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0 引言
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中亚造山带构造位置特殊，位于华北板块、塔里木板块和哈萨克斯坦板块的交会部位（图1a），由大量小的构造单元（微陆块、岛弧、洋壳块体、沉积变质块体和增生杂岩体等）经过复杂而漫长的地质作用拼贴而成，是世界上最大的显生宙增生造山带和地壳生长区（Xiao et al.，2010）。北山造山带位于中亚造山带南缘，受古亚洲洋壳与古板块长时期、多阶段俯冲、碰撞和对接作用影响，构造-岩浆活动强烈，成为研究中亚造山带构造演化历史和俯冲增生作用的重要窗口，其在晚古生代—早中生代曾发生过一次碰撞造山作用，与古亚洲洋的最终闭合有关（Xiao et al.，2010；姜洪颖等，2013；卢进才等， 2013；He et al.，2018；赵志雄等，2018；霍明宇等， 2020；王红杰等，2022）。但由于对各时期构造环境归属存在不同认识，特别是对北山地区何时由挤压环境进入伸展环境这一科学问题一直存在较多争议，主要包含以下 5 种观点：（1）在早泥盆世由挤压环境进入伸展环境，徐学义等（2005）认为北山地区在石炭纪—二叠纪已经属于裂谷环境，一些学者通过对区域侵入岩开展研究认为北山洋在早泥盆世之前已经闭合，早泥盆世该区的构造已由挤压体制转变为伸展体制（王怀涛等，2016；陈超等，2020；许海等，2022）。（2）在晚石炭世洋盆闭合进入碰撞作用阶段，在早二叠世晚期进入后碰撞的裂谷伸展发育阶段（张文等，2011；卜涛等，2019；俞胜等， 2022）。（3）在早二叠世仍然存在碰撞作用，到早中二叠世才进入伸展构造背景（李锦轶等，2006；杨镇熙等，2021）。（4）在晚二叠世—早三叠世（255~250 Ma）区域仍处于后碰撞环境，早三叠世晚期（~247 Ma）进入板内伸展构造环境（贺昕宇等，2022）。（5） 北山地区碰撞造山可能持续到早—中三叠世，并在晚三叠世进入造山后伸展环境（孙海瑞等，2020）。该问题制约着对北山地区古亚洲洋最终闭合的约束。
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北山造山带广泛发育古生代不同期次的花岗岩类侵入岩体，类型众多，为揭示甘肃北山造山带构造演化提供了重要信息（王红杰等，2021，2024）。草湖地区位于北山造山带南部，敦煌地块北侧，大泉深大断裂南侧，是研究北山造山带的关键地区，区域广泛发育的晚古生代侵入岩，为探讨北山造山带晚古生代碰撞造山作用过程提供了研究机遇。本文以甘肃北山草湖岩体石英闪长岩作为主要研究对象，通过岩石学、地球化学、锆石 U-Pb 年代学等方面的研究，分析岩石成因，探讨其形成的构造背景，以期为该区晚古生代构造演化提供新的证据。
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1 区域地质概况
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草湖石英闪长岩岩体发育于塔里木板块东北缘北山古生代构造带中，属于北山构造岩浆岩带 （图1b），岩体呈不规则状展布，受次级断裂控制，长轴近北东向（图1c）。岩体周围侵入岩发育，既有来自地幔和地壳不同深度的中深成侵入岩，又有指示火山活动的喷出岩，中深成侵入岩主要为华力西期岩浆岩，以晚石炭世—早二叠世岩浆活动最为活跃，超基性—基性、中性、酸性侵入岩均有不同程度分布，多呈岩基、岩株、岩枝出露于构造带内，并明显受北山构造带发展演化控制。其中与石英闪长岩接触的酸性侵入岩为晚二叠世正长花岗岩，在二者接触面可见石英闪长岩有冷凝边，且石英闪长岩切割正长花岗岩，因此石英闪长岩侵入于早期形成的正长花岗岩。
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草湖岩体石英闪长岩周围主要出露地层为石炭系石板山组、二叠系方山口组及第四系。其中，石板山组岩性主要为碎屑岩和碳酸盐岩，方山口组岩性主要为一套粗碎屑岩和火山岩组合。石英闪长岩与石炭系石板山组和二叠系方山口组接触关系以侵入接触为主，在接触面可见冷凝边与烘烤边。
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2 岩相学特征
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草湖石英闪长岩，岩石新鲜面为灰白色，花岗质结构，块状构造（图2a）；由斜长石、钾长石、石英、角闪石、黑云母组成（图2b）。斜长石呈半自形板状，粒径 0.5～3.5 mm，细粒和中粒斜长石随机分布，发育聚片双晶，根据⊥（010）晶带最大消光角法测得（010）∧NP'=24°，斜长石牌号 An=44，属于中长石，部分发育环带构造，少量斜长石遭受后期黏土化、褐铁矿化蚀变作用；钾长石呈他形粒状，粒径 0.8～2.5 mm，填隙状分布，种属为正长石，少量钾长石遭受后期高岭土化、轻褐铁矿化蚀变作用；石英呈他形粒状，粒径 0.3～2. 0 mm，填隙状分布，表面干净，部分粒内可见波状消光；角闪石呈半自形柱状，粒径 0.2～1.5 mm，随机分布，单偏光下具黄褐－绿色多色性，遭受后期褐铁矿化蚀变作用；黑云母呈鳞片状、片状，片径0.3～1.2 mm，零散分布，后期具较强绿泥石化、褐铁矿化。
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3 样品采集及分析方法
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本文共采集 1 件石英闪长岩锆石 U-Pb 同位素测年样品（D0600-1）和 6件石英闪长岩岩石地球化学分析样品。锆石分选在河北省区域地质调查研究所测试中心完成，采用常规粉碎、浮选和电磁选方法进行分选，制靶、阴极发光显微照相、透射光及反射光照相工作在北京锆年领航科技有限公司完成。锆石 U-Pb测年在中国地质调查局西安地质调查中心同位素实验室利用 LA-ICP-MS 分析完成。实验过程首先根据锆石阴极发光、透射光和反射光特征，选择合适的区域进行激光剥蚀，采用 NIST610、915000外标和PLV内标控制的方法，每隔 6个数据点用 PLV 标样校正。采用软件 Glitter 对分析数据进行处理，锆石 U-Pb 年龄谐和图和 MSWD 的计算均采用Isoplot。岩石地球化学分析在西北有色地质研究院有限公司检测中心完成，主量元素采用 XRF 法，测试流程包括烧失量计算、玻璃熔融法制样和利用X射线荧光光谱仪测定。微量和稀土元素采用 Thermo-X7 电感耦合等离子体质谱仪，使用 KED 模式，先用质谱调谐液将仪器调谐至最佳化，然后以三通在线的方式加入 50 ng/mL 内标185Re，开始测定，分析精度和准确度优于10%。
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4 分析结果
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4.1 主量元素
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甘肃北山草湖岩体中的石英闪长岩分析测试结果见表1。石英闪长岩 SiO2 含量为 61.24%～65.65%，Na2O 含量为 3.88%～4.26%，K2O 含量为 1.97%～2.19%，TiO2含量为 0.58%～0.79%，Al2O3 含量为 14.77%～15.39%，岩石硅、钠和钾含量较高，富碱和贫铝，里特曼指数 1.67～2. 07，均小于 3.3，为钙碱性岩石。TAS图解显示石英闪长岩为亚碱性系列的闪长岩-花岗闪长岩（图3a）。在 SiO2-K2O图解中（图3c）为钙碱性系列。样品的铝饱和指数 A/CNK=0.82～0.86，A/NK=1.62～1.74，在 A/ CNK-A/NK 图解（图3b）中属于准铝质岩石。在 AR-SiO2图解中显示石英闪长岩为钙碱性岩石。
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4.2 稀土元素和微量土元素
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石英闪长岩 REE 总量为 90.22×10-6～124. 04× 10-6，在标准化模式图中呈较为平缓的右倾型曲线 （图4a）。∑LREE/∑HREE 值为 5.10～6.49，为轻稀土富集型。（La/Yb）N比值 4. 02～6.27，轻重稀土高度分异，（La/Sm）N比值 2.52～3. 06，轻稀土分馏较大，（Gd/Yb）N比值 1.24～1.54，重稀土分馏不明显，δEu（0.61～0.70）负异常明显，表明大量斜长石分离结晶。此外，Tb、Ho表现出较明显的负异常。
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在微量元素球粒陨石标准化蜘蛛图中（图4b），所有样品表现相似的分布型，显示了同源演化的特征，Rb 表现出正异常特征，Nb、Ta 和 Sr 表现明显的亏损。Sr 的匮乏表明岩浆中有一定的斜长石分离结晶，说明该岩体经历了较高程度的分异结晶。Nb 的亏损反映了花岗岩源岩为大陆壳性质（李昌年， 1992；赵振华，1997）。
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图1 中亚造山带大地构造简图（a，底图据Xiao et al.，2010）、北山地区构造简图（b，底图据Xiao et al.，2010；王国强等， 2016）和研究区地质简图（c，据赵海波等，2019①修改）
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图2 甘肃北山草湖岩体石英闪长岩野外地质和显微镜下（正交偏光）特征
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a—石英闪长岩中暗色包体；b—石英闪长岩正交镜下照片；Amp—角闪石；Pl—斜长石；Kfs—钾长石；Q—石英
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4.3 锆石U-Pb年龄
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石英闪长岩的锆石形状基本为长柱状，晶面平整清晰，颗粒粒径为 100~200 µm，多数锆石可见很好的结晶环带（图5），且锆石的 Th/U 均大于 0.4，说明锆石属于岩浆型锆石。实测中从100多颗锆石颗粒中挑选出环带结构较为清晰的20颗进行测定，20 个点均在锆石边部测定，测试结果见表2和图5。通过计算，1、4、17、18两个测试数据谐和度在0.9~1.1 之外，其余 16 个测试数据获得的年龄相对集中，剔除不谐和年龄后锆石的206Pb/238U同位素年龄范围为 289.29~265.80 Ma，通过Isoplot4.15的处理，获得石英闪长岩的锆石206Pb/238U 年龄加权值为（276.3± 3. 0）Ma，代表了草湖岩体石英闪长岩的成岩年龄为 （276.3±3. 0）Ma，形成于早二叠世，稍晚于草湖岩体正长花岗岩的（282.6±2.7）Ma（赵海波等，2019①）。
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5 讨论
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5.1 形成时代
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甘肃北山草湖地区出露的二叠纪侵入岩主要为石英闪长岩、闪长岩、正长花岗岩和辉长岩。本文研究区草湖岩体的石英闪长岩分布于北山西南部。侵入下石炭统和二叠系，围岩界线弯曲状，接触带岩石发生蚀变，可见围岩捕虏体。在石英闪长岩西部发育有正长花岗岩，分布于二道泉—草湖一带，整体呈条带状近东西向展布，呈不规则岩基产出，是草湖岩体的主体，形成时代为（282.6±2.7）Ma （赵海波等，2019①）。本研究测得的石英闪长岩的形成时代为（276.3±3. 0）Ma，即草湖岩体的石英闪长岩的形成时代为早二叠世，与草湖岩体正长花岗岩均形成于早二叠世，共同指示了草湖侵入岩体形成时代为早二叠世。北山及周边地区也先后确定出一些形成于早二叠纪的侵入岩体，如北山南部后红泉英安岩锆石U-Pb年龄为（289.5±2.3）Ma（许伟等，2019），红山南—天木东地区侵入于石炭系梧桐窝子组的黑云母二长花岗岩（（290.3±2.1）Ma）和石英闪长岩（（290. 0±1.6）Ma）均为早二叠世（袁修财等，2023），觉罗塔格带中段雅满苏岩体北侧中酸性侵入岩形成于中二叠世（（271.2±1.4）Ma）（曾华栋等，2023），这些表明包括草湖地区在内的东天山— 北山地区在二叠纪存在一次广泛的岩浆活动。
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5.2 岩石成因
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花岗岩成因类型通常分为 I 型、S 型、A 型和 M 型。M 型花岗岩一般是从属于辉长岩的斜长花岗岩，草湖石英闪长岩周边无伴生的辉长岩，明显不属于 M型花岗岩。此外，草湖石英闪长岩样品表现非过碱性，不同于A型花岗岩（叶天竺等，2010）。草湖石英闪长岩的 A/CNK=0.82～0.86，均小于 1. 05，与S型花岗岩A/CNK一般大于1. 05不符，符合科迪勒拉 I 型花岗岩 A/CNK 特征（叶天竺等，2010），在 ACF图解中样品也多落在I型花岗岩区域（图6a）。
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I型花岗岩通常被认为是幔源岩浆与壳源岩浆混合作用的产物，Taylor and Mclennan （1995）认为幔源岩浆 Rb/Sr 值小于 0. 05，壳幔混合源为 0. 05~0.5，壳源大于0.5，草湖石英闪长岩Rb/Sr为0.18～0.40，表现出壳幔混合源特征。同时，草湖石英闪长岩的暗色铁镁质包体呈典型的火成结构（图2），多具塑变形态，反映包体与寄主岩之间曾塑性共存，而暗色包体并非早期结晶矿物堆积的产物，而是壳-幔物质混合的结果，也表明草湖石英闪长岩的成岩过程中可能有幔源岩浆的混入。其 Nb、Ta、 Ti的负异常代表源区有金红石残留，说明岩浆来源较深（Xiong et al.，2005；冯继承等，2012），岩浆可能源于地幔岩浆作用导致增厚的敦煌地块北缘下地壳岩石部分熔融源区，并在上升过程中混染了下地壳物质所形成的壳幔混合成因的花岗岩（毛启贵等，2010），在 CaO/（MgO+FeOT）图解中（图6b）显示草湖岩体石英闪长岩的物源为基性岩部分熔融。综上所述，草湖石英闪长岩属于钙碱性、准铝质I型花岗岩，岩浆可能来自岩石圈地幔岩浆作用导致增厚的敦煌地块北缘下地壳部分熔融，并在上升过程中混染了下地壳物质所形成的壳幔混合成因的花岗岩。
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注：Mg# =（MgO/40.3044）/（MgO/40.3044+（FeO+0.8998*Fe2O3）/71.9464）。
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5.3 成岩构造环境
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北山造山带位于中亚造山带南缘及华北板块、塔里木板块的交汇部位，是研究中亚造山带造山作用和演化的关键部位之一（Xiao et al.，2010）。北山地区晚古生代—早古生代碰撞造山作用，特别是区域构造环境何时由挤压向伸展转换是区域研究的重点，以往存在早泥盆世、早二叠世晚期、早中二叠世、晚二叠世—早三叠世、早—中三叠世等观点 （徐学义等，2005；李锦轶等，2006；张文等，2011；王怀涛等，2016；卜涛等，2019；陈超等，2020；靳拥护等，2020；孙海瑞等，2020；许骏等，2020；杨镇熙等， 2021；贺昕宇等，2022；许海等，2022；俞胜等， 2022），对各时期区域构造环境存在较大争议。
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图3 甘肃北山草湖岩体石英闪长岩TAS全碱-SiO2图解（a，底图据Middlemost，1994）、A/CNK-A/NK图解（b，底图据 Maniar and Piccoli，1989）、SiO2-K2O图解（c，底图据Peccerillo and Taylor，1976）、AR-SiO2图解（d，底图据Wrigh，1969）
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1—橄榄辉长岩；2—辉长岩；3—辉长闪长岩；4—闪长岩；5—花岗闪长岩；6—花岗岩；7—副长石辉长岩；8—二长辉长岩；9—二长闪长岩； 10—二长岩；11—石英二长岩；12—副长石岩；13—副长石二长闪长岩；14—副长石二长正长岩；15—正长岩；16—副长石正长岩
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图4 草湖岩体石英闪长岩稀土元素配分图解（a）及其微量元素蜘蛛图（b）（球粒陨石标准化值据Anders and Grevesse， 1989）
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图5 北山草湖岩体石英闪长岩阴极发光图像（a）、锆石U-Pb年龄谐和图（b）及加权平均年龄图（c）
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图6 甘肃北山草湖岩体石英闪长岩ACF图解（a，底图据Nakada and Takahashi，1979）、CaO/（MgO+FeO全）-Al2O3/（MgO+ FeO全）图解（b，Altherr et al.，2000）
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草湖石英闪长岩位于北山造山带南部陆缘活动带上，区域上属于早古生代双鹰山岛弧带的组成部分，位于辉铜山—账房山蛇绿构造混杂岩带南侧，区域上广泛发育石炭纪—二叠纪裂谷型火山-沉积地层，是广大学者普遍认可的北山裂谷带（姜寒冰等，2012；赵宏刚等，2020）。草湖石英闪长岩样品在 Rb-（Yb+Ta）和 Rb-（Y+Nb）构造判别图解 （图7a、b）中，均投在了后碰撞花岗岩区域。同时，在草湖石英闪长岩体周围发育的早二叠世方山口组（P1f）流纹岩也反映出该时期板块处于拉张时期 （杨启鹏等，2019）。此外，包括草湖地区在内的北山南部地区也广泛发育有二叠纪辉绿岩墙（图1c），陈继平等（2013）对磁海地区辉绿岩脉进行分析，认为磁海辉绿岩为板内拉张环境的产物。区域上还存在下二叠统高角度不整合于下伏地层（中震旦统、下奥陶统志留系、下石炭统）之上，且下二叠统岩石新鲜，相对下伏地层变形相对较弱，后红泉下二叠统双堡塘组海相玄武岩形成于裂谷环境（许伟等，2019）。综上认为：草湖石英闪长岩成岩构造环境为后碰撞环境，代表了研究区在早二叠世晚期 （276.3±3. 0 Ma）已完成洋陆转化，处于伸展环境中，指示了早二叠世晚期北山地区南部已经处于陆内演化阶段。
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综上所述，草湖石英闪长岩形成于后碰撞的伸展环境下，拉张作用导致压力降低，岩石圈地幔部分熔融，幔源岩浆上涌导致增厚的敦煌地块北缘下地壳部分熔融，同时与其发生混染作用。
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图7 甘肃北山草湖岩体石英闪长岩构造判别图（Yb+Ta）-Rb图解（a）和（Y+Nb）-Rb图解（b）（底图据Pearce et al.，1984）
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6 结论
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（1）甘肃北山草湖岩体石英闪长岩的 LA-ICP-MS 锆石 U-Pb 年龄为（276.3±3. 0）Ma，形成于早二叠世晚期，包括草湖地区在内的东天山—北山地区在二叠纪存在一次广泛的岩浆活动。
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（2）草湖岩体石英闪长岩具有准铝质、钙碱性特征，属I型花岗岩，岩浆可能来自岩石圈地幔岩浆作用导致增厚的敦煌地块北缘下地壳部分熔融，并在上升过程中混染了下地壳物质所形成的壳幔混合成因的花岗岩。
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（3）北山南部草湖地区在早二叠世晚期已完成洋陆转化，处于伸展环境。
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注释
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① 赵海波，王红杰，程龙，张倩，任二峰，朱黎宽，郭俊刚，郭雪峰 .2019. 甘肃北山 1∶5 万北山幅等 3 幅区域地质调查报告 [R]. 郑州：中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所.
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摘要
北山地区在晚古生代—早中生代经历了碰撞造山作用，但前人对各时期构造环境归属存在不同认识，特别是北山地区何时由挤压环境进入伸展环境这一科学问题存在争议。北山草湖地区广泛发育的晚古生代侵入岩，为探讨该问题提供了研究机遇。LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果表明，石英闪长岩体的形成年龄为（276. 3±3. 0）Ma，为早二叠世晚期。岩石铝饱和指数（A/CNK 值）小于 1. 05，具有准铝质、钙碱性特征，岩石富集轻稀土和大离子亲石元素（如Rb、Ba、Th和U），亏损高场强元素（如Nb和Ta），属于科迪勒拉I 型花岗岩，岩浆可能来自后碰撞伸展环境下，岩石圈地幔岩浆作用导致增厚的敦煌地块北缘下地壳岩石部分熔融，并在上升过程中混染了下地壳物质所形成的壳幔混合成因的花岗岩，代表了北山地区南部在早二叠世晚期已处于伸展环境，为进一步约束北山地区古亚洲洋最终闭合提供依据。
Abstract
The Beishan region underwent collisional orogenesis during the Late Palaeozoic to Early Mesozoic，but previous scholars have held different views on the attribution of tectonic environments during these different geological periods. In particular， there is a contentious scientific debate about the precise timing of the transition from a compressional to an extensional environment in the Beishan region. The extensive development of Late Palaeozoic intrusive rocks in the Caohu area of the Beishan provides a research opportunity to explore this question. The LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results indicate that the quartz diorite body was formed at （276. 3±3. 0） Ma， during late Early Permian. The rocks have an aluminium saturation index （A/CNK value） of less than 1. 05， are quasi-aluminous and calc-alkaline in character， are enriched in light rare earths and large ionic lithophile elements （e. g. Rb， Ba， Th and U） and deficient in high field strength elements （e. g. Nb and Ta）， and are Cordillera I-type granites with magmas probably derived from a post-collisional extensional environment where lithospheric mantle magmatism led to thickening of the lower crust of the northern margin of the Dunhuang Massif. The granites are of mixed crustal-mantle origin and represent a late Early Permian extensional environment in the southern part of the Beishan area， where the magmas were partially melted and mixed with lower crustal material during uplift， providing a basis for further constraints on the eventual closure of the Palaeo-Asian Ocean in the Northern Mountains region .
