東天山石炭紀火山巖地球化學特征及其古環境意義

1東大亞地區石炭紀火山巖建造的地質意義東天山帶北側東、西準噶爾造山帶的西伯利亞地塊與北、南卡拉克姆-塔里木-中朝地塊之間。這是古代亞洲洋古生代構造的產物（肖旭昌等，1992；馬瑞士等，1993；周繼元等，1994；何國琦等，1994；夏林毅等，2002；馮益民等，2002；李錦儀等，2004；李錦儀等，2006；肖文交等，2006；高軍等，2006）。天山及其鄰區發育廣泛的石炭紀火山巖建造,長期受到大家的關注,但其構造歸屬及成因至今仍存在不同的認識:一種觀點認為天山地區石炭紀火山巖是古亞洲洋閉合后,大規模裂谷事件的產物(顧連興等,2000,2001a;夏林圻等,2002;王方正等,2002)。夏林圻等(2004)更是提出以天山為中心的中亞地區石炭-早二疊紀大規模裂谷火山事件與勞亞古陸(Laurasia)之下存在的一個全球尺度的地幔柱-超級地幔柱有關。第二種觀點認為天山石炭紀的火山巖建造是洋殼俯沖產生的巖漿弧(馬瑞士等,1993,李錦軼等,2002;左國朝等,2006;李曰俊等,2009)。由此產生的洋殼俯沖的方向問題,亦有著向南俯沖(左國朝等,2006)、向北俯沖(顧連興等,2001b)和雙向俯沖(李錦軼等,2002)的不同認識。迄今為止,天山地區石炭紀火山巖相當缺乏精確的定年測試資料。已經開展研究的石炭紀火山巖地區多數是針對單個地區的巖石學、地球化學、同位素年代學研究,對研究區的火山巖未開展過大尺度的地質剖面研究,缺少大尺度系統對比。為此本研究詳細考察了東天山康古爾塔格斷裂以南,阿奇克庫都克斷裂兩側,長約200km的石炭紀火山巖地層剖面(圖1),沿大體垂直于中天山北緣阿奇克庫都克斷裂的方向系統采集的一組火山巖樣品進行了詳細的巖石學、地球化學及鋯石U-Pb年代學研究,同時對比鄰區的研究成果,希望對東天山石炭紀火山巖的成因及構造歸屬提供有效的證據。2巖石學和礦物學特征研究區位于中國境內東天山中部,北以康古爾塔格斷裂與吐哈盆地為界,南至阿奇克庫都克斷裂以南的阿拉塔格地區出露的火山巖(圖2)。區內由北向南出露的地層包括企鵝山群(CQ)、干墩組(C1gd)、雅滿蘇組(C1ym)和底坎兒組(C2d)及卡瓦布拉克組(Pt)(圖2)。企鵝山群(CQ)位于覺羅塔格構造帶的北部,南側與干墩組以康古爾塔格斷裂為界,主要為一套變火山-沉積巖系。李向民等(2004)對東天山企鵝群中基性火山巖和酸性火山巖鋯石U-Pb測年結果分別為323±2Ma及320±2Ma。侯廣順等(2005)對東天山企鵝山群中安山巖鋯石SHRIMPU-Pb年齡為337±6Ma。干墩組分布在康古爾塔格斷裂帶與雅滿蘇斷裂之間,主體為一套砂巖-凝灰巖-硅質巖組合,形成于早石炭世晚期(周濟元等,1994)。雅滿蘇組南側以阿其克庫都克-沙泉子斷裂為界與中天山古隆起帶相隔,北側以雅滿蘇斷裂為界,主要為一套變火山巖-火山碎屑巖系,其中的火山巖以鈣堿性系列為主(何國琦等,1994)。李華芹等(1998)等獲得康古爾礦區阿齊山地區蝕變流紋巖Rb-Sr同位素年齡約為300Ma,蝕變安山巖的年齡為290Ma左右。楊興科等(1998)對侵位于阿齊山-雅滿蘇組的鐵嶺花崗閃長巖體Rb-Sr同位素測年結果為315Ma,并根據雅滿蘇組安山巖之下產出有早石炭世標準化石楞菊石,認為雅滿蘇組應屬于早石炭世。底坎兒組主要由一套火山熔巖及火山碎屑巖組成。李永軍等(2007)根據東天山庫姆塔格沙壟地區發現的牙形石,認為底坎兒組形成于晚石炭世,并通過對底坎兒組沉積環境的分析,認為其屬于弧后盆地建造。3火山巖結構特征研究區火山巖主要為一套低綠片巖相淺變質火山巖,類型包括變玄武巖、安山巖以及流紋巖,受區內兩條近東西向斷裂的控制,呈帶狀展布。區內的變玄武巖、安山巖、流紋巖多呈互層產出。灰綠色玄武巖塊多夾雜在淺灰色長英質巖石中,部分地區玄武巖與灰黑色輝綠巖脈互層產出(圖3a);安山巖多為紫褐色,斑狀結構,塊狀構造(圖3c)。流紋巖呈現灰色,局部隱約可見流紋構造,片理化明顯,巖體常雜有細長網狀分布的石英脈(圖3b)。受晚古生代末的右旋走滑的影響(李錦軼等,2002),研究區火山巖構造片理化發育,變形現象明顯,破碎強烈,常被擠壓成透鏡狀(圖3d)。在對區內的火山巖開展野外調查和詳細觀察的基礎上,沿近垂直地層走向的方向,系統采集一組火山巖樣品,其中變玄武巖樣品49個,安山巖樣品23個,流紋巖樣品17個。研究區玄武巖從結構特征可以分為兩種,第一種玄武巖塊狀構造,隱晶質結構,輝綠結構、斑晶不發育,斜長石含量約40%,(圖4a)。玄武巖中輝石主要為普通輝石,伴有較強的綠泥石化,含量約為45%,角閃石含量約為10%～15%,副礦物主要是榍石等;第二種為拉斑玄武巖,灰黑色,塊狀構造,斑狀結構。斑晶主要為拉長石,含量約30%,常伴有明顯的鈉黝簾石化和絹云母化。巖石基質為霏細結構,纖維交織結構。基質的礦物成分主要為輝石,部分輝石已經蝕變為綠泥石(圖4b)。安山巖常呈紫褐色,斑狀結構,塊狀構造。斑晶為斜長石,并伴有明顯簾石化和絹云母化。基質為隱晶質結構,副礦物主要為磁鐵礦,幾乎沒有石英的存在(圖4c)。酸性火山巖塊狀構造,隱晶質,霏細結構,無斑晶。主要礦物為含量相當的堿性長石和石英,副礦物主要為黑云母和鋯石等(圖4d)。4測試方法及結果在詳細的巖相學觀察基礎上,選取新鮮、無后期脈體交代的樣品,粉碎至200目進行全巖和微量元素地球化學分析,其中玄武巖樣品16個,安山巖樣品8個,流紋巖樣品7個。主量元素采用X熒光光譜儀,微量元素采用等離子質譜方法分析。全部測試工作均由國家地質實驗測試中心完成。火山巖的化學成分及微量和稀土元素分析結果列于表1中。從表1中可以看出研究區巖石的H2O與CO2含量總和在1.16%～7.15%之間,與顯微鏡下觀察到的巖石遭受過一定的蝕變作用現象一致。4.1酸性火山巖sio和al2o3含量隨構造置放時間的變化從圖SiO2-Nb/Y(圖5)中可以看出本區的巖石樣品除一個樣品外,全部落入了亞堿性系列區域。本區玄武巖的TiO2含量介于0.96%～1.95%之間,絕大多數變化于典型的洋脊拉斑玄武巖(平均1.5%)和島弧拉斑玄武巖(平均0.84%)TiO2含量之間。玄武巖MgO變化范圍較寬,在2.93%～8.01%之間。安山巖的SiO2含量在53.26%～62.64%之間變動,Al2O3含量介于12.55%～16.99%之間。MgO含量較低,介于2.25%～4.63%之間,TiO2含量在0.59%～1.64%之間變動,與典型的島弧與陸緣弧安山巖相似。酸性火山巖SiO2和Al2O3含量變化較大,分別變動于66.09%～79.41%和9.55%～15.13%之間,它們Al2O3含量總是大于CNK含量的總和,具有過鋁質的特征。在AFM圖解(Ringwood,1975)(圖6)上可以看出,研究區的火山巖具有典型的鈣堿性(CA)序列演化趨勢,暗示其可能形成于較成熟的島弧環境(潘桂棠等,2008)。4.2la/yb/laeb的右傾斜率值創造分析結果(表1)表明,研究區玄武巖的∑REE較低且變化較大,變動于66.41×10-6～177.2×10-6之間。∑LREE/∑(HREE+Y)和(La/Yb)N比值可分為明顯不同的兩類,第一類∑LREE/∑(HREE+Y)和(La/Yb)N比值小于1,其REE球粒隕石標準化配分曲線上(圖7a)與LREE虧損的洋脊玄武巖的曲線型式相似(Roexetal.,1983)。第二類(La/Yb)N比值大于1,其REE球粒隕石標準化曲線(圖7a)呈現出LREE輕微富集的右傾負斜率曲線,且配分曲線大體平行,暗示它們可能是同源演化的產物。安山巖的∑LREE/∑(HREE+Y)和(La/Yb)N比值穩定且大于1,∑REE略高于玄武巖,具有輕微的Eu負異常,具有典型島弧型安山巖的REE配分曲線型式特征(圖7b)(CullersandGraf,1984)。英安巖與流紋巖具有輕稀土富集的右傾正斜率曲線型式(圖7c)。δEu變化較大,介于0.07～0.66之間,說明它們經歷了中等到高程度的斜長石分離結晶作用。4.3n-morb的島弧/陸緣弧玄武巖微量元素特征(圖8a)亦顯示出其具有兩種不同的型式,第一類玄武巖微量元素豐度整體較低,沒有明顯的Nb、Ta虧損和LILE富集,與N-MORB型玄武巖的微量元素特征相似。第二類玄武巖相對于第一類玄武巖具有較高的微量元素豐度,具有明顯的LILE富集和Nb、Ta虧損,具有典型的島弧玄武巖的特征。在Nb/Y-Zr/Y圖解中(圖9)(Kerretal.,1997),第一類玄武巖落在了N-MORB附近。第二類玄武巖除一個點外,全部落在了N-MORB與平均大陸地殼的混合線上。這種分布特征說明,盡管兩類玄武巖經歷了不同礦物的結晶分離作用,受地殼的影響明顯不同,但兩者可能具有相同的地幔源區,是同源巖漿演化的產物。安山巖微量元素N-MORB標準化蛛網圖具有典型的島弧/陸緣弧(圖8b)的特征。流紋巖微量元素具有富Rb、Th,貧Nb、Ta的特點(圖8c),特別是Rb、Th的尖峰都顯示出消減帶的特征。5采樣點巖石巖性為了獲取火山巖的時代,采用LA-ICP-MS法對研究區兩處位置的巖體中的巖漿鋯石進行了U-Pb同位素年齡測試。兩處采樣點巖石巖性均為流紋巖,第一處位置采樣點地理位置為92°13′37″,42°01′38″,構造位置位于阿奇克庫都克斷裂以北,屬于石炭紀底坎兒組,樣品編號為07Y-1148。第二處位置采樣點地理位置為91°49′17″,41°37′42″,構造位置位于阿奇克庫都克斷裂以南,樣品編號為07Y-1219。5.1鋯石的外標和內標鋯石的陰極發光(CL)顯微照相在北京離子探針中心電鏡實驗室完成。鋯石原位U-Pb同位素年齡分析在中國地質調查局天津地質調查中心(天津地質礦產研究所)完成,鋯石定年分析所用儀器為FinniganNeptune型MC-ICP-MS及與之配套的NewwaveUP193激光剝蝕系統。激光剝蝕斑束直徑為35μm,激光剝蝕樣品的深度為20～40μm。鋯石年齡計算采用國際標準鋯石91500作為外標,元素含量采用美國國家標準物質局人工合成硅酸鹽玻璃NISTSRM610作為外標,29Si作為內標元素進行校正。數據處理采用ICPMSDataCal4.3程序(Liuetal.,2008),并對測試數據進行普通鉛校正(Andersen,2002),年齡計算及諧和圖繪制采用ISOPLOT(3.0版)(Ludwig,2003)軟件完成。5.2鋯石u-pb年齡樣品07Y-1148挑選的鋯石顯微鏡下多為無色透明,短柱狀、自形-半自形晶,具有較小的長寬比。鋯石的粒徑變化在50～100μm之間。多數的鋯石陰極發光圖像表現出明顯的巖漿型震蕩環帶,少數兼有扇形分帶結構和補丁狀結構,表現出典型的巖漿型鋯石的CL結構。從圖10中可以看出該樣品的鋯石幾乎沒有受到后期變質流體的蝕變和改造作用。樣品07Y-1148共分析測試了37個點,鋯石的U-Pb測試數據見表2。鋯石的Th/U比值介于0.31～0.80之間,具有典型巖漿成因鋯石的特征(Vavraetal.,1999;WuandZheng,2004)。37個分析測試點的平均年齡為320.5±1.2Ma(MSWD=1.3)(圖11)。樣品07Y-1219鋯石顯微鏡下多為無色透明,長柱狀自形晶,粒徑在100～200μm之間,具有較大的長寬比。鋯石陰極發光圖像具明顯的巖漿型震蕩環帶(圖12)。該樣品共分析測試了31個點,鋯石的U-Pb測試數據見表3。鋯石的Th/U比值介于0.32～0.93之間。除兩個點的年齡明顯老于其他測點外,其余29個分析測試點的平均年齡為295±0.7Ma(圖13)。6討論6.1境判別解中的雙質質低效巖Hf、Th、Ta屬于不活潑元素,較少受到變質和蝕變作用的影響,而部分熔融和分離結晶作用對它們亦影響不大,可以很好的反映玄武巖的源區性質(Woodetal.,1979)。在Hf/3-Th-Ta(圖14)構造環境判別圖解中第一類玄武巖((La/Yb)N<1)落在MORB區域;第二類玄武巖((La/Yb)N>1)絕大多數落在了島弧玄武巖區域。研究表明西南盆地和Sunda島弧弧后盆地張開的早期階段,玄武巖的成分和來源非常復雜,通常具有裂谷的特征,可能是兩種或兩種以上的不同地幔端員混合的產物(Dossoetal.,1988)。有些玄武巖富集大離子親石元素,并伴有Ta、Nb的負異常,顯示出來自弧后盆地消減的巖石圈。隨著擴張發展到弧后盆地的成熟階段,消減作用減弱,玄武巖具有MORB的特征。研究區的石炭紀火山巖明顯存在些島弧和洋脊兩類玄武巖(圖14),且伴有明顯的Ta和Nb的負異常(圖8a),說明研究區的石炭紀火山巖形成于弧后盆地環境。6.2成因與構造環境東天山石炭紀火山巖主要由玄武巖、安山巖及流紋巖組成。從圖1和圖2可以看出東天山石炭紀火山巖的分布主要受到雅滿蘇和阿奇克庫都克斷裂控制,具有明顯近東西向帶狀展布的特征。為此將研究區的火山巖空間劃分為三個帶,北帶以雅滿蘇斷裂以南石炭紀火山巖建造為代表,中帶以阿奇克庫都克斷裂北側的底坎兒組火山巖建造為代表,南帶以阿奇克庫都克以南的石炭紀火山巖建造為代表,結合本文及收集的前人的石炭紀玄武巖地球化學數據進行了對比研究。從表4和圖15中可以看出,在SiO2含量相近的情況下,東天山石炭紀玄武巖的K2O/Na2O從北向南整體上逐漸增大,南帶相比北帶增加更是明顯。圖16的微量元素N-MORB標準化圖解也可以清楚的看到從北帶→中帶→南帶LILE豐度顯示出逐漸增高的趨勢。在玄武巖Th/Yb-Ta/Yb構造圖解上(圖17)從北帶→中帶→南帶,東天山玄武巖受地殼混染作用逐漸增強,構造環境逐漸由N-MORB向島弧轉變,并最終轉變為活動大陸邊緣的構造環境。主量和微量元素的分析表明(表4),中天山石炭紀火山巖從北向南玄武巖成分,在SiO2含量相近的情況下,K2O、K2O+Na2O、K2O/Na2O、LILE元素(Rb、Ba、Sr等)和HFSE元素(Nb、Ta、Th、Zr等)存在空間上的規律性變化。這與中、新生代島弧和活動大陸邊緣產出的火山巖的成分極性變化相一致,即由海溝向大陸一側,在SiO2含量相近的情況下,K2O、K2O+Na2O、K2O/Na2O、LILE元素(Rb、Ba、Sr)和HFSE元素(Nb、Ta、Th、Zr)呈規律性增加(Dickinson,1975;駱庭川等,1993)。在俯沖帶環境中,巖漿源區物質主要來自4個部分:(1)地幔楔中的橄欖巖;(2)俯沖帶中的流體;(3)俯沖板片部分熔融形成的熔體;(4)大陸地殼物質的同化混染(Macdonaldetal.,2000)。與板片俯沖有關的火山巖的Zr/Nb比值一般在10～60之間變化(Davidson,1996)。研究區三個帶中玄武巖的Zr/Nb比值變動于7.78～44.1之間,表明它們的源區物質比較復雜。用Yb標準化后的比值可以消除或減少部分熔融和分離結晶作用對于玄武巖微量元素的影響,從而確定其源區的地球化學性質(Macdonaldetal.,2000)。Nb/Yb-Zr/Yb圖解上(圖18),東天山石炭紀火山巖三個帶的樣品除兩個樣品外,大部分落在了富集地幔區域,表現出從北帶→中帶→南帶逐漸富集的特征,且南帶比北帶富集程度明顯增高,暗示東天山石炭紀玄武巖源區由北向南可能經歷了不同程度的俯沖帶流體或熔體的改造作用。洋底沉積物中高度富集Th(PlankandLangmui,1989;Benetal.,1989),而Ce在熱液中的活動性比Th強,因此Th/Ce比值可以很好的識別俯沖板片中沉積物組分對于俯沖帶巖漿的貢獻率(Youetal.,1996)。東天山石炭紀玄武巖的Th/Ce比值變動于0.021～0.13之間,在Sr/Th-Th/Ce圖解(圖19)中,中帶和南帶的玄武巖的Th/Ce比值明顯的高于北帶,從北向南逐漸向著大陸地殼平均值靠近,說明北帶→中帶→南帶玄武巖受到俯沖板片所攜帶的沉積物混染的影響明顯增強。綜上所述,東天山石炭紀基性熔巖從北向南地球化學性質在空間上存在規律性的變化,具有明顯的成分分帶是客觀存在的事實。隨著北帶→中帶→南帶的過渡,流體改造作用和俯沖板片攜帶沉積物對玄武巖的影響明顯增強,與環太平洋中、新生代島弧和活動大陸邊緣產出的火山巖的成分極性變化一致。島弧或活動大陸邊緣巖漿中的成分極性是俯沖帶上盤巖漿活動的基本規律,這種成分極性主要與板塊俯沖消減運動有關。認為東天山石炭紀火山巖的成分極性規律是古亞洲洋向南俯沖的結果。6.3東天山石炭紀弧盆巖的性質經典的板塊構造模式認為洋脊擴張引發洋盆擴張、洋殼俯沖的過程派生出的一系列巖石組合記錄了洋殼產生→俯沖→閉合的歷史。東天山石炭紀是一套拉斑質-鈣堿質基性熔巖建造(馬瑞士等1993;李錦軼等,2002;左國朝等,2006;侯廣順等,2006;吳春偉等,2008;李曰俊等,2009;本文資料),說明東天山在石炭紀曾經存在一個弧盆體系。東天山石炭紀火山巖存在著由北向南的地球化學成分分帶,其極性的變化類似于環太平洋中-新生代島弧和活動大陸邊緣產出的火山巖的成分極性,暗示古亞洲洋殼在石炭紀存在著向東南準噶爾-吐魯番-哈密陸塊下的俯沖。隨著洋殼的俯沖的進行,在東天山覺羅塔格地區引發了弧后盆地分裂擴張,產生了具有富集大離子親石元素,并伴有Ta、Nb的負異常的N-MORB和IAT兩類玄武