地质通报  2019, Vol. 38 Issue (2-3): 276-287  
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冯博, 计文化, 白建科, 刘一珉, 陈喜庆. 西天山博罗科努地区志留系碎屑锆石U-Pb定年及其地质意义[J]. 地质通报, 2019, 38(2-3): 276-287.
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Feng B, Ji W H, Bai J K, Liu Y M, Chen X Q. Detrital zircon U-Pb dating of Silurian sandstone in Borohoro area, Western Tianshan Mountains, and its geological implications[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(2-3): 276-287.
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基金项目

中国地质调查局项目《北方石炭—二叠纪关键地质问题专题调查》(编号:DD20189612)和陕西省自然科学基金项目《阿尔泰山南缘古生代增生造山过程:玛因鄂博增生楔组成结构的约束》(编号:2018JM4001)

作者简介

冯博(1993-), 男, 在读硕士生, 地质工程专业。E-mail:fengbo96@126.com

通讯作者

计文化(1968-), 男, 博士, 研究员, 从事区域地质、构造古地理、区域成矿等领域研究。E-mail:jiwenhua1968@126.com

文章历史

收稿日期: 2018-10-10
修订日期: 2019-01-23
西天山博罗科努地区志留系碎屑锆石U-Pb定年及其地质意义
冯博1 , 计文化2 , 白建科2 , 刘一珉1 , 陈喜庆1     
1. 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083;
2. 中国地质调查局西安地质调查中心, 陕西 西安 710054
摘要: 西天山伊犁地块北缘博罗科努地区志留系出露齐全,是研究西天山早古生代构造演化的重要载体。对尼勒克县北水泥厂沟志留系库茹尔组砂岩开展了沉积特征和岩石学、地球化学研究及LA-ICP-MS锆石U-Pb测年。结果显示,库茹尔组形成于潮坪环境。砂岩样品LREE/HREE值为5.21~8.42,δEu值为0.74~0.90,球粒陨石标准化稀土元素配分模式呈现轻稀土元素富集、重稀土元素平坦及轻微的负Eu异常,地球化学特征指示,库茹尔组砂岩物源区构造背景为大陆岛弧。砂岩碎屑锆石U-Pb年龄分为3期,主要为425~510Ma,其次是698~796Ma和1240~1641Ma,表明库茹尔组物源区锆石年龄主要为早古生代,其次为中、新元古代。综合分析认为,库茹尔组形成于弧后盆地,沉积时代为晚志留世,其物源主要来自北侧岛弧带,其次是南侧伊犁地块。
关键词: 博罗科努地区    库茹尔组    碎屑锆石    物源分析    地球化学    
Detrital zircon U-Pb dating of Silurian sandstone in Borohoro area, Western Tianshan Mountains, and its geological implications
FENG Bo1, JI Wenhua2, BAI Jianke2, LIU Yimin1, CHEN Xiqing1     
1. China University of Geosciense, Beijing 100083, China;
2. Xi'an Center of China Geological Survey, Xi'an 710054, Shaanxi, China
Abstract: The Silurian strata in the Borohoro area on the northern margin of the Yili block in the Western Tianshan Mountains are well exposed and serve as an important carrier for the study of the Early Paleozoic tectonic evolution of the Western Tianshan Mountains. In this paper, sedimentary petrology, geochemistry and LA-ICP-MS zircon U-Pb geochronology were investigated for the Silurian Kuruer Formation sandstone in Shuinichanggou, Nileke County. The result shows that Kuruer Formation was formed in tidalswamp facies. The sandstone in Kuruer Formation is characterized by high LREE, smooth HREE and rather weak negative Eu anomaly. The geochemical characteristics indicate that the sandstone source of Kuruer Formation belongs to the continental arc. According to the U-Pb ages of LA-ICP-MS of 80 detrital zircon grains, the source rocks of Kuruer Formation detrital rocks came from terrains with three different geological periods, mostly 425~510Ma, and subordinately 698~796Ma and 1240~1641Ma, which respectively correspond to the Early Paleozoic, Neoproterozoic and Mesoproterozoic. According to the comprehensive analysis, the Kuruer Formation was formed in Late Silurian and was deposited on the back-arc basin formed by the southward subduction of the North Tianshan Ocean. The material of Kuruer Formation was mainly derived from the northern island arc zone, with the addition of a small amount of materials from the south side of the Yili block.
Key words: Borohoro area    Kuruer Formation    detrital zircon    provenance analysis    geochemistry    

西天山造山带位于中亚造山带西南缘, 北侧为哈萨克斯坦-准噶尔板块, 南侧为塔里木板块, 被伊犁盆地分割为南、北两支, 呈帚形向东收敛展布[1-4]。西天山造山带经历了古生代多地体之间的多期碰撞、增生构造事件, 由古生代陆缘岩系、洋壳残片和微陆块结晶基底拼贴而成, 不但是典型的增生型造山带, 也是全球显生宙大陆地壳生长最显著的地区[4-7], 同时还是中亚成矿域的重要组成部分, 蕴含丰富的矿产资源, 具有独特而优越的成矿地质条件, 一直是地质界关注的地区之一[5, 8]。博罗科努山位于西天山伊犁盆地北部, 构成一条北西-南东向展布的复合岛弧带[3-4, 9-10], 前人对该地区的研究工作主要集中在晚古生代地层和岩体[9-12], 鲜见早古生代地质体的研究成果。博罗科努地区早古生代地层出露较好, 从震旦纪到志留纪地层连续发育, 多数学者认为其为寒武纪-早奥陶世的被动大陆边缘, 中奥陶世转为活动大陆边缘[4, 10, 13-14], 但至今仍缺乏有力的地质证据。本文通过对志留纪库茹尔组砂岩开展沉积特征和岩石学、LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄及地球化学研究, 限定其沉积时代、物源区特征及形成构造环境, 从而进一步讨论西天山伊犁地块北缘早古生代晚期的构造演化过程。

盆地碎屑沉积物作为区域构造背景控制下的蚀源区(或隆起区)与沉积盆地演化有机结合的产物[6], 记录了洋陆变迁、盆山构造格局形成及演化历史, 可以用来示踪源区、反演基底隆起的信息[6, 15]。碎屑锆石年代学方法反演源区构造演化具有独特的优势, 是研究盆地形成及其物源区构造演化的重要桥梁[16], 近年来已被诸多学者广泛应用。沉积岩物源区化学成分是控制其化学成分的主要因素[17], 因此, 利用碎屑岩的化学成分可以判断母岩特征, 并分析沉积环境、大地构造背景等[18]。此次研究采集了库茹尔组砂岩样品进行地球化学分析和碎屑锆石定年, 获得了确定其沉积时代的可靠资料, 以及源区特征的重要信息。

1 区域地质背景

西天山造山带以伊犁(中天山)北缘断裂、那拉提山北缘断裂、中天山南缘断裂、塔里木北缘断裂为界, 自北向南可分为北天山弧增生地体、伊犁地块、中天山复合弧地体、西天山增生楔和塔里木北缘被动大陆边缘[2]。西天山伊犁地块夹于中天山北缘断裂和南部尼古拉耶夫-那拉提山北坡断裂之间, 呈楔形向东尖灭(图 1), 其南北两侧均发育古生代造山带[6]。博罗科努地区位于西天山伊犁地块北缘, 北侧以博罗科努北坡大断裂为界, 与赛里木地块相邻, 南侧接壤中新生代伊犁盆地[19]。早古生代地层出露齐全, 寒武系-奥陶系为一个连续的沉积序列[7]。寒武纪磷矿沟组以粉砂质硅质泥岩夹团块状灰岩及含磷为特征, 肯萨依组为砂岩、粉砂岩夹灰岩, 果子沟组主要由薄层灰岩组成, 区域寒武系岩相稳定、岩性变化不大, 未见火山岩发育。早-中奥陶世新二台组为一套浅海-半深海环境下的硅质岩、碳质泥质粉砂岩, 以及泥岩夹黑色页岩和薄层灰岩组合; 中奥陶世奈楞格勒达坂组上部为中基性火山岩、火山碎屑岩夹灰岩凸镜体和沉积菱锰矿, 下部为绿片岩、砂板岩和碳酸盐岩, 在走向上与钙泥质粉砂岩、含粉砂硅质岩、硅质泥岩互为相变; 晚奥陶世呼独克达坂组为一套浅海相碳酸盐岩沉积。早志留世尼勒克河组为灰色、灰黑色厚层状及块状粉砂岩, 炭质、泥质页岩; 中志留世基夫克组以碳酸盐岩为主, 并有钙质粉砂岩、砂岩等; 晚志留世库茹尔组为深灰色、灰绿色条带状细砂岩、粉砂岩、层凝灰砂岩、硅质细砂岩及少量灰岩[20]; 晚志留世博罗霍洛山组主要为紫红色钙质、泥质粉砂岩、细粒长石岩屑砂岩地层。岩浆活动包括中奥陶世、早志留世和早石炭世的大量中-酸性火山活动和华力西中期中酸性、酸性岩浆侵入, 活动构造以北西-南东向为主, 褶皱紧密, 断裂发育[21] (图 1-b)。

图 1 博罗科努地区库茹尔组地质简图(a据参考文献[5]修改, b据参考文献修改) Fig.1 Sketch geological map of Kuruer Formation, Borohoro area
2 样品采集与分析

博罗科努地区志留纪库茹尔组岩石组合(图 2)下部为灰绿色薄层状含泥钙质粉砂岩夹浅灰绿色中薄层状长石岩屑细砂岩, 粉砂岩中发育微波状层理; 中部为浅灰绿色极薄-薄层状钙质粉砂岩夹浅灰色-浅灰绿色中薄层状长石岩屑细砂岩, 细砂岩中偶见泥质团块, 粉砂岩中有时发育微波状层理; 上部为中层状钙质粉砂岩与灰褐色-浅灰绿色中层状含钙岩屑细砂岩互层, 见波状层理、波痕构造; 顶部为浅灰绿色极薄-薄层状含钙泥质粉砂岩, 发育水平层理, 其形成于潮坪环境

图 2 博罗科努地区晚志留世库茹尔组剖面 Fig.2 Geological section of Upper Silurian Kuruer Formation in Borohoro area

采样点位于尼勒克县北水泥厂沟(编号为16SNC-1TW), 地理坐标为北纬43°58′51.03″、东经82°36′49.65″, 采样层位为博罗科努地区志留纪库茹尔组上部, 野外露头为一套灰绿色-紫红色中-薄层状细砂岩(图 3-a), 层面构造发育, 见波痕、泥裂、交错层理等(图 3-cd)。经显微镜下鉴定(图 3-b), 所采砂岩样品岩性为细粒岩屑砂岩。颗粒主要为石英、岩屑和云母, 岩屑成分以碳酸盐岩屑为主, 含少量不透明矿物, 碎屑颗粒可分为2类, 一类磨圆度较好, 主要为石英颗粒, 经历了一定的搬运过程; 一类磨圆度较差, 显示近源沉积的特点。岩屑含量超过50%, 石英约20%, 长石10%~ 20%, 云母5%~10%。

图 3 库茹尔组砂岩野外(a、c、d)和镜下特征(b) Fig.3 Field characteristics (a, c, d) and microscopic features (b) of sandstones in Kuruer Formation Q-石英; Cal-碳酸盐岩岩屑
3 分析方法 3.1 全岩地球化学测定

地球化学测试在中国地质调查局西安地质调查中心完成。主量元素除FeO、烧失量采用标准湿化学法分析外, 其他采用PW4400型X萤光光谱仪(XRF)测定, 分析误差低于5%。微量和稀土元素采用X-seriesⅡ型电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测定, 检测限优于5×10-9, 相对标准偏差优于5%。

3.2 锆石LA-ICP-MS定年

锆石微量元素含量和U-Pb同位素定年在中国地质调查局西安地质调查中心自然资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室完成。激光剥蚀系统为GeoLas Pro, ICP-MS为Agilent 7700x。激光剥蚀过程中采用氦气作载气、氩气为补偿气以调节灵敏度, 二者在进入ICP之前通过一个T型接头混合。每个时间分辨分析数据包括约10s的空白信号和40s的样品信号。对分析数据的离线处理(包括对样品和空白信号的选择、仪器灵敏度漂移校正、元素含量及U-Th-Pb同位素比值和年龄计算)采用软件Glitter 4.4 [22]完成, 详细仪器参数和测试过程可参考李艳广等[23]

U-Pb同位素定年中采用锆石标准91500为外标进行同位素分馏校正。对于与分析时间有关的U-Th-Pb同位素比值漂移, 利用91500的变化采用线性内插的方式进行校正。锆石U-Pb年龄谐和图绘制和年龄加权平均计算均采用Isoplot/Ex_ver[24]完成。锆石微量元素含量利用参考标样NIST610玻璃为外标、Si为内标的方法进行定量计算。NIST610玻璃中元素含量的推荐值据GeoReM数据库(http://georem.mpch-mainz.gwdg.de/)。

4 分析结果 4.1 地球化学分析

西天山博罗科努地区库茹尔组砂岩样品微量和稀土元素分布特征见表 1。其中大离子亲石元素Rb、Ba, 高场强元素Zr、Th, 过渡族元素Cr、Ni、V含量明显低于上地壳值, 大离子亲石元素Sr含量明显高于上地壳值, 其他元素含量基本与上地壳值相近[25], 稀土元素总量ΣREE为89.29×10-6~ 119.80× 10-6, 平均值为106.88×10-6; LREE/HREE值为5.21~ 8.42, 平均值为6.11;δEu值为0.74~0.90, 平均值为0.82;δCe值为1.01~1.03, 平均值为1.03;(La/Yb)N为10.22~11.41, 平均值为10.95。球粒陨石标准化后的稀土元素配分模式呈现轻稀土元素富集、重稀土元素平坦, 高La/Yb值, 以及轻微的负Eu异常。

表 1 库茹尔组砂岩微量和稀土元素含量 Table 1 The content of trace elements and REE of the sandstone samples from Kuruer Formation
4.2 碎屑锆石测年结果

对样品的80粒锆石进行了LA-ICP-MS定年, 获得80个测点的分析数据, 符合年龄分布统计的要求[26-27]。谐和图(图 4-a)显示, 所有的测点基本都落在谐和线及其附近, 呈现出较好的谐和性, 表明不存在明显的铅丢失。从碎屑锆石U-Pb年龄分布图(图 4-b)可见, 研究区碎屑锆石206Pb/ 238U表面年龄值分为3段:425~510Ma, 698~796Ma, 1240~ 1641Ma。71个数据点分布在425~510Ma之间, 峰值为463Ma(图 4-b)。它们Th、U含量分别为35.33× 10-6~456.63×10-6, 90.67×10-6~1061.012×10-6, Th/U值为0.17~1.11。阴极发光图像(图 5)显示, 80颗锆石大多具有岩浆结晶环带, 且岩浆结晶环带较清楚, 说明碎屑锆石大部分来源于岩浆区。锆石多为不规则棱角状、长柱状或短柱状, 总体磨圆度较差, 表明碎屑物质来自于近源区, 或者以岩屑形式搬运沉积, 这与显微镜下观察到的碎屑颗粒分选性、磨圆度较差的结果一致。

图 4 库茹尔组砂岩碎屑锆石U-Pb谐和图(a)和年龄频率直方图(b) Fig.4 U-Pb concordia diagram (a) and age frequency diagram (b) of detrital zircon from the sandstone of Kuruer Formation
图 5 库茹尔组砂岩代表性锆石阴极发光(CL)图像 Fig.5 CL images of detrital zircons of the sandstone in Kuruer Formation
5 讨论 5.1 形成时代

库茹尔组主要分布于博罗科努山南坡, 岩性为深灰色、灰绿色条带状细砂岩、粉砂岩、层凝灰砂岩、硅质细砂岩及少量灰岩, 上与博罗霍洛山组(博罗科努山组)整合过渡接触、下与基夫克组不整合接触, 厚290~800m, 含腕足类、珊瑚等化石[20]。陆源碎屑沉积岩中的碎屑锆石, 含有其源区地质体组成和时代的信息, 地层的沉积时代一定比碎屑形成的时代年轻, 因此碎屑锆石的年龄常被用来制约地层沉积时代的下限[27], 本次研究选择库茹尔组露头较好的地区, 对其中的砂岩采用LA-ICP-MS锆石U-Pb定年, 以约束地层的形成时代。本次研究获得的最年轻碎屑锆石年龄为425±6Ma, 根据锆石CL图像和Th/U值判断大部分锆石为岩浆锆石, 因此, 碎屑锆石形成年龄应在晚志留世, 库茹尔组年龄不早于425Ma, 即晚志留世高斯特期。晚志留世博罗霍洛山组为库茹尔组上覆地层, 其岩性主要为紫红色钙质、泥质粉砂岩、细粒长石岩屑砂岩, 与库茹尔组整合接触。在博罗霍洛山组发现并采集到珊瑚化石Thamnopora sp., Alveolifes sp., Mesofavosifes Simil(Sokolov), 以及腕足类、层孔虫、三叶虫等化石, 为晚志留世化石。由此可知, 博罗科努山南坡库茹尔组的形成时代在晚志留世高斯特阶之后, 为晚志留世地层。

5.2 物源区特征

本次采集的晚志留世库茹尔组砂岩样品属细粒岩屑砂岩, 显微镜下观察发现, 砂岩碎屑颗粒既有较稳定的石英, 也有相对不稳定的岩屑、长石等, 岩屑含量超过50%, 成分以碳酸盐岩屑为主, 磨圆度、分选性均较差。碎屑锆石阴极发光图像显示, 锆石多为不规则棱角状、长柱状或短柱状。岩性特征、岩石组合及碎屑锆石形貌均指示库茹尔组砂岩为近源沉积碎屑岩。

微量及稀土元素对物源区特征的分析非常有用, La、Nd、Zr、Hf、Sc等微量元素化学性质稳定, 受风化、搬运及成岩过程影响较小, 因此可以反映物源区的地球化学性质[28]。利用Bhatia建立的La-Th-Sc、ThSc-Zr/10、La/Y-Sc/Cr、La/Th构造判别图解[29], 对研究区的砂岩样品进行投点分析(图 6), 以判断其源区构造环境, 所有库茹尔组砂岩样品点均落在大陆岛弧范围内, 表明物源区可能为大陆岛弧构造环境。

图 6 微量元素构造判别图解[29] Fig.6 Tectonic setting discrimination diagrams of trace elements a-La-Th-Sc图解; b-Th-Sc-Zr/10图解; c-Sc/Cr-La/Y图解; d-La-Th图解; A-大洋岛弧; B-大陆岛弧; C-活动大陆边缘; D-被动大陆边缘
表 2 库茹尔组砂岩碎屑锆石LA-ICP-MS U-Th-Pb测年分析结果 Table 2 Detrital zircon LA-ICP-MS U-Th-Pb analytical results of the sandstones in Kuruer Formation

Cullers等[30]通过研究认为, 相同源区不同粒度的沉积岩化学成分相差较大, 相比于粗砂岩, 细砂岩和泥岩能更好地反映源区的性质。通过总结源岩为长英质和镁铁质岩石的细砂岩特征元素比值的范围[31], 将库茹尔组的砂岩特征元素比值与其结论进行对比(表 3), 各项结果均落入长英质源区或长英质源区相近区域。Floyd通过研究认为, 与酸性岛弧有关的沉积物有较低且统一的La/Th值和3×10-6~7×10-6Hf含量[32], 此次研究获得的La/Th值为3.08~3.61(平均值3.31), Hf为2.43×10-6~3.55×10-6平均值3.18×10-6), 与Floyd的分析结果基本一致。

表 3 库茹尔组特征元素比值范围对比[31] Table 3 Comparison of characteristic element ratio ranges of Kuruer Formation

进一步采用Floyd[33]提出的La/Th-Hf判别图解进行投图(图 7), 5个样品点均落在上地壳长英质物源边缘, 投图结果与特征元素分析结果相同, 表明库茹尔组源岩性质属于上地壳长英质岩石, 综合分析认为, 库茹尔组存在来自大陆岛弧的物源。

图 7 Hf-La/Th判别图[29-30] Fig.7 Discrimination of Hf -La/Th

本次在尼勒克县北水泥厂沟地层中采集砂岩样品(编号16SNC-1b)进行LA-ICP-MS锆石UPb测年, 共获得77组有效数据, 其中70组年龄分布于425~510Ma之间, 属于中寒武世-晚志留世, 其206Pb/238U年龄加权平均值为462±19Ma, 最小年龄为425±10Ma, 表明这套沉积地层的时代不早于晚志留世高斯特期。区域上天山造山带中发育大量早古生代侵入岩, 出露于温泉县以南的中-粗粒斜长角闪岩锆石U-Pb年龄为455.1±2.7Ma, 和硕县东北部的包尔图变质中细粒石英二长闪长岩年龄为455.6±1.8Ma, 哈尔里克山南坡塔水河一带钾长花岗岩、花岗闪长岩、石英闪长岩年龄分别为462±9Ma、447±11Ma、448±7Ma[34-36], 这些侵入岩被认为与天山古生代洋盆俯冲事件有关, 而微量元素地球化学特征判别图(图 6)揭示, 库茹尔组形成于大陆岛弧构造环境。因此, 笔者认为, 库茹尔组的锆石主要来源于北天山洋俯冲形成的岛弧带。另外, 本次研究获得的3组锆石年龄分布于698~796Ma之间, 为新元古代, 4组分布于1240~1641Ma之间, 属中元古代。温泉地区花岗片麻岩原岩的形成时代为920~ 857Ma(SHRIMP锆石U-Pb年龄)[36-38], 角闪岩的原岩为基性火山岩, 其形成时代约为950Ma[7], 混合岩中浅色体的锆石年龄为926~880Ma, 在温泉群侵入青白口系碳酸盐岩中的辉长岩和花岗岩中获得的年龄为788~840Ma, 其中含有较多中元古代(1150~ 1460Ma)的继承锆石[7]; 丁海峰在果子沟冰碛岩中获得的年龄为634~684 Ma, 其中有4组中元古代年龄1144~1577Ma, 并据此认为, 果子沟冰碛岩中含有来自伊犁地块以南的物源[39]。本次获得的锆石数据不存在800~1200Ma的年龄, 与处于伊犁盆地北侧温泉地区的岩浆活动时间不同, 表明本次研究获得的7组中、新元古代锆石并非来自于伊犁地块北侧, 而是来自于周边前寒武纪埃迪卡拉系冰碛岩或伊犁地块以南的物源。

综合分析认为, 库茹尔组物源主要有两部分: ①来自于北侧岛弧带的物源, 为主要部分; ②来自于南侧伊犁地块的物源, 为次要部分。根据物源分析及库茹尔组砂岩发育波痕、水平层理等构造, 判断其位于弧后盆地靠近岛弧一侧。早志留世-晚志留世博罗科努地区沉积连续, 因此认为早志留世尼勒克河组-晚志留世库茹尔组处于弧后盆地环境, 早志留世尼勒克河组为厚层状及块状粉砂岩, 炭质、泥质页岩; 中志留世基夫克组以碳酸盐岩为主; 晚志留世库茹尔组为砂岩、细砂岩、粉砂岩及少量灰岩, 表明志留系博罗科努地区水深逐渐变浅, 随着俯冲进行, 岛弧不断向南推进。

6 结论

(1) 博罗科努山南坡库茹尔组砂岩样品最年轻的碎屑锆石年龄为425±10Ma, 约束其沉积时代不早于425Ma, 即晚志留世高斯特期。库茹尔组与上覆博罗霍洛山组整合接触, 博罗霍洛山组发现大量晚志留世化石, 为晚志留世地层, 因此判断库茹尔组形成时代为晚志留世。

(2) 岩石学和锆石CL图像分析表明, 库茹尔组物源为近源。通过岩石学、地球化学及LA-ICPMS锆石U-Pb年代学研究, 认为库茹尔组物源主要有两部分:来自北侧岛弧带的物源为主要部分; 来自南侧伊犁地块的物源为次要部分。

致谢: 野外工作期间得到长安大学孙万龙硕士的大力指导, 数据处理阶段得到长安大学孙万龙和邵博琪硕士的大力帮助, 中国地质调查局西安地质调查中心乔耿彪高级工程师在成文过程中提出了宝贵意见和建议, 在此一并表示衷心感谢。

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