及地质意义
李瑞强1,2 , 贺承广1,2 , 陈泳霖1,2 , 姚帅1,2 , 王坤1,2 , 李兰兰1,2     
1. 河南省地质调查院, 河南 郑州 450001;
2. 河南省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室, 河南 郑州 450001
摘要:西昆仑塔什库尔干地块马尔洋一带发育一期中寒武世花岗质岩浆活动,岩石类型为片麻状花岗闪长岩和二长花岗岩,LA-ICP-MS锆石U-Pb测年表明,其侵入时代分别为(506.0±6.8)Ma和(514.0±9.3)Ma。岩石SiO2含量为67.83%~75.76%,具中高钾、准铝质-弱过铝质等特征;岩石稀土总量与平均陆壳相当(∑REE=90.85×10-6~186.10×10-6),轻、重稀土分馏程度较强((La/Yb)N=5.38~22.43),负Eu异常明显(δEu=0.42~0.71);微量元素以富集Rb、K、Ba、Th、U等大离子亲石元素和亏损Nb、Ta、P、Ti等高场强元素为特征。地质学及岩石地球化学特征指示该期花岗岩属准铝质到弱过铝质高分异Ⅰ型花岗岩,锆石饱和温度指示其为高温岩浆岩,总体具有壳幔混源的特征,富云包体指示壳源成分占有较大的比例。该期花岗岩与邻区中-晚寒武世中酸性侵入岩指示塔什库尔干-甜水海地块南缘很可能存在一条中寒武世以来的岩浆弧带,其可能为在原特提斯(有限)洋盆于中寒武世向北俯冲、消减背景下幔源物质上涌底侵加热古老陆壳进而发生部分熔融的产物。这也预示着塔什库尔干地区在经过震旦纪-早寒武世伸展裂解阶段之后,于中-晚寒武世其大地构造环境及地球动力学背景发生了重大转折。
关键词西昆仑    塔什库尔干地块    中寒武世花岗岩    高温岩浆岩    原特提斯洋    俯冲消减    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.04.057     文章编号:1006-6616(2019)04-0590-17
THE DISCOVERY AND GEOLOGICAL SIGNIFICANCE OF MID-CAMBRIAN GRANITES IN MAERYANG AREA, TASHKURGHAN MASSIF, WEST KUNLUN
LI Ruiqiang1,2 , HE Chengguang1,2 , CHEN Yonglin1,2 , YAO Shuai1,2 , WANG Kun1,2 , LI Lanlan1,2     
1. Henan Institute of Geological Survey, Zhengzhou 450001, Henan, China;
2. Henan Key Laboratory for Metal Mineral Ore-forming Geological Process and Utilization of Resource, Zhengzhou 450001, Henan, China
Abstract: The paper reports a mid-Cambrian granitic magmatic activity which is comprised of gneissic granodiorite and monzogranite in Maeryang area of Tashkurgan massif, West Kunlun. LA-ICP-MS zircon U-Pb dating yields the emplacement ages of ca. (506.0±6.8) Ma and (514.0±9.3) Ma, respectively. The granites are characterized by moderate-high alkaline, quasi-aluminum to weak peraluminum, and a moderate range of SiO2 (67.83%~75.76%). Addtionally, the total REE of granites is equivalent to the average continental crust (∑REE=90.85×10-6~186.10×10-6) and marked by obvious fractionation between light and heavy REE ((La/Yb)N=5.38~22.43) and negative Eu anomalies(δEu=0.42~0.71). The intrusions have geochemical features of enrichment of LILEs such as Rb, K, Ba, Th, U and depletion of HFSEs such as Nb, Ta, P, Ti. The geological and petrogeochemical characteristics of the granites indicate that they are quasi-aluminous to weakly peraluminous highly fractionated Ⅰ-type granites. Zircon saturation temperature reflects that the mid-Cambrian granites can be assigned to the high-temperature magmatic rocks. The presence of mica-rich enclaves in the granites which were most likely derived from crust-mantle mixing magma indicates that the crust composition accounts for a large proportion. The intermediate acid magma intrusion during middle-late Cambrian in Tashkurghan and its adjacent region shows that there was a magmatic arc zone in the southern margin of Tashkurgan-Tianshuihai massif. The granites in Maeryang area might originate in the partial melting of ancient continental crust heated by upwelling and underplating mantle during the Proto-Tethys ocean northward subduction in mid-Cambrian. It also indicates that the tectonic environment and geodynamic background during the middle-late Cambrian period have taken a major turn after the Sinian-early Cambrian extension and cracking stage in the Tashkurgan area.
Key words: West Kunlun    Tashkurghan massif    mid-Cambrian granites    high-temperature granites    Proto-Tethys Ocean    subduction    
0 引言

新疆塔什库尔干地块位于西昆仑造山带西段、古亚洲构造域和特提斯构造域的结合部位,大地构造位置特殊,是研究喀喇昆仑—西昆仑地质演化的重要地区之一[1-3]。区内岩浆活动强烈,不同类型与期次的花岗岩广为分布,为揭示西昆仑造山带构造演化提供了重要地质信息。近年来,西昆仑地区与古特提斯洋演化相关的花岗质岩浆研究取得了许多进展和共识[4-6],但是对原特提斯洋构造演化及其相关花岗质岩浆演化的研究尚未达成一致。目前,对于在新元古代—早古生代早期青藏高原北缘岩石圈时、空上曾发生过不均一的引张裂解、汇聚消减等洋盆演化过程基本达成共识,且较多学者多支持“西昆仑地区存在原特提斯(有限)洋盆”这一观点。在原特提斯洋开合过程中伴随着强烈的岩浆活动,区域上以库地蛇绿岩[7-9]和西昆中地区大同西奥陶纪中酸性侵入岩最为著名[10-11],库地蛇绿岩的年代学研究表明其形成时代不晚于早古生代早期(860.5~494.28 Ma±0.86 Ma)[7-9],虽然其形成构造环境存在有“成熟大洋盆地”、“弧间或弧后盆地”和“边缘海盆地”的不同认识,但均认为其代表了早古生代早期原特提斯(有限)洋盆的残片;大同西岩体形成时代为奥陶纪(480.43 Ma±5 Ma~446.4 Ma±2.2 Ma)[10-11],代表了奥陶纪原特提斯洋向南俯冲、消减于西昆中地块之下而形成的弧花岗岩。上述早古生代岩浆作用研究多集中于康西瓦断裂带及其北东侧地块之中,而对于南西侧塔什库尔干地块而言,其研究程度相对较为薄弱。据现有研究资料,目前仅在塔阿西、赞坎、麻扎和南屏雪山一带零星出露二长花岗岩体,其形成时代为寒武纪[12-14],且均认为属弧花岗岩,上述认识对研究西昆仑地区原特提斯洋的地质构造演化起到了一定程度的促进作用,但对原特提斯洋由引张、裂解向俯冲、消减转换的时代和演化过程尚需做进一步的观测和对比研究,从而提升对区域构造格架和演化的认识。

笔者在塔什库尔干地块马尔洋一带进行1:5万区域地质调查发现了一期中寒武世花岗质岩浆侵入活动,并对其开展了岩石学、地球化学和锆石U-Pb年代学研究。文章主要结合区域早古生代岩浆作用和地层学的研究成果,探讨其岩石成因和岩浆起源等问题,为进一步揭示西昆仑造山带早古生代大地构造演化过程提供新的地质信息。

1 区域地质概况

西昆仑造山带位于青藏高原西北缘与塔里木板块西南缘的结合地带,是一个呈反“S”型展布的多期复合造山带。分别以库地—其曼于特蛇绿构造混杂带、麻扎—康西瓦蛇绿构造混杂带为界,自北向南划分为西昆北陆缘裂谷带、西昆中复合岩浆弧带和塔什库尔干—甜水海地块等3个构造单元(图 1)[1, 14-16]。因其大地构造位置特殊,造山带内物质组成和构造样式复杂,呈现出多层次、多样式、多机制、多阶段的构造演化和变形特点。地层发育齐全,从古元古代至新生代地层均有出露,沉积类型多样,沉积建造和岩石类型复杂,并多以古—中元古代地层构成不同构造单元的结晶基底。区域上岩浆活动频繁,发育不同规模、时代和类型的火山岩和侵入岩;其中西昆北和西昆中等2个构造单元的岩浆活动最为发育,但塔什库尔干—甜水海地块的岩浆活动则相对较弱。上述这些岩浆岩为揭示西昆仑造山带构造演化历史提供了重要地质信息。

图 1 塔什库尔干地区大地构造位置及侵入岩分布图(据文献[2]修改) Fig. 1 Tectonic position and intrusive rock distribution of the Tashkurghan region (Modified after reference[2])

研究区位于塔什库尔干地块,早古生代之前,该地块为具有独立构造演化历史的微陆块,出露地层主要为古元古代—早志留世地层。古元古代布伦阔勒岩群为一套变质程度达高角闪岩相的中、深变质岩,构成该地块前寒武纪的结晶基底;震旦系—寒武系纽芬兰统马尔洋岩组为从原划布伦阔勒岩群中新解体出来的一套变质程度达绿片岩相的双峰式火山—沉积建造组合,总体属陆缘裂谷沉积;下志留统温泉沟组为一套细粒碎屑岩—碳酸盐沉积建造,属活动陆缘的槽盆相沉积。岩浆活动总体较弱,主要发育中—新生代花岗岩,多形成于陆内松弛伸展阶段。近年来,陆续有学者报道该地块零星发育少量新元古代—早古生代侵入岩和火山岩,并提出属大陆裂解、火山弧等不同构造环境花岗岩的认识[1, 17-19]

2 地质及岩相学特征

文中研究的花岗岩体主要出露于马尔乡西侧黑斯卡拉恩、帕克塔卡力及走克本一带,呈北西向展布(图 2), 总体呈岩株状产出。岩石类型主要为灰白色片麻状花岗闪长岩和二长花岗岩。岩体与围岩地层古元古界布伦阔勒岩群(Pt1B.和震旦系—寒武系纽芬兰统马尔洋岩组(${\rm{Z}}{{\mathbf{ϵ}}_1}m$)均呈侵入接触关系(图 3a),表现为呈岩脉或岩枝状穿插于围岩片(麻)理,局部可见围岩捕掳体;部分地段显示与围岩逐渐过渡的特点,表现为接触面与围岩片(麻)理具有一致性,接触处发育宽0.5~2.0 m的片麻理逐渐增强带,岩石石英含量逐渐增高,相变为细粒二长花岗岩。局部发育黑云母等暗色矿物富集条带,构成富云包体,包体与寄主岩石界线清晰,呈透镜状、豆荚状,定向排列,长宽比4:1~6:1,大小2~10 cm×8~40 cm,包体总体含量 < 2%,零散分布(图 3b)。岩体受后期构造变形改造明显,表现为片麻理及糜棱岩化的广泛发育,侵入体及其长轴方向与区域构造线方向基本一致。

1—第四系;2—上石炭统—下二叠统特给乃奇克达坂组;3—下石炭统;4—早志留世温泉沟组;5—震旦系—寒武系纽芬兰统马尔洋岩组三岩段;6—震旦系—寒武系纽芬兰统马尔洋岩组二岩段;7—震旦系—寒武系纽芬兰统马尔洋岩组一岩段;8—古元古界瓦恰岩组;9—古元古界五古力牙特岩组;10—渐新世花岗闪长岩;11—晚三叠世二长花岗岩;12—早石炭世英云闪长岩;13—中寒武世二长花岗岩;14—中寒武世花岗闪长岩;15—晚寒武世辉长岩;16—韧性断层;17—片麻理;18—片理;19—锆石年龄;20—采样位置及编号 图 2 西昆仑马尔洋一带构造地质简图 Fig. 2 Tectonic and geological sketch of the Maeryang area, West Kunlun

图 3 中寒武世花岗岩与马尔洋岩组接触关系及岩体内部富云包体特征 Fig. 3 Contacts between the Middle Cambrain granites and the Maeryang formation and the characteristics of mica-rich enclaves in granites

片麻状花岗闪长岩:风化面灰白色,鳞片粒状变晶结构,片麻状构造。主要矿物组成为斜长石(30%~40%)、钾长石(10%~15%)、石英(15%~25%)、黑云母(8%~15%)、黝帘石(< 5%)组成。斜长石,板柱状,部分晶体因剪切应力作用可见其双晶纹褶曲,长轴长0.4~1.2 mm,略定向分布;钾长石为条纹长石,边部粒化,粒径0.4~0.6 mm,弱定向排列;石英,粒径0.2~0.8 mm,略被拉长;黑云母,片状,片体长0.1~0.4 mm,定向分布在石英及斜长石中,形成鳞片粒状变晶结构;黝帘石,呈细小高突起的粒状,粒度0.10~0.25 mm,零散分布在斜长石及其与黑云母接触面附近。岩石经弱剪切应力作用,少量斜长石及石英边部碎粒化、弱塑性变形并重结晶,局部形成糜棱岩化结构(图 4a)。

Bt—黑云母;Ep—绿帘石;Kfs—钾长石;Pl—斜长石;Qz—石英;Zo—黝帘石 图 4 马尔洋一带片麻状花岗闪长岩与二长花岗岩镜下特征 Fig. 4 Microphotograph features of gneiss granodiorite and monzogranite in Maeryang area

片麻状二长花岗岩:风化面灰白色,鳞片粒状变晶结构,片麻状构造。主要矿物组成为斜长石(30%~40%)、钾长石(25%~30%)、石英(20%~30%)、黑云母(8%~10%)、绿帘石(< 5%)组成。长石,粒径0.4~1.2 mm,定向排列;石英,粒径0.2~1.2 mm,略被拉长,局部聚集呈条带状定向排列;黑云母,片状,片体长0.2~1.0 mm,定向分布在长石、石英间;绿帘石,少量,分布于黑云母与斜长石接触面附近,粒径0.05~0.20 mm,零散分布(图 4b)。

3 样品及分析方法

对站门争一带的二长花岗岩和黑斯喀拉恩一带的花岗闪长岩开展了LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄测试(图 2)。锆石挑选在河北省廊坊岩拓地质服务有限公司完成。锆石样品经常规的粉碎、磁选和重选,然后在双目镜下挑选晶形完好的锆石颗粒。锆石制靶与阴极发光(CL)照相在北京锆年领航科技有限公司进行,将挑选的晶形完好的锆石颗粒与标准锆石TEM一起粘贴在环氧树脂中,抛光后制成样靶。LA-ICP-MS锆石U-Pb测年在中科院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室和中国科学院地质与地球物理研究所MC-ICP-MS实验室完成。测试过程中以标准锆石91500为外标校正元素分馏,以标准锆石GJ-1与Plešovice作为盲样监控数据质量,以NIST SRM 610为外标,以Si为内标测定锆石中的Pb元素含量,以Zr为内标测定其余微量元素含量,各样品的加权平均年龄计算及谐和图的绘制采用Isoplot3.0。具体数据处理流程参照Liu et al [20]和Hu et al [21]

文章共采集5处岩石地球化学样品(采样位置见图 2),岩性主要为花岗闪长岩和二长花岗岩,受后期构造变形改造明显,表现为片麻理及糜棱岩化的广泛发育。分析测试由国土资源部武汉矿产资源监督检测中心完成。将岩石样品破碎、研磨至200目制成分析样品,主量元素分析方法为X-荧光光谱法(XRF),分析误差1%~3%;微量元素(含稀土元素)分析方法为等离子质谱(ICP-MS),分析准确度优于5%。

4 实验结果 4.1 锆石U-Pb年代学

锆石CL图像(图 5)显示,二长花岗岩和花岗闪长岩二者锆石多为自形—半自形长柱状,大部分形态较完整,点状熔蚀较为发育。花岗闪长岩锆石相对二长花岗岩锆石长度略大,总体变化于100~220 μm之间。二者长宽比差异较大,前者长宽比多在2:1~4:1之间,后者长宽比多为1:1~2:1之间。二者锆石均发育密集的岩浆振荡环带,未见继承性锆石;锆石外部均发育后期变质增生边(2~5 μm),为该期侵入岩遭受后期变质变形改造所致。

TW135/5-1—花岗闪长岩;TW185/70-1—二长花岗岩 图 5 马尔洋一带中寒武世花岗岩锆石CL图像 Fig. 5 CL images of zircons of mid-Cambrian granites in Maeryang area

锆石U-Pb同位素测试点多选在清晰振荡环带发育的部位,测试结果显示(表 1),岩石Th/U比值为0.21~0.85,普遍大于变质成因锆石的Th/U比值,显示出岩浆锆石的特征。花岗闪长岩锆石测点略偏离谐和线,显示一定程度的Pb丢失;二长花岗岩锆石测点谐和性相对较好,部分偏离谐和线,也显示了一定程度的铅丢失(图 6)。剔除明显偏离谐和线的测年数据,采用有效点的算术平均数据计算年龄,花岗闪长岩与二长花岗岩206Pb/238U加权平均年龄分别为(506.0±6.8) Ma和(514.0±9.3) Ma。岩体侵入最新地层为震旦系—寒武系纽芬兰统马尔洋岩组,综合同位素测年数据,表明岩体侵入时代为中寒武世。

表 1 马尔洋一带花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素分析结果 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb isotope data of granites in Maeryang area

a—花岗闪长岩样品(TW135/5-1);b—二长花岗岩样品(TW185/70-1) 图 6 马尔洋一带中寒武世花岗岩LA-ICP-MS锆石U-Pb谐和图 Fig. 6 LA-ICP-MS zircon U-Pb concordia diagrams of mid-Cambrian granites in Maeryang area
4.2 岩石地球化学特征

岩石化学分析结果及有关参数见表 2表 3。该期花岗岩SiO2含量变化于67.83%~75.76%之间,二长花岗岩具较高的SiO2含量。Al2O3含量呈连续过渡状态,变化12.71%~15.49%之间;花岗闪长岩TFeO、MgO、CaO含量总体上大于二长花岗岩的相应值;二者K2O和Na2O含量基本上相持,Na2O/K2O值为0.84~1.39。K2O-SiO2图解(图 7a)显示二者均属中钾—高钾钙碱性系列。里特曼指数σ值(1.38~1.83)均小于3.3,属钙碱性系列;莱特碱度率A.R.值为1.88~2.83,在SiO2-A.R.图解上(图 7b)除5号样品落入碱性区外(可能为岩浆分异演化或同化混染围岩所致),其余均落入钙碱性区;在TFeO-TFeO/MgO变异图解(图 7c)上,3件样品落入钙碱性系列区,2件样品落在钙碱性系列与拉斑玄武岩系列分界附近。综合上述特征,该期花岗岩总体属钙碱性系列。铝饱和指数A/CNK为0.954~1.115,A/NK-A/CNK图解中(图 7d),落入准铝质系列与过铝质系列界线附近,CIPW标准矿物出现刚玉(C)分子,但总体不超过1%(1号样品略大于1%,推测为岩浆分异演化或同化混染围岩所致),判断其属准铝质—弱过铝质系列。DI和SI指数分别变化于71.70~88.24和3.85~15.65之间,表明岩石经历了一定程度的分异作用。综合岩石地化特征,岩石总体属经历一定分异作用的准铝质—弱过铝质钙碱性系列花岗岩。

表 2 中寒武世花岗岩主量元素(%)分析结果 Table 2 Major element composition (%) of the Middle Cambrian granites

表 3 中寒武世花岗岩微量元素(×10-6)分析结果 Table 3 Trace element composition (×10-6) of the Middle Cambrian granites

图 7 马尔洋一带花岗岩的岩石地球化学判别图解 Fig. 7 Rock geochemical discrimination diagram of granite in the Maeryang area

该期花岗岩稀土总量(∑REE=90.85×10-6~186.10×10-6)与平均陆壳稀土总量86.9×10-6~146.37×10-6相当。球粒陨石标准化配分型式整体呈轻稀土富集的右倾曲线,(La/Yb)N值为5.38~22.43,表明轻、重稀土元素之间存在较强的分馏作用(图 8a)。(La/Sm)N=3.61~5.44,反映轻稀土元素内部发生了中等程度的分馏作用;(Dy/Yb)N=0.94~1.60,指示重稀土元素内部存在较弱的分馏作用,暗示其源区可能有角闪石、黑云母等矿物相残留或早期发生了上述矿物相的分离结晶。整体负铕异常(δEu=0.42~0.71)明显,铈亏损较弱(δCe=0.90~0.91),表明源区可能存在斜长石残留或经历了早期斜长石的分离结晶。微量元素原始地幔标准化图(图 8b)显示,大离子亲石元素Rb、K、Ba、Th和U相对较为富集,Sr则表现出相对的亏损;相对亏损Nb、Ta、P、Ti等高场强元素(HFSE),出现低谷;而Zr、Hf、Sm等部分高场强元素略显富集。整体配分曲线略向右倾,其中Sr、P和Nb、Ta、Ti的强烈亏损暗示斜长石、磷灰石和钛铁氧化物(金红石、钛铁矿)的早期分离结晶或源区残留。总体来看,稀土元素配分曲线并未随岩石酸度的增加而发生明显的变化,反映了这一组样品在分异过程中并未受到外来物质的明显混染。微量元素配分模式显示出弧花岗岩的特征。

图 8 中寒武世花岗岩稀土元素球粒陨石标准化配分型式图[25]和微量元素原始地幔标准化蛛网图[26] Fig. 8 Chondrite-normalized REE patterns[25] and primitive mantle-nomalized trace elements patterns[26] of the Middle Cambrian granites
5 讨论 5.1 成因类型

花岗岩成因类型是研究大陆地壳组成和演化的岩石探针,可以为反演区域构造演化历史提供重要的地质证据。其中,以岩浆源岩为基础的ISMA划分方案是目前最为常用的花岗岩成因分类方案,岩相学和岩石地球化学特征可以作为判别花岗岩成因类型的关键依据[27]。马尔洋地区中寒武世花岗岩SiO2含量(平均值为69.48%)和Al2O3含量(平均值为14.52%)变化较大,具中等偏高的碱质含量(平均值为6.47%)。相对于A型花岗岩,铝、镁含量偏高,铁含量相对较低,TFeO/MgO-(Zr +Y+Ce+Nb)图解(图 9a)也显示非A型花岗岩特征。A/CNK值主要在0.954~1.115之间,为准铝质—弱过铝质花岗岩,标准矿物出现刚玉分子(0.61%~1.86%),具Ⅰ型花岗岩和S型花岗岩的特点。岩相学观察未见含Ⅰ型花岗岩的特征矿物角闪石与S型花岗岩的特征富铝矿物。因此,主量元素和特征矿物并不能有效区分Ⅰ型和S型花岗岩。

图 9 中寒武世花岗岩岩石成因类型判别图解 Fig. 9 Genetic type discrimination diagram of Middle Cambrian granites

该期侵入体岩石学及地球化学指标总体显示母岩浆发生了一定程度的分异演化。实验研究表明,在准铝质到弱过铝质岩浆中,磷灰石的溶解度很低,并在岩浆分异过程中随SiO2的增加而降低;而在强过铝质岩浆中,磷灰石溶解度变化趋势与此相反,导致P2O5将随着SiO2的增加而呈增高或基本不变的趋势[29]。此外,在准铝质Ⅰ型岩浆演化的早期阶段富Y矿物不会结晶出来,从而引起分异的Ⅰ型花岗岩的Y含量高,并与Rb含量呈正相关关系,而分异的S型花岗岩则呈负相关关系[12, 30]。在SiO2-P2O5相关图上(图 9b),P2O5与SiO2之间表现出良好的负相关性,且Rb-Y之间也表现出的较好正相关性(图 9c),二者均显示Ⅰ型花岗岩演化之趋势。且岩石DI指数和SI指数分别变化于71.70~88.24和3.85~15.65之间,表明该期花岗岩经历了较高程度的结晶分异作用;而负Eu异常和微量元素Sr、P和Nb、Ta、Ti的强烈亏损进一步指示了该期岩浆经历了斜长石、磷灰石和钛铁氧化物(金红石、钛铁矿)的早期分离结晶;在岩石分离结晶模拟所构筑的矢量图中(图 9d),岩石Sr、Ba含量的变异趋势也显示该期花岗岩受到钾长石分离结晶的制约。综合上述特征,判定该期花岗岩成因类型为高分异Ⅰ型花岗岩。

5.2 岩浆源区

Ⅰ型花岗岩的源岩物质是未经风化的火成岩熔融而来,是活动大陆边缘的产物。但对经历高分异的Ⅰ型花岗岩而言,其源岩类型判别就显得较为复杂。实验岩石学表明,岩石CaO/Na2O比值< 0.3时,中酸性花岗岩的源岩以泥质岩为主,CaO/Na2O比值介于0.3~1.5之间时,中酸性花岗岩的源岩以变杂砂岩或火成岩为主[31]。该期侵入岩的CaO/Na2O比值(0.58~1.36)>0.3,与变砂岩或火成岩源区一致;A/MF-C/MF源岩判别图解(图 10a)显示,除1号样品投点落在图外,其余4件样品主要落入变质杂砂岩与基性岩部分熔融区的叠合部位,且ΣREE-Y/ΣREE关系图(图 10b)也显示大部分样品投点落入壳幔型花岗岩区,这表明该期岩浆岩源岩组成复杂,总体具有壳幔混源的特征。

图 10 中寒武世花岗岩源岩判别图解及Ab-An-Qtz三元共结压力曲线图 Fig. 10 Discrimination diagrams of source rock and Ternary cojunction pressure curves of Ab vs. An vs.Qtz of the Middle Cambrian granites

该期花岗岩岩石Zr/Hf比值为36.8~41.7,远大于大陆地壳平均值(33),而与幔源岩浆较为接近(38),表明幔源物质参与了岩浆源区组成;而Nb/Ta比值介于8.4~21.6之间,变化范围较大,大陆地壳平均值(8.33~11.22)和原始地幔比值(17±1)均有分布[33-35],显示岩浆源区组分具壳幔源混合的特征。岩浆若起源于岩石圈地幔或受其混染,岩石La/Ta比值一般大于25;但若受到壳源物质的混染,其La/Sm比值一般会大于5[36];该期花岗岩La/Ta比值=29.2~73.7、La/Sm比值=5.7~8.7,这也进一步表明该期花岗岩源岩具壳幔混染的特征。岩石轻、重稀土明显分馏,亏损高场强元素(Nb、Ta、P、Ti),富集大离子亲石元素(Rb、Th、U、K),具有明显Eu负异常,也显示了源岩含有一定的壳源物质成分;同时Ba/Nb比值为43.2~124.8,与大陆地壳十分相似(Ba/Nb=54),而与幔源岩浆Ba/Nb比值(Ba/Nb=9)有一定差异[33-35];Sm/Nd比值(0.18~0.21)也与大陆地壳的Sm/Nd比值(0.17~0.25)相近;该期花岗岩内富云包体的发育指示了壳源成分占有较大的比例。

花岗岩研究中岩浆形成时的温压条件是一个较难获取的参数。一般以岩浆早期结晶时的温度近似代表岩浆形成的温度,而锆石饱和温度计算是获取岩浆温度参数的一个重要手段。锆石饱和温度可以大致反映花岗质岩石液相线的温度,基于花岗岩副矿物锆石中锆石在岩浆开始结晶状态下固、液两相中的分配系数是温度的函数,通过高温试验(700~1300 ℃)推导出锆石饱和温度计算公式[37]。计算结果表明,该期岩体锆石饱和温度为806~866 ℃,且锆石CL图像显示该期岩体中缺乏继承性锆石,这表明母岩浆中早期锆石含量较低(未饱和);但随着岩浆结晶作用的持续进行,岩浆中锆石含量逐步达到过饱和而开始结晶,所以岩石锆石饱和温度代表了该期花岗质岩浆的最低温度,显示具有较高的初始岩浆温度(>800 ℃),也即属于Chappell所划分的高温花岗岩[38]。Miller et al [39]提出高温岩浆源区的残留物较少,其形成可能与外来热的输入有关,而相对低温的含继承性锆石的花岗岩则主要与流体的加入有关。同时在An-Ab-Qtz三元共结压力曲线图(图 10c)指示岩石属低压熔融范围,熔融压力小于0.3 Gpa,温度在750~800 ℃,比锆石饱和温度略低。总体来看,该期花岗质岩浆源区具高温低压特征;结合前述岩浆源区具壳幔混源的特征,文章认为该期高温花岗岩主要为在地壳拉张减薄背景下深部地幔物质底侵所引起的异常地热梯度导致地壳物质部分熔融的产物。

5.3 构造环境

花岗岩岩石学、矿物学和地球化学特点在一定程度上记录下了它形成时的构造背景特征。但其源区继承性和熔融分异都会影响最终形成的花岗岩的物质成分,导致与构造环境之间对应性的丢失。因此,除了考虑花岗岩的物质来源,还应更多的考虑其形成时的物理化学条件[27]

区内中寒武世花岗岩在微量元素Rb-Nb+Y判别图解投点(图 11a)显示,均落入火山弧花岗岩中(VAG)。张旗等[42]在评述该图解时认为它仅适用于造山带洋壳发育区,且源岩以玄武岩为主,而不能扩展至大陆花岗岩发育区(包括安第斯型活动陆缘区、古老陆壳区);该图解并未能充分考虑花岗岩的地球化学特征不仅与源区组成、水和挥发分有关,还与源区的压力(深度)相关。为此,应排除各种有可能的干扰,进而揭示该期花岗岩的构造背景。上文已提到该期花岗岩压力相对较低(< 0.3 Gpa),这就排除了因压力过高(>1.0 Gpa)而造成HREE、Nb、Ta、Ti等元素的亏损,从而落入VAG区的可能性[42];而高温花岗岩的特征明显不同于因水和挥发分的加入所形成的低温花岗岩;因此,该期花岗岩落入VAG区只可能是源区组成差异所致,它表明源区成分具火山弧的构造特征。由于花岗岩源岩形成环境可能与花岗岩形成时的环境不一致[27, 42],需要考虑花岗岩源岩与花岗岩形成时代上的差异。上文源岩讨论揭示该期花岗岩具壳幔混源的特征,朱杰等[13]在对甜水海地体近早寒武世花岗岩的Hf同位素研究中揭示了其岩浆组成具幔源岩浆与壳源岩浆混合的特征;同时,在区内还发现了一期时代上略晚(491.9±2.6 Ma)的辉长岩,其地球化学特征显示岛弧岩浆岩的特征;据此推断区内寒武纪基性岩浆的底侵对中寒武世花岗岩的源岩做出了一定程度的贡献。从基性端元组成上来看,该期花岗岩与其源岩在形成时代上具相近性特征,其落入VAG区很可能指示该期花岗岩属弧花岗岩。进一步在R1-R2构造环境分类图(图 11b),该期花岗岩样品则全部落入板块碰撞前构造环境,并具有沿板块碰撞前与地幔分离二者分界线的演化趋势,表明该期花岗岩更多可能为俯冲环境。

图 11 中寒武世花岗岩构造判别图解 Fig. 11 Tectonic discrimination diagram of Middle Cambrian granites

已有研究资料表明,西昆仑及邻区在南华纪—寒武纪早期整体处于伸展和减薄的构造背景下,柯岗蛇绿岩及库地—其曼于特蛇绿岩为该时期原特提斯洋(有限)洋盆的现今残余[1-2, 17-18];近年来,在塔什库尔干地块南部的塔阿西一带逐步确认了一套早古生代构造混杂岩带[44]。自北向南,西昆仑不同构造单元之间为同一时代构造混杂岩所分割的地质事实表明区域上原特提斯洋很可能为一多岛洋的构造格局。调查区内该期侵入体侵入地层为震旦系—寒武系纽芬兰统马尔洋岩组,该地层主要为一套形成于大陆边缘裂谷构造环境的双峰式火山岩+碎屑岩组合,这些均表明震旦纪—寒武纪早期调查区及邻区仍处于裂解、拉伸背景。但紧邻研究区北东侧的西昆中构造带则发育一条规模巨大的奥陶纪岛弧岩浆岩带,它代表了原特提斯洋在奥陶纪已经开始了大规模的俯冲消减;同时,许志琴等[45]在康西瓦一带孔兹岩系中获得428~445 Ma变质年龄,周辉等[46]通过新生矿物角闪石、黑云母40Ar/39Ar测年研究确认库地主剪切变质年龄为426~451 Ma,王建平等[47]、边小卫等[48]对塔什库尔干构造混杂岩带的研究表明西昆仑地区在早古生代曾发生过板块俯冲和碰撞;上述地质现象揭示了西昆仑地区存在一期至少自奥陶纪便开始的加里东期造山作用。随之而来的问题便是,原特提斯洋由震旦纪—寒武纪早期裂解、扩张向奥陶纪大规模俯冲、消减的构造体制转换时间节点能否推进至寒武纪。

目前,已有相关学者在甜水海北缘大红柳滩、麻扎等地先后报道了一期中—晚寒武世中酸性岩浆活动[12-14],西昆仑北缘局部发育一期寒武纪中酸性岩浆活动[3, 6, 49]。多数学者认为寒武纪岩浆的形成与岛弧作用有关[12-14, 49],也有部分学者认为岩浆的形成与裂解作用有关[8]。文章在塔什库尔干地块(相当于甜水海地块的西北延部分)发现的中寒武世花岗质岩浆活动揭示了塔什库尔干—甜水海地块北缘很可能存在一条中寒武世以来的岩浆弧带,预示着塔什库尔干地区中—晚寒武世的大地构造环境及地球动力学背景发生了重大转折。塔什库尔干地块北侧构造边界为康西瓦蛇绿构造混杂岩带,但多数学者认为康西瓦构造带为一晚古生代结合带,在现有地质事实下将调查区的中寒武世花岗质岩浆活动与康西瓦构造带的构造演化联系起来似乎不太可能;近年来的区调成果显示,位于塔什库尔干地块南侧的塔阿西构造混杂带内保留了较完整具岛弧性质拉斑玄武岩或洋中脊性质的塔阿西火山岩、岩浆弧中酸性花岗岩及与之配套的碎屑岩,普遍发育寒武纪—志留纪各种性质的构造岩块,这表明阿西构造混杂岩带可能于新元古代末裂解形成至志留纪闭合。据此,塔什库尔干地块内中寒武世花岗质岩浆活动很可能与塔阿西构造混杂带的构造演化密切相关。区内花岗质岩浆侵入活动或可被解释为下述构造过程:以塔阿西构造混杂带为代表的原特提斯洋(有限)洋盆在经历震旦纪—早寒武世扩张阶段之后,于中寒武世开始了向北的小规模俯冲、消减,从而造成洋盆北侧的塔什库尔干地块南缘转变为陆缘弧构造背景;在原特提斯洋壳向北俯冲、消减作用诱导下,塔什库尔干地块下伏软流圈地幔或岩石圈地幔发生活化上涌并底侵至下地壳之中,近而引起古老地壳地热梯度明显增大而进一步发生部分熔融,在幔源物质底侵加热和古老陆壳部分熔融的联合作用下,形成了区内一期中寒武世壳幔混源特征的高温低压热花岗质岩浆活动。

6 结论

(1) 塔什库尔干地块存在一期中寒武纪世的花岗质岩浆活动,岩石类型为片麻状花岗岩闪长岩和二长花岗岩,二者LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果表明,其侵位时代分别为(506.0±6.8) Ma和(514.0±9.3) Ma。

(2) 该期花岗岩属于准铝质到弱过铝质高分异Ⅰ型花岗岩类,锆石饱和温度计指示其为高温低压花岗岩,总体具有壳幔混源的特征,富云包体指示壳源成分占有较大的比例,很可能为原特提斯(有限)洋盆于中寒武世向北俯冲、消减背景下幔源物质上涌底侵加热古老陆壳进而发生部分熔融的产物。

(3) 该期花岗岩与邻区中—晚寒武世中酸性侵入岩指示塔什库尔干—甜水海地块南缘很可能存在一条中寒武世以来的岩浆弧带,预示着塔什库尔干地区在经过震旦纪—早寒武世伸展裂解阶段之后,于中—晚寒武世其大地构造环境及地球动力学背景发生了重大转折。

致谢: 成文中得到了西安地质调查中心滕家欣、校培喜、伍跃中等研究员和高永宝博士的指导和帮助,野外工作和室内资料整理期间得到河南省地质调查院陈俊魁、刘品德、裴玉华等高级工程师的大力支持和有益探讨,在此一并表示诚挚地感谢!

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