东天山石炭纪火山岩地球化学特征及其古环境意义

东天山石炭纪火山岩地球化学特征及其古环境意义

1东大亚地区石炭纪火山岩建造的地质意义东天山带北侧东、西准噶尔造山带的西伯利亚地块与北、南卡拉克姆-塔里木-中朝地块之间。这是古代亚洲洋古生代构造的产物（肖旭昌等，1992；马瑞士等，1993；周继元等，1994；何国琦等，1994；夏林毅等，2002；冯益民等，2002；李锦仪等，2004；李锦仪等，2006；肖文交等，2006；高军等，2006）。天山及其邻区发育广泛的石炭纪火山岩建造,长期受到大家的关注,但其构造归属及成因至今仍存在不同的认识:一种观点认为天山地区石炭纪火山岩是古亚洲洋闭合后,大规模裂谷事件的产物(顾连兴等,2000,2001a;夏林圻等,2002;王方正等,2002)。夏林圻等(2004)更是提出以天山为中心的中亚地区石炭-早二叠纪大规模裂谷火山事件与劳亚古陆(Laurasia)之下存在的一个全球尺度的地幔柱-超级地幔柱有关。第二种观点认为天山石炭纪的火山岩建造是洋壳俯冲产生的岩浆弧(马瑞士等,1993,李锦轶等,2002;左国朝等,2006;李曰俊等,2009)。由此产生的洋壳俯冲的方向问题,亦有着向南俯冲(左国朝等,2006)、向北俯冲(顾连兴等,2001b)和双向俯冲(李锦轶等,2002)的不同认识。迄今为止,天山地区石炭纪火山岩相当缺乏精确的定年测试资料。已经开展研究的石炭纪火山岩地区多数是针对单个地区的岩石学、地球化学、同位素年代学研究,对研究区的火山岩未开展过大尺度的地质剖面研究,缺少大尺度系统对比。为此本研究详细考察了东天山康古尔塔格断裂以南,阿奇克库都克断裂两侧,长约200km的石炭纪火山岩地层剖面(图1),沿大体垂直于中天山北缘阿奇克库都克断裂的方向系统采集的一组火山岩样品进行了详细的岩石学、地球化学及锆石U-Pb年代学研究,同时对比邻区的研究成果,希望对东天山石炭纪火山岩的成因及构造归属提供有效的证据。2岩石学和矿物学特征研究区位于中国境内东天山中部,北以康古尔塔格断裂与吐哈盆地为界,南至阿奇克库都克断裂以南的阿拉塔格地区出露的火山岩(图2)。区内由北向南出露的地层包括企鹅山群(CQ)、干墩组(C1gd)、雅满苏组(C1ym)和底坎儿组(C2d)及卡瓦布拉克组(Pt)(图2)。企鹅山群(CQ)位于觉罗塔格构造带的北部,南侧与干墩组以康古尔塔格断裂为界,主要为一套变火山-沉积岩系。李向民等(2004)对东天山企鹅群中基性火山岩和酸性火山岩锆石U-Pb测年结果分别为323±2Ma及320±2Ma。侯广顺等(2005)对东天山企鹅山群中安山岩锆石SHRIMPU-Pb年龄为337±6Ma。干墩组分布在康古尔塔格断裂带与雅满苏断裂之间,主体为一套砂岩-凝灰岩-硅质岩组合,形成于早石炭世晚期(周济元等,1994)。雅满苏组南侧以阿其克库都克-沙泉子断裂为界与中天山古隆起带相隔,北侧以雅满苏断裂为界,主要为一套变火山岩-火山碎屑岩系,其中的火山岩以钙碱性系列为主(何国琦等,1994)。李华芹等(1998)等获得康古尔矿区阿齐山地区蚀变流纹岩Rb-Sr同位素年龄约为300Ma,蚀变安山岩的年龄为290Ma左右。杨兴科等(1998)对侵位于阿齐山-雅满苏组的铁岭花岗闪长岩体Rb-Sr同位素测年结果为315Ma,并根据雅满苏组安山岩之下产出有早石炭世标准化石楞菊石,认为雅满苏组应属于早石炭世。底坎儿组主要由一套火山熔岩及火山碎屑岩组成。李永军等(2007)根据东天山库姆塔格沙垄地区发现的牙形石,认为底坎儿组形成于晚石炭世,并通过对底坎儿组沉积环境的分析,认为其属于弧后盆地建造。3火山岩结构特征研究区火山岩主要为一套低绿片岩相浅变质火山岩,类型包括变玄武岩、安山岩以及流纹岩,受区内两条近东西向断裂的控制,呈带状展布。区内的变玄武岩、安山岩、流纹岩多呈互层产出。灰绿色玄武岩块多夹杂在浅灰色长英质岩石中,部分地区玄武岩与灰黑色辉绿岩脉互层产出(图3a);安山岩多为紫褐色,斑状结构,块状构造(图3c)。流纹岩呈现灰色,局部隐约可见流纹构造,片理化明显,岩体常杂有细长网状分布的石英脉(图3b)。受晚古生代末的右旋走滑的影响(李锦轶等,2002),研究区火山岩构造片理化发育,变形现象明显,破碎强烈,常被挤压成透镜状(图3d)。在对区内的火山岩开展野外调查和详细观察的基础上,沿近垂直地层走向的方向,系统采集一组火山岩样品,其中变玄武岩样品49个,安山岩样品23个,流纹岩样品17个。研究区玄武岩从结构特征可以分为两种,第一种玄武岩块状构造,隐晶质结构,辉绿结构、斑晶不发育,斜长石含量约40%,(图4a)。玄武岩中辉石主要为普通辉石,伴有较强的绿泥石化,含量约为45%,角闪石含量约为10%～15%,副矿物主要是榍石等;第二种为拉斑玄武岩,灰黑色,块状构造,斑状结构。斑晶主要为拉长石,含量约30%,常伴有明显的钠黝帘石化和绢云母化。岩石基质为霏细结构,纤维交织结构。基质的矿物成分主要为辉石,部分辉石已经蚀变为绿泥石(图4b)。安山岩常呈紫褐色,斑状结构,块状构造。斑晶为斜长石,并伴有明显帘石化和绢云母化。基质为隐晶质结构,副矿物主要为磁铁矿,几乎没有石英的存在(图4c)。酸性火山岩块状构造,隐晶质,霏细结构,无斑晶。主要矿物为含量相当的碱性长石和石英,副矿物主要为黑云母和锆石等(图4d)。4测试方法及结果在详细的岩相学观察基础上,选取新鲜、无后期脉体交代的样品,粉碎至200目进行全岩和微量元素地球化学分析,其中玄武岩样品16个,安山岩样品8个,流纹岩样品7个。主量元素采用X荧光光谱仪,微量元素采用等离子质谱方法分析。全部测试工作均由国家地质实验测试中心完成。火山岩的化学成分及微量和稀土元素分析结果列于表1中。从表1中可以看出研究区岩石的H2O与CO2含量总和在1.16%～7.15%之间,与显微镜下观察到的岩石遭受过一定的蚀变作用现象一致。4.1酸性火山岩sio和al2o3含量随构造置放时间的变化从图SiO2-Nb/Y(图5)中可以看出本区的岩石样品除一个样品外,全部落入了亚碱性系列区域。本区玄武岩的TiO2含量介于0.96%～1.95%之间,绝大多数变化于典型的洋脊拉斑玄武岩(平均1.5%)和岛弧拉斑玄武岩(平均0.84%)TiO2含量之间。玄武岩MgO变化范围较宽,在2.93%～8.01%之间。安山岩的SiO2含量在53.26%～62.64%之间变动,Al2O3含量介于12.55%～16.99%之间。MgO含量较低,介于2.25%～4.63%之间,TiO2含量在0.59%～1.64%之间变动,与典型的岛弧与陆缘弧安山岩相似。酸性火山岩SiO2和Al2O3含量变化较大,分别变动于66.09%～79.41%和9.55%～15.13%之间,它们Al2O3含量总是大于CNK含量的总和,具有过铝质的特征。在AFM图解(Ringwood,1975)(图6)上可以看出,研究区的火山岩具有典型的钙碱性(CA)序列演化趋势,暗示其可能形成于较成熟的岛弧环境(潘桂棠等,2008)。4.2la/yb/laeb的右倾斜率值创造分析结果(表1)表明,研究区玄武岩的∑REE较低且变化较大,变动于66.41×10-6～177.2×10-6之间。∑LREE/∑(HREE+Y)和(La/Yb)N比值可分为明显不同的两类,第一类∑LREE/∑(HREE+Y)和(La/Yb)N比值小于1,其REE球粒陨石标准化配分曲线上(图7a)与LREE亏损的洋脊玄武岩的曲线型式相似(Roexetal.,1983)。第二类(La/Yb)N比值大于1,其REE球粒陨石标准化曲线(图7a)呈现出LREE轻微富集的右倾负斜率曲线,且配分曲线大体平行,暗示它们可能是同源演化的产物。安山岩的∑LREE/∑(HREE+Y)和(La/Yb)N比值稳定且大于1,∑REE略高于玄武岩,具有轻微的Eu负异常,具有典型岛弧型安山岩的REE配分曲线型式特征(图7b)(CullersandGraf,1984)。英安岩与流纹岩具有轻稀土富集的右倾正斜率曲线型式(图7c)。δEu变化较大,介于0.07～0.66之间,说明它们经历了中等到高程度的斜长石分离结晶作用。4.3n-morb的岛弧/陆缘弧玄武岩微量元素特征(图8a)亦显示出其具有两种不同的型式,第一类玄武岩微量元素丰度整体较低,没有明显的Nb、Ta亏损和LILE富集,与N-MORB型玄武岩的微量元素特征相似。第二类玄武岩相对于第一类玄武岩具有较高的微量元素丰度,具有明显的LILE富集和Nb、Ta亏损,具有典型的岛弧玄武岩的特征。在Nb/Y-Zr/Y图解中(图9)(Kerretal.,1997),第一类玄武岩落在了N-MORB附近。第二类玄武岩除一个点外,全部落在了N-MORB与平均大陆地壳的混合线上。这种分布特征说明,尽管两类玄武岩经历了不同矿物的结晶分离作用,受地壳的影响明显不同,但两者可能具有相同的地幔源区,是同源岩浆演化的产物。安山岩微量元素N-MORB标准化蛛网图具有典型的岛弧/陆缘弧(图8b)的特征。流纹岩微量元素具有富Rb、Th,贫Nb、Ta的特点(图8c),特别是Rb、Th的尖峰都显示出消减带的特征。5采样点岩石岩性为了获取火山岩的时代,采用LA-ICP-MS法对研究区两处位置的岩体中的岩浆锆石进行了U-Pb同位素年龄测试。两处采样点岩石岩性均为流纹岩,第一处位置采样点地理位置为92°13′37″,42°01′38″,构造位置位于阿奇克库都克断裂以北,属于石炭纪底坎儿组,样品编号为07Y-1148。第二处位置采样点地理位置为91°49′17″,41°37′42″,构造位置位于阿奇克库都克断裂以南,样品编号为07Y-1219。5.1锆石的外标和内标锆石的阴极发光(CL)显微照相在北京离子探针中心电镜实验室完成。锆石原位U-Pb同位素年龄分析在中国地质调查局天津地质调查中心(天津地质矿产研究所)完成,锆石定年分析所用仪器为FinniganNeptune型MC-ICP-MS及与之配套的NewwaveUP193激光剥蚀系统。激光剥蚀斑束直径为35μm,激光剥蚀样品的深度为20～40μm。锆石年龄计算采用国际标准锆石91500作为外标,元素含量采用美国国家标准物质局人工合成硅酸盐玻璃NISTSRM610作为外标,29Si作为内标元素进行校正。数据处理采用ICPMSDataCal4.3程序(Liuetal.,2008),并对测试数据进行普通铅校正(Andersen,2002),年龄计算及谐和图绘制采用ISOPLOT(3.0版)(Ludwig,2003)软件完成。5.2锆石u-pb年龄样品07Y-1148挑选的锆石显微镜下多为无色透明,短柱状、自形-半自形晶,具有较小的长宽比。锆石的粒径变化在50～100μm之间。多数的锆石阴极发光图像表现出明显的岩浆型震荡环带,少数兼有扇形分带结构和补丁状结构,表现出典型的岩浆型锆石的CL结构。从图10中可以看出该样品的锆石几乎没有受到后期变质流体的蚀变和改造作用。样品07Y-1148共分析测试了37个点,锆石的U-Pb测试数据见表2。锆石的Th/U比值介于0.31～0.80之间,具有典型岩浆成因锆石的特征(Vavraetal.,1999;WuandZheng,2004)。37个分析测试点的平均年龄为320.5±1.2Ma(MSWD=1.3)(图11)。样品07Y-1219锆石显微镜下多为无色透明,长柱状自形晶,粒径在100～200μm之间,具有较大的长宽比。锆石阴极发光图像具明显的岩浆型震荡环带(图12)。该样品共分析测试了31个点,锆石的U-Pb测试数据见表3。锆石的Th/U比值介于0.32～0.93之间。除两个点的年龄明显老于其他测点外,其余29个分析测试点的平均年龄为295±0.7Ma(图13)。6讨论6.1境判别解中的双质质低效岩Hf、Th、Ta属于不活泼元素,较少受到变质和蚀变作用的影响,而部分熔融和分离结晶作用对它们亦影响不大,可以很好的反映玄武岩的源区性质(Woodetal.,1979)。在Hf/3-Th-Ta(图14)构造环境判别图解中第一类玄武岩((La/Yb)N<1)落在MORB区域;第二类玄武岩((La/Yb)N>1)绝大多数落在了岛弧玄武岩区域。研究表明西南盆地和Sunda岛弧弧后盆地张开的早期阶段,玄武岩的成分和来源非常复杂,通常具有裂谷的特征,可能是两种或两种以上的不同地幔端员混合的产物(Dossoetal.,1988)。有些玄武岩富集大离子亲石元素,并伴有Ta、Nb的负异常,显示出来自弧后盆地消减的岩石圈。随着扩张发展到弧后盆地的成熟阶段,消减作用减弱,玄武岩具有MORB的特征。研究区的石炭纪火山岩明显存在些岛弧和洋脊两类玄武岩(图14),且伴有明显的Ta和Nb的负异常(图8a),说明研究区的石炭纪火山岩形成于弧后盆地环境。6.2成因与构造环境东天山石炭纪火山岩主要由玄武岩、安山岩及流纹岩组成。从图1和图2可以看出东天山石炭纪火山岩的分布主要受到雅满苏和阿奇克库都克断裂控制,具有明显近东西向带状展布的特征。为此将研究区的火山岩空间划分为三个带,北带以雅满苏断裂以南石炭纪火山岩建造为代表,中带以阿奇克库都克断裂北侧的底坎儿组火山岩建造为代表,南带以阿奇克库都克以南的石炭纪火山岩建造为代表,结合本文及收集的前人的石炭纪玄武岩地球化学数据进行了对比研究。从表4和图15中可以看出,在SiO2含量相近的情况下,东天山石炭纪玄武岩的K2O/Na2O从北向南整体上逐渐增大,南带相比北带增加更是明显。图16的微量元素N-MORB标准化图解也可以清楚的看到从北带→中带→南带LILE丰度显示出逐渐增高的趋势。在玄武岩Th/Yb-Ta/Yb构造图解上(图17)从北带→中带→南带,东天山玄武岩受地壳混染作用逐渐增强,构造环境逐渐由N-MORB向岛弧转变,并最终转变为活动大陆边缘的构造环境。主量和微量元素的分析表明(表4),中天山石炭纪火山岩从北向南玄武岩成分,在SiO2含量相近的情况下,K2O、K2O+Na2O、K2O/Na2O、LILE元素(Rb、Ba、Sr等)和HFSE元素(Nb、Ta、Th、Zr等)存在空间上的规律性变化。这与中、新生代岛弧和活动大陆边缘产出的火山岩的成分极性变化相一致,即由海沟向大陆一侧,在SiO2含量相近的情况下,K2O、K2O+Na2O、K2O/Na2O、LILE元素(Rb、Ba、Sr)和HFSE元素(Nb、Ta、Th、Zr)呈规律性增加(Dickinson,1975;骆庭川等,1993)。在俯冲带环境中,岩浆源区物质主要来自4个部分:(1)地幔楔中的橄榄岩;(2)俯冲带中的流体;(3)俯冲板片部分熔融形成的熔体;(4)大陆地壳物质的同化混染(Macdonaldetal.,2000)。与板片俯冲有关的火山岩的Zr/Nb比值一般在10～60之间变化(Davidson,1996)。研究区三个带中玄武岩的Zr/Nb比值变动于7.78～44.1之间,表明它们的源区物质比较复杂。用Yb标准化后的比值可以消除或减少部分熔融和分离结晶作用对于玄武岩微量元素的影响,从而确定其源区的地球化学性质(Macdonaldetal.,2000)。Nb/Yb-Zr/Yb图解上(图18),东天山石炭纪火山岩三个带的样品除两个样品外,大部分落在了富集地幔区域,表现出从北带→中带→南带逐渐富集的特征,且南带比北带富集程度明显增高,暗示东天山石炭纪玄武岩源区由北向南可能经历了不同程度的俯冲带流体或熔体的改造作用。洋底沉积物中高度富集Th(PlankandLangmui,1989;Benetal.,1989),而Ce在热液中的活动性比Th强,因此Th/Ce比值可以很好的识别俯冲板片中沉积物组分对于俯冲带岩浆的贡献率(Youetal.,1996)。东天山石炭纪玄武岩的Th/Ce比值变动于0.021～0.13之间,在Sr/Th-Th/Ce图解(图19)中,中带和南带的玄武岩的Th/Ce比值明显的高于北带,从北向南逐渐向着大陆地壳平均值靠近,说明北带→中带→南带玄武岩受到俯冲板片所携带的沉积物混染的影响明显增强。综上所述,东天山石炭纪基性熔岩从北向南地球化学性质在空间上存在规律性的变化,具有明显的成分分带是客观存在的事实。随着北带→中带→南带的过渡,流体改造作用和俯冲板片携带沉积物对玄武岩的影响明显增强,与环太平洋中、新生代岛弧和活动大陆边缘产出的火山岩的成分极性变化一致。岛弧或活动大陆边缘岩浆中的成分极性是俯冲带上盘岩浆活动的基本规律,这种成分极性主要与板块俯冲消减运动有关。认为东天山石炭纪火山岩的成分极性规律是古亚洲洋向南俯冲的结果。6.3东天山石炭纪弧盆岩的性质经典的板块构造模式认为洋脊扩张引发洋盆扩张、洋壳俯冲的过程派生出的一系列岩石组合记录了洋壳产生→俯冲→闭合的历史。东天山石炭纪是一套拉斑质-钙碱质基性熔岩建造(马瑞士等1993;李锦轶等,2002;左国朝等,2006;侯广顺等,2006;吴春伟等,2008;李曰俊等,2009;本文资料),说明东天山在石炭纪曾经存在一个弧盆体系。东天山石炭纪火山岩存在着由北向南的地球化学成分分带,其极性的变化类似于环太平洋中-新生代岛弧和活动大陆边缘产出的火山岩的成分极性,暗示古亚洲洋壳在石炭纪存在着向东南准噶尔-吐鲁番-哈密陆块下的俯冲。随着洋壳的俯冲的进行,在东天山觉罗塔格地区引发了弧后盆地分裂扩张,产生了具有富集大离子亲石元素,并伴有Ta、Nb的负异常的N-MORB和IAT两类玄武