地质通报  2019, Vol. 38 Issue (4): 536-545  
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桑明帅, 杨有生, 陈邦学. 西昆仑造山带东段上其汗组火山岩地球化学特征、LA-ICP-MS锆石U-Pb定年及其地质意义[J]. 地质通报, 2019, 38(4): 536-545.
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Sang M S, Yang Y S, Chen B X. Geochemical characteristics and LA-ICP-MS zircon U-Pb dating of volcanic rocks in Shangqihan Formation along eastern orogenic belt in West Kunlun Mountains[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(4): 536-545.
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基金项目

中国地质调查局项目《新疆西昆仑1:5万J45E019001、J45E020001、J45E020002、J45E021001、J45E021002等5幅区调》(编号:1212011220640)

作者简介

桑明帅(1987-), 男, 学士, 工程师, 从事区域地质调查研究。E-mail:691493686@qq.com

文章历史

收稿日期: 2017-05-03
修订日期: 2017-10-12
西昆仑造山带东段上其汗组火山岩地球化学特征、LA-ICP-MS锆石U-Pb定年及其地质意义
桑明帅 , 杨有生 , 陈邦学     
新疆地矿局第十一地质大队, 新疆 昌吉 831100
摘要: 通过对西昆仑北带东段上其汗组玄武安山岩进行LA-ICP-MS锆石U-Pb定年,获得锆石206Pb/238U年龄为473.1±2.2Ma,代表玄武安山岩的结晶年龄。研究区上其汗组火山岩富集大离子亲石元素Sr、Ba、U、Th等,亏损高场强元素Nb、Zr、Ta、Ti等,为消减带火山岩的标志性特征。不相容元素Th/Ta值为9.5~20.89,与上地壳的Th/Ta值(10)较接近。岩石具有较高的La/Nb值(2.73~4.89),明显高于大陆地壳这一比值(2.2),表明有地壳物质混染。同时,岩石中Nb含量较高,为8.14×10-6~12.3×10-6,Nb/Ta值为15.2~17.38,表明岩浆源区受到来自消减残留板片流体或熔体的交代作用。对岩石主量、微量元素特征、岩石学特征及大地构造背景综合分析认为,上其汗组火山岩形成于岛弧环境,其为库地-其曼于特洋在早古生代向北俯冲的产物。
关键词: 火山岩    西昆仑    早奥陶世    上其汗组    
Geochemical characteristics and LA-ICP-MS zircon U-Pb dating of volcanic rocks in Shangqihan Formation along eastern orogenic belt in West Kunlun Mountains
SANG Mingshuai, YANG Yousheng, CHEN Bangxue     
No. 11 Geological Party, Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development, Changji 831100, Xinjiang, China
Abstract: Through a study of LA-ICP-MS zircon U-Pb isotopes of basaltic andesite in Shangqihan Formation at the east segment in the northern belt of Western Kunlun Mountains, zircon 206Pb/238U isotopic age was obtained as 473.1±2.2Ma, which represents crystallization age of basaltic andesite. Shangqihan Formation volcanic rocks in the study area were rich in large ion lithophile elements such as Sr, Ba, U and Th, but were depleted in high field strength elements such as Nb, Zr, Ta and Ti, and these features are symbolic features of volcanic rocks in the subduction belt. Ratio of incompatible elements Th/Ta is within 9.5~20.89, relatively approximate to Th/Ta ratio (10) of the upper crust. Rocks have higher La/Nb ratios (2.73~4.89), obviously higher than the ratio (2.2) in continental crust, and this indicates hybridization of crust materials. In the meantime, Nb content in rocks is high (8.14×10-6~12.3×10-6)and Nb/Ta ratio is 15.2~17.38, which indicates magmatic source region was subjected to metasomatism from subducted residual sheet bar fluid or melt. According to comprehensive analysis of the major and trace element features, petrologic features and geotectonic background, it is believed that volcanic rocks in Shangqihan Formation were formed in an island arc environment and were products of Kudi-Qimanyute Ocean which pitched down in the northward direction in Early Paleozoic.
Key words: volcanic rocks    West Kunlun Mountains    Early Ordovician    Shangqihan Formation    

西昆仑造山带位于青藏高原西北缘,是古亚洲构造域与特提斯构造域的结合部位[1-11]。北以柯岗断裂与塔里木陆块相邻,南以康西瓦-苏巴什断裂与巴颜喀拉地块相邻,以阿尔金断裂与东昆仑造山带相邻[12]。西昆仑造山带自新元古代Rodinia超大陆裂解以来,主要经历了原特提斯和古特提斯2期不同的构造演化过程,原特提斯具有多地块、多洋盆的复杂构造格局,经历了多俯冲、多碰撞的加里东造山运动,形成西昆仑早古生代多地块、多洋-弧-盆系的构造格局[13]。前人沿边界断裂由北向南将其依次划分为昆北地块、昆中地块及昆南地块。本次发现的上其汗组火山岩,位于西昆仑造山带东段,是北昆仑地体的重要组成部分[14],对研究原特提斯洋的构造演化具有重要意义。

随着近些年西昆仑地区基础地质工作的开展,获得大量的超镁铁质-镁铁质岩、侵入岩、沉积建造等基础地质成果,但对西昆仑造山带东段的研究相对薄弱。关于原特提斯洋俯冲消减方向还存在不同认识,部分学者认为向南消减[15],部分学者认为向北消减[16]。本次在上其汗组火山岩中获得较可靠的同位素测年成果,并通过岩石学、地球化学研究,分析其形成的构造环境和动力学背景,探讨其对原特提斯洋构造演化的指示意义。

1 区域地质概况与岩石学特征 1.1 区域地质概况

研究区位于阿尔金南缘断裂的北部,与塔里木陆块相邻,属北昆仑早古生代岩浆弧带(图 1-a)。与库地-其曼于特蛇绿混杂岩带均属昆北地块。2014年开展的其木来克一带1:5万区域地质调查项目,在阿尔金南缘断裂北部下奥陶统上其汗组发现大量早古生代火山岩。主要为经历了低绿片岩相变质的一套海相火山-沉积岩建造[17],与南部上寒武统坑底克岩组呈断层接触,北部被第四系冲洪积物覆盖。在空间展布上呈北东—南西向,与区域构造线方向一致(图 1-b)。

图 1 西昆仑构造(a)及上其汗组火山岩分布(b)略图 Fig.1 Sketch tectonic map showing distribution of West Kunlun (a) and Shangqihan Formation volcanic rocks (b) 1—灰岩;2—玄武安山岩;3—安山岩;4—断裂;5—推测断裂;6—同位素样品采集位置;7—研究区;8—地层产状;Qhpal—第四系冲洪积物;O1s1—下奥陶统上其汗组下段;O1s2—下奥陶统上其汗组上段;O1k.—下奥陶统库拉甫和岩组;∈3k.—上寒武统坑底克岩组;ν3—晚寒武世辉长岩;ηγS2—中志留世二长花岗岩;ηγβS2—中志留世黑云母二长花岗岩;γδS2—中志留花岗闪长岩;ηγβO1—早奥陶世黑云母二长花岗岩;βγδO1—早奥陶世黑云母花岗闪长岩;γδO1—早奥陶世花岗闪长岩;Ⅰ-1-1—塔里木南缘中新生代盆地;Ⅱ-2-1—北昆仑(祁漫塔格)早古生代岩浆弧带;Ⅱ-2-3—中昆仑微陆块;Ⅱ-2-4—南昆仑古生代增生楔杂岩带;Ⅲ-2—可可西里-巴颜喀拉中生代边缘裂陷盆地;Ⅲ-3—北羌塘-唐古拉地块;①—库地-其曼于特结合带;②—昆中-柳什塔格蛇绿混杂岩带;③—康西瓦-鲸鱼湖结合带;④—郭扎错-金沙江结合带
1.2 地层及岩石学特征

区内出露上其汗组为一套滨浅海相陆源碎屑岩、中基性火山岩、碳酸盐岩(图 2)。第一段岩性组合主要为灰绿色不等粒岩屑砂岩、砂砾岩、蚀变玄武安山岩、安山岩;第二段岩性组合主要为浅灰绿色变质含砾细砂岩、浅灰色变质粉砂质细砂岩、浅灰绿色含泥质粉砂岩及浅灰色灰岩。岩石为低绿片岩相变质,主要特征变质矿物组合为绿泥石+绿帘石+绢云母。

图 2 上其汗组PⅠ地质剖面图 Fig.2 PⅠ geological section of Shangqihan Formation 1—第四系;2—粉晶灰岩;3—安山岩、玄武安山岩;4—蚀变砂砾岩;5—蚀变不等粒岩屑砂岩;6—蚀变不等粒长石岩屑砂岩;7—蚀变粉砂质细粒砂岩;8—泥质粉砂岩;9—粉砂质板岩;10—炭质板岩;11—断层;12—产状;∈ 3k —上寒武统坑底克岩组;O1s1—下奥陶统上其汗组下段;O1s2—下奥陶统上其汗组上段

上其汗组火山岩主要岩石类型为蚀变玄武安山岩、安山岩,少量英安岩亚碱性系列岩石。主体为一套中基性火山岩,火山作用以喷溢为主,喷发韵律较单一。

灰绿色蚀变玄武安山岩:灰绿色,间隐结构,块状构造。主要矿物为斜长石/绿帘石(50%/10%)、方解石(15%)、石英(1%~5%),少量金红石和绢白云母。斜长石呈板条状,粒度0.01mm × 0.03mm~ 0.25mm×0.5mm,他形杂乱分布。暗色矿物呈柱状,粒度0.02mm×0.05mm~0.4mm×1mm,粒度大小不一,杂乱分布。石英呈他形填隙状,粒度较小,分布于斜长石之间。

浅灰绿色安山岩:岩石呈浅灰绿色,斑状结构,基质具玻璃质结构,块状构造。斑晶主要为自形和半自形板状的中长石及少量半自形柱状的角闪石,长石表面有次生绢云母和绿泥石。斑晶:中长石含量25%,粒度0.3mm×1mm~0.5mm×0.5mm,角闪石含量2%,粒度0.5mm×1mm。基质由玻璃质组成,玻璃质有重晶石;在基质中有半自形粒状的白钛石。玻璃质含量60%,白钛石含量3%,粒度0.03~ 0.05mm;方解石、石英脉含量10%,粒度0.1~ 0.2mm。岩石受构造挤压破碎,沿破碎裂隙被方解石、石英脉充填,脉宽0.1~0.5mm,岩石具硅化和碳酸盐化蚀变。

2 样品测试

样品薄片鉴定、硅酸盐样、微量和稀土元素样品分析均由自然资源部乌鲁木齐矿产资源监督检测中心新疆维吾尔自治区矿产实验研究所完成,主量元素采用X射线荧光光谱(XRF)分析完成,分析误差小于1%,其中FeO含量通过湿化学方法测定。微量和稀土元素分析仪器为X系列电感耦合等离子质谱仪,微量元素的分析误差在5%左右,检测环境温度为10~24℃,湿度30%~65%[18]

本次工作在上其汗组中采集新鲜的玄武安山岩(1411-P1-TW1)。岩石样品的锆石挑选和制靶委托河北省廊坊区域地质矿产调查研究所实验室成。首先,样品经粉碎、重液分离和磁选,在双目镜下挑选出晶形好、无裂隙、干净透明的锆石晶体,再将锆石样品置于环氧树脂中,固化后进行抛光使锆石内核完全暴露,然后送往北京离子探针中心进行阴极发光(CL)照相。锆石原位微区测年在中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室激光剥蚀等离子质谱(LA-ICP-MS)仪器上完成,激光束斑直径为32μm。试验中采用氦气作为剥蚀物质的载气,以SRM610为外标、29Si为内标。分析原理和流程见参考文献[19-21]。单次测量结果列于表 1,使用Isoplot2.0程序[22]处理数据和计算年龄,年龄加权平均值具有95%的置信度。

3 岩石地球化学特征 3.1 主量元素

样品主量元素分析结果及特征参数见表 1。在国际地科联推荐使用的TAS图解(图 3-a)中,上其汗组火山岩落入玄武安山岩、安山岩区域。考虑到火山岩经历了一定的蚀变作用,烧失量平均值为4.27%,使用TAS图解可能会使判定结果产生误差,为此文中进一步采用非活动性元素对该样品进行探讨。

图 3 上其汗组火山岩TAS(a)、AFM(b)[26]和Nb/Y-SiO2(c)岩石类型分类图解[23] Fig.3 TAS (a), AFM (b) and Nb/Y-SiO2 (c) diagrams of the Shangqihan Formation volcanic rocks
表 1 样品主量、微量及稀土元素分析结果 Table 1 Major, trace and rare earth elements analytical results of samples

样品SiO2含量介于53.2%~59.63%之间,平均值为55.59%,属于中性岩的范畴。在Nb/Y-SiO2图解[23]图 3-c)上,样品点落入安山岩区域。MgO含量介于3.72%~4.85%之间,平均值为4.41%;TiO2含量为0.49%~0.7%,平均值为0.62%;Na2O含量为3.21%~3.79%,平均值为3.48%;K2O含量为0.12%~ 1.55%,平均值为0.67%;与岛弧钙碱性火山岩相近[24-25]。在AFM图解[26](图 3-b)中,样品点落入钙碱性玄武岩区域。

3.2 稀土元素

样品的稀土元素总量较低,其分析结果和特征参数见表 1。上其汗组火山岩样品具有相同的曲线特征(图 4-a),表明它们具有相同的岩浆源区及岩浆演化过程。

图 4 稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(a)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(b) Fig.4 Chondrite-normalized of REE patterns (a) and primitive mantle-normalized spidergrams (b) of trace elements (标准值据参考文献[23])

上其汗组火山岩稀土元素总量ΣREE为42.55× 10-6~60.77×10-6,总体较低;轻、重稀土元素比值LREE/HREE=3.42~4.46,(Ce/Yb)N=2.2~3.37;δEu=0.76~0.89,具弱负Eu异常,表明源区斜长石分离结晶作用不明显。在球粒陨石标准化模式图上,样品变化趋势基本相同,呈略向右倾的曲线。(La/Sm)N=1.98~2.23,(Gd/Lu)N=1.1~1.48,表明轻稀土元素较重稀土元素分馏程度高。

3.3 微量元素

样品的微量元素分析结果见表 1。微量元素原始地幔标准化蛛网图(图 4-b)显示,明显以Sr、Ba、U、Th等大离子亲石元素(LILE)富集、高场强元素(HFSE)Nb、Ta、Zr、Ti等亏损为特征,与洋脊、洋岛、大陆裂谷火山岩特征明显不同,而与岛弧火山岩具有非常相似的特征[27]

4 锆石U-Pb测年

为确定上其汗组火山岩的年龄,本次在奥依亚依拉断裂南约8.7km处,采集玄武安山岩样品1件,用于锆石U-Pb(LA-ICP-MS)测年。

玄武安山岩样品(1411-P1-TW1)采样坐标为北纬36°57′8″、东经84°10′5″。在双目镜下观察,锆石大多呈无色透明-浅黄色,主要呈半自形-自形粒状;少数为扇形分带结构(7号),主要为锆石结晶时外部环境的变化使各晶面的生长速率不一致造成[28]。在LA-ICP-MS分析时,选择内部纯净,没有包裹体和裂隙的部位打点(图 5-c)。共测定24颗锆石,数据分析结果见表 2。锆石测试结果数据点均分布在谐和线附近,相对集中,其中20个有效点的谐和性较好。Th/U值为0.33,接近岩浆锆石Th/U值(大于0.4),但远大于变质锆石Th/U值(小于0.1)。前人研究资料表明,由于锆石成因的复杂性,仅通过锆石Th/U值区分锆石成因是片面的。还应将锆石的晶形、内部结构特征、包裹体类型和微量元素结合起来进行综合研究,才有可能对不同成因锆石做出正确的区分[28]。玄武安山岩样品中多数锆石晶面光洁清晰,边部平直且发育明显的韵律环带,具核幔结构,属于典型的岩浆锆石[29-30]。其206Pb/238U表面年龄值介于471±5~486±12Ma之间,年龄加权平均值为473.1±2.2Ma(图 5-ab),代表其结晶年龄,并将上其汗组火山岩的时代厘定为早奥陶世。

表 2 上其汗组火山岩锆石U-Th-Pb年龄分析结果 Table 2 Zircon U-Th-Pb dating results of volcanic rocks in Shangqihan Formation
图 5 上其汗组火山岩锆石U-Pb谐和图(a)及206Pb/238U年龄图(b)和锆石阴极发光(CL)图像(c) Fig.5 Zircon U-Pb concordia diagram (a), 206Pb/ 238U age (b) and CL image of zircons (c) of the volcanic rocks in Shangqihan Formation
5 讨论 5.1 岩石成因

岩浆源区的地球化学性质是制约岩石成因和深部构造环境的主要因素之一。在缺少同位素分析的条件下,利用微量元素进行岩浆源区性质的示踪,应侧重不相容元素的示踪分析作用。由于不相容元素等具有相似的全岩配分系数D,因此在地幔部分熔融和结晶分离过程中,这些元素之间不会发生强烈分异。因此,这些元素的比值与同位素比值一样,可以揭示岩浆源区的地球化学性质[31-32]

上其汗组钙碱性火山岩稀土元素及微量元素具有相似的变化趋势,暗示具有相同的源区属性,是同源岩浆演化的结果。稀土元素配分曲线与岛弧安山岩稀土元素配分模式相似,δEu=0.76~0.89,(Ce/ Yb)N=2.2~3.37,表明岩浆分离结晶作用较弱。富集大离子亲石元素Sr、Ba、U、Th等,亏损高场强元素Nb、Zr、Ta、Ti,为消减带火山岩的标志性特征。然而Nb、Ta亏损的地幔源区既可以是地壳混染造成的[33],也可以是遭受来自消减残留板片流体或熔体交代而成的[34],亦或是2种情况共同作用的结果[35]。岩石中不相容元素Th/Ta值为9.5~20.89,与上地壳的Th/ Ta值(10)较接近,大于N- MORB的Th/Ta值(1.0)。同时,岩石具有较高的La/Nb值2.73~4.89,明显高于大陆地壳(2.2)[36-37],表明有壳源物质混染。利用强不相容元素比值间的制约反映岩浆源区是否遭受来自消减板片流体的交代, 原始地幔的Nb/Ta值为17.5,而遭受消减残留板片流体交代的地幔, 其Nb、Ta发生明显的分异,Nb/Ta值降低,上其汗组钙碱性火山岩的Nb/Ta值为15.2~17.38。同时俯冲板片部分熔融产生的玄武质火山岩Nb值大于7.6×10-6[38],而上其汗组钙碱性火山岩具有较高的Nb含量(8.14× 10-6~12.3×10-6),表明岩浆源区受到来自消减残留板片流体或熔体的交代作用。

根据微量、稀土元素配分模式及不相容元素特征,上其汗组钙碱性火山岩可能受到地壳物质的混染和来自消减残留板片析出流体或熔体交代的双重改造作用。

5.2 构造环境

利用主量和微量元素特征,可以有效地进行构造环境判别,但是由于源区的复杂性、岩浆就位遭到围岩的混染等因素,往往造成主量、微量元素显示多解性,这就要求充分结合岩石学特征、大地构造背景等多重因素进行判别[39]

在玄武岩AFM图解(图 3-b)中,上其汗组火山岩样品点落入钙碱性系列区域。稀土元素表现为轻稀土元素略富集右倾,具弱负Eu异常。同时富集大离子亲石元素Sr、Ba、U、Th等,亏损高场强元素Nb、Ta、Zr、Ti,为消减带火山岩的标志性特征。在主量、微量元素Zr-TiO2构造环境判别图解(图 6-b)中,样品点落入岛弧火山岩+MORB区域;采用非活动性元素进行构造环境判别,在Zr-Zr/Y图(图 6-a)中落入岛弧火山岩区域;采用活动性不同的微量元素进行构造环境判别,在2Nb-Zr/4-Y(图 6-c)、Th-La/Yb(图 6-d)构造环境判别图解上,样品点分别落入火山弧玄武岩+(N-MORB)区域、大洋岛弧区域。研究区出露的上其汗组为一套滨、浅海相陆源碎屑岩、火山碎屑岩夹中基性火山岩、碳酸盐岩。下部以灰绿色、灰黑色蚀变玄武安山岩、岩屑砂岩为主,火山作用以喷溢为主,喷发韵律较单一,其厚度大于1000m。上部以浅灰绿色变泥质粉砂岩、细砂岩为主。碎屑岩具杂基含量高、结构成熟度低的特征,具有浊流沉积的特征,为滨浅海相沉积环境,下部与下寒武统坑底克岩组呈断层接触。因此,根据其主量、微量元素地球化学特征与地质特征综合判定,上其汗组火山岩为一套岛弧火山岩。

图 6 上其汗组火山岩构造环境判别图解 Fig.6 Tectonic discrimination diagrams of the volcanic rocks in Shangqihan Formation a—Zr-Zr/Y图解[40];b—Zr-TiO2图解[41];c—2Nb-Zr/4-Y图解[42];d—Th-La/Yb图解[43]
5.3 构造意义——原特提斯洋的俯冲方向

随着Rodinia超大陆的裂解,西昆仑地区形成了多地块、多洋盆的洋陆格局,年代学资料揭示出西昆仑原特提斯旋回具有多俯冲、多碰撞的动力学背景,北带比南带碰撞早、东段比西段碰撞早的特点[13]。围绕前震旦纪基底岩系形成了代表原特提斯洋的多个洋壳残片[44-45]。普遍认为,以柯岗—库地—其曼于特一线为代表的超镁铁质-镁铁质岩,是西昆仑地区代表原特提斯洋北支(库地-其曼于特洋)的洋壳残片,形成时代为526~489Ma。西昆仑北带发现了大规模的俯冲型侵入体,年代学数据表明西昆仑北带俯冲作用主要发生在514~435Ma[46]。通过本次研究,上其汗组钙碱性玄武安山岩LA-ICPMS锆石U-Pb年龄为473.1±2.2Ma,表明库地-其曼于特洋在寒武纪—奥陶纪进入俯冲、消减阶段。区域上前人对上其汗组火山岩已有研究,主体为海相火山-碎屑岩-碳酸盐岩建造,火山岩有玄武岩、安山岩、英安岩、流纹岩,总体为钙碱性系列,具有岛弧火山岩特征,锆石U-Pb同位素年龄为462.72~480.45Ma[47]。上其汗组火山岩主量、微量元素特征及构造背景分析结果显示岛弧火山岩特征。与区域上同期火山岩对比,具有相似的岩石学、岩石地球化学特征及构造环境,表现出良好的区域可比性。结合野外地质调查工作,在阿尔金南缘断裂的北部,形成大量弧花岗岩(图 1-b),花岗闪长岩(Ⅰ型)锆石U-Pb年龄值为478±1Ma,表明库地-其曼于特洋在早古生代具有向北的俯冲极性。

6 结论

(1)通过对上其汗组火山岩的主量、微量元素特征研究,岩浆源区受地壳物质的混染和消减残留板片析出流体或熔体交代的双重改造作用。结合大地构造背景,认为其形成于大洋岛弧环境。

(2)玄武安山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb测年获得206Pb/238U表面年龄加权平均值为473.1 ± 2.2Ma,时代为早奥陶世。

(3)上其汗组火山岩为库地-其曼于特洋在早古生代向北俯冲的产物。

致谢: 成文过程中得到新疆地矿局第十一地质大队周能武、高军高级工程师的悉心指导,在此表示衷心感谢。

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