——來自地質(zhì)地球化學(xué)和年代學(xué)證據(jù)"/>
舍建忠,賈健,邸曉辰,馮長麗,楊震
(1.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院,新疆 烏魯木齊 830000;2.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第十一區(qū)域地質(zhì)調(diào)查大隊(duì),新疆 昌吉 831100)
西準(zhǔn)噶爾處于西伯利亞板塊與哈薩克-準(zhǔn)噶爾板塊的交接處,是中亞巨型造山帶的重要組成部分,其構(gòu)造演化與中亞造山帶的形成演化密切相關(guān),但是復(fù)雜的構(gòu)造演化和強(qiáng)烈的巖漿活動,使得人們對該地區(qū)認(rèn)識有限,對一些關(guān)鍵科學(xué)問題的認(rèn)識還存在爭議[1-3]。西準(zhǔn)地區(qū)出露的主要是古生代地質(zhì)體,而晚古生代,特別是石炭紀(jì),是準(zhǔn)噶爾盆地構(gòu)造體制的重要轉(zhuǎn)折階段[4-5]。該時(shí)期準(zhǔn)噶爾地區(qū)及鄰區(qū)乃至中亞造山帶經(jīng)歷了古亞洲洋的消亡到陸陸碰撞的過程,巖漿、構(gòu)造活動強(qiáng)烈,廣泛分布的石炭紀(jì)火山巖為探討該時(shí)期的構(gòu)造格局與演化提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。研究區(qū)位于西準(zhǔn)謝米斯臺山中段(圖1-a),區(qū)內(nèi)主要是奧陶紀(jì)以來的地層,尚未發(fā)現(xiàn)寒武系及前寒武系,西準(zhǔn)除局部分布有奧陶—志留系外,絕大部分由泥盆—石炭系構(gòu)成,對該地區(qū)石炭紀(jì)火山巖相關(guān)研究和報(bào)道很少。本文根據(jù)研究成果在原泥盆系中厘定出一套石炭系黑山頭組火山巖,并對地球化學(xué)特征及構(gòu)造環(huán)境進(jìn)行了研究,為探討西準(zhǔn)噶爾石炭紀(jì)構(gòu)造演化提供依據(jù)。
黑山頭組(C1h)是由新疆地礦局原第三區(qū)測大隊(duì)三分隊(duì)李佩基于1961年在布爾津縣南那林卡拉他烏創(chuàng)名,時(shí)代為中石炭世,原定義下部是一套正常陸源碎屑巖,上部多為中酸性、中基性火山碎屑巖。新疆區(qū)測大隊(duì)與中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所分隊(duì)(1974年)將其厘定為下石炭統(tǒng);《西北地區(qū)區(qū)域地層表(新疆維吾爾自治區(qū)分冊)》(1981)進(jìn)一步將其限定為早石炭世早期;《新疆維吾爾自治區(qū)區(qū)域地質(zhì)志》(1993)將其劃分為上、中、下3個(gè)亞組,時(shí)代為早石炭世;《新疆維吾爾自治區(qū)地層清理》(1999)沿用黑山頭組,時(shí)代為早石炭世。
該區(qū)域最新基礎(chǔ)地質(zhì)資料是1980年由新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)局完成的1∶20萬夏子街幅(L-45-ⅩⅤ)區(qū)調(diào)資料,該資料將馬門特一帶由酸性火山巖組成的古火山機(jī)構(gòu)厘定為下石炭統(tǒng)黑山頭組。根據(jù)本次區(qū)調(diào)成果,在該組流紋巖中測得LA-ICP-MS鋯石年齡為(300.9±5.4)Ma,為早二疊世,據(jù)時(shí)代巖性對比應(yīng)為下二疊統(tǒng)卡拉崗組。將馬門特周圍及東部一帶一套火山熔巖、火山碎屑巖歸為中泥盆統(tǒng)呼吉爾斯特組。本次工作在玄武巖中測得LA-ICP-MS鋯石年齡為(343±3.1)Ma(MSWD=0.68),為早石炭世。根據(jù)與《新疆維吾爾自治區(qū)地層清理》及鄰區(qū)巖性對比,認(rèn)為該套地層應(yīng)該歸為下石炭統(tǒng)黑山頭組,并對其巖石地球化學(xué)特征及形成環(huán)境進(jìn)行了分析。
圖1 新疆西準(zhǔn)主要構(gòu)造圖(a)與馬門特地區(qū)地質(zhì)簡圖(b)Fig.1 Main tectonic map of the Westen Junggar,Xinjiang(a)and Mamente area geologica map(b)
該區(qū)域黑山頭組總體呈近EW向條帶狀斷續(xù)分布于馬門特一帶,馬門特以西原有資料也歸為黑山頭組。本次工作在該區(qū)域采集了具有早石炭世指時(shí)典型化石分子,確定為早石炭黑山頭組,馬門特以東原來資料歸為中泥盆統(tǒng)呼吉爾斯特組。本次工作剖面位置位于馬門特東側(cè)一帶(圖1-b),剖面總體上為向西南單傾,傾角為34°~64°,傾向?yàn)?01°~325°,剖面多處見晚期中酸性巖體侵入地層中,接觸界線清晰。剖面底部被二疊紀(jì)石英正長巖侵入,頂部被第四系覆蓋。剖面中見多層凝灰質(zhì)砂礫巖,其中最厚一層約為58 m,分選性差,磨圓度較好。這一層凝灰質(zhì)砂礫巖與安山巖可作為本組的標(biāo)志層。根據(jù)剖面成果,研究區(qū)一帶黑山頭組為一套中基性火山巖夾火山碎屑巖組合,主要巖性為杏仁狀玄武巖、玄武巖、蝕變安山巖、含角礫凝灰?guī)r、晶屑凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂礫巖、凝灰質(zhì)砂巖、含礫巖屑砂巖等。
馬門特一帶黑山頭組剖面巖性自上而下為:
層號 巖性 厚度/m黑山頭組厚度大于2 751.1 m 未見頂32粗砂巖與砂礫巖不均勻互層7.40 31蝕變沉凝灰?guī)r62.10 30灰色凝灰質(zhì)長石巖屑砂巖21.60 29蝕變沉凝灰?guī)r10.00 28玄武質(zhì)火山角礫熔巖30.90 27含角礫蝕變巖屑凝灰?guī)r65.00 26蝕變玄武巖23.30 25凝灰質(zhì)砂礫巖12.20 24蝕變杏仁狀玄武巖55.60 23輝石安山巖80.30 22蝕變安山巖13.60 21蝕變巖屑砂巖42.90 20蝕變安山玢巖152.90 19凝灰質(zhì)砂礫巖28.60
18凝灰質(zhì)砂巖、粉砂巖37.60 17凝灰質(zhì)砂礫巖57.70 16晶屑凝灰?guī)r121.60 15含礫中粗粒巖屑砂巖67.70 14晶屑巖屑凝灰?guī)r91.40 13蝕變安山巖205.50 12含礫巖屑砂巖70.70 10含礫凝灰質(zhì)巖屑砂巖114.50 9 灰色玄武巖196.10 8 杏仁狀玄武巖134.60 7 蝕變玄武巖132.80 6 含輝石玄武巖70.40 5 灰黑色玄武巖457.70 4 灰黑色含杏仁玄武巖171.90 3 含角礫凝灰?guī)r143.00 2晶屑玻屑凝灰?guī)r71.60侵入
樣品化學(xué)分析數(shù)據(jù)見表1。主量元素中SiO2含量變化不大,在51.32%~55.03%,平均52.81%,2件樣品為玄武巖,3件為玄武安山巖。TiO2含量變化不大,為1.41%~1.78%,平均1.64%,高于島弧拉斑玄武巖(TiO2=0.80%)和大陸溢流玄武巖(TiO2=1.00%),低于洋島拉斑玄武巖(TiO2=2.63%),接近MORB玄武巖(TiO2=1.5%)。Al2O3含量較高,為18.18%~19.32%,平均18.71%,具有高鋁玄武巖特征,而高鋁玄武巖正是俯沖帶典型的巖石類型[6]。Mg#值為34.09~44.47,平均40.59,說明分離結(jié)晶程度較低。全堿含量較高(Na2O+K2O為5.82%~6.93%,平均6.27%),相對具有富鈉的特征(K2O=1.73%~3.47%),Na2O=3.1%~4.52%),整體具越偏酸性全堿含量越高的趨勢。在(Na2O+K2O)/SiO2圖中,樣品主體投在靠近分界線堿性系列區(qū)域(圖2-a),在K2O-Na2O圖中鉀質(zhì)和鈉質(zhì)玄武巖均有分布(圖2-b)。
由表1可知,基性巖樣品的稀土總量相對較高,這與巖石富堿特性相對應(yīng),ΣREE=140.62×10-6~161.50×10-6,平 均 153.42× 10-6。其 中 ΣLREE=122.28×10-6~140.58×10-6,ΣHREE=18.35×10-6~21.17×10-6,輕重稀土比值LREE/HREE=6.25~6.72,球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素分布曲線呈輕稀土富集且分餾明顯;重稀土虧損且分餾不明顯的先陡后緩右傾曲線(圖3-a),所有樣品均呈相同的變化趨勢,暗示為同一巖漿源演化的產(chǎn)物。(La/Yb)N=7.12~7.74,輕重稀土元素分餾明顯。δEu=0.90~0.98,平均 0.95,δCe=0.98~1,平均0.99,Eu和Ce元素均具弱負(fù)異常,Eu元素弱負(fù)異常說明巖漿演化過程中發(fā)生了較弱的斜長石分離結(jié)晶作用。
樣品微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖前半部元素含量變化較大,后半部分較平穩(wěn)(圖3-b),不同樣品的微量元素分布特征仍具相似性,顯示出同源演化的特征。大離子親石元素Ba,Pb,Sr相對富集,高場強(qiáng)元素Th,U,Nb相對虧損,Th,U元素相對虧損在典型島弧、洋中脊和板內(nèi)玄武巖中均不存在,可能和后期蝕變作用有關(guān)。
表1 火山巖巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)Table 1 Geochemical data of Volcanic rocks
圖2 火山巖樣品TAS圖解(a)和K2O-Na2O圖解(b)Fig.2 TAS diagram(a)and K2O-Na2O diagram(b)of Volcanic rock samples
圖3 火山巖樣品稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布曲線(a)和微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(b)Fig.3 Chondrite-normalized REE patterns(a)and Primitive mantle normalized trace element patterns(b)of Volcanic rock samples
黑山頭組在布爾津縣南那林卡拉他烏創(chuàng)名,時(shí)代為中石炭世,原定義下部是一套正常陸源碎屑巖,上部多為中酸性、中基性火山碎屑巖?!缎陆S吾爾自治區(qū)地層清理》沿用黑山頭組,時(shí)代為早石炭世,認(rèn)為在卡拉麥里地區(qū)出露的黑山頭組下部為火山碎屑巖,上部為中基性火山巖及火山碎屑巖。田陟賢等在西準(zhǔn)噶爾巴爾雷克一帶對石炭系黑山頭組進(jìn)行了調(diào)查研究,認(rèn)為其下部巖性主要為灰紫色-紫色氣孔杏仁狀安山巖、杏仁狀玄武安山巖和少量的玄武巖[7]。由中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)調(diào)查所2015年完成的《鐵廠溝鎮(zhèn)幅(L45C002001)1∶250000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查》,對鐵廠溝鎮(zhèn)幅NE方向卡拉沙依一帶黑山頭組進(jìn)行了調(diào)查研究,認(rèn)為其下部為一套火山沉積碎屑巖,上部為橄欖玄武巖、杏仁狀玄武巖、安山巖及晶屑凝灰?guī)r。本次工作測制剖面確定該組巖性為玄武巖、杏仁狀玄武巖、蝕變安山巖、安山玢巖、含角礫凝灰?guī)r、晶屑凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂礫巖、凝灰質(zhì)砂巖、含礫巖屑砂巖,這與《新疆維吾爾自治區(qū)地層清理》定義,與卡拉麥里、鐵廠溝鎮(zhèn)北東和西準(zhǔn)噶爾巴爾雷克等地黑山頭組巖性相似。
本次工作在剖面玄武巖中采集了同位素樣品(圖1-b),樣品鋯石的單礦物分選和陰極發(fā)光顯微照相由河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所完成,鋯石UPb同位素分析在中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心實(shí)驗(yàn)室的激光剝蝕電感耦合等離子質(zhì)譜儀(LA-ICP-MS)上進(jìn)行,U-Pb同位素分餾用標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500作為外標(biāo)予以校正,每測6個(gè)未知樣品后插入一次91500標(biāo)樣測定,以確保測試標(biāo)樣和樣品的儀器條件完全一致。激光光束束斑直徑30 μm,以29Si作為內(nèi)標(biāo)測定鋯石的U,Th,Pb含量。鋯石測定點(diǎn)的Pb同位素比值、U-Pb表面年齡和U-Th-Pb含量采用GLITTER程序和Isoplot程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
圖4 玄武巖鋯石陰極發(fā)光圖像及測點(diǎn)點(diǎn)號圖(a)和U-Pb諧和圖(b)Fig.4 CLimages and ages(a)and U-Pb concordia plots(b)from basalt zircons
從樣品中分選出來的鋯石個(gè)體較大、多呈長柱狀,晶型為自形至半自形,晶面整潔光滑,無裂紋,鋯石陰極發(fā)光圖像顯示其環(huán)帶狀構(gòu)造特征明顯(圖4-a),呈巖漿成因鋯石特點(diǎn),環(huán)帶較寬,表明鋯石結(jié)晶時(shí)巖漿溫度較高,鋯石群形態(tài)單一,多數(shù)為噴發(fā)期巖漿活動一次結(jié)晶形成。Th含量變化范圍為43.76×10-6~296.88×10-6,U 含量變化為 88.53×10-6~381.91×10-6,樣品鋯石均具較高的Th/U比值,為0.40~1.27,多數(shù)小于1(表2),展現(xiàn)出巖漿鋯石U、Th成分特征[8]。測得的16顆鋯石年齡數(shù)據(jù)均落于諧和線上或其附近,16個(gè)數(shù)據(jù)的206Pb/U238年齡加權(quán)平均值為(343 ±3.1)Ma(n=16,MSWD=0.68)(圖4-b),該玄武巖形成于早石炭世。
表2 玄武巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素?cái)?shù)據(jù)Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results
高場強(qiáng)元素Nb,Ta,Zr,Hf在蝕變和變質(zhì)等過程中具有很好的穩(wěn)定性,因此是巖石成因和源區(qū)性質(zhì)的示蹤劑。島弧玄武巖和部分虧損型洋中脊玄武巖(N-MORB)的Ta,Nb豐度分別不大于0.7×10-6和12×10-6,Nb/La<1,Hf/Ta>5,La/Ta>15,而板內(nèi)玄武巖(WPB)、過渡型洋中脊玄武巖(T-MORB)和富集型洋中脊玄武巖(E-MORB)則正好相反。本次玄武質(zhì)樣品的 Ta豐度2.27×10-6~2.71×10-6和 Nb豐度22.05×10-6~22.11×10-6含量較低,Nb/La比值為0.83~0.84,Hf/Ta比值為 1.57~1.86,La/Ta比值為 9.74~11.75,表明該玄武巖成因、環(huán)境與島弧玄武巖或NMORB的形成環(huán)境無關(guān),類似于WPB、T-MORB、EMORB巖石構(gòu)造環(huán)境。不活動元素協(xié)變關(guān)系是構(gòu)造環(huán)境判別的有效方法。在Zr/Y-Zr圖中(圖5-a),樣品投在板內(nèi)玄武巖區(qū),在2Nb-Zr/4-Y圖中,樣品投在板內(nèi)堿性玄武巖和板內(nèi)拉斑玄武巖區(qū),根據(jù)主量元素特征,巖石屬堿性系列(圖5-b)。巖石樣品主量元素TiO2和Al2O3含量顯示MORB玄武巖和俯沖帶火山巖特征。而典型板內(nèi)堿性玄武巖相對Sr,Ce和P等元素明顯富集Rb,Ba,Th,Ta,Nb等元素,相對Sm和Y等元素富集Ti元素,而本次巖石樣品Sr相對Th,Nb更加富集,Rb,Th,Nb等元素相對虧損,Ti元素相對Sm和Y等元素未見明顯富集特征。Th,U元素相對虧損在典型島弧、洋中脊和板內(nèi)玄武巖中均不存在。巖石化學(xué)特征顯示了圖解的不確定性。
圖5 火山巖構(gòu)造環(huán)境判別圖Fig.5 Tectonic discrimination diagram of Volcanic rock
易善鑫,李永軍對西準(zhǔn)黑山頭組英安巖和安山巖進(jìn)行巖石地球化學(xué)研究,通過對其源區(qū)和構(gòu)造環(huán)境分析認(rèn)為其形成于島弧俯沖環(huán)境[9];田陟賢等在西準(zhǔn)噶爾巴爾雷克一帶對石炭系黑山頭組進(jìn)行了調(diào)查研究,認(rèn)為其火山巖形成于活動大陸邊緣[7]。通?;『笈璧卦缙趶堥_階段,因巖漿源區(qū)可能受到包含地幔、俯沖板片和地殼在內(nèi)的多種物質(zhì)的影響,常會形成類板內(nèi)伸展減薄環(huán)境火山巖和島弧火山巖,而本次工作厘定的黑山頭組主要為火山熔巖和火山碎屑巖,這與弧后盆地中島弧側(cè)巖石組合相似。綜合考慮西準(zhǔn)噶爾地區(qū)早石炭時(shí)期還在洋陸演化階段[10-13],認(rèn)為該組火山巖形成于弧后盆地環(huán)境。
(1)根據(jù)巖性對比,在西準(zhǔn)噶爾謝米斯臺山馬門特一帶,從原中泥盆統(tǒng)呼吉爾斯特組中解體出一套杏仁狀玄武巖、玄武巖、蝕變安山巖、含角礫凝灰?guī)r、晶屑凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂礫巖、凝灰質(zhì)砂巖、含礫巖屑砂巖地層,將其厘定為下石炭統(tǒng)黑山頭組。
(2)在玄武巖中采集了同位素樣品,測得LAICP-MS 鋯石年齡為(343±3.1)Ma(n=16,MSWD=0.68),該玄武巖形成于早石炭世。
(3)該組火山巖具有高鋁、高堿特征,輕重稀土元素分餾明顯,大離子親石元素Ba,Pb,Sr相對富集,高場強(qiáng)元素Th,U,Nb相對虧損,具有板內(nèi)堿性玄武巖性質(zhì),形成于弧后盆地環(huán)境。
[1]李錦軼.新疆東部新遠(yuǎn)古代晚期和古生代構(gòu)造格局及其演變[J].地質(zhì)通報(bào).2004,50(3):304-321.
[2]張?jiān)?郭召杰.準(zhǔn)噶爾北部蛇綠巖形成時(shí)限新證據(jù)及其東、西準(zhǔn)噶爾蛇綠巖的對比研究[J].巖石學(xué)報(bào),2010,26(2):422-430.
[3]尹繼元,袁超,王毓婧,等.新疆西準(zhǔn)噶爾晚古生代大地構(gòu)造演化的巖漿活動記錄[J].大地構(gòu)造與成礦學(xué),2011,35(2):279-291.
[4]陳書平,張一偉,湯良杰.準(zhǔn)噶爾晚石炭世—二疊紀(jì)前陸盆地的構(gòu)造演化[J].地質(zhì)學(xué)報(bào),2001,75(4):553.
[5]任收麥,黃寶春.晚古生代以來古亞洲洋構(gòu)造域主要塊體運(yùn)動學(xué)特征初探[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2002,17(1):113-120.
[6]張旗.云南雙溝蛇綠巖的特征和成因[J].巖石學(xué)報(bào),1995.11(增刊):190-202.
[7]田陟賢,閻軍,李永軍,等.西準(zhǔn)噶爾巴爾雷克一帶石炭系黑山頭組火山巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡、地球化學(xué)特征及構(gòu)造環(huán)境[J].地質(zhì)學(xué)報(bào),2013,87(3):343-352.
[8]吳元保,鄭永飛.鋯石成因礦物學(xué)研究及其對U-Pb年齡解釋的制約[J].科學(xué)通報(bào),2004,(16):1589-1604.
[9]易善鑫,李永軍,焦光磊,等.西準(zhǔn)噶爾博什庫爾-成吉斯火山弧早石炭世火山巖的確立及構(gòu)造意義[J].新疆地質(zhì),2014,32(1):14-18.
[10]陳哲夫,徐新,梁云海.新疆構(gòu)造手風(fēng)琴式開合演化的基本特點(diǎn)[J].中國區(qū)域地質(zhì),1993,(1):45-58.
[11]梁云海,李文鉛,李衛(wèi)東.新疆準(zhǔn)噶爾造山帶多旋回開合構(gòu)造特征[J].地質(zhì)通報(bào),2004,(3):279-285.
[12]高睿,肖龍,王國燦,等.西準(zhǔn)噶爾晚古生代巖漿活動和構(gòu)造背景[J].巖石學(xué)報(bào),2013,29(10):3413-3434.
[13]吳楚,董連慧,周剛,等.西準(zhǔn)噶爾古生代構(gòu)造單元劃分與構(gòu)造演化[J].新疆地質(zhì),2016,34(3):302-311.