新疆謝米斯臺山中段二疊紀哈爾加烏組玄武巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡、巖石地球化學特征及構造意義

邸曉辰，舍建忠，賈建

(新疆維吾爾自治區地質調查院，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆謝米斯臺山中段二疊紀哈爾加烏組玄武巖位于新疆西準噶爾西北緣的謝米斯臺山中段阿克布拉克一帶，準噶爾西北緣地處于西伯利亞板塊、哈薩克斯坦板塊和塔里木板塊交匯處，是中亞增生造山帶的關鍵部位[1]，晚古生代是準噶爾盆地構造體制的重要轉折階段[2-3]，隨著殘余洋盆的消亡，發生了多期陸相火山噴發、大規模富堿巖漿侵入，與幔源巖漿作用有關的成礦作用使之成為準噶爾西北緣的重要成礦期[4-5]。二疊紀火山作用是準噶爾地區晚古生代最晚一期火山作用，研究該地區基性火山巖對重新認識該地區火山作用特征、構造演化特征具重要意義，目前對該地區基性火山巖研究程度較低，且缺乏年代學研究數據。本文選取謝米斯臺山中段二疊紀哈爾加烏組玄武巖為研究對象，通過對謝米斯臺山中段二疊紀哈爾加烏組玄武巖的巖石學、同位素年代學、地球化學研究，對其地球動力學和大地構造環境進行探討(圖1)，更新對謝米斯臺山中段二疊紀哈爾加烏組玄武巖的認識，為進一步研究該地區構造演化提供可靠證據。

圖1 新疆西準主要構造圖(a);研究區地質簡圖(b)Fig.1 Main tectonic map of theWestern Junggar(a)and the geological sketch map of study area(b)

圖2 鋯石LA-ICP-MS年齡諧和曲線圖Fig.2 Concordia diagrams of LA-ICP-MS zircon U-Pb dating

1 地質背景

新疆西準噶爾西北緣謝米斯臺山中段位于哈薩克斯坦板塊、塔里木板塊和西伯利亞板塊交匯的中亞增生造山帶關鍵部位[6-7]。受古亞洲洋和周邊造山帶發展演化及構造運動影響，經歷了多階段不同性質的構造疊加[8]。該地區地質條件復雜，主要由一系列增生雜巖帶、古生代巖漿弧構成[6-8]，NE向斷裂構造發育。下二疊統整體為陸相安山巖-霏細巖組合，發育磨拉石沉積建造；早二疊世開始發育強烈火山活動，該時期伴隨大陸初始裂谷發育。

研究區二疊系哈爾加烏組出露于布龍果爾西側和查干哈木一帶，可分為上、下兩段，下段以酸性流紋質火山巖為主，上段以中基性火山巖夾火山碎屑巖組合為主(圖1)。下段巖性主要為石英正長斑巖、流紋質晶屑凝灰巖、流紋質含角礫晶屑玻屑凝灰巖、流紋質火山角礫巖，火山機構發育，圍繞火山機構，巖性具環帶狀分帶特征。上段巖性主要為青灰色玄武巖、灰色玄武質火山灰凝灰巖、灰色蝕變杏仁狀玄武巖、雜色玄武安山巖，基性火山巖以發育杏仁狀玄武巖為特征，氣孔特征較典型，可指示出熔巖的頂底構造，底部氣孔較少不規則，頂部氣孔較多，大而圓沿熔巖流動方向氣孔被拉長成彎曲管狀，拉長方向主要為NE向。

2 巖石學

謝米斯臺山中段二疊紀哈爾加烏組玄武巖具斑狀結構，斑晶礦物為輝石和斜長石，但含量較低。輝石呈半自形粒狀，粒徑細，約0.3～0.6 mm，被次生蝕變礦物綠泥石取代。斜長石半自形板狀、粒狀分布，被簾石和石英交代。基質具間粒結構，由板條狀微晶斜長石、輝石、磁鐵礦及蝕變礦物等構成，斜長石微晶雜亂或交織狀分布，其間充填輝石和磁鐵礦，多具泥化或被簾石交代。磁鐵礦半自形-他形粒狀，粒徑很細，小于0.06 mm，分布在長石粒間。輝石半自形粒狀，粒徑很細，少部分被綠泥石取代。巖石中次生蝕變作用較明顯，主要為綠泥石化和簾石化，交代輝石及斜長石。杏仁體不規則狀，被簾石和綠泥石充填。

3 制樣及分析方法

用于LA-ICP-MS(激光剝蝕電感耦合等離子體質譜)鋯石U-Pb測年的樣品均為較新鮮的謝米斯臺山中段二疊紀哈爾加烏組玄武巖。對野外采集的4件樣品進行了全巖分析，并選取1件新鮮的玄武巖樣品進行鋯石U-Pb測年。測試樣品均采自較新鮮的基巖露頭，采樣位置避開了研究區內斷裂構造破碎帶、蝕變帶和接觸帶等，蝕變程度低，杏仁和氣孔構造少。

LA-ICP-MS鋯石原位U-Pb定年在西安地質調查中心實驗測試中心完成，主量元素分析在新疆地質礦產開發局中心實驗室采用X射線熒光光譜儀(XRF)進行測定，稀土和微量元素在新疆地質礦產開發局中心實驗室采用等離子體質譜儀進行測定。具體儀器參數、樣品制備方法、分析流程及數據處理方法參考實驗室官方文獻。

4 鋯石LA-ICP-MS U-Pb年齡

從玄武巖樣品中選取鋯石為淺黃-無色透明呈正方雙錐狀、紐柱狀及半截錐狀的自形晶體，晶體長約0.10 mm，寬約0.05 mm，長寬比約為2∶1，陰極發光圖像反映鋯石具典型巖漿鋯石環帶特征，但環帶較寬，環帶密度較稀疏，屬于巖漿結晶的產物[9]。對所選玄武巖樣品鋯石進行LA-ICP-MS U-Pb鋯石測年分析，鋯石年齡為(298.2±4.7)Ma(MSWD=0.86，probability=0.52)，屬早二疊世(圖2)。

5 巖石地球化學特征

5.1 主量元素地球化學

謝米斯臺山中段二疊紀哈爾加烏組玄武巖w(SiO2)為48.03%～51.34%，平均49.43%，屬于基性玄武巖。巖漿噴溢過程，可能未經一定的結晶分異過程，w(TiO2)為1.18%～1.66%，與MORB(洋中脊玄武巖)平均值(w(TiO2)=1.5%)近似。w(P2O5)為0.40%～0.50%，平均0.44%；w(CaO)=3.73%～8.28%，平均6.06%；w(MgO)=4.39%～7.95%，平均5.53%；與板內類型玄武巖(w(CaO)=9.70%，w(MgO)=5.90%)較為接近。Mg#值為34～51，平均42，其值較小，表明經歷了較弱的分離結晶作用；全堿豐度(w(Na2O+K2O)為3.3%～5.71%，平均4.37%)較高，整體呈越偏酸性全堿豐度越高的趨勢；w(Na2O)=2.74%～4.46%，平均3.26%；w(K2O)=0.56%～1.39%，平均1.15%，具相對富鈉的特征。

根據不活動高場強元素分類圖，反映該玄武巖為安山玄武巖、亞堿性玄武巖(圖3-a)，在w(K2O)-w(SiO2)圖解中(圖3-b)，主要落入中低鉀區域。綜上所述，該玄武巖具中低鉀安山玄武巖特征。

圖3 謝米斯臺山中段二疊紀哈爾加烏組玄武巖TAS圖解(a)和K2O-SiO2圖解Fig.3 TAS diagram(a)and K2O-SiO2diagram(b)of Haerjiawu Formation in the middle of Xiemisitai mountain

5.2 稀土元素和微量元素地球化學

謝米斯臺山中段二疊紀哈爾加烏組玄武巖稀土分布曲線呈向右下緩傾斜曲線分布模式，輕、重稀土含量依次降低(圖4-a)。稀土元素總量為93.98×10-6～124.09×10-6，平均為116.69×10-6，輕稀土總量為77.59×10-6～124.49×10-6，平均99.32×10-6，重稀土總量為16.32×10-6～20.36×10-6，平均17.36×10-6，∑LREE/∑HREE 為 4.73×10-6～6.35×10-6，平均為5.70×10-6，顯示兩者分異明顯。(La/Yb)N值為3.81～5.77，平均為4.95，因而分布曲線具較平直并略為右傾的特征，屬輕稀土富集型。δCe值為0.84～0.89，平均為0.86，Ce負異常不明顯，表明火山巖受表生作用改造較弱，δEu值為1.06～1.25，平均為1.14，表現出微弱的Eu正異常，說明巖漿的斜長石結晶分離較弱[11]。

圖4 謝米斯臺山中段二疊紀哈爾加烏組球粒隕石標準化的稀土元素分布模式(a)和原始地幔標準化多元素蛛網圖(b)Fig.4 Chondrite-normalized REE distribution patterns(a)and primitive mantle-normalized multi-elements spider diagram(b)in Haerjiawu Formation

由圖4-b可見，大離子親石元素Ba，Th，K，Sr輕微富集，其中兩個樣品Rb，K含量低，為測年樣品，可能與巖石較新鮮及氣孔和杏仁體較少有關，也從側面反映了測年樣品遭受后期熱液改造、變質作用及地表的影響較小。蛛網圖總體呈隆起型的微量元素分布形式。高場強元素Zr，Hf，Nb，Ta在蝕變和變質作用過程中具良好的穩定性，是巖石成因和源區性質的良好示蹤劑。樣品高場強元素Nb，Ta相對虧損，Zr，Hf輕微虧損，總體表現出與俯沖帶相關的大陸或島弧巖漿作用特征。以上特征可能與巖漿上升過程中地幔楔形體等消減組分加入或陸殼混染作用有關。陸殼的混染作用往往會造成不相容元素(ICE)Gd，Tb，Dy，Y，Ho，Yb，Lu的升高，而研究區哈爾加烏組玄武巖的ICE豐度相對較低。因此，可否定樣品的Nb，Ta虧損和Zr，Hf的輕度虧損與陸殼混染作用有關，而是巖漿上升過程中地幔楔形體等消減組分加入的結果。

研究區哈爾加烏組火山巖Nb豐度為5.50×10-6～10.50×10-6(表1)，平均8.81×10-6，Ta豐度0.40× 10-6～1.05×10-6，平均0.73×10-6，明顯高于島弧拉斑玄武巖Nb，Ta豐度(w(Nb)為1.70×10-6～2.70×10-6，w(Ta)為0.10×10-6～0.18×10-6)，高于洋脊拉斑玄武巖(w(Nb)為4.46×10-6，w(Ta)為 0.29×10-6)；Nb/Ta值為 7.62～15.00，平均為12.12，低于原始地幔(Nb/Ta=17)[20]，Zr豐度為111.00×10-6～174.00×10-6，平均 139.22×10-6，Hf豐度2.80×10-6～4.20×10-6，平均為3.32×10-6，明顯高于火山弧拉斑玄武巖、鈣堿性玄武巖和鉀玄巖的Zr、Hf豐度(Zr的豐度分別為40×10-6、71×10-6、87×10-6，Hf的豐度分別為1.17×10-6、2.23×10-6、2.24×10-6)；Zr/Hf比值(39.64～43.23，平均 41.98)接近原始地幔(Zr/Hf=36)。

6 構造環境分析

大陸地殼或巖石圈混染作用顯示出近似消減帶影響效果，并導致將受到混染的大陸玄武巖誤判為島弧玄武巖。Zr和Y在大陸玄武巖中遭受地殼或巖石圈混染時相對其他元素受到的影響較小，其濃度基本保持穩定，使用這兩種元素作為判別因子的構造環境判別圖可有效規避由地殼或巖石圈混染造成的誤判[23]。在Zr/Y-w(Zr)判別圖解中，大部分點落在板內玄武巖區域內，而與島弧玄武巖和洋中脊玄武巖區域相距甚遠(圖5-a)。在Nb/U-w(Nb)判別圖解中(圖5-b)，大部分點落入大陸玄武巖范圍內，表明研究區哈爾加烏組玄武巖具板內大陸火山活動的特征。

表1 哈爾加烏組玄武巖主量元素與微量元素化學成分Table 1 Major and trace element contents of basalt from Permian Haerjiawu Formation

研究區玄武巖樣品的LILE富集和Nb，Ta虧損，表現出火山弧火山巖的部分特征。一般認為，島弧巖漿主要為洋殼及沉積物在俯沖過程中形成的流體或熔體交代過的上覆地幔楔發生部分熔融所形成[26]，哈爾加組玄武巖樣品Th豐度較低(1.62×10-6～3.25×10-6，平均為2.24×10-6)，Ce/Th值(16.79～27.10，平均為 19.97)，和 Ba/Th 值(70.98～323.46，平均為184.83)，總體高于消減沉積物(Ce/Th≈8，Ba/Th≈111)，表明研究區火山巖巖漿源區基本沒有消減沉積物的加入。因此，研究區火山巖的弧火山巖特征可能與俯沖流體交代過的巖石圈地幔參與巖漿形成有關。在TFeO-Mg-Al2O3構造環境圖解中，樣品落于板內拉斑玄武巖和鈣堿性玄武巖區(圖6-a)；在2Nb-Zr/4-Y構造環境判別圖解主要投于造山帶環境區域內(圖6-b)。

圖5 謝米斯臺山中段二疊紀哈爾加烏組構造判別圖Fig.5 Tectonic discrimination diagrams of Haerjiawu Formationa——Zr/Y-Zr圖；b——Nb/U-Nb圖

圖6 TFeO-MgO-Al2O3圖解(a)和2Nb-Zr/4-Y構造判別圖解(b)Fig.6 TFeO-MgO-Al2O3(a)and 2Nb-Zr/4-Y(b)discrimination diagram

綜上所述，研究區發育的二疊系哈爾加烏組火山巖地球化學特征以板內大陸環境為主，兼具弧火山巖的部分特征，形成于與俯沖帶有關的碰撞后陸內環境，一般出現在俯沖造山期后的伸展背景下，火山巖樣品所表現出的島弧特征是對碰撞前混染弧組分的繼承，而非島弧環境。

7 結論

(1)新疆謝米斯臺山中段二疊紀哈爾加烏組玄武巖為青灰色氣孔或杏仁狀玄武巖，屬中低鉀安山玄武巖。鋯石年齡為(298.2±4.7)Ma(MSWD=0.86，probability=0.52)，屬于早二疊世。

(2)新疆謝米斯臺山中段二疊紀哈爾加烏組玄武巖的大離子親石元素Ba，Th，K，Sr相對富集，高場強元素Nb，Ta相對虧損，Zr，Hf輕微富集，不相容元素豐度整體相對較低，總體表現出與俯沖帶相關的大陸巖漿作用的特征。

(3)新疆謝米斯臺山中段二疊紀哈爾加烏組玄武巖以板內大陸環境為主，并形成于活動造山環境，推測該玄武巖形成于與俯沖帶有關的碰撞后陸內環境，且出現在俯沖造山期后的伸展背景下。

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