准噶尔盆地西北缘中拐凸起石炭纪安山岩年代学、地球化学特征及其构造意义

2022-07-09邵龙飞于福生王丹丹

现代地质 2022年3期

邵龙飞，于福生，王丹丹，李超

(1.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249；2.河北省地质矿产勘查局第五地质大队海洋地质调查所，河北唐山 063000；3.中国石油集团东方地球物理勘探公司乌鲁木齐分院，新疆乌鲁木齐 830016)

0 引言

中亚造山带形成于西伯利亚古陆与中朝、塔里木板块之间古亚洲洋的俯冲消减作用[1-3]。准噶尔盆地地处中亚造山带西段，位于我国新疆北部，周边被中、高山地环绕，西北邻准噶尔山系，东北邻阿尔泰山系，南邻天山山脉，总体呈现为三角形态，经历了多阶段不同性质的演化和变革[4-7]，并伴随有强烈的多旋回的岩浆喷发运动，形成了大面积的火山岩。火山岩包含了大量的地球化学信息，其研究对于分析大地构造背景、揭示盆地演化特征有着重要的意义。

前人对准噶尔盆地火山岩的研究认为，准噶尔盆地腹部、西北部、东部和南部的石炭系火山岩的形成皆与洋壳俯冲密切相关[8-16]。为加深对中亚造山带西段石炭纪构造背景的认识，笔者将针对准噶尔盆地西北缘中拐凸起金龙10井区石炭纪安山岩岩心样品开展岩相学、年代学和地球化学研究，据此探讨安山岩的成因类型、源区和构造环境，为中亚造山带西段石炭纪构造演化提供依据；在此基础上，结合前人研究成果，为备受争议的西准噶尔残余洋盆的闭合时限[17-20]进一步提供约束条件。

1 区域地质概况

准噶尔盆地处于哈萨克斯坦古板块、塔里木古板块和西伯利亚古板块交汇处的造山带，属于大型陆内叠合盆地[5,12]。自石炭纪—新近纪以来，准噶尔盆地先后经历了华力西期、印支期、燕山期及喜马拉雅期等多期构造运动[4,6]。在准噶尔盆地演化的过程中伴随着强烈的火山运动，经历了多次开合旋回，形成了以超基性岩为主的蛇绿岩岩浆岩带、以辉绿岩为主的基性岩岩浆岩带及以火山岩-花岗岩为主的岩浆岩带。多旋回的构造发展在准噶尔盆地的西北缘表现尤为突出，包括震旦纪—中泥盆世的古亚洲洋伸展-聚敛旋回运动以及晚泥盆世—晚二叠世造山后两次伸展-聚敛旋回运动[21]。准噶尔盆地西北缘发育有晚古生代的泥盆纪火山岩、石炭纪火山岩以及二叠纪火山岩，其中石炭纪火山岩在西北缘出露最广，多位于深大断裂带附近，火山活动剧烈[22]。早石炭世末—中石炭世随着达尔布特—喀拉麦里洋盆的关闭，盆地开始由开放型海相盆地转化为封闭的内陆盆地，在其蛇绿岩带的北部喷发有大面积的以安山岩为主的中性和酸性火山岩；中晚石炭世在准噶尔盆地的局部喷发有较少的中基性火山岩。晚石炭世，准噶尔盆地由挤压环境转为伸展环境[23]。

准噶尔盆地被划分为6个一级构造单元和44个二级构造单元[4]。研究区金龙10井区(图1(b))位于其中的中拐凸起构造单元上。中拐凸起是位于准噶尔盆地西北缘的克百断裂带和红车断裂带的转换部位，呈宽缓鼻状隆起[24-26]，经历了基底隆升、挤压变形、构造转换、伸展改造和构造定型5个演化阶段[27]。

图1 准噶尔盆地构造单元(a)及其西北缘中拐凸起构造背景(b)(据文献[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 岩石学特征

首先以岩心观察和薄片鉴定相结合的方法研究金龙10井区安山岩的岩石学特征。研究表明，安山岩岩心多为褐灰色、灰绿色和深灰色，可见气孔和杏仁孔，发育构造缝，岩心出筒油气味较淡-较浓，裂缝面可见少量干沥青和黑褐色原油，含油面积约为10%，呈星点-斑点状不均匀分布(图2(a)—(c))。镜下观察可见，安山岩薄片样品的基质为细小的长条状、粒状斜长石微晶，具斑状交织结构(图2(d))。斑晶主要为自形-半自形板状斜长石，粒径介于0.1～1.5 mm之间，可见聚片双晶结构(图2(e))。此外含有少部分由石英充填的杏仁体状的斑晶，自形-半自形，粒径介于0.1～0.5 mm之间(图2(f))。次要矿物还存在角闪石、辉石、磁铁矿等。

图2 中拐凸起安山岩岩心及显微照片Fig.2 Core photos and photomicrographs of andesite rocks from the Zhongguai uplift(a)褐灰色安山岩岩心；(b)灰绿色安山岩岩心；(c)深灰色安山岩岩心；(d)斑状交织结构；(e)斜长石斑晶；(f)石英充填的杏仁体；Pl.斜长石； Qtz.石英

3 样品分析方法

3.1 锆石U-Pb测年

U-Pb测年法在同位素测年方法中占有重要的地位，是最早用来测定地质年龄的放射性方法之一[29]，目前也已成为火山岩研究中的常用手段之一[8,30-32]。本文用U-Pb法中的LA-ICP-MS激光剥蚀法对准噶尔盆地西北缘金龙10井区安山岩中的锆石进行了年龄测定。本次锆石年龄测定由武汉上谱分析科技有限责任公司完成，主要检测设备为安捷伦电感耦合等离子体质谱仪(Agilent 7900)和193 nm准分子激光剥蚀系统(GeoLasHd)，数据处理软件为ICPMSDATACAL 10.0。测定分析中，使用的激光剥蚀系统(GeoLasHd)的激光能量为80 mJ，频率5 Hz，激光束斑直径32 μm。具体分析条件及流程详见文献[33]。

3.2 地球化学分析

本次分析安山岩样品共6件，全部取样于准噶尔盆地西北缘中拐凸起的金龙10井区石炭系岩心，样品皆采集于岩体基本未经历风化的新鲜岩石部位。主量元素委托中国科学院地质与地球物理研究所国家重点实验室进行分析，采用熔融玻璃片法。微量元素分析在核工业北京地质研究院分析测试中心完成，采用电感耦合NexION300D 等离子体质谱仪进行测定。

4 结果分析

4.1 锆石U-Pb年代学特征

从锆石阴极发光图像(图3)可见，样品中大部分的锆石颗粒自形程度较好，多为长柱状。锆石表面较为光洁，个别锆石颗粒中存在不透明的包裹体，锆石整体较为粗大，长轴直径介于200～500 μm之间，长轴与短轴之比多介于2:1～3:1之间。阴极发光图像中，锆石晶体内部发育有显著的典型岩浆成因的振荡环带结构。本次分析测点共25个，分析结果见表1。锆石的Th含量变化范围为27.3×10-6～498.0×10-6，平均含量为98.43×10-6；U的含量介于67.9×10-6～549.0×10-6之间，平均含量为154.73×10-6；Th/U比值介于0.24～1.00之间，平均值为0.59。锆石因其成因不同而具有不同的Th、U含量及Th/U比值，变质成因锆石的Th、U含量低且Th/U比值小，Th/U比值一般<0.1；而岩浆成因锆石的Th、U含量相对较高且Th/U比值相对较大，Th/U比值一般>0.4[8,34]。样品中所测定Th/U均值为0.59，>0.4，进一步确定样品中的锆石为岩浆成因锆石。在U-Pb年龄谐和图(图4)中，数据的投点落于谐和线附近且分布集中，206Pb/238U年龄的加权平均值为(322.4±1.1) Ma(MSWD=1.6)，代表了矿物的结晶年龄，属中石炭世。

4.2 地球化学特征

4.2.1 主量元素

研究区安山岩样品主量元素分析结果(表2)表明，在6件安山岩样品中，SiO2含量介于54.3%～62.5%之间，平均含量为58.7%。K2O+Na2O含量介于4.25%～6.69%之间，平均含量为5.45%。K2O、TiO2和P2O5含量较低，K2O含量介于0.40%～2.19%之间，平均含量为1.00%。在TAS分类图解(图5)中，4个样品投点投入安山岩区域内，1个样品投点落于玄武安山岩区域内，1个样品投点落于粗面安山岩区域内，均属于亚碱性系列。利用AFM 图解(图6(a))进一步划分，均属于钙碱性系列。在SiO2- K2O图解(图6(b))中，可见安山岩样品主要为低钾-中钾钙碱性岩石系列。TiO2含量介于0.63%～1.48%之间，平均含量为1.11%；P2O5含量介于0.13%～0.38%之间，平均含量为0.29%；Al2O3含量较高，介于14.1%～16.8%之间，平均含量为15.1%。其余氧化物中，MgO含量介于2.09%～5.02%之间，平均含量为2.90%；CaO含量介于1.86%～5.24%之间，平均含量3.35%；Na2O含量介于2.52%～5.51%之间，平均含量为4.44%；K2O/Na2O的值介于0.08～0.87之间，平均为0.28。可见安山岩样品具较高的Al2O3、低的TiO2，相对于 SiO2而言，K2O+Na2O和P2O5的含量低，绝大部分样品K2O/Na2O<0.8。这些特征均符合弧火山岩的特征[38]。

图3 中拐凸起安山岩锆石阴极发光图像(CL)及年龄Fig.3 Representative zircon CL images and ages of andesite sample from the Zhongguai uplift

表1 中拐凸起安山岩LA-ICP-MS 锆石U-Pb定年分析结果

图4 中拐凸起安山岩锆石U-Pb谐和图及加权平均年龄图Fig.4 U-Pb concordia diagram and weighted average age diagram of zircons from andesite in the Zhongguai uplift

表2 中拐凸起安山岩样品主量元素(%)、微量元素(10-6)分析结果

(续)表2 中拐凸起安山岩样品主量元素(%)、微量元素(10-6)分析结果

图5 中拐凸起安山岩TAS图解(底图据文献[35])Fig.5 TAS diagram of andesite in the Zhongguai uplift (base map after reference [35])

4.2.2 微量元素

安山岩样品的微量元素分析结果(表2)显示，样品REE介于63.3×10-6～ 108.0×10-6之间，平均值为92.3×10-6。其稀土元素球粒陨石标准化配分曲线(图7(a))为略向右倾斜的曲线，分异程度较低，总体较平缓，具微弱的Eu负异常，显示轻稀土元素(LREE)较重稀土元素(HREE)略富集的特征。LREE/HREE的值介于2.78～3.14之间，平均值为2.95，也可看出轻稀土元素(LREE)相对富集的特征。δEu的值介于0.76～0.94之间，平均值为0.89，微弱的Eu负异常可能与岩浆在演化过程中斜长石的结晶分异较弱有关。在其微量元素原始地幔标准化蛛网图(图7(b))中可见，相对富集Pb和大离子亲石元素Rb、Ba等，亏损高场强元素Nb、Ta、Zr等，显示出俯冲消减带弧火山岩的特征[38, 41-42]。

5 讨论

5.1 源区及成因

在微量元素的分析中，安山岩样品具有富集大离子亲石元素和轻稀土元素、亏损高场强元素的特点，呈现出消减带岩浆的特征[38,41-43]。而俯冲消减带弧岩浆岩的来源有3种[44-46]：(1)下部俯冲的洋壳；(2)俯冲带上覆的地幔楔；(3)地幔楔上覆的陆壳或洋壳，且3种源区的岩浆皆经历了部分熔融作用。安山岩样品Th/La的值介于0.10～0.14之间，平均值为0.11；Th/Ce的值介于0.04～0.06之间，平均值为0.05，大部分样品的值均低于大陆地壳的Th/La、Th/Ce的平均值(分别为0.30和0.15)[47-48]，而接近于幔源岩浆的Th/La、Th/Ce的值(分别为0.12和0.02～0.05)[40]。安山岩样品Lu/Yb的值介于0.13～0.15之间，平均值为0.14，同样该比值低于大陆地壳Lu/Yb的值(0.16～0.18)[47]，而更接近幔源岩浆岩Lu/Yb的值(0.14～0.15)[40]。据此，可见研究区安山岩可能与第二种来源的幔源岩浆关系更为紧密。

图6 中拐凸起安山岩AFM图解((a)，底图据文献[36])和SiO2-K2O图解((b)，底图据文献[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

图7 中拐凸起安山岩稀土元素球粒陨石标准化配分曲线(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)(球粒陨石标准化值据文献[39]，原始地幔标准化值据文献[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])

通过Y-Sr/Y图解(图8(a))可见研究区安山岩属于正常的岛弧岩石而非典型的埃达克岩。岛弧火山岩由岛弧岩浆作用产出，该岩浆作用主要起因于板块俯冲。由Th/Zr-Nb/Zr图解(图8(b))可知，研究区安山岩主要形成于与流体相关的富集作用。而大洋板块富含流体，大洋板块的俯冲通常会造成规模较大的地幔交代和岛弧岩浆活动[51]。俯冲洋壳脱水，产生富集大离子亲石元素(Rb、Sr、U、Th等)和REE等元素的流体进入俯冲带上覆的地幔楔并与之发生交代作用，进而致使地幔楔发生部分熔融而产生大洋弧玄武岩或大陆弧安山岩[51-53]。此过程中的富水流体会亏损高场强元素Nb、Ta、Ti、P等，最终形成的正常岛弧火山岩中会出现显著的Nb、Ta、Ti负异常，这是由于这些元素的流体/岩石分配系数很小(≪1)所导致的结果。而这些元素在熔体中的分配系数明显大于流体，因而若火山岩成因主要为与熔体相关的富集作用时，会使Nb、Ta、Ti、P等增加，导致形成的岛弧火山岩中Nb呈正异常或微弱的负异常[52]。微量元素分析中已述及，安山岩样品相对富集大离子亲石元素，亏损高场强元素；从原始地幔标准化蛛网图(图7(b))中可见Rb、U、Th呈较明显的正异常，而Nb、Ta呈明显的负异常，这一点也印证了研究区安山岩形成于与流体相关的富集作用而非熔体相关的富集作用。综上，排除了上述弧岩浆岩的(1)、(3)来源，笔者认为研究区安山岩源于富水地幔楔，是由俯冲板片脱水产生的流体交代地幔楔发生部分熔融所形成的。

图8 中拐凸起安山岩源区及成因判别图解Fig.8 Magma source and process discrimination plots of andesite in the Zhongguai uplift(a)Y-Sr/Y图解，底图据文献[49]；(b)Th/Zr-Nb/Zr图解，底图据文献[50]

图9 中拐凸起安山岩构造环境判别图解Fig.9 Tectonic discrimination diagrams of andesite in the Zhongguai uplift(a)lgσ-lgτ图解，底图据文献[54]；(b)Ta/Yb-Th/Yb图解，底图据文献[55]；A.板内稳定区火山岩；B.消减带火山岩；C.A和B区演化的碱性火山岩

5.2 构造环境

钙碱性系列中性喷出岩以安山岩为代表，广泛分布于活动大陆边缘、造山带及现代岛弧地区，俯冲带是形成安山岩最重要的场所。安山岩样品的戈蒂尼指数τ(τ= (Al2O3-Na2O)/TiO2)的平均值为10.6，为消减带火山岩数值范畴(τ>10，一般为消减带火山岩[54])。上述研究表明，中拐凸起石炭纪安山岩属于钙碱性岩石系列；据lgσ-lgτ关系图解(图9(a)) 也可看出，安山岩样品投点全部都落于消减带火山岩区域内。在Ta/Yb-Th/Yb图解(图9(b))中，安山岩样品投点均落入活动大陆边缘区域内。

在主量元素分析中，安山岩样品具有较高的Al2O3，低的TiO2和P2O5含量，绝大多数样品K2O/Na2O<0.8，具有典型弧火山岩的特征。在微量元素分析中，安山岩样品相对富集Pb和大离子亲石元素Rb、Ba等，亏损高场强元素Nb、Ta、Zr等，同样显示出了俯冲消减带弧火山岩的特征。可见研究区安山岩的形成环境与俯冲消减带关系密切。

准噶尔盆地西北缘自早古生代以来经历了 Rodinia超大陆裂解、古亚洲洋形成到消亡演化过程[21]。中志留世到中泥盆世期间，西准噶尔洋消减闭合，哈萨克斯坦板块中西部地块——巴尔喀什—塔城地块和准噶尔地块发生碰撞，沿达尔布特断裂带洋壳发生断离，准噶尔古陆块从泥盆纪开始由被动大陆边缘为主转为以主动大陆边缘为主。中泥盆世—早石炭世，准噶尔地块周缘洋盆全面消减闭合，地块之间开始逐渐缝合焊接，活动板缘发育大规模的岩浆活动。位于中拐凸起西北部的达尔布特蛇绿混杂岩带被证实是早—中泥盆世古亚洲洋向准噶尔板块俯冲的产物和证据[56]。早石炭世是准噶尔地区洋壳俯冲的高潮时期，广泛发育弧盆系统，此时西准噶尔地区为弧后盆地环境[57-58]。洋盆主体于早石炭世晚期闭合，蛇绿岩套构造侵位，陆块开始碰撞隆升，发生造山运动，虽然洋盆主体消减关闭，但陆间仍存有残余洋盆[26]。在中拐凸起北部的克百构造带区域内发育有一条规模较大的蛇绿混杂岩带，徐新等[59]2006年对其辉长岩中的锆石定年得出的两组年龄为(411.4±8.6) Ma和(332±14) Ma，前者年龄接近于古亚洲洋主体在早古生代末期的闭合时间, 后者年龄反映出西准噶尔地区残余洋盆一直延续到了早石炭世早期。在匡立春等2013年拟定的新疆北部早石炭世原型盆地类型中，准噶尔盆地周缘主要包括4个残余洋盆，分别为东北缘的卡拉麦里残余洋盆、东南缘的博格达残余洋盆、西南缘的北天山残余洋盆以及距研究区最近的西北缘的达尔布特残余洋盆[60]。西准噶尔残余洋盆的消亡经历了329～320 Ma、310～295 Ma及290 Ma三次构造-岩浆事件，造成大规模幔源岩浆上侵[61-62]。研究区安山岩锆石定年结果为(322.4±1.1) Ma，在第一次构造-岩浆事件时间范围内，并且时间接近徐新等[59]测得的克拉玛依蛇绿混杂岩带的第二组年龄(332±14)Ma，意味着两者可能存有内在的联系。综上所述，笔者认为中拐凸起金龙10井区安山岩形成于大陆弧环境，为西准噶尔残余洋盆俯冲消减作用的产物，同时也说明西准噶尔残余洋盆在(322.4±1.1)Ma时并未完全关闭。