新疆西準噶爾薩爾托海地區英安巖鋯石U-Pb年齡及其對達拉布特蛇綠巖侵位時限的約束

趙磊 何國琦

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新疆西準噶爾薩爾托海地區英安巖鋯石U-Pb年齡及其對達拉布特蛇綠巖侵位時限的約束

趙磊1,?何國琦2

1. 中國地質科學院地質研究所, 北京 100037; 2. 造山帶與地殼演化教育部重點實驗室, 北京大學地球與空間科學學院, 北京 100871; ? E-mail: jleiz@163.com

新疆西準噶爾達拉布特蛇綠巖在其北東段薩爾托海地區被下石炭統火山巖-沉積巖不整合覆蓋。對這套沉積-火山巖系中的英安巖進行 LA-ICP-MS 鋯石 U-Pb 定年, 獲得206Pb/238U 加權平均年齡為 349±2 Ma (早石炭世杜內期)。英安巖REE分配型式具有輕稀土富集、重稀土相對平坦、Eu負異常明顯的特點。微量元素原始地幔標準化圖解中, 所有樣品的標準化豐度都隨著元素不相容性的增加而增大。與經典的弧英安巖以及埃達克火山巖相比, 太勒古拉組英安巖 Sr 含量平均值為 195 μg/g, Sr/Y 平均值為 5.2, La/Yb 平均值為4.6, 遠小于經典的弧英安巖和埃達克巖。結合太勒古拉組變形、變質微弱的特點, 認為早石炭世英安巖形成于板內裂谷環境, 且在早石炭世之前達拉布特蛇綠巖已經就位。

西準噶爾; 達拉布特蛇綠巖; 太勒古拉組; 英安巖; 鋯石U-Pb年齡; 裂谷

達拉布特蛇綠巖帶位于新疆西準噶爾地區克拉瑪依市以北的扎伊爾山區, 以左旋走滑斷裂——達拉布特斷裂為界, 出露于該斷裂的北西側, 呈 NE-SW向展布, 出露面積約50 km2, NE向延伸達107 km (圖 1), 代表古亞洲洋殼的殘余, 對探討古亞洲洋的構造演化具有重要意義[1-2]。關于達拉布特蛇綠巖的時代, 尤其是生成時代, 尚未形成統一的認識。劉希軍等[3]認為達拉布特蛇綠巖帶存在 302Ma 的 E-MORB 型輝長巖。辜平陽等[4]采用 LA-ICP-MS鋯石U-Pb法得出的輝長巖391±7 Ma年齡, 與 395±12 Ma的 Sm-Nd 等時線年齡[5]以及肖序常等[6]的早?中泥盆世放射蟲時代相近。因此, 有學者提出 390 Ma 左右的達拉布特蛇綠巖是西準地區最年輕的蛇綠巖[7-9]。但是, 達拉布特蛇綠巖帶還存在奧陶紀放射蟲[10]和牙形石[11]證據。陳博等[12]獲得角閃輝長巖的鋯石 SHRIMP 年齡為 426±6 Ma。侵入到達拉布特蛇綠巖的花崗巖年齡限定了該蛇綠巖的侵位時代不晚于 308 Ma[8]。Zhu 等[13]編制了一幅西準地區地質圖, 并報道在達拉布特蛇綠巖帶的北東段薩爾托海處, 達拉布特蛇綠巖被一套沉積?火山巖系不整合覆蓋。本文對這套沉積?火山巖系中的英安巖進行 LA-ICP-MS 鋯石 U-Pb定年, 提出達拉布特蛇綠巖的侵位時代不晚于 349±2 Ma, 并結合英安巖的地球化學研究, 分析西準地區晚古生代大地構造演化特征。

1 區域地質概況和樣品采集

新疆西準地區在構造區劃上屬于哈薩克斯坦?準噶爾板塊東部的一部分[14]。這一地區地質構造復雜, 出露多條蛇綠巖帶。達拉布特蛇綠巖帶內各單元發育齊全, 帶內各巖塊多以斷裂為界混雜堆疊, 且在東段發育豆莢狀鉻鐵礦。本文研究區出露的地層以下石炭統為主, 分為太勒古拉組(C1t)、包古圖組(C1b)和希貝庫拉斯組(C1x)(圖l)。

太勒古拉組分布于西準噶爾哈圖山以東, 達拉布特河兩岸。主要為一套細粒復理石火山碎屑?硅泥質沉積巖, 含海相基性火山巖和硅質巖建造, 巖石組合為灰綠色火山灰凝灰巖和層凝灰巖互層, 夾灰綠色杏仁狀玄武巖和紫紅色硅質巖, 局部有透鏡狀生物碎屑灰巖[15]。太勒古拉組中生物化石的時間跨度很大, 從早泥盆世到晚石炭世化石組合(珊瑚、腕足、放射蟲和植物化石)均有, 導致根據生物化石確定的該組時代具有較大爭議: 1) 中、晚石炭世[16]; 2) 中泥盆世[17]; 3) 不限于泥盆紀, 也可延至早石炭世[18-19]。包古圖地區太勒古拉組玄武巖的鋯石 LA-ICP-MS U-Pb 年齡為 358±5 Ma[20], 寶貝金礦區太勒古拉組中酸性凝灰巖的鋯石 SHRIMP年齡為 328±2 Ma[21], 玄武巖的40Ar-39Ar 年齡為 297和 3l2 Ma[22]。包古圖組主要出露于包古圖河流域, 由薄層狀凝灰質粉砂巖和砂巖、凝灰巖互層組成, 含大量濁流和滑塌堆積的灰巖、泥灰巖和生物碎屑灰巖透鏡體。底部灰巖中產腕足類、珊瑚和筵類化石, 均為維憲期分子[16]。希貝庫拉斯組出露于包古圖河東側希貝庫拉斯一帶, 為一套火山碎屑巖夾碳酸鹽巖建造, 由厚層塊狀凝灰質含礫雜砂巖與凝灰質粉砂巖、凝灰巖互層組成, 含大量濁流沉積的灰巖、泥巖和生物碎屑灰巖巖塊或透鏡體, 含早石炭世植物化石[19]。

在達拉布特蛇綠巖帶的北東段薩爾托海處, 下石炭統太勒古拉組的一套沉積?火山巖系不整合覆蓋在達拉布特蛇綠巖之上(圖 2)。不整合面之下是蛇綠混雜巖中變形強烈的硅質巖和硅質碎屑巖部分, 地層產狀近直立, 其間發育密集的劈理。不整合面之上是基本上未變質變形的凝灰巖夾大套的英安巖和安山巖(圖3)。鋯石 U-Pb 定年樣品(SETH-6)采自其中的英安巖部分(地理坐標為 46°04′41.7″N, 85°05′03.4″E)。

2 樣品采集和分析方法

鋯石單礦物分離在河北省誠信地質服務有限公司完成。將原巖樣品粉碎, 用常規方法進行重力選和電磁選后, 在雙目顯微鏡下挑選鋯石。將完整的典型鋯石顆粒置于DEVCON環氧樹脂中, 待固結后磨片拋光, 使鋯石內部充分暴露, 然后進行顯微(反射光和透射光)照相和陰極發光(CL)照相。鋯石的透射光、反射光和陰極發光照相在北京離子探針中心完成。LA-ICP-MS 鋯石 U-Pb 定年測試在中國地質科學院礦產資源研究所 MC-ICP-MS 實驗室完成, 所用儀器為Finnigan Neptune型MC-ICP-MS 以及與之配套的Newwave UP 213激光剝蝕系統。激光剝蝕所用斑束直徑為25 μm, 頻率為10 Hz, 能量密度約為2.5 J/cm2, 以He為載氣。均勻鋯石顆粒207Pb/206Pb,206Pb/238U 和207Pb/235U 的測試精度(2)均為 2%左右, 對鋯石標準的定年精度和準確度在 1% (2)左右。數據處理采用 ICPMSDataCal 程序[23], 鋯石年齡諧和圖用 Isoplot 3.0 程序獲得。測試過程、分析步驟和數據處理的詳細方法可參見文獻[24]。

樣品的主量、微量和稀土元素測試在中國地質科學院國家地質實驗測試中心和中核集團核工業北京地質研究院分析測試研究所完成。其中, 主量元素檢測在 X 熒光光譜儀上完成, 方法精密度 RSD< 2%~8%; 微量和稀土元素用等離子質譜儀 ICP-MS測定, 方法精密度 RSD<10%。

本研究區的太勒古拉組火山巖形成于早石炭世, 形成后遭受不同程度的變質和蝕變, 導致某些性質活潑的主量元素(如Na, K)、大離子親石元素(LILE)、Rb 和 Ba 活化, 濃度發生改變, 因而不能用全堿?二氧化硅(TAS)圖解來鑒別火山巖的堿性/亞堿性屬性。因此在火山巖分類及隨后的巖石成因討論中, 主要考慮不活潑元素(如稀土元素(REE)、高場強元素(HFSE)和 Th, Ti, Cr, Ni, Fe, Mg等)。

3 分析結果

3.1 英安巖鋯石 U-Pb 定年結果

用于測試的鋯石為無色透明或淺黃色, 大部分顆粒結晶較好, 晶形呈長柱狀, 少數為等粒狀。從鋯石的陰極發光圖像(圖 4)可以看出, 鋯石具有明顯的帶狀振蕩環帶或扇形分帶。鋯石中U, Th含量較高, 分別介于 19~230 和 15~311 μg/g之間; 鋯石的 Th/U 比值也較高, 在 0.48~2.79 之間(表 1), 表明所測定的鋯石具有巖漿成因特征[25]。24 個組分分析結果(表1)顯示,206Pb/238U 表面年齡值比較集中, 多位于諧和線上(圖 5), 介于 341~359 Ma 之間,206Pb/238U 加權平均年齡為349±2 Ma (MSWD=1.4), 可以代表巖體的形成時代, 表明太勒古拉組英安巖形成于早石炭世杜內期。

表1 薩爾托海英安巖鋯石U-Th-Pb同位素分析結果

3.2 巖石地球化學分析結果

挑選 7 件有代表性的新鮮樣品進行主量、稀土、微量元素分析, 結果見表2。

表2 薩爾托海英安巖的主量元素(%)和微量元素(μg/g)分析結果

說明: SETH-3, 4, 5, 6的測試在中國地質科學院國家地質實驗測試中心完成, SETH-7, 8, 9的測試在中核集團核工業北京地質研究院分析測試研究所完成。Mg#=100×Mg/(Mg+Fe2+)。

3.2.1 主量元素

英安巖的 SiO2含量為63.8%~69.92%。CaO 和Na2O 含量較低, 分別為 1.67%~2.51% 和 0.74%~2.54%, Na2O 含量為3.46%~6.68%, Na2O/K2O>1, 顯示相對富鈉貧鉀特征。FeOT(3.43%~5.17%)、TiO2(0.47%~ 0.77%)和MgO (1.08%~1.72%)含量也較低, Mg#指數為 35.83~37.77。Al2O3含量中等, 為 13.71%~ 16.35%, A/CNK 指數為0.96~1.10。

在SiO2?Zr/TiO2圖解[26]中(圖 6), 所有樣品均落入亞堿性流紋巖?英安巖區域。利用 AR 堿度率值(AR=(Al2O3+CaO+Na2O+K2O)/(Al2O3+CaO-Na2O-K2O))[27]計算, 英安巖均屬鈣堿系列。

3.2.2 微量元素和稀土元素

英安巖的稀土總量為 106.42~149.99 μg/g, 稀土元素(REE)分配型式和微量元素原始地幔標準化圖解特點(圖 7)與天山石炭紀酸性裂谷火山巖的地球化學特點相似。其中, REE 分配型式具有輕稀土(LREE)富集(LaN/YbN=2.78~3.75)、重稀土(HREE)相對平坦、Eu 負異常明顯(Eu=0.56~0.89)的特點(表 2)。微量元素原始地幔標準化圖解中, 隨著元素的不相容性向著圖的左側增高, 所有樣品的標準化豐度都隨之增加。Sr, P, Ti的負異常分別與斜長石、磷灰石和 Fe-Ti 氧化物的分離結晶作用一致。Nb和Ti相對于與它們具有相似相容性的LILE和REE的虧損也是巖漿弧的特點。這一特點可能與巖石圈地幔源區的前石炭紀消減富集作用有關。

表3 太勒古拉組英安巖與經典的弧英安巖以及埃達克火山巖比較

說明: 經典的弧英安巖以及埃達克火山巖數據來自文獻[37]。

4 討論

4.1 太勒古拉組的時代

西準地區構造活動強烈, 地層產狀近于直立, 并遭受強烈的片理化和風化破碎, 因此很難根據產狀判斷太勒古拉組與其上下地層的層序。這套地層中缺乏具有準確時代意義的標準化石, 并混雜泥盆紀和志留紀的化石[19-20], 給地層時代的確定帶來困難。位于薩爾托海地區西部約70 km處的寶貝礦區獲得酸性凝灰巖鋯石 U-Pb 年齡 328±2 Ma[21], 但是該礦區位于達拉布特斷裂以北, 地層受到強烈構造擾動。在地層層序保持完好的包古圖地區, 測得太勒古拉組玄武巖的鋯石 U-Pb 年齡為 358±5 Ma[20], 與本文獲得的 349±2 Ma 年齡接近。因此, 太勒古拉組的時代應該是晚泥盆世至早石炭世, 不會延入晚石炭世。

4.2 英安巖的構造環境及其意義

對于新疆西準地區石炭紀火山巖的產出環境主要有兩種觀點: 一部分研究者認為西準噶爾地區晚古生代處于洋內弧發育階段[30-33], 發育石炭紀火山巖及同時期的埃達克質中酸性侵入巖[34], 這些火山巖的性質較為復雜, 如瑪里雅蛇綠巖中的火山巖, 包括MORB, OIB和IAB等類型[35], 與典型的洋中脊俯沖所形成的巖漿產物類似[36]; 另一部分研究者, 如 Zhu 等[2,13]則認為, 在早石炭世早期, 古生代洋盆已經閉合, 西準噶爾地區發展到造山后伸展階段, 伴隨有強烈的大陸火山活動, 形成石炭紀火山盆地。

與經典的弧英安巖以及埃達克火山巖[37]相比(表 3), 太勒古拉組英安巖Sr含量平均為 195 μg/g, Sr/Y 平均值為 5.2, La/Yb 平均值為 4.6, 遠小于經典的弧英安巖和埃達克巖; Y 和 Yb 含量遠大于埃達克巖, 與經典的弧英安巖類似; La 含量卻小于經典弧英安巖的 1/2。與下伏前石炭紀地層相比, 太勒古拉組基本上未變形, 變質程度較輕。結合稀土元素分配型式和微量元素原始地幔標準化圖解特點, 我們認為本文所研究的英安巖可能形成于板內裂谷環境。

天山及鄰區(包括準噶爾地區和天山地區, 直至塔里木盆地北緣)早石炭世火山巖系與下伏地層(包括前寒武紀結晶基底和前石炭紀褶皺基底)之間呈廣泛的區域性不整合接觸關系[38]。這一規模巨大的區域性角度不整合面上下的地層, 在巖相古地理、變質程度和變質樣式上均迥然有別。不整合面之上, 石炭紀火山巖系地層變質輕微或未變質, 變形不強烈, 呈舒緩褶皺; 不整合面之下, 地層深度變質, 具強烈褶皺變形。這些特征暗示下石炭統之下的不整合面應代表一個重大的地質事件, 即在古生代洋盆(古亞洲洋)閉合之后, 又發生廣泛的裂谷伸展[2,38-39]。

太勒古拉組英安巖不整合于達拉布特蛇綠巖之上[13], 且屬于裂谷階段的產物, 說明達拉布特特蛇綠巖在 349 Ma 之前已經完成侵位。西準及其鄰區東哈薩克斯坦地區的早古生代洋盆, 在俯沖消減過程中并沒有發生最終的陸殼碰撞而完全閉合, 而是形成西準?東哈薩克斯坦晚古生代殘余洋盆, 處于板內演化的大地構造環境[1,40]。

5 結論

1) LA-ICP-MS 鋯石 U-Pb 定年結果表明, 薩爾托海英安巖年齡為 349±2 Ma。該英安巖不符合弧英安巖以及埃達克火山巖的地球化學特征, 可能形成于板內裂谷環境。

2) 達拉布特蛇綠巖被早石炭統火山?沉積巖不整合覆蓋, 說明達拉布特蛇綠巖的侵位時限不晚于349 Ma。

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LA-ICP-MS U-Pb Zircon Age of Dacite in Tailegula Formation and Their Constraints on Emplacement of Darbut Ophiolite in West Junggar

ZHAO Lei1,?, HE Guoqi2

1. Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037; 2. The Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution (MOE), School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; ? E-mail: jleiz@163.com

The Darbut ophiolite in West Junggar is covered unconformably by sedimentary-volcanic series of Tailegula Formation in Sartohay region. LA-ICP-MS U-Pb dating on zircons from dacite gives the206Pb/238U weighted mean age of 349±2 Ma, indicating that the Tailegula Formation was formed in Tournaisian of Early Carboniferous. The dacites show right-oriented linear REE patterns with LREE enrichment and negative Eu anomaly. In trace element primitive mantle normalized diagram, the standardized abundance of all samples increase as rising of the element incompatibility. The average Sr, Sr/Y, and La/Yb of dacites in Tailegula Formation are 195 μg/g, 5.2 and 4.6, respectively, much less than those of classic arc dacites and adakites. Combined with low-grade deformation and metamorphism, the dacites in Tailegula Formation are suggested to erupt in rift environment.

West Junggar; Darbut ophiolite; Tailegula Formation; dacite; zircon U-Pb dating; rift

10.13209/j.0479-8023.2015.146

P581

2015-04-15;

2015-06-02; 網絡出版日期: 2016-03-18

國家自然科學基金(41202159)、國家國際科技合作專項(2010DFB23390)和中國地質調查局項目(12120115070301)資助