東天山土古土布拉克組火山巖鋯石U-Pb測(cè)年及地質(zhì)意義

李航，趙同陽(yáng)，朱志新,，常璨，孫耀鋒，李平，韓瓊，鄭加行

(1.新疆大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830049；2.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，新疆 烏魯木齊 830011)

東天山位于新疆東部，西起小熱泉子，東至甘新交界，位于西伯利亞南構(gòu)造帶和塔里木地塊的結(jié)合部位。一直以來(lái)，其大地構(gòu)造位置的重要性和復(fù)雜性是眾多學(xué)者研究和爭(zhēng)論的熱點(diǎn)。覺羅塔格構(gòu)造帶是以石炭系火山-沉積地層廣泛出露為標(biāo)志的火山巖條帶，其南鄰中天山地塊，北接大南湖古生代島弧，構(gòu)造上位于塔里木板塊和準(zhǔn)噶爾板塊的交接部位，是中亞造山帶的重要組成部分。對(duì)于覺羅塔格地區(qū)的大地構(gòu)造演化有弧后盆地、島弧、裂谷及后碰撞等不同認(rèn)識(shí)[1-10]。本文對(duì)覺羅塔格地區(qū)內(nèi)上石炭統(tǒng)土古土布拉克組火山巖鋯石U-Pb年代學(xué)、巖石地球化學(xué)特征及構(gòu)造屬性進(jìn)行研究，為覺羅塔格地區(qū)的構(gòu)造演化提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

土古土布拉克組主要分布在覺羅塔格構(gòu)造帶中部，總體上具近EW向帶狀分布特點(diǎn)。研究區(qū)位于土古土布拉克組西側(cè)，北部為康古爾韌性剪切帶，南部為百靈山巖體(圖1)。

研究區(qū)自南向北主要分布百靈山巖體、上石炭統(tǒng)土古土布拉克組、下石炭統(tǒng)雅滿蘇組(圖2)。上石炭統(tǒng)土古土布拉克組為一套淺海相火山沉積巖系列，其中下部為一套凝灰質(zhì)碎屑巖建造，發(fā)育底礫巖；中部為一套安山質(zhì)火山碎屑巖建造，主要巖性有灰色-灰褐色安山質(zhì)、英安質(zhì)火山塵凝灰?guī)r、晶屑巖屑凝灰?guī)r、灰褐色安山質(zhì)火山角礫巖、灰褐色安山質(zhì)晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r；上部為一套杏仁狀玄武巖建造，主要巖性有淺褐-灰褐色杏仁狀玄武巖、蝕變玄武巖夾安山質(zhì)晶屑巖屑凝灰?guī)r。土古土布拉克組被百靈山巖體侵位，該巖體主要巖性為斜長(zhǎng)花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖和石英閃長(zhǎng)巖，與下伏雅滿蘇組之間為不整合接觸關(guān)系，不整合接觸界線處大量出露灰?guī)r礫石。下石炭統(tǒng)雅滿蘇組為一套以酸性(中酸性)火山碎屑巖、火山碎屑沉積巖、碳酸鹽巖為特征的(中酸性)火山-沉積巖系。

2 樣品采集及分析測(cè)試

本研究采集了下石炭統(tǒng)土古土布拉克組第二、三巖性段火山巖樣品，據(jù)鏡下薄片鑒定確認(rèn)土古土布拉克組第二巖性段火山巖巖石類型主要為英安巖(TG1-3)、安山質(zhì)晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r(TG4-6)第三巖性段火山巖的巖石類型主要為玄武巖(TG7-8)，采樣位置見圖2。

英安巖 主要分布于土古土布拉克中部，淺褐色，斑狀基質(zhì)包含霏細(xì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。斑晶主要為半自形板狀斜長(zhǎng)石，可見聚片雙晶，泥化較強(qiáng)?；|(zhì)均由長(zhǎng)英質(zhì)組成，具包含霏細(xì)結(jié)構(gòu)。

圖1 區(qū)域地質(zhì)略圖(a)；東天山覺羅塔格地區(qū)大地構(gòu)造分區(qū)及石炭系分布圖(b)Fig.1 Regional geological map(a)and Regional division and Carboniferous distribution map(b)of the eastern Tianshan Mountains

圖2 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.2 Geological sketch of the study area

安山質(zhì)晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r 主要分布于土古土布拉克構(gòu)成的向斜北翼，灰褐色，晶屑塑變玻屑結(jié)構(gòu)，假流紋構(gòu)造。玻屑普遍脫玻蝕變?yōu)殡[晶狀長(zhǎng)英質(zhì)、沸石集合體，顯假流紋構(gòu)造。巖屑主要為棱角狀安山巖、安山質(zhì)凝灰?guī)r巖屑。晶屑主要為棱角狀、熔蝕狀斜長(zhǎng)石。

玄武巖 主要分布于土古土布拉克構(gòu)成的向斜核部，灰綠色，交代假象結(jié)構(gòu)，殘留杏仁狀構(gòu)造。巖石多被隱晶簾石、少量葡萄石、石英集合體取代，杏仁石殘留為圓形，內(nèi)充填石英、方解石集合體(圖3)。

圖3 土古土布拉克組玄武巖照片F(xiàn)ig.3 Photos of basalt from Tugutubulake Formation

樣品全巖分析在新疆維吾爾自治區(qū)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究所完成。鋯石分選在河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室完成，樣品制靶和顯微照相拍攝在重慶宇勁科技有限公司完成。對(duì)樣品靶上的鋯石進(jìn)行光學(xué)顯微鏡下的透射光、反射光和電子顯微鏡下的陰極發(fā)光照相，以便在進(jìn)行測(cè)定時(shí)作為選取分析部位的依據(jù)。

測(cè)年在中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光剝蝕等離子質(zhì)譜LA-ICP-MS上進(jìn)行U-Pb測(cè)年。測(cè)年所有激光剝蝕系統(tǒng)為193 nm ArF-excimer激光器的Geo-Las2005，激光束直徑為30 μm，以He作為剝蝕物質(zhì)載氣。對(duì)分析數(shù)據(jù)的離線處理(包括對(duì)樣品和空白信號(hào)的選擇，儀器靈敏度漂移校正、元素含量及UTh-Pb同位素比值和年齡計(jì)算)采用中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)開發(fā)的軟件ICPMS Data完成。加權(quán)平均年齡和諧和圖的制作采用Ludwig的Isopiot 3.0完成。

3 地球化學(xué)特征

3.1 主量元素

土古土布拉克組火山巖主量、微量、稀土元素含量及相關(guān)參數(shù)見表1。

英安巖與安山質(zhì)晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r的SiO2含量為67.85%～70.55%，主要為酸性巖石，MgO含量為0.41%～0.53%。K2O與Na2O含量較高分別為4.71%～5.29%、3.8%～4.63%。玄武巖的SiO2含量為46.94%～51.96%，為基性巖石，MgO含量為2.08%～2.52%。樣品燒失量(LOI)較大，為4.66%～6.06%，表明巖石經(jīng)過(guò)了較強(qiáng)的蝕變。K2O與Na2O含量極低，分別為0.09%～0.14%，0.10%～0.18%。酸性巖整體上比基性巖相對(duì)富K2O和Na2O，貧MgO。

在Zr/TiO2-Nb/Y圖解上，樣品主要落入流紋巖+英安巖及亞堿性玄武巖的區(qū)域，Nb/Y比值都小于0.8，屬于亞堿性系列，在SiO2-K2O圖解中，流紋巖+英安巖落入鉀玄巖系列，玄武巖落入低鉀(拉斑)系列(圖 4)。

3.2 微量及稀土元素特征

從稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布型式圖可見，土古土布拉克組火山巖中英安巖與安山質(zhì)晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r稀土總量為77.17×10-6～106.84×10-6，均值92.11×10-6；δEu為0.59～0.88，均值0.70，Eu負(fù)異常較明顯，表明巖漿經(jīng)歷過(guò)斜長(zhǎng)石的分離結(jié)晶作用或源區(qū)有斜長(zhǎng)石殘留(圖4)。稀土分布模式圖顯示輕稀土相對(duì)富集，重稀土相對(duì)平坦的微弱右傾型，LREE/HREE=3.56～4.31；(La/Yb)N=2.78～3.46。玄武巖的稀土總量為 88.87×10-6～97.74×10-6，均值為93.31×10-6；δEu為0.97～1.04，均值1.01，無(wú)Eu異常。稀土分布模式圖顯示輕稀土相對(duì)富集，重稀土相對(duì)虧損的右傾型，LREE/HREE=5.71～6.04；(La/Yb)N=5.64～6.3?？傊邘r漿來(lái)源、分異程度及部分熔融結(jié)晶程度存在一定差異。

圖4 土古土布拉克組火山巖巖石分類圖Fig.4 Rock classification diagrams for volcanic rocks of Tugutubulake Formation

表1 土古土布拉克組火山巖主量和微量元素組成Table 1 Main and trace elements Composition of the volcanic rocksfrom TugutubulakeFormation

從微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖可見，土古土布拉克組火山巖中段英安巖與安山質(zhì)晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r富集Rb，Ba，Th，U等大離子親石元素，相對(duì)虧損Nb，Ta，P，Ti等高場(chǎng)強(qiáng)元素(圖5)。玄武巖相對(duì)虧損Nb，Ta，Ti等高場(chǎng)強(qiáng)元素，富集Ba，Th，U，Sr等大離子親石元素。

4 鋯石的LA-ICP-MS年代學(xué)

測(cè)試樣品為TG-1英安巖在鋯石陰極發(fā)光照片中，鋯石形態(tài)不規(guī)則，粒徑較大(約100 μm)，長(zhǎng)寬比約為2∶1，具一定的巖漿振蕩環(huán)帶，判斷其可能為巖漿型鋯石。部分鋯石中殘留有母巖物質(zhì)，在鋯石上表現(xiàn)為暗點(diǎn)，反映鋯石可能受熱蝕變作用的影響。

在測(cè)試結(jié)果中，Th/U比值為0.44～0.98，均大于0.4，對(duì)應(yīng)巖漿鋯石較大的Th/U比值。因此，判斷其為典型的巖漿型鋯石(表2，圖6)[14]。在諧和圖中，年齡諧和性較好，呈現(xiàn)成群分布特征，年齡為306～311 Ma，個(gè)別鋯石年齡為286 Ma，該年齡的測(cè)點(diǎn)為14，可能是由于測(cè)試誤差引起(圖7)。獲得206Pb/238U年齡為(303.7±2.3)Ma(MSWD=1.11，n=21)，結(jié)合巖漿鋯石特征，認(rèn)為該年齡代表結(jié)晶年齡，說(shuō)明其為晚石炭世巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物。

圖5 土古土布拉克組稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布型式圖(a)和微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(b)Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns(a)and Primitive mantle-normalized patterns for trace elements(b)of the volcanic rocks fromTugutubulake Formation

表2 土古土布拉克組火山巖鋯石的LA-ICP-MS的U-Th-Pb同位素分析結(jié)果Table 2 LA-ICP-MS U-Th-Pb isotopic data of zircon from volcanic rocks in Tugutubulake Fromation

5 討論

5.1 成巖構(gòu)造環(huán)境

圖6 土古土布拉克組火山巖中鋯石的陰極發(fā)光（CL）圖像Fig.6 CLimages of zircon from the volcanic rocks in Tugutubulake Formation

本次研究的土古土布拉克組主要由凝灰質(zhì)碎屑巖，中酸性火山碎屑巖和(含)杏仁狀玄武巖組成。其中火山巖巖石類型為玄武巖至流紋巖，以鉀玄巖和低鉀(拉斑)系列為主。其中酸性花崗質(zhì)巖石(TG1-TG6英安巖與安山質(zhì)晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r)虧損Nb，P，Ti十分明顯，具火山弧英安巖、流紋巖特征；玄武質(zhì)巖石(TG7-TG8玄武巖)虧損Nb，Ti，具大陸拉斑玄武巖特征。從微量元素組合特征看，土古土布拉克組火山巖有較高的La/Ta(大于15)，Th/Yb(小于0.1)，Th/Nb(大于0.07)，以及較低的 Nb/La(小于0.8)，Hf/Th(小于8)呈碰撞型弧區(qū)火山巖特征，其中玄武巖中Zr/Y＞3(5.9～6.6)，Ta/Yb＞0.1(0.24～0.31)，顯示大陸邊緣弧鈣堿性玄武巖(ARCB)特征[15]。

在Rb-Y+Nb與Rb-Y+Ta圖解中，樣品中英安巖與安山質(zhì)晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r均落入VAG區(qū)(火山弧花崗巖)中，從圖解上看，具PCG(后碰撞花崗巖)的構(gòu)造事件特征(圖8)。在2Nb-Zr/4-Y圖解上，樣品中玄武巖均落入A2+C區(qū)(板內(nèi)拉斑玄武巖中)；在Ti/100-Zr-Y×3圖解上，樣品玄武巖落入CAB區(qū)(鈣堿性玄武巖)與WPB區(qū)(板內(nèi)玄武巖)中，總體上為板內(nèi)環(huán)境，顯示其應(yīng)形成于伸展的構(gòu)造環(huán)境(圖9)。結(jié)合二者的圖解構(gòu)造環(huán)境及地球化學(xué)特征，認(rèn)為該套火山巖應(yīng)形成于俯沖末期后碰撞開始階段，英安巖具火山弧火山巖特征，玄武巖具板內(nèi)火山巖特征，總體呈碰撞型弧區(qū)火山巖特征。

圖7 土古土布拉克組火山巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig.7 LA-ICP-MS U-Pb zircon concordia diagram of the volcanic rocks from the Tugutubulake Formation

5.2 地質(zhì)意義

研究區(qū)位于東天山覺羅塔格構(gòu)造帶內(nèi)，對(duì)于覺羅塔格地區(qū)的大地構(gòu)造演化有不同認(rèn)識(shí)，主要包括弧后盆地、島弧、裂谷及后碰撞等不同觀點(diǎn)[1-10]。問(wèn)題焦點(diǎn)在于覺羅塔格地區(qū)是否存在俯沖帶，俯沖過(guò)程在何時(shí)結(jié)束？其中弧后盆地觀點(diǎn)認(rèn)為東天山地區(qū)的俯沖碰撞事件可能結(jié)束于晚石炭世，覺羅塔格弧后盆地為晚古生代塔里木大洋往北向中天山島弧俯沖的產(chǎn)物[1]。島弧觀點(diǎn)認(rèn)為阿奇山-雅滿蘇島弧帶是一個(gè)石炭紀(jì)島弧帶，是覺羅塔格洋晚古生代向北俯沖的產(chǎn)物，與其有關(guān)的俯沖帶為阿其克庫(kù)都克-沙泉子斷裂[2-3]；也有學(xué)者認(rèn)為，康古爾斷裂為塔里木板塊和準(zhǔn)噶爾板塊的縫合帶，阿奇山-雅滿蘇島弧帶是由康古爾塔格古洋盆沿康古爾斷裂向南俯沖而形成，與北側(cè)大南湖-頭蘇泉島弧相對(duì)應(yīng)，是康古爾塔格古洋盆在古生代發(fā)生雙向俯沖的結(jié)果[4-5]。裂谷觀點(diǎn)認(rèn)為古亞洲洋在泥盆紀(jì)就已完全關(guān)閉，石炭紀(jì)火山巖是大陸板內(nèi)裂谷背景的產(chǎn)物，屬雙峰式火山巖組合[6]。后碰撞觀點(diǎn)認(rèn)為覺羅塔格地區(qū)為裂陷槽環(huán)境，晚石炭—早二疊世東天山已進(jìn)入后碰撞構(gòu)造演化階段[7-9]。

圖8 上石炭統(tǒng)土古土布拉克組安山巖一流紋巖構(gòu)造環(huán)境判別圖解Fig.8 Discrimination diagram of tectonic environment of andesite rhyolite for Late Carboniferous from Tugutubulake Formation

圖9 上石炭統(tǒng)土古土布拉克組玄武巖構(gòu)造環(huán)境判別圖Fig.9 Discrimination diagram of tectonic environment of basalt for Late Carboniferous from Tugutubulake Formation

盡管東天山石炭紀(jì)的構(gòu)造演化仍存在爭(zhēng)議，但大量研究表明，東天山石炭紀(jì)存在俯沖過(guò)程[1-13,16-19]，晚古生代新疆北部地區(qū)存在后碰撞構(gòu)造演化階段，俯沖碰撞事件可能結(jié)束于晚石炭世[1,7-10]。王京彬等認(rèn)為晚石炭—早二疊世東天山覺羅塔格地區(qū)已進(jìn)入后碰撞構(gòu)造演化階段[9]。董連慧認(rèn)為覺羅塔格構(gòu)造帶為東天山后碰撞造山期的構(gòu)造帶[10]。袁峰對(duì)區(qū)內(nèi)十里坡自然銅礦化點(diǎn)玄武巖進(jìn)行研究得出玄武巖屬板內(nèi)玄武巖，形成于伸展構(gòu)造環(huán)境，區(qū)域構(gòu)造演化為后碰撞構(gòu)造階段的伸展期[7]。

本文獲得土古土布拉克組TG-1(英安巖)的成巖年齡為(303.7±2.3)Ma，與前人在研究區(qū)內(nèi)十里坡礦化點(diǎn)所測(cè)玄武巖成巖年齡(307±4 Ma)基本一致[8]，都對(duì)應(yīng)于晚石炭世。這反映土古土布拉克組火山巖的成巖時(shí)間為晚石炭世，意味著該套火山巖可能經(jīng)歷了上述后碰撞構(gòu)造演化階段。

6 結(jié)論

(1)東天山土古土布拉克組火山巖巖石類型為玄武巖至流紋巖，以鉀玄巖和低鉀(拉斑)系列為主。

(2)土古土布拉克組火山巖中鋯石LA-ICP-MS的U-Pb年齡為(303.7±2.3)Ma，對(duì)應(yīng)于晚石炭世。基性巖為板內(nèi)玄武巖，具拉張環(huán)境特征，酸性巖為火山弧花崗巖，具后碰撞花崗巖特征。

(3)結(jié)合已有研究成果，認(rèn)為該時(shí)期覺羅塔格構(gòu)造帶內(nèi)的俯沖擠壓過(guò)程已結(jié)束，進(jìn)入后碰撞的構(gòu)造演化階段，土古土布拉克組火山巖應(yīng)形成于后碰撞構(gòu)造階段的伸展期。

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