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  地质通报  2018, Vol. 37 Issue (4): 589-603  
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李瑞保, 裴先治, 王兴, 陈有炘, 李佐臣, 刘成军, 王盟, 裴磊, 张玉, 颜全治, 彭思钟, 胡晨光. 祁连造山带东段中寒武世深沟组中-基性火山岩锆石U-Pb年龄、地球化学特征及构造环境[J]. 地质通报, 2018, 37(4): 589-603.
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Li R B, Pei X Z, Wang X, Chen Y X, Li Z C, Liu C J, Wang M, Pei L, Zang Y, Yan Q Z, Peng S Z, Hu C Q. Zircon U-Pb dating, geochemical characteristics and tectonic setting of intermediate-basic volcanic rocks from Middle Cambrian Shengou Formation, eastern Qilian orogen[J]. Geological Bulletin of China, 2018, 37(4): 589-603.
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基金项目

中国地质调查局项目《祁连成矿带肃南—大柴旦地区地质矿产调查》(编号:DD20160012)、《青海省循化县道帏地区1:5万I48E002003、I48E003003两幅区域地质矿产调查》(编号:12120114018219)、《青海省共和县曲什那地区1:5万J47E021017、J47E021018、J47E022018三幅区域地质矿产调查》(编号:12120114041201)和国家自然科学基金项目《东昆仑东段晚古生代—早中生代构造演化与造山过程研究》(批准号:41472191)、《东昆仑东段东昆中蛇绿岩年代学及构造属性研究》(批准号:41502191)

作者简介

李瑞保(1982-), 男, 博士, 副教授, 构造地质学专业。E-mail:liruibao0971@163.com

通讯作者

裴先治(1963-), 男, 博士, 教授, 从事构造地质学和区域地质学研究。E-mail:peixzh@263.net

文章历史

收稿日期: 2017-07-07
修订日期: 2018-03-02
祁连造山带东段中寒武世深沟组中-基性火山岩锆石U-Pb年龄、地球化学特征及构造环境
李瑞保1,2 , 裴先治1,2 , 王兴1 , 陈有炘1,2 , 李佐臣1,2 , 刘成军1,2 , 王盟1,2 , 裴磊1 , 张玉1 , 颜全治1 , 彭思钟1 , 胡晨光1     
1. 长安大学地球科学与资源学院, 陕西 西安 710054;
2. 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室, 陕西 西安 710054
摘要: 拉脊山构造带南东端磨沟地区出露一套变安山岩夹片理化变玄武岩组合,其原岩分别为亚碱性拉斑系列安山岩和玄武岩。研究表明,变安山岩锆石U-Pb年龄为503.1±6.6Ma,形成于中寒武世。玄武岩稀土元素总量为93.40×10-6~135.39×10-6,(La/Yb)N值为2.76~3.64,δEu为0.87~1.00,微量元素蛛网图具有不相容元素富集特征,没有明显的Nb、Ta负异常,与板内火山岩特征相似。安山岩稀土元素总量低于玄武岩,而微量元素蛛网图具有富集大离子亲石元素Cs、Rb、Ba等,亏损高场强元素Nb、Ta、Ti等特征。岩石成因研究表明,玄武岩没有经历显著的地壳混染,为软流圈地幔石榴子石+尖晶石二辉橄榄岩低程度部分熔融的产物,而安山岩为地壳部分熔融的产物。构造环境判别表明,深沟组火山岩形成于大陆裂谷环境,表明祁连地块中部的拉脊山构造带南东端可能没有发育成熟的洋盆系统,随后在南祁连洋早古生代俯冲消减过程中以裂谷型岩石圈碎片的方式构造侵位于中祁连地块南缘。
关键词: 祁连造山带    拉脊山构造带    玄武岩    深沟组    大陆裂谷    
Zircon U-Pb dating, geochemical characteristics and tectonic setting of intermediate-basic volcanic rocks from Middle Cambrian Shengou Formation, eastern Qilian orogen
LI Ruibao1,2, PEI Xianzhi1,2, WANG Xing1, CHEN Youxin1,2, LI Zuochen1,2, LIU Chengjun1,2, WANG Meng1,2, PEI Lei1, ZHANG Yu1, YAN Quanzhi1, PENG Sizhong1, HU Chenguang1     
1. School of Earth Science and Resource, Chang'an University, Xi'an 710054, Shaanxi, China;
2. Key Laboratory of Western Mineral Resource and Geological Engineering of Ministry of Education, Xi'an 710054, Shaanxi, China
Abstract: There are andesites intercalated with metabasalts in the Mogou area, southeastern Lajishan mélange. Their protoliths are an-desite and basalt belonging to the sub-alkaline tholeiite series. LA-ICP-MS zircon U-Pb dating of the andesite yielded an age of 503.1±6.6Ma, suggesting Middle Cambrian. ∑REE values of basalt are 93.40×10-6~135.39×10-6, (La/Yb)N=2.76~3.64, and δEu=0.87~1.00. The spider diagram of trace elements shows similar characteristics to OIB or continental rift volcanic rock, with no obviously anomaly of δEu and enrichment of incompatible elements. The andesites have lower REE content than basalt, and the negative Eu anomalies are not obvious.The spider diagram of trace elements of andesites show the enrichment of LILEs (Cs, Rb, Ba) and depletion of HFSE (Nb, Ta, Ti). The genetic analysis suggests that the basalt resulted from low degree partial melting of garnet+spinel lherzolites without obvious crustal contamination, and andesite was derived from partial melting of the crust. Tectonic environment discrimination shows that Shengou Formation was formed in a continental rift environment. These data further indicate that southeastern termination of Lajishan belt might not have had a mature system of ocean basin in the central part of Central Qilian block. With the South Qilian Ocean subdcution in the Early Paleozoic, the Shengou Formation was emplaced on the southern margin of central Qilian block as fragments of continental rift lithosphere.
Key words: Qilian orogen    Lajishan mélange    basalt    Shengou Formation    continental rift    

祁连造山带呈北西西—南东东走向,西端被阿尔金断裂带截切,东端被固原断裂所截[1],东南侧与西秦岭造山带相接[2-4],是中国中央造山带的重要组成部分。祁连山造山带的形成是阿拉善地块、祁连地块及柴达木-东昆仑地块在早古生代汇聚及碰撞造山的结果[5]。前人在祁连造山带早古生代构造演化研究等方面取得了大量的成果[6-20],建立了北祁连造山带新元古代晚期—早古生代的沟-弧-盆体系,明确了洋壳俯冲时限、泥盆纪碰撞造山结束时限等问题。拉脊山构造带位于祁连造山带南部,出露大量寒武纪—奥陶纪中基性火山岩及侵入岩。近年来对该带火山岩进行了颇有成效的研究,然而对火山岩岩石成因、构造属性等仍存在不同的认识,特别是对拉脊山构造带早期构造演化争议较大。部分学者认为,这些火山岩具有板内大陆裂谷火山岩性质[11, 21-26],其地球化学特征表现出的弧环境属性是岩浆遭受地壳或岩石圈地幔组分混染的结果;另一些研究者则认为,拉脊山地区在寒武纪—奥陶纪期间,经历过从大陆裂谷经陆间裂谷和火山弧到造山带的构造演化[25],甚至还发育短暂的小洋盆系统[26];Song等[27]进一步提出,拉脊山火山岩系由525Ma的蛇绿岩和460~442Ma的洋内弧构成,标识了祁连-柴达木消减系的最终缝合位置。王二七等[28]通过对拉脊山及其邻区构造特征的研究认为,拉脊山造山带是一个抬升的构造窗,不是在中祁连构造带基础上发展而成的早古生代大陆裂谷。侯青叶等[29]对拉脊山构造带中基性火山岩进行了Sr-Nd-Pb同位素研究,将其划分为板内洋岛拉斑玄武岩和碱性玄武岩,提出其地幔性质类似于扬子型地幔,而与华北型地幔不同。新近,部分学者将其看作由前寒武纪变质岩、蛇绿岩及弧火山岩构成的复杂的增生混杂岩带[30-32],并与原特提斯洋北向俯冲消减密切相关[19]

上述火山岩研究对象主要集中在拉脊山构造带的中西段,而对于该构造带东端的中基性火山岩研究较少。本次工作在青海省循化县磨沟—大墩峡地区原划的古元古代化隆岩群(Pt1H)变质地层中识别出一套低级变质的中基性火山岩组合,其精确的形成年龄及构造环境判别对于解决拉脊山构造带的东延及其构造属性,以及祁连造山带早期构造演化具有重要的理论意义。为此,笔者通过对拉脊山构造带东端深沟组(∈2s)火山岩详细的岩石学、锆石U-Pb同位素测年及岩石地球化学研究,为拉脊山构造带火山岩的岩石成因和构造属性提供新的证据。

1 区域地质概况

祁连造山带属于中央造山系的重要组成部分,北临阿拉善地块,南接柴达木地块(图 1-a),其西被阿尔金走滑断裂所截与塔里木陆块毗邻,向东与华北克拉通相接。传统上,祁连造山带由北向南可划分为北祁连造山带、中祁连地块、南祁连构造带及柴北缘构造带(图 1-b) [11],其中在中祁连陆块和南祁连构造带交接处的日月山、民和官亭一带,发育一条早古生代大陆裂谷带[11]或早古生代增生混杂岩带[19, 30]。研究区位于拉脊山构造带东侧、化隆微地块及西秦岭北缘构造带的交接转换处(图 1-bc)。西秦岭北缘构造带以大面积分布下三叠统隆务河组为特征,并被印支期花岗岩侵位。化隆微地块以大面积分布新生代地层和古元古代化隆岩群为特征,并有早古生代基性杂岩体侵入,该带具有较好的铜镍成矿地质条件及找矿潜力[33-35]。化隆岩群主要为一套片麻岩、片岩、斜长角闪片岩组合,近年来越来越多的锆石U-Pb年龄表明,化隆岩群原岩形成时代很可能为新元古代而非古元古代,是一套与Rodinia超大陆裂解相关的地质记录[19, 36-38]

图 1 研究区地质简图(a)、区域构造简图(b)及研究区地质图(c) Fig.1 Geological map of China (a), regional tectonic map (b) and detailed geological map of the study area (c) in eastern Qilian orogen 1—第四系;2—新近系临夏组;3—下白垩统河口组二段;4—下白垩统河口组一段;5—上寒武统六道沟组;6—中寒武统深沟组;7—古元古界化隆岩群;8—积石山石英闪长岩;9—积石山闪长岩;10—积石山辉长闪长岩;11—闪长岩脉;12—断层;13—角度不整合接触;14—变质地层(沉积地层)产状;15—采样位置;16—实测剖面位置

拉脊山构造带是祁连山造山系中的一条近北东向展布的构造带,全长超过200km,宽10~30km,两侧被断裂所限。拉脊山构造带南、北两侧分别发育前寒武纪变质岩系。该构造带内部发育早古生代火山岩地层、蛇绿岩套及加里东期斜长花岗岩、石英闪长岩和花岗闪长岩及晚志留世—早泥盆世沉积地层。王涛等[39]在晚志留世—早泥盆世沉积地层砂岩中获得最小锆石U-Pb年龄为413Ma,认为拉脊山混杂带中的岛弧火山岩和加里东期岩浆岩为其主要的沉积物源。该构造带在平安县南侧拉脊山口一带主要出露橄榄岩、辉石岩、蛇纹岩、辉长岩、辉绿岩、玄武岩、硅质岩等,呈现构造混杂岩特征[30],并获得辉绿岩块的锆石U-Pb年龄为491Ma[31]

本次工作在详细的1:50000地质填图基础上,在甘肃-青海交界处的磨沟—大墩峡地区,从原划的化隆岩群变质地层中填绘出一套低级变质的中基性火山岩组合(图 1-c)。该套火山岩主要为深灰色变安山岩夹少量灰黑色片理化变玄武岩。由于受后期构造与变质作用影响,两种岩性呈平行接触关系,整体南倾,倾角为42°~65°。在磨沟地区,其顶部与化隆岩群(Pt1H)呈断层接触,底部与河口组(Kh)呈断层接触关系或角度不整合接触关系。在大墩峡地区,与上覆六道沟组(∈3l)呈整合接触关系(图 1-c图 2)。经区域地层对比,该套火山岩岩石组合特征与中寒武统深沟组相似,因此将该套火山岩归属于中寒武统深沟组(∈2s)。

图 2 祁连造山带东段深沟组实测地质剖面 Fig.2 Measured geological section of Shengou Formation in eastern Qilian orogen Pt1H—化隆岩群;Kh—河口组;∈2s—深沟组
2 岩相学特征

变斑状玄武岩:新鲜面颜色为深灰绿色,变余斑状结构,弱片理化构造(图 3-a)。斑晶为斜长石(5%~10%),近半自形晶,大小为0.5~1mm。基质为斜长石、阳起石、黑云母。其中,斜长石(50%~55%)呈他形粒状,大小为0.01~0.03mm,定向分布,局部被绢云母交代(图 3-c);阳起石(35%~40%)呈纤柱状,大小为0.01~0.1mm,定向分布;黑云母(1%~2%)呈片状,直径一般为0.1~0.3mm,定向分布,局部被绿泥石交代。

图 3 变玄武岩与变安山岩宏观与显微特征 Fig.3 Field outcrop and microscopic characteristics of meta-basalt and meta-andesite a—变玄武岩手标本照片;b—变安山岩手标本照片;c—变玄武岩镜下照片;d—变安山岩镜下照片

变安山岩:新鲜面颜色为灰色-灰绿色,变余斑状结构,弱片理化构造(图 3-b)。斑晶主要为斜长石(约5%),近半自形板状,大小一般为0.5~1mm,部分1~1.5mm,定向分布(图 3-d);基质为斜长石(70%~75%)、石英(约5%),粒径为0.02~0.05mm,弱定向分布。

3 测试方法

本次样品(PM603-27TW1)采自循化县清水乡水磨沟,采样点地理坐标为:北纬35°48′9″、东经102°38′36″。对所采岩石样品采用常规方法粉碎至0.180~0.154mm(80~100目),并通过磁选法和重液法将锆石分离出来,再在双目镜下挑选出晶形和透明度较好的锆石颗粒制作样品靶。先将锆石颗粒粘在双面胶上,然后用无色透明的环氧树脂固定,等环氧树脂充分固化后,再对其表面进行抛光至锆石内部暴露,然后对锆石进行显微照相、阴极发光(CL)图像研究及LA-ICP-MS分析。阴极发光照相在北京锆年领航科技有限公司的扫描电镜加载阴极发光仪上完成,用于锆石形态和内部结构研究。锆石U-Pb分析测试在天津地质矿产研究所完成。采用激光烧蚀多接收器等离子体质谱仪(LA-MC-CPMS)进行微区原位分析,分析仪器为GeoLas200M型激光剥蚀系统和Elan6100DRC型四级杆质谱仪,配有193nmA Rf-excimer准分子激光器。采用人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NIST610进行仪器最佳化,采用GJ-1作为外部锆石年龄标准进行同位素分馏校正,采用标准锆石91500作为外标,每8个分析点插入1次标样测定,以确保标样和样品的仪器条件完全一致。在所测锆石样品分析前后各测1次NIST610,以29Si作为内标元素进行校正。采用中国地质大学(武汉)刘勇胜博士研发的ICPMSDataCal程序[40]进行数据处理,采用208Pb校正法对普通铅进行校正,年龄计算及谐和谱图绘制采用Isoplot[41]程序。具体实验方法参见李怀坤等[42]

全岩主量元素测试采用XRF法,在长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室完成,测定流程包括烧失量的计算和玻璃融熔制样:①计算烧失量:将坩锅在烘箱内150℃干燥3h后,称其重量W1,加入约1g样品,称样品重量W2;然后放入900℃的马弗炉中8h,降温后放入干燥器静置20min,随后称重得W3。通过公式LOI= (W1+ W2-W3) /W2计算出样品的烧失量(LOI);②玻璃融熔法制样:主量元素测定时首先称取样品0.50g,以无水四硼酸锂和硝酸铵为氧化剂,倒入铂金坩锅中,再加入适量溴化锂,在1200℃左右振荡熔融制成玻璃薄片,使用X射线荧光光谱仪测定。全岩稀土和微量元素分析在长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室完成,采用Thermo-X7电感耦合等离子体质谱仪,分析精度和准确度优于10%。将200目以下样品(500mg)置于PTFE坩锅,加入添加剂(1.0ml高纯HF和1.5ml高纯HNO3),按照标准测试程序,反复添加、加热、冷却后,最后在离心管中稀释到50ml;将所得溶液在电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)上完成测定。

4 岩石地球化学特征 4.1 主量元素

测试数据列于表 1。玄武岩SiO2含量为46.19%~49.62%,平均为48.35%;Na2O含量为2.27%~5.00%;K2O含量为0.14%~0.72%;TiO2含量为2.19%~2.81%,平均为2.51%,高于N-MORB[43](亏损型洋中脊玄武岩,TiO2=1.15%);Al2O3含量为14.08%~16.33%,平均为15.31%,较高;TFe2O3含量为12.81%~14.32%,平均为13.67%;MgO含量为5.62%~7.00%,平均为6.29%,Mg#值为43~48,低于典型MORB(洋中脊玄武岩)的Mg#值(60) [44]。TFe2O3/MgO值较高,为1.94~2.38。在Nb/Y-Zr/TiO2*0.0001图解(图 4-a)中,样品点均落入玄武岩区;在SiO2-(Na2O+K2O)图解(4-b)和TFe2O3-(Na2O+K2O)-MgO图解(图 4-c)中,样品点主体落入亚碱性、拉斑玄武岩区域。

表 1 深沟组变玄武岩与变安山岩主量、微量和稀土元素分析结果 Table 1 Major, trace and rare earth elements concentrations of meta-basalt and meta-andesite in Shengou Formation
图 4 深沟组中基性火山岩岩石分类图解 Fig.4 Rock classification diagram for intermediate-basic volcanic rock of Shengou Formation

安山岩SiO2含量为57.00%~60.21%,平均为58.45%;Na2O含量为2.30%~7.22%;K2O含量为0.27%~1.8%;TiO2含量为0.39%~0.60%,平均为0.49%;Al2O3含量为17.01%~18.46%,平均为17.64%;TFe2O3含量为7.75%~10.06%,平均为8.79%;MgO含量为2.25%~4.84%,平均为3.74%;Mg#值为33~49。在Nb/Y-Zr/TiO2*0.0001图解(图 4-a)中,样品点均落入安山岩-玄武岩区;在SiO2-(Na2O+ K2O)图解(4-b)和TFe2O3-(Na2O+K2O)-MgO图解(图 4-c)中,样品点均落入亚碱性、钙碱性区域。

4.2 微量元素

变玄武岩稀土元素总量∑REE为93.40××10-6~135.39×10-6,平均为113.05×10-6。∑LREE/ ∑ HREE值为5.18~6.17,(La/Yb)N值为2.76~3.64,(La/Sm)N值为1.53~1.76,Eu异常不明显(δEu为0.87~1.00,平均为0.92),表明岩浆在演化过程中斜长石分离结晶作用不明显。在球粒陨石标准化稀样品土元素配分曲线上,表现出轻稀土元素富集右倾特征(图 5-a),与世界上典型的板内玄武岩和大陆溢流玄武岩稀土元素配分模式相似[43]。在微量元素原始地幔标准化蛛网图(图 5-b)上,表现出不相容元素富集特征,仅显示弱的Sr亏损特征,亦与板内洋岛玄武岩或大陆裂谷玄武岩特征相似。

图 5 深沟组中基性火山岩稀土元素配分图解(a)及微量元素蛛网图解(b) (OIB、E-MORB标准值据参考文献[45]) Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns(a) and primitive mantle-normalized trace element spridergram(b) for intermediate-basic volcanic rock of Shengou Formation OIB—洋岛玄武岩;E-MORB—富集型洋中脊玄武岩

变安山岩稀土元素总量∑REE为20.52×10-6~37.83×10-6,平均为34.3×10-6。∑LREE/∑HREE值为4.04~4.85,(La/Yb)N值为1.52~2.37,(La/Sm)N值为1.35~1.66,Eu异常不明显(δEu为0.80~1.02,平均为0.94)。在球粒陨石标准化稀土元素配分曲线上,表现出轻稀土元素富集特征(图 5-a)。在微量元素原始地幔标准化蛛网图上,表现出富集大离子亲石元素(Cs、Rb、Ba等),亏损高场强元素(Nb、Ta、Ti等)特征,具有弧火山岩或地壳起源岩石的地球化学特征。

5 锆石U-Pb年龄

测试数据列于表 2。锆石测年样品(PM603-27TW1)采自祁连造山带东段深沟组变安山岩。锆石呈长柱-短柱状,部分锆石边部发育不同程度溶蚀凹坑(图 6)。锆石粒径多在50~100μm之间,长宽比介于1~2之间。锆石阴极发光图像显示,多数具有清晰的生长韵律环带,反映锆石主要为岩浆成因锆石。同时,锆石边部发育不同程度的暗色增生边,可能为变安山岩后期经历变质作用的产物。本次变安山岩样品共测得35个锆石U-Pb同位素年龄,除去其中8个谐和度小于90%的年龄外,其余27个年龄在207Pb/235U-206Pb/238U谐和图上表现出较好的谐和性(图 7)。其中,样品点31年龄结果偏小(242Ma),可能是后期岩浆岩侵入所致。其余26个分析点的年龄加权平均值为503.1±6.6Ma(MSWD=2.6)。结合锆石阴极发光图像,该年龄代表深沟组火山岩的结晶年龄,表明该套火山岩形成于中寒武世。

表 2 深沟组变安山岩(PM603-27TW1) LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb同位素测试结果 Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb data of the meta-andesite in Shengou Formation (PM603-27TW1)
图 6 深沟组变安山岩锆石阴极发光(CL)图像 Fig.6 CL images of zircons in meta-andesites from Shengou Formation
图 7 变安山岩锆石U-Pb年龄谐和图(a)和年龄加权平均值图(b) Fig.7 U-Pb concordia diagram(a) and weighted age diagram(b) of meta-andesite
6 讨论 6.1 岩石成因

深沟组变玄武岩La/Ta值为15.70~19.82 (<25),La/Sm值为2.43~2.79(<5),(Th/Ta)PM值为0.66~1.06,平均为0.87,(La/Nb)PM值为0.81~0.99,平均为0.89,主体上均小于1,暗示其没有受到明显的地壳混染[46]。MgO含量介于5.62%~7.00%之间,平均为6.29%,Mg#值为43~48,低于N-MORB参考值(60),说明其岩浆不是原始岩浆,经历了一定程度的分离结晶作用。在以MgO为横坐标的哈克图解(图 8)中,Cr、Ni、CaO/Al2O3与MgO呈明显的正相关性,暗示该岩浆在形成过程中发生橄榄石和单斜辉石的分离结晶[47-51]。TiO2、P2O5与MgO呈明显的负相关关系,暗示岩浆发生磷灰石及钛氧化物的分离结晶作用。Eu负异常不明显,说明斜长石不是主要的分离结晶相。

图 8 深沟组中基性火山岩哈克图解 Fig.8 Harker diagrams for intermediate-basic volcanic rock in Shengou Formation

此外,深沟组变玄武岩表现出轻稀土元素略富集的特征。(La/Sm)N值为1.53~1.76,(La/Yb)N值为2.76~3.64,具弱的负Eu异常(Eu*=0.87~0.99)。其稀土元素配分特征与板内玄武岩类似。在原始地幔标准化蛛网图(图 5-b)上,表现为LILE (大离子亲石元素)富集,没有明显的Nb、Ta、Ti亏损,反映其原区与OIB (洋岛玄武岩)相似。La/Nb值为0.8~1.0 (<2.5),La/Ta值为15.7~19.8(<30),表明其源区起源于软流圈地幔而不是岩石圈地幔。变玄武岩具有较高的Th/Nb和Nb/Yb值,在Nb/Yb-Th/Nb图解(图 9-a)和Ta/Yb-Th/Yb图解(图 9-b)中,样品点落入E-MORB区域附近,表明其地幔源区为弱富集地幔。在Zr/Nb-La/Yb图解(图 10-a) [52]中,玄武岩样品点靠近石榴石二辉橄榄岩熔融曲线;在Sm-Sm/Yb图解(图 10-b) [53]中,样品点全部落入石榴子石+尖晶石二辉橄榄岩熔融曲线,并估算其熔融程度为5%~10%。

图 9 变玄武岩Nb/Yb-Th/Nb图解(a)和Ta/Yb-Th/Yb图解(b) Fig.9 Nb/Yb-Th/Nb diagram (a) and Ta/Yb-Th/Yb diagram (b) of meta-basalt N-MORB—亏损型洋中脊玄武岩;E-MORB—富集型洋中脊玄武岩;OIB—洋岛玄武岩
图 10 变玄武岩Zr/Nb-La/Yb源区判别图解(a)和Sm-Sm/Yb图解(b) Fig.10 Zr/Nb-La/Yb (a) and Sm-Sm/Yb (b) diagrams for meta-basalt MORB—洋中脊玄武岩;N-MORB—亏损型洋中脊玄武岩;E-MORB—富集型洋中脊玄武岩;OIB—洋岛玄武岩;PM—原始地幔;DM—亏损地幔

对于深沟组中性岩石(变安山岩)的成因通常有2种解释,即基性岩浆分离结晶成因和地壳物质部分熔融成因。基性岩浆分离结晶作用指多种岩性具有共同的幔源母岩浆,在分离结晶过程中没有明显的幔源物质加入[54-55],2个端元具有相似的微量元素分布特征[56],且基性岩比例较大。地壳物质部分熔融指幔源岩浆底侵到壳幔部位,导致下地壳升温熔融产生中性岩浆[57-58],中性岩比例比基性岩要大的多。详细的地质填图表明,深沟组主要为一套变安山岩夹少量变玄武岩组合,基性岩比例较少。在地球化学方面,基性岩稀土元素总量比安山岩还高,亦不存在明显的负Eu异常,说明其形成过程不可能由分离结晶作用主导。因此,笔者推断,深沟组安山岩很可能是地壳部分熔融的产物。另外,在微量元素原始地幔标准化蛛网图上,表现出富集大离子亲石元素(Cs、Rb、Ba)、亏损高场强元素(Nb、Ta、Ti等)的特征,与地壳起源岩石的特征吻合。

6.2 构造环境及地质意义

拉脊山构造带发育大量的早古生代中基性火山岩,前人对该地区火山岩的构造属性认识分歧较大。部分学者主张其形成于大陆裂谷环境[11, 21-23];也有研究者认为,其是一套蛇绿岩组合,代表曾经发育有限小洋盆[19, 26, 31, 59-60]

由于中酸性火山岩地球化学特征主要受控于壳源性质,并非成岩环境,因此本文主要通过变玄武岩的地球化学特征确定其形成环境。研究区变玄武岩具有富钠贫钾(Na2O>K2O)和低Mg(MgO含量5.62%~7.00%)的特点,表明其属于拉斑玄武岩系列。在球粒陨石标准化稀土元素配分曲线(图 5-a)中,整体表现出轻稀土元素富集特征。在原始地幔标准化蛛网图(图 5-b)中,变玄武岩无明显的Nb、Ta、Zr、Hf负异常,与板内大陆裂谷玄武岩特征相似。深沟组变玄武岩Ta/Hf值为0.15~0.20,平均为0.18(>0.1),Th/Ta值为1.37~2.20,平均为1.81 (>1.6),Nb/Zr值为0.08~0.09,平均为0.09(>0.04),Zr/Y值为5.40~6.42,平均为5.74(>4),在Zr-Zr/Y图解与Ti/100-Zr-Y*3图解(图 11-ab)中,样品点均落入板内玄武岩区域,在Tb*3-Th-Ta*2图解(图 11-c)中,样品点落入大陆拉斑玄武岩区域。在Ta/Hf-Th/Hf图解(图 11-d)中,样品点均落入陆内裂谷及陆缘裂谷拉斑玄武岩区域。综上,笔者认为,深沟组变中基性火山岩应形成于陆内裂谷伸展环境。

图 11 变玄武岩Zr/Y-Zr(a)、Ti/100-Zr-Y*3(b)、Tb*3-Th-Ta*2(c)、Th/Hf-Ta/Hf(d)判别图解 Fig.11 Zr/Y-Zr (a), Ti/100-Zr-Y*3 (b), Tb*3-Th-Ta*2 (c) and Th/Hf-Ta/Hf (d) discrimination diagrams of tectonic setting for meta-basalt N-MORB—亏损型洋中脊玄武岩;E-MORB—富集型洋中脊玄武岩;T-MORB—过渡型洋中脊玄武岩;Ⅰ—板块发散边缘N-MORB;Ⅱ1—大洋岛弧玄武岩区;Ⅱ2—陆缘岛弧及陆缘火山弧玄武岩区;Ⅲ—大洋板内洋岛、海山玄武岩区及T-MORB、E-MORB区;Ⅳ1—陆内裂谷及陆缘裂谷拉斑玄武岩;Ⅳ2—陆内裂谷碱性玄武岩区;Ⅳ3—大陆拉张带玄武岩区;Ⅴ—地幔热柱玄武岩区

中寒武世深沟组(∈2s)中基性火山岩的厘定为区域上拉脊山构造带的东延提供了直接的物质证据,表明该构造带向东南延入青海-甘肃交界处的磨沟—大墩峡一带。此外,该地区深沟组变玄武岩表现出大陆裂谷的性质,且其受地壳混染较弱,表明其上覆地壳较薄,陆壳对基性岩浆没有明显贡献。结合该套火山岩年龄为503.1±6.6Ma,说明在该时期中祁连地块处于拉张裂解背景。结合区域地质资料认为[16, 61-62],早中寒武世以来,在南祁连洋向北俯冲消减、板片回转的地球动力学背景下,中祁连地块可能受到软流圈地幔上涌并引起祁连地块拉张裂解[11],从而形成拉脊山构造带中西段的蛇绿岩组合[31]及其东端的裂谷型中基性火山岩,也表明整个拉脊山构造带拉张裂解程度可能不一。在随后南祁连洋持续向北俯冲增生过程中,南祁连洋部分洋壳岩块及洋岛/海山岩块逐一向北拼贴于中祁连地块[19, 31],形成强烈的构造混杂作用及构造混杂岩带[32]。由于南祁连洋北向持续俯冲导致拉脊山大陆裂谷关闭。研究表明[16, 63-68],柴北缘高压-超高压变质带的峰期高压变质作用年龄为476~442Ma,也就是说位于祁连地块之南的原特提斯分支洋盆(南祁连洋)在早志留世晚期(约440Ma)已经关闭[11]。随后祁连造山带转入陆(弧)陆碰撞造山阶段,拉脊山裂谷火山岩随着祁连造山带的主体碰撞造山,以裂谷型岩石圈碎片的方式构造就位于中祁连地块南缘。早泥盆世(418~400Ma)祁连造山带主体构造格架基本形成,柴北缘高压-超高压变质岩石发生构造折返[69-70]

7 结论

(1) 深沟组主要为一套变安山岩夹少量变玄武岩组合,其中变安山岩的锆石U-Pb年龄为503Ma,表明其形成时代为中寒武世。

(2) 地球化学结果表明,深沟组变玄武岩富集轻稀土元素和不相容元素,未见明显的Nb、Ta、Ti亏损,与板内玄武岩特征相似。岩石成因研究表明,玄武岩为石榴子石+尖晶石二辉橄榄岩低程度部分熔融的产物,而安山岩为地壳岩石部分熔融的产物。

(3) 构造环境判别表明,深沟组形成于大陆裂谷环境,表明祁连地块中部的拉脊山构造带南东端可能没有发育成熟的洋盆系统,随后在南祁连洋早古生代俯冲消减过程中以裂谷型岩石圈碎片的方式构造侵位于中祁连地块南缘。

致谢: 参加野外工作的还有长安大学许生武、高峰、李宗耀硕士等,审稿专家为本文的修改完善提出了建设性的意见与建议,在此一并致谢。

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