準噶爾盆地西北緣中拐凸起石炭紀安山巖年代學(xué)、地球化學(xué)特征及其構(gòu)造意義

邵龍飛，于福生，王丹丹，李 超

(1.中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；2.河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局第五地質(zhì)大隊 海洋地質(zhì)調(diào)查所，河北 唐山 063000；3.中國石油集團 東方地球物理勘探公司烏魯木齊分院，新疆 烏魯木齊 830016)

0 引 言

中亞造山帶形成于西伯利亞古陸與中朝、塔里木板塊之間古亞洲洋的俯沖消減作用[1-3]。準噶爾盆地地處中亞造山帶西段，位于我國新疆北部，周邊被中、高山地環(huán)繞，西北鄰準噶爾山系，東北鄰阿爾泰山系，南鄰天山山脈，總體呈現(xiàn)為三角形態(tài)，經(jīng)歷了多階段不同性質(zhì)的演化和變革[4-7]，并伴隨有強烈的多旋回的巖漿噴發(fā)運動，形成了大面積的火山巖。火山巖包含了大量的地球化學(xué)信息，其研究對于分析大地構(gòu)造背景、揭示盆地演化特征有著重要的意義。

前人對準噶爾盆地火山巖的研究認為，準噶爾盆地腹部、西北部、東部和南部的石炭系火山巖的形成皆與洋殼俯沖密切相關(guān)[8-16]。為加深對中亞造山帶西段石炭紀構(gòu)造背景的認識，筆者將針對準噶爾盆地西北緣中拐凸起金龍10井區(qū)石炭紀安山巖巖心樣品開展巖相學(xué)、年代學(xué)和地球化學(xué)研究，據(jù)此探討安山巖的成因類型、源區(qū)和構(gòu)造環(huán)境，為中亞造山帶西段石炭紀構(gòu)造演化提供依據(jù)；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合前人研究成果，為備受爭議的西準噶爾殘余洋盆的閉合時限[17-20]進一步提供約束條件。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

準噶爾盆地處于哈薩克斯坦古板塊、塔里木古板塊和西伯利亞古板塊交匯處的造山帶，屬于大型陸內(nèi)疊合盆地[5,12]。自石炭紀—新近紀以來，準噶爾盆地先后經(jīng)歷了華力西期、印支期、燕山期及喜馬拉雅期等多期構(gòu)造運動[4,6]。在準噶爾盆地演化的過程中伴隨著強烈的火山運動，經(jīng)歷了多次開合旋回，形成了以超基性巖為主的蛇綠巖巖漿巖帶、以輝綠巖為主的基性巖巖漿巖帶及以火山巖-花崗巖為主的巖漿巖帶。多旋回的構(gòu)造發(fā)展在準噶爾盆地的西北緣表現(xiàn)尤為突出，包括震旦紀—中泥盆世的古亞洲洋伸展-聚斂旋回運動以及晚泥盆世—晚二疊世造山后兩次伸展-聚斂旋回運動[21]。準噶爾盆地西北緣發(fā)育有晚古生代的泥盆紀火山巖、石炭紀火山巖以及二疊紀火山巖，其中石炭紀火山巖在西北緣出露最廣，多位于深大斷裂帶附近，火山活動劇烈[22]。早石炭世末—中石炭世隨著達爾布特—喀拉麥里洋盆的關(guān)閉，盆地開始由開放型海相盆地轉(zhuǎn)化為封閉的內(nèi)陸盆地，在其蛇綠巖帶的北部噴發(fā)有大面積的以安山巖為主的中性和酸性火山巖；中晚石炭世在準噶爾盆地的局部噴發(fā)有較少的中基性火山巖。晚石炭世，準噶爾盆地由擠壓環(huán)境轉(zhuǎn)為伸展環(huán)境[23]。

準噶爾盆地被劃分為6個一級構(gòu)造單元和44個二級構(gòu)造單元[4]。研究區(qū)金龍10井區(qū)(圖1(b))位于其中的中拐凸起構(gòu)造單元上。中拐凸起是位于準噶爾盆地西北緣的克百斷裂帶和紅車斷裂帶的轉(zhuǎn)換部位，呈寬緩鼻狀隆起[24-26]，經(jīng)歷了基底隆升、擠壓變形、構(gòu)造轉(zhuǎn)換、伸展改造和構(gòu)造定型5個演化階段[27]。

圖1 準噶爾盆地構(gòu)造單元(a)及其西北緣中拐凸起構(gòu)造背景(b)(據(jù)文獻[28])Fig.1 Tectonic unit of Junggar Basin (a) and tectonic map of Zhongguai uplift in the northwestern margin of Junggar Basin (b)(after reference [28])

2 巖石學(xué)特征

首先以巖心觀察和薄片鑒定相結(jié)合的方法研究金龍10井區(qū)安山巖的巖石學(xué)特征。研究表明，安山巖巖心多為褐灰色、灰綠色和深灰色，可見氣孔和杏仁孔，發(fā)育構(gòu)造縫，巖心出筒油氣味較淡-較濃，裂縫面可見少量干瀝青和黑褐色原油，含油面積約為10%，呈星點-斑點狀不均勻分布(圖2(a)—(c))。鏡下觀察可見，安山巖薄片樣品的基質(zhì)為細小的長條狀、粒狀斜長石微晶，具斑狀交織結(jié)構(gòu)(圖2(d))。斑晶主要為自形-半自形板狀斜長石，粒徑介于0.1～1.5 mm之間，可見聚片雙晶結(jié)構(gòu)(圖2(e))。此外含有少部分由石英充填的杏仁體狀的斑晶，自形-半自形，粒徑介于0.1～0.5 mm之間(圖2(f))。次要礦物還存在角閃石、輝石、磁鐵礦等。

圖2 中拐凸起安山巖巖心及顯微照片F(xiàn)ig.2 Core photos and photomicrographs of andesite rocks from the Zhongguai uplift(a)褐灰色安山巖巖心；(b)灰綠色安山巖巖心；(c)深灰色安山巖巖心；(d)斑狀交織結(jié)構(gòu)；(e)斜長石斑晶；(f)石英充填的杏仁體；Pl.斜長石； Qtz.石英

3 樣品分析方法

3.1 鋯石U-Pb測年

U-Pb測年法在同位素測年方法中占有重要的地位，是最早用來測定地質(zhì)年齡的放射性方法之一[29]，目前也已成為火山巖研究中的常用手段之一[8,30-32]。本文用U-Pb法中的LA-ICP-MS激光剝蝕法對準噶爾盆地西北緣金龍10井區(qū)安山巖中的鋯石進行了年齡測定。本次鋯石年齡測定由武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司完成，主要檢測設(shè)備為安捷倫電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Agilent 7900)和193 nm準分子激光剝蝕系統(tǒng)(GeoLasHd)，數(shù)據(jù)處理軟件為ICPMSDATACAL 10.0。測定分析中，使用的激光剝蝕系統(tǒng)(GeoLasHd)的激光能量為80 mJ，頻率5 Hz，激光束斑直徑32 μm。具體分析條件及流程詳見文獻[33]。

3.2 地球化學(xué)分析

本次分析安山巖樣品共6件，全部取樣于準噶爾盆地西北緣中拐凸起的金龍10井區(qū)石炭系巖心，樣品皆采集于巖體基本未經(jīng)歷風(fēng)化的新鮮巖石部位。主量元素委托中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所國家重點實驗室進行分析，采用熔融玻璃片法。微量元素分析在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試中心完成，采用電感耦合NexION300D 等離子體質(zhì)譜儀進行測定。

4 結(jié)果分析

4.1 鋯石U-Pb年代學(xué)特征

從鋯石陰極發(fā)光圖像(圖3)可見，樣品中大部分的鋯石顆粒自形程度較好，多為長柱狀。鋯石表面較為光潔，個別鋯石顆粒中存在不透明的包裹體，鋯石整體較為粗大，長軸直徑介于200～500 μm之間，長軸與短軸之比多介于2:1～3:1之間。陰極發(fā)光圖像中，鋯石晶體內(nèi)部發(fā)育有顯著的典型巖漿成因的振蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)。本次分析測點共25個，分析結(jié)果見表1。鋯石的Th含量變化范圍為27.3×10-6～498.0×10-6，平均含量為98.43×10-6；U的含量介于67.9×10-6～549.0×10-6之間，平均含量為154.73×10-6；Th/U比值介于0.24～1.00之間，平均值為0.59。鋯石因其成因不同而具有不同的Th、U含量及Th/U比值，變質(zhì)成因鋯石的Th、U含量低且Th/U比值小，Th/U比值一般<0.1；而巖漿成因鋯石的Th、U含量相對較高且Th/U比值相對較大，Th/U比值一般>0.4[8,34]。樣品中所測定Th/U均值為0.59，>0.4，進一步確定樣品中的鋯石為巖漿成因鋯石。在U-Pb年齡諧和圖(圖4)中，數(shù)據(jù)的投點落于諧和線附近且分布集中，206Pb/238U年齡的加權(quán)平均值為(322.4±1.1) Ma(MSWD=1.6)，代表了礦物的結(jié)晶年齡，屬中石炭世。

4.2 地球化學(xué)特征

4.2.1 主量元素

研究區(qū)安山巖樣品主量元素分析結(jié)果(表2)表明，在6件安山巖樣品中，SiO2含量介于54.3%～62.5%之間，平均含量為58.7%。K2O+Na2O含量介于4.25%～6.69%之間，平均含量為5.45%。K2O、TiO2和P2O5含量較低，K2O含量介于0.40%～2.19%之間，平均含量為1.00%。在TAS分類圖解(圖5)中，4個樣品投點投入安山巖區(qū)域內(nèi)，1個樣品投點落于玄武安山巖區(qū)域內(nèi)，1個樣品投點落于粗面安山巖區(qū)域內(nèi)，均屬于亞堿性系列。利用AFM 圖解(圖6(a))進一步劃分，均屬于鈣堿性系列。在SiO2- K2O圖解(圖6(b))中，可見安山巖樣品主要為低鉀-中鉀鈣堿性巖石系列。TiO2含量介于0.63%～1.48%之間，平均含量為1.11%；P2O5含量介于0.13%～0.38%之間，平均含量為0.29%；Al2O3含量較高，介于14.1%～16.8%之間，平均含量為15.1%。其余氧化物中，MgO含量介于2.09%～5.02%之間，平均含量為2.90%；CaO含量介于1.86%～5.24%之間，平均含量3.35%；Na2O含量介于2.52%～5.51%之間，平均含量為4.44%；K2O/Na2O的值介于0.08～0.87之間，平均為0.28?？梢姲采綆r樣品具較高的Al2O3、低的TiO2，相對于 SiO2而言，K2O+Na2O和P2O5的含量低，絕大部分樣品K2O/Na2O<0.8。這些特征均符合弧火山巖的特征[38]。

圖3 中拐凸起安山巖鋯石陰極發(fā)光圖像(CL)及年齡Fig.3 Representative zircon CL images and ages of andesite sample from the Zhongguai uplift

表1 中拐凸起安山巖LA-ICP-MS 鋯石U-Pb定年分析結(jié)果

圖4 中拐凸起安山巖鋯石U-Pb諧和圖及加權(quán)平均年齡圖Fig.4 U-Pb concordia diagram and weighted average age diagram of zircons from andesite in the Zhongguai uplift

表2 中拐凸起安山巖樣品主量元素(%)、微量元素(10-6)分析結(jié)果

(續(xù))表2 中拐凸起安山巖樣品主量元素(%)、微量元素(10-6)分析結(jié)果

圖5 中拐凸起安山巖TAS圖解(底圖據(jù)文獻[35])Fig.5 TAS diagram of andesite in the Zhongguai uplift (base map after reference [35])

4.2.2 微量元素

安山巖樣品的微量元素分析結(jié)果(表2)顯示，樣品REE介于63.3×10-6～ 108.0×10-6之間，平均值為92.3×10-6。其稀土元素球粒隕石標準化配分曲線(圖7(a))為略向右傾斜的曲線，分異程度較低，總體較平緩，具微弱的Eu負異常，顯示輕稀土元素(LREE)較重稀土元素(HREE)略富集的特征。LREE/HREE的值介于2.78～3.14之間，平均值為2.95，也可看出輕稀土元素(LREE)相對富集的特征。δEu的值介于0.76～0.94之間，平均值為0.89，微弱的Eu負異常可能與巖漿在演化過程中斜長石的結(jié)晶分異較弱有關(guān)。在其微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖(圖7(b))中可見，相對富集Pb和大離子親石元素Rb、Ba等，虧損高場強元素Nb、Ta、Zr等，顯示出俯沖消減帶弧火山巖的特征[38, 41-42]。

5 討 論

5.1 源區(qū)及成因

在微量元素的分析中，安山巖樣品具有富集大離子親石元素和輕稀土元素、虧損高場強元素的特點，呈現(xiàn)出消減帶巖漿的特征[38,41-43]。而俯沖消減帶弧巖漿巖的來源有3種[44-46]：(1)下部俯沖的洋殼；(2)俯沖帶上覆的地幔楔；(3)地幔楔上覆的陸殼或洋殼，且3種源區(qū)的巖漿皆經(jīng)歷了部分熔融作用。安山巖樣品Th/La的值介于0.10～0.14之間，平均值為0.11；Th/Ce的值介于0.04～0.06之間，平均值為0.05，大部分樣品的值均低于大陸地殼的Th/La、Th/Ce的平均值(分別為0.30和0.15)[47-48]，而接近于幔源巖漿的Th/La、Th/Ce的值(分別為0.12和0.02～0.05)[40]。安山巖樣品Lu/Yb的值介于0.13～0.15之間，平均值為0.14，同樣該比值低于大陸地殼Lu/Yb的值(0.16～0.18)[47]，而更接近幔源巖漿巖Lu/Yb的值(0.14～0.15)[40]。據(jù)此，可見研究區(qū)安山巖可能與第二種來源的幔源巖漿關(guān)系更為緊密。

圖6 中拐凸起安山巖AFM圖解((a)，底圖據(jù)文獻[36])和SiO2-K2O圖解((b)，底圖據(jù)文獻[37])Fig.6 AFM ( (a), base map after reference [36]) and SiO2-K2O ( (b), base map after reference [37]) diagrams of andesite in the Zhongguai uplift

圖7 中拐凸起安山巖稀土元素球粒隕石標準化配分曲線(a)和微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖(b)(球粒隕石標準化值據(jù)文獻[39]，原始地幔標準化值據(jù)文獻[40])Fig.7 Chondrite-normalized REE distribution patterns (a) and primitive mantle-normalized multi-element spider diagram (b) of andesite in the Zhongguai uplift (normalizing values of chondrite after reference[39], and primitive mantle after reference[40])

通過Y-Sr/Y圖解(圖8(a))可見研究區(qū)安山巖屬于正常的島弧巖石而非典型的埃達克巖。島弧火山巖由島弧巖漿作用產(chǎn)出，該巖漿作用主要起因于板塊俯沖。由Th/Zr-Nb/Zr圖解(圖8(b))可知，研究區(qū)安山巖主要形成于與流體相關(guān)的富集作用。而大洋板塊富含流體，大洋板塊的俯沖通常會造成規(guī)模較大的地幔交代和島弧巖漿活動[51]。俯沖洋殼脫水，產(chǎn)生富集大離子親石元素(Rb、Sr、U、Th等)和REE等元素的流體進入俯沖帶上覆的地幔楔并與之發(fā)生交代作用，進而致使地幔楔發(fā)生部分熔融而產(chǎn)生大洋弧玄武巖或大陸弧安山巖[51-53]。此過程中的富水流體會虧損高場強元素Nb、Ta、Ti、P等，最終形成的正常島弧火山巖中會出現(xiàn)顯著的Nb、Ta、Ti負異常，這是由于這些元素的流體/巖石分配系數(shù)很小(?1)所導(dǎo)致的結(jié)果。而這些元素在熔體中的分配系數(shù)明顯大于流體，因而若火山巖成因主要為與熔體相關(guān)的富集作用時，會使Nb、Ta、Ti、P等增加，導(dǎo)致形成的島弧火山巖中Nb呈正異?；蛭⑷醯呢摦惓52]。微量元素分析中已述及，安山巖樣品相對富集大離子親石元素，虧損高場強元素；從原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖(圖7(b))中可見Rb、U、Th呈較明顯的正異常，而Nb、Ta呈明顯的負異常，這一點也印證了研究區(qū)安山巖形成于與流體相關(guān)的富集作用而非熔體相關(guān)的富集作用。綜上，排除了上述弧巖漿巖的(1)、(3)來源，筆者認為研究區(qū)安山巖源于富水地幔楔，是由俯沖板片脫水產(chǎn)生的流體交代地幔楔發(fā)生部分熔融所形成的。

圖8 中拐凸起安山巖源區(qū)及成因判別圖解Fig.8 Magma source and process discrimination plots of andesite in the Zhongguai uplift(a)Y-Sr/Y圖解，底圖據(jù)文獻[49]；(b)Th/Zr-Nb/Zr圖解，底圖據(jù)文獻[50]

圖9 中拐凸起安山巖構(gòu)造環(huán)境判別圖解Fig.9 Tectonic discrimination diagrams of andesite in the Zhongguai uplift(a)lgσ-lgτ圖解，底圖據(jù)文獻[54]；(b)Ta/Yb-Th/Yb圖解，底圖據(jù)文獻[55]；A.板內(nèi)穩(wěn)定區(qū)火山巖；B.消減帶火山巖；C.A和B區(qū)演化的堿性火山巖

5.2 構(gòu)造環(huán)境

鈣堿性系列中性噴出巖以安山巖為代表，廣泛分布于活動大陸邊緣、造山帶及現(xiàn)代島弧地區(qū)，俯沖帶是形成安山巖最重要的場所。安山巖樣品的戈蒂尼指數(shù)τ(τ= (Al2O3-Na2O)/TiO2)的平均值為10.6，為消減帶火山巖數(shù)值范疇(τ>10，一般為消減帶火山巖[54])。上述研究表明，中拐凸起石炭紀安山巖屬于鈣堿性巖石系列；據(jù)lgσ-lgτ關(guān)系圖解(圖9(a)) 也可看出，安山巖樣品投點全部都落于消減帶火山巖區(qū)域內(nèi)。在Ta/Yb-Th/Yb圖解(圖9(b))中，安山巖樣品投點均落入活動大陸邊緣區(qū)域內(nèi)。

在主量元素分析中，安山巖樣品具有較高的Al2O3，低的TiO2和P2O5含量，絕大多數(shù)樣品K2O/Na2O<0.8，具有典型弧火山巖的特征。在微量元素分析中，安山巖樣品相對富集Pb和大離子親石元素Rb、Ba等，虧損高場強元素Nb、Ta、Zr等，同樣顯示出了俯沖消減帶弧火山巖的特征。可見研究區(qū)安山巖的形成環(huán)境與俯沖消減帶關(guān)系密切。

準噶爾盆地西北緣自早古生代以來經(jīng)歷了 Rodinia超大陸裂解、古亞洲洋形成到消亡演化過程[21]。中志留世到中泥盆世期間，西準噶爾洋消減閉合，哈薩克斯坦板塊中西部地塊——巴爾喀什—塔城地塊和準噶爾地塊發(fā)生碰撞，沿達爾布特斷裂帶洋殼發(fā)生斷離，準噶爾古陸塊從泥盆紀開始由被動大陸邊緣為主轉(zhuǎn)為以主動大陸邊緣為主。中泥盆世—早石炭世，準噶爾地塊周緣洋盆全面消減閉合，地塊之間開始逐漸縫合焊接，活動板緣發(fā)育大規(guī)模的巖漿活動。位于中拐凸起西北部的達爾布特蛇綠混雜巖帶被證實是早—中泥盆世古亞洲洋向準噶爾板塊俯沖的產(chǎn)物和證據(jù)[56]。早石炭世是準噶爾地區(qū)洋殼俯沖的高潮時期，廣泛發(fā)育弧盆系統(tǒng)，此時西準噶爾地區(qū)為弧后盆地環(huán)境[57-58]。洋盆主體于早石炭世晚期閉合，蛇綠巖套構(gòu)造侵位，陸塊開始碰撞隆升，發(fā)生造山運動，雖然洋盆主體消減關(guān)閉，但陸間仍存有殘余洋盆[26]。在中拐凸起北部的克百構(gòu)造帶區(qū)域內(nèi)發(fā)育有一條規(guī)模較大的蛇綠混雜巖帶，徐新等[59]2006年對其輝長巖中的鋯石定年得出的兩組年齡為(411.4±8.6) Ma和(332±14) Ma，前者年齡接近于古亞洲洋主體在早古生代末期的閉合時間, 后者年齡反映出西準噶爾地區(qū)殘余洋盆一直延續(xù)到了早石炭世早期。在匡立春等2013年擬定的新疆北部早石炭世原型盆地類型中，準噶爾盆地周緣主要包括4個殘余洋盆，分別為東北緣的卡拉麥里殘余洋盆、東南緣的博格達殘余洋盆、西南緣的北天山殘余洋盆以及距研究區(qū)最近的西北緣的達爾布特殘余洋盆[60]。西準噶爾殘余洋盆的消亡經(jīng)歷了329～320 Ma、310～295 Ma及290 Ma三次構(gòu)造-巖漿事件，造成大規(guī)模幔源巖漿上侵[61-62]。研究區(qū)安山巖鋯石定年結(jié)果為(322.4±1.1) Ma，在第一次構(gòu)造-巖漿事件時間范圍內(nèi)，并且時間接近徐新等[59]測得的克拉瑪依蛇綠混雜巖帶的第二組年齡(332±14)Ma，意味著兩者可能存有內(nèi)在的聯(lián)系。綜上所述，筆者認為中拐凸起金龍10井區(qū)安山巖形成于大陸弧環(huán)境，為西準噶爾殘余洋盆俯沖消減作用的產(chǎn)物，同時也說明西準噶爾殘余洋盆在(322.4±1.1)Ma時并未完全關(guān)閉。

6 結(jié) 論

(1)中拐凸起金龍10井區(qū)安山巖的LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年結(jié)果顯示，其結(jié)晶時代為(322.4±1.1) Ma，表明安山巖形成于中石炭世。

(2) 中拐凸起金龍10井區(qū)安山巖屬于低鉀-中鉀鈣堿性巖石系列，輕稀土元素相對于重稀土元素富集，大離子親石元素相對富集，高場強元素相對虧損，虧損Nb、Ta，相對富集Pb，Eu負異常較弱。

(3)中拐凸起金龍10井區(qū)安山巖源于富水地幔楔，是由俯沖板片脫水產(chǎn)生的流體交代地幔楔發(fā)生部分熔融所形成的。

(4)中拐凸起金龍10井區(qū)安山巖的構(gòu)造環(huán)境為大陸弧環(huán)境，為西準噶爾殘余洋盆俯沖消減作用的產(chǎn)物，殘余洋盆在(322.4±1.1) Ma時并未完全關(guān)閉。