新疆西準噶爾巴爾努克早石炭世富Nb 島弧玄武巖的發(fā)現(xiàn)及其地質(zhì)意義*

李永軍 沈銳 王冉 郭少婷 佟麗莉 楊高學

LI YongJun，SHEN Rui，WANG Ran，GUO ShaoTing，TONG LiLi and YANG GaoXue

長安大學地球科學與資源學院，西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點實驗室，西安 710054

Key Laboratory of Western China’s Mineral Resources and Geological Engineering，Ministry of Education，Earth Science ＆ Resources College of Chang’an University，Xi’an 710054，China

2014-01-08 收稿，2014-04-25 改回.

1 引言

富Nb 玄武巖或富Nb 玄武質(zhì)巖石是近年來巖石學家和巖石地球化學家們十分關注的一種極為獨特和少見的新巖石類型。最早于1993 年由Sajona 等在研究菲律賓Mindanao的Zamboanga 半島的島弧玄武巖時發(fā)現(xiàn)(Sajona et al.，1993)。隨后僅在加拿大(Hollings and Kerrich，2000;Wyman et al.，2000;Polat and Kerrich，2001;Hollings，2002;Ujike and Goodwin，2003;Ujike et al.，2007)、西澳(Smithies et al.，2005)等地見及，在俄羅斯東北波羅的也有報道(Shchipansky et al.，2004)?？傊?，這類巖石在國內(nèi)外的報道并不多。

富Nb 玄武巖主要由鈣堿性系列的玄武巖或玄武安山巖組成，其礦物與正常島弧巖石相似。Sajona et al.(1993)確認富鈮島弧玄武巖是一類硅飽和，并富鈉的島弧玄武巖，與正常島弧玄武巖相比，它具有相對高的Nb(7 ×10-6～16 ×10-6)、TiO2(1% ～2%)和P2O5含量，以及低LILE/HFSE 和LREE/HFSE 比值，同時富集高場強元素;原始地幔標準化微量元素蛛網(wǎng)圖顯示了弱的Nb、Ta 負異常(有時出現(xiàn)弱的正異常)，(La/Nb)PM比值小于2，但很少小于0.7(Sajona et al.，1993，1996)。富Nb 玄武巖的共生巖石組合極為獨特，或與埃達克巖共生，或為埃達克巖+富鈮玄武巖+高鎂安山巖組合(Sajona et al.，1994)。因此，它們是大洋板片俯沖作用的直接產(chǎn)物，是典型的島弧巖漿巖組合，有特定的構(gòu)造環(huán)境意義(許繼峰等，2001;張海祥等，2004，2005，2008;趙振華等，2006;王強等，2003，2006)。

迄今，在中國發(fā)現(xiàn)和確認的富Nb 島弧玄武質(zhì)巖石報道更少，除冀北太古代麻粒巖帶和其北側(cè)古元古代地層中發(fā)現(xiàn)富Nb 玄武質(zhì)巖石(王仁民等，2007)外，其他僅有的4 處均產(chǎn)于新疆，分別位于阿拉套山(王強等，2003)、北天山(王強等，2006)、阿勒泰南緣(張海祥等，2004)、西準東部(王方正等，2002)等(圖1)。

西準東部陸梁地區(qū)的富Nb 玄武巖(王方正等，2002)，因樣品采于石油鉆孔中，地層對比受限，原劃歸下石炭統(tǒng)包古圖組無確切證據(jù)。而我們近年在這一帶進行多個1∶5 萬區(qū)域地質(zhì)填圖中，地表已全部精細控制了包古圖組的分布，雖發(fā)現(xiàn)了多個玄武巖及玄武安山巖夾層，但并未發(fā)現(xiàn)有富Nb玄武巖產(chǎn)出。

圖1 新疆富Nb 玄武巖分布簡圖(底圖據(jù)王強等，2006，有改動)Fig.1 Distribution of the Nb-enriched basalts in Xinjiang (modified after Wang et al.，2006)

圖2 巴爾努克富Nb 玄武巖地質(zhì)簡圖(底圖據(jù)田陟賢等，2013，有改動)Fig.2 Geological sketch of the Nb-enriched basalts in Barnuke (modified after Tian et al.，2013)

阿勒泰南緣的富Nb 島弧玄武巖產(chǎn)于富蘊縣境內(nèi)的下泥盆統(tǒng)托讓格庫都克組中(張海祥等，2004)，形成于島弧環(huán)境無異議。

北天山的延東、土屋富Nb 玄武巖(王強等，2006)，伊寧地塊的阿拉套、巴侖臺-駱駝溝的富Nb 玄武巖(王強等，2003，2006)是否屬于島弧環(huán)境還有較大認識分歧，夏林圻等(2009)專文指出其是富Nb 大陸玄武巖，而并非真正意義上的富Nb 島弧玄武巖。

因此，富Nb 島弧玄武巖的發(fā)現(xiàn)和報道，對于豐富我國富Nb 島弧玄武巖產(chǎn)地與層位，提供更多研究其地球化學特征的信息，揭示其分布區(qū)大地構(gòu)造環(huán)境有重要的意義和價值。新疆西準巴爾努克山一帶早石炭世黑山頭組富Nb 島弧玄武巖的發(fā)現(xiàn)，也為肯定本區(qū)這一時期位于島弧構(gòu)造環(huán)境提供了可靠依據(jù)。

2 地質(zhì)概況與巖石學特征

研究區(qū)巴爾努克山一帶位于西準西部(圖1、圖2a)，歸屬于謝米斯臺火山巖帶(丁天府，1998)內(nèi)。該火山巖帶形成于古生代準噶爾洋閉合時洋-陸格局演化期間(李錦軼等，2006)，發(fā)育中奧陶世-早二疊世的火山巖。前人無富Nb 島弧玄武巖的報導。

本文報導的早石炭世黑山頭組(C1h)，據(jù)其巖石組合劃分為上、下兩段(圖2b，c)。下段(C1ha)主要為火山熔巖(局部夾凝灰?guī)r)，底部為淺灰色粉砂巖與深灰色泥巖互層(圖3a)。火山巖厚度＞400m，主要巖性為深灰-灰黑色玄武巖、玄武安山巖，次為安山玄武巖，個別見氣孔、杏仁構(gòu)造。該套火山巖在走向上還見有英安巖和少量流紋巖，總體顯示為一套海相鈣堿性火山巖組合;上段(C1hb)為陸源碎屑巖夾凝灰質(zhì)砂巖(圖3b)，產(chǎn)珊瑚、腕足等化石。黑山頭組與泥盆系巴爾努克組(D2be)呈斷層接觸，后者巖性主要為深灰色、灰色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、硅質(zhì)巖夾凝灰粉砂巖及砂質(zhì)灰?guī)r，為一套次深海相(大陸邊緣弧型)復理石沉積。二疊系庫吉爾臺組(P2k)陸相磨拉石建造呈角度不整合覆于前二疊系之上(圖2c)。

區(qū)內(nèi)從泥盆紀到晚石炭世全為海相沉積建造，黑山頭組火山巖之上覆地層為深灰色硅質(zhì)凝灰質(zhì)粉砂巖，其間的泥灰?guī)r夾層中見腕足化石，其下伏地層為淺灰色粉砂巖-深灰色泥巖互層，并有珊瑚、腕足化石產(chǎn)出，是典型的海相沉積組合(圖3a)，佐證該套火山巖為海相建造。

圖3 巴爾努克富Nb 玄武巖之下伏地層(a)與上覆地層照片(b)Fig.3 The photographs of underlying (a)and overlying(b)strata of the Nb-enriched basalts in Barnuke

作者等在富Nb 玄武巖下伏碎屑巖中采獲早石炭世Cladopora vermicularies，Thamnopora boloniensis，F(xiàn)amenelasma cf. sinensis 等珊瑚、腕足化石，其時代與富Nb 玄武安山巖中的LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 年齡(349Ma，田陟賢等，2013)相吻合。

采樣地黑山頭組火山巖總體以玄武巖或玄武質(zhì)巖石為主，共生有安山巖及少量英安巖。巖石多為深灰-灰黑色，個別灰綠色，斑狀結(jié)構(gòu)。鏡下以間隱結(jié)構(gòu)為主(圖4a，b)，少數(shù)具間粒結(jié)構(gòu)(圖4c)。玄武巖斑晶以拉長石(Pl)為主，輝石(Px)次之?；|(zhì)由斜長石、輝石和火山玻璃組成間隱結(jié)構(gòu)。少量玄武巖大斑晶為斜長石，小斑晶由普通輝石、斜長石組成，雜亂分布的長條狀斜長石格架中充填普通輝石和橄欖石(偶見并已伊丁石化)，另見間粒間隱結(jié)構(gòu)。拉長石大多數(shù)以斑晶存在，呈板條狀，粒徑多1 ～2mm，含量20% ～30%;輝石含量2% ～5%，斑晶和基質(zhì)中均有，斑晶中多無色，短柱狀，兩組正交解理發(fā)育，多色性不明顯。

3 地球化學特征及構(gòu)造環(huán)境

本次在火山巖中逐層采樣22 件，剔除部分分析超差樣品和中酸性火山巖樣品，共有13 件樣品符合玄武巖或玄武質(zhì)巖石。主要分析數(shù)據(jù)見表1、表2、表3(主量與微量元素測定在長安大學教育部重點實驗分別用濕法和ICP-MS 方法，Nd、Sr 同位素組成在北京核工業(yè)地質(zhì)研究院TIMS 方法)。

圖4 巴爾努克富Nb 玄武巖鏡下特征照片(a、b)-間隱結(jié)構(gòu)玄武巖;(c)-玄武巖間粒結(jié)構(gòu)Fig.4 Microphotos of the Nb-enriched basalts in Barnuke(a，b)-intersertal texture in basalt;(c)-intergranular texture in basalt

圖5 巴爾努克富Nb 玄武巖Na2O+K2O-SiO2(a，底圖據(jù)Le Maitre et al.，1989)及Zr/Ti-Nb/Y (b，底圖據(jù)Winchester and Floyd，1977)圖解Fig.5 Na2O+K2O vs. SiO2(a，after Le Maitre et al.，1989)and Zr/Ti vs. Nb/Y (b，after Winchester and Floyd，1977)diagrams of the Nb-enriched basalts in Barnuke

表1 巴爾努克黑山頭組火山巖主量元素含量(wt%)及相關參數(shù)計算表Table 1 The concentration of major elements (wt%)and their parameters for volcanic rocks from Heishantou Formation in Barnuke

表2 巴爾努克黑山頭組火山巖微量元素含量(×10 -6)及參數(shù)計算表Table 2 The concentration of trace elements (×10 -6)and their parameters for volcanic rocks from Heishantou Formation in Barnuke

SiO2含量為49.62% ～55.68%，平均為52.70%，屬于玄武質(zhì)巖石范圍;明顯高TiO2(1.16% ～1.99%)，全部樣品均高于島弧拉斑玄武巖(TiO2=0.80%，Wilson，1989)，但均低于洋島拉斑玄武巖(TiO2=2.63%，Wilson，1989);顯著富Na2O 而貧K2O，Na2O 為3.17% ～6.35%，平均為4.90%，Na2O/K2O 為1.19 ～26.08，2/3 樣品該比值＞4(平均8.93)。由于顯著富Na2O，Na2O + K2O 總體較高，因而里特曼指數(shù)(δ)偏大，2/3 樣品δ ＞4，故在硅堿圖中投影于堿性巖區(qū)(圖5a)。主量及微量元素相關圖解顯示這些巖石總體以玄武巖為主向玄武安山巖過渡(圖5b、圖6a，b)，綜合判別為低(中)鉀鈣堿性巖石(圖7)。Nb 含量均＞7 ×10-6(7.29 ×10-6～12.32 ×10-6，平均9.48 ×10-6)，明顯高于正常島弧玄武質(zhì)巖類。以上地球化學特征與富Nb 玄武質(zhì)巖類可比(圖8)。

表3 巴爾努克黑山頭組火山巖稀土元素含量(×10 -6)及參數(shù)計算表Table 3 The contents of rare earth elements (×10 -6)and their parameters for volcanic rocks from Heishantou Formation in Barnuke

圖6 巴爾努克富Nb 玄武巖Ti/100-Zr-Sr/2 (a，底圖據(jù)Pearce and Cann，1973)及K2O-SiO2(b，底圖據(jù)Miller et al.，1999)圖解Fig.6 Ti/100-Zr-Sr/2 (a，after Pearce and Cann，1973)and K2O-SiO2(b，after Miller et al.，1999)diagrams of diagrams of the Nb-enriched basalts in Barnuke

表4 及相關圖解顯示，巴爾努克玄武質(zhì)巖石富Nb，富集大離子親石元素Rb、Ba、Sr 和Zr、Sc，輕稀土明顯富集而重稀土虧損顯著，但確有基本一致的弱正Eu 異常(圖9a)，低LILE/HFSE、低LREE/HFSE 比值，在微量元素洋脊玄武巖標準化圖解中弱正Nb 異常，而Ta、Hf 僅有極微弱的負異常(圖9b)。這些地球化學特征與Sajona et al. (1993，1994，1996)提出的富Nb 玄武巖基本一致，而與正常島弧玄武巖有明顯區(qū)別，與巴爾努克地區(qū)近鄰的西準東部包古圖地區(qū)早石炭世島弧玄武巖也有顯著區(qū)別(表4)。

圖7 巴爾努克富Nb 玄武巖F1-F2 和F2-F3 圖解(底圖據(jù)Pearce，1976)IAB-島弧玄武巖;OFB-大洋玄武巖;CAB-鈣堿性玄武巖;WPB-板內(nèi)玄武巖;SHO-鉀玄巖或橄欖安粗巖;LKT-島弧拉斑玄武巖Fig. 7 F1-F2-F3 diagram of the Nb-enriched basalts in Barnuke (after Pearce，1976)IAB-island arc basalt;OFB-ocean floor basalt;CAB-calc-alkaline basalt;WPB-within plate basalt; SHO-shoshonite; LKT-island arc tholeiitic

巴爾努克富Nb 玄武質(zhì)巖石強富Sr，全部樣品均＞400 ×10-6(618 ×10-6～1107 ×10-6)，平均為825 ×10-6，相對正Eu 異常(這兩項地球化學特征又極類似adakite 的Sr、Eu 的地球化學特征，但相關圖解還是可以很好與adakite 相區(qū)分)，總體仍屬經(jīng)典島弧玄武巖范疇(圖10)。

圖8 巴爾努克富Nb 玄武巖與經(jīng)典玄武巖對比圖(a，底圖據(jù)Defant et al.，1992;b，底圖據(jù)Kepezhinskas et al.，1996;轉(zhuǎn)引自王強等，2006)Fig.8 Comparison diagrams between typical basalts and the Nb-enriched basalts in Barbuke (a，after Defant et al.，1992;b，after Kepezhinskas et al.，1996;Wang et al.，2006)

圖9 巴爾努克富Nb 玄武巖球粒隕石標準化稀土元素配分圖(標準化值據(jù)Boynton，1984)和洋脊玄武巖標準化微量元素蛛網(wǎng)圖(標準化值據(jù)Sun and McDonough，1989)Fig.9 Chondrite-normalized rare earth element patterns (a，normalization values after Boynton，1984)and mid-ocean ridge basalt normalized trace element spider diagrams (b，normalization values after Sun and McDonough，1989)for the Nb-enriched basalts in Barnuke

圖10 巴爾努克富Nb 玄武巖與adakite 巖的區(qū)別圖解(底圖據(jù)Castillo et al.，1999)Fig.10 The difference between adakite and the Nb-enriched basalts in Barnuke (after Castillo et al.，1999)

和前人報道的富Nb 玄武巖一樣，巴爾努克富Nb 玄武巖的各類圖解均顯示島弧構(gòu)造環(huán)境(圖11)。

圖11 巴爾努克富Nb 玄武巖構(gòu)造環(huán)境判別圖(a-c，據(jù)李曙光，1993;d，e，底圖據(jù)Wood，1980;f，底圖據(jù)趙崇賀，1989)Fig.11 Tectonic discrimination diagrams of the Nb-enriched basalts in Barnuke (a-c，after Li，1993;d，e，after Wood，1980;f，after Zhao，1989)

圖12 巴爾努克富鈮玄武巖及鄰區(qū)富鈮玄武巖的(143Nd/144Nd)i-(87Sr/86Sr)i(a，底圖據(jù)Zindler and Hart，1986)及εNd(t)-(87Sr/86Sr)i(b，底圖轉(zhuǎn)引自王強等，2006)同位素圖解Fig.12 Plots of (143Nd/144Nd)i-(87Sr/86Sr)i(a，after Zindler and Hart，1986)and εNd(t)-(87 Sr/86 Sr)i(b，after Wang et al.，2006)for the Nb-enriched basalts in Barnuke and adjacent areas

表5 是本次獲得的富鈮玄武巖Nd、Sr 同位素的數(shù)據(jù)和計算結(jié)果，6 個樣品的Nd、Sr 同位素變化范圍均較小，分析測試獲得87Sr/86Sr 為0.70379 ～0.70406，143Nd/144Nd 為0.5128～0.5129，計算(87Sr/86Sr)i為0.7035 ～0.7039，εNd(t)為5.49 ～7.13，在Nd-Sr 圖上的投點較集中(圖12a)，與西天山及阿拉套山地區(qū)發(fā)現(xiàn)的富鈮玄武巖分布范圍相吻合(圖12b)。

4 結(jié)論

巴爾努克富Nb 島弧玄武巖在本區(qū)屬首次發(fā)現(xiàn)和報道，與有爭議的中天山阿拉套、巴侖臺-駱駝溝富Nb 玄武巖(夏林圻等，2009)相比，更符合富Nb 島弧玄武巖的地球化學特征。為確認新疆西準噶爾石炭紀存在富Nb 島弧玄武巖提供了詳實的地質(zhì)地球化學資料和信息，豐富了新疆乃至我國的富Nb 島弧玄武巖產(chǎn)地與層位。

富Nb 島弧玄武巖是大洋板片俯沖作用的直接產(chǎn)物(張海祥等，2005)，是指示島弧構(gòu)造環(huán)境的有力證據(jù)。因此，黑山頭組富Nb 島弧玄武巖的發(fā)現(xiàn)，不僅肯定了巴爾努克一帶在早石炭世位于島弧構(gòu)造環(huán)境，而且為研究西準噶爾地區(qū)這一時期洋殼俯沖作用和過程提供了極為重要的地球化學信息。

表4 巴爾努克火山巖與島弧玄武巖以及典型富Nb 玄武巖對比表Table 4 The comparison among volcanic rocks in Barnuke，island arc basalts and typical Nb-enriched basalts

表5 巴爾努克富鈮玄武巖的Sr、Nd 同位素數(shù)據(jù)Table 5 Sr，Nd isotopic compositions of the Nb-enriched basalts in Barnuke

由于富Nb 島弧玄武巖是在俯沖帶之上，由受埃達克質(zhì)熔體交代過的地幔橄欖巖部分熔融的產(chǎn)物(Sajona et al.，1993，1996;張海祥等，2005)，這一特殊的成因機制，為研究西準噶爾地區(qū)洋殼俯沖作用過程中的巖漿活動特征，以及與俯沖作用有關的流體和熔體的性質(zhì)，反演俯沖帶的巖漿活動和構(gòu)造演化歷史提供了重要信息。

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