东昆仑南缘哥日卓托一带洋岛玄武岩地球化学特征及成因

东昆仑南缘哥日卓托一带洋岛玄武岩地球化学特征及成因

布钦山构造混合带位于东昆仑南缘。南侧是巴彦卡拉构造带，北与东昆仑造山带接壤，西与阿尼玛青木炭构造带接壤。因其产出的特殊构造位置,前人从不同角度对东昆仑造山带南缘及布青山地区做了大量研究［１－１０］,并取得了较多研究成果。Bian等［２］对布青山构造混杂带进行了研究,认为其发育有早古生代和晚古生代两期洋陆构造旋回。孙雨［５］对得力斯坦蛇绿岩进行了详细研究,认为其代表早寒武世原特提斯洋洋壳残余体。裴先治等［７］对布青山构造混杂带进行1∶5万地质填图后认为,该带是一个包含有不同时代、不同成因类型岩块的构造混杂岩带。刘战庆等［８－１１］系统地研究了布青山构造混杂带的物质组成,认为其主要包括混杂基质与不同时代的构造混杂岩块,混杂基质主要是二叠系马尔争组浊积岩系。混杂岩块主要包括中元古界基底岩块-苦海岩群(Pt２k)、早古生代洋壳型岩块、早古生代岛弧型岩块、晚古生代MOR型岩块和晚古生代OIB型岩块。其中,早古生代洋壳型岩块以得力斯坦蛇绿岩为代表,形成时代为511Ma［５，１０］;早古生代岛弧型岩块以亿可哈拉尔花岗闪长岩体和白日切特花岗闪长岩、岛弧中酸性火山岩为代表［７，９］;晚古生代洋壳型岩块以哈尔郭勒蛇绿岩为代表,形成时代为(332.8±3.1)Ma［７－１１］。区域上,郭安林等［１２］在布青山东侧阿尼玛卿构造混杂带曾发现二叠纪玛积雪山洋岛碱性玄武岩。王永标等［１３－１４］在东昆仑南缘的巴颜喀拉地区识别出系列中二叠世的古海山,并从岩石组合角度细致刻画了海山结构。刘战庆等［１１］基于布青山得力斯坦沟南侧玄武岩与碳酸盐岩在空间上共生产出的宏观特征,认为其属于一套洋岛/海山组合,但是其玄武岩的地球化学特征与典型的OIB属性有别,而很可能仍为一套洋中脊玄武岩。迄今为止,在布青山构造混杂带中还没有发现典型的晚古生代洋岛型玄武岩,这影响着对古特提斯洋北缘分支布青山洋盆洋陆格局以及整个中央造山系晚古生代构造格局与演化的正确认识。鉴于此,本文以新近调查发现的一套出露于布青山地区的哥日卓托玄武岩为研究对象,从岩石学、岩石地球化学角度详细研究其物质组成及其形成大地构造环境,以期对布青山地区古特提斯洋洋陆格架的恢复重建提供基本信息。1政岩构造环境布青山构造混杂带位于中央造山系西段东昆仑造山带南缘,呈近东西向展布,南北宽约10km,东西长约35km,向东延伸与阿尼玛卿构造带相接(图1)。经野外调查与室内详细研究认为,布青山地区得力斯坦沟北侧一带出露有寒武纪N-MORB型蛇绿岩组合1,主要包括蛇纹岩、辉长岩、玄武岩、辉绿玢岩及少量硅泥岩。哈尔郭勒沟一带出露有石炭纪N-MORB型蛇绿岩组合,主要包括蛇纹岩、辉长岩、辉绿岩、玄武岩及少量硅泥岩。哥日卓托洋岛玄武岩位于布青山构造混杂岩带南侧,主要出露于哥日卓托沟、哈尔郭勒沟南、扎朵儿、得力斯坦沟南侧,平面上多呈透镜状近东西向展布(图1),与混杂带基质马尔争组(P1-2m)砂板岩呈断层接触关系(图2)。该套洋岛玄武岩的地质、地貌特征鲜明,地貌上多形成高峻突兀的高山,在磁异常图上相对围岩呈现出明显的近东西向带状异常分布1。详细的1∶5万地质填图结果表明,在得力斯坦沟南侧一带,玄武岩和紫红色泥岩、泥质粉砂岩相伴产出,现今玄武岩与围岩表现为断层接触关系,为印支期构造改造的结果。在哥日卓托—扎朵儿地区,现今洋岛玄武岩在空间上常常与灰白色中厚-厚层块状碳酸盐岩呈断层接触,为后期构造改造的结果(图2,3a),并且碳酸盐岩中生物化石相对较少。在哥日卓托等地偶见玄武岩间还发育有深水相紫红色硅泥质岩(图3b),该套“玄武岩+碳酸盐岩”的岩石组合与古海山结构相类似。哥日卓托地区出露的玄武岩类型较多,颜色多为浅灰绿色、灰绿色、紫红色,多呈隐晶质结构,发育枕状构造、块状构造,气孔-杏仁状构造、角砾状构造等。其中枕状玄武岩几乎均呈浅灰绿色—灰绿色,外壳具冷凝边,单个岩枕直径多为40~60cm(图3c),显微镜下可见熔岩在海水中淬火冷却时形成的矿物骸晶。枕状玄武岩表面还发育有大量粒径为0.2~0.5cm的球粒。块状构造玄武岩和气孔-杏仁状构造呈浅灰色—灰绿色—深灰绿色,而角砾状构造的玄武岩既有灰绿色的,也有紫红色的。角砾状玄武岩和块状玄武岩中张节理较为发育,并多被方解石细脉和少量石英细脉充填。2蚀变岩石及矿物枕状玄武岩:具有填隙结构,枕状构造。主要矿物成分有斜长石(约75%)和暗色矿物(约25%),还含少量磁铁矿。斜长石粒径为1.0~1.6mm,或呈针柱状杂乱分布,或呈放射状分布(图3d),在其所形成的间隙中分布有发生次生蚀变的绿泥石和少量磁铁矿等。岩石蚀变强烈,斜长石多钠黝帘石化,少量蚀变为高岭土、绢云母。原岩中的镁铁质暗色矿物未见任何残留,全被绿泥石集合体、次闪石等矿物所取代。杏仁状玄武岩:呈斑状结构,气孔-杏仁状构造,局部填隙结构,网脉状构造。主要矿物为绿泥石和次闪石(约75%)、碳酸盐矿物(约20%)、少量磁铁矿、绢云母、钠长石、黝帘石等。由于岩石强烈蚀变,原岩矿物及结构残留较少,矿物多发生次生蚀变。碳酸盐矿物呈星点状及细小的团块状分布于整个岩石中,仅见纤状角闪石集合体呈放射状消光现象。岩石中杏仁体均呈浑圆状,杏仁体成分以碳酸盐为主,含量约1%,大小一般为0.4~0.5mm。局部隐约可见斜长石呈长柱状杂乱分布,其间隙中分布有绿泥石、次闪石、碳酸盐矿物等。3稀土元素及微量元素分析方法用于岩石地球化学研究的玄武岩样品采自哥日卓托沟西侧(图2),样品采集过程中避开脉体发育地段。样品分别进行主量元素和微量元素分析测试。样品磨碎至200目后,在中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室进行主量和微量元素分析测试。主量元素使用X-射线荧光光谱仪(XRF-1500)法测试,精度优于2%~3%。微量元素及稀土元素利用酸溶法制备样品,使用ICP-MS(ElementⅡ)测试,分析精度优于10%。化学分析测试流程参考文献介绍的方法［１８－１９］。3.1岩石后期蚀变较强由表1可以看出,哥日卓托玄武岩SiO２质量分数为44.51%~48.43%,平均为46.60%,MgO为4.67%~6.99%,平均为5.36%。Na２O为1.74%~3.72%,K２O质量分数变化较大,为0.18%~2.70%,可能反映岩石后期蚀变较强。TiO２为1.29%~1.85%,平均值为1.51%,与洋岛拉斑玄武岩或洋中脊玄武岩值相近,而明显低于碱性洋岛玄武岩平均值(2.90%)。Mg＃为47.21~51.91,平均值49.67,明显低于原生岩浆范围(Mg＃=68~75)［２０］,表明岩浆经历了结晶分异作用。在Nb/Y-Zr/TiO２×0.0001图解上［２１］(图4),哥日卓托玄武岩主体落入亚碱性玄武岩区域,有3个样品落入碱性玄武岩区域。落入亚碱性玄武岩区域的样品在图解上全部落入拉斑玄武岩系列中［２２］(图5)。该玄武岩主量元素特征类似于冰岛拉斑玄武岩或夏威夷玄武岩喷发早期的拉斑玄武岩。3.2源区范围及微量元素特征哥日卓托玄武岩∑REE为(68.71~133.50)×10－６,LREE/HREE为3.55~5.17。δEu为1.01~1.16(表2),没有明显的δEu异常,表明没有发生斜长石的结晶分异作用。哥日卓托玄武岩(La/Yb)Ｎ为3.07~5.32,球粒陨石标准化稀土元素配分曲线图呈现轻稀土元素富集的右倾曲线(图6),曲线左端明显高于轻稀土富集的E-MORB,显著不同于轻稀土亏损的N-MORB,表现出OIB特征。与夏威夷碱性洋岛玄武岩和玛积雪山洋岛玄武岩相比［１２］,哥日卓托玄武岩稀土总量略低,可能暗示了洋岛玄武岩熔融源区深度或熔融程度的差异。微量元素方面(表3),Nb/Y比值为0.54~1.04,主体小于1,与Greenough总结的冰岛地区洋岛拉斑玄武岩Nb/Y比值相近(<1.0),代表源区低压熔融的结果［２４］。哥日卓托玄武岩富集Rb、Ba和Th等大离子亲石元素,没有Nb和Ta负异常,但具有明显高的Zr/Yb比值,具有洋岛玄武岩的地球化学特征［２５］。在原始地幔标准化微量元素蛛网图上(图7),除P元素之外,表现出向上大隆起的富集形态,类似于玛积雪山洋岛玄武岩分布形态［１２］。在MORB标准化微量元素蛛网图上(图8),岩石以K、Rb、Ba、Th、Ta、Nb的强烈富集为特征,曲线呈典型的前端隆起型,这种分布特征与典型的岛弧火山岩及洋中脊火山岩均有很大区别,而与洋岛玄武岩(OIB)的分布模式完全一致,这种分布模式被认为是源于富集不相容元素地幔源区。4岩石学和放射性布青山地区洋岛玄武岩/碳酸盐岩组合呈透镜体状产出于中下二叠统马尔争组中,而马尔争组复理石沉积地层是构成布青山蛇绿混杂岩的基质,属于准原地系统,那么洋岛玄武岩产出时代应与马尔争组(P１－２m)复理石沉积同时或更早。此外,根据海山碳酸盐岩一般沉积于玄武岩底座之上的规律,哥日卓托玄武岩应略早于与之伴生的碳酸盐岩形成时代。有学者通过对马尔争组孢粉化石研究［２８］,认为马尔争组形成于早中二叠世,得力斯坦沟南与玄武岩伴生的细晶灰岩中获得的Popanocerassp.,Kar-galitessp菊石动物化石,时代为早二叠世1。张克信等［２９－３０］在布青山—阿尼玛卿构造带东段花石峡地区紫红色硅泥质岩中获得放射虫动物群,主要种属为Pseudoalbaillellascalpratam.postscalprataIshiga,Ps.scalpratam.scalprataIshiga,Ps.el-egansIshigaetImoto,Ps.cf.simplexIshigaetImoto,Ps.sp.,Latentifistulasp.cf.L.patagi-laterataNazarovetOrmiston和Spumellaria。根据放射虫的研究可以确定布青山—阿尼玛卿混杂岩带的深海硅泥质岩的形成时代为早二叠世。因此,从马尔争组及其上覆碳酸盐岩的角度,可以限定该套玄武岩形成于早中二叠世或更早。此外,边千韬等［１］获得布青山地区洋岛玄武岩的Rb-Sr等时线年龄为(340.3±11.6)Ma,表明该套洋岛玄武岩形成时代应属早石炭世。因此,综合前人成果,笔者认为包括哥日卓托玄武岩在内的布青山地区洋岛玄武岩形成时代为早石炭世。5讨论5.1岩石地球化学特征哥日卓托玄武岩形成于早石炭世,形成之后不可避免地遭受后期变形、变质作用改造。岩相学观察表明,岩石发生了显著蚀变作用。主量元素特征方面,玄武岩样品烧失量较高,主体在4.18%~5.74%。大离子亲石元素(Cs、Rb、Ba、K等)含量变化较大,蛛网图曲线表现出非协调变化的特征。高场强元素含量则相对稳定,在蛛网图上表现出一致性。也就是说,大离子亲石元素在玄武岩形成的后期各种地质过程中表现出一定的活动性,不能代表岩石原始组成成分,而高场强元素则基本不受后期蚀变作用影响,可以反映源区特征及岩石成岩过程［２７，３１－３２］。因此,我们主要利用高场强元素来讨论岩石陆壳混染、地幔源区物质组成特征及岩石成因。洋岛玄武岩(OIB)包括洋岛拉斑玄武岩与洋岛碱性玄武岩两种基本系列。哥日卓托玄武岩主量元素特征表明其属于洋岛拉斑玄武岩系列,类似于夏威夷早期拉斑玄武岩。Ti元素在后期地质过程中不易蚀变［３２］,并且Ti负异常(相对于Eu)通常被认为是陆壳特征之一［３３］。在哥日卓托玄武岩不相容元素蛛网图上,Ti元素没有表现出明显的负异常(图7),指示成岩过程中陆壳物质对其几乎没有贡献。因Lu和Yb具有相似的地球化学行为,Lu/Yb比值不受分离结晶和部分熔融过程影响,幔源岩浆Lu/Yb值为0.14~0.15,而与陆壳相关的岩浆比值则为0.16~0.18［３４］。哥日卓托玄武岩Lu/Yb值主体不高于0.16,表明其起源于地幔源区而没有遭受明显的陆壳物质混染。Ta/Yb-Th/Yb图解［３５］和Ta/Yb-Nb/Yb图解［３６］常用来区别地幔源区和岩浆上升过程中流体或熔体对微量元素的贡献,未受后期过程影响的岩石应投影在地幔序列里［３７］,哥日卓托玄武岩样品无一例外地落入地幔序列,说明这些元素受后期过程影响较小。此外,样品点靠近OIB区域或OIB和E-MORB过渡区域,结合样品稀土元素配分图解和微量元素蛛网图解具有与OIB相似的地球化学特征(图6,7,8),认为哥日卓托玄武岩岩浆源于具OIB特征的地幔源区。在La/Sm-Lu/Hf图解中［３８］(图10),样品落入尖晶石二辉橄榄岩线附近而远离石榴石二辉橄榄岩区域,在Zr/Nb-Ce/Y图解上［３５］(图12),样品落入亏损的尖晶石二辉橄榄岩线上,藉此说明哥日卓托玄武岩很可能来自于地幔尖晶石二辉橄榄岩的部分熔融,并估算为1%~3%尖晶石二辉橄榄岩部分熔融的产物(图11,12)。5.2地球化学印迹哥日卓托玄武岩与厚层块状碳酸盐岩及紫红色硅泥岩共生的野外宏观地质特征表明,其应当形成于大洋环境而非大陆板内环境。与典型蛇绿岩系相比,该套玄武岩附近缺少与之共生的蛇纹岩、辉长岩、辉绿岩等组合,显然不具蛇绿岩系特征。此外,哥日卓托玄武岩与上覆硅泥岩及厚层碳酸盐岩组合关系与文献报道的古海山结构相似［１５］,表明其形成于洋岛构造环境。哥日卓托玄武岩稀土配分曲线具轻稀土富集的右倾曲线特征,(La/Yb)Ｎ为3.07~5.32,配分曲线明显有别于E-MORB型玄武岩和轻稀土亏损的N-MORB型玄武岩,而与洋岛玄武岩配分曲线类似。微量元素原始地幔标准化蛛网图表现为向上大隆起的特征,明显不同于轻稀土亏损、曲线左倾的N-MORB型式,亦有别于E-MORB型玄武岩。洋中脊玄武岩标准化蛛网图同样具有向上大隆起的洋岛玄武岩的曲线形态。不相容元素判别图解常常用来区分玄武岩的构造环境(图13),在La/Nb-La图解［３８］中,哥日卓托玄武岩样品落入洋岛区域,在Nb/Th-Nb图解［３９］中,样品主体落入洋岛玄武岩区域,在Zr/Y-Zr图解［４０］中,样品落入板内玄武岩区域,在Ti/100-Zr-3Y图解中［２７］,样品落入洋岛玄武岩区域。地幔柱常常被认为是洋岛玄武岩浆起源的重要动力学背景之一［４１－４２］,Fitton等利用ΔNb值来区分地幔柱源基性岩浆与亏损地幔和壳源基性岩浆［４３］,地幔柱起源基性岩浆ΔNb>0,而亏损地幔和壳源基性岩浆ΔNb<0。哥日卓托洋岛玄武岩ΔNb为0.12~0.24(表3),表明了地幔柱地球化学印迹。因此,综合其岩石组合、野外产出状态及以上地球化学特征认为,哥日卓托玄武岩是大洋板块内部与地幔柱有关的洋内洋岛岩浆作用的产物。5.3岩石学和矿物学特征据现有资料研究［４４－４７］,东昆仑南缘断续分布的蛇绿混杂岩,东起玛沁,向西经玛积雪山、托索湖至布青山,全长约300km,南北宽10~20km,再往西可以与东大滩南黑茨沟附近及木孜塔格山北坡的镁铁超镁铁岩块体相连。近来学者提出［７－１１］,东昆仑南缘布青山地区发育有近东西向由强烈剪切基质包容不同时代、不同类型混杂岩块的构造混杂岩带,并在该构造混杂岩带中识别出中元古界苦海岩群(Pt２k)变质基底岩块、早古生代洋脊型岩块(得力斯坦蛇绿岩)、早古生代岛弧型岩块(亿可哈拉尔弧花岗岩、白日切特弧英安岩)、晚古生代洋脊型岩块(哈尔郭勒蛇绿岩)以及晚古生代洋岛/海山组合,并从地球化学与同位素年代学角度对上述岩块给予论证。刘战庆等［８－１１］所厘定的晚古生代洋岛海山玄武岩稀土元素具轻稀土亏损、配分曲线左倾的特征,微量元素构造环境判别图落入MORB区域,其地球化学特征与OIB有着显著区别,鉴于此,我们认为很可能仍属于晚古生代洋脊型岩块。由前所述,本文在其西段哥日卓托地区识别出一套空间上与碳酸盐岩共生的玄武岩,并且地球化学属性具轻稀土富集、微量元素蛛网图呈向上大隆起的特征,为一套典型的石炭纪洋岛玄武岩。因此,哥日卓托洋岛玄武岩的厘定不仅丰富了布青山构造混杂岩带中混杂岩块的类型,而且对于探讨东昆仑南缘晚古生代古特提斯洋洋陆格架有着重要的地质意义。古特提斯洋是晚古生代以来存在于冈瓦纳大陆和劳亚大陆之间的三角形大洋［４８］,现今古特提斯遗迹在东亚地区保存最为完整［４９］,在中国研究较为深入的有三江地区的昌宁—孟连带、金沙江—哀牢山带、甘孜—理塘带、南秦岭勉略带、阿尼玛卿带及青藏高原羌塘地区［５０－５７］,认为布青山—阿尼玛卿构造混杂岩带代表了古特提斯最北缘的一条分支洋盆［５８－５９］。郭安林等［１２］指出,在布青山东段的阿尼玛卿构造带的德尔尼蛇绿岩段,表现为N-MORB-OIB-E-MORB的组合特征,表明了洋盆的存在及以玛积雪山洋岛玄武岩为中心向周缘过渡的构造格局。在布青山地区哈尔郭勒一带,刘战庆等［８，１１］对哈尔郭勒蛇绿岩研究后认为其代表古特提斯洋分支洋盆,岩石组合包括蛇纹岩、辉长岩、辉绿岩、玄武岩及硅泥岩,其中玄武岩具N-MORB特征,辉长岩锆石U-Pb年龄为(332.8±3.1)Ma。前已论述,哥日卓托玄武岩形成于大洋板内由地幔柱引发的洋岛环境(OIB),形成时代为早石炭世,进一步证明东昆仑南缘石炭纪布青山—阿尼玛卿古特提斯洋的存在。此外,区域上,从石炭纪沉积组合来看,布青山构造混杂岩带北侧的东昆仑地区石炭纪发育有一套稳定的哈拉郭勒组(C１hl)与浩特洛洼组