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  地质通报  2018, Vol. 37 Issue (4): 655-668  
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赵江林, 曾忠诚, 陈宁, 李琦, 张若愚, 王星, 杜彪, 袁璋. 阿尔金南缘玉苏普阿勒克塔格北侧冰沟南组变质火山岩地球化学特征及其地质意义[J]. 地质通报, 2018, 37(4): 655-668.
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Zhao J L, Zeng Z C, Chen N, Li Q, Zhang R Y, Wang X, Du B, Yuan Z. Geochemical characteristics and geological signifi-cance of Binggounan Formation meta-volcanic rocks on the northern side of Yusupualeketage at the southern edge of the Al-tun Mountains[J]. Geological Bulletin of China, 2018, 37(4): 655-668.
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基金项目

中国地质调查局项目《新疆阿尔金地区1:5万J45E010020等六幅区域地质矿产调查》(编号:12120114081901)

作者简介

赵江林(1991-), 男, 本科, 工程师, 从事区域地质调查工作。E-mail:897949385@qq.com

通讯作者

曾忠诚(1983-), 男, 硕士, 高级工程师, 从事区域地质调查及构造地质学方面的研究。E-mail:113191186@qq.com

文章历史

收稿日期: 2017-07-07
修订日期: 2018-03-07
阿尔金南缘玉苏普阿勒克塔格北侧冰沟南组变质火山岩地球化学特征及其地质意义
赵江林 , 曾忠诚 , 陈宁 , 李琦 , 张若愚 , 王星 , 杜彪 , 袁璋     
陕西省地质调查中心, 陕西 西安 710068
摘要: 阿尔金南缘玉苏普阿勒克塔格北侧青白口系冰沟南组变质火山岩为一套与滨浅海相细粒陆源碎屑岩和碳酸盐岩共生的基性火山岩,主要岩性为蚀变玄武安山岩和安山质凝灰熔岩。岩石地球化学结果显示,SiO2含量在48.28%~51.98%之间,平均为50.31%,富碱、低钛,里特曼指数δ为0.33~2.30,铝饱和指数A/CNK为0.45~0.88,属于低钾(拉斑)系列。Mg#值介于40.46~56.28之间,平均值为50.12,表明基性火山岩岩浆经历了较弱程度的结晶分异作用。稀土元素弱富集、弱负Eu异常,呈右倾型。大离子亲石元素Rb、Ba、K、Sr亏损,高场强元素P、Ti、Nb、Hf亏损,强不相容元素Th、U富集,为强不相容富集型。岩石微量与稀土元素具有板内玄武岩的特征。根据构造环境判别系列图解综合分析认为,基性火山岩形成于板内裂谷环境。结合区域地质背景,研究区古元古代古大陆的裂解从长城纪一直持续到青白口纪早期,形成基性火山岩,从青白口纪中晚期开始转为罗迪尼亚超大陆的挤压汇聚阶段。
关键词: 冰沟南组    变质火山岩    地球化学    板内裂解    阿尔金南缘    
Geochemical characteristics and geological signifi-cance of Binggounan Formation meta-volcanic rocks on the northern side of Yusupualeketage at the southern edge of the Al-tun Mountains
ZHAO Jianglin, ZENG Zhongcheng, CHEN Ning, LI Qi, ZHANG Ruoyu, WANG Xing, DU Biao, YUAN Zhang     
Shaanxi Center of Geological Survey, Xi'an 710068, Shaanxi, China
Abstract: The Binggounan Formation volcanic rocks on the northern side of Yusupualeketage at the southern edge of the Altun Mountains are a suite of basic volcanic rocks associated with littoral neritic facies terrigenous clastic rocks and carbonate rock. The gneiss rocks are composed mainly of basalt-andesite and andesitic tuff lava. Geochemical analysis shows that the SiO2 content of the rocks is between 48.28% and 51.98% with an average of 50.31%. The rocks have rich alkal and low titanium. The Rittman index(δ) is 0.33~2.30 and the aluminum saturation index(A/CNK) is 0.45~0.88, suggesting calc-alkaline series.The value of Mg# is between 40.46 and 56.28, with an average of 50.12. It is shown that the basic volcanic rocks experienced higher crystallization differentiation, suggesting a weaker right-inclined LREE enrichment type. Eu anomaly is not obvious, and δEu is between 0.81 and 1.17. Lithophile elements Rb, Ba, K, Sr and high field strength elements P, Ti, Nb, Hf are depleted, and incompatible elements Th, U are enriched, implying incompatible enrichment type. The trace elements and rare earth elements have the characteristics of intraplate basalt. Ac-cording to the tectonic environment discrimination series diagram and the comprehensive analysis, the basic volcanic rocks were formed in an inner-plate rift environment. The regional plate breakup of the Paleoproterozoic continent occurred from Changcheng period to the early Qingbaikou period, forming basic volcanic rocks. In the late Qingbaikou period, the evolution began to turn to the Rodinia supercontinent squeeze convergence stage.
Key words: Binggounan Formation    meta-volcanic rocks    intraplate breakup    geochemistry    southern margin of Altun Mountains    

阿尔金造山带位于青藏高原北缘,地处塔里木板块、柴达木微板块及祁连-昆仑造山带之间,是早古生代古板块(或地块)之间相互俯冲-碰撞形成的复杂构造带,在中、新生代又被走滑断裂切断,是由不同时期、不同构造层次和形成于不同构造环境的地质体组成的复合造山带[1-8]。阿尔金造山带自北向南可划分为阿北变质地体、红柳沟-拉配泉构造混杂岩带、阿中地块、南阿尔金超高压变质岩带和阿南蛇绿构造混杂岩带5个构造单元[4, 9]图 1-a)。

图 1 阿尔金造山带地质构造图(a)及研究区地质简图(b) Fig.1 Geological and tectonic map of Altun orogenic belt(a) and geological sketch map of the study area(b) TRB―塔里木盆地;QL―祁连山;QDB―柴达木盆地;WKL―西昆仑;EKL―东昆仑;HMLY―喜马拉雅山;INP―印度板块;Ⅰ ―阿北变质地块;Ⅱ―红柳沟-拉配泉混杂岩带;Ⅲ―阿中地块;Ⅳ―南阿尔金超高压变质岩带;Ⅴ―阿南蛇绿构造混杂岩带;Q―第四系;N2y―新近系油砂山组;J1-2dm―侏罗系大煤沟组;QMym―奥陶系茫崖蛇绿混杂岩;Qbb―青白口系索尔库里群冰沟南组;Qbp―青白口系索尔库里群平洼沟组;Pt1.A―古元古界阿尔金岩群;Q-S―玉苏普阿勒塔格岩体;O2-3―帕夏拉依档岩体;ggQbY―亚干布阳片麻岩;ggQbG―盖里克片麻岩;1―超基性岩块体;2―玄武岩块体;3―辉长岩脉;4―斜长角闪岩;5―区域大断裂;6―韧性剪切带;7―断层;8―不整合界限;9―采样地点;10―实测剖面位置

近年来,南阿尔金地区因其特殊的构造位置成为地质学家关注的热点,但是研究主要集中在高压-超高压变质作用[10-24]、蛇绿岩[25-27]及花岗岩[28-33]方面,为阿尔金南缘南华纪—早古生代洋-陆转换阶段的构造演化提供了大量的地质资料,而该阶段之前的相关地质资料甚少。2000年国土资源大调查时期开展的1:25万区域地质调查项目,发现青白口系索尔库里群中存在火山岩与碳酸盐岩共生的沉积建造,但是对火山岩的环境有不同的认识:李江等在开展“1:25万阿尔金山福、瓦石峡幅区域地质调查”项目时,在平洼沟组中发现与碳酸盐岩共生的透闪石化中基性火山岩、变质火山碎屑岩,在小泉达坂组中发现透闪石化黑云母角岩(原岩为安山质沉凝灰岩),均显示其形成于岛弧环境,但是在长沙沟构造混杂岩中采集的火山岩样品显示,包含洋中脊、岛弧、板内稳定区等复杂的构造环境,可能是构造混杂岩带中不同成因(亦或不同形成时代)的火山岩受构造作用发生了混杂拼叠作用造成的;王永和等在开展“1:25万苏吾什杰幅区域地质调查”项目时,同样在冰沟南组中发现与其共生的基性火山岩和同沉积辉长辉绿岩,认为其形成于大陆裂谷环境

鉴于此,笔者在1:5万J45E010020等六幅区域地质矿产调查过程中,发现一套与碳酸盐岩共生的变质火山岩。在详细的野外地质调查基础上,对该变质火山岩从岩石学、地球化学方面进行研究,探讨其形成环境及地质意义,为阿尔金南缘地区新元古代的构造演化提供新资料。

1 区域地质概况

研究区大地构造位置位于阿尔金造山带,以阿尔金南缘主断裂为界,进一步划分为阿中地块、南阿尔金超高压变质岩带和阿南蛇绿构造混杂岩带2个二级构造单元(图 1-a)。

阿中地块出露地层主要为古元古界阿尔金岩群和青白口系索尔库里群,其中阿尔金岩群属变质结晶基底,为一套浅海相碎屑岩-火山岩-碳酸盐岩建造,索尔库里群为陆块边缘裂陷海盆碎屑岩-火山岩-碳酸盐岩建造[25]。阿南蛇绿构造混杂岩带主要由奥陶纪蛇绿岩、蛇绿岩上覆岩系、外来岩片等构造块体和变形基质两部分组成,块体有蛇纹石化橄榄岩、辉长岩、玄武岩、硅质岩、黑云斜长片麻岩、石英片岩、白云质大理岩、砂岩、含砾砂岩等,基质主要由构造片岩、强劈化糜棱岩化细砂岩、板岩、凝灰岩等组成。中—新生代沉积盆地上叠于阿中地块和阿南蛇绿构造混杂岩带之上,自下而上可分为中生代侏罗纪、新生代新近纪和第四纪3个时期不同类型的盆地沉积建造,沉积地层分别为侏罗系大煤沟组、新近系油砂山组和第四系。研究区侵入岩主要有新元古代中酸性变质古侵入岩、早—晚古生代基性-中酸性侵入岩及中—新生代酸性侵入岩岩体(图 1-b)。

区域上,青白口系索尔库里群呈下部以碎屑岩为主夹碳酸盐岩、中部以碳酸盐岩为主夹碎屑岩、上部以碎屑岩为主的地层序列。自下而上可分为乱石山组、冰沟南组、平洼沟组、小泉达坂组。研究区青白口系索尔库里群主要出露于阿中地块新元古代隆起带,位于阿亥买特·科希-帕夏拉依档沟脑一带,呈东西向带状分布、向北突出的透镜状,出露面积约314.41km2,其下与阿尔金岩群呈断层接触,其上与茫崖蛇绿构造混杂岩呈断层接触(图 1中AA’、图 2),实测剖面位于调查区西北部阿亥买特·科希西侧大沟,剖面起点坐标为北纬38°21′56″、东经88°54′31″。根据野外岩石组合特征,结合1:25万苏吾什杰幅地质调查报告,调查区仅出露冰沟南组和平洼沟组2个单元,现将其岩相学特征详细描述如下。

图 2 索尔库里群实测地质剖面 Fig.2 Measured geological section of Suorkuli Group 1―灰岩;2―硅质条带灰岩;3―鲕粒灰岩;4―含叠层石灰岩;5―含炭泥质粉砂岩;6―含钙泥质粉砂岩;7―变玄武-安山质火山岩;8―黑云斜长片麻岩;9―蚀变辉长岩;10―绢云石英千枚岩;11―含白云质角砾灰岩;12―碎裂岩化白云岩化微晶灰岩;13―含炭质灰岩;14―白云质灰岩滑塌岩块;15―白云质灰岩;16―钙质板岩;17―变质砂岩;18―凝灰质绢云母板岩;19―断层破碎带;20―宽缓褶皱;21―奥陶纪茫崖蛇绿混杂岩;22―青白口系索尔库里群冰沟南组;23―青白口系索尔库里群平洼沟组;24―古元古代阿尔金岩群;25―逆冲断层;26―分层界线;27―采样位置

冰沟南组:主要岩石类型为含钙泥质粉砂岩、变质硬绿泥石粉砂岩、变质石英粉砂岩、含钙粉砂质泥岩、钙质泥岩、含炭绢云母板岩、含钙绢云母粉砂质板岩、凝灰质绢云千枚岩、绿泥绢云千枚岩、含炭绢云千枚岩、绿泥钠长千枚岩、绢云石英千枚岩,夹少量玄武岩质安山岩、安山质凝灰熔岩和灰岩。冰沟南组总体变形较强,内部主要表现为强弱变形带构造,强变形带的主要岩性为灰质糜棱岩、糜棱岩化千枚岩、糜棱岩化细碎屑岩、强劈理化灰岩等,表现为顺层走滑剪切为主的韧性剪切带,其中发育样式各异的“A”型剪切褶皱和糜棱片理,总体向南陡倾,以右行走滑为主,自北向南强变形域规模逐渐变小;弱变形带的主要岩性为细晶灰岩、微晶灰岩、粉砂岩等,弱变形域内完好地保留了水下滑塌构造内碎屑沉积特征。

平洼沟组:主要岩石类型为灰岩、白云岩和大理岩,其主要岩石结构、构造有角砾状、块状、纹层状、叠层状、鲕粒状等。该组总体变质变形较弱。据碳酸盐中的叠层石生长方向、弱变形域粒序层理等判断,剖面总体为向南倾斜的复式单斜。

2 岩相学特征

本次研究的变质火山岩主要分布于索尔库里群冰沟南组中下部,厚度为30~300cm,岩石类型主要为安山质凝灰熔岩(图版Ⅰ-a)和蚀变玄武安山岩(图版Ⅰ-b),围岩主要为绡云石英千枚岩,火山岩呈夹层或构造透镜体产出。

图版Ⅰ   PlateⅠ   a.冰沟南组安山质火山熔岩与围岩的宏观特征;b.安山质火山熔岩手标本特征;c.安山质凝灰熔岩显微特征,4×10(+);d.玄武质安山岩显微特征,单偏光4×10(+)。Pl—斜长石;Hb—角闪石;kf—钾长石;ash—火山灰;Qz—石英

安山质凝灰熔岩(图版Ⅰ-c):呈灰色,具斑状结构、凝灰结构。岩石由火山碎屑(35%)和熔岩物质(65%)组成,火山碎屑物与熔岩物质混杂,晶屑与斑晶成分相同。火山碎屑物为晶屑(30%)和火山灰(5%),晶屑为正长石,多呈碎裂状、棱角状、弯曲状,火山灰具绿泥石化,呈条带状具定向分布。熔岩由斑晶(50%)和基质(15%)组成,斑晶为钾长石、斜长石、角闪石,基质为隐晶的硅质,具重结晶多分布于晶屑和斑晶间,部分基质呈流线状。

蚀变玄武安山岩(图版Ⅰ-d):呈灰绿色,具斑状结构,基质具交织结构、细晶脱玻结构,块状构造、杏仁构造。岩石主要由斑晶(45%)、基质(53%)和少量杏仁体(2%)等组成。斑晶主要由斜长石(20%)、角闪石(15%)、辉石(5%)、石英(5%)等组成,斜长石呈半自形板条状,晶体表面较浑浊,双晶不清,次生泥化较强,其次是绢云母化,杂乱分布。角闪石呈半自形柱状,次生纤闪石化、绿泥石化较强,析出铁质,杂乱分布。辉石呈半自形短柱状,次生绿泥石化、绿帘石化较强,具辉石假象,杂乱分布。石英呈不规则粒状,晶体表面较干净,充填在其他矿物粒间。基质由火山玻璃(53%)和极少量磁铁矿组成,火山玻璃呈黑色、褐色,隐晶质,基本上已脱玻化为绿泥石、绿帘石、长英质、碳酸盐化岩等。杏仁体呈椭圆状,由方解石、绿泥石和石英沿气孔充填形成,杂乱分布。岩石蚀变较强。火山玻璃强绿泥石化,暗色矿物绿泥石化、绿帘石化、碳酸盐化等。

3 岩石地球化学特征

本次在冰沟南组变质火山岩中采集了7件样品进行岩石地球化学分析,分析测试工作均在核工业二〇三研究所分析测试中心完成。火山岩如果被方解石等气孔充填或受后期热液蚀变影响,全岩地球化学结果会产生较高的烧失量,为了减少这种影响,本次工作尽量选择新鲜的岩石样品。在进行全岩地球化学分析前需对样品进行仔细清洗和挑选,尽量将气孔中充填的或后期蚀变形成的矿物剔除。在样品PM002/23-1中,Fe2O3 > 0.83 × TiO2 + 1.60,不新鲜,氧化度较高,因此需要进行铁的调整,调整后的FeO为10.23%。尽管如此,还是对分析结果有一定的影响,为此,通过以下2种方式处理。

(1)不新鲜的样品进行铁调整后,对主量元素分析数据去除烧失量,重新换算成100%,再用于地球化学图解分析。

(2) 选择Ti、Zr、Nb、Y、Ta、Hf、P等高场强元素和稀土元素进行岩石分类和成因等讨论,而不采用对蚀变作用较敏感的Rb、Ba、K、Si等活动性元素[34-35]。在Na2O、Th、Cs、Nb等元素与Zr的谐和图(图 3)上均显示出较好的相关性,表明这些元素在岩石后期蚀变作用过程中受影响较小。不活动元素Zr的相关系数(R)大于0.75,认为该元素较稳定[36],此外,计算了Zr与碱质元素Na2O的相关系数为0.79,与Th的相关系数为0.78,与Cs的相关系数为0.62,与Nb的相关系数为0.84,表明后期变质及蚀变作用对样品原始化学组成影响较小。7件样品中主量元素、大离子亲石元素及轻稀土元素含量较稳定,并且稀土、微量元素配分曲线及不同元素比值十分接近,表明蚀变及变质作用对样品原始化学组成的影响不大。

图 3 冰沟南组变质火山岩Zr-Na2O(a)、Zr-Th(b)、Zr-Cs(c)和Zr-Nb(d)谐和图(R为相关系数) Fig.3 Concordant diagrams of Zr-Na2O (a), Zr-Th (b), Zr-Cs (c)and Zr-Nb (d)for the Binggounan Formation meta-volcanic rocks

主量元素采用荷兰帕纳科制造的AxiosX射线光谱仪分析,分析精度(相对标准差)一般小于1%;稀土元素用电感耦合等离子体质谱法(Thermo Fisher Scientific制造的XSERIES2型ICP-MS)分析,微量元素用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)分析,两者的分析精度都优于5%。

3.1 主量元素

冰沟南组变质火山岩主量、稀土及微量元素分析结果及相关参数见表 1。调整后的SiO2含量在48.28%~51.98%之间,平均为50.31%,处在基性火山岩的范围。Al2O3含量为13.29%~16.05%,平均值为14.88%。全碱(K2O+Na2O)含量1.58%~3.62%,其中K2O的平均值为0.27%,Na2O的平均值为2.55%。TiO2含量为1.12%~1.18%,平均值为1.71%;P2O5和MnO的含量较低,平均值分别为0.13%和0.20%。MgO含量为6.45%~8.11%,平均值为7.46%。里特曼指数δ为0.33~2.30。碱度(AR)为1.12~1.36。火山岩的岩浆固结指数SI在1.01~1.64之间,平均值为1.24,SI值很低,造成这种现象的原因可能是由于岩浆分异时,由富镁向贫镁方向演化。

表 1 冰沟南组变质火山岩主量、微量和稀土元素测试结果及相关参数 Table 1 Major, trace and REE analytical results and related parameters of the Binggounan Formation meta-volcanic rock

在Si-[(al+fm)-(c-alk)](图 4-a)和A-C-FM原岩判别图解(图 4-b)中,样品点整体落入基性火山岩及部分沉积灰质岩石区域,表明所采样品为变火山岩样品,与野外及镜下特征吻合。在抗蚀变元素Nb/Y-Zr/TiO2*0.0001岩石分类图(图 4-c)中,样品点全部落入安山岩/玄武岩区域,表明所采样品原岩为安山岩或玄武质安山岩。在Ta/Yb-Ce/Yb图解上,样品点全部落在钙碱性系列(图 4-d)。

图 4 冰沟南组变质火山岩Si-[(al+fm)-(c-alk)](a)[37]、A-C-FM(b)[38]、Nb/Y-Zr/TiO2*0.0001(c)[39]及Ta/Yb-Ce/Yb(d)图解 Fig.4 Si-[(al+fm)-(c-alk)](a), A-C-FM (b), Nb/Y-Zr/TiO2*0.0001 (c)and Ta/Yb-Ce/Yb (d) diagrams for the Binggounan Formation meta-volcanic rocks Ⅰ—纯泥质岩;Ⅱ—铁质泥质岩;Ⅲ—中酸性火山岩;Ⅳ—钙质泥质岩;Ⅴ—胶体化学沉积及质岩;Ⅵ—胶体化学沉积;Ⅶ—超基性岩;Ⅷ—超基性火山岩及部分白云质岩石;Ⅸ—基性火山岩及部分沉积灰质岩石;Ⅹ—碳酸盐岩沉积岩;Ⅺ—泥灰质沉积岩

在主量元素与SiO2的哈克图解(图 5)中,SiO2与Al2O3、TFeO、MgO和K2O呈较明显的负相关关系,与CaO呈正相关,与P2O5、Na2O和MnO显示微弱的负相关关系或不相关,SiO2-TiO2含量投点相对发散而不具有明显的相关关系(图 5)。结合上述岩相学特征,这种主量元素之间的相关关系暗示冰沟南组变质火山岩的成分变化不能简单地使用分离结晶作用来解释,很可能是岩浆起源过程中造成的。

图 5 冰沟南组变质火山岩主量元素哈克图解[40] Fig.5 Harker diagrams for the Binggounan Formation meta-volcanic rocks
3.2 稀土元素

稀土元素总量在73.63×10-6~109.14×10-6之间,平均为89.14×10-6。轻稀土元素的分馏系数(La/Sm)N为1.93~2.70,平均为2.48×10-6,重稀土元素的分馏系数(Gd/Yb)N在1.63~2.04之间,平均为1.74×10-6δCe值为0.85~0.91,平均为0.89,略具Ce负异常。δEu值在0.81~1.17之间,平均为0.93,Eu异常不明显,除了PM002/21-1样品的δEu > 1略显正异常外,其余整体显示微弱的Eu负异常,整体显示岩浆分离结晶程度不高,斜长石的分离结晶作用不显著。根据岩石的∑REE、(La/Yb)N、δEu等稀土元素特征值看,这套火山岩与大陆拉斑玄武岩(CTB)的稀土元素特征颇相似,明显不同于洋中脊玄武岩、岛弧玄武岩[41]。在稀土元素球粒陨石配分曲线图(图 6-a)上,本区火山岩配分曲线表现出良好的一致性,且均右倾,属于轻稀土元素富集型。

图 6 冰沟南组变质火山岩稀土元素配分型式图(a)和微量元素蛛网图(b)[44] Fig.6 The REE patterns (a) and spider diagram (b) for the Binggounan Formation meta-volcanic rocks
3.3 微量元素

根据微量元素分析结果(表 1),(Rb/Yb)N值在1.46~4.21之间,大于1;Th*=2ThN/(RbN+LaN),介于4.42~15.52之间,大于1;K*=2KN/(TaN+LaN)介于0.21~0.54之间,小于1;Nb*=2NbN/(KN+LaN)值介于0.68~0.81之间,小于1;Sr*=2 SrN/(CeN+NdN),除样品PM002/36-1为1.17,大于1外,其余样品介于0.39~0.73之间,小于1;P*=2PN/(NbN+HfN)介于0.45~0.70之间,小于1。从微量元素原始地幔标准化蛛网图(图 6-b)可以看出,基性玄武岩样品中大离子亲石元素Rb、Ba、Sr和高场强元素P、Hf、Nb、Ti亏损,强不相容元素Th、U富集。综上所述,本区基性玄武岩为强不相容元素富集型的配分模式。这些特征与洋中脊玄武岩(MORB)、洋岛玄武岩(OIB)明显不同[42],而与大陆拉斑玄武岩(板内玄武岩)较相似[43]

4 讨论 4.1 形成时代

根据1:25万苏吾什杰幅区域地质调查成果,在平洼沟组中发现Tungussia suoerkuliensis Miao(索尔库里通古斯叠层石),Nucleella sp.核叠层石(未定种),Inzeria sp.印卓尔叠层石(未定种),Stratifera sp.层形叠层(未定种)和Acaciella echinata Miao多刺阿卡萨叠层石。其中,索尔库里通古斯叠层石是青白口系索尔库里群常见分子,印卓尔叠层石和多刺阿卡萨叠层石是青白口系丝路群常见分子。根据1:25万巴什库尔干幅区调俢测成果,在索尔库里群乱石山组下部采集了碎屑锆石样品,其最小锆石年龄为911±5Ma,并获得1200Ma和1408Ma两组峰值年龄。结合区域上青白口系索尔库里群与下伏蓟县系塔昔大阪群为角度不整合接触,与上覆奥陶系额兰塔格组为角度不整合接触关系,将索尔库里群的时代限定为青白口纪中晚期。本次1:5万J45E010020等六幅区调对该套蚀变玄武安山岩进行LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测年,获得951±3.7Ma的年龄(另文发表),进一步表明索尔库里群的形成时代为青白口纪。

4.2 岩石成因

本文变质火山岩样品Mg#值介于40.46~56.28之间,平均值为50.12,低于Wilson给出的原始岩浆参数(68~75)[45],表明玄武岩岩浆经历了结晶分异作用。样品相容元素Ni和Cr含量变化明显,除PM002/21-1、PM002/21-2(分别为Ni=12.5 × 10-6~12.9×10-6、Cr=84.3×10-6~94×10-6)外,Ni=68.0×10-6~82.8×10-6,Cr=214×10-6~355×10-6,明显低于原始岩浆(400×10-6~500×10-6,1000×10-6)值,而与板内玄武岩(90×10-6~130×10-6,353×10-6~536×10-6)相近,表明该区玄武岩是原始岩浆经分异演化后的结晶产物[46]。TiO2含量为1.11%~1.96%(平均1.65%),Eu异常不明显,δEu值除1个点为1.17,较高外,其余都在0.81~0.98之间(都低于1),整体显示微弱的负异常,推测地壳的混染作用存在,也说明玄武质岩浆在上涌过程中出现少量斜长石分离结晶作用,但是在岩浆演化过程中影响不大。

微量元素蛛网图可以很好地揭示岩浆成因和演化历程及形成构造背景。在该图上可以看到各个样品的曲线分布变化不大,显示各样品的微量元素地球化学行为相似,具有共同的源区性质。Th/Ta值可以作为基性岩在形成过程中发生同化混染的有效指标[41], 本次样品Th/Ta值集中在4.52~9.93之间,介于原始地幔(2.3)和大陆地壳(10)之间(除PM002/21-1外,值为11.81),说明岩浆上升侵位过程中可能遭受围岩或地壳物质的混染。原始地幔的La/Nb值约为1[47],本次所有样品介于1.58~2.17之间,大于1,表明岩浆在高位岩浆房上升演化过程中受到地壳不同程度的混染[48]。所有样品具有轻稀土元素(LREE)和Th、U轻微富集;(Th/Nb)N值为5.10~14.94,平均为8.69,大于1;高的Nb/La值、低的La/Ba值,也是受到地壳混染大陆玄武岩的鲜明特点[49-50]。本文中Zr含量为87.4×10-6~139×10-6,平均为116.33×10-6,Zr/Y值为3.7~5.2,平均为4.22。Zr(> 70×10-6)和Zr/Y值(> 3)显示大陆玄武岩的特点[51],但是,Zr/Y值平均为4.22(> 4),说明地壳(或岩石圈地幔)卷入了玄武岩的形成[52]。因此,本区基性火山岩起源于过渡型的软流圈地幔,为上涌过程中与壳源物质发生混染形成。

4.3 构造环境

上述研究表明,冰沟南组一带变火山岩以蚀变玄武安山岩、安山质凝灰熔岩为主,属于钙碱性系列。此外,右倾的轻稀土元素富集模式,大离子亲石元素Rb、Ba、Sr、K亏损,高场强元素P、Hf、Nb、Ti亏损,强不相容元素Th、U富集的微量元素特征具有大陆拉斑玄武岩的特点[41]。Ba易占据早期K矿物中的K位,在残浆中贫化;Th富集,可能为低部分熔融熔体;由K亏损,推断该套火山岩与消减作用无关;Nb亏损,表明该套火山岩具有混染作用;Sr弱亏损,表明岩石可能为斜长石的残余熔体。

微量元素地球化学行为在岩浆演化过程中受后期热事件影响较小,其丰度组合、元素比值及演化特征对探讨岩浆成因、恢复和重塑古火山事件发生的构造环境及动力机制具有重要意义[53]。由于地壳混染对Zr、Y等元素影响不大[51],因此可以用这些高场强元素判别构造环境。在Zr-Zr/Y构造环境判别图(图 7-a)上,大部分样品点落在板内玄武岩中,只有1个样品点落入洋脊玄武岩与板内玄武岩的交互区域;在Ti/100-Zr-Y*3图解(图 7-b)上,大部分样品点落入板内玄武岩中,少量落入洋中脊玄武岩且靠近板内玄武岩的区域;在Ta/Hf-Th/Hf判别图解(图 7-c)上,全部样品点落在大陆拉张带(或初始裂谷)玄武岩区;在Nb/Zr-Th/Zr图解(图 7-d)上,大部分样品点落在大陆拉张带玄武岩区,只有1个样品点落在陆-陆碰撞带玄武岩区。

图 7 冰沟南组变质火山岩Zr-Zr/Y(a)[54]、Ti/100-Zr-Y*3(b)[55]、Ta/Hf-Th/Hf(c)[56]、Nb/Zr-Th/Zr(d)[57]图解 Fig.7 Zr-Zr/Y (a), Ti/100-Zr-Y*3 (b), Ta/Hf-Th/Hf (c) and Nb/Zr-Th/Zr (d) diagrams for the Binggounan Formation meta-volcanic rocks N-MORB—正常洋中脊玄武岩;E-MORB—富集洋中脊玄武岩;T-MORB—过渡型洋中脊玄武岩

综上所述,本文冰沟南组中基性火山岩形成于板内裂谷环境,总体代表拉张的地球动力背景,与校培喜等[58]对阿中地块南缘新元古代火山岩的构造环境分析结果一致。

4.4 地质意义

中新元古代是阿尔金造山带地质构造演化的关键时期之一。这个构造阶段以古元古代超大陆开始裂解为标志,形成陆内和陆缘谷,后期主要形成陆缘增生、陆陆汇聚及罗迪尼亚超大陆[25]

在结晶基底形成后,长城纪地壳开始处于拉伸状态,研究区长城纪初始裂解作用的物质记录为长城系巴什库尔干岩群;蓟县纪研究区没有相关物质记录,但在研究区外围形成塔昔达坂群,沉积建造特征表明蓟县纪沉积时总体处于伸展构造背景,从早到晚海盆裂解幅度在增强,属海侵体系退积型沉积层序。除沉积响应外,在英格里克和木纳布拉克一带发育一套形成于裂解拉张构造背景的镁铁-超镁铁质杂岩体,年龄分别为1379Ma和1118Ma

在青白口纪早期,研究区仍处于裂解拉张构造背景,相关沉积响应为青白口系索尔库里群冰沟南组,为一套远滨-近滨外环境下的细碎屑夹钙质泥岩和基性火山岩建造。本次对基性火山岩的研究表明,该基性火山岩形成时代为951±3.7Ma,形成于板内裂谷环境。

青白口纪中晚期,研究区由裂解阶段转变为挤压汇聚阶段,其物质记录在沉积、岩浆、变质等方面均有反映。在沉积响应方面,沉积了由厚度较大的灰岩夹角砾状灰岩岩楔,以及含鲕粒和小型叠层石组成的碳酸盐建造(青白口系索尔库里群平洼沟组),盆地性质由拉张转变为挤压。在岩浆响应方面,研究区出露的盖里克片麻岩(886.5±5Ma)形成于同碰撞构造环境[59]。近年来在阿中地块南缘也发现了大量新元古代同碰撞型花岗质片麻岩,如肖鲁克布拉克片麻岩套(1034.6Ma)、库如克萨依片麻岩套(871±5.7Ma)[25]、清水泉南片麻状花岗岩(918± 6.9Ma和922±8Ma)、肖鲁克布拉克片麻状花岗岩(918±12Ma及924±11Ma)。这些岩体的形成时间为886~1034Ma,均为罗迪尼亚超大陆挤压汇聚事件在阿尔金南缘的响应。

5 结论

(1)青白口系冰沟南组中的变质火山岩主要岩性为强蚀变玄武安山岩和安山质凝灰熔岩,原岩为安山岩或玄武质安山岩,SiO2含量在44.08%~48.89%之间,富碱(Na2O/K2O = 6.96~13.09,Na2O+K2O= 1.40%~3.24%)、低钛。具有稀土元素富集、弱负Eu异常特征。大离子亲石元素Rb、Ba、K、Sr亏损,高场强元素P、Ti、Nb、Hf亏损,强不相容元素Th、U富集,为强不相容元素富集型。其主量元素特征与板内玄武岩相似,属于钙碱性系列。

(2)在岩石成因方面,青白口系冰沟南组中的变质火山岩来源于过渡的软流圈地幔,为上涌过程中与壳源物质发生混染形成。

(3)在构造环境方面,青白口系冰沟南组中的变质火山岩形成于板内裂谷环境。结合区域上有关的沉积记录和岩浆岩事件,进一步表明,研究区古元古代古大陆的裂解从长城纪一直持续到青白口纪早期,从青白口纪中晚期开始转为罗迪尼亚超大陆的挤压汇聚阶段。

致谢: 岩石地球化学数据分析得到咸阳核工业二○三研究所分析测试中心林桂芝工程师的大力支持和热心帮助;审稿专家提出了诸多宝贵而中肯的修改意见,在此一并谨致谢忱。

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