張競嘉，云龍，田霄，羅輝

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院中核集團高放廢物地質(zhì)處置重點實驗室北京 100029）

中亞造山帶是世界上著名的顯生宙增生型造山帶，帶內(nèi)花崗巖廣泛發(fā)育，且花崗巖多與新生陸殼的演化密切相關(guān)［1-2］。北山造山帶位于中亞造山帶南部，大地構(gòu)造位置特殊，作為連接西伯利亞、哈薩克斯坦和塔里木—華北三大板塊的重要紐帶，北山造山帶具有重要的地質(zhì)意義。造山帶內(nèi)巖漿巖廣泛發(fā)育，其中花崗巖類巖石出露最多，約占全區(qū)侵入巖的95%［3］（圖1b）。針對北山地區(qū)花崗巖，前人進行了大量研究并積累了較豐富的資料，但受限于研究程度和認識上的差異，關(guān)于北山地區(qū)花崗巖的屬性、巖漿成因特征以及構(gòu)造演化歷史等問題，許多學(xué)者提出了不同的認識［4-10］。新場巖體位于北山南帶中段，通過對新場巖體開展詳細的地球化學(xué)研究，分析了巖體的地球化學(xué)特征、形成機制及大地構(gòu)造背景，并結(jié)合前人研究成果，對新場巖體及北山南帶地區(qū)的大地構(gòu)造歸屬等問題進行了探討。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

北山造山帶位于中亞造山帶的南部，其大地構(gòu)造位置處于西伯利亞板塊、哈薩克斯坦板塊和塔里木—華北板塊的結(jié)合部位（圖1a）。造山帶內(nèi)廣泛出露有前寒武紀和古生代地層，同時發(fā)育有不同時代的巖漿巖，構(gòu)造行跡十分復(fù)雜。在三大板塊的相互作用下，北山地區(qū)廣泛分布的微陸塊、洋殼、島弧等眾多地體經(jīng)歷了多次增生拼合，并由北向南形成了4條蛇綠巖帶（圖1b），其中最北部的紅石山蛇綠巖帶形成于早石炭世，石板井—小黃山蛇綠巖帶形成于早石炭世，紅柳河—牛圈子—洗腸井蛇綠巖帶形成于中奧陶世—早志留世，最南部的輝銅山—帳房山蛇綠巖帶（音凹峽蛇綠巖）形成于晚石炭世—早泥盆世［10，13-15］。

圖1 中亞造山帶地質(zhì)簡圖（a）和北山地區(qū)侵入巖分布簡圖（b）（據(jù)ZHENG Rongguo，et al［11］，MIAO Laicheng，et al.［12］修編）Fig.1 Geology sketch of the Central Asian Orogenic Belt（a）and the intrusive rocks in Beishan area（b）（Modified after ZHENG Rongguo，et al.［11］and MIAO Laicheng，et al.［12］）

在南北向上，北山地區(qū)橫跨塔里木-華北板塊和哈薩克斯坦板塊，據(jù)楊合群［16］修訂的劃分方案，北山地區(qū)包括2個一級構(gòu)造單元，在紅柳河—牛圈子—洗腸井縫合帶北側(cè)為哈薩克斯坦板塊，南側(cè)為塔里木板塊。這2個一級構(gòu)造單元在北山地區(qū)各有1個二級構(gòu)造單元，北側(cè)為星星峽-旱山微板塊，該陸塊可以進一步劃分為4個三級構(gòu)造單元；南側(cè)為敦煌微板塊，該陸塊可以進一步劃分為3個三級構(gòu)造單元。新場巖體位于塔里木板塊的敦煌地塊北緣，磁?！t柳園—白山堂晚古生代陸內(nèi)裂谷帶的南側(cè)?；◢弾r在該構(gòu)造帶內(nèi)十分發(fā)育，以花崗閃長巖為主，其次為二長花崗巖、石英閃長巖和斜長花崗巖等［4，18］。

2 巖體地球化學(xué)特征

新場花崗巖體的巖性主要由花崗閃長巖和二長花崗巖組成，巖體大致呈東西向線狀展布（圖2）。本次研究選取新場巖體的8個花崗閃長巖，6個二長花崗巖樣品，開展了樣品的主量及微量元素分析工作。樣品的測試工作由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心完成。樣品的分析結(jié)果見表1、2。

表1 主量元素含量/%表Table 1 Major element contents/% of Xinchang pluton

圖2 新場巖體地質(zhì)圖Fig.2 Geological map of Xinchang pluton

2.1 主量元素

花崗閃長巖中SiO2的含量為62.8%～76.7%，Al2O3含量為12.0%～16.3%，K2O/Na2O為0.39～1.13（平均為0.81），K2O+Na2O為6.37%～7.54%，（K2O+Na2O）/Al2O3為0.41～0.58，鈉質(zhì)成分和全堿含量較高，MgO、MnO、Fe2O3T、CaO和P2O5含量相對較低，里特曼指數(shù)分布在1.41～2.52，平均為1.76（＜3.3）。隨SiO2含量的增高，Al2O3、Fe2O3、CaO、P2O5、Na2O、TiO2、MgO、MnO和K2O等主要元素的含量逐漸遞減?；◢忛W長巖在SiO2-A.R圖解［20］（圖3a）中處于鈣堿性和堿性系列；在A/KNCA/NK圖解［21］（圖3b）中屬于過鋁質(zhì)和準鋁質(zhì)巖類；在SiO2-K2O圖解［19］（圖4a）中處于鈣堿性和高鉀鈣堿性系列；在侵入巖類的巖石全堿二氧化硅TAS分類圖上［22］（圖4b）分別落入花崗巖和花崗閃長巖的范圍內(nèi)。

二長花崗巖SiO2的含量為71.7%～76.3%，Al2O3含量中等，為12.3%～13.9%，K2O/Na2O為0.93～1.31（平均值為1.09），K2O+Na2O為7.25%～7.79%，鉀質(zhì)成分和全堿含量較高，（K2O+Na2O）/Al2O3為0.54～0.63，MgO、MnO、Fe2O3T、CaO、P2O5含量相對較低，里特曼指數(shù)分布在1.67～1.95，平均為1.82（＜3.3）。隨SiO2含量的增高，Al2O3、Fe2O3、CaO、P2O5、Na2O、TiO2、MgO、MnO和K2O等主量元素的含量逐漸遞減。二長花崗巖在SiO2-A.R圖解［20］（圖3a）中處于堿性系列；在A/CNKA/NK圖解［21］（圖3b）中屬于過鋁質(zhì)和準鋁質(zhì)巖類；在SiO2-K2O圖解［19］（圖4a）中處于高鉀鈣堿性系列；在侵入巖類的巖石全堿二氧化硅TAS分類圖上［22］（圖4b），樣品數(shù)據(jù)全部落入花崗巖的范圍內(nèi)。

圖3 （a）巖石SiO2-A.R相關(guān)圖解（據(jù)Wright［20］）；（b）巖石A/CNK-A/NK圖解（據(jù)Shand［21］）Fig.3（a）SiO2-A.R diagram of the Xinchang pluton（After Wright［20］）；（b）A/CNK-A/NK diagram of the Xinchang pluton（After Shand［21］）

圖4 （a）巖石SiO2-K2O相關(guān)圖解（據(jù)Peccerillo and Taylor［19］）；（b）巖石全堿二氧化硅（TAS）圖解（據(jù)Middlemost［22］）Fig.4（a）SiO2-K2O diagram of Xinchang pluton（After Peccerillo and Taylor［19］）；（b）TAS diagram of Xinchang pluton（After Middlemost［22］）

2.2 微量元素

表2和圖5分別為新場花崗巖微量元素分析結(jié)果和洋中脊花崗巖標準化蛛網(wǎng)圖。根據(jù)表2和圖5，新場巖體中花崗閃長巖和二長花崗巖的微量元素含量的變化較小，二者具有相似或一致的分布曲線，反映出它們具有同源巖漿的特性。

表2 微量元素和稀土元素含量/10-6表Table 2 Trace and race earth element contents/10-6 of Xinchang pluton

從洋中脊花崗巖標準化圖解中可以看出，花崗閃長巖和二長花崗巖的配分模式與上地殼相似（圖5），大離子親石元素（LILE）K、Rb、Ba和高場強元素（HFSE）Th呈現(xiàn)富集的特征，而Hf、Zr、Sm、Y及Yb等元素呈現(xiàn)相對虧損的狀態(tài)；Ba的含量介于195×10-6～799×10-6，平均值為486×10-6，低于花崗巖的平均值557×10-6［26］；Nd/Th值介于0.94～3.87之間，平均值為1.81，明顯低于幔源巖石的Nd/Th值（Nd/Th>15［27］），接 近 于 殼 源 巖 石 的Nd/Th值（Nd/Th≈3［27］）；A1/Ga的比值介于3 435～4 282之間，該值接近于花崗巖平均值（2 000～8 000［28］）和中國花崗巖平均值（≈7 900［26］）。

圖5 新場巖體洋中脊花崗巖標準化蛛網(wǎng)圖（洋中脊花崗巖值引自Pearce et al.［23］；地殼值數(shù)據(jù)引自Taylor and Mclennan［24］）Fig.5 The ORG normalized spider-diagram of Xinchang pluton（ORG contents after Pearce et al.［23］；crust contents after Taylor and Mclennan［24］）

2.3 稀土元素

表2和圖6分別為新場花崗巖稀土元素分析結(jié)果和球粒隕石標準化配分圖。根據(jù)表2和圖6所示，新場巖體中花崗閃長巖和二長花崗巖的稀土元素含量變化較小，兩者具有相似或一致的分布曲線，反映出它們具有同源巖漿的特性。

圖6 新場巖體稀土元素球粒隕石標準化配分圖（標準化值數(shù)據(jù)引自Boynton［25］）Fig.6 Chondrite-normalised REE pattern of Xinchang pluton（Normalization values after Boynton［25］）

花崗閃長巖和二長花崗巖的稀土元素總量為48.47×10-6～166.54×10-6，總體呈現(xiàn)為偏低的狀態(tài)；輕、重稀土比值介于9.77～23.99之間，屬輕稀土元素富集；（La/Yb）CN比值為13.36～39.8，（La/Sm）CN比值為3.35～6.26，（Ga/Yb）CN比值為2.09～5.04，輕、重稀土呈現(xiàn)較明顯的分餾特征，其中輕稀土富集且分異明顯，重稀土虧損且分異不顯著。由圖6可見，花崗閃長巖和二長花崗巖的球粒隕石標準化配分曲線表現(xiàn)為右傾的特征。δEu值介于0.52～1.61之 間，平均值為0.92，δCe值 介 于0.78～1.14，平均值為0.99，表明Eu和Ce均呈現(xiàn)輕微異常的特點。

3 討論

3.1 巖石成因類型

新場花崗巖類巖石為準鋁質(zhì)到弱過鋁質(zhì)（圖3b），屬鈣堿性系列和高鉀鈣堿性系列（圖4a）。圖7a為新場花崗巖Na2O-K2O圖解［29］，由圖7可見，部分樣品落入I型花崗巖范圍內(nèi)，另一部分落入A型花崗巖范圍內(nèi)。圖7b為新場花崗巖ACF圖解［30］，圖中顯示所有樣品全部落入I型花崗巖范圍內(nèi)。圖8a為（Zr+Nb+Ce+Y）-FeO*/MgO圖解，從該圖可以看出樣品落入未分異的和分異的M、S、I花崗巖分界處，并靠近未分異的M、S、I花崗巖一側(cè)。圖8b為（Zr+Nb+Ce+Y）-（K2O+Na2O）/CaO圖解［31］，圖中顯示樣品全部落入未分異的M、S、I花崗巖中。新場花崗巖的Ga/A1×104值介于2.34～2.91之間，平均為2.66，略微高于A型花崗巖的最低邊界值2.6［31］；A型花崗巖FeO*/MgO的比值為13.4［31］，而新場花崗巖的FeO*/MgO比值介于3.07～12.08之間，平均為7.00，這與A型花崗巖富鐵的特征有明顯不同；A型花崗巖的最低邊界值為350×10-6［31］，而新場花崗巖Zr+Nb+Ce+Y含量介于87.46×10-6～291.17×10-6之間，平均值為191.18×10-6，明顯呈現(xiàn)較低的狀態(tài)。綜上所述，新場巖體屬于未分異的I型花崗巖，這與其巖漿演化過程中的部分熔融作用及沒有發(fā)生顯著的分離結(jié)晶作用有關(guān)［32-33］。

圖7 （a）新場巖體Na2O-K2O圖解（據(jù)Collions［29］；Rollinson［34］）；（b）ACF圖解（據(jù)Nakada，et al.［30］）Fig.7（a）：Na2O-K2O diagram of Xinchang pluton（After Collions［29］；Rollinson［34］）；（b）：ACF diagram（After Nakada，et al.［30］）

圖8 新場巖體成因類型判別圖Fig.8 Discrimination diagrams of the granite genesis for Xinchang pluton

3.2 巖漿源區(qū)及演化特征

新場巖體中花崗閃長巖和二長花崗巖的微量元素和稀土元素含量變化不大，二者分布曲線形態(tài)十分相似或一致，反映其具有同源巖漿的特性。圖9a為巖石A/MF-C/MF圖解，由圖9a可見，部分樣品落入基性巖石的部分熔融區(qū)，另一部分樣品落入變質(zhì)砂巖的部分熔融區(qū)，反映出與基性巖石和變質(zhì)砂巖部分熔融的親緣性。在K2O-SiO2分類圖（圖9b）中，樣品落入大陸花崗巖的范圍內(nèi)及其附近，反映出與大陸花崗巖的親緣性。圖10為花崗巖源巖判別圖［35］，從圖中可以看出絕大多數(shù)樣品落入富含黑云母源巖區(qū)，且與分離結(jié)晶趨勢線一致，據(jù)此推測花崗閃長巖和二長花崗巖可能由富含黑云母的源巖經(jīng)部分熔融作用所形成。圖11為La-La/Sm和La-La/Yb判別圖解，由圖11可見，樣品均落在部分熔融的區(qū)域內(nèi)，表明花崗閃長巖和二長花崗巖的形成主要與部分熔融作用有關(guān)。前人研究成果表明，如果巖漿源區(qū)存在以石榴子石為主的殘留相時，其所形成的熔體將具有傾斜的HREE配分特征，同時Y/Yb的比值通常大于10；而當巖漿源區(qū)存在以角閃石為主的殘留相時，其所形成的熔體具有輕微向上凹的HREE配分特征，且其Y/Yb的比值接近10［34，36］?；◢忛W長巖和二長花崗巖的Y/Yb比值為8.34～11.83，平均值為10.73，由圖6可見，巖石的HREE配分模式不具有分餾的特征，配分曲線表現(xiàn)為輕微上凹的形態(tài)，結(jié)合前人研究成果，推測新場花崗巖的巖漿源區(qū)殘留相應(yīng)以角閃石為主。由上述特征推測，其巖漿應(yīng)來源于下地殼富含角閃巖相的基性巖石與富含黑云母的變質(zhì)砂巖部分熔融源區(qū)。

圖9 新場巖體A/MF-C/MF判別圖（a）及K2O-SiO2分類圖（b）（據(jù)肖慶輝，等［45］）Fig.9 A/MF-C/MF diagram（a）and K2O-SiO2 diagram（b）of Xinchang pluton（After XIAO Qinghui，et al.［45］）

圖10 新場巖體源巖判別圖解（據(jù)Patino［35］）Fig.10 Discrimination diagrams of source rocks for Xinchang pluton（After Patino［35］）

圖11 （a）新場巖體La-La/Sm圖解；（b）新場巖體La-La/Yb圖解（據(jù)胡軍，等［46］）Fig.11（a）La-La/Sm diagram of Xinchang pluton；（b）La-La/Yb diagram of Xinchang pluton（After HU Jun，et al.［46］）

在∑REE-Y/∑REE關(guān)系圖（圖12a）和δEu-（La/Yb）N（圖12b）圖解中，可以看出花崗閃長巖樣品基本落入殼幔混合型花崗巖區(qū)域中，而二長花崗巖大部分樣品落入殼型花崗巖的范圍內(nèi)。從新場巖體Y-Nb和Y+Nb-Rb圖解（圖13）中可以看出，花崗閃長巖和二長花崗巖全部落入火山弧+同碰撞（VAG+Sny+COLG）花崗巖范圍內(nèi)，兩者的REE表現(xiàn)為明顯的分餾特征，δEu異常不明顯，在圖5中顯示與上地殼相似的配分型式。樣品的Th/U比值在2.00～11.58之間，平均為5.19，接近于下地殼的Th/U比值6.0［37］；Nd/Th值變化于0.94～3.87，平均為1.81，與殼源巖石平均值Nd/Th≈3［27］相當，而遠低于幔源巖石平均值Nd/Th＞15［27］。Ba的含量為195×10-6～799×10-6，平均值為486×10-6，與花崗巖的平均值557×10-6［38］接近。這些特征表明巖漿應(yīng)該沒有斜長石結(jié)晶，說明其巖漿受到了幔源物質(zhì)的混合，指示巖漿可能源于巖石圈地幔巖漿作用而導(dǎo)致上覆下地殼物質(zhì)的部分熔融源區(qū)［7］。較低的Al2O3、MgO、Cr和Ni含量和較高的K2O［39］含量通常為下地殼部分熔融形成的巖漿的共同特征，新場巖體中花崗閃長巖和二長花崗巖具有較低 含量的MgO（0.21%～2.53%）、Mg#（12.62～36.75）、Cr（5.23×10-6～32.6×10-6）和Ni（1.25×10-6～9.14×10-6），K2O/Na2O的比值為0.39～1.31，輕微富含鉀質(zhì)成分，表明巖漿可能來自于下地殼巖石的部分熔融源區(qū)。前人研究成果表明，在花崗巖成巖過程中如果發(fā)現(xiàn)有幔源物質(zhì)的參與，那么造成這種現(xiàn)象的原因通常有兩個：1）幔源巖漿與部分熔融的地殼形成的長英質(zhì)巖漿在地殼深部混合形成巖漿；2）幔源巖漿先侵入到地殼基底巖石中形成新的地殼，在后期構(gòu)造事件的影響下，新生地殼發(fā)生了部分熔融而形成混合巖漿［40］。由表2可見，新場巖體中的花崗閃長巖和二長花崗巖具有Nb和Ti的負異常，造成這種負異常的原因通常有3個：1）代表俯沖背景，地幔物質(zhì)與大陸地殼發(fā)生了混染［41-42］；2）代表源區(qū)有金紅石殘留，來源較深［43］；3）代表源區(qū)為早先存在的火山弧或地殼［7］。根據(jù)本次研究成果，在新場花崗巖體中發(fā)育北東走向的閃斜煌斑巖脈體和輝長巖脈體，這說明新場花崗巖體的形成可能有幔源巖漿的參與，Nb和Ti的負異常表明巖漿來源較深［18，43］，巖漿可能源于巖石圈地幔巖漿作用導(dǎo)致增厚的敦煌地塊北緣下地殼巖石部分熔融源區(qū)，并在上升過程中混染了下地殼物質(zhì)所形成的殼幔混合成因的花崗巖［44］。

圖12 （a）新場巖體∑REE-Y/REE圖解；（b）新場巖體δEu-（La/Yb）N圖解（據(jù)胡軍，等［46］）Fig.12（a）∑REE-Y/REE diagram of Xinchang pluton；（b）δEu-（La/Yb）N diagram of Xinchang pluton（After HU Jun，et al.［46］）

3.3 構(gòu)造意義

通過洋中脊花崗巖標準化圖（圖5）可知，新場花崗巖體的配分型式與上地殼相似。圖13為新場巖體Y-Nb和Y+Nb-Rb構(gòu)造判別圖解，從圖中可以看出，花崗閃長巖和二長花崗巖落入火山弧+同碰撞花崗巖（VAG+Sny+COLG）和火山弧花崗巖（VAG）區(qū)域內(nèi)，表明巖石與火山弧+同碰撞花崗巖的親緣性。現(xiàn)階段利用花崗巖構(gòu)造判別圖解來研究花崗巖形成的構(gòu)造環(huán)境通常具有一定的多解性，并且花崗巖類研究的許多理論和判別圖解思路來源于玄武巖的研究成果［47］，因而對于研究花崗巖的形成構(gòu)造環(huán)境和背景，應(yīng)在巖石地球化學(xué)特征研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合整個區(qū)域的構(gòu)造演化歷史來進行綜合分析，才能得出正確可信的結(jié)論［48］。

圖13 （a）新場巖體Y-Nb圖解；（b）新場巖體Y+Nb-Rb圖解（據(jù)Pearce，et al.［23］）Fig.13（a）Y-Nb diagrams of Xinchang pluton；（b）Y+Nb-Rb diagrams of Xinchang pluton（After Pearce，et al.［23］）

前人研究表明，中亞造山帶（古亞洲洋）自石炭紀—三疊紀由西向東呈現(xiàn)為“剪刀式”閉合的特征［50-51］。北山造山帶位于天山造山帶和興蒙造山帶的交界處，對該地區(qū)最終造山作用的時限存在著較大爭議。事實上，北山南北兩帶具有不同的構(gòu)造演化歷史，因而這兩個帶的碰撞造山作用可能并不是等時的。在大地構(gòu)造位置上，新場花崗巖體位于塔里木板塊的敦煌地塊北緣，北山最南部的輝銅山-帳房山蛇綠巖帶（音凹峽蛇綠巖帶）南側(cè)，其為一晚古生代蛇綠巖帶［15］，該蛇綠巖帶也是被廣大學(xué)者早就認可的“北山裂谷”帶［16，52-54］，帶內(nèi)廣泛發(fā)育石炭紀—二疊紀裂谷型火山-沉積巖地層。北山地區(qū)由南向北分別發(fā)育有晚元古代、早古生代和晚古生代的增生大陸邊緣，北山西部的東天山地區(qū)也具有相似的特征，反映了古亞洲洋在塔里木—敦煌地塊北緣增生演化的特點。目前越來越多的證據(jù)表明，北山地區(qū)與古亞洲洋閉合有關(guān)的造山作用發(fā)生于二疊紀-早三疊世，這與北山北帶大規(guī)模剪切帶的活動時間245～260 Ma［55］是一致的。因此，對于古亞洲洋構(gòu)造演化而言，本地區(qū)在二疊紀應(yīng)處于俯沖-碰撞造山環(huán)境，新場巖體的巖漿活動即在此構(gòu)造背景下侵入。

4 結(jié)論

1）新場花崗巖為準鋁質(zhì)到弱過鋁質(zhì)，屬鈣堿性系列和高鉀鈣堿性系列。大離子親石元素（LILE）K、Rb、Ba和高場強元素（HFSE）Th呈現(xiàn)富集的特征，而Hf、Zr、Sm、Y及Yb等元素呈現(xiàn)相對虧損的狀態(tài)。輕重稀土分餾明顯，具輕微的Eu異常。

2）新場花崗巖屬于未分異的I型花崗巖，花崗閃長巖和二長花崗巖應(yīng)是同源巖漿不同演化階段的產(chǎn)物，巖漿可能源于巖石圈地幔巖漿作用導(dǎo)致增厚的敦煌地塊北緣下地殼巖石部分熔融源區(qū)，并在上升過程中混染了下地殼物質(zhì)而形成了殼幔混合成因的花崗巖。

3）新場花崗巖體的形成與音凹峽裂谷帶的閉合和古亞洲洋俯沖-碰撞作用有關(guān)，新場花崗巖體的巖漿活動即在此構(gòu)造背景下侵入。