伊犁地塊北緣早志留世輝綠巖脈巖石成因與構(gòu)造啟示:年代學(xué)與地球化學(xué)制約*

陳有炘 王盟 馬曉偉 魏星 裴先治 朱生強(qiáng) 曹明 布龍巴特

1. 長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710054 2. 中國石油長慶油田第五采油廠,西安 710200 3. 中國地質(zhì)調(diào)查局烏魯木齊自然資源綜合調(diào)查中心,烏魯木齊 830057

造山帶中大規(guī)模花崗質(zhì)巖漿活動之后經(jīng)常產(chǎn)出一期區(qū)域性脈巖,稱之為巖基后巖墻群或造山后脈巖組合,其巖石類型從基性巖到酸性巖均有發(fā)育(羅照華等,2008)?；詭r脈通常被認(rèn)為是形成于伸展構(gòu)造體制下的幔源巖漿作用的產(chǎn)物,蘊(yùn)含豐富的地球深部信息,是了解地球深部巖漿活動及其與地表火山作用之間聯(lián)系的關(guān)鍵窗口(Hooperetal., 2010; Srivastava, 2011),同時(shí)也是造山帶構(gòu)造體制由擠壓向伸展轉(zhuǎn)換的標(biāo)志和物質(zhì)記錄(羅照華等,2006),其空間分布特征對重建古構(gòu)造應(yīng)力場具有重要意義(Ancocheaetal., 2003)。伊犁地塊北緣前寒武紀(jì)基底不同時(shí)代的地質(zhì)體中均發(fā)育基性巖脈(墻),其研究程度較低,僅有少數(shù)學(xué)者對其進(jìn)行過報(bào)道。Wangetal.(2014a)最早在賽里木湖東側(cè)庫松木切克河北側(cè)青白口系中識別出形成于板內(nèi)環(huán)境的新元古代早中期基性巖墻,確定其鋯石U-Pb年齡為778～776Ma。近期,李陽杰(2021)和Sunetal.(2022)在博爾塔拉河南岸卡贊一帶出露的新元古代巖體中識別出新元古代和石炭紀(jì)兩期基性巖脈,其中新元古代基性巖脈包括輝長巖脈(鋯石U-Pb年齡為779Ma,Sunetal., 2022)和輝綠巖脈(鋯石U-Pb年齡為775Ma,李陽杰,2021),石炭紀(jì)基性巖脈為輝長巖脈(鋯石U-Pb年齡為302Ma,李陽杰,2021),兩期巖脈均形成于板內(nèi)伸展構(gòu)造背景。由此可見,伊犁地塊北緣基性巖脈形成于不同構(gòu)造演化階段,記錄了多期伸展構(gòu)造事件。

筆者在野外地質(zhì)調(diào)查中在博爾塔拉河南岸烏斯圖一帶出露的溫泉巖群和含白云母花崗巖(淡色花崗巖)中識別出多條基性巖脈,它們與卡贊巖體中出露的基性巖脈具有相似的分布特征,呈北東-南西或近東西向展布。已有研究顯示博爾塔拉河南岸的淡色花崗巖至少是兩期巖漿活動的產(chǎn)物,但其關(guān)系尚不明確。如Huangetal.(2013)獲得含白云母花崗巖鋯石U-Pb年齡為449Ma,認(rèn)為是奧陶紀(jì)準(zhǔn)噶爾洋向南俯沖于伊犁地塊之下的弧巖漿巖記錄;Sunetal.(2022)獲得含白云母淡色花崗巖的鋯石U-Pb年齡為983～905Ma,認(rèn)為它們記錄了伊犁地塊北緣新元古代早期碰撞事件。本次研究獲得的含白云母花崗巖鋯石U-Pb年齡為901Ma,并在其中識別出早志留世輝綠巖脈。本文重點(diǎn)對早志留世輝綠巖脈開展了詳細(xì)的巖石學(xué)、鋯石U-Pb年代學(xué)及Lu-Hf同位素、全巖地球化學(xué)及Sr-Nd同位素分析,這些研究結(jié)果不僅會豐富伊犁地塊北緣早古生代的巖漿活動記錄,也為深入研究伊犁地塊北緣早古生代晚期構(gòu)造演化過程提供約束。

1 地質(zhì)概況及巖石學(xué)特征

伊犁地塊是位于中亞造山帶西南緣的微陸塊之一,與北側(cè)的北天山增生雜巖帶、南側(cè)的中天山地塊和南天山增生雜巖帶構(gòu)成了中國西天山的四個(gè)構(gòu)造單元(圖1a,Xiaoetal., 2013; Gaoetal., 2015),記錄了古亞洲洋分支洋盆(主要包括北天山洋/準(zhǔn)噶爾洋、南天山洋等)的形成、俯沖與閉合過程(Allenetal., 1993; Zhangetal., 2007, 2021; Wangetal., 2006, 2008, 2012, 2014a, 2020; Xiaoetal., 2008, 2013; 胡靄琴等, 2008; Charvetetal., 2011; Gaoetal., 2011, 2015; Huangetal., 2020; 王博等,2022),是了解顯生宙增生造山過程、古亞洲洋洋陸格局演化的重要窗口。

圖1 中國西天山地質(zhì)簡圖(a,據(jù)Xiao et al., 2013修改)、伊犁地塊北緣賽里木湖地區(qū)地質(zhì)圖(b,據(jù)李寶強(qiáng)等,2014修編)及研究區(qū)地質(zhì)圖和采樣位置(c, 據(jù)Chen et al., 2021修改)

伊犁地塊呈西寬東窄的三角形夾持于北天山增生雜巖帶和中天山地塊之間,其南、北緣均出露前寒武紀(jì)基底變質(zhì)巖系。其中,伊犁地塊北緣出露的前南華紀(jì)結(jié)晶基底包括中元古界溫泉巖群、長城系哈爾達(dá)坂群、薊縣系庫松木切克組和青白口系庫什臺群,主要出露于賽里木湖周緣(圖1b),西鄰哈薩克斯坦境內(nèi)也有同時(shí)代地層出露,因此也將其稱之為阿克套-溫泉微地塊(地體)或賽里木微地塊(地體)。其中溫泉巖群的巖石組合包括:(1)中元古代變質(zhì)火山巖和沉積巖,巖石類型主要有斜長角閃巖、云母片巖、石英片巖,片麻巖、大理巖等;(2)新元古代混合巖和正片麻巖;(3)奧陶紀(jì)變形輝長巖、閃長巖(李孔森等,2013)。長城系主要為淺變質(zhì)碎屑巖和碳酸鹽巖,薊縣系主要為一套強(qiáng)變形結(jié)晶灰?guī)r和千枚巖,青白口系主要為白云質(zhì)灰?guī)r和大理巖(新疆地質(zhì)礦產(chǎn)局,1993)。南華-震旦系凱拉克提群是一套穩(wěn)定的被動大陸邊緣沉積組合(細(xì)碎屑巖+冰磧巖),不整合于結(jié)晶基底之上(Dingetal., 2009;舒良樹等,2013)。寒武系零星出露,與下伏冰磧巖呈平行不整合接觸,奧陶系、志留系連續(xù)沉積。伊犁地塊北緣的下泥盆統(tǒng)地層僅在博爾塔拉河北側(cè)的阿拉套山一帶有少量出露(Chenetal., 2021),中、上泥盆統(tǒng)出露較好,與下伏地層呈角度不整合接觸,石炭系、二疊系連續(xù)沉積、廣泛分布。伊犁地塊北緣巖漿活動記錄主要有新元古代、早古生代和晚古生代三期:新元古代巖漿活動主要集中在早期,包括溫泉巖群中識別出的片麻狀花崗巖(Wangetal., 2014b)、淡色花崗巖(李陽杰,2021; Sunetal., 2022)以及基性巖墻(Wangetal., 2014a;Sunetal., 2022),被認(rèn)為是伊犁地塊響應(yīng)羅迪尼亞超大陸聚合與裂解的物質(zhì)記錄;早古生代巖漿活動集中出現(xiàn)在溫泉地區(qū),主要為形成于中、晚奧陶世的基性-中酸性侵入巖,具有弧巖漿巖的性質(zhì)(胡靄琴等,2008; Wangetal., 2012; Huangetal., 2013;賈瑩剛等,2019);晚古生代巖漿活動主要形成于泥盆紀(jì)-二疊紀(jì),主要為俯沖、碰撞成因的火山-侵入巖(Anetal., 2013; Wangetal., 2020;Chenetal., 2021;Sunetal., 2021; 張宇昕等,2021)。

研究區(qū)輝綠巖呈巖墻或巖脈侵入于博爾塔拉河南岸的溫泉巖群和新元古代花崗巖體中,尤其是在卡贊一帶新元古代二長花崗巖中密集出現(xiàn),發(fā)育新元古代(779～775Ma)和石炭紀(jì)(302Ma)兩期基性巖脈(圖1b,李陽杰,2021; Sunetal., 2022),其走向呈北東-南西向。此外,卡贊巖體西側(cè)烏斯圖附近的溫泉巖群中識別出大面積新元古代淡色花崗巖,其中發(fā)育多條基性巖脈,呈北東-南西向展布(圖1c),產(chǎn)狀近直立或南傾,巖脈寬2～5m不等,最寬處可達(dá)20m,這些巖脈與淡色花崗巖的接觸邊部可見花崗巖捕擄體(圖2a, b)。淡色花崗巖呈淺白色,具有中細(xì)粒花崗結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造,主要由斜長石(30%～35%)、鉀長石(25%～30%)、石英(20%～25%)和少量的白云母(3%～5%)、黑云母(3%～5%)組成(圖2c,e),此外還有少量鋯石、磷灰石和磁鐵礦等伴生礦物。輝綠巖呈灰綠色,輝綠結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造,粒度0.8～1.5mm,主要由斜長石(55%～60%)、單斜輝石(30%～35%)和少量不透明礦物(主要為磁鐵礦和鈦鐵礦,5%～10%)組成,其中斜長石呈自形-半自形長柱狀,具有明顯的聚片雙晶,表面因絹云母化、高嶺土化等次生蝕變而比較粗糙;單斜輝石呈半自形-他形粒狀,填充于斜長石形成的三角狀格架中,輝石發(fā)生了輕微的透閃石化蝕變(圖2d,f)。

圖2 烏斯圖地區(qū)淡色花崗巖與輝綠巖宏觀特征及顯微特征

為了確定輝綠巖及其圍巖時(shí)代,本次研究對采自烏斯圖地區(qū)的1件輝綠巖(D4241-1,44°56′42″N、80°30′52″E)和1件淡色花崗巖(TS21-13,44°57′06″N、80°33′04″E)進(jìn)行了鋯石U-Pb年代學(xué)分析,同時(shí)對輝綠巖樣品進(jìn)行了鋯石Lu-Hf同位素分析;此外,為了進(jìn)一步確定輝綠巖的成因,對出露于博爾塔拉河南岸烏斯圖一帶的多條輝綠巖脈進(jìn)行了系統(tǒng)采樣,一共采集12件樣品,對其進(jìn)行了巖石地球化學(xué)分析,并選擇5件輝綠巖樣品進(jìn)行了全巖Sr-Nd同位素分析。

2 分析方法

2.1 鋯石U-Pb年代學(xué)及Lu-Hf同位素

鋯石U-Pb年代學(xué)測試工作先后在中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心自然資源部巖漿作用成礦與找礦重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(樣品D4241-1)和武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司(樣品TS21-13)完成。其中,西安地質(zhì)調(diào)查中心實(shí)驗(yàn)室采用193nm ArF準(zhǔn)分子激光器的Geo Las Pro剝蝕系統(tǒng),束斑直徑32μm,同位素和微量元素分析用Agilent 7700x型四級桿等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)完成,測試過程中29Si作為內(nèi)標(biāo)元素,年齡標(biāo)樣采用鋯石91500,元素含量采用NIST SRM610作為外標(biāo);詳細(xì)流程及數(shù)據(jù)處理見參考文獻(xiàn)(Huetal., 2015)。鋯石原位微區(qū)Lu-Hf同位素在該實(shí)驗(yàn)室利用Neptune型多接受等離子體質(zhì)譜儀和Geo Las Pro型激光剝蝕系統(tǒng)連用的方法完成,載體為為氦氣,所有測試位置與U-Pb測試點(diǎn)位置相同或靠近,GJ-1作為監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)樣。詳細(xì)實(shí)驗(yàn)流程及數(shù)據(jù)處理方法見文獻(xiàn)(Wuetal., 2006)。武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司采用LA-ICP-MS方法完成鋯石U-Pb同位素分析,其GeolasPro激光剝蝕系統(tǒng)由COMPexPro 102 ArF 193nm準(zhǔn)分子激光器和MicroLas光學(xué)系統(tǒng)組成,ICP-MS型號為Agilent 7700e。實(shí)驗(yàn)流程及數(shù)據(jù)處理方法詳見文獻(xiàn)(Zongetal., 2017)。

2.2 全巖主量和微量元素

全巖主量和微量元素測試工作先后在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(D開頭的樣品)和武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司(TS開頭的樣品)完成。前者利用X射線熒光光譜儀(XRF-1500)完成全巖主量元素分析,在ICP-MS(Element II)上完成微量元素測試;武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司利用PrimusⅡ X射線熒光光譜儀(XRF)完成全巖主量元素分析,利用Agilent 7700e ICP-MS分析完成微量元素分析。

2.3 全巖Sr-Nd同位素

全巖Sr-Nd同位素分析在南京宏創(chuàng)地質(zhì)勘查技術(shù)服務(wù)有限公司單接收與多接收電感耦合等離子質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)室完成。用HNO3、HF和HCl等對輝綠巖粉末樣進(jìn)行消解形成透明溶液,用于過柱子實(shí)驗(yàn)并得到上機(jī)溶液,同位素測試在Thermo Fisher Neptune Plus MC-ICP-MS上完成。上機(jī)溶液經(jīng)50μL PFA Cetac Aridus II膜去溶系統(tǒng)引入Neptune Plus MC-ICP-MS進(jìn)行87Sr/86Sr、143Nd/144Nd比值測試,儀器質(zhì)量分餾分別采用86Sr/88Sr=0.1194、146Nd/144Nd=0.7219以指數(shù)積分形式進(jìn)行矯正,國際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分別用NIST SRM 987、JNdi-1作為外標(biāo)矯正儀器的漂移。

3 分析結(jié)果

3.1 鋯石U-Pb年齡及Lu-Hf同位素特征

烏斯圖地區(qū)輝綠巖(樣品D4241-1)鋯石U-Pb年代學(xué)Lu-Hf同位素以及淡色花崗巖(樣品TS21-13)鋯石U-Pb年代學(xué)分析結(jié)果見表1、表2。

表2 烏斯圖輝綠巖脈鋯石Lu-Hf同位素組成(樣品D4241-1)

3.1.1 淡色花崗巖(TS21-13)

選自淡色花崗巖的鋯石呈無色或淡黃色透明狀,具有較好的單錐或雙錐狀晶形,主要呈長柱狀或短柱狀,少數(shù)為粒狀,粒徑80～100μm,長寬比介于1:1～2:1,鋯石陰極發(fā)光(CL)圖像顯示鋯石內(nèi)部有少量的裂隙和礦物包裹體,具有清晰且密集的生長環(huán)帶(圖3a)。樣品24點(diǎn)分析結(jié)果顯示,3個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)(1、5、20)諧和性較差,可能受后期熱擾動等因素導(dǎo)致鉛丟失,不用于加權(quán)平均年齡計(jì)算和討論,鋯石Th、U含量變化較大,分別為192×10-6～1664×10-6、226×10-6～2863×10-6,Th/U值為0.15～1.11,結(jié)合鋯石內(nèi)部生長環(huán)帶特征,表明鋯石為巖漿成因。有2粒鋯石的206Pb/238U年齡明顯比較老,分別為1580±31Ma和921±8Ma,前者可能為捕獲鋯石,代表了源區(qū)信息,而后者可能為巖漿早期結(jié)晶的鋯石,剩余19粒鋯石206Pb/238U年齡介于888～906Ma,均在諧和線附近,加權(quán)平均年齡為901±3Ma(n=19,MSWD=0.42),表明淡色花崗巖結(jié)晶時(shí)代為新元古代早期。

圖3 烏斯圖地區(qū)淡色花崗巖及輝綠巖鋯石陰極發(fā)光圖像(a、b)及U-Pb年齡諧和圖(c、d)

3.1.2 輝綠巖(D4241-1)

選自輝綠巖的鋯石呈透明狀,具有較好的雙錐狀晶形,呈長柱或短柱狀,粒徑100～150μm,長寬比為2:1。鋯石陰極發(fā)光圖像顯示內(nèi)部發(fā)育少量裂隙,并具有清晰的生長環(huán)帶(圖3b)。選擇晶形較好、內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰的鋯石完成20點(diǎn)分析,分析結(jié)果顯示有4個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)(1、8、12、15)諧和性較差,予以剔除,鋯石Th、U含量變化較大,分別為171×10-6～693×10-6、215×10-6～679×10-6,Th/U值為0.72～1.30,結(jié)合內(nèi)部清晰的生長環(huán)帶,具有巖漿成因鋯石的特征。鋯石晶形較好,不發(fā)育溶蝕結(jié)構(gòu),年齡相對集中, 表明為巖漿結(jié)晶鋯石,并非繼承或捕獲鋯石。剩余16個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)在206Pb/238U-207Pb/235U諧和圖中顯示均位于諧和線上或附近,加權(quán)平均年齡為442±7Ma(n=16,MSWD=3.7),表明基性巖脈形成于早志留世。

對10粒鋯石進(jìn)行Lu-Hf同位素分析,測試點(diǎn)位與U-Pb年齡測試位置相對應(yīng),其中1和8點(diǎn)鋯石U-Pb年齡諧和性較差,因此相應(yīng)的Lu-Hf同位素?cái)?shù)據(jù)一并剔除。8個(gè)測試點(diǎn)的176Lu/177Hf值介于0.000619～0.001332,均小于0.002,表明結(jié)晶的鋯石可以有效保留巖漿的176Hf/177Hf初始比值(吳福元等,2007)。鋯石176Hf/177Hf初始值為0.282574～0.282741,按照對應(yīng)鋯石206Pb/238U表面年齡計(jì)算,εHf(t)值為+3.0～+9.1,平均值為+5.7,一階段模式年齡(tDM)介于715～943Ma。

3.2 全巖主量和微量元素特征

博爾塔拉河南岸烏斯圖地區(qū)12件輝綠巖脈樣品的巖石地球化學(xué)分析結(jié)果見表3。樣品燒失量(LOI)介于1.71%～3.44%,指示樣品有輕微蝕變,這與顯微鏡下看到的礦物蝕變特征一致。輝綠巖樣品SiO2含量介于53.5%～56.4%,接近或?qū)儆谥行詭r范疇,考慮到巖石具有典型的輝綠結(jié)構(gòu),命名為輝綠巖,在Nb/Y-Zr/TiO2判別圖解中樣品投影點(diǎn)均落入玄武巖區(qū)域(圖4a)。巖石具有較高的Fe2O3T(8.34%～9.81%)、全堿含量(K2O+Na2O=5.72%～6.86%,K2O/Na2O=0.38～0.49)和較低的MgO(3.69%～4.38%)、TiO2含量(1.69%～2.00%),屬于高鉀鈣堿性系列巖石(圖4b)。巖石Mg#介于49.6～52.5,Cr和Ni含量比較低(分別為30.7×10-6～57.4×10-6、13.5×10-6～25.2×10-6),低于原始幔源巖漿含量(Mg#=71～83,83,Cr>400×10-6,Ni>200×10-6)(Wilson, 1989),暗示巖漿經(jīng)歷了一定程度的結(jié)晶分異或與地殼物質(zhì)發(fā)生了同化混染作用。

表3 烏斯圖地區(qū)輝綠巖主量元素(wt%)和微量元素(×10-6)分析結(jié)果

圖4 烏斯圖輝綠巖巖石分類圖(a,底圖據(jù)Winchester and Floyd, 1977)和巖石系列劃分圖(b,底圖據(jù)Rollinson, 1993)

烏斯圖輝綠巖具有較低的稀土元素含量(∑REE=109×10-6～139×10-6), 輕稀土含量 (∑LREE=87×10-6～112×10-6)明顯高于重稀土含量(∑HREE=22.0×10-6～28.4×10-6)。在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線中呈輕稀土傾斜、重稀土近平坦的右傾模式(圖5a);(La/Yb)N值介于3.24～3.71,(La/Sm)N值介于1.80～1.96,(Gd/Yb)N值介于1.39～1.58,表明輕稀土相對重稀土富集且分異比較明顯;δEu介于0.76～0.91,無明顯的銪異常。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖中(圖5b),烏斯圖輝綠巖樣品富集Rb、Th、U、K等大離子親石元素(LILEs),虧損Nb、Ta、Ti等高場強(qiáng)元素(HFSEs)。微量元素相對于洋島玄武巖(OIB)具有明顯的Nb、Ta負(fù)異常和Pb正異常,與洋中脊玄武巖(MORB)也明顯不同。

圖5 烏斯圖輝綠巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分曲線(a)和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(b)(標(biāo)準(zhǔn)化值、OIB、N-MORB和E-MORB值據(jù)Sun and McDonough, 1989)

3.3 全巖Sr-Nd同位素特征

5件輝綠巖樣品全巖Sr-Nd同位素分析結(jié)果見表4。Nd同位素初始值(143Nd/144Nd)i和εNd(t)計(jì)算中年齡值采用輝綠巖樣品(D4241-1)的加權(quán)平均年齡t=442Ma。分析結(jié)果顯示,樣品87Sr/86Sr、143Nd/144Nd值分別為0.711752～0.713818、0.512630～0.512692,具有較高的初始87Sr/86Sr同位素比值(0.707369～0.708637)和正的εNd(t)值(+1.9～+3.6)(圖6),Nd一階段模式年齡為1155～1476Ma,遠(yuǎn)大于輝綠巖脈成巖年齡(442Ma)。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式εHf(t)=1.36εNd(t)+2.95的樣品的εNd(t)進(jìn)行換算(Vervoortetal., 1999),換算后的εHf(t)值介于+5.6～+7.8,在鋯石εHf(t)值變化范圍內(nèi)(+3.0～+9.1),表明烏斯圖輝綠巖Nd-Hf同位素具有耦合關(guān)系。

表4 烏斯圖輝綠巖Sr-Nd同位素組成

圖6 烏斯圖輝綠巖Sr-Nd同位素

4 討論

4.1 淡色花崗巖與輝綠巖脈形成時(shí)代

溫泉巖群是伊犁地塊北緣出露的前寒武紀(jì)基底變質(zhì)巖重要組成部分,隨著研究不斷深入,從中識別出新元古代巖漿巖(胡靄琴等, 2010;Wangetal., 2014a, b; 曾祥武等,2020)、早古生代巖漿巖(胡靄琴等,2008;Wangetal., 2012; Huangetal., 2013; 賈瑩剛,2018; 賈瑩剛等,2019)和晚古生代巖漿巖(Sunetal., 2021)。其中,Huangetal.(2013)在博爾塔拉河南岸大面積出露的淡色花崗巖中獲得了含白云母花崗巖的鋯石U-Pb年齡為448.9±6.0Ma,具有弧巖漿巖屬性;Wangetal.(2014b)獲得的該地區(qū)淡色花崗巖鋯石U-Pb年齡為909.2±6.5Ma,與溫泉巖群混合巖中淺色體的形成時(shí)代接近(926～919Ma),認(rèn)為是伊犁地塊北緣新元古代早期地殼重熔的產(chǎn)物;Sunetal.(2022)獲得的淡色花崗巖鋯石U-Pb年齡為983～905Ma,并識別出稍晚期輝長巖脈(鋯石U-Pb年齡為779±5Ma),認(rèn)為記錄了伊犁地塊北緣新元古代早期從碰撞到板內(nèi)伸展的構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換過程。本次研究獲得淡色花崗巖鋯石U-Pb年為901±3Ma,在未變形的二長花崗巖、含白云母花崗巖中也獲得了相近的年齡信息(925～880Ma,作者未發(fā)表數(shù)據(jù)),與前人年齡數(shù)據(jù)比較一致,記錄了伊犁地塊北緣新元古代早期巖漿事件,并在鋯石核部獲得較老的年齡信息(1580±31Ma),可能記錄了源區(qū)信息。綜上所述,出露于博爾塔拉河南岸溫泉巖群中的淡色花崗巖至少有新元古代、晚奧陶世兩期,但新元古代淡色花崗巖與同時(shí)期變形侵入體(眼球狀、條帶狀花崗質(zhì)片麻巖)之間的構(gòu)造屬性差異及不同時(shí)代侵入體之間的空間關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

前人對出露于博爾塔拉河南岸溫泉巖群及新元古代巖漿巖中的基性巖脈研究較少,Wangetal.(2014a)首次在伊犁地塊北緣識別出新元古代早期中基性巖墻,獲得鋯石U-Pb年齡為778～776Ma,并認(rèn)為是伊犁地塊從塔里木克拉通裂解的物質(zhì)記錄。李陽杰(2021)在卡贊巖體(二長花崗巖)中識別出新元古代輝綠巖脈(775±6Ma)和晚石炭世輝長巖脈(302.4±1.7Ma),分別形成于大陸裂解環(huán)境和板內(nèi)伸展環(huán)境;Sunetal.(2022)在該地區(qū)淡色花崗巖中識別出新元古代新元古代輝長巖脈(779±5Ma),形成于板內(nèi)伸展環(huán)境。本次研究獲得淡色花崗巖中輝綠巖脈的鋯石U-Pb年齡為442±7Ma,表明其形成于早志留世。由此可見,博爾塔拉河南岸溫泉巖群和新元古代巖漿巖中發(fā)育的基性巖脈可能有新元古代中期、早志留世和晚石炭世晚期三個(gè)世代,記錄了伊犁地塊北緣不同構(gòu)造演化階段的重要信息。

4.2 巖石成因與源區(qū)特征

幔源巖漿在向上運(yùn)移的過程中,熱的巖漿與冷的圍巖之間不可避免的產(chǎn)生物質(zhì)和能量交換導(dǎo)致不同程度混染地殼物質(zhì),由于地殼物質(zhì)與幔源巖漿的地球化學(xué)組成明顯不同,可以通過特征元素及其比值示蹤混染程度(Plank and Langmuir,1998)。本文地球化學(xué)分析結(jié)果顯示樣品的燒失量較低(1.71%～3.44%),暗示巖石受熱液蝕變影響較小,其微量元素特征代表了其源區(qū)屬性。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖中(圖5b),Nb、Ta元素的虧損和U、Pb元素的富集暗示存在地殼混染或俯沖流體對地幔源區(qū)的改造作用。所采集的不同巖脈輝綠巖樣品的主量元素(如SiO2、TFe2O3、Na2O和K2O)和微量元素(如Th、Zr、Hf和La)含量變化范圍比較小,暗示巖漿的運(yùn)移的過程中地殼混染的影響非常小。烏斯圖輝綠巖具有較低的Th含量(5.80×10-6～8.53×10-6)和Nb/Th值(0.13～1.16),Zr/Hf值(39.6～42.2)遠(yuǎn)高于大陸地殼值(33,Taylor and McLennan,1985),Nb/La與Nb/Th不具有明顯的線性關(guān)系(圖7a),表明大陸地殼混染作用不明顯。此外,La/Sm與Ba/La之間的非線性關(guān)系也印證了這一結(jié)論,同時(shí)暗示其源區(qū)存在俯沖流體交代作用(圖7b)。Nd同位素與主量元素、微量元素的協(xié)變關(guān)系可以很好的反映源區(qū)特征(Kumaretal., 2022),分析樣品的εNd(t)與SiO2、Nb/U、Ce/Pb非線性關(guān)系表明本區(qū)大陸地殼混染作用不明顯,并且俯沖流體對源區(qū)的改造可能是主要形成機(jī)制(圖7c)。在Rb/Y-Nb/Y判別圖解中,樣品投點(diǎn)與流體交代趨勢線基本一致,也可得出相同的結(jié)論(圖7d)。因此,幔源巖漿在向上運(yùn)移過程中與地殼物質(zhì)混染這一模式不能很好地解釋研究區(qū)輝綠巖脈的成因。

圖7 烏斯圖輝綠巖巖石成因判別圖解(e,底圖據(jù)Pearce et al., 2021; f,底圖據(jù)Kumar et al., 2022)

來自幔源的基性巖漿可以造成原巖微量元素比值的明顯變化,即微量元素豐度與源區(qū)屬性密切相關(guān)。烏斯圖輝綠巖樣品富集輕稀土元素和大離子親石元素,并且Nb、Ta元素明顯虧損,這與洋中脊玄武巖(MORB)和洋島玄武巖(OIB)明顯不同(圖5a, b),暗示其不可能完全來自虧損的軟流圈地幔。樣品Nb/La值(0.42～0.45)低于軟流圈地幔成因的基性巖(>1),結(jié)合巖石虧損的Nd-Hf同位素特征,指示源區(qū)有軟流圈地幔物質(zhì)加入(Smithetal., 1999)。Th/Nb-TiO2/Yb判別圖解中,樣品投影點(diǎn)均落入俯沖流體改造的巖石圈地幔系列(圖7e),表明大陸巖石圈地幔為其主要源區(qū);而La/Sm與Ba/La、Rb/Y與Nb/Y等微量元素比值的非線性關(guān)系則表明源區(qū)有俯沖流體參與(圖7b, c)。伊犁地塊北緣溫泉地區(qū)大面積出露中晚奧陶世弧巖漿巖,表明伊犁地塊北緣受準(zhǔn)噶爾洋或北天山洋向南俯沖作用影響(胡靄琴等,2008;Wangetal., 2012; Huangetal., 2013; 賈瑩剛,2018; 賈瑩剛等,2019),這可以為源區(qū)巖石圈地幔改造提供俯沖流體。因此,烏斯圖輝綠巖可能來源于受俯沖流體改造的巖石圈地幔,軟流圈地幔物質(zhì)上涌導(dǎo)致巖石圈地幔部分熔融,并與軟流圈地幔物質(zhì)混合形成玄武質(zhì)巖漿源區(qū)。

高場強(qiáng)元素和稀土元素比較穩(wěn)定,在風(fēng)化和蝕變過程中基本不受影響,其含量主要受控于地幔成分和部分熔融程度,因此可以用于探討巖漿源區(qū)屬性和部分熔融程度(Staudigel and Hart, 1983),比如La、Sm在尖晶石或石榴石地幔部分熔融的過程中主要在熔體中富集,Sm相對于Yb對殘留體中是否存在石榴石更為敏感,因此La、Sm、Yb元素及其比值常用于判別巖源區(qū)和部分熔融程度(Kumaretal., 2022)。在(Sm/Yb)N-(La/Sm)N圖解中,樣品投影點(diǎn)分布在含4%石榴石的二輝橄欖巖和含2%尖晶石的二輝橄欖巖混合(混合比例為1:4)演化曲線上(圖7f),指示烏斯圖輝綠巖巖漿源區(qū)物質(zhì)為尖晶石二輝橄欖巖和少量的石榴石二輝橄欖巖,并且部分熔融程度介于5%～7%之間。

相對于初始巖漿(Mg#值介于71～83,Cr含量大于1000×10-6,Ni含量大于400×10-6),烏斯圖輝綠巖具有相對較低的Mg#值(49.6～52.5)、Cr(30.7×10-6～57.4×10-6)和Ni(13.5×10-6～25.2×10-6)含量,暗示烏斯圖輝綠巖母巖漿在形成和演化過程中經(jīng)歷了鎂鐵質(zhì)礦物分離結(jié)晶作用,在La-La/Sm圖解中也顯示出分離結(jié)晶的演化趨勢(圖8a)。在MgO-Dy/Yb圖解中,樣品投影點(diǎn)顯示的演化趨勢指示巖石在形成過程中經(jīng)歷了單斜輝石的分離結(jié)晶(圖8b)。在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線中,Eu異常不明顯,并且?guī)r石δEu值介于0.76～0.91,暗示斜長石分離結(jié)晶較弱。

圖8 烏斯圖輝綠巖分離結(jié)晶作用趨勢圖解

4.3 形成環(huán)境

伊犁地塊北緣溫泉巖群中大面積出露奧陶紀(jì)巖漿巖,具有弧巖漿巖屬性,年代學(xué)研究結(jié)果顯示巖漿活動從中奧陶世持續(xù)至晚奧陶世,是準(zhǔn)噶爾洋向伊犁地塊北緣俯沖的物質(zhì)記錄(胡靄琴等,2008;Wangetal., 2012; Huangetal., 2013; 賈瑩剛等,2019),表明伊犁地塊北緣至少從中奧陶世已經(jīng)轉(zhuǎn)換為活動大陸邊緣。果子溝地區(qū)出露的奧陶紀(jì)沉積地層中的海相斑脫巖夾層記錄了與俯沖事件同時(shí)期的火山活動(曹勝楠和王博,2021;Wangetal., 2022)。但是,伊犁地塊北緣在志留紀(jì)時(shí)期的構(gòu)造屬性目前尚有爭議,尤其是基于志留紀(jì)沉積地層構(gòu)造屬性的研究形成了不同的認(rèn)識:劉曉宇(2009)對伊犁地塊北緣博羅科努山南坡的志留系開展了詳細(xì)的巖石學(xué)和沉積相研究,認(rèn)為該地區(qū)志留紀(jì)沉積構(gòu)造背景為被動大陸邊緣,形成于陸緣淺海沉積盆地,南側(cè)的“伊寧古陸”為主要物源;而西天山博羅科努地區(qū)志留系沉積地層巖石地球化學(xué)和碎屑鋯石U-Pb年代學(xué)研究結(jié)果顯示,志留系沉積地層形成于活動大陸邊緣弧后盆地環(huán)境,其中庫茹爾組砂巖碎屑鋯石年齡研究表明物源主要來自北側(cè)島弧,其次為南側(cè)伊犁地塊(張力強(qiáng)等,2014;馮博等,2019)。伊犁地塊北緣早志留世尼勒克河組中酸性火山巖具有弧火山巖的地球化學(xué)特征,其形成環(huán)境與活動大陸邊緣的俯沖事件密切相關(guān)(王文文,2021)。

研究區(qū)輝綠巖樣品具有明顯的Nb、Ta負(fù)異常和不明顯的Ti負(fù)異常,與島弧玄武巖和大陸玄武巖特征相似,樣品Zr、Hf含量(212×10-6～242×10-6、5.16×10-6～6.02×10-6)、Zr/Y值(5.21～6.82)與板內(nèi)玄武巖相似(Zr、Hf含量分別介于149×10-6～213×10-6、3.44×10-6～6.39×10-6,Zr/Y值大于3;Pearce,1982),Nb、Ta含量(6.69×10-6～9.24×10-6、0.60×10-6～0.81×10-6)及Hf/Th值(0.69～0.91)也與板內(nèi)玄武巖地球化學(xué)特征值相近(Nb=13×10-6～84×10-6、0.73×10-6～5.90×10-6)。在Ta/Hf-Th/Hf(圖9a)、Zr-Zr/Y(圖9b)構(gòu)造環(huán)境判別圖解中,樣品投影點(diǎn)均分布在大陸拉張玄武巖和板內(nèi)玄武巖范圍,暗示烏斯圖輝綠巖脈的形成可能與伸展作用有關(guān)。與巖石圈伸展作用有關(guān)的鎂鐵質(zhì)巖墻可以在板內(nèi)裂谷、地幔熱柱、坳拉谷等多種大地構(gòu)造背景下由地幔玄武質(zhì)巖漿充填張裂隙形成,伊犁地塊北緣尚未發(fā)現(xiàn)同時(shí)期地幔柱活動記錄,志留系沉積構(gòu)造環(huán)境為弧后盆地,因此烏斯圖輝綠巖形成于俯沖帶活動陸緣的伸展構(gòu)造環(huán)境。

圖9 烏斯圖輝綠巖構(gòu)造環(huán)境判別圖解(底圖據(jù)汪云亮等,2001;Pearce, 1982)

4.4 地質(zhì)意義

哈薩克斯坦微陸塊是眾多地塊在奧陶紀(jì)末期拼合而成的陸塊(Alexeievetal., 2011, 2019; Pilitsynaetal., 2018, 2019),伊犁地塊是哈薩克斯坦微陸塊的重要組成部分。在早古生代早期,伊犁地塊可能還不是一個(gè)統(tǒng)一的陸塊,直到在奧陶紀(jì)時(shí)期,伊犁地塊響應(yīng)哈薩克斯坦微陸塊拼合事件才形成統(tǒng)一陸塊(黃惠明等,2021;王博等,2022)。伊犁地塊北緣溫泉地區(qū)大面積出露前寒武紀(jì)結(jié)晶基底變質(zhì)巖系,向西延伸至哈薩克斯坦境內(nèi)的阿克套地區(qū),因此也將其稱之為阿克套-溫泉微地塊(地體)或賽里木微地塊(地體)。中-晚奧陶世,受準(zhǔn)噶爾洋向南俯沖作用的影響,其北緣(現(xiàn)今地理位置)具有活動大陸邊緣屬性,并發(fā)育陸緣弧巖漿巖和火山巖(胡靄琴等,2008;Wangetal., 2012, 2022; Huangetal., 2013; 賈瑩剛等,2019; 曹勝楠和王博,2021),同時(shí)阿克套-溫泉微地塊向南與伊犁地塊拼合,其中溫泉巖群中新識別出的石榴角閃巖(王仕林等,2018;Chenetal., 2021; 陳有炘等,2022)、溫泉巖群中向南逆沖的韌性變形(Wangetal., 2011)以及賽里木湖南側(cè)果子溝一帶前晚奧陶世沉積地層中軸面北傾的褶皺構(gòu)造都是該期拼合事件重要的變質(zhì)-變形記錄。研究區(qū)烏斯圖輝綠巖脈形成于伸展構(gòu)造環(huán)境,可能代表了陸塊拼合后的伸展作用,表明構(gòu)造體制從擠壓向伸展轉(zhuǎn)換。

伊犁地塊北緣早、晚古生代巖漿巖的巖石組合和構(gòu)造特征有顯著差別,比如早古生代巖漿巖以中基性巖漿為主,陸殼物質(zhì)參與程度高,而晚古生代巖漿巖以中酸性巖漿巖為主,地幔物質(zhì)參與程度高,這可能反映了伊犁地塊北緣或西天山造山帶在早-晚泥盆世期間經(jīng)歷了與洋脊俯沖或俯沖板片回轉(zhuǎn)有關(guān)的構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換(王博等,2022)。研究區(qū)基性巖脈形成時(shí)代為早志留世,早于上述區(qū)域構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換時(shí)限,可能記錄了局部構(gòu)造事件。博羅科努地區(qū)志留系形成環(huán)境為弧后盆地,主要物源為奧陶紀(jì)島弧,構(gòu)成了伊犁地塊北緣的陸緣弧-弧后盆地系統(tǒng),同時(shí)也表明早志留世存在弧后伸展作用(馮博等,2019)。烏斯圖輝綠巖脈主要出露于新元古代花崗巖中,在奧陶紀(jì)巖體和溫泉巖群中也有少量分布,表明其形成于弧背拉張環(huán)境。另外,尼勒克組中具有弧火山巖屬性的中酸性火山巖(王文文,2021),別珍套山地區(qū)出露的早泥盆世中酸性弧火山巖(Chenetal., 2021),這些都記錄了伊犁地塊北緣活動大陸邊緣屬性,表明伊犁地塊北緣持續(xù)受準(zhǔn)噶爾洋向南持續(xù)俯沖作用影響。但在中-晚志留世,研究區(qū)巖漿活動較弱,而且晚古生代巖漿巖巖石組合與早古生代明顯不同,暗示阿克陶-溫泉微地塊拼貼到伊犁地塊后可能引起板片俯沖角度的變化,導(dǎo)致弧后地區(qū)及弧背伸展,亦或誘發(fā)俯沖體制由前進(jìn)式轉(zhuǎn)換為后撤式。

5 結(jié)論

通過對伊犁地塊北緣溫泉地區(qū)出露的烏斯圖輝綠巖脈開展詳細(xì)的野外地質(zhì)調(diào)查和巖石學(xué)、年代學(xué)和地球化學(xué)研究,并結(jié)合區(qū)域資料得出以下認(rèn)識:

(1)烏斯圖輝綠巖脈主要侵位于新元古代巖漿巖,獲得輝綠巖脈及其圍巖(淡色花崗巖)鋯石U-Pb年齡分別為442±7Ma、901±3Ma,表明輝綠巖脈形成時(shí)代為早志留世。

(2)烏斯圖輝綠巖來源于俯沖流體改造的巖石圈地幔部分熔融,源區(qū)巖石主要為尖晶石二輝橄欖巖和少量的石榴石二輝橄欖巖,上涌的軟流圈地幔提供熱量并混入源區(qū)。

(3)烏斯圖輝綠巖脈形成于伸展環(huán)境,記錄了弧背局部伸展作用,暗示伊犁地塊北緣在志留紀(jì)可能存在構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換。

致謝特別感謝審稿人及編輯部老師為提高論文質(zhì)量提出了許多寶貴的建設(shè)性修改意見和建議。中國地質(zhì)調(diào)查局烏魯木齊自然資源綜合調(diào)查中心(原中國人民武裝警察部隊(duì)黃金第八支隊(duì))趙軍、朱向榮、關(guān)力偉、劉雷、朱永勝等共同參與了研究區(qū)1:5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作,在此表示衷心的感謝!