东天山石炭纪—二叠纪花岗质侵入岩的地球化学及地质意义

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(1.中国地质调查局，北京100037； 2.中国地质科学院矿产资源研究所，北京100037)

东天山石炭纪—二叠纪花岗质侵入岩的地球化学及地质意义

董庆吉1，丛源2，肖克炎2

(1.中国地质调查局，北京100037； 2.中国地质科学院矿产资源研究所，北京100037)

东天山吐哈盆地南缘至喀拉塔格—星星峡地块，晚古生代花岗质侵入岩岩石类型主要有花岗闪长岩、二长花岗岩、石英闪长岩、石英二长闪长岩。岩石地球化学特征表明：SiO2质量分数为57.3%～77.76%，全碱(K2O+Na2O)质量分数为4.14%～10.49%，CaO质量分数为0.49%～6.56%，Al2O3质量分数为11.39%～14.76%，铝饱和指数(A/CNK)为0.77～1.04，属于高钾钙碱性系列—钾玄质系列的准铝质花岗岩。稀土总量较高且轻稀土富集，富集Rb、Th、U、K、Pb，而亏损Nb、Ta、Ti、P，无明显负Eu异常。区域构造背景、岩石学和地球化学特征综合分析显示，东天山石炭纪—二叠纪花岗质侵入岩，是后碰撞构造演化阶段岩浆活动的产物，主要由幔源岩浆底侵引起的地壳物质部分熔融所形成的钙碱性花岗闪长质岩浆经高度演化及分异结晶作用而成。

花岗岩；地球化学；构造环境；石炭纪—二叠纪；吐哈盆地；东天山；新疆

0 引 言

天山造山带位于准噶尔陆块和中朝—塔里木陆块之间、中亚巨型复合造山带的东端，是古亚洲洋在形成、演化和消亡过程中诸多陆块拼合、增生-俯冲、碰撞造山的产物。我国学者常以乌鲁木齐为界，以东称为东天山。东天山是西伯利亚板块与塔里木克拉通的汇聚地区(李锦轶等，2002)，古生代是东天山岩浆活动活跃的时期，其中石炭纪—二叠纪岩浆岩极为发育，不仅岩体数量多，分布面积也广。

前人对东天山岩石学、地球化学、同位素年代学等进行过诸多分析研究，获得了大量的数据(杨浩等，1991；李文明等，2002；宋彪等，2002；刘德权等，2003；孙桂华等，2005，2006；陈富文等，2005；徐学义等，2005；李文铅等，2006；王德贵等，2006；吴昌志等，2006；吴华等，2006；郭召杰等2007；李永军等，2007；唐俊华等，2007，2008；童英等，2010；周涛发等，2010；曾凯等，2013)，目前已经开展的侵入岩研究多数是针对单个地区的岩石学、地球化学、同位素年代学研究。本次研究详细考察了东天山吐哈盆地南缘—北山裂谷区域，沿大体垂直于东天山北缘阿奇克库都克断裂的方向系统采集侵入岩样品，开展大尺度的地质剖面研究，通过剖面侵入岩的岩石学、地球化学特征研究，对比前人的研究成果，探讨东天山晚古生代侵入岩的成因。

1 地质概况

研究区在地质构造上可以划分为康古尔塔格石炭纪晚期碰撞造山带(图1中的KG)、喀拉塔格—星星峡地块或古岛弧(KX)和南天山石炭纪晚期—二叠纪初期碰撞造山带(ST)(李锦轶等，2006b)。东天山地区广泛分布石炭纪岛弧火山-沉积岩系及少量二叠系、侏罗系、第三系。出露的地层主要有企鹅山群、干墩组、梧桐窝子组、雅满苏组、底坎儿组等。区内岩浆岩活动强烈，侵入岩十分发育，从深成岩到浅成岩，从岩基、岩株到岩墙均有出露，有超基性、基性、中性和酸性各类岩体，其中东天山石炭纪中酸性岩浆侵入活动强烈，以花岗岩类分布最为广泛，其次为二叠纪花岗岩类和泥盆纪中酸性侵入岩零星分布，并受深断裂控制。

图1 东天山地质简图

2 样品采集及岩相学特征

采集从吐哈盆地南缘至卡拉塔格—星星峡地块的侵入岩样品，野外路线大体垂直于东天山近东西向延伸主断裂(大草滩断裂、康古尔塔格断裂、苦水—雅满苏断裂、阿其克库都克断裂)的方向，由北向南穿越了吐哈地块南缘岩浆弧→康古尔塔格碰撞带→喀拉塔格—星星峡地块。采样位置见图1。

研究区石炭纪—二叠纪花岗质侵入岩岩石类型以二长花岗岩、花岗闪长岩为主，其次为石英闪长岩、石英二长闪长岩等。主要岩石类型与特征描述如下。

二长花岗岩：灰白色，花岗结构，块状构造。主要矿物有斜长石、钾长石、石英、黑云母等。斜长石为半自形结构，聚片双晶发育，钾长石为微斜长石，半自形板状，可见格子双晶(图2a)，石英呈他形粒状，分布于长石颗粒之间，黑云母呈自形片状。

花岗闪长岩：灰白色，花岗结构，块状结构，主要由斜长石、石英、角闪石、黑云母等矿物组成，斜长石呈半自形粒状、柱状，可见环带结构(图2b)，石英呈他形粒状，充填于斜长石之间，黑云母呈片状星点分布，角闪石暗绿色，半自形粒状。

石英二长闪长岩：浅灰色，不等粒状结构，斑状结构，主要由斜长石、石英、钾长石及少量暗色矿物组成，有时可含少量角闪石。基质一般为细粒结构，长石常有糙化(图2c)。

石英闪长(玢)岩：灰褐色，斑状结构，块状构造。斑晶主要由斜长石、石英及少量暗色矿物组成，石英呈粒状，分布于斜长石之中，暗色矿物主要为角闪石，呈星点状产出。基质为隐晶质(图2d)。

图2 新疆东天山花岗质侵入岩显微照片Pl-斜长石；Q-石英；Bt-黑云母；Mi-微斜长石；Hb-角闪石

3 地球化学特征

挑选出的样品粉碎至0.074 mm(200目)进行全岩和微量元素地球化学分析，主量采用X射线荧光光谱法测定，测试仪器为荷兰PANalytical公司(原Philips公司)生产的PW2404型X射线荧光光谱仪；微量元素和稀土元素采用ICP-MS方法测定，测试仪器为德国Finnigan MAT公司生产的ElementⅠ型HR-ICP-MS，测试精度优于10%。侵入岩的化学成分及微量和稀土元素分析结果见表1。

3.1 主量元素

在火成岩Q-A-P图解中(图3)，根据Debon et al(1983)的分类标准，研究区花岗质侵入岩显示主要由花岗闪长岩、二长花岗岩、石英二长闪长岩或石英二长辉长岩组成，这与其岩石学特征基本一致。

东天山石炭纪—二叠纪花岗质侵入岩的主量元素分析结果和CIPW标准矿物计算结果见表1。由表1可知，吐哈盆地南缘的石炭纪—二叠纪侵入岩SiO2质量分数为60.24%～72.61%， Al2O3质量分数为13.42%～17.26%，MgO质量分数为0.57%～2.20%；康古尔塔格石炭纪—二叠纪侵入岩SiO2质量分数为66.93%～75.73%，Al2O3质量分数为12.04%～14.76%，MgO质量分数为0.52%～1.67%；雅满苏二叠纪侵入岩SiO2质量分数为58.07%～77.76%，Al2O3质量分数为11.39%～14.01%，MgO 质量分数为0.098%～3.13%；喀拉塔格—星星峡石炭纪侵入岩SiO2质量分数为57.3%～72.36%，Al2O3质量分数为13.96%～14.47%，MgO质量分数为0.46%～2.68%。

图3 岩石类型Q-A-P图(底图据Le Maitre，1989)Q-石英；A-碱性长石；P-斜长石；1a-石英岩；1b-富石英花岗岩；2-碱长花岗岩；3a-正长花岗岩；3b-二长花岗岩；4-花岗闪长岩；5-石英闪长岩(斜长花岗岩、奥长花岗岩)；6-碱长正长岩；6*-石英碱长正长岩；7*-石英正长岩；7-正长岩；8*-石英二长岩；8-二长岩；9-二长闪长岩或二长辉长岩；9*-石英二长闪长岩或石英二长辉长岩；10-闪长岩或辉长岩或斜长岩；10*-石英闪长岩或石英辉长岩或石英斜长岩

表1 东天山石炭纪—二叠纪花岗质侵入岩化学成分

续表1

续表1

注：质量分数单位：主量元素、烧失量为%，微量元素、ΣREE为g/t, 其他无量纲

4个岩体二叠纪—石炭纪侵入岩的里特曼指数为0.92～3.46，碱度率AR为1.50～7.32，显示碱性与钙碱性过渡的特点(图4a)，在 SiO2-K2O图解中(图4b) 显示高钾钙碱性系列—钾玄质系列的特征，暗示了岩浆源区陆壳物质的参与。其 A/CNK 为 0.77～1.04，为准铝质花岗岩的特点(图4c)；分异指数DI为48.06～98.04，平均为81.44；固结指数SI为0.99～14.60，平均为 6.88；Mg#值在35.9～76.6之间，表明岩浆形成过程中经历了较高程度的结晶分离作用。总体上，SiO2质量分数与大多数常量元素具有很好的相关性(图5)，显示出岩浆结晶分异演化的特征。

图4 东天山石炭纪—二叠纪花岗质侵入岩AR-SiO2图解(底图据Wright等，1969)、SiO2-K2O图解(底图据Ewart，1982)、A/CNK-A/NK图解

图5 东天山石炭纪—二叠纪花岗质侵入岩Harker图解

3.2 微量及稀土元素特征

图6 东天山石炭纪—二叠纪花岗质侵入岩稀土元素球粒陨石标准化分布模式图和微量元素原始地幔标准化蛛网图(据Sun et al，1989)

4 讨 论

4.1 岩浆源区性质

东天山石炭纪—二叠纪花岗质侵入岩样品SiO2质量分数为57.3%～77.76%，全碱(K2O+Na2O)质量分数为4.14%～10.49%，CaO 质量分数0.49%～6.56%，Al2O3质量分数为 11.39%～14.76%，铝饱和指数(A/CNK)为 0.77～1.04，属于高钾钙碱性系列—钾玄质系列的准铝质岩浆岩，具有后碰撞岩浆活动的主要特征 (Liegeios et al,1989)。在花岗岩的A-C-F成因分类图上(图7)，样品投影在I型花岗岩范围内；SiO2与P2O5呈负相关关系(图5)，也显示出似I型花岗岩的演化趋势。分异指数DI为48.06～98.04，平均为81.44；固结指数SI为0.99～14.60，平均为 6.88；Mg#值在35.9～76.6之间，表明岩浆形成过程中经历了较高程度的结晶分离作用。总体上，随着SiO2质量分数的递增，大多数主量元素、微量元素的质量分数都表现出明显有规律的线性变化趋势。

图7 花岗岩A-C-F图解

研究区侵入岩样品微量元素中亏损Nb、Ta、Ti、P，富集轻稀土元素Rb、Th、U、K和Pb，P和Ti的亏损说明岩浆经历了磷灰石及榍石、角闪石、黑云母等矿物的分离结晶作用。样品的Nb/Ta比值为3.63～20.80，平均为12.10，低于幔源岩石(17.5±2.0)(Hofmann，1988；Green，1995)，非常接近陆壳岩石 (11±)(Taylor et al,1985；Green,1995；)；Zr/Hf比值为9.69～40.1，平均为29.6，低于幔源岩石 (36.3±2.0)，非常接近壳源岩石(33±) (Taylor et al，1985；Green，1995)。以上特征说明其源区有部分陆壳物质的参与。

在Rb/10-Hf-3Ta和Rb/30-Hf-3Ta构造成因判别图中，它们的特征很相似，主要落入火山弧花岗岩的范围(图8)，说明这两个时代侵入岩的岩石成因上可能存在继承性。

东天山地区晚石炭世晚期—二叠世(305～270 Ma)花岗岩大量发育，岩石类型主要为I型，并且与大规模的同时期基性、超基性杂岩以及基性岩墙共生(吴华等，2005；李锦轶等2006b)，说明这个时期的花岗岩应与幔源岩浆底侵有关，由于二长花岗岩、花岗闪长岩、石英闪长岩是闪长质岩浆演化的产物，因此，东天山石炭纪—二叠纪侵入岩的形成很可能与幔源岩浆底侵引起地壳物质部分熔融所形成的钙碱性花岗闪长质岩浆的高度演化及分异结晶作用有关，是后碰撞背景下的岩浆产物。

4.2 构造意义

根据花岗岩R1-R2阳离子图解(图9)，东天山石炭纪—二叠纪花岗质侵入岩样品主要集中在活动板块边缘、碰撞后隆起花岗岩和同碰撞花岗岩的区域，反映了其形成与板块俯冲和碰撞作用有关。而在微量元素Nb-Y和Rb-(Y+Nb)图解上(图10)，样品主要落在火山弧花岗岩和后碰撞花岗岩重叠区域内，与Pearce等(1984)对一些已知后碰撞花岗岩投图结果相似。在Rb-Hf-Ta构造成因判别图中(图8)，石炭纪侵入岩样品主要落在火山弧花岗岩、板内花岗岩和碰撞后花岗岩区域内；二叠纪侵入岩样品主要落在火山弧花岗岩和碰撞后花岗岩区域内，这也与本次研究的构造环境判别研究一致，说明石炭纪—二叠纪花岗质侵入岩形成于后碰撞环境。

图8 东天山花岗质侵入岩的Rb/10-Hf-3Ta和Rb/30-Hf-3Ta图解(据Harris et al，1986)

图9 花岗岩类R1-R2多阳离子图解(据Batchelor et al，1985)1-幔源斜长花岗岩；2-活动板块边缘花岗岩；3-碰撞后隆起花岗岩；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-造山期后的A型花岗岩

图10 花岗岩微量元素构造环境判别图(据Pearce et al，1984)VAG-火山弧花岗岩；WPC-板内花岗岩；S-COLG-同碰撞花岗岩；ORG-洋中脊花岗岩；A-ORG-异常洋中脊花岗岩；Post-COLG-后碰撞花岗岩

在区域构造演化上，石炭纪晚期天山古洋盆闭合(张良臣等，1985；姜常义等，1993；何国琦等，1994；陈哲夫等，1997)，结束了天山山脉板块构造演化历史，将天山与准噶尔、塔里木连结成统一的大陆(姜常义等，1993)。研究显示，晚古生代新疆北部和东部经历了后碰撞构造演化阶段(龚全胜等，2002；顾连兴等，2006；韩宝福等，2006)，石炭纪东天山地区已经进入后碰撞构造演化阶段，在石炭纪末期—早二叠纪转向了后碰撞的伸展、拉张阶段(王京彬等，2006)。

考虑到区域地质背景和岩石地球化学征，认为东天山石炭纪—二叠纪花岗质侵入岩形成的构造环境应为同碰撞和碰撞后转化阶段。这里的同碰撞作用是一个广义的概念，即把洋盆消失后的陆-陆碰撞及其后的继续汇聚等与碰撞有关的作用均视为同碰撞过程(肖庆辉等，2002)，该研究结果进一步支持石炭纪—二叠纪东天山处于后碰撞构造演化阶段。

5 结 论

(1) 东天山吐哈盆地南缘至喀拉塔格—星星峡地块，晚古生代花岗质侵入岩岩石类型主要有花岗闪长岩、二长花岗岩、石英闪长岩、石英二长闪长岩。

(2) 东天山石炭纪—二叠纪花岗质侵入岩样品SiO2质量分数为57.30%～77.76%，全碱(K2O+Na2O)质量分数为4.14%～10.49%，CaO 质量分数为0.49%～6.56%，Al2O3质量分数为11.39%～14.76%，铝饱和指数(A/CNK)为 0.77～1.04，属于高钾钙碱性系列—钾玄质系列的准铝质岩浆岩，具有后碰撞岩浆活动的主要特征，兼具I型花岗岩特征。分异指数DI为48.06～98.04，平均为81.44；固结指数SI为0.99～14.60，平均为 6.88；Mg#值在35.9～76.6之间，表明岩浆形成过程中经历了较高程度的结晶分离作用。总体上，随着SiO2质量分数的递增，大多数主量元素、微量元素的质量分数都表现出明显有规律的线性变化趋势。稀土总量较高且轻稀土富集，富集Rb、Th、U、K、Pb，而亏损Nb、Ta、Ti、P，无明显负Eu异常。

(3) 区域构造背景、岩石学和地球化学特征综合分析显示，东天山石炭纪—二叠纪花岗质侵入岩是后碰撞构造演化阶段岩浆活动的产物，主要由幔源岩浆底侵引起的地壳物质部分熔融所形成的钙碱性花岗闪长质岩浆经高度演化及分异结晶作用而成。

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DONGQing-ji1,CONGYuan2,XIAOKe-yan2

(1. China Geological Survey, Beijing 100037,China; 2. Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037,China)

The Carboniferous to Permian granitic rocks in eastern Tianshan were widespread and consisted of granodiorite, monzonitic granite, quartz diorite and quartz monzonitic granite. They were bounded to the southern Turfan-Hami Basin and the northern Kalatarge-Xingxingxia block. The data of rock geochemistry showed that granitic rocks were high-K calc-alkaline series and of I-type granite with peraluminous characteristics. Petrogeochemistry exhibited that SiO2content was of 57.3%～77.76%, total alkali (K2O+Na2O) content 4.14%～10.49%, Al2O3content 11.39%～14.76%, with A/CNK values of 0.77～1.04. The granitic rocks were characteristic of total rare earth,enrichment of the LREE, enriched in Rb, Th, U, K, Pb, depleted in Nb, Ta,Ti, P. In addition, granitic rocks were lack of negative anomaly in Eu. Combining with the integration analysis of regional geology and geochemical characteristics, the authors proposed that the Carboniferous to Permian granitic rocks were formed during post-collision period. The granitic magmas were probably originated from crystallization/differentiation of earlier calc-alkaline granodioritic magmas formed by partial melting of crust due to under plated mantle source magmas.

Granite; Geochemistry; Tectonic setting; Carboniferous-Permian period; Turpan-Hami Basin; Eastern Tianshan; Xinjiang

10.3969/j.issn.1674-3636.2014.04.517

2014-06-10；

：2014-07-06；编辑：詹庚申

中国地质调查局项目“全国重要矿产总量预测”(1212010733806)、国家科技支撑计划项目“西部优势矿产资源潜力评价技术及应用研究”(2006BAB01A01)资助

董庆吉(1978— ),男,高级工程师,矿产勘查专业，主要从事矿产资源评价研究，E-mail:dqj78@sina.com

P588.12；P59

：A

：1674-3636(2014)04-0517-13