新疆西准噶尔哈姆图斯火山岩年代学、地球化学特征及地质意义

2019-08-27张治国刘希军胡荣国龚小晗谭震江王梦超

桂林理工大学学报 2019年2期

张治国, 刘磊, 刘希军, 胡荣国, 龚小晗, 谭震江, 王梦超, 李锐

(1.桂林理工大学 a.广西隐伏金属矿产勘查重点实验室; b.广西有色金属隐伏矿床勘查及材料开发协同创新中心,广西桂林 541006; 2.中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院, 北京 100083)

0 引言

新疆西准噶尔地区是中亚造山带的重要组成部分, 位于哈萨克斯坦板块、塔里木板块、西伯利亚板块三大板块之间, 隶属于中亚造山带西南端, 其构造演化与中亚造山带有着密切的关系。该区是古生代构造演化经过古亚洲洋扩张、俯冲、增生等拼贴而形成的产物, 长期以来吸引了国内外地质学家的关注[1-17]。西准噶尔主要由一系列增生杂岩带、古生代岩浆弧构成, 岩浆活动强烈, 构造十分复杂。西准噶尔地区残留数条比较典型的古亚洲洋蛇绿岩，如唐巴勒蛇绿岩、玛依勒蛇绿岩、达拉布特蛇绿岩、克拉玛依蛇绿岩、洪古勒楞蛇绿岩等(图1)。在西准噶尔蛇绿岩带之间构成了一系列的古生代岩浆弧, 这些岩浆岩分布于西准噶尔的北部和南部, 北部主要包括博什库尔-成吉斯岩浆弧和扎尔玛-萨吾尔岩浆弧, 南部包括阿克巴斯套-达拉布特岩浆弧[18-20]。目前对西准噶尔蛇绿岩的年代学研究较多, 报道的年龄为625～302 Ma, 揭示了古亚洲洋西南部从早古生代—晚古生代存在一系列的洋盆。例如，在西准噶尔西部或者西南部蛇绿岩年龄研究中, Kwon等[7]报道了唐巴勒蛇绿岩中浅色辉长岩锆石 U-Pb同位素年龄为523.7±7.2 Ma；杨高学等[21]在玛依勒蛇绿混杂岩中获得辉长岩的锆石U-Pb年龄为572.2±9.2 Ma; 翁凯等[22]在玛依勒蛇绿混杂岩中获得辉长岩的锆石U-Pb年龄为512.1±7.2 Ma和531±12 Ma；赵磊等[23]在达拉布特蛇绿岩中获得英安岩锆石206Pb/238U年龄为349±2 Ma,刘希军等[24]获得达拉布特蛇绿岩中E-MORB型的镁铁质岩的锆石U-Pb年龄为302±1.7 Ma;徐新等[25]在克拉玛依蛇绿岩中获得辉石岩中锆石的U-Pb年龄分别为414.4±86 Ma和332±14 Ma。西准噶尔北部蛇绿岩的时代均为早古生代,如:朱永峰等[26]在塔尔巴哈台山蛇绿岩中获得辉长岩的锆石 U-Pb年龄为478.3±3.3 Ma;张元元等[27]在洪古勒楞蛇绿岩中获得堆晶辉长岩的锆石U-Pb年龄为472±8.4 Ma(MSWD=1.4)，舍建忠等[28]在洪古勒楞蛇绿岩获得堆晶辉长岩锆石 U-Pb年龄为497.2±4.2 Ma(MSWD=1.4，n=10);都厚远等[17]得到和布克赛尔蛇绿岩的辉长岩锆石U-Pb年龄为484±3 Ma;赵磊等[29]得到查干陶勒盖蛇绿岩的辉长岩锆石 U-Pb年龄为517±3 Ma和519±3 Ma。上述西准噶尔蛇绿岩的时间主体时代多属于早古生代,代表了早古生代洋盆的存在。然而,与蛇绿岩研究相比,对西准噶尔岩浆弧的构造属性及演化方面的研究相对较少,这些岩浆弧的形成及时代是否与洋盆俯冲削减有关还存在争议。目前西准噶尔岩浆弧研究主要集中在扎尔玛-萨吾尔岩浆弧[30]和博什库尔-成吉斯岩浆弧[31-33],博什库尔-成吉斯岩浆弧是西准噶尔北部最新厘定的一条岩浆弧。研究表明，扎尔玛-萨吾尔岩浆弧为晚古生代后碰撞构造背景;而博什库尔-成吉斯岩浆弧为俯冲[34-35]或者后碰撞[12,20],形成时代认识却不统一,早古生代[33]和晚古生代[36]均有报道。本文对博什库尔-成吉斯岩浆弧中塔尔巴哈台组上亚组的哈姆图斯火山岩进行了野外地质、岩石学、地球化学和同位素年代学研究,探讨了其形成时代和构造环境,为了解西准噶尔北部博什库尔-成吉斯岩浆弧的时代及大地构造属性提供依据。

图1 西准噶尔地质简图及蛇绿混杂岩分布图(据文献[14]修改)Fig.1 Simplified geological sketch for the West Junggar and distribution of the ophiolitic melange in this region

1 区域地质概况及玄武岩地质特征

西准噶尔西北部主要发育近东西走向的谢米斯台断裂及受该断裂控制的岩浆弧,主要由扎尔玛-萨吾尔岩浆弧和博什库尔-成吉斯岩浆弧以及早古生代的库吉拜-和布克赛尔-洪古勒楞蛇绿混杂岩带构成(图1)。根据前人对地层的划分,该地区北部为萨吾尔山地层,出露有泥盆系、石炭系下-中统、二叠系下统及古近系渐新-始新统。南部为沙尔布尔提山地层,出露了志留系中统、泥盆系中-上统、石炭系下统、二叠系下统、侏罗系下中统、新近系上新统[17,31]。哈姆图斯火山岩属于博什库尔-成吉斯岩浆弧,出露的火山岩主要为玄武岩、玄武安山岩及安山岩。研究区位于西准噶尔地区和布克赛尔蒙古自治县西端,出露的地层为塔尔巴哈台组上亚组(D3tb),主要为一套海陆交互相碎屑岩、火山岩及火山碎屑岩,其岩性下部主要有带状硅质泥岩、凝灰质硅质岩、钙质凝灰质岩屑砂岩、岩屑凝灰岩、杏仁状辉绿岩、玄武岩及安山岩;上部岩性主要有岩屑粗砂岩、含粉砂硅质泥岩、泥质粉砂岩、凝灰质砂岩、沉凝灰岩、含放射虫硅质岩等(图2)。

本次研究的哈姆图斯火山岩主要为玄武岩和玄武安山岩,新鲜的块状玄武岩和玄武安山岩为灰绿色,风化后呈深紫红色、灰黑色,块状、杏仁状构造(图3a、 b)。显微镜下,多数岩石具斑状结构和间隐-间粒结构,少数为隐晶质结构,斑晶为辉石和长石, 长石呈长柱状、针状及双晶结构。还有少部分的长石呈短柱状; 基质主要为辉石、斜长石、绿泥石及副矿物微粒等, 具间粒结构, 即不规则排列的长条状斜长石微晶组成的间隙中填充少量辉石和磁铁矿等矿物小颗粒(图3c、 d)。

2 分析方法

本次分析的样品为玄武安山岩(样号HM47), 锆石的分选和挑选在廊坊诚信地质服务公司完成, 制靶、抛光和阴极发光(CL)照相在重庆宇劲科技有限公司完成。单颗粒锆石激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)U-Pb年代学和微量元素分析在桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室完成,采用的激光设备为配有193 nm ArF准分子激光器的GeoLas HD激光剥蚀系统,联用的ICP-MS型号为Agilent 7500。激光束斑直径为32 μm,分别利用NIST 610玻璃和Temora锆石(417 Ma)作为元素和年龄外标,每隔5个未知样品锆石间插入2个Temora,每隔10个样品插入2个NIST 610,每个测试点总的数据获取时间为90 s,其中前20 s为背景,20 s后开始矿物剥蚀,剥蚀时间约为50 s, 后20 s为剥蚀后的冲洗时间。以29Si为内标,使用单内标多外标校正锆石中的微量元素含量,详细的分析流程和具体参数设置见Liu 等[38]。利用ICPMSDataCal软件对剥蚀信号数据进行处理[38],得到样品的微量元素含量及U-Pb同位素比值,U-Pb年龄谐和图的绘制和加权平均年龄计算采用Isoplot软件,U-Pb年龄分析结果见表1。

图2 西准噶尔区域地质图(a, 据文献[37]修改)以及哈姆图斯地区地质简图(b)Fig.2 Geological sketch map of the West Junggar region(a)and geological map of the Hamutusi(b) Q—第四系;N2d—新近系独山子组;D3tb—上泥盆统塔尔巴哈台上亚组;∑—超镁铁质岩;νπ—橄榄辉长苏长岩;花岗岩;ξ —钠长斑岩;1—中性火山角砾岩;2—中酸性火山岩;3—中性火山岩;4—断层

图3 哈姆图斯火山岩野外露头及薄片照片Fig.3 Outcrop images and photomicrographs of rocks from the melange Hamutusi volcanic rocksa—玄武岩露头;b—手标本;c、d—玄武岩镜下显微照片;Pl—斜长石;Py—辉石

岩石样品的主量和微量元素(包括稀土元素)组成分析(7个样品)均在桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室完成。选取新鲜的岩石样品,去除风化面,用颚式破碎机把大块岩石样品初破碎成粒径<5 mm的颗粒,用自来水仔细清洗其中的浮尘至水清为止；接着分别用5%HNO3或5%HCl在超声波清洗仪中浸泡半小时以上,并观察样品的起泡情况,以去除后生碳酸盐化对样品的影响，如浸泡后还有气泡,则重复前步,至无气泡为止；然后把样品用纯净水冲洗干净,<100 ℃烘干。手工剔除其中带杏仁体的颗粒,最后用碳化钨研钵机械磨至0.075 mm(200目)粉末用于化学分析。

主量元素测定采用玻璃熔片法, 利用日本株式会社理学ZSX PrimusⅡ X射线荧光光谱仪(XRF)进行分析, 进行玻璃熔片前要测定每个样品的烧失量(LOI), 利用测定LOI后的样品进行玻璃熔片,然后在ZSX PrimusⅡ XRF上测定。ZSX PrimusⅡ XRF为全自动单道扫描型波长色散X射线荧光光谱仪,拥有48位自动进样器,PAS自动调节脉冲高度系统和ACC自动清洗F-PC芯线系统,可以保证测试过程中仪器的最佳状态,对样品中的元素逐一顺序进行扫描测定。XRF主量元素分析采用直接校准曲线法,即对标准物质测试强度(计数)和推荐值之间的拟合程度采用线性回归分析来建立校正曲线。校正曲线拟合度为99.99%,利用研究样品X射线荧光强度与分析元素含量之间存在的线性关系进行定量分析,分析精度优于2%～5%。分析结果见表2。

微量元素分析采用酸溶法,在Agilent 7500cx电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)上完成。在Bomb中称取约50 mg样品粉末以及标准样品,加入0.5 mL纯化的HNO3以及1.0 mL的HF,进高压阀在恒温电热箱内190 ℃保温48 h,蒸干之后,加入0.5 mL纯化的HNO3, 此步骤重复两次。加入4 mL的4N纯化HNO3,进高压阀置恒温电热箱170 ℃保温4 h,最后稀释1 000 倍加入10 ng/L的Rh 内标来校正信号飘移,移取上述溶液8～10 mL于干净的塑料离心管中,摇匀,ICP-MS测定。使用USGS标准BHVO、AGV、W-2和G-2 以及国家岩石标样 GSR-1、GSR-2、GSR-3 来校正所测元素的含量,分析精度一般优于2%～5%。分析结果见表2。

表1 哈姆图斯玄武岩锆石U-Pb LA-ICP-MS年龄测定结果(样品HM47)

表2 哈姆图斯火山岩主量元素(wB/%)微量元素(wB/10-6)数据

续表2

注： Mg#=100 Mg/(Mg+Fe2+), 其中Fe2O3/FeO=0.15; 球粒陨石标准化数值据文献[43]。

3 分析结果

3.1 同位素年代学

从锆石颗粒的阴极发光(CL)图像上看,锆石晶粒无色透明,呈柱状或等粒状,锆石CL特征显示内部结构较为复杂,部分呈现明暗相间的条带结构,部分呈现环带结构或模糊的环带结构(图4)。HM47号样品25个分析点显示锆石的U、Th 含量分别为(333.39～3 766.61)×10-6和(135.01～1 861.02)×10-6,Th/U变化范围在0.23～1.07,属典型的岩浆成因锆石[39]。玄武岩25颗锆石的U-Pb测试数据及计算结果见表2。样品测得的Pb/U年龄比较集中,25个点都在谐和线上,测得的加权年龄为316.0±1.5 Ma(MSWD=0.117)(图5),可以作为该玄武岩样品的结晶年龄,说明哈姆图斯火山岩形成于晚早石炭纪。

3.2 地球化学

岩石样品大部分比较新鲜(LOI=2.38～4.16),主要为钙碱性玄武岩和玄武安山岩(图6), 主量元素成分SiO2在46.35%～58.18%、TiO2在0.63%～0.73%, 与岛弧拉斑玄武岩(IAT)相似(TiO2=0.8%)[40]; 除两个样品HM49-02和HM50为高Al2O3(>17%)外, 其他样品为低Al2O3(10.88%～15.46%)特征, Mg#(55～69)呈现出演化的特征。

图4 锆石阴极发光图像Fig.4 Cathode luminescence images of the representative analyzed zircon

图5 锆石U-Pb谐和图Fig.5 U-Pb concordia diagram for zircons

在球粒陨石标准化稀土配分图上(图7a), 轻稀土富集,(La/Yb)N=2.92～5.67, 高于洋中脊玄武岩(N-MORB); 重稀土略亏损, (Gd/Yb)N=1.33～1.73, 低于N-MORB, 稀土总含量ΣREE为(46.53～87.43)×10-6, 平均值为64.73×10-6, 均大于MORB(39.11×10-6), δEu为0.91～-1.59,大部分样品没有出现Eu的异常,仅样品HM50出现Eu正异常,表明岩浆演化过程中受斜长石结晶分异影响较低。玄武岩的微量元素原始地幔标准化配分图呈现Nb、Ta、Ti等高场强元素亏损特征(图7b),具有Sr的正异常,是典型岛弧火山岩的特征。

4 讨论

4.1 岩石成因及构造环境

前人对西准噶尔地区晚石炭世所处构造环境的认识尚存争议, 如岛弧环境[6, 44-48]、后碰撞环境[49-50]和洋脊俯冲环境[51-59]。哈姆图斯火山岩地球化学特征显示富集轻稀土, 亏损高场强元素(如Nb、 Ta、 Ti), 具有俯冲带岛弧相关的岩浆特征。这种配分型式主要为俯冲板片的流体交代上覆楔使地幔岩石发生部分熔融形成岛弧岩浆。岛弧火山岩形成过程中俯冲沉积物熔体对源区的影响最大, Th/Yb和Nb/Yb元素比值相关图(图8a)能够很好地示踪源区的特征, 因为这两个比值不受地幔部分熔融或者结晶分异作用影响。Nb/Yb值代表了地幔源区的亏损或富集程度[60]。此外, 沉积物中富含Th而亏损Nd、Ta, 其含量和地幔中Th含量相差两个数量级[61], 而且Th是流体不活动性元素, 受沉积物流体影响很少[62], 故Th/Yb值能反映源区中来自沉积物熔体的贡献[63-65]；相反, 如果地幔源区中有沉积物熔体加入将导致Th含量增加而Nb的含量却不变, 在Th/Yb和Ta/Yb相关图上则表现出一个垂直的变化关系。哈姆图斯火山岩在Th/Yb、Nb/Yb值相关图上位于地幔演化趋势线上方, 与MORB相比具有高Th/Yb值, 这种位于地幔演化趋势之上的高Th/Yb特征暗示了其源区有来自俯冲沉积物熔体的贡献, 是典型的岛弧火山岩成因特征。在主量元素及抗蚀变微量元素构造环境判别图上(图8b—d), 所有样品落入岛弧玄武岩区域, 所有样品的Ti/V值在10～20, 揭示了其岛弧火山岩的比值特征。总之, 岩石地球化学特征表明哈姆图斯火山岩的成因与岛弧岩浆作用有关, 其构造背景为俯冲有关的岛弧环境。

图6 Zr/TiO2-Nb/Y图(a)和FeOT/MgO-SiO2 图 (b)(a.仿Winchester[41] 等; b.仿Miyashiro[42])Fig.6 Zr/TiO2-Nb/Y(a) and FeOT/MgO-SiO2(b) for the basalt of the Hamusi

图7 稀土元素球粒陨石标准化图(a)和不相容元素原始地幔标准化图解(b)(a.球粒陨石、原始地幔、OIB、E-MORB数据引自Sun等[43])Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns(a) and primitive mantle-normalized trace elements patterns(b)

4.2 西准噶尔博什库尔-成吉斯岩浆弧的时代及构造意义

新疆西准噶尔北部的扎尔玛-萨吾尔岩浆弧和博什库尔-成吉斯岩浆弧演化时限也存在多种观点。部分研究者认为, 斋桑洋盆南向俯冲形成了早古生代的(晚志留纪-早泥盆纪)博什库尔-成吉斯岩浆弧和晚古生代(泥盆纪-早石炭纪)的扎尔玛-萨吾尔岩浆弧[14, 34-35]; 也有人认为博什库尔-成吉斯岩浆弧是由早古生代(晚奥陶纪-中泥盆纪)准噶尔洋盆北向俯冲形成, 其演化过程经历了俯冲—碰撞—碰撞后裂解[12,20,66]。本文获得哈姆图斯玄武安山岩锆石U-Pb年龄为316±1.7 Ma, 表明博什库尔-成吉斯岩浆弧存在晚石炭纪的岩浆作用。根据目前的研究, 代表西准噶尔洋盆存在的蛇绿岩时代从早古生代到晚古生代均有分布, 说明西准噶尔地区曾存在多个时代的洋盆,而不同时代洋盆的俯冲削减作用, 必然引起不同时代岩浆活动, 这些岩浆作用最终增生形成了不同时代的岩浆弧。西准噶尔北部的洪古勒楞、谢米斯台、查干陶勒盖以及和布克赛尔蛇绿岩蛇绿岩的时间主体为早古生代, 如洪古勒楞蛇绿年龄为472±8.4 Ma[27]和497.2±4.2 Ma[28], 在查干陶勒盖蛇绿岩年龄为517±3 Ma和519±3 Ma[29], 和布克赛尔蛇绿岩年龄为484±3 Ma[17], 所以晚石炭纪哈姆图斯火山岩不可能形成于这些蛇绿岩所代表的洋盆俯冲作用, 这一岩浆作用只能受控于晚古生代西准噶尔洋盆演化有关的岩浆作用。赵磊等在达拉布特萨尔托海蛇绿岩中获得英安岩锆石206Pb/238U年龄为349±2 Ma[23]; 刘希军等获得达拉布特蛇绿岩中E-MORB型的镁铁质岩的锆石U-Pb年龄为302±1.7 Ma[24], 揭示了石炭纪期间西准噶尔与洋盆演化有关的岩浆作用, 特别是晚石炭纪, 众多研究揭示了与洋脊俯冲有关大量岩浆作用导致了该时期构造-岩浆-成矿-造山作用的高潮[24, 54, 67]。哈姆图斯火山岩的时代与这一期岩浆作用的高潮相吻合。另外, 哈姆图斯火山岩地球化学上呈现的岛弧岩浆特征, 其岩石成因与板片俯冲有关, 源区受俯冲沉积物影响, 均表明该火山岩很可能与西准噶尔晚古生代洋盆俯冲消减或者俯冲削减有关, 揭示了西准噶尔石炭纪期间洋盆俯冲削减作用引起的岛弧岩浆作用比较强烈, 这应该是形成博什库尔-成吉斯岩浆弧很重要的一期岩浆作用。

综上所述,通过对哈姆图斯火山岩的年代学及地球化学研究,认为哈姆图斯火山岩形成于晚石炭纪俯冲有关的岛弧环境,揭示了西准噶尔晚古生代洋盆俯冲体系引起的岛弧岩浆作用一直持续到了晚石炭纪末期,是形成博什库尔-成吉斯岩浆弧的一期重要岩浆作用。