新疆巴音溝蛇綠混雜巖帶中不同類型火山巖地球化學特征及構(gòu)造環(huán)境

司國輝+蘇會平+李瑋娜+李得成+張超

摘要：中天山北緣斷裂帶北側(cè)的北天山晚古生代蛇綠混雜巖帶呈NWW—SEE向展布，新疆巴音溝蛇綠混雜巖是該帶的重要組成部分和典型代表。在前人研究基礎上，對巴音溝蛇綠混雜巖帶的物質(zhì)組成進行詳細的野外地質(zhì)填圖和剖面測制，發(fā)現(xiàn)至少存在3種玄武質(zhì)巖石：與變質(zhì)橄欖巖及輝長巖等伴生的玄武質(zhì)巖石、與火山碎屑巖及酸性火山巖伴生的玄武質(zhì)巖石及分布于蛇綠混雜巖邊部的玄武質(zhì)巖石。地球化學特征顯示它們分別對應MORB型、OIB型和CRB型等3種不同性質(zhì)的玄武巖，表明巴音溝蛇綠混雜巖帶物質(zhì)組成、形成演化的復雜性。通過對巴音溝蛇綠混雜巖帶兩側(cè)地質(zhì)體的對比研究，認為巴音溝洋關(guān)閉于早石炭世末。

關(guān)鍵詞：地球化學；蛇綠巖；玄武巖；晚古生代；構(gòu)造環(huán)境；北天山；新疆

中圖分類號：P588.1文獻標志碼：A

0引言

新疆西天山內(nèi)部發(fā)育多條顯著的蛇綠混雜巖帶，包括北天山晚古生代蛇綠混雜巖帶、中天山北緣早古生代蛇綠混雜巖帶、中天山南緣早古生代晚期—晚古生代早期蛇綠混雜巖帶和南天山晚古生代蛇綠混雜巖帶[12]。巴音溝蛇綠混雜巖屬于北天山晚古生代蛇綠混雜巖帶的一部分，從艾比湖經(jīng)巴音溝向東延伸到后峽一帶，是準噶爾板塊與塔里木板塊間的最終縫合帶。巴音溝蛇綠混雜巖呈推覆巖片逆沖于下石炭統(tǒng)阿克沙克組之上，其上又被上石炭統(tǒng)奇爾古斯套組角度不整合覆蓋。巴音溝蛇綠混雜巖中玄武巖為NMORB型，但根據(jù)SrNd同位素特征，這些洋中脊玄武巖受到了洋島玄武巖（OIB）的影響[3]。對斜長花崗巖及輝長巖進行SHRIMP UPb測年，獲得其年齡分別為（325±7）、（344±3）Ma[4]；但在硅質(zhì)巖中獲得放射蟲及牙形刺微體化石，由此認為其形成于晚泥盆世—早石炭世[56]；同樣，前人對巴音溝蛇綠混雜巖形成環(huán)境提出了邊緣海盆環(huán)境[7]、弧后盆地環(huán)境[6]、弧前盆地環(huán)境[8]及準噶爾早古生代洋盆（古亞洲洋盆的組成部分）向南俯沖誘發(fā)巖石圈拉伸而形成小洋盆環(huán)境[5]等觀點。由此可見，前人對巴音溝蛇綠混雜巖的研究主要集中在年代學及形成環(huán)境方面，對混雜巖帶內(nèi)部的各個巖塊組成和性質(zhì)研究較少。

2010～2012年，西安地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院組織完成了中國地質(zhì)調(diào)查局1∶50 000哈夏特等4幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查，其中包括對巴音溝蛇綠混雜巖帶的研究[9]。通過對蛇綠混雜巖帶出露的典型地區(qū)進行1∶10 000地質(zhì)填圖和剖面測量，深入研究其空間展布特征、物質(zhì)組成、構(gòu)造變形特征和形成時代，豐富對巴音溝蛇綠混雜巖帶的認識，以期更加全面地反映北天山晚古生代構(gòu)造演化的基本過程。

1研究區(qū)地質(zhì)概況

巴音溝蛇綠混雜巖位于中天山北緣斷裂北側(cè)，是北天山晚古生代構(gòu)造巖漿作用的重要組成部分（圖1）。巴音溝地區(qū)SW—NE向存在3個主要地質(zhì)單元，依次為下石炭統(tǒng)沙大王組、巴音溝蛇綠混雜巖和上石炭統(tǒng)奇爾古斯套組（圖2）。巴音溝蛇綠混雜巖呈推覆巖片逆沖于沙大王組之上，與上石炭統(tǒng)奇爾古斯套組為斷層接觸關(guān)系。

圖件引自文獻[10]

巴音溝蛇綠混雜巖帶由蝕變超基性巖、含斜長花崗巖脈的輝長巖、閃長巖、輝綠巖墻、枕狀玄武巖、塊狀熔巖（玄武巖和安山巖）、基性凝灰?guī)r和硅質(zhì)巖等組成。輝綠巖墻清楚地根植于輝長巖中，對上覆玄武巖起著補給通道的作用。在巴音溝地區(qū)，雖然蛇綠巖組合出露比較完整，但原始的蛇綠巖組合已被后期構(gòu)造變動破壞。蝕變超基性巖主要由蛇紋巖化方輝橄欖巖和純橄巖組成。巴音溝蛇綠混雜巖帶由混雜基質(zhì)和構(gòu)造巖塊組成，基質(zhì)為強烈剪切變形的超基性巖及碎屑巖，而構(gòu)造巖塊較為復雜，主要為蛇紋巖、蝕變輝長巖、凝灰?guī)r、深海放射蟲硅質(zhì)巖。另外，部分玄武巖與灰?guī)r緊密伴生，而有的玄武巖卻與紫紅色硅質(zhì)巖緊密伴生。

2玄武質(zhì)巖石分類

在對巴音溝蛇綠混雜巖帶的物質(zhì)組成進行詳細調(diào)查的基礎上，對其中的玄武質(zhì)巖石進行系統(tǒng)分析。結(jié)合野外產(chǎn)狀、巖石組合特征及地球化學特征，可將混雜巖帶中玄武質(zhì)巖石初步分為3類：與變質(zhì)橄欖巖及輝長巖等伴生的玄武質(zhì)巖石、與火山碎屑巖及酸性火山巖伴生的玄武質(zhì)巖石和分布于蛇綠混雜巖邊部的玄武質(zhì)巖石。

圖3玄武巖與蛇紋巖的接觸關(guān)系

Fig.3Contact Relationship Between Basalt and Serpentinite

2.1與變質(zhì)橄欖巖及輝長巖等伴生的玄武質(zhì)巖石

與變質(zhì)橄欖巖及輝長巖等伴生的玄武質(zhì)巖石多為淺灰綠色，在野外與變輝長巖、變輝長輝綠巖、變質(zhì)橄欖巖及蛇紋巖緊密共生，它們之間均為構(gòu)造接觸（圖3），是蛇綠混雜巖帶中玄武質(zhì)巖石的主體?；匀蹘r通常具有聚斑結(jié)構(gòu)、玻基交織結(jié)構(gòu)、斑狀結(jié)構(gòu)或微晶結(jié)構(gòu)，主要由斜長石、單斜輝石、磁鐵礦、鈦鐵礦和少量鋯石組成，發(fā)育低級變質(zhì)作用形成鈉長石、綠簾石、綠泥石、方解石、榍石和陽起石等礦物，它們常出現(xiàn)在基質(zhì)中。輝長巖主要由粗粒斜長巖和單斜輝石組成，斜長石通常被輝石包裹構(gòu)成嵌晶結(jié)構(gòu)，巖石中含有少量鈦鐵礦、磁鐵礦、榍石及鋯石。

2.2與火山碎屑巖及酸性火山巖伴生的玄武質(zhì)巖石

與火山碎屑巖及酸性火山巖伴生的玄武質(zhì)巖石主要分布在蛇綠混雜巖帶的中部大梁附近，所占比例不多但特征比較明顯，多與中酸性火山碎屑巖巖塊、碎屑巖分布在一起，它們之間均為斷層接觸關(guān)系，呈現(xiàn)網(wǎng)狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，變形基質(zhì)多為火山碎屑巖、碎屑巖。該玄武質(zhì)巖石主要有兩種玄武巖：一種為紫紅色塊狀玄武巖，呈紫紅色塊狀構(gòu)造，偶見小枕狀構(gòu)造；另一種為深灰色枕狀玄武巖，巖石呈深灰色枕狀構(gòu)造，枕狀構(gòu)造十分發(fā)育，大多呈橢球狀，直徑一般為30～50 cm，也可見直徑約1 m的球枕（圖4），球枕之間有3～5 cm的冷凝邊。枕狀玄武巖具斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶主要為斜長石和少量單斜輝石，基質(zhì)為間隱結(jié)構(gòu)（玻璃質(zhì)已脫?；?，斜長石微晶發(fā)育海相火山巖特有的水下“淬火”結(jié)構(gòu)。

圖4枕狀玄武巖分布

Fig.4Distribution of the Pillow Basalts

2.3分布于蛇綠混雜巖邊部的玄武質(zhì)巖石

分布于蛇綠混雜巖邊部的玄武質(zhì)巖石主要分布在混雜構(gòu)造帶邊部及蛇綠混雜巖帶兩側(cè)的地層中，均為斷層接觸關(guān)系，變形基質(zhì)為中酸性火山碎屑巖和碎屑巖。該玄武質(zhì)巖石主要為灰綠色枕狀玄武巖，巖石多具杏仁狀、枕狀、球粒狀構(gòu)造，玄武巖枕體大小懸殊，呈不規(guī)則狀魚目混雜。其直徑一般都小于20 cm，以5～10 cm的居多（圖5）。枕狀玄武巖特征與第2.2節(jié)枕狀玄武巖類似，具斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶主要為斜長石和少量單斜輝石，基質(zhì)為間隱結(jié)構(gòu)。

圖5被構(gòu)造破壞的枕狀玄武巖分布

Fig.5Distribution of the Pillow Basalts Destroyed by Tectonics

3地球化學特征

對玄武質(zhì)巖石分別進行樣品采集及地球化學測試分析，分析結(jié)果見表1。根據(jù)地球化學參數(shù)可以看出：樣品10DYQ821、D0933YQ1、D1908YQ2、11D1YQ471、11D1YQ541為洋中脊玄武巖（MORB）型；樣品D0904YQ1、D0931YQ1、D0207YQ1為洋島玄武巖（OIB）型；樣品10DYQ751、10SYQ221、10UYQ91、D0903YQ1為大陸裂谷玄武巖（CRB）型。這3類樣品與野外巖石組合特征相一致。

3.1MORB型巖石

MORB型巖石SiO2含量（質(zhì)量分數(shù)，下同）為49.17%～52.5%，Al2O3為13.58%～15.03%， MgO為5.37%～6.16%，Mg#值為36～43；TiO2含量為0.60%～2.01%，明顯高于島弧拉斑玄武巖（TiO2含量為0.58%～0.85%），而與洋中脊玄武巖（TiO2含量為1%～1.5%）基本一致； Na2O含量為2.29%～5.08%，平均為3.83%，略高于堿性玄武巖的平均值（3.2%），K2O含量為0.23%～346%，絕大多數(shù)Na2O含量高于K2O，w（Na2O）+w（K2O）值為4.10%～5.75%。在抗蝕變元素0000 1Zr/TiO2Nb/Y圖解（圖6）中，樣品全部落在亞堿性玄武巖安山巖區(qū)；利用FeOT+TiO2Al2O3MgO圖解進一步判別，樣品屬于高鈦拉斑玄武巖系列（圖7）。

玄武巖稀土元素總含量較高，為（16.1～73.8）×10-6，無明顯Eu異常（0.91～1.25）。在球粒隕石標準化稀土元素配分模式（圖8）中，輕稀土元素略虧損，重稀土元素曲線相對平坦，輕、重稀土元素分餾較不明顯（w（La）N/w（Yb）N=0.67～1.57）。在原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖（圖9）中，大離子親石元素Rb、Ba、Th相對富集，高場強元素Zr、Nb明顯負異常?？傮w上，與變質(zhì)橄欖巖及輝長巖等伴生的玄武質(zhì)巖石曲線跟典型洋中脊玄武巖形態(tài)基本一致。

3.2OIB型巖石

OIB型巖石SiO2含量為4783%～5098%， Al2O3為1365%～1652%， MgO為336%～596%；Mg#值為28～43，低于原生巖漿（Mg#值為68～75）；TiO2含量為26%～367%，明顯高于島弧拉斑玄武巖（TiO2含量為058%～085%）及洋中脊玄武巖（TiO2含量為1%～15%），而與加拿大Flin Flon帶的Long Bay的洋島玄武巖（TiO2含

REE為稀土元素總含量；w（·）N為元素含量球粒隕石標準化后的值；δ（·）為元素異常；主量元素在新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局中心實驗室采用X射線熒光光譜（XRF）方法分析完成，分析的相對偏差小于5%；FeO含量用濕化學分析法單獨測定完成；微量元素在長安大學西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點實驗室采用ThermoX7電感耦合等離子體質(zhì)譜儀進行樣品測定；除元素Nb和Ta的分析相對偏差小于10%外，其余元素均小于5%。

ws為樣品含量；wc為球粒隕石含量；球粒隕石標準化數(shù)據(jù)引自文獻[13]；巖石類型相同的多條曲線分別對應不同的樣品編號

圖8玄武質(zhì)巖石球粒隕石標準化稀土元素配分模式

Fig.8Chondritenormalized REE Pattern for Basaltic Rocks

wp為原始地幔含量；原始地幔標準化數(shù)據(jù)引自文獻[13]；巖石類型相同的多條曲線分別對應不同的樣品編號

圖9玄武質(zhì)巖石原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖

Fig.9Primitive Mantlenormalized Trace Element Spider Diagram for Basaltic Rocks

量為1.35%～2.29%）[14]及中國克拉瑪依OIB型枕狀玄武巖（TiO2含量為129%～2.48%）相近[15]；Na2O含量為3.83%～4.82%，略高于堿性玄武巖的平均值（3.2%），K2O含量為0.8%～198%，Na2O含量高于K2O，w（Na2O）+w（K2O）值為4.63%～584%，與克拉瑪依OIB型枕狀玄武巖（w（Na2O）+w（K2O）值為433%～938%）[14]相近。在抗蝕變元素0.000 1Zr/TiO2Nb/Y圖解中，樣品全部落在堿性玄武巖區(qū)域（圖6）。

玄武巖稀土元素總含量較高，為（132.9～160.9）×10-6，無明顯Eu異常（0.96～1.03）。在球粒隕石標準化稀土元素配分模式（圖8）中，輕稀土元素強烈富集，重稀土元素相對虧損，曲線平坦，輕、重稀土元素分餾較為明顯（w（La）N/w（Yb）N=351～828），配分模式與典型的洋島玄武巖模式一致。在原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖（圖9）中，大離子親石元素Rb、Ba、Th相對富集，高場強元素Ti、Hf、Ta明顯富集。總體上，與火山碎屑巖及酸性火山巖伴生的玄武質(zhì)巖石曲線跟典型洋島玄武巖形態(tài)基本一致。

3.3CRB型巖石

CRB型巖石SiO2含量為47.46%～51.33%， Al2O3為13.16%～14.9%， MgO為5.03%～583%；Mg#值為42～51，低于原生巖漿（Mg#值為68～75）；TiO2含量為2.07%～2.71%，明顯高于島弧拉斑玄武巖（TiO2含量為0.58%～0.85%）及洋中脊玄武巖（TiO2含量為1%～1.5%）；Na2O含量為249%～4.69%， K2O為1.17%～26%，Na2O含量高于K2O。在抗蝕變元素0000 1Zr/TiO2Nb/Y圖解中，樣品全部落在堿性玄武巖區(qū)域（圖6）。

玄武巖稀土元素總含量較高，為（140～180.6）×10-6，無明顯Eu異常（0.88～1.14）。在球粒隕石標準化稀土元素配分模式（圖8）中，輕稀土元素強烈富集，重稀土元素相對虧損，曲線平坦，輕、重稀土元素分餾較為明顯（w（La）N/w（Yb）N=11.33～1509）。在原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖（圖9）中，大離子親石元素Rb、Ba、Th相對富集，高場強元素Ti、Hf、Ta無明顯異常?？傮w上，分布于蛇綠混雜巖邊部的玄武質(zhì)巖石曲線與大陸裂谷玄武巖形態(tài)基本一致。

4討論

4.1形成時代

徐學義等對新疆巴音溝蛇綠混雜巖中的輝長巖、斜長花崗巖分別進行了鋯石UPb同位素測年研究[4]，測年結(jié)果分別為（344±3.4）、（324.8±7.1）Ma。另外，在巴音溝蛇綠混雜巖套的硅質(zhì)巖中發(fā)現(xiàn)有放射蟲Ceratoikicum sp.，時代為早石炭世[16]，同時也存在晚泥盆世法門期的牙形石Palmatolepis sp.和Palygnathus sp.[56]。Han等對侵位于蛇綠混雜巖帶中具有釘合巖體特征的四棵樹花崗巖進行了年齡測定，獲得其年齡為316 Ma[10]。司國輝等對四棵樹花崗巖不同侵入體進行了激光剝蝕等粒子質(zhì)譜鋯石測年，獲得的年齡分別為（311.5±4）、（311.1±3.8）、（314.7±4.3）、（324.7±4.3）Ma[17]；同時，對上覆于蛇綠混雜巖帶的前峽組測年，獲得該組下段凝灰質(zhì)粉砂巖夾層內(nèi)安山巖的鋯石年齡為（318.5±4.6）Ma。上述數(shù)據(jù)表明，巴音溝蛇綠混雜巖中蛇綠巖組分的形成年齡至少應從344 Ma開始，但其代表的北天山洋不晚于324 Ma關(guān)閉，也就是說，巴音溝洋關(guān)閉于早石炭世末，因此，也可以間接推測其中洋島玄武巖組分形成時代介于324～344 Ma，而大陸裂谷玄武巖組分的年代應該晚于324 Ma。

4.2構(gòu)造環(huán)境

在新疆巴音溝蛇綠混雜巖中，明顯發(fā)育3種不同地球化學特征的玄武質(zhì)巖石，分別為MORB型、OIB型和CRB型。采用抗蝕變元素（如Zr、Y及Ti等）進行構(gòu)造環(huán)境判別。在ZrZr/Y構(gòu)造環(huán)境判別圖解（圖10）中，MORB型火山巖樣品全部落在了大洋中脊區(qū)域，OIB型及CRB型玄武質(zhì)巖石樣品落在了板內(nèi)環(huán)境。在FeOTMgOAl2O3構(gòu)造環(huán)境判別圖解（圖11）中，進一步區(qū)分OIB型及CRB型樣品，但兩者也不能很好地區(qū)分?？紤]到前者伴生有灰?guī)r，后者發(fā)育有酸性巖，可以認為巴音溝蛇綠混雜巖中發(fā)育OIB型玄武巖的同時，還存在CRB型玄武質(zhì)巖石，當然也不排除全部是OIB型玄武巖及后期卷入的可能[18]。

圖件引自文獻[19]

圖10玄武質(zhì)巖石Zr/YZr構(gòu)造環(huán)境判別圖解

Fig.10Tectonic Setting Discrimination Diagram of Zr/YZr for Basaltic Rocks

圖件引自文獻[20]

圖11玄武質(zhì)巖石FeOTMgOAl2O3構(gòu)造環(huán)境判別圖解

Fig.11Tectonic Setting Discrimination Diagram of

FeOTMgOAl2O3 for Basaltic Rocks

5結(jié)語

新疆巴音溝蛇綠混雜巖帶中發(fā)育3種不同類型的玄武質(zhì)巖石，記錄了該地區(qū)復雜的構(gòu)造巖漿事件。這3種玄武質(zhì)巖石分別為與變質(zhì)橄欖巖及輝長巖等伴生的玄武質(zhì)巖石、與火山碎屑巖及酸性火山巖伴生的玄武質(zhì)巖石和分布于蛇綠混雜巖邊部的玄武質(zhì)巖石。根據(jù)地球化學參數(shù)發(fā)現(xiàn)，上述3種玄武質(zhì)巖石分別對應MORB型、OIB型和CRB型巖石。其中， MORB型火山巖為正常洋中脊產(chǎn)生的大洋地殼，而OIB型玄武巖為大洋板內(nèi)發(fā)育的大洋高原或者島嶼，CRB型應該代表的是大陸裂谷階段火山巖，但遺憾沒有時代約束。不過，這恰恰與自早石炭世開始整個天山造山帶又進入造山后裂谷拉伸階段相吻合。通過對巴音溝蛇綠混雜巖帶兩側(cè)地質(zhì)體的對比研究，認為巴音溝洋關(guān)閉于早石炭世末。下一步需要對北天山構(gòu)造演化進行進一步驗證。

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