阿尔泰造山带北部喀拉加热克岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄、地球化学特征及地质意义

曹小红，韩琼，赵同阳，郑加行

(1.新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆维吾尔自治区地质调查院，新疆 乌鲁木齐 830000)

阿尔泰造山带位于中亚造山带的西南部(图1a)，呈北西—南东向横贯于中、俄、哈、蒙4国。是中亚造山带的典型区域(于淑艳等，2011；曾祥武等，2017)。是有一系列大陆块体、岛弧和增生杂岩带的显生宙增生型造山带(SENGÖR A M C el al.，1993；胡霭琴等，2002)，该显生宙造山带对广泛分布的花岗岩类的形成和成矿作用具有重要的控制作用。该造山带内的花岗岩占基岩出露面积的50%以上，前人对其形成时代，成因类型，形成的构造环境开展过大量的研究和探讨。以前一般认为该花岗岩主要形成于晚古生代(邹天人等，1988；王中刚等，1998；程裕淇，2004)，阿尔泰也被认为是华力西造山带(肖序常等，1992；王中刚等，1988)。近年来，通过高精度的锆石U-Pb定年，获得了一批可靠的同位素测年数据，在阿尔泰识别出大量的早—中古生代花岗岩体(肖庆辉等，2009)，形成于460～375 Ma，大致分为460 Ma、400 Ma、375 Ma(童英等，2007)，根据锆石年龄和形成环境分为3个阶段5个期次，认为早古生代(470～360 Ma)为钙碱性I型花岗岩类，具有不同程度的变形，其中在470～440 Ma的岩体一般片麻状较为发育，为造山俯冲增生的产物，形成于陆源俯冲(470～440 Ma)、继续俯冲-弧后盆地伸展(420～390 Ma)到聚合碰撞(380～360 Ma)过程的陆缘裂解增生演化的构造模式(王涛等，2010)。

对于喀拉加热克岩体的形成时代及形成环境存在争议。根据1∶20万琼库尔幅(M-45-XXXIV)认为该岩体的岩性为花岗斑岩，为华力西晚期的侵入岩浆的产物。据1∶25万冲乎尔幅(M45E004003构造建造图)，认为该岩体为偏铝质高钾钙碱性系列的正常花岗岩，为混源岩浆的产物，形成于活动大陆边缘的弧。通过区域侵入岩年龄对比，认为该岩体为早泥盆世岩浆活动的产物。陈毓川院士编制的1∶50幅阿勒泰成矿省成矿系列图中，将该划分为泥盆纪二长花岗岩类型。鉴于以上不同的争议，本次研究选择出露于喀纳斯湖东南侧的小黑湖一带的喀拉加热克岩体开展研究，其岩性为片麻状花岗闪长斑岩，至今未见其年龄的研究报道。因此笔者对该片麻状花岗闪长斑岩进行测年和岩石地球化学测试分析，对该岩体的研究为阿尔泰造山带的构造演化以及建立该区的构造-岩浆事件序列提供资料依据。

1 地质背景

研究区位于中亚造山带(图1a)，阿尔泰造山带北部(图1b)，阿尔泰弧盆系(图1c)，阿尔泰古生代陆缘弧之喀纳斯被动陆缘带。研究区内为一套中深变质岩系，为原厘定的震旦系—下寒武统喀纳斯群(Z∈1K)，为一套巨厚复理石建造(图1b)，其上被上奥陶统东锡勒克组(O3d)变质火山碎屑岩-火山熔岩建造不整合覆盖。新疆地质调查院(2016)将震旦系—下寒武统喀纳斯群(Z∈1K)进行解体，并结合同位素测年，对其进行了重新厘定和划分，自下而上解体为中寒武—下奥陶统依列克塔斯岩组(∈2O1y.)、贝留特岩组(∈2O1b.)、苏木代尔格组(∈2O1s)和哲里开特组(∈2O1z)(王乐民等，2016；赵同阳等，2016；韩琼等，2016)。本次研究对象喀拉加热克岩体与地层之间的侵入界限很模糊，不易确定，岩体侵入的地层东侧为下奥陶统东锡勒克组二段；南侧与中寒武—下奥陶统贝留特岩组三段为断层接触关系，断层走向近东西向；岩体西侧为第四系冰碛堆积层，与岩体之间为掩盖接触关系，接触界限模糊。侵入的最新地层为上奥陶统东锡勒克组第二岩性段(O3d2)。形状呈条带状，该岩体出露面积为2.82 km2。岩体风化破碎严重，在地表基本为碎块状，棱角清晰，碎块大小在1 cm×2 cm～10 cm×50 cm，岩体中绿帘石化普遍发育，呈黄绿色、绿色，呈薄膜状，部分岩石裂隙中可见薄膜状褐铁矿化，但规模不大。在岩体中常见有石英细脉，脉宽多在3～5 cm，石英脉颜色纯净，为灰白色，以集合体形式产出。

1.第四系；2.上古生界；3.下古生界；4.喀纳斯群；5.前寒武系；6.中酸性侵入岩；7.地质界线；8.断裂；9.位置示意图；10.缝合带；11.第四系；12.上奥陶统东锡勒克组二段；13.上奥陶统东锡勒克组一段；14.中寒武—下奥陶统苏木代尔格组二段；15.中寒武—下奥陶统苏木代尔格组一段；16.中寒武—下奥陶统贝留特岩组三段；17.中寒武—下奥陶统贝留特岩组二段；18.晚奥陶世花岗闪长斑岩；19.同位素/全岩样取样位置；20.不整合界线图1 研究区喀拉加热克岩体综合地质图Fig.1 Compsivial Geology map of Kalajiareke rock mass

2 岩石学特征及分析方法

2.1 样品特征

本次工作采集同位素样品1件，编号为16TW6-4005，采样位置：X：5 390 616，Y：511 443，采集全岩分析样品4件，编号为：14YQ6-4005～4008。笔者通过镜下鉴定，岩性为花岗闪长斑岩，其显微特征如下。

岩石风化面为灰白、黄绿、灰绿色(图2b)，新鲜面为灰色、灰白色，岩石为残余斑状-鳞片微粒变晶结构，块状构造，岩石由斑晶和基质组成，斑状结构还有残留，斑晶大小为0.4～2.4 mm，由石英、斜长石组成(图2a)。石英斑晶有的呈溶圆状，有的呈溶蚀港湾状，并有重结晶现象，具波状消光，其含量约为3%，斜长石呈微粒状分布，另外有个别暗色矿物斑晶和斜长石聚斑状分布，以黑云母为主组成，分布少量铁质，原矿物已不能分辨，其含量约为2%。基质主要由长石、石英和黑云母组成，长石发生重结晶，可能为钾长石，其粒径大小在0.01～0.1 mm，其含量约为59%；石英为粒状，粒径在0.01～0.1 mm，其含量约为25%。此外含有少量的细鳞片状黑云母，黑云母呈细小鳞片状，其含量约为10%。磷灰石呈他形粒状、柱状，分散在基质中，此外含有少量的磁铁矿，其粒径为0.04～0.4 mm。

Qz.石英；Pl.斜长石；Bi.黑云母图2 喀拉加热克岩体镜下(50×正交偏光)及岩石照片Fig.2 Mirror (50× Orthogonal polarized light) and rock photos of Kalajiareke rock mass

2.2 测试方法

为保证样品测试的需要，锆石分选在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。用盐酸擦拭样品后破碎，用常规重力和磁选方法分选出锆石，在双目镜下挑纯。样品靶制和显微照相拍摄在重庆宇劲科技有限公司完成，对制成的样品靶上的锆石进行光学显微镜下的透射光、反射光和电子显微镜下的阴极发光照相，以便在进行测定时作为选取分析部位的依据，以及在测定完成后进行合乎逻辑的数据解释。

测年在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成，测试使用与New Wave 213nm激光取样系统连接起来的Agilent 7500a ICP-MS完成。分析过程中，激光束斑直径采用20～30 μm，频率5Hz。样品经剥蚀后，由氦气作为载气，再和氩气混合后进入ICP-MS进行分析，U-Pb分馏根据澳大利亚锆石标样GEMOC GJ-1(207Pb/206Pb 年龄为(608±1.5) Ma，JACKSON S E et al.，2004)来校正，锆石标样Mud Tank(Inercept age of (732±5) Ma，BLACK L P et al.，1978)为内标，控制分析精度。每个测试流程的开头和结尾分别测试2个GJ标样，另外测试1个MT标样和20个待测样品点。U-Pb年龄和U、Th、Pb的的计算由GLITTER软件(ver.4.4)获得，普通Pb的校正及谐和图的绘制运用Isoplot(ANDERSEN T，2002)完成。

3 地球化学特征

3.1 主量元素

SiO2的含量为63%～63.9%，TiO2含量为0.58%～1.07%，全碱(Na2O+K2O)的含量为5.7%～6.42%(表1)，里特曼指数σ为1.47～1.82，均小于3.3。碱度率AR为1.85～2.21(表1)，以上特征表明岩体具有钙碱性地球化学特征。在AR-SiO2图解中(图3a)，多有样品落在钙碱性区内；在SiO2-K2O图解中(图3b)，所有样品落在高钾钙碱性区域，表明岩石具有钙碱性岩石的特征。

图3 喀拉加热克岩体岩石序列判别图Fig.3 Rock sequence discrimination chart of Kalajiareke Rock Mass

表1 喀拉加热克岩体主量元素测试结果表(%)及CIPW计算表Tab.1 Main Elementsresults (%)and CIPW results of Kalajiareke rock mass

注：测试单位：新疆维吾尔自治区矿产实验研究所。

在A/CNK-A/NK图解中(图4)，所有样品均落在过铝质范围内，表明岩石为过铝质的岩石，同时，Al2O3的含量为14.7%～16.1%，在CIPW计算中出现了刚玉，也表明了岩石具有过铝质的特征。

综上所述，认为喀拉加热克岩体为过铝质钙碱性岩石系列。

图4 喀拉加热克岩体A/CNK-A/NK图解Fig.4 A/CNK-A/NK diagram of Kalajiateke rock mass

3.2 微量元素

岩石中高场强元素(HFSE)元素的含量相对较高，Nb/Ta值较高为10～10.6。岩石还具有高的Y和Yb，其含量分别为33.3×10-6～41.5×10-6和2.6×10-6～3×10-6(表2)，在原始地幔标准化蛛网图中(图5a)，总体上显示了较为一致的分布模式，Ba、Nb、Sr、Ti元素呈现明显的负异常，Rb、U、La、Nd、Zr、Hf、Y的正异常。并且Nb的亏损不明显，K、Rb等有明显的增加。反映了碰撞花岗岩的基本特征。

3.3 稀土元素

喀拉加热克岩体岩石稀土元素成分及特征见表2，ΣREE为152.17×10-6～179.11×10-6，LREE为129.2×10-6～151.2×10-6，HREE为21.57×10-6～27.91×10-6，LREE/HREE为5.42～6.91。在稀土元素球粒陨石标准化分配形式图上(图5b)，曲线一致性较好，总体上表现为向右倾斜的曲线，表现为轻稀土富集，重稀土亏损，LaN/YbN为5.6～8.31，也反映了轻稀土富集，重稀土亏损的特点，δEu为0.63～0.75，在配分图上Eu表现为负异常，而呈现出“V”的谷状，表明岩浆在演化过程中存在斜长石的分离结晶作用。

综上所述，喀拉加热克岩体稀土元素整体上表现为轻稀土富集，重稀土亏损，轻重稀土分馏不明显，并出现Eu的弱的负异常。

4 LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄

在阴极发光照片中(图6)，锆石形态大多为长柱状，部分锆石中含有不透明的包体，个别锆石中发育有裂纹，锆石环带清晰，表面比较光滑，在样品中的锆石晶体内部均发育有较好的震荡环带结构，环带清楚，具有岩浆锆石的基本特征。在测年时选择环带清晰的进行测年，避免包体和裂纹对测年结果的影响。

图5 喀拉加热克岩体微量元素标准化蛛网图和稀土元素球标准化分配形式图Fig.5 Trace elements standardized spider diagram and REE chondirite standardized diagram of Kalajiareke rock mass

表2 喀拉加热克岩体微量元素测和稀土元素试结果表(10-6)及其特征值表Tab.2 Trace elements and REE elementstest results(10-6) and Eigenvalues of Kalajiareke rock mass

注：δEu=2EuN/(SmN+GdN); δCe=2CeN/(LaN+PrN)；测试单位：新疆维吾尔自治区矿产实验研究所。

图6 喀拉加热克岩体锆石CL照片Fig.6 Zircon CL photos of Kalajiareke rock mass

在锆石U-Pb年龄谐和图上(图7)，测点全部落在谐和线上，表现出成群集中分布的特点，给出一致的206Pb/238U，集中在446～451 Ma(表3)，获得206Pb/238U加权平均年龄为(450.6±3) Ma(MSDW=0.091，n=18)，结合岩浆型锆石的特点，将该加权平均年龄解释为花岗闪长斑岩的结晶年龄，说明其为晚奥陶世岩浆侵入活动的产物。

5 讨论

5.1 岩石成因

CHAPPELL B W(2000)对澳大利亚拉克兰褶皱带中的花岗岩研究，认为不仅强过铝质花岗岩，即使是弱过铝质花岗岩，其大部分也是部分熔融形成的，而不是分离结晶作用形成的。CLEMENS JD(2003)结合地球化学、同位素和实验岩石学证据认为：大多数巨型的S型花岗岩是变沉积岩为主的岩石通过部分熔融形成的。

岩石化学表明，喀拉加热克岩体为过铝质钙碱性系列的岩石，且有高SiO2含量(63%～63.9%)，其不可能直接来源于地幔(蔡克大等，2007)。该过铝质花岗岩具有较高的Al2O3、K2O含量及较高的CaO，说明其岩浆可能来源于年轻地壳物质中云母类物质的脱水熔融。较高的K、Rb含量以及K2O/Na2O、Rb/Sr值进一步表明源区有大量的云母类物质存在，稀土配分模式也表明云母类矿物的脱水熔融，并且源区有斜长石的残留，推断该强过铝质花岗岩岩浆是在中等地壳深度由地壳物质中的云母类矿物熔融所形成的。在ACF图解中(图8a)，所有样品均落在“S”型花岗岩区内，说明其为地壳物质部分熔融形成的，其原岩为沉积岩，CaO/Na2O为0.7～1.16，均大于0.3，表明其原岩为砂岩或者副变质岩，进一步说明其物质来源为砂岩或者副变质岩。在C/MF-A/FM图解中(图8b)，3个样品落在“B”区，1个样品落在“C”，说明原岩为变质砂岩的部分熔融，仅有少部分为基性岩的部分熔融，在Q-Ab-An图解中(图9)，显示其熔融的温度在750～800℃，为高温熔融的。该岩石Rb/Sr值为0.97～1.47，在0.7～1.6的范围内，Sr/Ba为0.22～0.39，在0.2～0.5，表明其具有高Rb/Sr，中低Sr/Ba的特点，结合其过铝质、高钾以及高温熔融的特点，推断其形成是地幔基性岩浆以底侵方式就位于年轻地幔底部，大量的热量促使上覆地壳物质部分熔融形成壳-幔混合花岗岩质岩浆，在不饱和水的条件下，由富含白云母和黑云母的变质砂岩脱水熔融形成的。

图7 喀拉加热克岩体LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄谐和图及统计直方图Fig.7 LA-ICP-MS zircon ages diagram and statistical histogram of Kalajiareke rock mass

A.变质泥岩部分熔融区；B.变质砂岩部分熔融区；C.基性岩部分熔融图8 喀拉加热克岩体成因判别图Fig.8 Genetic discrimination chart of Kalajiareke rock mass

在标准矿物作花岗岩类Q-Ab-An等温等压力图解中(图9)，在温度方面，4件样品落为750～800℃的范围内，表明喀拉加热克岩体在侵入时的熔融温度为750～800℃；在压力方面，1件样品在大于3 000bar，其为高压的环境，其余3件在500bar附近，为相对低压环境。压力的特征与岩石成因保持一致。反映原岩主要为变质砂岩的部分熔融，掺杂有少量的熔融基性岩。

5.2 构造环境探讨

阿尔泰造山带古生代构造演化模式一直是研究重点，存在被动大陆边缘和活动大陆边缘环境的争议。近年来的研究成果表明，阿尔泰造山带为早古生代造山而不是晚古生代造山(WANG Tao el al.,2006；童英等，2007；韩琼等，2006)。在新元古代末期—寒武纪，在阿尔泰地体与西伯利亚板块之间萨伊尔洋盆分开(也称西萨彦岭-蒙古西部湖区洋盆)，可能属于早期古亚洲洋的北支。在震旦—寒武纪蒙古湖洋盆封闭拼贴在西伯利亚板块的西南缘，形成巨厚的复理石沉积(即：喀纳斯群)，之后由于斋桑洋盆(古亚洲洋的分支)开始向北俯冲，发生大规模的花岗岩化，形成片麻-花岗岩穹窿。晚古生代的俯冲与碰撞生成花岗伟晶岩。本次工作在喀纳斯湖—禾木一带厘定出大量的中奥陶世—泥盆世花岗岩，并对其进行了划分，分别为中晚奥陶世碱性碰撞型侵入构造岩石组合和晚志留—早泥盆世俯冲型侵入岩构造岩石组合。中奥陶世花岗岩为“S”型花岗岩，形成于同碰撞构造环境(韩琼等，2006)；晚志留—早泥盆世花岗岩为“I-S”型花岗岩，形成于俯冲的构造环境(郑加行等，2006)。并且认为同碰撞花岗岩形成于460～360 Ma，460 Ma为古亚洲洋向北俯冲的下限，中奥陶世至早石炭世处于造山阶段。中奥陶世为早古生代亚洲洋洋壳俯冲向阿尔泰微陆块转化的时限。

图9 喀拉加热克岩体温压图解Fig.9 Worm pressure diagram of Kalajiareke rock mass

喀拉加热克岩体形成于晚奥陶世，在花岗岩R1-R2图解中(图10a)，2个样品落在“6”区，显示其为同碰撞花岗岩，另外2号样品落在“2”区，为俯冲花岗岩，在Rb30-Hf-Ta×3图解中(图10b)，所有样品落在“火山弧”区内。因此，认为喀拉加热克花岗闪长斑岩岩体所处的环境为同碰撞-俯冲，为同碰撞-俯冲转换的环境。

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.晚造山期花岗岩；⑤.非造山区A型花岗岩；⑥.同碰撞(S型)花岗岩；⑦.造山期后A型花岗岩；syn-COLG.同碰撞花岗岩；WPG.板内花岗岩；VAG.火山弧花岗岩；ORG.洋脊花岗岩图10 喀拉加热克岩体构造环境判别图Fig.10 Tectonic setting discriminant of Kalajiareke rock mass

6 结论

(1)喀拉加热克岩体为过铝质钙碱性岩岩石，推断其形成是地幔基性岩浆以底侵方式就位于年轻地幔底部，大量的热量促使上覆地壳物质部分熔融形成壳-幔混合花岗岩质岩浆，在不饱和水的条件下，由富含白云母和黑云母的变质砂岩脱水熔融形成的。

(2)喀拉加热克花岗闪长斑岩岩体的形成时代为(450.6±3) Ma，为晚奥陶世侵入岩。

(3)喀拉加热克花岗闪长斑岩的形成环境为同碰撞-俯冲转换的环境。