The geochemical characteristics and tectonic significance of Devonian bimodal volcanic rocks in Yemaquan area of Beishan, Inner Mongolia
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摘要:
北山造山带南缘野马泉一带的泥盆纪火山岩(三个井组)在时空上构成独特的双峰式火山岩组合,以大量基性火山岩与酸性火山岩交互出现为主要特征。测得三个井组玄武岩、流纹岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄分别为404.8±3.9 Ma、402.3±1.8 Ma,为早泥盆世。其中,玄武岩具有富铝、高钠、低钾及钙碱性系列的特征。火山岩地球化学特征表明,玄武岩母岩浆来自于地幔的部分熔融,且发生了一定程度的地壳混染,反映其形成于板内伸展环境。流纹岩相对富硅和全碱,贫TiO2和MgO,以及较低的Al2O3值,具有较典型A型花岗岩类的特征,为碰撞后伸展环境下底侵基性岩浆结晶分异的产物。早泥盆世三个井组双峰式火山岩的厘定进一步证实北山造山带形成于碰撞造山后的伸展环境,代表其形成的地球动力学背景为碰撞后转换为拉伸构造演化阶段,表明从早泥盆世开始,不断隆升的山系前陆出现局部引张下陷形成山前裂陷带,对研究北山地区早古生代构造格局及板块构造体制提供了新的地质依据。
Abstract:Devonian volcanic rocks from Sangejing Formation in Yemaquan area in the south margin of Beishan orogenic belt form a unique bimodal volcanic rock assemblage in time and space, which is characterized by the interaction of basic volcanic rocks and acid volcanic rock.The U-Pb ages of zircons from basalts and rhyolites in the Sangejing Formation are 404.8±3.9 Ma and 402.3±1.8 Ma, respectively, which belong to the Early Devonian.The basalt is rich in aluminum and sodium, and is depleted in potassium.And it belongs to calc alkaline series.The geochemical characteristics of the volcanic rocks show that the basaltic mother magma in the study area came from the partial melting of the mantle, and a certain degree of crustal contamination occurs.The geochemical characteristics of basalts reflect that they formed in the intraplate extensional environment.The rhyolites in the study area are relatively rich in silicon and AKL, depleted in TiO2 and MgO, and low in Al2O3.They are typical A-type granitoids.The rocks are the products of crystallization and differentiation of underplating basic magma in the post collision extensional environment.The determination of the bimodal volcanic rocks of the Sangejing Formation in the Early Devonian further confirmed that the Beishan orogenic belt was formed in the extension transformation period of collisional orogeny.The geodynamic background of its formation is the stage of transformation from collision to extensional tectonic environment, which indicated that from the Early Devonian the uplifted foreland of the mountain appeared local extension and subsidence to form the piedmont rift belt.It provides a new theoretical basis of the study of the Early Paleozoic structural pattern of Beishan area.
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中亚造山带是世界上最大的显生宙增生造山带之一,成为研究大陆增生造山过程的天然实验室[1-5],而北山造山带地处中亚造山带的南缘,位于塔里木、西伯利亚及哈萨克斯坦三大板块的交汇部位。研究区属北山造山带东段,塔里木板块北部边缘,北部紧邻塔里木板块与哈萨克斯坦板块的缝合带,构造位置极重要,受到众多地质学者的广泛关注[6-19]。北山地区地壳演化经历了寒武纪裂解,早—中奥陶世发生大洋扩张,晚奥陶世—晚志留世大洋俯冲消亡-碰撞造山。泥盆纪是北山地区洋-陆转换的关键时期,哈萨克斯坦板块与塔里木板块大致沿红柳河—牛圈子—洗肠井一带发生俯冲-碰撞造山,在三个井—野马泉一带形成的三个井组火山岩及沉积夹层是泥盆纪碰撞造山后局部引张下陷记录。深入研究泥盆系三个井组对于深刻认识北山地区古生代的洋-陆转化具有重要意义。
通过对额济纳旗臭水池等4幅1:5万区域地质矿产调查,发现野马泉一带的泥盆纪火山岩(三个井组)在时空上构成独特的双峰式火山岩组合,以大量基性火山岩与酸性火山岩交互出现为主要特征。笔者对研究区泥盆纪三个井组玄武岩及流纹岩开展了详尽的野外踏勘工作,采集岩石样品进行全岩元素地球化学及锆石U-Pb定年研究,以岩石学、地球化学特征为基础,探讨其物质来源、岩石特征、成因机制,厘定形成时代,查明其形成的地球动力学背景,为北山造山带古生代洋-陆转化和构造演化过程提供新依据。
1. 区域地质背景及岩石学特征
1.1 区域地质背景
以月牙山-洗肠井早古生代缝合带为界,北部一级构造单元划归为哈萨克斯坦板块(Ⅰ),南部一级构造单元划归为塔里木板块(Ⅱ)。研究区位于南部的塔里木板块内(Ⅱ),二级构造单元划归为敦煌微陆块(Ⅱ1);三级构造单元划分为:马鬃山南—白石山—古硐井南晚古生代断陷盆地(Ⅱ12),红柳大泉—红山井晚古生代裂陷带(Ⅱ13),红柳大泉—红山井晚古生代裂陷带(Ⅱ13),敦煌地块(DH)[17](图 1;表 1)。
图 1 研究区大地构造位置图[17]1—哈萨克斯坦板块;2—方山口-营毛沱-鹰嘴红山早古生代被动陆缘带(Ⅱ11);3—马鬃山南-白石山-古硐井南晚古生代断陷盆地(Ⅱ12);4—红柳大泉-红山井晚古生代裂陷带(Ⅱ13);5—石板山-大奇山-神螺山晚古生代陆内裂谷带(Ⅱ14);6—敦煌地块(DH);7—红柳河-牛圈子-洗肠井早古生代古缝合带(蛇绿构造混杂岩带);8—构造分区界线;9—国界;10—省界;11—研究区Figure 1. Geotectonic location map of the study area表 1 研究区构造单元划分Table 1. Division of tectonic units in the study area一级构造单元 二级构造单元 三级构造单元 塔里木板块(Ⅱ) 敦煌微陆块(Ⅱ1) 马鬃山南-白石山-古硐井南晚古生代断陷盆地(Ⅱ12) 红柳大泉-红山井晚古生代裂陷带(Ⅱ13) 石板山-大奇山-神螺山晚古生代陆内裂谷带(Ⅱ14) 敦煌地块(DH) 内蒙古北山地区泥盆纪三个井组主要分布于研究区南部野马泉一带,出露面积约27 km2,被早泥盆世侵入岩侵入,被中新生代地层角度不整合覆盖(图 2)。三个井组岩性主要为玄武岩、流纹岩、火山碎屑岩等,基性火山岩与中酸性岩交互出现,火山活动方式以喷溢、爆发、强爆发为主,夹数层喷发沉积相凝灰质砂砾岩、凝灰质砂岩、白云石大理岩等(图 3),地层厚度约2853.0 m。
1.2 岩相学特征
玄武岩:少斑结构-基质似间粒结构,块状构造,由斜长石、辉石组成。斜长石呈半自形板条状,杂乱分布,粒度为0.1~1.0 mm,轻微绢云母化、高岭土化、帘石化,具聚片双晶,含量约为60%;辉石为单斜辉石,呈他形粒状,杂乱或填隙状分布于斜长石间,粒度一般为0.1~0.5 mm,为单斜辉石,有的粒内及边缘嵌布板条状斜长石,少量绿泥石化,含量约为40%(图版Ⅰ-a、b)。
流纹岩:斑状及隐晶质结构,流纹构造,由斑晶、基质组成。斑晶由钾长石构成,星散状分布,粒度为0.5~1.0 mm,钾长石呈半自形板状,可见熔蚀现象,少量粒内可见波状消光、双晶弯曲等变形特征。基质由长英质构成,呈隐晶质,少量微粒状和放射状,且放射状长英质似球粒。各成分分布不均,构成流纹构造(图版Ⅰ-c、d)。
2. 样品采集及分析测试
样品采自额济纳旗野马泉一带,选择新鲜、经镜下薄片鉴定和严格筛选的样品进行地球化学分析。共采集8件样品进行全岩主量和微量元素分析测试,2件样品进行锆石U-Pb定年分析。
由河北省廊坊市区域地质实验室完成锆石单矿物的挑选。首先将原岩样品粉碎至80目,利用人工淘选、重液分选和磁选分选出锆石颗粒,再在双目镜下挑选出约150颗晶形完整、无裂隙和包体的典型锆石,将其置于环氧树脂中,固结制靶后打磨抛光,使锆石内部充分暴露,然后进行锆石阴极发光(CL)、透射光和反射光照相。由天津地质矿产研究所完成样品的制靶、阴极发光照相。LA-ICP-MS锆石U-Pb定年在武汉能谱公司采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)上完成。利用Isoplot3.0软件完成锆石U-Pb年龄谐和图的绘制[20]。
在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成全岩岩石样品的主量、微量元素分析。本次选取新鲜无蚀变的代表性样品进行全岩主量和微量元素测试。首先对样品进行初步处理,确保样品新鲜无风化,然后将样品碎成粒径1 cm左右的小块,随后利用超声波技术将样品颗粒放入纯净水中清洗干净,再将其放入洁净的容器中烘干,最后利用球磨机磨成直径约为50 μm的粉末。其中,主量元素采用电感耦合等离子光谱仪(ICP-OES)测定,实验原理及流程参见李怀坤等[21]。微量元素采用ICP-MS方法测定,具体分析方法、测试步骤和数据处理见Gao等[22]。
3. 测试结果
3.1 主量元素地球化学特征
内蒙古北山地区野马泉一带早泥盆世三个井组双峰式火山岩全岩主量、微量元素地球化学全分析结果及特征值计算见表 2。从表 2和岩石TAS图解(图 4-a)可以发现,研究区火山岩样品分为基性和酸性2个岩性端元,分别对应玄武岩和流纹岩,SiO2含量分别为48.31%~50.26%和74.60%~77.06%,可见明显间断,构成经典的双峰式火山岩组合。
表 2 北山造山带野马泉一带早泥盆世三个井组火山岩主量、微量和稀土元素地球化学分析结果Table 2. Composition of major, trace and rare earth elements for Sangejing Formation in Yemaquan area, Beishan Orogenic Belt样品号 YMQ-1 YMQ-2 YMQ-3 YMQ-4 YMQ-5 YMQ-6 YMQ-7 YMQ-8 岩性 玄武岩 流纹岩 SiO2 49.73 48.31 50.26 49.19 48.38 77.06 74.6 76.68 TiO2 2.92 1.67 2.78 3.27 1.85 0.19 0.18 0.16 Al2O3 13.74 16.57 13.38 13.72 16.78 11.76 12.16 11.74 Fe2O3 6.84 1.92 3.94 2.27 2.1 0.29 0.56 2.1 FeO 7.11 6.73 8.78 10.02 8.24 0.65 0.42 0.12 MnO 0.275 0.17 0.21 0.24 0.18 0.02 0.024 0.017 MgO 4.62 6.8 4.73 4.88 6.56 0.36 0.47 0.06 CaO 7.01 9.65 7.65 8.31 9.06 0.72 1.87 0.82 Na2O 4.24 3.39 3.78 3.86 3.29 3.5 3.27 4.4 K2O 1.06 0.64 0.84 0.67 0.88 4.29 4.27 2.62 P2O5 0.327 0.21 0.35 0.52 0.32 0.033 0.033 0.03 烧失量 2.1 3.82 3.16 2.9 2.23 1 2.05 1.14 总计 99.98 99.88 99.86 99.84 99.86 99.86 99.92 99.89 Rb 42.32 7.4 41.38 20.14 31.9 97.7 200 69.3 Ba 164.3 161.73 255.22 430.26 180 850 503 407 Th 1.94 0.56 2.32 2.46 1.96 20.1 24.3 18.7 U 0.99 0.28 0.96 0.64 1.17 3.82 4.88 4.96 Ta 0.39 0.46 0.38 0.65 0.72 1.19 1.18 1.26 Nb 5.04 4.16 4.67 9.74 11.5 16 14.3 16.5 Sr 335 305 282 253 329 58.9 60.3 45.2 Zr 232 143 179 269 182 362 287 357 Hf 7.71 3.91 5.35 7.66 5.93 10.7 8.95 9.85 Y 47.1 29.3 46.8 51.7 38.1 49.6 55.7 63.2 Yb 9.43 2.08 4.35 2.34 4.33 3.46 7.79 22.4 Lu 0.84 0.53 0.63 0.82 0.8 1.2 1.07 1.51 La 10.6 7.65 13.1 21.8 20.5 51.2 30.4 34.1 Ce 25.9 18.1 32 53 40.3 96.8 65.5 58.3 Pr 4.29 3.29 4.43 7.13 5.52 11.7 9.23 9.5 Nd 22 16.8 21.5 33.2 24.2 44.1 39.7 40.8 Sm 6.1 4.65 5.88 8.55 5.45 8.87 9.38 9.52 Eu 1.94 1.6 2.03 2.78 1.56 0.85 1.4 1.65 Gd 4.87 4.42 5.31 7.44 4.48 8.88 8.49 8.77 Tb 1.25 0.98 1.19 1.6 0.98 1.64 1.86 1.88 Dy 8.7 6.28 8.04 10.3 6.51 9.98 11.4 11.9 Ho 1.76 1.26 1.55 2.03 1.31 2 2.32 2.52 Er 4.28 3.25 4.28 5.57 3.48 5.86 6.01 6.86 Tm 0.84 0.58 0.76 0.95 0.69 0.99 1.15 1.32 ∑REE 98.37 72.92 105.15 161.05 120.15 251.15 194.99 196.57 δEu 1.05 1.07 1.09 1.04 0.94 0.29 0.47 0.54 注:主量元素含量单位为%,微量和稀土元素含量单位为10-6 其中,玄武岩的SiO2含量为48.31%~50.26%,TiO2含量为1.37%~3.27%,Al2O3含量为13.38%~16.78%。岩石化学成分含量还表现出FeO>Fe2O3、CaO>MgO、Na2O>K2O的特征,K2O/Na2O值较小,为0.17~0.25;铝指数A/CNK值为0.62~0.74,平均为0.67;分异指数较小,DI为33.84~43.94,平均为38.06;固结指数较大,SI为21.43~34.91,平均为25.89,反映岩浆结晶分异程度较低;里特曼指数σ=0.74~1.14,平均0.86,属钙性岩石。玄武岩显示出富铝、高钠、低钾及钙碱性系列的岩石地球化学特征(图 4-b)。
流纹岩的SiO2含量为74.60%~77.06%,TiO2含量为0.16%~0.19%,Al2O3含量为11.74%~12.16%。多数为K2O>Na2O,Al2O3>(Na2O+K2O+CaO),属硅、铝过饱和类型;分异指数DI为90.1~94.01,平均为92.37;里特曼指数σ为1.46~1.79,平均1.68,为钙性岩石;A/CNK值为0.91~1.02,平均属于0.98,为准铝质向弱过铝质系列过渡。流纹岩总体为高钾钙碱性岩系列(图 4-b)。
3.2 微量及稀土元素地球化学特征
(1) 玄武岩类
区内早泥盆世玄武岩的稀土和微量元素含量及特征参数见表 2。∑REE=72.92×10-6~161.05×10-6,平均为111.53×10-6;LREE=52.16×10-6~126.42×10-6,平均为85.15×10-6;HREE=20.76×10-6~34.62×10-6,平均为26.37×10-6;LREE/HREE=2.51~3.65,平均为3.21。样品表现出轻稀土元素富集,重稀土元素亏损,轻、重稀土元素分馏较小特征。δEu=1.04~1.09,平均为1.06,多数显示微弱正异常。稀土元素配分模式图(图 5-a)表现为轻、重稀土元素分馏不明显,Eu无明显异常,各类岩石配分曲线近于平行分布,表明成岩物质来源基本相同。
图 5 玄武岩稀土元素球粒陨石标准分布型式图(a)及微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)(球粒陨石及原始地幔标准化值据参考文献[25])Figure 5. Chondrite-normalized REE patterns (a)and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams(b)of basalt微量元素蛛网图总体较平坦(图 5-b),相对富集大离子亲石元素U、La、Ce等,K、Hf略显富集,亏损高场强元素Ta、Nb、Sr等,具有较低的HFSE/LREE值(Nb/La=0.36~0.56),指示其原始岩浆受到一定程度的地壳混染,同时也暗示存在富Ti矿物(如钛铁矿、榍石)和辉石的分离结晶[26];Ta、Sr元素的亏损表明存在斜长石的分离结晶。
(2) 流纹岩类
区内早泥盆世流纹岩的稀土和微量元素含量及特征参数见表 2。∑REE=194.99×10-6~251.15×10-6,平均为214.24×10-6;LREE=153.79×10-6~213.54×10-6,平均为174.33×10-6;HREE=37.61×10-6~42.78×10-6,平均为39.90×10-6;LREE/HREE=3.60~5.68,平均为4.41。δEu为0.29~0.54,平均为0.43,具明显的负Eu异常。各类岩石稀土元素配分曲线近平行分布,表现为轻、重稀土元素分馏相对明显的右倾海鸥型(图 6-a),与典型的地壳重熔型花岗岩的稀土元素配分型式相似[27]。
图 6 流纹岩稀土元素球粒陨石标准化分布型式图(a)及微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)(球粒陨石及原始地幔标准化值据参考文献[25])Figure 6. Chondrite-normalized REE patterns(a)and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (b)of rhyolite各样品微量元素蛛网图总体特征较一致,表明其具有相同的物质来源(图 6-b)。富集大离子亲石元素Th、U、K、La、Ce、Nd、Zr、Hf、Sm,而亏损Ba、Ta、Nb、Sr、P、Ti等高场强元素,P、Ti等元素的亏损,表明酸性岩浆经历了强烈的铁-钛氧化物和磷灰石的分离结晶作用。强烈的负Eu异常表明岩浆经历了显著的斜长石分离结晶作用。
3.3 锆石U-Pb年龄
在北山地区野马泉一带三个井组双峰式火山岩中分别采集1件玄武岩样品和流纹岩样品进行锆石U-Pb同位素测年。玄武岩及流纹岩分析结果分别见表 3和表 4。
表 3 玄武岩(YMQ-TW1)LA-ICP-MS锆石U-Pb测试结果Table 3. Zircon U-Pb isotopic data analyzed by LA-ICP-MS of basalt(YMQ-TW1)样品号 含量/10-6 同位素比值 年龄/Ma Pb U 207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ 207 Pb/ 206 Pb 1σ 207Pb/ 235Pb 1σ 206Pb/ 238U 1σ RZ1 114 400 0.0549 0.0027 0.4939 0.0240 0.0653 0.0012 409 114 408 16.3 408 7 RZ2 21.6 116 0.0543 0.0046 0.4798 0.0404 0.0634 0.0017 383 191 398 27.7 396 10 RZ3 29.2 127 0.0545 0.0041 0.4833 0.0335 0.0647 0.0017 391 169 400 22.9 404 11 RZ4 72 261 0.0556 0.0035 0.4840 0.0294 0.0628 0.0013 435 134 401 20.1 393 8 RZ5 19.6 108 0.0545 0.0053 0.4467 0.0446 0.0593 0.0019 391 214 375 31.3 371 12 RZ6 63 206 0.0547 0.0035 0.4887 0.0302 0.0646 0.0013 398 175 404 20.6 403 8 RZ7 33.5 143 0.0545 0.0040 0.4727 0.0342 0.0624 0.0015 391 167 393 23.6 390 9 RZ8 30.5 133 0.0574 0.0056 0.5167 0.0435 0.0667 0.0018 506 214 423 29.1 416 11 RZ9 15.8 63.9 0.0624 0.0068 0.6297 0.0599 0.0790 0.0032 687 235 496 37.3 490 19 RZ10 72 254 0.0554 0.0035 0.4834 0.0266 0.0635 0.0012 428 143 400 18.2 397 7 RZ11 105 390 0.0540 0.0028 0.4733 0.0236 0.0627 0.0012 369 117 393 16.2 392 7 RZ12 62 206 0.0596 0.0040 0.5270 0.0339 0.0635 0.0014 587 146 430 22.5 397 8 RZ13 20.6 94.6 0.0585 0.0087 0.5095 0.0651 0.0660 0.0030 546 328 418 43.8 412 18 RZ14 18.7 95.9 0.0569 0.0057 0.4662 0.0429 0.0603 0.0019 487 219 389 29.7 378 12 RZ15 20.3 69.7 0.0586 0.0087 0.5405 0.0709 0.0705 0.0038 550 332 439 46.8 439 23 RZ16 26.6 98.3 0.0589 0.0053 0.5595 0.0402 0.0726 0.0019 565 198 451 26.2 452 11 RZ17 29.6 142 0.0543 0.0047 0.4921 0.0437 0.0653 0.0017 383 198 406 29.8 408 10 RZ18 264 583 0.0571 0.0031 0.5502 0.0288 0.0693 0.0014 494 120.4 445 18.9 432 8 RZ19 24.2 89.4 0.0594 0.0087 0.5225 0.0659 0.0668 0.0026 589 319 427 44.0 417 16 RZ20 19.7 103 0.0562 0.0064 0.4700 0.0484 0.0626 0.0021 461 254 391 33.4 392 13 RZ21 34.3 166 0.0523 0.0033 0.4678 0.0321 0.0628 0.0016 302 144 390 22.2 393 9 RZ22 15.4 82.6 0.0545 0.0053 0.4683 0.0400 0.0624 0.0016 391 216 390 27.7 390 10 RZ23 21.6 76.4 0.0582 0.0062 0.5812 0.0546 0.0751 0.0026 539 233 465 35.1 467 16 RZ24 30.9 101 0.0599 0.0062 0.5171 0.0469 0.0686 0.0021 598 221 423 31.4 427 13 RZ25 14.4 84.0 0.0552 0.0049 0.4752 0.0355 0.0634 0.0020 420 200 395 24.4 396 12 RZ26 40.3 120 0.0568 0.0058 0.4946 0.0418 0.0634 0.0024 483 229 408 28.4 396 15 RZ27 19.1 90.8 0.0568 0.0054 0.4922 0.0445 0.0646 0.0020 483 211 406 30.3 404 12 RZ28 81 306 0.0520 0.0030 0.4936 0.0292 0.0678 0.0013 287 133 407 19.8 423 8 RZ29 33.3 163 0.0566 0.0036 0.5350 0.0344 0.0678 0.0013 476 143 435 22.8 423 8 RZ30 15.6 59.7 0.0651 0.0078 0.4928 0.0414 0.0636 0.0025 776 254 407 28.2 398 15 RZ31 22.4 83.4 0.0553 0.0052 0.4880 0.0405 0.0647 0.0021 433 211 404 27.7 404 13 RZ32 75 233 0.0553 0.0031 0.5042 0.0286 0.0659 0.0014 433 123 415 19.3 411 8 RZ33 85 413 0.0537 0.0035 0.4458 0.0279 0.0595 0.0014 367 145 374 19.6 372 9 RZ34 152 429 0.0545 0.0027 0.5069 0.0266 0.0656 0.0011 391 115 416 17.9 410 6 RZ35 30.2 137 0.0606 0.0063 0.5797 0.0534 0.0731 0.0023 633 226 464 34.3 455 14 表 4 流纹岩(YMQ-TW2)LA-ICP-MS锆石U-Pb测试结果Table 4. Zircon U-Pb isotopic data analyzed by LA-ICP-MS of rhyolite(YMQ-TW2)样品号 含量/10-6 同位素比值 年龄/Ma Pb U 207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ 207 Pb/206 Pb 1σ 207Pb/ 235Pb 1σ 206Pb/238U 1σ RZ1 44.25 416.80 0.06101 0.00156 0.54892 0.01393 0.06519 0.00100 639 56 444 9 407 6 RZ2 42.70 406.31 0.05890 0.00188 0.53071 0.01572 0.06514 0.00104 565 66 432 10 407 6 RZ3 25.57 315.19 0.05640 0.00175 0.50368 0.01609 0.06453 0.00065 478 101 414 11 403 4 RZ4 45.45 478.19 0.05937 0.00172 0.53085 0.01634 0.06465 0.00077 589 63 432 11 404 5 RZ5 31.97 313.71 0.05577 0.00144 0.49938 0.01284 0.06492 0.00070 443 57 411 9 406 4 RZ6 67.50 737.76 0.05406 0.00123 0.48456 0.01085 0.06506 0.00076 372 56 401 7 406 5 RZ7 29.52 328.53 0.06069 0.00197 0.54005 0.01604 0.06498 0.00087 628 66 438 11 406 5 RZ8 27.82 335.62 0.05602 0.00125 0.49981 0.01119 0.06482 0.00057 454 18 412 8 405 3 RZ9 79.11 798.53 0.05922 0.00157 0.52682 0.01448 0.06450 0.00069 576 57 430 10 403 4 RZ10 28.25 363.14 0.05264 0.00162 0.46779 0.01397 0.06470 0.00068 322 73 390 10 404 4 RZ11 14.71 141.31 0.05882 0.00221 0.52656 0.01966 0.06525 0.00086 561 81 430 13 408 5 RZ12 34.84 433.07 0.05506 0.00142 0.49172 0.01286 0.06484 0.00099 413 53 406 9 405 6 玄武岩样品锆石的形态呈长柱状或短柱状,自形程度较高,长宽比在2:1~4:1之间。CL图像(图 7)显示,锆石呈灰色,部分呈深灰色。Th/U值为0.41~1.16,指示其为岩浆成因。锆石内部发育较宽的结晶环带,推测锆石晶体生长时温度较高,微量元素扩散较快,也表明锆石为岩浆成因。锆石206Pb/238U年龄介于402~411 Ma之间。在置信度为95%时,样品29个测点的206Pb/238U年龄加权平均值为402.3±1.8 Ma(图 8)。
流纹岩样品锆石阴极发光图像(图 9)显示,其具有较好的柱形晶,发育密集的振荡生长环带,大部分锆石颗粒以灰白色、浅棕色为主,为典型的岩浆锆石。Th/U值为0.2~0.6(普遍大于0.4),与岩浆锆石的范围一致。在置信度为95%时,12个锆石的206Pb/238U年龄加权平均值为404.8±3.9 Ma(图 10)。
据野外观察可知,玄武岩和流纹岩在空间上紧密共生。玄武岩及流纹岩的锆石U-Pb年龄分别为402.3±1.8 Ma和404.8±3.9 Ma,确定研究区三个井组火山岩的形成时代为早泥盆世。二者具有密切的时空关系。
4. 讨论
4.1 岩石成因
根据野外观察及全岩地球化学分析和锆石U-Pb定年,发现野马泉一带早泥盆世三个井组玄武岩和流纹岩具有密切的时空关系,并且前者出露范围大于后者;SiO2含量存在明显的Daly间断,主量元素变化集中在2个区域,微量和稀土元素含量特征也具有明显的不连续性。以上证据表明,野马泉地区出露的玄武岩和流纹岩构成了一套典型的双峰式火山岩组合。
主量元素特征表明,研究区玄武岩相对富Na贫K(Na2O/K2O=3.74~5.76),TiO2含量(1.67%~3.27%)总体上略高于N-MORB(TiO2≈1.15%),相对富集Al(Al2O3含量为13.38%~16.78%)而贫Mg(MgO含量为4.62%~6.80%),指示其应为板内玄武岩,与洋脊玄武岩和大陆裂谷碱性玄武岩的地球化学特征明显不同[28]。反映玄武岩形成时所处的地壳较薄、拉张速度较快,岩浆部分熔融程度较高[29]。
一些微量元素的比值是限定岩浆源区性质和形成过程的重要指示剂之一。研究区玄武岩的Rb/Sr值为0.02~0.92,平均为0.25,大于地幔平均值(0.025),低于地壳平均值(0.44);Th/Ta值为1.22~6.11,平均为3.76,高于原始地幔平均值(2.2),指示岩浆源区具有壳幔混合的特点。
双峰式火山岩的基性端元形成于幔源岩浆的部分熔融。火山岩Zr-Nb图解(图 11-a)显示,研究区玄武岩的母岩浆可能来自于亏损地幔[30]。从表 2可以看出,研究区玄武岩的K2O/TiO2值为0.20~0.48,K2O/P2O5值为1.29~3.24,表明其岩浆组分可能受到一定程度的陆壳物质混染。源区为地壳物质部分熔融,岩石具有较低的Nb、Ta含量,因此地壳物质的混染会导致岩浆中的Ta、Nb等元素含量降低,从而显示明显的Ta、Nb负异常信息。在微量元素原始地幔标准化蛛网图(图 5)上,研究区玄武岩Ta、Nb等元素相对亏损,表明源区可能有地壳物质的加入。如果幔源玄武质岩浆遭受大陆地壳物质的混染,岩浆中的不相容元素,如La或Ba相对于Nb明显增高,从而具有高的La/Nb、Ba/Nb和Ba/La值,因此可用La/Nb、Ba/Nb和Ba/La值分析母岩浆是否受到地壳混染。研究区玄武岩的La/Nb值为1.78~2.81,Ba/Nb值为15.65~54.65,Ba/La值为8.78~21.14,远大于原始地幔(La/Nb≈0.94,Ba/Nb≈9.00,Ba/La≈9.60)和N-MORB[31](La/Nb≈1.07,Ba/Nb≈4.30,Ba/La≈4.00),且在微量元素La/Nb-La/Ba图解(图 11-b)中,除个别样品外,样品大部分落入地壳混染岩石圈地幔,表明幔源玄武质岩浆在后期上升过程中可能受到一定程度的地壳物质混染。
通常认为,双峰式火山岩中酸性端元有2种成因,即基性岩浆分离结晶成因和地壳物质部分熔融成因。基性岩浆分离结晶成因指酸性端元和基性端元具有共同的母岩浆,在分离结晶过程中几乎没有其他物质的加入[32-33],2个端元岩石具有相似的地球化学特征[34],且基性岩石的出露面积大于酸性岩石;地壳物质部分熔融成因指基性岩浆在侵入地壳的过程中,使下地壳物质发生部分熔融而形成酸性岩浆[35],酸性岩石的出露面积大于基性岩石[36-37]。通过对野马泉地区早泥盆世三个井组双峰式火山岩野外踏勘,玄武岩分布面积明显大于流纹岩(分布比例约为3:1), 岩石地球化学特征及锆石U-Pb测年结果反映二者具有一定的演化成生关系。
综合以上研究,北山造山带东段野马泉地区出露的早泥盆世双峰式火山岩组合可能为岩石圈地幔物质部分熔融形成玄武质岩浆后,上升侵位形成玄武岩,且存在一定程度的地壳混染;残余岩浆随后分离结晶形成流纹岩,二者是同源岩浆作用的产物,是一个侵入过程的2个阶段,构成典型的双峰式火山岩组合。
4.2 构造环境
弧陆碰撞带是新生地幔物质与古老地壳相结合的最佳场所,而发生在晚志留世红柳河—牛圈子—洗肠井一带的弧陆碰撞正好提供了这样的条件。Zr、Y等元素的含量可以较准确地反映玄武岩的形成环境[38]。研究区玄武岩Zr含量为143×10-6~269×10-6,Y含量为29.3×10-6~51.7×10-6,Zr/Y值为3.82~4.93,在Zr-Zr/Y图解(图 11-c)中,样品主体落入板内玄武岩区域,表明其形成于板内伸展环境。另外,通过主量元素对比推断,该区玄武质岩石TiO2含量为1.85%~3.27%,总体上略高于N-MORB[39](TiO2≈1.15%),类似于Liegepis等[40]归纳的形成于碰撞后背景下的玄武岩。
研究区流纹岩样品相对富Si和ALK,贫TiO2和MgO,同时具有较低的铝饱和指数,A/CNK值为0.91~1.27,属弱过铝质系列,微量元素中富集大离子亲石元素、亏损高场强元素的特点与典型A型花岗岩的地球化学特征一致[41],同时流纹岩具有较低的Nb/Y值(0.18~0.32),依据A型花岗岩的地球化学分类,研究区流纹岩属于A2型花岗岩(图 12-a),应为碰撞后伸展环境下岩浆作用的产物(图 12-b),与玄武岩显示的碰撞后伸展构造环境一致。
4.3 地质意义
前期研究表明,北山地区在志留纪经历了塔里木板块和哈萨克斯坦板块的俯冲-碰撞,且早泥盆世发生了构造体制转变,形成碰撞后伸展拉张环境,碰撞后的地质作用以大规模的走滑断裂和双峰式火山岩浆为主。
北山造山带东段野马泉地区早泥盆世双峰式火山岩的地球化学特征显示,该套火山岩可能为弧火山岩在造山后伸展裂陷环境中的火山作用产物,进一步证实北山造山带在经历志留纪汇聚事件之后进入大规模碰撞后转换拉伸构造演化阶段,也代表野马泉地区经历了由碰撞汇聚到伸展拉张这个地球动力学环境的重大转折,为进一步理解北山地区早古生代构造格局及板块构造体制提供了重要的地质依据。
5. 结论
(1) 北山造山带东段野马泉地区出露的玄武岩和流纹岩SiO2含量分别为48.31%~50.26%和74.60%~77.06%,具有明显的Daly间断,在时空上构成经典的双峰式火山岩组合。
(2) 玄武岩锆石U-Pb年龄为402.3±1.8 Ma,流纹岩锆石U-Pb年龄为404.8±3.9 Ma,二者同时形成,均为早泥盆世早期岩浆作用的产物。
(3) 根据野外观察和岩石地球化学特征,初步分析玄武岩浆起源于亏损地幔的部分熔融,且在其上升过程中可能受到一定程度的地壳物质混染;残余岩浆随后分离结晶形成流纹岩,二者是同源岩浆作用的产物,是一个侵入过程的2个阶段,构成典型的双峰式火山岩组合。
(4) 野马泉地区早泥盆世双峰式火山岩的厘定,进一步证实了北山造山带在志留纪汇聚碰撞事件之后进入大规模碰撞后转换拉伸构造演化阶段,也代表着其地球动力学环境由碰撞挤压到伸展拉张的重大转折,为进一步理解北山地区早古生代构造格局及板块构造体制提供了重要的地质依据。
致谢: 在本文写作过程中河北省地质调查院陈志彬总工程师及荣桂林副院长提出了诸多宝贵意见,参加内蒙古1:5万臭水池、上咸水沟、野马泉、沙坡泉煤矿幅区域地质矿产调查工作的还有河北省地质调查院尹晨潇、佟昕恩、田宏超、高翔、武劲光等工程师,在此一并表示衷心感谢。 -
图 1 研究区大地构造位置图[17]
1—哈萨克斯坦板块;2—方山口-营毛沱-鹰嘴红山早古生代被动陆缘带(Ⅱ11);3—马鬃山南-白石山-古硐井南晚古生代断陷盆地(Ⅱ12);4—红柳大泉-红山井晚古生代裂陷带(Ⅱ13);5—石板山-大奇山-神螺山晚古生代陆内裂谷带(Ⅱ14);6—敦煌地块(DH);7—红柳河-牛圈子-洗肠井早古生代古缝合带(蛇绿构造混杂岩带);8—构造分区界线;9—国界;10—省界;11—研究区
Figure 1. Geotectonic location map of the study area
图 5 玄武岩稀土元素球粒陨石标准分布型式图(a)及微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)
(球粒陨石及原始地幔标准化值据参考文献[25])
Figure 5. Chondrite-normalized REE patterns (a)and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams(b)of basalt
图 6 流纹岩稀土元素球粒陨石标准化分布型式图(a)及微量元素原始地幔标准化蛛网图(b)
(球粒陨石及原始地幔标准化值据参考文献[25])
Figure 6. Chondrite-normalized REE patterns(a)and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (b)of rhyolite
表 1 研究区构造单元划分
Table 1 Division of tectonic units in the study area
一级构造单元 二级构造单元 三级构造单元 塔里木板块(Ⅱ) 敦煌微陆块(Ⅱ1) 马鬃山南-白石山-古硐井南晚古生代断陷盆地(Ⅱ12) 红柳大泉-红山井晚古生代裂陷带(Ⅱ13) 石板山-大奇山-神螺山晚古生代陆内裂谷带(Ⅱ14) 敦煌地块(DH) 表 2 北山造山带野马泉一带早泥盆世三个井组火山岩主量、微量和稀土元素地球化学分析结果
Table 2 Composition of major, trace and rare earth elements for Sangejing Formation in Yemaquan area, Beishan Orogenic Belt
样品号 YMQ-1 YMQ-2 YMQ-3 YMQ-4 YMQ-5 YMQ-6 YMQ-7 YMQ-8 岩性 玄武岩 流纹岩 SiO2 49.73 48.31 50.26 49.19 48.38 77.06 74.6 76.68 TiO2 2.92 1.67 2.78 3.27 1.85 0.19 0.18 0.16 Al2O3 13.74 16.57 13.38 13.72 16.78 11.76 12.16 11.74 Fe2O3 6.84 1.92 3.94 2.27 2.1 0.29 0.56 2.1 FeO 7.11 6.73 8.78 10.02 8.24 0.65 0.42 0.12 MnO 0.275 0.17 0.21 0.24 0.18 0.02 0.024 0.017 MgO 4.62 6.8 4.73 4.88 6.56 0.36 0.47 0.06 CaO 7.01 9.65 7.65 8.31 9.06 0.72 1.87 0.82 Na2O 4.24 3.39 3.78 3.86 3.29 3.5 3.27 4.4 K2O 1.06 0.64 0.84 0.67 0.88 4.29 4.27 2.62 P2O5 0.327 0.21 0.35 0.52 0.32 0.033 0.033 0.03 烧失量 2.1 3.82 3.16 2.9 2.23 1 2.05 1.14 总计 99.98 99.88 99.86 99.84 99.86 99.86 99.92 99.89 Rb 42.32 7.4 41.38 20.14 31.9 97.7 200 69.3 Ba 164.3 161.73 255.22 430.26 180 850 503 407 Th 1.94 0.56 2.32 2.46 1.96 20.1 24.3 18.7 U 0.99 0.28 0.96 0.64 1.17 3.82 4.88 4.96 Ta 0.39 0.46 0.38 0.65 0.72 1.19 1.18 1.26 Nb 5.04 4.16 4.67 9.74 11.5 16 14.3 16.5 Sr 335 305 282 253 329 58.9 60.3 45.2 Zr 232 143 179 269 182 362 287 357 Hf 7.71 3.91 5.35 7.66 5.93 10.7 8.95 9.85 Y 47.1 29.3 46.8 51.7 38.1 49.6 55.7 63.2 Yb 9.43 2.08 4.35 2.34 4.33 3.46 7.79 22.4 Lu 0.84 0.53 0.63 0.82 0.8 1.2 1.07 1.51 La 10.6 7.65 13.1 21.8 20.5 51.2 30.4 34.1 Ce 25.9 18.1 32 53 40.3 96.8 65.5 58.3 Pr 4.29 3.29 4.43 7.13 5.52 11.7 9.23 9.5 Nd 22 16.8 21.5 33.2 24.2 44.1 39.7 40.8 Sm 6.1 4.65 5.88 8.55 5.45 8.87 9.38 9.52 Eu 1.94 1.6 2.03 2.78 1.56 0.85 1.4 1.65 Gd 4.87 4.42 5.31 7.44 4.48 8.88 8.49 8.77 Tb 1.25 0.98 1.19 1.6 0.98 1.64 1.86 1.88 Dy 8.7 6.28 8.04 10.3 6.51 9.98 11.4 11.9 Ho 1.76 1.26 1.55 2.03 1.31 2 2.32 2.52 Er 4.28 3.25 4.28 5.57 3.48 5.86 6.01 6.86 Tm 0.84 0.58 0.76 0.95 0.69 0.99 1.15 1.32 ∑REE 98.37 72.92 105.15 161.05 120.15 251.15 194.99 196.57 δEu 1.05 1.07 1.09 1.04 0.94 0.29 0.47 0.54 注:主量元素含量单位为%,微量和稀土元素含量单位为10-6 表 3 玄武岩(YMQ-TW1)LA-ICP-MS锆石U-Pb测试结果
Table 3 Zircon U-Pb isotopic data analyzed by LA-ICP-MS of basalt(YMQ-TW1)
样品号 含量/10-6 同位素比值 年龄/Ma Pb U 207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ 207 Pb/ 206 Pb 1σ 207Pb/ 235Pb 1σ 206Pb/ 238U 1σ RZ1 114 400 0.0549 0.0027 0.4939 0.0240 0.0653 0.0012 409 114 408 16.3 408 7 RZ2 21.6 116 0.0543 0.0046 0.4798 0.0404 0.0634 0.0017 383 191 398 27.7 396 10 RZ3 29.2 127 0.0545 0.0041 0.4833 0.0335 0.0647 0.0017 391 169 400 22.9 404 11 RZ4 72 261 0.0556 0.0035 0.4840 0.0294 0.0628 0.0013 435 134 401 20.1 393 8 RZ5 19.6 108 0.0545 0.0053 0.4467 0.0446 0.0593 0.0019 391 214 375 31.3 371 12 RZ6 63 206 0.0547 0.0035 0.4887 0.0302 0.0646 0.0013 398 175 404 20.6 403 8 RZ7 33.5 143 0.0545 0.0040 0.4727 0.0342 0.0624 0.0015 391 167 393 23.6 390 9 RZ8 30.5 133 0.0574 0.0056 0.5167 0.0435 0.0667 0.0018 506 214 423 29.1 416 11 RZ9 15.8 63.9 0.0624 0.0068 0.6297 0.0599 0.0790 0.0032 687 235 496 37.3 490 19 RZ10 72 254 0.0554 0.0035 0.4834 0.0266 0.0635 0.0012 428 143 400 18.2 397 7 RZ11 105 390 0.0540 0.0028 0.4733 0.0236 0.0627 0.0012 369 117 393 16.2 392 7 RZ12 62 206 0.0596 0.0040 0.5270 0.0339 0.0635 0.0014 587 146 430 22.5 397 8 RZ13 20.6 94.6 0.0585 0.0087 0.5095 0.0651 0.0660 0.0030 546 328 418 43.8 412 18 RZ14 18.7 95.9 0.0569 0.0057 0.4662 0.0429 0.0603 0.0019 487 219 389 29.7 378 12 RZ15 20.3 69.7 0.0586 0.0087 0.5405 0.0709 0.0705 0.0038 550 332 439 46.8 439 23 RZ16 26.6 98.3 0.0589 0.0053 0.5595 0.0402 0.0726 0.0019 565 198 451 26.2 452 11 RZ17 29.6 142 0.0543 0.0047 0.4921 0.0437 0.0653 0.0017 383 198 406 29.8 408 10 RZ18 264 583 0.0571 0.0031 0.5502 0.0288 0.0693 0.0014 494 120.4 445 18.9 432 8 RZ19 24.2 89.4 0.0594 0.0087 0.5225 0.0659 0.0668 0.0026 589 319 427 44.0 417 16 RZ20 19.7 103 0.0562 0.0064 0.4700 0.0484 0.0626 0.0021 461 254 391 33.4 392 13 RZ21 34.3 166 0.0523 0.0033 0.4678 0.0321 0.0628 0.0016 302 144 390 22.2 393 9 RZ22 15.4 82.6 0.0545 0.0053 0.4683 0.0400 0.0624 0.0016 391 216 390 27.7 390 10 RZ23 21.6 76.4 0.0582 0.0062 0.5812 0.0546 0.0751 0.0026 539 233 465 35.1 467 16 RZ24 30.9 101 0.0599 0.0062 0.5171 0.0469 0.0686 0.0021 598 221 423 31.4 427 13 RZ25 14.4 84.0 0.0552 0.0049 0.4752 0.0355 0.0634 0.0020 420 200 395 24.4 396 12 RZ26 40.3 120 0.0568 0.0058 0.4946 0.0418 0.0634 0.0024 483 229 408 28.4 396 15 RZ27 19.1 90.8 0.0568 0.0054 0.4922 0.0445 0.0646 0.0020 483 211 406 30.3 404 12 RZ28 81 306 0.0520 0.0030 0.4936 0.0292 0.0678 0.0013 287 133 407 19.8 423 8 RZ29 33.3 163 0.0566 0.0036 0.5350 0.0344 0.0678 0.0013 476 143 435 22.8 423 8 RZ30 15.6 59.7 0.0651 0.0078 0.4928 0.0414 0.0636 0.0025 776 254 407 28.2 398 15 RZ31 22.4 83.4 0.0553 0.0052 0.4880 0.0405 0.0647 0.0021 433 211 404 27.7 404 13 RZ32 75 233 0.0553 0.0031 0.5042 0.0286 0.0659 0.0014 433 123 415 19.3 411 8 RZ33 85 413 0.0537 0.0035 0.4458 0.0279 0.0595 0.0014 367 145 374 19.6 372 9 RZ34 152 429 0.0545 0.0027 0.5069 0.0266 0.0656 0.0011 391 115 416 17.9 410 6 RZ35 30.2 137 0.0606 0.0063 0.5797 0.0534 0.0731 0.0023 633 226 464 34.3 455 14 表 4 流纹岩(YMQ-TW2)LA-ICP-MS锆石U-Pb测试结果
Table 4 Zircon U-Pb isotopic data analyzed by LA-ICP-MS of rhyolite(YMQ-TW2)
样品号 含量/10-6 同位素比值 年龄/Ma Pb U 207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ 207 Pb/206 Pb 1σ 207Pb/ 235Pb 1σ 206Pb/238U 1σ RZ1 44.25 416.80 0.06101 0.00156 0.54892 0.01393 0.06519 0.00100 639 56 444 9 407 6 RZ2 42.70 406.31 0.05890 0.00188 0.53071 0.01572 0.06514 0.00104 565 66 432 10 407 6 RZ3 25.57 315.19 0.05640 0.00175 0.50368 0.01609 0.06453 0.00065 478 101 414 11 403 4 RZ4 45.45 478.19 0.05937 0.00172 0.53085 0.01634 0.06465 0.00077 589 63 432 11 404 5 RZ5 31.97 313.71 0.05577 0.00144 0.49938 0.01284 0.06492 0.00070 443 57 411 9 406 4 RZ6 67.50 737.76 0.05406 0.00123 0.48456 0.01085 0.06506 0.00076 372 56 401 7 406 5 RZ7 29.52 328.53 0.06069 0.00197 0.54005 0.01604 0.06498 0.00087 628 66 438 11 406 5 RZ8 27.82 335.62 0.05602 0.00125 0.49981 0.01119 0.06482 0.00057 454 18 412 8 405 3 RZ9 79.11 798.53 0.05922 0.00157 0.52682 0.01448 0.06450 0.00069 576 57 430 10 403 4 RZ10 28.25 363.14 0.05264 0.00162 0.46779 0.01397 0.06470 0.00068 322 73 390 10 404 4 RZ11 14.71 141.31 0.05882 0.00221 0.52656 0.01966 0.06525 0.00086 561 81 430 13 408 5 RZ12 34.84 433.07 0.05506 0.00142 0.49172 0.01286 0.06484 0.00099 413 53 406 9 405 6 -
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