博格達與哈爾里克早泥盆世火山巖成因?qū)Ρ燃捌錁?gòu)造意義

崔方磊，汪曉偉，馬中平，孫吉明，朱小輝

(1. 中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西西安 710054；2. 長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西西安 710064)

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博格達與哈爾里克早泥盆世火山巖成因?qū)Ρ燃捌錁?gòu)造意義

崔方磊1,2，汪曉偉1,2，馬中平1，孫吉明1，朱小輝1

(1. 中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西西安 710054；2. 長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西西安 710064)

本次研究在東天山博格達東段下澇壩南部新確認一套以安山巖為主的火山巖，為鈣堿性系列，LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為397.5±4.7 Ma，屬早泥盆世。該火山巖具有一致的輕稀土與重稀土分餾明顯的右傾配分模式，K、Ba等大離子親石元素顯著富集，而Nb、Ta等高場強元素相對虧損，其原始巖漿可能來自于石榴石穩(wěn)定域地幔橄欖巖2%～5%的部分熔融，同化混染程度較小。對應(yīng)的哈爾里克南麓下泥盆統(tǒng)大南湖組火山巖為一套基性到酸性連續(xù)演化的鈣堿性系列巖石，稀土豐度較下澇壩火山巖高，輕、重稀土之間分餾較弱，整體富集大離子親石元素而虧損高場強元素。其巖漿可能來源于尖晶石穩(wěn)定域地幔橄欖巖<3%的部分熔融，受地殼物質(zhì)混染明顯，巖石后期蝕變較強。Hf/3-Th-Ta圖解和Yb標準化的Th-Nb判別圖解顯示這兩套泥盆紀火山巖均形成于與俯沖有關(guān)的活動陸緣環(huán)境，暗示博格達和哈爾里克地區(qū)在早泥盆世時期可能具有相同的大地構(gòu)造環(huán)境。

博格達與哈爾里克 早泥盆世 火山巖 巖石成因 大地構(gòu)造環(huán)境

Cui Fang-lei，Wang Xiao-wei，Ma Zhong-ping，Sun Ji-ming，Zhu Xiao-hui. Comparison of genesis of Devonian volcanic rocks in the Bogda and Harlik areas and its tectonic implications[J]. Geology and Exploration, 2015, 51(3):0519-0533.

0 前言

天山造山帶構(gòu)造上處于西伯利亞、準噶爾-哈薩克斯坦和塔里木板塊的交匯處，是中亞增生造山帶的關(guān)鍵組成部分，以晚古生代新生陸殼和小陸塊的拼合為特征。東天山在古生代分別屬于塔里木板塊及其南緣活動帶(南天山弧后盆地、中天山島弧帶、阿齊山-雅滿蘇島弧帶)、哈薩克斯坦-準噶爾洋殼板塊(哈爾里克島弧帶)、西伯利亞板塊及其南緣活動帶(麥欽烏拉島弧海溝系)。自北向南分為五個構(gòu)造單元，主要包括：哈爾里克造山帶、博格達造山帶、覺羅塔格造山帶、吐哈盆地和中天山地塊。長期以來，東天山因其復(fù)雜的構(gòu)造環(huán)境，多變的構(gòu)造樣式，廣泛發(fā)育的構(gòu)造-巖漿活動以及豐富的礦產(chǎn)資源而倍受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注(Yakubchuk，2004；Maoetal.，2005；Wangetal.，2007；Zhangetal.，2008；Charvetetal.，2011；王春艷，2013)。

博格達山和哈爾里克山位于準噶爾盆地與吐哈盆地之間，主要由晚古生代地質(zhì)體組成。對于哈爾里克構(gòu)造帶是與東準噶爾南部卡拉麥里洋盆向南俯沖有關(guān)(馬瑞士等，1997；樓法生等，1995；王賜銀等，1996；顧連興，2001；趙明等，2002)，還是與康古爾塔格一帶洋盆向北俯沖的巖漿相應(yīng)(周濟元等，1994；李文明等，2002)一直存在爭議，但對其主體為泥盆紀-石炭紀島弧的構(gòu)造環(huán)境已達成共識。而對于博格達造山帶晚古生代的構(gòu)造屬性，仍存在有島弧(成守德，1986；Coleman，1989；馬瑞士等，1993；Allenetal.，1993)和裂陷槽(肖序常等，1992)或裂谷(吳慶福，1986；何國琦等，1994；顧連興等，2000，2001b；夏林圻，2007b)等不同觀點。同時，研究者對于博格達與哈爾里克兩條造山帶的關(guān)系依然沒有定論，方國慶(1994)曾根據(jù)博格達-哈爾里克地區(qū)的巖石組合及火山巖和沉積巖的地球化學(xué)系列推斷博格達和哈爾里克均為泥盆紀-石炭紀島弧。孫桂華等(2005)通過對哈爾里克地區(qū)石炭紀閃長巖的研究，并結(jié)合近年來大量高精度同位素年代學(xué)資料認為，博格達與哈爾里克具有大體相同的巖漿活動歷史。而王賜銀等(1996)在研究東天山晚古生代的巖漿作用時，發(fā)現(xiàn)博格達以基性、中性火山巖和侵入的輝長巖、輝綠巖為特征，罕見花崗巖類，地殼成熟度較低，哈爾里克火山弧則以鈣堿性火山巖、火山碎屑巖和花崗巖組合為標志。盧苗安(2007)在總結(jié)前人的基礎(chǔ)上，綜合研究了二者在沉積構(gòu)造和重磁差異后也認為它們是構(gòu)造屬性不同的獨立單元。筆者最近在博格達東段下澇壩地區(qū)野外工作中發(fā)現(xiàn)一套火山巖，其LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為397.5±4.7Ma，屬早泥盆世。因此作者從巖石地球化學(xué)方面討論該套火山巖的巖石成因、巖漿演化以及構(gòu)造屬性，并將其與哈爾里克地區(qū)早泥盆世火山巖進行對比，來確認博格達與哈爾里克地區(qū)在晚古生代初期是否具有相同的大地構(gòu)造背景，為進一步理解東天山晚古生代構(gòu)造演化提供新的依據(jù)。

圖1 東天山區(qū)域構(gòu)造簡圖(a：據(jù)李亞萍等，2006)；博格達東段下澇壩區(qū)域地質(zhì)簡圖 (b：據(jù)1∶25萬三道嶺幅，長安大學(xué)地質(zhì)調(diào)查研究院，2013①，有修改)Fig. 1 Geological sketch of the Eastern Tianshan (a：after Li et al., 2006); Geological sketch of the Xialaoba area in eastern part of Bogda orogenic belt (b：modified from 1∶250000 areal geological map， Chang’an university geology surveying institute,2013①) 1-下泥盆統(tǒng)大南湖組；2-上泥盆統(tǒng)康古爾塔格組；3-下石炭統(tǒng)七角井組；4-下石炭統(tǒng)黑山頭組；5-下石炭統(tǒng)姜巴斯套組；6-上石炭統(tǒng)阿什喀臘組；7-上石炭統(tǒng)奧爾吐組；8-上石炭統(tǒng)柳樹溝組；9-下二疊統(tǒng)石人子溝組；10-下二疊統(tǒng)三塘胡組；11-第四系；12- 二輝橄欖巖；13-輝長巖；14-二長花崗巖；15-正長花崗巖；16-地名；17-采樣點 1-Lower Devonian Dananhu Formation;2-Upper Devonian Kangguertage Formation;3-Lower Carboniferous Qijiaojing Formation;4-Lower Carboniferous Heishantou Formation;5-Lower Carboniferous Jiangbasitao Formation;6-Upper Carboniferous Ashikala Formation;7-Upper Carboniferous Aoertu Formation;8-Upper Carboniferous Liushugou Formation;9-Lower Permian Shirenzigou Formation;10-Lower Permian Santanghu Formation;11-Quarternary;12-lherzolite;13-gabbro;14-monzonitic granite;15-syenoqranite;16-place name;17-sampling location

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于東天山東段，吐哈盆地北緣。根據(jù)中國地層區(qū)劃的基本準則及參照《新疆維吾爾自治區(qū)巖石地層》(1999)、《新疆區(qū)域地質(zhì)志》(1993)等重要論著對新疆各斷帶地層所做的地層區(qū)劃方案，并結(jié)合研究區(qū)近年來眾多新的地質(zhì)科研成果，將研究區(qū)綜合地層區(qū)劃為南準噶爾-北天山地層分區(qū)，博格達-哈爾里克地層小區(qū)。研究區(qū)中部以晚古生代地層為主，北部為紅井子大斷裂與白敦子大斷裂巖漿帶，南部為柳樹溝巖漿帶，七角井石炭紀沉陷盆地夾于兩條巖漿帶中間。紅井子大斷裂與白敦子大斷以北發(fā)育大套石炭系，柳樹溝巖漿帶以南為大面積的第四系沖洪積物覆蓋。下泥盆統(tǒng)大南湖組(D1d)以淺海相火山碎屑巖、熔巖以及凝灰質(zhì)細砂巖為主，夾少量大理巖和燧石條帶；上泥盆統(tǒng)康古爾塔格組(D3k)為一套陸相火山-火山碎屑巖+河流相或三角洲相的陸源碎屑巖建造，二者呈角度不整合或平行不整合接觸。下石炭統(tǒng)底部為一套以礫巖、砂礫巖為主、夾少量薄層狀砂巖和粉砂巖的陸源碎屑巖，向上為一套灰綠色細砂巖-粉砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖、硅質(zhì)粉砂巖等陸源細碎屑巖和火山巖及火山碎屑巖；上石炭統(tǒng)為一套含大量植物化石的淺水相細砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和泥巖夾中基性-中酸性的爆發(fā)相、溢流相和噴溢相的火山巖和火山碎屑巖。二疊系僅發(fā)育早二疊世石人子溝組和三塘胡組。其中石人子溝組(P1s)為一套正常沉積碎屑巖，偶夾火山碎屑巖，以底部不整合面上發(fā)育一套底礫巖為特征；三塘胡組(P1st)下部為一套火山碎屑巖，上部為一套中性-酸性火山熔巖，加少量細碎屑巖。

圖2 博格達東段下澇壩泥盆紀火山巖照片 Fag.2 Photos of the Devonian volcanic rocks from Xialaoba area in eastern part of Bogda orogenic belt a-野外露頭；b-鏡下顯微特征，基質(zhì)玻晶交織結(jié)構(gòu)，長石斑晶環(huán)帶; Cpx-斜方輝石; Py-斜長石 a-field outcrop；b-microcharacteristics，hyalopilitic texture for groundmass，girdle band for plagioclase porphyritic crystal; Cpx-clinopy roxene; Py-plagioclase

對比的哈爾里克山區(qū)內(nèi)晚古生代泥盆紀地層出露面積有限，零星分布，缺失上泥盆統(tǒng)，集中分布在哈爾里克山南坡靠近吐哈盆地邊緣部位，伊吾縣以南和大石頭泉以北，為一套海相火山碎屑巖、火山巖、碎屑巖地層，火山巖巖石組合為玄武巖-安山巖-英安巖-流紋巖，以中性安山巖為主體，區(qū)域上歸屬于下泥盆統(tǒng)大南湖組，與上覆和下伏地層均為不整合接觸(靳劉圓等，2013)。

2 采樣位置及巖相學(xué)

博格達東段下澇壩早盆紀火山巖分布于巴里坤-木壘公路下澇壩段，以灰綠色玄武安山巖、安山巖等中性火山巖為主體(野外發(fā)現(xiàn)流紋巖轉(zhuǎn)石)。采樣坐標位置自E：91°46′51.8″；N：43°45′34.1″至E：91°46′55.7″；N：43°45′40.2″。沿途共采集玄武安山巖、安山巖等5個化學(xué)樣、5個薄片及1套同位素測年樣品，后經(jīng)薄片鑒定均為安山巖。巖石野外呈紅褐色或深褐色，風化色為灰黑色-灰褐色。露頭風化較強烈，出露不連續(xù)，節(jié)理發(fā)育使得巖石破碎呈小塊狀，其與上覆地層和下伏地層的接觸關(guān)系難以識別。鏡下觀察，巖石為斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶基本全為斜長石，偶見輝石，斜長石斑晶呈自形板狀，粒徑0.2mm×0.05mm～0.8mm×0.5mm，含量約15%，以中長石-更長石為主，少量基性斜長石，沿環(huán)帶紋發(fā)育絹云母化和綠簾石化，個別斜長石斑晶中可見繼承顆粒。基質(zhì)主要為斜長石微晶構(gòu)成，粒徑為0.01～0.02mm，分板狀和針狀兩種，自形程度較低，呈雜亂分布，局部充填輝石微晶，顯示一定的玻晶交織結(jié)構(gòu)。巖石整體蝕變較弱，局部裂隙中顯示淋濾后Fe3+浸染形成紅褐色。

3 分析測試方法

本次研究在野外采集樣品共計6件，其中全巖及微量元素測試樣品5件，LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年樣品1件，引用全巖及微量元素數(shù)據(jù)5件。

博格達東段下澇壩泥盆紀火山巖全巖及微量元素測試分析在西安地質(zhì)礦產(chǎn)研究所國土資源部巖漿作用成礦與找礦重點實驗室完成。將樣品去皮及雜質(zhì)后，先用顎式破碎機粗碎至約50目，再細碎磨制200目以上后上機分析測試，其中除FeO和LOI采用標準濕化學(xué)法分析外，其他主量元素均采用PW4400型X螢光光譜儀XRF測定，分析誤差低于5%。微量元素和稀土元素采用X-SeriesII型電感耦合等離子質(zhì)譜儀ICP-MS測定，檢測誤差優(yōu)于5×10-9，相對標準偏差優(yōu)于5%。鋯石陰極發(fā)光(CL)顯微照相在長安大學(xué)地質(zhì)工程與礦產(chǎn)資源教育部重點實驗室完成。鋯石原位U-Pb同位素年齡分析在中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心(天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所)完成，鋯石定年分析所用儀器為Finnigan Neptune型MC-ICP-MS及與之配套的NewwaveUP193激光剝蝕系統(tǒng)，激光剝蝕斑束直徑為35m，激光剝蝕樣品的深度為20～40m鋯石年齡計算采用國際標準鋯石91500作為外標，元素含量采用美國國家標準物質(zhì)局人工合成硅酸鹽玻璃NISTSRM610作為外標，29Si作為內(nèi)標元素進行校正，數(shù)據(jù)處理采用ICP MS Data Cal 4.3程序(Liuetal．，2008)，并對測試數(shù)據(jù)進行普通鉛校正(Andersen，2002)，年齡計算及諧和圖繪制采用Isoplot(3.0版)(Ludwig，2003)軟件完成。

4 分析測試結(jié)果及地球化學(xué)特征

4.1 鋯石U-Th-Pb同位素

本次博格達地區(qū)泥盆紀火山巖鋯石U-Pb定年樣品共挑選出鋯石50余顆，多為半自形狀，粒徑50～130μm。陰極發(fā)光圖像顯示其整體呈亮白色，可見明顯的環(huán)帶結(jié)構(gòu)且沒有后期蝕變痕跡(圖3)，206Pb/238U表面年齡一致表明其為同一期巖漿作用的產(chǎn)物。激光剝蝕等離子體質(zhì)譜(LA-ICP-MS)U-Pb對樣品進行微區(qū)同位素測試，測試的30個分析點結(jié)果(表1)顯示，鋯石的232Th/238U比值集中于0.4152～0.8520，變化區(qū)間較小，反映各環(huán)帶之間以及各鋯石顆粒之間具有比較密切的成因。其中4個分析點諧和度較差，而另外26個分析點的206Pb/238U表面年齡在389Ma～410Ma之間，加權(quán)平均年齡為397.5±4.7Ma(MSWD=0.23)(圖4a)，206Pb/238U-207Pb/235U諧和年齡為388.6±3.9Ma(MSWD=4.0)(圖略)。從諧和圖上可以看出，所有的年齡點都位于不一致曲線以下，表示該年齡具有明顯的Pb丟失特征，而真正的結(jié)晶年齡應(yīng)該大于388.6 Ma。因此筆者利用207Pb/207Pb-206Pb/238U進行諧和年齡模擬顯示該火山巖結(jié)晶年齡為398.3±9.2 Ma(MSWD=0.14)(圖4b)，與加權(quán)平均年齡397.5±4.7Ma在誤差范圍內(nèi)一致。因此本文選取的博格達東段下澇壩地區(qū)火山巖的形成年齡應(yīng)該為397.5±4.7 Ma～398.3±9.2 Ma，屬早泥盆世。

4.2 主量元素

博格達東段下澇壩早泥盆世火山巖SiO2含量集中于64.10%～67.07%，均屬安山巖范疇且偏酸性端元(圖5)，與巖石鏡下觀察基本一致(表2)。樣品Al2O3含量比較穩(wěn)定，為14.51%～15.63%；CaO含量較低為0.83%～2.46%，平均1.49%，暗示巖漿可能發(fā)生過輝石的結(jié)晶分離作用；MgO含量偏低為2.12%～2.98%，平均2.59%；TiO2普遍偏低，變化于0.40%～0.69%，平均僅0.51%；Na2O含量為2.21%～3.10%，K2O含量相對較高為4.60%～5.19%，且所有樣品Na2O

圖3 博格達東段下澇壩火山巖鋯石陰極發(fā)光圖像Fig.3 CL images of zircon from the volcanic rocks in the Xialaob area，the eastern part of Bogda表1 博格達東段下澇壩地區(qū)火山巖LA-ICP-MS鋯石U-Th-Pb測試結(jié)果Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb isotopic analyses of the volcanic rocks from Xiaolaoba area in the east of Bogda

點號同位素比值同位素年齡(Ma)232Th/238U1σ207Pb/206Pb1σ207Pb/235U1σ206Pb/238U1σ207Pb/206Pb1σ207Pb/235U1σ206Pb/238U1σ10.63820.00090.09090.00460.79700.05640.06360.000814459759542397520.41520.00070.06640.00470.58810.04230.06430.000581814947034402330.61570.00060.10530.00580.93930.06870.06470.0008172010167349404540.58830.00080.07810.00410.69940.03740.06490.0006115010453829406450.69680.00370.08490.00420.75760.03840.06470.000513149657329404360.44890.00110.09260.00510.81680.05120.06400.0007147910360638400470.77310.00070.05910.00170.51070.01560.06270.00045716441913392280.70430.00080.07770.00270.68910.02430.06430.000411396853219402390.54550.00190.08460.00490.73980.05450.06340.00071308112562413964100.59940.00070.06920.00240.61240.02150.06420.000490372485174013120.79400.00110.07680.00230.66720.02300.06300.0004111761519183943130.53120.00170.06460.00270.55480.02420.06230.000476287448203893150.46650.00080.08710.00270.76810.02780.06400.0005136260579214003160.51220.00190.07160.00230.61680.02140.06240.000497665488173903170.49120.00110.08410.00540.75070.04860.06480.00051294124569374053180.47980.00120.10750.00540.95920.05040.06470.0006175892683364044190.50870.00380.06950.00410.61010.03540.06370.0005913123484283983200.63980.00250.06140.00190.52720.01760.06230.000465365430143893210.56730.00110.06520.00580.56730.05110.06310.0005782186456413943220.47590.00190.08790.00720.78380.06390.06470.00051381157588484043230.57890.00260.08190.00210.74170.02170.06570.0005124250563164103240.53820.00090.07880.00320.67760.03000.06240.0005116779525233903

續(xù)表1

Continued Table 1

點號同位素比值同位素年齡(Ma)232Th/238U1σ207Pb/206Pb1σ207Pb/235U1σ206Pb/238U1σ207Pb/206Pb1σ207Pb/235U1σ206Pb/238U1σ260.51100.00190.08690.00840.76480.07420.06380.00071359186577563994270.43560.00090.06790.00430.59770.03800.06380.0005865130476303993290.46690.00120.09480.00850.83670.07700.06400.00061525170617574004300.85200.00080.06210.00250.54090.02220.06320.000467887439183952

測試單位：天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所實驗測試中心；測試時間：2014-04。

圖4 博格達東段下澇壩火山巖LA-ICP-MS 年齡測試結(jié)果Fig.4 LA-ICP-MS zircon U-Pb age result of the volcanic rocks from Xialaob area in the east part of Bogda a-加權(quán)平均年齡圖；b-U-Pb諧和年齡圖 a-weighted average diagram；b-U-Pb concordia diagram

哈爾里克山南麓早泥盆世火山巖為玄武巖-安山巖-英安巖-流紋巖的鈣堿性組合，以中性安山巖為主體(圖5；靳劉圓，2013)。巖石SiO2含量49.16%～71.55%，Al2O3含量12.55%～15.72%，；MgO含量在0.80%至7.26%之間變化；而CaO含量明顯較博格達泥盆紀火山巖高，為1.41%～8.69%；全堿含量Alk較博格達泥盆紀火山巖稍低，集中于4.05%～7.35%，而相反的是所有樣品Na2O含量均大于K2O；計算得樣品的里特曼指數(shù)δ=1.04～2.66<3.8，同樣為鈣堿性系列，Mg#介于47.31～75.55，說明巖漿經(jīng)過一系列不同程度的演化，長英指數(shù)為31.79～83.90和鎂鐵指數(shù)=58.80～81.48也反映出巖漿的分異演化程度相差較大。

4.3 稀土與微量元素

在稀土元素豐度及配分曲線方面，博格達地區(qū)早泥盆世火山巖顯示出一致的輕稀土富集，而重稀土顯著虧損的下凹式右傾模式(圖6a)。稀土元素豐度總量為48.75×10-6～65.44×10-6，(La/Yb)N值為6.87～12.92，(La/Sm)N和(Gd/Yb)N分別為2.57～3.71和1.77～2.05，說明輕、重稀土之間分餾作用較強且輕稀土較重稀土分餾程度高，基本無負Eu異常。在微量元素蛛網(wǎng)圖中，博格達地區(qū)早泥盆世火山巖表現(xiàn)出一致的K、Rb、Ba等大離子親石元素富集，而Nb、Ta及HREE等高場強元素明顯虧損，這些特征類似形成于俯沖帶火山巖的地球化學(xué)特征(McCullochetal.，1991；Innocentietal.，2005)，因為Nb和Ta負異常暗示了安山巖的物質(zhì)源區(qū)中具有一定含量的Nb和Ta難熔礦物(鈦鐵礦、金紅石或韭閃石)，這通常存在于俯沖消減帶中流體作用交代的虧損地幔中(Hawkins，2003)，Zr、Hf輕度富集卻與之不同(圖6b)。哈爾里克地區(qū)早泥盆世火山巖稀土配分曲線形狀相似(圖6a)，暗示其應(yīng)該為同源巖漿演化的產(chǎn)物；稀土元素豐度總量為86.81×10-6～117.86×10-6，(La/Yb)N值為2.83～6.01，整體較博格達地區(qū)早泥盆世火山巖稀土豐度總量高(重稀土更顯著)而分餾程度弱，顯示微弱的負Eu異常，暗示后者的巖漿形成深度較前者淺。其蛛網(wǎng)圖中也表現(xiàn)出大離子親石元素不同程度的富集，明顯的Nb、Ta負異常以及P和Ti的適度虧損。但各樣品間的變化趨勢不一致，相同的強不相容元素均顯示出不同程度的富集和虧損(圖6b)。

圖5 博格達-哈爾里克泥盆紀火山巖類型及巖石系列判別圖解Fig. 5 Rocks type and series discrimination diagrams for Bogda-Harlik area Devonian volcanic rocks a-Nb/Y-Zr/TiO2圖解(據(jù)Winchester和Floyd，1977)；b-TAS圖解(據(jù)Le Bas等，1986)；c-AFM圖解，(據(jù)Irvine et al，1971) a- Nb/Y-Zr/TiO2diagram(after Winchester and Floyd，1977)；b-TAS diagram(after Le Bas et al.，1986)；c-AFM diagram(after Irvine et al.，1971)表2 博格達下澇壩和哈爾里克地區(qū)早泥盆世火山巖主量(%)和微量(10-6)元素含量對比表Table 2 Major element (%) and trance element (10-6) abundance of the volcanic rocks from Bogda and Harlik regions

樣品編號博格達下澇壩地區(qū)哈爾里克地區(qū)13BD-124H13BD-125H13BD-126H13BD-127H13BD-128H*HK-1*HK-2*HK-3*HK-4*HK-5SiO266.2267.0764.1066.5366.6249.1653.7256.4465.2571.55TiO20.430.400.690.530.510.941.381.000.840.52Al2O315.3614.9115.6314.5114.9015.6215.4515.7212.5513.10Fe2O31.551.221.951.701.306.133.363.613.262.17FeO2.221.942.652.362.444.235.244.453.951.35MnO0.070.070.110.080.080.170.140.190.190.11MgO2.982.122.542.582.747.263.882.751.970.80CaO0.831.562.461.461.158.696.536.453.141.41Na2O2.953.102.212.882.622.604.453.434.055.65K2O4.604.664.934.825.191.450.701.930.761.70P2O50.130.130.190.160.150.240.290.560.110.10灼失2.672.842.532.402.303.854.192.881.262.44總量100.01100.0299.99100.01100.00100.3499.3399.4197.33100.90K2O+Na2O7.557.767.147.77.814.055.155.364.817.35δ2.452.502.422.522.582.662.472.141.041.89Mg#70.7366.3063.3166.3066.9075.5557.1352.6647.3151.61FL90.1083.2674.3884.0687.1731.7944.0945.3960.5083.90MF55.8559.8564.4361.1457.7258.8068.9174.5678.5481.48La11.413.810.711.28.7715.8011.7115.5021.0315.12Ce24.127.822.222.319.534.9226.5934.3041.6428.20Pr2.983.412.872.702.454.794.205.976.084.81Nd11.112.011.010.09.4120.1618.8028.7024.2120.73Sm2.412.342.572.342.154.384.726.525.285.06Eu0.610.640.750.620.591.221.601.991.351.40Gd1.871.832.361.911.814.295.256.865.195.11

續(xù)表1

Continued Table 1

樣品編號博格達下澇壩地區(qū)哈爾里克地區(qū)13BD-124H13BD-125H13BD-126H13BD-127H13BD-128H*HK-1*HK-2*HK-3*HK-4*HK-5Tb0.260.250.350.280.270.670.860.940.900.88Dy1.501.422.101.681.583.975.355.715.385.54Ho0.300.270.400.330.320.791.081.101.011.15Er0.790.741.080.880.842.053.003.072.703.40Tm0.120.110.160.130.130.320.450.440.390.52Yb0.780.721.050.870.811.872.792.992.363.33Lu0.130.110.160.130.120.290.410.440.340.50∑REE58.3565.4457.7555.3748.7595.5286.81114.53117.8695.75δEu0.850.910.920.870.890.850.980.900.780.83δCe0.970.950.950.951.000.960.910.860.880.79(La/Yb)N9.8512.926.878.687.305.702.833.496.013.06(La/Sm)N2.983.712.623.012.572.271.561.502.511.88(Gd/Yb)N1.932.051.811.771.801.851.521.851.771.24Rb39.956.38.4813.312.110.2543.3013.9013.0014.25Sr334309424384351211.50472.00668.00156.00426.70Ba122011609281100948113.50455.50286.00233.00336.00Nb2.952.813.893.533.393.406.553.255.906.69Ta0.240.230.290.280.270.320.420.190.490.53Zr10791.710610198.877.00129.2591.20190.00202.00Hf2.482.402.682.582.491.802.952.825.804.67U1.451.461.071.221.190.580.531.150.581.10Th4.074.033.003.223.080.901.832.091.401.89Y7.877.5610.58.998.6418.1428.4332.1024.9230.82La/Nb4.015.102.853.292.684.651.794.773.562.26Nb/U2.031.923.642.892.855.8612.362.8310.176.08Zr/Sm44.4039.1941.2543.1645.9517.5827.3813.9935.9839.92Th/Ta16.9617.5210.3411.5011.412.814.3611.002.863.57Ce/Th5.926.907.406.936.33-----Ba/Th9.257.6216.3913.2012.96-----

注：*為引用數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于靳劉圓(2013)；其余數(shù)據(jù)為本文測試數(shù)據(jù)，測試單位：西安地質(zhì)礦產(chǎn)研究所分析測試中心，2013年12月；Mg#=100×Mg2+/(Mg2++Fe2+)。

圖6 球粒隕石標準化的稀土配分曲線圖(a) 和原始地幔標準化的蛛網(wǎng)圖(b)Fig. 6 Chondrite-normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle-normalized multi-elements spider diagram(b) (球粒隕石標準化值據(jù)Boytton，1984；原始地幔標準值Sun and McDonough，1989) (chondrite data after Boynton，1984 and primitive mantle data after Sun and McDonough，1989)

在熱液蝕變過程中,一些大離子親石元素如Cs、K、Rb、Ba、Sr等是容易活動的；而稀土元素和一些高場強元素(如Nb、Ta、Zr、Hf、Ti、Th等)活動性弱；其中，Zr在熱液蝕變過程中是不活動的(Sun and McDonough，1989；Saundersetal.，1988；Zindleretal.，1986)。所以,我們可以通過研究其它元素與Zr的關(guān)系來判斷這些元素的活動性(Gibsanetal.，1982； Pearceetal.，1992)。在Zr-Rb和Zr-La圖解中，兩套火山巖并沒有表現(xiàn)出相關(guān)關(guān)系(圖7)，但Zr-Ta相關(guān)性明顯，證明哈爾里克地區(qū)早泥盆世存在后期熱液蝕變作用，導(dǎo)致活潑元素發(fā)生不同程度的帶入和帶出現(xiàn)象，而高場強元素則基本不受影響。

5 討論

5.1 巖石成因

研究表明，鎂鐵質(zhì)巖漿同化陸殼物質(zhì)，會增加SiO2、K2O、Rb、Ba、Zr、Th等氧化物或元素的豐度，同時會升高La/Nb、K/P、Zr/Nb和87Sr/86Sr比值，降低Ti/Yb、Ce/Pb比值和Sr豐度(Barkeretal．，1997；McDonaldetal.，2001)。博格達和哈爾里克地區(qū)早泥盆世火山巖的SiO2-K2O/P2O5、Ti/Yb-Zr/Nb之間沒有明顯的相關(guān)關(guān)系(圖8)，La/Nb值分別為2.68～5.10和1.79～4.65，高于虧損地幔(地殼萃取過后的虧損地幔La/Nb=0.68，Sun and McDonough，1989)，且隨Sr含量的降低而降低，證明博格達和哈爾里克地區(qū)泥盆紀火山巖均同化了一定的陸殼物質(zhì)，但是博格達地區(qū)下澇壩早泥盆世火山巖Nb/U=1.92～3.64，遠低于大陸地殼相應(yīng)值(平均地殼Nb/U=9.7，McDonough，1990)，且SiO2含量比較均一，說明博格達泥盆紀火山巖同化混染程度十分微弱；而哈爾里克地區(qū)泥盆紀火山巖Nb/U=2.83～12.36，且元素的起伏變化較博格達地區(qū)大，則意味著哈爾里克地區(qū)早泥盆世火山巖巖漿在不同演化階段混染程度可能不同。

博格達地區(qū)下澇壩早泥盆世火山樣品Sr含量介于309×10-6～424×10-6，非常低的Y和Yb含量表明其源區(qū)的深度較大，可能為石榴石穩(wěn)定域，這是因為該深度下斜長石不穩(wěn)定，大量分解進入熔體，導(dǎo)致熔體中高的Sr含量，Y和Yb因與石榴子石相容而被大量殘留在源區(qū)。同時，所有樣品的Zr/Sm比值均大于10，反映源區(qū)可能有角閃石的殘留，因為Sm在角閃石中的分配系數(shù)遠大于Zr。哈爾里克地區(qū)早泥盆世火山巖不論是重稀土含量，還是Zr/Sm比值都較下澇壩早泥盆世火山巖明顯偏高，標志其源區(qū)深度相對較淺。用稀土元素相關(guān)圖解來模擬地幔巖石的部分熔融程度及發(fā)生的熔融深度，LaN-(La/Yb)N圖解顯示，博格達下澇壩早泥盆世火山巖可能由石榴石二輝橄欖巖在2%～5%的部分熔融程度下產(chǎn)生，而哈爾里克地區(qū)早泥盆世火山巖則可在尖晶石二輝橄欖巖<3%的部分熔融程度下來模擬(圖9a)。Denieletal.(1998)研究認為，來源于不同礦物相源區(qū)不同部分熔融程度形成的巖漿具有不同的Zr/Nb和Ce/Y比值，因而用Zr/Nb-Ce/Y圖解對兩套火山巖進行判別，同樣顯示博格達和哈爾里克地區(qū)早泥盆世火山巖分別是發(fā)生在石榴石穩(wěn)定域和尖晶石穩(wěn)定域地幔橄欖巖較低程度部分熔融的產(chǎn)物(圖9b)，這些都與稀土元素配分圖解所得結(jié)論一致。

圖7 Zr-K/Rb/La協(xié)變圖解Fig.7 Zr-K/Rb/La diagrams

圖8 SiO2-K2O/P2O5、Zr/Nb-Ti/Yb和Sr-La/Nb協(xié)變圖解Fig.8 SiO2-K2O/P2O5、Zr/Nb-Ti/Yb and Sr-La/Nb diagrams

圖9 石榴石二輝橄欖巖與尖晶石二輝橄欖巖部分熔融模擬LaN-(La/Yb)N圖解(a)(據(jù)Kerr et al.， 1997)和Zr/Nb-Ce/Y圖解(b)(據(jù)Deniel，1998)Fig.9 The LaN-(La/Yb)N diagram for fraction melting of garnet lherzolite(a;after Kerr et al., 1997) and the Zr/Nb-Ce/Y diagram (b;after De niel, 1998)

前述博格達和哈爾里克地區(qū)早泥盆世火山巖微量元素(包括稀土元素)有顯著的造山帶弧火山巖的性質(zhì)，包括下凹式右傾稀土配分模式、富集大離子親石元素而虧損高場強元素以及Nb、Ta、Ti、P不同程度的虧損等(Rollinson，1993)。一般來說島弧環(huán)境中的巖漿會有：(1) 地幔楔中橄欖巖的部分熔融；(2) 俯沖帶流(熔)體；(3) 俯沖板片部分熔融；(4) 陸殼同化混染等多種來源(Macdonaldetal.，2000)。不同地幔巖在相應(yīng)的溫壓條件下部分熔融均可產(chǎn)生原生巖漿(Gast，1968；Greenetal.，1967，1968，1970，1976；鄂莫嵐等，1987；池際尚，1987；Yaxley，2000)，而不同環(huán)境或源區(qū)產(chǎn)生的巖漿會表現(xiàn)出不同的地球化學(xué)特征(Wilson，1989；Forster，1997)，因此可以用火山巖的微量元素特征對其源區(qū)性質(zhì)進行約束。

博格達地區(qū)下澇壩早泥盆世火山巖表現(xiàn)出Nb、Ta和Ti的負異常以及Ba、Th、Sr的富集，這可能是因為地幔楔受到了洋殼流(熔)體的交代作用(Pearceetal.，1995)。元素Th和Ta在地幔演化過程中表現(xiàn)較為穩(wěn)定，但在受俯沖帶流(熔)體影響的地幔楔發(fā)生部分熔融時，二者會發(fā)生分異，表現(xiàn)為Th的富集(Wilson，1989)，從而形成較高的Th/Ta比值。博格達地區(qū)泥盆紀火山巖Th/Ta比值高達10.34～17.52，盡管地殼物質(zhì)混染也可以表現(xiàn)出Nb、Ta負異常等島弧火山巖的特征(Wilson，1989；夏林圻等，2007a，2007b)，但是前文已經(jīng)證明巖漿同化地殼物質(zhì)十分有限，因此這種特征顯然是由受俯沖流(熔)體交代的地幔部分熔融形成的。哈爾里克早泥盆世火山巖盡管其巖漿存在地殼混染作用，且?guī)r石后期也發(fā)生過顯著的熱液蝕變作用，導(dǎo)致K、Rb、Ba等活潑元素的巖漿特征被不同程度的掩蓋，但所有樣品具有一致右傾下凹式的稀土配分模式，整體富集大離子親石元素而虧損高場強元素，顯著虧損Nb、Ta，依然可以判斷其形成于與俯沖作用有關(guān)的環(huán)境(Gill，1981；Pearce，1982)，其對應(yīng)巖漿的形成主要是俯沖洋殼及其沉積物在脫水過程中形成的流體或熔體交代上覆地慢楔的結(jié)果(Eileretal.，2000；Elliottetal.，1997)。

圖10 博格達-哈爾里克地區(qū)早泥盆世火山環(huán)境判別圖 (底圖分別據(jù)Meschede，1986和Pearce et al.，1995)Fig.10 Tectonic discrimination diagrams for Bogda-Harlik area Devonian volcanic rocks (the base diagram after Meschede,1986 and Pearce et al.,1995)

5.2 構(gòu)造環(huán)境與地質(zhì)意義

博格達地區(qū)下澇壩和哈爾里克地區(qū)早泥盆世火山巖均表現(xiàn)出富集LILE和相對虧損HFSE的地球化學(xué)特征(圖6b)，與形成于俯沖帶的火山巖的特征相當一致(McCulloch and Gamble，1991)。其中Nb、Ta的顯著虧損表明其巖漿來源于俯沖帶熔融的上地?；蚋_板片，而Ba、Rb和Th的相對富集則可能是地幔楔被俯沖流體交代所致。

在Hf/3-Th-Ta三角圖解(圖10a)中，兩套火山巖均投影于鈣堿性玄武巖區(qū)域，并且每套火山巖均有從島弧型拉斑玄武巖向鈣堿性玄武巖演化的線性趨勢，表明這些火山巖可能形成于會聚板塊邊緣，即俯沖型火山島弧環(huán)境。用Yb標準化的元素比值可以削除或減少部分熔融和分離結(jié)晶作用對元素產(chǎn)生的影響，從而得到巖漿源區(qū)的地球化學(xué)性質(zhì)(Maedonaldetal.，2000)。因此，筆者用Yb標準化的Th-Nb圖解對兩個地區(qū)的火山巖進行環(huán)境判別(圖10b)，結(jié)果顯示哈爾里克火山巖樣品落在大陸島弧火山巖和大洋島弧火山巖的重疊區(qū)域，而博格達火山巖明顯偏向大陸島弧區(qū)域，表明這兩套火山巖均具有大陸火山島弧親緣性。

卡拉麥里-莫欽烏拉-哈爾里克構(gòu)造帶在晚海西期均大量發(fā)育有復(fù)理石和火山巖建造，現(xiàn)今博格達山山體向東經(jīng)巴里坤山自然彎曲并交入哈爾里克山，構(gòu)成地貌上緊密相連的東西走向山脈。方國慶(1990)和何國琦(1994)認為盡管在海西期博格達造山帶與哈爾里克造山帶在地層和火山作用方面存在一定差異，但其地層呈過渡接觸，野外并未發(fā)現(xiàn)截然的構(gòu)造拼合界線。馬瑞士(1993；1997)和Lamb(1997)則進一步研究認為它們是連續(xù)的構(gòu)造帶，二者構(gòu)成了準噶爾-吐哈地塊北緣連續(xù)的晚古生代島弧。近年來，大量的研究包括火山巖、花崗巖以及沉積相方面均肯定了哈爾里克造山帶為泥盆紀-石炭紀晚古生代島弧這一認識(李錦軼，2002，2004，2006；賀軍慧，2006；侯廣順，2006；左國朝，2006；張洪瑞，2010；夏芳，2012；趙同陽，2014)，如李錦軼等(2004)在哈爾里克一帶下泥盆統(tǒng)大南湖組和中泥盆統(tǒng)頭蘇泉組選取的38件火山巖樣品均為從基性到酸性連續(xù)演化的鈣堿性系列，具有相似的地球化學(xué)特征，屬活動陸緣火山巖。同時，孫桂華等(2005)認為博格達與哈爾里克具有大體相同的巖漿活動歷史，后期構(gòu)造變動改造使二者的剝蝕深度不同，從而表現(xiàn)出博格達山主要由石炭紀的火山沉積巖系構(gòu)成，而只出露很少的深成侵入巖體，與之相連的哈爾里克山主要由泥盆紀火山巖構(gòu)成并出露大量的深成侵入巖體。相對而言，前人對博格達泥盆紀構(gòu)造屬性的研究工作甚少。此次在博格達地區(qū)下澇壩南部確定的早泥盆世火山巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb平均年齡為397.5±4.7Ma，屬早泥盆世。巖石地球化學(xué)特征證明該套火山巖具有活動陸緣的性質(zhì)，因此我們認為博格達造山帶(至少在東段)和哈爾里克地區(qū)在早泥盆世時期應(yīng)該具有相同的大地構(gòu)造背景，這為理解博格達-哈爾里克造山帶晚古生代的構(gòu)造演化提供了新的證據(jù)。

6 結(jié)論

(1) 博格達地區(qū)下澇壩南部火山巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡為397.5±4.7Ma，屬早泥盆世。

(2) 博格達地區(qū)下澇壩早泥盆世火山巖和哈爾里克早泥盆世火山巖均為鈣堿性系列，巖性組合前者以中性為主，后者則為基性到酸性的連續(xù)演化。

(3) 博格達地區(qū)下澇壩早泥盆世火山巖巖漿可能是石榴石穩(wěn)定域地幔橄欖巖發(fā)生2%～5%的部分熔融產(chǎn)生，上升過程中同化混染程度較小，而哈爾里克早泥盆世火山巖可能是尖晶石穩(wěn)定域中地幔橄欖巖<3%的部分熔融形成，地殼混染較明顯。

(4) 博格達地區(qū)下澇壩早泥盆世火山巖都形成于與俯沖有關(guān)的活動陸緣環(huán)境，暗示博格達地區(qū)和哈爾里克地區(qū)在早泥盆世時期可能具有相同的大地構(gòu)造環(huán)境。

致謝 本文在野外工作中得到長安大學(xué)翁凱博士、張濤碩士和中國地質(zhì)大學(xué)(北京)贠杰碩士的關(guān)心，數(shù)據(jù)測試過程中受到天津地調(diào)測試中心耿建珍工程師的熱情幫助，審稿老師的意見使作者受益良多，在此一并致謝。

[注釋]

① 長安大學(xué)地質(zhì)調(diào)查研究院．2013.1∶25萬三道嶺幅地質(zhì)圖[R].

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Comparison of Genesis of Devonian Volcanic Rocks in the Bogda and Harlik Areas and its Tectonic Implications

CUI Fang-lei1,2，WANG Xiao-wei1,2，MA Zhong-ping1，SUN Ji-ming1，ZHU Xiao-hui1

(1.Xi’anCenterofGeologicalSurvey，ChinaGeologicalSurvey,Xi’an,Shaanxi710054；2.CollegeofEarthScienceandResourcesofChang’anUniversity，Xi’an,Shaanxi710064)

This work has identified a set of calc-alkali volcanic rocks from the southern Xialaoba area, east section of Bogda, East Tian Shan, which is dominated by andesite with zircon U-Pb ages 397.5±4.7 Ma. The samples' REE abundance shows a rightly-oblique pattern type characterized by fractionation. Their trace elements are rich in large-ion-lithophile elements (LILE) such as Ba and K, uniformly and observably depleted in high-field-strength elements (HFSE) such as Nb,Ta, Ti and Y. Their primitive magma might emanate from mantle peridotite 2%～5% partial melting in the garnet stability domain with a slight assimilation and hybridization. The corresponding Early Devonian Dananhu formation volcanic rocks from southern Harlik are calc-alkali series that evolved from basalt to rhyolite. Their REE abundance is higher than the Xiaolaoba volcanic rocks, but have a low fractionation between LREE and HREE and are rich in LIEL and depleted HFSE as a whole. Their primitive magma could originate from mantle peridotite <3% partial melting in the Spinel stability domain, assimilating some crust material, and rocks were strongly altered in later time. Both the two kinds of volcanic rocks formed in an active continental margin environment related to subduction，which implies that the Bogda and Harlik areas shared a same tectonic setting in Early Devonian.

Bogda and Harlik, Early Devonian, volcanic rocks, genesis, tectonic environment

2014-12-26；

2015-03-09；[責任編輯]郝情情。

國家自然科學(xué)基金項目(編號：41272089)、天山關(guān)鍵地區(qū)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查項目(編號：12120113042200)和西北基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查成果集成與綜合研究項目(編號：1212011220649)聯(lián)合資助。

崔方磊(1990年-)，男，2013年畢業(yè)于長安大學(xué)，獲學(xué)士學(xué)位，長安大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事火成巖成因研究工作。E-mail：cuifanglei@126.com。

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0495-5331(2015)03-0519-15