地质通报  2019, Vol. 38 Issue (5): 757-766  
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周能武, 陈邦学, 杨有生, 郭新成, 朱志新, 陈甜, 白权金. 新疆东昆仑西段库拉甫河岩组火山岩地球化学特征及锆石U-Pb年龄[J]. 地质通报, 2019, 38(5): 757-766.
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Zhou N W, Chen B X, Yang Y S, Guo X C, Zhu Z X, Chen T, Bai Q J. Volcanic rock geochemical characteristics and zircon U-Pb age of the Kulapuhe Formation-complex in the west of East Kunlun Mountains, Xinjiang[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(5): 757-766.
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基金项目

中国地质调查局项目《昆仑-阿尔金成矿带地质矿产调查》(编号:1212011220640)

作者简介

周能武(1972-), 男, 硕士, 高级工程师, 资源勘查专业, 从事固体矿产勘查工作。E-mail:785296415@qq.com

通讯作者

陈邦学(1986-), 男, 硕士, 工程师, 矿物学、岩石学、矿床学专业, 从区域地质矿产勘查工作。E-mail:674620069@qq.com

文章历史

收稿日期: 2017-06-20
修订日期: 2017-09-30
新疆东昆仑西段库拉甫河岩组火山岩地球化学特征及锆石U-Pb年龄
周能武1 , 陈邦学1 , 杨有生1 , 郭新成1 , 朱志新2 , 陈甜1 , 白权金1     
1. 新疆地矿局第十一地质大队, 新疆 昌吉 831100;
2. 新疆地调院, 新疆 乌鲁木齐 830046
摘要: 对东昆仑西段库拉甫河岩组火山岩地球化学进行研究,结果显示,主量元素MgO、FeO含量较高,TiO2和K2O含量分别为1.12%、0.63%,与岛弧拉斑玄武岩(0.84%、0.43%)接近;微量元素具有Sr富集,高场强元素Nb、Ta略亏损,P无明显分馏或未分馏的特征,稀土元素球粒陨石标准化配分曲线显示良好的同源性(配分曲线变化规律近似一致),且与富集型洋脊玄武岩配分趋势一致。结合构造环境判别,认为其形成于岛弧环境,具有岛弧拉斑玄武岩的特征,来源于与岛弧相关的富集地幔。利用锆石U-Pb测年获得2组年龄,其中一组年龄为688.7±5.1Ma,代表捕获晶年龄,另一组年龄483.4±3.3Ma为结晶年龄,代表玄武岩的形成年龄,属于早奥陶世。结合其构造环境、岩石地球化学特征和年龄数据,认为其是原特提斯洋俯冲消减环境下的产物,且原特提斯洋俯冲至少持续到早奥陶世。
关键词: 玄武岩    锆石U-Pb测年    构造演化    东昆仑    
Volcanic rock geochemical characteristics and zircon U-Pb age of the Kulapuhe Formation-complex in the west of East Kunlun Mountains, Xinjiang
ZHOU Nengwu1, CHEN Bangxue1, YANG Yousheng1, GUO Xincheng1, ZHU Zhixin2, CHEN Tian1, BAI Quanjin1     
1. No. 11 Geological Party, Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development, Changji 831100, Xinjiang, China;
2. Geological Research Academy of Xinjiang, Urumqi 830046, Xinjiang, China
Abstract: In this paper, the authors conducted the study of volcanic rock geochemistry of the Kulapuheyan Formation-complex in the western part of East Kunlun Mountains. The results show that the values of MgO and FeO are1.12% and 0.63%, respectively, the values of TiO2 and K2O are close to the value of island-arc tholeiite (0.84%, 0.43%, respectively), the distribution of trace elements shows enrichment of Sr, slight depletion of HFSE Nb and Ta, and no significant fractionation or no fractionation of P, with rare earth pellet meteorite distribution curve showing good homologous nature (similar distribution curve variations). And it is consistent with the distribution trend of E-MORB. It is concluded that it was in an island arc environment and had the characteristics of islandarc tholeiite. It was derived from island-related enrichment mantle. The 688.7±5.1Ma represents the age of the captured crystal, and 483.4±3.3Ma is the age of the representative age of the basalts, and belongs to the Early Ordovician. In combination with its tectonic setting, geochemical characteristics and chronology, the authors hold that it was produced by the subtraction of the original Tethys Ocean subduction, and the original Tethys ocean subducted continuously at least until the Early Ordovician.
Key words: basalt    zircon U-Pb dating    tectonic evolution    East Kunlun    

东昆仑造山带位于青藏高原北部, 塔里木南缘, 是秦祁昆造山系的重要组成部分, 是横贯中国大陆的巨型构造带, 也是青藏高原内部与冈底斯带相媲美的巨型岩浆带[1-3]。该带内岩浆活动强烈, 尤以早古生代和晚古生代-早中生代2个时期的侵入岩和火山岩最发育, 分别记录着原特提斯洋和古特提斯洋的演化[2-16]。早古生代原特提斯洋的构造演化研究较弱[5], 目前, 关于早古生代洋盆的演化研究主要集中在东昆仑造山带东段, 西段整体研究较薄弱。东昆仑造山带东段的相关研究表明原特提斯洋于早寒武世之前打开[10, 17-19], 于晚寒武世开始消减俯冲[20], 而有关碰撞的争议较大, 刘彬等[4]、赵振明等[20]认为, 陆壳碰撞发生在早泥盆世, 也有学者认为在晚奥陶世已经接近碰撞尾声[1, 21-23]。由于东西昆仑造山带研究的不均衡现象, 以及对早古生代构造背景及演化过程认识不足, 造成对原特提斯洋演化存在较大争议。

笔者选取东昆仑造山带西段其木来克地区晚奥陶世库拉甫岩组火山岩为研究对象, 展开详细的岩相学、岩石地球化学研究和锆石U-Pb测年, 探讨其岩石成因类型、构造属性, 以期对东昆仑造山带乃至整个昆仑造山带构造演化研究提供基础资料。

1 区域地质概况与岩相学特征 1.1 区域地质概况

东昆仑造山带北邻柴达木盆地, 南接巴颜喀拉地块, 东与西秦岭相隔, 西以阿尔金左行走滑断裂与西昆仑分开。由北向南可分为北昆仑早古生代岩浆弧、其漫于特蛇绿混杂岩带、中昆仑微地块、南昆仑古生代楔状杂岩带及南昆仑结合带[24] (图 1-a)。研究区位于东昆仑西段其木来克一带, 地处阿尔金断裂以南, 属于北昆仑早古生代岩浆弧[24](图 1-a)。研究区内地层从老到新, 大致包括下奥陶统库拉浦河岩组、中泥盆统布拉克巴什组及上石炭统哈拉米兰河组, 各地层之间呈断层接触(图 1-b)。玄武岩以喷溢相为主, 呈近东西向带状展布于库拉浦河岩组中, 火山地层厚度4101.27m, 在横向上变化不大, 喷发韵律较明显。主要岩石类型为强蚀变的杏仁状玄武岩、绢云母石英片岩、灰岩、安山岩, 以及少量英安岩(图 1-c)。

图 1 东昆仑构造简图(a)[24]、区域地质图(b)和A-B剖面(c) Fig.1 East Kunlun tectonic map(a), regional geological map of the study area(b)and geological section A-B (c) Ⅰ-1-1—塔里木南缘中新生代盆地;Ⅱ-2-1—北昆仑早古生代岩浆弧;Ⅱ-2-2—库地-其曼于特混杂岩带;Ⅱ-2-3—中昆仑微地块;Ⅱ-2-4—南昆仑古生代增生杂岩楔;Ⅲ—昆南-羌北缝合带
1.2 岩相学特征

本次主要对含杏仁体和不含杏仁体的玄武岩进行采样分析(图 2-ab)。

图 2 玄武岩野外露头(a、b)和显微镜下(c、d)照片 Fig.2 Outcrop(a, b)and microscopic photos(c, d)of basalt Mt—磁铁矿;Ld—拉长石;Cal—方解石;Hb—角闪石;Aug—普通辉石;Pl—斜长石

灰绿色杏仁状蚀变玄武岩(1311AY-P12-1):灰绿色, 间隐结构, 杏仁状构造。岩石有细板条状拉长石杂乱分布, 在拉长石间有些玻璃质组成, 玻璃质脱玻蚀变为绿泥石和绿帘石, 在玻璃质间有半自形粒状的磁铁矿, 岩石中杏仁构造为不规则圆形和椭圆形, 杏仁体成分为方解石(图 2-c)。拉长石含量52%, 粒度0.01mm×0.1mm~0.01mm×0.2mm, 绿泥石含量25%, 粒度0.01mm× 0.03mm, 绿帘石含量10%, 粒度0.03~0.05mm, 磁铁矿含量3%, 粒度0.03~ 0.05mm, 杏仁构造占10%, 粒度0.2mm×0.5mm。

灰绿色玄武岩(1311AY-P12-5):灰绿色, 斑状结构, 基质具间粒结构, 块状构造。斑晶为自形和半自形板状的拉长石, 表面有次生绿帘石。基质为细板条状拉长石, 杂乱分布; 在拉长石间有半自形柱状和粒状的普通辉石及片状绿泥石, 绿泥石交代原来的辉石(图 2-d); 在辉石间有半自形粒状的磁铁矿。斑晶:拉长石含量10%, 粒度1mm×1.5mm~ 0.5mm × 1mm。基质:拉长石含量52%, 粒度0.05mm× 0.3mm~0.01mm× 0.5mm; 普通辉石含量20%, 粒度0.03mm~0.05mm; 绿泥石含量15%, 粒度0.01mm×0.02mm~0.01mm×0.03mm。

2 分析方法

主量、微量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, 分析误差小于1%, 其中FeO含量通过湿化学方法测定。微量元素分析采用X系列电感耦合等离子质谱仪, 分析误差在5%左右, 检测环境温度10~24℃, 湿度30%~65%[25]

锆石挑选和制靶在河北省廊坊区域地质矿产调查研究所实验室完成。样品经粉碎、重液分离和磁选后, 在双目镜下挑选出晶形好、无裂隙、干净透明的锆石晶体, 再将其置于环氧树脂中进行抛光使锆石内核完全暴露, 然后送北京离子探针中心进行阴极发光(CL)照相。锆石U-Pb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[26-29]。单次测量结果列于表 1, 使用Isoplot3.23程序[30]处理数据和计算年龄, 年龄加权平均值具有95%的置信度。

表 1 样品1411AY-D2-TW1锆石U-Th-Pb年龄分析结果 Table 1 Zircon U-Th-Pb dating results of sample 1411AY-D2-TW1
3 测试结果 3.1 锆石U-Pb年龄

本次挑选新鲜不含杏仁体的灰绿色玄武岩样品(1411AY-D2-TW1和1311AY-P12-5, 采集于同一地点, 图 1)进行LA-ICP-MS锆石U-Pb测年。锆石大多呈无色透明, 短柱状或不规则状, 长宽比在1:1~3:1之间, 晶面光洁清晰。232Th/238U值处于0.15~1.69之间(除个别小于0.4外, 其余均大于0.4);除个别锆石外, 大部分具有振荡环带, 显示岩浆成因特征[31]。在LA-ICP-MS分析时, 选择内部纯净、无包裹体和裂隙的部位打点(图 3), 本次挑选的24颗锆石共测24个点, 测试结果见表 1。除3颗锆石可能为继承锆石(2367±18Ma、1060±11Ma、1024±10Ma)代表老地块的存在, 2颗锆石(261± 11Ma和247±2Ma)代表古特提斯洋盆关闭的热事件外, 其余主要集中在2个年龄段, 其206Pb/238U年龄加权平均值分别为688.7±5.1Ma(MSWD=0.74)和483.4±3.3Ma(MSWD=0.68)(图 4)。结合野外调查和岩石地球化学特征, 认为第一组为捕获晶年龄, 第二组为结晶年龄, 代表玄武岩的形成年龄, 属于早奥陶世。

图 3 锆石阴极发光(CL)图像 Fig.3 CL images of zircons
图 4 锆石U-Pb年龄谐和图 Fig.4 U-Pb concordia diagrams of zircon
3.2 岩石地球化学特征

主量元素特征显示(表 2), SiO2含量为45.61%~ 49.37%, 平均为47.67%, 属于基性岩范畴, 由于玄武岩遭受一定程度的分化蚀变, 在岩石分类时分别采用主量元素TAS图解和Zr/TiO2-SiO2岩石分类图解, 样品点主要落于亚碱性玄武岩(图 5), 野外和镜下观测一致。MgO、FeO含量分别为3.75%~7.04%、4.24% ~9.65%, 整体较高, Al2O3含量为14.71% ~ 16.73%, 平均为15.78%, 属中等。TiO2含量较高, 为0.84%~1.49%, 平均为1.12%, 与火山弧拉斑系列0.84%较接近[34], 而K2O含量为0.05%~1.89%, 整体较低, 平均为0.63%, 与火山弧拉斑系列玄武岩(0.43%)接近[34]。在SiO2-K2O分类图解(图 6-a)中, 样品点主要落于亚碱性系列; 在过硅碱图(图 6-b)中, 主要落在低钾(拉斑)系列。

表 2 样品主量、微量和稀土元素分析结果 Table 2 Major, trace elements and REE analyses of samples
图 5 SiO2-(Na2O+K2O)[32](a)和Zr/TiO2*0.0001-SiO2图解[33]( b) Fig.5 SiO2-(Na2O+K2O)(a) and Zr/TiO2*0.0001-SiO2(b)diagrams
图 6 SiO2-K2O(a)[35]和SiO2-K2O图解(b)[35] Fig.6 SiO2-K2O (a) and SiO2-K2O(b)diagrams

稀土元素总量ΣREE为41.64 × 10-6~54.22 × 10-6, 平均为47.03×10-6, 总体含量较低(表 2)。轻、重稀土元素比值LREE/HREE=2.79~3.44, (La/ Yb)N=2.6~3.05, 反映轻稀土元素略微富集, 重稀土元素略亏损的特点, 轻、重稀土元素分馏中等。(La/ Sm)N=1.89~2.29, (Gd/Yb)N=0.87~1.29, 表明轻稀土元素内部分馏中等, 重稀土元素内部分馏不明显。δEu值为1.11~1.24(大于1), 具有正Eu异常。在稀土元素球粒陨石标准化配分图上, 表现为与EMORB(富集型洋脊玄武岩)变化规律一致, 略右倾近似平行的曲线簇(图 7)。

图 7 岩石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)[36] Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns(a)and primitive mantle-normalized spidergrams of trace elements(b) OIB—洋岛玄武岩;N-MORB—亏损型洋脊玄武岩;E-MORB—富集型洋脊玄武岩

微量元素特征显示, 大离子亲石元素Sr富集, Ba相对于Rb和Th略亏损, 高场强元素Nb、Ta略亏损, P无明显分馏。在微量元素蛛网图上, 曲线近似锯齿状分布, 与E-MORB分布趋势一致(图 7)。

4 讨论 4.1 形成环境

利用主量、微量元素判别图解可以有效地判别火山岩形成的构造环境, 但考虑到基性火山岩易蚀变的特征, 以及源区的复杂性, 往往具有多解性, 需充分考虑区域大地构造背景、构造演化、岩石地球化学特征等因素。本次样品具MgO、FeO含量较高, TiO2和K2O含量分别为1.12%、0.63%, 与岛弧拉斑玄武岩(0.84%、0.43%)接近, 总体显示岛弧拉斑玄武岩的特征; 微量元素Sr富集, 表明具有岛弧火山岩的特征, 与消减作用有关[37], 且高场强元素Nb、Ta略亏损, P无明显分馏或未分馏, 表明来自富集地幔或未受到地壳混染[37]; 稀土元素球粒陨石标准化配分曲线变化规律近似一致, 显示良好的同源性, 且与E-MORB配分趋势一致, 总体显示具岛弧拉斑玄武岩的特征。在微量元素Hf/3-Th-Nb/16判别图解[38]中, 除1个样品点落于WPT+E-MORB区域外, 其余均落于大陆弧环境(图 8-a); 在Ti/100- Zr- Sr判别图解[39]中, 主要落于岛弧玄武岩区(图 8-b)。

图 8 Hf /3-Th-Nb /16图解(a)[38]和b-Ti/100-Zr-Sr/2图解(b)[39] Fig.8 Hf /3-Th-Nb /16 diagram(a) and Ti/100-Zr-Sr/2 diagram (b) N-MORB—亏损型洋脊玄武岩;E-MORB—富集型洋脊玄武岩;WPT—板内玄武岩;IAT—低钾拉斑玄武岩;CAB—大陆弧玄武岩;OFB—洋底玄武岩;IAB—岛弧玄武岩

综上可知, 库拉浦河岩组玄武岩形成于岛弧环境, 具有岛弧拉斑玄武岩的特征, 来源于和岛弧相关的富集地幔。

4.2 岩石成因类型

玄武岩成因类型较多, 包括洋脊玄武岩、洋岛玄武岩、岛弧玄武岩、大陆弧玄武岩及陆内成因相关的玄武岩, 其中以岛弧玄武岩、大陆弧玄武岩成因最复杂。潘杰振等[40]通过对日本岛弧、安第斯山陆缘弧、浙闽陆缘弧等玄武岩的研究, 发现日本岛弧以低钾拉斑-钙碱系列为主, 安第斯山陆缘弧以钙碱系列为主, 浙闽陆缘弧以高钙碱系列为主, 微量元素显示它们都亏损Nb、Ta, 富集Th、Pb、U等, 稀土元素配分趋势大致与E-MORB相似, 显示弧的特征。这些地区主量元素平均值显示, 日本岛弧SiO2为50.02%, TiO2和K2O分别为1.29%和0.85%;安第斯山陆缘弧SiO2为52.12%, TiO2和K2O分别为1.24%和1.09%;浙闽陆缘弧SiO2为50.00%, TiO2和K2O分别为1.31%和1.30%(数据据参考文献[40]和http://georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc/Start.asp)。本次对库拉甫河岩组玄武岩进行统计, SiO2平均含量为47.67%, TiO2和K2O平均含量分别为1.12%和0.63%, 微量元素显示Nb、Ta亏损, 富集Sr、Th、U等大离子亲石元素, 与日本岛弧玄武岩极接近, 尤其二者都具有低K的特征, 表明二者总体靠近海沟一侧[40]。综上所述, 笔者认为, 库拉甫河岩组玄武岩与日本岛弧玄武岩成因类型相似, 属于典型的低钾拉斑玄武岩(IAT)。

4.3 构造意义

东昆仑造山带的相关研究结果显示, 原特提斯洋受全球超大陆Rodinia大陆裂解的影响, 于早寒武世之前打开[1, 17-18], 张亚峰等[19]认为, 于晚寒武世(石英闪长岩锆石U-Pb为515Ma)开始消减俯冲; 郑勇等[41]获得巴什康阔勒一带辉长岩的2组年龄, 认为501±1Ma代表原岩结晶年龄, 451±2Ma为晚奥陶世代表变质年龄, 认为原特提斯洋于晚寒武世开始俯冲消减, 在晚奥陶世发生碰撞; 王冠等[42]认为, 在晚奥陶世(吐木勒克蓝闪石片岩Ar-Ar年龄为445Ma)俯冲结束, 碰撞开始。但有关碰撞的争议较大, 刘彬等[4]、赵振明等[20]认为, 陆壳碰撞发生在早泥盆世, 但也有学者认为在晚奥陶世已经接近碰撞尾声[21-23]

笔者对其木来克一带库拉浦河岩组玄武岩进行测年, 获得2组年龄, 一组为688.7±5.1Ma, 代表捕获晶年龄, 另一组为483.4±3.3Ma, 为结晶年龄, 代表玄武岩的形成年龄, 属于早奥陶世。该玄武岩的主量、微量元素组成总体显示岛弧拉班玄武岩的特征, 与消减作用有关, 说明形成于与岛弧环境相关的富集地幔。综上认为, 该期玄武岩是原特提斯洋俯冲消减环境的产物, 表明原特提斯洋俯冲至少持续到早奥陶世。

5 结论

(1) 主量和微量元素研究显示, 库拉浦河岩组玄武岩MgO、FeO含量较高, TiO2和K2O含量与岛弧拉斑玄武岩较接近, 微量元素Sr富集, 高场强元素Nb、Ta略亏损, P无明显分馏或未分馏, 稀土元素球粒陨石标准化配分曲线显示良好的同源性, 且与E-MORB配分趋势一致, 结合构造环境判别认为其形成于岛弧环境, 具有岛弧拉斑玄武岩的特征, 来源于与岛弧相关的富集地幔, 与日本岛弧玄武岩成因类型相似。

(2) 利用锆石U-Pb测年获得2组年龄, 一组年龄为688.7±5.1Ma, 代表捕获晶年龄, 另一组年龄为483.4±3.3Ma, 为结晶年龄, 代表玄武岩的形成年龄, 属于早奥陶世。

(3) 通过对其构造环境、岩石地球化学特征和年代学研究, 认为其是原特提斯洋俯冲消减环境的产物, 且原特提斯洋俯冲至少持续到早奥陶世。

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