敦煌地块晚志留世石英二长闪长岩的岩石成因及其地质意义
doi: 10.19762/j.cnki.dizhixuebao.2024044
甘保平1,2 ， 唐菊兴1,3 ， 第五春荣4 ， 朱利辉5,6 ， 孙清飞1,2 ， 刘园园1,2
1. 西南交通大学地球科学与工程学院，四川成都， 611756
2. 四川省环青藏高原交通廊道地质灾害生态化防治工程技术研究中心，四川成都， 611756
3. 中国地质科学院矿产资源研究所，深地探测与矿产勘查全国重点实验室，北京， 100037
4. 西北大学地质学系大陆演化与早期生命全国重点实验室，陕西西安， 710069
5. 昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明， 650093
6. 甘肃省地质调查院，甘肃兰州， 730000
基金项目: 本文为国家自然科学基金项目（编号42302054）、中国博士后科学基金会项目（编号2022M712629）和中央高校基本科研业务费项目（编号2682022CX029）联合资助的成果
Petrogenesis and geological significance of the Late Silurian quartz monzodiorite in the Dunhuang block
GAN Baoping1,2 ， TANG Juxing1,3 ， DIWU Chunrong4 ， ZHU Lihui5,6 ， SUN Qingfei1,2 ， LIU Yuanyuan1,2
1. Faculty of Geosciences and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 611756 , China
2. Sichuan Province Engineering Technology Research Center of Ecological Mitigation of Geohazards in Tibet Plateau Transportation Corridors, Chengdu, Sichuan 611756 , China
3. State Key Laboratory of Deep Earth and Mineral Exploration, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037 , China
4. State Key Laboratory of Continental Evolution and Early Life, Department of Geology, Northwest University, Xi'an, Shaanxi 710069 , China
5. Department of Earth Sciences, Kunmig University of Science and Technology, Kunming, Yunnan 650093 , China
6. Geological Survey of Gansu Province, Lanzhou, Gansu 730000 , China
摘要
敦煌地块作为中亚造山带中段最南部的微陆块，其早古生代的岩浆作用成因及其构造演化问题仍未解决，从而限制了对于古亚洲洋南部洋-陆俯冲、增生演化及深部物质循环的全面理解。本文在敦煌地块党河水库东侧的长沙梁地区新识别出了志留纪闪长岩，并对其进行详细的岩石学、锆石U-Pb年代学、全岩主、微量地球化学和锆石Hf同位素研究。锆石U-Pb定年结果显示，长沙梁石英二长闪长岩形成年龄为428~426 Ma。地球化学组成揭示，石英二长闪长岩相对富钠（K2O/Na2O=0.84~0.99）、高Al2O3(16.5%~17.0%)含量、Mg#（51.5~53.0）值以及低A/CNK（0.96~1.00）值，属于高钾钙碱性准铝质系列；所测试的样品显示出负Eu异常（Eu/Eu*=0.70~0.77），富集大离子亲石元素Rb、Ba和Th等，亏损Nb，Ta和Ti等高场强元素，以及低的Y（16.3×10-6~19.0×10-6）含量和Sr/Y比值（20.3~24.5），具有典型弧岩浆的地球化学特征。锆石Hf同位素结果表明，长沙梁石英二长闪长岩具有负εHf(t)值（-12.0~-2.2）和古老的二阶段模式年龄（TDM2=2136~1525 Ma）。上述特征表明，长沙梁石英二长闪长岩可能是由俯冲沉积物熔体交代上覆地幔楔熔融产生的幔源岩浆，上升并底侵古老玄武质下地壳部分熔融的产物。综合已有研究资料，本研究认为敦煌地块在早古生代时期强烈卷入中亚造山带南部相关的造山事件使其地壳发生活化，进而产生了不同成分、多阶段的弧岩浆作用事件，并处于古亚洲洋向敦煌地块持续俯冲的陆缘弧环境。
Abstract
As a key microcontinental block/terrane in the southernmost Central Asian Orogenic Belt (CAOB), the Early Paleozoic magmatism genesis and tectonic evolution of the Dunhuang block remain poorly constrained. This gap hinders a comprehensive understanding of the ocean-continent subduction-accretionary evolution of the southern Paleo-Asian Ocean (PAO) and the recycling of deep materials. In this study, we identify Silurian quartz diorites from the Changshaliang area in the eastern Danghe reservoir, located in the central Dunhuang block, NW China. Petrological analysis, zircon U-Pb dating, whole-rock geochemistry, and Hf-in-zircon isotopic data were carried out on the Changshaliang quartz monzodiorite. Zircon U-Pb dating reveals that the quartz diorites were crystallized at ca. 428~426 Ma. Whole-rock geochemical analyses show a high-K calc-alkaline metaluminous series, characterized by sodium-rich composition (K2O/Na2O=0.84~0.99), high Al2O3 (16.5%~17.0%) and Mg# (51.5~53.0), and low A/CNK ratios (0.96~1.00). Hf-in-zircon isotopes display a wide range of negative εHf(t) values (-12.0 to -2.2) and Paleoproterozoic two-stage model ages (2136~1525 Ma). These geochemical and isotopic characteristics suggest that the Changshaliang quartz monzodiorites originated through melting of a mantle wedge that had been metasomatized by subduction-related sediment melts, which subsequently triggered remelting of Paleoproterozoic lower crustal materials. Our findings, combined with existing research results, indicate that the Dunhuang block was strongly involved in the Early Paleozoic orogenic events along the southern CAOB. These processes contributed to a significant crustal modification and reactivation, generating multi-stage magmatism with diverse compositions. The block was situated in an active continental margin arc environment during this period, with continuous subduction of the Paleo-Asian Ocean beneath the Dunhuang block.
中亚造山带位于西伯利亚克拉通和华北-塔里木克拉之间，是显生宙以来世界范围内最为显著的增生型造山带（Jahn et al.，2000; Wang Tao et al.，2023a），主要由微陆块/地体和各种新生的构造单元（洋岛、海山、岛弧、蛇绿岩和增生杂岩体等）组成，具有长期、复杂的构造演化历史（图1a；Şengör et al.，1993; Windly et al.，2007; Xiao Wenjiao et al.，2010，2015）。研究表明，中亚造山带内存在大量由前寒武纪变质结晶基底和沉积盖层组成的古老微陆块，在显生宙时期卷入与中亚造山带相关的增生造山活动中，大多经历了角闪岩相甚至麻粒岩相的高级变质作用；同时，这些不同类型的微陆块强烈遭受了造山带造山活动的影响，使其岩石圈发生显著的活化与改造，产生了广泛的岩浆-变质构造热事件，更重要的是记录了古亚洲洋俯冲、拼贴及汇聚等重要地质演化信息（Kröner et al.，2017; Zhou Jianbo et al.，2018；Huang He et al.，2020；Wang Tao et al.，2023b）。
敦煌地块位于中亚造山带中段的最南部，特提斯构造域和古亚洲洋构造域的衔接部位，其构造归属长期以来存在争议。部分研究者基于对前寒武纪基底岩石年代学和锆石Hf同位素组成的研究，认为其属于塔里木克拉通（孟繁聪等，2011；He Zhenyu et al.，2013；Zong Keqing et al.，2013; Long Xiaoping et al.，2014）或华北克拉通的组成部分（Zhang Jianxin et al.，2013）。任纪舜等（1999）提出敦煌地块为卷入海西期天山-兴安造山带中具有前寒武纪变质结晶基底的独立微陆块。近些年随着研究的越来越深入，众多研究者从敦煌地块前寒武纪岩石单元中识别出了大量的古生代岩浆岩，并对其进行了年代学、地球化学及同位素组成等方面的研究，认为敦煌地块在古生代时期遭受了古大洋俯冲-闭合事件的强烈影响，使其地壳发生了再活化，产生了广泛的岩浆-变质构造热事件（王楠等，2016a，2016b; Wang Hao et al.，2016; Feng Lamei et al.，2020; Gan Baoping et al.，2020，2021，2023a，2023b; Zhu Tao et al.，2020；石梦岩等，2021；Zhang Qian et al.，2022; 康磊等，2023）。
相比于晚古生代，敦煌地块早古生代岩浆岩出露面积较大，大体呈北东-南西向展布，岩石类型多样，主要集中在北部梁湖地区以及中部党河水库西段（图1b）。目前，对其形成机制和构造背景存在不同的认识。如517~473 Ma梁湖I型花岗质岩石、火山岩系和埃达克质岩石的形成于与洋壳俯冲消减有关的活动陆缘弧环境，源区有俯冲流体的显著加入（Gan Baoping et al.，2020; 康磊等，2023）；~440 Ma党河水库花岗质岩石被认为是南部红柳河缝合带和阿尔金北缘红柳沟-拉配泉俯冲碰撞杂岩带所引发加厚下地壳熔融形成的（张志诚等，2009）；~430 Ma梁湖和多坝沟地区的同碰撞型花岗质弧岩浆是壳幔相互作用的产物，形成于与古亚洲洋俯冲相关的活动陆缘弧环境（王楠等，2016b; Zhu Tao et al.，2020; Gan Baoping et al.，2021）；~455 Ma梁湖弧后型变基性岩和~430 Ma 沙枣园S型花岗岩形成于超俯冲带弧后盆地（地壳减薄）的构造背景，类似于Cascadian型活动大陆边缘演化体系，其中变基性岩起源于岩石圈地幔的部分熔融，未受到俯冲组分的影响（Soldner et al.，2022）。可见，造成这些不同争议的关键在于对古生代岩浆岩的成因机制和源区属性认识尚不清晰，这很大程度上制约了人们对敦煌地块古生代岩浆壳幔相互作用及构造演化的深入探究。
敦煌地块党河水库东段的长沙梁地区，因交通不便且第四系沙漠覆盖严重，特别是相关岩浆岩的年代学、岩石学和地球化学等方面的系统研究相对薄弱，导致了对敦煌地块早古生代深部物质组成、循环及区域岩浆-构造演化的全面理解。笔者在党河水库东侧长沙梁北部新识别出了侵位于晚志留世（428~426 Ma）的闪长岩，本文在详细的野外调查的基础上，对长沙梁地区的闪长岩样品进行了岩石学、锆石U-Pb年代学、地球化学和锆石Hf同位素分析，阐明其岩石成因和构造背景，为敦煌地块早古生代弧岩浆-构造演化研究提供新线索。
1 地质概况
敦煌地块位于塔里木地块的东北部，北邻天山-北山造山带，南部为祁连造山带，东部与华北克拉通（或阿拉善地块）相邻（图1a）。研究区主要受控于西北侧且末-星星峡断裂、南侧阿尔金左行走滑断裂带以及区内次级的三危山断裂，整体上呈带状展布。敦煌地块主要由前寒武纪岩石单元（TTG岩系、花岗质岩石、变基性岩和表壳岩系）和古生代岩石单元（岩浆岩、变质岩和沉积岩）组成（图1a、b），特别是其中的古生代岩浆岩广泛出露于整个敦煌地区，岩石类型组合较为丰富，呈北东-南西向展布，时代跨度范围较大，大致从寒武纪持续到晚二叠世（张志诚等，2009；王楠等，2016a，2016b; Zhao Yan et al.，2016，2017; Zhu Tao et al.，2020; Gan Baoping et al.，2020，2021，2023a，2023b; Wang Hao et al.，2022）。冯志硕等（2010）报道了敦煌地块三危山地区出露有大量的辉绿岩脉，侵入前寒武纪TTG岩石和表壳岩中，K-Ar年代学结果显示其形成为136~100 Ma，可能与区域上早白垩世岩石圈的减薄和软流圈的上涌有关。此外，Feng Lamei et al.（2018）通过对敦煌地块中部青石山地区的古生代杂岩体进行了年代学和矿物学的研究，表明敦煌地块经历了早泥盆世和早三叠世两期构造变形事件，晚期年龄记录了敦煌地区的右旋走滑变形构造事件，属于后碰撞造山活动。
2 野外地质及样品描述
研究区位于敦煌党河水库东侧的长沙梁地区，该区岩石出露主要以中酸性岩浆岩为主，大部分与前寒武纪岩石呈侵入接触关系（图1b）。长沙梁北西侧出露有少量的角闪辉长岩出露，可能形成于元古宙（甘肃省地质矿产局，1996❶）。区内还发育基性岩脉、花岗伟晶岩脉、斜长角闪岩和石英脉。本研究中的闪长岩岩体位于鸣沙山南侧，长沙梁东北方向约5 km处，该岩体出露面积约为8~9 km2，呈岩株状产出，近东西向展布。前人将其划分为古元古代党河水库片麻岩体单元，其原岩为花岗闪长岩（甘肃省地质矿产局，1996❶）。南侧主要为红色二长花岗岩，二者呈渐变过渡接触，北侧被第四系沙漠所覆盖（图1b）。此外，该岩体中出露多期次、宽度不等的石英脉、伟晶岩脉和少量的包体，暗色矿物大致呈116°展布（图2a、b）。
图1中亚造山带及研究区大地构造位置简图（a，据Gan Baoping et al.，2020修改）；敦煌地块地质简图（b，图中早古生代花岗质岩石年龄数据张志诚等，2009；王楠等，2016a，2016b；Zhao Yan et al.，2017；Gan Baoping et al.，2020，2021，2023a）
Fig.1Schematic tectonic map of the Central Asian Orogenic Belt and study area (a, modified after Gan Baoping et al., 2020) ; simplified geological map of the Dunhuang block (b, the age data of the Early Paleozoic granitic rocks are from Zhang Zhicheng et al., 2009; Wang Nan et al., 2016a, 2016b; Zhao Yan et al., 2017; Gan Baoping et al., 2020, 2021, 2023a)
本文所采集的五件闪长岩样品的GPS坐标分别为N39°57′02.56″，E94°35′00.92″（CSL20，CSL21）和N39°57′00.86″，E94°35′11.65″（CSL28，CSL29，CSL30）（图1b）。岩石新鲜面呈灰黑色，中粗粒结构，块状构造，主要由斜长石（45%~55%）、钾长石（5%~10%）、角闪石（10%~15%）、黑云母（5%~10%）、石英（5%~10%），副矿物主要有锆石、磷灰石、榍石和磁铁矿等。角闪石呈他形、不规则状发育，大多数蚀变为绿泥石；斜长石多呈半自形板状，可见聚片双晶，局部发生绢云母化；石英呈不规则状，充填于斜长石和暗色矿物颗粒之间；黑云母和角闪石发育于斜长石裂隙中，表明二者的结晶时间较早（图2c、d）。
图2敦煌地块长沙梁闪长岩岩体野外地质特征（a、b）及显微镜下照片（c、d）
Fig.2Representative field photos (a, b) and photomicrographs (c, d) of the Changshaliang diorite pluton in the Dunhuang block
（a）—侵入到石英二长闪长岩中的花岗质伟晶岩脉；（b）—石英二长闪长岩中的暗色矿物走向约为116°；（c、d）—石英二长闪长岩正交偏光显微照片，其中斜长石发育聚片双晶，钾长石发育卡纳双晶；Hbl—角闪石；Kfs—钾长石；Pl—斜长石；Bt—黑云母；Qtz—石英
(a) —granitic pegmatite veins in quartz monzodiorite, varying in width; (b) —the strike of the dark minerals within quartz monzondiorite is about 116°; (c, d) —crossed-polarized light micrograph of quartz monzondiorite, plagioclase and potassium feldspar in the quartz monzodiorite are characterized by polysynthetic twin and carlsbad twin, respectively; Hbl—hornblende; Kfs—K-feldspar; Pl—plagioclase; Bt—biotite; Qtz—quartz
3 分析方法
本研究中的锆石单矿物分选在河北省廊坊宇能岩石矿物分选技术服务有限公司实验室完成，采用常规重选和磁选方法分选，最后在双目镜下进行挑纯。首先将挑选出来的代表性锆石颗粒置于环氧树脂中凝固后，进行抛光，最后再利用超声波在纯净水中进行清洗，并去除样品表面的污染物。锆石阴极发光（CL）图像拍摄、U-Pb测年、Lu-Hf同位素及全岩主微量分析测试均在西北大学大陆演化与早期生命全国重点实验室完成。
锆石U-Pb定年分析在激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）上完成，其中激光剥蚀系统为193nm ArF-excimer激光器（Geolas 2005），ICP-MS为安捷伦公司的Agilent 7500a ICP-MS，分析时采用激光剥蚀斑束为32 μm，激光脉冲为6 Hz，能量为10 mJ/cm2。年龄计算以标准锆石91500为外标进行同位素比值分馏校正，元素浓度计算采用NIST610为外标，29Si为内标（Liu Xiaoming et al.，2007）。
锆石Lu-Hf同位素分析测试在英国Nu公司生产的型号为Nu Plasma HR多接收电感耦合等离子体质谱仪（MC-ICP-MS）上完成，其中的激光剥蚀系统是193nm 准分子激光剥蚀系统，激光能量密度为6 J/cm2，频率为5 Hz，斑束为43 μm，载气为高纯氦气，为280 mL/min。Lu-Hf同位素分析采用多接收等离子体质谱（Nu PlasmaⅡ MC-ICP-MS），Lu-Hf同位素分馏校正采用指数法则计算，采用176Lu/175Lu=0.02656和176Yb/173Yb=0.78696比值扣除176Lu和176Yb对176Hf的干扰，获得准确的176Hf信号值。Hf和Lu同位素比值采用179Hf/177Hf=0.7325进行仪器质量歧视效应校正，Yb同位素比值采用173Yb/171Yb=1.12346进行仪器质量歧视效应校正，其详细的分析方法和仪器参数分别见 Yuan Honglin et al.（2008） 和 Bao Zhian et al.（2023）。
主量元素分析在X射线荧光光谱仪（XRF，Rugaku RIX 2100）上测定，分析相对误差一般低于5%。微量元素分析用Agilent 7500a电感耦合等离子体质谱仪测试，样品测试中用国际标样BCR-2、BHVO-1和AGV-1作为外标进行校正，分析精度和准确度一般优于10%，其详细的分析流程见刘晔等（2007）。
4 分析结果
4.1 年代学结果
本文共选取两件石英二长闪长岩（CSL20和CSL28）进行锆石单矿物颗粒挑选和LA-ICP-MS锆石年代学分析测试，其锆石U-Pb分析结果见表1。
长沙梁石英二长闪长岩中的锆石颗粒大部分呈半自形—自形晶，多呈长轴状，少数呈断头晶出现，锆石颗粒粒径多为50~150 μm，长宽比约为3∶1~1∶1。CL图像中（图3a、b），绝大多数锆石显示清晰岩浆型锆石的振荡环带特征。样品CSL20具有变化范围较大的Th（134×10-6~942×10-6）和高U（455×10-6~2451×10-6）含量，Th/U比值介于0.15~0.58之间，所获得的18个分析点的206Pb/238U 年龄介于442±9~414±8 Ma之间，其加权平均年龄为428±5 Ma（MSWD=1.18，n=18）（图3c、d），代表石英二长闪长岩的结晶年龄。与CSL20相比，样品CSL28具有中等的Th（73×10-6~735×10-6）和变化范围大的U（101×10-6~1913×10-6）含量，Th/U比值介于0.14~0.75之间，所获得的17个分析点的206Pb/238U 年龄介于438±8~418±8 Ma之间，加权平均年龄为426±4 Ma（MSWD=0.45，n= 17）（图3e、f），代表石英二长闪长岩的结晶年龄。
4.2 全岩主、微量元素地球化学特征
本文对所采集的五件长沙梁闪长岩样品进行了主、微量地球化学组成分析，其分析结果见表2。长沙梁志留纪闪长岩具有中等、均一的SiO2（61.2%~62.6%），高Al2O3（16.5%~17.0%），TFe2O3（5.43%~5.81%）和全碱（Na2O+K2O=5.36%~5.75%）含量；中等MgO（2.61%~2.75%）含量以及高Mg#值（51.5~53.0）；低的TiO2（0.81%~0.92%），CaO（5.04%~5.40%），P2O5（~0.22%）含量，相对富钠（K2O/Na2O=0.84~0.99）。在Q-A-P图解中（图4a），所有的样品位于石英二长闪长（或辉长）岩区域，结合镜下矿物组合特征，本文将其命名为石英二长闪长岩。在SiO2-K2O（图4b）图解中，所有的石英二长闪长岩样品属于高钾钙碱性岩石系列。在A/NK-A/CNK图解中（图4c），石英二长闪长岩样品具有低的A/CNK值（0.96~1.00），样品点落入准铝质到弱过铝质区域。因此，这些石英二长闪长岩属于高钾钙碱性、准铝质岩石系列。
图3敦煌地块长沙梁石英二长闪长岩代表性锆石CL图像（a、b）、U-Pb年龄谐和图（c~f）
Fig.3Cathodoluminescence (CL) images of representative zircon (a, b) and U-Pb age concordant diagrams (c~f) of the Changshaliang quartz monzodiorites in the Dunhuang block
表1敦煌地块长沙梁石英二长闪长岩锆石LA-ICP-MS U-Pb同位素测试结果
Table1LA-ICP-MS zircon U-Pb analytical results for the Changshaliang quartz monzodiorite in the Dunhuang block
在球粒陨石标准化稀土元素配分图解上（图5a），这些样品具有相对高的总稀土元素含量（∑REE=201×10-6~249×10-6），轻稀土元素相对富集，重稀土元素含量较低（∑LREE/∑HREE=13.7~15.7），（La/Yb）N=22.5~27.2，负Eu异常（Eu/Eu*=0.70~0.77）。在原始地幔标准化微量元素蛛网图中（图5b），长沙梁石英二长闪长岩显示富集大离子亲石元素（如Ba、Rb和K等），不同程度亏损Nb，Ta和Ti等高场强元素的特征，与岛弧岩浆具有亲缘性。此外，这些样品还具有相对高的Sr（364×10-6~399×10-6），低的Y（16.3×10-6~19.0×10-6）和Sr/Y比值（20.3~24.5），且锆饱和温度（TZr）范围为809~790℃。
图4Q-A-P图解（a，据Maniar and Piccoli，1989）；K2O-SiO2图解（b，据Peccerillo and Taylor，1976）；A/NK-A/CNK图解（c，据 Maniar and Piccoli，1989）；党河水库和沙枣园岩体数据引自张志诚等（2009）和王楠等（2016a）
Fig.4Q-A-P diagram (a, after Maniar and Piccoli, 1989) ; K2O vs. SiO2 diagram (b, after Peccerillo and Taylor, 1976) ; A/NK vs. A/CNK diagram (c, after Maniar and Piccoli, 1989) ; the data of the Danghe reservoir and Shazaoyuan plutons are from Zhang Zhicheng et al. (2009) and Wang Nan et al. (2016a)
图5敦煌地块长沙梁石英二长闪长岩球粒陨石标准化稀土元素配分图（a）和原始地幔标准化微量元素蛛网图（b）（标准化数值据 Sun and McDonough，1989）（数据来源同图4）
Fig.5Chondrite-normalized rare earth element distribution patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element diagram (b) for the Changshaliang quartz monzodiorite in the Dunhuang block (normalization values from Sun and McDonough, 1989) (the same data sources as Fig.4)
4.3 锆石Hf同位素
本文对上述两件测年的石英二长闪长岩样品（CSL20和CSL28）进行了锆石原位微区Lu-Hf同位素分析，其分析结果见表3和图6。表中所计算的初始176Hf/177Hf同位素比值、εHf（t）值、单阶段模式年龄（TDM）及二阶段模式年龄（TDM2）均采用上述锆石各自的结晶年龄。
所测样品CSL20中的15颗锆石的 176Yb/177Hf和176Lu/177Hf比值范围分别为0.023455~0.062810和0.000624~0.001542，初始176Hf/177Hf比值介于0.282237~0.282390之间，εHf（t）值介于-9.8~-4.4之间，对应的TDM2值为2005~1667 Ma，平均为1823 Ma。
表2敦煌地块长沙梁石英二长闪长岩主（%）、微量（×10-6）元素分析结果表
Table2Analytical results of major (%) and trace (×10-6) elements of the Changshaliang quartz monzodiorites in the Dunhuang block
注：A/NK=Al2O3/（CaO+Na2O）摩尔比；A/CNK=Al2O3/（CaO+Na2O+K2O）摩尔比；Mg#=Mg/（Mg+Fe）摩尔比；Eu/Eu*=EuN/Sqrt（SmN+GdN），N代表球粒陨石标准化。
表3敦煌地块长沙梁石英二长闪长岩锆石Lu-Hf同位素组成分析结果表
Table3Analytical results of zircon Lu-Hf isotope compositions of the Changshaliang quartz monzodiorites in the Dunhuang block
续表3
图6敦煌地块长沙梁石英二长闪长岩Hf同位素图解（a、b）
Fig.6Hf isotopic diagrams (a, b) for the Changshaliang quartz monzodiorites in the Dunhuang block
所测样品CSL28中的14颗锆石的 176Yb/177Hf和176Lu/177Hf比值范围分别为0.002209~0.039999和0.000040~0.001081，初始176Hf/177Hf比值介于0.282178~0.282454之间，εHf（t）值介于-12.0~-2.2之间，对应的TDM2值为2136~1525 Ma，平均为1869 Ma。
5 讨论
5.1 形成时代
敦煌地块早古生代花岗岩类岩石主要出露在东北部梁湖、三危山、党河水库、多坝沟以及南部安盆沟地区，其中党河水库地区出露大面积的花岗质岩体（图1c），但关于区内的花岗质岩浆作用时限缺乏有效约束。张志诚等（2009）通过对党河水库岩体中的花岗闪长岩进行锆石U-Pb年代学和地球化学组成研究，表明这些岩石属于TTG岩石系列，为过铝质、钠质I型花岗岩类，形成年龄为440±12 Ma。王楠等（2016a）对党河水库地区的I型花岗岩体和沙枣园S型花岗岩开展了锆石U-Pb年代学测试，形成年龄分别为462~438 Ma和457~434 Ma，并且这些岩体中含有中-新元古代和寒武纪的继承或捕获锆石年龄，表明党河水库地区可能存在古老基底。党河水库西侧南湖地区的花岗闪长岩的锆石U-Pb年龄为415±2 Ma（Zhao Yan et al.，2017）。本文中党河水库东部长沙梁地区两件石英二长闪长岩样品的锆石U-Pb年龄分别为428±5 Ma 和426±4 Ma，并非之前所认为的形成于元古宙（甘肃省地质矿产局，1996❶）。同时结合前人已发表的年代学结果，本文认为敦煌地块中部党河水库—长沙梁地区至少存在奥陶纪和志留纪两期岩浆作用事件。
5.2 岩石成因
长沙梁石英二长闪长岩中所测锆石的176Lu/177Hf比值介于0.000040~0.001542之间，明显小于0.002，表明由176Lu衰变形成的放射性成因177Hf同位素的积累很小，可以忽略不计，实际测得176Hf/177Hf的值可代表锆石形成时的初始Hf同位素组成，从而能为讨论岩石的源区性质和岩浆过程提供重要信息。本文中所测样品的锆石Hf同位素组成具有较大的变化范围，εHf（t）值变化幅度可达10个ε单位（-12.0~-2.2）（图7），这种不均一性的特征可能是由不同性质的岩浆混合（Belousova et al.，2006; Kemp et al.，2007）或不平衡熔融（Tang Ming et al.，2014）或继承锆石Hf扩散导致（Zhang Chen et al.，2020）。由于锆石的Hf同位素比值不会随着部分熔融或分离结晶过程的变化而改变，结合石英二长闪长岩中未发现继承性锆石，故排除了不平衡熔融作用和源岩锆石的继承模型所引起的Hf同位素不均一性（Guo Chunli et al.，2020）。长沙梁闪长岩中锆石Hf同位素不均一性特征可能表明其岩浆源区并非由单一源区组分组成，推测可能是壳、幔岩浆相互作用的结果（Griffin et al.，2002; Yang Jinghui et al.，2007; Guo Chunli et al.，2020）。此外，长沙梁闪长岩与同时期党河水库岩体、沙枣园岩体及南部安盆沟岩体具有相类似的古元古代模式年龄（王楠等，2016a，2016b；Zhao Yan et al.，2017），表明其石英二长闪长岩来源于古老地壳物质，且有幔源组分加入。前人研究揭示，敦煌地块党河水库东部的三危山地区和南部红柳峡地区均有前寒武纪杂岩体出露（He Zhenyu et al.，2013; Zong Keqing et al.，2013; Zhang Jianxin et al.，2013; Wang Zongmei et al.，2013; Zhao Yan et al.，2016，2020），这些前寒武纪岩石可能为党河地区早古生代花岗质杂岩体提供了源区物质。
实验岩石学表明，玄武质下地壳岩石或单纯的基性岩石部分熔融形成的熔体通常具有低的Mg#值（＜45），而由原生幔源岩浆产生的熔体具有高的Mg#值（＞60; Rapp and Watson，1995; Rapp et al.，1999）。长沙梁石英闪长岩具有中等MgO（2.61%~2.75%）、高的Mg#值（51.5~53.0＞45）、Cr（46.7×10-6~51.4×10-6）和Ni（14.8×10-6~17.5×10-6）含量，与幔源岩浆分离结晶的特征不相符，表明其源区有幔源物质的贡献（Gao Shan et al.，2004）。野外地质观测表明，区内未发现大规模同时期与闪长岩伴生的镁铁质岩石，也排除了石英二长闪长岩来源于幔源岩浆分离结晶的可能性。在微量元素地球化学图解中（图5），长沙梁石英二长闪长岩具有负Eu和Sr异常，说明源区有斜长石的残留，推测其形成压力可能为1.0~1.3 GPa（Qian and Hermann，2013）。此外，长沙梁石英二长闪长岩Rb/Sr比值为0.29~0.32，平均为0.30，介于原始地幔（Rb/Sr＜0.05）和壳源岩浆（Rb/Sr ＞ 0.5; Taylor and McLennan，1985）之间，反映了具有壳幔相互作用的特征。样品的Nb/Ta比值为11.5~18.6（平均为15.7），高于地壳平均值（Nb/Ta=11~12; Barth et al.，2000），略低于原始地幔（Nb/Ta=17.5；Sun and McDonough，1989），指示其岩浆源区伴有幔源物质的混入。此外，在（Al2O3+TFeO+MgO+TiO2）-Al2O3/（TFeO+MgO+TiO2）图解中（图8a），表明长沙梁石英二长闪长岩来源于角闪石熔融，相当于基性或者镁铁质下地壳的成分。在Al2O3/（MgO+TFeO）vs. CaO/（MgO+TFeO）图解中（图8b），表明这些样品起源于变玄武岩源区部分熔融。需要注意的是，党河水库地区发育有同时期（中奥陶世—早志留世）的I型和S型两种不同岩石成因类型的花岗岩，其中的党河水库I型花岗岩形成时有大量的幔源物质贡献，而S型花岗岩主要来源于古元古代地壳物质（王楠等，2016a），两者同时存在表明敦煌地块志留纪花岗质岩浆可能是幔源物质与壳源物质相互作用的结果（Zhu Dicheng et al.，2009）。同时，野外地质调查表明长沙梁岩体中局部出露有少量斜长角闪岩捕掳体及基性岩脉，也指示有一定程度幔源物质的混入。
图7敦煌地块早古生代花岗岩类Hf同位素组成（a、b）（敦煌地块前寒武纪TTG岩石数据引自Zhang Jianxin et al.，2013; Zong Keqing et al.，2013; Zhao Yan et al.，2015; 赵燕等，2015；其他早古生代花岗岩类数据引自王楠等，2016a，2016b; Zhao Yan et al.，2017; Zhu Tao et al.，2020; Gan Baoping et al.，2020，2021）
Fig.7Zircon Hf isotope compositions for the Early Paleozoic in the Dunhuang block (a, b) (the data of the Precambrian TTG rocks are from Zhang Jianxin et al., 2013; Zong Keqing et al., 2013; Zhao Yan et al., 2015; the data of the Paleozoic granitoids are from Wang Nan et al., 2016a, 2016b; Zhao Yan et al., 2017; Zhu Tao et al., 2020; Gan Baoping et al., 2020, 2021)
Ba、Th和REE等活动性元素在俯冲板片流体和沉积物熔体间具有不同的地球化学行为，这些元素比值能够有效鉴别岩浆源区是否遭受过熔体和流体交代的影响（Elliott et al.，1997）。长沙梁石英二长闪长岩具有高的Th/Yb（11.9~14.2）和Ba/La（10.5~15.7）比值，表明岩浆源区经历了俯冲沉积物熔体的交代作用（图8c）。在Th-Ba/Th图解中（图8d），这些闪长岩样品也同样揭示了岩浆源区遭受了俯冲沉积物熔体的改造，而受板片熔体的影响较弱。长沙梁石英二长闪长岩具有高的Th/La（0.34~0.38＞0.2）和Th/Yb（11.9~14.2＞2）比值，表明俯冲沉积物熔体对岩浆源区具有显著的贡献（Woodhead et al.，2001; Plank，2005）。研究表明，放射性成因Hf-Nd同位素组成通常在岩浆部分熔融的过程中是耦合的，因为它们具有相似的地球化学行为（Hoffmann et al.，2011）。然而，对于俯冲带的岩浆而言，在含水流体、熔体中元素Nd相对于Hf具有更高的活动性，从而导致Nd-Hf同位素显示解耦特征（Choi and Mukasa，2012；Yu Yang et al.，2017）。敦煌地块东北部梁湖奥陶纪石英闪长岩（εNd（t）=-1.3~-3.2；εHf（t）=+3.8~+8.0）和志留纪二长花岗岩（εNd（t）=-3.6；εHf（t）=-2.4~+3.1）的Hf-Nd同位素解耦特征揭示俯冲板片熔体和沉积物对这些花岗质岩浆的形成起了重要贡献（Gan Baoping et al.，2021）。这些认识与三危山地区出露的奥陶纪—志留纪中酸性弧岩浆的成因机制相一致，即这些早古生代弧岩浆的形成均与俯冲沉积物熔体熔融相关（石梦岩等，2021）。
图8Al2O3/（TFeO+MgO+TiO2）-（Al2O3+TFeO+MgO+TiO2）图解（a，据Douce，1999）；Al2O3/（MgO+TFeO）vs.CaO/（MgO+TFeO）图解（b，据 Alther et al.，2000）；Th/Yb-Ba/La 图解（c，据Woodhead et al.，2001）； Ba/Th-Th图解（d）（数据来源同图4）
Fig.8Al2O3/ (TFeO+MgO+TiO2) - (Al2O3+TFeO+MgO+TiO2) diagram (a, after Douce, 1999) ； Al2O3/ (MgO+TFeO) vs. CaO/ (MgO+TFeO) diagram (b, after Alther et al., 2000) ； Th/Yb-Ba/La diagram (c, after Woodhead et al., 2001) ; Ba/Th-Th diagram (d) (the same data sources as Fig.4)
综上所述，本研究认为敦煌地块长沙梁志留纪石英二长闪长岩可能是俯冲沉积物熔体交代弧下地幔楔使其发生部分熔融，形成的幔源岩浆上侵并诱发古老下地壳部分熔融所形成的。
5.3 构造背景及地质意义
近些年，研究者们对敦煌地块出露的古生代岩浆岩进行了系统的年代学、地球化学及同位素组分析研究，认为这些杂岩体记录了古亚洲洋-陆俯冲、增生、闭合等重要地质信息，对于深入理解古老造山带过程中的岩浆作用类型及区域构造演化具有重要指示意义（Wang Hao et al.，2016; Zhao Yan et al.，2017; Gan Baoping et al.，2020，2021，2023a，2023b; Zhu Tao et al.，2020；康磊等，2023）。本文中的石英二长闪长岩总体上富钠，具有准铝质、高钾钙碱性花岗岩特征（图4b、c）。微量元素地球化学组成显示（图5），这些样品明显富集轻稀土和大离子亲石元素（如Rb、Ba和Sr），亏损高场强元素（如Nb、Ta、Ti），具有与俯冲带相关的弧岩浆相似的地球化学特征（Kelemenp et al.，1993）。在Y-Nb和Yb+Nb-Rb图解中（图9），所有的样品点分别位于火山弧+同碰撞和火山弧花岗岩区域，表明长沙梁石英二长闪长岩形成于岛弧或活动大陆边缘的构造环境。此外，长沙梁石英二长岩具有高的La/Nb（2.85~3.72）和Th/Ta（15~21）比值，与活动大陆边缘地区的火成岩La/Nb（＞2; Salter and Hart，1991）和Th/Ta（6~20; Gorton and Schandl，2000）相类似，进一步支持长沙梁志留纪闪长岩形成于与俯冲相关的陆缘弧构造背景。
值得注意的是，敦煌地块中部蘑菇台地区及南部红柳峡—青石沟地区出露一些奥陶纪—泥盆纪时期的变质基性岩（如榴辉岩、基性麻粒岩、石榴子石角闪岩、斜长角闪岩），大部分记录了顺时针的变质作用P-T-t演化轨迹，被认为是卷入到了古生代俯冲-增生造山过程中的外来岩块，代表了俯冲隧道内俯冲至不同深度的变质作用产物（Wang Hao et al.，2016，2017，2022; 范文寿等，2018），被认为可能与北山地区柳园洋（古亚洲洋的一个分支）的南向俯冲有关（Wang Hao et al.，2016）。Soldner et al.（2022） 基于对敦煌北部早古生代变基性岩和变沉积岩的系统研究，揭示敦煌地块在520~440 Ma经历了连续的俯冲和伸展作用，并伴随有高温变质作用，之后在430~420 Ma可能发生大陆碰撞相关的地壳加厚事件（Zong Keqing et al.，2012；He Zhenyu et al.，2014），其构造演化类似于现今北美Cascadia-type活动陆缘演化特征。此外，通过整理敦煌地块古生代岩浆岩的Nd-Hf同位素组成揭示其地壳具有显著的不均一性，即北部梁湖地区以新生地壳为主，南部红柳峡地区以古老地壳为主（Gan Baoping et al.，2023b; 甘保平等，2024）。同时，这些早古生代岩石主要为钙碱性、准铝质—弱过铝质I型花岗质岩石为主，大多数岩石具有低的源区温度（＜800℃），且弧岩浆成分随时间的变化从北部梁湖地区的不成熟弧壳（拉斑玄武质系列）逐渐转变为南部红柳峡地区的成熟弧壳（高钾高碱性系列）（康磊等，2023；甘保平等，2024）。更重要的是，这些岩浆岩的时空组合类型和化学组分与美洲大陆西部的科迪勒拉-安第斯型陆缘弧（Ducea et al.，2015; Chapman et al.，2017）以及冈底斯岩浆岩带（孟元库等，2022）的演化特征相似。这些证据表明敦煌地块中寒武世到志留纪时期处于俯冲背景下的陆缘造山阶段，整体上可能处于挤压的构造环境。本研究中的长沙梁地区晚志留世石英二长闪长岩是在古亚洲洋南部俯冲增生过程中俯冲沉积物熔体交代弧下地幔楔形成的玄武质岩浆，底侵下地壳使其发生熔融的产物，记录了中亚造山带中段最南部志留纪时期壳幔相互作用的过程。结合区域地质和前人已发表的年代学和同位素地球化学数据，敦煌地块在早古生代时期参与并强烈卷入了中亚造山带南部相关造山事件中，遭受了与古亚洲洋俯冲相关的弧岩浆底侵、壳幔物质循环及区域性变质作用等机制使其地壳再活化，产生了分布广泛、多期次不同成分的陆缘弧岩浆。
图9敦煌地块长沙梁石英二长岩的Nb-Y图解（a）和Rb-Y+Nb图解（b）（据Pearce et al.，1984）（数据来源同图4）
Fig.9Nb vs. Y (a) and Rb vs.Y+Nb (b) diagrams of the Changshanliang quartz monzodiorite in the Dunhuang block (after Pearce et al., 1984) （the same data sources as Fig.4）
6 结论
（1）锆石U-Pb年代学结果表明，长沙梁石英闪长岩形成于428~426 Ma，属于晚志留世岩浆作用的产物。
（2）地球化学组成及锆石Hf同位素特征表明，长沙梁石英闪长岩属于准铝质高钾钙碱性岩列系，其岩浆源区物质组成具有不均一的εHf（t）值（-12.0~-2.2）和模式年龄（2136~1525 Ma），是遭受了俯冲沉积物熔体交代弧下地幔楔产生的玄武质岩浆，上升并诱发古老下地壳熔融所形成的。
（3）敦煌地块在早古生代时期卷入了中亚造山带南部相关的造山事件中，并使其地壳发生了显著的活化，产生了分布广泛、成分不同的陆缘弧岩浆。
致谢：感谢两位匿名审稿专家和编辑老师提出的建设性意见和建议。
注释
❶ 甘肃省地质矿产局.1995. 中华人民共和国地质图幅说明书鸣沙山幅（J46E001019）1∶50000.
图1中亚造山带及研究区大地构造位置简图（a，据Gan Baoping et al.，2020修改）；敦煌地块地质简图（b，图中早古生代花岗质岩石年龄数据张志诚等，2009；王楠等，2016a，2016b；Zhao Yan et al.，2017；Gan Baoping et al.，2020，2021，2023a）
Fig.1Schematic tectonic map of the Central Asian Orogenic Belt and study area (a, modified after Gan Baoping et al., 2020) ; simplified geological map of the Dunhuang block (b, the age data of the Early Paleozoic granitic rocks are from Zhang Zhicheng et al., 2009; Wang Nan et al., 2016a, 2016b; Zhao Yan et al., 2017; Gan Baoping et al., 2020, 2021, 2023a)
图2敦煌地块长沙梁闪长岩岩体野外地质特征（a、b）及显微镜下照片（c、d）
Fig.2Representative field photos (a, b) and photomicrographs (c, d) of the Changshaliang diorite pluton in the Dunhuang block
图3敦煌地块长沙梁石英二长闪长岩代表性锆石CL图像（a、b）、U-Pb年龄谐和图（c~f）
Fig.3Cathodoluminescence (CL) images of representative zircon (a, b) and U-Pb age concordant diagrams (c~f) of the Changshaliang quartz monzodiorites in the Dunhuang block
图4Q-A-P图解（a，据Maniar and Piccoli，1989）；K2O-SiO2图解（b，据Peccerillo and Taylor，1976）；A/NK-A/CNK图解（c，据 Maniar and Piccoli，1989）；党河水库和沙枣园岩体数据引自张志诚等（2009）和王楠等（2016a）
Fig.4Q-A-P diagram (a, after Maniar and Piccoli, 1989) ; K2O vs. SiO2 diagram (b, after Peccerillo and Taylor, 1976) ; A/NK vs. A/CNK diagram (c, after Maniar and Piccoli, 1989) ; the data of the Danghe reservoir and Shazaoyuan plutons are from Zhang Zhicheng et al. (2009) and Wang Nan et al. (2016a)
图5敦煌地块长沙梁石英二长闪长岩球粒陨石标准化稀土元素配分图（a）和原始地幔标准化微量元素蛛网图（b）（标准化数值据 Sun and McDonough，1989）（数据来源同图4）
Fig.5Chondrite-normalized rare earth element distribution patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element diagram (b) for the Changshaliang quartz monzodiorite in the Dunhuang block (normalization values from Sun and McDonough, 1989) (the same data sources as Fig.4)
图6敦煌地块长沙梁石英二长闪长岩Hf同位素图解（a、b）
Fig.6Hf isotopic diagrams (a, b) for the Changshaliang quartz monzodiorites in the Dunhuang block
图7敦煌地块早古生代花岗岩类Hf同位素组成（a、b）（敦煌地块前寒武纪TTG岩石数据引自Zhang Jianxin et al.，2013; Zong Keqing et al.，2013; Zhao Yan et al.，2015; 赵燕等，2015；其他早古生代花岗岩类数据引自王楠等，2016a，2016b; Zhao Yan et al.，2017; Zhu Tao et al.，2020; Gan Baoping et al.，2020，2021）
Fig.7Zircon Hf isotope compositions for the Early Paleozoic in the Dunhuang block (a, b) (the data of the Precambrian TTG rocks are from Zhang Jianxin et al., 2013; Zong Keqing et al., 2013; Zhao Yan et al., 2015; the data of the Paleozoic granitoids are from Wang Nan et al., 2016a, 2016b; Zhao Yan et al., 2017; Zhu Tao et al., 2020; Gan Baoping et al., 2020, 2021)
图8Al2O3/（TFeO+MgO+TiO2）-（Al2O3+TFeO+MgO+TiO2）图解（a，据Douce，1999）；Al2O3/（MgO+TFeO）vs.CaO/（MgO+TFeO）图解（b，据 Alther et al.，2000）；Th/Yb-Ba/La 图解（c，据Woodhead et al.，2001）； Ba/Th-Th图解（d）（数据来源同图4）
Fig.8Al2O3/ (TFeO+MgO+TiO2) - (Al2O3+TFeO+MgO+TiO2) diagram (a, after Douce, 1999) ； Al2O3/ (MgO+TFeO) vs. CaO/ (MgO+TFeO) diagram (b, after Alther et al., 2000) ； Th/Yb-Ba/La diagram (c, after Woodhead et al., 2001) ; Ba/Th-Th diagram (d) (the same data sources as Fig.4)
图9敦煌地块长沙梁石英二长岩的Nb-Y图解（a）和Rb-Y+Nb图解（b）（据Pearce et al.，1984）（数据来源同图4）
Fig.9Nb vs. Y (a) and Rb vs.Y+Nb (b) diagrams of the Changshanliang quartz monzodiorite in the Dunhuang block (after Pearce et al., 1984) （the same data sources as Fig.4）
表1敦煌地块长沙梁石英二长闪长岩锆石LA-ICP-MS U-Pb同位素测试结果
Table1LA-ICP-MS zircon U-Pb analytical results for the Changshaliang quartz monzodiorite in the Dunhuang block
表2敦煌地块长沙梁石英二长闪长岩主（%）、微量（×10-6）元素分析结果表
Table2Analytical results of major (%) and trace (×10-6) elements of the Changshaliang quartz monzodiorites in the Dunhuang block
表3敦煌地块长沙梁石英二长闪长岩锆石Lu-Hf同位素组成分析结果表
Table3Analytical results of zircon Lu-Hf isotope compositions of the Changshaliang quartz monzodiorites in the Dunhuang block
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